알카리수 전기분해 vs PEM 전기분해 수소생산 비교 분석

원본 출처: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/371/4/042022/pdf

수소는 재생 에너지 자원의 매개체로 사용되고, 에너지 저장 원료로 사용할 수 있는 이상적인 청정 에너지원이다. 그리고 다른 에너지원에 비해 높은 열량, 높은 에너지 밀도를 가지고, 다양한 저장 방법이 있다. 그래서 재생에너지의 저장매체로 각광받고 있다.

수전해 수소생산 기술 (주요 수소 생산 방법 중 하나인) 이 고순도 수소 생산을 위해 사용될 수 있고, 한편으로는 전기 분해에 의해 다른 에너지원을 수소 저장소로 전환할 수 있다. 많은 수소 생성 방법 중에, 물 전기 분해에 의한 수소 생산 방식은, 높은 순도, 단순한 작동, 그리고 오염이 없기 때문에 시장에서의 위치 또한 가장 높다. 

알칼리수 전기 분해에 의한 수소 생성과 PEM에 의한 수소 생성 전기 분해는 모두 물 전기 분해 수소 생산 기술이다.

 생산 시설 제작. 산업 응용의 관점에서, 이 글은 두 생산방식의 작동 원리를 비교한다. 두 가지 수소 생성 기술에 해당하는 전해질, 공정 흐름, 작동 조건, 수소 생산 장비의 장단점 및 에서는 두 가지 수소 생성 방법의 특성등을 설명해본다.

알카라인 전기 분해기의 작동 원리
알칼리성 전해기는 30% wt KOH 용액 또는 25% wt NaOH 용액을 전해질로 사용합니다. DC 전류 밀도는 2000A/m2 에서 4000A/m2 이다. 작업 온도는 일반적으로 80°C~90°C로 유지됩니다. 작동 압력이 3.2 MPa 이내입니다. 또한 동일한 압력의 작동이 보장되어야 합니다. 구조적으로, 전해질 셀은 석면, 폴리페닐렌 황화물과 같은 투과성 막을 사용합니다. 전극은 다공성 니켈 기반 전극을 사용하며 엔드 플레이트, 개스킷, 플레이트, 고정 장치 등이 있습니다.
구성 요소들
단일 챔버 전기 분해 반응의 원리는 그림 1에 나와 있습니다. 알칼리 전해질 막의 양쪽에 있는 양극 및 음극 영역으로 들어가며 물 분자가 침투할 수 있습니다. 막을 통과해서 반대편으로 가는 방식이다. 전류가 흐른 후, 전해질의 물 분자는
음극 영역에서는 전자와 결합하여 수소와 수산화 이온을 형성하며, 양극에서는 수산화 이온은 산소와 물을 생성하기 위해 전자를 잃는다. 투과성 막의 방해로 인해 전기 분해에 의해 발생한 가스가 막을 통해 다량으로 반대편으로 전달되지 못한다. 생성된 가스와 전해액이 함께 챔버에서 배출되어 처리된다.

PEM 전기 분해기의 작동 원리
PEM 전해질기는 고체산화물 수소 생산전지의 일종이다. 전해질 원료는 탈이온수이다. DC 전류 밀도는 10000A/m2 ~ 20000A/m2입니다. 알칼리성 물 수소 전해질의 약 5배입니다.
작동 온도 50°C~80°C, 압력 5MPa 미만, 알칼리성 전해질보다 부피가 작은 PEM 전해질은 서로 다른 압력에서 작동할 수 있습니다. PEM 전해질의 구조는 알칼리 전해질의 구조와 유사합니다. 주요 차이점은 박막-전극 조립체(막 전극이라고도 함)를 사용하여 0극의 간격을 형성한다는 점이다. 분리기는 나피온 막으로 물에 담가 산성이 강하며 양극 촉매와 음극 촉매는 분리기 양쪽에 무전기 도금이나 열압축 방식으로 부착된다.

표1 알칼리성 전해질과 PEM 전해질의 특성 비교

PEM 전해질의 반응 원리는 그림 2와 같다. 알칼리성 전해질과 달리 탈이온수는 전해질의 양극 측으로만 들어가면 됩니다. 에너지를 충전한 후에, 멤브레인 전극 양극에서 산소와 수소 이온이 생성되고 수소 이온이 수소화 상태(H+XH2O)에서 음극 측에 도달하여 수소 가스를 발생시킵니다. 그 막은 수소와 산소를 분리한다. 이 방법은 나피온 막이 분리되고 용액 전압 강하가 없어 수소 생산에 에너지 효율이 높다. 그러나 촉매는 고귀한 금속을 사용하기 때문에 전기분해기의 제조 비용이 높습니다. 두 가지 유형의 전해질의 특성은 표 1에 나와 있습니다.

표1 알칼리성 전해질과 PEM 전해질의 특성 비교	알카라인 전해조	PEM 전해조
전해액	30% wt 수산화칼륨 solution or 25% wt 수산화나트륨 solution	Solid polymer (고분자 고체)
전류밀도 (A/m2)	2000 ~ 4000	10000 ~ 20000
사용압력 (MPa)	<= 32 MPa	<= 5MPa
작동온도 (C)	80 ~ 90	50 ~ 80
수소 순도 (%)	99.8 이상	99.99 이상
산출물	O2+ Lye, H2+ Lye	O2+ 탈이온수 H2+ 트레이스 탈이온수
원료	탈이온수, 알칼리수	탈이온수
부식	알칼리성 부식	없음
작동 특성	동중원소 작동	차압 작동
구조 특징	엔드 플레이트, 개스킷, 투과성 멤브레인, 플레이트, 고정 장치	유사한 구조이지만 전근 멤브레인 사용, 0극 간격
부피와 무게	Big	Small, 알카라인 전해조의 3분의 1
생산시설 비용	낮음	높음
수명	10년	3 ~ 4년

3. 전해질 수소 생산 장비의 공정 흐름
3.1. 알칼리수 전기 분해에 의한 수소 생성 공정
알칼리성 물 수소 생산 장치는 주로 알칼리성 물 수소 생산 시스템, 제어 캐비닛 및 정류기 캐비닛의 세 부분으로 구성됩니다. 알칼리성 물 수소 발생기에는 알칼리성 전기 분해기, 수소 분리기, 산소 분리기, 가스 냉각기, 잿물 순환 펌프, 양잿물 냉각기, 저수 탱크, 알칼리 탱크, 제어 밸브 및 기타 일부 구성 요소가 포함됩니다.

그림 3. 알칼리수 수소 생성 공정 흐름도

알칼리 수소 생성 프로세스는 그림 3에 나와 있습니다. 장비를 가동하면 알칼리 탱크에 전해액이 골고루 혼합된 뒤 펌프를 통해 전해질 탱크로 가압돼 수소 생산계통 전체로 들어간다. 분리기의 액체가 지정된 액체 레벨에 도달하면 잿물 흡입구 밸브가 닫히고 전원이 켜집니다. 알칼리 용액이 알칼리 전기 분해기에 전해지면 수소 분리기와 산소 분리기는
가스 액체가 혼합된 상태에서 전해질의 수소 측과 산소 측 출구에서 각각 유입됩니다. 가스는 분리기 상부에서 냉각되어 배출됩니다. 액체가 분리기 하단의 분리기 하단과 합쳐져 순환합니다.
전기분해 시 전기분해로 물이 줄어들기 때문에 주기적으로 수소분리기에 물을 보충해야 한다. 동시에 정기적으로 알칼리용액의 비중을 확인하고 알칼리용액을 보충할 필요가 있다. 알칼리전해질기는 같은 압력에서만 작동할 수 있기 때문에 수소발전기는 시동 시 조절 밸브에 의해 설정 압력까지 점진적으로 가압해야 하므로 시동 시간이 약 1시간이다.

그림 4. PEM 수소 생산 공정 흐름도

PEM 전기 분해 수소 생성 프로세스
PEM 수소 생산 유닛에는 PEM 수소 생산 시스템, 제어 시스템, DC 전원 공급 장치가 포함되어 있습니다.

PEM 수소 생산시스템은 알칼리수소 생산시스템에 비해 가스후처리장치가 상대적으로 작고 특별한 알칼리탱크가 필요없으며 물탱크를 산소분리기로도 사용할 수 있어 비교적 간단하다.

PEM 수소 생성 프로세스는 그림 4에 나와 있습니다. 장비가 가동되면 물탱크의 물을 정해진 액체 수준까지 보충하고 순환펌프를 가동해 순환하며 수소분리기의 수위가 지정된 위치에 도달하는 것을 관찰한다. 
물탱크와 수소 분리기의 액체 레벨이 안정화되면 DC 전원에 전원이 공급되고 PEM 전해질 셀이 전기분해되기 시작합니다. 산소와 물은 물탱크로 분리돼 분리되고, 산소는 분자 체를 통해 여과돼 배출된다. 체 (filter) 를 통해 여과돼 배출된다.
수소 분리기에 수소와 소량의 물이 들어가며 수소 가스는 분자 체를 통과해 추가 처리를 한다. 수소 분리기의 물이 일정 액체 수준에 도달하면 물의 일부가 물탱크로 흘러 들어갑니다.

작동 중 전기 분해는 수분 감소를 유발하므로 수분 보충량을 조절할 필요가 있습니다. 또한 PEM 전기 분해기는 차압으로 작동할 수 있습니다. 시동을 걸 때 알칼리수방식 처럼 점진적으로 조절될 필요는 없다. 조절 밸브의 압력을 지정된 압력으로 직접 설정할 수 있으며, 15분 이내에 장비를 안정화시킬 수 있습니다.

결론

알칼리성 물 수소 생산기술이 완성도가 높고 제조원가가 저렴하다. 현재 수소 생산량은 1000m3/h로 현재의 대규모 수소 생산-수소 생산소에 적합하다. 하지만 이 기술은 느린 시동, 부식, 복잡한 유지 관리 및 장치의 많은 구성요소를 가진다는 것이 단점이다.

PEM 수소 생산 기술은 빠른 시동, 부식 방지, 단순한 유지보수, 적은 구성품이라는 장점이 있다. 현재 최고급 장비는 시속 400m3/h 의 수소를 생산할 수 있다. 높은 제조원가는 PEM 수소 생산기술 개발을 제약하는 주요 요인이다.