양성자 교환막 전기 분해

Infobox electrolysis |electrolysistype = PEM Electrolysis |electrolysisimage=PEMelectrolysis.jpg |Caption=PEM 전기분해 반응 다이어그램 |acatalyst=이리듐 |ccatalyst=백금 |membranemat=고체 고분자 |aptl=티타늄 |cptl=탄소 종이/탄소 플리스 |bppmat=티타늄 또는 금 및
백금 코팅 티타늄 |celltemp=50-80°C |cellpress= O2 (g) + 4H+ (aq) + 4 e^- |}
### 음극 반응
PEM 전해조의 음극에서 일어나는 반쪽 반응은 일반적으로 수소 발생 반응(HER)이라고 불린다. 여기서는 공급된 전자와 막을 통해 전도된 양성자가 결합하여 기체 수소를 생성한다. :{| |- || 4H+ (aq) + 4 e^- -> 2H2 (g) |} 아래 그림은 PEM 전기분해가 어떻게 작동하는지 단순화하여 보여주며, 개별 반쪽 반응과 PEM 전해조의 완전한 반응을 함께 나타낸다. 이 경우 전해조는 수소 생산을 위해 태양 전지판과 연결되어 있지만, 태양 전지판은 어떤 종류의 전기 공급원으로든 대체될 수 있다. PEM 전해조 셀 및 기본 작동 원리 다이어그램.
## 열역학 제2법칙
열역학 제2법칙에 따라 반응의 엔탈피는 다음과 같다. :{| |- || \Delta H = \underbrace{\Delta G}_{\textrm{elec. + \underbrace{T\Delta S}_{\textrm{heat |} 여기서 \Delta G 는 반응의 깁스 자유 에너지, T는 반응 온도, \Delta S는 시스템의 엔트로피 변화이다. :{| |- || H2O (l) + \Delta H -> H2 + 1/2 O2 |} 열역학적 에너지 입력을 포함한 전체 셀 반응은 다음과 같다. :{| |- || H2O (l) ->[+\overbrace{237.2 \ \ce{kJ / mol^{\ce{electricity][+\underbrace{48.6 \ \ce{kJ / mol_{\ce{heat] {H2} + 1/2 O2 |} 위에 제시된 열 및 전기 입력은 전기분해 반응을 얻기 위해 전기로 공급할 수 있는 최소 에너지 양을 나타낸다. 최대 열 에너지 양(48.6 kJ/mol)이 반응에 공급된다고 가정하면, 가역 셀 전압 V^0_{\textrm{rev를 계산할 수 있다.
## 개방 회로 전압(OCV)
{| |- || V^0_{\textrm{rev=\frac{\Delta G^0}{n\cdot F}=\frac{237 \ \textrm{kJ/mol{2 \times 96,485 \ \textrm{C/mol=1.23 \textrm{V} |} 여기서 n은 전자 수이고 F는 패러데이 상수이다. 비가역성이 없고 모든 열 에너지가 반응에 활용된다고 가정하여 셀 전압을 계산하는 것을 저위 발열량(LHV)이라고 한다. 고위 발열량(HHV)을 사용하는 다른 공식은 전기분해 반응을 구동하는 데 필요한 모든 에너지가 필요한 에너지의 전기적 구성 요소에 의해 공급된다고 가정하여 더 높은 가역 셀 전압을 초래한다. HHV를 사용할 때 전압 계산은 열중립 전압이라고 한다. {| |- || V^0_{\textrm{th=\frac{\Delta H^0}{n\cdot F}=\frac{285.9 \ \textrm{kJ/mol{2 \times 96,485 \ \textrm{C/mol=1.48 \textrm{V} |}
## 전압 손실
연료 전지와 마찬가지로 전기분해 전지의 성능은 일반적으로 전지 전압을 전류 밀도에 대해 플롯하여 얻어지는 분극 곡선을 통해 비교된다. PEM 전해조에서 전압 증가의 주요 원인(이는 PEM 연료 전지에도 동일하게 적용됨)은 세 가지 주요 영역, 즉 옴 손실, 활성화 손실 및 물질 수송 손실로 분류될 수 있다. PEM 연료 전지와 PEM 전해조 간의 작동 역전으로 인해 이러한 다양한 손실의 영향 정도는 두 프로세스 간에 다르다. :{| |- || V_{\textrm{cell=E+V_{\textrm{act +V_{\textrm{trans +V_{\textrm{ohm |} PEM 전기분해 시스템의 성능은 과전압 대 셀 전류 밀도를 플로팅하여 비교할 수 있다. 이는 본질적으로 수소와 산소를 생산하는 데 필요한 셀 면적당 전력을 나타내는 곡선을 생성한다. PEM 연료 전지와 반대로, PEM 전해조는 주어진 전류 밀도에서 셀 전압이 낮을수록 더 좋다. 아래 그림은 율리히 연구소(Forschungszentrum Jülich)에서 25cm2 단일 셀 PEM 전해조를 열중성 작동 조건에서 시뮬레이션한 결과로, 다양한 전류 밀도 범위에 걸쳐 전압 손실의 주요 원인과 기여도를 보여준다.
### 옴 손실
옴 손실은 셀 구성 요소의 내부 저항으로 인해 전기분해 공정에 도입되는 전기적 과전압이다. 이 손실은 전기분해 반응을 유지하기 위해 추가적인 전압을 필요로 하며, 이 손실의 예측은 옴의 법칙을 따르며 작동하는 전해조의 전류 밀도에 선형 관계를 갖는다. :{| |- || V=I\cdot R |} 전기 저항으로 인한 에너지 손실이 완전히 사라지는 것은 아니다. 저항으로 인한 전압 강하는 줄 가열로 알려진 과정을 통해 전기 에너지가 열 에너지로 변환되는 것과 관련이 있다. 이 열 에너지의 대부분은 반응물 물 공급과 함께 사라져 환경으로 손실되지만, 이 에너지의 작은 부분은 전기분해 과정에서 열 에너지로 재포착된다. 재포착될 수 있는 열 에너지의 양은 시스템 작동 및 셀 설계의 여러 측면에 따라 달라진다. :{| |- || Q\propto I^2 \cdot R |} 양성자 전도로 인한 옴 손실은 옴의 법칙을 따르지만 줄 가열 효과 없이 효율 손실에 기여한다. PEM의 양성자 전도도는 막의 수화, 온도, 열처리 및 이온 상태에 매우 의존적이다.doi=10.1016/j.ijhydene.2013.09.013
## 패러데이 손실 및 크로스오버
패러데이 손실은 음극 가스 출구에서 수소를 생성하지 않고 공급되는 전류와 관련된 효율 손실을 설명한다. 생성된 수소와 산소는 막을 통해 투과할 수 있으며, 이를 크로스오버라고 한다. 두 가스의 혼합물이 전극에서 발생한다. 음극에서는 산소가 음극 촉매의 백금 표면에서 수소와 촉매적으로 반응할 수 있다. 양극에서는 수소와 산소가 이리듐 산화물 촉매에서 반응하지 않는다. 따라서 양극 혼합물인 산소 속 수소로 인한 폭발 위험이 발생할 수 있다. 수소 생산을 위해 공급된 에너지는 수소가 음극에서 산소와 반응하거나 음극에서 막을 가로질러 양극으로 투과되어 손실될 때 사라진다. 따라서 손실된 수소의 양과 생산된 수소의 양의 비율이 패러데이 손실을 결정한다. 전해조의 가압 작동 시 크로스오버 및 그와 관련된 패러데이 효율 손실이 증가한다.
## 물 전기분해 중 수소 압축
가압 전기분해로 인한 수소 발생은 등온 압축 공정과 비교할 수 있으며, 이는 효율 측면에서 기계적 등방성 압축보다 선호된다. 그러나 앞서 언급한 패러데이 손실의 기여도는 작동 압력에 따라 증가한다. 따라서 압축 수소를 생산하기 위해서는 전기분해 중 현장 압축과 이후 가스 압축을 효율성 측면에서 고려해야 한다.
# 시스템 작동
PEM 고압 전해조 시스템 PEM 전해조가 고도로 동적인 조건뿐만 아니라 부분 부하 및 과부하 조건에서도 작동할 수 있다는 점은 이 기술에 대한 최근의 재관심을 불러일으킨 이유 중 하나이다. 전력망의 수요는 비교적 안정적이고 예측 가능하지만, 이를 풍력 및 태양광과 같은 에너지원과 연결할 경우 전력망의 수요가 재생 에너지 생산량과 일치하는 경우는 드물다. 이는 풍력 및 태양광과 같은 재생 에너지원에서 생산되는 에너지가 버퍼 또는 비수기 에너지를 저장할 수단을 가질 때 이점을 얻는다는 것을 의미한다. 2021년 기준, 가장 큰 PEM 전해조는 20MW이다.url-status=live
## PEM 효율
PEM 전기분해의 전기 효율을 결정할 때는 HHV를 사용할 수 있다.accessdate=22 April 2018 이는 촉매 층이 수증기와 상호작용하기 때문이다. PEM 전해조는 80°C에서 작동하므로 폐열을 시스템을 통해 재활용하여 증기를 생성할 수 있으며, 그 결과 전반적인 전기 효율이 높아진다. 알칼리 전해조의 경우 LHV를 사용해야 하는데, 이 전해조의 공정은 액체 상태의 물을 필요로 하며 수소와 산소 원자를 결합하는 결합을 끊는 데 알칼리성을 사용하기 때문이다. LHV는 연료 전지에도 사용되어야 하는데, 증기가 입력이 아닌 출력으로 나오기 때문이다. PEM 전기분해는 반응을 구동하는 데 사용되는 전력 단위당 생산되는 수소의 측면에서 작동 적용에서 약 80%의 전기 효율을 가진다.quote=Total Efficiency: 70%, or 86% (usage of waste heat)url-status=live PEM 전기분해의 효율은 2030년 이전에 82-86%에 도달할 것으로 예상되며,ref=pg9 이 분야의 진전이 계속됨에 따라 내구성도 유지될 것이다.ref=pg27