양성자 교환막 전기 분해

양성자 교환막 전기 분해(, PEM)는 양성자 전도, 생성 가스 분리, 전극의 전기 절연을 담당하는 고체 고분자 전해질(SPE)이 장착된 전해조에서 물의 전기분해를 하는 것이다. PEM 전해조는 현재 알칼리 전해조를 괴롭히는 부분 부하, 낮은 전류 밀도, 낮은 압력 작동 문제를 극복하기 위해 도입되었다. 이 기술에는 양성자 교환막이 사용된다.

전기분해는 에너지 운반체로 사용될 수소 생성을 위한 중요한 기술이다. 빠른 동적 응답 시간, 넓은 작동 범위 및 높은 효율성을 갖춘 물 전기분해는 재생 에너지원과 결합된 에너지 저장에 유망한 기술이다. 지속 가능성 및 환경 영향 측면에서 PEM 전기분해는 탄소 배출 없이 산소만을 부산물로 배출하므로 고순도 및 효율적인 수소 생산을 위한 유망한 기술로 간주된다. IEA는 2022년에 더 많은 노력이 필요하다고 언급했다. 이리듐의 가용성은 PEM 기술의 광범위한 채택에 제약이 될 수 있다.

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 역사 
전기분해에 PEM을 사용하는 것은 1960년대 제너럴 일렉트릭에 의해 처음 도입되었으며, 알칼리 전기분해 기술의 단점을 극복하기 위해 개발되었다. 초기 성능은 1.88V에서 1.0A/cm2였는데, 이는 당시 알칼리 전기분해 기술에 비해 매우 효율적이었다. 1970년대 후반에 알칼리 전해조는 2.06V에서 약 0.215A/cm2의 성능을 보고했다. 이는 1970년대 후반과 1980년대 초반에 물 전기분해용 고분자 전해질에 대한 갑작스러운 관심을 불러일으켰다. PEM 물 전기분해 기술은 PEM 연료 전지 기술과 유사하며, 나피온(nafion), 푸마펨(fumapem)과 같은 고체 폴리설폰화 막이 전해질(양성자 전도체)로 사용되었다.

초기 연구부터 현재까지의 역사적 성능에 대한 철저한 검토는 카르모(Carmo) 외 연구진의 2013년 논문에서 많은 작동 조건과 함께 연대순으로 찾아볼 수 있다.

 장점 
PEM 전기분해의 가장 큰 장점 중 하나는 높은 전류 밀도에서 작동할 수 있다는 것이다. 이는 특히 풍력 및 태양광과 같은 매우 동적인 에너지원과 연결된 시스템의 경우 운영 비용을 절감할 수 있는데, 에너지 입력의 급작스러운 급증은 그렇지 않으면 포착되지 않는 에너지로 이어질 것이기 때문이다. 고분자 전해질은 PEM 전해조가 매우 얇은 막(~100-200μm)으로 작동하면서도 높은 압력을 허용하여, 주로 막을 통한 양성자 전도(0.1 S/cm)로 인한 낮은 옴 손실과 수소 압축 출력을 제공한다.

고분자 전해질 막은 고체 구조로 인해 낮은 가스 교차율을 보여 매우 높은 생성 가스 순도를 나타낸다. 높은 가스 순도를 유지하는 것은 저장 안전성과 연료 전지에서 직접 사용하기 위해 중요하다. 표준 조건에서 O2 내 H2에 대한 안전 한계는 4 mol-% H2이다.

 과학 
전해조는 전기와 물을 수소와 산소로 변환하는 전기화학 장치로, 이 가스는 나중에 에너지를 저장하는 수단으로 사용될 수 있다. 이 용도는 풍력 터빈 및 태양 전지와 같은 동적 전기원으로부터의 전력망 안정화부터 연료 전지 차량의 연료로서의 국소적 수소 생성에 이르기까지 다양하다. PEM 전해조는 고체 고분자 전해질(SPE)을 사용하여 양극에서 음극으로 양성자를 전도하면서 전극을 전기적으로 절연한다. 표준 조건에서 물 분해에 필요한 엔탈피는 285.9 kJ/mol이다. 지속적인 전기분해 반응에 필요한 에너지의 일부는 열에너지로 공급되고 나머지는 전기에너지로 공급된다.

 반응 
작동하는 전해조의 개방 회로 전압 실제 값은 셀/스택 설계가 열에너지 입력을 어떻게 활용하는지에 따라 1.23V와 1.48V 사이에 있다. 그러나 작동하는 전해조는 내부 전기저항, 양성자 전도도, 셀을 통한 물질 전달 및 촉매 활용 등 다른 전압 손실도 경험하기 때문에 이를 결정하거나 측정하기는 매우 어렵다.

산화환원 반응은 촉매 표면에서 일어난다. 그러나 산화환원 반응에 접근 가능한 실제 촉매 표면인 전기화학적 표면적(ECSA)은 노출된 촉매의 기하학적 표면적과 일치하지 않는다. 따라서 전기화학적 표면적과 기하학적 표면적 사이의 비율을 최대화하는 것은 성능 향상과 귀금속 촉매 사용 감소에 매우 중요하다.

 양극 반응 
PEM 전해조의 양극에서 일어나는 반쪽 반응은 일반적으로 산소 발생 반응(OER)이라고 불린다. 여기서 액체 물 반응물은 촉매에 공급되며, 공급된 물은 산소, 양성자 및 전자로 산화된다.

 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.

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.

섬네일|center|PEM 전해조 셀 및 기본 작동 원리 다이어그램.

 열역학 제2법칙 
열역학 제2법칙에 따라 반응의 엔탈피는 다음과 같다.

여기서 는 반응의 깁스 자유 에너지, 는 반응 온도, 는 시스템의 엔트로피 변화이다.

열역학적 에너지 입력을 포함한 전체 셀 반응은 다음과 같다.

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 를 계산할 수 있다.

 개방 회로 전압(OCV) 

여기서 은 전자 수이고 는 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.

 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.

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.

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.

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.

 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 
섬네일|upright=1.5|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.

 PEM 효율 
PEM 전기분해의 전기 효율을 결정할 때는 HHV를 사용할 수 있다. 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. PEM 전기분해의 효율은 2030년 이전에 82-86%에 도달할 것으로 예상되며, 이 분야의 진전이 계속됨에 따라 내구성도 유지될 것이다.

 같이 보기 

 전기화학
 전기화학 공학
 전기분해
 수소 생성
 알칼리수 전기분해
 고체 산화물 전해조 전지
 음이온 교환막 전기분해
 가스 분해기
 광촉매 물 분해
 정수
 수소 기술의 타임라인
 물의 전기분해
 PEM 연료 전지
 수소경제
 고압 전기분해

 각주 

분류:전기 분해
분류:수소 생성
분류:수소경제
분류:전해전지