수전해 기술 정리 (AEC, PEM, AEM, SOEC)

 

 

 

 

 

[에너지백과] 수전해 – SK E&S 미디어룸 (skens.com)

 

 

수전해 기술은 재생에너지 등의 전기를 인가하여 물로부터 수소와 산소를 분리하는 기술입니다.

 

수전해 반응을 위한 가장 기본적인 단위인 셀은 두 개의 전극과 분리막으로 구성되어 있고 각각의 전극에서는 수소와 산소가 발생하는 반응이 일어납니다.

 

실제 수전해 시스템은 수전해 단위 셀이 직렬로 연결되어 적층된 수전해 스택과 펌프, 정류기 등의 부가 시스템들이 포함 된 Balance of Plant (BOP)로 구성되어 있습니다.

 

수전해 시스템의 성능은 수전해 반응이 일어나는 수전해 셀/스택과 BOP 각각의 효율과 내구성에 영향을 받는데, 그 중에서 스택의 효율과 내구성이 가장 중요합니다.

 

수전해 성능안전 표준 평가시스템 개발 (한국에너지기술연구원)

 

 

 

수전해 방식은 현재 크게 4가지로 구분할 수 있습니다.

 

하나하나 찬찬히 보도록 하겠습니다.

 

 

[에너지백과] 수전해 – SK E&S 미디어룸 (skens.com)

 

 

 

1) 알칼라인 수전해 (AWE, AEC, AEL)

 

알칼라인 수전해는 알칼리 전해액을 이용해 물을 전기분해 하는 방식입니다.

 

수전해 방법 중 가장 상용화된 기술로 연구가 오래 진행되어 안정적이고 검증된 기술로 신뢰성이 높습니다.

 

주요 국가별 수소 전략과 청정수소 생산비용 전망 (에너지경제연구원)

 

 

알칼라인 수전해의 가장 큰 단점은 전류밀도가 낮다는 것입니다.

 

전류밀도가 낮다는 것은 동일한 수소 생산량을 위해서 더 큰 면적이 필요해서 설비가 커지게 됩니다.

 

알칼라인 전해조는 수산화 칼륨(KOH) 또는 수산화 나트륨(NaOH) 용액을 전해질로 사용하는데, 전해질 자체의 저항이 높아 전류 밀도를 높이기 어렵습니다

 

그리고 다공성 격막을 사용하여 수소와 산소의 혼합을 방지하는데, 다공성 격막은 OH- 이온을 전달하는데 제한적이며, 높은 전류 밀도를 지원하기 어려운 구조적 한계가 있습니다.

 

다공성 격막을 통해 산소기체가 수소기체로 이동할 수도 있고, 전해질이 오염될 수도 있어서 기체순도가 타 전해조에 비해 낮습니다.  

 

 

 

2) 양이온 교환막 수전해 (PEM, 고분자 전해질막)

 

PEM 수전해는 양이온 교환막, 고분자 전해질막 수전해라고 부릅니다.

 

고분자 전해질 막(PEM)을 사용하여 양성자(수소 이온, H+)를 전달합니다.

 

Nafion이라고 불리는 고분자를 전해질막으로 씁니다.

 

 

 

Nafion은 고전도성으로 전해질의 저항이 매우 낮고, 매우 얇아서 이온 이동 경로가 짧습니다.

 

그리고 PEM은 백금과 같은 귀금속 촉매를 사용하는데, 이러한 촉매가 반응속도를 크게 증가시킵니다.

 

그래서 PEM 수전해의 전류밀도는 아주 높습니다.

 

 

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반면에 고가의 전해질막인 Nafion을 쓰고, 백금과 같은 귀금속 촉매를 사용하다보니 초기 설치비용이 높습니다.

 

 

 

 

3) 음이온 교환막 수전해 (AEM)

 

AEM 수전해는 알칼라인 수전해와 PEM 수전해의 장점을 결합하려는 시도로 개발된 기술입니다.

 

이 전해조는 음이온 교환막을 사용하여 수산화이온(OH-)을 전달합니다.

 

고가의 Nafion 대신 저렴한 음이온 교환막을 쓰고, 니켈과 같은 비귀금속 촉매를 사용해 초기 설치비용이 PEM 대비 낮습니다.

 

그리고 음이온 교환막은 전도도가 높아서 알칼라인 수전해 대비  높은 전류밀도를 유지할  있습니다.

 

 

Electrochem ❘ Free Full-Text ❘ NiFeOx and NiFeCoOx Catalysts for Anion Exchange Membrane Water Electrolysis (mdpi.com)

 

 

AEM 수전해는 아직 기술개발 초기 단계입니다.

 

그래서 기술이 성숙하지 않아서 장기적인 신뢰성과 안전성이 입증되지 않았습니다.

 

그리고 아직 PEM 막에 비해서 AEM 막의 내구성이 높지 않습니다.

 

 

 

 

4) 고체 산화물 수전해 (SOEC, SOEL)

 

고체 산화물 수전해는 700℃ 이상의 고온에서 운전 가능하며, 수증기를 분해하는 기술로 대형 수전해 시스템에 적용 가능합니다.

 

높은 온도에서 세라믹 등 이온전도성 고체 산화물을 이용하는데, 그러다보니 높은 에너지 효율과 높은 전류 밀도를 갖습니다.

 

 

 

단점으로는 높은 온도로 인해 내구성 문제가 있고 복잡한 열 관리가 필요합니다.

 

그리고 역시 높은 온도에서 작동하다보니 해당 온도를 달성하기 까지 시간이 오래걸려서 기동시간도 깁니다.

 

 

 

[기획연재] ② 수전해 기술별 장단점과 국내외 연구 현황수전해 기술은 고밀도 수소생산과 스택기술이 관건 (gasnews.com)

 

 

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원자력은 고체산화물 수전해, 재생에너지는 양이온 교환막 수전해가 맞아 보입니다.

 

수소 생산을 위해서 안정적인 원자력은 내구성은 떨어지지만 효율이 좋은 고체산화물 수전해로 하고, 간헐성이 있는 재생에너지는 대응이 빠른 양이온 교환막 수전해로 적용하는 것이 가장 좋아 보이네요.

 

알카라인 수전해는 중장기적으로는 쉽지 않아 보입니다. 

 

음이온 교환막 수전해도 취지는 좋으나, 두 개의 장점을 섞어 놓으니 이것도 아니고 저것도 아닌 느낌입니다.

 

관련해서 앞으로 조금 더 공부해 보겠습니다.