양성자 교환막이 녹색 수소 생산을 촉진한다

수소는 햇빛처럼 깨끗하고 어디에나 있는 미래의 에너지 환경을 상상해 보세요. 차량에 동력을 공급하고, 공장에 연료를 공급하며, 그리드 변동을 균형 있게 유지하기 위한 에너지 저장소 역할을 합니다. 이러한 비전을 가능하게 하는 핵심 기술 중 하나는 수소 생산을 위한 양성자 교환막(PEM) 수전해입니다. 이 기술이 특별한 이유는 무엇이며, 어떻게 우리의 에너지 미래를 바꿀까요?

고분자 전해질막 수전해라고도 하는 양성자 교환막 수전해(PEMEL)는 물을 수소와 산소로 분해하는 전기화학적 공정입니다. 핵심 구성 요소는 양성자 교환막으로, 특수 고분자로 만들어진 고체 전해질입니다. PEMEL 기술은 높은 효율, 높은 전류 밀도, 우수한 가스 순도 및 뛰어난 동적 응답 능력으로 인해 수소 에너지 분야에서 연구의 초점이 되었습니다.

PEM 수전해조는 여러 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다.

• 바이폴라 플레이트: 전극 전체에 전기를 균등하게 분배하고, 가스 흐름(수소 및 산소)을 유도하며, 구조적 지지대를 제공합니다. 일반적으로 티타늄, 스테인리스강 또는 흑연과 같은 내식성 재료로 만들어집니다.
• 가스 확산층(GDL): 전극과 바이폴라 플레이트 사이에 있는 다공성 층으로, 반응 가스를 균등하게 분배하고 생성된 물을 제거합니다. 일반적으로 탄소 종이 또는 탄소 섬유 펠트로 구성됩니다.
• 촉매층: 전기화학 반응이 일어나는 곳입니다. 양극 촉매는 산소 발생 반응(OER)을 촉진하고, 음극 촉매는 수소 발생 반응(HER)을 촉진합니다. 일반적인 재료로는 이리듐/루테늄 산화물(양극) 및 백금/니켈(음극)이 있습니다.
• 양성자 교환막(PEM): 시스템의 핵심으로, 양성자(H+) 수송을 선택적으로 허용하는 동시에 전자와 가스를 차단하는 고체 전해질입니다. 일반적인 재료로는 Nafion과 같은 과불소술폰산 고분자가 있습니다.

작동 과정은 다음과 같습니다.

1. 양극에 초순수 공급
2. 양극에서 전기화학적 산화: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
3. PEM을 통한 양성자 이동을 음극으로
4. 음극에서 수소 발생: 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂
5. 수소 및 산소 가스의 분리 및 수집

알칼리(AEL) 및 고체 산화물(SOEL) 수전해에 비해 PEMEL은 다음을 제공합니다.

• 더 높은 전류 밀도로 더 큰 생산 효율
• 우수한 가스 순도(99.99% 수소)
• 간헐적인 재생 에너지 입력에 대한 빠른 응답
• 고압 작동 능력
• 소형, 모듈형 설계

현재 과제는 다음과 같습니다.

• 높은 재료 비용(귀금속 촉매, 특수 막)
• 막 내구성 문제
• 엄격한 초순수 요구 사항

PEMEL 기술은 여러 가지 청정 에너지 솔루션을 가능하게 합니다.

• 재생 에너지로 구동되는 "그린 수소" 생산
• 암모니아/메탄올 합성 및 정유를 위한 청정 원료
• 연료 전지 차량 및 전력 시스템을 위한 수소 연료 공급
• 장기간 에너지 저장
• 전력-가스 변환을 통한 그리드 균형

최근의 발전 사항은 다음과 같습니다.

• 비귀금속 촉매 개발
• 대체 막 재료(술폰화 폴리아릴에테르술폰, 폴리이미드)
• 최적화된 셀 설계(3D 전극, 개선된 유동장)
• 재생 에너지와의 향상된 시스템 통합

PEM 수전해는 다음과 같이 발전할 것으로 예상됩니다.

• 산업/에너지 응용 분야를 위한 대규모 배치
• 재료 혁신을 통한 비용 절감
• 시스템 최적화를 통한 더 높은 효율
• 확장된 작동 수명
• AI 기반 제어 시스템

Bosch의 Hybrion PEM 수전해조는 상업 규모 수소 생산에서 상당한 진전을 나타냅니다. 이 시스템은 다음을 특징으로 합니다.

• 스택당 1.25MW 정격 전력
• 시간당 22.9kg 수소 출력
• 34bar 작동 압력
• 유연한 확장을 위한 모듈형 아키텍처

2025년에 상업적 배치가 예정된 Hybrion 기술은 산업용 PEM 수전해 솔루션의 성숙도를 보여줍니다.