양성자 교환막(PEM) 전해수 수소 생산 기술 진행 및 경제성 분석

1966년 General Electric Company는 고분자 막을 전해질로 사용하는 양성자 전도 개념을 기반으로 한 수전해 전지를 개발했습니다.PEM 셀은 1978년 General Electric에서 상용화되었습니다.현재 이 회사는 제한된 수소 생산, 짧은 수명 및 높은 투자 비용으로 인해 주로 PEM 셀을 적게 생산합니다.PEM 셀은 바이폴라 구조를 가지며, 셀 사이의 전기적 연결은 바이폴라 플레이트를 통해 이루어지며, 이는 생성된 가스를 배출하는 중요한 역할을 합니다.양극, 음극 및 멤브레인 그룹은 멤브레인 전극 어셈블리(MEA)를 형성합니다. 전극은 일반적으로 백금이나 이리듐과 같은 귀금속으로 구성됩니다.양극에서 물은 산화되어 산소, 전자 및 양성자를 생성합니다.음극에서 양극에 의해 생성된 산소, 전자 및 양성자는 멤브레인을 통해 음극으로 순환하며 여기서 환원되어 수소 가스를 생성합니다.PEM 전해조의 원리는 그림에 나와 있습니다.

PEM 전해 전지는 일반적으로 소규모 수소 생산에 사용되며 최대 수소 생산은 약 30Nm3/h이고 전력 소비량은 174kW입니다.알카라인 셀과 비교하여 PEM 셀의 실제 수소 생산 속도는 거의 전체 한계 범위를 커버합니다.PEM 셀은 알카라인 셀보다 더 높은 전류 밀도에서 최대 1.6A/cm2까지 작동할 수 있으며 전해 효율은 48%-65%입니다.폴리머 필름은 고온에 대한 내성이 없기 때문에 전해조의 온도는 종종 80°C 미만입니다.홀러 전해조는 소형 PEM 전해조에 최적화된 셀 표면 기술을 개발했습니다. 요구 사항에 따라 셀을 설계하여 귀금속의 양을 줄이고 작동 압력을 높일 수 있습니다.PEM 전해조의 주요 장점은 수소 생산이 공급되는 에너지와 거의 동시에 변화하여 수소 수요 변화에 적합하다는 것입니다.Hoeller 셀은 몇 초 안에 0-100% 정격 부하 변화에 반응합니다.홀러의 특허 기술은 검증 테스트를 진행 중이며 2020년 말까지 테스트 시설을 구축할 예정이다.

PEM 전지에서 생산되는 수소의 순도는 99.99%까지 높아 알카라인 전지보다 높습니다.또한 폴리머 멤브레인의 가스 투과성이 매우 낮아 인화성 혼합물 형성 위험이 줄어들어 전해조가 매우 낮은 전류 밀도에서 작동할 수 있습니다.전해조에 공급되는 물의 전도도는 1S/cm 미만이어야 합니다.고분자막을 통한 양성자 수송은 전력 변동에 빠르게 반응하기 때문에 PEM ​​전지는 다양한 전력 공급 모드에서 작동할 수 있습니다.PEM 셀이 상용화되었지만 주로 높은 투자 비용과 멤브레인 및 귀금속 기반 전극 모두의 높은 비용과 같은 몇 가지 단점이 있습니다.또한 PEM 전지의 수명은 알카라인 전지보다 짧습니다.앞으로 PEM 셀의 수소 생산 능력은 크게 향상되어야 합니다.