수소 생산을 위한 이온 교환막(AEM) 수전해의 진행 및 경제성 분석

AEM은 어느 정도 PEM과 전통적 다이어프램 기반 잿물 전기분해의 하이브리드입니다. AEM 전해 전지의 원리는 그림 3에 나와 있습니다. 음극에서 물이 환원되어 수소와 OH-를 생성합니다. OH -- 다이어프램을 통해 양극으로 흐르고 그곳에서 재결합하여 산소를 생성합니다.

Li et al. [1-2] 고도로 4차화된 폴리스티렌과 폴리페닐렌 AEM 고성능 물 전해조를 연구한 결과 전류 밀도는 1.8V 전압에서 85°C에서 2.7A/cm2로 나타났습니다. 수소 생산을 위한 촉매로 NiFe와 PtRu/C를 사용할 때 전류 밀도는 906mA/cm2로 크게 감소했습니다. Chenet al. [5]는 알카리 고분자 필름 전해조에서 고효율 비귀금속 전해 촉매의 적용을 연구했다. NiMo 산화물은 전기분해 수소 생산 촉매를 합성하기 위해 서로 다른 온도에서 H2/NH3, NH3, H2 및 N2 가스에 의해 환원되었습니다. 결과는 H2/NH3 환원이 있는 NiMo-NH3/H2 촉매가 최고의 성능을 가지며 전류 밀도는 최대 1.0A/cm2이고 에너지 변환 효율은 1.57V 및 80°C에서 75%임을 보여줍니다. Evonik Industries는 기존 기체 분리막 기술을 기반으로 AEM 전해 전지에 사용할 특허받은 고분자 소재를 개발했으며 현재 파일럿 라인에서 막 생산을 확대하고 있습니다. 다음 단계는 시스템의 신뢰성을 검증하고 배터리 사양을 개선하면서 생산을 확대하는 것입니다.

현재 AEM 전해 전지가 직면한 주요 과제는 AEM의 높은 전도성과 알칼리 저항이 부족하고 귀금속 전기 촉매는 전해 장치 제조 비용을 증가시킨다는 것입니다. 동시에 셀 필름에 들어가는 CO2는 필름 저항과 전극 저항을 감소시켜 전해 성능을 감소시킵니다. AEM 전해조의 향후 개발 방향은 다음과 같습니다. 1. 높은 전도도, 이온 선택성 및 장기 알칼리 안정성을 갖춘 AEM을 개발합니다. 2. 귀금속 촉매의 고비용 문제를 극복하고 귀금속 없이 고성능 촉매를 개발한다. 3. 현재 AEM 전해조의 목표 비용은 $20/m2이며, 이는 AEM 전해조의 전체 비용을 줄이기 위해 저렴한 원자재와 합성 단계 감소를 통해 줄여야 합니다. 4. 전해조의 CO2 함량을 줄이고 전해 성능을 향상시킵니다.

[1] Liu L,Kohl P A. 서로 다른 테더링된 양이온이 있는 음이온 전도성 멀티블록 공중합체[J]. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2018, 56(13): 1395 -- 1403.

[2] Li D, Park E J, Zhu W, et al. 고성능 음이온 교환막 물 전해조[J]를 위한 고도로 4차화된 폴리스티렌 이오노머. 자연 에너지, 2020, 5: 378 -- 385.