#10 수전해의 현재

안녕하세요. 수전해/수소연료전지 기반 발전 시스템을 개발하는

(주)케이워터크레프트입니다.

지난 시간에는 과거 수전해의 발견과 발전에 관하여 알아보았는데요.

오늘은 현재 수전해의 이용에 대해 알아보겠습니다.

수소의 생산 방법 중 수전해는 비교적 간단하고 신뢰성이 높으며

고순도의 수소를 대량으로 생산할 수 있는 방식입니다.

현재 활용되고 있는 수전해의 대표적인 방법은

고온 수증기전해법(HTE, High Temperature Electrolysis),

알칼리 수전해법(AE, Alkaline Electrolysis),

양성자 교환막전해법(PEM, Proton Exchange Membrane) 등이 있습니다.

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1. 고온 수증기전해법의 개발

개발 시작 이후 독일의 Dornie 사는 실용적인 전해요소를 만들어

997℃에서 6.8NL/h의 수소를 제조함과 동시에,

이 전해요소를 복수로 합한 전해 모듈을 만든 바가 있습니다.

또한, 일본 원자력연구개발기구 (JAEA)에서도

두께 3mm의 얇은 yttrua-stabilzied zirconia를 전해질로 하는 평판형 전기 분해 셀을 가공하여

850℃의 조건에서 실험을 하여 2.4NL/h의 수소를 생산한 바 있습니다.

미국의 INL(Idaho National Laboratory)에서는

고온 수증기 전기분해법 공정 개발관련 장기 연구 프로그램을 진행하였으며,

단위 전기 분해 셀에 관한 성능 등 실험적 결과를 발표하였습니다.

 미국 INL 고온 수증기전기분해 시설

출처. 고온수증기전기분해(HTSE) 공정(신영준)

국내에서는 고등기술연구원에서

Ni/YSZ전극의 개발 및 셀 제작과 시스템에 대한 최적화 연구가 진행되고 있습니다.

또한 SOFC의 연구와 맞물려 regenerative fuel cell로 이용하는 연구도 추진되고 있습니다.

2. 알칼리 수전해법의 개발

알칼리 수전해법은 알카라인 수용액으로 인해 전극촉매의 높은 내구성이 요구되므로

그에 대한 연구가 진행되고 있습니다.

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니켈과 전이금속의 합금(Ni-Co, Ni-W, Ni-Zn, etc.)을 통해

높은 수소발생 활성도와 내구성을 가지는 전극 촉매를 연구하고 있으며,

또한 니켈과 비금속인 인, 황 합금을 통한 연구도 진행되고 있습니다.

최근 높은 표면적을 통한 높은 활성도를 얻기 위하여

나노 기술을 물 전기분해 전극촉매에 적용하고 있습니다.

미국의 Quantum Sphere사에서는 나노 사이즈와 마이크로 사이즈 니켈의 혼합을 통해

85%의 수소발생 효율을 가지는 촉매를 개발하였습니다.

이로 인해 최근 개발되고 있는 방법에서는 알카라인 수용액의 농도를 40%까지,

그리고 40기압 정도의 고압의 수소를 생산하고 있으며,

기존의 에너지 변환효율과 전류밀도가 77∼80%와 0.13∼0.25A/cm²에서

80∼90%와 0.2∼2.0A/cm² 까지 증대하고 있습니다.

국내에서는 1980년대까지 가스제조 업체에서 단극식 알카라인 물 전기분해 장치를 자체 제작하여

수소를 생산하기도 하였으나 효율 및 경제성의 문제로 운전을 중단하였습니다.

1980년대 말부터 수소와 산소의 혼합가스인 속칭 브라운가스 발생기를 제조하는 업체들이

용접 및 절단용의 알카라인 물 전기분해 장치를 제조하기 시작하였으며,

현재 이들 제품이 제작, 시판되고 있습니다.

2000년 이후 수소와 산소의 분리형 알카라인 물 전기분해 장치에 대한 기술개발이 이루어져

현재 수소제조 용량 8Nm³H₂/hr까지의 물 전기분해 장치가 제작 판매되고 있으며,

대용량의 장치개발을 준비하고 있습니다.

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알칼리 수전해 장치(지엔씨 제작)

출처. 수전해 장치 기술 개요 및 전망(이택홍)

3. 양성자 교환막전해법의 개발

고체고분자전해질(PEM) 수전해 기술은 1966년 General Electric에 의해

첫 번째 전해시스템이 개발되었습니다.

고체고분자전해질(PEM) 수전해 기술은 셀을 구성하는 재료들

즉 귀금속의 촉매들과 고분자막, 내부식성 분리판 등의 사용으로 인해

알칼라인 수전해에 비해 비싸다는 단점이 있습니다.

또한 셀 구조도 비교적 복잡해서 대면적화에 어려움이 따릅니다.

하지만 높은 전류밀도 운전이 가능하고 소형화가 가능해

부하변동 대응에 빠른 응답 특성을 보이는 장점을 갖고 있습니다.

이 같은 특성에 따라 현재 많은 국가에서 귀금속 대체를 통해

가격을 낮추고 대면적화하는 기술개발 연구를 진행하고 있습니다.

최근에는 대용량의 수전해시스템이 개발되고 있으며,

미국 Hogen에서 6Nm³H₂/hr의 용량으로 15기압까지의 제품이 생산되고 있습니다.

Hogen사의 H6m - Hydrogen Generator

출처. https://www.fuelcellstore.com