#08 수전해의 정의
안녕하세요. 수전해/수소연료전지 기반 발전 시스템을 개발하는 (주)케이워터크레프트입니다. 지난 시간에는 수소사회 구현에 앞장서고 있는 규슈대 캠퍼스에 관하여 알아보았는데요. 오늘은 수전해란 무엇이며 다양한 수전해방법에 대해 알아보겠습니다. 1. 수전해(Water Electrolysis)란 지구온난화와 화석연료의 고갈에 따른 대체에너지의 연구개발에 대한 요구가 지속적으로 높아지고 있는 가운데 실용가능성 있는 환경 및 에너지 문제 해결의 유일한 대안으로 수소에너지가 주목받고 있습니다. 현재 독일, 미국, 일본, 캐나다 등 여러 선진국에서 수소 생산방법 개선 및 생산효율 증대를 위한 연구가 활발히 이루어지고 있습니다. 수전해(Water Electrolysis)란 물의 전기화학반응을 통해 수소와 부산물로 산소를 생산하는 기술을 일컫습니다. 이산화탄소 같은 온실가스는 물론이고 오염물질 없이 수소를 생산할 수 있는 청정기술이기 때문에 에너지신산업 도약에 있어 핵심이 되는 기술입니다. 수전해는 알칼리 전해액을 이용하여 수소를 생산하는 알칼라인기술이 처음 발견된 후 산업계에 사용된 지 100년 이상 되었습니다.신기술이 개발되면서 현재 수전해 수소제조 기술은 크게 고온 수증기전해법(HTE, High Temperature Electrolysis), 알칼리 수전해법(AE, Alkaline Electrolysis), 양성자 교환막전해법(PEM, Proton Exchange Membrane)으로 구별됩니다. 수전해의 원리출처. https://en.wikipedia.org/wiki/File:Electrolysis.svg 2. 수전해 방법 수전해법의 대표적인 방법은 고온 수증기전해법(HTE, High Temperature Electrolysis), 알칼리 수전해법(AE, Alkaline Electrolysis), 양성자 교환막전해법(PEM, Proton Exchange Membrane)이 있습니다. (1) 고온 수증기전해법 (HTE, High Temperature Electrolysis) 고온 수증기전해법은 물을 분해하기 위해 필요한 전기에너지가 고온에서 더 낮아지는 현상을 이용한 방법입니다. 따라서 적은 전기에너지로 고효율의 물 분해가 가능하고,고체산화물전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cells)와 그 구조 및 원리가 같은 장치이기 때문에 양방향 운전이 가능하고 전력 저장을 위한 시스템으로 구성이 가능합니다.또한, 고체상의 전해질을 사용함으로써 부식에 대한 내구성이 뛰어나고, 전해액을 사용하는 수전해법과 달리 전해액을 보충하지 않아도 돼 유지 및 보수가 용이하다는 장점도 갖습니다. 그러나 수증기를 700℃ 이상으로 가열하는데 추가열원을 필요로 하며, 고온의 작동조건을 가지기 때문에 고온에서 충분한 내구성을 가지는 고체전해질에 대한 연구와 개발이 필요합니다. 이러한 이유로 다른 수전해법에 비해 그 기술적 성숙도가 떨어집니다. 고온 수증기전기분해법의 원리출처. https://en.wikipedia.org (2) 알칼리 수전해법 (AE, Alkaline Electrolysis) 알칼리 수전해법은 알칼리 전해액을 이용하는 물 전기분해법으로 단극식 전극을 사용해 직렬로 구성하는 방법과 양극식 전극을 병렬로 연결해 사용하는 방법이 있습니다. 단극식의 경우 설계와 유지보수가 용이하나 낮은 전류밀도를 가지며 낮은 온도에서 사용되기 때문에 그 효율이 낮습니다.반면 양극식의 경우 분리막과 전극을 적층으로 만들어 병렬로 연결하기 때문에 높은 전압과 전류밀도를 갖고, 수소를 고압으로 생산할 수 있으며,80~90℃ 정도의 적당한 온도에서 운전이 가능하다는 장점이 있습니다. 알칼리 수전해 장치의 대략적인 공정은 크게 초순수제조 장치와 전해액 제조를 위한 교반탱크, 전해조, 수소 및 산소의 저장탱크로 구성돼 있습니다. 알칼리 수전해 장치공정은 전해액 제조에 필요한 초순수를 공급해 전해액을 제조하며, 주로 사용되는 전해액은 NaOH(수산화나트륨)와 KOH(수산화칼륨)를 사용합니다.전해조에 사용되는 전극은 주로 탄소강에 Ni(니켈)를 도금시켜 사용하며, 음이온 교환막에는 주로 음이온 교환이 가능한 다공성 석면이나, 테프론 계열의 고분자체가 사용된다.다공성석면은 가격이 저렴하고 90℃까지 내구성 문제 없이 사용이 가능하나, 이후 더 높은 온도에서는 침식에 의한 내구성 저하의 문제를 갖고 있습니다. 고분자계열의 교환막은 고온고압에서 안정적인 성능과 내구성을 보유한다는 장점이 있으나, 가격이 비싸다는 단점이 있습니다. 알칼리 수전해법의 과정출처. https://www.researchgate.net (3) 양성자 교환막전해법 (PEM, Proton Exchange Membrane) 양성자 교환막전해법은 전류밀도가 높아 에너지 효율이 매우 높은 방법으로 작은 크기로도 제작이 가능합니다. 또한, 수전해 Cell을 적층형식으로 제작할 수 있어 제작 공정을 단순화할 수 있고, 전해액을 사용하지 않고 순수한 물을 원료로 하기 때문에 순도가 매우 높습니다.이와 함께 전해액으로 인한 장치 부식 문제가 없으며, 작동 압력을 수백 기압으로 설계가 가능합니다. 하지만 사용되는 분리막이 매우 고가이고, 그 자체가 강력한 부식성을 가지고 있어 내구성이 좋은 귀금속 계열의 전극이 사용된다는 점, 또 분리막의 수명이 짧아 전체적인 유지비용이 많이 든다는 점 등 여러 단점이 있습니다. 그러나 저온수전해 방법 중 알칼리 전해는 가격이 저렴한 반면, 저 전류밀도(장치가 10배 PEM 보다 큼)에서 운전되기 때문에, 향후 가격 및 성능경쟁에서 양성자 교환막전해법보다 불리하게 될 전망으로 주로 양성자 교환막전해법을 이용한 개발이 이루어지고 있습니다. 양성자 교환막전해법의 원리출처. https://en.wikipedia.org참고문헌. 고온수증기전기분해(HTSE) 공정(신영준)고효율 수전해 기술(우상국, 유주현, 문상봉)수소 혁명의 시대(김미선)수전해 장치 기술 개요 및 전망(이택홍)http://amenews.dadamedia.net 오늘은 수전해란 무엇이며, 다양한 수전해의 방법에 대해 알아보았습니다. 다음 시간에는 수전해의 과거 이용에 대해 소개해드리겠습니다. We Build Sustainable Clean Energy World수전해/수소연료전지 시스템 전문기업 #수소 #수소에너지 #수소란 #수소의정의 #수소의특징 #친환경에너지 #케이워터크레프트 #KWATERCRAFT #Hydrogen #수전해 #연료전지 #에너?