최근 몇 년 동안 연구고효율, 저비용 물 전기분해 장치대규모 수소 생산 및 활용은 재생 가능 전기 생산 및 송전 시스템의 회복력을 강화하는 데 필수적이기 때문에 널리 주목을 받고 있습니다. 현재 가장 일반적인 수소 생산 방법은 메탄이나 기타 탄화수소의 증기 개질을 통한 것이지만, 이 공정은 상당한 이산화탄소 배출을 발생시킵니다. 따라서,물 전기분해기수소와 산소를 생성하는전기화학적 물 분해연구의 중심지가 되었습니다.
고온 작동 조건(700–950°C)에서고체산화물 증기 전해조(전자전기)실험실과 파일럿 규모에서 개발 및 검증되었습니다(그림 1 참조). 높은 작동 온도전자전기거의 운동 제한 없이 비교적 낮은 셀 전압에서 작동할 수 있어 거의 100%에 도달합니다.고발열량(하이비) 전기분해 효율약 1 A/센티미터²의 전류 밀도에서. 그러나 고온 작동은 긴 시동 및 정지 시간, 셀 구성 요소의 고온 상호 확산으로 인한 빠른 저하, 부식 생성물로 인한 중독과 같은 많은 과제도 초래합니다.전자전기시장 전개에 어려움을 겪습니다.
알칼리성 문제와피엠에스 전해조
양성자 교환막 물 전기분해 장치(페므웨) 활용하다양성자 교환막(피엠에스)전극에 이오노머가 있어 액체 전해질을 순환시키지 않고도 작동할 수 있습니다. 이 구성에서 양극과 음극은 모두 비다공성피엠에스, 컴팩트한 셀 배열(제로 갭 디자인)을 형성합니다(그림 3 참조). 이 디자인을 사용하면PEMWEs약 2 A/센티미터²의 전류 밀도에서 작동합니다.
또한, 비다공성 막은PEMWEs지원합니다차압 작동, 음극에서 고압 수소 생성과 양극에서 대기압 산소 생성을 가능하게 합니다. 이는 수소 저장을 위한 2차 기계적 압축의 필요성을 줄입니다. 이러한 장점에도 불구하고,전기촉매(예: 이리듐 산화물 및 백금) 및 산성 환경에서 사용되는 부식 방지 전류 수집기 및 양극판은 대규모 시스템의 제한 요소가 될 수 있습니다. 이는 특히 스택 크기가 증가하고 이러한 구성 요소가 전체 시스템 비용에 상당히 기여함에 따라 더욱 그렇습니다. 둘 다경외감그리고PEMWEs성숙한 기술로 간주되며 특정 응용 프로그램 요구 사항을 기반으로 상업적으로 배포되었습니다.
저온 작동 조건(100°C 이하)에서는알칼리수 전해조(두려움)성숙한 기술입니다.경외감수용액을 사용하여수산화칼륨(코(KOH))액체 전해질로서 장착되어 있습니다다공성 분리막(그림 2 참조). 개발에 대한 광범위한 연구가 보고되었습니다.백금족 금속(피지엠)이 없는 전기 촉매수소 및 산소 발생 반응(예:수소 발생 반응 (그녀의)그리고산소 발생 반응 (오에르)). 현재 연구 방향은 전류 밀도 또는 작동 압력을 높이기 위한 제로 갭 구성과 같은 설계에 초점을 맞춥니다. 그러나,경외감일반적으로 셀 전압 1.8V에서 수소 생산율이 200 엄마/센티미터² 정도로 비교적 낮습니다.
아임에이엠 전해조 작동 원리
음이온 교환막 수전해조(에이엠에이)알칼리성 환경에서 작동하고 사용할 수 있습니다백금족 금속(피지엠)이 없는 촉매. 그음이온 교환막(아임에이엠)주쇄 또는 측쇄에 고정된 양전하 작용기를 갖는 다공성이 없는 수소산화물 전도성 폴리머로, 갭이 없는 구성과 차압 작동이 가능합니다(그림 4 참조).
전반적인 반응은AEMWEs수소 발생 반응(그녀의)과 산소 발생 반응(오에르)이 포함됩니다. 물 또는 알칼리성 액체 전해질은 양극을 통해 순환하며, 여기서 물은 두 개의 전자를 추가하여 수소와 수산화물 이온으로 환원됩니다(H₂O + 2e⁻ → H₂ + 오⁻). 수산화물 이온은 다음을 통해 확산됩니다.아임에이엠양극으로 이동하고 전자는 외부 회로를 통해 음극으로 전달됩니다. 양극에서 수산화물 이온은 재결합하여 산소와 물을 형성하고 두 개의 전자를 생성합니다(2OH⁻ → ½O₂ + H₂O + 2e⁻). 수소 및 산소 가스는 그녀의 및 오에르 촉매 표면에서 거품으로 형성됩니다. 유사PEMWEs, 그비다공성 막제로갭 구성AEMWEs고속 수소 생산이 가능하고 수소 저장을 위한 기계적 압축의 필요성이 줄어듭니다.
주목할 점은 다음과 같습니다.AEMWEs의 장점을 결합하다경외감(피지엠 무첨가 촉매) 및PEMWEs(제로 갭 구성 및 비다공성 멤브레인). 흥미롭게도,PEMWEs, 고분자 전해질만을 독점적으로 사용하는 많은AEMWEs또한 액체 전해질(코(KOH) 또는 K₂코오롱₃ 용액 등)도 사용합니다.
최근 모델링 연구에 따르면 액체 전해질을 추가하면오믹 저항막과 촉매층의 개선뿐만 아니라 반응 속도론도 개선합니다. 셀에 액체 전해질을 추가하면 촉매-전해질 계면에서 국소 pH가 증가하여 추가적인 전기화학적 계면이 생성됩니다. 산업용AEMWEs~와 함께니켈 기반 촉매1M 코(KOH) 용액에서 2V 전압과 1.8A/센티미터² 전류 밀도에서 수소를 생산하여 기존 제품과 동등한 성능을 달성합니다.PEMWEs대기압에서. 비용이 저렴하기 때문에촉매및 하드웨어, 그리고 적용 가능한 제로갭 구성 및 차압 작동AEMWEs수소 생산에 대한 관심이 높아지고 있습니다.
아임에이엠 전해조의 내구성 과제
주요 기술적 과제는 다음과 같습니다.AEMWEs(음이온 교환막 물 전기분해 장치)는 상업적으로 실행 가능한 시스템입니다.내구성. 내구성AEMWEs일반적으로 장치의 수명을 말합니다. 초기 단계에서일어나자개발 과정에서 셀 수명이 짧았기 때문에 내구성 측정이 비교적 쉬웠습니다(500시간 미만). 그러나 내구성이 더 높아짐에 따라AEMWEs개발이 진행됨에 따라 수명 측정은 더욱 복잡해졌습니다.
셀을 10,000시간 이상 작동시키는 데는 1년 이상이 걸린다는 점을 알아두는 것이 중요합니다. 따라서 내구성AEMWEs일반적으로 장기 테스트(100~1000시간)에서 전압 변화율을 측정하거나 가속 저하 조건(예: 더 높은 작동 온도 및 높은 전류 밀도)에서 가속 응력 테스트(AST)를 사용하여 평가합니다. 그러나 AST 조건에서 전압 변화율과 수명 테스트를 사용하는 장기 테스트는 내구성을 정확하게 예측하지 못할 수 있다는 점에 유의해야 합니다.AEMWEs, 셀 수명은 여러 가지 저하 모드의 영향을 받고 종종 치명적인 고장으로 제한되기 때문입니다. 따라서 셀의 진정한 수명을 얻으려면 정상적인 작동 조건에서 셀을 지속적으로 작동시키는 것이 필요합니다.
상업용 스택 수명은양성자 교환막 물 전기분해 장치(페므웨)대부분의 보고된 수명은 20,000~60,000시간에 가깝습니다.AEMWEs약 3,000시간입니다. 게다가 대부분AEMWEs대기압 조건에서 테스트되었습니다.
