1966년, 제너럴 일렉트릭(GE)은 고분자 멤브레인을 전해질로 사용하는 양성자 전도 개념 기반의 수전해 전지를 개발했습니다. GE는 1978년에 PEM 전지를 상용화했습니다. 현재 GE의 PEM 전지 생산량은 감소했는데, 이는 주로 수소 생산량의 한계, 짧은 수명, 그리고 높은 초기 투자 비용 때문입니다. PEM 전지는 양극 구조를 가지며, 전지 간의 전기적 연결은 양극판을 통해 이루어집니다. 이 양극판은 생성된 가스를 방전하는 데 중요한 역할을 합니다. 양극, 음극, 그리고 멤브레인 그룹은 막전극 어셈블리(MEA)를 구성합니다. 전극은 일반적으로 백금이나 이리듐과 같은 귀금속으로 만들어집니다. 양극에서는 물이 산화되어 산소, 전자, 양성자가 생성됩니다. 음극에서는 양극에서 생성된 산소, 전자, 양성자가 멤브레인을 통해 음극으로 이동하여 환원되어 수소 가스가 생성됩니다. PEM 전해조의 원리는 그림에 나타나 있습니다.
PEM 전해조는 일반적으로 소규모 수소 생산에 사용되며, 최대 수소 생산량은 약 30Nm³/h, 소비 전력은 174kW입니다. 알칼리 전해조와 비교했을 때, PEM 전해조의 실제 수소 생산량은 거의 전체 한계 범위를 포괄합니다. PEM 전해조는 알칼리 전해조보다 높은 전류 밀도, 심지어 최대 1.6A/cm²에서도 작동할 수 있으며, 전해 효율은 48%~65%입니다. 폴리머 필름이 고온에 약하기 때문에 전해조의 온도는 대개 80°C 미만으로 유지됩니다. Hoeller 전해조는 소형 PEM 전해조를 위한 최적화된 셀 표면 기술을 개발했습니다. 이 기술을 통해 요구 사항에 따라 전해조를 설계하여 귀금속 사용량을 줄이고 작동 압력을 높일 수 있습니다. PEM 전해조의 가장 큰 장점은 수소 생산량이 공급 에너지에 거의 동기적으로 변화하여 수소 수요 변화에 적합하다는 것입니다. Hoeller 전해조는 0~100% 부하 변화에 수 초 내에 반응합니다. 호엘러의 특허 기술은 현재 검증 테스트를 거치고 있으며, 테스트 시설은 2020년 말까지 건설될 예정입니다.
PEM 전지로 생산되는 수소의 순도는 최대 99.99%에 달하며, 이는 알칼리 전지보다 높은 수치입니다. 또한, 고분자 막의 극히 낮은 기체 투과성은 가연성 혼합물 형성 위험을 줄여주므로, 전해조를 매우 낮은 전류 밀도에서도 작동시킬 수 있습니다. 전해조에 공급되는 물의 전도도는 1S/cm 미만이어야 합니다. 고분자 막을 통한 양성자 이동은 전력 변동에 빠르게 반응하기 때문에 PEM 전지는 다양한 전원 공급 모드에서 작동할 수 있습니다. PEM 전지는 이미 상용화되었지만, 높은 초기 투자 비용과 막 및 귀금속 기반 전극의 높은 가격이라는 몇 가지 단점이 있습니다. 또한, PEM 전지의 수명은 알칼리 전지보다 짧습니다. 향후 PEM 전지를 이용한 수소 생산 능력은 크게 향상되어야 합니다.
게시 시간: 2023년 2월 2일