AEM은 PEM과 기존의 격막 기반 가성소다 전기분해 방식의 장점을 결합한 하이브리드 방식입니다. AEM 전기분해 셀의 원리는 그림 3에 나타나 있습니다. 음극에서는 물이 환원되어 수소와 OH⁻가 생성됩니다. OH⁻는 격막을 통해 양극으로 이동하여 재결합하여 산소를 생성합니다.
Li 등[1-2]은 고도로 4차화된 폴리스티렌과 폴리페닐렌 AEM 고성능 수전해 장치를 연구했으며, 그 결과 85°C, 1.8V 전압에서 전류 밀도가 2.7A/cm2임을 확인했습니다. 수소 생산 촉매로 NiFe와 PtRu/C를 사용했을 때 전류 밀도는 906mA/cm2로 크게 감소했습니다. Chen 등[5]은 알칼리성 고분자 필름 전해 장치에 고효율 비귀금속 전해 촉매를 적용하는 연구를 수행했습니다. NiMo 산화물을 H2/NH3, NH3, H2 및 N2 가스로 다양한 온도에서 환원시켜 전해 수소 생산 촉매를 합성했습니다. 연구 결과, H2/NH3 환원을 사용한 NiMo-NH3/H2 촉매가 1.57V, 80°C에서 최대 1.0A/cm2의 전류 밀도와 75%의 에너지 변환 효율을 보여 가장 우수한 성능을 나타냈습니다. 에보닉 인더스트리는 기존의 가스 분리 멤브레인 기술을 기반으로 AEM 전해 전지에 사용되는 특허받은 고분자 소재를 개발했으며, 현재 시범 생산 라인에서 멤브레인 생산을 확대하고 있습니다. 다음 단계는 시스템의 신뢰성을 검증하고 배터리 사양을 개선하는 동시에 생산 규모를 확대하는 것입니다.
현재 AEM 전해조가 직면한 주요 과제는 AEM의 높은 전도성과 알칼리 저항성 부족, 그리고 귀금속 전기 촉매로 인한 전해 장치 제조 비용 증가입니다. 또한, 전해조 막에 유입되는 CO2는 막 저항과 전극 저항을 감소시켜 전해 성능을 저하시킵니다. 향후 AEM 전해조 개발 방향은 다음과 같습니다. 1. 높은 전도성, 이온 선택성 및 장기적인 알칼리 안정성을 갖춘 AEM을 개발합니다. 2. 귀금속 촉매의 높은 비용 문제를 해결하고, 귀금속을 사용하지 않으면서 고성능을 발휘하는 촉매를 개발합니다. 3. 현재 AEM 전해조의 목표 비용은 m2당 20달러이므로, 저렴한 원료 사용과 합성 공정 간소화를 통해 전체 비용을 절감해야 합니다. 4. 전해조 내 CO2 함량을 줄이고 전해 성능을 향상시킵니다.
[1] Liu L, Kohl P A. 서로 다른 테더링된 양이온을 갖는 음이온 전도성 멀티블록 공중합체[J]. 고분자 과학 저널 A부: 고분자 화학, 2018, 56(13): 1395 — 1403.
[2] Li D, Park EJ, Zhu W, et al. 고성능 음이온 교환막 수전해 장치를 위한 고도로 4차화된 폴리스티렌 이오노머[J]. 자연에너지, 2020, 5: 378 — 385.
게시 시간: 2023년 2월 2일