수소발생용 수전해시스템의 특성과 연구실험용 수전해장치 설계제작

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연구·개발을 위한 실험장비 맞춤 설계/제작

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1. 수전해설비 개요

• 수전해설비(Water Electrolysis System)는 물을 전기 분해하여 수소와 산소를 생성하는 장치로, 청정 수소 생산의 핵심 기술로 주목받고 있다.
• 전기 에너지를 이용하여 물(H₂O)을 수소(H₂)와 산소(O₂)로 분해하는 원리를 기반으로 하며, 탄소 배출 없이 수소를 생산할 수 있는 친환경적인 방법이다.
• 수전해 방식은 크게 고분자전해질(PEM, Proton Exchange Membrane) 수전해, 알칼라인(ALK, Alkaline) 수전해, 그리고 고체산화물(SOEC, Solid Oxide Electrolysis Cell) 수전해로 나뉜다.

• PEM 수전해: 고분자전해질 막을 통해 수소 이온을 이동시키며 높은 순도의 수소를 생산할 수 있으며, 빠른 반응성과 높은 전류 밀도를 제공한다.
• 알칼라인 수전해: 수산화칼륨(KOH) 또는 수산화나트륨(NaOH) 수용액을 전해질로 사용하는 방식으로, 경제성이 뛰어나고 대규모 수소 생산에 적합하다.
• SOEC 수전해: 고온에서 작동하며, 전기와 열을 동시에 이용하여 에너지 효율이 높은 방식이다.

이러한 수전해설비는 재생에너지와 결합하여 이산화탄소 배출 없이 수소를 생산하는 데 활용되며, 전 세계적으로 수소경제의 핵심 기술로 자리 잡고 있다.

 

Schematic diagram of PEM water electrolysis hydrogen production_고분자전해질 수전해 원리

 

2. 수전해설비의 활용 분야

수전해설비는 다양한 산업 및 연구 분야에서 활용되며, 주요 응용 분야는 다음과 같다.

1. 청정 수소 생산: 재생에너지를 활용한 친환경 수소 생산 기술로, 탄소 배출이 없는 그린수소 생산에 활용된다.
2. 연료전지 및 수소차 산업: 연료전지 차량(FCEV)과 수소 충전소에서 수소를 안정적으로 공급하는 역할을 한다.
3. 산업 공정: 철강, 화학, 반도체, 석유 정제 등 다양한 산업에서 수소를 활용한 친환경 공정을 구현하는 데 기여한다.
4. 에너지 저장 시스템: 잉여 전력을 활용하여 수소를 생산하고, 필요 시 연료전지를 통해 다시 전기로 변환하는 장기 에너지 저장 기술로 활용된다.
5. 우주 및 항공 산업: 우주 탐사선 및 위성의 추진 연료로 활용되며, 항공 산업에서도 친환경 연료로 연구되고 있다.
6. 연구 및 실험실 활용: 실험실 및 연구기관에서 고순도의 수소를 제조하는 데 사용되며, 실험용 장비 및 분석 장치에 필수적인 요소로 활용된다.

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3. 수소가스 생산과 관련된 기술

수전해설비에서 수소가스를 생산하기 위해서는 **고분자전해질 분리막(PEM)**과 고압 스택(Stack) 등의 핵심 기술이 필요하다.

• 고분자전해질 분리막(PEM): PEM은 수소 이온만을 선택적으로 투과시키는 전해질 막으로, 높은 순도의 수소를 생산하는 데 필수적이다. 이 방식은 빠른 반응 속도와 높은 전류 밀도를 제공하며, 재생에너지와 연계한 수소 생산에 적합하다.
• 고압 스택(Stack) 기술: 전해 스택은 물을 수소와 산소로 분해하는 주요 모듈로, 다층 구조로 구성되며, 효율적인 전력 공급과 높은 생산량을 유지하는 역할을 한다. 고압형 스택은 별도의 압축 공정 없이 수소를 직접 고압 상태로 저장할 수 있어 경제적이다.

이러한 기술을 통해 효율적이고 안정적인 수소 생산이 가능하며, 연구개발을 통해 더욱 향상된 성능을 갖춘 수전해설비가 지속적으로 개발되고 있다.

Advantages of Alkaline Electrolysis Hydrogen Production

 

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참고문헌

1. 수전해 기술 개요 및 응용, 한국수소산업협회
2. 고분자전해질 수전해 연구 동향, 한국에너지기술연구원
3. 수소 생산 및 저장 기술, 대한화학회