수소 생산방법 및 공정알아보기 - 수전해 청정수소(그린수소)

청정수소(Green Hydrogen)를 얻는 방법 - 수전해 

 

청정 수소는 서두에서 소개한 부생수소나, 추출 수소(혹은 개질 수소)처럼 석탄이나 천연가스와 같은 메탄수소계 화학물질로부터 수소를 추출하는 방식이 아닌 방식으로 수소가 생산되는 것을 뜻하며, 대표적인 청정 수소 생산방식으로는 수전해방식, 미생물 분해 방식, 열분해 방식, 광촉매 분해 방식 등이 있습니다. 오늘은 그중 대표적으로 청정 수소를 얻는 방식인 수전해 방식에 대해서 적어보도록 하겠습니다. 

 

 

 

수전해 수소 생산 방식

 

 대표적으로 그린 수소를 생산할 수 있는 방식으로 태양광 또는 풍력을 통해 생산되는 재생에너지 전력을 통해 물을 전기 분해하여 수소를 생산하는 방식입니다. 수전해 방식은 탄소배출이 전혀 없는 수소생산방식의 장점뿐만 아니라 태양광과 풍력과 같이 기상조건에 의존하는 변동성 재생에너지로 인한 전력계통의 급격한 불확실성을 '수소'라는 에너지 캐리어로 변환,생산,저장함으로써 신재생에너지의 간헐성을 해결해 줄 수 있는 방법이기도 합니다. 

 

수전해 수소 생산 시스템의 간략도(출처 : 메리츠증권)

 

수전해 시스템은 크게 화학반응을 만들어내는 스택(양극과 음극, 분리막,GDL)과 전력 및 공기의 공급을 담당하는 BOP(Balance of Plant)로 구성되어 있습니다.

 

 

 

수전해 장치 시스템은 전해질의 종류에 따라 알카라인, PEM, AEM, SOEC로 구분할 수 있는데, 이중 알카라인은 1920년대부터 화학산업에서 사용되어온 성숙된 기술이며, PEM은 최근 급속히 발전하며 현재 상용화 단계에 있으며, SOEC는 아직 개발 초기 단계입니다.

 

 

알칼라인 수전해

전해질을 수산화칼륨을 전해액으로 사용하여 물을 전기분해 함으로써 수소를 얻는 방식입니다. 일반적으로 알칼라인 수전해 방식은 전극은 탄소강에 니켈 도금해 사용하거나 스테인리스를 사용하며, 분리막으로는 지르코니아 세라믹 직물을 이용한다. 

 알칼라인 수전해 방식은 그 역사가 100년이 넘을 정도로 상용화가 가장 많이 이루어진 것으로 기술개발이 많이 이루어진 안정적인 수전해 기술이며, 고가의 귀금속 촉매를 사용하지 않아, 설치비용이 상대적으로 저렴하여, 메가와트 단위의 큰 규모로 설비 확장이 가능합니다. 

그러나 고운에서의 운전이 어려워 낮은 수소생산효율과 알칼리전해액에 따른 전극의 잦은 부식, 그리고 35%에 이르는 알칼리전해액(NaOH 또는 KOH)의 농도를 유지하기 위해 전해액을 보충해야 한다는 점에서 단점을 지니고 있다.

 

알카라인 수전해 설비의 주요 부품으로는 수소 및 산소발생 전극, 분리막, 분리판, 전해액으로 구성된 스택이 핵심부품이며, 이를 구동 및 제어하는 BOP(Balance of Plant)로 구성됩니다. 

 

알칼라인 수전해 설비에서 비용의 구성비율은 스택과 BOP가 각각 45%와 55%를 차지하고 있는데, 스택의 경우, 다이어프램이라고 불리는 분리막과 전극 패키지가 스택 전체 비용의 57%를 차지할 정도로 전극 제조 비용 비율이 스택에서 가장 높습니다.

알칼라인 수전해 시스템 구조

 

 

 

고분자 전해질막 수전해(PEM)

고분자 전해질막 수전해는 이온전도성 고분자 전해질막을 전해질로 이용하는 수전해 방식으로 듀퐁사에서 제조하고 있는 나피온(Nafion)과 같은 양이온 교환막을 전해질로 이용하여 수소이온이 이동할 수 있도록 합니다. 

 

고분자 전해질막 수전해(PEM)의 스택은 CCM(Catalyst Coated Membrane)이라 불리는 촉매 코팅된 고분자 전해질막에 기체 확산층까지 접합한 것을 막전극 접합체(MEA)라고 하는 가장자리에 분리판을 붙여 하나의 셀을 만들고, 이 셀을 적층 형식으로 쌓아서 만들어집니다.

 

 단위전지는 막전극 접합체(MEA)의 형태로 구성되어있는데, PEM 수전해 기술은 전류밀도가 높아 에너지 효율이 높은 방법으로 평가받으며 장치의 크기도 상대적으로 작아, 생산설비의 소형화가 가능하고 유지 및 보수 측면에서 가장 우수하다는 장점이 있습니다.

 

 또한 고분자 전해질막 수전해는 전해액을 사용하지 않고, 순수한 물을 원료로 사용하기 때문에 생산된 수소의 순도가 높다는 점도 있습니다.

  그러나, 앞에서 서술한 듀퐁사의 양이온 교환막과 백금촉매의 가격이 너무 높아, 유지비용이 많이 든다는 것이 단점이 있습니다. 

고분자 전해질막 수전해 스택의 구조

 

고체산화물 수전해(SOEC)

고체산화물 수전해 방식은 고체산화물 연료전지(SOFC)와 전기분해의 융합기술로 이해할 수 있습니다. 연료전지가 수소와 공기를 소비하면서 전기화학반응에 의하여 물과 전기를 생산한다면, 고체산화물 수전해는 수증기를 주입한 후, 전기에너지를 주입하여 전기화학적인 분해 반응에 의해 수소와 산소가 분리되는 역전환기술이라고 볼 수 있겠습니다.

 

 세라믹 계열의 고체산화물 전해질을 이용해 섭씨 800도 이상의 고온 수증기를 전기 분해하여 수소를 생산하는 기술입니다. 본 수전해 방식은 물을 분해하기 위해 필요한 전기에너지가 고온에서 더 낮아지는 현상을 이용하는 방법으로 적은 전기에너지로도 고효율의 전기분해가 가능합니다.

 

 고체산화물 수전해 방식은 고체산화물 전해질을 사용하기 때문에 부식에 대한 내구성이 뛰어나고, 전해액을 보충할 필요가 없어, 설비 유지 및 보수가 용이하다는 장점이 있습니다. 그러나 섭씨 800도 이상의 온도로 수증기를 가열하기위해 추가적인 열원이 필요하고, 고온에서의 작동 조건을 가지기 때문에 열화현상을 방지할 수 있는 충분한 내구성을 가진 소재 개발이 필요하다는 것이 과제로 남아 있습니다.

SOEC 고체산화물 수전해 시스템 구조