수소용 물 전해조

전기분해는 재생 가능 자원과 원자력 자원으로부터 무탄소 수소 생산을 위한 유망한 옵션입니다. 전기 분해는 전기를 사용하여 물을 수소와 산소로 분리하는 과정입니다. 이 반응은 전해조라고 불리는 장치에서 일어납니다. 전해조의 크기는 소규모 분산 수소 생산에 적합한 소형 기기 크기 장비부터 재생 가능 또는 기타 비온실가스 배출 형태의 수소와 직접 연결될 수 있는 대규모 중앙 생산 시설에 이르기까지 다양합니다. 전기 생산.

어떻게 작동하나요?
연료 전지와 마찬가지로 전해조는 전해질로 분리된 양극과 음극으로 구성됩니다. 다양한 전해조는 주로 관련된 전해질 물질의 다양한 유형과 전도하는 이온 종으로 인해 다양한 방식으로 기능합니다.

고분자 전해질 막 전해조
고분자 전해질막(PEM) 전해조에서 전해질은 고체 특수 플라스틱 소재입니다.

물은 양극에서 반응하여 산소와 양전하를 띤 수소 이온(양성자)을 형성합니다.
전자는 외부 회로를 통해 흐르고 수소 이온은 선택적으로 PEM을 거쳐 음극으로 이동합니다.
음극에서 수소 이온은 외부 회로의 전자와 결합하여 수소 가스를 형성합니다. 양극 반응: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- 음극 반응: 4H+ + 4e- → 2H2

알칼리성 전해조
알칼리성 전해조는 음극에서 양극으로 전해질을 통해 수산화 이온(OH-)을 전달하고 음극 측에서 수소가 생성되는 방식으로 작동합니다. 전해질로서 수산화나트륨 또는 수산화칼륨의 액체 알칼리성 용액을 사용하는 전해조는 수년 동안 상업적으로 이용 가능하였다. 고체 알칼리 교환막(AEM)을 전해질로 사용하는 새로운 접근 방식은 실험실 규모에서 가능성을 보여주고 있습니다.

고체 산화물 전해조
고온에서 음으로 하전된 산소 이온(O2-)을 선택적으로 전도하는 전해질로 고체 세라믹 재료를 사용하는 고체 산화물 전해조는 약간 다른 방식으로 수소를 생성합니다.
음극의 증기는 외부 회로의 전자와 결합하여 수소 가스와 음전하를 띤 산소 이온을 형성합니다.
산소 이온은 고체 세라믹 막을 통과하여 양극에서 반응하여 산소 가스를 형성하고 외부 회로를 위한 전자를 생성합니다.
고체 산화물 전해조는 고체 산화물 막이 적절하게 기능할 수 있을 만큼 충분히 높은 온도(약 700~800도)에서 작동해야 하며, 이는 70~90도에서 작동하는 PEM 전해조와 일반적으로 미만에서 작동하는 상업용 알칼리 전해조에 비해 100도). 양성자 전도성 세라믹 전해질을 기반으로 한 고급 실험실 규모의 고체 산화물 전해조는 작동 온도를 500~600도까지 낮출 수 있는 가능성을 보여줍니다. 고체 산화물 전해조는 물에서 수소를 생산하는 데 필요한 전기 에너지의 양을 줄이기 위해 이러한 높은 온도(핵 에너지를 포함한 다양한 소스에서 발생)에서 사용 가능한 열을 효과적으로 사용할 수 있습니다.

이 경로가 고려되는 이유
전기분해는 깨끗한 수소 비용을 10년 안에 1kg당 1달러("1 1 1")로 80% 절감한다는 수소 에너지 Earthshot 목표를 달성하기 위한 선도적인 수소 생산 경로입니다. 전기분해를 통해 생산된 수소는 사용되는 전기 공급원에 따라 온실가스 배출이 전혀 발생하지 않을 수 있습니다. 전기분해를 통한 수소 생산의 이점과 경제적 실행 가능성을 평가할 때는 비용과 효율성, 발전으로 인한 배출량을 포함하여 필요한 전기의 출처를 고려해야 합니다. 국내 많은 지역에서 오늘날의 전력망은 방출되는 온실가스와 낮은 발전 과정의 효율성으로 인해 필요한 연료량으로 인해 전기분해에 필요한 전기를 공급하는 데 이상적이지 않습니다. 전기분해를 통한 수소 생산은 재생 가능 에너지(풍력, 태양열, 수력, 지열) 및 원자력 에너지 옵션을 위해 추진되고 있습니다. 이러한 수소 생산 경로는 사실상 온실가스를 발생시키지 않으며 오염 물질 배출 기준을 정합니다. 그러나 천연가스 개질과 같은 보다 성숙한 탄소 기반 경로와 경쟁하려면 생산 비용을 크게 줄여야 합니다.

신재생에너지 발전과 시너지 가능성
전기분해를 통한 수소 생산은 일부 재생 에너지 기술의 특징인 동적 및 간헐적 발전과 시너지 효과를 낼 수 있는 기회를 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 풍력 발전 비용은 지속적으로 하락하고 있지만 바람의 고유한 가변성은 풍력 발전의 효과적인 사용에 장애가 됩니다. 수소 연료와 전력 생산은 풍력 발전 단지에 통합될 수 있으므로 시스템 운영 요구 사항 및 시장 요인에 가장 적합한 자원 가용성에 맞게 생산을 전환할 수 있는 유연성이 가능합니다. 또한, 풍력발전단지에서 전력이 과잉 생산되는 경우, 흔히 하는 것처럼 전력을 줄이는 대신, 잉여 전력을 활용해 전기분해를 통해 수소를 생산하는 것도 가능하다.

주의할 점은...
오늘날의 그리드 전기는 대부분의 전기가 온실가스 배출을 초래하고 에너지 집약적인 기술을 사용하여 생성되기 때문에 전기분해를 위한 이상적인 전기 공급원이 아닙니다. 그리드와 별도로 또는 그리드 믹스의 증가하는 부분으로 재생 가능 또는 원자력 에너지 기술을 사용하여 전기를 생산하는 것은 전기분해를 통한 수소 생산에 대한 이러한 한계를 극복할 수 있는 가능한 옵션입니다.

전기분해 과정에서는 두 가지 다른 이온화 과정이 동시에 진행됩니다. 이 경우에는 물과 전해질이 모두 경쟁합니다.

전해질은 물과 동일한 이온화 과정을 거칩니다. 전해질에서도 동일한 산화 및 환원이 발생합니다.
전해질의 음이온은 수산화물 이온과 경쟁하여 전자를 포기하고, 양이온은 수소 이온과 경쟁하여 전자를 받아들임으로써 환원되기 때문에 전해질을 신중하게 선택해야 합니다.

전해질의 양이온은 H+보다 낮은 전극 전위를 가져야 합니다. 모든 전기분해에서 전해질 양이온의 전극 전위는 전기분해되는 물질의 양이온 전극 전위보다 낮아야 하며 전해질 음이온의 전극 전위는 전해질 음이온의 전극 전위보다 높아야 한다는 점을 항상 기억하십시오. 전기분해되는 물질.

신재생에너지원을 활용한 그린수소 생산은 물을 전기분해해 수소를 생산하는 것에 대한 관심을 불러일으켰다. CO2 배출이 없는 재생에너지원을 이용한 물 전기분해는 수소 생산 속도를 높이는 유망한 방법으로 여겨진다. 2020년에는 정유, 암모니아(NH3)(Haber 공정을 통해) 및 메탄올(CH3OH)(일산화탄소(CO) 환원을 통해) 생산 등 다양한 용도로 전 세계적으로 약 8,700만 톤의 수소가 생산되었습니다. 운송 연료. 수소 수요는 2050년까지 500-680백만 MT에 이를 것으로 예상됩니다. 수소 생산 시장은 2020년부터 2021년까지 1,300억 달러 규모로 평가되었으며 2030년까지 연평균 9.2% 성장할 것으로 예상됩니다. 그러나 문제가 있습니다. 현재 수소 생산의 95% 이상이 화석 연료를 기반으로 하며 "친환경" 수소는 거의 없습니다. 오늘날 수소 생산에는 전 세계 천연가스의 6%, 전 세계 석탄의 2%가 소비됩니다. 그럼에도 불구하고 녹색수소 생산기술은 인기를 얻고 있다.

전기분해는 전기를 사용하여 물을 H2와 O2로 분리하는 과정입니다. 전선과 같은 전도성 경로를 통한 전자의 흐름이 바로 전기입니다. 이 경로를 회로라고 합니다. 양극과 음극 사이의 전위차로 인해 전자가 이동합니다. 양극은 전자가 더 많고 전자 밀집으로 인해 더 불안정합니다. 전자는 차이를 제거하기 위해 스스로를 재배열하려고 합니다. 전자들은 서로 반발하여 전자가 적은 곳으로 이동하려고 합니다. 그것은 음극입니다.
순수한 물은 전기를 전도하지 않기 때문에 물 분해는 느린 산화환원 반응입니다.

화학
전해조에는 하나의 음극과 하나의 양극이 전원에 연결되어 있습니다. 전자는 무슨 일이 있어도 항상 양극에서 음극으로 흐릅니다. 음극은 항상 환원이 일어나는 곳이므로 전자가 있어야 합니다. 산화는 전자를 잃는 것이고 환원은 전자를 얻는 것이다.
간단히 말하면, 음전하를 띤 음극에서는 환원 반응이 일어나며, 음극의 전자(e-)가 수소 양이온에 제공되어 수소 가스를 형성합니다.
음극(환원):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
양전하를 띤 양극에서는 산화반응이 일어나 산소가스를 생성하고 양극에 전자를 주어 회로를 완성한다.
양극(산화): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
이러한 반응의 조합은 다음을 생성합니다.
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2는 음극에서 생성되고 O2는 양극에서 생성됩니다.
물을 전기분해하려면 1.23V의 최소 전위차가 필요하지만 해당 전압에서는 환경으로부터 외부 열이 필요합니다.

물 전기분해 양극 전지 스택은 전기 직렬로 연결된 많은 개별 전기화학 전지로 구성됩니다. 실제로, 방금 정지된 물 전기분해 셀 스택은 각 셀 내에 남아 있는 잔류 수소와 산소로 인해 상당한 전하를 유지할 수 있습니다. 그대로 두면 잔류 전기화학적 전하가 소멸되는 데 몇 시간이 걸릴 수 있습니다. 시스템 서비스 및 유지 관리 담당자는 작동 직후 이러한 셀 스택을 서비스하거나 교체하려고 시도하는 경우 극도의 주의를 기울여야 합니다. 예를 들어, 렌치와 같은 금속 도구는 셀 스택 양극 전류 단자 플레이트와 접지된 금속 지지 프레임 사이의 간격을 실수로 연결하여 원치 않는 결과로 큰 전류나 전기 아크를 유발하여 손상과 부상을 초래할 수 있습니다. 적절한 절연 보호 장비를 착용하지 않은 직원도 위험에 처해 있습니다.

유지 관리 및 서비스 담당자를 위한 모범 사례는 셀 스택에서 안전 가드와 전기 연결을 제거하기 전에 셀 스택에 상당한 전하가 남아 있지 않은지 확인하는 것입니다. 직원은 셀 스택 전압 측정을 수행하여 셀 스택이 방전되었는지 확인하는 것이 좋습니다. 경우에 따라 서비스 담당자는 추가 보호 조치로 방전된 셀 스택 전체에 고전류 단락 저항기로 구성된 적절하게 설계된 서비스 도구를 적용할 수도 있습니다.

제품은 중국 전역에서 판매되며 전 세계 국가로 수출됩니다. 미국, 독일, 모로코, 케냐, 사우디아라비아, 베트남, 알제리, 인도, 탄자니아, 대만 등 20개 이상의 국가와 지역에서 판매되었습니다. China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group 및 기타 유명 기업과 같은 유명 기업에 성공적으로 서비스를 제공했습니다. Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming 등 많은 녹색 수소 수소 수소화 스테이션이 녹색 및 수소 제조 프로젝트를 제공합니다.