(1) 제품설명

PEM 전해조 ( PEM Electrolyzer )는 양성자 교환막 (Proton Exchange Membrane) / 고분자 전해질막 ( Polymer Electrolyte Membrane ) 을 이용하여 물을 전기 분해하여 수소와 산소를 생산하는 기술로 이 과정에서 물은 전해질인 PEM을 통해 수소 이온 ( 양성자 ) 과 산소로 분리되며, 수소 이온은 막을 통과하여 반대편 전극으로 이동하고, 전자를 만나 수소 기체를 형성하고 산소는 다른 전극에서 발생합니다. 전기를 사용하여 물을 분해하는 물 전기분해 반응이 PEM 전해조에서 일어나며 구체적으로는 Anode 전극에서 물은 분리되어 산소와 양성자를 형성하고 (2 H2O (l) → 4e- + 4H+ (aq)+ O2), Cathode 전극에 공급된 전기는 양성자와 결합하여 수소를 형성합니다. (4H+ (aq) + 4e- → 2H2), 양성자는 양성자 교환막을 통해 Anode에서 Cathode로 이동하여 전해조 반응을 완료합니다.

그리고 PEM 전해조는 다음과 같은 장점/특징이 있습니다.
*. 양성자 교환막 멤브레인 사용
*. 강산성 계면환경
*. Pt 촉매 및 Ti 양극판 필수 (저항손실 저감)
*. 신재생에너지 연계 가능
*. 저내구성 (10,000h) 으로 소규모에 응용

나라셀텍㈜에서는 PEMWE ( Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolysis ) = 고분자 전해질 수전해 단셀 ( Unit Cell ) 을 각종 재료 및 구성요소의 시험 및 평가를 목적으로 아래와 같이 시험셀 지그 ( Test Cell Fixture ) 를 제작하여 공급하고 있습니다.

[ PEMWE 단셀의 전극면적 : 1 / 5 / 25 / 50 / 100 Cm² ]

     -. 촉매코팅 멤브레인          : CCM 상세사양 참조
     -. 아노드 확산층 (LGDL)    : 티타늄 다공판 두께 100 µm 또는 티타늄 펠트 ( 필요에 따라 Pt 코팅 ) 250 µm
     -. 캐소드 확산층 (LGDL)    : 카본페이퍼 MGL 두께 280 µm 또는 카본클로스 ( MPL층 포함 ) 410 µm
     -. 내부 가스켓                    : 테프론 (PTFE), 피브이씨 (PVC)
     -. 분리판                           : 그라파이트 (유로-직선/핀/써펜타인)
     -. 집전판                           : 동 (Cu) 에 금 (Au) 코팅
     -. 외부 가스켓                   : 테프론 (PTFE) 외
     -. 체결판 (엔드플레이트)    : 알루미늄 (Al), 스테인레스 (SUS)

셀 지그에 사용되는 표준 CCM ( Catalyst Coated Membrane : 촉매코팅 멤브레인 ) 의 사양은 아래와 같으며 ( 멤브레인은 Nafion 115 를 PFSA Membrane 으로 대체 ) 시험용 단셀과 같이 공급이 가능합니다. ( 전극면적 5 Cm x 5 Cm 의 경우 예 )

또한 이러한 시험셀을 평가할 수 있는 시험 및 평가장비는 하기와 같이 구성할 수 있으며 나라셀텍㈜에서는 관련 장비도 제작하고 있습니다.

 

(2) 제품 종류

[ PEM전해조 평가셀 ( PEMWE Test Cell ) / 촉매코팅 멤브레인 ( Catalyst Coated Membrane )

/ PEMWE 평가시스템 ( PEMWE Test System ) ]

 

(3) 참조사항

[ PEM 전해셀 프로토콜 예시 ]

전해 시험은 애노드에 정온의 순수를 공급하면서 실시한다. 필요에 따라 캐소드에도 순수 공급을 실시해도 되고 셀면 내의 온도 분포를 균일하게 하기 위해, 특히 촉매 재료의 평가에서는 애노드 순수 유량을 과잉으로 설정하는 것이 바람직하며 PEM 수전해 셀의 일반적인 작동 온도는 일반적으로 50 ~ 80 ° C 정도입니다. 셀 온도 안정 후 CCM에 충분히 순수를 침투시키기 위해, 저부하(0.1A/Cm2 정도)로 1~2시간 정도 전해 운전을 행한 후에 컨디셔닝 운전을 실시하고 컨디셔닝 조건(전류, 시간 등)은 목적에 따라 적절한 조건을 설정하면 되며 일본의 NEDO에서는 기본적으로 1A/Cm2 로 40~50시간 정도 실시하고 있다.

[ 캐소드 물공급 PEM 전해조의 연구사례 ]

*. 기술요약

구조를 단순화하면서, 생성된 수소 및 산소의 혼입이 매우 적고, 또한 전해 효율이 높은 수전해 방법 및 수전해 장치를 제공하는 기술이며 표면에 촉매층을 설치한 고체 고분자막을 포함하는 전해막의 캐소드측에 물을 공급하고, 전해막의 양면에 전위차를 부여하여 물을 전기 분해하는 수전해 방법 및 수전해 장치에 있어서, 전해막의 양면의 압력차를 50 kPa 이하로 제어하면서, 전해막의 캐소드측에만 온도 제어된 물을 공급하여 구현하는 기술이다.

*. 배경기술

본 기술은, 표면에 촉매층 코팅한 고체 고분자막을 포함하는 전해막의 캐소드측에 물을 공급하고, 이 전해막의 양면 사이에 전류를 흘려 물을 전기 분해하는 수전해 방법 및 수전해 장치에 관한 것으로 우주선이나 우주 정거장에서 사람의 호흡 등에 필요한 산소는 물의 전기 분해에 의해 만들어낼 수 있고 일반적으로, 물의 전해를 고체 고분자막을 사용한 전해 장치는 산소가 발생하는 전극(애노드)과 수소가 발생하는 전극(캐소드)에서 산소가 발생하는 전극(애노드) 측에 물을 공급하는 것이 알려져 있다.

이것은, 고체 고분자막으로 일반적으로 사용되는 막이 수소 이온 전도성의 막이며 전기 분해에 수반하여, 애노드로부터 캐소드를 향한 전기화학적 삼투압이 발생하고, 애노드측으로부터 캐소드측 에 물이 이동하는 현상이 일어나기 때문에, 적어도 애노드측에 물을 공급하지 않으면, 전기분해의 진행에 수반하여 막이 건조해 버리기 때문이다.

한편, 우주 정거장 등에서 사람의 호흡을 위하여 산소를 사용하는 경우에는 건조한 산소가 필요하고 습윤된 산소는 호흡용으로서 적합하지 않으며, 폐쇄 환경에 습윤한 가스를 제공하는 것은 결로를 초래하고, 전자 기기에 결함을 초래할 우려가 있기 때문에 건조한 산소를 얻는 방법이 필요하고, 또한 안전면을 배려하기 위해서는, 반대극에서 발생하는 수소가 막을 통과하여 산소에 혼입하는 것을 최소한으로 억제하는 방법이 필요하게 된다.

물을 전기 분해하여 수소 및 산소를 얻는 방법 및 장치는 널리 공업용 기술로서 응용이 진행되고 있으며, 생성되는 수소 또는 산소의 사용 목적에 따라 다양한 형태의 것이 알려져 있고 예를 들면, 액체의 물이나 전해질 용액을 음극 및 양극에 접촉시켜 전해 함으로써, 산소 및 수소를 얻는 것이 알려진 방법이다.

이 알려진 수전해 방법 및 수전해 장치에 의하면, 수소 및 산소 모두 액체 중에 거품이 되어 생성되기 때문에, 기체 상태로 이용하기 위해서는 각각에 기액분리기가 필요하고 장치가 복잡해짐과 동시에, 특히 우주 공간 등의 무중력 상태에서는 액체 중의 거품을 분리하기 위해 특수한 장치가 필요하기 때문에, 장치가 더욱 복잡해져 비용이 증대하는 문제가 있었고 또한, 발생한 산소 중에 수소의 혼입, 및 수소 중에 산소의 혼입이 많아, 각각에 발화나 폭발을 방지하는 대책이 필요하여 장치 전체의 비용이 증가하는 문제가 있었다.

또한, 표면에 촉매층을 코팅한 전해질막 (고체 고분자막) 의 캐소드측에만 물을 공급하고, 전해막의 양면에 전위차를 부여하여 물을 전기 분해하면 애노드 측에 발생한 산소에 대해서는 기액 분리를 불필요하게 된다.

*. 구체적인 기술내용  

물 공급 수단은 전해될 물을 펌프에 의해 순환시키고, 전해에 의해 감소된 물을 물 탱크로부터 보충하도록 구성된다. 구체적으로는, 전해되는 물은 펌프로부터 체크 밸브를 통해 하우징의 캐소드측으로 공급되고, 캐소드측에서 발생한 수소와 함께 수온 제어 기구를 구성하는 열교환기를 통과한다. 그 후, 기액분리기로 수소를 분리 한 후, 체크 밸브를 통해 펌프로 되돌아가 다시 공급한다. 또한, 펌프의 상류에 물 탱크로부터 이온 교환막을 통과한 물이 보충된다.

수온 제어 기구를 구성하는 열교환기는, 예를 들면, 실내의 공기와의 열교환을 행하도록 구성되고, 송풍 팬의 회전수 등을 제어하는 등의 임의의 공지된 수단에 의해, 캐소드측에 공급되는 물의 수온은 실온 ~ 100 ℃의 범위에서 제어 가능하게 구성되어 있다.

캐소드측에서 발생한 수소는, 상기 기액분리기에서 순환하는 물과 분리되어, 압력 제어 수단, 유량계, 습도계를 통하여, 사용 목적에 따라서 수소 탱크나 수소를 이용한는 장치 등으로 보내진다.

하우징의 전해막의 캐소드측에 가해지는 압력은, 상기 수소측의 압력 제어 수단에 의해 조절된다.

한편, 하우징의 애노드측에서 발생한 산소는, 압력 제어 수단, 유량계, 습도계를 통해서, 사용 목적에 따라 산소 탱크나 산소를 이용하는 장치 등으로 보내진다.

하우징 전해막의 애노드측에 가해지는 압력은, 상기 산소측의 압력 제어 수단에 의해 조정되고, 전술한 수소측의 압력 제어 수단과 협조하여, 하우징의 전해막으로 구분되며 양 공간의 압력차를 50kPa 이하로 제어하도록 구성된다.

이상과 같이 구성된 본 기술의 수전해 방법 및 수전해 장치에 의한 효과는 다음과 같다.

하우징의 전해막으로 구분된 양 공간의 압력차를 50kPa 이하로 억제하면서, 캐소드측에 공급되는 물의 수온 및 전해막에 가해지는 전류 밀도를 바꾼 경우의, 산소 내에 혼입되는 수소량을 계측할 수 있으며 적용된 수전해 장치는 3셀 스택이며, 분당 680ml의 물을 수소 발생극인 캐소드에 공급하고, 산소 발생극에는 물을 공급하지 않고 전해를 실시하였다. 여기서, 운전 온도는 30℃인 경우를 예로 하여 실험하였다.

실험결과 통상 이러한 수전해에 사용되는 양이온 교환막(NAFION 117막)을 사용한 경우의 결과와 비교가 가능하며 전류 밀도는 최대로 0.5A/㎠까지 올리면서 전해를 수행하였다.

NAFION 117(상품명)막을 사용한 경우에는 3500ppm 이상의 산소 중 수소 농도가 계속 검지되는 한편, 두께 30㎛의 폴리테트라플루오로에틸렌 다공질막에 의해 보강된 수소 이온 전도성을 갖는 고체 고분자막을 사용한 경우에는, 동일한 실험 중에서 항상 1000ppm 이하의 산소 중 수소 농도밖에 검지되지 않고, 보강막을 사용한 것에 의한 효과를 확인할 수 있다.

여기서 사용한 막은, 인장 강도 시험으로서, 폭 10mm×길이 10cm의 샘플을 준비하고, 게이지의 길이(클램프 사이의 거리)를 50mm로 하고, 25℃ 및 상대 습도 50%에서 200mm/분의 크로스 헤드 속도로 샘플을 인장하고 파단시의 최대 하중을 기록했을 때 세로 방향으로 61MPa, 가로 방향으로 56MPa의 강도를 나타내는 막이다. 동일한 시험을 두께로서 50㎛를 갖는 NAFION112(상품명)에 대하여 행한 경우에는 세로 방향으로 30MPa, 가로 방향으로 30MPa의 인장 강도가 계측되어 있어, 약 2배 정도의 강도를 가지는 것을 알수 있었다.

또한, 25℃ 및 50% 상대 습도에서 최소 1일 동안 저장한 5cm x 5cm의 샘플을 100℃의 탈이온수에 10분간 넣고 샘플을 꺼내 고무 매트 위에 놓고 평평하게 펼치고, 팽윤 후의 횡단 방향 및 세로 방향의 길이를 측정하여 수화 팽윤율을 구한 결과, 이 변화는 세로 방향으로 3%, 가로 방향으로 0%의 결과를 얻었다. 동일한 시험을 두께로서 50㎛를 갖는 NAFION112(상품명)에 대하여 행한 경우에는 세로 방향으로 19%, 가로 방향으로 16%의 수화 팽윤율을 나타내고 있으며, 수화에 의한 치수 변이성 는 1/5 이하의 값을 나타내는 것으로 알려져 있다.