어떻게 하면 전해조에 대해 더 자세히 알아볼 수 있습니까?
Hassan El Ghoul이 두 가지 주요 전해조 종류 사이의 차이점, 각각의 사용 및 확장에 따라 발생할 수 있는 과제, 다른 설계 고려 사항을 설명합니다.
CRAIG GIFFORD:
Ask Swagelok에 오신 것을 환영합니다. 저는 호스트 Craig Gifford이며, 오늘은 애틀랜틱 캐나다 지역 Swagelok Ontario의 유체 시스템 엔지니어인 Hassan El Ghoul과 함께합니다. 앞서 수소 생산, 특히 전해조(electrolyzer)에 대해 다룬 바 있는데요, 시청자분들 중에는 이 주제가 다소 낯설게 느껴질 수도 있습니다. Hassan, 전해조가 무엇인지 설명해주시겠습니까?
HASSAN EL GHOUL:
물론입니다. 전해조는 전류를 사용해 물을 산소와 수소라는 두 종류의 분자로 분리하는 장치입니다. 중요한 점은, 장비가 운용되는 조건에서는 이 분자들이 기체 상태라는 것입니다. 전해조는 두 개의 구획으로 구성되며, 각 구획에는 전극이 있습니다. 음극에는 음전하가, 양극에는 양전하가 존재합니다. 전해조의 종류에 따라 이 두 구획은 다양한 박막으로 분리되며, 다공성 다이어프램 또는 폴리머 박막이 사용될 수 있습니다.
전해조에는 여러 종류가 있지만, 가장 흔한 두 가지는 양성자 교환막(PEM) 전해조와 알카라인 전해조입니다.
CRAIG GIFFORD:
즉, 여러 종류가 있지만 특히 두 가지가 중요하다는 말씀이군요. 그 두 가지의 차이점을 설명해주시겠습니까?
HASSAN EL GHOUL:
네, 먼저 PEM 전해조부터 설명하겠습니다. PEM 전해조는 폴리머 박막을 사용하며, 이 박막은 전류를 통해 수소 이온(양성자)이 한 전극 구획에서 다른 구획으로 이동할 수 있도록 합니다. 그 결과 음극에서 수소가 생성됩니다.
PEM의 특징을 살펴보면, 높은 전류 밀도를 지원하고, 배출 압력이 높아 생산 후 추가 압축이 많이 필요하지 않습니다. 전극에는 백금, 이리듐, 금과 같은 귀금속이 사용되며, 이는 전기화학적 효율이 높다는 장점이 있습니다. 또한 부하 변화에 대한 유연성이 높아 풍력이나 태양광처럼 변동성이 큰 에너지 공급원과도 잘 호환됩니다.
다음은 알카라인 전해조입니다. 이 전해조는 수산화 나트륨 또는 수산화 칼륨과 같은 액체 전해액을 사용하며, 이를 알칼리 용액(lye)이라고 부릅니다. 이 경우 수산화 이온이 다공성 다이어프램을 통해 이동하므로 다이어프램이 핵심 요소입니다.
알카라인 전해조는 PEM에 비해 전류 밀도가 낮아 효율이 떨어지고, 배출 압력도 낮아 생산 후 더 낮은 압력부터 압축해야 합니다. 전극은 저렴한 강철에 니켈 합금을 도금해 사용하므로 비용이 훨씬 낮습니다. 다만 부하 변화에 대한 유연성은 PEM보다 떨어집니다.
CRAIG GIFFORD:
알겠습니다. 새로운 수소 생산 시설을 가동하면 모든 유체 시스템이 공장 인수 시험(FAT)을 거치게 되는데, 소량의 누설도 비효율성과 안전 문제로 이어질 수 있습니다. 전해조에서 발생하는 문제와 그 문제에 영향을 주는 요소를 설명해주시겠습니까?
HASSAN EL GHOUL:
전기 분해 시스템을 생각할 때는 다른 수소 시스템과 마찬가지로 두 가지 핵심 요소를 고려해야 합니다. 첫 번째는 안전, 두 번째는 효율성입니다.
안전 측면에서 전해조에는 두 가지 중요한 기체가 있습니다. 첫 번째는 수소로, 공기 중 4%의 최저 연소 한계를 가진 인화성 기체입니다. 두 번째는 산소로, 연소를 촉발하는 기체입니다. 이 두 기체가 존재하기 때문에 안전이 최우선입니다.
효율성 측면에서는 누설이 발생하면 기체가 대기 중으로 손실됩니다. 전기 분해에는 많은 에너지가 투입되며, 이후 기체를 압축하는 데에도 추가 에너지가 필요합니다. 따라서 누설은 곧 에너지 손실을 의미합니다. 결론적으로, 저분자 가스에 적합하게 설계된 적절한 밀폐 기술이 반드시 필요합니다.
CRAIG GIFFORD:
그렇군요. 공장의 규모는 용량, 효율성, 확장성, 경제성 측면에서 전해조에 직접적인 영향을 미칩니다. 이러한 문제에 어떻게 대응할 수 있을까요?
HASSAN EL GHOUL:
먼저 전해조의 효율성에 영향을 주는 요소부터 살펴보겠습니다. 온도는 중요한 요소로, 일반적으로 온도가 높을수록 효율도 높아집니다. 전극 재질 역시 효율에 큰 영향을 미칩니다. 전류 밀도도 중요한데, 전류 밀도가 높을수록 수소 생산량과 효율이 증가합니다. 마지막으로 전해질 농도는 전도성과 효율을 높이는 데 기여합니다.
확장성과 관련해서는 몇 가지 과제가 있습니다. 첫째는 높은 자본 비용입니다. 전해조는 저렴하지 않으며, 특히 PEM처럼 귀금속을 사용하는 경우 비용이 더 높습니다. 둘째는 전해조 자체뿐 아니라 압축, 충전소, 저장, 가상 파이프라인 등 전체 인프라를 고려해야 한다는 점입니다. 또한 전기 분해는 수증기 메탄 개질(SMR)과 비교해 효율이 낮기 때문에 경쟁력 확보가 쉽지 않습니다.
CRAIG GIFFORD:
그렇다면 설계자가 전해조를 구축할 때 어떤 점을 고려해야 합니까?
HASSAN EL GHOUL:
설계자는 전해조를 둘러싼 서브시스템과 전체 유체역학을 검토해야 합니다. 예를 들어 라인 규모를 고려해야 하며, 과도하게 큰 규모는 침식 속도 문제를 해결하는 대신 효율을 떨어뜨리고 비용과 공간을 증가시킬 수 있습니다. 또한 열 회수 시스템, 밸브 규모, 압축 전 수소 준비 시스템 등도 고려해야 합니다.
안전 측면에서는 릴리프 밸브, 환기 구성, CGA 5.5와 같은 표준, 퍼징 절차 등을 고려해야 합니다. 마지막으로 수소 품질도 중요합니다. 생산된 수소는 연료 전지에 사용될 수 있으며, 연료 전지는 품질에 매우 민감합니다. 이때 그랩 샘플링이나 온라인 분석기가 활용될 수 있습니다.
CRAIG GIFFORD:
전해조에 대해 자세히 설명해주셔서 감사합니다. 정말 많은 도움이 되었습니다. Ask Swagelok에 함께해주신 여러분께도 감사드립니다.
