수소 에너지의 새로운 희망: 폼 철-니켈 합금이 수소 생산 전해조를 재구성하는 방법

1. 수소의 새로운 시대

수소는 16세기에 발견된 이래로 풍부하고, 에너지 밀도가 높으며, 환경 친화적이고 탄소 배출량이 적은 특성으로 인해 필수적인 청정 에너지원으로 여겨져 왔습니다.

현재 수소 생산 공정은 탄소 배출량에 따라 회색 수소, 청색 수소, 녹색 수소로 구분됩니다. 이 중 재생에너지를 이용하여 물을 전기분해하여 생산되는 녹색 수소는 온실가스나 유해 물질을 전혀 배출하지 않고 높은 순도를 자랑합니다. 녹색 수소는 가장 깨끗한 수소 생산 방식이며, 수소 에너지의 미래 방향을 제시합니다.

녹색 수소는 주로 다음을 통해 얻습니다.물 전기분해물을 수소와 산소로 분해하는 전해조가 있습니다. 현재 네 가지 주요 전해조 기술이 있습니다. ALK(알칼리수전해), PEM(양성자교환막전해), SOEC(고체산화물전해셀), AEM(고체고분자전해셀)입니다.~ 안에(교환막 전기분해에 관한 것).

전 세계 탄소 중립이라는 맥락에서 녹색 수소는 에너지 전환의 핵심 분야로 자리 잡았습니다. 전기분해 기술이 비용을 더욱 절감하고 효율을 향상시키는 능력은 이 중요한 분야에서 미래 성공을 위해 매우 중요합니다.

2. 핵심: 알칼리 전해조

수소 생산을 위한 ALK(알칼리 수전해)는 일반적으로 KOH 또는 NaOH 용액을 사용하는 알칼리성 전해질 환경에서 진행됩니다. 이 전기분해 기술의 가장 큰 장점은 양극판과 음극판 모두에 귀금속이 포함되지 않는다는 것입니다.금속s는 전해조 비용이 가장 낮습니다. 또한, 이 유형의 전해조는 상업적으로 가장 성숙되었으며, 풍부한 운영 경험을 바탕으로 시장을 장악하고 있습니다. 일부 국내 핵심 장비의 핵심 성능 지표는 국제적으로 선진 수준에 도달하여 셀당 대규모 수소 생산이 가능해 전력망 기반 전해조에 쉽게 적용할 수 있습니다.

알칼리 전해조는 주로 엔드 플레이트, 개스킷, 바이폴라 플레이트와 같은 구성 요소로 구성됩니다.전극플레이트, 그리고 다이어프램이 있습니다. 전해조는 수십 개 또는 심지어 수백 개의 전해셀로 구성되어 있으며, 나사와 엔드 플레이트로 압착되어 원통형 또는 정사각형 모양을 이룹니다. 인접한 두 개의 플레이트로 구분되는 각 전해셀은 양극 및 음극 양극판, 양극 전극, 다이어프램, 밀봉 개스킷, 그리고 음극 전극의 여섯 부분으로 구성됩니다.

결정적으로, 알칼리 전해조 전극은 전기화학 반응이 일어나는 곳이며 전해조의 수소 생산 효율을 결정하는 핵심 요소입니다. 가정용 대형 알칼리 전해조에 사용되는 대부분의 전극은 순수 니켈 메시, 폼 니켈, 또는 고활성 촉매로 코팅된 순수 니켈 메시/폼 니켈 기판과 같은 니켈 기반 전극입니다. 이 중 폼 니켈은 저렴하고 완성도가 높은 제품입니다. 전극 재료는 수많은 미세 기공으로 채워져 있어 넓은 표면적을 제공합니다. 이는 용액과 전극 사이의 접촉 면적을 크게 증가시키고, 물질 전달 거리를 단축시키며, 전기분해 반응 효율을 크게 향상시킵니다.

폼철-니켈 합금 소재기존 니켈 기반 소재보다 성능이 뛰어나 활성 산소 발생 지점이 더 많고 촉매 효율도 훨씬 높습니다. 알칼리 수전해 기술이 한 단계 더 도약하고 발전할 수 있는 "마스터 스트로크"입니다. 권위 있는 시험 결과에 따르면, 실제 작동 조건에서 발포 철-니켈을 사용한 알칼리 수전해의 효율은 기존 니켈 메시보다 우수합니다. 국내외 최신 연구에 따르면 DC 에너지 소비량은 4.0~4.3kWh/s³/m³로 낮으며, 에너지 효율은 80~85%에 달합니다.

3. AEM 전해조의 새벽

고체 고분자 음이온 교환막(AEM) 물 전기분해는 비용이 저렴한 음이온 교환막을 분리막으로, 저농도 알칼리 용액이나 순수한 물을 전해질로, 반응을 위해 비귀금속 촉매를 사용하는 수소 생산 공정입니다.

AEM 전해조에서 양극은 일반적으로 전이 금속 산화물(예: 산화니켈, 산화코발트)로 구성되고, 음극은 일반적으로 니켈, 백금, 팔라듐과 같은 귀금속이나 그 합금으로 만들어집니다.

양극에서의 반응은 다음과 같습니다. 4OH−−4e−→O2​↑+2H2​O 음극에서의 반응은 다음과 같습니다. 2H2​O+2e−→H2​↑+2OH−

여기서 언급된 4OH-는 이 공정에서 강조되는 음이온입니다. 음이온 교환막의 작용으로, 음극에서 생성된 OH-는 양극으로 이동하여 양극 쪽의 OH- 농도를 증가시키고, 이는 양극에서 더 많은 산소와 물 생성으로 이어집니다. 이는 자연스럽게 음극에서 더 순수한 수소 생성물을 생성합니다.

양극 및 음극 재료의 주요 역할은 물 분해 반응을 촉매하고 생성된 수소와 산소를 효율적으로 생산하는 것입니다. 따라서 양극 및 음극 재료 모두 강력한 촉매 활성과 다공성을 가져야 합니다. 전극 반응의 원활한 진행을 위해서는 양극 및 음극 재료 모두 높은 음이온 및 전자 전도성을 가져야 합니다.

현재 가장 널리 사용되는 양극 재료는 니켈 합금이고, 양극 재료는 주로 니켈-철 합금입니다. 철과 니켈은 물 분해에 강력한 촉매 활성을 나타낼 뿐만 아니라, 널리 이용 가능하고 가격도 저렴합니다. AEM은 부식성이 높은 환경에서 작동하지 않기 때문에 양극 및 음극 재료에 이리듐이나 티타늄과 같은 귀금속 촉매가 필요하지 않습니다. 이는 AEM 장비의 제조 비용을 크게 절감하고 성능도 PEM 기술에 뒤지지 않아 전 세계적으로 새롭게 개발되는 수소 전해조의 주류가 되고 있습니다.

4. 파도 타기: 상승폼 철-니켈

현재 주류를 이루는 ALK(알칼리 전기분해) 기술이든, 새롭게 등장하는 AEM 기술이든, 발포 철-니켈은 독특한 응용 이점과 광범위한 전망을 제공합니다.

소재 특성: 혁신적인 3D 메시 디자인

• 매우 높은 비표면적:20~450μm의 기공 크기와 98% 이상의 기공률을 가진 이 전극은 평면 전극보다 수백 배 더 넓은 활성 표면적을 자랑합니다. 이를 통해 반응 속도가 크게 향상되고, 용액과 전극 사이의 접촉 면적이 크게 증가하며, 물질 전달 거리가 단축되고, 전기분해 반응 효율이 ​​크게 향상됩니다.
• 효과적인 촉매작용: 발포 철-니켈 표면에는 니켈 기반 촉매와 철 기반 촉매가 코팅되어 있습니다. 이 촉매는 물을 수소와 산소로 분해하는 물 전기분해 반응을 돕습니다.
• 구조적 지원:폼니켈의 3차원 구조는 우수한 지지력을 제공하여 전극의 안정성과 구조적 무결성을 유지하는 데 도움이 되며 장기 작동을 보장합니다.
• 높은 전도성:철과 니켈은 둘 다 좋은 전기 도체이며, 발포 철-니켈의 3차원 구조는 높은 표면적을 제공하여 전류 분배에 도움이 됩니다.

촉매층 적용

현재 전해조 촉매층은 주로 다음을 포함합니다.양극 촉매층(OER-CL)그리고캐소드 촉매층(HER-CL), 이는 각각 산소 발생 반응(OER)과 수소 발생 반응(HER)을 촉진합니다. OER과 HER은 모두 동역학적 불활성을 나타내므로, 반응 활성을 높이고 에너지 소비를 줄이기 위해 일반적으로 촉매를 전극에 담지합니다. 이는 촉매층(CL)의 기능입니다. Ni 기반 촉매는 알칼리성 매질에서 높은 활성과 우수한 내식성을 나타내며, 다른 전이 금속(예: Fe, Co)보다 안정하기 때문에 OER 및 HER 촉매로 널리 사용됩니다. Fe는 높은 산소 친화도로 인해 OH- 종을 흡착하는 경향이 있으므로 OER 동역학적 촉진제로 자주 사용됩니다.폼 니켈-철 합금 소재NiFe 금속의 특성을 결합한 , 수소 생산을 위한 양극 소재로 사용될 때 상당한 이점을 보여줍니다.

확산층 응용

기체 확산층(GDL)은 주로 기체 확산에 사용됩니다. 즉, 캐소드에서는 수소, 애노드에서는 산소의 확산에 사용됩니다. 또한, 금속 전도성과 열 전도성 덕분에 전자와 열 전달을 촉진하여 다공성 수송층(PTL)이라고도 합니다. 현재 시장에서는 발포 니켈이 확산층 재료로 널리 사용되고 있습니다. 더욱이, 고품질의 비용 효율적인 발포 철-니켈은 이제 더욱 경제적인 선택입니다.