수소의 생산(수전해법)

1 수소개요

 1) 수소의 활용

   - 우주질량의 75%를 차지하는 가장 풍부한 원소.

   - 대형건설기계에 수소연료전지를 통해서 구동하는 것을 연구중이다.

     * 소형은 2차전지를 통한 구동 연구중.

     * 수소연료전지는 2차전지보다 2배 가량 에너지 밀도가 높다.

 2) 수소의 생산법

   - 그린수소 : 재생에너지로부터의 전기로 물을 전기분해하여 수소를 생산.

   - 그레이수소 : 천연가스의 고온고압수증기와 반응-추출/개질법, 석탄가스화(GTL), 석유화학 공정에서 발생하는 수소를 포집-부생수소

   - 브라운수소 : 갈탄/석탄을 태워서 생산(개질수소)

     * 수증기 개질법 : CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2

     * 부생수소 : 나프타를 분해해 에틸렌 프로필렌등 석유화학제품을 만드는 과정에서 발생.

   - 블루수소 : 그레이수소를 만드는 과정에서 발생한 이산화탄소를 포집/저장하여 탄소배출을 줄인 수소.

 

2 수전해법(물전기분해법)

 1) Alkaline 방법

   - KOH나 NaOH이 녹아있는 알칼리 수용액에서 음극(cathod)에서 생산된 수산화이온(OH-)이 분리막을 통과해서 양극으로 이동해 수소를 생산하는 방식.

   - 생산효율이 높고 수명도 길어서 현재 상용화 생산중.

   - 분리막의 불안정성, 액체 전해질에 의한 전기저항 발생의 한계가 있음.

 2) PEM(Polymer electrolyte membrane)

   - 고분자 전해질막을 이용해서 수소이온 전도도를 개선한 것.

   - 알카라인방법보다 1/10 사이즈로 축소가능, 전해질막의 품질에 따라 생산성의 편차가 발생함. 고급전해질막은 비용이 비쌈.

 3) Solid oxide electrolysis 기술

   - 고온의 수증기를 음극에 주입하여 수소와 산소이온으로 분해시키고, 산소이온을 고체산화물에 통과하면서 산소가 생성되는데 이때 음극에서 발생한 수소를 정제하는 방식.

   - 재료로 H2O뿐 아니라 CO2도 사용가능함.

   - 실용화 전, 개발단계임.

   - 생산효율이 높고 높은압력에서 잘 작동하며 전극 및 촉매로 고급금속을 사용하지 않아도 됨.

※ 참고 : 산화와 환원반응
   - Anode / Cathode 의 산화 환원 의미는 방전 기준임.
   - 전자의 생성현상은 산화반응이며, 전자를 흡수하여 분자/원자가 되는것은 환원반응이다.