수소: 친환경 H2 세대를 향한 추진력
지속 가능한 에너지원으로 전환하고 탄소 배출을 줄이려는 열망은 기하급수적으로 증가하고 있습니다. 전 세계적으로 저비용 재생 에너지원(예: 태양열, 풍력, 수력)이 개발 및 배포되고 있습니다.
그러나 이러한 에너지원은 특성상 가변적이기 때문에 몇 시간뿐만 아니라 며칠 또는 계절에 따라 지속될 수 있는 에너지 저장에 투자해야 합니다. 가장 유망한 에너지 저장 모드 중 하나는 청정하고 재생 가능한 전기를 수소로 변환하는 것입니다. 수소는 일반적으로 물속의 물에서 수소를 분리하는 전기분해를 통해 친환경 에너지를 사용하여 생성되며, 이는 CO2를 배출하지 않으므로 "그린 H2"라고 합니다.
친환경 수소 개발
전 세계적으로 친환경 수소 개발, 사용 및 투자가 증가하고 있습니다. 미국 에너지부 수소의 장점 강조 는 "수소는 국내에서 생산할 수 있으며... 고효율 연료전지 전기자동차에 동력을 공급하는 데 사용될 경우 수소는 국가 에너지 안보를 강화하고, 연료를 절약하며, 운송 에너지 옵션을 다양화하여 보다 탄력적인 시스템을 구축할 수 있는 잠재력을 가지고 있다"고 말했습니다.
수소 연구
재생 에너지원으로서 수소에 대한 관심은 다음과 같습니다. 수십 년 동안 존재했습니다.하지만 최근에서야 연구와 투자가 시작되었습니다. 이니셔티브, 친환경 수소 캐터펄트 이니셔티브는 향후 몇 년 내에 약 $2/kg의 비용으로 그린 H2 생산량을 50배 늘리는 것을 목표로 하고 있습니다. 스트레치 목표는 $1/kg입니다. 그린 H2는 에너지 및 연료 대체 전기차, 난방, 전기, 그리고 기차, 항공기 및 버스 운송을 위해 Green H2의 확장은 최대 다음을 포함 할 것으로 예상됩니다. 2050년까지 전 세계 에너지 사용량의 12%. 그린 H2의 광범위한 사용은 에너지 시스템과 함께 글로벌 관계를 변화시킬 수 있습니다.
수소 수확
하지만 에너지 사용을 위한 수소 하베스팅은 전통적으로 고가의 솔루션입니다. 액체 알칼리 전해조(AEL)는 100년 이상 작동해 왔습니다. 하지만 낮은 전류 밀도 작동(대규모 시스템을 의미)과 농축된 부식성 물질 사용으로 인한 몇 가지 고유한 안전 문제가 있습니다. 양성자 교환막 수전해장치(PEMEL)가 보다 컴팩트한 옵션으로 등장했습니다. 하지만 백금이나 이리듐과 같은 값비싸고 희귀한 재료를 사용해야 하며, 일부에서는 이 기술이 실제로 얼마나 확장 가능한지에 대해 의문을 제기하기도 합니다. 하지만 다른 방법에 대한 새로운 연구에 따르면 이러한 재료가 필요하지 않을 수도 있습니다.
전해조를 통한 수소 생산
음이온 교환막 물 전기분해기(AEMEL)는 AEL과 PEMEL의 장점을 모두 결합한 제품입니다. 음이온 교환막(AEM)을 사용하여 생산된 수소와 산소 사이의 분리막 역할을 합니다. 높은 pH에서 작동하므로 사용되는 재료에 대한 제한이 적어 저가의 금속을 촉매 및 스택 구성 요소로 사용할 수 있습니다. 또한 멤브레인은 불소가 아닌 탄화수소 기반이기 때문에 생산 비용이 저렴하고 환경 친화적입니다. 특히 AEMEL을 사용하면 스테인리스 스틸이나 니켈을 더 저렴하고 풍부한 대체 재료로 사용할 수 있으며, 테크네틱스와 사우스캐롤라이나 대학교(UofSC)의 협업으로 탄생했습니다.
수소 생산의 새로운 발전
윌리엄 E. 머스테인, Ph, UofSC의 화학 공학 교수와 다음을 포함한 연구팀이 있습니다. 테크네틱스 그룹는 AEMEL 양극의 14개 상업용 및 예비 상업용 다공성 수송층(PTL)에 대한 일련의 실험을 수행했습니다. PTL은 스테인리스강과 니켈 합금으로 제작되었습니다. 주요 목표는 저전압 작동과 낮은 에너지 투입으로 그린 H2를 생산할 수 있는 최상의 AEMEL 성능을 이끌어내는 특성을 파악하는 것이었습니다. 이 연구에서 최고 성능의 PTL을 포함한 11개의 PTL은 테크네틱스 그룹에서 맞춤형으로 개발했습니다.
테크네틱스/USC 팀은 다음을 개발했습니다. 하스텔로이 PTL 300미크론(<0.3mm) 미만의 두께와 60-65% 사이의 밀도로 수소 분리에 가장 적합한 결과를 얻을 수 있습니다. 따라서 테크네틱스 그룹의 펠트메탈 FM515를 원하는 두께로 압연하여 원하는 범위 내의 밀도를 생성했습니다. 이러한 특성 덕분에 촉매층 증착에 적합한 표면을 유지하면서 낮은 전기 저항, 낮은 접촉 저항, 최적의 물과 산소 수송이 가능했습니다. 최고 성능의 PTL은 1.0A/cm2의 작동 전류에서 1.64V에 불과한 작동 전압을 달성했으며, 작동 전압은 다음과 같습니다. < 3.5A/cm2에서 2V. 그리고 셀은 낮은 전압 저하율을 달성했습니다. 이는 전해조 시스템에 대해 지금까지 보고된 것 중 가장 좋은 결과 중 하나로 매우 유망한 결과입니다.
