재생 에너지원으로 구동되는 알칼리 전해조의 효율성 및 일관성 향상

통신 공학 2권, 기사 번호: 22(2023) 이 기사 인용

2356 액세스

1 알트메트릭

측정항목 세부정보

재생에너지원(RES)을 이용한 저비용 알칼리수 전기분해는 대규모 수소 생산에 적합합니다. 그러나 변동하는 RES는 저부하에서 알칼리수 전해조(AWE)의 성능을 저하시킵니다. 여기서는 비효율성과 불일치라는 두 가지 긴급한 성능 문제를 살펴보겠습니다. AWE의 상세한 작동 프로세스 분석과 확립된 등가 전기 모델을 통해 저부하 AWE의 비효율성과 불일치 메커니즘이 물리적 구조 및 전기적 특성과 관련되어 있음을 밝힙니다. 또한 AWE의 효율성과 일관성을 향상시키기 위해 다중 모드 자체 최적화 전기 분해 변환 전략을 제안합니다. 특히, 기존 DC 전원 공급 장치와 비교하여 실험실 규모 및 대규모 상용 AWE를 사용하여 최대 효율을 두 배로 늘리는 동시에 전해조의 작동 범위를 30~100%에서 10~10%까지 확장할 수 있음을 보여줍니다. 정격 부하의 100%. 우리의 방법은 쉽게 일반화될 수 있으며 RES로부터 수소 생산을 촉진할 수 있습니다.

오늘날 수소는 탄소 집약적인 화석 에너지1,2로 인해 발생하는 환경 및 기후 문제로 인해 큰 주목을 받고 있습니다. 깨끗하고 다양하며 가벼운 특성을 지닌 수소는 교통3, 야금4, 화학 산업5 및 기타 부문6의 탄소 배출을 줄이는 데 도움이 될 수 있는 가장 유망한 솔루션으로 간주됩니다. 이에 따라 수소 수요는 기하급수적으로 증가해 2018년에는 7000만톤에 달했고, 20507년에는 연간 5억4500만톤에 이를 것으로 예상된다. 그러나 현재 전 세계 수소의 대부분은 화석에너지의 개질을 통해 얻어지고 있다. 많은 에너지를 소비하며 전세계 CO2 배출량이 연간 8억 3천만 톤 이상에 달하게 됩니다7. 지속 가능한 발전을 위해서는 수소 생산이 효율적이고 환경친화적이어야 합니다. 따라서 잉여 태양광, 풍력, 기타 신재생에너지, 즉 그린수소를 이용하여 물을 전기분해하는 수소 생산 기술이 뜨거운 연구 주제가 되고 있다8,9.

현재 수소전기분해법에는 고체산화물 전해조(SOE), 양성자교환막(PEM) 전해조, AWE 등 3가지 방식이 있다. SOE는 고온(600~900°C)10에서 물 또는 증기 전기분해를 가능하게 하는 고급 개념을 구성하며, 그 효율성은 PEM 전해조 및 AWE보다 높습니다. 실제 응용 분야에서 SOE는 재료의 열 안정성, 가스 혼합물 및 밀봉 문제와 관련하여 놀라운 과제에 직면해 있습니다. 따라서 공기업은 아직 R&D 단계에 머물러 있다. SOE와 비교하여 PEM 전해조와 AWE는 상업적으로 이용 가능합니다. PEM 전해기는 AWE보다 더 효율적이며 더 높은 전류 밀도를 허용합니다. PEM 전해조의 한 가지 명백한 단점은 Nafion 멤브레인, 티타늄 양극판, 새로운 금속 촉매 PT/C 및 IrO211과 같은 내산성 구성 요소의 높은 자본 비용입니다. 또한 AWE보다 수명이 짧기 때문에 대규모 전력-가스 시나리오12에 적용하는 데 방해가 되었습니다. 이와 대조적으로 AWE는 100년 넘게 개발되어 상대적으로 성숙한 기술입니다. 상업용 AWE의 경우, 지구에 풍부한 전기촉매는 수명이 최대 15년에 달할 수 있는 반쪽 반응을 모두 실행할 수 있을 만큼 안정적입니다. 따라서 AWE는 대규모 전해수소 프로젝트에 매우 적합합니다.

실제로 최대 6MW의 AWE를 사용하는 프로젝트가 존재하지만15 AWE의 운영 유연성은 여전히 개선되어야 하며, 특히 광범위하게 변동하는 RES로 구동되는 경우 더욱 그렇습니다. 널리 우려되는 과제 중 하나는 저부하 AWE(보통 정격 부하의 25~45%)가 잠재적으로 음극과 양극 사이의 가스 교차를 초래할 수 있는 불순물 문제입니다. 이 불순물로 인해 가연성 가스 혼합물16이 형성되며, 특히 O2의 2vol% H2가 폭발 하한계의 약 50%에 해당하는 양극의 경우 더욱 그렇습니다. 따라서 태양광 발전과 같이 공급된 RES가 넓은 범위에서 자주 변동하는 경우 AWE의 시작-정지가 눈에 띄게 증가하여 시스템의 안전을 보장합니다. 이러한 빈번한 시동 정지는 전력 시스템의 안정성과 전력 품질에 큰 영향을 미칩니다17,18; 동시에 AWE의 저부하 감소로 인해 RES를 완전히 소비할 수 없습니다. 또한 장기간 정지하면 AWE19,20,21에 역전류가 발생하여 전극의 내구성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 여러 가지 영향 요인을 고려하여 가스 교차로 인한 가스 불순물의 안정적이고 동적 모델이 확립되었습니다. 요약하자면, 가스 불순물 문제는 가스 확산에 의한 다이어프램을 통한 교차와 순환 전해질 혼합에 의한 교차라는 두 가지 이유로 인해 발생합니다. 저부하 AWE의 가스 순도를 향상시키기 위해 몇 가지 전략도 제안되었습니다. 음이온 교환막26,27 및 기타 새로운 격막 구조는 가스 확산에 의한 격막을 통한 교차를 방지하기 위해 개발되었습니다. 동일한 목표를 바탕으로 Qi et al. AWE28의 부하 범위를 확장하기 위한 압력 제어 전략을 제안합니다. 반면, Schug는 순환 전해질 혼합에 의한 교차를 줄이기 위해 전해질 순환 속도를 적응적으로 조절합니다. 가스 불순물 문제를 완전히 해결하기 위해 수소와 산소 발생을 분리하는 새로운 알칼리성 전기 분해 시스템이 설계되었습니다. 하지만 그 신뢰성은 좀 더 검증이 필요합니다.

15 A), there is an obvious linear relationship between the voltage and current, but with different slopes, the low-load equivalent resistance is much larger than the high-load equivalent resistance. That is, the system parameters or states are changed. (3) In the whole range, the relationship between the electrolytic voltage and electrolytic current does not meet the typical electrolysis hydrogen model presented in refs. 14,33,34./p> the reserve voltage 4.92 V. c 9 V > the reserve voltage 4.92 V. d 15 V > the reserve voltage 4.92 V./p>the reserve voltage of one cell \({U}_{o}\)(namely 1.23 V), the OER occurs on the solid–liquid interfaces of the positive electrode, and the HER occurs on the solid–liquid interfaces of the negative electrode. The hydroxide ions pass through the electrolyte channel and partial cell spaces, as shown in Fig. 4a, then the electrolytic current is generated, which is called the start-up current in this paper. This can explain the experimental results shown in Fig. 3a./p> N\cdot{U}_{o}\) does not mean that \({U}_{{IF}}\, > \,{U}_{o}\). That is, when \({U}_{z}\gg N\cdot{U}_{o}\) or \(I\) is very large, the middle plates produce electrolytic reactions. This can explain the experimental results shown in Fig. 3b,d./p> the reserve voltage 4.92 V./p> the reserve voltage 4.92 V./p>10 kHz) have been reported. However, since the natural mechanisms are not analyzed effectively, the related results about high-frequency pulse electrolysis are confused and cannot be unified38. In ref. 39,40,41,42, the magnitude or mean value of pulse voltages equal to the magnitude of dc voltages, it is concluded that high-frequency pulse can enhance the system efficiency from three possible aspects, namely, reactant concentration, bubble detachment, and electrical double layer. However, for the pulse power supply and dc power supply, the same magnitude or mean value of voltages does not mean the same electric power. Indeed, from the view of energy, high-frequency pulse electrolysis will introduce lots of voltage or current harmonics, which will not produce hydrogen and cause obvious efficiency loss43,44,45. For the proposed MMSOEC strategy, the motivation is totally different from that of ref. 39,40,41,42. The fundamental motivation is based on the macroscopic equivalent circuit; the choice of pulse parameters is well-founded and is greatly different from that of refs. 39,40,41,42./p>