제어 조건과 BoP 용량에 따른 PEM 수전해 시스템의 동적 운전 특성 분석

Abstract

수전해(Water Electrolysis, WE)는 전기화학반응 중에 생성되는 이온의 종류와 이온이 이동하는 매질(Transmission medium)에 따라서 종류가 달라집니다. 대표적인 예로 고분자전해질막(Polymer Electrolyte Membrane, PEM) 수전해는 수소이온이 이동 가능한 양이온교환막(Cation- Exchange Membrane, CEM)을 적용하였습니다. 다른 예로 알칼라인(Alkaline, ALK) 수전해는 전기화학반응 중에 수산화물(Hydroxide)이 용해된 전해질이 이동하는 반면 음이온교환막(Anion Exchange Membrane, AEM) 수전해는 수산화물이 음이온 상태로 막을 이동합니다. 수전해를 적용하여 재생에너지를 이용해 생산된 전기에너지를 활용하여 수소를 생산하는 연구는 실증 단계를 도달 했습니다. 이를 위해서 전기에너지를 이용해서 수소를 생산하는 수전해는 핵심 소재의 대형화 뿐만 아니라 시스템 안정화에 대한 연구가 진행되고 있습니다. 이는 IEA 보고서에서 발표된 각각의 수전해 기술성숙도(Technology Readiness Level, TRL)에서 확인할 수 있습니다. PEM 수전해와 ALK 수전해는 TRL이 9로 보고 되었고, 이는 시장성장기(Market uptake)에 해당하는 수준입니다. 고체산화물 수전해(Solid Oxide Electrolyzer Cell, SOEC)는 PEM 수전해와 ALK 수전해보다 한단계 낮은 TRL이 7로 보고 되었습니다. 본 연구는 상용 프로그램인 Aspen HYSYS을 이용하여 PEM 수전해 시스템에 대한 동적 응답성을 분석합니다. 앞서 언급한 수전해는 안정적으로 운전하기 위해서 각각의 다른 구성품(Balance of Plant, BoP)으로 시스템이 제작됩니다. 각 BoP에 대한 제어 조건(Control algoritm)에 따라 일정한 수소 생산 조건에서 PEM 수전해 시스템에 나타나는 동적 응답성을 분석합니다. 또한 BoP 중 기수분리기(Gas-liquid separator)의 용량이 PEM 수전해 시스템의 제어 조건에 따른 동적 응답성에 미치는 영향을 분석하였습니다. 그 결과, 일정하게 전류가 공급되는 PEM 수전해 스택에 전압 변동성이 발생하고, 순간적인 수소 투과량 증가 등 다양한 운전 특성이 확인되었습니다.