수전해: 물을 분해하여 수소를 얻는 기술

목차

수전해(Water Electrolysis)란?
수전해의 원리
수전해의 장점
수전해의 종류
수전해의 활용 분야
수전해와 연료전지 비교

 

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수전해(Water Electrolysis)란?

수전해란 물(H₂O)에 전기를 가해 수소(H₂)와 산소(O₂)로 분해하는 전기화학적 반응을 말합니다.

 

수전해란? (출처: SK E&S)

 

수전해의 원리

수전해는 간단히 말해 물을 전기분해하는 과정입니다. 물에 전극을 연결하고 전류를 흘려보내면 다음과 같은 반응이 일어납니다.

• 음극(-극): 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻ (수소 기체 발생)
• 양극(+극): 4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻ (산소 기체 발생)

즉, 음극에서는 물 분자가 전자를 얻어 수소 기체와 수산화 이온으로 분해되고, 양극에서는 수산화 이온이 전자를 잃고 산소 기체와 물로 분해됩니다.

 

수전해의 장점

• 친환경성: 재생에너지(태양광, 풍력 등)로 생산된 전기를 이용하면 이산화탄소 배출 없이 깨끗한 수소를 얻을 수 있습니다.
• 고순도 수소 생산: 수전해를 통해 생산된 수소는 순도가 높아 다양한 산업 분야에서 활용 가능합니다.
• 에너지 저장: 남는 전기를 이용하여 수소를 생산하고, 필요할 때 수소를 연료전지에서 다시 전기로 변환하여 사용할 수 있습니다.

 

수전해의 종류

수전해 방식은 전해질의 종류에 따라 크게 다음과 같이 나눌 수 있습니다.

• 고분자 전해질막(PEM) 수전해: 고분자 전해질막을 사용하여 수소 이온만 선택적으로 통과시키는 방식입니다. 작동 온도가 낮고, 응답 속도가 빠르며, 높은 전류밀도를 구현할 수 있습니다. 하지만 고분자 전해질막의 가격이 비싸고, 순수한 물을 사용해야 하는 단점이 있습니다.
• 알칼리 수전해(AEC): 가장 오래된 방식으로, 액체 상태의 칼륨 수산화물(KOH)이나 나트륨 수산화물(NaOH)을 전해질로 사용합니다. 비교적 저렴하고 기술적으로 성숙되었지만, 에너지 효율이 다소 낮은 단점이 있습니다.
• 음이온교환막 수전해(AEM) :음이온 교환막을 통해 수산화 이온(OH-)을 선택적으로 이동시켜 물을 분해합니다.칼리 수전해의 장점과 PEM 수전해의 장점을 모두 가지고 있으며, 비교적 저렴한 비귀금속 촉매를 사용할 수 있습니다.아직 상용화 초기 단계로, 내구성과 성능에 대한 추가적인 연구가 필요합니다.
• 고온 수증기 전해: 고온(800℃ 이상)에서 고체 산화물 전해질을 사용하여 수증기를 분해하는 방식입니다. 열효율이 높고, 부산물로 발생하는 산소를 산업적으로 활용할 수 있습니다. 하지만 고온에서 작동해야 하므로 내열성 재료가 필요하고, 시스템이 복잡합니다.

수전해 설비의 종류 (출처 : SK E&S)

 

수전해의 활용 분야

수소는 미래 에너지원으로 주목받고 있으며, 수전해를 통해 생산된 수소는 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다.

• 수소 연료전지 자동차: 수소 연료전지를 이용하여 전기를 생산하고, 이를 동력으로 사용하는 자동차입니다.
• 산업용 수소: 암모니아 합성, 석유 정제 등 다양한 산업 공정에 사용됩니다.
• 에너지 저장: 재생에너지 발전량이 불안정할 때, 남는 전기를 이용하여 수소를 생산하고, 전력 수요가 높을 때 수소를 연료전지에서 다시 전기로 변환하여 사용합니다.

 

수전해와 연료전지의 비교

수전해와 연료전지는 서로 반대되는 개념이지만, 둘 다 수소를 이용하여 에너지를 변환하는 기술입니다.

 

특징	수전해	연료전지
반응 방향	물 → 수소 + 산소	수소 + 산소 → 물
에너지 변환	전기 에너지 → 화학 에너지	화학 에너지 → 전기 에너지
목적	수소 생산	전기 생산
활용	수소 저장, 연료전지 연료	수소 연료 자동차, 휴대용 전원

 

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수전해 기술은 지속적인 연구 개발을 통해 더욱 효율적이고 경제적인 방식으로 발전할 것으로 기대됩니다. 특히, 재생에너지와 연계된 수소 생산 시스템 구축은 탄소 중립 사회를 실현하는 데 중요한 역할을 할 것입니다.

 

 

연료 전지 : 원리, 종류, 활용 분야까지 총 정리

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수소 에너지 기술 : 생산, 저장, 활용까지 총 정리

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