물의 전기 분해

Electrolysis of water
이 기사는 전기화학 시스템에 관한 것입니다.관련 시스템은 물의 광전기 분해 및 광촉매 물 분할을 참조하십시오.
가정용 물의 전기 분해 시연에 대한 간단한 설정
음의 단자에서 생성된 수소를 나타내는 수돗물 한 잔의 AA 배터리

전기화학적인 물 분할로도 알려진 물의 전기분해는 전기분해라고 불리는 과정에 의해 물을 산소와 수소가스로 분해하기 위해 전기를 사용하는 과정이다.이렇게 방출되는 수소 가스는 수소 연료로 사용하거나 산소와 재혼합하여 산소가스를 만들 수 있습니다. 산소는 용접 및 기타 용도로 사용됩니다.

물의 전기 분해에는 1.23V의 최소 전위차가 필요하지만, 이 전압에서는 환경으로부터 외부 열이 필요합니다.

역사

물의 전기 분해를 개발하기 위해 요한 빌헬름 리터에 의해 발명된 장치

1789년, 얀 루돌프 데이만과 아드리안 파에츠 반 트로스트베이크는 정전기를 사용하여 레이든 항아리의 금 전극에 방전된 전기를 [1]물로 만들었다.1800년에 알레산드로 볼타는 볼타 더미를 발명했고, 몇 주 후에 영국의 과학자 윌리엄 니콜슨과 앤서니 칼라일이 물의 전기 분해를 위해 그것을 사용했다.1806년 Humphry Davy는 녹은 대기 질소에서 질산이 양극에서 생성된다는 결론을 내린 광범위한 증류수 전기 분해 실험 결과를 보고했다.그는 고압 배터리와 [2]비반응성 전극, 축축한 석면에 의해 가교되는 용기 역할을 하는 금 전극 원뿔과 같은 용기를 사용했다.1869년 제노베 그램이 그램 기계를 발명했을 때 물의 전기 분해는 수소 생산의 값싼 방법이 되었다.전기 분해를 통해 수소와 산소를 산업적으로 합성하는 방법은 1888년 [3]드미트리 라치노프에 의해 개발되었다.

원칙

DC 전원은 물 속에 놓인 두 개의 전극 또는 두 개의 플레이트(일반적으로 백금이나 이리듐과 같은 불활성 금속으로 제조됨)에 연결됩니다.수소는 음극에 나타나고 산소는 [4]양극에 나타납니다.이상적인 파라다 효율을 가정할 때 발생하는 수소의 양은 산소량의 2배이며,[5] 두 가지 모두 용액에 의해 전도되는 총 전하량에 비례한다.그러나 많은 세포에서 경쟁적인 측면 반응이 일어나면서 다른 생성물이 생성되고 이상적인 파라다이스 효율이 떨어집니다.

순수한 물의 전기 분해는 다양한 활성화 장벽을 극복하기 위해 과전위 형태의 과잉 에너지를 필요로 합니다.과잉 에너지가 없으면 순수한 물의 전기 분해는 매우 느리거나 전혀 일어나지 않습니다.이것은 부분적으로 물의 자가 이온화가 제한되었기 때문이다.순수한 물은 바닷물의 100만분의 1 정도의 전기 전도율을 가지고 있다.많은 전해 세포들은 또한 필요한 전자 촉매가 부족할 수 있다.전기 분해의 효율은 전해질(예: 소금, 산 또는 염기)의 추가와 전자 촉매의 사용을 통해 향상됩니다.

현재 수소는 화석 [6]연료로부터 더 저렴하게 생산될 수 있기 때문에 전해 공정은 산업 분야에서 거의 사용되지 않는다.

방정식

전체적인 화학 방정식을 나타내는 도표.

음전하 음극의 순수한 물에서는 환원 반응이 일어나 음극으로부터의 전자 e가− 수소 양이온에 주어져 수소가스를 형성한다.산과 균형을 이룬 반반응은 다음과 같습니다.

음극에서의 환원: 2 H+(aq) + 2− e → H2(g)

양극에서 산화 반응이 일어나 산소 가스가 생성되고 양극에 전자를 공급하여 회로를 완성합니다.

양극 산화 : 22 HO(l) → O2(g) + 4+ H(aq) + 4 e−

같은 반반응도 아래 나열된 베이스와 균형을 맞출 수 있습니다.모든 반작용이 산이나 염기와 균형을 이루어야 하는 것은 아닙니다.많은 사람들은 여기에 나열된 물의 산화나 환원 같은 것을 좋아합니다.반반응을 더하려면 둘 다 산이나 염기와 균형을 이루어야 합니다.산균형 반응은 산성(낮은 pH) 용액에서 우세하며 염기균형 반응은 염기성(높은 pH) 용액에서 우세합니다.

음극(축소): 2 H2O(l) + 2e− → H2(g) + 2 OH−(aq)
양극(산화): 2 OH−(aq) → 1/22 O(g) + HO2(l) + 2− e

어느 한쪽의 반반응쌍을 조합하면 물은 산소와 수소로 전체적으로 동일하게 분해된다.

전체 반응 : 22 HO(l) → 22 H(g) + O2(g)

생성된 수소 분자의 수는 산소 분자의 두 배입니다.따라서 두 기체의 온도와 압력이 동일하다고 가정할 때 생성된 수소 가스는 생성된 산소 가스의 두 배 부피를 가집니다.물을 통해 밀리는 전자의 수는 생성된 수소 분자의 두 배, 생성된 산소 분자의 네 배입니다.

열역학

STP에서 물, 산소 및 수소의 평형 영역을 포함하는 물에 대한 Fourbaix 다이어그램.수직 눈금은 SH 전극에 대한 수소 또는 비 상호작용 전극의 전극 전위이며, 수평 눈금은 전해액의 pH입니다(그렇지 않으면 비 상호작용).과전위를 무시한 채, 맨 위 라인에서 평형 상태는 산소 가스이며, 산소는 평형에 도달할 때까지 전극에서 버블이 발생합니다.마찬가지로, 최종적으로는, 평형 상태는 수소 가스이며, 수소는 평형에 도달할 때까지 전극에서 버블이 발생합니다.

순수한 물이 표준 온도와 압력에서 수소와 산소로 분해되는 것은 열역학적 측면에서 바람직하지 않다.

양극(산화): 2 H2O(l) → O2(g) + 4+ H(aq) + 4 e− Eo = +1.23 V (반감기용)[7]
음극(축소): 2 H+(aq) + 2e− → H2(g) Eo = 0.00 V

따라서 수전지의 표준전위(Eocell = Eocathode - Eoanode)는 pH 0([H+] = 1.0 M)에서 25 °C에서 -1.229 V이며, pH 7에서 25 °C([H+] = 1.0×10−7 M)에서 전위는 Nstern 방정식에 따라 변화하지 않는다.열역학적 표준 셀 전위는 표준 상태 자유 에너지 계산에서 구하여 δG°= -n F E°(여기서 E°는 셀 전위, F는 패러데이 상수, 즉 96,485.321233 C/mol)를 구할 수 있습니다.2개의 물 분자와 그에 따라 형성된 2개의 수소 분자에 대해, n = 4, δG° = 474.48 kJ/2 mol(물) = 237.24 kJ/mol(물) 및 δS° = 163 J/K mol(물) 및 δH° = 571 K/2 mol(물)이다.그러나 개별 전극 평형 전위에 관한 계산에는 활성 [8]계수를 고려한 몇 가지 보정이 필요하다.실제로 전기화학적 셀이 적절한 전위를 가함으로써 완성을 향해 "구동"될 때, 그 셀은 동력학적으로 제어된다.따라서 활성화 에너지, 이온 이동도(확산) 및 농도, 와이어 저항, 버블 형성을 포함한 표면 장애(전극 영역 막힘의 원인) 및 엔트로피는 이러한 요인을 극복하기 위해 더 큰 적용 전위를 필요로 한다.필요한 전위의 증가량을 과전위라고 합니다.

전해질 선택

직류 전원에 연결된 호프만 전압계

위에서 설명한 과정이 순수한 물에서 발생할 경우+ 음극에서 H 양이온이 소비/저감되고 양극에서 수산화 이온(OH−) 음이온이 소비/산화됩니다.이는 물에 pH 표시기를 추가하여 확인할 수 있습니다. 음극 근처의 물은 기본이고 양극 근처의 물은 산성입니다.양극에 접근하는 하이드록시드− OH는 대부분 양의 하이드로늄 이온(HO3+)과 결합하여 물을 형성합니다.음극에 접근하는 양의 하이드로늄 이온은 대부분 음의 수산화 이온과 결합하여 물을 형성합니다.음극/아노드에 도달하는 하이드로늄/수소 이온은 비교적 적다.이로 인해 양쪽 전극에서 농도 과전위가 발생할 수 있습니다.

순수에는 상온에서 K=1.0×10의w−14 자기이온이 낮기 때문에[9] 반도체와 유사한 전하 운반체 밀도를 가지며, 따라서 0.055 µS·[10]cm의−1 전류가 잘 통하지 않는다.물의 자가이온화를 증가시키기 위해 매우 큰 전위가 적용되지 않는 한 순수한 물의 전기 분해는 전체 전도율에 의해 매우 느리게 진행됩니다.

수용성 전해질을 첨가하면 물의 전도율이 크게 상승한다.전해질은 양이온과 음이온으로 분리됩니다. 음이온은 양극으로 돌진하여 양극에서 양전하+ H의 축적을 중화시킵니다. 마찬가지로, 양이온은 음극으로 돌진하여 음전하− OH의 축적을 중화시킵니다.이것은 전기의 [11]지속적인 흐름을 가능하게 한다.

수전해용 전해질

전해질에서 나오는 음이온은 수산화 이온과 경쟁하여 전자를 생성하기 때문에 전해질을 선택할 때 주의해야 한다.수산화물보다 표준 전극 전위가 낮은 전해질 음이온이 수산화물 대신 산화되어 산소가스가 생성되지 않는다.대신 표준 전극 전위가 수소 이온보다 큰 양이온이 감소하여 수소 가스가 생성되지 않습니다.

다음 양이온은 H보다 전극+ 전위가 낮기 때문에 전해질 양이온으로 사용하기에+ 적합합니다. Li+, Rb, K++, Cs2+, Ba2+, Sr2+, Ca+, Na 및2+ Mg. 나트륨과 리튬은 저렴한 용해성 소금을 형성하기 때문에 자주 사용됩니다.

전해질로서 산을 사용하면 양이온이 H이며+, 물의 결합을 해제하여 생성된 H에+ 대항할 수 있는 것은 없다.가장 일반적으로 사용되는 음이온은 황산염(SO)으로2−
4, 산화하기가 매우 어려우며, 이 이온이 과산화이온으로 산화될 수 있는 표준 전위는 +2.010V입니다.[12]

전해질로는 황산(HSO24) 등 강산과 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH) 등 강염기가 많이 쓰인다.

고체 고분자 전해질도 나피온과 같이 사용할 수 있으며, 막 양쪽에 특수 촉매를 도포하면 1.5볼트 이하로 물 분자를 효율적으로 분할할 수 있다.몇몇 다른 고체 전해질 시스템은 현재 시판되고 있는 고체 전해질을 [13]사용하는 여러 전기 분해 시스템과 함께 트릴화 및 개발되었습니다.

순수 전해

주요 기사:가상 파괴 메커니즘

무전해 순수 전기분해는 딥-드바이-길이 나노맵 전기화학 셀을 사용하여 달성되었습니다.음극과 양극 사이의 간격이 Debye-length(순수 1미크론, 증류수 약 220nm)보다 더 작을 경우, 두 전극의 이중층 영역이 중첩되어 전체 간격 내에 균일하게 높은 전계가 분포할 수 있습니다.이러한 높은 전장은 물 내 이온수송을 현저하게 향상시켜(주로 이동에 의해), 물의 자가이온을 더욱 향상시키고 전체 반응을 지속시키며, 두 전극 사이의 작은 저항을 나타낼 수 있다.이 경우, 두 반반응은 서로 결합되어 전자전달 단계에 의해 제한된다(전극 거리를 [14]더 줄일 때 전기분해 전류가 포화된다).

기술

주요 기사:물이 갈라지다

기본적인 데모

배터리의 단자에서 흐르는 2개의 리드를 전해질이 함유된 컵에 넣어 용액의 전도성을 확립합니다.전해질 용액에 NaCl(테이블 소금)을 사용하면 경쟁적인 반반응으로 인해 산소 대신 염소 가스가 발생합니다.올바른 전극과 베이킹 소다(중탄산나트륨)와 같은 올바른 전해질을 사용하면 반대로 대전된 전극에서 수소와 산소 가스가 흐릅니다.양전극(양전극)에 산소가 모이고 음전극(음전극)에 수소가 모입니다.수소는2 HO분자에서 양전하를 띠기 때문에 음전극에 도달한다(산소의 경우도 마찬가지).

염화물 이온 수용액은 전해될 때 Cl 농도가− 낮으면 OH−, Cl 농도가− 질량 기준 25% 이상이면 염소 가스가 우선적으로 방출된다는 점에 유의한다.

수소 가스의 유무를 검출하기 위한 매치 테스트

호프만 전압계

주요 기사:호프만 전압계

Hofmann 볼트미터는 종종 소규모 전해 셀로 사용됩니다.세 개의 연결된 직립 원통으로 구성됩니다.내부 실린더는 물과 전해질을 추가할 수 있도록 상단에서 열려 있습니다.백금전극은 전기원의 양극 및 음극 단자에 접속된 2개의 사이드 실린더 각각 바닥에 배치된다.전류가 Hofmann voltameter를 통해 흐르면 양극(양)에서 산소가스가 형성되고 음극(음)에서 수소가스가 생성됩니다.각 가스는 물을 대체하고 두 개의 외부 튜브의 상부에 모으며, 여기서 스톱콕으로 물을 끌어낼 수 있습니다.

산업의

많은 산업용 전기분해 세포는 복잡한 백금판 또는 벌집을 전극으로 하는 Hofmann Voltameter와 매우 유사합니다.일반적으로 전기분해에서 의도적으로 수소를 생성하는 것은 옥시수소 토치의 경우나 극히 고순도의 수소 또는 산소가 필요한 경우 등 특정 용도일 뿐이다.대부분의 수소는 탄화수소에서 생성되며, 그 결과 다른 불순물 중에서도 미량의 일산화탄소가 포함되어 있습니다.일산화탄소 불순물은 많은 연료 전지를 포함한 다양한 시스템에 해가 될 수 있습니다.

고압

주요 기사:고압 전해

고압 전해는 물을 약 12–20 MPa(120–200 Bar, 1740–2900 psi)[15]의 압축 수소 출력으로 전기 분해하는 것이다.전해조 내의 수소를 가압함으로써 외부 수소 압축기의 필요성이 없어지고 내부 압축의 평균 에너지 소비량은 [16]약 3%이다.

고온

주요 기사:고온 전해

고온 전해(HTE 또는 증기 전해라고도 함)는 현재 열 엔진을 사용한 물 전해에 대해 조사되고 있는 방법입니다.기존의 상온 전해보다 고온 전해가 바람직할 수 있다.이는 일부 에너지가 전기보다 저렴하고 전기 분해 반응이 고온에서 [17][18]더 효율적이기 때문이다.

알칼리성 물

주요 기사:알칼리성 물 전해

물 이오나이저(아날칼린 이오나이저라고도 함)는 전기 분해를 사용하여 유입되는 물 흐름을 산성 성분과 알칼리 [19][20]성분으로 분리함으로써 식수의 pH를 높인다고 주장하는 가전제품입니다.처리수의 알칼리성 흐름을 "알칼린 물"이라고 합니다.찬성론자들은 알칼리성 물을 섭취하면 여러 가지 건강상의 이점을 얻을 수 있으며, 이는 "알칼리성 식단의 대체 건강 관행"과 유사하다고 주장한다.이런 주장은 화학과 생리의 기본원리에 위배된다.알칼리성 [21][22]물의 건강상 이점에 대한 의학적 증거는 없다.광범위한 과학적 증거가 이러한 [23][24]주장을 완전히 입증했다.

이 기계는 원래 미국과 유럽에서 판매되기 전에 일본과 다른 동아시아 국가들에서 인기를 끌었다.

고분자 전해질막

주요 기사:고분자 전해질막 전해

양성자 교환막 또는 고분자 전해질막(PEM)은 일반적으로 아이오노머로 만들어지며, 예를 들어 산소 및 수소 가스에 [25]대한 전자 절연체 및 반응물 장벽으로 작용하면서 양성자를 전도하도록 설계된 반투과성 막입니다.이것은 양성자 교환막 연료전지 또는 양성자 교환막 전해장치의 막 전극 어셈블리(MEA)에 통합될 때 필수적인 기능이다:막을 통과하는 직접적인 전자 경로를 차단하면서 반응물의 분리 및 양성자의 수송.

PEM은 순수 고분자막 또는 다른 물질이 고분자 매트릭스에 내장된 복합막으로 만들 수 있습니다.가장 일반적이고 상업적으로 이용 가능한 PEM 재료 중 하나는 DuPont [27]제품인 플루오로폴리머(PFSA)[26] Nafion입니다.나피온이 테프론처럼 [28]과불소화된 골격을 가진 아이오노머인 반면, 양성자 교환막의 아이오노머를 만드는데 사용되는 다른 많은 구조적 모티브가 있다.많은 것들이 다방향족 폴리머를 사용하는 반면, 다른 것들은 부분적으로 불소화된 폴리머를 사용한다.

양성자 교환막은 주로 양성자 전도율(δ), 메탄올 투과율(P), 열 [29]안정성으로 특징지어진다.

PEM 연료전지는 양성자가 물에 잠길 때 양성자에 투과되는 고체 고분자막(박막 플라스틱막)을 사용하지만 전자를 전도하지는 않는다.

초임계수 전기분해

초임계수 전기분해(SWE)는 수소와 산소의 물 결합을 분할하는 데 필요한 전기 에너지가 줄어들도록 물의 특성을 변화시켜 전기 효율을 향상시키고 비용을 절감합니다.온도가 높아지면(>375°C), 열역학적 장벽이 감소하고 동력이 증가하며 액체 또는 가스 상태의 물보다 이온 전도율이 향상되어 옴 손실이 감소합니다.전기 효율 향상, 221bar 이상의 제품 가스 가압 공급, 높은 전류 밀도에서의 작동 능력, 촉매용 귀금속에 대한 낮은 의존도 등의 이점이 있습니다.상용 SWE 장비는 없지만 [30]상용화를 시도하는 회사가 있습니다.

니켈/철

2014년, 연구원들은 백금이나 이리듐과 같은 귀금속 촉매가 아닌 저렴하고 풍부한 니켈과 철로 만들어진 전기 분해 시스템을 발표했다.니켈-금속/니켈-옥사이드 구조는 순수 니켈 금속 또는 순수 니켈 산화물보다 더 활성적입니다.촉매는 필요한 [31][32]전압을 크게 낮춥니다.또한 니켈-철 배터리는 수소 생산을 위한 결합 배터리와 전기 분해로 사용하기 위해 조사되고 있습니다.이러한 "배틀라이저"는 기존 배터리처럼 충전 및 방전이 가능하며 완전히 [33]충전되면 수소를 발생시킬 수 있다.

나노맵 전기화학 셀

주요 기사:가상 파괴 메커니즘

2017년 연구진은 나노맵 전기화학전지를 이용해 상온에서 고효율 무전해 순수 전기분해를 달성했다고 보고했다.나노맵 전기화학 셀에서는 두 전극이 서로 매우 근접해(순수에서는 드바이 길이보다 작음) 질량 전달 속도가 전자 전달 속도보다 더 높을 수 있으며, 두 개의 반반응이 결합되어 전자 전달 단계에 의해 제한된다.실험 결과 순수 전기분해에 의한 전류밀도는 1 mol/L 수산화나트륨 용액에 의한 전류밀도보다 더 클 수 있다.이러한 나노맵 크기 [14]효과로 인해 "가상 파괴 메커니즘"이라는 메커니즘은 잘 확립된 기존 전기화학 이론과는 완전히 다릅니다.

적용들

전 세계에서 생산되는 수소 가스의 약 5%는 전기 분해에 의해 만들어진다.현재 대부분의 산업적 방법은 증기 개질 과정에서 천연가스에서 수소를 대신 생산한다.전기 분해를 통해 생성되는 수소의 대부분은 염소와 가성 소다 생산의 부생성물이다.이것은 부작용에 대한 경쟁의 좋은 예이다.

2NaCl + 2HO2 → Cl2 + H2 + 2Na오호

클로로알칼리 공정(브라인의 전기분해)에서 물/염화나트륨 혼합물은 물이 산소로 산화되지 않고 염소로 산화되기 때문에 물의 전기분해량의 절반밖에 되지 않는다.열역학적으로는 염화물 이온의 산화 전위가 물보다 낮기 때문에 예상할 수 없지만 염화물 반응 속도가 물보다 훨씬 높아 우세를 보인다.이 과정에서 생성된 수소는 연소(다시 물로 변환), 특수 화학 물질 생산에 사용되거나 다양한 소규모 응용 분야에 사용됩니다.

물의 전기 분해는 또한 국제 우주 [34][35]정거장의 산소를 생성하기 위해 사용된다.

또 최근 많은 자동차 회사들이 물을 연료원으로 사용하는 연구를 시작해 수전해로 수소와 산소로 전환하고 수소차에서 수소를 연료로 사용하는 것은 연료원으로서의 수소의 불안정한 특성 때문에 큰 성과를 거두지 못하고 있다.

효율성.

산업생산량

수소 생산을 위한 물의 간단한 전기 분해의 입력 및 출력을 설명한다.

현대 수소 발전기의 효율은 H의2 표준 온도와 압력을 가정하여 수소 표준 부피(MJ/m3)당 소비되는 에너지로 측정된다.발전기에 사용되는 에너지가 낮을수록 효율이 높아집니다. 100% 효율적인 전해기는 1kg당 33.33kW-hours(120MJ/kg)(LHV, 증발된 물은 없음)의 [36]수소를 소비합니다(리터당 12,749줄(12.75MJ/m3).실제 전기분해(15bar 압력으로 회전 전해기를 사용)는 50kW/h/kg(180MJ/kg)을 소비할 수 있으며,[37] 수소차에 사용하기 위해 수소를 압축하면 추가로 15kWhh(54MJ)를 소비할 수 있다.150°C(302°F)에서 외부 열을 가함으로써 전력 소비를 [38]줄일 수 있습니다.

전해자 벤더는 엔탈피를 기반으로 효율성을 제공합니다.전해자의 유효성을 평가하려면 벤더에 의해 어떻게 정의되었는지를 확인하는 것이 중요합니다(엔탈피 값, 전류 밀도 등).

시장에는 알칼리성, 고체 산화물 및 양성자 교환막(PEM) 전해액의 세 가지 주요 기술이 있습니다.알칼리성 전해액은 투자 면에서 더 저렴하지만(일반적으로 니켈 촉매를 사용), 효율은 낮습니다.PEM 전해액은 더 비싸지만(일반적으로 고가의 백금족 금속 촉매를 사용), 더 효율적이며 더 높은 전류 밀도로 작동할 수 있습니다. 따라서 수소 생산량이 충분히 크면 더 저렴할 수 있습니다.고체 산화물 전해조(SOEC)는 세 번째로 일반적인 전기 분해 유형으로, 효율을 높이기 위해 높은 작동 온도를 사용합니다.SOEC의 이론적인 전기 효율은 90% 수소 [39]생산에서 100%에 가깝습니다.PEM 및 알칼리성 전해액과 달리 SOEC 전해액의 효율에는 시간이 지남에 따른 시스템 열화는 초기에 영향을 미치지 않습니다.SOEC 시스템이 열화됨에 따라 셀 전압이 상승하여 자연스럽게 시스템에서 더 많은 열이 발생합니다.따라서 시스템의 온도를 유지하기 위해 필요한 에너지가 적기 때문에 처음에는 [40]급격한 열화로 인한 에너지 손실을 보충할 수 있습니다.

종래의 알칼리 전기 분해의 효율은 [41]약 70%입니다.높은 열값의 사용이 허용되는 경우(열로 인한 비효율성은 촉매에 필요한 증기를 생성하기 위해 시스템으로 다시 유도될 수 있기 때문에), PEM 전기 분해의 평균 작업 효율은 [42][43]약 80%입니다.이는 2030년 이전에 82 - 86%[44]로 증가할 것으로 예상된다.PEM 전해질 이론 효율은 최대 94%[45]까지 예측된다.

다양한2 천연가스 가격에서의 H 생산 비용($-ge 미완료)

수소의 산업 생산과 유효 전기 효율이 70–80%[46][47][48]인 물 전기 분해(PEM 또는 알칼리 전기 분해)에 대한 현재 최선의 공정을 고려하면, 1 kg의 수소(비 에너지 143 MJ/kg)를 생산하려면 50–55 kW†h(180–200 MJ)의 전기가 필요하다.전기요금 0.06달러/kW·h, [49]2015년 미국 에너지부의 수소 생산 목표와 같이 수소 비용은 kg당 $3입니다.장비비는 대량생산에 따라 달라집니다.2022년 기준 2030년까지 연간 장비 생산량을 47GW, 104GW, 180GW로 각각 [50]전망하고 있다.

2016년 이후 천연가스 가격 범위(수소생산기술팀 로드맵, 2017년 11월)는 증기-메탄-변형(SMR) 수소 원가를 1.20~1.50달러로 잡고 있으며, 전기분해를 통한 수소 원가는 2015년 DOE 수소 목표가격의 2배를 여전히 웃돌고 있다.2020년 미국 DOE의 수소 목표 가격은 kg당 2.30달러로, 많은 지역에서 풍력 및 태양광에 대한 2018년 PPA 입찰에서[51] 달성할 수 있는 0.037/kW/h의 전기 비용이 필요하다.따라서 가스솔린 갤런당 4달러 상당(ge) H가2 목표치를 충분히 달성할 수 있으며, SMR의 천연가스 생산 비용이 약간 상승한 수준에 근접합니다.

세계의 다른 지역에서 SMR 수소의 가격은 평균 kg당 1-3달러이다.이는 이미 많은 지역에서 전기 분해를 통한 수소 생산의 경쟁력을 높여주고 있으며, 이는 전기 분해를 위한 경쟁 우위로 이어질 수 있는 조건을 조사하는[53] IEA의 논문을 포함하여 Nel[52] Hydrogen 및 기타에서 개략적으로 설명하고 있다.2021-2022년 글로벌 에너지 위기 동안 가스의 큰 가격 상승은 세계의 [54]일부 지역에서 수소 전기 분해를 경제적으로 만들었다.

몇몇 대형 산업용 전해조들은 수 메가와트로 작동하고 있다.2022년 기준으로 가장 큰 시설은 중국 닝샤에 있는 150MW의 알칼리 시설로 연간 [55]최대 용량은 23,000톤이다.고효율 서양 전기분해 장비는 kW당 1,200달러의 비용이 들 수 있지만 저효율 중국 장비는 kW당 300달러의 비용이 들 수 있지만 수명은 60,000시간으로 [56]더 짧습니다.

과전위

실제 물 전해액은 반응이 진행되기 위해 더 높은 전압이 필요합니다.1.23V를[57] 초과하는 부분을 과전위 또는 과전압이라고 하며, 전기화학적 과정에서 발생하는 모든 손실과 비이상성을 나타냅니다.

잘 설계된 셀의 경우 가장 큰 과전위는 양극에서 산소로 물의 4전자 산화에 대한 반응 과전위입니다. 전자 촉매는 이러한 반응을 촉진할 수 있으며 백금 합금은 이러한 산화에 대한 최신 기술입니다.이 반응을 위한 값싸고 효과적인 전기 촉매를 개발하는 것은 큰 발전이며 현재 연구의 주제입니다. 그 중 30년 된 황화 [58]몰리브덴, 그래핀 양자 [59]도트, 탄소 나노튜브,[32] 페로브스카이트 [60]및 니켈/[61][62]니켈 산화물의 레시피가 있습니다.Tri‐molybden phosphide(Mo3P)는 최근 전자촉매 프로세스에 사용할 수 있는 뛰어난 촉매 특성을 가진 유망한 비소량 금속 및 지구 풍부 후보 물질로 발견되었습니다.Mo3P 나노 입자의 촉매 성능은 수소 방출 반응(HER)에 21일 밀리 볼트, H2형성율, 그리고와 가장 가까운 값 아직 백금에 관찰하고 있214.7 µmols−1 g−1 고양이(100밀리 볼트 과전압에)과 279.07µA cm−2 각각 교환 전류 밀도로 낮는 착수 가능성 여부를 나타내는 값을 시험한다.[63][64]음극에서 수소를 생성하기 위한 간단한 2전자 반응은 백금이나 이론적으로 수소화효소 효소에 의해 거의 과전위 없이 전기 촉매될 수 있습니다.효과가 낮은 다른 재료를 음극에 사용하면(예: 흑연) 큰 과전압이 나타납니다.

열역학

표준 조건에서 물을 전기 분해하려면 물의 각 몰을 분리하기 위해 이론적으로 최소 237 kJ의 전기 에너지가 필요하며, 이는 물의 형성을 위한 표준 깁스 자유 에너지이다.그것은 또한 반응의 엔트로피 변화를 극복하기 위해 에너지를 필요로 한다.따라서 외부 열/에너지가 추가되지 않으면 프로세스는 몰당 286 kJ 이하로 진행할 수 없습니다.

물의 각 몰에는 2개의 몰의 전자가 필요하며 패러데이 상수 F는 1몰의 전하를 나타내므로(96485C/mol), 전기분해 시 필요한 최소전압은 약 1.23V이다.[65] 전기분해가 고온에서 이루어지면 이 전압은 감소한다.이를 통해 전해서는 효과적으로 100% 이상의 전기 효율로 작동할 수 있습니다.전기화학 시스템에서 이는 반응을 지속하기 위해 원자로에 열이 공급되어야 함을 의미한다.이러한 방식으로 열 에너지는 전기 분해 에너지 [66]요구 사항의 일부로 사용될 수 있습니다.이와 마찬가지로 연료(예: 탄소, 알코올, 바이오매스)가 물(저온의 PEM 기반 전해자) 또는 산소 이온(고온의 고체 산화물 전해질 기반 전해자)과 반응하는 경우 필요한 전압을 1V 이하로 낮출 수 있습니다.이는 연료의 에너지 중 일부를 전기 분해 과정을 보조하는 데 사용하고 [67]생산되는 수소의 전반적인 비용을 줄일 수 있다.

그러나 엔트로피 성분(및 기타 손실)을 관찰하면 실제 전류 밀도(열중성 전압)에서 반응이 진행되기 위해서는 1.48V 이상의 전압이 필요합니다.

물 전기 분해의 경우, 깁스 자유 에너지는 반응이 진행되기 위해 필요한 최소 작업량을 나타내며, 반응 엔탈피는 반응 생성물이 반응 물질과 동일한 온도(즉, 위의 값에 대한 표준 온도)에 있도록 공급되어야 하는 에너지량(작업 및 열)이다.1.48V에서 작동하는 전해자는 공급되는 전기 에너지가 물 분해의 엔탈피(열)와 같으며 이는 최소값보다 20% 더 많은 전기 에너지를 제공하기 때문에 25C의 온도에서 등온적으로 작동합니다.

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외부 링크

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