AVL FIRE™ M을 사용한 음이온 교환막(AEM) 전해조 시뮬레이션

현재 산업적으로 중요한 수전해 장치의 유형은 다음과 같습니다:

• 알칼리 전해조
• 고분자 전해질막(PEM) 전해조
• 고체 산화물 전해조

알칼리 전해조는 비귀금속 촉매 물질을 사용할 수 있기 때문에 경제적이지만, 출력 밀도와 효율성이 낮다는 단점이 있습니다. 반면에 PEM 전해조는 전력 밀도와 효율이 높지만, 귀금속 촉매(예: 이리듐)가 필요하기 때문에 비용이 많이 듭니다. 고체 산화물 전해조는 최고의 효율을 제공하지만 내구성 문제가 있으며 가격도 비쌉니다.

AEM 전해조는 기본적으로 알칼리 전해조와 PEM 전해조의 혼합물입니다. AEM 전해조에서는 전극 사이에 위치한 다이어프램이 알칼리 전해조에 적용될 때 이온 교환막으로 대체됩니다. AEM 기술은 알칼리 수전해 장치의 저비용과 PEM 수전해 장치의 고효율성을 동시에 실현하는 것을 목표로 합니다.

그림 1은 AEM 수전해 장치의 작동 원리를 도식적으로 보여줍니다.  AEM 수전해 장치는 알칼라인 수전해 장치와 PEM 수전해 장치의 특징을 결합한 형태입니다. 전극에서는 알칼리 전해조에서와 동일한 반응이 일어납니다. PEM 전해조에서와 마찬가지로 전극은 이온 교환막으로 분리되어 있습니다. PEM은 수소 이온을 전도하는 반면, AEM은 수산화 이온을 전도합니다. 막은 양전하를 띤 작용기가 공유결합된 복합 고분자 전해질로 구성되어 있습니다. PEM에서와 마찬가지로 AEM의 이온 전도성은 습도에 비례합니다. 수산화 이온의 이동성이 수소 이온의 이동성보다 낮기 때문에 습도에 대한 의존성이 더 큽니다. 이론적으로 AEM 전해조는 순수한 증류수만으로도 운전이 가능하지만, 일반적으로는 성능을 향상시키기 위해 일반적으로 약한 전해질 용액(예: KOH 5%가 포함된 물)을 사용합니다. 시스템 내 수산화물 농도가 높아지면 막 전도도와 촉매 이용률이 증가합니다.

AEM 수전해 장치는 아직 초기 연구 및 개발 단계에 있으며(예: 관련 위키백과 페이지가 2023년 초에 처음 개설됨), 가장 큰 과제는 막의 내구성입니다. 이는 AEM 수전해 장치의 수명이 제한되는 주된 이유이기도 합니다. 현재 AEM 수전해 장치의 수명은 PEM 수전해 장치의 약 10분의 1 수준으로 알려져 있습니다. 따라서 현재 연구는 내구성뿐만 아니라 높은 이온 전도도와 낮은 기체 투과성을 갖춘 막 소재 개발에 중점을 두고 진행되고 있습니다.

해당 기술은 매우 새로운 기술이기 때문에, AEM 전해조 모델링에 관한 공식적인 논문은 매우 드뭅니다. AVL FIRE M에 구현된 모델은 Stanislaw 등의 모델 [2]에 의해 확장된 FIRE M에 이미 존재하는 PEM 전해조 모델을 기반으로 합니다. PEM 수전해 장치에 대해 이미 해결되고 있는 방정식들(기체/액체 2상 유동, 기체 종의 수송, 전자 전하 수송, 막 내 이온 전하 수송, 막 내 용존수 및 기체종 수송, 열 수송)에 추가적으로, AEM에서는 다음과 같은 수송 방정식들이 더 해결됩니다: 액상 전해질 내 이온 수송막의 이오노머(ionomer) 상에서의 이온 수송. 이때, 이중 전해질 용액과 이온 교환 막에 대한 네른스트-플랑크 방정식에서 적절한 관계가 도출됩니다. 관련된 새로운 용액 양은 액체 전해질의 이온 농도와 이오노머, 그리고 액상 전해질의 이온 전위입니다. 또한, 촉매층에서는 전해질 용액에서 나온 수산화 이온이 막의 이오노머 상으로 전달됩니다. 이 이온 질량 전송을 위해 적절한 질량 전송 모델이 추가됩니다.

수치적 관점에서 볼 때, AEM 전해조 모델은 액체 상에서 정의되는 양(이온 전위와 이온 농도)이 더 많기 때문에 PEM 전해조 모델보다 더욱 복잡합니다. 이전부터 언급되었듯, 특히 다공성 매질 내 액체 물의 수치적 수렴은 매우 어려운 과제입니다. AEM 모델은 액상 기반 의존성이 더 높기 때문에, 액체 물 해법에서의 미세한 진동(oscillation)도 전체 수렴에 큰 영향을 미칩니다. 그러나 FIRE™ M은 이러한 수치적 문제들을 해결해냈으며, 합리적인 계산 시간 내에 수렴된 해법(converged solution)을 얻을 수 있도록 구현되어 있습니다.

AEM 전해조(그리고 일반적으로 모든 전해조와 연료 전지)의 설계 및 최적화에서 주요 목표 중 하나는 막(또는 전극 분리기) 내의 균일한 이온 전류 밀도 분포입니다. 만약 그림 2와 같이 이온 전류 밀도가 불균일하게 나타난다면, 그 비균일성의 원인을 면밀히 분석해야 합니다.

전류 밀도 분포에 영향을 미치는 세 가지 요소는 다음과 같습니다: 수산화 이온 종도, 습도 (막 내 용존 수량), 온도. 그림 3에서 볼 수 있듯이, 음극에서의 전기화학 반응 소모로 인해 음극 촉매층에서 음극 채널로 갈수록 수산화 이온 농도가 감소합니다. GDL을 통해 수산화 이온의 대류 전송은 인접한 채널 위에서 국부적인 농도 피크를 유발합니다. 전류 밀도는 이온 농도에 비례하여 변하기 때문에, 이러한 피크는 그림 2에 표시된 것처럼 국소 전류 밀도가 피크를 형성하게 됩니다.

전류 밀도가 왼쪽에서 오른쪽으로 전반적으로 증가한 것은 왼쪽 그림 4에 표시된 강한 온도 구배에 기인할 수 있습니다. 온도가 높아질수록 전기화학 반응 속도, 이온 전도도 및 물 확산 계수가 증가하여 양극에서 음극으로의 물 이동이 용이해집니다. 후자는 용해된 수분 함량의 증가로 이어지며(그림 4 오른쪽 참조), 이는 이온 전도성도 증가시킵니다. 분명히 고온은 성능 향상에 유리하지만, 반대로 열화를 촉진시킵니다. 따라서 전류 밀도 피크와 마찬가지로 온도 피크 또한 셀의 긴 수명을 보장하기 위해 피해야 합니다.

모든 전기화학적 에너지 장치와 마찬가지로 AEM 전해조도 단일 구성 요소 및 소재(특히 막)의 노화로 인해 수명이 단축되는 문제를 겪습니다. 셀의 노화 조건에서의 셀 성능을 예측하고 수명을 추정하기 위해서는 적절한 열화 모델이 필요합니다. PEM 연료 전지의 경우, 이러한 열화 모델은 이미FIRE M에서 사용할 수 있습니다. 앞으로는 전해조에서도 열화 모델을 사용할 수 있을 것입니다.

가장 높은 성숙도를 갖추고 있으며 현재 산업 규모에서 유일하게 설치 및 운영되고 있는 전해조 기술은 전통적인 알칼리 전해조입니다. 이 유형의 전해조에 대한 시뮬레이션 모델은2024 R2 버전부터 사용할 수 있습니다.

음이온 교환막(AEM) 전해조는 경제적이고 효율적이기 때문에 미래의 친환경 수소 생산을 위한 유망한 후보입니다. AEM 전해조는 아직 초기 연구 개발 단계에 있지만, FIRE M에는 이미 AEM 전해조 전용 시뮬레이션 모델이 포함되어 있습니다. PEM 전해조 모델은 적절한 전기화학적 반응, 액체 전해질 내의 추가적인 전송 현상, 그리고 촉매 층 내 액체와 이오노머 소재 상 사이의 이온 질량 전송을 고려하여 확장되었습니다. 3D 결과 섹션에서 볼 수 있듯이 막의 이온 전류 밀도는 습도와 온도 외에도 이온 농도에 따라 달라집니다. 공급 전해질 용액의 이온 농도가 높을수록 성능이 향상됩니다.

[1]      https://www.linkedin.com/pulse/aem-water-electrolysis-zhongpeng-guo-dxj…

[2]      L. N. Stanislaw, M. R. Gerhardt, A. Z. Weber, ECS Transactions 92(8), 2019.