Numerical Modeling and Analysis of Operating Characteristic on Hydrogen Production System with PEM Water Electrolysis

Abstract

세계 각국이 탄소 배출량 저감을 위해 수소를 주목하면서, 친환경 수소 생산에 대한 관심이 지속적으로 증가하고 있다. 양성자 교환막 수전해(proton exchange membrane water electrolysis, PEMWE)는 수소 생산과정에서 탄소를 전혀 배출하지 않는 그린 수소의 생산방법이다. PEMWE는 100도 미만의 액체 상태의 물에 전류를 흘려서 물을 전기분해하는 방법으로 수소를 생산하고, 음극과 양극 사이에 고분자로 이루어진 proton exchange membrane이 있어 고순도의 수소를 생산할 수 있다. 또한 변동성이 큰 신재생 에너지과 연계해서 수전해를 하는 경우, PEMWE의 빠른 동적 응답성은 효율적으로 수소를 생산할 수 있게 한다. 기존에 이루어진 PEMWE에 관한 연구는 PEMWE 스택 위주로 심층적인 연구가 이루어졌다. 그러나 안정적인 PEMWE 스택 운영을 위한 balence of plants가 포함된 PEMWE 시스템의 연구는 부족하였고 특히 수소의 생산부터 생산된 수소의 후처리 단계가 포함된 수소 생산 시스템에 관한 연구는 극히 드물었다. 본 연구는 PEMWE 스택 내부의 물질 전달 현상을 반영하는 스택의 전압 모델과 수소 생산 단계부터 압축수소를 만드는 단계까지의 PEMWE 시스템을 제안하고 다양한 온도와 압력 조건하에서 스택과 시스템의 운전 특성을 조사한다. 수소의 저장형태는 다양하지만 본 연구에서는 최종적으로 고순도의 가압수소를 만드는 것을 목표로 두었다. PEMWE 스택에서 생산된 수소는 수분과 소량의 산소가 포함되어 있다. 수소의 순도를 높이기 위해서, 물리적 수분 제거단계와 화학적 흡착 단계를 통해 수소의 순도를 높였다. 가압단계에서 압축기의 기계적 부하와 수소의 연소특성을 고려하여 이단압축으로 수소를 압축하였다. 해당 시스템에서, 압력이 증가할수록 PEMWE 스택 효율은 감소하고 시스템 효율은 증가하다가 스택 효율과 비슷해졌다. 그리고 온도가 증가함에 따라 스택 효율은 낮아지고 시스템 효율은 반대의 경향을 보였다. 해당 연구의 결과는 수소의 가압단계까지 고려한 PEMWE 시스템의 작동 특성을 제공하여 목적에 맞는 최적의 운전 전략을 도출하는데 도움을 줄 수 있다.|As countries around the world pay attention to hydrogen to reduce carbon emissions, interest in eco-friendl hydrogen production has increased. Proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) is a green hydrogen production method that does not emit carbon at all in the hydrogen production process. PEMWE produces hydrogen by electrolyzing water by flowing an electric current through liquid water below 100 degrees Celsius and there is a proton exchange membrane made of polymer between the cathode and the anode, so that high-purity hydrogen can be produced. In addition, when water electrolysis is performed in conjunction with renewable energy with high volatility, the fast dynamic response of PEMWE enables efficient hydrogen production. Existing studies on PEMWE have been conducted in depth centering on the PEMWE stack. However, research on the PEMWE system including the balance of plants for stable PEMWE stack operation has been lacking, and in particular, research on the hydrogen production system including the post-processing of hydrogen produced from the production of hydrogen has been extremely rare. This research proposes a voltage model reflecting the mass transfer phenomena inside the PEMWE stack, and a PEMWE system from the hydrogen production stage to the compressed hydrogen production stage and investigates the operating characteristics of the stack and system under various temperature and pressure conditions. Although there are various types of hydrogen storage, this study aimed to produce high-purity pressurized hydrogen finally. Hydrogen produced by PEMWE contains water and a small amount of oxygen, in order to increase the purity of hydrogen, the purity of hydrogen was increased through a physical moisture removal step and a chemical adsorption step. In the pressurization step, hydrogen is compressed through two-stage compression in consideration of the mechanical load of the compressor and the combustion characteristics of hydrogen. In this system, as the pressure increased, the PEMWE stack efficiency decreased and the system efficiency increased and then approached the stack efficiency. However, as the temperature increased, the stack efficiency decreased and the system efficiency showed the opposite trend. The results of this study will provide the operating characteristics of the PEMWE system considering even the hydrogen pressurization stage, which will help to derive the optimal operation strategy for the purpose.