1) 알카라인 Alkaline Electrolysis)

알카라인 방식은 가장 빠르게 상업화된 기술로 저렴한 설치비용으로 가장 많이 설치되고 있다 다공성 분리막을 산화전극 anode) 과 환원전극 cathode) 사이에 설치하고 알칼리 용액 KOH, NaOH) 을 주입하여 전압과 전류를 가하면 산화반응이 발생하면서 산화 및 환원전극에서 각각 산소와 수소가 발생하는 원리다. 장점은 비교적 단순한 구조로 안정적이며 저가의 비귀금속계 촉매 니켈 철 코발트 몰리브덴 등 가 사용되어 경제성이 높고 수명이 길다는 점이다 반면 단점으로는 전류밀도가 낮아 응답성이 느려 시동 소요시간이 길고 , 전해액 보충이 필요하기 때문에 수소 순도가 낮다 또한 다공성 분리막의 구조적 한계로 고압 및 차압 운전 시 기공을 통한 가스 크로스오버 현상이 발생하며 수소 생산 효율이 낮다는 점이다.

2) 고분자전해질막 PEM, Polymer Electrolyte membrane Electrolysis

고분자전해질막 방식은 고압상태에서 구동이 가능하고 양성자 H 를 이동시켜 수전해 반응을 유도하는 방식이다 산화전극에 물이 공급되어 수소이온 산소기체 ,전자로 분리되고 , 수소이온은 전해질막을 통과하여 환원전극으로 이동한다 이 과정에서 전자와 반응이 일어나 수소가 생산된다. 장점은 전류밀도가 높아 10 초 이내의 짧은 시동 소요시간이 걸리며 , 전해액을 사용하지 않아 수소의 순도가 높다 또한 알카라인 대비 소형화가 가능하여 수소차에 주로 쓰이고 있다. 단점은 고압 구동조건으로 높은 내구성과 내열성이 요구되기 때문에 단가가 비싸다. 전해질막인 Nafion 막은 이온전도도가 높고 기계적 화학적 안정성이 입증되었으나 80 도 이상의 고온 운전시 기계 적 강도가 낮아지며 , 이온전도도가 급격하게 낮아지는 문제점이 있다. 또한 기체 크로스오버가 발생하는데 음극의 백금 촉매에서 수소와 산소의 직접적인 반응이 일어나게 되며 이때 반응열로 분리막의 고분자 주쇄와 전극 촉매층의 파괴가 일어난다 따라서 PEM 수전해

의 안전한 고압운전 50~100bar) 을 위해선 분리막의 적절한 두께가 요구된다.

3) 고체산화물 SO, Solid Oxide Electrolysis)

고체산화물 방식은 700 도 이상의 고온에서 운전 가능하며 고체산화물을 전해질로 사용하여 수증기를 분해하는 기술로 대형 수전해 시스템에 적용 가능하다 세라믹 등 이온전도성 고체산화물을 이용 기체 상태의 수증기를 분해하는 방식이다. 장점은 고온을 이용하기 때문에 에너지효율과 전류밀도가 높다 즉 기체상태의 수증기를 분해하는 방식으로 상변화 고체→액체 또는 액체→기체 로 인한 잠열이 없다 또한 고체산화물의 전해질을 사용하기 때문에 부식에 대한 내구성이 뛰어나고 전해액을 보충할 필요가 없어 유지보수가 용이하다. 단점은 상대적으로 시동 소요시간이 길며 , 수증기를 고온으로 가열하는데 추가 열원이 필요하고 고온에 따른 고체전해질에 대한 열적안정성이 요구된다 소규모 시스템의 실증단계를 진행하고 있으며 상용화되지 않은 상황이다

4) 음이온교환막 AEM, Anion Exchange Membrane Electrolysis

음이온교환막을 전해질로 이용하는 수전해방식이다 앞서 설명한 PEM 방식과 유사하게 기공이 없는 조밀한 형 태의 분리막을 이용하여 산화 및 환원 전극을 물리적으로 분리시키지만 이온 전달 매개체로서 양이온이 아닌 음이온을 이용한다는 점에서 차이 점이 있다 또한 알칼리 환경에서 운전이 되기 때 문에 적용 가능한 촉매 범위와 분리막의 내구성이 중요 하다. 기존 PEM 수전해 는 산성 조건에서 구동되기 때문에 부 식성이 매우 커 전극 선택이 제한적이며 이로 인해 값비싼 백금계 촉매가 사용 된다 그러나 음이온교환막 수전해는 부식 성이 약한 알칼리 환경에서 구동되기 때문에 기존 고분자전해질막 수전해의 장점을 가지면서도 동시에 비싼 백금계 촉매가 아닌 니켈과 같은 비 귀금속계 촉매를 사용할 수 있다는 점에서 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 결론적으로 저가 촉매를 사용함으로써 원가를 낮출 수 있고 저전력에서도 잘 작동하며 압축기 없이도 고압에서 작동이 가능해 효율 및 순도가 높다 이로 인해 소형화가 가능하다 그러나 촉매와 음이온교환막의 성능이나 신뢰도가 아직은 부족한 상황으로 상용화를 위한 연구개발이 활발하게 이뤄지고 있다