고분자전해질막 수전해 공정에서의 수소 크로스오버 평가 (Critical Assessment of Hydrogen Crossover in Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolysis)

수전해 시스템에서 제어되지 않은 수소 크로스오버(hydrogen crossover)는 효율 저하 및 폭발 위험성 등을 야기시키는 위험 요인이다. 수전해 공정에서 양이온교환막(cation exchange membrane, CEM)은 완전히 수화된 상태로 운전되기 때문에 이중상(two-phase) 물질로 취급하는 것이 중요하다. 본 총설에서는 수소 크로스오버의 특성 평가 중 발생할 수 있는 주요 기술적 문제를 요약하였다. 특히, pressure decay method (PDM)는 수소 크로스오버를 정확하게 측정하기 위한 기법으로평가되며, 막 내부 구조 분석에도 활용할 수 있다. 또한, 수소 크로스오버를 평가하는 데 있어 permeability (즉, 고유 물질 특성) 차원의 고유한 한계를 논의하고, 공정 안전성을 위해 flux 기반(즉, 공정 파라미터)으로의 전환 필요성을 강조한다. 추가적으로, 막-촉매 계면에서의 과포화(supersaturation) 현상이 크로스오버에 미치는 영향에 대한 연구 필요성을 강조한다.

Uncontrolled hydrogen crossover in polymer electrolyte membrane water electrolysis can cause safety issues that lead to hazardous outcomes. It is often overlooked that the cation exchange membranes in the electrolysis process operate in a fully hydrated state, and it is critical to treat the membrane as a two-phase material. This review summarizes some of the key technical challenges that can arise during hydrogen crossover characterization. It is shown that the pressure decay method (PDM) is a robust and reliable technique for measuring hydrogen crossover, which can be used to analyze the ion-conducting channel structures. Moreover, the inherent limitations of the permeability (i.e., intrinsic material property) dimension to describe the hydrogen crossover are presented, followed by the need to shift towards the flux-based approach (i.e., process parameter) to ensure process safety. Furthermore, we emphasize the urgent need to investigate the effects of supersaturation on the hydrogen crossover phenomena, as supersaturation at the cathode side membrane-catalyst interface can exacerbate the hydrogen crossover considerably, deteriorating both the efficiency and safety of electrolysis systems.