차아염소산염과 수소생산이 동시에 가능한 PEM수전해 셀의 최적화 운전 (Synergistic Production of Hypochlorite and Hydrogen through PEM Water Electrolysis)

목적 : 본 연구는 MEA가 설치된 격막식 PEM 수전해 셀을 사용하여 수소왿� 차아염소산염을 동시에 생산하는 가능성을 평가하고, 최적 운전 조건을 알아보고자 한다.
방법 : 외부 전력을 Potentiostat를 통해 수전해 장치에 인가하고 수전해 반응을 유도하여 수소왿� 차아염소산염이 생성을 확인하였다. Linear Sweep Voltammetry(LSV) 실험으로, 수전해에 필요한 최소 전압을 확인하기 위해 전압 스캔 범위를 조절하며 전압 변화에 따른 수소 생산량을 관찰하고, 수전해에 필요한 최소 전압과 효율을 계산하였다.또한 정전류 실험으로 1A의 정전류를 인가하여 수소 생산의 안정성과 효율을 평가하였다. 수소 생산량은 질량유량계를 이용하여 측정하였으며, free chlorine 농도를 측정함으로써 차아염소산염 생성량을 확인하였다.
결과 및 토의 : PEM 수전해 셀에서 수소를 생성하기 위해 필요한 최소 전압을 확인하기 위해 DI water를 사용하여LSV실험을 수행하였다. 그 결과 약 1.4 V에서부터 전류가 증가하는 것을 확인할 수 있었고, 이때의 전압 효율은약 82% 정도 되었다. 차아염소산염 생산을 위해 anode에 NaCl을 주입하여 전기화학 반응 실험을 진행하였다. 전해질에 NaCl 용해되어 있을 때, 동일한 전류에서 전압이 DI water를 사용한 경우보다 0.77 V 증가하였다. 또한 전해질 농도왿� 유량에 따른 전극 접촉시간이 차아염소산염과 수소 생산에 미치는 영향을 조사하기 위해 최적화 실험을 수행하였다. 전해질 농도가 증가함에 따라 차아염소산염의 생성량이 증가하는 경향을 확인하였으며, NaCl 10 g/L일 때 Free chlorine 104±0.50 mg/L 발생하였다. 유량이 감소하는 경우 차아염소산염의 발생량이 증가하는 경향을 보였으며, 이는 전극 접촉시간이 증가함에 따라 차아염소산염 생산량이 증가하는 것으로 판단되었다. 하지만 수소 발생량은 NaCl농도왿� 유량에 따른 변화가 없었다.
결론 : 본 연구는 PEM 수전해 기술을 활용하여 수소 생산과 차아염소산염 생산을 동시에 이루어내는 새로운 방안을 모색하였다. MEA가 설치된 격막식 PEM 수전해 셀을 사용하여 동시에 차아염소산염과 수소를 생산하였고, Anolyte로 NaCl 전해질의 농도왿� 유량을 변화시킨 조건에서 생산 효율을 비교하였다. 제안된 PEM 수전해 기술은환경공학에서 이슈가 되고 있는 에너지 문제 및 오염물질 정화를 위한 대안적 기술로 제안될 수 있다고 판단된다.

Objectives : This study aims to assess the feasibility of simultaneously producing hydrogen and hypochlorous acid using a 2-compartment PEM water electrolysis cell with an installed membrane electrode assembly (MEA).
Methods : External power was applied to the PEM water electrolysis device through a potentiostat to induce the electrolysis reaction and to confirm the production of hydrogen and hypochlorite simultaneously. Linear Sweep Voltammetry (LSV) experiments were conducted, thereby determined the minimum voltage required for the electrolysis. Constant current experiments were performed by applying a fixed current of 1 A for 1 hour, measuring voltage changes every second to evaluate the stability and efficiency of hydrogen production. The hydrogen production rate was measured using a mass flow meter, while the hypochlorite production was determined using a portable free chlorine photometer.
Results and Discussion : In this study, the minimum voltage required for hydrogen generation in a PEM water electrolysis cell was investigated using LSV with Deionized (DI) water. The results showed that the current increased from around 1.4 V, indicating an approximate voltage efficiency of 82%. NaCl was introduced to the anode in the PEM electrolysis cell to induce electrochemical reactions. When the anolyte was NaCl, the voltage was observed to increase by 0.77 V compared to using DI water. Optimization experiments were conducted to investigate the influence of electrolyte concentration and flow rate on hypochlorite and hydrogen production. As the electrolyte concentration increased, the hypochlorite generation also increased, with a maximum of 104±0.50 mg/L observed with NaCl 10 g/L. Additionally, when the flow rate was reduced, the hypochlorite production increased, and at a reduced flow rate of 5 mL/min compared to 20 mL/min, hypochlorite generation increased by 127.3%. However, the hydrogen production showed no significant variation with NaCl concentration or flow rate.
Conclusion : This study explores a novel approach using PEM water electrolysis technology to simultaneously produce hydrogen and chlorinated disinfectants. The research employed a PEM electrolysis cell with the MEA to generate both chlorine-based compounds and hydrogen. By varying the concentration and flow rate of the anolyte, the production efficiencies of hypochlorite were compared. This system showed that PEM electrolysis can be a promising alternative for disinfection and energy production in terms of environmental protection and cost-effectiveness.