AEM 시험 셀 고르는 법 - 활성면적은 전원 장치부터 보고 정합니다 (2026)
안녕하세요, HydroXpand입니다. 이번 글은 직접 제작한 막이나 전극을 평가하기 위해 시험 셀 도입을 검토하시는 연구실을 위한 글입니다.
저희는 음이온 교환막(AEM) 수전해 연구용 시험 셀 HXS-0을 제작·판매하며, 같은 셀을 사내 시험에서도 매일 사용합니다. 국내 여러 연구기관과 대학에서도 이 셀을 사용하여 단전지 측정을 진행했습니다. 그동안 받은 문의에는 다음과 같은 질문이 자주 포함되었습니다. 1 x 1 cm처럼 작은 셀도 제작할 수 있는지, 25 cm² 셀을 구매하면 되는지, 셀 외에 어떤 장비가 필요한지에 관한 질문입니다.
이러한 문의를 받으면 저희는 먼저 연구실에서 사용하시는 전원 장치를 확인합니다. 그 이유와 함께 주문 전에 결정하시면 좋은 사항을 순서대로 정리했습니다.
시험 셀 선정 시 핵심 사항
활성면적은 전원 장치의 최대 전류를 기준으로 정합니다. 5 A 장비라면 25 cm²에서 도달할 수 있는 최대 전류밀도는 0.2 A/cm²입니다.
가스켓 두께는 전극 두께와 동일하게 선정하지 않습니다. 기재마다 체결 시 압축되는 정도가 달라 체결 시험을 통해 정합니다.
셀만으로는 시험할 수 없습니다. 순환 펌프와 전해액 용기를 비롯해 가열 및 가스 측정 구성도 함께 정해야 합니다.
비교 시험의 신뢰성을 확인하려면 기준 구성으로 다시 운전해야 합니다. 재조립 편차가 개선 폭보다 작은지 먼저 확인하십시오.
1. 활성면적을 정하기 전에 전원 장치를 확인합니다
시험 셀을 선정할 때 가장 먼저 고려하는 항목은 활성면적입니다. 면적이 증가하면 같은 전류밀도에 도달하는 데 필요한 전류도 면적에 비례해 증가합니다. 따라서 면적을 정하기 전에 연구실에서 보유한 포텐시오스탯이나 전원 장치가 공급할 수 있는 최대 전류를 확인해야 합니다.
목표 전류밀도와 장비의 최대 전류를 함께 고려하십시오. 아래는 최대 전류 5 A를 활성면적으로 나눈 값입니다.
활성면적 | 5 A에서 도달할 수 있는 최대 전류밀도 |
|---|---|
25 cm² | 0.2 A/cm² |
4 cm² | 1.25 A/cm² |
2 cm² | 2.5 A/cm² |
1 cm² | 5 A/cm² |
예를 들어 1 A/cm²까지 측정하려면 25 cm² 셀에는 25 A가 필요합니다. 5 A 장비로는 해당 조건에서 시험할 수 없습니다. 셀을 구매하기 전에 장비의 최대 전류부터 확인해야 하는 이유입니다. 실제 운전 범위는 전압 범위와 소재 조건에 따라 더 좁아질 수 있습니다.
최대 전류는 모델명으로 확인하시는 편이 정확합니다. 같은 제조사의 장비라도 부스터 구성에 따라 수십 A까지 공급할 수 있습니다. 모델명과 부스터 사양을 알려 주시면 저희가 함께 확인해 드립니다.
저희가 작은 활성면적에 관한 문의에 기본적으로 제안하는 방식은 4 cm²(2 x 2 cm) 셀에서 가스켓으로 활성면적을 줄이는 구성입니다. 4 cm², 2 cm², 1 cm²용 가스켓을 함께 제공하면 셀 한 대로 세 가지 활성면적에서 시험할 수 있습니다. 가스켓을 교체해도 유로는 동일하므로, 활성면적별 가스켓과 전극의 조립 방법은 조립 가이드로 안내해 드립니다. 처음부터 활성면적을 1 cm²로 고정하여 사용하실 계획이라면 해당 크기로 유로를 제작해 드립니다. HXS-0의 유로는 1 cm²부터 25 cm²까지 제작할 수 있습니다.
2. 셀 구조와 시료 치수
저희 HXP 전극으로 단전지를 조립할 때는 하부의 양극 하드웨어 위에 가스켓을 배치하고, 그 개구부 안에 양극을 삽입합니다. 그 위에 막을 배치하고, 가스켓과 음극, 상부의 음극 하드웨어를 순서대로 배치한 뒤 체결합니다. 가스켓은 전극 둘레를 감싸는 틀이며, 막은 양쪽 가스켓 사이에서 압축되어 밀봉됩니다. HXP-ca 음극은 촉매층 면이 막을 향하도록 배치합니다. HXP-an 양극은 조립 방향에 구분이 없습니다.
HXS-0의 사양상 활성면적은 가스켓 개구부의 면적이며, 전극은 이 개구부의 치수에 맞춰 재단합니다. 전극이 개구부보다 크면 가스켓과 겹쳐 균일하게 체결되지 않습니다. 전류밀도는 사양상 활성면적으로 계산하므로, 조립할 때 전극이 개구부를 빈틈없이 채우는지 확인하십시오.
막의 재단 크기는 다음과 같이 정할 수 있습니다. 막이 전극보다 조금만 커도 조립할 수 있지만, 그만큼 밀봉 폭이 좁아져 누설 위험이 커집니다. 막은 가스켓 크기로 재단할 수도 있으며, 위로 돌출된 단자 탭을 제외한 분리판 외곽 형상으로 재단하는 것이 가장 좋습니다.
이 설명은 기재에 촉매를 코팅한 전극을 막 양쪽에 배치하는 구성을 기준으로 합니다. 막에 촉매를 직접 코팅한 CCM(catalyst-coated membrane)을 사용하신다면 촉매층은 막 표면에 형성되어 있고 그 바깥에 다공성 전달층을 배치하므로, 막 외곽 치수, 양면 코팅 영역, 전달층 치수를 구분하여 알려 주십시오.
주문하실 때는 활성면적 값과 함께 아래 정보를 알려 주십시오.
제공하실 정보 | 해당 정보로 결정할 사항 |
|---|---|
활성면적과 형상(가로 x 세로) | 가스켓 개구부와 전극 재단 치수, 적합한 유로 구성 |
전극 기재와 두께 | 조립 검토 (가스켓 두께는 체결 시험을 통해 결정) |
막의 크기와 두께(건조 상태 또는 전처리 후 상태 명시) | 막을 분리판 외곽 형상에 맞춰 재단할 수 있는지 |
CCM 사용 시 코팅 영역과 전달층 치수 | 코팅 영역과 개구부가 일치하는지 |
직접 준비하실 소재 | 저희가 셀과 함께 공급할 품목의 범위 |
면적이 같아도 형상은 다를 수 있습니다. 면적이 4 cm²로 같더라도 치수가 2 x 2 cm인지 1 x 4 cm인지에 따라 가스켓이 달라집니다. 면적 값만 제시하는 것보다 도면으로 형상과 치수를 전달하는 편이 정확합니다.
가스켓 두께는 전극 두께와 동일하게 선정하지 않습니다. 니켈 폼, 카본 페이퍼, 카본 클로스는 체결 시 압축되는 정도가 서로 다릅니다. 특히 니켈 폼은 압축되는 정도가 커서 전극의 명목 두께만으로는 가스켓 두께를 정하기 어렵습니다. 저희 표준 전극도 양극에 니켈 폼, 음극에 카본 페이퍼를 사용하며, HXS-0에는 카본 클로스 전극도 사용할 수 있습니다. 가스켓 두께는 두께가 다른 후보 가스켓으로 조립 시험을 진행하고, 누설 여부와 셀 성능을 확인하여 정하시는 것이 가장 확실합니다.
같은 이유로 다른 셀에 사용하던 체결 토크를 그대로 적용하지 않는 편이 좋습니다. 체결 순서와 토크는 셀과 소재에 따라 다르며, HXS-0의 체결 순서와 토크는 조립 가이드에 별도로 안내해 드립니다.
3. 셀 외에 필요한 주변 장비
셀은 막전극접합체(MEA)를 장착하여 고정하는 장치입니다. 전류 공급, 전해액 순환, 온도 조절, 가스 측정은 셀 외부의 장비가 담당합니다. 셀만 주문하실지, 주변 장비까지 함께 주문하실지에 따라 공급 범위가 크게 달라집니다.
4 cm² 셀을 중심으로 전체 시험 장치를 구성할 때 저희가 제안하는 구성은 다음과 같습니다.
HXS-0 단전지 1대 (활성면적 4 cm², 양극·음극 각각에 입출구)
가스켓 3종 (4 cm²·2 cm²·1 cm²용)
전해액 용기 2개 (각 2 L, 양극용·음극용, 기액 분리 겸용)
순환 펌프 2대 (내알칼리성, 80 °C 대응)
가열교반기 2대
배관·피팅 일체 (수소·산소 출구와 벤트 포함)
MEA 1조와 예비 막 (MEA를 함께 공급받으실 때)
조립·운전 가이드 1부
펌프를 두 대로 구성하는 데는 이유가 있습니다. 양극 측에서만 전해액을 순환시키는 건식 음극 방식과 양극·음극 양측에서 전해액을 순환시키는 방식을 같은 셀로 시험할 수 있기 때문입니다. 각 방식의 배관 구성과 두 방식 간 전환 방법은 조립·운전 가이드에 별도로 안내해 드립니다. 다만 저희 HXP 전극의 기준 데이터는 건식 음극 조건에서 얻은 결과이므로, 해당 데이터와 비교하실 때는 건식 음극 조건으로 일치시키시는 것이 좋습니다. 음극 측에서도 전해액을 순환시키면 수소가 전해액과 함께 배출되므로 음극 측에도 용기와 가열 장비가 하나씩 더 필요합니다.
가스를 측정하실 계획이라면 출구 구성도 확인하십시오. HXS-0에는 수소와 산소의 출구가 각각 있어 셀을 개조하지 않고도 각 가스를 별도로 수집할 수 있습니다.
질량 유량계(Mass Flow Meter, MFM)로 수소 유량을 측정하면 패러데이 효율을 계산할 수 있습니다. 유량계 측정값(SCCM 등)은 기준 온도·압력을 확인하여 몰유량(mol/s)으로 환산하고, 전류와 유량이 안정된 구간에서 이론 수소 몰유량 I/(2F)로 나눕니다. I는 전류, F는 패러데이 상수입니다. 가스는 전해액과 분리한 뒤 유량계로 공급하되, 건식 음극이라도 출구 가스에 수분이 포함되므로 응축수와 수분을 처리한 뒤 측정하십시오. 수분이나 다른 가스가 혼합된 상태로 측정하면 효율이 실제보다 높게 계산될 수 있으므로, 가스 조성과 유량계 설정을 반영하여 수소 성분의 몰유량으로 계산하십시오.
두 가스를 동시에 측정하려면 유량계가 두 대 필요합니다. 한 대로 번갈아 측정할 때는 두 가스를 모두 측정할 수 있는 기종을 사용하고, 측정 대상 가스를 전환할 때마다 가스 설정을 변경하고 충분히 퍼지해야 합니다. 환기 및 수소 안전 조치는 실험실 기준에 따라 마련하셔야 합니다.
4. 비교 시험은 기준 구성부터
새로운 막을 적용한 뒤 셀 전압이 낮아졌을 때 그 차이가 막에서 비롯되었다고 판단하려면 다른 조건이 같아야 합니다. 전극, 활성면적, 전해액 농도, 온도를 동일하게 유지하고, 전류밀도는 동일한 활성면적을 기준으로 계산하여 비교합니다.
가스켓은 별도로 검토해야 합니다. 막 두께가 달라지면 같은 가스켓을 사용해도 동일한 압축 상태가 형성되지 않을 수 있습니다. 따라서 가스켓을 일률적으로 동일하게 유지하기보다, 변경한 경우에는 변경 사항과 그 이유를 기록하십시오. 시료 로트, 전처리, 가스켓, 조립 순서를 시험마다 기록하면 이후 결과를 해석할 때 근거가 됩니다.
측정한 셀 전압과 저항 보정 후의 셀 전압도 구분하여 기록하십시오. 보정 전압은 측정 전압에서 전류와 보정에 사용한 저항을 곱한 값(I x R)을 뺀 값이므로, 보정에 사용한 저항값과 그 값을 구한 방법도 함께 기록해야 합니다. 막을 비교할 때는 막 저항의 차이도 성능의 일부이므로 두 값을 함께 검토하는 편이 좋습니다.
가장 중요한 확인 절차는 기준 구성으로 다시 조립하여 운전하는 것입니다. 재조립 시 발생하는 편차가 새로운 소재로 얻은 성능 개선 폭과 비슷하다면, 분극 곡선 하나만으로는 소재의 성능이 더 우수하다고 판단하기 어렵습니다. 장비 선정 시 시료 교체와 재조립이 쉬운 셀인지 확인하는 것이 중요한 이유입니다.
유럽연합 공동연구센터(JRC)는 저온 수전해의 분극 곡선 시험 방법을 하나로 정리해 공개했습니다. 시험 조건을 정할 때 참고하기 좋은 자료입니다.
출처: European Commission Joint Research Centre, EU harmonised polarisation curve test method for low-temperature water electrolysis (2018)
5. 단전지로 시작한 뒤 쇼트스택으로 확장합니다
소재 비교는 단전지부터 시작하는 것이 좋습니다. 여러 셀을 함께 평가할 때보다 구성이 단순하고 시료를 교체하기도 쉽습니다.
쇼트스택은 목적이 다릅니다. 쇼트스택 시험에서는 여러 셀이 유체 분배 구조를 공유하고 조립 방식도 달라지므로, 같은 소재가 여러 셀에서 균일한 성능을 보이는지 평가합니다. 이때 스택 전체 전압만 확인하면 셀 간 차이가 드러나지 않을 수 있으므로, 셀 수를 늘리기 전에 셀별 전압 측정 방법부터 정하십시오. 단전지 결과는 비교 기준으로 보관하고, 면적·유량·압축 조건·측정 방법의 변경 사항을 기록하십시오.
6. HXS-0을 주문하실 때
HXS-0은 위 기준에 따라 사양을 정하여 제작하는 연구용 셀입니다. 활성면적, 셀 수, 유로 구조를 정한 뒤 제작을 시작합니다. 표준 납기는 발주 수락과 사양 확정 후 4주입니다.
항목 | HXS-0 |
|---|---|
활성면적 | 1–25 cm² (가스켓 개구부의 면적으로 정함) |
구성 | 단전지부터 20셀 쇼트스택까지 |
유로 | Single-serpentine 기본, 시험 목적에 맞춰 변경 가능 |
체결 | M6 볼트, 프레스 불필요, 체결 순서·토크는 조립 가이드로 제공 |
유체 접속 | 1/4″ double-ferrule |
운전 조건 | 대기압, 최대 80 °C |
MEA | 기본 공급에 미포함, 요청 시 HXP-an·HXP-ca와 막으로 구성 |
성능 예시 (카탈로그 i-V 곡선) | 4 cm² · HXP-an · 1 M KOH · 80 °C에서 6.6 A/cm²일 때 2.00 V |
80 °C는 셀의 운전 온도 상한입니다. 시험 대상 막과 전극에 따라서는 이보다 낮은 온도에서 운전해야 할 수 있으므로, 소재의 허용 조건도 함께 확인하십시오.
처음 사용하시는 연구실에는 저희 사업장을 방문하여 직접 조립과 운전을 실습하시는 방식을 권합니다. 납품 현장에서 설치와 교육을 함께 진행하면 실습 시간이 부족한 경우가 많습니다. 저희 사업장에서는 소형 단전지부터 스택까지 실제 장비를 활용하여 구성과 사용 방법을 안내해 드리며, 이후 설치와 운전 과정에서도 기술 지원을 제공합니다.
7. 문의 시 제공하실 정보
아래 정보를 알려 주시면 견적 전에 시료와 장비가 서로 적합한지 먼저 확인해 드립니다.
전원 장치 모델명과 최대 전류
사용하실 활성면적과 단일 활성면적 사용 여부 또는 여러 활성면적 비교 계획
막과 전극의 기재, 치수, 두께, 전처리 상태
전해액, 온도, 음극 측 전해액 순환 여부 등 운전 조건
직접 준비하실 소재와 MEA·주변 장비의 동시 공급 요청 여부
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자주 묻는 질문 (FAQ)
1 x 1 cm처럼 작은 시험 셀도 제작할 수 있나요?
네. HXS-0의 유로는 1 cm²부터 25 cm²까지 제작할 수 있습니다. 여러 활성면적을 비교하실 계획이면 4 cm² 셀에 4·2·1 cm² 가스켓을 함께 사용하는 구성을 권합니다.
25 cm² 셀을 구매하면 작은 활성면적에서도 모두 시험할 수 있지 않나요?
가스켓으로 활성면적을 줄일 수는 있지만, 먼저 전원 장치의 최대 전류를 확인하십시오. 5 A 장비라면 25 cm²에서 도달할 수 있는 최대 전류밀도는 0.2 A/cm²입니다.
니켈 폼이나 카본 클로스 전극도 사용할 수 있나요?
네. 니켈 폼, 카본 페이퍼, 카본 클로스 전극을 모두 사용할 수 있습니다. 기재마다 압축되는 정도가 달라 가스켓 두께는 체결 시험을 통해 정합니다.
MEA도 함께 제공하나요?
기본 공급에는 포함되지 않습니다. 요청하시면 HXP-an·HXP-ca 전극과 막으로 MEA를 구성하여 함께 공급해 드립니다.