수전해로 만든 수소, 그대로 써도 될까요? 순도 표기 읽는 법과 건조기

안녕하세요, AEM 수전해 기술로 청정수소 생산 단가를 낮추고 있는 HydroXpand입니다.

수전해로 만든 수소를 연료전지나 공정에 넣으려는 분이 순도 사양을 요구받으면 단위와 등급에서 막히는 경우가 많습니다. 99.999%와 5N이 같은 말인지, 노점은 순도와 무엇이 다른지, 갓 나온 수소를 그대로 써도 되는지가 한꺼번에 궁금해집니다. 오늘은 수전해에서 나온 수소에 무엇이 섞여 있는지, 순도 표기를 어떻게 읽는지, 말리는 장비가 무엇이고 저희가 지금 어디까지 하고 있는지 정리해보겠습니다. 만든 수소를 연료전지나 공정에 넣으려는 분과, 순도 사양을 놓고 견적을 비교하시는 분께 도움이 되는 내용입니다.

수전해로 만든 수소, 그대로 써도 될까요

용도에 따라 다릅니다. 스택에서 갓 나온 수소는 수증기로 포화된 상태이고 산소가 미량 섞여 있어서, 요구 순도가 낮은 용도라면 기액 분리만으로도 쓰지만 연료전지나 분석 장비처럼 높은 순도를 요구하는 용도라면 건조기와 정제 단계가 붙어야 합니다. 저희 2 kW 시스템은 건조기 없이 상압에서 98~99%이고 건조기를 적용한 검증 조건에서 99.999% 이상을 확인했습니다. 다만 건조기는 표준 구성에 들어 있지 않고 모듈형 건조기는 아직 개발 중입니다.

섞여 있는 것은 주로 수분입니다. 출구 가스는 수증기로 포화돼 있고 스택 온도가 높을수록 수증기가 늘어납니다. 그다음이 막을 넘어온 미량의 산소입니다.

99.999%와 5N은 같은 말입니다. 순도는 수소 몰분율을 백분율로 쓴 값이고 9가 다섯 개면 5N입니다. 노점은 수분만을 온도로 나타낸 값이라 순도와 같은 값이 아닙니다.

순도는 건조기가 만듭니다. 압력은 장비가 만들고 순도는 뒤에 붙는 건조기와 정제 장치가 만듭니다. 두 항목은 별개입니다.

저희 건조기는 개발 중입니다. 검증 조건에서 건조기 적용 시 99.999% 이상을 확인했고 즉시 필요하면 요구 조건에 맞는 협력사 제품을 추천합니다.

갓 나온 수소에는 무엇이 섞여 있을까요

스택에서 나온 수소는 그대로 쓸 수 있는 상태가 아닙니다. 섞여 있는 것은 크게 둘입니다.

첫째, 수분입니다. 수전해는 물에서 수소를 만들기 때문에 출구 가스는 수증기로 포화된 상태로 나옵니다. 스택 온도가 높으면 수소에 동반되는 수증기가 늘어납니다. 주 불순물이 수분이므로 검증된 운전 범위 안에서 건조기로 수분을 제거하면 99.999% 이상을 확인했습니다.

둘째, 산소입니다. 막을 넘어 반대쪽으로 새는 기체 크로스오버는 두 방향을 따로 봅니다. 안전 기준이 걸리는 쪽은 산소 안의 수소이고 저희는 장기 운전에서 이 값을 2% 미만으로 관리합니다. 반대로 수소 안의 산소는 순도 문제라 요구 등급에 따라 정제 여부가 정해집니다.

그래서 순도를 올리는 일은 수분을 제거하는 건조와 잔류 산소를 제거하는 탈산소로 나뉩니다. 어디까지 붙일지는 용도가 정합니다.

순도 표기는 어떻게 읽을까요

순도 사양은 표기법이 여럿이라 헷갈리기 쉽습니다. 세 가지만 구분하면 대부분 읽힙니다.

백분율과 N 표기는 같은 값입니다. 수소 순도는 수소 몰분율을 백분율로 표시한 값이며 99.99%처럼 씁니다. 9의 개수로 줄여 부르기도 해서 99.999%가 5N입니다. 이 값은 수분과 산소, 질소를 합친 총 불순물을 기준으로 합니다. 백분율을 ppm으로 바꾸면 감이 잡힙니다. 99.999%는 불순물이 0.001%라는 뜻이고 백만분율로는 10 ppm입니다. 99.99%라면 100 ppm입니다.

노점은 수분만 말합니다. 수소에 남은 수분을 온도로 나타낸 값이고 낮을수록 건조합니다. 순도가 총 불순물을 말하는 것과 달리 노점은 수분만 말하므로 같은 값이 아닙니다. 대기압 기준으로 노점 영하 70도가 약 2.6 ppmv, 영하 60도가 약 10.7 ppmv입니다.

노점은 기준 압력을 함께 정해야 합니다. 노점은 압력에 따라 달라지므로 대기압 기준인지 관 압력 기준인지를 함께 적어야 합니다. 건조기 출구의 노점이 그대로 사용점의 노점이 되지도 않습니다. 배관 내벽에 남은 수분이 빠져나오기 때문입니다.

순도 사양서를 받으시면 그 숫자가 총 불순물인지 수분만인지, 노점이라면 어느 압력 기준인지, 측정 지점이 건조기 출구인지 사용점인지를 먼저 확인하시는 것이 맞습니다.

용도에 따라 필요한 등급이 다릅니다

같은 수소라도 어디에 쓰느냐에 따라 요구하는 깨끗함이 다릅니다. 반도체 공정용과 난방용이 같을 수 없습니다.

요구 순도가 낮은 용도가 있습니다. 열처리 분위기 가스처럼 요구 조건이 낮은 용도는 간단한 구성으로도 충분합니다. 기액 분리를 거친 수소를 그대로 쓰거나 건조 정도만 더합니다.

높은 순도를 요구하는 용도가 있습니다. 연료전지 시험이나 분석 장비처럼 높은 순도를 요구하는 용도에는 건조와 정제가 모두 필요합니다. 수분과 잔류 산소를 함께 제거해야 요구 등급에 닿습니다.

가장 높은 등급을 요구하는 용도가 있습니다. 반도체 공정처럼 미량의 불순물도 문제가 되는 용도는 사양서의 등급과 측정 기준을 공급사와 항목 단위로 맞춰야 합니다.

용도별로 몇 N이 필요한지를 표로 정리한 자료는 요구 사양을 알려주시면 함께 검토합니다. 필요 이상으로 정제 단계를 붙이면 설비비와 운전비만 올라가므로 자기 용도의 요구 등급을 먼저 확정하는 것이 순서입니다.

말리는 방법과 그때 붙는 장비

스택에서 나온 수소는 세 단계를 거쳐 다듬습니다.

첫째, 기액 분리입니다. 셀에서 나온 전해액과 기체를 기액분리기에서 나눕니다. 분리가 충분하지 않으면 뒤쪽 정제와 건조의 부담이 커집니다.

둘째, 건조입니다. 분리기를 거쳐도 남는 수증기를 건조기로 제거해 노점을 낮춥니다. 요구 순도에 따라 건조기의 필요 여부가 달라집니다.

셋째, 탈산소입니다. 더 높은 순도가 필요한 용도에서는 남은 산소를 제거하는 정제 단계를 더합니다.

여기서 하나 구분할 것이 있습니다. 압력은 수전해 장비가 만들고 순도는 뒤에 붙는 건조기와 정제 장치가 만듭니다. 순도와 압력은 별개 항목이라 견적서에서 두 값을 따로 확인하셔야 합니다. 저희 시스템의 출력 압력은 상압과 10 barg 중 소프트웨어에서 고르고 그 뒤에 건조기와 저장 설비, 부스터나 압축기, 고압 탱크 순으로 하류 설비를 연결합니다.

저희가 지금 어디까지 하고 있는지

2 kW 시스템 HXB-V1의 순도 사양은 건조기 유무로 나뉩니다.

건조기 없이는 98~99%입니다. 상압 운전에서 98~99%, 10 barg 운전에서 99%입니다. 출구 가스는 수증기로 포화된 상태로 나옵니다.

건조기를 적용하면 99.999% 이상입니다. 저희 검증 조건에서 건조기를 적용했을 때 이 값을 확인했습니다.

건조기는 표준 구성에 포함되지 않습니다. 모듈형 건조기 제품을 개발 중이며 확정 사양과 납기는 아직 약속하지 않았습니다. 즉시 필요한 경우 요구 조건에 맞는 협력사의 건조기 제품을 추천해 드립니다.

순도를 확인하는 계측도 구성에 들어갑니다. 계측과 안전 계통은 가스 품질과 노점, 유량을 재고 사용점의 요구 등급에 맞는지 확인하는 기준이 됩니다.

견적서를 비교하실 때는 순도 항목 옆에 건조기 포함 여부를 함께 보셔야 합니다. 순도 숫자만 적혀 있고 건조기가 공급 범위에 없으면 그 순도는 건조기를 붙였을 때의 값입니다. 같은 이유로 압력 항목과 순도 항목은 따로 읽어야 하고, 하나가 높다고 다른 하나가 따라오지 않습니다.

순도 사양을 요구받았을 때 확인할 네 가지

순도 사양을 놓고 공급사와 이야기할 때 아래 네 가지를 먼저 맞추시면 됩니다.

첫째, 총 불순물인지 수분만인지입니다. 백분율이나 N 표기는 총 불순물, 노점은 수분만입니다. 어느 쪽 값을 요구받았는지 확인합니다.

둘째, 노점의 기준 압력입니다. 대기압 기준인지 관 압력 기준인지에 따라 같은 노점도 다른 상태를 뜻합니다.

셋째, 측정 지점입니다. 건조기 출구인지 사용점인지에 따라 값이 달라집니다. 배관 내벽의 수분 때문입니다.

넷째, 산소 허용치입니다. 수분과 별개로 잔류 산소의 허용치가 있으면 탈산소 단계가 필요한지 정해집니다.

네 가지를 알려주시면 건조와 정제를 어디까지 붙일지, 저희 시스템과 협력사 건조기의 조합으로 요구 등급에 닿는지를 함께 검토합니다.

자주 묻는 질문 (FAQ)

Q. 5N이 무슨 뜻인가요?

99.999%를 뜻합니다. 순도의 9가 다섯 개라는 표기이고 수분과 산소, 질소를 합친 총 불순물 기준입니다.

Q. 건조기 없이 연료전지에 넣어도 되나요?

권하지 않습니다. 건조기 없는 출구 가스는 수증기로 포화돼 있고 순도는 98~99%입니다. 연료전지 시험처럼 높은 순도를 요구하는 용도에는 건조와 정제가 필요합니다.

Q. 10 barg로 뽑으면 순도가 올라가나요?

조금 다르지만 건조기를 대신하지는 않습니다. 저희 시스템은 건조기 없이 상압에서 98~99%, 10 barg에서 99%입니다. 압력은 장비가 만들고 순도는 건조기가 만드는 항목이라 높은 순도가 필요하면 압력과 무관하게 건조와 정제가 붙어야 합니다.

Q. 노점 영하 70도면 순도가 몇 퍼센트인가요?

바로 환산되지 않습니다. 노점은 수분만 말하고 순도는 총 불순물을 말하기 때문입니다. 대기압 기준 영하 70도는 수분 약 2.6 ppmv에 해당하고 순도는 여기에 산소와 질소를 더해 정해집니다.

HydroXpand를 더 알아보시려면

HydroXpand는 AEM 수전해를 소재부터 시스템까지 수직 내재화한 회사이며 10개국 이상의 연구기관과 산업체에 전극, 스택, 시스템을 공급하고 있습니다.

제품별 순도와 압력 사양, 하류 설비 연결 조건, 검증 범위는 회사소개서와 제품 데이터시트에 정리돼 있습니다. 순도 사양을 놓고 검토 중이시라면 소개서에서 필요한 정보를 확인하실 수 있습니다.