수전해 측정값이 데이터시트와 다를 때 - 먼저 확인할 일곱 가지 (2026)
안녕하세요, HydroXpand입니다. 이번 글에서는 저희 전극이나 시험 셀로 직접 측정한 연구실에서 자주 제기하는 「데이터시트에 제시된 성능이 재현되지 않습니다」라는 문의를 다룹니다.
이러한 문의를 검토하면, 원인은 대개 전극 자체보다 측정 조건과 조립 상태에 있습니다. 데이터시트의 곡선은 특정 측정 조건에서 얻은 결과를 나타내며, 같은 전극이라도 온도나 전해질 농도가 다르면 셀 전압이 달라집니다. 따라서 저희는 측정값이 다르다는 문의를 받으면 전극을 교체하기 전에 측정 조건부터 함께 일치시킵니다. 그 순서를 정리했습니다.
데이터시트와 비교할 때의 핵심 사항
비교하려는 수치의 측정 조건부터 확인하십시오. 같은 회사가 공개한 수치도 그래프마다 측정 조건이 다릅니다.
반쪽셀 측정값과 셀 전압은 직접 비교하지 않습니다. 셀 전압에는 평형 전압과 양극·음극의 과전압, 막·접촉부 등의 저항 손실이 포함됩니다.
온도는 설정값이 아니라 실제 도달 온도를 기준으로 일치시키십시오. 상온에서 측정한 값을 승온 조건에서 얻은 데이터시트의 값과 직접 비교하지 마십시오.
한 번에 하나의 조건만 변경하십시오. 여러 조건을 동시에 변경하면 원인을 구분할 수 없습니다.
1. 비교 대상 수치의 측정 조건
같은 회사가 공개한 수치라도 그래프마다 측정 조건이 다릅니다. 저희가 공개한 수치별 측정 조건은 다음과 같습니다.
공개 자료 | 측정 대상 | 측정 조건 |
|---|---|---|
HXP-an 데이터시트 성능 그래프 | 양극 촉매 활성(니켈 폼 기재와 비교) | 3전극 반쪽셀 · 0.3 M KOH · 상온 · Tafel 측정값은 iR 보정(저항에 의한 전압 강하 보정) 미적용 |
HXP-ca 데이터시트 Tafel 기울기 | 음극 반응의 과전압 대 전류밀도 로그의 기울기(mV/dec) | 3전극 · 0.3 M KOH · 상온 · N₂ 퍼징 |
HXP-ca 데이터시트 단전지 성능 곡선 | Pt/C와 PtRu/C 음극의 단전지 성능 비교(양극은 HXP-an) | 0.3 M KOH · 60 °C |
HXS-0 카탈로그 i-V 곡선 | 단전지 성능 | 활성면적 4 cm² · 1 M KOH · 80 °C |
HXS-2·HXS-30 스택 성능 곡선 | HXP 전극을 적용한 스택의 성능 | 0.1 M KOH · 50 °C · 상압 |
공개 수치는 모두 KOH 알칼리 조건에서 측정한 값입니다. 중성 전해질이나 염화물을 함유한 전해질에서 시험하신다면 데이터시트의 값은 예측값이 아닌 참고값으로만 사용하십시오.
비교할 곡선을 선정했다면 해당 자료의 판(개정 번호)과 측정 조건을 먼저 기록하십시오. 자료에 명시되지 않은 측정 조건은 직접 수행한 실험의 조건과 같다고 가정하지 말고 「미확인」으로 기록하는 편이 안전합니다.
2. 반쪽셀 측정값과 셀 전압은 직접 비교하지 않습니다
3전극 반쪽셀 시험에서는 기준 전극에 대한 작업 전극 하나의 전위를 측정합니다. 반면 셀 전압에는 물을 분해하는 데 필요한 평형 전압, 양극과 음극의 과전압, 막·이오노머·접촉부·전해질의 저항 손실이 모두 포함됩니다. 따라서 반쪽셀에서 얻은 Tafel 기울기나 전위를 셀 전압과 직접 비교할 수 없습니다. 반쪽셀 측정에도 보정하지 않은 용액 저항의 영향은 남을 수 있습니다.
반쪽셀 측정값의 활용: 동일한 기재와 측정 조건에서 촉매 간 성능 차이를 비교합니다.
단전지·스택 측정값의 활용: 실제 운전 조건에서 필요한 전압을 확인합니다. 측정 결과에는 막과 셀 구조의 영향이 포함됩니다.
스택 성능 곡선과 비교할 때는 셀 수도 확인하십시오. 스택 전체 전압을 직렬 셀 수로 나누면 셀당 평균 전압이 됩니다. 그래프에 이미 셀당 전압이 표시되어 있다면 셀 수로 다시 나누지 마십시오. 평균값만으로는 셀 사이의 전압 차이를 알 수 없습니다. 효율을 비교한다면 스택 기준인지 시스템 기준인지, 고위발열량(HHV) 기준인지 저위발열량(LHV) 기준인지도 구분하여 동일한 기준을 적용해야 합니다.
3. 비교 전에 확인할 일곱 가지 항목
온도와 전해질 농도가 다르면 같은 전극이라도 같은 전류밀도에서 셀 전압이 달라집니다. 데이터시트와 비교하기 전에 아래 일곱 가지를 확인하십시오.
안정화 — 정격 전류에서 30분 이상 운전하여 셀 전압이 안정된 후 측정했는지 확인하십시오.
온도 — 설정값이 아니라 셀의 실제 도달 온도인지 확인하십시오.
전해질 농도 — 비교 대상 그래프의 측정 조건과 동일한 농도인지 확인하십시오.
체결 — 조립 가이드에 제시된 체결 토크를 적용했는지 확인하십시오.
가스켓 — 가스켓이 조립 위치에서 이탈하지 않았는지 확인하십시오.
막과 이오노머 — 조립에 사용한 막과 이오노머의 구성을 확인하십시오.
측정 방식과 기준 면적 — 정전류·정전압 방식의 구분, 스캔 속도, 전류밀도 산정에 사용한 기준 면적, iR 보정 여부를 확인하십시오.
같은 셀이라도 전류밀도 산정에 사용한 기준 면적에 따라 곡선이 달라집니다. 계산한 전류밀도뿐 아니라 측정한 전류와 기준 면적을 함께 기록하십시오. 전극 상태도 함께 기록하십시오. 미사용 전극인지, 운전 이력이 있는 전극인지에 따라 결과가 달라질 수 있습니다.
4. 저희의 전극 성능 측정 조건과 순서
아래는 저희가 HXP 전극으로 조립한 단전지의 성능을 측정할 때 적용하는 현재 기준 조건과 측정 순서입니다. 표의 전압은 모두 양극과 음극 사이의 셀 전압입니다. 데이터시트 그래프 중에는 이전에 적용한 측정 조건에서 얻은 것도 있으므로 1절의 표를 함께 확인하십시오.
항목 | 기준 |
|---|---|
전해질 | 0.1 M KOH(탈이온수) |
온도 | 50 °C |
압력 | 상압 |
전해질 유량 | 활성면적 1 cm²당 약 5 mL/min |
음극 | 건식 음극(전해질은 양극 측에서만 순환) |
전극 수령 후 별도의 활성화 절차는 없습니다. 저희는 승온 후 정격 전류로 즉시 운전하고, 약 30분간 운전하여 셀 전압이 안정된 것을 확인한 후 측정을 시작합니다.
측정 순서는 다음과 같습니다.
단계 | 기법 | 조건 |
|---|---|---|
초기 안정화 | 정전류(CP) | 정격 전류 · 30분 |
전류 안정화 | 정전류(CP) | 0.1 A/cm² · 30초 |
분극 곡선 | 선형 주사 전압전류법(LSV) | 개방회로전압(OCV) → 1.70~1.75 V · 5 mV/s |
반복 | 전류 안정화(2단계)부터 2·3단계를 2회 반복 | |
순환 전압전류 측정 | 순환 전압전류 측정법(CV) | 1.0 → 0.4 → 1.8 → 1.0 V · 4회 · 50 mV/s |
개방회로전압 | OCV | 30초 |
전류 안정화 | 정전류(CP) | 0.1 A/cm² · 30초 |
임피던스 | 정전위 전기화학 임피던스 분광법(PEIS) | DC 바이어스 1.5 / 1.6 / 1.7 / 1.75 / 1.8 V · 100 kHz → 100 mHz · 진폭 10 mV |
전극 성능이 우수하면 셀 전압이 1.8 V에 도달하기 전에 측정 장비의 전류 한계에 도달하는 경우가 많습니다. 전류가 더 이상 증가하지 않으면 측정 장비의 전류 한계 표시와 실제 전류부터 확인하십시오. 전류 한계에 도달한 경우에는 상한 전압을 1.70~1.75 V로 낮추되, 해당 범위에서도 전류 한계를 초과하지 않는지 확인하십시오. CV와 PEIS의 1.8 V 조건에도 같은 제약이 있습니다.
전체 측정 순서와 기법별 조건은 전극 구동·측정 안내에 정리해 두었습니다.
5. 증상별 우선 점검 사항
증상 | 우선 검토할 원인 | 조치 |
|---|---|---|
같은 전류밀도에서 셀 전압이 데이터시트의 값보다 높다 | HXP-ca의 반대 방향 조립(카본 페이퍼 면이 막을 향함), 기준 온도 미도달, 전해질 농도 차이, 안정화 부족, 체결 부족, 기준 면적 차이 | 먼저 HXP-ca의 촉매층 면이 막을 향하는지 확인하고, 3절의 일곱 가지 항목에 따라 측정 조건과 조립 상태를 점검·조정한 후 다시 측정하십시오 |
상온에서 측정한 값이 데이터시트의 값과 일치하지 않는다 | 측정 조건 차이 | 데이터시트의 단전지 성능 곡선은 승온 조건에서 측정한 결과입니다. 동일한 측정 조건에서 다시 비교하십시오 |
셀 전압이 1.8 V에 도달하기 전에 전류가 더 이상 증가하지 않는다 | 측정 장비의 전류 한계 | 측정 장비의 전류 한계 표시와 실제 전류를 확인하고, 전류 한계에 도달한 경우에는 상한 전압을 낮춰 측정하십시오 |
중성 전해질이나 염화물을 함유한 전해질에서 측정값이 다르다 | 공개 수치의 측정 조건은 알칼리 조건 | 데이터시트의 값은 참고값으로만 사용하십시오 |
조립한 셀에서 전해질이 누출된다 | 가스켓의 위치 이탈이나 수축, 밀봉면에 끼인 이물 조각 | 셀을 분해하여 가스켓을 올바른 위치에 배치하고 밀봉면을 닦으십시오. 누출이 지속되면 가스켓 두께를 다시 선정하십시오 |
셀 전압이 높게 측정될 때 저희가 가장 먼저 확인하는 것은 HXP-ca의 조립 방향입니다. HXP-ca는 촉매층 면이 막을 향하고 카본 페이퍼 기체확산층(GDL) 면이 셀 하드웨어를 향하도록 조립해야 합니다. 반대 방향으로 조립하면 촉매층이 막과 접촉하지 않아 성능이 발휘되지 않습니다. HXP-an은 양면이 동일하므로 조립 방향에 제한이 없습니다.
시험 조건이나 조립 상태를 조정할 때는 한 번에 하나의 항목만 변경하십시오. 온도 변경과 가스켓 교체를 동시에 수행하면 원인을 구분할 수 없습니다. 한 항목을 변경하고 다시 측정한 후 다음 항목을 조정하십시오.
6. 측정값 차이가 지속될 때 제공할 자료
측정 조건을 일치시킨 후에도 측정값에 차이가 있다면 아래 자료를 준비하여 연락해 주십시오. 담당 엔지니어가 동일한 측정 조건에서 얻은 결과를 대조하여 원인을 함께 확인합니다.
구분 | 내용 |
|---|---|
전극 | 양극·음극 구분, 형식과 크기, 음극의 경우 촉매 종류(Pt/C 또는 PtRu/C), 수령일 |
시험·조립 조건 | 실제 도달 온도, 전해질 농도, 안정화 시간, 체결 토크, 막과 이오노머 구성 |
측정 | 측정 방식과 스캔 속도, 전류밀도 산정에 사용한 기준 면적, iR 보정 여부, 원시 데이터 |
사진 | 전극과 가스켓, 분해한 셀의 사진 |
「셀 전압이 너무 높다」는 설명뿐 아니라 시험·조립 조건과 원시 데이터가 있어야 차이가 발생한 지점을 함께 확인할 수 있습니다. 데이터시트의 값은 저희 시험 조건에서 얻은 결과이므로 셀 구조, 막과 이오노머의 구성, 측정 장비가 다르면 동일한 값이 재현되지 않을 수도 있습니다. 이 경우에도 시험·조립 조건을 항목별로 대조하면 차이점을 파악하고 추가 확인이 필요한 항목을 좁힐 수 있습니다. 각 차이가 셀 전압에 미치는 영향의 크기는 별도로 확인해야 합니다.
유럽연합 공동연구센터(JRC)가 공개한 저온 수전해 분극 곡선 시험 방법도 시험 조건을 설정할 때 참고할 수 있습니다.
출처: European Commission Joint Research Centre, EU harmonised polarisation curve test method for low-temperature water electrolysis (2018)
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자주 묻는 질문 (FAQ)
같은 전극인데 왜 셀 전압이 데이터시트의 값보다 높게 측정되나요?
대개 측정 조건의 차이 때문입니다. 온도와 전해질 농도가 다르면 같은 전극도 셀 전압이 달라지므로, 실제 도달 온도와 전해질 농도부터 데이터시트 그래프의 측정 조건과 일치시키십시오.
데이터시트의 Tafel 기울기와 직접 측정한 셀 전압을 비교해도 되나요?
직접 비교할 수는 없습니다. 이 데이터시트의 Tafel 기울기는 3전극 시험에서 얻은 과전압과 전류밀도의 로그값 사이의 관계를 나타낸 값(mV/dec)이며, 셀 전압(V)과는 다른 물리량입니다.
전극을 받은 뒤 활성화 절차가 필요한가요?
아닙니다. HXP 전극은 별도의 활성화 절차가 없습니다. 승온 후 정격 전류로 약 30분간 운전하고, 셀 전압이 안정된 것을 확인한 후 측정하십시오.
셀 전압 1.8 V까지 측정하려고 하지만 전류가 더 이상 증가하지 않습니다.
측정 장비의 전류 한계에 도달한 경우가 많습니다. 측정 장비의 전류 한계 표시와 실제 전류를 확인하고, 전류 한계에 도달한 경우에는 상한 전압을 낮추십시오. 저희가 안내하는 상한 전압 범위는 1.70~1.75 V이지만, 해당 범위에서도 전류 한계를 초과하지 않는지 확인해야 합니다.