수전해 양극, 초기 성능만 보고 고르면 안 되는 이유 - 입자형과 직접 성장형 (2026)

안녕하세요, HydroXpand입니다. 오늘은 수전해 양극을 선정할 때 초기 성능만으로 판단하면 안 되는 이유를 정리해 봤습니다.

전극을 비교할 때는 보통 시험 셀을 조립한 뒤 분극 곡선(전류에 따른 셀 전압)을 측정합니다. 같은 전류에서 셀 전압이 낮을수록 성능이 좋은 전극으로 평가합니다. 다만 이 곡선은 조립 직후의 상태를 나타냅니다. 수백~수천 시간 운전한 뒤에도 같은 순위가 유지되는지는 이 측정만으로 알 수 없습니다.

이번 글에서는 양극에 촉매를 형성하는 방식에 따라 장기 운전에서 어떤 차이가 생기는지, 그리고 양극을 선정하고 시험할 때 확인할 항목을 정리했습니다. 근거 데이터는 양극 내구 기술노트에 있습니다.

양극을 선정할 때의 핵심 사항

• 조립 직후의 분극 곡선은 초기 성능 지표로 보십시오. 촉매의 활성 표면적은 반영하지만, 촉매층이 기재에 얼마나 안정적으로 고정되어 있는지는 반영하지 않습니다.

• 촉매층의 형성 방식을 확인하십시오. 촉매 입자를 바인더로 붙인 촉매층과 기재 위에 직접 성장시킨 촉매층은 열화 메커니즘이 다릅니다.

• 정전류 운전에서 셀 전압의 상승 속도를 보십시오. 장기 안정성은 초기값보다 운전 중의 전압 변화로 평가합니다.

• 셀 구성이 같은 조건에서 비교하십시오. 막이나 운전 조건이 달라지면 같은 양극도 결과가 크게 달라집니다.

• 공개된 내구 기록에서는 직접 성장형의 열화율이 더 낮았습니다. AEM 수전해 정전류 시험 377건 가운데 열화율을 공개한 123건을 비교한 결과입니다.

1. 양극에서 일어나는 반응

수전해 셀에서 수소는 음극에서, 산소는 양극에서 발생합니다. 양극의 산소 발생 반응(OER)은 반응 속도가 느려 과전압이 크기 때문에, 양극 촉매가 셀 전압에 미치는 영향이 큽니다.

운전 중 양극 표면에서는 산소 기포가 계속 생성되어 이탈하고, 전해질이 표면을 따라 순환합니다. 이 과정에서 촉매층에 기계적 응력이 지속적으로 작용합니다. 양극의 내구성은 이 조건에서 촉매층이 활성과 접촉을 얼마나 오래 유지하는지에 달려 있습니다.

2. 촉매층을 형성하는 두 가지 방식

두 방식 모두 상용 제품에 쓰이며, 입자형이 더 일반적입니다.

3. 초기 성능은 입자형이 높은 경우가 많습니다

조립 직후에는 입자형 양극의 성능이 더 높게 측정되는 경우가 많습니다. 미세하게 분쇄한 촉매 분말은 비표면적이 크고, 잉크 조성을 최적화하면 초기 전류밀도를 높일 수 있기 때문입니다.

특히 이리듐 산화물(IrO₂) 같은 귀금속 촉매를 사용한 입자형 양극은 같은 셀 전압에서 더 높은 전류밀도를 보입니다. 저희 양극도 조립 직후에는 이러한 양극보다 전류밀도가 낮게 측정됩니다.

4. 장기 운전에서 나타나는 차이

입자형 촉매층에서는 바인더가 촉매 입자를 고정하는 역할과 수산화 이온(OH⁻)을 전달하는 역할을 함께 합니다. 운전 중 기포 이탈과 전해질 흐름에 의한 응력이 반복되면 바인더가 열화되고, 촉매 입자가 점차 탈리됩니다. 탈리되지 않은 입자도 기재와의 전기적 접촉이 저하되면 반응에 참여하지 못합니다.

전극 면적이 커지면 코팅 균일도도 문제가 됩니다. 두께가 수 mm인 다공성 기재는 내부까지 균일하게 코팅하기 어려워 촉매가 표면 쪽에 집중되는데, 이 영역은 기포와 유동에 의한 응력이 가장 큰 곳이기도 합니다.

직접 성장형 촉매층은 촉매가 기재 금속과 일체로 형성되어 바인더를 쓰지 않으므로 바인더 열화에 따른 촉매 탈리 경로가 없습니다.

5. 공개된 내구 기록 약 380건이 보여주는 것

저희가 수집한 AEM 수전해 논문 756편 가운데 셀 내구 시험이 실린 404편에서, 각 논문이 직접 수행한 정전류 셀·스택 시험 기록을 정리했습니다. 반쪽 셀 시험, 다른 논문의 인용, 이온 용매화 PBI 막과 촉매를 올리지 않은 기재는 제외했고, 양극 촉매층 형성 방식은 각 논문의 실험 절을 기준으로 분류했습니다. 정전류 시험 기록은 377건입니다.

가장 오래 운전한 기록은 모두 직접 성장형 양극에서 나왔습니다. 1 A/cm²에서 14,000시간(셀 전압 상승 속도 12.3 µV/h), 2셀 스택 0.625 A/cm²에서 7,130시간(38.5 µV/h), 1 A/cm²에서 3,500시간(25 µV/h)입니다. 입자형의 최장 기록은 0.5 A/cm²에서 2,500시간이었습니다. 다만 대부분의 시험은 계획한 시간에 맞춰 종료되었기 때문에, 운전 시간보다는 셀 전압 상승 속도로 비교하는 것이 더 정확합니다.

셀 전압 상승 속도(열화율)를 공개한 기록을 전류밀도 구간별로 나누면, 세 구간 모두에서 직접 성장형의 중앙값이 입자형보다 낮았습니다(입자형의 35~58%).

입자형에는 이리듐 산화물을 비롯한 여러 촉매가 섞여 있으므로, 같은 니켈-철 계열 양극끼리 따로 비교했습니다. 이 경우에도 직접 성장형의 중앙값이 70 µV/h로 입자형(117 µV/h)보다 낮아 같은 경향을 보였습니다.

공개된 AEM 수전해 내구 기록을 분석한 결과, 직접 성장형 양극은 입자형보다 셀 전압 상승 속도가 낮았고 가장 오래 운전한 기록도 모두 직접 성장형에서 나왔습니다. 바인더가 열화되며 촉매가 탈리되는 경로가 없다는 구조적 특성과도 일치하는 결과입니다. 저희가 양극을 직접 성장형으로 만드는 이유입니다.

연구마다 막과 운전 조건이 달라 통제된 비교는 아니며, 같은 셀 조건에서 두 방식을 비교한 결과는 확보하는 대로 공개하겠습니다.

6. 양극을 선정하고 시험할 때 확인할 항목

막의 영향은 특히 큽니다. 저희 양극을 사용한 쇼트스택 시험에서도 막만 바꿨을 때 운전 시간이 약 다섯 배 차이 났습니다. 이 사례와 내구 데이터를 해석하는 방법은 내구 수치를 읽는 법에서 다뤘습니다.

직접 시험하시는 경우에는 분극 곡선 한 번으로 판단하기보다, 같은 셀 구성과 운전 조건에서 정전류로 운전하며 셀 전압 변화를 함께 확인하시기를 권합니다. 측정값이 데이터시트와 다를 때 확인할 항목은 측정값이 데이터시트와 다를 때에 정리했습니다.

7. HydroXpand 양극의 구조

저희 양극(HXP-an)은 니켈 폼 기재 위에 니켈-철 촉매를 직접 성장시킨 전극으로, 바인더와 백금족 금속을 사용하지 않습니다. 초기 성능보다 장기 안정성과 원가를 우선해 선택한 구조입니다.

이 양극과 PiperION® 80 µm 막으로 구성한 16 cm² 2셀 쇼트스택은 0.625 A/cm² 정전류 조건에서 6,358시간 운전했습니다. 운전 기간 동안 셀 전압은 1.893 V에서 1.979 V로 상승했으며, 전체 운전 구간을 선형 피팅해 계산한 상승 속도는 셀당 14.7 µV/h입니다. 막과 운전 조건이 달라지면 결과도 달라질 수 있습니다.

5절의 7,130시간 기록은 저희 대표가 공저자로 참여한 KAIST 연구(Advanced Science, 2026)의 결과입니다. 니켈 폼 위에 운전 중 형성되는 니켈-철 옥시수산화물 양극으로 2셀 스택을 0.625 A/cm²에서 운전했습니다. 학술 연구의 결과이며, HXP-an 제품의 시험 기록과는 별개입니다.

양극을 비교할 때 확인할 다섯 가지

1. 촉매층이 입자형인지 직접 성장형인지

2. 분극 곡선이 조립 직후 값인지, 운전 후의 값인지

3. 정전류 운전 중 셀 전압 상승 속도와 그 계산 구간

4. 시험 종료 시점의 셀 전압

5. 시험에 사용한 막과 운전 조건이 실제 셀과 같은지

함께 읽으면 좋은 글

• 수전해 내구 수치를 읽는 법 - 운전 시간, 열화율, 시험 조건에서 확인할 것 (2026)

• MEA 전극을 살 때 규격은 어떻게 고를까요? 면적과 두께, 촉매 로딩

• 수전해 촉매란 - 종류와 귀금속 문제, 성능 판단 기준 (2026)

• 수전해 측정값이 데이터시트와 다를 때 - 먼저 확인할 일곱 가지 (2026)

자주 묻는 질문 (FAQ)

분극 곡선이 좋은 양극이 성능이 좋은 양극 아닌가요?

조립 직후의 분극 곡선은 촉매의 초기 활성을 잘 보여줍니다. 다만 촉매층이 기재에 얼마나 안정적으로 고정되어 있는지는 반영하지 않습니다. 장기간 사용하신다면 정전류 운전 중 셀 전압 상승 속도도 함께 확인하셔야 합니다.

입자형 양극은 사용하지 않는 것이 좋은가요?

그렇지 않습니다. 입자형 양극은 상용 제품에 널리 쓰이며, 초기 성능이 중요한 용도에는 적합할 수 있습니다. 열화 메커니즘이 다르므로 사용 기간과 운전 조건에 맞춰 선택하시면 됩니다.

이리듐을 사용하지 않으면 성능이 낮지 않나요?

조립 직후에는 이리듐 산화물 양극이 같은 셀 전압에서 더 높은 전류밀도를 보입니다. 공개된 AEM 내구 기록에서 열화율 중앙값은 이리듐 산화물 양극이 약 320 µV/h로, 이리듐을 사용하지 않은 양극(약 80 µV/h)보다 높았습니다. 이리듐 산화물 양극 기록은 모두 2,000시간 이하였고, 이리듐을 사용하지 않은 양극으로 그보다 오래 운전한 기록도 있습니다. 초기 성능과 장기 안정성 가운데 어느 쪽을 우선하는지에 따라 선택이 달라집니다.

입자형과 직접 성장형 양극을 같은 조건에서 비교한 데이터가 있나요?

공개된 AEM 정전류 내구 기록 가운데 열화율을 공개한 123건을 비교한 결과, 직접 성장형의 셀 전압 상승 속도 중앙값은 전류밀도 구간마다 입자형의 35~58%였습니다. 다만 연구마다 조건이 달라 통제된 비교는 아닙니다. 같은 셀 구성에서 두 방식을 비교한 저희 데이터는 확보하는 대로 공개하겠습니다.