수전해 부하를 낮추면 왜 산소 중 수소 농도가 올라갈까요? 계산과 실측 49점 (2026)
안녕하세요, HydroXpand입니다. 오늘은 수전해 장비의 부하를 낮추면 왜 산소 중 수소 농도가 올라가는지 정리해 봤습니다.
태양광이나 풍력처럼 전기가 오르내리는 전원에 수전해 장비를 붙이면, 전기가 줄어드는 시간에 부하를 낮춰 운전하게 됩니다. 이때 산소 쪽에 섞여 나오는 수소의 농도가 올라갑니다. 이 농도에는 안전 기준이 있어서, 부하를 어디까지 낮출 수 있는지가 여기서 정해집니다.
다만 부하를 낮추면 막을 넘어오는 수소의 양은 오히려 조금 줄어듭니다. 그런데도 농도가 오르는 이유를 저희 2 kW 23셀 스택 실측값으로 계산해 봤습니다. 압력 7단계, 부하 7단계로 측정한 49점이고, 전해질은 0.1 M KOH입니다.
부분 부하 운전의 핵심 사항
부하를 낮추면 산소 중 수소 농도는 대체로 올라갑니다. 산소는 부하만큼 줄지만, 넘어오는 수소는 그만큼 줄지 않습니다.
압력을 올리면 오르는 폭이 커집니다. 넘어오는 수소 자체가 압력에 따라 늘어나기 때문입니다.
효율 손실보다 안전 기준으로 판단하십시오. 넘어오는 수소는 생산량의 1%도 안 되지만, 농도는 안전 기준에 가까워집니다.
새 스택의 측정값에 여유를 두고 최소 부하를 정하십시오. 운전 시간이 쌓이면 같은 조건에서도 농도가 오를 수 있습니다.
1. 산소 중 수소 농도를 보는 이유
AEM 수전해에서는 음극에서 수소, 양극에서 산소가 만들어지고 그 사이를 막이 나눕니다. 막이 있어도 음극의 수소 일부는 막을 지나 양극 쪽으로 넘어갑니다. 이를 크로스오버라고 하고, 넘어간 수소는 양극에서 나오는 산소에 섞여 나옵니다. 그래서 크로스오버는 보통 산소 중 수소 농도(H₂ in O₂)로 확인합니다.
상온, 대기압에서 산소 속 수소는 약 4 vol%부터 불이 붙을 수 있습니다. 저희는 그 절반인 2%를 관리 기준으로 둡니다.
2. 부하를 낮추면 왜 농도가 오르나
산소가 얼마나 만들어지는지는 전류로 정해집니다(패러데이 법칙). 23셀 스택을 50 A로 운전하면 산소는 약 240 NL/h, 수소는 약 480 NL/h가 나옵니다(0 °C, 1기압 기준). 부하를 40%인 20 A로 낮추면 산소도 40%인 약 96 NL/h로 줄어듭니다.
측정한 농도와 산소 생성량을 알면, 산소 쪽으로 넘어온 수소의 양을 거꾸로 계산할 수 있습니다. 상압에서 계산한 값입니다.
부하 (전류) | 산소 생성량 | 산소 중 수소 농도 | 넘어온 수소량 (계산) |
|---|---|---|---|
100% (50 A) | 240 NL/h | 0.39% | 0.95 NL/h |
80% (40 A) | 192 NL/h | 0.40% | 0.77 NL/h |
60% (30 A) | 144 NL/h | 0.49% | 0.71 NL/h |
40% (20 A) | 96 NL/h | 0.66% | 0.64 NL/h |
부하를 100%에서 40%로 낮추는 동안 산소는 60% 줄었는데, 넘어온 수소는 3분의 1 정도만 줄었습니다. 농도는 넘어온 수소를 전체 기체로 나눈 값이고 전체 기체는 거의 다 산소이므로, 산소가 더 많이 줄어든 만큼 농도가 올라갑니다.
넘어오는 수소가 덜 줄어드는 것은, 그 양의 상당 부분이 전류와 상관없이 수소 쪽 압력으로 정해지기 때문으로 봅니다. 전류를 낮춰도 이 부분은 거의 그대로 남습니다.
3. 압력을 올리면
수소 쪽 압력을 올리면 넘어오는 수소가 부하와 관계없이 늘어납니다. 그래서 같은 부하에서도 농도가 높고, 부하를 낮출 때 오르는 폭도 커집니다.
부하 (전류) | 0 barg | 2 barg | 4 barg | 6 barg |
|---|---|---|---|---|
100% (50 A) | 0.39% | 0.43% | 0.66% | 0.98% |
80% (40 A) | 0.40% | 0.48% | 0.76% | 1.09% |
60% (30 A) | 0.49% | 0.60% | 0.95% | 1.33% |
40% (20 A) | 0.66% | 0.81% | 1.28% | 1.75% |
정격에서 40% 부하로 낮출 때 농도는 상압에서 약 0.26%포인트, 6 barg에서 약 0.78%포인트 올랐습니다. 6 barg, 40% 부하의 1.75%면 관리 기준 2%까지 0.25%포인트밖에 남지 않습니다. 가압 운전에서 최소 부하를 상압보다 보수적으로 잡는 이유입니다. 압력 쪽에서 본 내용은 수전해 스택을 10 barg로 운전하면 무엇이 달라지나에 따로 정리했습니다.
4. 수소 생산량은 얼마나 줄어드나
넘어간 수소는 회수되지 않으니 그만큼 생산량이 줄어듭니다. 저희 측정 조건에서는 생산량의 0.2~0.9%였습니다. 상압 정격 부하에서 가장 작고, 6 barg 40% 부하에서 가장 컸습니다.
효율로만 보면 부하를 낮춰도 손해가 거의 없습니다. 하지만 같은 두 조건에서 농도는 0.39%와 1.75%로 4.5배 차이가 나고, 관리 기준에 꽤 가까워집니다. 그래서 부분 부하 운전의 하한은 효율보다 안전 기준으로 정합니다.
5. 측정값으로 최소 부하를 정할 때
위 값은 새 스택을 짧게 스윕하며 측정한 것입니다. 실제 운전에서는 같은 조건에서도 농도가 더 높게 나올 수 있어서, 최소 부하는 이 값보다 여유를 두고 정합니다. 이유는 세 가지입니다.
첫째, 운전 시간이 쌓이면 농도가 오를 수 있습니다. 저희 10 barg 장기 운전 스택은 50 A에서 산소 중 수소 농도가 2026년 10월 24일 기준 1.00%에서 1.38%로 올랐습니다.
둘째, 정지와 재기동 전후에 잠깐 높아질 수 있습니다. 3,000시간 누적 운전 기록에서도 그런 경우가 있었습니다. 자주 켜고 끄는 운전이라면 이 구간도 같이 보셔야 합니다.
셋째, 스택마다 값이 다릅니다. 이 측정은 스택 한 대의 값이라, 운전하는 스택에서 농도를 계속 기록하시는 것이 좋습니다.
6. 부분 부하 운전을 검토할 때 확인할 것
확인 항목 | 이유 |
|---|---|
부하별 산소 중 수소 농도 | 정격 한 점의 값으로는 부분 부하의 농도를 알 수 없습니다 |
운전 압력에서 같은 측정값 | 압력이 높을수록 부하를 낮출 때 농도가 많이 오릅니다 |
관리 기준과 정지 조건 | 경보, 정지 농도와 부하별 측정값을 같이 보고 최소 부하를 정합니다 |
장기 운전 중 농도 변화 | 새 스택 값보다 높아질 수 있어 여유가 필요합니다 |
가스 분석기 위치와 기록 주기 | 농도를 계속 볼 수 있어야 하한 근처에서 운전할 수 있습니다 |
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자주 묻는 질문 (FAQ)
부하를 낮추면 넘어오는 수소도 줄지 않나요?
줄어듭니다. 다만 산소보다 덜 줄어듭니다. 저희 상압 측정에서 부하를 100%에서 40%로 낮추면 산소는 60% 줄었고, 넘어온 수소는 3분의 1 정도 줄었습니다. 그래서 농도는 올라갑니다.
넘어오는 수소는 왜 산소만큼 줄지 않나요?
넘어오는 양의 상당 부분이 전류와 상관없이 수소 쪽 압력으로 정해지기 때문으로 봅니다. 전류가 클수록 전극 근처에 녹아 있는 수소가 늘어나는 부분도 있는데, 부하를 낮추면 이 부분만 줄고 압력으로 정해지는 부분은 남습니다.
관리 기준을 2%로 두는 이유는 무엇인가요?
상온, 대기압에서 산소 속 수소는 약 4 vol%부터 불이 붙을 수 있습니다. 그 절반인 2%를 관리 기준으로 두고, 기준을 넘으면 정지 후 점검을 권합니다.
상압이라면 40% 부하도 괜찮은 것 아닌가요?
새 스택을 상압에서 측정하면 40% 부하에서 0.66%로 기준보다 한참 낮습니다. 다만 운전 시간에 따라 농도가 오르고 정지, 재기동 전후에 잠깐 높아지는 경우도 있어서, 새 스택 값만 보고 하한을 정하지는 않습니다.
부하를 낮추면 농도도 바로 바뀌나요?
새 값에 도달하기까지 시간이 걸립니다. 가스가 분석기까지 가는 시간과 분석기 자체의 응답 시간이 있어서, 저희는 각 부하 단계의 마지막 60초 평균을 그 부하의 값으로 씁니다.