수전해 부하를 낮추면 왜 산소 중 수소 농도가 올라갈까요? 계산과 실측 49점 (2026)

수전해 장비의 부하를 낮추면 넘어오는 수소는 줄어드는데 산소 중 수소 농도는 올라갑니다. 2 kW 스택 실측 49점으로 그 이유를 계산하고, 압력을 올렸을 때의 변화와 부분 부하 운전을 검토할 때 확인할 항목을 정리했습니다.
Oct 24, 2026
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.

부하를 낮출 때 산소 생성량과 넘어온 수소량의 변화
부하를 낮출 때 산소 생성량과 넘어온 수소량의 변화

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

상압에서 부하별 산소 생성량과 넘어온 수소량
상압에서 부하별 산소 생성량과 넘어온 수소량

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%

압력별, 부하별 산소 중 수소 농도 49점
압력별, 부하별 산소 중 수소 농도 49점

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

함께 읽으면 좋은 글

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.

Share article