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

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

전극만 따로 구매하시는 연구자가 견적을 요청하실 때 가장 자주 막히는 곳이 규격입니다. 면적과 두께를 정해야 견적이 나오는데 그 기준이 정리된 자료가 드물어서 규격을 잘못 잡고 견적을 다시 받는 일이 생깁니다. 저희도 그런 경우를 두 번 겪었습니다. 오늘은 MEA에 들어갈 전극을 살 때 무엇을 어떤 순서로 정하는지 정리해보겠습니다. 단전지나 쇼트스택으로 소재를 평가하는 연구실과, 자체 MEA 제작에 쓸 전극을 찾는 개발팀에 도움이 되는 내용입니다.

전극 규격은 어떤 순서로 정할까요

정하는 항목은 넷입니다. 면적, 두께, 촉매의 종류와 양, 그리고 표준 포맷으로 살지 맞춤 제작으로 갈지입니다. 이 넷을 셀 하드웨어와 시험 목적에 맞춰 정하면 견적이 한 번에 나옵니다.

첫째, 면적은 셀에 맞춥니다. 표준 시트 200 × 300 mm를 잘라 쓰거나 셀에 맞는 크기로 주문합니다. 시험 셀의 활성면적은 1~25 cm² 범위입니다.

둘째, 두께는 용도가 정합니다. 얇은 대면적 시트는 커팅과 MEA 제작에, 두꺼운 포맷은 스택 적용과 단전지 평가에 씁니다.

셋째, 촉매는 양극과 음극이 다릅니다. 양극은 니켈철 기반 비귀금속이고 음극은 백금계 0.2 mg/cm²에서 Pt/C와 PtRu/C 중 고릅니다.

넷째, 표준 포맷이 빠릅니다. 표준은 2주 출하이고 맞춤은 최대 2개월입니다. 대량 주문 전에 표준 포맷 1장으로 먼저 평가하시길 권합니다.

규격을 잘못 잡으면 견적을 다시 받게 됩니다

전극 견적은 규격이 정해져야 나옵니다. 크기와 두께, 촉매 옵션, 수량이 확정돼야 제작 여부와 납기를 답할 수 있기 때문입니다.

규격을 잘못 잡는 경우는 대개 셀과 전극을 따로 생각할 때 생깁니다. 활성면적은 셀의 가스켓 창이 정하고 전극은 그 셀에 맞춰 자르므로 셀을 먼저 정하지 않으면 전극 크기가 정해지지 않습니다. 두께도 마찬가지입니다. 셀 하드웨어에 따라 맞는 두께가 다른데 이를 정하지 않고 견적을 요청하면 다시 묻고 답하는 왕복이 생깁니다.

그래서 순서는 셀이 먼저입니다. 어떤 셀에 넣을지가 정해지면 면적과 두께는 그 셀에서 나오고 촉매는 시험 목적에서 나옵니다.

면적, 시트로 사서 셀에 맞게 자릅니다

전극은 낱장으로 사서 그대로 쓰기보다 시트를 잘라 쓰는 경우가 많습니다.

표준 시트는 200 × 300 mm입니다. 양극 HXP-an과 음극 HXP-ca 모두 이 크기를 상시 판매합니다. 한 장에서 여러 활성면적의 전극을 잘라낼 수 있어 조건을 바꿔 가며 비교하는 시험에 맞습니다.

시험 셀의 활성면적은 1~25 cm²입니다. 1~25 cm² 시험 셀 HXS-0은 가스켓 창으로 활성면적을 고르고 단전지부터 20셀 쇼트스택까지 구성합니다. 3 × 3 cm처럼 표준 범위 안의 크기는 그대로 제작합니다.

맞춤 크기는 길이 300 mm, 폭 200 mm까지입니다. 그 범위 안에서 크기와 두께를 맞춤 제작할 수 있습니다. 시험 셀에 맞는 크기로 잘라 놓은 상태를 원하시면 희망 크기와 수량을 알려주시면 됩니다.

촉매를 올린 전극이 아니라 기재만 필요한 경우도 있습니다. 양극 쪽 전극 기재와 다공성 수송층으로 쓰는 니켈 폼과 니켈 펠트, 티타늄 펠트, 스테인리스 펠트는 부품으로 따로 공급합니다. 자체 촉매를 올려 평가하는 연구라면 전극 대신 이 기재를 검토하시면 됩니다.

두께, 용도가 정합니다

두께는 셀에 들어가는 방식과 시험 목적에 따라 갈립니다. 양극은 두 가지 표준 두께가 있고 음극은 하나입니다.

양극 300 µm 시트는 커팅과 MEA 제작에 씁니다. 200 × 300 mm의 얇은 대면적 시트라 전극 커팅과 MEA 제작, 다양한 활성면적 준비에 맞습니다.

양극 3 mm 포맷은 스택에 들어가는 두께입니다. 100 × 100 mm 크기로, 저희 스택에 실제로 들어가는 두꺼운 포맷입니다. 단전지 평가와 촉매 스크리닝에도 씁니다.

음극은 260 µm 카본 페이퍼입니다. 200 × 300 mm 기준 전체 두께 260 ± 20 µm이고 촉매층은 막 손상을 줄이기 위해 표면 거칠기를 낮췄습니다.

어느 두께가 맞는지는 셀 하드웨어가 정합니다. 시험 셀에서 막을 바꿔 가며 비교하는 것이 목적이면 얇은 시트를 잘라 쓰고 저희 스택과 같은 조건을 재현하려면 두꺼운 포맷을 씁니다. 맞춤 두께는 기재 조달과 합성 공정 때문에 최대 2개월이 걸립니다.

촉매, 양극과 음극이 다릅니다

촉매는 두 전극이 완전히 다른 기준으로 정해집니다.

양극은 니켈철 기반 비귀금속 촉매입니다. 130 ppi 니켈 폼 기재 위에 NiFe-LDH를 직접 성장시킨 구조라 바인더가 없고 이리듐과 백금족 금속이 들어가지 않습니다. 기공률은 95~98%이고 비표면적은 무처리 니켈 폼 대비 약 25배입니다. 자체 합성이라 동일 사양 교체품을 직접 공급합니다.

음극은 백금계 촉매를 0.2 mgPGM/cm²로 코팅합니다. 카본 페이퍼 위에 Pt/C 또는 PtRu/C 촉매층을 형성하며, PtRu/C의 로딩은 Pt와 Ru를 합한 총 백금족 질량 기준입니다. 두 옵션 중 무엇이 맞는지는 막과 운전 조건을 함께 검토해 정합니다.

둘 다 가속 열화 시험을 거쳤습니다. 1.0과 0.05 A/cm²를 5초 간격으로 오가는 사이클을 10,000회 수행했습니다. 3전극 측정에서 양극의 Tafel 기울기는 98.7 mV/dec, 음극은 PtRu/C 45.7과 Pt/C 52.2 mV/dec입니다.

두 전극의 공개 시험 조건은 같습니다. 0.3 M KOH 상온의 3전극 측정이고, 제품 페이지에는 실측 결과와 카탈로그 데이터, 설계 목표를 구분해 표시합니다. 양극은 같은 조건에서 무처리 니켈 폼과 산소 발생 반응 응답을 비교한 분극 곡선을, 음극은 Pt/C 음극을 적용한 단일셀의 전류밀도별 에너지 소비를 공개합니다. 전극을 비교하실 때는 이 시험 조건이 자기 조건과 같은지부터 보시는 것이 맞습니다.

촉매를 고르실 때 한 가지 기준을 드리면 첫날 성능이 가장 좋은 전극이 가장 오래 가는 전극은 아닙니다. 초기 값과 반복 사이클 뒤의 값을 함께 보시는 것이 맞습니다.

용도별로 흔한 조합

실제 주문에서 자주 나오는 조합을 정리하면 네 가지입니다.

첫째, 막을 바꿔 가며 비교하는 연구입니다. 전극 조건을 일정하게 유지해야 막의 차이가 드러나므로 양극과 음극을 세트로 두고 표준 시트를 잘라 씁니다. 분리막을 개발하는 곳이 기준 전극으로 도입한 사례가 이 경우입니다.

둘째, 촉매 스크리닝입니다. 양극 3 mm 포맷을 단전지에 넣고 조건별로 비교합니다. 저희 스택에 실제로 들어가는 것과 같은 포맷입니다.

셋째, 자체 MEA 제작입니다. 200 × 300 mm 시트를 사서 원하는 활성면적으로 잘라 MEA를 만듭니다. 시험 셀은 저희 MEA와 타사 MEA 모두 호환됩니다.

넷째, 스택 교체품입니다. 저희 스택을 운용 중이라면 동일 사양 교체품을 주문합니다. 양극은 자체 합성이라 직접 공급하고 음극도 동일 사양으로 주문할 수 있습니다.

표준 포맷과 맞춤 제작의 차이

표준 포맷은 발주 수락 후 2주에 출하하고 맞춤 사양은 최대 2개월이 걸립니다. 차이는 기재 조달과 합성 공정에서 나옵니다.

표준 포맷은 1장부터 주문할 수 있습니다. 최소 주문 수량과 최소 주문 금액이 없습니다. 대량 주문 전에는 같은 코팅을 쓰는 표준 200 × 300 mm 양극을 먼저 받아 코팅과 안정성을 평가하시는 편이 빠릅니다. 다만 표준 포맷은 기재 자체가 아니라 코팅과 산소 발생 반응 성능을 평가하기에 적합하다는 점을 감안하셔야 합니다.

맞춤 제작은 세 가지를 확정한 뒤 시작합니다. 희망 크기와 두께, 수량입니다. 표준과 병행해 견적을 준비하므로 표준 포맷으로 먼저 평가하면서 맞춤 견적을 받는 방식이 가능합니다.

MEA는 기본 구성에 들어 있지 않습니다. 시험 셀의 기본 공급에는 MEA가 포함되지 않고 요청하시면 양극과 음극, 막을 포함한 MEA 구성으로 공급합니다. 무상 샘플 제도는 운영하지 않습니다.

공급 정보는 구매 후 공유합니다. 납품 전극과 스택에 적용된 막·촉매 구성은 상세히 공유하고 합성 레시피와 이오노머 세부 조성은 비공개입니다. 상세 성능 데이터를 상호 공유하는 단계에서는 비밀유지계약을 체결합니다.

견적을 요청하실 때 알려주시면 좋은 것

전극 견적이 한 번에 나오려면 네 가지가 필요합니다.

첫째, 사용할 셀과 막입니다. 셀 하드웨어와 막은 고객이 준비하는 항목이고 저희 시험 셀을 쓰신다면 그 구성을 알려주시면 됩니다.

둘째, 희망 크기와 두께, 수량입니다. 표준 시트로 받아 자를지, 셀에 맞춰 잘라 받을지도 함께 정합니다.

셋째, 음극이라면 촉매 옵션입니다. Pt/C와 PtRu/C 중 무엇으로 갈지 정해지지 않았다면 막과 운전 조건을 알려주시면 함께 검토합니다.

넷째, 평가 프로토콜입니다. 전류밀도와 전해액 농도, 온도, 시험 시간을 알려주시면 권장 운전 조건과 공개 가능한 성능 데이터를 함께 안내합니다.

논문에 재료 출처를 적으실 때는 제품 페이지의 인용 문구를 그대로 쓰시면 되고 로트 번호가 필요하면 문의 주시면 됩니다.

자주 묻는 질문 (FAQ)

Q. 전극 한 장만 살 수 있나요?

가능합니다. 최소 주문 수량이 없어 표준 포맷은 1장부터 주문하실 수 있습니다.

Q. MEA로 만들어서 받을 수 있나요?

가능합니다. 시험 셀의 기본 구성에는 MEA가 들어 있지 않지만 요청하시면 양극과 음극, 막을 포함한 MEA 구성으로 공급합니다.

Q. 3 × 3 cm 같은 작은 크기로 받을 수 있나요?

가능합니다. 시험 셀은 활성면적 1~25 cm²를 가스켓 창으로 고르므로 9 cm²는 표준 범위 안입니다. 전극도 그 크기에 맞춰 잘라 드릴 수 있습니다.

Q. 다른 회사 막과 같이 써도 되나요?

됩니다. 셀 하드웨어와 막은 고객이 준비하는 항목이고 저희 시험 셀은 자체 MEA와 타사 MEA 모두 호환됩니다.

HydroXpand를 더 알아보시려면

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

전극과 시험 셀의 상세 사양, 시험 조건과 공개 데이터는 회사소개서와 제품 데이터시트에 정리돼 있습니다. 전극 규격을 정하는 중이시라면 소개서에서 필요한 정보를 확인하실 수 있습니다.