AEM 수전해 용어집

음이온교환막을 쓰는 수전해 방식입니다. 막이 수산화 이온(OH⁻)을 옮기기 때문에 셀 안이 알칼리성이고, 그래서 백금족을 쓰지 않는 촉매를 양극에 쓸 수 있습니다.

고농도 수산화칼륨 용액과 다공성 격막을 쓰는 1세대 방식입니다. 가장 오래 쓰였고 설비 단가가 낮지만 부하 변동 대응과 차압 운전에 제약이 있습니다.

양성자(H⁺)를 옮기는 막을 쓰는 방식입니다. 셀 안이 산성이라 양극 촉매로 이리듐 같은 백금족 금속이 필요합니다.

700 °C 이상에서 수증기를 전기분해하는 방식입니다. 열을 함께 넣어 전기 소비를 낮출 수 있지만 기동·정지와 소재 내구성이 과제입니다.

양극에서 산소가, 음극에서 수소가 나오는 두 반쪽 반응입니다. 산소 쪽이 느려서 셀 손실의 대부분을 차지하고, 그래서 촉매 개발이 주로 양극에 집중됩니다.

막과 양쪽 촉매층을 하나로 붙인 부품입니다. 셀 성능과 수명이 여기서 대부분 결정되고, 스택 정비에서 교체 대상이 되는 부분도 이것입니다.

촉매층 안에서 이온을 옮기는 고분자입니다. 촉매 입자와 막 사이의 이온 경로를 만들고, 양이 많으면 이온 전도는 좋아지지만 기체가 빠져나갈 길이 막힙니다.

여러 셀을 겹쳐 직렬로 연결한 조립체입니다. 셀, 분리판, 확산층, 실, 엔드플레이트로 구성되고 체결압으로 눌러 조립합니다.

촉매층과 분리판 사이에 들어가는 다공성 층입니다. 전류를 고르게 퍼뜨리고 물을 들여보내면서 발생한 기체를 빼내는 세 가지 일을 동시에 합니다. AEM에서는 양극에 니켈, 음극에 카본계를 씁니다.

셀과 셀 사이에서 전류를 넘기고 유체 흐름 통로를 만드는 판입니다. HydroXpand HXS 시리즈는 니켈계 금속판을 쓰고 엔드플레이트는 SUS316L입니다.

스택을 눌러 조립하는 압력입니다. 너무 낮으면 접촉저항이 커지고 누설이 생기며, 너무 높으면 기체 확산층과 막이 눌려 손상됩니다.

그래서 분해와 재조립에는 장비가 필요합니다. HXS-2는 압축 조립식이라 개봉이 가능하지만, 재조립은 게이지 5톤까지 압축한 뒤 토크렌치로 5 Nm과 7 Nm 두 단계로 볼팅하고 4방향 압축 길이를 재는 순서입니다. 유압 프레스와 압축용 블록, 토크렌치, 버니어캘리퍼스가 함께 있어야 합니다.

가장 흔한 실패는 가스켓입니다. O-ring이 자리 밖으로 올라오고 MEA 가스켓은 안쪽으로 수축하므로 결착 후 밀어넣어야 합니다.

백금·이리듐 같은 백금족 금속을 쓰지 않는 구성을 말합니다. HydroXpand 양극 HXP-an은 니켈폼 위에 NiFe LDH를 직접 성장시켜 백금족을 쓰지 않습니다. 음극 HXP-ca에는 Pt/C 또는 PtRu/C가 들어가므로 셀 전체가 PGM-free는 아닙니다.

촉매 입자를 기재에 바르는 방식과 기재 표면에서 직접 결정을 키우는 방식입니다. 초기 성능은 코팅이 유리해 보일 수 있지만 표면을 붙여 두는 문제는 다르고, 셀 수명이 여기서 갈립니다.

셀에서 실제로 반응이 일어나는 전극 면적입니다. 전류밀도와 곱해야 셀 전류가 됩니다.

성능 자료를 볼 때는 시험 면적과 제품 면적을 구분해야 합니다. 작은 면적에서 얻은 곡선을 큰 면적에 그대로 옮길 수 없기 때문입니다. HydroXpand HXS-0은 활성면적과 셀 수, 유로 구조를 확정한 뒤 제작하는 주문 제작 제품입니다.

활성면적 1 cm²당 흐르는 전류입니다(A/cm²). 같은 셀이라도 전류밀도를 올리면 수소 생산량은 늘고 효율은 떨어지므로, 효율 수치는 반드시 전류밀도와 함께 읽어야 합니다.

전류밀도를 올리면서 셀 전압이 어떻게 오르는지 기록한 곡선입니다. 한 점의 효율값 대신 운전 범위 전체의 성능을 보여주기 때문에, 스택을 비교할 때 먼저 요청해야 하는 자료입니다. 곡선을 받으면 어떤 활성면적과 셀 구성에서 측정했는지를 함께 확인해야 합니다.

전류를 일정하게 유지하고 필요한 전압 변화를 관찰하는 운전입니다. 같은 양의 수소를 만드는 데 더 높은 전압이 필요해졌다면 손실이 커진 것이므로, 내구 시험은 대부분 이 방식으로 합니다.

출구 압력을 대기압보다 높여 운전하는 것입니다. 뒤쪽 압축기를 줄일 수 있지만 기체 크로스오버와 실 설계 부담이 함께 커집니다. barg는 대기압을 0으로 본 게이지 압력입니다.

HXB-V1은 0 barg와 10 barg 운전을 모두 지원하고 10 barg 연속 운전 검증을 마쳤습니다. 정전류 제어이므로 압력이 올라가도 전류는 설정값을 유지하며, 검증 시험에서 확인한 전압 상승은 1% 미만입니다. 30 bar 이상 직출력은 현재 판매 사양이 아닙니다.

가압 데이터와 상압 데이터를 나란히 놓을 때는 전해액 농도를 함께 봐야 합니다. HydroXpand의 가압 시험은 0.1 M KOH이고 공개된 상압 2,281시간 런은 0.3 M KOH입니다.

정격 대비 어디까지 낮춰 운전할 수 있고, 출력을 얼마나 빨리 바꿀 수 있는지를 말합니다. 재생전력에 붙이는 구성에서는 이 두 값이 정격 생산량보다 중요할 때가 많습니다.

AEM 셀은 묶은 수산화칼륨 용액을 순환시키며 운전합니다. 순환은 이온 전달만이 아니라 스택을 식히고 발생한 기체를 실어 나가는 역할도 합니다.

그래서 유량을 임의로 올리면 안 됩니다. HXB-V1의 표준 순환 유량 4 L/min은 물 소비량 매칭이 아니라 스택 냉각과 애노드 압력 억제 관점에서 정한 값이고, 병목은 외부 배관이 아니라 스택 내부 유로와 매니폴드 단면입니다. 유량이 오르면 차압이 커져 애노드와 캐소드 사이 압력차가 벌어집니다.

KOH는 물처럼 운전 중 소모되지 않으므로 고정 주기보다 성능 추이와 상태를 보고 교체합니다.

스택을 제외한 전원, 순환, 기액분리, 정제, 제어, 안전 계통 전체를 가리킵니다. 스택 효율과 시스템 효율이 다른 이유가 이 구간의 소비 때문입니다.

셀에서 나온 전해액과 기체를 나누는 용기입니다. 분리가 충분하지 않으면 뒤쪽 정제와 건조 부담이 커집니다.

수소에 섞인 수분을 제거하는 장치입니다. 요구 순도에 따라 필요 여부가 달라집니다. HXB-V1 표준 구성에는 건조기가 포함되지 않고, HydroXpand 검증 조건에서 건조기를 적용했을 때 수소 순도 99.999% 이상을 확인했습니다.

수소 몰분율을 백분율로 표시한 값이며 99.99%처럼 씁니다. 제거해야 하는 것은 잔류 산소와 수분이고, 요구 순도에 따라 탈산소와 건조 단계가 붙습니다. 제품별 규정값은 제품 페이지와 FAQ에 있습니다.

수전해에 넣는 물의 기준입니다. 이온이 남아 있으면 막과 촉매층에 축적되어 성능이 내려갑니다. HydroXpand의 권장 급수 수질은 ASTM D1193 Type II, 25 °C에서 1.0 µS/cm 이하이고, 약 2.0 µS/cm까지 운전한 경험이 있습니다. 적용 가능 여부는 프로젝트 조건에 따라 확인합니다.

교류 전원을 스택이 쓰는 직류로 바꾸는 장치입니다. 변환 손실이 시스템 효율에 그대로 들어갑니다.

생산량을 나타내는 두 단위입니다. 표준상태 수소 1 Nm³은 0.0899 kg이므로, 서로 다른 단위로 적힌 사양을 비교하려면 먼저 한쪽으로 맞춰야 합니다.

투입 전력 대비 수소가 담은 에너지의 비율입니다. 기준을 고위발열량(39.4 kWh/kg)으로 잡느냐 저위발열량(33.3 kWh/kg)으로 잡느냐에 따라 같은 성능이 약 18% 다르게 표시됩니다.

그래서 기준을 밝히지 않은 효율값은 비교할 수 없습니다. 스택 기준인지 시스템 기준인지도 함께 확인해야 합니다. 두 값의 차이가 BoP 소비분이기 때문입니다.

정전류 운전에서 셀 하나의 전압이 시간당 얼마나 오르는지입니다. 스택마다 셀 수가 달라서 스택 전압 변화만으로는 공정한 비교가 안 되므로 셀당으로 정규화합니다.

값을 받으면 먼저 산정 구간을 확인해야 합니다. 구간별 기울기가 다를 수 있어 전 구간 피팅값으로 미래 전압을 외삽하면 안 됩니다. HydroXpand HXS-2 23셀 스택의 80.2 µV/h/cell은 0.3 M KOH·40 °C, 공개한 2,281시간 전 구간 선형 피팅값입니다.

생성된 기체가 막을 넘어 반대쪽으로 새는 현상입니다. 두 방향을 따로 봐야 합니다. 안전 기준이 걸리는 쪽은 산소 속 수소(H₂-in-O₂)이고, HydroXpand는 장기 운전에서 이 값을 2% 미만으로 관리하며 2%를 넘으면 정지 후 점검을 권고합니다. 반대 방향인 수소 속 산소는 순도 문제라 요구 등급에 따라 정제 단계로 다룹니다.

스택 안 셀들의 전압이 서로 얼마나 벌어져 있는지입니다. 평균 전압만 보면 특정 셀의 이상을 놓칩니다. HXS-2의 공개 데이터에서는 2,281시간 동안 평균이 오르는 것과 별개로 셀간 표준편차가 0.010 V에서 0.020 V로 두 배가 됐습니다. 이 추세가 평균보다 먼저 신호를 줍니다.

셀 하나만 조립한 시험 구성과, 적은 수의 셀을 겹친 구성입니다. 소재와 MEA 평가는 단전지에서 하고, 셀 사이 상호작용과 균일도는 쇼트스택에서 처음 드러납니다. HydroXpand HXS-0는 단셀부터 20셀까지 구성할 수 있습니다.

스택 하드웨어는 재사용하고 소모된 MEA만 바꾸는 정비 방식입니다. HydroXpand는 스택을 반송받아 MEA만 교체해 돌려주는 리퍼비시로 처리하고, 그 스택을 설계하고 제작한 엔지니어가 직접 수행합니다. 현장 분해를 기본으로 두지 않는 이유는 체결 조건 관리가 필요하기 때문입니다.