PEM 수전해는 일반적으로 Nafion 같은 양성자교환막을 전해질로 사용해 물을 수소와 산소로 분해합니다. 재생에너지 기반 그린 수소 생산의 핵심 기술 중 하나로 설치 용량이 빠르게 확대되고 있습니다. PEM 전해조 스택의 각 메가와트에는 여러 개의 티타늄 부품이 필요하며, 그중 많은 부품이 다공성입니다. 이 글에서는 어떤 부품이 사용되는지, 왜 특히 애노드 측에서 티타늄이 필요한지, 그리고 어떤 사양이 중요한지를 설명합니다.
왜 스테인리스가 아닌 티타늄인가
PEM 전해 셀은 양성자교환막을 기준으로 두 면으로 나뉩니다. 캐소드 측(수소 발생)은 상대적으로 완만한 환경으로, 가습 가스와 중간 수준 전위에서 동작합니다. 이쪽은 표준 스테인리스나 탄소계 재료가 사용될 수 있습니다.
하지만 애노드 측(산소 발생)은 다릅니다. Nafion 막은 상당 pH 1 미만의 강산성 환경을 만들고, 여기에 +1.8 V vs. RHE 이상의 애노드 전위와 용존 산소가 더해집니다. 이런 조건은 대부분의 금속에 매우 공격적입니다. 316L을 포함한 스테인리스는 이런 환경에서 용해되며, 철, 니켈, 크롬 이온이 막으로 이동해 촉매층 성능을 저하시킬 수 있습니다.
티타늄은 안정적이고 자가 치유되는 TiO2 수동 피막을 형성하기 때문에 산성도와 산화 전위를 동시에 더 잘 견딥니다. PEM 애노드 용도에서는 긴 스택 수명을 위해 Grade 1 또는 Grade 2 티타늄이 널리 사용됩니다. 다만 실제 부식 속도는 전위, 코팅 시스템, 수질, 운전 프로파일에 따라 달라질 수 있습니다. 그래서 PEM 전해조의 애노드 측과 접촉하는 PTL, 유로 플레이트, 그리고 일부 설계의 메쉬 집전체는 일반적으로 티타늄으로 제작됩니다.
PEM 스택 내 티타늄 부품
다공성 전달층(PTL)
다공성 전달층은 애노드 촉매층 바로 위에 위치합니다. 역할은 세 가지입니다. 촉매에서 바이폴라 플레이트로 전자를 전달하고, 물을 활성 면적 전체에 균일하게 분배하며, 산소 기포가 촉매 표면을 막지 않고 빠져나가도록 돕는 것입니다. PTL은 스택에서 가장 중요한 다공성 부품입니다.
PTL은 설계에 따라 소결 티타늄 분말 또는 티타늄 파이버 펠트로 제조됩니다. 소결 분말 PTL은 기공 크기 제어와 기계적 강성이 더 좋고, 티타늄 파이버 펠트 PTL은 더 높은 기공률과 더 우수한 가스 투과성을 제공합니다. 두 방식 모두 상용화되어 있습니다.
대표적인 PTL 사양:
- 기공률: 30-50% (소결 분말) 또는 50-80% (파이버 펠트)
- 평균 기공 크기: 10-50 µm
- 두께: 0.5-2.0 mm
- 재질: Grade 1 상업용 순 티타늄
- 표면 처리: 계면 접촉 저항을 줄이기 위해 Pt 또는 Ir 코팅을 하는 경우가 많음
기공 크기와 기공률은 성능에 직접적인 영향을 줍니다. 기공이 너무 작으면 산소 기포가 촉매 표면에 머물러 물질 전달 손실을 증가시킬 수 있습니다. 반대로 너무 크면 촉매층과의 접촉점 수가 줄어 전기 저항이 증가할 수 있습니다. 많은 스택 개발자들은 평균 기공 크기 15-30 µm를 실용적인 최적 범위로 봅니다.
FILTURE는 PEM 전해조 개발 및 생산에 사용되는 PTL 기재용 티타늄 파이버 펠트와 소결 티타늄 다공성 플레이트를 제조합니다.
바이폴라 플레이트
바이폴라 플레이트는 스택 내 인접 셀을 분리하고 셀 간 전류를 전달합니다. 애노드 측에서는 물을 분배하고 산소를 제거하기 위한 가공 유로가 필요합니다. 플레이트는 전기 전도성, 내식성, 기밀성, 그리고 일반적으로 1-3 MPa 수준의 스택 압축 하중을 견딜 수 있는 기계적 강도를 가져야 합니다.
애노드용 바이폴라 플레이트는 보통 Grade 2 또는 Grade 5 티타늄 판재를 가공해 만듭니다. 유로 형상은 평행형, 사행형, 인터디지테이티드 등으로 CNC 밀링됩니다. PTL과 플레이트 사이의 작은 틈도 접촉 저항을 크게 키우므로, 평면도 공차는 일반적으로 활성 면 전체에 걸쳐 0.05 mm 이내 수준이 요구됩니다.
일부 제조사는 티타늄의 자연 산화층이 만드는 접촉 저항을 줄이기 위해 플레이트 표면에 0.05-0.5 µm 두께의 백금 또는 금 코팅을 적용합니다. 코팅이 없으면 특히 2 A/cm² 이상의 고전류 밀도에서 산화층에 의한 추가 저항 손실이 나타날 수 있습니다.
메쉬 집전체
일부 스택 설계에서는 PTL과 바이폴라 플레이트 사이에 티타늄 직조 메쉬를 배치해 추가적인 집전 및 전류 분배층으로 사용합니다. 메쉬는 PTL 두께 편차를 흡수하면서도 전기 접촉을 유지하는 순응성 인터페이스 역할을 합니다.
전해조용 메쉬의 대표 사양:
- 메쉬 수: 40-100 mesh (150-400 µm 개구)
- 와이어 직경: 0.1-0.3 mm
- 재질: Grade 1 티타늄
- 코팅: 접촉 저항 최소화를 위해 0.05-0.2 µm의 Pt 코팅
FILTURE는 전해조 용도에서 사용되는 메쉬 수와 와이어 직경의 티타늄 직조 메쉬를 공급합니다.
그린 수소 수요가 부품 요구를 어떻게 바꾸고 있는가
수 cm² 수준의 실험실 단일 셀에서, 활성 면적이 1000 cm²를 넘는 수백 셀 규모의 다중 MW 생산 스택으로 전환되면서 부품 공급업체가 충족해야 할 요구도 달라지고 있습니다. 더 큰 활성 면적은 500 mm x 500 mm 이상의 더 큰 PTL 시트가 필요하다는 뜻이며, 전체 면적에 걸쳐 일관된 기공률과 두께가 요구됩니다. 또한 스택 제조가 수작업 시제품에서 반자동 조립 라인으로 이동하면서, 모든 부품에 더 엄격한 치수 공차가 요구됩니다.
물량도 증가하고 있습니다. 1 MW급 PEM 전해조 스택 하나에는 대략 200-400개의 셀이 들어갑니다. 각 셀마다 PTL, 바이폴라 플레이트, 메쉬 집전체, 그리고 관련 개스킷과 엔드플레이트가 필요합니다. 전 세계적으로 발표되는 기가와트급 프로젝트를 고려하면, 티타늄 다공성 부품 수요는 단일 OEM 기준으로도 연간 수 kg 수준에서 수 톤 수준으로 확대될 수 있습니다.
전해조 부품 사양 체크리스트
PEM 수전해 개발 또는 생산용 티타늄 다공성 부품을 조달할 때는 다음 항목을 명확히 지정하는 것이 좋습니다.
- 재질 등급 (내식성 측면에서 Grade 1 CP Ti 선호, Grade 2도 가능)
- 기공률 및 기공 크기 분포 (목표 범위와 측정 방법 — 수은 압입법 또는 모세관 유동 공극률 측정)
- 두께 공차 (일반적으로 PTL은 ±0.05 mm, 바이폴라 플레이트는 ±0.02 mm)
- 표면 조도 (접촉 저항과 관련된 Ra 값)
- 시트/플레이트 치수와 평면도 공차
- 귀금속 코팅 요구사항 (금속 종류, 두께, 코팅 면적)
- 청정도 요구사항 (입자 없음, 유기 오염 없음)
FILTURE는 PEM 전해조 OEM 및 연구기관용으로 티타늄 파이버 펠트, 소결 다공성 플레이트, 직조 메쉬, 기계가공 티타늄 부품을 제조합니다. 전해조 스택을 개발하거나 확장하는 과정에서 사양에 맞는 티타늄 다공성 부품이 필요하다면 요구사항과 함께 문의해 주세요.
