수전해 그린 수소 생산 플랜트 전극 및 세퍼레이터(Separator)의 강알칼리 부식 트러블슈팅
그린 수소 생산 플랜트의 알칼라인 수전해(Alkaline Water Electrolysis, AWE)를 운전하다 보면 어느 순간 이상한 현상이 나타날 수 있다. 한번씩 겪는 현상이지만 간혹 간혹 당혹스럽긴 하다.
셀 전압이 조금씩 올라가고, 동일한 전류를 유지하기 위해 필요한 전력이 증가한다. 처음에는 전극 촉매의 성능 저하라고 생각하기 쉽다.
그런데 전극을 교체해도 문제가 완전히 사라지지 않는다면 다른 곳을 봐야 한다.
어디를 먼저봐야 할까? 나는 여기를 먼저 항상 본다. Separator 여기다.
특히 강알칼리 KOH 전해액을 사용하는 AWE에서는 전극과 Separator를 서로 독립된 부품으로 보면 트러블의 원인을 놓칠 수 있다.
이번 글에서는 수전해 그린 수소 생산 플랜트 전극 및 세퍼레이터(Separator)의 강알칼리 부식 트러블슈팅을 단순한 재료선정 문제가 아니라 전기화학 반응, 금속 용출, 침전물, 기공 막힘, 국부전류밀도 변화와 열화의 연쇄작용이라는 관점에서 분석해보려고 한다.
이렇게 알아가는 작업이 나는 항상 행복하다. 일에 보람도 생기는거 같다.
1. 강알칼리 수전해에서 금속은 정말 부식되지 않는가?
알칼라인 수전해에는 흔히 니켈계 전극이 사용된다.
니켈은 강알칼리 환경에서 비교적 우수한 내식성을 보이고 수소발생반응(HER)과 산소발생반응(OER)에 모두 활용할 수 있기 때문이다.
하지만 여기서 “니켈은 KOH에서 부식되지 않는다”고 생각하면 문제가 시작된다.
실제로 38 wt% KOH에서 120~180℃ 조건으로 스테인리스강과 니켈계 합금을 평가한 연구에서는 분위기에 따라 부식 거동이 크게 달라졌다.
수소가 존재하는 조건에서는 Ni 함량이 20% 이상인 합금이 일반부식과 SCC에 비교적 강했지만, 산소가 존재하는 조건에서는 304L 스테인리스강의 부식과 SCC 문제가 크게 나타났다. 니켈계 합금 역시 일정 조건을 넘어가면 일반부식이 증가하는 현상이 확인됐다.
여기서 중요한 것은 KOH 농도만으로 재료의 안전성을 판단할 수 없다는 것이다.
온도, 전극전위, 산소 발생 조건, 전류밀도, 용존 불순물, 유동조건이 함께 작용한다.
2. 전극에서 시작된 부식이 왜 Separator 문제로 이어지는가?
이 부분이 이번 글에서 가장 중요하다. 잘 보자…
전극 표면이 완벽하게 안정적이라면 문제가 적다.
하지만 장시간 운전하면 금속 표면에서 미세한 용출이나 산화·환원 반응이 발생할 수 있다.
특히 보조 구조물, 배관, 펌프, 피팅 등에서 발생한 철계 부식생성물이 KOH 순환계로 들어갈 수도 있다.
그리고 이 입자가 Separator까지 이동한다.
여기서 문제가 시작된다.
Separator는 단순히 “수소와 산소가 섞이지 않게 하는 막”이 아니다.
KOH를 통과시키면서 이온전도를 유지해야 하는 다공성 구조물이다.
따라서 pore가 침전물로 막히면 이온 이동저항이 증가한다.
실제로 Zirfon Separator를 30 wt% KOH에서 60℃, 200~400 mA/cm² 조건으로 130시간 운전한 연구에서 노화 후 표면에 침전물이 형성됐으며 SEM 분석에서 큰 pore가 감소한 것이 확인됐다.
EDS 분석에서는 침전물에 약 9 wt% 수준의 철계 성분이 검출됐다. 연구진은 이 철의 공급원이 배관, 어댑터, 펌프, 액체-기체 분리기 등의 보조 설비에서 발생했을 가능성을 제시했다.
이 결과는 상당히 중요하다.
Separator 자체가 심하게 부식되지 않았더라도 주변 설비의 부식이 Separator 성능을 떨어뜨릴 수 있다는 뜻이다.
3. Separator의 pore 하나가 막히면 무슨 일이 생기는가?
예를 들어 Separator 전체 면적 중 일부 pore가 침전물로 막혔다고 생각해보자.
겉으로 보면 큰 변화가 없어 보일 수 있다.
그러나 전해액이 통과할 수 있는 유효 면적이 감소하면 남은 pore를 통해 이온과 전해액이 상대적으로 더 많이 이동해야 한다.
결과적으로 국부적인 전류 및 물질전달 분포가 달라질 수 있다.
이를 단순화하면
Pore 막힘
→ 유효 전해질 이동면적 감소
→ 국부 저항 증가
→ 전류분포 불균일
→ 국부 과전압 증가
→ 기포 체류 증가
→ 전극 반응 및 국부환경 변화
→ 추가적인 재료 열화
라는 악순환으로 연결될 수 있다.
실제로 Zirfon의 고유 저항은 30% KOH, 80℃에서 약 0.10~0.15 Ω·cm² 수준으로 보고됐지만, 실제 zero-gap 셀에서는 전체 면적저항이 0.23~0.76 Ω·cm²까지 나타났으며, 불균일한 전류분포와 기포 등의 영향이 지적됐다.
따라서 셀 전압이 올라갔다고 해서 무조건 전극 촉매부터 의심하는 것은 효율적인 트러블슈팅이 아닐 수 있다.
4. 실제로는 ‘부식’보다 ‘오염’이 먼저 보일 수 있다
현장에서 재미있는 부분이 바로 이것이다. 나는 이렇게 해결해 나감이 흥미롭다.
부식이 반드시 금속 표면의 깊은 pit 형태로 나타나는 것은 아니다.
오히려 초기에는
- Separator 변색
- 표면 침전물
- KOH 순환계의 금속성 입자
- 차압 증가
- 셀 전압 상승
- 기포 제거 불량
- 전해액 탁도 증가
같은 간접적인 증상으로 나타날 수 있다.
그래서 수전해 그린 수소 생산 플랜트 전극 및 세퍼레이터(Separator)의 강알칼리 부식 트러블슈팅에서는 “어느 부품이 부식됐는가?”라는 질문보다 먼저 “부식생성물이 시스템 어디까지 이동했는가?”를 추적하는 것이 유용하다.
이것이 일반적인 금속부식 검사와 AWE 트러블슈팅의 차이점이다.
5. 30 wt% KOH에서 80℃라는 조건이 왜 중요한가?
상용 및 연구용 AWE에서 30 wt% 수준의 KOH는 흔히 연구되는 조건이다.
한 실제 시험에서는 Ni mesh와 활성화된 SS316을 전극으로 사용하고 30 wt% KOH, 80℃, 최대 9 bar 조건에서 시험했다.
0.8 A/cm²의 일정 전류에서 255시간 내구시험을 수행했으며, 이 조건에서 Ni와 활성화 SS316 전극은 시험기간 동안 뚜렷한 성능저하를 보이지 않았다.
여기서 주의해야 한다.
이 결과를 가지고
“30% KOH, 80℃에서는 금속부식 문제가 없다.”
라고 해석하면 절대 절대 안 된다.
시험시간이 255시간이고 특정 전극과 특정 운전조건을 대상으로 한 결과이기 때문이다.
오히려 이 데이터를 이용해 중요한 질문을 해야 한다.
“255시간에서는 괜찮았던 재료가 5,000시간, 20,000시간에서도 같은 상태인가?”
산업 플랜트의 진짜 문제는 여기서 발생한다.
6. 전류밀도를 높이면 왜 재료 문제가 더 복잡해지는가?
알칼라인 수전해의 생산성을 높이려면 일반적으로 높은 전류밀도를 활용하려는 방향으로 간다.
최근 AWE 연구에서는 30 wt% KOH, 70℃에서 최대 2 A/cm² 수준까지 전극을 평가하는 실험도 진행되고 있다.
그러나 전류밀도를 높이면 단순히 수소 생산량만 증가하는 것이 아니다.
전극 표면에서 발생하는 기포량도 증가한다.
기포가 전극 표면을 덮으면 실제 전해액과 접촉하는 면적이 순간적으로 달라질 수 있고, 국부적인 물질전달과 전류분포가 변한다.
결국
고전류밀도 → 높은 반응률 → 많은 기포 → 국부 물질전달 변화 → 국부 전위 변화 → 재료 열화
라는 연결을 고려해야 한다.
2026년 산업 조건을 다룬 최신 리뷰에서도 AWE의 성능 향상을 위해서는 전극과 Separator의 손실뿐 아니라 농축 KOH, 고온·고압, 동적 부하를 함께 고려해야 한다고 지적한다.
7. Separator가 손상되면 단순히 효율만 떨어지는 것이 아니다
Separator에는 두 가지 상반된 요구조건이 있다.
첫 번째는 이온은 통과시켜야 한다.
두 번째는 H₂와 O₂의 직접적인 혼합은 억제해야 한다.
따라서 pore 구조가 너무 조밀하면 저항이 증가하고, 반대로 기체 crossover가 커지면 안전 문제가 발생할 수 있다.
특히 저전류 영역에서는 생성가스량이 감소하면서 crossover가 상대적으로 중요한 문제가 될 수 있으며, AWE에서 수소-산소 혼합을 안전한 수준으로 유지하는 것이 중요한 설계조건이다.
따라서 Separator의 열화는 단순히 “셀 효율 저하”로 끝나지 않는다.
저항 증가 → 전압 상승 → 에너지 소비 증가
뿐만 아니라
기공구조 변화 → 가스 crossover 변화 → 운전 안전성 저하
까지 연결될 수 있다.
8. 실제 트러블슈팅에서는 무엇부터 확인해야 하는가?
내가 이 문제를 분석한다면 무조건 전극부터 뜯지는 않을 것이다.
먼저 데이터를 다음 순서로 나눈다.
① 전기적 데이터
셀 전압이 언제부터 증가했는지 확인한다.
단순히 현재 전압만 보는 것보다 시간에 따른 상승률이 중요하다.
② KOH 상태
농도, 온도, 불순물, 금속이온 농도를 확인한다.
특히 Fe, Cr, Ni 등의 금속성분이 증가했다면 부식원을 역추적할 필요가 있다.
③ Separator 차압
차압이 증가했다면 pore 막힘이나 유동저항 증가를 의심한다.
④ 전극 표면
SEM/EDS가 가능하다면 단순한 외관검사보다 훨씬 많은 정보를 얻을 수 있다.
침전물이 있다면 Fe, Ni, Cr 등의 원소분석을 통해 어디에서 유입됐는지 추적할 수 있다.
⑤ Separator
두께만 보는 것이 아니라 pore 구조와 표면 침전물을 확인한다.
실제 130시간 노화시험에서도 SEM과 EDS를 통해 pore 감소와 철계 침전물이 확인됐다.
9. 가장 흔한 실패 접근법은 ‘전극만 교체하는 것’이다
실제 플랜트에서 셀 전압이 올라가면 전극 성능 저하를 먼저 의심하기 쉽다.
그런데 전극을 새것으로 교체했는데도 전압이 다시 상승한다면?
그때는 전극이 원인이 아니라 시스템에서 발생한 오염물이나 Separator 열화가 원인일 가능성을 다시 봐야 한다.
예를 들어 보조 배관에서 철계 부식생성물이 발생하고,
→ KOH를 타고 이동하고,
→ Separator pore에 쌓이고,
→ 저항이 증가하고,
→ 셀 전압이 올라간다면,
전극만 교체하는 것은 문제를 해결하지 못한다.
오히려 새 전극을 넣은 후에도 같은 현상이 반복될 것이다.
이런 유형의 문제를 나는 ‘부품 고장’이 아니라 ‘부식생성물의 시스템 이동’ 문제로 보는 것이 핵심이라고 생각한다.
이 관점이 바로 인터넷에서 흔히 볼 수 있는 “알칼리 수전해의 부식 원인”과 다른 접근이다.
10. 강알칼리 부식 트러블슈팅 체크리스트
실제 설비에서 이상이 발생했다면 다음 순서로 접근할 수 있다.
셀 전압 상승
→ 시간별 데이터 비교
→ KOH 농도·온도 확인
→ Fe/Ni/Cr 등 금속이온 분석
→ 순환계 필터 및 배관 침전물 확인
→ Separator 차압 확인
→ 전극 SEM/EDS
→ Separator SEM/EDS
→ pore 막힘 정도 확인
→ 전극 전위 및 전류분포 검토
→ 필요 시 재료의 분극시험 및 장기 침지시험
이렇게 해야 단순한 “전극 성능저하”와 “시스템 부식에 의한 성능저하”를 구별할 수 있다.
11. 재료선정에서 가장 중요한 것은 ‘내식성’ 하나가 아니다
AWE의 재료선정은 단순한 부식률 비교로 끝나지 않는다.
다음 항목을 함께 봐야 한다.
| 평가항목 | 확인해야 할 내용 |
|---|---|
| KOH 농도 | 20~40 wt% 등 실제 운전조건 |
| 온도 | 정상·비정상·시동/정지 |
| 전류밀도 | 평균값과 국부 전류분포 |
| 전극전위 | HER/OER 환경 |
| 산소 노출 | 양극 측 산화환경 |
| 유동 | 기포·순환속도·dead zone |
| 금속 용출 | Fe, Ni, Cr 등 |
| Separator | pore 막힘·저항·crossover |
| 용접부 | 국부부식·SCC 가능성 |
| 장기 내구성 | 수천~수만 시간 수준의 검증 |
특히 2026년 발표된 AWE 부식 리뷰는 25~40% KOH가 전극뿐 아니라 구조재, 배관, 조인트 등 접액부 전체의 부식과 누설 문제를 일으킬 수 있다고 정리하고 있다.
12. 나의 결론 : 전극의 부식은 Separator 문제로 끝나지 않는다
수전해 그린 수소 생산 플랜트 전극 및 세퍼레이터(Separator)의 강알칼리 부식 트러블슈팅에서 가장 중요한 것은 개별 부품을 따로 보는 것이 아니다.
전극에서 발생한 미세한 금속 용출이 KOH 순환계를 통해 이동하고, 다른 설비에서 발생한 철계 부식생성물이 Separator에 축적될 수 있다.
Separator의 pore가 막히면 이온 이동저항이 증가하고 셀 전압이 올라갈 수 있다.
그리고 전압 상승을 보상하기 위해 운전조건을 더 가혹하게 만들면 다시 전극과 구조재의 열화가 빨라질 수 있다.
결국 다음과 같은 부식-성능 악순환이 만들어진다.
금속 열화
→ 부식생성물 발생
→ KOH 순환계 이동
→ Separator pore 오염
→ 이온저항 증가
→ 셀 전압 상승
→ 전력소비 증가
→ 국부 운전조건 악화
→ 추가적인 재료 열화
따라서 그린 수소 플랜트의 부식관리는 “어떤 전극이 오래가는가?”에서 끝나서는 안 된다.
어디에서 금속이 녹아 나오고, 그 금속이 어디로 이동하며, 어느 부품의 성능을 떨어뜨리는가?
이 질문까지 추적해야 한다.
이것이 수전해 그린 수소 생산 플랜트 전극 및 세퍼레이터(Separator)의 강알칼리 부식 트러블슈팅을 단순한 재료 문제가 아니라 Plant-wide Corrosion Integrity 문제로 봐야 하는 이유다.
13. 자주 묻는 질문
Q1. 니켈 전극은 KOH에서 부식되지 않나요?
니켈은 강알칼리에서 우수한 내식성을 보이지만 “부식되지 않는다”는 의미는 아니다. 온도, 전위, 산소 발생환경, 불순물과 전류밀도에 따라 열화가 발생할 수 있다.
Q2. Separator가 막히면 셀 전압이 올라갈 수 있나요?
가능하다. Separator의 pore가 침전물로 막히면 이온 및 전해액 이동저항이 증가할 수 있다. 실제 130시간 노화시험에서도 철계 침전물이 pore를 부분적으로 막는 현상이 관찰됐다.
Q3. 셀 전압이 상승하면 전극부터 교체해야 하나요?
반드시 그렇지는 않다. KOH 오염, 금속이온, 배관 부식생성물, Separator 차압과 pore 상태를 함께 확인해야 한다.
Q4. KOH 농도가 높을수록 무조건 부식이 심해지나요?
단순히 농도 하나로 판단할 수 없다. 농도, 온도, 전극전위, 재료, 산소환경 및 유동조건이 서로 영향을 주기 때문이다.
Q5. Separator의 수명은 두께만 보면 알 수 있나요?
아니다. pore 구조, 침전물, 기계적 손상, 화학적 열화, 저항 변화와 gas crossover를 함께 평가해야 한다.
14. 참고문헌 및 참고 링크
- Nature Reviews Electrical Engineering, 2026 — Rethinking alkaline water electrolysis under industrial conditions
고농도 KOH, 고온·고압, 동적 부하에서 전극과 Separator의 손실을 함께 다룬 최신 리뷰입니다.
Nature Reviews Electrical Engineering 원문 - Chemical Reviews, 2024 — Separators and Membranes for Advanced Alkaline Water Electrolysis
AWE의 5~7 M KOH, 다공성 diaphragm, Zirfon 및 차세대 Separator를 종합적으로 다룹니다.
Chemical Reviews 원문 - Corrosion Communications, 2026 — Designing durable alkaline electrolyzer systems: A comprehensive review on corrosion of materials and its impact
25~40% KOH에서 전극·구조재·배관·조인트의 부식과 SCC 문제를 다룬 최신 리뷰입니다.
2026년 부식 리뷰 원문 - International Journal of Hydrogen Energy — Corrosion of stainless steels and nickel-based alloys for alkaline water electrolysis
38 wt% KOH, 120~180℃에서 스테인리스강과 니켈합금의 부식거동을 비교한 연구입니다.
연구 원문 - Journal of Power Sources — Performance of activated stainless steel and nickel-based anodes in alkaline water electrolyser
30 wt% KOH, 80℃, 최대 9 bar, 0.8 A/cm²에서 255시간 내구시험을 수행한 연구입니다.
연구 원문 - Simple and Precise Approach for Determination of Ohmic Contribution of Diaphragms in Alkaline Water Electrolysis
30 wt% KOH, 60℃에서 130시간 노화된 Zirfon의 pore 막힘과 약 9 wt% 수준의 철계 침전물 분석이 포함되어 있습니다.
PMC 원문 - Electrochimica Acta — Ohmic resistance in zero gap alkaline electrolysis with a Zirfon diaphragm
30% KOH, 80℃에서 Zirfon 저항과 실제 zero-gap 셀의 면적저항 차이를 분석합니다.
연구 원문 - Advanced Energy Materials, 2025 — Intensification of Alkaline Electrolyzer with Improved Two-Phase Flow
30 wt% KOH, 70℃에서 최대 2 A/cm² 조건의 AWE 전극 및 Separator 구성을 연구했습니다.
연구 원문
