수소제너레이터는 물에서 고순도 수소를 생산하기 위해 양성자 교환막(Proton exchange membrane/PEM)을 사용합니다. 양성자 교환막은 NASA가 개발 하였으며, 산업 및 실험실 응용 분야에서 광범위하게 사용되고 있습니다.

 

수소는 우주에서 가장 풍부한 원소이지만 가스 상태의 수소는 지구에서 자연적으로 생성되지 않아 제조해야 합니다. 산업 현장에서는 수소는 탄화수소 연료에서 탄소와 수소 원자를 분리하기 위해 수증기 변성 법을 통해 대규모로 생산됩니다. 수소는 다양한 실험실 응용 분야에서 사용됩니다. Gas Chromatography(GC)에서는 fuel 및 carrier 가스로 사용되며 ICP-MS에서는 collision 가스로 사용 됩니다. 화학 산업에서는 암모니아, 싸이클로핵산 과 메탄올을 합성하기 위해 수소를 사용하고 식품 분야에서는 포화화합물을 만들기 위해 수소를 사용합니다.
실험실, 제조, 산업용 응용 분야에서 필요로 하는 수소 공급을 위해 상당한 연구 및 개발을 통해 보다 안전하고 친환경적이며 효율적이고 가성비가 뛰어난 수소 가스 생산 방법을 제공하게 되었습니다.
또한 수소는 안전성이 크게 향상되어 현재 일부 운송 차량에서 무공해 연료로 사용되며 배출물은 오염물이 아닌 물을 내보내게 됩니다.
이번 내용을 통해 일하는 현장에서 수소발생기의 안전한 사용과 관련하여 전 세계 보건, 환경, 산업, 테스트, 의료 및 연구 실험실에서 수집한 각 나라의 산업안전보건 기준에 부합하는지에 관한 문의 및 자주 하는 질문(FAQ)에 대한 답변을 제공해 드리고자 합니다.

 

 

 

물의 전기분해는 현장에서 필요로 하는 고순도 수소를 생산하는 가장 좋은 방법입니다. 제너레이터의 가장 중요한 요소는 전기분해가 발생하는 전기분해 셀(electrolyser cell)입니다. 셀은 양극과 음극으로 구성된 두 개의 전극으로 구성되며 두 전극은 이온 교환막으로 분리되어 있습니다. 99.9995%의 고순도 수소를 생산하기 위해 전극에 백금 촉매가 사용됩니다.
전기분해 셀의 전극에 지속적인 전류가 흐르면 다음과 같은 반응이 일어납니다.






양극에서 물 분자는 두 개의 전자를 잃어 산소 분자와 두 개의 수소 이온을 형성합니다. 이 과정에서 생성된 산소는 제너레이터의 뒤편에 있는 O2 vent를 통해 안전하게 대기 중으로 빠져 나갑니다. 두 개의 수소 이온은 음극에 이끌려 이온 교환막을 통과하여 두 개의 전자와 결합하여 두 개의 수소 분자를 형성합니다.
수소는 이온 교환막에 의해 산소와 분리되고 산소는 이온 교환막을 침투할 수 없습니다.

 

고압 실린더의 대안이 되는 수소 가스 제너레이터는 안전하고 사용이 편리하고 보다 비용 효율이 뛰어납니다. 수소 제너레이터는 안정적인 순도의 수소를 공급하여 분석 결과에 영향을 미칠 수 있는 가스 순도의 변화의 위험 요인을 완전히 제거해 줍니다.
가스 제너레이터는 필요할 때마다 언제든지 지속적으로 가스를 생산할 수 있기 때문에 중요한 순간에 가스가 고갈 될 염려를 할 필요가 없습니다. 수소 제너레이터는 가스 실린더와 같이 주기적으로 주문 및 교체에 소요되는 시간으로부터 자유롭게 해 드립니다.
수소 제너레이터는 실린더에 대한 대안으로 친환경적입니다. 한번 설치되면 실험실을 떠날 필요 없이 유지보수를 통해 오랜 기간 가스를 공급할 수 있습니다. 빈 실린더를 교체하기 위해 실린더를 주문하여 트럭 배송으로 발생되는 탄소배출량을 줄일 수 있습니다.
 

많은 실험실은 매년 가격이 상승하는 헬륨에 대한 대안으로 수소를 carrier 가스로 전환 하고 있습니다. 수소 carrier 가스는 평균적인 분석 시간을 줄일 수 있고 샘플 처리량을 높일 수 있습니다. 이는 수소가 헬륨 대비 절반 정도의 점도를 가지고 있기 때문입니다. 실험실에서는 수소 캐리어로 전환할 경우 분석시간이 절반 가까이 줄어드는 것을 기대합니다.
수소 가스를 사용할 경우 칼럼과 같은 소모품 사용을 줄일 수 있습니다. 수소 사용으로 검출 온도는 보다 낮아지고 이는 보다 낮은 오븐 온도를 설정할 수 있는 것을 의미합니다. 수소 가스는 이온 소스의 구성품들을 지속적으로 청소해주기 때문에 GC-MS에서 빈번한 이온 소스 클리닝을 상당히 줄일 수 있습니다. 이는 이온 소스 클리닝으로 발생하는 기기를 사용하지 못하는 시간을 줄일 수 있음을 또한 의미합니다.
식품에서 지방산 메틸 에스테르(FAMEs) 분석, 석유화학 분야에서 Detailed Hydrocarbon Analysis(DHA), SimDist(Simulated Distillation)분석 환경 분석에서 EPA 8270 분석법과 같은 다양한 응용 분야에서 수소는 사용될 수 있습니다.

 

실린더에서 제너레이터로 사용 전환은 순조롭게 진행될 수 있습니다. 실리더에서 사용 중이던 튜빙을 연결을 해제하고 스웨즈락(SwageLok) 피팅을 사용하여 제너레이터에 튜빙을 연결할 수 있습니다. 헬륨에서 수소 제너레이터로 전환할 경우 새로운 튜빙 사용을 권장합니다.

 

고압 실린더(2000-3000 psi)의 경우 최대 9000 L의 수소를 저장하지만, 수소 제너레이터는 300 cc 이하의 수소만 저장합니다. Peak 수소 가스 제너레이터는 GC에서 필요로 하는 양의 수소를 생산하며 최대 120 psi에서 1.2 L의 수소를 공급할 수 있습니다. (**원문에는 0.5 L로 표기되어 있습니다. 원문 작성 시 1200 cc 모델이 출시 되지 않았습니다.)

수소제너레이터의 안전 기능

Peak의 Precision 모델의 수소 가스 제너레이터는 기기 내•외부 누출 확인 기능이 있으며 누출 시 자동 셧다운 기능이 탑재되어 있습니다.

- 기기에 전원을 켰을 때 자동 진단 기능

- 기기 가동 중 압력 점검을 통한 지속적인 누출 체크

- 수소 생산하는 셀 차단을 통한 자동 셧다운 기능

- Audio and Visual 알람 기능

- 제너레이터 전체 환기 기능

- 시스템 전체 낮은 수소 저장 량(<0.03 L max)
 
기기 내부 누출이 감지되면 제너레이터는 가스 생산을 멈추고 실험실에 있는 사람들에게 HMI 터치 스크린 및 들을 수 있는 알람을 통해 기기 내부 가스 누출을 경고합니다. 가스 제너레이터 외부에 가스 누출이 감지되거나 생산 용량이 20분 가량 초과되면 실험실 및 기기에 수소 가스가 누적되는 것을 막기 위해 가동을 멈추게 됩니다. 기기 내부 압력이 120 psi를 초과할 경우 기기는 또한 가동을 멈추게 됩니다.
 
수소 가스 제너레이터는 고압실린더를 다루면서 생기는 안전 위험 요소를 제거해 주고 교체로 인한 번거러움 및 기기 가동 멈춤 시간을 줄일 수 있습니다.

 

 

수소는 공기 중에 4.1%에서 78% 사이 포함되면 발화 됩니다. 가령 5m X 4m X 2.5이고 5만 리터의 볼륨의 실험실이 최저 폭발 한계(Lower explosive level: LEL)에 도달 하려면 즉시 실험실에 2050L의 수소가 필요합니다.
일반적인 사이즈의 실린더는 9000 L의 가스를 담고 있습니다. 실린더에 누출이 발생한다면 실험실 내부에서 최저 폭발 한계 LEL에 도달하려면 25%만 누출되면 됩니다.
Peak의 Precision Hydrogen Trace 500CC는 분당 0.5 L의 수소를 생산합니다. 이 제품으로 LEL에 도달하기 위해서는 완전히 밀폐된 공간(소량의 수소는 바로 공기 중에 날아갑니다.)에서 우선 GC와 같은 응용 기기에 연결되어 있지 말아야 하고 기기에 심각한 누출이 발생하고 안전기능이 모두 완전히 고장인 상태가 되어야 합니다. 이러한 불가능해 보이는 시나리오에서 LEL에 도달하기 위해서는 67 시간 동안 기기가 가동 되어야 합니다.
 

 

 

제너레이터의 환기 시스템에 적절히 작동하기 위해서는 제너레이터 주변에 통풍이 잘 되는 곳에 위치해해야 합니다. 만일 제너레이터가 밀폐된 공간에 있다면 에어컨 혹은 환기구로 공기의 흐름이 원활해야 합니다. 시간당 5번 가량 실내 공기가 환기 되어야 합니다.
제너레이터 후면은 다른 물체와의 접촉이 발생하면 따뜻해집니다. 다른 물체와 최소 15 cm의 거리를 유지하는 것을 권장합니다.
Wasted 가스가 빠져나가는 Vent 부분들이 막히거나 다른 어플리케이션에 연결되면 절대 안됩니다. 제러네이터 내부에 압력 혹은 가스가 쌓이는 것을 방지하기 위해 Wasted 가스가 안전하게 기기 밖으로 빠져나가도록 설계 되어 있습니다.

 

정상적인 기기 작동을 위한 환경 요구 조건에 부합할 경우 가능합니다. 아직 제너레이터 설치 전이면 배관 길이를 줄이면 비용을 절감시킬 수 있으며, 설치에 관한 안전성을 향상시키고 배관에서 가스 누출이 감지되는 위험을 없앨 수 있습니다. 가능하다면 GC 및 응용 기기로부터 10m 이내에 설치해 주세요.

고객이 유해가스제거기(fume extractor) 사용 혹은 제너레이터의 wasted 가스가 빠져나가는 배기구와 흄후드 사이에 튜빙 연결을 희망할 경우 이는 모두 가능합니다. 하지만 GC에서 배출된 수소는 매우 빠르게 공기 중으로 분산되고 실험실 직원 및 환경에 위험이 되지 않습니다. 만일 튜빙을 제너레이터의 배기구에 연결할 경우 가스가 튜빙 및 제너레이터에 쌓일 수 있어 건강 및 안전 문제가 될 수 있기 때문에 수시로 점검해야 합니다. 수소의 최저 폭발 한계는 4.1%로 Peak 수소 가스 제너레이터로는 폭발 한계에는 도달하지 않습니다. 대다수의 실험실은 완전히 밀폐되어 있지 않으며, 공기 순환이 발생할 수 있게 에어컨이 설치되어 있습니다. 혹시라도 제너레이터 설치에 관한 우려가 있다면 구정이엔티에서 무료 방문 설치 환경 평가 및 데모를 제공할 수 있습니다.

실험실에서 수소 제너레이터에서 생산되는 수소의 양 혹은 실험실로 배출되는 양은 수소 최저폭발한계에 도달할 만큼 충분한 양이 쌓이지 않습니다.  수소 제너레이터의 외부 누출에 대한 셧다운 및 GC inlet 셧다운 안전 기능 때문에 GC 오븐에 상당한 양의 가스가 쌓이는 위험은 매우 낮습니다.
실험실, 정부, 비즈니스 운영 정책에 따른 규제로 센서 혹은 모니터링이 필요한 경우 Peak는 고객이 안심할 수 있도록 실험실 혹은 GC 오븐을 모니터링 가능한 센서를 제공해 드릴 수 있습니다.

경험의 법칙에 따르면 100 cc 수소 제너레이터는 두 개의 FID detector에 가스를 공급할 수 있습니다. 물론 필요한 가스는 유량, carrier gas 타입, 칼럼, 다른 종류의 detectors 및 분석 방법에 따라 달라질 수 잇습니다. 보다 상세한 문의가 필요하시면 구정이엔티 영업팀에 연락 부탁 드립니다.

 

가스 실린더 사용, 배송, 대여 비용 및 가스 실린더 교체에 따른 기기 가동 멈춤 시간, 행정 처리 비용 등을 계산해 보면, 투자 자본 회수 기간은 대략 9~15개월 정도 됩니다.

 

- 제어된 유량으로 안전한 수소 양 공급(up to 500 cc at outlet)
 

- 탑재된 누출 감지 센서 및 자동 셧다운 기능
 

- 필요에 따른 수소 생산으로 최소량의 수소만 저장
 

- 한번 설치되면 이동할 필요 없음
 

- 유지보수는 실험실 내에서 수행할 수 있음
 

- 공급에 대한 관찰이 필요 없이 매일 지속적이 기기 가동이 가능
 

= 수소 사용에 따른 비용 감소 – 반복적인 가스 배송에 대한 비용이 발생하지 않음
 

- 친환경적(low carbon footprint)

 

전혀 그렇지 않습니다. 포장 상자를 제거 후 자외선 차단 된 탈이온수 물통(제너레이터와 같은 높이에 위치하거나 아래에 위치)에 연결해주시고 전원 공급 장치(10 Amp)에 연결해주세요. 주변 환경 온도에 도달할 때까지 기다려주세요. 1/8”의 미리 세척한 냉매 등급(refrigerant grade)의 구리 혹은 스테인리스 스틸 파이프를 사용해 GC에 연결해 주세요.

 

스웨즈락(Swagelok) 압축 피팅을 사용하여 스테인리스 스틸 및 분석 등급의 구리 튜빙을 통해 수소가 공급되어야 합니다. GC에 헬륨을 공급하기 위해서 전에 사용한 튜빙은 변경해 주세요. 이전 튜빙을 그대로 사용하게 되면 시간이 지나면서 쌓인 축적된 헬륨 침전물 때문에 수소가 응용 기기에 공급될 때 오랜 기간 동안 높은 백그라운드 시그널을 야기시킬 수 있습니다.
구리 및 스테인리스 스틸 튜빙 연결을 위해 스웨즈락(Swagelok) 압축 피팅을 사용을 권장합니다. 화학적 결합(록타이트), 용접 혹은 접착제는 가스 공급 시 휘발성 유기 화합물(VOCs)을 발생시켜 실험 결과에 영향을 끼칠 수 있기 때문에 사용하면 안됩니다.


가스 공급 파이프 길이가 3m를 초과할 때 각각의 GC에 가스를 공급하기 위해 1/4”파이프를 1/8”로 줄여서 사용해야 할 수 있습니다. 이는 가스 볼륨을 상당히 증가시키고 설치를 어렵게 할 수 있습니다.
 
가스 제너레이터와 GC 사이에 파이프 길이를 10m 초과하여 설치해야 하는 경우 구정이엔티에 문의<Click here>해 주세요.  

 

Peak는 1메그옴 저항력 초과/1µs 전도도 초과하는 탈이온수 사용을 권장합니다. 만일 Milli Q™ 탈이온수 이용이 가능하다면 Milli Q™ 탈이온수 사용을 선호합니다. Peak는 일정하게 계속 탈이온수를 공급하는 장치에 제너레이터 연결을 권장하지 않습니다.