수전해 스택을 직접 쌓을 때 어디에서 막힐까요? 체결과 실링, 분배와 정렬

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

연구실에서 전극과 막을 직접 만들고 나면 다음 목표는 그것을 쌓아 스택으로 만드는 일입니다. 그런데 셀 한 장에서는 잘 나오던 성능이 여러 장을 쌓는 순간 사라지는 경우가 많습니다. 대면적 스택 적층을 과제 목표로 잡고 전극과 막까지 만든 뒤, 쌓는 단계에서 막혀 연락해 오는 연구실이 적지 않습니다. 직접 해 보려는 연구실이 많고 대부분 같은 지점에서 막힙니다. 오늘은 그 지점이 어디인지, 왜 면적이 커지면 더 어려워지는지, 무엇을 직접 하고 무엇을 맡기는 것이 맞는지 정리해보겠습니다. 자체 스택을 만들어 보려는 연구실에 도움이 되는 내용입니다.

스택을 직접 쌓을 때 어디에서 막힐까요

막히는 지점은 대개 네 곳입니다. 체결압과 실링, 유체 분배, 정렬입니다. 셀 한 장에서는 없던 변수가 여러 장을 쌓는 순간 생기고 면적을 키우면 셀 안에서 벌어지는 일까지 달라집니다. 저희가 30 kW 스택을 개발하면서 같은 지점을 지나왔고 그 기록을 기술 노트로 공개했습니다.

첫째, 체결압입니다. 긴 볼트 하나가 여러 셀을 누르므로 가운데와 끝의 면압이 달라지고 면적이 커지면 균일한 압축과 접촉이 저항을 좌우합니다.

둘째, 실링입니다. 가장 흔한 실패는 가스켓입니다. O링이 자리 밖으로 올라오거나 MEA 가스켓이 안쪽으로 수축합니다.

셋째, 유체 분배입니다. 전해액이 여러 셀로 나뉘면서 앞뒤 셀이 받는 유량이 달라지고 넓은 면에서는 구석까지 가는지와 기포가 빠지는지가 달라집니다.

넷째, 정렬입니다. 체결 순서와 토크를 지켜 조립해야 위 세 가지가 설계대로 작동합니다.

셀 하나에서 스택으로 넘어갈 때 달라지는 것

단일 셀의 전류·전압 곡선이 좋아도 스택에서는 셀간 분포와 유체 분배, 체결, 열관리라는 변수가 추가됩니다. 셀 한 장은 이 변수와 무관하게 소재의 성능을 보여 주지만 스택은 그 소재가 여러 장으로 쌓였을 때도 고르게 작동하는지를 보여 줍니다.

스택으로 넘어가는 길에는 축이 둘 있습니다. 셀 수를 늘리는 축과 면적을 키우는 축입니다. 셀 수를 늘리는 쪽은 조립과 균일도의 문제라 어디가 어려운지 미리 알 수 있습니다. 면적을 키우는 쪽은 셀 안에서 벌어지는 일이 바뀌기 때문에 해 보기 전에는 모릅니다. 전류가 넓은 면에 고르게 퍼지는지, 전해액이 구석까지 가는지, 기포가 빠져나오는지가 전부 달라집니다.

저희의 2 kW 스택은 음극 활성면적 79 cm²의 23셀 구성이고, 현재 판매 중인 HXS-30은 음극 활성면적 512 cm²의 46셀 풀스택입니다. 양극 전극 면적은 각각 100 cm²와 600 cm²입니다. 음극 활성면적은 약 6.5배가 되고 셀 수는 두 배가 됩니다. 두 축을 차례로 지나온 기록이 대면적 셀 기술 노트에 있고 연구실이 막히는 지점도 그 기록 안에 있습니다.

막히는 지점 네 곳

네 지점을 하나씩 보겠습니다. 어느 것도 전극이나 막의 문제가 아니라 쌓는 방식의 문제입니다.

체결압입니다. 스택은 긴 볼트 하나가 여러 셀을 누르는 구조라 가운데 셀과 끝 셀의 면압이 달라집니다. 면압이 고르지 않으면 접촉 저항이 셀마다 달라지고 그 차이가 전압으로 나타납니다. 양 끝 셀이 조금 높게 나오는 것은 스택에서 흔한 일인데 끝판에 가까운 셀은 체결력과 유체 분배가 가운데 셀과 다르기 때문입니다. 셀 수가 늘수록 이 차이는 커지기 쉽습니다.

실링입니다. 규정된 압축과 볼팅 절차를 지켜야 성능과 밀봉이 유지됩니다. 가장 흔한 실패는 가스켓입니다. O링이 자리 밖으로 올라오고 MEA 가스켓은 안쪽으로 수축하므로 결착한 뒤 밀어 넣어야 합니다. 시운전에서는 전해질을 채우고 순환시켜 이음부의 누설부터 확인합니다.

유체 분배입니다. 전해액이 여러 셀로 나뉘면서 앞뒤 셀이 받는 유량이 달라집니다. 유량을 덜 받는 셀은 반응에 필요한 이온 공급과 열 배출에서 불리해지고 가운데 셀은 열이 빠져나갈 곳이 적어 더 뜨겁습니다. 넓은 면에서는 전해액이 구석까지 가지 못하거나 기포가 빠져나가지 못하면 높은 전류에서 전압 곡선이 위로 휩니다.

정렬입니다. 체결 순서와 토크가 정해져 있어야 위 세 가지가 설계대로 작동합니다. 저희 시험 셀은 체결 순서와 토크를 조립 가이드로 제공하고 전극 단자와 직류 단자에도 각각 토크 값이 있습니다. 과토크는 단자를 손상시킵니다.

왜 면적이 커지면 더 어려워질까요

저희가 521 cm² 대면적 셀을 처음 돌린 결과는 좋지 않았습니다. 0.63 A/cm²에서 셀 전압이 1.925 V였습니다. 79 cm² 셀 스물세 장으로 이미 상용 운전 중이던 2 kW 스택은 0.633 A/cm²에서 셀당 1.657 V이므로 한참 나쁜 값입니다.

여기서 순서가 중요합니다. 촉매 활성이 문제면 전극을 다시 만들어야 하고 저항이 문제면 셀 구조만 손보면 됩니다. 고쳐야 할 것이 완전히 달라지므로 원인부터 확인해야 합니다. 전압 곡선의 모양과 임피던스를 함께 보면 어느 쪽인지 알 수 있습니다.

확인해 보니 옴 저항이 0.4 Ω·cm²로 2 kW 스택의 0.23 Ω·cm²보다 0.17 Ω·cm² 컸습니다. 0.63 A/cm²를 곱하면 107 mV라 격차의 상당 부분이 저항 하나로 설명됐습니다. 원인은 셀 안쪽의 전기적 접촉이었습니다. 면적이 커지면 균일한 압축과 접촉이 저항을 좌우합니다. 전극을 다시 만들 필요는 없었고 기계 설계를 개선하면 되는 문제였습니다.

기계 설계를 고친 뒤 5셀 쇼트스택은 셀당 1.634 V로 내려왔고 15셀 쇼트스택도 5셀 곡선과 거의 겹쳤습니다. 면적을 6.6배 키운 셀이 소면적 상용 셀을 따라잡은 것입니다. 첫 데이터가 나쁠 때는 값을 낮출 방법부터 찾지 말고 그 값이 어디서 왔는지를 먼저 확인해야 합니다. 연구실이 자체 적층에서 막혔을 때 가장 먼저 해야 할 일도 이것입니다.

셀 수 축에서는 편차가 따라가야 할 숫자입니다. 5셀에서 셀간 편차 15 mV, 15셀에서 40 mV였습니다. 다섯 장은 고르기 쉬운 숫자라 그 결과만으로 스택이 고르다고 말할 수는 없고 셀 수를 늘릴 때 따라가야 할 것은 평균 전압보다 셀 사이의 편차입니다.

직접 쌓아 보려면 이 순서로

직접 해 보시려면 시험 셀부터 시작하는 것이 맞습니다. 1~25 cm² 시험 셀 HXS-0은 단전지부터 20셀 쇼트스택까지 구성하고 저희 MEA와 타사 MEA 모두 호환됩니다.

첫째, 조립 가이드대로 체결합니다. 시험 셀은 M6 체결이라 프레스가 필요 없고 체결 순서와 토크는 조립 가이드로 제공합니다. 가스켓 등 소모 부품은 개별로 공급합니다.

시험 셀의 하드웨어는 스테인리스 엔드플레이트와 니켈계 분리판, PTFE 가스켓으로 구성되고 기본 유로는 단일 사행 유로입니다. 운전 온도는 최대 80도의 대기압 조건이고 전원과 전해액 순환, 온도 제어, 데이터 기록 설비는 고객이 준비합니다. 넓은 전압·전류 범위를 스윕하려면 프로그래머블 전원을 권합니다. 활성면적과 셀 수, 유로 구조를 확정한 뒤 제작하므로 시험 목적을 먼저 정해 두시면 구성이 빨리 나옵니다.

둘째, 전해질을 채우고 누설부터 확인합니다. 탱크를 채우고 순환시켜 이음부를 확인한 뒤 첫 운전에서 전압 거동과 누설, 온도, 가스 배출을 봅니다.

셋째, 셀별 전압을 따로 측정합니다. 셀별 전압을 모두 더한 값이 스택 전압과 맞아떨어지는지 확인하면 측정을 믿을 수 있습니다. 양 끝 셀이 높은지, 특정 셀이 처지는지를 여기서 봅니다.

넷째, 세웠다 켰을 때 추세로 돌아오는지 봅니다. 조립이나 체결이 운전 중에 풀리고 있다면 재기동 뒤 전압에 계단이 남습니다. 직전 추세선 위로 돌아오면 체결이 유지되고 있다는 뜻입니다.

이 순서로 얻은 데이터를 저희 공개 데이터와 비교하실 때는 전류밀도와 활성면적, 온도, 전해액 농도, 압력, 막 두께, 초기 안정화 구간을 맞춰야 합니다. 셀 크기와 시험 장비가 다른 전압을 그대로 비교해서는 안 됩니다.

직접 할 것과 맡길 것

어디까지 직접 하고 어디부터 맡길지는 세 가지로 가릅니다.

전극과 막, MEA 제작과 단전지·쇼트스택 평가는 직접 하는 영역입니다. 시험 셀은 프레스 없이 체결하고 조립 가이드가 있으며 자체 MEA를 그대로 넣을 수 있습니다. 소재 연구의 본론이 여기에 있습니다.

대면적이나 셀 수가 많은 풀스택 조립은 맡기는 쪽이 맞습니다. 2 kW 스택부터는 압축 조립식이라 유압 프레스와 전용 가스켓, 규정된 압축과 볼팅 절차가 필요합니다. 프레스가 없는 환경이라면 분해 전에 알려주시면 방법을 함께 찾습니다.

가르는 기준은 프레스 유무, 셀 수와 면적, 비교 조건입니다. 프레스와 전용 공구가 없으면 압축 조립식 스택은 직접 다루기 어렵습니다. 셀 수와 면적이 늘수록 체결과 분배 변수가 커지고 얻은 데이터를 공개 데이터와 비교하려면 조건을 맞출 장비가 있어야 합니다.

자주 묻는 질문 (FAQ)

Q. 전극과 막은 저희가 만들었는데 스택으로 쌓으면 왜 성능이 안 나오나요?

셀 한 장에는 없던 변수가 스택에서 생기기 때문입니다. 체결압과 실링, 유체 분배, 정렬입니다. 먼저 전압 곡선과 임피던스로 저항 문제인지 촉매 문제인지 가른 뒤 셀별 전압을 따로 재 보시면 어느 지점인지 좁혀집니다.

Q. 시험 셀로 몇 셀까지 쌓을 수 있나요?

단전지부터 20셀 쇼트스택까지 구성합니다. 활성면적은 가스켓 창으로 1~25 cm² 범위에서 고릅니다.

Q. 프레스 없이 조립할 수 있나요?

시험 셀은 M6 체결이라 프레스가 필요 없습니다. 2 kW 스택부터는 압축 조립식이라 유압 프레스와 전용 가스켓이 필요하고 분해와 재조립은 저희와 사전에 협의합니다.

HydroXpand를 더 알아보시려면

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

시험 셀과 스택의 상세 사양, 대면적 셀 개발 기록과 공개 데이터는 회사소개서와 기술 노트에 정리돼 있습니다. 자체 스택 조립을 계획 중이시라면 소개서에서 판단에 필요한 정보를 확인하실 수 있습니다.