수전해에 압축기가 꼭 필요할까 - 가압 출력으로 되는 것과 안 되는 것
안녕하세요, AEM 수전해 기술로 청정수소 생산 단가를 낮추고 있는 HydroXpand입니다.
수소 설비를 검토하시는 분들께 최근 두 달 사이 여러 나라에서 같은 질문을 받았습니다. 수소를 만들어도 압력이 낮으면 쓸 수가 없다는 것입니다. 저장하거나 배관에 넣으려면 압축기라는 비싸고 시끄러운 장비가 따로 필요한데, 수전해기에서 나올 때부터 눌러서 나올 수는 없냐는 질문입니다.
결론부터 말씀드리면 가능합니다.
저희 2 kW 완제품은 수소를 10 barg(대기압의 약 10배) 압력으로 내보낼 수 있습니다. 다만 대가가 따르고, 모든 용도를 해결해 주는 것도 아닙니다.
오늘은 압축기 없이 눌러 내보내는 방식으로 무엇이 빠지고, 무슨 대가를 치르고, 어디까지 되고 어디부터 안 되는지를 정리합니다. 수소를 저장이나 충전까지 쓰려고 시스템 전체 예산을 짜는 분들께 판단 재료가 되길 바랍니다.
가압 출력, 핵심만 먼저
결론부터 정리합니다.
첫째, 수소에 압력을 만드는 방법은 두 가지입니다. 상압으로 뽑아 압축기로 올리는 방법과, 수전해기를 가압해 처음부터 눌린 수소를 받는 방법입니다.
둘째, 압축기를 빼면 장비 하나가 아니라 그에 딸린 전력, 중간 저장, 안전 설비, 정비까지 함께 빠집니다.
셋째, 대신 스택 쪽에서 전압 대가를 치릅니다. 저희 실측으로 셀당 28 mV, 약 1.7%입니다.
넷째, 가압 운전의 실제 한계는 전압이 아니라 가스 크로스오버이며, 압력을 올릴수록 부하를 내릴 수 있는 하한이 올라갑니다.
다섯째, 10 barg는 저압 저장과 직접 사용에는 충분하지만 충전소급에는 여전히 압축기가 필요합니다.
갓 만든 수소는 눌러야 쓸 수 있습니다
수전해기에서 갓 나온 수소를 그대로 쓸 수 있는 용도는 많지 않습니다. 탱크에 저장하든 배관에 넣든 후단 공정에 보내든, 대부분 일정 이상의 압력을 요구합니다.
그래서 시스템 설계는 압력을 어디서 만들 것인가라는 질문을 피할 수 없습니다. 방법은 둘입니다.
수전해기에서 상압으로 뽑은 뒤 압축기로 올리는 것이 하나이고, 수전해기 자체를 가압해서 스택에서 나올 때부터 눌린 수소를 받는 것이 다른 하나입니다.
전통적인 구성은 앞의 방법입니다. 압축기는 검증된 장비이고 어떤 압력이든 만들 수 있습니다. 대신 값이 나가고 전기를 쓰며, 돌아가는 기계라 소음과 정비가 따라붙습니다.
압축기를 빼면 함께 빠지는 것들
압축기를 빼면 장비 한 대가 아니라 예산 항목 여러 개가 같이 빠집니다.
첫째, 압축기 본체와 그 소비 전력입니다. 압축은 전기를 쓰는 공정이라 수소 생산 원가에 계속 더해집니다.
둘째, 중간 저장입니다. 상압 구성에서는 수전해기와 압축기 사이에 저압 버퍼 탱크가 들어가고, 수소를 담는 설비이므로 안전 설비가 따라옵니다.
셋째, 정비입니다. 압축기는 시스템에서 몇 안 되는 회전기계라 소모품 교체와 점검 주기가 따로 잡힙니다.
이 항목들이 각각 얼마인지는 필요한 압력과 가동률, 설치 환경에 따라 달라서 프로젝트마다 계산해야 합니다. 다만 그 대신 치르는 대가가 얼마인지는 숫자로 확정돼 있습니다.
스택을 가압하면 치르는 대가
수전해기를 가압하면 같은 전류를 흘리는 데 전압이 조금 더 듭니다. 압력이 올라간 만큼 물을 쪼개는 데 필요한 에너지가 커지기 때문인데, 이것은 설계를 잘해서 없앨 수 있는 손실이 아니라 열역학이 요구하는 값입니다.
저희가 같은 2 kW 23셀 스택을 상압과 10 bar에서 측정한 결과로 이 대가는 50 A 기준 셀당 28 mV입니다.
스택 전체로 0.64 V, 같은 조건 셀 전압 대비 약 1.7%입니다. 전기를 1.7% 더 쓰는 대신 압축기 계통이 통째로 빠집니다. 어느 쪽이 유리한지는 압력과 가동률에 따라 갈리지만, 스택 쪽 대가가 얼마인지는 이 숫자로 확정됩니다.
실제 한계는 전압이 아니라 크로스오버입니다
전압 대가가 작다고 가압 운전이 쉬운 것은 아닙니다. 운전 범위를 실제로 정하는 것은 다른 축에 있습니다.
수전해 스택 안에서는 막을 사이에 두고 수소와 산소가 만들어지는데, 압력을 올리면 산소 쪽으로 넘어가는 수소가 늘어납니다. 여기에 부하까지 내리면 만들어지는 산소가 줄어드는 만큼 넘어온 수소의 농도가 또 올라갑니다.
두 효과는 겹칩니다. 저희가 0에서 6 barg, 정격에서 40% 부하까지 49개 지점을 실측한 결과로 정격 상압에서 0.39%이던 산소 속 수소 농도가 압력이 높고 부하가 낮은 극단 조건에서는 4.5배가 됩니다. 관리 기준 2%까지 남는 여유가 크지 않은 수준입니다.
이것이 효율 문제가 아니라 안전 문제라는 점이 중요합니다. 효율이 조금 나빠지는 것은 감수할 수 있지만 이 기준선은 넘을 수 없습니다. 그래서 가압 운전에서는 압력이 높을수록 부하를 내릴 수 있는 하한이 올라갑니다. 태양광처럼 낮은 부하 구간에서 오래 머무는 전원과 연계할 계획이라면 압력과 최소 부하의 조합을 먼저 확인해야 합니다.
10 barg로 되는 것과 안 되는 것
먼저, 되는 것부터 말씀드립니다.
저압 탱크 저장, 배관 공급, 연료전지나 실험 장비 같은 후단 공정 직결처럼 수 bar에서 10 bar 안팎을 요구하는 용도는 별도 압축기 없이 저장 단계로 바로 넘어갈 수 있습니다. 저희 은 상압과 10 barg 출력을 선택할 수 있습니다.
안 되는 것도 말씀드립니다.
수백 bar를 요구하는 충전소급 용도는 여전히 압축기가 필요합니다. 10 barg에서 시작하면 압축비가 줄어들 뿐입니다. 또 30에서 35 bar 수준의 직출력은 현재 판매 사양이 아니고 검증되지 않았습니다.
그리고 가압 조건의 장기 열화율은 아직 저희가 공개한 값이 없습니다. 10 barg 정전류 장기 시험이 진행 중이며 지금까지 294시간 구간의 데이터가 쌓였는데, 전극과 막이 자리를 잡는 초기 구간이라 이 기울기를 열화율로 환산하지 않습니다. 상압 장기 데이터에서 이 안정화에 1,200시간이 걸렸습니다.
시험이 안정화 구간에 도달하면 상압 데이터와 같은 형식으로 공개할 예정입니다. 카탈로그의 '수소측 최대 10 barg'는 압력 정격이고, 그 조건의 장기 검증은 별도라는 점을 구분해서 읽어 주시면 됩니다.
가압 출력을 검토할 때 확인할 다섯 가지
수전해기의 가압 출력을 검토하신다면 어느 공급사 장비든 아래 다섯 가지를 확인하시길 권합니다.
첫째, 필요한 출구 압력을 먼저 정합니다. 6 barg면 충분한 용도에 10 barg를 요구하면 크로스오버 여유만 버리게 됩니다.
둘째, 예상 최소 부하를 정합니다. 그 부하와 압력의 조합이 안전 설계의 출발점입니다. 셋째, 압축기를 뺐을 때 함께 빠지는 항목을 셉니다. 전력만이 아니라 중간 저장, 안전 설비, 정비가 같이 빠집니다.
넷째, 가압 데이터의 총 운전 시간을 묻습니다. 짧은 구간의 기울기는 열화율이 아닙니다.
다섯째, 크로스오버를 압력별과 부하별로 요구합니다. 정격 한 점의 값은 운전 범위를 말해주지 않습니다.
상세한 실측 그래프와 시험 조건은 에 공개돼 있습니다.
자주 묻는 질문 (FAQ)
Q. 압력을 올리면 수소 생산량이 줄지 않나요?
생산량은 전류가 정하는데, 저희 장비는 정전류 제어라 압력이 올라가도 전류는 설정값을 유지합니다. 대신 같은 전류를 흘리는 데 전압이 셀당 28 mV 더 들어 전력 소비가 약 1.7% 늘어납니다.
Q. 압력은 이왕이면 높게 잡는 것이 좋지 않나요?
권하지 않습니다. 압력을 필요 이상으로 올리면 전압 대가보다 크로스오버 여유가 줄어드는 것이 문제가 됩니다. 필요한 출구 압력을 먼저 정하고 거기에 맞추는 것이 안전 설계에 유리합니다.
Q. 태양광에 연계하면서 가압으로 돌릴 수 있나요?
됩니다만 조건이 붙습니다. 압력이 높을수록 부하 하한이 올라가는데, 태양광은 낮은 부하 구간에서 많은 시간을 보냅니다. 발전 프로필과 압력, 최소 부하의 조합을 저희에게 알려주시면 그 조건 기준으로 답을 드립니다.
Q. 가압 시험의 원본 데이터를 받을 수 있나요?
요청하시면 제공합니다. 전압과 전류 로그, 가스 농도 로그, 운전 조건이 포함됩니다.
HydroXpand를 더 알아보시려면
HydroXpand는 AEM 수전해를 소재부터 시스템까지 수직 내재화한 회사이며, 12개국의 연구기관과 산업체에 전극, 스택, 시스템을 공급하고 있습니다.
압축기 유무에 따른 시스템 구성과 제품별 상세 사양, 실측 데이터는 회사소개서에 정리돼 있습니다. 수소를 저장이나 공급까지 쓰는 시스템의 예산을 잡고 계시다면 소개서에서 판단에 필요한 정보를 확인하실 수 있습니다.