수전해 스택을 10 barg로 운전하면 무엇이 달라지나 - 전압, 크로스오버, 장기 운전 실측 (2026)
안녕하세요, HydroXpand입니다. 오늘은 수전해 스택을 10 barg로 운전하면 무엇이 달라지는지 정리해 봤습니다.
수소 쪽 출구 압력을 10 barg로 올려 운전하면 압축기 없이 저압 저장이나 배관 공급에 바로 쓸 수 있습니다. 압축기를 둘지 말지는 수전해에 압축기가 꼭 필요할까에 정리해 두었습니다. 이번 글은 가압 운전을 고른 다음에 스택 안에서 무엇이 바뀌는지를 저희 2 kW 23셀 스택 실측값으로 정리했습니다.
먼저 결론부터 말씀드리면, 필요한 압력만큼만 올리시는 것이 좋습니다. 전압 부담은 크지 않지만, 압력이 3 barg를 넘으면 크로스오버의 증가 폭이 커지기 때문입니다.
10 barg 운전의 핵심 사항
출구 압력은 필요한 만큼만 정하십시오. 3 barg 이하로 충분한 용도라면 더 올릴 이유가 적습니다.
전압 차이는 셀당 30 mV 안팎으로 보십시오. 정격 50 A뿐 아니라 실제 운전 전류에서도 거의 같습니다.
크로스오버는 운전할 압력에서 확인하십시오. 3 barg를 넘으면서 증가 폭이 커졌습니다.
가압 조건의 장기 열화율은 따로 요청하십시오. 카탈로그의 10 barg는 압력 정격이고 수명 조건이 아닙니다.
1. 셀 전압은 셀당 30 mV 안팎 높아집니다
같은 HXS-2 23셀 스택을 0.1 M KOH, 50 °C에서 상압과 10 barg로 운전해 비교했습니다. 스윕하는 동안 배압이 10.4 barg에서 7.3 barg까지 내려가서, 10 barg 값은 10 barg 기준으로 환산했습니다.
전류 | 상압 셀 전압 | 10 barg 셀 전압 | 차이 (셀당) | 상압 대비 |
|---|---|---|---|---|
20 A | 1.584 V | 1.613 V | 29 mV | 1.8% |
30 A | 1.610 V | 1.640 V | 30 mV | 1.9% |
40 A | 1.634 V | 1.663 V | 29 mV | 1.8% |
50 A | 1.657 V | 1.685 V | 28 mV | 1.7% |
60 A | 1.678 V | 1.705 V | 26 mV | 1.6% |
20 A부터 62 A까지 차이는 셀당 26~31 mV로, 전류를 바꿔도 거의 그대로였습니다. 수소의 압력이 높을수록 물을 분해하는 데 필요한 최소 전압이 올라가는데, 네른스트 식으로 계산하면 50 °C, 10 barg에서 셀당 약 33 mV입니다. 이 값은 원래 전류와 상관없이 생기는 차이라 측정 결과와도 맞습니다.
비율로 보면 낮은 전류에서 조금 더 큽니다. 차이는 비슷한데 셀 전압 자체가 낮아지기 때문입니다. 부분 부하에서 오래 운전할 계획이라면 정격 기준 1.7% 대신 실제 운전 전류에서의 비율로 전력 소비를 계산하시는 것이 좋습니다.
2. 크로스오버는 3 barg를 넘으면서 증가 폭이 커집니다
AEM 수전해에서는 음극에서 생긴 수소 일부가 막을 지나 양극 쪽 산소에 섞입니다. 이를 크로스오버라고 하며, 산소 중 수소 농도로 확인합니다. 수소 쪽 압력이 높을수록 넘어오는 수소도 늘어납니다.
다른 HXS-2 23셀 스택으로 0 barg에서 6 barg까지 1 bar씩 올리며 측정했습니다. 각 압력에서 50 A부터 20 A까지 내리며 측정한 49점 가운데 정격 부하와 40% 부하만 옮겼습니다.
수소 쪽 압력 | 정격 부하 (50 A) | 40% 부하 (20 A) |
|---|---|---|
0 barg (상압) | 0.39% | 0.66% |
1 barg | 0.37% | 0.71% |
2 barg | 0.43% | 0.81% |
3 barg | 0.52% | 1.00% |
4 barg | 0.66% | 1.28% |
5 barg | 0.81% | 1.54% |
6 barg | 0.98% | 1.75% |
0 barg에서 2 barg까지는 정격 부하 농도가 0.04%포인트밖에 오르지 않았습니다. 그런데 3 barg를 넘으면 1 bar마다 0.14~0.17%포인트씩 오르고, 40% 부하에서는 0.2%포인트를 넘습니다. 필요한 출구 압력이 3 barg 이하라면 그 이상으로 올려 운전할 이유가 적은 것은 이 때문입니다.
압력에 정비례하지는 않았습니다. 0 barg에서 6 barg면 절대압은 약 1 bar에서 7 bar로 7배인데, 농도는 0.39%에서 0.98%로 2.5배였습니다. 상압에서도 넘어오는 수소가 있기 때문입니다.
이 시험은 6 barg까지만 측정했기 때문에, 6~10 barg 구간은 이 표만으로 추정하기 어렵습니다. 부하를 낮출 때 농도가 어떻게 바뀌는지는 수전해 부하를 낮추면 왜 산소 중 수소 농도가 올라갈까요?에 따로 정리했습니다.
3. 장기 운전은 아직 열화율로 말하기 이릅니다
10 barg, 50 A 정전류 장기 운전은 1번에서 셀 전압을 비교한 스택으로 하고 있습니다. 전해질은 0.1 M KOH, 50 °C이고, 2026년 10월 24일 기준 1,768시간째입니다. 정지한 시간은 빼고 50 A가 흐른 시간만 셌습니다.
항목 | 시작 | 10월 24일 |
|---|---|---|
셀 전압 | 1.691 V | 1.823 V |
산소 중 수소 | 1.00% | 1.38% |
전압 상승은 아직 열화율로 환산하지 않았습니다. 중간에 운전을 멈추고 점검한 구간이 있어 처음부터 끝까지 이어진 곡선이 아니고, 초기에 빠르게 오르는 구간도 아직 섞여 있습니다. 저희 상압 장기 운전에서는 기울기가 안정되기까지 약 1,200시간이 걸렸습니다. 마지막 재구동 이후 구간이 충분히 쌓이면 그 구간으로 계산해 공개하겠습니다.
산소 중 수소 농도는 조금씩 오르고 있지만 관리 기준 2% 아래입니다. 3,000시간 누적 운전 기록과 비교하실 때는 그쪽이 0.3 M KOH, 40 °C, 상압 조건이라는 점도 같이 보셔야 합니다.
4. 가압 운전을 검토할 때 확인할 것
확인 항목 | 이유 |
|---|---|
실제로 필요한 출구 압력 | 3 barg를 넘으면 크로스오버 증가 폭이 커집니다 |
운전 전류 구간의 전압 차이 | 부분 부하에서는 정격 기준보다 비율이 큽니다 |
압력별 크로스오버 측정값 | 정격 압력 한 점으로는 운전 범위를 알 수 없습니다 |
가압 조건의 장기 운전 시간과 조건 | 상압 내구 기록을 가압 조건에 그대로 쓸 수 없습니다 |
정리하면, 10 barg 운전의 전압 부담은 셀당 30 mV 안팎으로 작습니다. 실제로 신경 써야 할 것은 크로스오버이고, 3 barg를 넘으면 증가 폭이 커집니다. 그래서 출구 압력은 용도에 필요한 만큼만 정하시는 것이 좋습니다. 6~10 barg 구간의 크로스오버와 가압 조건의 장기 열화율은 아직 확인 중입니다.
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자주 묻는 질문 (FAQ)
10 barg로 운전하면 전력 소비가 얼마나 늘어나나요?
같은 전류에서 셀당 26~31 mV가 더 듭니다. 상압 대비 정격 50 A에서 1.7%, 20 A에서 1.8%이고, 같은 전류라면 스택 직류 전력도 그만큼 늘어납니다. 수소 1 kg당 시스템 전력으로 보려면 크로스오버 손실과 주변 기기 전력까지 같이 계산하셔야 합니다.
압력을 높이면 수소 생산량이 줄어드나요?
생산량은 전류가 정하기 때문에 정전류로 운전하면 거의 같습니다. 다만 막을 넘어 산소 쪽으로 가는 수소가 늘어나고, 그만큼은 회수되지 않습니다. 저희 측정에서 6 barg, 정격 부하일 때 생산량의 약 0.5%였습니다.
6 barg 측정값으로 10 barg의 크로스오버를 추정할 수 있나요?
권하지 않습니다. 6 barg 위는 측정하지 않았고 스택마다 값이 다를 수 있습니다. 10 barg에서 측정한 값을 따로 확인하시는 것이 좋습니다.
시험에 쓴 스택은 같은 스택인가요?
두 대입니다. 셀 전압 비교와 10 barg 장기 운전은 같은 HXS-2 23셀 스택이고, 크로스오버 측정은 다른 HXS-2 23셀 스택으로 했습니다. 그래서 장기 운전의 크로스오버 값을 압력별 표에 이어 붙여 읽지는 않습니다.
원본 데이터를 받을 수 있나요?
요청하시면 전압과 전류 로그, 가스 농도 로그, 운전 조건을 함께 드립니다.