수전해 셀과 스택의 성능·내구가 다른 이유 - 시험 셀 결과를 스택에 옮길 때 확인할 것 (2026)
안녕하세요, HydroXpand입니다. 오늘은 수전해 셀과 스택의 성능·내구가 다른 이유를 정리해 봤습니다.
새 전극이나 막을 평가할 때는 보통 단일 셀에서 먼저 시험합니다. 단일 셀에서는 조건을 통제하기 쉽고 결과를 빨리 얻을 수 있기 때문입니다. 그런데 단일 셀에서 좋은 결과를 얻은 소재로 스택을 만들면 셀당 전압이 더 높게 나오거나 열화가 더 빨리 진행되는 경우가 많습니다. 소재가 같아도 스택에서는 개별 셀의 운전 환경이 달라지기 때문입니다.
이번 글에서는 셀과 스택의 결과가 달라지는 이유를 성능과 내구로 나눠 살펴보고, 단일 셀 결과를 바탕으로 스택을 검토할 때 확인할 항목을 정리했습니다.
셀 결과를 스택에 옮길 때의 핵심 사항
스택의 셀당 평균 전압을 단일 셀 전압과 직접 비교하지 마십시오. 스택에는 분배, 온도, 체결압의 편차가 더해집니다.
셀 간 전압 편차를 함께 확인하십시오. 평균이 같아도 편차가 크면 스택의 수명이 짧아집니다.
가장 약한 셀을 기준으로 보십시오. 스택의 운전 한계는 가장 먼저 열화되는 셀에 따라 정해집니다.
스택 단위의 내구 기록을 따로 요청하십시오. 단일 셀 내구 기록만으로는 스택 수명을 판단할 수 없습니다.
1. 단일 셀과 스택은 무엇이 다른가
항목 | 단일 셀 | 스택 |
|---|---|---|
셀 수 | 1장 | 수 장~수십 장을 직렬로 연결 |
전해질 공급 | 셀 하나에 직접 공급 | 매니폴드를 통해 여러 셀에 나눠 공급 |
온도 | 외부 히터로 셀 전체를 일정하게 유지 | 셀 위치에 따라 발열과 방열이 다름 |
체결 | 작은 면적을 고르게 체결 | 넓은 면적과 여러 장을 한 번에 체결 |
전기 경로 | 셀 하나에 전류가 흐름 | 같은 전류가 모든 셀을 지나고, 전해질을 통한 우회 경로가 생김 |
단일 셀에서는 소재의 성능을 평가합니다. 스택에서는 소재 성능뿐 아니라 셀을 여러 장 쌓을 때 생기는 편차도 결과에 영향을 줍니다. 셀과 스택의 결과가 다른 이유는 대부분 이 편차 때문입니다.
2. 성능이 달라지는 이유
유체 분배
스택에서는 전해질이 매니폴드를 따라 들어가 각 셀로 나뉩니다. 입구에 가까운 셀과 먼 셀은 유량이 다를 수 있습니다. 유량이 부족한 셀에서는 기포가 잘 빠지지 않아 전극 표면을 가리고, 셀 전압이 올라갑니다.
셀 간 온도 차이
스택 중앙의 셀에는 양옆 셀에서 열이 전달되고, 끝판 쪽 셀에서는 열이 외부로 빠져나갑니다. 같은 전류에서도 셀마다 온도가 다르고, 온도가 낮은 셀은 전압이 높게 나옵니다. 단일 셀 시험에서는 외부 히터로 온도를 조절하기 때문에 이 차이가 나타나지 않습니다.
체결압 분포
스택을 조립할 때는 여러 장의 셀을 끝판과 볼트로 한 번에 체결합니다. 면적이 넓고 셀이 많을수록 압력을 고르게 가하기 어렵습니다. 압력이 낮은 부분은 접촉저항이 커지고, 지나치게 높은 부분은 막이나 가스켓이 손상될 수 있습니다.
션트 전류
스택의 셀들은 같은 전해질 매니폴드를 공유합니다. 전해질에 전기가 통하기 때문에 일부 전류가 셀을 지나지 않고 전해질을 따라 우회합니다. 이를 션트 전류라고 하며, 이 전류는 수소 생성에 기여하지 않으므로 스택 효율이 낮아집니다. 단일 셀에는 우회할 경로가 없어 이 손실이 나타나지 않습니다.
활성면적
시험 셀의 활성면적은 보통 수~수십 cm²이고, 스택 셀은 그보다 훨씬 넓습니다. 면적이 넓으면 전류와 기포, 온도가 셀 내부에서도 고르지 않게 분포합니다. 같은 전류밀도라도 넓은 셀의 평균 전압이 작은 셀보다 높게 나오는 경우가 많습니다.
3. 내구가 달라지는 이유
가장 약한 셀이 스택 수명을 정합니다
스택에서는 셀이 직렬로 연결되어 있어 모든 셀에 같은 전류가 흐릅니다. 그런데 셀마다 조건이 조금씩 다르므로 열화 속도도 다릅니다. 운전시간이 길어질수록 셀 간 전압 편차가 커지고, 가장 빨리 열화된 셀에서 먼저 전압 한계에 도달합니다. 스택 평균 전압이 아직 한계보다 낮아도 셀 한 장 때문에 운전을 멈춰야 하는 경우가 생깁니다.
시스템 운전 조건도 스택 내구에 영향을 줍니다
스택을 운전할 때는 전원, 펌프, 히터, 보충수 공급 장치도 함께 사용합니다. 보충수 공급에 따른 온도 변화, 순환 유량 변화, 정지와 재기동은 모두 스택에 영향을 줍니다. 단일 셀 시험에서는 이런 변화가 거의 없도록 조건을 관리하므로, 같은 소재라도 스택에서 내구성이 더 낮게 측정되는 경우가 많습니다.
기동과 정지가 셀마다 다르게 작용합니다
정지와 재기동을 반복하면 셀 전압과 온도가 크게 변합니다. 이때 셀 위치에 따라 온도가 회복되는 속도와 전해질이 다시 채워지는 속도가 다르므로, 같은 정지 조건에서도 셀마다 받는 부담이 다릅니다.
4. 연구실에서 원인을 구분하는 방법
스택이나 쇼트스택을 직접 시험하신다면 아래 방법으로 셀 전압이 높아지는 원인을 상당 부분 구분할 수 있습니다.
셀 위치별 전압 패턴을 확인합니다
각 셀의 전압을 측정해 셀 위치 순서대로 그래프에 표시하면 원인에 따른 패턴을 확인할 수 있습니다.
패턴 | 의심되는 원인 | 확인 방법 |
|---|---|---|
전해질 입구에서 멀어질수록 전압이 높아집니다 | 유체 분배 | 순환 유량을 늘렸을 때 편차가 줄어드는지 확인합니다 |
양 끝 셀의 전압이 가운데 셀보다 높습니다 | 셀 간 온도 차이 | 끝판 쪽과 가운데의 온도를 측정하거나 끝판을 보온해 봅니다 |
특정 셀 한두 장의 전압만 높습니다 | 조립, 체결, 소재 편차 | 재체결 후에도 같은 셀의 전압이 높은지, 셀 순서를 바꿔도 해당 셀에서 높은 전압이 나타나는지 확인합니다 |
모든 셀의 전압이 고르게 높습니다 | 소재, 전해질, 운전 조건 | 같은 소재로 만든 단일 셀과 같은 조건에서 비교합니다 |
온도의 영향은 셀당 수 mV/°C로 추정합니다
저희 HXS-2 장기 운전 기록에서는 스택 입구 온도가 1 °C 낮아질 때 셀 전압이 약 6~8 mV 높아졌습니다. 이 값을 적용하면 끝판 쪽 셀의 온도가 가운데 셀보다 3 °C 낮을 때 약 20 mV의 전압 차이가 생깁니다. 셀 간 전압 편차가 이 정도 범위라면 소재 문제로 판단하기 전에 온도 분포부터 확인하시는 것이 좋습니다.
션트 전류와 크로스오버는 수소 생산량으로 확인합니다
전류 I로 운전하는 N셀 스택의 이론 수소 생산량은 N × I ÷ 2F입니다(F는 패러데이 상수 96,485 C/mol). 예를 들어 23셀 스택을 50 A로 운전하면 이론값은 약 480 NL/h(0 °C, 1기압 기준)입니다. 실제로 측정한 건조 수소 유량이 이론값보다 낮다면 션트 전류, 크로스오버, 누설로 인한 차이입니다. 전류를 낮출수록 이 손실의 비중이 커지므로, 전류를 바꿔 가며 측정하면 원인의 범위를 좁히는 데 도움이 됩니다.
풀스택 시험 전에 쇼트스택에서 확인합니다
단일 셀 시험 후에는 셀 몇 장으로 만든 쇼트스택에서 결과를 먼저 확인하고 풀스택 시험으로 진행하시는 것이 좋습니다. 양 끝 셀과 가운데 셀을 구분하려면 최소 3셀이 필요합니다. 쇼트스택에서는 각 셀의 전압을 측정하고, 가능하면 셀 위치별 온도도 함께 기록하시는 것이 좋습니다. 분배, 온도, 체결의 영향을 풀스택보다 적은 비용으로 미리 확인할 수 있습니다.
5. 셀 결과를 보고 스택을 검토할 때 확인할 것
확인 항목 | 이유 |
|---|---|
스택 단위의 분극 곡선 | 단일 셀 곡선에 분배·온도·션트 손실이 더해진 값입니다 |
셀 간 전압 편차 | 평균만으로는 스택의 균일도를 알 수 없습니다 |
스택 단위 내구 기록 | 단일 셀 내구 기록은 스택 수명을 대신하지 못합니다 |
셀 활성면적 | 시험 셀과 스택 셀의 면적 차이가 클수록 결과 차이도 큽니다 |
시스템 조건 | 전해질 순환, 온도 제어, 보충수 공급 방식이 같은지 확인합니다 |
6. HydroXpand가 스택 데이터를 따로 측정하는 이유
저희는 전극(HXP-an·HXP-ca)과 함께 스택(HXS-2)을 판매하고 있습니다. 전극 데이터는 단일 셀과 쇼트스택 시험으로, 스택 데이터는 시스템에 탑재한 풀스택 운전으로 따로 측정합니다. 셀 결과가 스택에서 그대로 나오지 않기 때문입니다.
스택을 검토하시는 경우 HXS-2의 스택 단위 분극 곡선과 누적 운전 기록을 함께 확인하실 수 있습니다. 직접 만든 셀이나 스택의 결과를 비교해 보고 싶으시면 측정 조건과 함께 문의해 주시면 됩니다.
셀 결과를 스택에 옮길 때 확인할 다섯 가지
스택 단위의 분극 곡선이 있는지
셀 간 전압 편차를 함께 제시하는지
단일 셀과 별도로 스택 단위 내구 기록이 있는지
시험 셀과 스택 셀의 활성면적 차이가 얼마인지
전해질 순환, 온도 제어, 보충수 공급 방식이 같은지
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자주 묻는 질문 (FAQ)
스택의 셀당 전압이 단일 셀보다 높게 나오는 이유는 무엇인가요?
스택에서는 소재 자체의 손실에 유체 분배, 셀 간 온도 차이, 체결압 편차, 션트 전류가 더해집니다. 활성면적이 넓어지면 전류와 기포 분포도 고르지 않게 됩니다.
단일 셀 내구 시험이 길면 스택 수명도 길다고 볼 수 있나요?
볼 수 없습니다. 스택 수명은 가장 약한 셀과 시스템 운전 중의 변화에 따라 달라집니다. 단일 셀 시험에서는 이 두 요인의 영향을 확인할 수 없으므로 스택 단위 기록을 따로 확인하시는 것이 좋습니다.
션트 전류란 무엇인가요?
스택의 셀들은 전해질 매니폴드를 공유하고, 전해질에는 전기가 통합니다. 그래서 전류 일부가 셀을 지나지 않고 전해질을 따라 우회하는데, 이 전류를 션트 전류라고 합니다. 션트 전류는 수소 생성에 기여하지 않으므로 스택 효율이 낮아집니다.
쇼트스택은 몇 셀로 만들면 되나요?
양 끝 셀과 가운데 셀을 구분하려면 최소 3셀이 필요합니다. 분배와 온도의 영향을 더 분명하게 확인하려면 셀 수를 늘리되, 각 셀의 전압을 측정할 수 있도록 구성하시는 것이 좋습니다.
공급사에 평균 셀 전압 외에 무엇을 요청하면 되나요?
스택 분극 곡선, 셀 간 전압 편차, 조건이 함께 적힌 스택 단위 내구 기록, 셀당 활성면적, 시험에 사용한 시스템 조건을 요청하시면 됩니다.