수전해 스택 3,000시간 누적 운전 기록 - 시험 조건과 그래프 읽는 법 (2026)

안녕하세요, HydroXpand입니다. 오늘은 저희 HXS-2 스택을 3,000시간 넘게 운전한 기록을 정리해 봤습니다.

스택 내구 기록은 운전시간 하나로 소개되는 경우가 많습니다. 하지만 같은 3,000시간이라도 시험 조건과 운전시간을 계산한 방법에 따라 의미가 달라집니다. 이번 글에서는 저희 기록의 시험 조건과 운전시간 계산 방법, 그래프를 읽는 법, 이 기록으로 확인할 수 있는 범위를 정리했습니다. 내구 수치를 읽는 일반적인 기준은 수전해 내구 수치를 읽는 법에 정리해 두었습니다.

이 기록에서 확인할 핵심 사항

• 시험 조건을 먼저 확인하십시오. 23셀 스택, 50 A 정전류, 0.3 M KOH, 40 °C, 상압 조건의 기록입니다.

• 누적 운전시간과 무정지 운전시간을 구분하십시오. 3,000시간은 중간 정지를 제외하고 실제로 전류가 흐른 시간을 더한 값입니다.

• 전압은 추세로 판단하십시오. 재기동 직후의 일시적인 변화와 운전 중의 완만한 상승은 구분해서 보셔야 합니다.

• 수명 예측에 사용하지 마십시오. 스택 한 대를 한 가지 조건에서 운전한 기록입니다.

1. 시험 조건

시험은 HXB-V1 시스템에 스택을 탑재한 상태로 진행했습니다. 전원 공급, 전해질 순환, 보충수 공급, 가스 분석을 모두 시스템 안에서 수행했습니다. 실험실 시험대가 아닌 실제 장비와 같은 조건에서 운전한 기록입니다. 운전은 지금도 이어지고 있습니다.

HXS-2 내구 기술노트에 실린 그래프는 같은 조건으로 먼저 운전한 다른 HXS-2 스택의 기록입니다. 이 글의 그래프는 2026년 4월부터 운전 중인 스택의 기록입니다.

2. 누적 운전시간을 계산한 방법

운전시간은 전류가 5 A를 초과한 구간만 합산했습니다. 시스템이 정지하면 전류가 0 A가 되므로 정지 시간은 자동으로 제외됩니다. 데이터는 1분 단위로 기록하며, 기록이 실제로 남아 있는 시간만 분(minute) 단위로 더했습니다. 이렇게 계산한 누적 운전시간이 2026년 9월 말 기준으로 3,000시간을 넘었습니다.

누적 운전시간으로는 스택을 사용한 전체 시간을, 무정지 운전시간으로는 한 번 기동한 뒤 정지 없이 운전할 수 있는 시간을 확인합니다. 수 주 동안 정지 없이 운전해야 하는 용도라면 무정지 운전시간을 따로 확인하시는 것이 좋습니다.

3. 평균 셀 전압 그래프 읽는 법

그래프에는 스택 전압을 23으로 나눈 평균 셀 전압의 시간별 평균값을 표시했습니다. 가로축은 정지 시간을 뺀 누적 운전시간이고, 점선은 정지 후 다시 운전을 시작한 지점입니다.

그래프에서는 두 가지를 확인하시면 됩니다.

• 운전 중의 완만한 상승: 같은 전류에서 셀 전압이 서서히 올라가는 것은 전극, 막, 이오노머가 운전 중에 조금씩 열화되기 때문입니다. 정전류 시험에서는 이 기울기가 내구성을 판단하는 기준이 됩니다.

• 재기동 직후의 변화: 정지 후 다시 운전을 시작하면 전압이 한동안 낮게 나왔다가 점차 원래 추세로 돌아갑니다.

재기동 직후의 낮은 전압만으로 성능이 좋아졌다고 보거나, 정지 직전의 높은 전압만으로 열화가 빠르다고 판단하기는 어렵습니다. 각 구간의 추세를 함께 확인하시는 것이 좋습니다.

4. 산소 중 수소 농도 그래프 읽는 법

AEM 수전해에서는 음극에서 생긴 수소 일부가 막을 지나 양극 쪽 산소에 섞입니다. 이를 크로스오버라고 하며, 산소 중 수소 농도(H₂ in O₂)로 확인합니다. 이 값은 안전과 직결되므로 내구 시험에서는 전압과 함께 계속 기록합니다.

이 기록에서는 전체 운전시간의 94 % 동안 산소 중 수소 농도가 0.5~2 vol% 범위에 있었고, 전체 평균은 약 1.1 vol%입니다.

크로스오버는 전류가 낮을수록, 압력이 높을수록 커지는 경향이 있습니다. 이 기록은 50 A 상압 조건이므로, 부분 부하나 가압 운전에서는 값이 달라집니다.

5. 3,000시간 기록에서 확인한 다섯 가지

그래프와 운전 조건 기록을 함께 분석해 다음 내용을 정리했습니다. 단일 셀이나 쇼트스택으로 내구 시험을 하실 때도 참고하실 수 있습니다.

처음 수백 시간의 전압 상승은 따로 확인해야 합니다

운전을 시작한 뒤 처음 200시간 동안 평균 셀 전압은 약 0.1 V 올랐고, 이후에는 상승 속도가 크게 느려졌습니다. 새로 조립한 셀에서는 막과 이오노머, 전극 계면이 안정되는 동안 전압이 빠르게 변합니다. 이 초기 구간을 포함해 열화 속도를 계산하면 장기 추세보다 훨씬 큰 값이 나옵니다. 내구 결과를 비교할 때는 어느 구간으로 계산했는지 먼저 확인하시는 것이 좋습니다.

단기적인 전압 변동은 대부분 온도 변화에 따른 것입니다

단기적인 전압 변동을 스택 입구 온도와 비교하면, 온도가 내려갈 때 전압이 올라가는 경향을 뚜렷하게 확인할 수 있습니다. 이 기록에서는 입구 온도가 1 °C 낮아질 때 셀 전압이 약 6~8 mV 높아졌습니다. 보충수를 공급하거나 실내 온도가 바뀌면 전해질 온도도 달라집니다. 며칠 단위의 전압 변동을 열화로 해석하지 않으려면 온도를 함께 기록해야 합니다. 몇 시간 동안 진행하는 시험에서 수 mV 차이로 소재를 비교한다면 온도 차이를 0.5 °C 이내로 유지하시는 것이 좋습니다.

재기동 직후의 값은 그 구간의 대표값으로 보기 어렵습니다

정지 후 다시 운전하면 전압이 한동안 낮게 측정되다가 수십~수백 시간에 걸쳐 원래 추세로 돌아갑니다. 시험 중간에 정지가 있었다면 재기동 직후의 값과 정지 직전의 값을 그대로 비교하기는 어렵습니다. 각 운전 구간에서 안정된 뒤의 값끼리 비교하시는 것이 좋습니다.

가스 농도와 전압의 변화는 일치하지 않습니다

운전 후반에는 셀 전압이 높아졌지만 산소 중 수소 농도는 낮아졌습니다. 정지와 재기동 전후에는 전압과 관계없이 농도가 일시적으로 높아지는 경우가 있었습니다. 전압 추세만으로 가스 크로스오버를 판단할 수 없으므로, 장기 시험에서는 두 값을 각각 기록하시는 것이 좋습니다. 특히 기동과 정지 직후에는 가스 농도를 확인하시는 것이 좋습니다.

열화가 진행되면 발열과 냉각 부하가 함께 늘어납니다

셀 전압이 열중립 전압(1.48 V)보다 높으면 그 차이에 해당하는 전기 에너지가 열로 바뀝니다. 이 기록에서 스택 발열량은 운전 초기 약 270 W에서 후반 약 500~550 W로 두 배 가까이 늘었습니다. 같은 기간 냉각 팬 출력은 15 % 수준에서 운전 후반에는 대부분 75 % 이상으로 높아졌습니다. 냉각 팬을 최대 출력으로 운전한 구간에서도 스택 입구 온도가 설정값 40 °C보다 높은 때가 있었습니다. 스택 입구 온도는 주변 온도의 영향도 받습니다.

여기서 확인할 점은 두 가지입니다. 첫째, 냉각 용량을 정할 때는 운전 후반의 셀 전압을 기준으로 삼아야 합니다. 초기 발열량에 맞춰 냉각 설비를 선정하면 운전시간이 길어질수록 냉각 용량의 여유가 줄어듭니다. 둘째, 입구 온도가 오르면 셀 전압은 내려갑니다. 앞서 설명한 온도와 셀 전압의 관계를 적용하면 입구 온도가 5 °C 높을 때 셀 전압은 약 30~40 mV 낮게 측정됩니다. 장기 운전 곡선의 후반부를 해석할 때는 열화 정도를 실제보다 낮게 평가하지 않도록 온도 기록을 함께 확인하시는 것이 좋습니다.

6. 이 기록으로 말할 수 있는 것과 없는 것

수전해 스택은 현장에서 수만 시간을 운전해야 합니다. 3,000시간은 그 과정에서 저희가 확인한 값이며, 수명 목표치가 아닙니다. 다른 조건의 운전 결과도 계속 확보해 공개하겠습니다.

내구 기록을 비교할 때 확인할 다섯 가지

1. 운전시간이 누적인지, 무정지인지

2. 정전류 운전인지, 전류밀도는 얼마인지

3. 전해질 농도, 온도, 압력 조건

4. 스택 단위 기록인지, 단일 셀 기록인지

5. 전압과 함께 가스 농도를 기록했는지

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자주 묻는 질문 (FAQ)

3,000시간은 정지 없이 운전한 시간인가요?

아닙니다. 정지 시간을 빼고 전류가 흐른 시간을 더한 누적 운전시간입니다.

3,000시간을 스택 수명으로 볼 수 있나요?

볼 수 없습니다. 스택 한 대를 한 가지 조건에서 운전해 확인한 시간입니다. 수명은 전류밀도, 온도, 압력, 기동과 정지를 반복하는 횟수에 따라 달라집니다.

재기동 직후에는 왜 셀 전압이 낮아지나요?

AEM 셀을 정지한 뒤 다시 운전하면 운전 중 누적된 손실이 일부 회복된 상태에서 운전을 시작하는 경우가 많습니다. 이 기록에서도 재기동 후 수십~수백 시간에 걸쳐 전압이 원래 추세로 돌아갔습니다. 따라서 재기동 직후의 값만으로 판단하기보다 각 운전 구간의 추세를 확인하시는 것이 좋습니다.

가압이나 부분 부하 조건의 기록도 있나요?

이 글의 기록은 50 A 상압 조건입니다. 가압 조건의 운전 결과는 가압 운전 기술노트에 정리해 두었습니다.