수전해 셀 전압 분포를 확인해야 하는 이유

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

수전해 스택의 성능 자료를 받아 보면 대부분 전체 전압과 운전 시간이 적혀 있습니다. 그런데 스택은 셀 여러 장을 쌓은 구조라서 겉으로 보이는 전압은 그 셀을 모두 더한 결과입니다. 스물세 장을 쌓은 스택에서 측정되는 값 하나에 스물세 장의 상태가 함께 들어 있는 셈입니다.

저희가 장기 운전 데이터를 공개할 때 전압 추세와 함께 셀별 분포를 넣는 이유가 여기 있습니다. 오늘은 셀 하나하나의 전압이 고른지를 왜 따로 봐야 하는지 정리해보겠습니다. 스택을 구매해 자체 시스템에 넣으려는 분과, 공급사 자료를 검토하는 기술 담당자에게 도움이 되는 내용입니다.

셀 전압 분포, 핵심만 먼저

결론부터 정리합니다.

첫째, 스택 전압은 셀 전압의 합입니다. 23셀 스택이라면 측정되는 전압 하나에 스물세 장의 상태가 섞여 있습니다.

둘째, 평균이 안정적이어도 특정 셀만 빠르게 변할 수 있습니다. 합계만 보면 이 차이가 드러나지 않습니다.

셋째, 공개된 운전 데이터에서도 편차는 커졌습니다. 장기 운전 구간에서 셀간 표준편차가 0.010 V에서 0.020 V로 두 배가 됐습니다.

넷째, 가장 약한 셀이 정비 시점을 정합니다. 스택 전체의 교체 주기는 평균이 아니라 먼저 나빠지는 셀에 따라 결정됩니다.

다섯째, 자료를 받을 때 세 가지를 함께 요청하시면 됩니다. 전체 스택 전압 추세, 셀별 전압 분포와 표준편차, 가장 높은 셀과 낮은 셀의 추세입니다.

수전해 셀과 스택은 어떤 관계인가

수전해 셀은 물을 분해하는 최소 단위입니다. 양극과 음극, 그 사이의 분리막으로 이루어져 있습니다. 셀 하나가 만드는 수소의 양은 제한적이라서 실제 제품은 셀을 여러 장 겹쳐 쌓습니다. 이것이 스택입니다.

셀을 직렬로 연결하기 때문에 같은 전류가 모든 셀을 차례로 지나가고 스택 전압은 각 셀 전압을 더한 값이 됩니다. 2 kW 스택 HXS-2는 23셀 구성이고 공개한 장기 운전 데이터에서 셀 하나에 걸린 전압은 1.699 V에서 1.907 V 사이였습니다.

이 구조에서 나오는 결과가 하나 있습니다. 측정기에 찍히는 스택 전압은 셀 스물세 장의 합이므로 그 안에서 한 장이 유독 높아도 합계에서는 드러나지 않습니다. 한 장이 평균보다 0.05 V 높아도 스택 전압 40 V 안에서는 0.1% 남짓한 차이입니다.

전류는 다릅니다. 직렬 연결에서는 모든 셀에 같은 전류가 흐르기 때문에 상태가 나빠진 셀이라고 해서 전류를 덜 받지 않습니다. 같은 전류를 받으면서 더 높은 전압이 필요한 상태가 되고 그만큼 그 셀에 걸리는 전기화학적 부담이 커집니다. 부담이 커진 셀은 더 빨리 변하고 변할수록 다시 전압이 올라갑니다. 셀별로 재지 않으면 이 과정이 진행되는 동안에도 스택 전압은 완만하게 오르는 것처럼만 보입니다.

평균이 같아도 분포는 다를 수 있습니다

같은 스택 전압을 가진 두 스택이 있다고 해도 안쪽 상태는 다를 수 있습니다.

두 가지 경우를 가정해 보겠습니다.

한쪽은 스물세 장이 모두 비슷한 전압입니다. 이 경우 전류가 고르게 흐르고 있고 성능이 떨어지더라도 전체가 함께 서서히 변합니다.

다른 쪽은 스무 장이 낮고 세 장이 유독 높습니다. 합계는 앞의 스택과 같지만 높은 세 장에 더 큰 전기화학적 부담이 걸려 있습니다. 이 세 장이 먼저 나빠지고 그 시점에 스택 전체를 정비해야 합니다.

두 스택은 카탈로그 숫자로는 구분되지 않습니다. 셀별 전압을 따로 재야 구분됩니다. 그래서 성능 자료를 볼 때 평균이나 합계 옆에 분포가 함께 있는지를 확인하시는 것이 좋습니다.

공개 데이터에서 편차가 어떻게 변했나

홈페이지에 공개한 장기 운전 데이터에도 이 항목이 들어 있습니다.

HXS-2 23셀 스택을 0.3 M KOH 전해액, 40도, 50 A 정전류 조건에서 상압으로 장기 운전한 기록입니다. 전압 추세와 가스 지표를 함께 공개했고 여기에 셀별 분포가 들어 있습니다.

같은 운전에서 셀간 표준편차는 0.010 V에서 0.020 V로 두 배가 됐습니다. 평균 전압이 오르는 동안 셀 사이의 차이도 함께 커졌다는 뜻입니다. 평균 추세만 공개했다면 이 변화는 보이지 않았을 것입니다.

편차가 두 배가 됐다는 것이 곧 고장을 뜻하지는 않습니다. 0.020 V는 셀 전압 1.9 V의 1% 수준이고 같은 운전에서 가속 열화 징후도 관찰되지 않았습니다. 다만 같은 조건에서 운전을 이어갈 때 어느 셀을 먼저 확인해야 하는지를 알려주는 신호입니다.

이 항목을 공개 범위에 넣은 것은 평균만으로는 판단이 어렵다고 보기 때문입니다. 표준편차가 유지된 채 평균만 오르는 스택과, 평균은 같은데 편차가 벌어지는 스택은 이후 운용이 달라집니다. 상세한 조건과 그래프는 내구 데이터 기술 노트에 있습니다.

약한 셀이 정비 시점을 정합니다

스택의 교체 주기를 정하는 것은 평균이 아닙니다.

첫째, 전력 소비가 먼저 늘어납니다. 특정 셀의 전압이 높아지면 같은 수소를 만드는 데 더 많은 전기가 듭니다. 스택 단위로는 작은 차이지만 장기 운전에서는 누적됩니다.

둘째, 정지 기준에 먼저 닿습니다. 셀 전압에 상한을 두고 운전하면 평균이 여유가 있어도 가장 높은 셀이 먼저 기준에 닿아 스택 전체가 정지합니다.

셋째, 원인 추적이 어려워집니다. 셀별 기록이 없으면 성능이 떨어진 뒤에 어디에서 시작됐는지 되짚을 근거가 남지 않습니다.

편차가 생기는 원인은 수전해 방식과 무관하게 크게 셋입니다.

전해액 분배입니다. 스택 안에서 각 셀로 전해액이 갈라져 들어가는데 유로 설계나 기포 거동에 따라 셀마다 받는 양이 달라질 수 있습니다. 덜 받는 셀은 반응에 필요한 이온 공급과 열 배출에서 불리해집니다.

체결 압력입니다. 스택은 셀을 쌓아 조여서 만들기 때문에 조임이 고르지 않으면 접촉 저항이 셀마다 달라집니다. 압력이 낮은 자리는 저항이 커지고 그만큼 전압이 높게 나옵니다.

온도 분포입니다. 스택 가운데와 양 끝단은 열이 빠지는 조건이 다릅니다. 끝단 셀의 온도가 낮으면 같은 전류에서도 필요한 전압이 올라갑니다.

세 원인은 대처 방법이 다릅니다. 셀별 데이터가 있으면 어느 자리의 셀이 벗어났는지로 원인을 좁힐 수 있고 없으면 스택을 열어 보기 전까지 추정만 하게 됩니다.

단일 셀에서 스택으로 넘어갈 때

연구실에서 소재를 평가할 때는 보통 셀 한 장으로 시험합니다. 활성면적이 작은 시험 셀에서 i-V 곡선을 얻고 촉매나 막을 비교합니다.

여기서 좋은 결과가 나왔다고 해서 스택에서 같은 성능이 재현되지는 않습니다. 셀 한 장에서는 존재하지 않던 변수가 스택에서 새로 생기기 때문입니다. 셀간 분포, 전해액 분배, 체결, 열관리가 그것입니다. 단일 셀 시험은 소재의 성능을 보는 자리이고 스택 시험은 그 소재가 여러 장으로 쌓였을 때도 고르게 작동하는지를 보는 자리입니다.

그래서 단일 셀에서 스택으로 넘어가는 연구라면 최고 성능점 하나를 확인하는 것보다 아래 순서가 더 유용합니다.

첫째, 같은 조건의 i-V 곡선을 확보합니다. 전류밀도와 활성면적, 온도, 전해액 농도를 맞춰야 비교가 성립합니다.

둘째, 반복 시편의 편차를 확인합니다. 같은 방법으로 만든 시편끼리 얼마나 고른지가 스택에서의 균일도로 이어집니다.

셋째, 셀을 몇 장만 쌓은 쇼트스택에서 균일도를 봅니다. 적은 장수로도 분배와 체결 변수가 드러나기 시작합니다.

넷째, 장기 정전류 시험으로 추세를 확인합니다. 초기 성능보다 시간에 따른 변화가 제품 설계에 필요한 정보입니다.

저희도 같은 순서로 검증합니다. 단일 셀에서 확인한 결과를 쇼트스택으로 옮겨 균일도를 보고 그다음 풀스택 장기 운전으로 추세를 확인하는 순서입니다.

셀별 데이터를 받을 때 요청할 세 가지

스택 성능 자료에는 보통 전체 전압만 들어 있습니다. 셀 단위로 판단하시려면 어느 공급사를 검토하시든 아래 세 가지를 함께 요청해 보시길 권합니다.

첫째, 시간에 따른 전체 스택 전압입니다. 운전 시간과 전압 추세를 함께 봐야 열화 속도를 판단할 수 있습니다.

둘째, 셀별 전압 분포와 표준편차입니다. 운전 초기와 종료 시점의 분포를 비교하면 편차가 어떻게 변했는지 드러납니다.

셋째, 가장 높은 셀과 가장 낮은 셀의 추세입니다. 평균과 표준편차만으로는 한 장이 크게 벗어난 경우와 여러 장이 조금씩 벌어진 경우를 구분하기 어렵습니다.

세 가지에 구체적으로 답하는지가 방식과 무관하게 판단 기준이 됩니다. 저희 기준으로 말씀드리면 정전류 내구 시험의 원자료는 요청하시면 제공합니다.

편차가 커졌을 때 교체하는 것과 다시 쓰는 것

셀 전압이 벌어졌을 때 무엇을 바꿔야 하는지는 스택 구조에 따라 달라집니다.

교체하는 것은 막전극접합체(MEA)입니다. 전극과 막이 붙어 있는 이 부분이 성능 변화의 중심이고 스택에서 소모품에 해당합니다.

다시 쓰는 것은 분리판과 엔드플레이트 같은 하드웨어입니다. HXS-2는 압축 조립식이라 스택을 분해해 MEA만 교체하고 나머지를 반복 사용할 수 있습니다. 저희는 스택을 반송받아 이 작업을 대신 하는 서비스를 제공합니다.

이 구조를 알고 보면 셀별 데이터의 쓰임이 달라집니다. 편차 기록은 교체 시점을 늦추려고 보는 것이 아니라 어떤 추세에서 점검하고 무엇을 교체할지 정하는 기준으로 쓰는 자료입니다.

자주 묻는 질문 (FAQ)

Q. 수전해 셀 전압은 어떻게 측정하나요?

셀마다 전압 측정선을 연결해 개별로 읽습니다. 스택 전압만 측정하는 구성에서는 셀별 값을 알 수 없으므로 셀 단위 데이터가 필요하시면 구매 전에 측정 구성이 가능한지 확인하시는 것이 좋습니다.

Q. 셀 편차가 어느 정도면 문제인가요?

절대 기준보다 추세가 중요합니다. 같은 조건에서 편차가 계속 벌어지는지, 특정 셀 하나만 벗어나는지를 보시면 됩니다. 저희는 장기 운전에서 표준편차와 최고·최저 셀을 함께 기록하고 있습니다.

Q. 셀이 많을수록 편차도 커지나요?

셀 수가 늘면 전해액 분배와 체결, 열관리에서 변수가 늘어납니다. 그래서 셀 수가 다른 스택의 편차를 그대로 비교하기는 어렵고 같은 구성끼리 비교하시는 것이 맞습니다.

Q. 셀 하나만 따로 교체할 수 있나요?

스택을 분해해 MEA를 교체하는 방식으로 정비합니다. 어느 범위까지 교체할지는 점검 결과에 따라 정하며 분해와 재조립에는 체결 조건이 따르기 때문에 자체 정비를 계획하신다면 지침을 함께 확인하시는 것이 좋습니다.

HydroXpand를 더 알아보시려면

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

셀별 전압 분포를 포함한 장기 운전 데이터와 제품별 상세 사양, 세 방식의 정량 비교는 회사소개서에 정리돼 있습니다. 스택 도입을 검토 중이시라면 소개서에서 판단에 필요한 정보를 확인하실 수 있습니다.