압축기를 빼려고 스택을 가압하면 셀 전압에서 대가를 치릅니다. 50 A에서 셀당 28 mV입니다. 그런데 실제로 운전 범위를 정하는 것은 전압이 아니라 가스 크로스오버이고, 그것은 부하를 내릴수록 나빠집니다. 294시간 가압 런과 함께 정리했습니다.
수소를 저장하거나 배관에 넣으려면 압력이 필요합니다. 방법은 둘입니다. 스택에서 상압으로 뽑아 압축기로 올리거나, 스택 자체를 가압해 이미 높은 압력의 수소를 받거나.
뒤쪽을 고르면 압축기 한 단과 그 소비 전력, 스택과 압축기 사이의 저압 버퍼, 그리고 회전기계 한 대의 정비가 빠집니다. 대신 스택 안에서 세 가지가 달라집니다.
1. 전압 대가는 작다
가압하면 같은 전류를 흘리는 데 더 높은 전압이 듭니다. 네른스트 항이 올라가기 때문이고, 이것은 설계로 없앨 수 있는 손실이 아니라 열역학이 요구하는 값입니다.
저희 측정으로는 50 A에서 셀당 28 mV입니다. 23셀 스택 전체로 0.64 V이고, 같은 조건 셀전압 대비 약 1.7%입니다.
이 1.7%가 가압 쪽 장부의 차변입니다. 대변에는 압축기 소비 전력, 저압 버퍼와 그 안전 설비, 회전기계 정비가 들어갑니다. 어느 쪽이 큰지는 필요한 압력과 가동률에 따라 달라지므로 프로젝트마다 계산하셔야 합니다. 다만 스택 쪽 대가가 얼마인지는 위 숫자로 확정됩니다.
2. 운전 범위를 정하는 것은 크로스오버다
전압 대가가 작다는 것이 가압 운전이 쉽다는 뜻은 아닙니다. 실제 한계는 다른 축에 있습니다.
막을 사이에 둔 수소의 분압 차이가 투과를 밀어냅니다. 그래서 압력을 올리면 산소 쪽으로 넘어오는 수소가 늘어납니다. 여기에 부하를 내리면 생성되는 산소량이 줄어드는데 넘어오는 수소량은 그만큼 줄지 않으므로 농도가 또 올라갑니다. 두 효과가 곱해집니다.
위 그림이 그 실측 49점입니다. 곱해진다는 말이 어느 정도인지는 네 모서리로 보시면 됩니다.
정격 부하에서 압력만 6 barg까지 올리면 2.5배가 됩니다. 6 barg에서 부하만 40%로 내리면 거기서 다시 1.8배입니다. 둘이 겹친 모서리는 상압 정격의 4.5배이고, 관리 기준 2%까지 남는 여유가 0.25%포인트뿐입니다.
이것이 효율 한계가 아니라 안전 한계라는 점이 중요합니다. 효율이 나빠지는 것은 참을 수 있지만 이 선은 넘을 수 없습니다. 그래서 가압 운전에서 최소 부하는 압력의 함수가 됩니다.
재생에너지에 연계하는 계획이라면 이 그림을 먼저 보셔야 합니다. 태양광 프로필은 낮은 부하에서 많은 시간을 보내는데, 그 구간이 바로 크로스오버가 가장 높은 구간입니다.
| 산소 속 수소 | 정격 부하 (50 A) | 40% 부하 (20 A) |
|---|---|---|
| 상압 (0 barg) | 0.39% | 0.66% |
| 6 barg | 0.98% | 1.75%관리 기준 2%까지 0.25%p |
3. 장기 거동은 아직 말할 수 없다
가압 시험은 0.1 M KOH에서 돌립니다. 상압 2,281시간 런은 0.3 M KOH였으므로 두 데이터를 나란히 놓을 때 전해액 농도가 다르다는 점을 함께 보셔야 합니다.
10 barg 정전류 장기구동을 260715에 시작해 294시간 구간의 데이터가 있습니다. 셀 전압은 1.691 V에서 시작해 294시간 시점에 1.821 V입니다. 산소 속 수소는 최대 1.44%였고 반대 방향인 수소 속 산소는 최대 0.10%였습니다.
이 구간의 전압 상승을 열화율로 환산하지 않았습니다. 전극과 막이 운전 조건에 자리잡는 초기 구간이라 기울기가 아직 내려오는 중이기 때문입니다. 저희 상압 런은 이 기울기가 눕는 데 1,200시간이 걸렸습니다.
그래서 지금 저희가 가진 것은 294시간짜리 곡선이지 가압 운전의 열화율이 아닙니다. 시험이 안정화 구간에 도달하면 상압 데이터와 같은 형식으로 공개하겠습니다.
카탈로그와 데이터시트의 수소측 최대 10 barg는 압력 정격입니다. 그 조건의 장기 열화율은 아직 저희가 공개한 값이 없습니다. 두 가지를 구분해서 읽어 주십시오.
검토하실 때 확인할 것
- 필요한 출구 압력을 먼저 정하십시오. 6 barg면 충분한 용도에 10 barg를 요구하면 크로스오버 여유만 버리게 됩니다.
- 예상 최소 부하를 정하십시오. 그 부하와 압력의 조합이 크로스오버 곡선의 어디에 앉는지가 안전 설계의 출발점입니다.
- 압축기를 뺐을 때 함께 빠지는 것을 세어 보십시오. 전력만이 아니라 중간 저장, 안전 설비, 정비 항목이 같이 빠집니다.
- 가압 데이터의 총 운전 시간을 물으십시오. 짧은 구간의 기울기는 열화율이 아닙니다.
- 크로스오버를 압력별·부하별로 요구하십시오. 정격 한 점의 값은 운전 범위를 말해주지 않습니다.
정리
가압 운전의 설계 변수는 전압이 아니라 최소 부하입니다.
전압 대가는 셀당 28 mV로 확정된 값이고 작습니다. 실제로 운전 범위를 정하는 것은 크로스오버이며, 압력과 저부하가 겹치는 모서리에서 가장 빡빡해집니다. 장기 열화율은 시험이 안정화 구간에 도달해야 말할 수 있습니다.
원본 데이터는 요청하시면 드립니다. 전압·전류 로그, 가스 농도 로그, 운전 조건이 포함됩니다.
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