대면적 셀의 첫 결과는 이미 팔고 있는 스택보다 나빴다

HydroXpand가 지금 팔고 있는 스택은 2 kW급 HXS-2입니다. 79 cm² 셀 23장을 쌓은 것이고, 10개국에 나가 있습니다. 다음 제품인 30 kW급 HXS-30은 521 cm² 셀 46장입니다.

두 제품 사이에는 축이 둘 있습니다. 셀 면적이 6.6배가 되고, 셀 수가 두 배가 됩니다. 셀 수를 늘리는 쪽은 조립과 균일도의 문제라서 어디가 어려운지 미리 압니다. 면적을 키우는 쪽은 셀 안에서 벌어지는 일이 바뀌기 때문에 해보기 전에는 모릅니다. 전류가 넓은 면에 고르게 퍼지는지, 전해액이 구석까지 가는지, 기포가 빠져나오는지가 전부 달라집니다.

이 노트는 그 두 축을 차례로 지나온 기록입니다. 2 kW 스택을 기준선으로 놓고, 대면적 단셀에서 5셀, 15셀까지 측정한 값을 그대로 싣습니다. 잘된 것과 잘 안 된 것을 함께 적습니다.

면적을 키우는 쪽이 먼저였고, 그쪽이 더 어려웠습니다.

1. 기준선: 2 kW HXS-2, 79 cm² 셀 23장

새 스택이 잘 나왔는지는 이미 팔고 있는 스택과 겹쳐 봐야 압니다. HXS-2는 0.1 M KOH·50 °C에서 0.633 A/cm²일 때 셀당 1.657 V입니다. 전압효율로는 89.4 %입니다.

내구는 따로 공개한 적이 있습니다. 0.3 M KOH·40 °C에서 2,281시간 정전류 연속 운전했고 셀당 열화율이 80.2 µV/h였습니다. 이 노트는 그 데이터를 다시 다루지 않습니다. 여기서 HXS-2가 하는 역할은 하나, 대면적 셀이 어디까지 와야 하는지 보여주는 기준선입니다.

2. 대면적 단셀 · 2025년 8월: 첫 결과는 좋지 않았다

521 cm² 셀을 처음 돌린 결과는 실망스러웠습니다. 0.63 A/cm²에서 셀 전압이 1.925 V, 전압효율 76.9 %였습니다. 79 cm² 셀 스물세 장으로 이미 상용 운전 중이던 스택보다 한참 나빴습니다.

촉매 활성이 문제면 전극을 다시 만들어야 하고, 저항이 문제면 셀 구조만 손보면 됩니다. 고쳐야 할 것이 완전히 달라지니 원인부터 확인해야 했습니다. 전압 곡선의 모양과 임피던스를 함께 보면 어느 쪽인지 알 수 있습니다.

옴 저항이 0.4 Ω·cm²로, 2 kW 스택의 0.23 Ω·cm²보다 0.17 Ω·cm² 컸습니다. 0.63 A/cm²를 곱하면 107 mV입니다. 격차의 상당 부분이 저항 하나로 설명됐습니다. 원인은 셀 안쪽의 빈 공간이었습니다. 5 mm 셀프레임에 3 mm 다공성 니켈 기재를 넣어 접촉이 헐거웠습니다. 전극을 다시 만들 필요는 없었고, 기재 두께만 맞추면 되는 문제였습니다.

첫 데이터가 나쁠 때는 값을 낮출 방법부터 찾지 말고 그 값이 어디서 왔는지를 먼저 확인해야 합니다.

3. 5셀 · 2026년 6월: 고친 것이 맞았는지 확인

기재 두께를 맞추고 셀프레임을 금형 사출품으로 바꾼 뒤 5셀 쇼트스택을 돌렸습니다. 360 A에서 셀당 1.634 V, 전압효율 90.6 %가 나왔습니다. 단셀의 1.925 V에서 크게 내려온 값이고, 진단이 맞았다는 뜻입니다.

이 값은 2 kW 스택 곡선보다 아래입니다. 면적을 6.6배 키운 셀이 소면적 상용 셀을 따라잡았습니다.

다만 셀별로 측정하면 다섯 장이 1.615 V에서 1.630 V 사이, 편차 15 mV였습니다. 다섯 장은 고르기 쉬운 숫자입니다. 이 결과만으로 스택이 고르다고 말할 수는 없습니다.

4. 15셀 · 2026년 8월 26일: 360 A에서 셀당 1.660 V

셀 수를 세 배로 늘린 15셀 쇼트스택을 8월 26일에 처음 돌렸습니다. 360.6 A에서 스택 24.90 V, 셀당 1.660 V입니다. 전류밀도로는 0.692 A/cm²입니다(음극 521 cm² 기준).

5셀 곡선과 거의 겹칩니다. 셀 수를 세 배로 늘리는 동안 셀 하나가 내는 성능은 그대로였습니다. 2 kW 스택과 같은 50 °C에서 같은 전류밀도로 놓고 보면 0.634 A/cm²에서 HXS-30이 1.645 V, 2 kW가 1.657 V입니다.

다만 시험 조건이 서로 다릅니다. 5셀은 전해액 60 °C, 15셀은 50 °C에서 돌았습니다. 셀당 26 mV 차이를 성능 저하로 읽으면 안 됩니다. 2 kW와의 12 mV도 마찬가지입니다. HXS-30 세 번의 시험은 전해액 농도가 기록에 남아 있지 않아, 같은 조건에서 다시 측정하기 전까지는 곡선의 위치만 보고 값을 빼서 쓰지는 않습니다.

5. 전 구간이 직선이었다는 것의 뜻

12점이 직선 하나에 그대로 맞습니다. 기울기를 전극 면적으로 나누면 면적비저항 0.26 Ω·cm²입니다. 셀 하나가 전류 1 A를 더 흘릴 때 0.49 mV씩 오른다는 뜻이고, 전류를 0으로 외삽하면 셀당 1.486 V입니다.

이 전류 범위에서는 저항이 손실을 결정한다는 뜻입니다. 활성화 영역에서 나타나는 곡률도, 물질전달 한계에서 나타나는 급격한 꺾임도 보이지 않았습니다. 대면적 셀에서 가장 걱정했던 것이 이 대목입니다. 전해액이 넓은 면 구석까지 가지 못하거나 기포가 빠져나가지 못하면 높은 전류에서 곡선이 위로 휘는데, 그런 신호가 없었습니다.

직선이라는 것은 더 올릴 여지가 남아 있다는 뜻이기도 합니다. 이번 구동은 360 A에서 멈췄고, 0.26 Ω·cm²를 더 낮추면 같은 전류에서 셀전압이 그만큼 내려갑니다.

6. 15셀 전수 편차 40 mV

• 전해액이 여러 셀로 갈라지면서 앞뒤 셀이 받는 유량이 달라진다
• 긴 볼트 하나가 여러 셀을 누르므로 가운데와 끝의 면압이 달라진다
• 가운데 셀은 열이 빠져나갈 곳이 적어 더 뜨겁다

셀 수를 늘릴 때 따라가야 할 숫자는 평균 전압보다 셀 사이의 편차입니다.

여기서부터가 두 번째 축, 셀 수입니다. 15셀 전부를 하나씩 측정했습니다. 평균 1.664 V, 표준편차 9.6 mV, 가장 높은 셀(1번, 1.694 V)과 가장 낮은 셀(8번, 1.654 V)의 차이가 40 mV였습니다. 첫 조립으로는 고른 편이고, 눈에 띄게 처지거나 흔들리는 셀은 없었습니다.

이 숫자를 믿을 수 있는지도 확인했습니다. 셀별 전압을 모두 더하면 24.96 V인데, 같은 시간대 i-V 스윕의 첫 점이 24.90 V입니다. 서로 다른 계측기로 측정한 두 값이 맞아떨어졌습니다.

1번 셀이 가장 높습니다. 양 끝 셀이 조금 높게 나오는 것은 스택에서 흔한 일입니다. 끝판에 가까운 셀은 체결력과 유체 분배가 가운데 셀과 다릅니다. 셀 수가 늘수록 이 차이는 커지기 쉽습니다.

7. 다음은 46셀 풀스택이다

HXS-30의 완성 형태는 46셀입니다. 2026년 9월에 첫 풀스택을 조립합니다. 15셀에서 다시 세 배가 됩니다.

셀당 전압은 15셀에서 이미 확인했습니다. 46셀에서 볼 것은 셀 수가 늘어날 때 편차가 어떻게 움직이는지입니다.

1. 46셀 전수의 전압 분포가 15셀의 40 mV에서 얼마나 벌어지는가
2. 끝단 셀과 가운데 셀의 차이가 셀 수에 따라 어떻게 커지는가
3. 스택 가운데의 온도가 끝단과 얼마나 벌어지는가
4. 같은 온도 조건에서 15셀과 46셀의 i-V가 겹치는가

15셀 결과로 46셀 성능을 미리 말하지는 않겠습니다. 지금까지 확인한 것은 두 가지입니다. 면적을 6.6배 키운 셀이 2 kW 스택 곡선까지 내려왔고, 셀 수를 세 배로 늘리는 동안 15셀 전수 편차가 40 mV 안이었습니다.

46셀 구동 결과는 나오는 대로 이 페이지에 올립니다.