수전해 스택이란? - 셀 적층 구조부터 분리판·BOP·설계 변수까지 (2026)
안녕하세요, AEM 수전해 기술로 청정수소 생산 단가를 낮추고 있는 HydroXpand입니다.
오늘은 수전해 스택이 무엇이고 어떤 부품으로 이루어지는지, 그리고 셀과 시스템과는 어떻게 다른지 정리해보겠습니다.
수소를 만드는 수전해 장치 안에서 물이 실제로 분해되는 곳이 스택입니다. 제품 소개나 뉴스에서 30kW 스택이나 48셀 스택 같은 표현을 자주 보지만 스택이 정확히 무엇이고 어떻게 구성되는지는 의외로 잘 정리되어 있지 않습니다.
스택은 수전해 장치의 성능과 용량, 비용을 가장 크게 좌우하는 부분입니다. 셀이 몇 장 쌓였는지, 셀 하나의 면적이 얼마인지, 셀 사이의 분리판을 어떤 소재로 만드는지에 따라 같은 기술이라도 결과물이 달라집니다. 수전해 장치 도입을 검토하시거나 스택 구조를 이해하고 싶으신 분들에게 도움이 되길 바랍니다.
수전해 스택, 핵심만 먼저
빠르게 수전해 스택의 핵심을 먼저 짚고 넘어 가겠습니다.
정의 - 스택은 수전해 단위셀을 수십에서 수백 장 직렬로 쌓아 올린 묶음입니다
단위셀 - 막전극접합체(MEA)와 그 양옆의 분리판이 한 셀을 이룹니다
설계 변수 - 셀 수는 전압과 수소 생산량을, 셀 면적은 전류와 용량을 결정합니다
시스템과의 차이 - 스택에 전원과 물 공급, 가스 정제 같은 주변 장치를 더하면 하나의 시스템이 됩니다
검토 포인트 - 분리판 소재와 셀 설계, 자체 제조 역량이 스택의 비용과 내구성을 가릅니다
아래에서 하나씩 풀어서 설명합니다.
수전해 스택이란?
수전해 스택은 물을 전기로 분해하는 가장 작은 단위인 셀을 여러 장 쌓아 만든 묶음입니다. 블록을 한 장씩 쌓아 올려 더 큰 구조를 만드는 모습을 떠올리면 이해가 쉽습니다.
셀 한 장이 만들어내는 수소의 양은 정해져 있습니다. 더 많은 수소가 필요하면 셀을 여러 장 쌓아 한꺼번에 운전합니다. 이렇게 셀을 수십에서 수백 장까지 직렬로 적층한 것이 스택입니다.
스택이라는 단어 자체가 쌓아 올린다는 뜻을 담고 있습니다. 셀을 더 쌓으면 수소 생산 용량이 늘어나기 때문에 필요한 규모에 맞춰 스택의 크기를 조절할 수 있습니다. 작은 실험실용 장치부터 메가와트급 대형 설비까지 수전해 장치가 대부분 이 스택 구조를 따르는 이유입니다.
셀을 직렬로 연결하면 적은 전류로도 쌓은 셀의 수만큼 수소를 만들 수 있습니다. 한 장씩 따로 운전하는 것보다 여러 장을 묶어 하나의 단위로 운전하는 편이 전기를 공급하고 관리하기에도 효율적입니다.
스택의 구조
스택을 한 장씩 분해해 보면 몇 가지 핵심 부품이 반복해서 나타납니다.
가장 안쪽에는 단위셀이 있습니다. 단위셀은 막전극접합체(MEA)와 그 양옆에 놓인 분리판으로 이루어집니다. 막전극접합체는 전해질 막과 양극, 음극이 하나로 결합된 부품으로 물이 실제로 분해되는 곳입니다. 이 단위셀이 스택을 이루는 기본 블록입니다.
단위셀을 여러 장 쌓고 나면 묶음을 단단히 고정하고 운전할 수 있도록 다음 부품들이 더해집니다.
엔드플레이트는 적층한 셀 묶음의 양 끝 최외곽에서 전체를 지지하고 눌러 고정합니다.
가스켓은 분리판 사이를 밀봉해 물과 기체가 새지 않게 막습니다.
매니폴드는 물을 각 셀에 고르게 공급하고 생성된 기체를 밖으로 내보내는 통로 역할을 합니다.
체결 부품은 엔드플레이트 사이를 조여 셀과 분리판이 서로 밀착되도록 압력을 유지합니다.
셀을 100장 넘게 쌓는 경우도 많기 때문에 모든 부품의 치수가 정확하게 맞아야 안정적으로 밀봉되고 전기가 고르게 흐릅니다. 한 장이라도 어긋나거나 밀봉이 약하면 그 자리에서 누설이 생기거나 성능이 떨어집니다. 스택 조립이 까다롭고 제조 정밀도가 중요한 이유가 여기에 있습니다.
분리판이 하는 일
스택에서 분리판은 단위셀 사이마다 들어가는 부품입니다. 바이폴라 플레이트라고도 부르며 작지만 세 가지 중요한 일을 동시에 맡습니다.
첫째는 유로 역할입니다. 분리판 표면에는 가는 골이 새겨져 있어서 물과 생성된 기체가 셀 구석구석까지 흐르도록 길을 만듭니다. 물이 고르게 공급되어야 셀 전체에서 반응이 균일하게 일어납니다.
둘째는 집전 역할입니다. 한 셀에서 다음 셀로 전류를 전달해 적층한 셀 전체가 하나의 전기 회로처럼 작동하게 합니다. 그래서 분리판은 전기가 잘 통하는 소재여야 합니다.
셋째는 가스 분리 역할입니다. 한쪽에서 만들어진 수소와 다른 쪽에서 만들어진 산소가 직접 섞이지 않도록 막아 안전을 지킵니다. 수소와 산소가 섞이면 위험하기 때문에 이 기능이 특히 중요합니다.
분리판은 막전극접합체와 함께 스택 비용에서 가장 큰 비중을 차지하는 부품입니다. 스택 자체가 시스템 전체 비용의 절반을 넘는 경우가 많은데 그 안에서도 분리판과 막전극접합체가 비용의 큰 부분을 만듭니다. 그래서 분리판을 어떤 소재로 만드느냐가 스택 전체의 단가를 좌우합니다.
이 부분에서 기술별 차이가 드러납니다. PEM 수전해는 산성 환경을 견뎌야 해서 분리판에 티타늄처럼 부식에 강하지만 값비싼 소재가 필요합니다. 반면 음이온교환막(AEM) 수전해와 알칼라인 수전해는 상대적으로 덜 부식적인 환경이라 니켈 같은 비귀금속 소재를 쓸 수 있어 분리판 단가를 낮출 여지가 있습니다.
셀 수와 면적이 결정하는 것
스택을 설계할 때 가장 기본이 되는 두 가지 변수가 셀의 수와 셀 한 장의 면적입니다. 이 둘이 스택의 전기적 특성과 용량을 결정합니다.
셀의 면적은 한 셀이 흘릴 수 있는 전류의 크기를 정합니다. 면적이 넓을수록 더 큰 전류가 흐르고 그만큼 한 셀에서 나오는 수소도 많아집니다.
셀의 수는 스택에 걸어야 하는 전압을 정합니다. 셀을 직렬로 쌓기 때문에 필요한 전압은 셀 수에 비례해 커집니다.
같은 수소 생산량을 만드는 방법은 여러 가지입니다. 예를 들어 1,000제곱센티미터 셀 한 장과 500제곱센티미터 셀 두 장은 비슷한 양의 수소를 만들 수 있습니다. 다만 두 장으로 나눈 쪽은 전압이 두 배로 높아지고 전류는 절반으로 낮아집니다.
전류와 전압 중 어느 쪽을 높일지는 비용과도 연결됩니다. 전류가 크면 두꺼운 도체와 큰 전원 장치가 필요해 비용이 올라가고 전압이 높으면 전류가 흐르지 말아야 할 곳으로 새어 나갈 위험을 관리해야 합니다. 또한 셀 면적을 무한정 키울 수도 없습니다. 면적이 커질수록 내부 압력을 견디기 위해 더 단단한 구조와 더 강한 체결이 필요해지기 때문입니다.
그래서 셀 수와 면적의 조합은 단순히 용량을 정하는 문제가 아니라 비용과 전원 설계, 구조적 안정성까지 함께 고려해 균형을 잡는 일입니다. 같은 용량의 스택이라도 이 조합을 어떻게 잡았는지에 따라 설계 철학이 드러납니다.
스택·셀·시스템 — 어디까지가 스택인가
수전해를 이야기할 때 셀, 스택, 시스템이라는 단어가 자주 섞여 쓰입니다. 세 단어는 크기가 다른 단위를 가리킵니다.
셀은 물이 분해되는 가장 작은 단위입니다. 셀을 여러 장 쌓은 묶음이 스택입니다. 그리고 스택이 실제로 돌아가도록 주변 장치를 모두 더한 것이 시스템입니다.
스택은 물과 전기를 넣으면 수소를 만드는 핵심이지만 그 자체만으로는 작동하지 않습니다. 전기를 알맞은 형태로 바꿔 공급하고 깨끗한 물을 대주고 생성된 가스를 정제하고 열을 식히는 장치가 함께 있어야 합니다. 스택을 둘러싼 이 모든 주변 장치를 통틀어 BOP(Balance of Plant)라고 부릅니다.
BOP에는 보통 다음이 포함됩니다.
전원 장치는 교류 전기를 스택이 쓰는 직류로 바꿔 공급합니다.
물 처리 장치는 불순물을 걸러낸 깨끗한 물을 일정하게 대줍니다. 수소 1킬로그램을 만드는 데 약 9킬로그램의 물이 들어가기 때문에 물을 안정적으로 공급하는 일이 중요합니다.
가스 정제와 분리 장치는 생성된 수소를 목표 순도까지 끌어올립니다.
열교환 장치는 운전 중 생기는 열을 식혀 온도를 일정하게 유지합니다.
안전 장치는 가스 누출을 감지하고 비상시 운전을 멈춥니다.
정리하면 스택과 BOP를 합친 것이 하나의 수전해 시스템입니다. 같은 스택이라도 수소를 어디에 쓰느냐에 따라 BOP 구성이 달라지기 때문에 시스템은 용도에 맞게 설계됩니다.
스택을 검토할 때 확인할 4가지
수전해 장치나 공급사를 검토할 때 스택 차원에서 짚어볼 점을 정리합니다.
자체 제조 여부입니다. 스택을 직접 설계하고 제조하는지 외부에서 가져와 조립하는지에 따라 성능을 다듬을 자유도와 공급 안정성이 달라집니다.
분리판 소재입니다. 분리판이 스택 단가의 큰 부분을 차지하므로 어떤 소재를 쓰는지가 비용과 내구성에 직접 영향을 줍니다.
셀 면적과 적층 설계입니다. 목표 용량에 맞춰 셀 면적과 셀 수를 어떻게 잡았는지, 전압과 전류 설계가 합리적인지 확인합니다.
운전 데이터입니다. 실제 운전 환경에서 얼마나 오래 안정적으로 작동하는지 누적 데이터를 봅니다. 스택 수명은 기술마다 차이가 큽니다. PEM 스택은 보통 4만에서 8만 시간 수준이 인용되고 알칼라인 스택은 8만 시간 가까이 보고되며 AEM 스택은 내구성 데이터가 쌓이고 있는 단계입니다.
HydroXpand의 자체 스택
수전해 스택은 셀과 분리판, 막전극접합체, 그리고 그 안의 소재가 모두 맞물려 성능을 냅니다. 그래서 어느 한 부분만 잘 만든다고 좋은 스택이 나오지는 않습니다.
HydroXpand는 음이온교환막(AEM) 수전해를 기반으로 전극과 막, 이오노머 같은 소재부터 셀과 스택 구조까지 자체 기술로 개발하고 있습니다. 셀과 스택 구조, 스택 제조방법에 대해 국내와 국제(PCT) 특허를 출원하고 심사청구를 진행하고 있습니다.
실제로 자체 기술로 만든 2kW급과 30kW급 스택을 제조하고 있으며 이를 바탕으로 더 큰 용량의 시스템으로 확장하는 방향으로 개발을 이어가고 있습니다.
스택을 외부에서 구매해 조립하는 대신 직접 설계하고 제조하면 셀 면적과 적층 구조, 분리판, 운전 조건을 직접 통제할 수 있습니다. 소재에서 얻은 데이터가 스택 설계에 반영되고 스택 운전에서 얻은 데이터가 다시 소재 개선으로 이어지는 구조는 밸류체인을 자체 기술로 묶을 때 만들 수 있는 강점입니다.
자주 묻는 질문 (FAQ)
Q. 셀과 스택은 어떻게 다른가요?
셀은 물이 분해되는 가장 작은 단위입니다. 막전극접합체와 분리판으로 이루어진 셀을 여러 장 쌓아 묶은 것이 스택입니다. 셀 하나가 만드는 수소의 양은 한정되어 있어서 더 많은 수소가 필요하면 셀을 적층해 스택으로 만듭니다.
Q. 스택과 시스템(전해기)은 어떻게 다른가요?
스택은 수소를 만드는 핵심이고 시스템은 스택에 전원과 물 공급, 가스 정제, 열관리 같은 주변 장치(BOP)를 더한 완성품입니다. 스택만으로는 작동하지 않고 시스템 형태가 되어야 실제로 수소를 생산합니다.
Q. 셀을 많이 쌓을수록 무조건 좋은가요?
셀을 많이 쌓으면 수소 생산량은 늘지만 그만큼 필요한 전압이 높아지고 조립 정밀도와 밀봉 관리가 까다로워집니다. 셀 수와 면적은 목표 용량과 비용, 전원 설계를 함께 고려해 균형 있게 잡아야 합니다.
Q. AEM 스택이 PEM 스택보다 단가가 낮은 이유는 무엇인가요?
PEM 스택은 산성 환경을 견디기 위해 분리판에 티타늄 같은 값비싼 소재가 필요합니다. AEM과 알칼라인은 상대적으로 덜 부식적인 환경이라 니켈 같은 비귀금속 소재를 쓸 수 있어 분리판 단가를 낮출 수 있습니다.
HydroXpand를 더 알아보시려면
HydroXpand는 AEM 수전해 기술을 소재부터 시스템까지 수직 내재화한 회사입니다. 현재 8개국 이상의 연구기관과 산업체에 전극, 스택, 시스템을 납품하고 있습니다.
아래 소개서에는 이 블로그에서 다루지 않은 내용이 포함되어 있습니다.
제품별 상세 스펙 (양극, 음극, 2kW 스택, 30kW 스택, 시스템)
스택 효율·내구성에 대한 실측 데이터
수전해 타입별 정량 비교 - 효율, 단가, 시스템 비용
스케일업 로드맵 (2kW → 30kW → 250kW → MW)
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