수소연료전지
미세먼지 문제
최근 몇 년 사이에 미세먼지 문제가 심각해졌다. 자동차의 배기가스, 석탄 화력 발전소,
공장의 배출 가스 등에서 나오는 미세먼지는 우리의 기관에 들어가 여러 병을 일으킨다.
그렇다고 해서 자동차와 발전소 사용을 멈출 수는 없다. 따라서 등장한 것이 수소연료전
지자동차다.
수소연료전지자동차
2014년 12월 일본의 도요타는 “미라이”, 우리 말로 하면 미래라는 자동차를 출시했다.
이 차는 휘발유로 움직이지 않고, 수소와 산소로만 움직여 이산화탄소를 배출하지 않는
다. 대신, 물을 배출하는데, 3분동안 수소를 충전하면 650킬로미터를 달릴 수 있다.
그림 1) 수소연료전지자동차 “미라이”의 모습
이 자동차의 핵심은 누가 뭐래도 수소 연료전지로, 수소, 산소를 화학 반응을 시켜 전기
를 얻는다. 수소 연료전지의 원리는 간단하다. 전기를 이용하여 물을 수소 및 산소로 분
해하는 물 전기 분해는 다들 알고 있을 것이다. 그런데 이와 반대로 이는 수소와 산소를
화학적으로 반응시켜 물과 전기를 만들어 내는 것이다.
우리나라도 꾸준히 연료 전지 자동차를 만들고 있다. 2013년 ‘투싼ix’라는 자동차를 만들
었다. 하지만 우리나라에는 수소를 충전할 수 있는 곳이 많이 없어 아직은 널리 보급되
지 못했다.
이 자동차의 장점이라면 우선 지구 온난화를 막을 수 있다는 점이다. 이산화탄소 배출이
거의 없기에 (현재 수소를 석유를 갖고 만들기 때문에 소량의 이산화탄소가 발생한다.
그러나 추후에는 석유 말고 다른 대체자원으로 만들어 더욱 배출이 줄어들 수 있을 것이
다.) 이산화탄소 발생량을 줄일 수 있다.
또한, 이를 자동차에 적용시킨다면 운전자 입장에서 연비도 향상이 된다. 기존 내연기관
보다 약 3배 정도 연비가 좋다고 한다.
수소연료전지의 전기 발생 원리
그림 2) 수소연료전지의 작동 원리
수소 연료 전지의 구조는 다음과 같다. 건전지는 탄소가 +극, 알루미늄이 -극이고, 그 사
이에 염화암모늄이 전해질로 존재한다. +극과 -극이 연결되면 전해질을 통해 아연 이온이
이동하고 이때 발생한 전자가 도선을 통해 이동한다. 그리고 이 전자의 흐름이 전기를
만들게 도니다.
또 공기극에서 만난 산소와 수소는 물이 되어 바깥으로 배출된다.
수소연료전지에 필요한 촉매
그러나, 수소와 산소를 섞는 것만으로는 아무런 일도 일어나지 않는다. 수소와 산소를
반응시키려면 온도와 압력을 높여야 한다. 따라서 이 온도와 압력을 높이기 위해 촉매를
사용한다. 촉매는 화학 반응이 잘 일어나게 도움을 주는 물질로, 현재는 백금을 보통 백
금을 쓰고 있다. 그러나, 백금은 매장량이 적고 비싸기 때문에 수소연료전지의 가격을
높이는 데 공헌하고 있다. 따라서 수많은 과학자들이 백금을 대체할 다른 촉매를 찾고
있다. 니켈, 코발트 등 물질과 혼합하는 방법이나 탄소나노튜브를 이용한 방법 등이 제
시되고 있다.
수소 추출 방법
그림 3) 수소생산기술 분류
수소는 우주 중 90퍼센트 이상을 차지하지만, 화합물 상태로 대부분 존재하기 때문에 추
출을 해야 한다. 쉬운 방법은 물 전기분해지만, 이를 이용하면 전기 에너지가 들고 비싸
니 수소연료전지의 의미가 퇴색된다. 따라서, 오늘날에는 석유 등 탄소와 수소가 결합된
탄화수소에서 분리하는 방법을 사용할 수 있다.
또 다른 방법으로는 태양광을 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 것이다. 원래는 우주
선 안의 우주 비행사에게 산소를 공급하려고 만들어진 기술이지만 지금은 에너지와 환경
문제를 해결할 방법으로 주목받고 있다.
해결해야 나가야 할 문제점
1. 작동 온도
작동 온도가 연료 전지의 단점이 될 수 있다. 고 분자 전해질 연료전지 (Polymer
Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가
큰 고출력 연료전지다. 하지만, 이 PEMFC는 작동 온도가 30도에서 100도 사이인데, 사
계절이 뚜렷한 한국의 가을, 겨울 온도를 생각해보면 작동 성능이 현저하게 떨어질 수가
있다. 그렇기에, 적정 온도까지 예열을 해야 하는데, 이를 위하여 연료전지로 생산한 전
기의 일부를 사용하게 되고, 결국 전체 효율을 감소시키는 원인이 된다.
그림 4) 고 분자 전해질 연료전지의 작동 방식
2. 폭발 위험
수소는 폭발의 위험이 있는 물질이라는 사실은 누구나 알 것이다. 이 때문에 보관의 유
의가 요구되는데, 이를 위한 안전기술이 추가되어 비용 증가를 초래할 수 있다. 실제로
최근 강릉 수소탱크 폭발 사고가 일어났는데, 움직이는 자동차에 수소가 폭발한다면 얼
마나 더 위험하겠냐는 지적이 잇따르고 있다.
그림 5) 강릉 수소탱크 폭발 사고 현장
3. 수소 추출 방식의 문제
현재 대부분의 수소연료전지를 위한 수소는 화석연료를 이용하여 만들어지고 있다. 그러
나, 이 방식은 기존의 내연 기관이 사용하는 석유, 석탄, 천연 가스 등을 사용하는 것과
다를 바 없다는 지적이 이어지고 있다.
4. 촉매의 문제
수소연료전지의 촉매를 현재는 대부분 백금으로 만들고 있다. 하지만, 아시다시피 백금
은 금보다 비싼 물질 중 하나로, 매장량이 적어 매우 희귀하다. 따라서 이 촉매를 어떻
게 개발하느냐가 매우 중요한 관건이다.
앞으로의 전망
사실 이 기술의 전망은 그다지 밝지 않다. 그 이유는 수소 분리 기술을 연구 중인 몇몇
나라가 특허권을 점령할 것이기 때문이다. 수소 연료 전지 개발은 큰 돈이 드는 사업이
기에 개발도상국은 함부로 뛰어들 수 없고, 이 때문에 선진국이 기술을 점령할 것이라는
예상이다. 따라서 이 때문에 수소 저장 기술을 가진 나라가 국제 기업을 만들어 지금의
사우디아라비아 등 원유가 많이 나는 나라가 수소 가격을 쥐었다 폈다 할 수 있을 것이
다. 이러한 점을 해결해야만 수소연료전지는 빛을 다할 수 있을 것으로 예상된다.