수소연료전지(Feat. 수소차)

안녕하세요. 흥미롭고 재미있는 과학의 흥. 재. 과입니다!

 

전기차와 함께 친환경적인 교통수단으로 각광받고 있는 수소차는

세계 각국의 수소 기술연구를 통해 많은 발전을 해왔습니다.

 

최근에는 평택시에서 2026년까지 총 470억을 투자하여

교통, 산업, 주거 등에 쓰이는 주요 에너지원을 수소로 사용하는

'수소도시'를 조성하겠다고 발표하였는데요

 

탄소중립을 위한 핵심 에너지원으로 수소는 청정한 대체재이지만

여전히 도전과제들은 남아있고 상용화하는데 제약이 많습니다.

 

오늘은 수소에너지와 수소차에 대해 알아보겠습니다!

 

수소연료전지

 

 

1. 수소에너지란?

 

우주에서 가장 풍부한 원소가 수소이지만(약 75% 차지) 

지구 대기 중의 수소 비율은 0.00005% 수준으로 매우 작습니다.

 

하지만 수소가 무한한 자원으로 간주되는 이유는

지구상의 풍부한 물(H2O)을 전기분해하면

수소(H2)와 산소(O2)가 분리되어 얻어낼 수 있기 때문입니다.

 

수소에너지란 수소(H2)를 동력원으로 사용하는 에너지원을 말하며

전기를 생산하거나 열을 발생시킴으로써 수소가 활용됩니다.

 

2. 수소연료전지란?

수소와 산소를 화학적으로 결합시키는 기술을 말하며

이 화학반응으로 물과 전기에너지가 생성됩니다.

 

'전지'이기에 배터리와 같은 구조를 하고 있지만

전기에너지를 만드는 발전기에 가깝습니다.

또한 특이한 점은 배터리 4대 구조중 하나인 분리막은 존재하지 않습니다.

 

※ 수소연료전지의 구조

1. 음극 : 외부에서 수소(H2)가 공급되면 수소이온(H+)과 전자(-)를 분리

2. 전해질 : 생성된 전자(-)가 양극으로 흐르게 하는 이동 통로

3. 양극 : 수소이온(H+)과 산소(O2)가 만나 물과 전기에너지를 생성!

 

전기차 배터리의 경우에는 외부에서 에너지원을 공급받는 것이 아닌

저장된 리튬이온을 사용하는 반면,

수소연료전지는 외부에서 수소를 공급받는 점에서 가장 큰 차이가 있습니다!

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3. 수소연료전지의 장점

 

친환경

수소연료전지로 전기에너지를 생산할 시에는 온실가스가 전혀 배출되지 않습니다.

또한, 화학반응을 위한 고순도의 산소를 얻기 위해

미세먼지를 여과하는 공기필터가 탑재되기에 공기를 정화시켜 주는 시스템이 있습니다.

 

에너지 효율

화석연료를 사용하는 내연기관의 경우 화학에너지 → 열에너지 → 기계에너지를 거쳐

마지막으로 전기에너지를 생산하기에 에너지효율이 20~30% 정도지만

수소는 화학에너지에서 바로 전기에너지를 생산하기에 약 40~60%의 에너지 효율을 낼 수 있습니다.

 

대규모 저장 및 운송

수소는 기체나 액체 형태로 저장할 수 있으며

기체형태의 수소는 화석연료에 비하여 현저한 무게와 부피차이가 있기에

대표적인 방식은 기체 수소를 고압으로 압축하여 탱크에 저장하는 것입니다.

 

물의 전기분해

 

4. 수소연료전지의 도전과제

 

부족한 인프라

수소연료전지가 전기차만큼 규모가 크지 않은 이유는 

인프라 구축에 막대한 비용과 시간 투자가 요구 되기 때문입니다!

 

범용성이 큰 전기충전 대비 수소 충전은 완전히 다른 시스템을 구축해야 하며

건축 규제로 인한 제한과 수요의 부재로 인프라의 한계가 있습니다.

 

값비싼 촉매

수소와 산소의 화학반응을 효과적으로 일으키기 위해 촉매를 사용하게 되는데요!

현재 쓰이고 있는 촉매는 활성화 에너지가 높은 백금을 사용하고 있습니다.

하지만 이 백금은 공급량이 부족하고 가격이 높아 연료전지 생산 시 경제적인 어려움이 있는데요.

 

최근 KAIST 연구진이 백금 소재 대비 1000배 이상 저렴한 촉매 개발에 성공하는 등

전 세계적으로 가격 문제를 해결하기 위한 노력 중에 있습니다!

 

수소 생산

친환경적으로 전기에너지를 생성할 수 있지만

문제는 외부에서 공급해줘야 하는 수소의 생산과정에 있어서 온실가스가 배출된다는 점입니다.

 

현재 수소 대부분의 수소생산은 천연가스 개질(Steam Methane Refroming) 방식으로 생산되는데요.

천연가스는 자원이 풍부하고 저렴하게 구입할 수 있기에 생산 비용이 저렴하고

간단하고 효율적인 시스템으로 수소를 생산할 수 있습니다.

 

하지만 이 과정에서 이산화탄소(CO2)가 부산물로 배출되어

온실가스 생성이 불가 한 상황입니다.

 

그렇기에 철강, 석유화학 등 화석연료에서 부수적으로 나오는 수소를 활용하기도 하며

물의 전기분해를 통한 수소 공급도 고려되고 있지만

아직까지 상대적으로 미비한 수준이기에 완전한 친환경은 무리가 있습니다!

 

유렵과 일본에 이어 한국은 수소 기술을 선도하는 기술력을 갖추고 있습니다.

대표적으로 현대차의 넥소(NEXO)는 4년 연속 세계 수소차 시장 1위를 달성할 정도로

수소차와 수소연료전지 부문에서 우위를 점하고 있는데요!

 

여러 도전과제가 남아있는 만큼 더 현실적이고 효율적인 설루션을 통해서

지속 가능한 미래를 실현할 수 있기를 기대해 보겠습니다.

 

오늘은 미래의 핵심 기술 중 하나인 수소연료전지에 대해 알아보았습니다!

 

이상 흥. 재. 과였습니다!