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수소는 산소와 이렇게 만나야…전류가 흐른다

  • 2021.06.20(일) 08:00

[테크따라잡기]
친환경 에너지 수소연료전지 작동 원리
'수소·산소 전해질 속 결합, 에너지와 물 생성'

요즘은 어딜 가나 '친환경'이 대세죠. 그동안 우리는 화석연료를 주에너지원으로 사용해왔어요. 여기서 말하는 화석연료는 석탄, 석유 등을 말해요. 하지만 화석연료는 에너지를 얻는 과정에서 탄소를 엄청 내뿜어요. 기후변화를 야기시키는 주범으로 몰리면서 설자리도 좁아지고 있죠. 

현재 우리나라를 포함해 미국, 일본, 유럽 등은 궁극의 친환경 에너지원을 찾겠다고 다양한 시도들을 하고 있어요. 그중 가장 핫한 분야는 '수소'예요. 수소가 친환경적이라는 말은 한 번쯤 들어보셨을 거예요. 저번 '테크따라잡기'에선 수소전기차 이야기를 한 적이 있는데요. 이번엔 수소로 전기에너지를 생성하는 '수소연료전지'에 대해 좀 더 자세히 알아보려고 해요. ▷관련기사: 수소전기차, 전기차보다 1.5배 비싼 이유(5월30일)

순수한 '수소'는 어떻게?

수소연료전지에 대해서 알아보기 전에 수소부터 먼저 알아보도록 해요. 수소는 우주 질량의 75%를 차지할 정도로 양이 풍부해요. 원소기호로는 'H'예요. 물(H₂O)과 암모니아(NH₃)의 화학식을 보면 수소(H)가 포함돼 있다는 것을 알 수 있어요. 이처럼 수소는 대부분 다른 원소들과 합쳐져 있어요.

지구의 자연상태에서 수소가 혼자 있는 모습(H₂ 등)을 보기는 쉽지 않아요. 수소가 워낙 활동성이 좋고 질량이 가벼워서죠. 너무 가벼워서 지구의 중력도 수소를 잡고 있지 못해요. 우주로 날아가 버린다네요.

하지만 친환경 에너지원을 얻기 위해선 순수한 수소를 얻어야 해요. 한국에너지기술연구원에 따르면 수소를 어떤 방식으로 생산하느냐에 따라 △그레이수소 △브라운수소 △블루수소 △그린수소로 나뉘어요. 그레이수소는 석유화학 공정에서 부산물로 나오는 부생수소와 천연가스를 개질해 얻은 수소를 말해요. 화학공정 과정에서 수소가 부가적으로 생성되는데 이를 활용하는 거죠. 하지만 이 과정에서 이산화탄소가 많이 발생해요. 그레이수소 1톤(t)을 생산하는데 이산화탄소 10톤이 배출된다네요.

브라운수소는 갈탄과 석탄을 태워 나올때 발생하는 수소를 말해요. 이 역시 이산화탄소가 발생하므로 친환경적인 방법이 아니죠. 블루수소는 그레이수소에서 이산화탄소를 포집(이산화탄소를 모으는 기술)해 탄소 배출을 줄인 것을 말해요. 그린수소는 태양광이나 풍력 등 재생에너지로 만드는 수소인데, 이산화탄소 배출이 없어 가장 친환경적이래요. 하지만 아직은 기술력이 부족해 상용화하기는 어렵고요. 현재로선 그레이수소가 가장 현실적인 생산 방법이래요.

수소와 산소가 '이렇게' 만나면

이제 수소연료전지에 대해서 알아보도록 해요. 수소를 연료로 하는 전지라는 뜻이겠죠. 전지는 화학 반응 등을 통해 전기에너지를 만드는 장치를 말해요. 다시 정리해보면 수소로 화학 반응을 일으켜 전기를 생산하는 장치라는 것이죠. 수소연료전지는 중심에 전해질막이 있고 양쪽에 연료극, 공기극이 접합돼 있어요. 이 접합된 한 요소를 셀(cell)이라고 불러요. 셀을 적층(층층이 쌓음)하면 스택이 되고 여러 장치를 붙이면 수소연료전지가 되는 거죠.

/사진=두산퓨얼셀 제공

물을 전기분해하면 수소와 산소가 발생해요. 수소연료전지에서는 이 전기분해의 역반응을 이용해요. 수소와 산소를 이용해 전기를 생산하는 거죠. 연료극(음극)에는 수소를 보내고, 반대쪽에 있는 공기극(양극)에 산소를 공급해요. 연료극에 공급된 수소는 수소이온과 전자로 분리가 되는데요. 수소이온은 전해질막을 지나 공기극으로 이동한 뒤, 산소와 결합하면서 물을 생성하게 되고요.

이때 전자는 전압에 의해 음극에서 양극으로 이동하면서 전류를 흐르게 해요. 이 전류가 에너지가 되는 것이죠.

연료극, 전해질막, 수소이온, 전자 등 너무 어려운 용어가 많아서 이해가 힘들다고요? 쉽게 말해 '수소와 산소가 특정 조건 아래서 만나면 에너지가 만들어지고 그 부산물로 탄소 대신 물이 생성된다'고 이해하면 될 것 같아요.

수소연료전지의 장점은 에너지 효율이 높다는 점이예요. 한화에 따르면 수소연료전지의 발전 효율은 42~60%로 화석연료(38~45%)보다 높아요. 이는 화석연료처럼 연료를 연소시켜 열에너지를 발생시키고 이 열에너지를 기계적 에너지로 변환해야하는 과정이 필요없기 때문이죠.

단점도 있겠죠. LX에 따르면 수소연료전지에 들어가는 팔라듐, 백금, 세륨 등이 희귀금속이라 가격이 비싸다네요. 제조원가의 30%를 차지하죠. 앞으로 수소연료전지가 가격경쟁력을 갖추기 위해서는 이 금속들을 대체할 만한 재료들을 찾아야 한대요.

현재 수소연료전지를 활용한 자동차도 있어요. 현대차가 개발한 '넥쏘'가 대표적인데요. 자동차 내에 장착돼 있는 수소연료탱크에 있는 수소를 수소연료전지에 보내 자동차를 움직이는 거죠. 일본 토요타는 '미라이', 혼다는 '클레리티'라는 수소전기차를 만들어 팔고 있었는데, 혼다는 최근 단종 소식을 전했어요.

미래에는 비행기, 선박에도 수소연료전지다 장착될 것이 기대되고 있어요. 하지만 수소연료탱크가 갖는 기술적 한계 때문에 당장은 어려워요. 수소를 충분히 보관하려면 저장공간이 커야하는데요. 현재의 기술력으로는 쉽지 않아요. 여러 국가와 기업들이 힘을 합쳐 수소연료탱크 기술 개발에 한창인데요. 머지않아 수소 비행기, 수소 선박도 볼 수 있겠죠?

수소연료전지는 일종의 발전기라고 할 수 있어요. 발전기가 모이고 커지면 발전소가 되고요. 그럼 수소연료전지를 이용해 발전소를 세울 수 있겠죠. 놀랍게도 우리나라에는 수소연료전지를 이용한 발전소가 있어요. 바로 충청남도 서산시 대산읍에 위치한 대산그린에너지인데요. 왜 수소발전소를 서산에 지었을까요?

앞서 현재로서는 그레이수소를 통해 수소를 얻는게 가장 현실적이라고 말씀드렸는데요. 대산그린에너지 바로 옆에 석유화학공장이 있거든요. 석유화학공장에서 나온 부생수소를 활용해 발전소를 운영하는 거죠. 

2040년까지' 수소경제 선도국가' 목표

/사진=산업통산자원부 제공

수소가 진정한 친환경 에너지원으로 인정받기 위해서는 '그린수소' 방식을 이용해야 해요. 수소를 생산할 때 탄소를 발생시키지 않으니깐요. 대표적인 그린수소 생산방식으로는 수전해방식을 이용하는 거예요. 태양광, 풍력발전기를 통해 생산한 전력으로 물(H₂O)을 전기분해해 수소(H₂)를 떼어내는 거죠. 

아직은 초기 단계예요. 우리나라도 2019년 산업통상자원부가 '수소경제 활성화 로드맵'을 발표하면서 본격화하기 시작했어요. 2040년까지 수소차와 수소연료전지를 축으로 수소경제 선도국가로 도약하겠다는 것이 목표예요.

수소경제 선도국가로 도약하기 위해 수소기술 개발에 박차를 가하고 2030년까지 수소연료전지가 탑재된 수소열차, 수소선박 등을 상용화하겠대요. 수소전기차도 2040년 620만대(내수 290만대)까지 생산하는게 목표예요. 그리고 2040년까지 발전용, 가정·건물용 수소연료전지 발전소를 만들어 각각 15GW, 2.1GW(94만 가구)의 전력을 생산하겠다네요.

[테크따라잡기]는 한 주간 산업계 뉴스 속에 숨어 있는 기술을 쉽게 풀어드리는 비즈워치 산업팀의 주말 뉴스 코너입니다. 빠르게 변하는 기술, 빠르게 잡아 드리겠습니다. [편집자]

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