무등일보

수소 연료전지 시스템으로 전기 발생시켜 움직인다

입력 2018.08.10. 09:26 수정 2018.08.10. 10:38 댓글 0개
GIST와 함께하는 말랑말랑과학
친환경차와 연료전지의 활용과 장점

지난 2월 평창 올림픽이 열리기 며칠 전에 문재인 대통령께서 양재 만남의 광장에서 판교까지 탑승했던 차량은 현대 자동차가 세계 최초로 개발한 자율주행 수소 전기차인 ‘넥쏘’로 알려졌다.

이후에 현대자동차는 서울 양재에서 올림픽이 열리는 평창까지 190km 이상을 자율주행으로 운행하여 기술력을 과시하기도 했다. 또한 이 넥쏘는 운행하는 동안에 공기 중의 미세먼지를 제거하여 청정한 공기와 물만을 배출한다고 한다. 이러한 수소전기차는 우리나라가 직면하고 있는 이산화탄소 및 미세먼지 저감에 우수한 강점을 가지고 있어서 본 칼럼에서 친환경차가 무엇이고 수소전기차의 동력원으로 이용되는 연료전지에 대해서 알아보고자 한다.

친환경차는 높은 연비를 가지거나 바이오-에탄올이나 수소 같은 친환경적인 연료를 사용하거나 모터를 사용하는 전기차까지 포함을 한다. 친환경차의 구분과 각 차의 구조는 에 잘 나타나 있다. 수소전기차는 안정성이 검증된 수소 탱크에 보관되는 수소를 연료로 하여 연료전지 시스템을 통하여 전기를 발생시킨 후에 모터를 움직이는 것이다. 수소전기차의 구조는 하이브리드 차와 거의 유사하고 휘발유를 연소하는 내연기관(엔진) 대신에 연료전지 시스템을 대체하면 동일한 구조이다.

이 수소전기차는 10분이내의 빠른 연료 충전시간, 물만 배기가스로 내뿜기 때문에 이산화탄소 무배출, 500km 이상의 긴 운행거리 등을 장점으로 가지고 있어서 궁극적인 친환경차로 여겨진다. 즉, 현재 자동차와 운행 방식이 거의 유사하기 때문에 수소충전소가 충분히 확보된다면 현재와 같은 행태로 이용할 수 있을 것으로 생각된다.

전기라는 것은 전자가 이동하면서 나오는 전류를 이용하는 것이므로 수소로부터 전기를 만들기 위해서는 수소 분자 내에 있는 전자를 분리한 후에 닫힌 회로를 통하여 움직이게 하면 된다. 수소로부터 전자를 분리하기 위해서는 촉매라는 물질이 필요한데 이것은 반응의 활성에너지를 낮게 만들어서 반응이 잘 일어나게 하는 물질이다.

마치 높은 산길을 넘어갈 때 산 중턱에 터널을 뚫어서 빨리 갈 수 있도록 하는 것과 같은 이치이다. 전자를 떼어내는 반응을 산화반응이라고 하는데 여기에는 주로 백금이 촉매로 사용된다. 즉, 에서는 보인 것처럼 2개의 수소분자가 탄소 담체 위에 분산되어 있는 백금 입자들을 지나게 되면 4개의 양성자와 4개의 전자가 만들어지게 되는 것이다. 이 때 만들어진 전자를 소모하는 반응, 즉 환원 반응이 필요한데 이것은 공기 중에 있는 산소를 물로 만드는 반응이 이용된다.

여기에도 백금입자가 촉매로 이용될 수 있는데 과 같이 2개의 산소분자와 수소 산화반응에서 만들어진 4개의 양성자, 전자들이 모두 모여서 2개의 물 분자가 만들어진다. 이 2개의 반쪽 반응을 더해보면 수소와 산소가 만나서 물이 생성되는 반응이 되는데 이것은 중·고등학교 때 배웠던 물 전기분해 반응의 역반응이라는 것을 쉽게 알 수 있다. 이 2개의 전기화학반응을 이용하여 하나의 장치로 만들어서 전기를 발생시키는 것이 바로 연료전지(그림 4 참조)이다.

연료전지는 이용되는 전해질에 따라서 고분자 전해질막 연료전지, 인산형 연료전지, 알칼리 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 고체산화물 연료전지 등으로 구분할 수 있다. 다양한 연료전지가 있는 만큼 일상생활에서의 쓰임새도 매우 다양한데 에 나타낸 것처럼 크게 응용 분야를 크게 휴대용, 정치용, 수송용으로 나눌 수 있다.

최근에 가장 관심을 많이 받고 있는 분야는 수송용으로 이제부터 수소전기차에 대한 이야기를 조금 더 해보고자 한다. 앞에서도 언급한 것처럼 수소전기차는 궁극적인 친환경차로 2013년부터 시장에서 양산 차량이 판매되고 있다.

우리나라의 현대자동차를 비롯하여 일본의 도요타자동차에서는 2014년 12월부터, 혼다자동차는 2016년 4월부터 판매를 하고 있고 일본, 미국, 우리나라에서 일반인과 관공서 등이 구입을 하고 있다. 이러한 수소전기차를 이용해서 울산지역에서는 2016년 12월부터 택시 시범사업을 진행하고 있으며 광주광역시의 제이카가 현대자동차와 공동으로 수소전기차 카셰어링 사업을 진행하고 있다. 혹시 기차로 광주송정역에 오시는 분들은 제이카의 앱을 통해서 수소전기차를 이용해보길 권하는 바이다.

현재는 많이 보급이 되어 있지 않는 수소전기차인데 그 주원인은 비싼 가격과 수소충전소 인프라가 부족하다는 것을 생각할 수 있다. 비싼 가격은 지속적인 연구개발과 대량 생산을 통해서 2030년쯤엔 가격이 4천 100만~4천 300만으로 떨어질 것이라는 전망이어서 보조금이 없어도 구입이 가능할 것으로 생각된다.

또한 정부에서도 적극적으로 수소전기차를 지원하기로 해서 2030년까지 우리나라에 63만대의 수소전기차를 보급하겠다고 지난 6월 8일 ‘제 1차 혁신성장 경제 관계 장관 회의’에서 의결하였다. 수소 충전소 인프라에 대해서도 같은 회의에서 2022년까지 고속도로?국도 휴게소에 160곳, 도심에 150곳 등 주요 거점에 310곳의 충전소를 설치할 것이라고 알려졌다. 이런 계획대로 실현이 된다면 우리나라가 수소전기차 강국이 될 것은 확실해 보인다.

일반 사람들은 수소에 대해서 막연한 불안감을 많이 가지고 있는데 이것은 수소 전기차 안전에 대해서는 기우일 뿐이다. 즉, 수소가 있으면 수소 폭탄을 연상하여 폭발하지 않을까 하는 엄청난 오해를 하고 있다. 수소전기차 ‘넥쏘’에 적용된 수소 탱크는 낙하충격시험, 파열시험, 총격시험 등을 진행하여 안전성이 확보되었고 탄소섬유 강화플라스틱으로 만들어져서 용광로나 수심 7000m의 고압에서도 터지지 않는 것으로 알려져 있다. 또한 수소 폭탄에는 삼중수소라는 특별한 수소와 원자 폭탄이 폭발할 때의 온도가 필요해서 고압 수소가스를 이용하는 수소전기차하고는 거리가 먼 이야기이다.

향후엔 수소를 재생에너지인 태양광, 풍력 발전에서 버려지는 잉여 전기를 활용한 물 전기분해를 통하여 생산하고 저장, 이용할 것으로 기대되어 현재 천연가스에서 나오는 갈색(Brown) 수소에서 재생에너지를 이용한 청정(Green) 수소로 바뀌어서 수소전기차가 친환경차의 대세가 될 것으로 예상되고 일상생활 전반에 걸쳐서 연료전지가 많이 적용되는 수소경제 사회가 될 것으로 예상한다.

박찬호 교수는

2016년부터 광주과학기술원 융합기술원 융합기술학제학부에서 근무하고 있고 연료전지 및 수전해 시스템에 적용되는 촉매와 다공성 나노 소재를 연구하고 있는 ‘에너지 촉매 및 디바이스 연구실’을 책임지고 있다. 이 연구실에서는 혁신적인 소재 개발과 더불어서 전극화를 통해서 실제적으로 디바이스에 적용될 수 있는 개발에 주력하고 있다. 또한 광주과학기술원의 차세대에너지연구소, 화학전지 센터의 센터장 역할도 수행하고 있다.

독자 여러분의 제보를 기다립니다. 광주・전남지역에서 일어나는 사건사고, 교통정보, 미담 등 소소한 이야기들까지 다양한 사연과 영상·사진 등을 제보받습니다. 메일 srb7@hanmail.net전화 062-510-1150카카오톡 플러스친구 '사랑방미디어'

댓글0
0/300