수소자동차와 수소연료전지 이야기

물을 전기분해하면 산소와 수소로 나누어진다는 것은 알고 있다. 근래에 와서 배터리 전기자동차, 수소연료 전기자동차, 연료전지와 같은 말이 일상의 용어가 되었다. 그러나 이들의 의미를 잘 모르는 사람이 많다. 이 용어들에 대해 간단히 알아본다.

물을 전기분해하는 과정을 화학반응식으로 나타내면,

2H2O + 전기에너지→ 2H2 + O2 이다.

이 화학반응은 반대방향으로도 일어난다.

2H2 + O2 → H2O + 전기에너지

이처럼 역방향으로 일어나는 반응을 가역반응(可逆反應 reversible reaction)이라 하며, 화학식에서는 가역반응을 ⇄ 기호로 나타낸다.

2H2O + 전기에너지 ⇄ 2H2 + O2

가역반응이 일어나는 다른 화학반응의 예를 하나 더 들어보자.

CaCO3(탄산칼슘)+ 2HCl(염산) ⇄ CaCl2+ H2O + CO2↑

화학반응이 일어나면, 반응 전의 물질의 질량과 반응 후의 물질의 질량은 언제나 같다. 이를 화학에서 ‘질량불변의 법칙’ 또는 ‘질량보존의 법칙’이라 한다.

물의 전기분해반응에서, 왼쪽에서 오른쪽으로의 변화는 전기에너지를 이용하여 쉽게 일어나게 하지만, 오른쪽에서 왼쪽으로 즉 반대되는 역반응은 쉽지가 않다. 이때 역반응을 일으키려면 특별한 촉매제(觸媒劑)가 필요하다.

수소연료전지란?

수소는 산소와 불타는 기체이기 때문에 엔진을 움직이도록 하는 연료가 된다. 수소연료를 이용하는 방법에는 2가지가 있다. 첫 번째는 수소를 산소와 함께 태워 열이 발생하도록 하는 것이다. 즉 자동차나 로켓의 연료탱크에 고압수소(또는 액화수소)를 저장해두고 이를 산소와 연소시키면 자동차(또는 우주선)를 움직이는 동력이 된다.

2H2 + O2 → H2O + 열에너지

두 번째 방법은 앞에서 말한 화학변화

2H2 + O2 → H2O + 전기에너지

를 촉매제를 이용하여 효과적으로 일어나도록 하는 것이다. 이를 ‘연료전지’(fuel cell)라 하는데, ‘연료를 사용하여 전기를 생산한다’는 의미를 담고 있다. 오늘날 이런 반응을 일으키는 촉매제와 엔진(내연기관) 제조기술이 발달함에 따라 ‘수소연료 자동차’(수소연료전기자동차, 수소자동차)가 등장하게 되었다.

2020년 이후 생산되는 수소연료자동차는 디젤이나 가솔린차보다 연료를 적게 소모한다. 동시에 수소자동차는 연소 후에 이산화탄소가 발생하지 않는다. 따라서 차츰 디젤과 가솔린차를 대체하게 될 것이다. 그런데 수소연료를 사용하려면 대량의 수소를 갑싸게 생산할 수 있어야 한다. 2021년 초 현재, 수소연료의 가격은 가솔린보다 조금 더 비싸다. 그러나 수소를 대량생산하는 시스템이 빠르게 발전하고 있으므로 머지 않아 연료비가 더 싸질 전망이다.

우주선을 발사하는 로켓의 연료로 수소와 산소가 사용된다. 수소는 산소가 4% 이상만 포함되어 있으면 폭발적으로 연소한다.

현대자동차의 수소전기차 시스템을 나타낸다. 수소와 산소를 결합시켜 전기와 물이 발생하도록 하려면 촉매제가 중요한 요소이다. 촉매제로는 Ag, Au, Co, Cu, Fe, Ni, Pt, Rh, Ru, Sn 등의 금속이 이용된다. 2020년 말, 현대자동차의 넥쏘는 1회 충전으로 600km 이상 주행할 수 있다고 한다.

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수소의 대량생산 기술

전기분해 방법으로 수소를 생산하려면 전력 소비가 많아 현재로서는 비경제적이다. 그래서 지금까지 대부분의 수소는 화석연료(석유, 석탄, 천연가스)를 태울 때 발생하는 가스와 수증기를 고온(700-1,100℃)에서 반응시키는 방법으로 생산하고 있다. 이때 니켈과 같은 금속을 촉매로 사용한다. 천연가스의 주성분인 메탄을 예로 들어보자.

CH4 + H2O + 고열 → 3H2 + CO

CO + H2O + 고열 → H2 + CO2

위와 같이 화석연료를 물과 결합시키면 수소가 생산된다. 그러나 이때 이산화탄소가 발생해버린다. 그래서 과학자들은 태양열, 풍력, 원자력과 같은 청정에너지를 이용하여 물을 전기분해할 수 있도록 노력하고 있다.

연료전지에서는 수소만 아니라 메탄을 직접 사용하거나 다른 물질을 이용하는 연구도 이루어지고 있다. 현재로서는 수소연료전지가 가장 경제적이다. 수소는 폭발할 위험이 있지만, 지금은 안전하게 관리하는 기술이 거의 완성되었다.

액화수소를 저장한 둥근 내압탱크와 그를 둘러싼 외벽. 벽의 내부는 진공상태로 만든다.

현대자동차 넥소의 압축한 수소연료탱크. 본사 블로그에서 ‘연료전지’를 검색(檢索)하면 더 자세한 해설 기사를 찾아볼 수 있다.

수소는 모든 원소 중에서 우주에 가장 많이 존재하는 물질이지만, 제일 가볍기 때문에 공기 중에는 극소량만 포함되어 있다. 수소의 부피를 최소한으로 줄이려면 –253℃까지 온도를 내려 액화시켜야 하고, 액체수소는 특수한 내압 탱크에 저장해야 한다. 자동차에서는 수소 가스를 350-700기압 정도로 압축하여 고압탱크에 저장한다.

우주선의 로켓엔진, 특수한 내연기관, 잠수함 등에 이용되던 수소 연료가 지금은 ‘수소연료전지’의 연료가 되어 자동차의 동력으로 이용되기 시작했다. 가까운 미래에는 물을 전기분해하여 생산한 수소를 이용하여 가정에서 사용하는 전기까지 얻을 수 있게 될 전망이다. – YS

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