[과학칼럼]수소연료전지
[과학칼럼]수소연료전지
  • 경남일보
  • 승인 2020.02.24 17:21
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성기홍 (전 김해교육장)
수소는 주기율표 제일 처음에 있는 원소로서 양성자 하나에 전자가 하나인 이 세상에서 가장 간단하면서 가장 가벼운 원소이다. 수소는 우주에 있는 모든 물질들의 75%를 차지하고 있으며, 태양과 같은 항성들은 수소의 덩어리로 이루어져 있다. 수소는 지구에서도 개수로는 가장 많으며 무게로도 10번째로 많다. 수소는 색도 냄새도 맛이 없어서 노출되어도 쉽게 알 수가 없고, 불이 붙어도 불꽃의 색깔이 우리 눈에 보이지 않기 때문에 수소 누출에 아주 조심해야 한다.

수소 연료 전지는 1960년대 아폴로 우주선에서 최초로 사용되었다. 물을 전기분해하면 전극에서 수소와 산소가 발생 되는데, 연료전지는 이러한 전기분해의 역반응을 이용한 장치다. 수소연료전지는 백금 촉매가 들어간 탄소다공체 전극과 고분자 전해질로 구성된다. 연료인 수소가 연료극에서 전자를 내놓고 수소이온이 되면서 전류가 발생한다. 전류를 방출한 수소이온은 환원극에서 공기 중의 산소와 반응하여 부산물로는 순수한 물만 생성되기 때문에 친환경적이다. 최근 수소 저장에 따르는 안정성 문제를 해결하는 기술이 확보됨에 따라 수소 연료 전지가 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 현재까지 수소의 생산은 나프타 분해과정에서 생기는 부생 수소, LNG, LPG를 분해할 때 추출되는 추출 수소가 있으며, 재생에너지의 잉여에너지로 물을 전기분해하여 수소를 만드는 방법이 있다. 부생수소는 년간 90만t이 생산되어 수소연료전지차량 25만대의 연료로 사용할 수 있는 양이다.

최근에는 변동성이 큰 재생에너지의 잉여에너지를 수소로 전환하여 에너지화하는 방법이 눈길을 끌고 있다. 프랑스의 에너지 옵서버라는 요트는 요트의 갑판에 덮인 태양광 패널과 풍력 발전기로 발전하여 에너지원으로 사용하면서 남아도는 에너지로 바닷물을 분해하여 수소를 얻고, 밤이 되면 저장된 수소를 연료전지를 통해 에너지를 얻어 수년째 다른 에너지 보급없이 전 세계의 바다를 운행하고 있다. 또 독일의 니더작센주에서는 전기를 공급하기 어려운 지역에서 열차를 풍력발전으로 얻은 전기를 이용하여 물을 전기분해하여 수소를 얻어 연료전지를 이용하여 운행하고 있다.

수소는 무게 대비 매우 높은 에너지 저장 용량을 가지고 있다. 현재도 수소 6㎏으로 승용차를 약 100㎞를 운행하는 고효율 수소연료전지가 사용되고 있으며, 수소연료전지 드론은 12시간 이상의 비행 기록을 세웠다. 현재 수소의 생산 단가는 ㎏당 2700원 정도로 싼 편이지만 운송비가 많이들어 울산에서 서울로 운송을 한다면 ㎏당 가격이 7000원 정도로 높아지게 된다. 이를 해소하기 위하여 파이프라인을 이용하거나 수소저장탱크의 용량을 높이는 등 여러 가지 방안들이 연구되고 있다.

지금까지의 자동차는 내연기관에서 연료의 폭발력을 이용하여 자동차가 움직이면 배기가스로 CO₂를 비롯한 여러 가지 온실가스가 배출되고 있다. 하지만 지구온난화로 세계 각국이 온실가스 저감을 위한 협정을 맺고 CO₂ 저감을 위해 나서고 있다. 지금까지 상용화된 수소연료전지의 경우 에너지 효율이 내연기관의 2배에 달하며, 친환경적이기 때문에 세계 각국에서도 많은 투자를 하고 있다. 유럽에서의 연비 규제는 2015년까지 1㎞운행 당 CO₂ 130g, 20년 95g, 25년 81g, 30년 59g, 40년 30g으로 정해져 있어 30년 이후는 내연 기관으로는 연비를 맞출 수가 없어 내연기관 차량은 생산이 중지될 전망이다.

수소경제는 에너지기술의 패러다임을 바꾸고 있다. 차세대 자동차의 연료로도 전기자동차(배터리)와 수소연료전지차가 상용화 되고 있고, 2027년이 되면 배터리 시장이 반도체 시장을 추월 할 것이라고 한다. 배터리 전기차는 충전에 많은 시간이 소요되지만 운행에 필요한 에너지가 많지 않으므로 단거리를 주로 운행하는 소형인 승용차에 많이 적용될 전망이며, 운행에 많은 에너지가 필요하며 장거리를 운행하는 버스나 트럭은 수소연료전지 자동차가 유리할 것이다.
 
성기홍 전 김해교육장


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