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[별별 과학] 연료전지와 수소전기차

[별별 과학] 연료전지와 수소전기차 기사의 사진
현대차가 개발한 수소전기차.
전기자동차와 함께 친환경 수소전기차 개발이 한창이다. 최근 국내 수소전기차가 서울에서 평창까지 자율주행에 성공했다. 수소로 전기를 만들어 동력으로 이용한다. 전기차의 충전시간과 주행거리 문제를 해결하고 운행 중에 물만 배출되는 차량이다.

물분자는 수소원자 2개와 산소원자 하나로 구성된다. 수소와 산소가 분리돼 있는 상태에는 잠재적으로 화학에너지가 축적돼 있다. 수소가스를 공기 중에서 태우면 산소와 결합하면서 물이 만들어지고 화학에너지는 열로 방출된다. 휘발유를 태우면 열이 발생하는 것도 휘발유에 축적된 화학에너지가 방출되는 현상이다. 수소의 화학에너지를 열이 아니라 전기에너지로 변환해서 효율적으로 사용하려는 장치가 바로 연료전지다.

연료전지는 두 개의 전극과 그 사이에 수소이온을 전달하는 전해질 막으로 구성된다. 한 전극에는 수소를 공급하고 다른 전극에는 산소를 공급한다. 수소 측 전극에서는 수소분자가 수소이온과 전자로 분리된다. 분리된 수소이온은 전해질 속으로 녹아들어가 산소 측 전극으로 이동한다. 산소 측 전극에서는 이동한 수소이온과 산소가 결합하면서 물이 만들어진다. 이 과정에서 두 전극 사이에 0.7V 정도의 전압이 발생하는데 이것이 바로 수소의 화학에너지가 전기에너지로 변환된 결과이다. 이를 직렬로 연결하면 원하는 영역의 전압을 만들 수 있다. 예를 들어 수백 개를 직렬 연결하면 100㎾ 이상의 연료전지가 된다. 자동차의 동력원으로 사용될 수도 있는데, 이를 수소전기차라고 한다.

이 기술의 핵심은 수소가스를 수소이온으로 분해하고, 분해된 수소이온을 산소가스와 결합하게 하는 전기화학반응을 효율적으로 유도하는 데 있다. 이를 촉진하기 위해 촉매가 사용되는데, 현재는 백금이 가장 효율적이다. 연료전지 가격이 비싼 이유다. 효율적이고도 좀 더 싼 촉매물질을 개발하는 연구가 현재 이 분야의 중요 과제다.

이남영 칼럼니스트



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