“가장 작은 분자가 일상을 뒤집는다?” 그렇다. 한국과학영재학교 학생이었다면 누구든 한 번 쯤 물의 전기분해에 대해 들어보았을 것이다. 물을 전기분해하면 수소와 산소가 생산된다. 여기서 생산되는 수소는 가장 작은 분자이면서도 아주 유용하다. 수소연료 자동차, 수소전지, 등등 수소를 이용하는 전자제품이 각광받는 이유는 부산물이 물 밖에 없기 때문이다. 따라서 많은 사람들은 수소를 생산해내는 방법에 집중하고 물의 전기분해에 관심을 가진다. 그런데 수소를 생산하기가 과연 쉬울까? 여러 가지 의문을 품으며 아래의 글들을 읽어보자.
부상하는 신(新)연료, 수소
서론에서 언급했듯이, 요즘 수소는 화석연료를 대체하는 새로운 연료자원으로 각광받고 있다. 또한 그 이유는 연소했을 때의 부산물이 이산화탄소인 화석연료와는 달리 부산물이 순수한 물이기 때문이다.
수소를 연료로 사용하는 대표적인 제품은 수소 연료전지 자동차(FCEV·Fuel Cell Electric Vehicle)와 수소 연료 전지(Hydrogen Fuel Cells) 등이 있다. 이러한 수소 기반 기기에 대해 간단히 알아보자.
수소 연료전지 자동차
수소 연료전지 자동차(FCEV·Fuel Cell Electric Vehicle)의 영어 이름에 전기(Electric)가 포함돼 있듯, 수소전기차도 전기차의 한 종류다. 리튬 이온 전기차(BEV)가 배터리에서 전기를 얻는다면, 수소전기차는 수소와 산소의 화학 반응에서 생긴 전기를 사용해 모터를 구동한다.
개발 초기에는 수소전기차가 아닌 ‘수소연료차’ (Hydrogen Fueled Car)를 만들려는 시도도 있었다. 수소 연료차는 수소를 엔진에서 직접 연소해 생기는 열로 모터를 구동하는 것이다. 그렇지만 열을 역학 에너지로 전환하려다 보면 효율이 낮아지는 문제가 해결되지 않았다. 그래서 ‘수소+산소’로 전기를 만드는 ‘연료 전지’를 자동차에 탑재하는 쪽으로 개발이 진척된 것이다.
수소 전기차의 핵심 부품은 연료 전지 스택이다. 연료 전지를 여럿 묶어 자동차를 움직일 정도의 충분한 전기를 생산하도록 만든 부품이다. 연료 전지 스택과 수소 공급 장치, 공기 공급 장치, 열 관리 장치 등이 연료 전지 시스템으로 묶여 하나의 소형 발전기처럼 기능한다.
수소 전기차의 구동 방식은 생각보다 복잡하지 않다. 우선 공기를 흡입해야 하는데, 이때 불순물을 제거하는 에어필터로 공기가 여과되기 때문에 수소 전기차는 공기 청정기 같은 역할도 하게 된다. 그 뒤 수소 탱크에 있던 수소와 산소가 연료전지에서 만나 화학 반응을 거칩니다. 수소(H2)와 산소(O2)가 백금촉매를 거치며 이온으로 분리되고, 분리된 전자가 이동하면서 전기가 발생되는 방식이다. 생산된 전기는 모터를 굴리는 데 쓰고 물은 차 밖으로 배출된다.
이렇게 친환경적이고 높은 효율을 보이는 수소전기차는 높은 가격이 단점이다. 주행거리, 효율 등 나머지 부분에서는 전기차에 비해 월등한 우세를 보인다.
수소 연료 전지
물을 전기분해하면 수소와 산소가 발생한다. 연료전지는 이와는 반대로 수소와 산소로 부터 전기를 생산하는 전기화학적 발전장치이다.
연료전지에서는 전기와 동시에 열이 발생한다. 연료전지의 기본 구성은 연료극/전해질 층/공기극으로 접합되어 있는 셀(cell)이며, 다수의 셀을 적층하여 스택을 구성함으로써 원하는 전압 및 전류를 얻을 수 있다.
일반적으로 연료전지 기본 셀에서 전기를 발생시키기 위하여 연료인 수소가스를 연료극 쪽으로 공급하면, 수소는 연료극의 촉매층에서 수소이온(H+)과 전자(e-)로 산화되며, 공 기극 에서는 공급된 산소와 전해질을 통해 이동한 수소이온과 외부 도선을 통해 이동한 전자가 결합하여 물을 생성시키는 산소 환원 반응이 일어난다. 이 과정에서 전자의 외부 흐름이 전류를 형성하여 전기를 발생시킨다.
다음은 연료전지의 뛰어난 장점들이다.
첫째, 발전효율이 높다.
종래의 발전 방식은 연료의 에너지로부터 전기를 얻기까지의 과정에서 열 및 운동에너지를 포함하고 있기 때문에 여러 곳에서 에너지 손실이 발생한다. 연료전지의 전기발전 효율은, 운전 장치 사용 전력 또는 열 손실 등을 감안하더라도 30~60% 이상이며, 열병합 발전까지 고려하면 전체 시스템 효율은 80% 이상이다. 디젤엔진, 가솔린엔진, 가스터빈 의 경우 출력 규모가 클수록 발전효율이 높아지는 경향이 있으나 연료전지의 경우 출력 크기에 상관없이 일정한 높은 효율을 얻는 것도 큰 이점이라고 할 수 있다.
둘째, 저공해이다.
연료전지는 기본적으로 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 발생하는 발전 장치이기 때문에 화력 발전이나 디젤 발전기에서와 같이 연소과정이 없으며, 발생하는 것 은 전기와 물, 그리고 열 뿐이다. 현재는 천연가스, 석탄 등의 화석연료로부터 수소를 얻 고 있으나 궁극적으로 풍력, 태양광 등의 대체에너지를 사용한 물의 전기분해로 수소를 얻게 되면 연료전지는 이산화탄소와 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 배출이 전혀 없는 무공해 에너지 시스템으로 자리매김하게 될 것이다.
그러나 여전히 단점들도 존재한다. 수소를 얻는 과정인 물의 전기분해가 생각보다 비싼 돈이 들어간다는 것이다. 그 때문에 수소 연료전지는 매우 비싼 가격이고, 일반인과 기업체들은 당연히 효율은 안 좋지만 값이 싼 일반 전지를 구입하게 될 것이다.
단가 비싼 수소.. 해결방안은?
위의 수소 연료 전지와 수소 연료자동차 모두 단점이 바로 비싼 수소의 단가였다. 비싼 수소의 단가를 싸게 만들 수 있다면, 사람들은 값싼 가격에 효율 좋은 수소 기반 제품들을 구입할 수 있을 것이다.
그렇다면 과연 수소는 왜 비싼 것일까? 그 이유는 물의 전기분해에 쓰이는 촉매 때문이다. 물의 전기분해에서는 금속판의 역할을 해주는 백금(Pt)판이 매우 비싸다. 이 때문에 자연스럽게 수소의 단가도 높아지는 것이다.
놀랍게도 최근 우리나라 연구진이 물의 전기분해에 의한 수소 생산을 극대화하는 방법을 개발해내었다. 10월 3일 이진우 KAIST 생명화학공학과 교수는 전기화학적 물 분해 방식을 통해, 수소를 생산하는 과정에서 쓰이는 백금의 사용을 최소화하면서 뛰어난 성능을 보여 활용도를 16배 높일 수 있는 백금 기반 촉매를 개발했다. 이는 단일 원자 촉매를 새롭게 개발하면서 가능하게 되었는데, 이 단일 원자 촉매는 금속 원자 하나가 지지체에 분산된 형태로, 모든 금속 단일 원자가 반응에 참여하기 때문에 백금 사용량을 낮출 수 있다. 이진우 교수는 지지체로 백금과 강한 시너지 효과를 낼 수 있는 메조 다공성 텅스텐 산화물을 사용하였다. 즉, 텅스텐 산화물에서 백금 단일 원자로 전하 이동이 일어나 백금 전자구조가 변하는 것이다.
또한, 이러한 과정에서 '수소 스필오버'(hydrogen spillover)가 크게 발현되는 것도 발견했다. 이 현상은 백금과 같은 금속 표면에서 다른 지지체 표면으로 수소가 넘어가는 것을 지칭한다. 따라서 텅스텐 산화물 지지체 표면에서도 수소 생산 반응을 유도해 백금 활용성을 높일 수 있게 된 셈이다. 연구팀은 이러한 방법으로 수소 생산 효율을 극대화한 것이다.
<참고문헌>
[1] 동아사이언스-http://m.dongascience.donga.com/news.php?idx=31528
<이미지>
[1] http://www.hani.co.kr/arti/economy/marketing/878983.html
[2] https://m.blog.naver.com/winslo25/220191962838
[3] https://www.hankyung.com/it/article/201910030993Y
Chemi 학생기자 정인환
2019년 가을호
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촉매화학, 전기화학