에너지의 미래 고분자 전해질 연료전지 pemfc

인류가 200년 동안 피워 올린 화석 연료의 검은 연기는 지구를 거대한 찜질방으로 만들어버렸다. 전기 자동차가 도로를 점령하고 있지만, 며칠씩 충전해야 하는 무거운 리튬 이온 배터리로는 하늘을 나는 비행기나 거대한 화물선을 움직일 수 없다. 그런데 만약, 공기 중의 산소와 수소가스를 섞어주기만 하면 스스로 미친 듯이 전기를 뿜어내고, 배기구로는 끈적한 매연 대신 '마실 수 있는 순수하고 깨끗한 물'만 똑똑 떨어지는 마법의 엔진이 있다면 어떨까? 발전소의 매연을 0으로 만들어버릴 21세기의 진정한 궁극의 에너지, 그중에서도 가장 작고 가벼워 자동차에 쏙 들어가는 '고분자 전해질 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)'의 기적 같은 전기 화학 반응 속으로 들어가 보자.

수소를 쪼개는 마법의 가위, 백금 촉매

연료전지의 원리는 물을 전기로 분해하는 초등학교 실험(전기분해)을 정확히 '거꾸로' 돌린 것이다. 산소와 수소가 만나 물이 될 때 폭발적으로 발생하는 에너지를 얌전하게 전기로 뽑아 쓰는 기계다. 연료전지 안으로 빵빵한 수소 가스(H2)가 밀려 들어오면, 가장 먼저 '백금(Pt)'으로 코팅된 극판(음극)을 만난다. 이 백금은 수소 분자의 목을 비틀어버리는 무자비한 가위(촉매)다. 백금에 닿는 순간, 수소 분자는 두 개의 양성자(+)와 두 개의 전자(-)로 처참하게 쪼개진다. 자, 이제 양성자와 전자는 반대편 방에 기다리고 있는 산소(O2)를 향해 필사적으로 달려가야 한다. 여기서 연료전지의 핵심 마술쇼가 시작된다.

전자만 막아내는 신비의 거름망, 멤브레인

양성자와 전자가 산소에게 가는 길목에는 '고분자 전해질 막(PEM)'이라는 얇고 투명한 플라스틱 비닐 같은 막이 가로막고 있다. 이 막은 나피온(Nafion)이라는 특수 화학 물질로 만들어져 있는데, 아주 기괴한 성질을 갖고 있다. 플러스(+) 전기를 띤 양성자들에게는 고속도로처럼 길을 쫙 열어주어 통과시키지만, 마이너스(-) 전기를 띤 전자들에게는 완벽한 철벽을 쳐서 절대 통과하지 못하게 막아버린다. 막에 가로막혀 길을 잃은 불쌍한 전자들은 어쩔 수 없이 막 바깥쪽에 뚫려있는 '외부 전선'을 타고 삥 둘러서 산소에게 가야만 한다. 이 전선을 타고 전자들이 우르르 흘러가는 움직임, 그것이 바로 우리가 스마트폰을 켜고 자동차 모터를 돌리는 '전기(전류)'다.

순수한 물의 탄생, 찌꺼기 없는 연소

전선을 타고 헉헉대며 반대편(양극)에 도착한 전자들과, 고분자 막을 뚫고 다이렉트로 넘어온 양성자들은 드디어 외부 공기에서 빨아들인 산소(O2) 분자와 극적으로 상봉한다. 양성자, 전자, 산소가 다시 하나로 찰싹 엉겨 붙는 순간, 이들은 H2O라는 세상에서 가장 완벽하고 맑은 '물 분자'로 변신한다. 이 과정에서 불을 피우거나 폭발을 일으키지도 않았고, 이산화탄소나 미세먼지도 전혀 발생하지 않았다. 수소 가스가 들어가서 전기를 뽑아내고 맑은 물만 뱉어내는 100% 무공해 발전이 완성된 것이다.

수소차 시대의 가장 큰 걸림돌

전기차 배터리가 충전에 수십 시간이 걸리는 반면, PEMFC를 장착한 수소차는 주유소에서 기름 넣듯 3분 만에 수소를 꽉 채우고 600km를 달릴 수 있다. 게다가 수소차가 달릴수록 외부의 더러운 공기를 빨아들여 연료전지 속 필터로 완벽하게 정화한 뒤 맑은 물과 깨끗한 공기만 배출하므로, 차 자체가 '달리는 거대한 공기청정기' 역할을 한다. 하지만 치명적인 단점이 있다. 수소를 쪼개는 '백금 촉매'가 금보다 비싼 귀금속이라 차 값이 상상을 초월하게 비싸지며, 이 백금이 공기 중의 미세한 일산화탄소 찌꺼기에 금방 중독되어 성능이 뚝뚝 떨어지는 치명적인 약점을 갖고 있다.

남은 과제

과학자들은 백금을 쓰지 않고도 수소를 쪼갤 수 있는 저렴한 탄소 나노튜브나 철-질소 촉매를 개발하기 위해 피 튀기는 화학 전쟁을 벌이고 있다.