차세대 에너지 저장소 수소

인류가 땅을 파서 태우고 있는 석유와 석탄(화석 연료)은 시커먼 매연과 이산화탄소를 뿜어내며 지구를 펄펄 끓는 온실로 만들어버렸다. 태양광과 풍력으로 친환경 전기를 만들면 좋지만, 밤이 되거나 바람이 멈추면 전기가 뚝 끊겨버린다는 치명적인 약점이 있다. 그렇다면 남아도는 전기를 무한정 보관해 두었다가 원할 때 펑펑 꺼내 쓸 수 있는 가장 완벽하고 가벼운 배터리는 없을까? 과학자들이 찾은 해답은 우주 질량의 75%를 차지하는 가장 흔하고 가장 가벼운 1번 원소, '수소(Hydrogen)'다. 불을 붙여 태우는 것이 아니라, 조용히 화학 반응을 일으켜 전기를 뽑아내고 찌꺼기로는 오직 '순수한 물' 한 방울만 떨어뜨리는 기적의 마법 상자, 차세대 에너지 저장소 수소 연료전지의 원리를 들여다보자.

수소와 산소의 화학적 역주행, 연료전지

우리가 학교에서 배우는 가장 흔한 실험 중 하나는 물(H2O)에 전기를 찌릿 흐르게 하면 물이 뽀글뽀글 분해되면서 수소 기체(H2)와 산소 기체(O2)로 쪼개진다는 것(물 전기분해)이다. '연료전지(Fuel Cell)'는 바로 이 과정을 180도 거꾸로 뒤집어 놓은 기계다. 수소와 산소를 기계 안으로 쑥 집어넣어 강제로 억지로 만나게(결합) 해주면, 둘이 찰싹 달라붙어 물(H2O)로 변하면서 쪼개질 때 들어갔던 엄청난 에너지를 다시 '전기'의 형태로 밖으로 왈칵 뿜어내는 것이다! 기름을 태워서 모터를 돌리는 것이 아니라, 분자의 결합 에너지를 100% 순수한 전기로 뽑아내는 완벽한 마술이다.

막(Membrane)을 통과하는 전자의 희생

연료전지의 핵심은 수소를 통과시키는 '분리막(전해질)'에 있다. 연료전지 한쪽으로 수소 기체(H2)를 불어넣으면, 촉매(백금)가 수소를 콱 쥐어짜서 수소의 알맹이(양성자)와 껍질(전자)을 둘로 찢어버린다. 여기서 기가 막힌 꼼수가 들어간다. 분리막은 오직 양성자만 통과시켜 반대편의 산소에게 보내주고, 전자는 막을 통과하지 못하게 튕겨내 버린다. 갈 곳을 잃은 전자들은 어쩔 수 없이 빙 돌아서 바깥쪽 '전선'을 타고 반대편으로 넘어가야만 한다. 전자가 전선을 타고 맹렬하게 달려가는 흐름, 그것이 바로 우리가 스마트폰을 켜고 자동차 바퀴를 굴리는 '전기(Electricity)'다. 반대편으로 넘어간 전자는 양성자, 산소와 감격적으로 만나 쓰레기 대신 '물방울'을 똑똑 흘리며 사라진다.

리튬 배터리를 압도하는 무게와 속도

전기차에 들어가는 무거운 '리튬 이온 배터리'는 충전하는 데 몇 시간이 걸리고, 배터리 자체가 너무 무거워서 거대한 트럭이나 비행기, 선박을 움직이기에는 턱없이 부족하다. 하지만 수소는 우주에서 가장 가벼운 기체다. 가벼운 수소 탱크 하나만 달고 3분 만에 꽉꽉 압축해서 충전(주유소처럼)하면, 리튬 배터리보다 수배나 멀리 서울에서 부산까지 논스톱으로 무거운 트럭을 끌고 달릴 수 있다.

진짜 친환경일까? 회색 수소와 그린 수소

치명적인 문제점은 지구상에 '순수한 수소 가스'는 둥둥 떠다니지 않는다는 것이다. 다 물(H2O)이나 천연가스(CH4)에 찰싹 달라붙어 있다. 현재 우리가 쓰는 수소의 90%는 천연가스에 뜨거운 수증기를 확 불어넣어 탄소를 뜯어내고 강제로 뽑아낸 수소다. 이 과정에서 끔찍한 이산화탄소가 미친 듯이 뿜어져 나오기 때문에 이를 '회색 수소(부생 수소)'라고 부르며 반쪽짜리 친환경이라 비판받는다. ![수소 연료 전지의 기술적 다이어그램으로, 산소와 결합하여 물을 만들기 전에 빛나는 막을 통해 밀어붙인 수소 원자가 전자를 뜯어내 전선(전기 생성)을 통과하는 모습을 보여줍니다](https://image.pollinations.