'청정하고, 무한한 에너지'는 그간 수많은 SF 작품에서 다뤄져왔다. 특히 자원고갈과 환경오염 등에 대한 걱정이 커지면 커질수록 대체 에너지에 대한 갈증도 커졌기 때문이다. 하지만 현실에서 그런 에너지원을 찾는다는 건 여간 어려운 일이 아니다. 태양, 바람, 지열 등은 자연으로부터 얻을 수 있는 신재생에너지로서 주목받고 있지만 아직 완벽히 화석에너지를 대체할 수 있다고 말하기에는 단정하기 힘든 상태다.
▲수소 원자 이미지. / 인터넷 갈무리
그런 가운데, 최근 수소가 주목받고 있다. 수소는 우주 질량의 약 75%를 차지하고 있는 원소로, 단위 무게 당 연소열이 가장 크다고 알려져 있다. 이런 특성 덕분에 화석에너지의 대체재로 급부상 하고 있는 것. 게다가 지구 어디에서나 흔하게 구할 수 있는 것이어서, 화석에너지의 해외 의존도가 큰 나라에서 관심이 높다. '에너지 안보'라는 말이 나오는 배경이다.
자동차는 석유를 태워 달리는 기술적 특성상 배출 오염물질이 대기환경을 악화 시킨다는 비판이 적지 않다. 따라서 최근 다양한 형태의 친환경차가 등장했는데, 일반적으로 전기차(EV·Electric Vehicle), 하이브리드(HEV·Hybrid Electric Vehicle ), 플러그인하이브리드(PHEV·Plug-in Electric Vehicle) 등으로 구분한다. 재미있는 특징은 모두 '전기'를 사용한다는 점으로, 화석연료에 의한 연소가 없기에 오염물질 배출도 전혀 없거나 현저히 적다. 다만 전기를 어떻게 얻는지가 관건이다. 아직까지도 화석연료를 태워서 전기를 만들어 내는 화석발전소의 비중이 높아서다. 완벽한 친환경은 아닌 셈이다.
때문에 이 전기를 '수소'에서 가져오는 방식이 대두되고 있고, 그중에서도 연료전지차(FCEV·Fuel Cell Electric Vehicle)가 주목받는다. FCEV에서 수소를 사용하는 방법은 간단하다. 수소가 산소와 결합했을 때 발생하는 전기를 배터리에 저장하는 것. 연료를 전지화했다고 해서 '연료전지(FC·Fuel Cell)'라고 부른다. 무언가를 태우는 일 없이 화학반응에서 생기는 전기를 활용하기 때문에 궁극의 친환경으로 여겨진다. 실제 달리는 수소 FCEV의 배기구에서는 흰 연기를 볼 수 있는데, 이는 내연기관차의 탄소화합물이 아니라 순수한 물이 수증기 형태로 나타나는 것이다.
과거에는 수소를 직접 태우는 수소 엔진이 활발히 개발됐다. 그러나 연료의 저장 방식과 효율성에서 늘 의문부호가 따랐다. 수소가 FC 분야로 급선회하게 된 배경이다. FC의 에너지 효율은 40~60%로, 내연기관의 20%보다 월등한 것으로 알려져 있다.
FCEV는 배터리에 저장된 전기를 사용해 모터를 돌리고, 움직인다는 점에서 EV와 작동원리가 같다. 그러나 전기를 얻는 방법은 일반적인 EV와 완전히 다르다. EV는 외부 충전 혹은 내부 발전에 의해 전기를 저장하는데, 외부 충전과 내부 발전 모두 화석연료를 태워 생기는 전기를 이용한다. 즉, 순수 EV가 아닌 전기모터와 내연기관이 결합한 HEV는 '석유(휘발유, 경유 등)'를 채워줘야 한다는 것. FCEV는 '석유'가 '수소'로 대체된다.
▲두산이 개발한 10kW 수소연료전지 스택. / 두산 퓨얼셀 갈무리
연료전지 시스템은 단순하게 양극과 음극이 존재하고, 그 사이에 샌드위치처럼 전해질이 위치한다. 저장된 수소는 연료전지 안의 음극에 모이며, 음극에 모인 수소 분자는 촉매에 의해 수소 이온과 전자로 분리된다. 분리된 수소 이온은 전해질을 통과하면서 산소와 만나 물이 되고, 남은 전자는 외부 회로를 따라 이동하면서 전류를 형성한다. 이렇게 만들어진 '전기'는 직류 형태를 갖고 있기 때문에 내부에서 전기모터를 구동할 수 있는 교류 전기로 변환된다.
이 FCEV 분야에 가장 활발하게 대응하고 있는 회사는 현대차와 도요타다. 두 나라 모두 화석연료 해외 의존도가 높아 에너지 안보가 절실하다는 점이 특이하다. 특히 일본의 경우 후쿠시마 원전사고 이후 수소 에너지에 대한 관심이 폭발했다. 일본은 2020년 도쿄올림픽 이후 본격적인 '수소 사회'를 천명한 상태다.
출처:IT조선(http://it.chosun.com/news/article.html?no=2844922)
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