탄소 중립을 위한 미래에너지로는 수소전기가 대안으로 꼽히고 있습니다. 미국, 유럽, 한국 등에서 수소 생산, 인프라 구축을 위한 정책들을 구체화하고 있죠. 수소를 이용하여 전기를 만드는 방법은 물을 전기분해하는 과정에서 원리를 얻을 수 있습니다.
수소전기 생산 방법
- 1단계 : 수전해 기술을 이용하여 수소를 생산합니다. (물의 전기 분해 원리 이용)
- 2단계 : 이후 생산된 수소를 활용하여 연료전지나 수소발전 등을 이용하여 전기를 얻을 수 있습니다.
이렇게 두 과정을 거쳐 수소를 이용해 전기를 만들어 낼 수 있습니다.
| 구분 | 수전해 기술 | 연료전지 기술 |
| 목적 | 수소 생산 | 수소를 활용하여 전기 생산 |
| 작동 방식 | 전기를 사용하여 물 분해 | 수소와 산소의 화학반응 이용 |
| 에너지 흐름 | 전기 -> 수소 | 수소 -> 전기 |
| 활용분야 | 수소 생산 | 수소연료전지 자동차, 수소발전 |
물을 전기분해하는 윈리와 수전해 기술은 같은 말이지만, 의미상 미묘하게 차이가 있습니다. 수전해 기술은 산업기술을 의미하지만 물 전기분해는 물리적, 화학적인 현상을 의미하기 때문에 의미적으로는 차이가 있죠.
물의 전기분해 원리
물은 H2O라는 화학식으로 이루어져 있죠. 즉 두 개의 수소(H)와 한 개의 산소(O2)는 하나의 화합물 분자인 물이 됩니다. 만약 전기를 사용하면 양극에서는 산소, 음극에서는 수소로 분리되죠. 이러한 과정을 전기분해라고 하며, 수소 전기를 만들기 위한 수소 생산 방식 중 가장 기본적인 원리입니다.
음극 : 산화반응
- 2H2O(l) + 2e- -> H2(g) + 2OH- (aq)
양극 : 환원반응
- 2H2O(l) -> O2(g) + 4H+(aq) + 4e-
물을 전기분해하는 원리로 음극의 산화반응과 양극의 환원 반응을 통해 수소를 얻을 수 있습니다.
즉 음극에서 산화반응은 물 분자(H2O)가 전자(e-)를 받아 수소 기체(H2)와 수산화 이온(OH-)으로 분해되는 과정에서 물 분자는 산화되고 전자는 환원됩니다.
양극에서는 환원 반응을 거치는데 물 분자(H2O)가 전자(e-)를 내보내 산소 기체(O2)와 수소 이온(H+)으로 분해되는 과정에서 물 분자는 환원되면서 전자는 산화되죠.
결국 두 반응식을 합치면 전기 에너지를 사용하여 수소와 산소를 분해할 수 있는 원리를 가지고 있기 때문에 이 원리를 반대로 이용하면 수소연료전지와 같이 수소를 연료로 하여 수소전기를 만들어 낼 수 있습니다.
물 전기분해는 순수한 물에서만 나타나는 현상은 아니며, 만약 수산화나트륨(NaOH)이나 황산(H2SO4)과 같은 전해질을 첨가하면 전기전도도를 높여서 사용할 수 있습니다.
수소 생산 방식
먼저 수소를 생산하는 방법은 크게 알칼리 수전해 방식과 PEM 수전해 방식으로 나눌 수 있죠.
알칼리 수전해 방식
알칼리 수전해 방식은 물을 전기분해하여 수소와 산소를 생산하는 대표적인 방법입니다. 여기에서 수전해란 뜻은 물을 전기분해 하여 수소를 추출하는 것을 말합니다. 결국 알칼리성을 이용하여 수전해하는 방식으로 가장 오래된 기술이죠. 19세기 초부터 사용되어 오래된 기술인 만큼 비교적 낮은 운영비용과 안정적으로 운영할 수 있는 경험과 노하우를 구축하고 있죠.
다만 운영 온도(80~90도씨)가 높아 효율이 다소 낮고 전해질 누출 위험이 있는 것과 음극 촉매를 비싼 백금과 같은 물질을 사용해야 한다는 단점이 있습니다.
전해질로는 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH) 수용액을 사용하며, 전극에는 니켈이나 탄소 소재를 사용하는 방식입니다.
PEM 수전해 방식(고분자전해질 막 수전해)
고분자 기술이 발전함에 따라 고효율, 저온운영, 빠른 반응 속도 등을 가지고 있는 고분자 수전해 방식입니다.
전해질로 고체고분자막(PEM)을 사용하며, 전극으로 비싼 백금이나 이리듐과 같은 촉매를 사용해야만 하는 기술입니다. 다만 전해질이 알칼리처럼 누출될 수 있는 가능성은 희박하죠. 다만 비용이 비싸고 내구성이 좋아야 하지만 빠르게 기술발전이 이루어지고 있죠.
수소전기 생산 방식
이렇게 생산된 수소를 이용하여 전기를 만들어낼 수 있는 기술이 수소연료전지 기술입니다. 전해질에 따라 다양한 연료전지로 구분할 수 있으나, 수소차에 사용하고 있는 PEMFC(고분자전해질 연료전지)가 대표적인 연료전지 기술입니다.
수소연료전지(PEMFC) 원리
깨끗하게 얻어진 수소를 음극에 공급하면 촉매의 도움으로 수소가 산화되어 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 분해됩니다.
- 2H2 + 2e- -> 2H+
이때 전해질막을 통해 수소 이온만 양극으로 이동하죠. 이 과정에서 전자(e-)는 집전체를 통해 외부 회로로 흐르면서 전류를 형성합니다.
동시에 양극에서 촉매의 도움으로 산소가 환원되면서 산소 이온(O2-)과 전자(e-)를 생성합니다.
- O2 + 4H+ + 4e- -> 2H2O
결국 양극에서 생성된 전자는 집전체를 통해 음극으로 이동하고 수소이온과 결합하여 다시 수소가 됩니다. 이 과정에서 전기가 만들어 지죠.
- 2H+ + 2e- -> H2
결국 두 과정을 거치면 일명 수소전기를 얻을 있습니다. 수소를 생산하는 과정에서 사용되는 전기는 풍력이나 태양광과 같은 재생에너지에서 얻어지는 전기를 사용하는 것이 탄소중립을 위해 바람직한 방법입니다.
이렇게 얻어진 수소를 수소연료전지를 활용하여 전기를 얻으면, 결국 이산화탄소 배출이 없는 지속가능한 수소전기가 생산되며 미래의 에너지가 될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.