수소 연료전지

학창 시절 과학 시간에 물에 전기를 흘려 수소와 산소 기체로 나누는 실험을 보거나 들어본 적이 있을 거예요. 물 분자를 쪼개면 두 기체가 얻어지죠. 수소 연료전지는 이 원리를 정확히 반대로 뒤집어서 실행하는 똑똑한 장치예요.

수소와 산소는 결합하면 안정한 물이 되면서 에너지를 내놓지만, 그냥 섞어 두기만 해서는 반응이 잘 시작되지 않아요. 연료전지는 백금 같은 촉매를 이용해 이 반응을 일으켜요. 이때 둘이 하나로 합쳐지면서 속에 품고 있던 엄청난 양의 에너지가 바깥으로 뿜어져 나와요.

일반적인 화력 발전이나 자동차 엔진은 이 에너지를 불태워 뜨거운 열로 바꾼 뒤 터빈이나 피스톤을 움직여요. 하지만 수소 연료전지는 열로 기계를 돌리는 과정 없이 에너지를 곧바로 전기로 변환하기 때문에 엔진보다 효율이 높아요. 다만 반응 과정에서 열도 함께 생겨서 냉각 장치가 따로 필요해요. 또 사용하는 단계에서는 물만 배출하지만, 수소를 화석연료로 만드는지 재생에너지로 물을 분해해 만드는지에 따라 전체 환경 영향이 달라져요.

단순히 수소와 산소를 한곳에 섞고 불꽃을 튀기면 쾅 소리와 함께 폭발하며 뜨거운 열만 생겨요. 우리가 쓸 수 있는 유용한 전기를 뽑아내려면 수소를 이루는 수소 이온(플러스 전하)과 전자(마이너스 전하)를 억지로 분리해야 해요.

연료전지 한가운데에는 '전해질막'이라는 특수 필터 벽이 버티고 있어요. 수소차에 주로 쓰이는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)에서는 먼저 백금 촉매가 수소를 수소 이온과 전자로 쪼개고, 이 벽이 수소 이온만 통과시키고 전자는 지나가지 못하게 튕겨내요. 연료전지 종류에 따라서는 산소 이온 같은 다른 이온이 전해질을 지나가기도 해요. 갈 곳을 잃은 전자는 어쩔 수 없이 외부 도선이라는 우회 도로를 타고 빙 돌아가야만 해요.

수많은 전자가 이 바깥 전깃길을 따라 한꺼번에 우르르 달려가는 흐름이 바로 우리가 전자기기를 움직일 때 쓰는 전류예요. 반대편에 도착한 전자는 마침내 막을 뚫고 온 수소 이온, 그리고 공기 중의 산소와 감격스럽게 결합해 깨끗한 물방울로 빠져나가요.

이름 끝에 '전지'라는 단어가 붙어 있어서 스마트폰 배터리처럼 미리 전기를 꽉 채워두었다가 쓰는 장치라고 오해하기 쉬워요. 사실 둘 다 화학 반응으로 전기를 만드는 전지예요. 다만 일반 배터리는 반응할 물질을 안에 미리 담아 두었다가 다 쓰면 충전으로 되돌려야 하는 '도시락'이라면, 수소 연료전지는 바깥에서 연료(수소)를 계속 넣어 주는 동안 쉬지 않고 전기를 만들어내는 '소형 발전소'예요.

스마트폰의 리튬 이온 배터리는 안에 든 반응 물질을 다 쓰면 몇 시간 동안 콘센트에 꽂아 충전으로 되돌려야 하죠. 반면 수소차는 주유소에서 휘발유를 넣듯이 수소 기체를 3분에서 5분 만에 주입하면 즉시 새로운 전기를 뿜어내며 다시 달릴 수 있어요.

또 연료전지는 불순물에 약해서 들이마시는 공기를 필터로 걸러요. 그래서 일부 수소차는 달리면서 공기를 정화한다고 홍보하기도 해요.