수소 전지는 어떻게 만들어지는지 궁금하네요?

Question

수소는 지구상에 존재하는 무한정 에너지 가운데 하나로 알고 있습니다. 그런데, 전기를 생산하여 저장하는 전지라는 개념에 따라 수소 전지는 어떤 원리로 만들어지는 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

수소연료전지는 수소와 산소의 화학 반응을 통해 전기를 만들어 내는 장치입니다. 보통의 배터리처럼 전기를 저장하는 것이 아니고 연료를 공급받아 전력을 만드는 발전기와 같은 역할을 하는 것입니다.

기본 원리는 물의 전기분해 과정의 반대 과정으로 연료전지 내부에는 두 개의 전극인 연료 전극과 공기 전극이 있고, 그 사이에 이온만 통과시키는 전해질막이 있습니다. 먼저 연료 전극에 수소 가스를 공급하면, 수소 분자가 촉매를 만나 수소 이온과 전자로 분리되고 분리된 수소 이온은 전해질막을 통과해 반대편 공기 전극으로 이동합니다. 반면 전자는 전해질막을 통과하지 못하고 외부 전선을 통해 돌아가게 되는데, 이 과정에서 전자의 흐름이 발생하며 우리가 사용하는 전류, 즉 전기가 만들어 지는 것입니다.

마지막으로 공기 전극에 공급된 산소는 전선을 타고 넘어온 전자, 그리고 전해질막을 거쳐 온 수소 이온과 결합하여 최종적으로 물을 생성합니다. 이처럼 수소연료전지는 수소와 산소가 결합해 물이 되는 자연스러운 화학 반응을 이용하므로 오염 물질을 전혀 배출하지 않고 전기를 얻을 수 있는 친환경적인 기술입니다.

Answer 2

안녕하세요. 수소전지는 일반적인 배터리와는 조금 다른데요, 이는 수소를 연료로 사용하여 전기를 생산하는 발전 장치에 가깝습니다. 우선 수소가 무한정 존재하는 에너지원은 아닌데요, 수소는 지구에 많이 존재하지만 대부분 물이나 천연가스 같은 화합물의 형태로 존재합니다. 따라서 수소를 얻으려면 물을 전기분해하거나 천연가스에서 추출하는 과정에 에너지가 필요하므로, 수소는 석탄이나 태양광처럼 1차 에너지원이 아니라 에너지를 저장하고 운반하는 에너지 매개체라고 할 수 있습니다.

수소연료전지의 원리는 연료전지의 한쪽에는 수소를 공급하고 다른 쪽에는 공기 중의 산소를 공급합니다. 수소는 촉매를 만나 수소 이온과 전자로 분리됩니다. 이때 수소 이온은 전해질막을 통과하지만 전자는 통과하지 못하는데요, 그래서 전자는 외부 회로를 따라 이동하게 되고, 이 전자의 흐름이 바로 우리가 사용하는 전기입니다. 이후 수소 이온과 전자, 산소가 다시 만나 물을 생성합니다.

반응을 간단히 나타내면 수소 + 산소 → 물 + 전기 + 열

로 표현할 수 있는데요, 즉 수소를 태우는 것이 아니라 전기화학 반응을 통해 직접 전기를 얻는 것입니다. 그래서 일반적인 발전소처럼 연소 과정이 없어 효율이 높고 배출물도 대부분 물입니다. 배터리와 비교했을 때의 차이점은 스마트폰 배터리는 내부에 저장된 화학물질이 소모되면 다시 충전해야 하지만, 수소연료전지는 수소와 산소만 계속 공급되면 지속적으로 전기를 생산할 수 있습니다. 그래서 전기차 배터리보다는 자동차 엔진과 발전기의 중간 정도 개념에 가깝다고 볼 수 있습니다. 감사합니다.