탄소중립과 친환경 에너지가 화두인 2025년, 전 세계적으로 수소 에너지가 주목받고 있습니다.
특히 수소 연료전지(Hydrogen Fuel Cell)는 전기를 생산하면서
온실가스를 배출하지 않는 청정 에너지 시스템으로 부상하고 있습니다.
이 글에서는 수소 연료전지가 어떻게 작동하는지, 그 안에서 어떤 화학 반응이 일어나는지 이해하기 쉽게 풀어보겠습니다.
수소 연료전지란 무엇인가?
수소 연료전지는 수소(H2)와 산소(O2)의 화학 반응을 통해 전기 에너지를 생성하는 장치입니다.
기존의 배터리와 달리 연료를 외부에서 공급받으며, 전기뿐 아니라 물(H2O)과 열도 함께 생성합니다.
즉, 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 전기화학 셀의 일종이며,
이 과정에서 오염물질을 거의 배출하지 않기 때문에 탄소중립 사회의 핵심 기술로 여겨지고 있습니다.
수소 연료전지의 구성 요소
- 연료극(음극, Anode): 수소가 들어오는 부분
- 공기극(양극, Cathode): 산소가 들어오는 부분
- 전해질 막(Electrolyte Membrane): 양성자(H+)만 통과시키고 전자는 외부 회로로 이동
- 촉매: 반응을 빠르게 유도 (주로 백금 사용)
수소 연료전지의 작동 원리
작동 과정은 다음과 같습니다:
- 수소(H2)가 연료극에서 양성자(H+)와 전자(e-)로 분해됩니다.
- 양성자는 전해질을 통과해 공기극으로 이동합니다.
- 전자들은 외부 회로를 따라 이동하면서 전류를 생성합니다.
- 공기극에서는 산소(O2)가 양성자와 전자와 반응하여 물(H2O)을 만듭니다.
전체 반응식
양극(연료극) 반응: H₂ → 2H⁺ + 2e⁻
음극(공기극) 반응: ½O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂O
전체 반응: H₂ + ½O₂ → H₂O + 전기 + 열
수소 연료전지의 장점
- 무공해: 이산화탄소(CO₂)나 미세먼지를 배출하지 않음
- 높은 효율: 기존 화력 발전보다 에너지 전환 효율이 높음
- 정숙성: 전기 모터 기반이라 소음이 적음
- 즉시 충전 가능: 배터리 충전과 달리 연료 주입만으로 즉시 사용 가능
수소 연료전지의 단점 및 과제
아직은 해결해야 할 문제도 존재합니다.
- 촉매 비용: 백금 같은 귀금속 사용으로 인해 비용이 높음
- 수소 저장: 고압 저장 또는 액화 저장이 필요해 인프라 구축