인류가 수소를 하나의 원소로 인식하게 된 것은 언제일까? 에너지원으로서 수소의 역사는 약 300년 전으로 거슬러 올라간다. 1783년 프랑스 화학자 앙투안 라부아지에(Antoine-Laurent de Lavoisier)가 실험을 통해 물을 수소와 산소로 분해하는데 처음으로 성공했으며, 역으로 수소를 태우면 물이 생성된다는 사실도 밝혀냈다. 그는 이 검증을 통해 ‘물을 만들어내는 신비로운 원소’라는 의미에서 ‘수소’로 이 원소의 이름을 명명한 최초의 인류가 되었다.

수소를 대표하는 가장 큰 특징은 ‘가장 가볍다’와 ‘매우 풍부하다’로 볼 수 있다. 수소는 원자번호 1번, 원소기호 H의 원자로 지구 상 가장 가벼운 무색, 무미, 무취의 기체이다. 우리 몸의 대부분을 차지하는 물(H₂0)의 구성 원소이기도 하며, 질량 기준으로 우주의 75%를 차지할 만큼 풍부해 ‘영구 원료’라 표현해도 무방할 정도로 고갈 우려가 없다.

또한, 수소는 공기와 혼합한 후 불꽃을 튀겨주면 폭발적인 연소반응을 보일 정도로 대표적인 가연성 물질이다. 연소 시 소량의 물과 극소량의 질소산화물(NOx)을 제외하고는 오염물질이 전혀 배출되지 않는다. 특히 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 생성하지 않기 때문에 친환경 에너지솔루션으로 주목받고 있다.

수소의 장점을 활용해 연료전지의 연료로 이용하면 편리하게 전기 에너지를 얻을 수 있다. 수소연료전지는 물을 전기분해하는 반응의 역반응을 이용한 장치이다. 물을 전기분해하면 전극에서 수소와 산소가 발생하는데, 반대로 수소를 공기 중의 산소와 반응시키면 전기와 열, 그리고 물이 발생한다.

일반적으로 연료를 태워 전력을 생산하는 과정과 달리, 수소연료전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 매우 효율적이다. 이 수소연료전지를 발 빠르게 사용한 곳이 있는데, 바로 미국 항공우주국(NASA)였다. NASA는 1969년 7월 인류 최초로 달 착륙에 성공한 아폴로 11호에 수소연료전지 3대를 탑재한 바 있다.

우주선 1대당 최대 2,300W까지 전력을 생산할 수 있었던 아폴로 11호의 수소연료전지는 우주선 내 무수히 많은 기기를 작동시킬 전기를 생산했고, 이 과정에서 분해한 물은 우주비행사의 생명수가 되었다. 즉, 자원 순환이 가능한 점을 이용해 필요에 따라 효율적으로 사용한 수소연료전지가 달 착륙 성공에 큰 역할을 한 것이다.

우주 기술 분야에 활용되던 수소에너지는 공기보다 밀도가 낮은 수소의 특성으로 수소 자동차에 사용되고 있다. 석유파동 이후, 화석 연료 가격이 폭등하고 고갈 공포까지 더해지자 국제적으로 대안 에너지를 탐색하면서 수소 자동차에 대한 관심은 더욱 고조되었다.

수소 자동차는 전기차에 비해 상대적으로 짧은 충전 시간과 긴 주행거리가 강점이면서 배기가스의 주성분이 물이기 때문에 높은 발전효율과 친환경성을 동시에 잡고 있다. 비용 효율 등의 문제를 해결해 시장성을 갖춘다면 대기 오염을 일으키는 휘발유, 디젤 자동차의 대안으로 제격일 것이다. 수소 자동차의 시장성을 확보하기 위해서는 충전 인프라의 확충이 우선적으로 요구된다. 운영 효율성까지 개선한다면 수소 자동차의 대중화는 앞당겨질 수 있다.

한편, 수소에너지는 석탄, 석유, 가스와 달리 전기처럼 만들어 내야 하는 2차 에너지다. 수소를 추출하는 방법은 정유 및 제철 공장 등의 부생수소를 활용하는 방법, 화석연료를 개질*하여 얻거나 신재생에너지를 활용한 물의 전기분해 방식 등 크게 세 가지로 나눌 수 있다.
* 개질(reforming): 석유를 정제하는 공정으로, 열이나 촉매의 작용에 의해 탄화수소의 구조를 변화시켜 부가가치가 높은 화학제품을 생산하는 것

현재 수소는 화석연료의 수증기 개질을 통해 주로 생산되지만, 친환경적이면서 경제성까지 갖춘 수소 제조가 가능해지면 ‘수소에너지의 시대’가 펼쳐질 것이다. 세계 에너지 기구 IEA에 따르면, 세계 수소에너지 사용량은 2020년 약 9천만 톤에서 2030년 2억 톤으로 증가할 것으로 전망하고 있다. 아직은 주위에서 수소에너지를 찾기 어렵지만,. 수소는 산업용 기초 원료부터 발전·수송·산업·건물 부문 등 다양한 분야에서 에너지원으로 활약하고 있다. 수소 열차, 선박, 드론과 같은 운송수단, 중장비, 친환경 도심 발전소 등이 그 사례다.

세계 각국이 화석연료 중심의 에너지 시스템에서 수소를 주 에너지원으로 사용하는 ‘수소경제(Hydrogen Economy)’로 전환하는 추세로, 수소 운송산업, 수소 충전 인프라 산업, 재생에너지와 수소생산 산업, 수소연료전지 발전 산업 등으로 이루어진 새로운 생태계가 곧 도래할 것으로 보인다. 무한한 가능성을 가진 수소에너지를 통해 하루라도 빨리 인류가 당면한 에너지 및 기후변화 문제를 동시에 해결해주는 지속 가능한 친환경에너지 시스템의 구축을 기대해 본다.

e Autopos 언박싱, 이번 편은 기나긴 대장정의 화려한 마무리가 될 ‘수소연료전지’ 편이 되겠다! 그동안 e Autopos의 ‘차체 및 섀시 솔루션 ⇒ 구동모터 솔루션 ⇒ 배터리팩 강재’라는 여정을 지나고 나니, e Autopos의 전문가가 된 것 같은 기분 뿜뿜!

이번 시간에는 외부에서 공급된 수소와 산소를 반응시켜 연속적으로 전기를 생산하는 ‘수소연료전지’에 대해 알아보려 한다. 그럼, e Autopos의 마지막 언박싱! 지금부터 시작해 볼까?

수소와 공기 중 산소의 전기화학반응을 이용해 전기와 열에너지를 직접 생산해내는 고효율의 수소연료전지. 친환경 미래 발전 시스템으로 수소전기차에 적용되는 연료전지(PEMFC, Proton-exchange membrane fuel cell)는 내연기관차의 ‘엔진’ 역할을 수행한다.

수소를 생산하고 연료로 사용할 때 매우 주요한 역할을 하는 것이 바로 ‘분리판’ 이다. 분리판은 수소와 산소의 이동통로로서, 전기전도성이 높고 부식에 강해야 하기 때문에 뛰어난 기술력이 요구된다. 분리판에는 수소를 생산하는 데 들어가는 ‘수전해 분리판’과, 수소전기차와 같이 수소를 연료로 사용하는데 들어가는 ‘연료전지 분리판’으로 나뉘는데, 이번 시간에 알아볼 부분이 바로 ‘연료전지 분리판’이다.

l 무코팅 분리판소재에 세계최초 적용된 스테인리스 Poss470FC!

▲수소연료전지 구조

수소연료전지 내부는 셀(Cell)을 쌓은 스택(Stack)과 분리판으로 구성된다. 셀에서 생성된 전기를 연결해주고 기계의 지지 역할을 하는 분리판(Bipolar Plate)을 자세히 한번 살펴보자. 수소와 공기의 통로 역할을 하는 분리판에는 외부의 험한 사용 환경에도 부식에 강한 스테인리스강이 적용된 것을 알 수 있다.

포스코가 독자 개발한 고Cr 스테인리스강 Poss470FC를 분리판 소재에 적용함으로써 내식성을 충분히 갖추게 되었고, 포스코 고유의 후처리 기술로 표면 전기전도성을 확보하면서 코팅 공정을 생략할 수 있게 되었다.

여기서 잠깐!

*스테인리스강
크롬(Cr) 함량이 10.5~12wt% 이상인 잘 녹슬지 않는 성질을 갖는 합금강. 약 2nm의 매우 얇은 부동태(不動態) 피막 Cr2O3가 얇고 치밀하여 외부 산소의 침입이 어려워서 일반 대기환경에서 잘 녹슬지 않는다.

*Poss470FC
POSCO Stainless Steel 470 Fuel Cell, 접촉저항이 강하고 내식성이 높다.

l Poss470FC, 넌 누구니

e Autopos 수소연료전지 분리판 탄생이 있기까지 혁혁한 공을 세운 Poss470FC 를 좀 더 파고 들어볼까. 포스코는 2006년부터 연료전지 분리판 개발에 착수해, 2018년 수소전기차 ‘넥쏘’에 적용된, 초고내식 스테인리스 스틸 분리판 소재인 ‘Poss470FC’를 개발하고 상용화하는데 성공했다.

Poss470FC의 가장 큰 성공비결은 앞서 언급한 포스코 고유 후처리 기술을 통한 코팅 공정 생략이다. 이쯤에서 연료전지 분리판 소재의 변천 추이를 살펴볼 필요가 있다.

과거 비용이 높고 충격에 약한 흑연을 많이 활용했으나 현재는 내식성이 확보된 금속소재에 표면 전기전도성을 부여하고자 코팅 처리를 하고 있다. 하지만, 코팅 소재로 귀금속을 많이 사용하다 보니 소재 자체의 가격이 높고, 추가적인 코팅 공정을 필요로함으로써 가공 비용도 덩달아 증가하게 된 것.

반면, Poss470FC는 포스코 고유 후처리 기술로 표면 전기전도성을 확보함으로써 코팅 공정을 생략할 수 있는 강점을 지닌다. 훌륭한 내식성과 성능이 우수하면서도 비용은 금 코팅 316L의 절반, 카본 코팅 티타늄의 40%밖에 들지 않아 가격경쟁력까지 높일 수 있었다.

제품의 크기도 줄이면서 혁신적인 소재로 평가받고 있는 Poss470FC는 국제스테인리스스틸협회 (ISSF, International Stainless Steel Forum) 2018년 신기술상(New Technology Award) 부문 금상을 수상했으며, 2019년 한국공학한림원 ‘대한민국 산업을 이끄는 산업기술성과 15선’에 선정되기도 했다.

▲2016년 북미국제모터쇼(NAIAS) 기술전시회 포스코 부스에 전시된 Poss470FC 연료전지 분리판

l 연료전지가 전류를 일으키는 메커니즘

연료전지 발전의 메커니즘은 물의 전기분해의 역방향으로 진행된다. 즉, 물에 전기를 흐르게 하면 수소와 산소가 발생하지만, 연료전지는 수소와 산소를 반응시켜 전기를 발생시킨다. 연료극에서 수소는 수소이온과 전자로 나누어진다. 전해질의 고분자막은 수소이온만을 통과시키고, 막 안쪽의 음극에는 전자가 남게 된다. 수소이온은 공기극의 산소와 결합하여 물이 되며, 이 양극 사이의 전위차에 의하여 전류가 발생하게 된다.

▲연료전지의 작동원리

*연료극(Anode) 반응식 : H2 → 2H+ + 2e-
*공기극(Cathode) 반응식 : ½ O2 + 2H+ + 2e- → H2O
*총반응식 : H2 + ½ O2→ H2O + 전기 + 열 에너지

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이상, e Autopos 수소연료전지 편까지 총 4회에 걸친 연재는 아쉽게도 여기서 마무리! 그동안 뉴스룸을 통해 차체/섀시 강판, 구동모터용 에너지 고효율 강판, 배터리팩 강재 및 배터리용 소재, 수소연료전지 분리판까지 함께 살펴보니 ‘e Autopos’ 성공에 대한 자신감도 함께 뿜뿜! 친환경차의 미래는 그린모빌리티 시장의 선두주자 ‘e Autopos’, 그리고 포스코가 함께 한다.

[e Autopos 언박싱] 시리즈

· 1편) 지구를 지키려면 자동차가 가벼워야 된다고요!
· 2편) 친환경차 모터의 효율을 높이는 비결!
· 3편) 보다 간단하고 가볍게, e Autopos의 배터리팩!

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