수소차량의 수소 연료 전지 연구 현황과 방향 원리 등 정리

수소차량은 전기차와 함께 친환경 차량으로 주목을 받고 있습니다. 수소차량의 개발을 위한 수소 연료전지 연구 현황과 방향, 원리 등을 정리해보도록 하겠습니다. 

 

현대자동차의 수소차 넥소

 

1. 수소차량의 연구 레벨

미래를 예측하기 위해 우리의 주변을 살펴보면 자연에서의 물질 전달에서 아주 흥미로운 현상들을 발견할 수 있을 것입니다. 자연은 연소와 같은 급격하고도 대규모의 연쇄 반응 기반의 에너지 순환 방식보다 분자 레벨의 소규모 반응의 직접화를 활용하는 경우가 많습니다. 이러한 예는 광합성이나 모세관 현상 등에서 찾을 수 있습니다. 

 

아직 현대의 과학 기술은 효율적인 측면이나 재활용이 얼마나 가능한가에 대한 측면에서 자연의 에너지 순환 메커니즘을 구현하는 것을 전혀 따라가지 못한다고 해도 과언이 아닙니다. 

 

이는 현재의 차량에서 사용되는 수소차량의 연료 전지 시스템의 한계를 극복하기 위한 분자 레벨에서의 물질 및 에너지 전달에 관한 연구들에서도 마찬가지인데, 현재의 연구 상황이 어느 정도 진전이 되었는지 알아보도록 하겠습니다. 

 

2. 수소차량의 수소 연료 전지 연구 현황

분자나 이온 수준의 에너지 및 물질 전달 현상은 눈으로 관측하기 불가능한 부분입니다. 이러한 어려운 부분 때문에 양자 역학이나 통계 열역학을 기반으로 한 계산 과학이나 원자 수준의 정밀도를 가지고 있는 첨단 관측 기기들을 사용하여 기술 개발에 박차를 가하고 있습니다. 

 

분자들을 개별적으로 컴퓨터를 구현한 다음 그래핀 사이의 물과 이온을 두고 그 움직임을 이해하려는 노력을 진행하고 있습니다. 

 

분자가 여섯 개 정도 나열될 수 있는 분자 크기를 가진 모세관 현상을 연구하고 있기도 하며, 이러한 방식으로 그래핀으로 코팅된 구리 표면과 물과의 열전달 과정을 연구하고 있기도 합니다. 

 

수소차 충전소의 모습

3. 수소차량의 수소 연료 연지 연구 방향

위와 같은 연구들은 가까운 미래에 다중 척도, 다중 물리현상을 더 많이 이해할 수 있도록 도울 것이며, 이를 통해 지금의 연료 전지를 훨씬 뛰어넘는 압도적인 연료 전지를 생산해낼 수 있을 것입니다. 

 

여기서 말하는 압도적인 연료전지란 자연과 같이 효율적이며 친환경적인 에너지 시스템을 가진 연료 전지를 말합니다. 이러한 연구는 상당히 흥미로운 결과인데, 이유는 수소 연료전지가 수소 산소의 산화와 환원 반응을 이용한 전지이기 때문입니다. 

 

수소 연료전지의 원리를 간단히 설명하자면 수소 분자를 음극인 연료극에 넣고 산화반응을 통해 수소 이온 및 전자로 분해를 한 뒤 산소 분자를 공기 극을 넣습니다. 

 

 

4. 수소차량의 수소 연료 전지의 전력 생산 원리

수소 이온은 전해질을 통해서 분해된 전자의 경우 전선을 통해 산소가 있는 공기극으로 이동을 하게 되고 산소와의 환원 반응을 거치면서 물이 생성이 됩니다. 

 

이때 에너지가 생기는 원리는 전자가 이동을 하면서 전류가 발생하는 것이며, 이론 상으로는 수소 분자 하나 당 1.23V의 전력이 생산된다고 합니다. 

 

수소 연료전지는 전지 본체인 스택과 연료를 공급을 하고, 전류를 변환하는 등의 역할을 담당하는 주변 구조들로 구성이 되어 있습니다.

 

5. 수소차량의 수소 연료 전지의 주요 구성

주요 구성에 대해 설명을 하자면 먼저 본체인 스택은 수소와 산소의 반응을 시켜 전기를 만들어내는 단위 셀들을 적층 하는 본체를 의미합니다. 한 개의 셀에서 0.7V를 생산하는 것으로 알려져 있으며, 이 스택을 제조하는 비용이 수소차 생산비의 40%를 차지한다고 합니다. 

 

개질기는 화학적으로 수소를 가지고 있는 LPG, 메탄, LNG, 석탄가스 등 일반 연료로부터 수소를 추출해내는 장치입니다. 연료 공급기는 수소와 산소를 스택에 넣는 역할을 하며, 전류 변환기는 스택에서 발생되는 직류의 전류를 교류로 바꾸는 역할을 합니다. 

 

막-전극 접합체는 전극과 전해질막의 결합체이며, 전해질막은 연료와 공기가 직접적으로 접촉하는 것을 막고 수소 이온의 이동을 담당하는 역할을 가지고 있습니다. 기본적으로 불소계와 탄화수소계 전해질막이 있는데 최근 추세는 불소계 전해질막을 사용하는 추세라고 합니다.