"더는 꿈이 아니다" 공기로 가는 수소 연료전지 자동차 나올까?

호주 과학자들이 직접 수소를 생산하는 새로운 방법을 개발했다. 억지처럼 들릴지 모르지만 공기에서 곧바로 수소를 만들어냈다. 이를 이용해 조만간 수소연료전기차 를 가동할 수 있는 날을 기대하고 있다. 이들의 새로운 전해장치 시제품(사진) 구조. (사진=멜버른대)

억지처럼 들릴지 모르지만 과학자들이 수소 연료를 만드는 새로운 방법을 개발함에 따라 언젠가 희박한 공기로 움직이는 자동차를 운전하는 것이 가능하게 될 것 같다. 호주 과학자들이 차량에 전기분해장치를 설치하고 공기에서 수소 연료를 추출해 달릴 수 있는 방법을 개발했다고 발표한 것.

이들은 액체 상태의 물에서 수소를 제조하는 대신 습도 4%의 공기 중에서도 물을 수확해 수소연료전기차용 수소를 생산할 수 있는 전기분해장치를 개발했다. 이는 거의 전세계 어디서든 수소를 추출할 수 있는 방법을 만들어 낼 수 있다는 얘기다. 사하라 사막이나 호주 아이어스록 주변습도가 각각 20%, 21%다.

최근 리튬전지 대체재로 알루미늄 전지 상용화가 임박했다는 소식에 이은 낭보다.
최근 현대차그룹이 올 상반기 글로벌 수소차시장에서 1위를 했다는 소식이나 독일 롤스로이스와 수소연료전지 플라잉카 제휴한 소식도 전해진 마당이어서 더욱 관심을 끈다. 다만 이 수소 전해장치가 수소연료전지차 주행에 필요한 수소를 100% 추출해 공급하기까지는 시간이 걸릴 것으로 보인다.

공기 중에서 물 추출하는 기술에서 진일보한 것으로 보이는 이 기술 개발 성과를 소개한다. 이 내용은 지난 6일자 네이처 커뮤니케이션즈에 공개됐다.

멜번대의 전기분해장치의 비밀

호주 멜버른대학 연구진의 전해장치는 공기로부터 수분을 흡수해 모은 물을 수소와 산소로 나눈다. (사진=멜버른대)

호주 멜버른 대학 연구진은 액체 물 대신 새로이 개발한 전기 분해장치 시제품으로 습한 공기속에서 포집한 물을 수소와 산소로 나눈다. 전기분해를 위한 전력은 태양광이나 풍력에서 얻었다. 이 수소 연료는 수소연료전지 장치에 성공적으로 동력을 공급하는 것으로 나타났다.

호주 멜버른대 전문가들은 이 시제품 아이디어가 이처럼 재생 가능 에너지를 사용하는 경우 환경적 영향을 최소화하면서 건조하고 외딴 지역에 수소 연료를 공급할 수 있을 것이라고 말했다. 이 장치들은 4%의 낮은 습도에 불과한 공기 중의 물도 수확해 전기분해할 수 있었다.

이 논문의 공동저자인 강 케빈 리 멜버른대 화학공학부 수석강사는 뉴스위크지에 “우리는 이른바 ‘직접 공기 전해장치(DAE)’를 개발했다”고 말했다.

그는 “이 모듈은 지속적으로 대기에 노출된 흡습성 전해질을 사용한다. 이러한 전해질은 (외부 에너지 입력 없이) 자발적으로 공기에서 수분을 추출할 수 있는 높은 잠재력을 가지고 있어, (재생 가능한) 전원 공급 장치와 결합하면 전기 분해 및 수소 생산에 쉽게 사용할 수 있다”고 설명했다.

멜버른 대학 연구진은 시제품 아이디어를 통해 특히 재생 가능한 에너지를 사용할 경우 환경적 영향을 최소화하면서 건조한 지역과 외딴 지역에 수소 연료를 공급할 수 있을 것이라고 말했다. (사진=네이처 커뮤니케이션즈)

전기분해장치는 전통적으로 액체 상태의 물로부터 수소와 산소를 모으는 데만 사용돼 왔다. 이 장치는 두 개의 전극을 물에 넣고 전류를 흘려보냄으로써 작동한다. 양전하 전극에서는 전자가 H₂O로부터 떨어져 나가 양수소 이온과 O₂ 분자를 형성하고, 음극에서는 전자가 수소 이온에 주어져 수소를 형성한다.

여기서 문제는 기존 전기분해 방식에서는 반드시 액체 상태의 물을 필요로 한다는 점이다. 때문에 이러한 전기분해는 식수 공급을 제한하지 않도록 충분한 양의 물이 있는 곳에서 이뤄질 수 밖에 없다. 호주 멜버른대 연구진의 시제품에서처럼 공기 중에서 물을 추출해 수소를 확보할 수 있게 된다면 더 이상 수소를 얻기 위한 물 확보에 신경쓸 필요가 없고, 그와 관련된 부대 비용문제도 해결할 수 있다.

특히 이 장치의 장점은 전 세계 어디에서나 수수를 생산할 수 있도록 해 준다는 점이다. 심지어 습도가 4%에 불과한 곳에서도 수소를 얻을 수 있었다는 게 연구진의 시험 성과다.

이 대학 과학자들은 이 장치가 기존 수소 생산 장치를 광범위하게 배치할 경우 초래될 물 부족 문제를 극복하면서 지구상 어디에서든 수소를 생산할 수 있게 해 줄 것이라고 말했다.

연구진의 시험 성과

최소 공간으로 확장 가능한 직접공기전해장치(DAE) 모듈을 탑재한 수소 발생 타워 사진. (사진=네이처 커뮤니케이션즈)
수소발생 타워(왼쪽)와 시간추이(가로축)에 따른 수소생산량(맨위부터),습도, 온도 변화. 맨위 붉은 선 그래프는 시간 추이에 따른 패러데이 효율. (사진=네이처 커뮤니케이션즈)

연구진은 현장의 대기에서 물을 포획하고 공기에서 직접 수소를 생산하는 방법을 시연했다.

이들은 용해성 물질들이 아주 건조한 공기에서 수증기를 흡수할 수 있다는 점을 고려해 수산화칼륨, 황산, 프로필렌 글리콜 31,32 등의 흡습성 전해액과 전기분해장치로 고순도 수소 제조 방법을 시연했다.

전해장치 작동에는 태양 또는 풍력으로 작동되는 최대 574mA/c㎡의 전류 밀도의 전력이 이용됐다. 약 95%의 패러데이 효율이라는 안정적 성능으로 12일 연속 시제품이 운용됐다.

DAE(DirectAir Electrolysis) 모듈로 불리는 전기분해장치는 액체 상태의 물을 전혀 투입하지 않고도 4%까지의 광범위한 상대습도하에서 연속 12일 이상 패러데이효율 95% 수준의 고순도 수소를 생산하면서 안정적으로 작동했다.(*패러데이 효율은 반응에 사용된 전체 전류중 몇 %가 실제 유용한 제품을 생산하는데 사용됐는지 나타내는 효율을 말한다.)

야외에서 작동하도록 고안된 5개의 병렬 전해 장치를 갖춘 솔라 구동 시제품은 날씨가 화창한 첫날 전류 출력 400mA, 전압 2.68V 부근에서 안정적이었다. 하루 동안 총 수소 생산량은 1490ml였다. 전반적으로 비이상적인 기상 조건에서는 둘째 날 총 수소 생산량이 여전히 1188ml에 이르렀다.

이 작업은 액체 상태의 물을 소비하지 않고도 녹색 수소를 생산할 수 있는 지속 가능한 길을 열어준다.

수소 연료 전지란?

인사이드 EV는 지난해 미국내 수소 연료 전지차 판매량은 전년(937대)에 비해 257% 증가한 3341대로 역대 최고를 기록했다고 보도했다. 다만 수소연료전지용 수소를 만들기 위해서는 전기 분해 장치와 충분한 물이 필요하다. 물론 이와 관련한 별도의 전기 분해 시설(공장)도 필요하다. (사진=인사이드EV)

수소연료전지는 특수 처리된 판에 수소와 산소를 혼합해 배터리와 모터에 전력을 공급하기 위한 전기를 발생시키는데 이 판들이 합쳐져서 연료전지 스택을 형성한다.

연료 전지 스택과 배터리는 일반적으로 버스 및 기타 대형 차량에 연료를 공급하는 데 사용된다. 하지만 엔지니어들은 이 구성 요소들이 중소형 승용차에 깔끔하게 장착할 수 있도록 크게 줄일 수 있도록 했다. 예를 들어 기차와 비행기도 수소 연료로 운행하도록 개조되고 있다.

일반적으로는 그릴에 있는 흡입구를 통해 공기 중에서 수소를 수집하며, 알루미늄으로 안쪽을 댄 연료 탱크에 수소를 저장해 사고 시 자동 밀봉함으로써 누출을 방지한다. 이 성분들이 융합돼 부산물로 사용 가능한 전기와 물을 방출하고, 이 기술을 가장 조용하고 가장 환경 친화적인 것 중 하나로 만든다.

스택에 사용되는 백금의 양을 줄임으로써 연료전지가 덜 비싸졌지만, 희토류 금속의 사용은 연료전지의 사용의 확산을 제한했다.

최근 연구는 수소 연료 전지 자동차가 언젠가는 무공해 자동차 경쟁에서 전기 자동차에 도전할 수 있다고 제안했지만, 그러려면 이 차에 수소연료를 공급하기 위한 더 많은 충전소가 지어져야만 한다.

이재구 기자

jklee@tech42.co.kr
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