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산업과 기술에 대한 이해

수소연료전지자동차(수소차) 원리란 무엇일까?! (연료전지스택 구조와 원리)

수소차_수소전기차_수소연료전지자동차_원리

 

 

 

안녕하세요! 정리남입니다!!

오늘은 수소차의 원리에 대해 정리해 보도록 하겠습니다. 

 

흔히 '수소차'라고 불리우는 이 녀석의 진짜 이름은 '수소연료전지자동차'입니다.

여기에서 '연료전지'란, '어떠한 연료를 통해 전기를 생성해 내는 전지'을 일컫는데요, 따라서 수소연료전지자동차란, 수소를 원료로 전기를 발생시키고 그 전기로 자동차를 구동시키는 전기자동차의 일종을 말합니다. 이러한 수소연료전지 자동차의 원리를 알아보다 보니 의외로 단순하여 깜짝 놀랐습니다^^

 

 

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수소 연료전지 자동차(수소전기차)의 구조 및 전체적인 구동원리


먼저 수소연료전지 자동차 구조도를 보면서 전체적으로 한번 알아보고, 연이어 핵심이 되는 원리를 알아보도록 하죠.

여기에서 여러분들이 기억하셔야 할 점은,수소전기차의 핵심이 되는 원리가 그 이름에서도 알 수 있듯이, 바로 '연료전지(Fuel cell) 스택'에서 이루어 진다는 점입니다. 자 그럼 한번 볼까요?!

 

 

 

이미지 출처 : 도요타, 삼성증권  - 수정

 

 

" 수소전기차의 전체적인 구동원리 " 


① 차 내부로 외부 공기가 내부로 들어온다. 필터링을 거쳐 순도가 높은 산소를 포집한다.
     수소 충전소에서 자동차 내부 수소탱크로 수소를 주입(충전)한다. 
산소와 수소가 연료전지스택으로 들어온다. 
연료전지스택에서 전기를 만들어 낸다.
      부산물로 물(H2O)이 생성된다.
④ 연료전지스택에서 생성된 전기를 모터로 보낸다.
⑤ 전기를 통해 모터를 돌려 자동차를 주행시킨다. 
(H2O)을 차 밖으로 배출한다.  

 

 

자! 그렇다면 이 전체적인 구동과정에서 궁금한게, '연료전지스택'에서 수소와 산소를 가지고 어떻게 전기가 만들어 내는 것이냐'일텐데요. 그 원리는 다음과 같습니다. 

 

 

 

 

수소연료전지자동차(수소전기차)의 연료전지스택 구조와 원리


연료전지스택 내에서 전기가 발생되는 과정은 '배터리의 방전'와 동일합니다. (배터리 원리 포스팅 → 여기참조)

배터리와 동일하게, 이 연료전지 스택은 두개의 전극과 그 사이에 수소이온을 전달하는 전해질 막으로 구성되어 있으며 화학적으로는 산화와 환원반응이 진행되기 때문입니다.

 

 

자료 : JARI, 삼성증권

 

 

위 이미지를 볼까요 ?

배터리와 동일하게 두개의 극과 극 사이에 전해질막으로 구성되어 있기 있는데요, 두개의 극 중 수소가 들어오는 극을 '연료극'이라 하며, 산소가 들어오는 극을 '공기극'이라 하는데요, 여기에서 연료극은 음극(-)에 해당하며 '공기극'은 양극(+)에 해당합니다! 여기 이 양쪽 극에는 촉매역할을 하는 '백금'이 위치해 있다는 것까지 알아두시면 준비 끝입니다!ㅎㅎ

 

 

 

출처 : 한화토탈

 

 

전기가 발생되는 원리를 한번 보죠. 

 

 

 

" 수소차 연료전지스택 전기 발생 원리 "


1) 먼저 수소 H2가 연료극으로 들어와 백금의 촉매작용을 통해 수소이온과 전자로 분리됩니다.
    :  2H2 → 4H+ + 4e-
    : 연료극인 음극-에 해당하는 반응이며, 수소가 전자를 잃었으므로 수소의 산화반응이 일어납니다.
      수소는 그 자체로 반응성이 무지 커서 전자를 떼어 놓으려 하는 성향을 지녔는데 이 성질이 이용되는 것이죠.
    : 백금은 말 그대로 촉매. 즉  반응을 빠르게 하는 역할을 합니다.

 

2) 수소에서 분리된 전자는 외부로 연결된 도선을 따라 흐르면서 전기를 발생시킵니다. 
    : 음극에서 양극으로 전자의 자발적 이동이 발생하는 것입니다. 
    : 전자의 이동 = 전류의 흐름 = 전기 발생

 

 

3) 전자와 불리된 수소 양이온은 전해질을 통해 공기극(양극+)으로 이동합니다. 

    : 전자의 이동에 따른 전체 화학적 균형을 맞추기 위해 수소이온이 이동됩니다.

 

 

4) 공기극에서 주입된 산소와 도선을 타고 온 전자 그리고 전해질을 통해 온 수소이온이 만나 물이 생성됩니다. (양극(+))

    : O2 + 4e- + 4H+ → 2H2O

    : 양극에서는 산소분자가 전자를 얻었으므로 산소의 환원반응이 발생합니다. 

      즉, 마이너스로 대전된 산소분자와 수소이온의 결합으로 물이 생성되는 것이죠. 

 

 

 

 

여기서 잠깐!

촉매의 역할이 살짝 궁금하지 않으신가요!? 네이버 지식백과에 찾아 보았습니다.

 

 

" 백금 촉매의 역할 / 촉매 원리 /  촉매 반응 "


먼저 '촉매'란 반응 과정에서 소모되거나 변하지 않으면서 반응속도를 빠르게 만드는 물질을 말합니다. 아래의 캡처된 이미지 내용을 요약하면 촉매란, 반응에 필요한 활성화 에너지를 낮추어 반응을 촉진시키는 역할을 하는 것입니다. 반응에 참여하긴 하지만 반응속도촉진이라는 역할을 수행할뿐, 변하지 않고 반응전의 원래 자신 그대로 남는 물질이 되는 것이죠. 백금은 연료전지스택안에서 이러한 촉매 역할을 하면서 음극에서는 수소의 이온화를 촉진시키고, 양극에서는 물의 생성을 촉진시키고  있는 것입니다.

 

 

 

 

 

결론


수소 연료전지 자동차는 수소를 연료로 사용하여 전기를 만들어 동작하는 전기자동차입니다.

수소연료시켜 99.9%의 순도 높은 산소를 얻어 쓴다는 점에서 공기의 정화기능까지 하죠. 그래서 수소전기차를 도로위에서 이동하는 공기청정제라고 하기도 합니다. 실제로 만약 수소전기차 10만대가 하루 2시간씩 달릴경우, 서울시 인구 86%가 1시간동안 마시는 공기 정화 효과가 있다고 하네요

 

하지만 이 수소연료전지 자동차에는 논란이 되고 있는 단점과 모순되는 맹점도 있는데요 이 부분에 대해서는 다음 포스팅에서 다루어 보도록 하겠습니다!

 

 

연관포스팅(↓↓↓)

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출처


https://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=shakey7&logNo=221423661446&redirect=Dlog&widgetTypeCall=true&directAccess=false#

http://study.zum.com/book/11717

https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=982545&cid=47337&categoryId=47337

https://m.blog.naver.com/hanwhadays/222065618432

https://tanaka-preciousmetals.com/kr/library/element/column02/

https://www.youtube.com/watch?v=DcmuPQaRiCQ

 

 

 

 

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