수소(H2)는 지구를 포함한 우주 성분의 70%를 차지한다. 수소가 산소와 만나면 수소는 물(H2O)로 변한다. 이 과정에서 에너지가 방출되어 그것은 자동차를 움직인다. 자동차가 움직일 때마다 온실가스가 아닌 물이 배출되는 것이다. 차세대 친환경차로 불리는 수소자동차의 원리는 이처럼 간단하다. 하지만 수소연료전지가 없으면 수소연료전지는 구동동력을 현실화하는 주요 구성원이기 때문에 수소자동차는 한 발짝도 앞으로 나아가지 못한다. 이 때문에 수소연료전지는 수소전기차 안에서 내연기관차의 엔진 역할을 한다. 수소 동력 자동차 가격의 50%를 차지하는 비싼 부품이기도 하다. 수소전기차는 물론 발전용 기차, 선박, 드론, 건설기계 등 친환경 발전기처럼 쓸 수 있다.
수소(수소분자, H2)는 반드시 수소연료전지를 거쳐야 에너지를 발생시킬 수 있다. 수소연료전지의 연료극은 전지와 공기극에 '마이너스(-)' 역할을 한다. 수소 분자는 연료전지에서 연료극과 만나면 전자를 잃고 수소이온(H+)이 된다. 수소 분자로 대체된 전자(e)이온은 공기 중의 산소 함량을 높인다(o2). 이 과정에서 산소 분자는 전자를 얻어 산소이온(O2-)으로 변한다. 전자는 운동 시 전기에너지를 발생시키고 수소이온(H+)은 산소이온(O)과 만나 물(H2O)이 된다.
다른 발전 방법과 비교해 볼 때,수소 연료 전지는 비교적 높은 효율을 가지고 있다. 기존의 발전 방식은 원자력 발전이나 열력 발전과 같이 물을 가열하면 증기가 발생하고, 터빈을 돌려 이런 증기의 출력으로 발전기를 조작하는 것이었다. 몇 단계를 거치면서 전력 효율이 3035% 정도에 그쳤기 때문이다. 하지만 수소연료전지는 가열수 등 중간 단계를 거치지 않아 47%로 전기효율이 높다.
최근 수소연료전지에 대한 사람들의 관심이 증가하고 있지만, 수소연료전지의 역사는 이미 상당히 오래되었다. 처음에는 1960년대 미국 우주선에 응용됐다. 이후 가정용 연료로 범위를 넓혔고 2000년대 들어 자동차업체들이 연료전지를 소형화해 차량에 적용하고 있다. 앞으로는 자동차뿐 아니라 기차와 항공기까지 더 많이 사용하게 된다. 글로벌 컨설팅회사인 맥킨지에 따르면 수소연료전지는 2025년 전차, 철도, 2030년 여객선, 2050년 화물선과 항공기에 응용될 것으로 보인다.
하지만 수소연료전지를 일반화하기 위해서는 가격문제부터 해결해야 한다. 수소연료전지 가격은 일반 자동차 가격과 맞먹는다. 아직 '규모의 경제'는 실현되지 않았지만 수소연료전지에는 귀금속 등 자재가 많이 필요하기 때문에 가격이 비싸기 마련이다. 수소와 산소가 물로 변하는 반응은 고온에서 발생한다. 하지만 연료전지의 온도를 높이면 에너지 소비가 늘어나기 때문에 실온에서 반응하는 촉매제가 첨가된다. 이때 가장 많이 쓰이는 촉매의 하나는 백금인데, 일종의 귀금속이다. 연료전지차는 종전에는 백금 7080g을 사용했으나 지금은 30g가량인 것으로 알려졌다. 기타 촉매로 값비싼 백금을 대체하는 것은 연료전지를 발전시키는 가장 큰 도전 중의 하나이다. 유성종 한국과학기술연구원(KIST) 선임연구원백금은 매년 수소연료전지를 만드는 데 사용된다고 해도 1000만 대 정도는 만들 수 없어. "수소가 주 연료인 수소 경제를 위해 벡터 대신 촉매제가 필요하다."
또 수소전기차가 처음 방류된 이래 가장 자주 오해되는 것 중 하나는 폭발 위험이다. 정거장의 수소 연료 탱크 안에서,수소를 700여 개의 기압으로 차내에 주입한다. 이 과정에서 고압가스가 누출되면 폭발할 수 있다는 우려가 많았다. KIST 윤창원 연구원은 수소는 업계에서 20여 년간 사용돼 왔기 때문에 수소를 안전하게 사용할 수 있는 기술이 상당히 축적돼 있다고 말했다. 그러나 수소는 일상적으로 사용할 수 있도록 더 엄격한 안전기준과 안전기술이 필요한 게 분명해.
현대자동차가 16일 수소연료전지를 처음 수출한 수소차종 넥스는 탄소섬유강화 복합재로 만들어 외피가 700줄에 이르는 고압을 견딜 수 있도록 했다. 안쪽에 얇은 폴리이미드를 덧발라 주면 수소의 전달을 최소화할 수 있어.
