수소란?

수소 원자

주기율표의 가장 첫 번째(1족 1주기) 화학 원소입니다.
원소기호 H, 원자번호 1
지구상에 9번째로 풍부하며, 질량 기준으로 우주의 75%를 구성합니다.
가장 가볍고 무색의 원자이며, 1족 원소 중 유일한 비금속 원소입니다.
동위원소로 중수소와 삼중수소가 있습니다.
이름은 ‘물의 재료’라는 뜻의 독일어 Wasserstoff에서 유래했습니다.
수소원자 두 개가 산소 원자와 결합해 물을 이룹니다.
석유와 석탄에는 탄화수소 형태로 존재합니다.

기체수소의 일반 물성

물성	단위	수소	메탄	프로판
화학식	–	H₂	CH₄	C₃H₈
분자량	–	2.0158	16.043	44.096
비중	공기=1	0.0695	0.55	1.52
가스밀도 (상압, 20℃)	㎏/㎥	0.0838	0.651	1.87
액체밀도 (상압, 끓는점)	㎏/㎥	70.8	422.4	582
임계온도	K	32.97	190.53	369.82
임계압력	MPa	1.293	4.604	4.250
임계밀도	㎏/㎥	30.1	162.8	217.0
끓는점	K	20.28	111.67	231.0
녹는점	K	13.81	90.69	85.46
삼중점 온도	K	13.8	90.694	85.5
증발잠열 (끓는점)	J/g	445	510.83	426
융해잠열 (삼중점)	J/g	58.2	58.5	95.0
정압비열 Cp (상압, 25℃)	kJ/(㎏·K)	14.4	2.31	1.67
정용비열 Cv (상압, 25℃)	kJ/(㎏·K)	10.2	1.72	1.46
점도 (상압, 20℃)	Pa·s	8.8×10⁻⁶	10.8×10⁻⁶	8.1×10⁻⁶
열전도율 (상압, 20℃)	W/(m·K)	0.182	0.034	0.021 (50℃)
총발열량 GCV/HHV	MJ/㎥ MJ/㎏	12.8 142	40.0 55.9	101.9 51.8
진발열량 NCV/LHV	MJ/㎥ MJ/㎏	10.8 120.0	35.9 50.1	93.6 47.6
발화온도	℃	공기중 572 산소중 450	공기중 580	공기중 460
가연한계	vol%	공기중 4.0~75.0 산소중 4.5~94.0	공기중 5~15 산소중 5~60	공기중 2~10 산소중 2~53
폭굉한계	vol%	공기중 18.3~59 산소중 15.0~90	공기중 6.5~12	공기중 2.6~7.4
질소와의 상호확산계수 (상압, 20℃)	㎠/s	0.666	0.214	–
음속 (0.101MPa, 25℃)	m/s	1,308	449	724
최소착화 에너지	mJ	0.02	0.28	0.25
소염거리	cm	0.064	0.22	–
폭발시 에너지	MJ/㎥	9.3	32.3	94.3
이론혼합비 (공기중)	vol%	29.53	9.48	4.03
화염온도	℃	공기중 2,045 산소중 2,660	공기중 1,875	공기중 2,112
연소속도 (0.1MPa)	m/s	공기중 2.65 산소중 14.36	공기중 0.4 산소중 3.9	공기중 0.43 산소중 3.9
물의 용해도 (상압, 20℃)	㎖(g)/ℓ	18.2	33	35.6

참고 : D.R.Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, 74th Ed., CRC Press, 2000.

수소에너지 필요성

수소에너지란?

수소분자 H₂가 산소분자 O₂와 반응하여 물 H₂O가 될 때 방출하는 에너지를 말합니다.

수소 1몰당 값은 H₂ 1몰과 O₂ 1/2몰이 갖는 에너지와 H₂O(액체) 1몰이 갖는 에너지의 차이로, 1atm·25℃에서 표준 엔탈피 변화 −285.830 kJ, 표준 기브스에너지 변화 −273.183 kJ입니다.

수소는 가까운 미래의 이상적인 에너지로, 수소를 중심으로 한 수소사회가 실현될 것으로 전망됩니다. 수소사회란 수소가 에너지원의 중심으로 모든 지역에 보급·이용되는 사회로, 수소를 연료로 수소전기차를 운행하고 연료전지 발전을 통해 가정·건물·공장에 전기와 온수를 공급하는 사회를 말합니다.

수소에너지는 청정한 무공해 에너지원이며, 수소를 전기로 바꾸는 청정·고효율 연료전지가 가능하다는 점에서 이상적인 에너지원입니다.

수소생산 기술

수소생산 기술의 분류
구분	방법	원료	에너지원	기술수준
화석연료 이용	수증기 개질	천연가스, LPG, 나프타	열	상용
	이산화탄소 개질	천연가스	열	–
	부분산화	중질유, 석탄	열	상용
	자열개질	천연가스, LPG, 나프타	열	상용
	직접개질	천연가스	열	상용
비화석연료 이용	전기 분해	물	전기	상용
	열화학 분해	물	고온열(원자력, 태양열)	연구중
	생물학적 분해	물 또는 바이오매스	열, 미생물	연구중
	광화학적 분해	물	태양광	연구중

참조 : 2016년 신·재생에너지 백서

개질기술

화석연료에서 수소를 추출할 때는 수증기나 산소를 첨가해 촉매 위에서 접촉분해하는 방법을 씁니다. 대표적으로 수증기 개질, 부분산화, 자열개질 방식이 있습니다.

수증기 개질은 탄화수소를 수증기와 반응시켜 물에 함유된 수소를 추출합니다. CO₂ 생성비가 낮고 일정량의 탄화수소에서 많은 수소를 얻지만, 공정 온도가 750℃ 전후로 높아 에너지 소비가 많습니다.

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂메탄을 이용한 수증기 개질반응식

부분산화는 발열반응이라 외부가열이 불필요하고 가동시간을 단축할 수 있으나, 공기를 산소원으로 쓰면 질소 혼입으로 수소농도가 낮아집니다.

CH₄ + 1/2O₂ ↔ CO + 2H₂원료가 메탄일 경우

CH₄ + 2O₂ ↔ CO₂ + 2H₂O원료가 메탄일 경우

자열개질은 부분산화반응과 수증기개질반응 두 가지로 수소를 생산하는 방식으로, 부분산화의 좋은 가동성과 수증기개질의 효율성을 결합했습니다.

개질기술 구분 및 특성
구분	수증기개질	자열개질	부분산화
첨가제	수증기	산소(공기)	산소(공기)
반응	수증기개질반응	수증기개질 + 부분산화반응	부분산화반응
가동성	느리다	↔	빠르다
반응의 크기	크다	↔	작다
개질가스 내 수소농도	높다	↔	낮다 (공기 사용 시)
온도제어성	쉽다	↔	어렵다

수전해 기술

물을 전기분해해 수소를 얻는 기술로, 매우 고순도의 수소가 생산되고 환경오염이 적습니다. 다만 수소 제조과정에 고가의 전력비용이 발생해 국내에서는 대부분 화석연료로 수소를 제조합니다. 알칼리 수전해와 고체고분자형 수전해법이 있습니다.

H₂O → H₂(g) + 1/2O₂(g)수전해 원리

가스화 기술

원료의 주된 원소가 탄소와 수소이면 물과 산소를 첨가해 가스화하여 일산화탄소와 수소를 생산할 수 있습니다. 가스화로에 산소(공기)와 수증기를 함께 투입하고, 발생한 고온가스는 열 회수·먼지 제거·탈황을 거친 뒤 일산화탄소를 시프트 반응으로 수소와 이산화탄소로 만들고 분리공정을 거쳐 상용 수소로 제조합니다. 원료로는 석탄, 바이오매스, 폐플라스틱 등이 쓰입니다.

CxHyOz + aO₂ + bH₂O → cCO + dCO₂ + eH₂ + fCnHm주요 조성에 대한 가스화 반응식

열화학 분해 기술

복수의 흡열반응과 발열반응을 조합한 열화학반응 사이클을 이용해, 물을 열에너지만으로 수소와 산소로 분리하는 방법입니다.

부생수소 활용

제철소 부생가스: 코크스로의 COG, 제선과정의 BFG, 제강공정의 LDG가 있습니다. COG는 석탄을 건류해 코크스를 만들 때 나오는 가스로 주성분이 수소와 메탄입니다. BFG는 고로에서 철광석을 환원할 때 부생되며, 포함된 CO와 물의 시프트 반응으로 수소를 회수합니다. LDG는 선철을 강으로 제련할 때 생성되며 주성분 CO를 시프트 반응으로 수소로 회수합니다.
식염전해기술: 가성소다 제조 반응에서 양극에 염소가스, 음극에 가성소다가 생성되면서 동시에 수소가 발생합니다. 원리적으로 부산물이나 불순물을 함유하지 않아 순도가 높고, 별도의 분리·농축 과정이 필요 없습니다.
나프타분해공정: 탄소수 4~9개인 나프타의 탄화수소 성분을 고온에서 분해해 에틸렌·프로필렌·수소를 생산하고 메탄·아세틸렌 등이 부산물로 나옵니다. 순도 90~96%의 수소는 PSA(수소정제) 공정을 거쳐 99.99%로 생산됩니다.
프로판 탈수소 공정: 프로필렌 생산이 주 목적이며, 프로필렌을 생산하면서 수소가 부생적으로 함께 생산됩니다.
초산공정: 초산은 메탄올과 CO를 촉매와 함께 카르보닐화 반응시켜 얻는 물질로, 원료인 CO를 생산하려 납사를 개질할 때 수소가 생성됩니다.

2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + Cl₂ + H₂식염전해 반응식

C₃H₈(프로판) ↔ C₃H₆(프로필렌) + H₂(수소)프로판 탈수소 공정

제철소 부생가스의 조성 (vol%)
구분	H₂	O₂	N₂	CO	CO₂	CH₄	C₂H₄	C₂H₆	C₃H₄
COG	56.2	0.1	2.3	6.3	2.5	29.3	2.5	0.8	0.1
BFG	3.9	0.0	52.2	22.5	21.4	–	–	–	–
LDG	1.1	0.1	13.9	70.9	14.1	–	–	–	–

생물학적 수소제조 기술

열화학·전기화학 공정에 비해 친환경적이고 에너지를 덜 소모합니다. 광합성에 의한 수소생산은 주로 물에서 수소를 생산하면서 공기 중 이산화탄소도 저감하며, 혐기발효에 의한 수소생산은 유기 탄소원을 섭취하는 박테리아의 발효를 통해 이루어집니다.

물의 광분해 수소제조 기술

광촉매를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 기술입니다. 광원으로 태양광을 이용하므로 태양에너지가 수소에너지로 변환되는 셈입니다. 원리가 단순하고 복잡한 장치가 필요 없어 대규모 개발이 가능하지만, 현재는 에너지 변환효율이 낮아 연구개발 중입니다.

국내 수소생산 현황

국내에서는 주로 정유 및 석유화학업체에서 나프타 분해공정과 식염전해공정으로 수소를 생산하고 있습니다.

지역별 국내 수소생산 능력
지역	생산 능력 (N㎥/hr)
울산	1,206,170
여수	820,000
대산	267,000
기타	135,000
합계	2,428,770

2016년 국내 수소 생산량 2,428,770 N㎥/hr — 수소생산 설비 연간 가동시간 8,000시간 가정 시 연간 약 164만 톤. 전체 생산량 중 14%인 약 23만 톤은 외부 유통 및 관계업체에 판매되고 있습니다.

정의 및 구성

연료전지 시스템은 화학에너지를 전기화학반응으로 전기에너지로 직접 변환하는 발전 장치로, 연료전지 스택·BOP·연료변환장치 및 제어기술을 통합하는 융복합 기술입니다.

기본 셀에서 전기를 발생시키려면 연료인 수소를 연료극으로 공급합니다. 수소는 연료극 촉매층에서 수소이온(H⁺)과 전자(e⁻)로 산화되고, 공기극에서는 공급된 산소와 전해질을 통해 이동한 수소이온, 외부 도선을 통해 이동한 전자가 결합해 물을 생성하는 산소 환원 반응이 일어납니다. 이때 전자의 외부 흐름이 전류를 형성해 전기가 발생합니다.

1
연료개질장치
천연가스·메탄 등 탄화수소 연료를 수소가스로 변환
2
연료전지
변환된 수소와 공기 중 산소를 스택에 공급, 화학반응으로 전류 발생
3
전력변환장치
발생한 DC전류를 인버터로 AC전류로 변환해 전기장치에 공급

연료전지 분류

구분	저온형 연료전지		고온형 연료전지
종류	직접 메탄올 연료전지 (DMFC)	고체고분자 연료전지 (PEMFC)	인산염 연료전지 (PAFC)	용융탄산염 연료전지 (MCFC)	고체산화물 연료전지 (SOFC)
작동온도	50~100℃	50~100℃	150~250℃	550~700℃	600~1,000℃
전해질	고분자막	고분자막	인산수용액 (H₃PO₄)	용융탄산염 (Li₂CO₃ 등)	안정화 지르코니아 (ZrO₂+Y₂O₃)
전해질 지지체	Solid	Solid	Immobilized Liquid	Immobilized Liquid	Solid

정의 및 구조

수소전기차는 수소와 산소의 전기화학반응으로 전기를 만들고 모터를 구동해 운행되는 자동차입니다. 대기오염물질과 온실가스 배출 없이 물만 배출하는 친환경자동차입니다.

스택: 수소와 산소가 만나 전기를 발생시키는 장치로, 내연기관의 엔진에 해당합니다.
운전장치: 스택에 수소와 공기를 공급·제어하고 발생하는 물과 열을 제거합니다. 내연기관의 흡·배기 장치에 해당합니다.
전장장치: 스택에서 발생한 전기를 모터에 공급하고 전력을 제어합니다. 전기차·플러그인하이브리드차의 전장장치와 유사합니다.
수소저장장치: 700bar 수준의 고압 수소를 저장하고 압력을 조절합니다. 기존 내연기관의 연료공급장치에 해당합니다.

자료 : 블룸버그 / 현대차 / 혼다

수소전기차의 장점

높은 에너지 효율

화합물을 연소시켜 화학에너지를 열에너지로 바꾼 뒤 다시 운동에너지로 바꾸는 내연기관과 달리, 화학에너지를 바로 전기에너지로 바꾸고 트랜스미션이 없어 에너지 효율이 좋습니다.

동력원에 따른 효율 비교
구분	Well to Tank (%)	Tank to Wheel (%)	Overall Efficiency (%)
가솔린차	88	18	16
디젤차	89	22	20
하이브리드차	88	30	26
전기자동차	26	80	21
수소전기차	75	48	36

자료 : 한국전자통신연구원(2013)

무공해

순수한 수소를 고압 저장용기에 충전해 사용하면 배기가스로 수증기만 배출됩니다. 가솔린 내연기관은 CO₂를 140~240 g/km 배출하지만, 수소전기차는 CO₂ 배출이 전혀 없습니다.

연료의 무제한

수소는 지구상에서 9번째로 풍부한 원소로, 주위에서 쉽게 구할 수 있는 물을 전기분해하면 손쉽게 얻을 수 있어 연료의 제한이 없다고 할 수 있습니다.

정의

수소충전소는 수소전기차의 연료인 수소를 충전하는 장소로, 내연기관 LPG·CNG 충전소와 매우 유사한 구조로 수소전기차와 수소버스에 수소를 공급하는 설비입니다.

공급방식

수소공급방식에 따라 Off-site(중앙공급방식)와 On-site(현지공급방식)로 구분되며, 국내에서는 부생수소를 이용하는 Off-site 방식이 주로 설치되고 있습니다.

Off-site · 중앙공급방식: 일정 지역에서 대량생산한 수소를 파이프라인 또는 튜브트레일러로 충전소까지 이송합니다. 대량생산으로 수소 생산비용은 저렴하지만 이송에 따른 추가 운송비용이 발생합니다.
On-site · 현지공급방식: 충전소에서 천연가스·LPG 등을 개질하거나 물을 전기분해해 수소를 생산합니다. 수소생산지역과 거리가 멀어 이송비용이 커질 때 유리하지만, 개질·수전해 장치가 필요해 초기 설치비용이 높습니다.

충전소 구성

1
생산
석유화학 공장의 부생수소 활용, 천연가스 개질, 수전해 등
2
저장
Off-site의 경우 외부에서 공급받은 수소를 저장
3
압축
많은 수소를 차량 탱크에 충전하기 위해 압축기로 압축
4
축압
압축된 수소를 충전에 대비해 고압으로 저장
5
냉각
압축으로 고온이 된 수소를 냉각기로 상온까지 낮춤
6
충전
충전기를 통해 고압 수소를 차량 수소탱크에 주입