수소연료전지의 구조와 작동 원리 — 전기가 만들어지는 과정

수소 경제가 본격적으로 확장되고 있는 지금, 연료전지(Fuel Cell)는 단순한 발전 장치를 넘어 미래 에너지 시스템의 핵심으로 자리 잡고 있다. 전기를 만들어내는 과정은 배터리와 유사해 보이지만, 내부에서 일어나는 반응과 시스템 구성은 완전히 다르다. 연속적인 화학반응을 전기 에너지로 전환하는 구조, 즉 ‘전기화학 발전 장치’라는 점이 수소연료전지의 본질이다. 이 글에서는 연료전지의 핵심 구조, 전기 생성의 메커니즘, 효율 특성, 산업 적용성까지 전문적인 관점에서 심층적으로 다뤄본다.

🔹 ① 연료전지의 기본 구성 — 3단 구조(Anode–Electrolyte–Cathode)

수소연료전지는 기본적으로 다음 세 가지 핵심 구성 요소로 이루어진다.

1) 애노드(Anode, 음극)

• 수소(H₂)가 유입되는 영역
• 촉매(보통 Pt 기반)가 수소 분자를 분리해 양성자(H⁺) 와 전자(e⁻) 로 나누는 역할
• 여기서 전자의 흐름이 시작되어 전력 생성의 출발점이 된다

2) 고분자전해질막(PEM, Proton Exchange Membrane)

• 연료전지 핵심 부품
• 양성자(H⁺)만 선택적으로 이동시키고 전자는 차단
• 전자의 우회 경로(외부 회로)를 강제하여 전기가 흐르게 만드는 메커니즘의 중심

3) 캐소드(Cathode, 양극)

• 외부 회로를 따라 이동한 전자와 막을 통과한 양성자, 그리고 공기 중 산소(O₂)가 결합
• 최종 산물은 물(H₂O)
• 이 과정에서 열이 발생하며 시스템 전체의 열관리가 중요한 설계 포인트가 된다

🔹 ② 전기 생성 메커니즘 — 전자를 외부로 끌어내는 구조적 설계

연료전지가 전기를 생산하는 과정은 다음과 같은 전기화학 반응으로 설명할 수 있다.

애노드 반응

H₂ → 2H⁺ + 2e⁻
수소가 촉매 위에서 분해되며 전자와 양성자로 분리된다.

외부 회로 이동

분리된 전자는 PEM을 통과할 수 없기 때문에 외부 회로로 이동한다.
이 과정에서 전력이 발생하며 이를 차량, 발전 시스템 등에서 바로 사용하거나 ESS로 공급한다.

캐소드 반응

½O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂O
산소와 수소가 결합해 물을 생성하면서 반응이 완료된다.

즉, 전기를 만드는 주체는 '전자 이동'이고, 물이 만들어지는 과정은 반응의 부산물일 뿐이다.

 

🔹 ③ 스택(Stack) 구조 — 단일 셀을 수십~수백 개 직렬 연결

한 개의 연료전지 셀은 약 0.6~0.7V 정도밖에 출력하지 않는다.
따라서 산업용·차량용으로 사용하려면 여러 개의 셀을 적층해 스택을 구성해야 한다.

스택의 핵심 요소

• MEA(Membrane Electrode Assembly): 전극 + 전해질막 통합 구조
• Separator Plate: 가스 분배 + 전류 전달 + 구조 지지
• Bipolar Plate: 다수의 셀을 직렬 연결, 수소·산소 유로 제공
• GDL(Gas Diffusion Layer): 기체 확산 최적화 및 수분·열 관리 기여

스택 설계의 완성도는 출력 밀도뿐 아니라 수명, 내구성, 안전성까지 결정하는 요소다.

🔹 ④ 수소연료전지의 기술적 특성 — 효율·출력·내구성

1) 에너지 효율

• 연료전지는 이론적으로 80% 이상까지 도달 가능
• 실제 시스템 효율은 40~60% 수준
• 배터리와 달리 충전·방전 손실이 없어 장시간 운전에서 경쟁력이 높다

2) 출력 응답성

• 가동 시간이 짧고 반응 응답성이 우수
• 전기차(EV) 대비 고속 주행 시 출력 안정성이 뛰어남
• 부하 변동이 큰 산업용 전력 공급에 적합

3) 수명·내구성

• 촉매 열화, 막 손상, 산소 농도 변화 등 복합적 영향을 받는다
• 차량은 5,000~8,000시간, 발전용은 40,000시간 이상 수명 확보 필요
• 이 때문에 고내구성 촉매와 강화막 개발이 핵심 R&D 트렌드

🔹 ⑤ 연료전지가 산업을 바꾸는 방식 — 모빌리티·발전·도시 인프라

1) 수소전기차(FCEV)

• 고속 주행·장거리 운행에 유리
• 3~5분 충전으로 600km 이상 주행 가능
• 상용트럭, 버스, 물류 차량에서 채택 확대 중

2) 발전용 연료전지

• 도심형 분산 발전의 핵심 기술
• 소음·진동이 적고 고효율·저탄소 운영 가능
• 연료전지 발전소는 이미 국내 주요 지자체에서 실증 확대

3) 전력망 안정화 용도

• 재생에너지 변동성을 보완하는 역할
• P2G(Power-to-Gas) 시스템과 결합해 전기–수소–전기의 순환 구조 구현
• 장기 저장이 가능해 ESS 한계를 보완