COPILOT와 수소차 공부를 더 했어요

과학이 궁금해요 시리즈

지난번 얼떨결에 수소차와 관련된 이야기를 소개했는데, 오늘은 좀 더 심도 있게 그러나 쉽게 COPILT와 대화를 했어요. 먼저 기초적인 용어에 대한 설명을 부탁했어요.

촉매와 양성자의 개념 및 역할을 더 알고 싶어요. 수소연료전지는 수소는 대기 중이 아닌 수소충전소에서, 산소는 대기 중에서 필터링을 통해서 공급을 받아서 수소와 산소는 물이 되어 사라지고, 생성 된 전기는 차량 내 고압수소탱크에 저장이 되는 건가요?

� 촉매와 양성자의 개념 및 역할

1. 촉매란? 촉매는 화학반응의 속도를 높여주는 물질이에요. 중요한 점은, 자신은 반응 후에도 변하지 않고 그대로 남아 있다는 것이죠. 수소연료전지에서는 백금(Pt)이 대표적인 촉매로 사용되며, 수소 분자를 전자(e⁻)와 양성자(H⁺)로 분리하는 데 도움을 줍니다.

2. 양성자란? 양성자는 수소 원자에서 전자가 빠져나간 뒤 남은 H⁺ 이온이에요. 이 양성자는 전해질막(PEM)을 통과해 반대쪽 전극으로 이동하고, 그곳에서 산소와 결합해 물(H₂O)을 생성합니다. 이 과정은 전기를 생산하면서도 오염물질을 배출하지 않는 핵심 메커니즘이에요.

� 수소와 산소의 흐름, 그리고 수소의 재사용 여부

수소는 대기 중에서 얻지 않습니다. 수소는 수소충전소에서 고압으로 차량의 연료탱크에 주입되며, 차량 내에서 연료전지 스택으로 공급됩니다.

산소는 대기 중에서 필터링을 통해 흡입되며, 연료전지의 양극에서 수소의 양성자 및 전자와 반응해 물을 생성합니다.

수소와 산소는 반응 후 물로 완전히 변환되며, 한 번 반응한 수소는 다시 저장되지 않고 물로 배출돼요.

이 과정을 비유하자면, 수소는 연료전지라는 ‘작은 발전소’에 들어가 전기를 만들고, 그 임무를 마친 뒤에는 수증기 형태로 퇴장하는 셈이죠. �

중앙의 사각형처럼 수소(수소충전소를 통해서)와 산소(대기 중)가 연료전지 스택으로 들어가고, 수소가 전자와 양성자로 분리되어 전자(e-)는 전기를 만들고, 양성자(H+)는 산소와 결합해 물(H2O)을 생성하는 과정이 시각적으로 표현되어 있어요.

� 그러면 수소는 왜 대기 중에서 구하지 않고 충전소가 필요한 거죠?

수소는 우주에서 가장 풍부한 원소이지만, 대기 중에는 거의 존재하지 않기 때문에 충전소가 꼭 필요해요. 이유를 단계별로 정리해 볼게요:

�️ 1. 대기 중 수소는 거의 없다

대기 중의 수소(H₂) 농도는 약 0.00005% 수준으로 매우 희박해요. 반면 산소는 약 21%나 되죠. 그래서 산소는 대기에서 바로 흡입해 사용할 수 있지만, 수소는 대기에서 직접 추출하는 것이 비효율적이에요.

� 2. 수소는 대부분 다른 물질에 결합된 형태

수소는 자연 상태에서 물(H₂O)이나 탄화수소(예: 메탄 CH₄) 같은 형태로 존재해요. 따라서 수소를 사용하려면 먼저 이 물질들을 분해해서 순수한 수소를 추출해야 해요. 이 과정을 수소 생산이라고 하며, 대표적인 방식은 다음과 같아요:

천연가스 개질 (SMR): 가장 흔한 방식이지만 이산화탄소가 발생해요.

물 전기분해: 재생에너지로 전기를 공급하면 친환경적인 그린 수소 생산이 가능해요.

⛽ 3. 그래서 수소는 미리 생산해서 충전소에 저장

수소는 이렇게 공장에서 미리 생산한 뒤, 고압으로 압축하거나 액화해서 수소 충전소에 저장해요. 차량은 이 충전소에서 수소를 주입받아 연료전지에서 전기를 생산하게 되는 거죠.

� 4. 남은 수소를 다시 저장하지 않는 이유

연료전지에서 수소는 산소와 반응해 물로 완전히 변환되기 때문에, 남는 수소가 다시 탱크로 돌아가는 일은 없어요. 일회성 반응이기 때문에 지속적인 공급이 필요하죠.

요약하자면, 수소는 대기 중에 거의 없고, 자연 상태에서는 다른 물질에 묶여 있어서 미리 생산하고 저장한 뒤 충전소를 통해 공급해야 해요.

�아 저는 대기 중에 수소가 산소보다 더 많이 떠 다니는 줄 알았어요. 그런데 물속에 결합되어 있는 등 채취 과정과 비용이 필요한 거군요.... 저는 참고로 상대출신이라 고등학교재학 시 물리/화학을 배우지 않아서 물리의 기초가 부족해요....

그런 생각 충분히 하실 수 있어요! 수소가 우주에서 가장 많은 원소이긴 하지만, 지구 대기에서는 ‘혼자 떠다니는’ 상태의 수소 분자(H₂)를 거의 찾을 수 없어요. 왜냐하면 수소는 너무 가벼워서 대기권 밖으로 도망가버리거나, 다른 원소랑 너무 잘 결합해서 자유롭게 있는 일이 드물거든요. 주로 물(H₂O)이나 유기물, 광물 안에 단단히 묶여서 존재해요. 그래서 말씀하신 것처럼 채취 과정과 비용이 꽤 들어갑니다.

그리고 물리 기초가 부족하다고 걱정하지 않으셔도 돼요! 제가 어려운 부분은 천천히, 쉽게 풀어서 도와드릴 수 있어요. � 과학은 이해하겠다는 ‘궁금함’이 가장 강력한 출발점이거든요. 이런 질문을 던지는 자세가 바로 최고의 학습이에요.

� 전기를 써서 수소를 만든다고요? 낭비일까요, 미래일까요?

수소차에 관심을 가지면서 “수소는 어떻게 만들어질까?”라는 질문이 생겼습니다. 특히 물을 전기로 분해해서 수소를 만든다는 이야기를 들었을 때, 솔직히 이런 생각이 들었죠.

> “전기를 써서 수소를 만들고, 그 수소로 다시 전기를 만든다고? 그럼 전기 낭비 아닌가요?”

하지만 이 질문은 수소경제의 핵심을 찌르는 아주 중요한 물음입니다. 그래서 오늘은 전기분해 수소가 왜 ‘친환경’이라고 불리는지, 그리고 정말 에너지 낭비는 아닌지를 함께 풀어보려 합니다.

� 전기분해란 무엇인가요?

전기분해는 말 그대로 물을 전기로 분해해서 수소(H₂)와 산소(O₂)를 얻는 과정입니다. 화학식으로는 이렇게 표현돼요:

H₂O + 전기 에너지 → H₂ + ½ O₂

이때 생성된 수소는 연료전지차나 산업용 연료로 사용되고, 산소는 대기 중으로 방출되거나 산업용으로 활용됩니다.

� 왜 전기분해 수소가 ‘친환경’인가요?

전기분해 자체는 전기를 많이 쓰는 과정이지만, 그 전기를 어디서 얻느냐가 핵심이에요.

만약 석탄이나 천연가스 발전소에서 만든 전기를 쓴다면, 이산화탄소가 발생하므로 친환경적이지 않아요.

하지만 태양광, 풍력, 수력 같은 재생에너지로 만든 전기를 사용하면, 탄소 배출 없이 수소를 생산할 수 있어요.

이렇게 만들어진 수소를 ‘그린 수소’라고 부르며, 진정한 청정에너지로 인정받습니다.

⚡ 전기를 써서 수소를 만드는 게 낭비 아닌가요?

에너지 전환 과정에서는 항상 손실이 발생합니다. 전기 → 수소 → 다시 전기, 이 과정에서 효율은 약 30~50% 수준이에요. 그렇다면 왜 굳이 이런 복잡한 과정을 거칠까요?

이유는 세 가지입니다:

잉여 전기의 저장 수단 태양광이나 풍력은 날씨에 따라 전기가 남을 때가 있어요. 이 전기를 그냥 버리느니, 수소로 바꿔 저장하면 나중에 필요할 때 다시 쓸 수 있어요.

운반과 저장이 쉬운 에너지 전기는 멀리 보내기 어렵지만, 수소는 탱크에 담아 운반할 수 있어요. 특히 산업용, 항공, 선박 등 전기로 대체하기 어려운 분야에서 유용하죠.

탄소 없는 에너지 전환 수소는 연소해도 물만 배출하므로, 탄소중립 사회로 가기 위한 핵심 에너지원이에요.

� 결론: 낭비가 아니라 ‘전략적 전환’

전기분해는 단순히 전기를 낭비하는 기술이 아니라, 잉여 전기를 저장하고, 탄소 없는 에너지를 만드는 전략적인 방법입니다. 물론 아직은 비용이 높고 효율도 개선이 필요하지만, 기술 발전과 재생에너지 확대가 이 문제를 점점 해결해가고 있어요.

이 내용을 더 쉽게 풀어서 재미난 스토리형식으로 만들어 달라고 했어요. 아래 내용을 읽으면 이제 영원히 어려울 것 만 같았던 스토리를 완벽히 이해할 수 있어요.

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� “물을 전기로 쪼개서 수소를 만든다고요?”

— 수소와 전기, 그 낯선 친환경 이야기를 당신께 들려드릴게요.

혹시 이런 생각, 해보신 적 있으신가요?

> “전기를 써서 수소를 만들고, 그 수소로 다시 전기를 만들어 쓰는 거면… > 에너지를 두 번 쓰는 거잖아? 낭비 아닌가요?”

사실 저도 처음엔 고개를 갸웃했답니다. 하지만 이 질문은 아주 멋진 출발이에요. 왜냐하면 지금 우리가 맞닥뜨린 에너지 전환의 중심축이 바로 이 수소이기 때문이거든요. 오늘은 그 이야기를, 어렵지 않게, 마치 산책하듯 함께 걸어가 보려 해요.

� 전기분해, 물을 전기로 나눈다는 것

물을 전기로 갈라 보면, 그 안에서 수소(H₂)와 산소(O₂)가 나옵니다. 이걸 과학적으로는 이렇게 써요:

H₂O + 전기 에너지 → H₂ + ½ O₂

익숙하지 않아도 괜찮아요. 중요한 건, 수소는 이 과정을 통해 따로 저장될 수 있고, 그 수소가 다시 전기를 만들고, 그 전기로 차가 달리고, 공장이 돌아간다는 거예요. 에너지가 눈에 보이지 않는 연결고리를 만들어가고 있는 거죠.

� 그럼 이게 왜 친환경일까요?

핵심은 여기에 있어요: 이 전기를 어떻게 만들었는가.

화석연료로 만든 전기라면... 사실 의미가 퇴색돼요.

하지만 태양빛, 바람, 물줄기처럼 깨끗한 에너지로 만든 전기라면?

우리는 탄소 없이 푸른 수소(그린 수소)를 얻을 수 있어요. 이제는 단지 에너지를 쓰는 것이 아니라, 지구를 배려하는 방식으로 에너지를 얻는 기술을 말하고 있는 거예요.

⚡ 그럼에도 전기를 써서 수소를 만드는 건 효율이 떨어지지 않나요?

맞아요, 완전히 효율적이진 않아요. 중간 과정에서 에너지 손실도 있고, 비용도 들어가요. 그런데도 인류는 이 길을 택하려고 해요. 왜일까요?

이유는 단순하지만 강력해요:

잉여 전기 저장: 태양이 너무 뜨거운 날, 바람이 너무 센 날, 그 남는 전기들… 그냥 흘려보내야 할까요? 아니요. 수소로 바꾸어 저장할 수 있어요.

이동 가능한 에너지: 전기는 멀리 보내기 어렵지만, 수소는 탱크에 담아 항공기로, 선박으로, 공장으로 옮길 수 있어요.

탄소 없는 연료: 수소가 연소될 때 나오는 건 단 하나, 물 뿐이에요.

� 이건 낭비가 아니라 ‘다른 방식의 희망’

그렇기에 우리는 묻는 대신, 조금씩 바꿔가보려 하는 것 같아요. 수소는 단순한 연료가 아니라, 에너지를 저장하고 이동시키는 캐리어입니다. 우리가 지금 그것을 조금씩 이해하고 응원하는 것이, 탄소중립으로 향하는 우리 세대의 작은 첫걸음일지도 몰라요.

이제 약속드렸던 표지 이미지도 함께 보여드릴게요. 정수님의 이야기를 더욱 돋보이게 만들 감성적인 커버가 될 거예요 � 조금만 기다려 주세요… 이미지 준비 중입니다.

� “수소로 달리는 차, 그 안에선 무슨 일이 벌어질까요?”

혹시 수소차에 대해 들어보신 적 있으신가요? 조용히 달리면서 배출되는 건 오직 물방울, 그리고 수증기뿐인 차라고 하면 조금은 미래적인 풍경처럼 느껴지시죠?

그런데 이 조용하고 깨끗한 차 안에서는, 눈에 보이지 않는 아주 역동적인 과학이 펼쳐지고 있어요. 오늘은 그 이야기를 살짝 들려드릴게요.

� 연료전지, 자동차 속 ‘작은 발전소’

수소차의 심장은 바로 연료전지(Fuel Cell)입니다. 이건 엔진처럼 연료를 태우는 게 아니라, 화학반응을 이용해 전기를 직접 만들어내는 장치예요.

어떻게 하냐고요? 연료탱크에 저장된 고압 수소(H₂)는 연료전지 스택 안으로 들어가고, 그곳에서 백금 촉매를 만나 특별한 마법이 일어나요.

수소는 그 순간, 전자(e⁻)와 양성자(H⁺)로 분리됩니다. 전자들은 외부 회로를 따라 흘러 모터에 전기를 공급하고, 양성자는 얇고 특별한 필름인 전해질막을 지나 반대편으로 이동합니다.

그곳엔 대기 중에서 들어온 산소(O₂)가 기다리고 있어요. 이 둘이 만나면, 마치 퍼즐처럼 딱 맞아떨어져 ‘물(H₂O)’을 생성하죠. 이때 발생하는 전기와 열은 모두 차를 움직이는 데 사용된답니다.

� 오염물질? 아니요, 수증기뿐이에요

놀랍게도 이 모든 과정에서 배출되는 건 이산화탄소도, 질소산화물도 아닌 단순한 물이에요. 차가 달릴수록 공기를 더럽히는 게 아니라, 오히려 맑은 수증기를 내뿜는 셈이죠.

그래서 수소차는 단순히 ‘연료를 덜 쓰는 차’가 아니라, 근본부터 다른 방식의 에너지 운반자예요.

�️ 수소는 어디에 담기고, 어떻게 충전할까요?

“그럼 수소는 공기 중에서 가져오는 건가요?”라는 질문, 저도 해봤어요. 사실 수소는 공기 중에 거의 존재하지 않아요. 그래서 별도로 수소 충전소에서 고압으로 주입해야 해요.

수소탱크는 700 기압에 가까운 고압을 견디는 특수한 용기입니다. 탄소섬유로 단단하게 감싸서 안전하게 수소를 담아두죠. 그리고 주행 중엔 그 수소가 조금씩 연료전지로 이동해 차를 조용히, 그리고 꾸준히 움직이게 합니다.

이렇게 차 안에서 펼쳐지는 연료전지의 여정을 알고 나면, 수소차의 매력이 더 크게 느껴지지 않으세요?

정수님, 정말 멋진 요청이에요! � 수소차와 연료전지 이야기를 더 깊이 이해하려면, 그 안에서 활약하는 촉매, 전자, 양성자 같은 친구들을 제대로 소개해드려야겠죠. 마치 연료전지 속 작은 배우들처럼요. 자, 하나씩 친근하게 풀어볼게요.

� 촉매(Catalyst) — 반응을 돕는 조용한 조력자

촉매는 화학반응을 빠르게 만들어주는 도우미예요. 하지만 중요한 건, 자기 자신은 변하지 않는다는 점이에요. 수소차에서는 백금(Pt)이 대표적인 촉매로 쓰이는데, 이 친구는 수소 분자를 전자와 양성자로 분리하는 데 큰 역할을 해요.

> 비유하자면, 촉매는 무대 뒤에서 배우들이 제 역할을 잘하도록 도와주는 연출가 같아요. > 무대가 끝나도, 조용히 제자리에 남아 있죠.

⚡ 전자(Electron) — 에너지를 실어 나르는 전기 배달부

전자는 음전하를 띤 아주 작은 입자예요. 수소 분자가 연료전지 안에서 분해되면, 전자는 외부 회로를 따라 이동하면서 전기를 만들어내는 주인공이 됩니다.

> 전자는 마치 전선 위를 달리는 에너지 택배 기사 같아요. > 이 친구가 있어야 모터가 돌아가고, 차가 움직일 수 있어요.

☀️ 양성자(Proton) — 전자와 짝을 이루는 양전하 입자

양성자는 수소 원자에서 전자가 빠져나간 뒤 남은 H⁺ 이온이에요. 이 친구는 전해질막(PEM)을 통과해 반대쪽으로 이동하고, 그곳에서 산소와 만나 물(H₂O)을 만들어냅니다.

> 양성자는 전자와는 반대 성격의 친구예요. > 전자가 전기를 만들고 있을 때, 양성자는 조용히 산소와 만나 물을 만들어내죠.

� 이 세 친구가 함께 만드는 연료전지의 마법

촉매가 수소를 전자와 양성자로 나누고,

전자는 외부 회로를 따라 전기를 만들고,

양성자는 산소와 만나 물을 만들어요.

이 모든 과정이 연료전지 스택 안에서 실시간으로 일어나며, 우리가 타고 있는 수소차를 조용히, 깨끗하게 움직이게 해주는 거죠.

⚡ 전자는 왜 전기를 만들 수 있을까요?

전기의 본질은 전자(electron)라는 아주 작은 입자의 이동이에요. 전자들은 음전하(–)를 띠고 있고, 금속이나 도체 안에서는 꽤 자유롭게 움직일 수 있어요.

그럼 전기가 흐른다는 건 무슨 뜻일까요?

마치 물줄기가 파이프를 따라 흐르듯,

전자들이 도선(전선) 안에서 한 방향으로 줄지어 움직이는 걸 우리는 전류라고 부릅니다.

이 전류가 흐르면, 전자들이 전기 에너지를 전달하게 되고, 그 에너지가 모터를 돌리거나, 전구를 켜거나, 스마트폰을 충전하게 되는 거죠.

� 전자는 어떻게 움직이게 될까요?

전자들은 그냥 가만히 있지 않아요. 전압(전기적인 압력)이 걸리면, 전자는 음극(–)에서 양극(+) 쪽으로 밀려나듯 이동해요. 이때 생기는 흐름이 바로 전기입니다.

> 쉽게 말해, 전자는 전기의 주인공이자 배달부예요. > 전기를 만들어내는 게 아니라, 전기를 ‘운반’하는 존재죠.

이제 이 과정을 한눈에 보여주는 간단한 그림이 곧 나타납니다! 전자가 어떻게 움직이고, 어떻게 전기가 만들어지는지 시각적으로 이해하시면 훨씬 더 쉽게 와닿으실 거예요.

그림을 보신 뒤, “전압은 왜 생기나요?” “전류와 전압은 어떻게 다르죠?” 같은 다음 단계의 궁금증도 자연스럽게 이어질 수 있어요. 언제든지 함께 풀어봐요! �

정확한 명칭과 흐름을 담은 깔끔한 새 이미지도 만들

정수님, 요청하신 명확한 흐름과 용어를 담은 연료전지 반응 구조 이미지 준비되었어요! � 이 그림은 전자가 어떻게 전기를 만들고, 수소와 산소가 어떻게 만나 물이 되는지의 전반적인 과정을 시각적으로 나타낸 거예요.

마지막으로 전기차와 수소차의 에너지 흐름 차이를 비교해 볼 시간이네요!

� 두 차량 모두 “모터”로 움직이는 건 같지만, 전기에 도달하는 과정은 완전히 다르거든요.

곧 보여드릴 이미지에는 전기차(BEV)와 수소차(FCEV)의 에너지 흐름을 나란히 비교한 구조도가 담겨 있어요.

⚡ 전기차(BEV, Battery Electric Vehicle)

전기 생산: 발전소(재생에너지, 원자력 등)에서 전기를 생산

전기 저장: 충전소를 통해 배터리에 직접 충전

모터 구동: 배터리에서 공급된 전기가 모터를 작동시켜 차량을 움직임

배출물: 없음 (단, 전기 생산 시 탄소 배출 여부는 에너지원에 따라 다름)

> 전기차는 전기를 “그대로 저장”해 사용하는 직접적인 방식이에요.

� 수소차(FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle)

수소 생산: 천연가스 개질 or 물 전기분해

수소 저장: 고압 수소탱크(700 bar) 충전

전기 생성: 수소와 산소가 연료전지에서 반응해 전기를 실시간 생산

모터 구동: 생성된 전기가 모터를 돌려 주행

배출물: 물(H₂O)만 배출

> 수소차는 전기를 만들어가며 쓰는 발전소를 품고 있는 차예요.

� 비교 포인트 요약

항목 전기차(BEV) 수소차(FCEV)

에너지 저장 방식 배터리 충전 고압 수소 저장

전기 생성 방법 외부에서 공급받은 전기 사용 연료전지 내 화학반응으로 실시간 생산

충전 시간 보통 수십 분~수 시간 수분 내 빠른 충전 가능

주행 중 배출물 없음 수증기(물)만 배출

인프라 충전소 보급 확대 중 수소충전소는 아직 제한적