수소 생산을 위한 대기압 전자파 스팀 플라즈마 개질 연구

Abstract

본 논문은 대기압 전자파 증기 플라즈마를 이용하여, 촉매를 사용하지 않고 간단한 시스템으로 습식 개질 반응을 수행하는 연구이다. 현재 존재하는 수소를 생산하는 기술 방식 중, 가장 널리 쓰이는 방식은 증기 메탄 개질법(Steam Methane Reforming)이다. 하지만, 상용화된 촉매를 사용하여야 하며 고기압의 조건에서 운영되므로 반응기 및 시스템이 전체적으로 커질 수밖에 없다. 전자파 스팀 플라즈마는 순수한 물을 스팀으로 변환하여 플라즈마를 발생시키므로, 반응 후 물(H2O) 외에 다른 부산물이 생성되지 않는다. 스팀 플라즈마는 중심온도가 약 6000K이며, OH, H, O 등의 라디칼과 여러 분자들이 생성되어 화학 반응을 촉진시키므로, 별도의 촉매 사용 없이 화학 반응의 수행이 가능하다. 따라서 스팀 개질 시스템의 단순화가 가능하다. 2.45GHz의 전자파 스팀 플라즈마는 내부 직경이 ?26인 방전관 안에서, 3 kW의 전력과 1.3 kg/h로 공급되는 소용돌이 스팀에 의해 안정적으로 형성되었다. 스팀 메탄 개질은 안정적으로 형성되어 있는 스팀 플라즈마에 메탄 가스를 추가적으로 투입하여 수행하였으며, 탄소 대비 증기(Steam to Carbon, 이후 S/C로 표기함) 비율은 9, 5, 4, 3 으로 측정하였다. 측정된 수소는 역방향 와류 반응기를 사용하였을 때 S/C 비율 = 3의 조건에서 71.3 vol.%였으며 메탄 전환율(Methane conversion rate)은 98.8 %였다. 메탄 증기 개질은 화학식에 의하여 수소와 더불어 일산화탄소(Carbon monoxide, 이후 CO로 표기함)를 배출한다. 일산화탄소는 인체와 환경에 유해하며, 연료전지에 있어서 효율 하락과 수명 단축을 야기한다. 그러므로 생성된 일산화탄소를 이용하여 수성가스 전화반응(Water-Gas Shift Reaction)을 추가적으로 수행하여 일산화탄소 저감과 수소 추가 생산이 필요하다. 수성가스 전화반응은 실린더 석영 반응기와 역방향 와류 반응기를 사용하여 실험을 수행하였으며, 실린더 석영 반응기를 사용했을 때, 평균 38.3 vol%의 수소 생산 수율과 구조적 특성에 의한 낮은 스팀 플라즈마의 안정성을 나타냈다. 역방향 와류 반응기를 사용하였을 때는 수소 생산 수율과 CO 전환율이 S/C 비율 = 3의 조건에서 각각 37 vol%와 71%였으며, 안정적인 스팀 플라즈마를 통한 연료 개질이 가능하였다.