플라즈마 활성화에 의한 전기화학적 수소펌프

Abstract

본 연구는 수증기와 SO2 혼합가스로 구성된 혼합물의 화학반응성을 대기압 미소방전에 의하여 촉진시키고 전기적으로 음전하가 강하게 축적된 팔라디움(Palladium) 양극성(bipolar) 전극에 흡착된 물 분자로부터 수소를 전기화학반응에 의해 분리하여 제조하는 방법(Plasma-assisted Hydrogen Pump Assembly: PAHPA)에 관한 것이다. 이러한 목적을 위한 반응기는 플라즈마 반응기와 전기화학적 수소펌프의 두 요소로 구성되어 있으며 그 사이에는 양극성(bipolar) 팔라디움(Pd)전극이 위치한다. 수증기 방전이 일어나는 플라즈마 반응기의 전극 및 방전 형태로는 낮은 전압에서 방전이 유지되어 에너지 효율이 우수한 다공성 방전유도체를 이용한 미소방전(Micro-plasma Inside a Porous Medium; MIPM)을 채택하였고 고전압 직류전원과의 연결은 Pd전극이 음극(Cathode)이 되도록 극성을 조정하였으며 플라즈마 반응기에서 생성된 비 열평형(non-thermal) 전자들은 수소원자들을 물 분자로부터 분리시키는데 결정적인 역할을 함을 실험적으로 증명하였다. 그리고 전기화학적 고온 수소펌프의 전해질로는 600~800℃ 사이에서 수소이온을 전도시키는 Perovskite 계열의 고체산화물을 사용하였으며 저전압 직류전원과의 연결은 Pd 전극이 산화전극(Anode)이 되도록 하였다. 본 연구에서는 수증기를 반응가스로 이용한 MIPM의 전기적인 특성과 이에 따른 전기화학적 수소펌프의 특성을 관찰하였다. PAHPA 시스템의 에너지 효율은 작동 온도가 600℃에서 800℃로 증가함에 따라 약 300%(16㎖/100J) 정도 증가함을 확인 하였다. 또한 전원장치를 직류전원에서 고효율 펄스전원으로 변환시켰을 때 플라즈마 발생에 필요한 전기적인 에너지가 크게 감소하였으며 전체시스템의 에너지 효율은 직류전원을 사용하였을 때보다 거의 10배 증가하였고, 이 효율로 전기에너지 100J당 50㎖의 수소가스를 발생 시킬 수 있었다.