플라즈마 활성화에 의한 전기화학적 수소펌프
Plasma catalyzed electrochemical hydrogen pump
초록/요약
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.
more목차
국문요약 Ⅰ
목 차 Ⅱ
표 목록 Ⅲ
그림 목록 Ⅳ
제 1 장 서론 1
1.1 연구 목적 및 필요성 1
제 2 장 연구배경 4
2.1 미소방전(Micro-plasma) 7
2.2 전기화학적 수소펌프(Electrochemical hydrogen pump) 9
2.3 플라즈마 활성화에 의한 전기화학적 수소펌프(PAHPA) 12
제 3 장 실험장치 설계 및 실험방법 15
3.1 다공성 방전유도체에서의 미소방전(MIPM) 15
(1) 다공성 방전 유도체의 제작 16
(2) 다공성 방전 유도체의 전극제작 18
3.2 전기화학적 수소펌프의 구성 및 제작 20
3.3 플라즈마 활성화에 도움을 받는 전기화학펌프 23
(1) 플라즈마 활성화에 도움을 받는 전기화학펌프 반응기의 구성 23
(2) 고전압 펄스 전원(High voltage pulse power) 28
제 4 장 실험 결과 및 고찰 29
4.1 다공성 방전 유도체를 사용한 미소방전(MIPM)의 제작과 성능 29
4.2 수소펌프 MEA(Membrane Electrode Assembly)제작의 문제점 38
4.3 고온형 PAHPA의 성능 41
4.4 Pulse 전원을 이용한 고온형 PAHPA의 성능 44
4.5 에너지 효율(Energy efficiency) 48
제 5 장 결론 및 향후과제 50
참고문헌 52
Abstract 58
Publication list 59
