회전 아크 방전 플라즈마를 이용한 메탄의 열분해 및 수소 생산

Hydrogen production by pyrolysis of methane using a rotating arc discharge plasma

현재 전 세계적으로 수소 연료 기반의 전력 생산, 정제, 암모니아 및 메탄올 합성 등등의 다양한 분야에서 수소의 수요가 증가하고 있다. 하지만 현재 생산되고 있는 대부분의 수소는 화석연료 기반의 이른바 회색 수소이며 이 과정에서 10 tCO₂/tH₂의 이산화탄소가 배출되고 있다. 이 때문에 온실가스 배출이 없는 청록 수소나 녹색 수소 생산에 대한 연구 개발 수요가 종가하고 있다. 본 연구에서는 플라즈마를 활용하여 메탄의 열분해 반옹을 일으키고 이룰 통해 수소를 생산하는 실험을 수행하였다. 대기압에서 양 전극 사이에 고전압을 인가하고 수 A 이상의 전류를 흘려주는 방식의 아크 방전 플라즈마를 활용하였다. 청록 수소를 생산하기 위해 , 메탄올 방전 기체로 주입하여 플라즈마 상태를 만둘었다. 이로 인해 메탄의 이온화 및 분해 반응을 일으킨 동시에, 회전 아크로 인해 방전 영역 내 기체 온도가 상승하여 공급된 메탄의 열분해 반응을 유도하였다. 기체크로마토그래피 장비를 이용하여 생성된 기체 혼합물 내의 수소, 탄화수소 및 메탄의 양을 측정하였고, 이룰 통해 메탄의 전환율, 수소 및 탄화수소의 선택도를 계산하였다. 플라즈마로 전달되는 파워가 증가할수록 메탄의 전환율이 증가하고, 수소의 선택도가 증가하였다. C₂-hydrocarbons의 선택도와 carbon balance가 동시에 감소하는 것으로 보아 메탄의 열분해로 인해 생산된 주요 물질은 수소와 고체 탄소임을 알 수 있었다. 본 연구를 통해, 메탄을 방전 기체로 한 플라즈마를 활용하여 메탄올 열분해할 때 SEI 조건에 따라 높은 선택도의 청록 수소를 생산할 수 있음을 알 수 있었다.