연구원들은 수소 생산을 위한 세라믹 막 반응기를 설계합니다.

CoorsTek Membrane Sciences, 오슬로 대학교, 스페인 발렌시아 소재 Instituto de Tecnologica Quimica의 연구원들은 수소 생산을 개선하기 위한 세라믹 막 반응기 기술을 개발하기 위해 협력했습니다. 이 기술을 통해 연구진은 단일 단계에서 수소 생산과 CO2 포집을 모두 달성하는 방법을 성공적으로 만들었습니다. 이는 방법을 훨씬 더 에너지 효율적으로 만든다.

"현재 확립된 방법은 70%에서 75% 사이의 에너지 효율성 등급을 가지고 있지만 우리의 접근 방식은 90%의 잠재적 효율성을 가지고 있습니다"라고 오슬로에 있는 CoorsTek Membrane Sciences의 Harald Malerød-Fjeld는 설명했습니다. "최종 제품은 순도가 높은 압축 수소입니다. 또한 세라믹 분리막 반응기는 이산화탄소를 보다 효율적으로 분리하여 온실가스를 쉽게 운반하고 격리할 수 있습니다."

5년 전, 연구팀은 에너지 효율이 높은 새로운 접근 방식을 사용하여 수소를 생산하는 기본 원리를 입증하는 데 성공했습니다. 사이언스(Science)의 최근 기사에서는 이 방법이 효과가 있음을 확인했으며 팀은 현재 기술을 확장하기 위해 노력하고 있습니다.

Malerød-Fjeld는 “이것은 수소를 연료로서 훨씬 더 실용적으로 만드는 중요한 단계입니다.”라고 말했습니다. "이 공정은 또한 탄소 배출량이 적습니다."

CoorsTek Membrane Sciences는 에너지 변환용 세라믹 재료 제조를 전문으로 하며 SINTEF와 함께 이 프로젝트의 연구 파트너 중 하나입니다.

이 연구는 CoorsTek Membrane Sciences 부지와 같은 장소에 위치한 오슬로의 SINTEF 시설 및 실험실에서 수행되고 있습니다. SINTEF의 선임 연구 과학자 Thijs Peters는 새 프로젝트에 관한 Science 기사의 공동 저자 중 한 명입니다.

Peters는 “이 기술의 흥미로운 점은 단기 및 장기적 관련성이 모두 있다는 것입니다.”라고 덧붙였습니다. "천연가스에서 청색 수소를 생산하는 데뿐만 아니라 '보다 지속 가능한 미래'의 일환으로 바이오가스나 암모니아에서 녹색 수소를 생산하는 데에도 사용할 수 있습니다."

천연가스로부터 수소를 생산하는 데 사용되는 기술을 증기 개질이라고 합니다. 천연가스는 대부분 메탄으로 구성되어 있으며, 이것이 증기와 반응하면 메탄 분자 하나당 4개의 수소 분자가 생성됩니다. 이 반응이 성공하려면 증기가 고온에서 공급되어야 합니다.

증기 개질과 관련된 주요 문제는 공정에 에너지가 많이 필요하고 여러 단계로 진행된다는 점입니다. 또한 부산물로 CO2가 존재합니다. 반면에 신기술은 증기 개질 공정을 추진하기 위해 외부 열이 필요하지 않습니다. 새로운 공정의 핵심은 수소가 세라믹 막을 통해 펌핑될 때 열이 자동으로 생성된다는 것입니다. 이 방법에서는 정확히 필요한 곳에 열이 생성됩니다.

새로운 방법에 사용되는 가장 작은 구성 요소는 6cm 길이의 세라믹 실린더로 구성된 전기화학적 연료 전지입니다. Science 기사에 설명된 대규모 막 반응기는 크기가 4cm x 40cm입니다. 연속적인 전기 회로를 형성하기 위해 연결된 36개의 셀로 구성됩니다.

세포를 연결하는 재료는 이름에서 알 수 있듯이 유리와 도자기와 같은 세라믹 재료의 복합물인 유리-세라믹으로 구성됩니다. 그런 다음 이 물질을 전기 전도성 금속 분말과 혼합합니다.

CoorsTek Membrane Sciences에 따르면 이 재료의 개발은 확장 프로세스를 가능하게 하는 핵심이었습니다. 반응기 멤브레인은 가스를 고압으로 유지하는 강철 튜브에 배치됩니다.

새로운 기술의 비밀은 가스 혼합물에서 수소를 제거하는 막을 구성하는 양성자 전도성 세라믹이라는 재료에 있습니다.

메탄(CH4)을 만나면 수소 분자가 쪼개지고 막은 개별 원자를 구성 요소인 양성자와 전자로 분해합니다. 양전하를 띤 양성자는 막을 통해 침투하는 반면, 전자는 전극에 포획되어 외부 전기 회로를 통해 막 주위로 운반됩니다. 양성자와 전자가 막 반대편에서 재결합할 때 생성물은 순수한 압축 수소입니다.