▲ 플라즈마 멤브레인 반응기의 외관. 사진 오른쪽은 동작시의 모습 (출처 : 기후 대학).

플라즈마를 이용해 암모니아로부터 고순도의 수소를 저비용으로 제조할 수 있는 시스템이 개발됐다.

일본 기후대학과 사와후지는 공동으로 암모니아를 원료로 하는 수소제조장치 개발에 성공했다고 최근 밝혔다.

수소에너지 보급을 위한 과제 중 하나는 저장 및 수송의 단순화이다. 수소는 부피 중량이 작기 때문에서 저장과 수송을 쉽게 하기 위해서는 700기압(Bar) 정도로 압축 또는 -252.9도 냉각해 액체로 만들어야한다. 하지만 비용문제로 상온 상압에 가까운 조건에서 저장·운반 할 수 있는 수소 운송기술 개발이 요구되고 있다.

이에 최근 주목을 받는 것이 암모니아(NH₃)를 사용하는 것이다. 1분자에 많은 수소를 가능하기 때문이다.

연구진들은 대기압 플라즈마를 이용해 상온에서 촉매없이 암모니아로부터 수소를 제조하는 ‘상온 무촉매 수소 제조법’을 개발했다. 석영유리로 만들어진 이중통 구조 장치의 외통에 접지전극을 감아 내통에 고전압 전극을 삽입한다. 2~5mm의 틈새에 암모니아 가스를 흘려 일정한 파형의 전압을 가하여 수소와 질소를 발생시키는 구조다.

하지만 촉매반응법과 마찬가지로 미반응 암모니아가 잔류하는 문제가 남았는데, 이에 잔류암모니아를 혼입하지 않고 수소만을 분리하는 ‘플라즈마 멤브레인 반응기’라는 장치를 새로 개발했다. 수소 분리막을 용접한 고전압 전극을 도입해 잔류 암모니아의 혼입을 막은 것이다.

연구진은 ‘플라즈마 발생용 고전압 전원’을 개발하고 이들을 결합한 수소제조장치를 만들었다. 그리고 장치를 이용해 암모니아 원료로 수소를 만든결과 순도 99.999%(5N)의 수소를 추출하는데 성공했다. 또한 수소를 이용해서 실제 연료전지에도 발전이 가능함을 확인했다. 고순도의 수소를 제조하며 비싼 귀금속 촉매가 필요없고 저렴한 비용으로 시설 구축이 가능하다.

연구진은 “액화암모니아는 운반이 쉬워 연료전지의 원료로 액화수소와 고압수소보다 보급이 용이하다”며 “공사현장, 이벤트등에 쓰이는 옥외용 소형발전기로 즉시 응용이 가능하며 향후 산업용·가정용 발전기로 액화 암모니아를 원료로하는 연료전지발전을 이용할수 있을 것”이라 밝혔다.

또한 플라즈마 멤브레인 반응기는 전기적으로 작동하는 수소 발생량의 제어가 용이하고, 연료 전지자동차와 수소 스테이션, 전기 자전거 등의 이동성에도 응용이 가능하며 연료전지자동차의 연료로 수소가 아닌 액화 암모니아를 사용하는 것도 가능하다,

연구진은 연료전지자동차는 고압 탱크(120L)에 5kg의 수소를 충전하고 있지만, 플라즈마 멤브레인 반응기를 이용한 수소 제조 장치는 약 40% 감소한 70L 액화 암모니아 탱크로도 가능해 수소 스테이션과 고압 탱크가 없이 암모니아를 공급하면 주행 할 수 있는 연료전지 자동차를 실현할 수 있다고 밝혔다.