[월간수소경제 편집부] 사와후지전기(澤藤電機)와 기후(岐阜)대학이 플라즈마를 이용한 수소 제조 장치인 ‘플라즈마 멤브레인 리액터(이하 PMR)’의 고출력화에 성공했다. 이에 따라 암모니아로부터 시간당 150NL의 수소를 99.999%의 높은 순도로 생산할 수 있게 됐다.

수소는 지구온난화를 막기 위한 차세대 에너지원으로 주목을 모으고 있다. 현재 수소를 저장 및 운반하기 위해서는 700기압으로 압축하거나, -253℃로 냉각해 액화시키는 과정이 필요하다. 문제는 이 과정에서 에너지가 일부 손실된다는 점이다.

이에 따라 수소를 상온‧대기압에 가까운 조건에서 저장 및 운반할 수 있는 수소 캐리어 기술에 대한 수요가 증가하고 있다. 그 해결책 중 하나로 손꼽히는 것이 바로 암모니아다.

73L의 액화암모니아에 포함된 수소 가스의 양은 9만7,275NL다. 같은 부피의 액화‧압축수소와 비교할 경우 액화수소의 약 1.7배, 압축수소의 약 3배에 이른다. 이처럼 암모니아는 수소 캐리어로서 다양한 가능성을 갖고 있지만 필요한 양만큼 수소를 추출하기 위한 기술이 필요하다.

PMR은 암모니아에서 고순도 수소를 추출하기 위한 장치다. PMR을 이용한 수소 제조 장치는 수소분리막, 석영유리관, 접지전극, 플라즈마 전원 등으로 구성된다. 길이 40cm, 직경 5cm의 원통형 석영유리관 내부에 원통형 수소분리막이 배치되어 있다.

PMR에 암모니아를 공급하고 플라즈마 전원을 통해 3만 볼트의 전압을 가하면, 암모니아는 수소원자(H)와 질소원자(N)로 분해된다. 수소분리막을 투과한 수소원자가 수소(H2)로 결합하면 고순도 수소로서 외부로 추출할 수 있게 된다. 남은 질소원자는 질소(N2)의 형태로 배출된다.

사와후지전기와 기후대학은 지난해 3월 PMR의 원리를 밝힌 뒤, 8월에는 78NL/h의 수소 생산량을 기록했다. 이후 기술 개발을 통해 올해 3월에는 시간당 150NL의 수소를 생산하는 데 성공했다. 앞으로의 목표는 500NL/h의 수소 생산량을 달성하는 것이다.

PMR의 장점으로는 수전해에 비해 필요전력이 적다는 사실을 들 수 있다. 1,000NL/h의 수소를 제조한다고 가정했을 때 수전해식 수소 제조 장치는 6kWh의 전력을 필요로 하는 데 반해, PMR은 3kWh(PMR 7대)의 전력을 필요로 한다. 향후 PMR 1대당 수소 제조량이 목표치인 500NL/h를 달성하게 되면 수전해식 수소 제조 장치의 1/6까지 에너지를 절약할 수 있다.

PMR은 수소충전소, 연료전지 발전기, 반도체 제조 공정 등 다양한 분야에 적용될 것으로 보인다. 사와후지전기는 2020년 PMR의 상품화를 목표로 하고 있다.