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Nikkei X-TECH_2021.8.27

'솔라 수소’ 시스템의 대규모 실증 실험 성공
NEDO 등, 면적 100㎡에서 수 개월 가동

신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)와 인공광합성 화학프로세스 기술연구조합(ARPChem)은 8월 26일, 물을 태양광 에너지와 광촉매로 분해해 생성한 수소 ‘솔라 수소(Solar Hydrogen)’ 시스템에 대한 대규모 실증 실험에 성공했다고 발표했다. 학술지 ‘네이처’의 8월 25일자 온라인 속보판에도 논문이 게재되었다.

이번 실증 실험의 목적은 물을 넣어 태양광을 조사(照射)하면 수소와 산소가 생성되는 광촉매 패널 반응기와 그 혼합 기체에서 수소를 분리하는 분리막이 내장된 가스 분리 모듈로 구성된 시스템의 규모 확장성과 안전성을 검증하는 것이었다.

실증 실험은 ARPChem이 도쿄대학, 후지필름, TOTO, 미쓰비시(三菱)케미칼, 신슈(信州)대학, 메이지(明治)대학과 공동으로 실시했다. 광촉매 패널 반응기의 수광 면적은 총 100㎡로, ARPChem으로서는 역대 최대 규모이다. 시스템은 2019년 8월에 이바라키(茨城) 현 이시오카(西岡) 시의 도쿄 대학 시설 내에 설치했다고 한다.

발표에 따르면 실증시험 결과, 수분해 반응을 통해 발생된 수소와 산소의 혼합기체에서 고순도의 수소를 안전하고 안정적으로 분리·회수하는 데 성공했다고 한다.

일반적인 수전해 장치의 경우, 수소와 산소는 각각 다른 전극으로 나뉘어 발생되기 때문에 안전성에 대한 우려는 적다. 한편, 이번 NEDO와 ARPChem의 시스템에서는 발생된 수소와 산소가 혼합된 상태에서 얻을 수 있다고 한다.

-- 의도적으로 착화해도 폭발이나 파손 없어 --
이번 실증 실험에서는 발생된 혼합가스에 만약 착화를 해도 폭발하지 않는 구조를 가진 한 변이 25cm 크기의 광촉매 패널 반응기를 설계 및 개발하여, 그것들을 48장 연결함으로써 수광 면적이 3㎡인 모듈을 구성. 또한 그 모듈을 약 33장 병렬해 100㎡로 만들었다. 이를 통해 실외 환경에서 혼합 가스가 수개월 이상 계속해서 발생되는 것을 확인. 혼합가스에서 고순도의 수소를 분리할 수 있다는 것도 확인했다고 한다.

실증 실험을 실시하는 동안, 자연 착화 및 폭발은 한 번도 없었으며, 광촉매 패널 반응 시스템의 각 구성부에 의도적으로 착화해도 폭발에 의한 장치의 파손 및 광촉매나 분리막의 성능 약화는 확인할 수 없었다고 한다.

-- 광촉매 패널의 변환 효율은 0.76% --
이번에 이용한 광촉매 패널 반응기에 이용된 광촉매는 알루미늄을 도핑한 티타늄산 스트론튬(SrTiO₃). NEDO가 올해 5월에 발표한 내용에 따르면, 자외선 영역의 빛에 대해 96%라는 높은 양자 수율로 수소를 생성할 수 있었다고 한다. 하지만, 현 시점에서는 가시광선 영역에서의 양자 수율이 낮아 이 패널에서 태양광 에너지를 수소로 변환하는 변환 효율(Solar to Hydrogen: STH)은 0.76%라고 한다.

양 사는 향후, 가시광선 영역에도 높은 양자 수율을 나타내는 광촉매를 개발해 5~10%의 STH 실현을 목표로 한다고 한다.

 -- 끝 --

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