수전해 시스템 성능 향상을 위한 능동 이온수송 기술 연구

2.1 수전해 실험장치

Fig. 1은 본 연구에서 제작한 수전해 실험장치 개념도를 나타낸 것이다. Fig. 1에 보이는 바와 같이 실험장치는 6개의 파이프로 연결된 2개의 반응수조와 내부에 전기를 공급하여 수전해 반응을 일으키는 금속전극, 6개의 파이프의 내부와 외부에 장착되어 전해질에 자기장을 부여하는 rotary magnet holder (RMH), 기체를 포집할 수 있는 기체포집봉투(polyster aluminim bag)로 구성되어 있으며, 반응수조 사이에 있는 6개의 파이프를 통해 양쪽의 반응수조를 물리적으로 연결하여 이온수송이 가능하도록 하였다. Fig. 1에 나타낸 바와 같이 RMH는 내부 RMH와 외부 RMH로 구성되며, 내부 RMH는 파이프 쪽에는 S극을 배치하고 외부 RMH의 파이프 쪽에는 N극을 배치하였다. 내부 RMH와 외부 RMH는 같은 속도로 회전하며 파이프에 자기장을 부여하였다.

Fig. 1.

Scheme of test equipment

2.2 RMH 설계 및 제작

회전 시 발생하는 자력 및 자기장에 따른 이온수송 효과를 확인하기 위해서 RMH를 설계 및 제작하였다. RMH의 재질은 3D 프린터(μPrint SE, Stratasys Ltd. Rehovot, State of Israel)를 이용하였으며 acrylonitrile butadiene styrene 재질의 RMH를 제작하였다. Fig. 2와 같이 RMH는 자기장을 형성하기 위한 내부 RMH와 외부 RMH로 구성되어 있다.

Fig. 2.

Rotary magnet holder design

내부 RMH와 외부 RMH는 자기장의 힘을 받는 이온의 수송을 고려하여 최대 156개의 자석이 각각 원주 방향으로 15° 간격으로 배치될 수 있도록 설계되었으며, 각각 7열, 6열의 자석이 지그재그 패턴으로 배치될 수 있도록 설계하였다. RMH에 평균 자력 약 4,500 G (지름 10 mm, 길이 15 mm)의 원통형 네오디뮴 자석을 배치하였으며, 외부 RMH는 총 4피스로, 조립식으로 제작되었다.

2.3 회전 자력에 의한 이온 수송 방향

Fig. 3은 자석의 배치에 따른 이온 수송 방향의 개념도를 나타낸 것이다. RMH 회전 시 RMH 내부 자석의 배치를 통하여 이온의 수송 방향을 결정할 수 있다. 플레밍의 오른손 법칙에 따라 자기장의 방향과 전류가 흐르는 방향을 알 때 힘의 방향을 결정할 수 있으며, RMH가 회전하면서 배관이 움직일 때 양이온과 음이온은 서로 반대 방향으로 이동하는 힘을 받게 된다. 따라서 자기장에 따른 이온의 수송을 고려하여 Fig. 3과 같이 자석을 나선형으로 배치하였다. Fig. 3(a)와 같이 자석의 배치를 오른쪽 나선 방향으로 배치할 경우, RMH 회전 시 플레밍의 오른손 법칙에 의해 음이온보다 양이온이 배관을 통해 반응 수조로 더 많이 수송될 것으로 판단된다.

Fig. 3.

Scheme of ion transport direction by rotationg magenetic force

마찬가지로, Fig. 3(b)와 같이 자석의 배치를 왼쪽 나선 방향으로 배치할 경우, 양이온보다 음이온이 더 많이 수송될 것으로 판단된다. 따라서 반응수조에 전압을 인가 후 RMH를 회전시켜 음극에서 전압신호를 측정할 경우, 이온의 수송으로 인한 전위차 상승이 예상되며, 이러한 결과를 통하여 수전해 시 이온의 수송을 가속화하여 효율을 증대시킬 수 있을 것으로 판단된다.

2.4 전위차 측정 실험

자석의 배치와 RMH의 회전에 따른 이온수송효과를 확인하기 위해 양쪽 반응수조에 NaOH 20% 전해액을 가득 채우고 백금 코팅된 티타늄 메쉬(Mesh) 전극을 넣은 후, 전압측정모듈(cDAQ-9178, NI-9205, 16 bit, National Instrument INC., Austin, TX, USA)을 이용하여 RMH의 회전속도 및 회전시간에 따른 전압신호를 측정하였다. 실험 수행 시 전압신호 측정은 약 10분(600초) 동안 실시하였으며, 초당 5,000개의 전위차 데이터를 획득하여 전압신호의 특성을 관찰하였다. 이를 비교하기 위하여 직전 25,000개의 데이터 평균을 표시한 추세선(평균전위차, fitting data)을 작성하여 비교 분석하였다. 이온수송속도와 측정전압을 분석하기 위해 RMH 내부의 자석 배치와 회전속도를 실험 변수로 선정하여 총 6번의 실험을 수행하였다. Fig. 4는 RMH 내부의 case별 자석의 배치 및 패턴을 나타낸 것이다. Fig. 3의 이온 수송 방향 개념도에서 알 수 있듯이, Fig. 4(a)는 자석의 배치가 오른쪽 나선 방향으로 양이온 수송 방향을 나타내며, RMH 내부에 배치된 자석과 배치되지 않은 곳의 간격이 1열 정도 떨어져 있어서 이를 OX 패턴으로 나타내었다. Fig. 4(b)의 경우, 자석의 배치가 왼쪽 나선 방향으로 음이온 수송 방향을 나타내며, OX 패턴이다. Fig. 4(c)의 경우, Fig. 4(b)와 마찬가지로 자석의 배치가 왼쪽 나선 방향으로 음이온 수송 방향을 나타낸다. 또한 자력의 세기에 따른 이온 수송 효과를 확인하기 위하여 Fig. 4(a) 및 Fig. 4(b)와 다르게 자석 사이의 간격을 2열로 배치하여 이를 OXX 패턴으로 나타내었다.

Fig. 4.

Arrangement of magnet (a) case 1 (b) case 2 (c) case3

3.1 구간별 전압 신호 기울기 측정

각 실험에서 데이터 분석을 위해 평균전위차의 상승률을 구간별(A 구간: 0-200초, B 구간: 200-400초, C 구간: 400-600초)로 표시하여 실험 조건과 함께 Table 1에 나타내었다.

Table 1.

Result of slope measurement by section

3.2 전압 신호 측정 분석

Fig. 5와 같이 case 1의 실험에서 75 RPM으로 실험 수행 결과, 평균전위차가 A 구간(0-200초)에서는 거의 상승하지 않다가 B와 C 구간(200-600초)에서는 일정하게 상승하는 형태의 특성을 보였다. 100 RPM의 회전속도로 실험한 결과, A 및 B 구간에서는 75 RPM의 경우와 유사한 경향을 보였으나, C 구간(400-600초)에서는 상승 후 수렴하는 특성을 보였다. 시험 시작점과 비교하여 75 RPM의 경우에는 평균전위차가 약 0.28 mV 상승하였으며, 100 RPM은 평균전위차가 약 0.43 mV 상승하였다. 75 RPM으로 600초보다 긴 시간 동안 실험을 수행할 경우, 100 RPM과 유사한 경향의 평균전위차가 발생할 것으로 예상된다. Table 1에 나타낸 것과 같이 100 RPM의 경우, B 구간의 평균전위차 상승율이 75 RPM에 비해 약 2.5배 정도 컸으며, 이는 RMH의 회전속도에 따른 결과로 판단된다.

Fig. 5.

Result of case 1

FIg. 6과 같이 75 RPM 및 100 RPM 모두 실험이 진행될수록 평균전위차는 지속적으로 상승하였다. A 구간보다 B 구간에서 평균전위차 상승률이 소폭 상승하는 것으로 나타났으며, C 구간에서도 B 구간보다 평균전위차 상승률이 상승하는 것으로 나타났다. 시험 시작점과 비교하여 75 RPM의 경우에는 평균 전위차가 약 0.29 mV 상승하였으며, 100 RPM의 경우에는 평균전위차가 약 0.29 mV로 75 RPM과 유사했다. Table 1에 나타낸 것과 같이 A 구간에서는 100 RPM의 경우의 평균전위차 상승률이 75 RPM보다 컸으며, B 및 C 구간은 거의 유사한 것으로 나타났다.

Fig. 6.

Result of case 2

Fig. 7과 같이 75 RPM의 경우, B 및 C 구간 모두 평균전위차가 매우 천천히 상승하는 특성을 보여주었다. 100 RPM의 경우, A 구간에서 소폭 상승, B 구간에서 수렴하는 특성을 보였다. 그러나 C 구간에서는 평균전위차가 정체 후 다시 상승하는 특성을 보였다. 75 RPM의 경우, 평균전위차가 약 0.07 mV 상승하였으며, 100 RPM은 평균전위차가 약 0.18 mV 상승하였다. Table 1에서 나타낸 바와 같이 전체적으로 75 RPM보다 100 RPM의 평균전위차 상승률이 컸으며, 이는 RMH의 회전속도에 비례하여 증가하는 것으로 판단된다. Case 3의 경우, 회전속도를 달리하였을 때 case 1 및 case 2에 비해 평균전위차가 상대적으로 낮게 나타났다. 이는 자석의 배치패턴이 OXX 패턴으로 OX 패턴과 다르게 자석의 간격이 너무 멀어서 낮은 회전속도에는 크게 영향을 받지 않기 때문으로 판단된다.

Fig. 7.

Result of case 3

RMH의 회전을 통해 만들어내는 전위차는 자기장의 회전이 만들어내는 이온의 수송에 의한 것이라 할 수 있다. 평균전위차가 상승하는 현상은 자기장의 회전으로 인하여 배관을 통해 이온이 한쪽 방향으로 수송되기 때문이라 판단된다. 양이온 수송의 경우에는 평균전위차 상승률이 높지만, 수전해 시에 음극에서 발생한 수산화이온(OH^-)이 양극으로 이동해야 하므로 음이온 수송패턴 중에 가장 평균전위차 상승률이 높은 case 2 (OX, 음이온 수송 방향, 100 RPM)가 가장 높은 효율을 보일 것으로 예측되었으며, 전류 측정을 통해 수전해 실험 시 발생한 수소의 양을 측정하였다.

3.3 전류 측정 및 분석

수전해 실험 장치에서 실험 시 발생되는 기체의 양을 측정하고자 하였으나, 발생된 기체의 양이 적어서 포집 및 측정이 어려웠다. 본 연구에서는 RMH의 회전 유무에 따른 수소 생산량의 상대 비교를 위해서 수전해 실험 시 소요 전류를 비교하였다.

전류 측정을 위하여 반응 수조에 NaOH 20%를 채우고, 전위차 측정 실험 결과를 바탕으로 case 2의 자석 배치 패턴을 선정하여 RMH에 적용하고, 전극에 정전압을 인가하여 수전해 실험을 수행하였다. 수전해 실험을 수행하는 동안 발생한 수소의 양을 관찰하기 위하여 전류측정모듈(NI-9219, 16 bit, National Instrument INC., Austin, TX, USA)을 이용하여 전류를 측정하였다.

수전해의 이론상 전압은 1.23 V이나, 1.23 V의 정전압으로는 입력한 전기에너지가 충분하지 않아 발생하는 기체의 양을 관찰하기 어려웠다. 또한, 실험 장치에서 사용된 백금 코팅된 티타늄 메쉬(mesh) 전극의 최대 허용 전압(2 V)을 고려하여, 양 전극에 direct current (DC) 2 V 정전압을 인가하여 실험을 수행하였으며, 이를 Fig. 8에 나타냈다.

Fig. 8.

Result of current measurement

Fig. 8(a)의 경우, 0 RPM일 때 DC 2 V 정전압이 인가된 후 약 23-24 mA의 전류가 흘렀으나 곧 급격히 감소하여 실험 시작 후 약 60초 이후에는 완만한 감소를 보였다. 이는 음극 쪽에서 수소 양이온이 환원되어 수소 기체가 발생함에 따라 음극 쪽의 양이온의 밀도가 현저하게 감소하게 되어 상대적으로 음이온의 밀도가 증가하게 되고, 이로 인한 저항의 증가로 전류가 급감한 것으로 생각된다. 또한, RMH의 회전으로 인하여 양극 쪽으로 음이온이, 음극 쪽으로 양이온이 모일 것이라고 생각되지만, RMH로 인해 수송되는 수소이온의 양이 수소 기체로 환원되는 양에 비해 적기 때문에 전류값이 유지되지 못하고 급격하게 감소한 것으로 생각된다.

실험 시작 후 60초 이후 전류가 10 mA 이하로 감소하였으며, 이는 확산에 의해 이온이 수송되는 속도에 따라 전류량이 변화하고, 시간이 지날수록 완만하게 변화하는 것으로 판단된다.

Fig. 8(b)는 전압을 인가하기 전에 10분(600초) 동안 RMH를 회전시켜 양 전극 쪽으로 음이온 또는 양이온을 집중시킨 후, 양이온이 집중되었으리라고 예상되는 전극에 음극을 인가하고 반대쪽에 양극을 인가되었을 때 측정된 전류 데이터를 나타낸다.

Fig. 8(b)의 경우, Fig. 8(a)에 비해 실험 초기 더 높은 전류가 발생하였다. 이와 같이 수전해 시 높은 전류가 흐른 것은 RMH의 회전이 이온의 집중을 더 유발하였으며, RMH의 회전이 전극 주위로 더 많은 이온을 이동시켰기 때문이라고 판단된다. 단, 전류 측정모듈의 측정 범위가 -25 mA에서 +25 mA이기 때문에 실험 초기에 나타나는 측정 범위를 초과하는 최댓값을 확인하기 어려웠다. 또한, 실험 시작 후 60초 이후에서는 0 RPM의 경우와 유사하게 매우 천천히 전류가 감소하는 것으로 나타났으나, 0 RPM의 경우와 비교하여 감소율이 적은 것으로 나타났다. 이는 RMH의 회전이 이온을 수송하는 효과를 만들기 때문이라고 판단된다.

전류(current)의 정의는 단위 시간당 흐른 전하량을 의미하며 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다. 식 (1)을 이용하여 전류를 적분하면 식 (2)와 같이 전하량을 얻을 수 있으며, 수전해 실험시간과 전류의 면적을 계산하여 수소의 양을 계산할 수 있다.

전류 측정 실험 후 전류가 0인 좌표축과 그래프가 만들어내는 빗금 친 면적을 계산하여 비교한 결과, 자기장이 회전하지 않을 때보다 100 RPM으로 회전할 경우, 면적이 약 8.06% 정도 더 컸으며, 이를 통해 약 8.06% 수소생산량이 증가한 것으로 보인다. 그러나 이는 100 RPM으로 회전할 경우, 실험 초기에 측정하지 못한 +25 mA 초과 영역은 고려하지 않았기 때문에 실제로는 약 10% 이상의 수소생산량 증가를 기대할 수 있다.