물을 이용한 플라즈마 방전은 전기전도성이 높은 물의 표면에 플라즈마 영역을 증대 시키며 shock-wave, UV radiation을 방출하여 화학적 및 생물학적 반응에 응 용이 가능하기 때문에 다양한 분야에서 이용될 수 있다. 본 연구에서는 물을 미세 노즐에 가압하여 가느다란 물줄기인 워터젯을 생성시키고 이에 고전압을 가하여 플라즈마를 생성하였다. 생성된 플라즈마는 물을 전도체로 사용하여 방전 영역 대 비 플라즈마 주입전력이 감소되었다. 워터젯 플라즈마를 이용하여 모사 바이오가 스 개질을 통해 수소가스를 생성하였고, 수소 생성이 최대이고 메탄의 전환율이 최대인 최적 운전 조건을 파악하였다.
워터젯 플라즈마 개질기의 구조 도면을 Fig. 3-7에 나타냈다. 반응기 전체 외형 은 아크릴을 이용하여 제작하였으며, 양 전극에 전기의 전도율을 높이기 위해 워 터젯의 노즐은 무산소동으로 제작하였다. 양전극과 음전극의 절연 및 기밀을 위해 테프론 재질로 반응기 상단부의 마개를 설계 및 제작하였다.
개질기의 외형은 직경 40 mm, 길이 130 mm 이며, 전극들이 위치한 반응기 중심 영역의 관은 석영으로제작하여 워터젯 플라즈마 내부의 반응을 볼 수 있도록 제작 하였다. Nozzle을 지지하는 전극은 STS로 제작하였다. Nozzle과 전극의 간격은 10 mm 이며, 조절이 가능하도록 설계하였다. Nozzle에서 분사되는 Water jet 중심으 로부터 전극 간의 간격은 1 mm로 설정하였다. 노즐의 직경은 Φ0.3 mm이며, 물의 전단력을 낮추기 위해 5mm의 팁을 설치 하였다. 워터젯 플라즈마 반응기 총 용량 은 0.5 L 이며, 워터젯 플라즈마 개질기에서 형성된 플라즈마 방전 사진을 Fig.
3-8에 나타냈다.
Fig. 3-7. Schematic diagram of a water jet plasma reformer.
(a) 5 mA (b) 20 mA (c) 40 mA (d) 80 mA (e) 160 mA (f) 200 mA
Fig. 3-8. Photo of a plasma discharge on the water jet.
2) 전원공급장치
Fig. 3-9는 워터젯 플라즈마 개질기를 실험하기 위한 전원공급장치의 개략도이 다. 전원장치 용량은 2 kW (전압 : 10kV, 전류 : 0.2A)이다. 입력전원은 교류 220V이며, 잡음 필터(noise filter)로 입력 전원의 잡음을 제거하였고, 소프트 스 타트(soft start)를 통해 충격전류를 방지하였다. 또한 전원장치내의 과전류 및 과전압에 대해 보호회로를 내장하고 있으며, 전압과 전류 제어를 수동으로 조작할 수 있도록 하였다.
그리고 펄스폭 변조(PWM, pulse width modulation) 제어 방식을 적용하여 부하 변동에 따른 출력 전압의 저하가 발생하면 안정화 전원으로서의 응용은 곤란하게 되므로 출력 전압을 안정화 시켜줄 수 있도록 하였다.
전력제어기에서 교류 220V를 정류하여 직류로 변환하고 고전압 트랜스에서 10kV 까지 승압하였다. 또한 출력 측에 고전압 정류회로를 설치하여 안정적인 직류에 출력전압 및 전류가 공급되도록 하였다.
Fig. 3-9. Flow diagram of power supply for the water jet plasma.