수소로 움직이는 미래를 향하여: 고감도 수소 감지 시스템

수소 가스는 여러 가지 장점을 가진 유망한 에너지원입니다. 가볍고, 저장이 가능하며, 에너지 밀도가 높고, 화석 연료에 비해 환경 친화적이며, 오염 물질이나 온실 가스 배출이 없습니다. 따라서 운송, 건축, 발전, 산업을 포함한 다양한 분야에 광범위하게 적용됩니다. 그러나 수소는 가연성이 매우 높기 때문에 안전하고 광범위하게 사용하려면 누출을 감지하고 순도를 보장하기 위한 신뢰할 수 있는 방법이 필요합니다. 신뢰할 수 있는 감지 방법에 대한 필요성으로 인해 미량 가스 감지 기술의 개발이 필요했습니다. 수소 감지를 위한 여러 방법이 개발되었지만 최적의 성능을 제공하는 방법은 없습니다.

유망한 방법 중 하나는 다양한 가스를 감지하는 데 상당한 주목을 받고 있는 가변 다이오드 레이저 흡수 분광법(TDLAS) 기술입니다. TDLAS는 비접촉 측정, 현장 감지, 높은 선택성, 빠른 응답, 저렴한 비용, 다중 구성 요소, 다중 매개 변수 측정 기능을 포함한 여러 가지 주요 이점을 제공합니다. 가스가 특정 파장에서 빛을 흡수하여 흡수 스펙트럼에 어두운 선이 생기는 원리에 따라 작동하며, 이를 흡수선이라고 합니다. 이 파장에서 흡수된 레이저 빛의 양을 측정하면 가스의 농도를 결정할 수 있습니다. 그러나 TDLAS로 낮은 농도의 수소를 감지하는 것은 수소가 다른 가스에 비해 적외선 영역에서 흡수가 약하기 때문에 어렵습니다.

이 문제를 해결하기 위해 지바 대학 공과대학원의 타츠오 시이나 부교수가 이끄는 일본 연구팀은 TDLAS를 사용하여 정확한 수소 가스를 측정하는 혁신적인 방법을 개발했습니다. 이 팀은 지바 대학 공과대학원의 알리푸 샤아후카이티와 노펠 라그로사스, 시코쿠 연구소의 이페이 아사히, 도카이 대학 이과대학의 시게루 야마구치로 구성되었습니다. 이들의 연구는 2024년 8월 13일에 온라인으로 공개되었고, 2025년 1월 1일에 Optics and Laser Technology 저널의 180권에 게재되었습니다.

"이 연구에서 우리는 TDLAS 설정에서 압력과 변조 매개변수를 세심하게 제어하여 수소 가스를 매우 민감하게 감지했습니다. 또한 광범위한 농도에 대한 적응성을 보장하는 교정 없는 기술을 도입했습니다."라고 시이나 교수는 설명합니다.

TDLAS에서 레이저 빛은 대상 가스를 포함하는 Herriott 멀티패스 셀(HMPC)이라고 하는 가압 가스 셀을 통과합니다. 레이저의 파장은 특정 주파수에서 가스의 대상 흡수선 주위에서 변조되거나 진동하여 환경적 노이즈를 제거합니다. HMPC의 압력은 흡수선 폭과 결과적으로 TDLAS에서 변조 매개변수에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.

연구자들은 다양한 압력에서 수소의 가장 강한 흡수선 폭을 주의 깊게 분석했습니다. 연구자들은 시뮬레이션을 통해 더 넓은 흡수선 폭에 대한 최적의 압력과 이 선 폭 내에서 가장 효과적인 변조 매개변수를 식별했습니다. 그들의 무보정 기술은 기존의 TDLAS 시스템에서처럼 2차 고조파 신호에만 의존하는 대신 변조된 흡수 신호의 1차 고조파를 사용하여 비율을 통해 2차 고조파를 정규화하는 것을 포함했습니다. 또한 그들은 순수 수소를 포함하는 고압 가스 셀을 기준으로 사용하여 레이저 신호의 변조 매개변수를 미세 조정했습니다.

이 혁신적인 접근 방식을 통해 연구자들은 0.01%에서 100%까지의 넓은 검출 범위에서 수소 농도를 정확하게 측정했습니다. 여기서 0.01%는 백만 분의 1(ppm)에 불과한 농도입니다. 게다가 통합 시간(빛이 흡수되는 시간)이 길어질수록 결과가 개선되었습니다. 통합 시간이 0.1초일 때 최소 검출 한계는 0.3% 또는 30,000ppm이었고, 통합 시간이 30초일 때는 0.0055% 또는 55ppm으로 개선되었습니다. 하지만 30초를 넘으면 최소 검출 한계가 증가했습니다.

"저희 시스템은 안전 및 품질 관리를 위한 수소 감지 시스템을 크게 개선하여 수소 연료의 광범위한 채택을 촉진할 수 있습니다. 예를 들어, 이 시스템은 수소 연료 전지 자동차의 누출을 감지하는 데 안정적으로 사용될 수 있습니다." 시이나 교수는 이 연구의 잠재적인 응용 분야에 대해 설명합니다.

요약하자면, 이 선구적인 기술은 지속 가능한 미래를 위한 길을 닦는 데 도움이 될 수 있으며, 친환경 연료로서 수소의 구현을 촉진할 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241105114155.htm