Hydrogen sulfide (H$_2$S) is a substance that occurs during the process of processing sulfur, which is abundant in fossil fuels such as oil and natural gas, into high-quality fuel. Due to its high toxicity, it is classified as harmful industrial waste and removal in the process of discharging is essential. Until now, refiners have used the Claus process and the Wet Sulfuric Acid (WSA) process, which reacts hydrogen sulfide with oxygen to release it in the form of water or sulfuric acid. These processes require a huge amount of heat energy and only aim to remove hydrogen sulfide, so they emit hydrogen atoms contained in hydrogen sulfide in the form of water and sulfuric acid. Because hydrogen is an eco-friendly energy source that has recently been in the spotlight, hydrogen sulfide can be a valuable resource if hydrogen can be extracted from hydrogen sulfide. In this study, an electrochemical process that decomposes hydrogen sulfide and obtains hydrogen from hydrogen sulfide, replacing the conventional hydrogen sulfide removal process was proposed. To achieve this goal, thermodynamics of this reaction was analyzed and a solid oxide electrochemical cell based on proton conducting ceramic was fabricated for operating at high temperature and using perovskite structured electrodes. Experiments were then conducted to decompose hydrogen sulfide using fabricated cells and found that about 40 ppm, 100 sccm of hydrogen sulfide was decomposed at 0.5 V, 0.57 mA/cm$^2$. Through this, the feasibility of the process was confirmed, and the durability evaluation progress confirmed that additional research was needed to solve degradation caused by sulfur deposits. In this study, a process has been proposed to effectively produce hydrogen of high value as an energy source, as well as to remove industrial waste hydrogen sulfide. It is expected that waste disposal and energy source production can be simultaneously produced in a clean and efficient way if cell performance improvement, removal of sulfur poison, and large systemization are applied to oil refiners' processes.
황화수소(H$_2$S)는 석유, 천연가스 등 화석연료에 풍부하게 함유된 황이 질 높은 연료로 가공되는 과정에서 수소화 탈황 공정을 거치며 발생하는 물질이다. 독성이 강해 유해 산업폐기물로 분류되어 배출하는 과정에서 제거하는 공정이 필수적이다. 지금까지 정유업체들은 황화수소를 산소와 반응시켜 물 또는 황산의 형태로 배출하는 클라우스(Claus) 공정과 WSA(Wet Sulfuric Acid) 공정을 사용해 왔다. 이 공정들은 막대한 열 에너지를 투입해야 하고, 황화수소를 제거하는 것만을 목표로 하기 때문에 황화수소에 포함된 수소 원자를 물, 황산과 같은 형태로 배출한다는 단점이 있다. 수소는 최근 각광 받고 있는 친환경 에너지원이기 때문에 황화수소에서 수소를 추출할 수 있다면 황화수소는 귀중한 자원이 될 수 있다. 본 연구에서는, 황화수소로부터 수소를 분해하고 분리하는 전기 화학적 과정을 제시하여 기존의 황화수소 제거 공정을 대체하고자 한다. 이 목표를 달성하기 위해 이 반응의 열역학적 특성을 분석하고 고온 작동 및 페로브스카이트 전극이 적용 가능한 양성자 전도성 세라믹 기반의 고체산화물 전기화학 셀을 제작했다. 그런 다음 제작된 셀을 이용하여 황화수소를 분해하는 실험을 진행한 결과 0.5 V, 0.57 mA/cm$^2$에서 약 40 ppm의 황화수소 100 sccm을 분해한 것을 확인했다. 이를 통해 해당 공정의 실현 가능성을 확인했고, 내구성 평가 진행 결과 황 침적에 의한 열화를 해결하기 위한 추가적인 연구가 필요함을 확인했다. 본 연구를 통해 산업적으로 폐기되는 황화수소를 분해하는 것에서 그치지 않고 에너지원으로서 가치가 높은 수소를 효과적으로 생산할 수 있는 공정이 제시되었다. 셀 성능 개선, 황 피독 제거, 대형 시스템화 등이 이루어져 정유회사의 공정에 적용된다면 깨끗하고 효율적인 방법으로 폐기물 처리와 에너지원 생산을 동시에 할 수 있을 것으로 기대된다.
