KR101007647B1 - 바이오 가스를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템 및 그의 제어방법 - Google Patents

바이오 가스를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템 및 그의 제어방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101007647B1
KR101007647B1 KR1020100093169A KR20100093169A KR101007647B1 KR 101007647 B1 KR101007647 B1 KR 101007647B1 KR 1020100093169 A KR1020100093169 A KR 1020100093169A KR 20100093169 A KR20100093169 A KR 20100093169A KR 101007647 B1 KR101007647 B1 KR 101007647B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
biogas
unit
fuel cell
gas
methane
Prior art date
Application number
KR1020100093169A
Other languages
English (en)
Inventor
이종연
배민수
이종규
문옥환
김영준
Original Assignee
한국환경공단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국환경공단 filed Critical 한국환경공단
Priority to KR1020100093169A priority Critical patent/KR101007647B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101007647B1 publication Critical patent/KR101007647B1/ko
Priority to PCT/KR2011/006705 priority patent/WO2012043994A2/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04328—Temperature; Ambient temperature of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/46—Removing components of defined structure
    • B01D53/48—Sulfur compounds
    • B01D53/52—Hydrogen sulfide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/46—Removing components of defined structure
    • B01D53/72—Organic compounds not provided for in groups B01D53/48 - B01D53/70, e.g. hydrocarbons
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04447—Concentration; Density of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H01M8/045—Humidity; Ambient humidity; Water content of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0675—Removal of sulfur
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10—Inorganic adsorbents
    • B01D2253/102—Carbon
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10—Inorganic adsorbents
    • B01D2253/112—Metals or metal compounds not provided for in B01D2253/104 or B01D2253/106
    • B01D2253/1124—Metal oxides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/20—Metals or compounds thereof
    • B01D2255/207—Transition metals
    • B01D2255/20738—Iron
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/24—Hydrocarbons
    • B01D2256/245—Methane
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/30—Sulfur compounds
    • B01D2257/304—Hydrogen sulfide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/55—Compounds of silicon, phosphorus, germanium or arsenic
    • B01D2257/556—Organic compounds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/80—Water
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2258/00—Sources of waste gases
    • B01D2258/05—Biogas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/402—Further details for adsorption processes and devices using two beds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/26—Drying gases or vapours
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 바이오 가스를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 바이오 가스를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템은, 온습도 제어부와; 바이오가스에 함유된 실록산 및 황화수소의 불순물을 제거하기 위한 바이오 가스 정제부와; 바이오 가스를, 메탄의 순도가 95%~100%가 되도록 농축하는 바이오 가스 농축부와; 바이오 가스를 수소로 개질하여 개질수소연료를 제공하는 개질부와; 개질수소연료를 이용하여 전력을 생산하는 연료전지부와; 상기 온습도 제어부의 제어, 상기 바이오 가스 정제부의 제어, 상기 바이오 가스 농축부의 제어, 상기 개질부 및 연료전지부의 동작 제어를 수행하는 통합제어부와; 상기 바이오 가스 농축부에 의해 농축된 바이오 가스를 분석하여 메탄의 순도가 95%~100%가 아닐 경우에, 가스 정제 및 가스 농축 과정을 다시 거치도록 제어하는 가스 분석부를 구비한다. 본 발명에 따르면, 천연가스와 같이 메탄으로 구성되어 있는 바이오가스를 에너지원으로 사용하여 연료전지로부터 전기를 생산할 수 있으며, 바이오가스가 천연가스를 대체함에 따라 연료비를 줄일 수 있어 경비절감을 가져온다.

Description

바이오 가스를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템 및 그의 제어방법{POLYMER ELECTROLYTE TYPE FUEL CELL GENERATION SYSTEM USING BIO GAS AND CONTROL METHOD OF THE SAME}
본 발명은 바이오 가스를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 바이오가스를 연료로 사용하여 전기를 발생시키는 바이오 가스를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템 및 그의 제어방법에 관한 것이다.
최근 음식물쓰레기, 음식물 쓰레기로 인한 발생폐수, 가축분뇨, 매립 쓰레기 등과 같은 유기성 폐자원이 국제협약에 의해 2012년부터 해양투기가 금지됨에 따라 유기성 폐자원의 육상처리 기술개발이 활발하게 진행되고 있다. 유기성 폐자원의 육상처리기술중에서 천연가스와 같이 메탄을 주요 성분으로 함유한 바이오가스 생산기술이 전 세계적으로 큰 주목을 받고 있다.
음식물 쓰레기, 음식물 쓰레기로 인한 발생폐수, 가축분뇨 및 매립 쓰레기 등과 같은 유기성 폐자원을 무산소 분위기의 혐기성 조건하에서 일정시간 체류하게 되면 혐기성 미생물에 의해 메탄을 주성분으로 한 바이오가스가 발생하게 된다.
이런 바이오 가스는 유기성 폐자원에 따라 바이오가스를 구성하는 메탄과 이산화탄소의 함량이 달라지기도 한다. 일반적으로 음식물 쓰레기 등으로부터 발생하는 바이오가스에는 메탄을 70-75부피퍼센트 함유하고 있으며, 하수슬러지로부터 발생하는 바이오가스에는 65-70부피퍼센트의 메탄을 함유하고, 가축분뇨나 매립쓰레기로부터 발생하는 바이오가스에는 50-60부피퍼센트의 메탄을 함유하고 있다.
메탄은 지구온난화가스이면서 천연가스와 같이 에너지원으로 이용할 수 있어 가스엔진, 가스터빈 혹은 스팀터빈등과 같은 발전설비의 연료로 공급하여 전기를 생산하고 있지만, 전기발생효율이 낮은 단점을 가지고 있다. 또한 상기의 발전설비는 소음 등 환경문제가 발생하기도 한다.
상기와 같이 바이오가스는 유기성폐자원에 따라 메탄함량이 다르기 때문에 바이오가스를 연료로 공급하는 종래의 발전설비의 안정적인 전기효율을 얻기 위해서 화석연료인 천연가스등을 혼합하여 사용하는 등 많은 어려움이 따르고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 극복할 수 있는 바이오 가스를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템 및 그의 제어방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 별도의 천연가스나 화석연료를 혼합하지 않고 바이오 가스 만을 연료로 공급하여 전기를 발생시킬 수 있는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템 및 그의 제어방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 바이오 가스를 이용하여 안정적으로 전기를 발생시킬 수 있는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템 및 그의 제어방법을 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 구체화에 따라, 본 발명에 따른 바이오 가스를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템은, 저장탱크에 저장된 바이오 가스의 온도 및 습도를 일정수준으로 유지하여 제공하는 온습도 제어부와; 상기 온습도 제어부에 의해 온도 및 습도가 일정하게 제어된 바이오가스에 함유된 실록산 및 황화수소의 불순물을 제거하기 위한 바이오 가스 정제부와; 상기 바이오 가스 정제부를 통해 정제된 바이오 가스를, 메탄의 순도가 95%~100%가 되도록 농축하는 바이오 가스 농축부와; 상기 바이오 가스 농축부에 의해 농축된 바이오 가스를 수소로 개질하여 개질수소연료를 제공하는 개질부와; 상기 개질부에서 공급되는 개질수소연료를 이용하여 전력을 생산하는 연료전지부와; 상기 온습도 제어부의 제어, 상기 바이오 가스 정제부의 제어, 상기 바이오 가스 농축부의 제어, 상기 개질부 및 연료전지부의 동작 제어를 수행하는 통합제어부와; 상기 바이오 가스 농축부에 의해 농축된 바이오 가스를 분석하여 메탄의 순도가 95%~100%가 아닐 경우에, 상기 바이오 가스 농축부에 의해 농축된 바이오 가스를, 가스리턴 밸브를 이용하여 상기 온습도 제어부로 되돌려 가스 정제 및 가스 농축 과정을 다시 거치도록 제어하는 가스 분석부를 구비한다.
상기 바이오 가스 농축부에서 바이오가스 중에 메탄 농축 후 버려지는 잔여가스와, 상기 개질부에서 수소전환과정에서 버려지는 잔여가스를 포집하여 연소시키기 위한 잉여가스 연소부를 더 구비할 수 있다.
상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 다른 구체화에 따라, 본 발명에 따른 바이오 가스를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템의 제어방법은, 저장탱크에 저장된 바이오 가스의 온도 및 습도를 일정수준으로 유지하여 제공하는 제1단계와; 온도 및 습도가 일정하게 제어된 바이오가스에 함유된 실록산 및 황화수소의 불순물을 제거하기 위하여 바이오 가스를 정제하는 제2단계와; 정제된 바이오 가스를, 메탄의 순도가 95%~100%가 되도록 농축하는 제3단계와; 농축된 바이오 가스를 수소로 개질하여 개질수소연료로 제공하는 제4단계와; 상기 개질수소연료를 연료전지용 연료로 공급하여 전력을 생산하는 제5단계를 구비한다.
제3단계에서, 농축된 바이오 가스를 분석하여 메탄의 순도가 95%~100%가 아닐 경우에, 제1단계 내지 제2단계를 다시 수행하도록 제어하는 단계를 더 구비할 수 있다.
본 발명에 따르면, 천연가스와 같이 메탄으로 구성되어 있는 바이오가스를 에너지원으로 사용하여 연료전지로부터 전기를 생산할 수 있으며, 바이오가스가 천연가스를 대체함에 따라 연료비를 줄일 수 있어 경비절감을 가져온다. 또한 바이오가스는 유기성 폐자원으로부터 발생하므로 재생에너지이면서 지구온난화가스인 이산화탄소발생이 없어 지구온난화억제효과를 가져오게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 가스를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템의 블록도를 나타낸 것이고,
도 2는 도 1의 상세 구현 블록도를 나타낸 것이고,
도 3은 도 1 및 도 2의 발전시스템의 제어순서도이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 가스를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템의 블록도를 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 가스를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템(100)은, 바이오가스 저장탱크(1), 온습도 제어부(57), 바이오 가스 정제부(9), 바이오 가스 농축부(14), 개질부(16), 연료전지부(17), 가스 분석부(11), 통합제어부(12), 및 잉여가스 연소부(18)를 구비한다.
상기 저장탱크(1)는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템(100)에서 사용할 바이오 가스를 저장하기 위한 것이다.
상기 온습도 제어부(57)는, 상기 저장탱크(1)에 저장된 바이오 가스의 온도 및 습도를 일정수준으로 유지하여 제공한다. 상기 온습도 제어부(57)는 데미스터 쿨러를 이용하여 바이오 가스의 수분을 제습하고, 냉각기를 통하여 바이오 가스의 온도를 일정하게 제어한다. 상기 데미스터 쿨러나 상기 냉각기는 상기 통합제어부(12)에 의해 제어될 수 있다.
상기 바이오 가스 정제부(9)는 상기 온습도 제어부(57)에 의해 온도 및 습도가 일정하게 제어된 바이오가스에 함유된 실록산 및 황화수소의 불순물을 제거하기 위한 것이다.
상기 바이오 가스 정제부(9)는 산화철 흡착탑, 활성탄 흡착탑, 첨착활성탄 흡착탑 등을 구비하여 바이오 가스에 함유된 황화수소 및 실록산 등의 불순물을 제거한다. 상기 바이오 가스 정제부(9)는 복수의 흡착탑 등을 구비하여 순차적으로 바이오 가스를 정제하거나, 흡착탑의 성능 및 용량에 따라 그 개수를 하나 또는 그 이상으로 하여 바이오 가스를 정제할 수 있다.
상기 바이오 가스 정제부(9)는 상기 산화철 흡착탑, 활성탄 흡착탑, 첨착활성탄 흡착탑 등을 통해 정제된 바이오 가스의 정제정도를 각 단계별로(각 흡착탑을 거칠 때마다) 상기 가스분석부(11)를 통해 분석하여 상기 통합제어부(12)로 제공한다. 상기 통합제어부(12)에서는 상기 가스 분석부(11)를 통해 제공되는 상기 바이오 가스의 정제정보를 디스플레이하여 정제여부 또는 정제 결과를 알 수 있도록 한다.
상기 바이오 가스 농축부(14)는 상기 바이오 가스 정제부(9)를 통해 정제된 바이오 가스를, 메탄의 순도가 95%~100%가 되도록 농축 및 정제한다. 상기 바이오 가스 농축부(14)는 메탄농축기(PSA)를 포함할 수 있다.
상기 바이오 가스 농축부(14)를 통해 농축 및 정제된 바이오 가스의 메탄의 순도는 상기 가스 분석부(11)를 통해 체크되고, 이의 정보는 상기 통합제어부(12)에 제공된다.
이때 농축된 바이오 가스의 메탄의 순도가 95% 미만 일 경우에는 상기 통합제어부(12)의 제어에 의한 밸브 개폐를 통해 상기 농축된 바이오 가스를 상기 온습도 제어부(57) 전 단으로 되돌려 바이오 가스를 재순환 시키게 된다. 상기 바이오 가스를 재순환 시키기 위한 메탄의 순도 측정은 직접 메탄의 순도를 측정하는 방법을 사용할 수도 있고 이산화탄소의 양을 측정하는 방법이 사용될 수도 있다.
즉 메탄의 순도를 측정하여 메탄의 순도가 95% 미만일 경우에 바이오 가스를 재순환 시킬 수 있고, 이산화탄소의 순도를 측정하여 이산화탄소가 5% 이상일 경우에 메탄의 순도가 95% 미만이라 판단하여 바이오 가스를 재순환 시킬 수도 있다.
상기 개질부(16)는 상기 바이오 가스 농축부(14)에 의해 농축된 바이오 가스를 수소로 개질하여 개질수소연료를 제공한다. 상기 개질부(16)는 적어도 하나의 개질기(예를 들면, 스팀 개질기)를 구비하여 메탄의 순도가 95% 이상인 바이오 가스를 수소로 개질하게 된다. 이때 개질 가스는 수소함량이 70부피 퍼센트 이상이 되도록 할 수 있다.
상기 연료전지부(17)는 상기 개질부(16)에서 공급되는 개질수소연료를 이용하여 전력을 생산하여 제공하게 된다.
상기 통합제어부(12)는 상기 온습도 제어부(57)의 제어, 상기 바이오 가스 정제부(9)의 제어, 상기 바이오 가스 농축부(14)의 제어, 상기 개질부(16) 및 연료전지부(17)의 동작 제어를 수행한다. 또한 상기 발전시스템(100)을 구성하는 각종 밸브(예를 들면, 솔레노이드 밸브, 가스 리턴밸브 등)들의 개폐 제어를 수행할 수 있다.
상기 가스 분석부(11)는 상기 바이오 가스 농축부(14)에 의해 농축된 바이오 가스를 분석하여 메탄의 순도가 95%~100%가 아닐 경우에, 상기 바이오 가스 농축부(11)에 의해 농축된 바이오 가스를, 가스리턴 밸브를 이용하여 상기 온습도 제어부(57)로 되돌려 가스 정제 및 가스 농축 과정을 다시 거치도록 제어한다. 또한 상기 가스 분석부(11)는 상기 바이오 가스 정제부(9), 바이오 가스 농축부(14)를 통해 정제되거나 농축된 바이오 가스를 센서 등을 통해 분석하여 상기 통합제어부(12)에 제공하게 된다.
상기 잉여가스 연소부(18)는 상기 바이오 가스 농축부(14)에서 바이오가스 중에 메탄 농축 후 버려지는 잔여가스와, 상기 개질부(16)에서 수소전환과정에서 버려지는 잔여가스를 포집하여 연소시키게 된다. 상기 잉여가스 연소부(18)는 상기 연료전지부(17)에서 배출되는 폐가스를 포집하여 연소시킬 수도 있다.
도 2는 도 1의 상세 구현 블록도를 나타낸 것이고, 도 3은 도 1 및 도 2의 발전시스템을 통한 전력생산 제어동작 순서도이다. 이하 도 2 및 도 3을 통해 상기 연료전지 발전시스템(100)의 제어동작 및 전력생산 과정을 설명하기로 한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 연료전지 발전시스템(100)의 주 연료인 메탄을 생산하기 위해 혐기성 소화조에서 발생된, 온도 약20~35도의 바이오가스를 바이오가스 저장탱크(1)에 저장한다.
이후 상기 온습도 제어부(57) 내의 데미스터 쿨러(demister cooler)(5)를 통하여 바이오가스를 섭씨 약 4도로 응축하여 바이오 가스 중에 함유된 수분을 제습하고, 이때 데미스터 쿨러(5) 전 후단에 온습도 수치를 비교 분석하여 상기 통합제어부(12)의 컴퓨터로 전송한다. 상기 통합제어부(12)에서는 상기 온습도 제어부(57)를 구성하는 냉각기(7)를 제어하여 바이오 가스의 온도가 일정하게 유지되도록 한다(S10).
이후 바이오 가스 이송 블로워(8)를 통해 상기 바이오 가스는 상기 바이오 가스 정제부(9)로 이송된다.
상기 바이오 가스 정제부(9)에서는 산화철 흡착탑, 활성탄 흡착탑, 첨착 활성탄 흡착탑을 구비할 수 있다. 상기 바이오 가스 정제부(9)의 정제결과는 상기 가스 분석부(11)를 통해 상기 통합제어부(12)로 제공된다, 이후 상기 산화철 흡착탑, 활성탄 흡착탑, 첨착활성탄 흡착탑 순의 정제과정을 통하여 바이오 가스에 함유된 황화수소(H2S) 및 실록산을 각각 0.1 PPM 이하로 정제하게 된다(S12).
상기 산화철흡착탑과 첨착활성탄 흡착탑에서 황화수소가 흡착 제거되어 정제되며, 상기 활성탄흡착탑과 상기 첨착활성탄흡착탑에서 실록산이 흡착제거된다.
상기 바이오 가스 정제부(9)를 통해 정제된 바이오 가스는 황화수소가 0.1PPM이하의 성능에 도달하도록 정제될 수 있다.
바이오 가스 정제정도는 상기 가스 분석부(11)에 구비된 황화수소 센서를 통해 분석되어 상기 통합제어부(12)에 제공되어 상기 바이오 가스 정제과정을 상기 통합제어부(12)에서 감시하도록 한다. 또한, 바이오가스 중의 메탄가스 순도는 상기 가스 분석부(11)에 구비된 메탄가스 분석센서를 통해 분석되어 상기 통합제어부(12)에 제공된다.
이후 상기 바이오 가스 정제부(9)를 거친 바이오 가스는 버퍼 탱크(13)에 임시 저장된다.
상기 버퍼탱크(13)에 임시 저장된 바이오 가스는 상기 바이오 가스 농축부(14)에서 바이오가스를 메탄 95% 이상의 순도로 농축시킨다(S14). 메탄 95%로 농축되는 경우에 상기 바이오 가스는 메탄95%와 이산화탄소 약5%로 농축된다. 이때 순도 95% 또는 순도 95% 이상의 메탄은 상기 개질부(16)로 제공되고 이산화탄소는 폐가스와 함께 상기 잉여가스 연소부(18)로 배출되어 연소된다.
상기 농축된 메탄이 상기 개질부(16)로 유입될 때 상기 바이오 가스 농축부(14)에서 유출되는 잔여 탄소(이산화탄소)의 량을 측정하여 메탄의 순도가 95% 이상인지 여부를 판단한다(S16). 잔여탄소 량을 감시하는 중 수치가 비정상적으로 1~2% 이상 높아질 경우(즉 메탄의 순도가 95% 미안일 경우)(N)에는 바이오 가스를 재순환시킬 수 있다. 이때 잔여탄소의 량을 측정하는 것이 아니라 메탄의 순도를 측정하여 메탄의 순도가 95% 미만일 경우에 바이오 가스를 재순환 시킬 수도 있다.
바이오 가스의 재순환은 상기 개질부(16) 전단의 개질부(16)로 바이오 가스를 유입시키기 위한 솔레노이드 밸브(22)를 닫고 가스 리턴 밸브를 열어 바이오가스가 재 순환공정에 들어 갈수 있도록 한다. 즉 상기 바이오 가스 농축부(14)에서 유출되는 바이오 가스를 상기 온습도 제어부(57) 전단으로 유입되도록 하여 바이오 가스가 재순환 되도록 한다.
이와 같이 바이오 가스(또는 바이오메탄)의 농축도를 정밀하게 제어하여 개질부(16)와 연료전지의 성능과 효율을 보호하게 된다.
상기 바이오가스가 메탄 95% 이상으로 농축된 경우(Y)는 상기 개질부(16)에 유입되어 내부에 구비된 개질기를 통하여 화학식 "CH4+H2O = CO+3H2(수증기개질반응)", "CO+H2O=CO2+H2(수성가스화반응)"에 의해 개질수소연료(H2>70%)로 전환되고 연료전지부(17)에 공급된다(S18).
상기 연료전지부(17)에 공급된 개질수소는 전극의 양극에, 전극의 음극에는 공기 즉 산소를 공급하고 연료전지를 발전하여 전력을 생산한다(S20).
즉 연료전지 전극표면에 존재하는 백금을 촉매로 하여 전극인 양극에 공급되는 수소와 음극에 공급되는 산소가 반응하여 전기를 발생하게 된다.
상기 바이오 가스 농축부(14) 내부의 메탄농축기(PSA)를 통해 메탄(CH4) 농축 후 버려지는 잔여가스와, 상기 개질부(16) 내부의 개질기의 수소 전환과정에서 버려지는 탄소 외 폐가스를 상기 잉여가스연소부(18)에서 포집하여 대기중으로 안전하게 연소시키게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 바이오 가스를 에너지원으로 이용하여 전력을 생산함에 따라, 바이오 가스가 천연가스를 대체할 수 있으며, 바이오가스가 천연가스를 대체함에 따라 연료비를 줄일 수 있어 경비절감을 가져온다. 또한 바이오가스는 유기성 폐자원으로부터 발생하므로 재생에너지이면서 지구온난화가스인 이산화탄소발생이 없어 지구온난화억제효과를 가져오게 된다.
상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다.
1 ; 바이오 가스 저장탱크 57 : 온습도 제어부
9 : 바이오 가스 정제부 14 : 바이오 가스 농축부
12 ; 통합제어부 11 : 가스 분석부
16 : 개질부 17 : 연료전지부
18 ; 잉여가스 연소부

Claims (4)

  1. 바이오 가스를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템에 있어서:
    저장탱크에 저장된 바이오 가스를 일정온도에서 응축시켜 바이오 가스에 함유된 수분을 제습하는 온습도 제어부와;
    상기 온습도 제어부에 의해 제습된 바이오가스에 함유된 실록산 및 황화수소를 포함하는 불순물을 제거하기 위한 바이오 가스 정제부와;
    상기 바이오 가스 정제부를 통해 정제된 바이오 가스를, 메탄의 순도가 95%~100%가 되도록 농축하는 바이오 가스 농축부와;
    상기 바이오 가스 농축부에 의해 농축된 바이오 가스를 수소로 개질하여 개질수소연료를 제공하는 개질부와;
    상기 개질부에서 공급되는 개질수소연료를 이용하여 전력을 생산하는 연료전지부와;
    상기 온습도 제어부의 제어, 상기 바이오 가스 정제부의 제어, 상기 바이오 가스 농축부의 제어, 상기 개질부 및 연료전지부의 동작 제어를 수행하는 통합제어부와;
    상기 바이오 가스 농축부에 의해 농축된 바이오 가스를 분석하여 메탄의 순도가 95%~100%가 아닐 경우에, 상기 바이오 가스 농축부에 의해 농축된 바이오 가스를, 가스리턴 밸브를 이용하여 상기 온습도 제어부로 되돌려 가스 정제 및 가스 농축 과정을 다시 거치도록 제어하는 가스 분석부를 구비함을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이오 가스 농축부에서 바이오가스 중에 메탄 농축 후 버려지는 잔여가스와, 상기 개질부에서 수소전환과정에서 버려지는 잔여가스를 포집하여 연소시키기 위한 잉여가스 연소부를 더 구비함을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템.
  3. 바이오 가스를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템의 제어방법에 있어서;
    저장탱크에 저장된 바이오 가스를 일정온도에서 응축시켜 바이오 가스에 함유된 수분을 제습하는 제1단계와;
    상기 바이오가스에 함유된 실록산 및 황화수소를 포함하는 불순물을 제거하기 위하여. 일정온도 상태에서 제습된 상기 바이오 가스를 산화철 흡착탑, 활성탄 흡착탑, 첨착활성탄 흡착탑을 이용하여 정제하는 제2단계와;
    정제된 바이오 가스를 메탄의 순도가 95%~100%가 되도록 농축하되, 농축된 바이오 가스를 분석하여 메탄의 순도가 95%~100%가 아닐 경우에, 제1단계 내지 제2단계를 다시 수행하도록 제어하는 제3단계와;
    메탄의 순도가 95%~100%가 되도록 농축된 바이오 가스를 수소로 개질하여 개질수소연료로 제공하는 제4단계와;
    상기 개질수소연료를 연료전지용 연료로 공급하여 전력을 생산하는 제5단계를 구비함을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템의 제어방법.
  4. 삭제
KR1020100093169A 2010-09-27 2010-09-27 바이오 가스를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템 및 그의 제어방법 KR101007647B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100093169A KR101007647B1 (ko) 2010-09-27 2010-09-27 바이오 가스를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템 및 그의 제어방법
PCT/KR2011/006705 WO2012043994A2 (ko) 2010-09-27 2011-09-09 바이오 가스를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템 및 그의 제어방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100093169A KR101007647B1 (ko) 2010-09-27 2010-09-27 바이오 가스를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템 및 그의 제어방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101007647B1 true KR101007647B1 (ko) 2011-01-13

Family

ID=43616181

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100093169A KR101007647B1 (ko) 2010-09-27 2010-09-27 바이오 가스를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템 및 그의 제어방법

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101007647B1 (ko)
WO (1) WO2012043994A2 (ko)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101240444B1 (ko) 2010-09-29 2013-03-11 (주)유성 하이드레이트 기술을 활용한 폐기물 발생가스의 자원화 방법
WO2016035953A1 (ko) * 2014-09-02 2016-03-10 주식회사 케이에프 바이오 가스 정제 시스템
KR101771131B1 (ko) * 2015-10-29 2017-08-24 한국생산기술연구원 고온형 연료전지 발전용 바이오가스 전처리 융합 자원화 공정 시스템
KR101832072B1 (ko) * 2016-12-13 2018-02-23 한국과학기술연구원 바이오가스 정제 시스템
CN108085248A (zh) * 2016-11-23 2018-05-29 常州益优新能源有限公司 一种新型厌氧发酵系统及其发酵方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116664087B (zh) * 2023-08-02 2023-10-10 山东赛马力发电设备有限公司 一种能源综合管理系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006272160A (ja) * 2005-03-29 2006-10-12 Sanyo Electric Co Ltd バイオガスプラントの制御装置およびバイオガスプラントの制御方法
JP2008198406A (ja) 2007-02-09 2008-08-28 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
KR100948334B1 (ko) 2009-02-09 2010-03-17 이상범 바이오가스에 함유된 암모니아 및 황화수소 제거장치
JP4433902B2 (ja) 2004-06-30 2010-03-17 Ｊｆｅエンジニアリング株式会社 ガス精製装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007012762A1 (de) * 2007-03-16 2008-09-18 Enerday Gmbh Brennstoffzellensystem mit Rezirkulationsstrang

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4433902B2 (ja) 2004-06-30 2010-03-17 Ｊｆｅエンジニアリング株式会社 ガス精製装置
JP2006272160A (ja) * 2005-03-29 2006-10-12 Sanyo Electric Co Ltd バイオガスプラントの制御装置およびバイオガスプラントの制御方法
JP2008198406A (ja) 2007-02-09 2008-08-28 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
KR100948334B1 (ko) 2009-02-09 2010-03-17 이상범 바이오가스에 함유된 암모니아 및 황화수소 제거장치

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101240444B1 (ko) 2010-09-29 2013-03-11 (주)유성 하이드레이트 기술을 활용한 폐기물 발생가스의 자원화 방법
WO2016035953A1 (ko) * 2014-09-02 2016-03-10 주식회사 케이에프 바이오 가스 정제 시스템
KR101771131B1 (ko) * 2015-10-29 2017-08-24 한국생산기술연구원 고온형 연료전지 발전용 바이오가스 전처리 융합 자원화 공정 시스템
CN108085248A (zh) * 2016-11-23 2018-05-29 常州益优新能源有限公司 一种新型厌氧发酵系统及其发酵方法
KR101832072B1 (ko) * 2016-12-13 2018-02-23 한국과학기술연구원 바이오가스 정제 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
WO2012043994A3 (ko) 2012-05-31
WO2012043994A2 (ko) 2012-04-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Saadabadi et al. Solid Oxide Fuel Cells fuelled with biogas: Potential and constraints
Wasajja et al. Techno-economic review of biogas cleaning technologies for small scale off-grid solid oxide fuel cell applications
Abdelkareem et al. On the technical challenges affecting the performance of direct internal reforming biogas solid oxide fuel cells
KR101007647B1 (ko) 바이오 가스를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템 및 그의 제어방법
Papurello et al. Biowaste for SOFCs
Papurello et al. Waste to energy: Exploitation of biogas from organic waste in a 500 Wel solid oxide fuel cell (SOFC) stack
Atelge et al. A critical overview of the state-of-the-art methods for biogas purification and utilization processes
Papacz Biogas as vehicle fuel
Farhad et al. Effects of fuel processing methods on industrial scale biogas-fuelled solid oxide fuel cell system for operating in wastewater treatment plants
US10079399B2 (en) Fuel, cell, and generation system and method using the same
KR20110029963A (ko) 탄화수소발생장치를 포함하는 용융탄산염연료전지시스템
Barelli et al. Performance assessment of natural gas and biogas fueled molten carbonate fuel cells in carbon capture configuration
Rayner et al. Design of an organic waste power plant coupling anaerobic digestion and solid oxide fuel cell technologies
KR101653362B1 (ko) 막 분리와 엔진 연소기술을 이용한 바이오메탄 및 전기 동시 생산 장치
Nindhia et al. Reuse of carbon paste from used zinc-carbon battery for biogas desulfurizer with clay as a binder
Nindhia et al. Processing carbon rod from waste of zing-carbon battery for biogas desulfurizer
KR101441492B1 (ko) 바이오가스 연료전지 시스템 및 가스 공급 방법
Gandiglio et al. Design and balance-of-plant of a demonstration plant with a solid oxide fuel cell fed by biogas from waste-water and exhaust carbon recycling for algae growth
Verotti et al. Biogas upgrading and utilization from ICEs towards stationary molten carbonate fuel cell systems
Mohammadpour et al. Simple energy-efficient electrochemically-driven CO2 scrubbing for biogas upgrading
KR20200025161A (ko) 친환경 자원 생산 장치
KR20140112644A (ko) 이원 연료전지를 장착한 선박 또는 해양구조물의 발전 시스템 및 발전 방법
CN115335350A (zh) 生物气利用甲烷化系统
Soehartanto et al. A Novel Simple Dipping-Nebulizing Water Absorption for Biogas Purification
Paglinawan et al. Electrical performance analysis of biogas fuelled generator with purifier

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
A302 Request for accelerated examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20131119

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141205

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151223

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161209

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171211

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191219

Year of fee payment: 10