KR101845499B1 - Fuel cell power generating system - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 전처리 장치, 연료처리장치, 연료전지, 및 폐가스 활용부를 포함한다. 전처리 장치는 바이오 가스로부터 연료 가스와 가연성 폐가스를 생성한다. 연료처리장치는 연료 가스를 개질 가스로 전환하는 개질 반응기와, 개질 반응기로 열을 공급하는 버너를 포함한다. 연료전지는 개질 가스를 이용하여 전기를 생성한다. 폐가스 활용부는 가연성 폐가스를 수집하여 연료처리장치에 보조 연료로 공급한다.A fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a pretreatment device, a fuel treatment device, a fuel cell, and a waste gas utilization part. The pretreatment device generates a fuel gas and combustible waste gas from the biogas. The fuel processor includes a reforming reactor for converting the fuel gas into a reforming gas and a burner for supplying heat to the reforming reactor. The fuel cell generates electricity using reformed gas. The waste gas utilization unit collects combustible waste gas and supplies it as an auxiliary fuel to the fuel treatment unit.

Description

연료전지 시스템 {FUEL CELL POWER GENERATING SYSTEM}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a fuel cell system,

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 바이오 가스를 고농도의 메탄 가스로 전환시키는 전처리 장치를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system having a pretreatment device for converting biogas into methane gas at a high concentration.

축산 분뇨, 음식물 쓰레기, 하수 처리장의 슬러지 등과 같이 유기물의 함량이 높은 유기성 폐기물을 혐기 상태에서 분해하면 바이오 가스를 얻을 수 있다. 일반적으로 매립지에서 폐기물의 분해에 의해 발생하는 바이오 가스는 대략 60~70%의 메탄(CH4)과 30~40%의 이산화탄소(CO2) 및 소량의 황화수소와 암모니아 등을 포함한다.Biogas can be obtained by anaerobic digestion of organic wastes with high organic content, such as livestock manure, food waste, and sludge from sewage treatment plants. Generally biogas generated by the decomposition of waste in landfills includes approximately 60-70% methane (CH 4 ), 30-40% carbon dioxide (CO 2 ), and a small amount of hydrogen sulphide and ammonia.

바이오 가스는 열량이 메탄 가스 열량의 90% 수준으로 높기 때문에 재생 에너지로 각광을 받고 있다. 현재 바이오 가스를 활용하여 보일러나 열병합 발전소를 가동하는 기술이 이용되고 있고, 최근 바이오 가스를 고질화하여 자동차 또는 연료전지 시스템의 연료로 사용하려는 연구 개발이 진행되고 있다.Biogas is attracting attention as renewable energy because its calorific value is as high as 90% of methane gas calorific value. Currently, technology for operating a boiler or a cogeneration plant utilizing biogas is being used. Recently, research and development is underway to solidify biogas and use it as fuel for automobiles or fuel cell systems.

연료전지 시스템은 바이오 가스를 고농도의 메탄 가스로 전환시키는 전처리 장치와, 메탄 가스를 개질 가스로 전환시키는 연료처리장치와, 개질 가스와 공기로부터 전기 에너지를 생성하는 연료전지를 포함한다. 그런데 이러한 연료전지 시스템은 바이오 가스의 전처리 과정 중에 많은 전력이 소모되므로 종합 효율이 높지 못한 실정에 있다.The fuel cell system includes a pretreatment device for converting biogas into a high-concentration methane gas, a fuel treatment device for converting methane gas into a reformed gas, and a fuel cell for generating electrical energy from the reformed gas and air. However, such a fuel cell system consumes a lot of electric power during the process of pretreatment of the biogas, so that the overall efficiency is low.

본 발명은 바이오 가스를 연료로 사용하는 연료전지 시스템에 있어서, 바이오 가스의 전처리 과정에서 발생하는 가연성 폐가스를 소각하지 않고 연료전지 시스템 내에서 활용함으로써 종합 효율을 높일 수 있는 연료전지 시스템을 제공하고자 한다.The present invention provides a fuel cell system that can increase the overall efficiency of a fuel cell system using biogas as a fuel by utilizing combustible waste gas generated in the process of pretreatment of biogas in a fuel cell system without incineration .

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 전처리 장치, 연료처리장치, 연료전지, 및 폐가스 활용부를 포함한다. 전처리 장치는 바이오 가스로부터 연료 가스와 가연성 폐가스를 생성한다. 연료처리장치는 연료 가스를 개질 가스로 전환하는 개질 반응기와, 개질 반응기로 열을 공급하는 버너를 포함한다. 연료전지는 개질 가스를 이용하여 전기를 생성한다. 폐가스 활용부는 가연성 폐가스를 수집하여 연료처리장치에 보조 연료로 공급한다.A fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a pretreatment device, a fuel treatment device, a fuel cell, and a waste gas utilization part. The pretreatment device generates a fuel gas and combustible waste gas from the biogas. The fuel processor includes a reforming reactor for converting the fuel gas into a reforming gas and a burner for supplying heat to the reforming reactor. The fuel cell generates electricity using reformed gas. The waste gas utilization unit collects combustible waste gas and supplies it as an auxiliary fuel to the fuel treatment unit.

전처리 장치는 정제부와 고질화부를 포함할 수 있다. 정제부는 바이오 가스에 포함된 불순물을 제거할 수 있고, 고질화부는 불순물이 제거된 바이오 가스로부터 메탄 함량이 높은 연료 가스와, 이산화탄소 함량이 높은 가연성 폐가스를 분리시킬 수 있다.The pretreatment device may include a purification part and a solidifying part. The purification section can remove the impurities contained in the biogas, and the solidification section can separate the fuel gas having a high methane content from the biogas from which the impurities are removed and the combustible waste gas having a high carbon dioxide content.

고질화부는 개질 반응기 및 버너와 연결되어 개질 반응기와 버너로 연료 가스를 공급할 수 있고, 연료전지는 버너와 연결되어 버너로 미반응 가스를 공급할 수 있다.The solidifying part may be connected to the reforming reactor and the burner to supply the fuel gas to the reforming reactor and the burner, and the fuel cell may be connected to the burner to supply the unreacted gas to the burner.

폐가스 활용부는 고질화부로부터 가연성 폐가스를 제공받아 수집하는 저장 탱크를 포함할 수 있다. 연료전지의 정상 운전 시 저장 탱크는 가연성 폐가스를 버너에 보조 연료로 공급할 수 있다.The waste gas utilization section may include a storage tank for collecting and collecting combustible waste gas from the high-quality gasifying section. During normal operation of the fuel cell, the storage tank may supply combustible waste gas to the burner as an auxiliary fuel.

저장 탱크는 밸브가 설치된 배관을 통해 버너와 연결될 수 있다. 밸브는 연료전지의 발전 용량에 따른 버너의 필요 열량과, 연료전지에서 버너로 공급되는 미반응 가스의 공급 열량을 고려하여 가연성 폐가스의 공급 유량을 제어할 수 있다.The storage tank may be connected to the burner through a pipe with a valve. The valve can control the supply flow rate of the combustible waste gas in consideration of the calorific value of the burner depending on the generating capacity of the fuel cell and the heat quantity of the unreacted gas supplied to the burner in the fuel cell.

폐가스 활용부는 저장 탱크와 연결된 소각부를 더 포함할 수 있다. 연료전지의 기동 초기 또는 정지 시 소각부는 저장 탱크로부터 가연성 폐가스를 제공받아 소각할 수 있다.The waste gas utilization section may further include an incinerator connected to the storage tank. The incinerator may be provided with a combustible waste gas from the storage tank and incinerated when the fuel cell is started or stopped.

본 실시예의 연료전지 시스템은 바이오 가스의 전처리 과정에서 발생하는 가연성 폐가스를 소각하는 대신 버너의 보조 연료로 사용함으로써 버너의 연료 사용량을 줄일 수 있다. 따라서 연료처리장치의 효율을 높여 연료전지 시스템 전체의 종합 효율을 높일 수 있다.The fuel cell system of this embodiment can reduce the fuel consumption of the burner by using the combustible waste gas generated in the process of pretreatment of the biogas as an auxiliary fuel of the burner instead of incinerating it. Therefore, the efficiency of the fuel processor can be increased and the overall efficiency of the fuel cell system can be increased.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 연료전지 시스템의 부분 상세도이다.1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 is a partial detail view of the fuel cell system shown in Fig. 1. Fig.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 도면에 나타난 각 구성의 크기 및 두께 등은 설명의 편의를 위해 임의로 나타낸 것이므로, 본 발명은 도시한 바로 한정되지 않는다.When an element is referred to as "including" an element throughout the specification, it means that the element may further include other elements unless specifically stated otherwise. The sizes and thicknesses of the respective components shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of explanation, and the present invention is not limited to the illustrated ones.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시한 연료전지 시스템의 부분 상세도이다.FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a partial detail view of the fuel cell system shown in FIG.

도 1과 도 2를 참고하면, 연료전지 시스템은 바이오 가스를 연료 가스(고농도의 메탄 가스)로 전환하는 전처리 장치(100)와, 전처리 장치(100)에서 배출된 연료 가스를 개질 가스로 전환하는 연료처리장치(200)와, 개질 가스와 공기를 공급받아 전기 에너지를 생산하는 연료전지(300)를 포함한다.1 and 2, the fuel cell system includes a pretreatment apparatus 100 for converting a biogas into a fuel gas (high concentration methane gas), and a reforming apparatus 100 for converting the fuel gas discharged from the pretreatment apparatus 100 into a reforming gas A fuel processor 200, and a fuel cell 300 that receives the reformed gas and air to produce electrical energy.

바이오 가스는 유기물의 함량이 높은 유기성 폐기물을 혐기 상태에서 분해할 때 발생하는 가스이며, 매립지에서 폐기물의 분해에 의해 발생하는 바이오 가스는 대략 60~70%의 메탄(CH4)과 30~40%의 이산화탄소(CO2) 및 소량의 황화수소, 암모니아, 실록산 등을 포함한다. 전처리 장치(100)는 바이오 가스에 포함된 불순물을 제거하고, 메탄의 순도를 높여 연료 가스를 발생시킨다.Biogas is a gas generated when the decomposition of a high content of organic matter organic waste under anaerobic conditions, the biogas generated by the decomposition of waste in the landfill methane of about 60 ~ 70% (CH 4) and 30 to 40% Of carbon dioxide (CO 2 ) and a small amount of hydrogen sulfide, ammonia, siloxane, and the like. The pretreatment apparatus 100 removes the impurities contained in the biogas and raises the purity of the methane to generate the fuel gas.

전처리 장치(100)는 바이오 가스를 제공받아 저장하는 저장부(110)와, 바이오 가스에 포함된 불순물인 황화수소, 암모니아, 실록산 등을 제거하는 정제부(120)와, 메탄과 이산화탄소를 분리하여 메탄의 순도를 높이는 고질화(upgrading)부(130)를 포함할 수 있다.The pretreatment apparatus 100 includes a reservoir 110 for receiving and storing biogas, a purifier 120 for removing impurities such as hydrogen sulfide, ammonia, siloxane, and the like contained in the biogas, And an upgrading unit 130 for increasing the purity of the exhaust gas.

저장부(110)는 혐기성 소화조를 포함하는 바이오 가스 생산 장치와 연결되어 이로부터 바이오 가스를 공급받거나, 매립지에서 수집한 매립 가스 등을 공급받을 수 있다.The storage unit 110 may be connected to a biogas production apparatus including an anaerobic digestion tank to receive biogas from the biogas production facility, or to receive landfill gas collected from a landfill.

정제부(120)는 바이오 가스에 포함된 황화수소를 제거하는 탈황 유닛과, 바이오 가스에 포함된 암모니아를 제거하는 암모니아 제거 유닛과, 바이오 가스에 포함된 실록산을 제거하는 실록산 제거 유닛과, 바이오 가스에 포함된 수분을 제거하는 제습 유닛 등을 포함할 수 있다.The purification unit 120 includes a desulfurization unit for removing hydrogen sulfide contained in the biogas, an ammonia removal unit for removing ammonia contained in the biogas, a siloxane removal unit for removing siloxane contained in the biogas, A dehumidifying unit for removing the contained moisture, and the like.

정제부(120)를 거치면서 불순물이 제거된 바이오 가스는 중질(medium quality) 가스로서, 전기와 열을 생산하는 열병합 발전기의 연료로 사용될 수 있으나, 에너지 효율이 낮아 연료전지 시스템의 연료로는 사용이 부적합하다. 따라서 고질화부(130)가 불순물이 제거된 바이오 가스에서 이산화탄소를 분리시켜 순도 90% 이상의 고농도 메탄 가스를 발생시킨다.The biogas from which the impurities are removed through the purification unit 120 is a medium quality gas which can be used as a fuel for a cogeneration unit that generates electricity and heat. However, since the energy efficiency is low, Is inadequate. Therefore, the solidifying part 130 separates carbon dioxide from the biogas from which the impurities are removed, thereby generating high-concentration methane gas having a purity of 90% or more.

고질화부(130)는 케미칼 흡착법(chemical absorption), 압력 변동 흡착법(pressure swing absorption), 물 세정법(water washing), 저온 액화법(low temperature liquefaction), 및 분리막 분리법(membrane separation) 중 어느 하나의 방법을 이용하여 메탄과 이산화탄소를 분리시키는 구성으로 이루어진다.The solidifying unit 130 may be any one of chemical absorption, pressure swing absorption, water washing, low temperature liquefaction, and membrane separation To separate methane and carbon dioxide.

예를 들어, 분리막 분리법을 이용하는 고질화부(130)는 이산화탄소의 투과도가 높은 기체 분리막을 구비하여 메탄과 이산화탄소를 분리시킨다. 여러 고질화 방법들 가운데 분리막 분리법은 기계 장치가 비교적 단순하고, 운전이 간단하며, 메탈 회수율이 높은 장점이 있다.For example, the solidification unit 130 using the separation membrane separation method has a gas separation membrane having a high permeability to carbon dioxide to separate methane and carbon dioxide. Among the various solidification methods, the membrane separation method is advantageous in that the mechanism is relatively simple, the operation is simple, and the metal recovery rate is high.

연료처리장치(200)는 전처리 장치(100)에서 배출된 연료 가스로부터 수소가 다량 함유된 개질 가스를 생성한다. 연료처리장치(200)는 메탄과 수증기의 혼합 가스를 수소로 전환하는 개질 반응기(210)와, 개질 반응기(210)로 열을 공급하는 버너(220)를 포함한다.The fuel processing apparatus 200 generates a reformed gas containing a large amount of hydrogen from the fuel gas discharged from the pretreatment apparatus 100. The fuel processing apparatus 200 includes a reforming reactor 210 for converting a mixed gas of methane and steam into hydrogen and a burner 220 for supplying heat to the reforming reactor 210.

개질 반응기(210)는 수증기 개질 반응기일 수 있으며, 메탄을 고온 분위기에서 산소와 반응시켜 수소로 개질한다. 버너(220)는 버너 연료와 공기를 혼합 연소시켜 연소열을 발생시키며, 개질 반응기(210)로 연소열을 공급하여 개질 반응기(210)가 개질 반응에 필요한 고온을 유지하도록 한다.The reforming reactor 210 may be a steam reforming reactor and reacts methane with oxygen in a high temperature atmosphere to reform it into hydrogen. The burner 220 mixes and burns the burner fuel and air to generate combustion heat, and supplies the combustion heat to the reforming reactor 210 so that the reforming reactor 210 maintains a high temperature required for the reforming reaction.

버너 연료는 전처리 장치(100)에서 배출되는 연료 가스와, 연료전지(300)에서 배출되는 미반응 가스(미반응 개질 가스)를 포함할 수 있다. 고질화부(130)는 제1 배관(L1) 및 제2 배관(L2)을 통해 개질 반응기(210) 및 버너(220)에 각각 연결되어 개질 반응기(210)와 버너(220)로 연료 가스를 공급한다. 제1 배관(L1) 및 제2 배관(L2)에는 연료 가스의 공급량을 조절하는 제1 밸브(V1)와 제2 밸브(V2)가 각각 설치된다.The burner fuel may include fuel gas discharged from the pretreatment apparatus 100 and unreacted gas discharged from the fuel cell 300 (unreacted reformate gas). The solidifying unit 130 is connected to the reforming reactor 210 and the burner 220 through the first pipe L1 and the second pipe L2 and supplies the fuel gas to the reforming reactor 210 and the burner 220 do. The first valve (L1) and the second pipe (L2) are respectively provided with a first valve (V1) and a second valve (V2) for regulating the supply amount of the fuel gas.

개질 반응 과정에서 부산물로서 일산화탄소(CO)가 발생한다. 연료처리장치(200)는 개질 반응기(210)의 후단에 수성 가스 반응기(도시하지 않음)와 부분 산화 반응기(도시하지 않음)를 설치하여 개질 가스에 포함된 일산화탄소의 농도를 대략 50ppm 이하로 줄일 수 있다.Carbon monoxide (CO) is generated as a by-product in the reforming reaction. The fuel processor 200 may include a water gas reactor (not shown) and a partial oxidation reactor (not shown) at the rear end of the reforming reactor 210 to reduce the concentration of carbon monoxide contained in the reformed gas to about 50 ppm or less have.

연료전지(300)는 복수의 셀 스택으로 구성되며, 개질 가스 중의 수소를 공기 중의 산소와 화학반응시켜 전기 에너지를 생산한다. 연료전지(300)는 공해 물질의 배출과 소음이 없고, 수소를 지속적으로 공급하는 한 영구적으로 사용할 수 있는 고효율 에너지원이다.The fuel cell 300 is composed of a plurality of cell stacks, and generates hydrogen by chemically reacting the hydrogen in the reformed gas with oxygen in the air to produce electric energy. The fuel cell 300 is a high-efficiency energy source that can be used permanently as long as it continuously supplies hydrogen without emission and noise of pollutants.

연료전지(300)의 연료 이용율은 대략 75% 전후로서, 연료전지(300)에 공급된 개질 가스의 25% 정도가 미반응 가스로 배출된다. 연료전지(300)의 가스 배출구는 버너(220)와 연결되어 미반응 가스를 버너(220)에 연료로 제공한다.The fuel utilization rate of the fuel cell 300 is about 75%, and about 25% of the reformed gas supplied to the fuel cell 300 is discharged as unreacted gas. The gas outlet of the fuel cell 300 is connected to the burner 220 to supply unreacted gas to the burner 220 as fuel.

연료전지(300)는 축열조(400)와 연결될 수 있다. 축열조(400)는 폐열 회수 장치(도시하지 않음)를 이용하여 연료전지(300)에서 생산된 열을 제공받아 저장한다. 연료전지 시스템은 전기를 생산하는 것과 더불어 축열조(400)의 열을 이용하여 온수 또는 난방수 등을 사용자에게 공급할 수 있다.The fuel cell 300 may be connected to the heat storage tank 400. The heat storage tank 400 receives and stores heat generated by the fuel cell 300 using a waste heat recovery device (not shown). In addition to producing electricity, the fuel cell system can supply the user with hot water or heating water using the heat of the storage tank 400.

전처리 장치(100)의 고질화부(130)에서 메탄과 이산화탄소를 분리시킬 때, 가연성 메탄의 일부가 이산화탄소와 함께 배출된다. 즉 메탄과 이산화탄소는 완전히 분리되지 않고 일부가 서로 섞인 상태로 분리된다. 예를 들어, 고질화부(130)에서 분리된 연료 가스에는 대략 5~10%의 이산화탄소가 포함될 수 있고, 고질화부(130)에서 분리된 이산화탄소에는 대략 10~20%의 메탄이 포함될 수 있다.When methane and carbon dioxide are separated from the solidification part 130 of the pretreatment device 100, a part of the combustible methane is discharged together with the carbon dioxide. That is, methane and carbon dioxide are not completely separated, but some of them are separated in a mixed state. For example, the fuel gas separated by the solidification unit 130 may contain about 5 to 10% of carbon dioxide, and the carbon dioxide separated from the solidification unit 130 may include about 10 to 20% of methane.

고질화부(130)에서 분리된, 10~20%의 메탄과 나머지 이산화탄소를 포함하는 가스를 '가연성 폐가스'라고 하면, 종래 기술의 경우, 가연성 폐가스는 소각로에서 소각되어 대기 중으로 방출된다. 본 실시예의 연료전지 시스템은 가연성 폐가스를 소각하는 대신, 가연성 폐가스를 연료처리장치(200)의 보조 연료로 사용한다.When the gas containing 10 to 20% methane and the remaining carbon dioxide separated from the solidification part 130 is referred to as 'combustible waste gas', the combustible waste gas is incinerated in the incinerator and discharged to the atmosphere. The fuel cell system of this embodiment uses combustible waste gas as an auxiliary fuel of the fuel processing apparatus 200 instead of burning the combustible waste gas.

구체적으로, 연료전지 시스템은 고질화부(130)에서 배출된 가연성 폐가스를 수집하여 연료처리장치(200)에 공급하는 폐가스 활용부(500)를 포함한다. 폐가스 활용부(500)는 고질화부(130) 및 버너(220)와 연결되어 고질화부(130)에서 배출된 가연성 폐가스를 수집 후 버너(220)에 공급하는 저장 탱크(510)와, 저장 탱크(510)와 연결된 소각부(520)를 포함할 수 있다.Specifically, the fuel cell system includes a waste gas utilization unit 500 that collects combustible waste gas discharged from the solidification unit 130 and supplies the waste gas to the fuel treatment apparatus 200. The waste gas utilization unit 500 includes a storage tank 510 connected to the solidification unit 130 and the burner 220 to collect the combustible waste gas discharged from the solidification unit 130 and then to the burner 220, 510 and a burning unit 520 connected to the burning unit 520.

저장 탱크(510)는 제3 배관(L3)을 통해 고질화부(130)와 연결되어 가연성 폐가스를 제공받으며, 제4 배관(L4)을 통해 버너(220)와 연결되어 저장된 가연성 폐가스를 버너(220)에 보조 연료로 공급한다. 제3 배관(L3)과 제4 배관(L4)에는 가연성 폐가스의 유량을 조절하는 제3 밸브(V3)와 제4 밸브(V4)가 각각 설치된다.The storage tank 510 is connected to the solidification part 130 through the third pipe L3 to receive the flammable waste gas and the combustible waste gas stored in the burner 220 connected to the fourth pipe L4 through the burner 220 ) As an auxiliary fuel. A third valve (V3) and a fourth valve (V4) are provided in the third pipe (L3) and the fourth pipe (L4) to adjust the flow rate of the combustible waste gas.

소각부(520)는 제5 배관(L5)을 통해 저장 탱크(510)와 연결되며, 제5 배관(L5)에는 제5 밸브(V5)가 설치되어 가연성 폐가스의 유량을 조절한다.The incineration unit 520 is connected to the storage tank 510 through the fifth pipe L5 and the fifth valve V5 is installed in the fifth pipe L5 to regulate the flow rate of the combustible waste gas.

전처리 장치(100)에서 배출되는 가연성 폐가스는 전처리 장치(100)의 운전 상태에 따라 가스 생성량과 메탄 농도가 달라진다. 저장 탱크(510)는 불규칙하게 배출되는 가연성 폐가스를 수집 및 저장한다. 연료전지 시스템이 정상 운전할 때, 저장 탱크(510)는 저장된 가연성 폐가스를 버너(220)에 제공하여 버너(220)에 필요한 열량을 추가로 공급한다.The amount of gas produced and the concentration of methane in the combustible waste gas discharged from the pretreatment apparatus 100 vary depending on the operation state of the pretreatment apparatus 100. The storage tank 510 collects and stores combustible waste gas that is irregularly discharged. When the fuel cell system is in normal operation, the storage tank 510 provides the stored combustible waste gas to the burner 220 to further supply the required amount of heat to the burner 220.

구체적으로, 제4 밸브(V4)는 연료전지(300)의 발전 용량에 따른 버너(220)의 필요 열량과, 연료전지(300)에서 버너(220)로 공급되는 미반응 가스의 공급 열량을 고려하여 가연성 폐가스의 공급 유량을 제어할 수 있다.Specifically, the fourth valve V4 considers the required calorific value of the burner 220 according to the power generation capacity of the fuel cell 300 and the supplied calorific value of the unreacted gas supplied to the burner 220 from the fuel cell 300 So that the supply flow rate of the combustible waste gas can be controlled.

예를 들어, 연료전지(300)의 발전 용량이 20kW이고, 개질 반응기(210)로 공급되는 연료 가스가 대략 90%의 메탄과 10%의 이산화탄소를 포함하는 경우, 연료전지(300)를 정격 운전할 때 버너(220)의 필요 열량은 대략 21,000kcal/h가 될 수 있다. 연료전지(300)의 연료 이용율이 75%인 경우, 연료전지(300)에서 배출되는 미반응 가스의 열량은 대략 18,000kcal/h가 될 수 있다.For example, when the power generation capacity of the fuel cell 300 is 20 kW and the fuel gas supplied to the reforming reactor 210 contains approximately 90% methane and 10% carbon dioxide, the fuel cell 300 is operated under rated operation The required calorific value of the burner 220 can be approximately 21,000 kcal / h. When the fuel utilization rate of the fuel cell 300 is 75%, the calorific value of the unreacted gas discharged from the fuel cell 300 may be approximately 18,000 kcal / h.

이 경우 폐가스 활용부(500)가 버너(220)로 공급해야 하는 추가 열량은 대략 3,000kcal/h가 되며, 가연성 폐가스의 메탄 함량을 고려하여 버너(220)로 공급되어야 할 가열성 폐가스의 적정 유량을 산정할 수 있다.In this case, the amount of additional heat to be supplied to the burner 220 by the waste gas utilization unit 500 is approximately 3,000 kcal / h, and the appropriate flow rate of the heating waste gas to be supplied to the burner 220 in consideration of the methane content of the combustible waste gas Can be calculated.

한편, 연료전지 시스템의 기동 초기나 정지 시 운전 상태에 따라 가연성 폐가스를 사용하지 않을 수 있다. 이때에는 제4 밸브(V4)를 닫고 제5 밸브(V5)를 열어 저장 탱크(510)의 가연성 폐가스를 소각부(520)로 보내고, 소각부(520)에서 가연성 폐가스를 소각하여 대기 중으로 방출할 수 있다.On the other hand, the combustible waste gas may not be used depending on the starting state of the fuel cell system or the operating state at the time of stoppage. At this time, the fourth valve V4 is closed and the fifth valve V5 is opened to send the combustible waste gas of the storage tank 510 to the incineration unit 520, and the incineration unit 520 incinerates the combustible waste gas and discharges it to the atmosphere .

이와 같이 본 실시예의 연료전지 시스템은 바이오 가스의 전처리 과정에서 발생하는 가연성 폐가스를 소각하는 대신 버너(220)의 보조 연료로 사용함으로써 버너(220)의 연료 사용량을 줄일 수 있다. 따라서 연료처리장치(200)의 효율을 높여 연료전지 시스템 전체의 종합 효율을 높일 수 있다.As described above, the fuel cell system of the present embodiment can reduce the fuel consumption of the burner 220 by using the combustible waste gas generated in the pre-treatment process of the biogas as an auxiliary fuel for the burner 220. [ Therefore, the efficiency of the fuel processor 200 can be increased, and the overall efficiency of the fuel cell system can be increased.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Of course.

100: 전처리 장치 110: 저장부
120: 정제부 130: 고질화부
200: 연료처리장치 210: 개질 반응기
220: 버너 300: 연료전지
400: 축열조 500: 폐가스 활용부
510: 저장 탱크 520: 소각부100: preprocessor 110: storage unit
120: Purification part 130:
200: fuel processor 210: reforming reactor
220: burner 300: fuel cell
400: heat storage tank 500: waste gas utilization part
510: Storage tank 520: Incinerator

Claims (6)

바이오 가스에 포함된 불순물을 제거하는 정제부와, 불순물이 제거된 바이오 가스로부터 메탄 함량이 높은 연료 가스와 이산화탄소 함량이 높은 가연성 폐가스를 분리하는 고질화부를 포함하는 전처리 장치;
상기 연료 가스를 공급받아 개질 가스로 전환하는 개질 반응기와, 상기 개질 반응기로 열을 공급하는 버너를 포함하는 연료 처리장치;
상기 개질 가스를 공급받아 전기를 생성하는 연료전지; 및
상기 고질화부와 상기 버너에 연결 설치되며 상기 가연성 폐가스의 이송을 위한 배관과, 상기 배관에 연결 설치되어 상기 가연성 폐가스를 수집하는 저장 탱크와, 상기 배관에 설치되어 상기 버너를 향한 상기 가연성 폐가스의 이송을 제어하는 밸브와, 상기 저장 탱크에 연결 설치된 소각부를 포함하는 폐가스 활용부
를 포함하며,
상기 폐가스 활용부는 상기 연료전지의 정상 운전 시 상기 밸브를 개방하여 상기 가연성 폐가스를 상기 버너에 보조 연료로 공급하고, 상기 연료전지의 기동 초기 및 정지 시 상기 소각부를 가동하여 상기 가연성 폐가스를 소각하는 연료전지 시스템.A pretreatment device including a refining part for removing impurities contained in the biogas, and a solidifying part for separating the fuel gas having a high methane content and the combustible waste gas having a high carbon dioxide content from the biogas from which the impurities have been removed;
A reforming reactor for converting the fuel gas into a reformed gas, and a burner for supplying heat to the reforming reactor;
A fuel cell that receives the reformed gas and generates electricity; And
A pipe connected to the solidification part and the burner for transferring the flammable waste gas; a storage tank connected to the pipe to collect the flammable waste gas; and a transfer unit for transferring the flammable waste gas toward the burner And a waste gas utilization part including an incinerator connected to the storage tank,
/ RTI >
Wherein the waste gas utilization section opens the valve at the time of normal operation of the fuel cell to supply the combustible waste gas as an auxiliary fuel to the burner and operates the incinerator at the start and stop of the fuel cell to burn the combustible waste gas Battery system. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 고질화부는 상기 개질 반응기 및 상기 버너와 연결되어 상기 개질 반응기와 상기 버너로 상기 연료 가스를 나누어 공급하고,
상기 연료전지는 상기 버너와 연결되어 상기 버너로 미반응 가스를 공급하는 연료전지 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the solidifying unit is connected to the reforming reactor and the burner to separately supply the fuel gas to the reforming reactor and the burner,
Wherein the fuel cell is connected to the burner to supply unreacted gas to the burner. 삭제delete 제3항에 있어서,
상기 밸브는 상기 연료전지의 발전 용량에 따른 상기 버너의 필요 열량과, 상기 연료전지에서 상기 버너로 공급되는 상기 미반응 가스의 공급 열량을 고려하여 상기 가연성 폐가스의 공급 유량을 제어하는 연료전지 시스템.The method of claim 3,
Wherein the valve controls the supply flow rate of the combustible waste gas in consideration of the calorific value of the burner according to the generating capacity of the fuel cell and the heat quantity of the unreacted gas supplied to the burner in the fuel cell. 삭제delete
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