KR20110115202A - 연료전지용 바이오가스 정제시스템 및 바이오가스 정제방법 - Google Patents

연료전지용 바이오가스 정제시스템 및 바이오가스 정제방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 바이오가스 정제시스템 및 바이오가스 정제방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 연료전지용 바이오가스 정제시스템은, 연료전지에 공급되는 바이오가스를 정제하는 연료전지용 바이오가스 정제시스템에 있어서, 제1 열교환기(100), 탈황기(200), 압축기(300), 제1 필터(400), 제2 열교환기(500), 제3 열교환기(600), 실록산제거기(700) 및 제2 필터(800)가 차례로 설치되되, 상기 바이오가스를 발생시키는 소화조로부터 공급된 바이오가스의 수분을 상기 제1 열교환기(100)를 통하여 제거하며, 상기 수분이 제거된 바이오가스 내에 포함되어 있는 황화수소(H2S) 성분을 상기 탈황기(200)를 통하여 제거하고, 상기 황화수소 성분이 제거된 바이오가스를 상기 압축기(300)를 통하여 승압시키며, 상기 승압된 바이오가스의 미세분진 및 불순물을 상기 제1 필터(400)를 통하여 제거하고, 상기 미세분진 및 불순물이 제거된 바이오가스의 온도를 상기 제2 열교환기(500)를 통하여 소정의 온도 이하로 냉각시키며, 상기 온도가 냉각된 바이오가스의 수분을 상기 제3 열교환기(600)를 통하여 제거시키고, 상기 수분이 제거된 바이오가스를 상기 승압된 바이오가스와 상기 제2 열교환기(500)를 통하여 열교환시켜 상기 수분이 제거된 바이오가스의 온도를 소정 온도 이상으로 상승시키며, 상기 온도가 상승된 바이오가스의 실록산(Siloxane) 성분을 상기 실록산제거기(700)를 통하여 제거하고, 상기 실록산 성분이 제거된 바이오가스의 미세분진 및 불순물을 상기 제2 필터(800)를 통하여 제거하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지용 바이오가스 정제시스템 및 바이오가스 정제방법{PURIFICATION SYSTEM OF BIOGAS FOR FUEL CELL AND PURIFICATION METHOD THEREOF}
본 발명은 연료전지용 바이오가스 정제시스템 및 바이오가스 정제방법에 관한 것이다.
혐기성 소화가스(이하, 바이오가스라 한다.)는 당분, 전분, 알코올, 제지 그리고 식료품 제조공장, 또는 활성오니 공정을 이용한 하수 및 폐수 슬러지 및 음식물 쓰레기의 혐기성 소화 슬러지 처리시 발생한다.
우리나라는 소화조에서 혐기성 분해반응을 이용하여 메탄, 이산화탄소, 황화수소 및 실록산 등의 성분을 함유한 바이오가스를 생산하고 있다. 이렇게 생산된 바이오가스는 발전설비의 열원으로 사용하여 전기 및 온수를 생산하고 있다.
하지만, 바이오가스 중에 함유된 불순물인 황화수소는 산화철 및 활성탄을 이용한 건식탈황공정을 주로 이용하여 가스 중에 함유된 황화수소만을 정제하고 있을 뿐이며, 기존의 건식탈황공정은 일반적으로 탈황효율이 95%수준에 미치므로 2차적인 탈황공정을 필요로 함으로 시간과 비용 면에서 소모적이라는 문제점이 있었다.
또한, 일정한 주기로 활성탄 및 산화철을 교체해야 하며, 폐활성탄 및 폐산화철은 현재 매립처리하고 있지만, 향후에는 매립처리에 대한 환경규제가 시행될 예정이므로 건식탈황공정의 적용에 커다란 어려움이 따르게 된다는 문제점이 있다.
또한, 바이오가스 중에 함유되어 있는 황화수소는 발전설비에서 공기와의 연소시 환경규제 대기오염물질인 아황산 가스를 발생하게 되며, 설비부식을 초래하게 된다는 문제점이 있다.
이외에 바이오가스 중에는 실록산이 포함되어 있는데 공기와의 연소시 발전설비 내부표면에 실리콘피막을 형성하게 되어 배관폐쇄 및 열전달효율 감소를 초래하게 되어 운전 및 유지비용증가를 가져오게 되는 문제점이 있다.
그러므로, 바이오가스 중에 함유되어 있는 황화수소 및 실록산을 효과적이고 경제적인 바이오가스 정제공정으로 정제하여 바이오가스 중 메탄을 열원으로 사용하는 발전설비의 수명 및 유지보수비용을 절감하는 것이 필요하다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 바이오가스 중에 함유되어있는 황화수소 및 실록산을 경제적인 정제공정을 통하여 황화수소 및 실록산의 2차 정제 없이 제거하여 연료전지에 공급하는 것에 의하여, 바이오가스 중 메탄을 전력 및 열생산에 적용하는 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지용 바이오가스 정제시스템 및 바이오가스 정제방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 바이오가스 정제시스템은, 연료전지에 공급되는 바이오가스를 정제하는 연료전지용 바이오가스 정제시스템에 있어서, 제1 열교환기, 탈황기, 압축기, 제1 필터, 제2 열교환기, 제3 열교환기, 실록산제거기 및 제2 필터가 차례로 설치되되, 상기 바이오가스를 발생시키는 소화조로부터 공급된 바이오가스의 수분을 상기 제1 열교환기를 통하여 제거하며, 상기 수분이 제거된 바이오가스 내에 포함되어 있는 황화수소(H2S) 성분을 상기 탈황기를 통하여 제거하고, 상기 황화수소 성분이 제거된 바이오가스를 상기 압축기를 통하여 승압시키며, 상기 승압된 바이오가스의 미세분진 및 불순물을 상기 제1 필터를 통하여 제거하고, 상기 미세분진 및 불순물이 제거된 바이오가스의 온도를 상기 제2 열교환기를 통하여 소정의 온도 이하로 냉각시키며, 상기 온도가 냉각된 바이오가스의 수분을 상기 제3 열교환기를 통하여 제거시키고, 상기 수분이 제거된 바이오가스를 상기 승압된 바이오가스와 상기 제2 열교환기를 통하여 열교환시켜 상기 수분이 제거된 바이오가스의 온도를 소정 온도 이상으로 상승시키며, 상기 온도가 상승된 바이오가스의 실록산(Siloxane) 성분을 상기 실록산제거기를 통하여 제거하고, 상기 실록산 성분이 제거된 바이오가스의 미세분진 및 불순물을 상기 제2 필터를 통하여 제거하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 열교환기의 일측에 설치된 제1 냉각기를 더 포함하고, 상기 제1 냉각기는 상기 제1 열교환기에 공급된 바이오가스를 냉각시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탈황기는 상기 제1 열교환기와 상기 압축기 사이에 적어도 하나 이상으로 직렬로 설치될 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 압축기는 상기 탈황기와 상기 제1 필터 사이에 적어도 하나 이상으로 병렬로 설치될 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제3 열교환기의 일측에 설치된 제2 냉각기를 더 포함하고, 상기 제2 냉각기는 상기 온도가 상승된 바이오가스를 냉각시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 실록산제거기는 상기 제3 열교환기와 상기 제2 필터 사이에 적어도 하나 이상으로 직렬로 설치될 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 바이오가스 정제방법은, (a)소화조로부터 공급된 바이오가스의 수분을 제거하는 단계; (b)상기 수분이 제거된 바이오가스의 황화수소(H2S) 성분을 제거하는 단계; (c)상기 황화수소 성분이 제거된 바이오가스를 승압시키는 단계; (d)상기 승압된 바이오가스의 미세분진 및 불순물을 제거하는 단계; (e)상기 미세분진 및 불순물이 제거된 바이오가스의 온도를 소정의 온도 이하로 냉각시키는 단계; (f)상기 온도가 냉각된 바이오가스의 수분을 제거하는 단계; (g)상기 수분이 제거된 바이오가스를 상기 승압된 바이오가스와 열교환시켜 상기 수분이 제거된 바이오가스의 온도를 소정 온도 이상으로 상승시키는 단계; (h)상기 온도가 상승된 바이오가스의 실록산(Siloxane) 성분을 제거하는 단계; 및 (i)상기 실록산 성분이 제거된 바이오가스의 미세분진 및 불순물을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 바이오가스 중에 함유되어있는 황화수소 및 실록산을 경제적인 정제공정을 통하여 황화수소 및 실록산의 2차 정제 없이 제거하여 연료전지에 공급하고 있기 때문에, 바이오가스 중 메탄을 전력 및 열생산에 적용하는 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제 해결 수단, 효과 외의 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 바이오가스 정제시스템의 구조를 나타내는 도면.
도 2는 도 1의 연료전지용 바이오가스 정제시스템을 이용하여 정제된 바이오가스가 공급되는 연료전지를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 바이오가스 정제방법을 나타내는 도면.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 바이오가스 정제시스템의 구조를 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 연료전지용 바이오가스 정제시스템을 이용하여 정제된 바이오가스가 공급되는 연료전지를 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 바이오가스의 정제시스템은, 제1 열교환기(100), 탈황기(200), 압축기(200), 제1 필터(400), 제2 열교환기(500), 제3 열교환기(600), 실록산제거기(700) 및 제2 필터(800)가 차례로 설치되어 연료전지에 공급되는 바이오가스를 정제한다. 한편, 여기서, 연료전지(Fuel cell)란, 연료로 사용되는 가스에 포함된 수소와 공기 중 산소의 전기화학반응을 이용하여 전기와 열 에너지를 생산하는 고효율이면서 친환경적인 전지이다. 이때, 연료전지(20)는, 공기극(22) 및 연료극(23)을 포함하는 전극, 전해질(21), 분리판(24)으로 이루어진 셀이 적층된 구조로서, 물의 전기분해의 역반응을 이용한 것으로서, 수소(H2)와 산소(O2)가 화학반응하여 전기와 열이 발생되는 원리를 이용하는 것이다.
제1 열교환기(100)는, 바이오가스를 발생시키는 소화조로부터 공급된 바이오가스의 내부에 포함되어 있는 수분을 제거한다. 즉, 제1 열교환기(100)는 바이오가스 중에 포함되어 있는 이물질 제거 및 수분을 응축시켜 제거하기 위한 장치이다. 본 연료전지용 바이오가스 정제시스템의 제1 열교환기(100)는, SUS 304를 재질로 하고, 수직형 열교환기를 사용한다. 이때, 제1 열교환기(100)의 용량은 300 CFM을 가지고, 입구측 온도가 최대 37℃이며, 내열온도가 80℃이고, 입구측 압력이 0.0001kg/㎠이상인 것이 바람직하다. 또한, 도시되어 있지는 않지만, 제1 열교환기(100)는, 데미스터(Demister) 및 드레인 펌프(Drain pump)가 더 설치된다. 이때, 데미스터는, 수분이 포화 상태에서 발생하는 가스가 수분을 품은 채 상승하여 이 데미스터와 충돌하고, 그때 품어있는 액체분자가 데미스터의 표면에 부딪혀서 액체방울이 되어 이물질과 함께 중력으로 낙하하게 되며 액체분자와 분리된 가스는 데미스터의 방해를 받지 않고 통과하게 하는 역할을 한다. 또한, 드레인 펌프는, 가스로부터 응축된 수분을 장착된 레벨 스위치(Level switch)의 동작에 따라 자동으로 운전이 되도록 하여 하수처리장으로 운송토록 하는 역할을 하고, 그 펌프의 흡입측 배관에는 스트레이너를 장착하고 펌프 각각의 흡입, 토출구에 밸브 및 체크 밸브를 부착하여 구성된다.
또한, 제1 열교환기(100)의 일측에는 제1 냉각기(150)가 설치된다. 제1 냉각기(150)는 제1 열교환기(100)에 공급된 바이오가스를 냉각시킨다. 이때, 제1 냉각기(150)는, 제습용 냉각기(Packaged Chiller)로서, 공랭식 칠러이고, 내부의 가스압력은 2.0 kg/㎠이며, 브라인 입구 및 출구 온도는 각각 4.5℃(40℉) 및 -1.0℃(30℉)로 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 도시되어 있지는 않지만, 제1 냉각기(150)는, 기기본체 및 케이스(Frame & Casing), 압축기(Compressor), 응축기(Condenser), 증발기(Evaporator), 팽창변 (Expansion Valve), 냉매배관 (Piping), 브라인 탱크(Brine Tank), 순환펌프(Circulation Pump), 자동제어(Automatic Control), 방진장치(Isolator)로 이루어진다. 이때, 상기한 바와 같은 제1 냉각기의 구성은 후술하는 제2 냉각기에도 동일하게 적용된다. 이와 같은 제1 냉각기 및 제2 냉각기의 구성은 본 발명의 특징은 아니고, 일반적인 공랭식 칠러의 구성에 해당되는 것으로서 이에 관한 기재는 생략하기로 한다.
탈황기(200)는, 제1 열교환기(100)에 의하여 수분이 제거된 바이오가스 내에 포함되어 있는 황화수소(H2S) 성분을 제거한다. 이때, 탈황기(200)의 인입되는 가스의 인입농도 및 출구농도는 각각 750 ~ 950 ppmv 및 10 ppmv 이하인 것이 바람직하고, 탈황기(200)의 입구압력 및 출구압력은 각각 14.45 PSIA 및 14.02 PSIA이 되도록 설계되는 것이 바람직하다. 또한, 탈황기(200)의 입구온도 및 출구온도는 각각 50℉ 및 50℉인 것이 바람직하다. 그러나, 본 연료전지용 바이오가스 정제시스템에 이용되는 탈황기(200)의 농도, 압력, 온도 등은 상기한 바에 한정되는 것은 아니고, 제작자의 설계의도 및 목적에 따라 달라질 수 있음은 당업자에게 자명하다 할 것이다. 또한, 탈황기(200)는 소정 크기의 산화철이 혼합된 고형물 또는 활성탄 또는 약액세정 방법을 사용하여 황화수소를 제거한다. 산화철을 이용한 황화수소제거는 산화철 표면에서의 표면반응에 기인한 것으로, 입자크기가 클수록 황화수소를 제거하는데 소요되는 산화철의 부피보다 황화수소가 미접촉하게 되는 내부의 미접촉부피가 증가하게 되어, 산화철 자체의 사용량이 증가하게 되며, 입자크기가 작을수록, 산화철분말 제조공정에서 비용증가를 가져오게 되는 것으로서, 산화철분말의 크기 등의 요소는 작업자의 설계의도 및 목적에 따라 조절될 수 있다.
또한, 탈황기(200)는 제1 열교환기(100)와 압축기(300) 사이에 적어도 하나 이상(210, 220)으로 직렬로 설치되어, 제1 열교환기(100)에 의하여 수분이 제거된 바이오가스 내에 포함되어 있는 황화수소(H2S) 성분을 보다 효율적으로 제거될 수 있다.
압축기(300)(Compressor)는, 황화수소 성분이 제거된 바이오가스를 압축기(300)를 통하여 승압시킨다. 즉, 본 압축기(300)는, 연료전지(FUEL CELL)의 운전을 위한 연료로 바이오가스를 공급하기 위해, 압력을 연료전지의 전단의 최종 운전압력 PSIA(약 1.5 ㎏/㎠) 수준으로 가압 이송하기 위하여 설치되는 장치이다. 이때, 압축기(300) 내부에 인입되는 유량은 최대 300 CFM이고, 그 입구 및 출구 압력이 각각 14.0 PSIA 및 32.6 PSIA이상으로 되도록 설계하는 것이 바람직하다. 또한, 압축기(300)의 입구 및 출구 온도는 50℉ 및 145℉로 되도록 설계하는 것이 바람직하다.
이때, 압축기(300)는, 전동기 직결식 밀폐형 스크롤 압축기로 구성되고, 베이스는 진동과 소음을 방지시킬 수 있는 방진고무를 부착할 수 있는 구조로 제작된다. 또한, 압축기(300) 내의 모터의 권선을 보호할 수 있는 과부하 보호용 장치가 내장되어 있다. 또한, 압축기(300)의 입구 및 출구 배관에는 점검이 용이하도록 서비스 밸브(Service Valve)가 각각 부착되어 있다.
한편, 압축기(300)는, 응축기(Condenser), 증발기(Evaporator), 팽창변(Expansion Valve), 냉매배관, 브라인 탱크(Brine Tank), 순환펌프(Circulation Pump), 자동제어반 등의 구성을 포함하여 압축기(300)의 성능을 향상시킬 수 있다. 이와 같이 압축기(300)를 구성하는 응축기, 증발기, 팽창변, 냉매배관, 브라인 탱크, 순환펌프, 자동제어반 등의 구성들은 일반적인 압축기에 구비되는 것들로서, 이에 관한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 압축기(300)는 탈황기(200)와 제1 필터(400) 사이에 적어도 하나 이상(310, 320)으로 병렬로 설치되어, 황화수소 성분이 제거된 바이오가스를 보다 효율적으로 승압시킬 수 있다.
제1 필터(400)는, 압축기(300)의 후단에 설치되어, 압축기(300)에 의하여 승압된 바이오가스를 공급받아 그 내부에 포함되어 있는 미세분진 및 불순물을 제거한다. 즉, 제1 필터(400)는 바이오가스 내에 포함된 입자상 고형 이물질을 제거한다. 이때, 바이오가스 내에 포함되어 있는 입자상 고형물질은, 연료전지 설비 등에 마모물질을 형성하여 기기의 수명을 단축시킬 수 있으므로, 바이오가스를 연료로 공급하기 전에 미세분진 및 불순물을 제거되어야 할 필요가 있다. 제1 필터(400)는 원통형의 STS 304과 같은 유리섬유(Glass Fiber)로 구성되어, 최고사용압력이 125 psig(8.78 ㎏/㎠)이고, 온도가 -20 ~ 250℉로 되도록 설계되는 것이 바람직하다. 한편, 본 연료전지용 바이오가스 정제시스템에 있어서, 압축기(300)의 후단에 제1 필터(400)가 설치되는 것을 일 예로 하여 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 압축기(300)의 전단에 제1 필터(400)를 설치하여, 탈황기(200)를 통해 출력되는 가스에 함유될 수 있는 고형입자를 제거함으로써, 고형입자로 인하여 압축기(300)가 마모되는 것을 방지할 수 있다.
제2 열교환기(500)는, 제1 필터(400)에 의하여 미세분진 및 불순물이 제거된 바이오가스의 온도를 소정의 온도 이하로 냉각시킨다. 제2 열교환기(500)는 그 후단에 설치되는 제3 열교환기(600)의 부하를 줄이기 위한 사전냉각 기능을 가진다. 이때, 소정 온도는 50℃인 것이 바람직하나, 이러한 온도는 바이오가스의 양에 따라 달라질 수 있음은 당업자에게는 자명할 것이다. 본 연료전지용 바이오가스 정제시스템의 제2 열교환기(500)는, 나선형의 열교환기(Spairal Heat Exchanger)로서, Gas To Gas 방식이고, 입구압력이 32.6/27.6 PSIA이며, 입구 및 출구 온도가 각각 145/45 ℉ 및 100/80 ℉로 되도록 설계하는 것이 바람직하다.
또한, 제2 열교환기(500)는, 후술하는 제3 열교환기(600)에 의하여 수분이 제거된 바이오가스와 압축기(300)에 의하여 승압된 바이오가스를 열교환시켜 수분이 제거된 바이오가스의 온도를 소정 온도 이상으로 상승시킨다. 즉, 제2 열교환기(500)는, 제3 열교환기(600)(Gas to water Heat Exchanger)를 거쳐 냉각된 바이오가스를 압축기(300)를 통과하여 승온된 바이오가스와의 열교환을 통해 바이오가스의 온도를 일정이상으로 올려준다. 이때, 소정 온도는 20℃ 인 것이 바람직하나, 이러한 온도는 바이오가스의 양에 따라 달라질 수 있음은 당업자에게는 자명할 것이다.
제3 열교환기(600)는, 제2 열교환기(500)에 의하여 온도가 냉각된 바이오가스의 내부에 포함되어 있는 수분을 제거한다. 본 연료전지용 바이오가스 정제시스템은, SUS 304를 재질로 하고, 수직형 열교환기를 사용한다. 이때, 제3 열교환기(600)의 용량은 300 CFM을 가지고, 입구측 온도가 최대 37℃이며, 내열온도가 80℃이고, 입구측 압력이 0.0001kg/㎠이상인 것이 바람직하다. 또한, 도시되어 있지는 않지만, 제3 열교환기(600)는, 상기한 제1 열교환기(100)에 대한 설명에서와 같이 데미스터(Demister) 및 드레인 펌프(Drain pump)가 더 설치된다.
또한, 제3 열교환기(600)의 일측에 설치된 제2 냉각기(650)를 더 포함하고, 제2 냉각기(650)는 제2 열교환기(500)에 의하여 온도가 냉각된 바이오가스를 다시 냉각시킨다.
실록산제거기(700)는, 제2 열교환기(500)에 의하여 온도가 상승된 바이오가스 내에 포함되어 있는 실록산(Siloxane) 성분, 즉 규소화합물 성분을 제거하기 위한 설비이다. 즉, 실록산제거기(700)는, 제2 열교환기(500)에 의하여 온도가 상승된 바이오가스를 활성탄 다공성에 의한 물리 및 화학적 흡착현상에 의하여 실록산 성분이 정제된다. 이때, 실록산제거기(700)에 인입되어 출력되는 바이오가스의 농도는 각각 200 ~ 300 ppmv 및 1 ppmv 이하이고, 입구 및 출구압력은 각각 14.45 PSIA 및 14.02 PSIA이며, 입구 및 출구온도가 각각 80℉ 및 80℉가 되도록 설계되는 것이 바람직하다.
또한, 실록산제거기(700)는, 제3 열교환기(600)와 제2 필터(800) 사이에 적어도 하나 이상(710, 720)으로 직렬로 설치되어, 제2 열교환기(500)에 의하여 온도가 상승된 바이오가스 내에 포함되어 있는 실록산(Siloxane) 성분을 보다 효율적으로 제거할 수 있다.
제2 필터(800)는, 실록산제거기(700)에 의하여 실록산 성분이 제거된 바이오가스를 공급받아 그 내부에 포함되어 있는 미세분진 및 불순물을 제거한다. 즉, 제2 필터(800)는, 실록산제거기(700)의 후단에 설치되어, 바이오가스 내의 입자상 고형 이물질을 제거한다. 또한, 제2 필터(800)는 실록산제거기(700)에서 간혹 발생될 수 있는 활성탄분진을 제거하여, 연료전지의 원활한 운전을 도모할 수 있도록 한다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 도 1의 연료전지용 바이오가스 정제시스템을 이용한 연료전지 발전시스템은, 도 1의 연료전지용 바이오가스 정제시스템에 의하여 정제된 가스를 공급하는 가스공급장치(MBOP, 10), 가스공급장치(10)로부터 공급된 가스를 통하여 전기를 생성하는 연료전지장치(STACK, 20), 연료전지장치(20)에서 생성된 전기를 전력변환기(40)로 공급하는 제어장치(EBOP, 30)로 이루어지고, 전력변환기(40)는 공급된 전기, 즉 직류전기를 교류전기로 변환한 후 전력(50)을 공급하게 된다. 이때, 제어장치는(30), 인버터(Inverter), 콘버터(Converter) 등의 소자를 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 본 연료전지 발전시스템은, 가스 공급장치(10)로부터 공급된 수소와 산소를 연료전지장치(20)를 통하여 전기화학반응을 시켜 전기를 생성하고, 생성된 전기, 즉 직류전기를 제어장치(30)를 통하여 교류전기로 변환하여 외부로 공급하거나 시스템 내의 각 장치를 제어한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 바이오가스 정제방법을 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 바이오가스 정제방법은, (a)소화조로부터 공급된 바이오가스의 수분을 제거하는 단계(S100)와, (b)상기 수분이 제거된 바이오가스의 황화수소(H2S) 성분을 제거하는 단계(S200)와, (c)상기 황화수소 성분이 제거된 바이오가스를 승압시키는 단계(S300)와, (d)상기 승압된 바이오가스의 미세분진 및 불순물을 제거하는 단계(S400)와, (e)상기 미세분진 및 불순물이 제거된 바이오가스의 온도를 소정의 온도 이하로 냉각시키는 단계(S500)와, (f)상기 온도가 냉각된 바이오가스의 수분을 제거하는 단계(S600)와, (g)상기 수분이 제거된 바이오가스를 상기 승압된 바이오가스와 열교환시켜 상기 수분이 제거된 바이오가스의 온도를 소정 온도 이상으로 상승시키는 단계(S700)와, (h)상기 온도가 상승된 바이오가스의 실록산(Siloxane) 성분을 제거하는 단계(S800)와, (i)상기 실록산 성분이 제거된 바이오가스의 미세분진 및 불순물을 제거하는 단계(S900)를 포함한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 바이오가스 정제시스템 및 연료전지용 바이오가스 정제방법에 의하면, 바이오가스 중에 함유되어있는 황화수소 및 실록산을 경제적인 정제공정을 통하여 황화수소 및 실록산의 2차 정제 없이 제거하여 연료전지에 공급하고 있기 때문에, 바이오가스 중 메탄을 전력 및 열생산에 적용하는 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (7)

  1. 연료전지에 공급되는 바이오가스를 정제하는 연료전지용 바이오가스 정제시스템에 있어서,
    제1 열교환기(100), 탈황기(200), 압축기(300), 제1 필터(400), 제2 열교환기(500), 제3 열교환기(600), 실록산제거기(700) 및 제2 필터(800)가 차례로 설치되되,
    상기 바이오가스를 발생시키는 소화조로부터 공급된 바이오가스의 수분을 상기 제1 열교환기(100)를 통하여 제거하며, 상기 수분이 제거된 바이오가스 내에 포함되어 있는 황화수소(H2S) 성분을 상기 탈황기(200)를 통하여 제거하고, 상기 황화수소 성분이 제거된 바이오가스를 상기 압축기(300)를 통하여 승압시키며, 상기 승압된 바이오가스의 미세분진 및 불순물을 상기 제1 필터(400)를 통하여 제거하고, 상기 미세분진 및 불순물이 제거된 바이오가스의 온도를 상기 제2 열교환기(500)를 통하여 소정의 온도 이하로 냉각시키며, 상기 온도가 냉각된 바이오가스의 수분을 상기 제3 열교환기(600)를 통하여 제거시키고, 상기 수분이 제거된 바이오가스를 상기 승압된 바이오가스와 상기 제2 열교환기(500)를 통하여 열교환시켜 상기 수분이 제거된 바이오가스의 온도를 소정 온도 이상으로 상승시키며, 상기 온도가 상승된 바이오가스의 실록산(Siloxane) 성분을 상기 실록산제거기(700)를 통하여 제거하고, 상기 실록산 성분이 제거된 바이오가스의 미세분진 및 불순물을 상기 제2 필터(800)를 통하여 제거하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 바이오가스 정제시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열교환기(100)의 일측에 설치된 제1 냉각기(150)를 더 포함하고,
    상기 제1 냉각기(150)는 상기 제1 열교환기(100)에 공급된 바이오가스를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 바이오가스 정제시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탈황기(200)는 상기 제1 열교환기(100)와 상기 압축기(300) 사이에 적어도 하나 이상으로 직렬로 설치될 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 바이오가스 정제시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압축기(300)는 상기 탈황기(200)와 상기 제1 필터(400) 사이에 적어도 하나 이상으로 병렬로 설치될 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 바이오가스 정제시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제3 열교환기(600)의 일측에 설치된 제2 냉각기(650)를 더 포함하고,
    상기 제2 냉각기(650)는 상기 온도가 상승된 바이오가스를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 바이오가스 정제시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 실록산제거기(700)는 상기 제3 열교환기(600)와 상기 제2 필터(800) 사이에 적어도 하나 이상으로 직렬로 설치될 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 바이오가스 정제시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 연료전지용 바이오가스 정제시스템을 이용하여 연료전지용 바이오가스를 정제하는 방법에 있어서,
    (a)소화조로부터 공급된 바이오가스의 수분을 제거하는 단계(S100);
    (b)상기 수분이 제거된 바이오가스의 황화수소(H2S) 성분을 제거하는 단계(S200);
    (c)상기 황화수소 성분이 제거된 바이오가스를 승압시키는 단계(S300);
    (d)상기 승압된 바이오가스의 미세분진 및 불순물을 제거하는 단계(S400);
    (e)상기 미세분진 및 불순물이 제거된 바이오가스의 온도를 소정의 온도 이하로 냉각시키는 단계(S500);
    (f)상기 온도가 냉각된 바이오가스의 수분을 제거하는 단계(S600);
    (g)상기 수분이 제거된 바이오가스를 상기 승압된 바이오가스와 열교환시켜 상기 수분이 제거된 바이오가스의 온도를 소정 온도 이상으로 상승시키는 단계(S700);
    (h)상기 온도가 상승된 바이오가스의 실록산(Siloxane) 성분을 제거하는 단계(S800); 및
    (i)상기 실록산 성분이 제거된 바이오가스의 미세분진 및 불순물을 제거하는 단계(S900);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 바이오가스 정제방법.
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