KR20140034623A - 바이오가스 연료전지 시스템 및 가스 공급 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오가스를 이용하는 용융탄산염 연료전지 시스템 및 그에 바이오가스를 공급하는 방법에 관한 것이다.
특히, 이산화탄소 분리부를 통하여 고순도 CH4 및 CO2 회수, 연료극으로의 순수 CH4 공급으로 인한 스택 내 열유동 안정성 향상, 공기극으로의 순수 CO2 공급으로 전지의 전압 상승 효과를 가져올 수 있고, 불필요로 장치 규모 최소화에 따른 경제성 향상 효과 및 천연가스를 혼합하여 연료로 공급함으로써 스택의 안정성 및 이용률이 향상되는 용융탄산염 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.

Description

바이오가스 연료전지 시스템 및 가스 공급 방법 {BIOGAS FUEL CELLS SYSTEM AND GAS SUPPLYING METHOD THERETO}
본 발명은 바이오가스를 이용하는 용융탄산염 연료전지(MCFC)(이하, 연료전지) 시스템 및 그에 바이오가스를 공급하는 방법에 관한 것이다.
용융탄산염 연료전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학에너지를 전자화학적 반응에 의해 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다. 일반적으로, 연료극과 공기극, 매트릭스 (martrix) 등으로 구성되며 각 구성요소에는 전해질이 함침되어 있고, 연료극에는 천연가스 또는 수소가 풍부한 연료가스를 주입하고 공기극에는 산소가 이산화탄소와 함께 공급되어 카보네이트 이온 (CO3 2 -)을 만든다. 공기극에서 생성된 카보네이트 이온은 연료극과 공기극 사이에 위치하는 매트릭스의 전해질을 통하여 공기극에서 연료극으로 이동하며, 연료극에서 생성된 전자는 외부회로를 경유하여 흘러 전기를 생산하게 된다. 이때 전해질은 평상시에는 고체 상태로 존재하다가 연료전지 시스템이 정상 운전될 경우에는 약 650℃까지 온도가 상승하게 되어 전해질은 액화된다.
일반적으로, 고온에서 운전되는 용융탄산염 연료전지의 온도를 650℃와 같은 운전 온도에 유지하기 위해서, 높은 연소 반응 활성을 보이는 Pd, Pt와 같은 귀금속 촉매 및 페로브스카이트 (Perovskite) 촉매가 사용되고 있다. 이를 촉매 연소라 하는데, 고체 촉매를 내장한 연소 장치에 연료와 공기의 혼합 가스를 공급하여 촉매의 산화 촉진 작용에 의해 촉매 표면에서 무염 연소를 시키는 방법이다. 이러한 촉매 연소는 연료나 유해물을 산소로 완전 산화하여 에너지를 얻거나 무해화 하는 것을 목적으로 넓은 분야에서 사용되어 오고 있으나, S(황) 공급시 촉매 피독에 의한 영향으로 수명이 단축되게 되는 문제가 있다.
한편, 연료전지에 공급되는 연료로는 천연가스가 대부분을 이루고 있으며, 전세계에 설치 운용중인 연료전지 중 80~90%가 이에 해당되고 있다. 하지만 연료 다변화의 일환으로 천연가스 이외에도 하수처리장의 슬러지를 소화조에서 소화함에 따라 발생하는 메탄을 주성분으로 한 ADG (Anaerobic Digestion Gas)를 연료전지의 재생 연료로써 공급이 가능하다.
혐기성소화는 예전부터 확립되어 발전되어 오고 있는 전통적인 기술로서, 비교적 기온이 온난한 지역에서 액상 및 반고상폐기물의 처리에 이용되었다. 대부분의 공정에서 고형물함량이 10% 이내인 것에 적용되고 있으며, 최근의 기술발전에 의하여 고형물의 25% 전후인 고형폐기물에도 적용이 시도되고 있다. 혐기성 소화는 일명 "메탄 발효"라고도 하며, 주된 목적은 폐수 혹은 폐기물처리와 동시에 메탄이라는 에너지를 회수하기 위하여 적용되고 있다. 메탄발효는 활성오니법이 보급되면서 적극적으로 사용되지는 않았으나, 1970년 중반 석유 오일쇼크 이후에 회수가스 (CH4: 50~70%, CO2: 30~50%)를 연료로 이용하는 것이 가능하고, 소비전력이 적은 장점으로부터 적극적인 석유 대체에너지 수단으로서 분뇨와 하수오니 뿐만 아닌, 도시쓰레기의 많은 유기성 폐기물로부터 에너지를 회수하는 목적으로 사용되고 있다. 이와 관련 우리나라의 하수처리장 슬러지 처리계열은 대부분 농축조→소화조→슬러지→탈수기로 구성하여 소화조가 설치되어 있으며, 소화조에 투입되는 하수슬러지에서는 위에서 언급한 혐기성 소화반응이 얼어나서 메탄을 주성분으로 한 ADG를 생산하고 있다.
ADG에는 메탄 (CH4), 이산화탄소 (CO2) 외에도 황화수소 (H2S), 카르보닐황화화합물 (COS), 메틸메르캅탄 (CH3SH)과 같은 황성분과 실록세인 (Siloxane) 등 불순물이 포함되어 있으며, 연료전지용 연료로 공급하기 위해서는 가스 중에 함유된 불순물을 제거하기 위한 가스정제공정이 필요하다. 이와 같은 가스정제공정은 H2S를 제거하기 위한 탈황공정과 실록세인 제거공정으로 이루어져 있으며, 이러한 ADG 가스정제공정을 거쳐 연료전지의 연료로 공급하게 된다.
종래의 기술에서 연료전지의 연료로써 ADG를 가스정제공정을 거쳐 공급을 하더라도 ADG 내 H2S 성분이 5 ppm 정도 함유되어 있어 전지의 전압 감소에 영향을 미치며, 연료전지 개질 촉매 (전해질) 피독 영향으로 성능저하가 우려된다. 아울러, 황 성분의 허용농도 (0.17 ppm 이하) 내로 유지하기 위하여 추가적으로 상온 탈황공정을 적용할 경우, 탈황장치 비용 및 탈황제 보충 비용으로 인한 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, ADG 내 CH4 성분은 50~70% 수준으로 CO2 성분이 30~50% 포함되어 있어 CO2 성분이 연료전지의 연료극으로 공급 시 CO2에 의한 분압 상승으로 전지의 전압이 떨어지게 되고, 이에 따른 운영상의 문제점으로 천연가스와의 혼합 공급이 요구되어 농도에 따라 천연가스의 혼합량이 증가하게 된다.
따라서, 메탄을 주성분으로 한 바이오 가스를 연료전지 연료극에 공급 시 연료전지 시스템의 효율 향상, 안정성 및 경제성을 높이기 위한 ADG (Anaerobic Digestion Gas)를 이용한 연료전지 시스템에 대한 필요성이 대두되었다.
본 발명의 목적은 바이오가스를 이용하는 용융탄산염 연료전지 시스템 및 그에 바이오가스를 공급하는 방법을 제공하는 것이고, 특히 ADG를 이용한 연료전지 시스템에서 ADG로부터 고순도 CH4 및 CO2 회수가 가능할 뿐만 아니라 불순물 제거로 안정성 확보가 가능한 연료전지 시스템과 그에 가스를 공급하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에서 제1 또는 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들이 상기 용어들에 의하여 한정되지 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별시키는 목적으로만 사용된다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 용융 탄산염 연료전지 시스템의 가스 공급 방법은 바이오가스를 포함하는 연료가스를 가스정제분리부를 이용하여 메탄을 포함하는 제1가스와 이산화탄소를 포함하는 제2가스로 분리하는 가스분리단계; 및 상기 제1가스를 포함하는 연료극가스를 연료극 가스공급부를 통해서 연료전지의 연료극으로 공급하고, 상기 제2가스를 포함하는 공기극가스를 공기극 가스공급부를 통하여 상기 연료전지의 공기극으로 공급하는 가스공급단계를 포함한다.
상기 가스분리단계는, 상기 가스정제분리부에 포함되는 정제부에서 이루어지는 정제과정; 및 상기 가스정제분리부에 포함되는 이산화탄소 분리부에서 이루어지는 이산화탄소 분리과정을 포함할 수 있다.
상기 정제과정은, 상기 바이오가스를 포함하는 연료가스에서 황화수소를 제거하는 제1과정; 상기 황화수소가 제거된 연료가스에서 수분을 제거하는 제2과정; 상기 수분이 제거된 연료가스에서 실록세인을 제거하는 제3과정; 및 상기 실록세인이 제거된 연료가스를 응집필터에 통과시켜 정제된 연료가스를 제조하는 제4과정을 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 분리과정은 상기 이산화탄소 분리부에 포함된 분리막을 이용하여 상기 정제된 연료가스를 메탄을 포함하는 제1가스와 이산화탄소를 포함하는 제2가스로 분리하는 과정일 수 있다.
상기 연료극 가스공급부는 상기 제1가스와 천연가스를 혼합하는 제1혼합부를 더 포함하고, 상기 연료극가스는 상기 제1혼합부에서 상기 제1가스와 상기 천연가스가 혼합되어 상기 연료전지의 연료극으로 공급될 수 있다.
상기 천연가스는 천연가스 정제과정을 거친 정제 천연가스일 수 있다.
상기 천연가스 정제과정은, 천연가스에 포함된 황화합물을 제거하는 탈황과정; 상기 황화합물이 제거된 천연가스를 기화시키는 기화과정; 및 상기 기화된 천연가스를 개질시키는 개질과정을 포함할 수 있다.
상기 가스공급단계에서 상기 공기극가스는 상기 공기극 가스공급부에 포함되는 제2혼합부에서 상기 제2가스와 공기가 혼합되어 상기 공기극으로 공급될 수 있다.
상기 공기는 상기 공기극 가스공급부에 포함되는 촉매산화부를 통하여 촉매산화될 수 있다.
상기 촉매산화부는 상기 연료전지의 연료극과 연결되고, 상기 연료극의 배출가스가 상기 촉매산화부로 유입되어 촉매산화된 후, 상기 제2가스와 혼합되어 상기 공기극가스가 되어 상기 연료전지의 공기극으로 공급될 수 있다. 이때 이산화탄소 분리부로부터 공급되는 제2가스는 부스터 팬 (booster fan)과 같은 가압통기장치를 이용하여 공급될 수 있다.
상기 촉매산화부는 상기 연료전지의 연료극과 연결되고, 상기 연료극의 배출가스가 상기 제2가스와 혼합되어 상기 촉매산화부를 거쳐서 촉매산화된 후에 공기극가스가 되어 상기 연료전지의 공기극으로 공급될 수 있다. 이때 이산화탄소 분리부로부터 공급되는 제2가스는 연료극의 배출가스와 통상의 혼합수단으로 혼합되어 상기 촉매산화부에 공급될 수 있고, 상기 혼합수단으로는 벤츄리 믹서 (ventury mixer) 등이 이용될 수 있다. 상기 혼합수단으로 상기 벤츄리 믹서 (ventury mixer)를 적용하는 경우에는 기생손실 (parasitic loss)을 절감할 수 있다는 유리한 효과가 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 용융 탄산염 연료전지 시스템은 바이오가스를 포함하는 연료가스를 제1가스와 제2가스로 분리하는 가스정제분리부; 상기 가스정제분리부와 연료전지의 연료극을 연결하며, 상기 제1가스를 포함하는 연료극가스를 상기 연료극으로 공급하는 연료극 가스공급부; 및 상기 가스정제분리부와 상기 연료전지의 공기극을 연결하며, 상기 제2가스를 포함하는 공기극가스를 상기 공기극으로 공급하는 공기극 가스공급부를 포함한다.
상기 가스정제분리부는 외부에서 공급되는 연료가스를 정제하는 정제부와 상기 정제된 연료가스를 공급받아 메탄을 포함하는 제1가스와 이산화탄소를 포함하는 제2가스로 분리하는 이산화탄소분리부를 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소분리부는 상기 정제된 연료가스에서 이산화탄소를 선택적으로 분리, 포집하는 분리막을 포함할 수 있다.
상기 연료극 가스공급부는 상기 제1가스와 천연가스를 혼합하여 연료극가스를 제조하는 제1혼합부를 더 포함할 수 있다.
상기 천연가스는 황화합물이 제거된 정제 천연가스일 수 있다.
상기 공기극 가스공급부는 상기 제2가스와 공기를 혼합하는 제2혼합부를 포함할 수 있다.
상기 공기극 가스공급부는 외부에서 공급되는 공기를 촉매산화하는 촉매산화부 및 상기 촉매산화부와 연결되어 있으며, 촉매 산화된 공기와 제2가스를 혼합하는 제2혼합부를 포함할 수 있다.
상기 공기극 가스공급부는, 상기 연료극과 상기 촉매산화부를 연결하며, 상기 연료극에서 배출되는 배출가스를 상기 촉매산화부로 유입시키는 배출가스연결부를 더 포함할 수 있다.
상기 배출가스는 상기 촉매산화부에서 촉매산화되어 상기 연료전지의 공기극으로 공급되는 공기극가스에 포함될 수 있다.
상기 분리막은 다공성 분리막 또는 비다공성 분리막일 수 있다.
본 발명의 용융 탄산염 연료전지 시스템은 이산화탄소 분리부를 통해 고순도 CH4 및 CO2 회수가 가능하며, 연료극에 대한 황의 영향을 최소화 할 수 있다. 연료극으로의 순수 CH4 공급으로 인한 스택 내 열유동 안정성을 향상시킬 수 있으며, 공기극으로의 순수 CO2 공급으로 이산화탄소 분압 증대로 인하여 전지의 전압 상승 효과를 가져올 수 있다.
바이오 가스 내 고순도 CH4 공급에 따라 순수 신재생에너지 사용이 가능하며, 이 경우 제1혼합부와 탈황기 등 불필요로 장치 규모 최소화에 따른 경제성 향상 효과를 가져올 수 있다.
분리되어 재사용되는 CO2에 함유된 황 성분으로부터 촉매산화기의 촉매 보호가 가능하며, CO2 재이용 시 공기극에 대한 황의 영향을 최소화 할 수 있다.
안정적인 연료 공급을 위해 천연가스는 제1혼합부를 통해 바이오 가스와 혼합 후 연료극에 공급할 수 있으며, 이로 인해 스택의 안정성 및 이용률을 향상시킬 수 있다.
도 1은 가스정제분리부를 포함하는 본 발명의 바이오 가스 연료전지 시스템에 대한 블록도를 나타낸다.
도 2의 (a) 및 (b)는 연료극 가스공급부 및 공기극 가스공급부 블록을 포함하여 도시한 본 발명의 바이오 가스 연료전지 시스템에 대한 블록도를 나타낸다.
도 3은 바이오 가스와 천연가스를 혼합하여 공급하는 일 실시예에 따른 본 발명의 바이오 가스 연료전지 시스템에 대한 블록도를 나타낸다.
도 4는 이산화탄소의 선택적 분리, 포집을 위한 분리막의 원리를 도시한 개념도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용융 탄산염 연료전지 시스템의 가스 공급 방법은 바이오가스를 포함하는 연료가스를 가스정제분리부를 이용하여 메탄을 포함하는 제1가스와 이산화탄소를 포함하는 제2가스로 분리하는 가스분리단계; 및 상기 제1가스를 포함하는 연료극가스를 연료극 가스공급부를 통해서 연료전지의 연료극으로 공급하고, 상기 제2가스를 포함하는 공기극가스를 공기극 가스공급부를 통하여 상기 연료전지의 공기극으로 공급하는 가스공급단계를 포함한다.
용융 탄산염 연료 전지 시스템에 가스를 공급함에 있어서 메탄을 포함하는 제1가스와 이산화탄소를 포함하는 제2가스로 가스를 분리하여, 이산화탄소가 연료극으로 공급되는 것을 방지할 수 있고 연료극에서의 이산화탄소 분압 상승에 따른 전지 전압 하강을 막을 수 있다. 그로부터 궁극적으로 바이오 가스 연료전지 시스템의 효율 향상이 이루어질 수 있다. 한편, 고순도 메탄 가스를 회수할 수 있으므로 순수 신재생 에너지를 연료전지의 연료로서 사용이 가능하고, 이 경우 별도의 정제과정이 없이도 연료전지의 운전이 가능하게 되어 장치 규모를 최소화할 수 있어 경제성 향상 효과를 가져올 수 있다.
상기 가스분리단계는, 상기 가스정제분리부에 포함되는 정제부에서 이루어지는 정제과정; 및 상기 가스정제분리부에 포함되는 이산화탄소 분리부에서 이루어지는 이산화탄소 분리과정을 포함할 수 있다. 본 발명의 이산화탄소 분리, 포집 과정은 고순도의 이산화탄소 포집을 목적으로 하는 것이 아니기 때문에 고성능의 분리가 요구되는 것은 아니며, 따라서 경제적으로 구현 가능하다.
상기 정제과정은, 상기 바이오가스를 포함하는 연료가스에서 황화수소를 제거하는 제1과정; 상기 황화수소가 제거된 연료가스에서 수분을 제거하는 제2과정; 상기 수분이 제거된 연료가스에서 실록세인을 제거하는 제3과정; 및 상기 실록세인이 제거된 연료가스를 응집필터에 통과시켜 정제된 연료가스를 제조하는 제4과정을 포함할 수 있다. 상기 정제과정은 바이오 가스 중에 함유된 불순물을 제거하는 과정이며, 상기 정제과정 이후 이산화탄소 분리과정을 실시하게 되면 고순도의 메탄 및 이산화탄소의 회수가 가능해지고, 황화수소가 제거되었기 때문에 연료극으로의 황 유입을 방지하게되어 그에 따른 피독현상, 연료 전지 효율 저하를 방지할 수 있게 된다.
상기 이산화탄소 분리과정은 상기 이산화탄소 분리부에 포함된 분리막을 이용하여 상기 정제된 연료가스를 메탄을 포함하는 제1가스와 이산화탄소를 포함하는 제2가스로 분리하는 과정일 수 있다. 분리막을 이용하여 메탄을 포함하는 제1가스와 이산화탄소를 포함하는 제2가스를 분리하는 과정은 분리막을 통과하는 기체간의 용해도 및 이동 속도의 차이와 같은 물리/화학적 특성를 이용하는 것이다. 분리막 공정은 확산 투과형으로 이루어질 수 있고, 이 경우 분리막은 다공질 막일 수 있다. 기체가 다공질 막의 세공을 통과할 때 생기는 기체 분자들 간의 속도차를 이용하여 상이한 분자 속도의 가스들을 분리할 수 있게 된다. 분리막 공정은 비다공질 막을 이용한 용해 확산형으로 이루어질 수도 있다. 기체 분자가 고압측 막면에 용해된 후 막 내 확산 후 저압측 막면으로부터 용해되어 분리되는 성질을 이용하여 가스들을 분리할 수 있다. 분리막 공정은 추가적인 에너지를 소모하지 않고, 공정이 단순하다는 장점이 있다.
상기 연료극 가스공급부는 상기 제1가스와 천연가스를 혼합하는 제1혼합부를 더 포함하고, 상기 연료극가스는 상기 제1혼합부에서 상기 제1가스와 상기 천연가스가 혼합되어 상기 연료전지의 연료극으로 공급될 수 있다. 천연가스는 안정적인 연료 공급을 위하여 바이오가스와 혼합하여 사용될 수 있다. 천연가스를 바이오가스와 혼합하여 공급함으로써 스택의 안정성 및 이용률이 향상될 수 있다.
상기 천연가스는 천연가스 정제과정을 거친 정제 천연가스일 수 있다.
상기 천연가스 정제과정은, 천연가스에 포함된 황화합물을 제거하는 탈황과정; 상기 황화합물이 제거된 천연가스를 기화시키는 기화과정; 및 상기 기화된 천연가스를 개질시키는 개질과정을 포함할 수 있다.
상기 가스공급단계에서 상기 공기극가스는 상기 공기극 가스공급부에 포함되는 제2혼합부에서 상기 제2가스와 공기가 혼합되어 상기 공기극으로 공급될 수 있다. 제2가스는 이산화탄소 분리기에서 분리된 고순도 이산화탄소를 포함하고 있고, 공기극으로 재공급됨으로써 공기극 내 이산화탄소의 분압을 상승시켜 연료 전지의 전압을 향상시켜 전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 신선한 공기를 공급함으로써 제2가스와 혼합하여 사용하게 되면 연료 전지 시스템의 효율이 향상되고 안정성을 높일 수 있다.
상기 공기는 상기 공기극 가스공급부에 포함되는 촉매산화부를 통하여 촉매산화될 수 있다.
상기 촉매산화부는 상기 연료전지의 연료극과 연결되고, 상기 연료극의 배출가스가 상기 촉매산화부로 유입되어 촉매산화된 후, 상기 제2가스와 혼합되어 상기 공기극가스가 되어 상기 연료전지의 공기극으로 공급될 수 있다. 한편, 상기 촉매산화부는 상기 연료전지의 연료극과 연결되고, 상기 연료극의 배출가스가 상기 제2가스와 혼합되어 상기 촉매산화부로 유입되어 촉매산화된 후, 상기 공기극가스가 되어 상기 연료전지의 공기극으로 공급될 수도 있다.
연료극 배출가스가 촉매산화기를 거치게 되면 미반응 연료인 일산화탄소 및 수소 등의 완전 연소가 이루어지게 되고, 상기 제2가스는 신선한 공기와 혼합되어 공기극 내 황 계열 화합물의 농도는 허용 수준 이하가 되므로 이로부터 촉매산화부의 촉매 보호가 가능하게 되며 황의 영향을 최소화할 수 있게 된다. 공기극 내의 황 계열의 허용 농도는 0.17 ppm 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 용융 탄산염 연료전지 시스템은 바이오가스를 포함하는 연료가스를 제1가스와 제2가스로 분리하는 가스정제분리부; 상기 가스정제분리부와 연료전지의 연료극을 연결하며, 상기 제1가스를 포함하는 연료극가스를 상기 연료극으로 공급하는 연료극 가스공급부; 및 상기 가스정제분리부와 상기 연료전지의 공기극을 연결하며, 상기 제2가스를 포함하는 공기극가스를 상기 공기극으로 공급하는 공기극 가스공급부를 포함한다.
상기 가스정제분리부는 외부에서 공급되는 연료가스를 정제하는 정제부와 상기 정제된 연료가스를 공급받아 메탄을 포함하는 제1가스와 이산화탄소를 포함하는 제2가스로 분리하는 이산화탄소분리부를 포함할 수 있다.
상기 정제부는 H2S 제거장치, 탈수 장치, 실록세인 제거장치, 응집 필터를 포함할 수 있다. 상기 정제부는 H2S 제거장치, 탈수 장치, 실록세인 제거장치, 응집 필터를 순차로 포함할 수 있다.
도 1은 가스정제분리부를 포함하는 본 발명의 바이오 가스 연료전지 시스템에 대한 블록도을 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 바이오 가스를 이용한 연료전지 시스템에서 바이오 가스의 연료 공급은 정제공정인 H2S 제거장치 (111), 탈수 장치 (112), 실록세인 제거장치 (113) 및 응집 필터 (114)를 거쳐 바이오 가스 중에 함유된 불순물을 제거한 후 이산화탄소 분리부 (120)를 통해 고순도 CH4 및 CO2 회수가 가능하며, 연료극 (410)으로의 황 유입에 따른 영향을 최소화 할 수 있다.
상기 이산화탄소분리부는 상기 정제된 연료가스에서 이산화탄소를 선택적으로 분리, 포집하는 분리막을 포함할 수 있다.
상기 분리막은 다공성 분리막 또는 비다공성 분리막일 수 있다. 좋기로는 상기 분리막은 다공성 분리막일 수 있다.
이산화탄소 분리부 (120) 중에 포함되는 분리막 공정은 기체들이 선택적 장벽인 막을 통과할 때 기체간의 용해와 이동속도의 차이를 이용하여 특정 기체를 분리하는 기술로 다공질 막에 의한 확산 투과형과 비다공질 막에 의한 용해 확산형이 있다. 다공질 막은 막 내의 세공 속을 흐르는 각 기체 성분의 속도차를 이용하여 분리하며, 비다공질 막은 고압측에서 기체 분자가 우선 막면에 용해하고, 이어서 저압측을 향해 막 안을 확산하여 저압면에서 막용해되어 분리된다. 분리막 공정은 상변화를 위한 추가적인 에너지가 불필요하여 분리공정 중 가장 낮은 에너지가 소요되며, Compact한 공정으로 공정운전이 단순하고, 모듈화에 의한 공정 Scale-up이 용이하다.
따라서, 본 발명의 이산화탄소 분리부 (120)를 이용할 경우, 다공성 분리막의 물리/화학적 특성을 이용하여 ADG의 CH4/CO2/H2S 혼합물로부터 CO2 포집이 가능하며, H2S/CO2 포집에 의한 고순도 CH4 회수도 가능하다. 또한, CO2 포집을 목적으로 한 고성능 분리가 요구되지 않기 때문에 경제적인 구현이 가능하다.
한편, 고순도 CH4 회수로 용융탄산염 연료전지 (MCFC)(400) 연료로써 순수 신재생에너지 사용이 가능하며, 이 경우 천연가스 사용시 필요로 하는 탈황기 (221), 증발기 (222) 및 선개질기 (223)의 불필요로 장치 규모 최소화에 따른 경제성 향상 효과를 가져올 수 있다.
그리고, 상기 이산화탄소 분리부 (120)에서 분리된 고순도 이산화탄소 (CO2)는 공기극 (420)으로 재공급되어 이산화탄소 분압 증대로 인해 연료전지의 전압 상승 효과를 가져올 수 있다. 이것은 탄화수소류가 함유된 천연가스를 사용하는 기존 공정에서는 연료의 수소 개질반응 시 생성되는 CO2가 연료극 (410)에서 배출되어 공기극 (420)으로 공급되는 반면, 본 발명 공정은 고순도 CH4만을 주 연료로 사용하고, 별도로 CO2를 공급해 주기 때문이다.
상기 연료극 가스공급부는 상기 제1가스와 천연가스를 혼합하여 연료극가스를 제조하는 제1혼합부를 더 포함할 수 있다.
상기 천연가스는 황화합물이 제거된 정제 천연가스일 수 있다.
상기 공기극 가스공급부는 상기 제2가스와 공기를 혼합하는 제2혼합부를 포함할 수 있다.
상기 공기극 가스공급부는 외부에서 공급되는 공기를 촉매산화하는 촉매산화부 및 상기 촉매산화부와 연결되어 있으며, 촉매 산화된 공기와 제2가스를 혼합하는 제2혼합부를 포함할 수 있다.
상기 공기극 가스공급부는, 상기 연료극과 상기 촉매산화부를 연결하며, 상기 연료극에서 배출되는 배출가스를 상기 촉매산화부로 유입시키는 배출가스연결부를 더 포함할 수 있다.
상기 배출가스는 상기 촉매산화부에서 촉매산화되어 상기 연료전지의 공기극으로 공급되는 공기극가스에 포함될 수 있다.
도 2는 연료극 가스공급부 및 공기극 가스공급부 블록을 포함하여 도시한 본 발명의 바이오 가스 연료전지 시스템에 대한 블록도를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 이산화탄소 분리부 (120)를 통해 분리된 고순도 CH4는 연료극 (410)으로 공급되며, 연료극 (410) 배출가스는 촉매산화부 (320)를 거치는 동안 미반응 연료 (일산화탄소, 수소)가 연소 된 후, 촉매산화부 (320) 후단에서 이산화탄소 분리부 (120)에서 분리된 CO2와 혼합되어 공기극 (420)으로 공급된다. 이로 인해, 분리되어 재사용되는 CO2에 포함된 황 성분 (H2S 약 5 ppm 함유)으로부터 촉매산화부의 촉매 보호가 가능하며, 재사용되는 CO2는 새로운 공기와 혼합하여 공급되므로 공기극 (420) 내 황 계열의 허용농도 0.17 ppm 이하로 공급이 가능하여 황으로부터 영향을 최소화 할 수 있다.
도 3은 바이오 가스와 천연가스를 혼합하여 공급하는 일 실시예에 따른 본 발명의 바이오 가스 연료전지 시스템에 대한 블록도을 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 필요에 따라 안정적인 연료 공급을 위해 천연가스는 제1혼합부 (210)를 통해 바이오 가스와 혼합 후 연료극 (410)에 공급할 수 있으며, 이로 인해 스택의 안정성 및 이용률을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 가스정제분리부
110: 정제부
111: H2S 제거장치
112: 탈수 장치
113: 실록세인 제거장치
114: 응집 필터
120: 이산화탄소 분리부
200: 연료극 가스공급부
210: 제1혼합부
221: 탈황기
222: 증발기
223: 선개질기
300: 공기극 가스공급부
310: 제2혼합부
320: 촉매 산화부
400: 용융탄산염 연료전지
410: 연료극
420: 공기극
430: 배출가스 연결부

Claims (16)

  1. 바이오가스를 포함하는 연료가스를 가스정제분리부를 이용하여 메탄을 포함하는 제1가스와 이산화탄소를 포함하는 제2가스로 분리하는 가스분리단계; 그리고
    상기 제1가스를 포함하는 연료극가스를 연료극 가스공급부를 통해서 연료전지의 연료극으로 공급하고, 상기 제2가스를 포함하는 공기극가스를 공기극 가스공급부를 통하여 상기 연료전지의 공기극으로 공급하는 가스공급단계;
    를 포함하는 용융 탄산염 연료전지 시스템의 가스 공급 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스분리단계는, 상기 가스정제분리부에 포함되는 정제부에서 이루어지는 정제과정; 그리고 상기 가스정제분리부에 포함되는 이산화탄소 분리부에서 이루어지는 이산화탄소 분리과정을 포함하고,
    상기 정제과정은,
    상기 바이오가스를 포함하는 연료가스에서 황화수소를 제거하는 제1과정;
    상기 황화수소가 제거된 연료가스에서 수분을 제거하는 제2과정;
    상기 수분이 제거된 연료가스에서 실록세인을 제거하는 제3과정; 그리고,
    상기 실록세인이 제거된 연료가스를 응집필터에 통과시켜 정제된 연료가스를 제조하는 제4과정;
    을 포함하는 것인 용융 탄산염 연료전지 시스템의 가스 공급 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 이산화탄소 분리과정은 상기 이산화탄소 분리부에 포함된 분리막을 이용하여 상기 정제된 연료가스를 메탄을 포함하는 제1가스와 이산화탄소를 포함하는 제2가스로 분리하는 과정인 것인 용융 탄산염 연료전지 시스템의 가스 공급 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연료극 가스공급부는 상기 제1가스와 천연가스를 혼합하는 제1혼합부를 더 포함하고, 상기 연료극가스는 상기 제1혼합부에서 상기 제1가스와 상기 천연가스가 혼합되어 상기 연료전지의 연료극으로 공급되는 것인 용융 탄산염 연료전지 시스템의 가스 공급 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 천연가스는 천연가스 정제과정을 거친 정제 천연가스이고,
    상기 천연가스 정제과정은,
    천연가스에 포함된 황화합물을 제거하는 탈황과정;
    상기 황화합물이 제거된 천연가스를 기화시키는 기화과정; 그리고
    상기 기화된 천연가스를 개질시키는 개질과정을 포함하는 것인 용융 탄산염 연료전지 시스템의 가스 공급 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가스공급단계에서 상기 공기극가스는 상기 공기극 가스공급부에포함되는 제2혼합부에서 상기 제2가스와 공기가 혼합되어 상기 공기극으로 공급되는 것인 용융 탄산염 연료전지 시스템의 가스 공급 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 공기는 상기 공기극 가스공급부에 포함되는 촉매산화부를 통하여 촉매산화된 것인 용융 탄산염 연료전지 시스템의 가스 공급 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 촉매산화부는 상기 연료전지의 연료극과 연결되고, 상기 연료극의 배출가스가 상기 촉매산화부로 유입되어 촉매산화된 후, 상기 제2가스와 혼합되어 상기 공기극가스가 되어 상기 연료전지의 공기극으로 공급되는 것인 용융 탄산염 연료전지 시스템의 가스 공급 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 촉매산화부는 상기 연료전지의 연료극과 연결되고, 상기 연료극의 배출가스가 상기 제2가스와 혼합되어 상기 촉매산화부로 유입되어 촉매산화된 후, 상기 공기극가스가 되어 상기 연료전지의 공기극으로 공급되는 것인 용융 탄산염 연료전지 시스템의 가스 공급 방법.
  10. 바이오가스를 포함하는 연료가스를 제1가스와 제2가스로 분리하는 가스정제분리부,
    상기 가스정제분리부와 연료전지의 연료극을 연결하며, 상기 제1가스를 포함하는 연료극가스를 상기 연료극으로 공급하는 연료극 가스공급부, 그리고
    상기 가스정제분리부와 상기 연료전지의 공기극을 연결하며, 상기 제2가스를 포함하는 공기극가스를 상기 공기극으로 공급하는 공기극 가스공급부
    를 포함하는 용융 탄산염 연료전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 가스정제분리부는 외부에서 공급되는 연료가스를 정제하는 정제부와 상기 정제된 연료가스를 공급받아 메탄을 포함하는 제1가스와 이산화탄소를 포함하는 제2가스로 분리하는 이산화탄소분리부를 포함하고,
    상기 이산화탄소분리부는 상기 정제된 연료가스에서 이산화탄소를 선택적으로 분리, 포집하는 분리막을 포함하는 것인 용융 탄산염 연료전지 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 연료극 가스공급부는 상기 제1가스와 천연가스를 혼합하여 연료극가스를 제조하는 제1혼합부를 더 포함하는 것이고,
    상기 천연가스는 황화합물이 제거된 정제 천연가스인 것인 용융 탄산염 연료전지 시스템.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 공기극 가스공급부는 상기 제2가스와 공기를 혼합하는 제2혼합부를 포함하는 것인 용융 탄산염 연료전지 시스템.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 공기극 가스공급부는
    외부에서 공급되는 공기를 촉매산화하는 촉매산화부, 및
    상기 촉매산화부와 연결되어 있으며, 촉매 산화된 공기와 제2가스를 혼합하는 제2혼합부를 포함하는 것인 용융 탄산염 연료전지 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 공기극 가스공급부는,
    상기 연료극과 상기 촉매산화부를 연결하며, 상기 연료극에서 배출되는 배출가스를 상기 촉매산화부로 유입시키는 배출가스연결부를 더 포함하고,
    상기 배출가스는 상기 촉매산화부에서 촉매산화되어 상기 연료전지의 공기극으로 공급되는 공기극가스에 포함되는 것인 용융 탄산염 연료전지 시스템.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 분리막은 다공성 분리막 또는 비다공성 분리막인 것인 용융 탄산염 연료전지 시스템.
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