KR20160106419A - 바이오가스 정제장치 및 이를 구비한 연료전지 시스템 - Google Patents

바이오가스 정제장치 및 이를 구비한 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 정제장치는 전처리부와 고질화부를 포함한다. 전처리부는 바이오가스에 포함된 불순물을 제거한다. 고질화부는 불순물이 제거된 바이오가스를 흡입 압축하는 압축기와, 압축된 바이오가스로부터 메탄과 이산화탄소를 분리시키는 다단 분리막을 포함한다. 다단 분리막은 병렬 배치와 직렬 배치가 조합된 복수의 분리막을 포함한다.

Description

바이오가스 정제장치 및 이를 구비한 연료전지 시스템 {PURIFICATION DEVICE FOR BIOGAS AND FUEL CELL SYSTEM WITH THE SAME}
본 발명은 바이오가스로부터 고농도의 메탄가스를 생산하는 바이오가스 정제장치 및 이를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
바이오가스는 축산분뇨, 음식물 쓰레기, 하수처리장의 슬러지 등과 같이 유기물의 함량이 높은 유기성 폐기물을 혐기상태에서 분해할 때 발생한다. 일반적으로 매립지에서 폐기물의 분해에 의해 발생하는 바이오가스는 대략 60~70%의 메탄(CH4)과, 30~40%의 이산화탄소(CO2)를 포함하며, 열량이 메탄가스 열량의 90% 수준으로 높기 때문에 재생 에너지로 각광을 받고 있다.
현재 바이오가스를 활용하여 보일러나 열병합 발전소를 가동하는 기술이 이용되고 있고, 최근 바이오가스를 고질화하여 자동차 또는 연료전지의 연료로 사용하려는 연구개발이 진행되고 있다. 바이오가스의 고질화 방법에는 화학 흡착법(chemical absorption), 압력변동 흡착법(pressure swing absorption), 물세정법(water washing), 및 막 분리법(membrane separation) 등이 있다.
화학 흡착법, 압력변동 흡착법, 물세정법은 비교적 고순도의 메탄을 생산할 수 있으나, 장치의 운전비용이나 부대시설 비용이 높다. 막 분리법은 기계장치가 비교적 단순하고 친환경적이며 운영이 쉬운 장점이 있으나, 분리막에 대략 6~10bar(0.6~1MPa)의 고압을 가하여 운전하므로, 가압에 따른 높은 에너지 소모로 인해 에너지 효율이 낮은 실정에 있다.
본 발명은 막 분리법을 이용하여 바이오가스를 고질화시키는 바이오가스 정제장치에 있어서, 분리막에 가하는 압력을 낮추어 에너지 효율을 높이면서도 고농도의 메탄을 생산할 수 있는 바이오가스 정제장치 및 이를 구비한 연료전지 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 정제장치는 전처리부와 고질화부를 포함한다. 전처리부는 바이오가스에 포함된 불순물을 제거한다. 고질화부는 불순물이 제거된 바이오가스를 흡입 압축하는 압축기와, 압축된 바이오가스로부터 메탄과 이산화탄소를 분리시키는 다단 분리막을 포함한다. 다단 분리막은 병렬 배치와 직렬 배치가 조합된 복수의 분리막을 포함한다.
압축기는 다단 분리막으로 0.3MPa 내지 0.5MPa 압력의 바이오가스를 공급할 수 있다. 바이오가스 정제장치는 압축기와 다단 분리막 사이에 설치되어 바이오가스의 압력 변동을 완화시키는 버퍼 탱크를 더 포함할 수 있다.
다단 분리막은, 병렬 배치되어 압축기로부터 유량이 분산된 바이오가스를 공급받는 제1 분리막 및 제2 분리막과, 제1 분리막과 제2 분리막의 후단에서 직렬 배치된 제3 분리막을 포함할 수 있다.
제1 분리막, 제2 분리막, 제3 분리막 각각은 유입부와 잔류부 및 투과부를 포함할 수 있고, 제1 분리막과 제2 분리막의 잔류부는 제3 분리막의 유입부와 연결될 수 있다. 제1 분리막과 제2 분리막의 투과부 또는 제3 분리막의 투과부는 압축기 전단의 바이오가스 배관에 연결될 수 있다.
고질화부는 복수의 분리막 중 적어도 한 분리막의 이산화탄소 배출부에 연결되어 적어도 한 분리막의 작동 압력을 높이는 진공 펌프를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 바이오가스 정제장치와 연료처리장치 및 연료전지를 포함한다. 바이오가스 정제장치는 바이오가스에 포함된 불순물을 제거하는 전처리부와, 불순물이 제거된 바이오가스를 흡입 압축하는 압축기와, 병렬 배치와 직렬 배치가 조합된 복수의 분리막으로 구성되며 압축된 바이오가스로부터 메탄과 이산화탄소를 분리시켜 연료가스와 가연성 폐가스를 생성하는 다단 분리막을 포함한다. 연료처리장치는 연료가스를 개질가스로 전환하는 개질 반응기와, 개질 반응기로 열을 공급하는 버너를 포함한다. 연료전지는 개질가스를 이용하여 전기 에너지를 생성한다.
압축기는 다단 분리막으로 0.3MPa 내지 0.5MPa 압력의 바이오가스를 공급할 수 있다. 바이오가스 정제장치는 압축기와 다단 분리막 사이에 설치되어 바이오가스의 압력 변동을 완화시키는 버퍼 탱크를 더 포함할 수 있다.
다단 분리막은, 병렬 배치되어 압축기로부터 유량이 분산된 바이오가스를 공급받는 제1 분리막 및 제2 분리막과, 제1 분리막과 제2 분리막의 후단에서 직렬 배치된 제3 분리막을 포함할 수 있다.
제1 분리막, 제2 분리막, 제3 분리막 각각은 유입부와 잔류부 및 투과부를 포함할 수 있다. 제1 분리막과 제2 분리막의 잔류부는 제3 분리막의 유입부와 연결될 수 있고, 제3 분리막의 잔류부는 연료가스를 포함하며 개질 반응기와 연결될 수 있다. 제1 분리막, 제2 분리막, 제3 분리막의 투과부는 가연성 폐가스를 포함하며 버너와 연결될 수 있다.
다른 한편으로, 제1 분리막과 제2 분리막의 투과부는 압축기 전단의 바이오가스 배관에 연결될 수 있고, 제3 분리막의 투과부는 가연성 폐가스를 포함하며 버너와 연결될 수 있다.
다른 한편으로, 제1 분리막과 제2 분리막의 투과부는 가연성 폐가스를 포함하며 버너와 연결될 수 있고, 제3 분리막의 투과부는 압축기 전단의 바이오가스 배관에 연결될 수 있다.
바이오가스 정제장치는 복수의 분리막 중 적어도 한 분리막의 이산화탄소 배출부에 연결되어 적어도 한 분리막의 작동 압력을 높이는 진공 펌프를 더 포함할 수 있다.
연료전지 시스템은 다단 분리막의 운전 압력을 낮추어 전체 시스템의 에너지 효율을 높일 수 있고, 제1 및 제2 분리막을 병렬 배치하여 제1 및 제2 분리막에 가해지는 바이오가스의 공급 유량을 줄임으로써 제1 및 제2 분리막의 메탄 분리성능을 높일 수 있다. 따라서 전체 시스템의 에너지 효율을 높이면서도 90% 이상의 메탄을 함유한 연료가스를 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 바이오가스 정제장치 중 고질화부의 구성도이다.
도 3은 비교예의 고질화부를 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템 중 바이오가스 정제장치의 고질화부를 나타낸 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 시스템 중 바이오가스 정제장치의 고질화부를 나타낸 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지 시스템 중 바이오가스 정제장치의 고질화부를 나타낸 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제5 실시예에 따른 연료전지 시스템 중 바이오가스 정제장치의 고질화부를 나타낸 구성도이다.
도 8은 본 발명의 제6 실시예에 따른 연료전지 시스템 중 바이오가스 정제장치의 고질화부를 나타낸 구성도이다.
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.
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.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시한 바이오가스 정제장치 중 고질화부의 구성도이다.
도 1과 도 2를 참고하면, 제1 실시예의 연료전지 시스템은 바이오가스로부터 고농도의 메탄가스(연료가스)를 생산하는 바이오가스 정제장치(100)와, 연료가스를 수소가 풍부한 개질가스로 전환하는 연료처리장치(200)와, 개질가스를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 연료전지(300)를 포함한다.
바이오가스는 유기물의 함량이 높은 유기성 폐기물을 혐기상태에서 분해할 때 발생하는 가스이며, 일반적으로 매립지에서 폐기물의 분해에 의해 발생하는 바이오가스는 60~70%의 메탄과, 30~40%의 이산화탄소와, 소량의 황화수소, 실록산, 및 암모니아 등을 포함한다. 바이오가스 정제장치(100)는 바이오가스에 포함된 불순물을 제거하고, 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)를 분리시켜 연료가스를 생산한다.
바이오가스 정제장치(100)는 바이오가스를 제공받아 저장하는 저장부(110)와, 바이오가스에 포함된 불순물을 제거하는 전처리부(120)와, 메탄과 이산화탄소를 분리하여 메탄의 순도를 높이는 고질화부(upgrader)(130)를 포함한다. 고질화부(130)는 막 분리법(membrane separation)을 이용하여 메탄과 이산화탄소를 분리시킨다.
저장부(110)는 혐기성 소화조를 포함하는 바이오가스 생산설비와 연결되어 이로부터 바이오가스를 공급받거나, 매립지에서 수집한 매립가스(landfill gas) 등을 공급받아 저장할 수 있다.
전처리부(120)는 바이오가스에 포함된 수분을 제거하는 제습유닛(121)과, 바이오가스에 포함된 황화수소를 제거하는 탈황유닛(122)과, 바이오가스에 포함된 암모니아를 제거하는 암모니아 제거유닛(123)과, 바이오가스에 포함된 실록산을 제거하는 실록산 제거유닛(124) 등을 포함한다.
제습유닛(121)은 전처리부(120)의 가장 앞쪽에 배치될 수 있으며, 제습유닛(121)을 통과한 바이오가스의 이슬점 온도는 0℃ 이하일 수 있다. 이 경우 제습유닛(121) 이후에 배치된 유닛들(122, 123, 124)은 수분에 의한 흡착제의 엉김현상과 이에 따른 성능저하를 방지할 수 있다. 바이오가스는 전술한 유닛들을 차례로 통과하면서 수분과 각종 이물질이 제거된다.
전처리부(120)를 거치면서 수분과 불순물이 제거된 바이오가스는 중질(medium quality) 가스로서, 열병합 발전소의 연료로 사용될 수 있으나, 에너지효율이 낮아 연료전지(300)의 연료로는 사용이 부적합하다. 따라서 고질화부(130)가 불순물이 제거된 바이오가스에서 이산화탄소를 분리시켜 순도 90% 이상의 고농도 메탄가스(연료가스)를 발생시킨다.
고질화부(130)는 이산화탄소에 대한 투과도가 높은 기체분리용 분리막(이하, 편의상 '분리막'이라 한다)을 구비한다. 분리막에 일정 압력과 일정 유량의 바이오가스를 공급하면, 이산화탄소의 대부분은 분리막을 투과하고, 메탄의 대부분은 분리막에 잔류한다.
분리막은 중공사막으로 구성될 수 있으며, 폴리에테르술폰, 폴리스티렌, 및 폴리이미드 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 분리막은 유입부와 투과부 및 잔류부로 구분된다. 유입부는 바이오가스가 투입되는 부분이고, 투과부는 이산화탄소를 포함하며, 잔류부는 메탄을 포함한다.
고질화부(130)는 전처리부(120)에서 배출된 바이오가스를 흡입 압축하는 압축기(131)와, 압축기(131)에서 배출된 바이오가스의 압력 변동을 낮추는 버퍼 탱크(132)와, 바이오가스로부터 메탄과 이산화탄소를 분리시키는 다단 분리막(133)을 포함한다. 버퍼 탱크(132)는 필요에 따라 생략 가능하다. 다단 분리막(133)은 병렬 배치와 직렬 배치가 조합된 복수의 분리막(134, 135, 136)을 포함한다.
연료처리장치(200)는 고질화부(130)로부터 연료가스를 공급받으며, 연료가스로부터 수소가 다량 함유된 개질가스를 생성한다. 연료처리장치(200)는 연료가스와 수증기의 혼합가스를 수소로 전환하는 개질 반응기(210)와, 개질 반응기(210)로 열을 공급하는 버너(220)를 포함한다.
개질 반응기(210)는 수증기 개질 반응기일 수 있고, 연료가스 중의 메탄을 고온 분위기에서 산소와 반응시켜 수소로 개질한다. 버너(220)는 버너연료와 공기를 혼합 연소시켜 연소열을 발생시키며, 개질 반응기(210)로 연소열을 공급하여 개질 반응기(210)가 개질 반응에 필요한 고온을 유지하도록 한다.
개질 반응 과정에서 부산물로서 일산화탄소(CO)가 발생한다. 연료처리장치(200)는 개질 반응기(210)의 후단에 수성가스 반응기(도시하지 않음)와 부분산화 반응기(도시하지 않음)를 설치하여 개질가스에 포함된 일산화탄소의 농도를 대략 50ppm 이하로 줄일 수 있다.
고질화부(130)에서 배출되는 이산화탄소에는 소량의 메탄이 포함되어 있다. 즉 고질화부(130)는 연료가스와 더불어 다량의 이산화탄소와 소량의 메탄을 포함하는 가연성 폐가스를 발생시킨다. 고질화부(130)는 버너(220)와 연결되어 버너(220)로 가연성 폐가스를 공급할 수 있다. 가연성 폐가스는 버너(220)의 보조연료로 사용되어 버너연료의 사용량을 줄이는데 기여할 수 있다.
연료전지(300)는 복수의 셀스택으로 구성되며, 개질가스 중의 수소를 공기 중의 산소와 화학반응시켜 전기 에너지를 생성한다. 연료전지(300)는 공해물질의 배출과 소음이 없고, 수소를 지속적으로 공급하는 한 영구적으로 사용할 수 있는 고효율 에너지원이다.
연료전지(300)의 연료 이용율은 대략 75% 전후로서, 연료전지(300)에 공급된 개질가스의 25% 정도가 미반응 가스로 배출된다. 연료전지(300)의 가스 배출구는 버너(220)와 연결되어 미반응 가스를 버너(220)에 보조연료로 공급할 수 있다.
연료전지(300)는 축열조(400)와 연결될 수 있다. 축열조(400)는 폐열 회수장치(도시하지 않음)를 이용하여 연료전지(300)에서 발생된 열을 제공받아 저장한다. 연료전지 시스템은 전기를 생산하는 것과 더불어 축열조(400)의 열을 이용하여 온수 또는 난방수 등을 사용자에게 공급할 수 있다.
도 2를 참고하면, 고질화부(130)는 바이오가스를 흡입 압축하는 압축기(131)와, 바이오가스의 압력 변동을 낮추는 버퍼 탱크(132)와, 병렬 배치와 직렬 배치가 조합된 복수의 분리막으로 구성된 다단 분리막(133)을 포함한다. 다단 분리막(133)은 적어도 2회에 걸쳐 메탄과 이산화탄소를 분리시켜 고농도 메탄을 포함하는 연료가스를 발생시킨다.
압축기(131)는 전처리부(120)에서 배출된 바이오가스를 압축시켜 일정 압력의 바이오가스를 다단 분리막(133)으로 공급한다. 압축된 바이오가스의 압력은 0.3MPa 이상 0.5MPa 이하일 수 있다. 다단 분리막(133)은 병렬로 배치되어 압축기(131)로부터 유량이 분산된 바이오가스를 공급받는 적어도 두 개의 분리막(134, 135)과, 병렬 배치된 분리막들(134, 135)의 후단에서 이들과 직렬로 배치된 적어도 하나의 분리막(136)을 포함한다.
도 2에서는 다단 분리막(133)이 병렬로 배열된 제1 분리막(134) 및 제2 분리막(135)과, 제1 및 제2 분리막(134, 135)의 후단에서 이들과 직렬로 배열된 제3 분리막(136)을 포함하는 경우를 예로 들어 도시하였으나, 분리막의 개수는 도시한 예로 한정되지 않는다. 즉 세 개 이상의 분리막이 병렬로 배치되고, 병렬 배치된 분리막들의 후단에서 두 개 이상의 분리막들이 직렬로 배치될 수 있다.
제1 및 제2 분리막(134, 135)이 병렬로 배치됨에 따라, 제1 및 제2 분리막(134, 135)에 공급되는 바이오가스의 유량은 직렬 배치 대비 절반이 된다. 제1 분리막(134)과 제2 분리막(135) 각각은 이산화탄소를 투과시키고, 메탄을 잔류시킨다. 이때 메탄의 일부가 이산화탄소와 함께 제1 및 제2 분리막(134, 135)을 투과하고, 이산화탄소의 일부가 메탄과 함께 제1 및 제2 분리막(134, 135)에 잔류한다.
제1 분리막(134), 제2 분리막(135), 제3 분리막(136) 각각은 유입부(I1, I2, I3), 투과부(P1, P2, P3), 및 잔류부(R1, R2, R3)를 포함한다.
제1 및 제2 분리막(134, 135)의 잔류부(R1, R2)는 제3 분리막(136)의 유입부(I3)와 연결되며, 제1 및 제2 분리막(134, 135)에서 잔류된 메탄과 이산화탄소가 제3 분리막(136)으로 공급된다. 제3 분리막(136)은 이산화탄소를 투과시키고, 메탄을 잔류시켜 메탄의 순도를 높인다. 도 2에서 점선 화살표는 이산화탄소의 흐름을 나타내고, 실선 화살표는 메탄의 흐름을 나타낸다. 이러한 다단 분리 공정에 의해 연료가스의 메탄 순도를 높일 수 있다.
한편, 제1 내지 제3 분리막(134, 135, 136)의 투과부(P1, P2, P3)는 연료처리장치(200)의 버너(220)와 연결되어 소량의 메탄을 포함하는 가연성 폐가스를 버너(220)에 보조연료로 공급할 수 있다.
제1 및 제2 분리막(134, 135)의 병렬 배치로 인해 이들의 공급되는 바이오가스의 유량은 압축기(131)에서 배출된 바이오가스 유량의 절반이 된다. 제1 및 제2 분리막(134, 135)에 유입되는 바이오가스의 유량이 작아질수록 잔류부(R1, R2)의 메탄 함량은 높아진다. 즉 병렬 배치로 인한 유량 분산을 이용하여 제1 및 제2 분리막(134, 135)의 메탄 분리성능을 향상시킬 수 있다.
이때 압축기(131)가 다단 분리막(133)에 공급하는 바이오가스의 압력은 0.3MPa 내지 0.5MPa이다. 이 압력 조건은 종래 막 분리법에 적용되는 압력보다 낮은 것으로서 비교적 저압에 속한다. 따라서 바이오가스 정제에 소모되는 에너지를 낮추어 연료전지 시스템 전체의 에너지 효율을 높일 수 있다.
분리막에 가해지는 바이오가스의 압력이 높을수록 분리막의 성능은 향상되나 에너지 효율은 낮아진다. 따라서 분리막의 성능과 에너지 효율 사이에 적정 관계 설정이 필요하다.
제1 실시예의 연료전지 시스템은 다단 분리막(133)의 운전 압력을 낮추어 전체 시스템의 에너지 효율을 높이며, 압력 저하에 따른 다단 분리막(133)의 성능 저하는 유량 감소에 따른 분리성능 향상으로 보상한다. 즉 제1 및 제2 분리막(134, 135)을 병렬 배치하여 바이오가스의 공급 유량을 줄임으로써 제1 및 제2 분리막(134, 135)의 메탄 분리성능을 높여 압력 저하에 따른 성능 저하를 보상한다.
도 2에 도시한 고질화부의 실험 결과와, 두 개의 분리막을 직렬 배치한 비교예의 고질화부(도 3 참고)의 실험 결과에 대해 설명한다.
<실험예 1>
전처리 과정을 거친 바이오가스의 조성은 메탄 50% 이산화탄소 50%이며, 압축기가 도 2에 도시한 구성의 다단 분리막(133)에 일정한 압력으로 바이오가스를 공급하였다. 압축기(131)는 버퍼 탱크(132)에 설치된 압력계의 압력에 따라 설정된 압력을 유지하도록 그 작동이 제어된다.
다단 분리막(133)의 유입부에 가해지는 압력을 0.1MP에서 0.5MPa까지 0.1MPa 단위로 높이고, 다단 분리막(133)의 연료가스 출구 유량을 1L/min에서 5L/min까지 1L/min 단위로 높이면서 최종 배출된 연료가스 내 이산화탄소의 농도를 각 압력 및 유량별로 측정하였다. 연료가스 내의 이산화탄소 농도는 비분산 적외선 흡수방식(NDIR)의 측정장치로 측정하였다.
Figure pat00001
표 1에 나타나 있듯이, 연료가스의 출구 유량이 5L/mim이고 다단 분리막(133)에 가해지는 바이오가스의 압력이 0.3MPa 이상일 때, 최종 분리된 연료가스 내의 메탄 농도가 90%를 초과하는 것을 알 수 있다.
<실험예 2>
도 3은 비교예의 고질화부를 나타낸 구성도이다. 비교예의 다단 분리막(140)은 직렬 배치된 두 개의 분리막(141, 142)을 포함한다. 전처리 과정을 거친 바이오가스의 조성은 메탄 50% 이산화탄소 50%이며, 압축기(131)가 다단 분리막(140)에 일정한 압력으로 바이오가스를 공급하였다. 압축기(131)는 버퍼 탱크(132)에 설치된 압력계의 압력에 따라 설정된 압력을 유지하도록 그 작동이 제어된다.
다단 분리막(140)의 유입부에 가해지는 압력을 0.1MP에서 0.5MPa까지 0.1MPa 단위로 높이고, 다단 분리막(140)의 연료가스 출구 유량을 2L/min에서 5L/min까지 1L/min 단위로 높이면서 최종 배출된 연료가스 내 이산화탄소의 농도를 각 압력 및 유량별로 측정하였다. 연료가스 내의 이산화탄소 농도는 비분산 적외선 흡수방식(NDIR)의 측정장치로 측정하였다.
Figure pat00002
표 2에 나타나 있듯이, 연료가스의 출구 유량이 5L/mim이고 다단 분리막(140)에 가해지는 바이오가스의 압력이 0.5MPa 이상일 때, 최종 분리된 연료가스 내의 메탄 농도가 90%를 초과하는 것을 알 수 있다.
실험예 1, 2의 결과를 살펴보면, 도 2에 도시한 다단 분리막(133)을 구비한 실시예의 고질화부(130)는 0.3MPa 내지 0.5MPa의 압력 조건에서 90% 이상의 메탄을 포함하는 최종 연료가스를 생성하고 있으나, 비교예의 고질화부는 0.5MPa의 압력 조건에서 90% 이상의 메탄을 포함하는 최종 연료가스를 생성하고 있다.
이와 같이 실시예의 고질화부(130)는 비교예 대비 낮은 압력 조건에서 동일한 메탄 분리성능을 발휘한다. 실시예의 고질화부(130)에서 바이오가스의 압력이 0.3MPa보다 낮으면 메탄의 분리성능이 저하되고, 0.5MPa을 초과하면 에너지 소모가 높아져 연료전지 시스템의 에너지 효율이 저하된다.
<실험예 3>
실험예 1에 사용된 실시예의 다단 분리막을 스케일 업하여 추가 실험을 진행하였다.
전처리 과정을 거친 바이오가스의 조성은 메탄 50% 이산화탄소 50%이며, 압축기를 이용하여 0.4MPa의 압력으로 바이오가스를 다단 분리막에 공급하였다. 다단 분리막의 연료가스 출구 유량을 80L/min에서 100L/min까지 10L/min 단위로 높이면서 최종 배출된 연료가스 내 이산화탄소의 농도를 유량별로 측정하였다. 연료가스 내의 이산화탄소 농도는 비분산 적외선 흡수방식(NDIR)의 측정장치로 측정하였다.
Figure pat00003
표 3에 나타나 있듯이, 다단 분리막에 가해지는 바이오가스의 압력이 0.4MPa이고, 연료가스의 출구 유량이 80L/min일 때 최종 분리된 연료가스 내의 메탄 농도가 90%를 초과하는 것을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템 중 바이오가스 정제장치의 고질화부를 나타낸 구성도이다.
도 4를 참고하면, 제2 실시예의 연료전지 시스템에서 제1 및 제2 분리막(134, 135)의 투과부(P1, P2)는 압축기(131) 전단의 바이오가스 배관(150)에 연결되고, 제3 분리막(136)의 투과부(P3)는 연료처리장치(200)의 버너(220)에 연결된다. 제1 및 제2 분리막(134, 135)을 투과한 이산화탄소와 메탄은 전처리부(120)에서 배출된 바이오가스와 혼합되어 다단 분리막(133)으로 재공급된다. 이러한 순환 과정을 통해 연료전지 시스템의 에너지 효율을 높일 수 있다.
제2 실시예의 연료전지 시스템에서 전술한 고질화부(130a) 이외의 구성은 전술한 제1 실시예와 동일하며, 중복되는 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 시스템 중 바이오가스 정제장치의 고질화부를 나타낸 구성도이다.
도 5를 참고하면, 제3 실시예의 연료전지 시스템에서 제1 및 제2 분리막(134, 135)의 투과부(P1, P2)는 연료처리장치(200)의 버너(220)에 연결되고, 제3 분리막(136)의 투과부(P3)는 압축기(131) 전단의 바이오가스 배관(150)에 연결된다. 제3 분리막(136)을 투과한 이산화탄소와 메탄은 전처리부(120)에서 배출된 바이오가스와 혼합되어 다단 분리막(133)으로 재공급된다. 이러한 순환 과정을 통해 연료전지 시스템의 에너지 효율을 높일 수 있다.
제3 실시예의 연료전지 시스템에서 전술한 고질화부(130b) 이외의 구성은 전술한 제1 실시예와 동일하며, 중복되는 설명은 생략한다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지 시스템 중 바이오가스 정제장치의 고질화부를 나타낸 구성도이다.
도 6을 참고하면, 제4 실시예의 연료전지 시스템에서 고질화부(130c)는 다단 분리막(133)의 투과부(이산화탄소 배출부)(P1, P2, P3)에 연결된 진공 펌프(137)를 더 포함한다.
진공 펌프(137)는 다단 분리막(133)의 투과부(P1, P2, P3)와 버너(220) 사이에 설치되며, 다단 분리막(133)의 투과부(P1, P2, P3)에 진공 압력(대략 -0.3MPa 내지 -0.5MPa)을 가한다. 이로써 다단 분리막(133)에 실제로 가해지는 압력은 압축기(131)에 의한 압력과 진공 펌프(137)에 의한 압력이 더해진 값이 된다.
즉, 다단 분리막(133)의 유입부(I1, I2, I3)에는 압축기(131)에 의해 0.3MPa 내지 0.5MPa의 압력이 가해지며, 진공 펌프(137)에 의한 압력이 -0.3MPa인 경우, 다단 분리막(133)의 작동 압력은 0.6MPa 내지 0.8MPa이 된다. 하나의 압축기가 다단 분리막에 0.8MPa의 압력을 가하는 것보다 제4 실시예와 같이 압축기(131)의 압력을 낮추고, 진공 펌프(137)를 설치하는 것이 소비전력 저감에 훨씬 유리하다.
제4 실시예의 고질화부(130c)는 다단 분리막(133)의 작동 압력을 높여 분리성능을 향상시키며, 적은 펌프 소비전력으로 우수한 분리성능을 구현할 수 있다. 제4 실시예의 연료전지 시스템에서 고질화부(130c) 이외의 구성은 전술한 제1 실시예와 동일하며, 중복되는 설명은 생략한다.
이하, 도 6에 도시한 고질화부의 실험 결과에 대해 설명한다.
<실험예 4>
전처리 과정을 거친 바이오가스의 조성은 메탄 50% 이산화탄소 50%이며, 압축기를 이용하여 0.4MPa의 압력으로 바이오가스를 다단 분리막에 공급하고, 진공 펌프를 작동시켰다.
다단 분리막의 연료가스 출구 유량을 80L/min에서 100L/min까지 10L/min 단위로 높이면서 최종 배출된 연료가스 내 이산화탄소의 농도를 유량별로 측정하였다. 연료가스 내의 이산화탄소 농도는 비분산 적외선 흡수방식(NDIR)의 측정장치로 측정하였다.
Figure pat00004
표 4에 나타나 있듯이, 다단 분리막에 가해지는 바이오가스의 압력이 0.4MPa이고, 진공 펌프를 가동하며, 연료가스의 출구 유량이 100L/min일 때, 최종 분리된 연료가스 내의 메탄 농도는 95%를 초과한다. 실험예 3에서 같은 연료가스 출구 유량(100L/min) 조건에서 최종 분리된 연료가스 내의 메탄 농도는 86.9%이다. 표 4의 결과를 통해 진공 펌프를 설치한 경우가 그렇지 않은 경우보다 뛰어난 분리성능을 발휘함을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 제5 실시예에 따른 연료전지 시스템 중 바이오가스 정제장치의 고질화부를 나타낸 구성도이다.
도 7을 참고하면, 제5 실시예의 연료전지 시스템에서 제1 및 제2 분리막(134, 135)의 투과부(P1, P2)는 연료처리장치의 버너(220)에 연결되고, 제3 분리막(136)의 투과부(P3)는 압축기(131) 전단의 바이오가스 배관(150)에 연결된다. 그리고 고질화부(130d)는 제1 및 제2 분리막(134, 135)의 투과부(이산화탄소 배출부)(P1, P2)에 연결된 진공 펌프(137)를 더 포함한다.
진공 펌프(137)는 제1 및 제2 분리막(134, 135)의 투과부(P1, P2)와 버너(220) 사이에 설치되며, 제1 및 제2 분리막(134, 135)의 투과부(P1, P2)에 진공 압력을 가하여 제1 및 제2 분리막(134, 135)의 작동 압력을 높인다.
고질화부(130d)는 제1 및 제2 분리막(134, 135)의 병렬 배치와, 진공 펌프(137)에 의한 압력 상승을 이용하여 제1 및 제2 분리막(134, 135)의 분리성능을 보다 효과적으로 향상시킬 수 있다. 제5 실시예의 연료전지 시스템에서 고질화부(130d) 이외의 구성은 전술한 제3 실시예와 동일하며, 중복되는 설명은 생략한다.
도 8은 본 발명의 제6 실시예에 따른 연료전지 시스템 중 바이오가스 정제장치의 고질화부를 나타낸 구성도이다.
도 8을 참고하면, 제6 실시예의 연료전지 시스템에서 제1 및 제2 분리막(134,135)의 투과부(P1, P2)는 연료처리장치의 버너(220)에 연결되고, 제3 분리막(136)의 투과부(P3)는 압축기(131) 전단의 바이오가스 배관(150)에 연결된다. 그리고 고질화부(130e)는 제3 분리막(136)의 투과부(이산화탄소 배출부)(P3)에 연결된 진공 펌프(137)를 더 포함한다.
진공 펌프(137)는 제3 분리막(136)의 투과부(P3)와 바이오가스 배관(150) 사이에 설치되며, 제3 분리막(136)의 투과부(P3)에 진공 압력을 가하여 제3 분리막(136)의 작동 압력을 높인다. 제6 실시예의 연료전지 시스템에서 고질화부(130e) 이외의 구성은 전술한 제3 실시예와 동일하며, 중복되는 설명은 생략한다.
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.
100: 바이오가스 정제장치 110: 저장부
120: 전처리부 130: 고질화부
131: 압축기 132: 버퍼 탱크
133: 다단 분리막 134: 제1 분리막
135: 제2 분리막 136: 제3 분리막
I1, I2, I3: 유입부 P1, P2, P3: 투과부
R1, R2, R3: 잔류부 200: 연료처리장치
210: 개질 반응기 220: 버너
300: 연료전지 400: 축열조

Claims (16)

  1. 바이오가스에 포함된 불순물을 제거하는 전처리부; 및
    불순물이 제거된 바이오가스를 흡입 압축하는 압축기와, 압축된 바이오가스로부터 메탄과 이산화탄소를 분리시키는 다단 분리막을 포함하는 고질화부
    를 포함하며,
    상기 다단 분리막은 병렬 배치와 직렬 배치가 조합된 복수의 분리막을 포함하는 바이오가스 정제장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압축기는 상기 다단 분리막으로 0.3MPa 내지 0.5MPa 압력의 바이오가스를 공급하는 바이오가스 정제장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압축기와 상기 다단 분리막 사이에 설치되어 바이오가스의 압력 변동을 완화시키는 버퍼 탱크를 더 포함하는 바이오가스 정제장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다단 분리막은,
    병렬 배치되어 상기 압축기로부터 유량이 분산된 바이오가스를 공급받는 제1 분리막과 제2 분리막; 및
    상기 제1 분리막과 상기 제2 분리막의 후단에서 직렬 배치된 제3 분리막
    을 포함하는 바이오가스 정제장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 분리막, 상기 제2 분리막, 상기 제3 분리막 각각은 유입부와 잔류부 및 투과부를 포함하며,
    상기 제1 분리막과 상기 제2 분리막의 잔류부는 상기 제3 분리막의 유입부와 연결되는 바이오가스 정제장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 분리막과 상기 제2 분리막의 상기 투과부 또는 상기 제3 분리막의 상기 투과부는 상기 압축기 전단의 바이오가스 배관에 연결되는 바이오가스 정제장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고질화부는 상기 복수의 분리막 중 적어도 한 분리막의 이산화탄소 배출부에 연결되어 상기 적어도 한 분리막의 작동 압력을 높이는 진공 펌프를 더 포함하는 바이오가스 정제장치.
  8. 바이오가스에 포함된 불순물을 제거하는 전처리부와, 불순물이 제거된 바이오가스를 흡입 압축하는 압축기와, 병렬 배치와 직렬 배치가 조합된 복수의 분리막으로 구성되며 압축된 바이오가스로부터 메탄과 이산화탄소를 분리시켜 연료가스와 가연성 폐가스를 생성하는 다단 분리막을 포함하는 바이오가스 정제장치;
    상기 연료가스를 개질가스로 전환하는 개질 반응기와, 상기 개질 반응기로 열을 공급하는 버너를 포함하는 연료처리장치; 및
    상기 개질가스를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 연료전지
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 압축기는 상기 다단 분리막으로 0.3MPa 내지 0.5MPa 압력의 바이오가스를 공급하는 연료전지 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 바이오가스 정제장치는 상기 압축기와 상기 다단 분리막 사이에 설치되어 바이오가스의 압력 변동을 완화시키는 버퍼 탱크를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 다단 분리막은,
    병렬 배치되어 상기 압축기로부터 유량이 분산된 바이오가스를 공급받는 제1 분리막과 제2 분리막; 및
    상기 제1 분리막과 상기 제2 분리막의 후단에서 직렬 배치된 제3 분리막을 포함하는 연료전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 분리막, 상기 제2 분리막, 상기 제3 분리막 각각은 유입부와 잔류부 및 투과부를 포함하고,
    상기 제1 분리막과 상기 제2 분리막의 잔류부는 상기 제3 분리막의 유입부와 연결되며, 상기 제3 분리막의 잔류부는 상기 연료가스를 포함하며 상기 개질 반응기와 연결되는 연료전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 분리막, 상기 제2 분리막, 상기 제3 분리막의 투과부는 상기 가연성 폐가스를 포함하며 상기 버너와 연결되는 연료전지 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 분리막과 상기 제2 분리막의 투과부는 상기 압축기 전단의 바이오가스 배관에 연결되고,
    상기 제3 분리막의 투과부는 상기 가연성 폐가스를 포함하며 상기 버너와 연결되는 연료전지 시스템.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제1 분리막과 상기 제2 분리막의 투과부는 상기 가연성 폐가스를 포함하며 상기 버너와 연결되고,
    상기 제3 분리막의 투과부는 상기 압축기 전단의 바이오가스 배관에 연결되는 연료전지 시스템.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 바이오가스 정제장치는 상기 복수의 분리막 중 적어도 한 분리막의 이산화탄소 배출부에 연결되어 상기 적어도 한 분리막의 작동 압력을 높이는 진공 펌프를 더 포함하는 연료전지 시스템.
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