KR20230100800A - 생활형 바이오가스를 활용한 연료전지 시스템 - Google Patents

생활형 바이오가스를 활용한 연료전지 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20230100800A
KR20230100800A KR1020210189791A KR20210189791A KR20230100800A KR 20230100800 A KR20230100800 A KR 20230100800A KR 1020210189791 A KR1020210189791 A KR 1020210189791A KR 20210189791 A KR20210189791 A KR 20210189791A KR 20230100800 A KR20230100800 A KR 20230100800A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
biogas
fuel cell
unit
carbon dioxide
methane
Prior art date
Application number
KR1020210189791A
Other languages
English (en)
Inventor
형남서
이세문
정문용
김성우
안상민
최범용
이승준
나재욱
이주경
박종훈
Original Assignee
한국서부발전 주식회사
두산퓨얼셀 주식회사
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 한국서부발전 주식회사, 두산퓨얼셀 주식회사 filed Critical 한국서부발전 주식회사
Priority to KR1020210189791A priority Critical patent/KR20230100800A/ko
Publication of KR20230100800A publication Critical patent/KR20230100800A/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
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • 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
    • B01D53/22—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 by diffusion
    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
    • C02F11/02—Biological treatment
    • C02F11/04—Anaerobic treatment; Production of methane by such processes
    • 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
    • H01M8/08—Fuel cells with aqueous electrolytes
    • H01M8/086—Phosphoric acid fuel cells [PAFC]
    • 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
    • H01M8/22—Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising carbon or oxygen or hydrogen and other elements; Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising only elements other than carbon, oxygen or hydrogen
    • 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)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 생활형 바이오가스를 활용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 일상적으로 배출되는 가축분뇨, 생활분뇨, 음식물 폐기물, 오폐수, 하수오니 등의 유기성 폐자원으로부터 생산된 생활형 바이오가스를 전처리후 멤브레인을 통과시켜 메탄 및 이산화탄소로 분리하여 청정수소를 제조하고, 상기 메탄의 농도를 고질화하여 메탄을 주성분으로 한 바이오가스를 인산형 연료전지 연료극에 공급하여 연료전지 시스템의 효율 향상, 안정성 및 경제성을 높이고, 동시에 상기 분리된 이산화탄소를 포집 후 정제설비에 의해 이산화탄소의 농축농도를 높여 제품 원료로 활용되도록 순환 설계된 시스템을 제공할 수 있다.

Description

생활형 바이오가스를 활용한 연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM USING BIOGAS PRODUCED FROM ORGANIC WASTE RESOURCES}
본 발명은 생활형 바이오가스를 활용한 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일상적으로 배출되는 가축분뇨, 생활분뇨, 음식물 폐기물, 오폐수, 하수오니 등의 유기성 폐자원으로부터 생산된 생활형 바이오가스를 전처리한 후 멤브레인을 통해 메탄 및 이산화탄소로 분리하여 청정수소를 제조하고, 상기 메탄의 농도를 고질화하여 메탄을 주성분으로 한 바이오가스를 인산형 연료전지 연료극에 공급하여 연료전지 시스템의 효율 향상, 안정성 및 경제성을 높이고, 동시에 상기 분리된 이산화탄소를 포집 후 정제설비에 의해 이산화탄소의 농축농도를 높여 제품 원료로 활용되도록 설계된, 생활형 바이오가스를 활용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
최근 국제유가의 지속적인 상승으로 인해 에너지의 안정적 확보 및 대체에너지 개발의 필요성이 대두되고 있고, 이와 더불어 지구온난화를 유발하는 온실가스 발생이 지속적인 증가 추세에 있는 상황에서 온실가스 저감 및 기후변화 대응의 중요성이 점차 커지고 있는 상황이다.
이에 따라 최근 2050 탄소중립선언(’20.10.)과 2030 국가온실가스감축목표(NDC) 상향 발표로 신재생에너지의 역할과 중요성은 더욱 증대될 전망이다.
수소는 재생에너지 저장 수단이자, 수송연료, 열 원료 등 다방면에 활용 가능한 친환경 에너지원으로서, 아직 초기단계인 수소경제 선점을 위해 각국은 수소 생산ㆍ 공급ㆍ저장ㆍ활용 등 생태계 조성 경쟁에 돌입하고 있다.
국내 발전 부문의 수소연료전지 확대로 수소의 생산ㆍ공급ㆍ저장ㆍ활용을 도모하고, 지원 체계 개편을 통해 더 효율적으로 보급함과 동시에 산업생태계를 안정적으로 구축하고자 제도를 마련하고 있으며, 신재생에너지 의무화 제도인 RPS(Renewable Energy Portfolio) 제도가 도입된 이래, 연료전지는 2012년 60MW에서 2019년 469MW의 설비를 보급하며 연료전지 안착에 기여하고 있다.
따라서, 정부는 2019년 1월 수소경제로드맵 발표를 통해 2040년까지 연료전지 17.1GW(발전용 15GW(국내 8GW, 수출 7GW, 가정ㆍ건물용 2.1GW)의 보급목표를 정하고 추진하고 있으며, 기존 태양광, 풍력 등 재생에너지 중심의 신재생에너지 의무화 제도(RPS)에서 연료전지 부문 지원을 분리하는 새로운 수소발전의무화제도(HPS)를 통해, 수소연료전지가 가지고 있는 친환경성, 분산전원 등의 기존의 장점과 특징을 구현하되, 동시에 비용을 최소화하려는 목표를 가지고 있다.
더 나아가 HPS 도입시, 청정수소(블루수소+그린수소) 활용을 강조한 청정수소발전의무화제도(Clean Hydrogen Energy Portfolio Standards, CHPS)를 도입할 수 있는 법률적 근거를 확보하고, 청정수소 기반의 수소경제 확산을 구상 중이며, 그를 통해 보다 더 효율적이고 안정적인 보급을 계획하고 있다.
이러한 사회적 변화에 발맞추어, 하수슬러지 등의 유기성폐기물을 자원화하는 바이오가스의 생산과 활용이 활발하게 이루어지고 있고, 그 일환으로 도시가스사업법의 개정으로 바이오가스도 도시가스의 범주에 포함시키는 등 관련 법률도 재정비하고 있다.
또한, 일상적으로 배출되는 가축분뇨, 생활분뇨, 음식물 폐기물, 오폐수, 하수오니 등의 유기성 폐자원의 처리비용과 환경문제가 국가적 차원에서 검토되고 있다.
구체적으로, 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.
그 일례로, 특허문헌 1에는 부산물로 퇴비를 얻는 정화처리 및 퇴비화 공정들과 부산물로 액비를 얻는 바이오가스 공정을 연동하여 운영하는 한편, 이를 통해, 약품 슬러지의 발생을 억제할 수 있는 친환경적인 유기성 폐기물의 자원화 처리 시스템 및 방법을 제안하고 있다.
그러나 일련의 종래 유기성 폐자원의 육상처리기술 중에는 천연가스와 같이 메탄을 주요 성분으로 함유한 바이오가스 생산기술 또는 액비를 생산하려는 에너지 자원화 시도가 있기는 하나, 소화조 운영과정에서 발생하는 소화수액 처리 등의 문제로 시설투자 대비 효용성이 떨어지고, 낮은 가동율을 해결해야한다.
상기에서 바이오가스는 음식물 쓰레기, 음식물 쓰레기로 인한 발생폐수, 가축분뇨, 생활분뇨, 하수오니, 매립 쓰레기 등과 같은 유기성 폐자원을 무산소 분위기의 혐기성 조건하에서 일정시간 체류하게 되면, 혐기성 미생물에 의해 주성분으로 메탄이 생산된다.
이때, 유기성 폐자원에 따라 바이오가스를 구성하는 메탄과 이산화탄소의 함량이 달라지기도 하는데, 일반적으로 음식물 쓰레기 등으로부터 발생하는 바이오가스에는 메탄을 70 내지 75부피%를 함유하고 있으며, 하수 슬러지로부터 발생하는 바이오가스에는 65 내지 70부피%의 메탄을 함유하고, 가축분뇨나 매립쓰레기로부터 발생하는 바이오가스에는 50 내지 60부피%의 메탄을 함유하고 있다.
상기와 같이 바이오가스는 유기성 폐자원에 따라 메탄함량이 다르기 때문에 바이오가스를 연료로 공급하는 종래 발전설비의 안정적인 전기효율을 얻기 위해서 이용률 향상을 위한 노력이 요구된다.
반면에, 연료전지에 공급되는 연료로는 천연가스가 대부분을 이루고 있으며, 전세계에 설치 운용중인 연료전지 중 80 내지 90%가 이에 해당되고 있다. 하지만 연료 다변화의 일환으로 천연가스 이외에도 하수처리장의 슬러지를 소화조에서 소화함에 따라 발생하는 메탄을 주성분으로 한 바이오가스를 연료전지의 재생 연료로서 공급이 가능하다.
혐기성소화는 예전부터 확립되어 발전되고 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 일어나서 메탄을 주성분으로 한 바이오가스를 생산하고 있다.
또한, 현재 생산되는 바이오가스는 대부분 CH4 성분은 50∼70% 수준으로 CO2 성분이 30∼50% 포함되어 있어, CO2 성분이 연료전지의 연료극으로 공급 시 CO2에 의한 분압 상승으로 전지의 전압이 떨어지게 된다.
또한, 바이오가스의 경우 함유된 메탄조성 50∼70% 바이오가스의 메탄함량의 고질화를 위한 상업화 기술로는 흡착법(pressure swing adsorption), 흡수법(water scrubbing, methanol scrubbing, polyethylene glycol scrubbing 등), 막분리법(membrane separation) 등이 있는 데 사용용도, 재이용 및 경제성 등을 고려하여 분리정제 방법의 기술적인 방법을 선택하는 것이 중요하다.
아민을 이용한 흡수법을 사용하고 있지만 이는 에너지소모가 많고 장비의 부식이 발생하며 산소로 인한 용매의 열화같은 문제가 발생하고 있다. 또한, 정제된 메탄가스에는 수분이 포화되어 있어 수분을 제거하는 후처리 공정을 필요로 한다.
다른 방법으로는 흡착법을 이용하고 있는데, 흡착제와 혼합가스의 압력순환에 의해서 생기는 흡착 평형량의 차이를 이용하여 혼합가스 중 특정성분을 선택적으로 분리하는 기술로 주로 고압에서 이산화탄소를 흡착하고 메탄을 정제하며 저압에서 흡착성분을 탈착하는 방법이다. 이 방법은 비정상 상태의 운전이기 때문에 운전단계 중에 여러 가지 운전변수의 예측과 설계가 어려우며 흡착제에 따라 수분에 대한 전처리가 필요하고, 낮은 유지비, 운전이 쉽고 적은 에너지 요구량 때문에 바이오가스로부터 이산화탄소를 분리하기 위한 기술로 많이 사용하고 있다.
이해 비해 분리막 공정은 흡수법이나 흡착법에 비하여 에너지 효율이 높고 친환경적이며 장치규모가 작고 설치 운영이 쉽고, 상변화에 요구되는 에너지가 필요 없기 때문에 막공정에 요구되는 최소한의 구동력만으로 운전이 가능하여 에너지 절약형이고, 상변화가 없으므로 분리 대상물질의 성상변화가 일어나지 않는다. 또한, 증발기(Evaporator)나 응축기(Condenser) 없이 대부분 펌프, 배관, 멤브레인 및 조절파트로 구성되어 설비가 컴팩트한 이점이 있다.
분리막은 기체들의 투과되는 성질은 고분자 분리막인 경우에는 흡수 또는 용해 후, 분리막 내부를 이동하는 속도차에 의한 것과 고분자의 연결 측쇄간에 존재하는 미세한 틈 사이로 기체 분자가 통과되는 방법들이 있다. 수소나 헬륨은 후자의 경우처럼 고분자 측쇄의 간격에 따라 기체가 투과하며, 수증기나 CO2　등은 흡수 또는 용해되고 분리막 내부를 이동하는 현상으로 투과된다. 초기 기체분리막 공정은 수소 분리(H2/CO, H2/CH4) 및 회수를 위해 시작되었으나. 현재는 질소의 발생, 산소 농축공기 제조, 수소 및 휘발성 유기 증기 회수, 이산화탄소의 분리 등 다양한 분야로 확대되어 나가고 있다. 그러나 종래의 방법으로는 고순도 메탄을 생산하는데 한계가 있다.
특허문헌2에는 메탄을 회수할 수 있는 분리막 시스템으로서, 바이오가스의 미량 오염물질을 제거하는 전처리수단; 상기 전처리수단을 거친 바이오가스를 전달받아 메탄과 이산화탄소를 분리하는 적어도 하나의 1단 분리막 및 2단 분리막을 가지는 다단 분리막 수단; 및 2단 압축기가 연속 운전하도록 하는 압력 조절 밸브;를 포함함으로써, 바이오가스(매립가스, 혐기성 소화가스 등)로부터 메탄 회수율을 향상시킬 수 있는 다단 분리막 시스템을 개시하고 있다.
이에 본 발명자들은 종래의 문제점을 개선하고자 노력한 결과, 일상적으로 배출되는 가축분뇨, 생활분뇨, 음식물 폐기물, 오폐수, 하수오니 등의 유기성 폐자원으로부터 생산된 바이오가스를 전처리후 멤브레인을 통해 메탄 및 이산화탄소로 분리하여 청정수소를 제조하고, 상기 메탄의 농도를 고질화하여 메탄을 주성분으로 한 바이오가스를 인산형 연료전지 연료극에 공급하여 연료전지 시스템의 효율 향상, 안정성 및 경제성을 높이고, 동시에 상기 분리된 이산화탄소를 포집 후 정제설비에 의해 이산화탄소의 농축농도를 높여 제품 원료로 활용되도록 한, 바이오가스를 이용한 연료전지 시스템을 제공함으로써 본 발명을 완성하였다.
대한민국특허 제1366374호 (2014.02.24 공고) 대한민국공개특허 제2018-0007519호 (2018.01.23 공개)
본 발명의 목적은 유기성 폐자원으로부터 생산된 생활형 바이오가스를 활용한 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 일상적으로 배출되는 가축분뇨, 생활분뇨, 음식물 폐기물, 오폐수, 하수오니 등의 유기성 폐자원으로부터 메탄 및 이산화탄소 분리를 통한 제조된 청정수소를 활용한 에너지 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유기성 폐자원으로부터 배출된 메탄가스 50∼70% 함량의 바이오가스 생산부,
상기 생산부로부터 공급된 생활형 바이오가스에 불순물을 제거하는 바이오가스 전처리부,
상기 전처리된 바이오가스가 멤브레인을 통과하여 메탄가스 농도를 95% 이상으로 고질화시키는 바이오가스 농축부,
상기 고질화된 메탄가스를 인산형 연료전지 연료극에 공급하는 연료전지부 및
상기 연료전지부에서 생산된 전력을 가정의 연료 또는 자동차 연료 제공을 위한 전력공급부로 이송되는 생활형 바이오가스를 활용한 연료전지 시스템을 제공한다.
상기 멤브레인 통과시 메탄과 동시에 이산화탄소가 분리되고, 이때, 이산화탄소 포집부가 별도 구비되어, 생활형 바이오가스로부터 메탄과 이산화탄소를 포집함으로써 청정수소 생산이 가능하다.
또한, 상기 이산화탄소 포집부에서 포집된 이산화탄소가 이산화탄소 정제부를 통해 압축, 정제, 액화 및 저장단계로 수행되어 이산화탄소의 농축 농도 70%이상으로 제품원료로서 활용된다.
본 발명은 일상적으로 배출되는 가축분뇨, 생활분뇨, 음식물 폐기물, 오폐수, 하수오니 등의 유기성 폐자원으로부터 친환경 고효율 에너지 시스템을 제공할 수 있다. 특히, 상기 유기성 폐자원으로부터 생산된 생활형 바이오가스를 다단의 멤브레인 정제수단에 의해 메탄가스의 농도를 고질화하고, 이산화탄소를 포집 후 농축하여, 청정수소 활용이 가능하게 함으로써, 청정수소발전의무화제도(CHPS)에 따른 선도적 입지를 제공할 수 있다.
또한, 가축분뇨, 생활분뇨, 음식물 폐기물, 오폐수, 하수오니 등의 유기성 폐자원으로부터 생활형 바이오가스를 생산하고 자원화함으로써, 에너지를 절감하고 축산악취를 감축할 뿐만 아니라 상기 바이오가스를 활용한 연료전지로부터 나온 열과 전기를 도시가스로 제공될 수 있으므로, 전 지자체로 확대 적용할 수 있다.
따라서, 유기성물질이 함유된 가축분뇨, 생활분뇨, 음식물 폐기물, 오폐수, 하수오니 등의 처리비용을 절감할 수 있고, 본 발명의 시스템을 통해 바이오가스의 생산과 활용에 유용하고, 상기 메탄가스의 농도를 고질화함으로써, 메탄을 주성분으로 한 바이오가스를 인산형 연료전지 연료극에 공급하여 연료전지 시스템의 효율 향상, 안정성 및 경제성을 높일 수 있다.
나아가, 상기 포집된 이산화탄소를 별도 정제설비를 통과시켜 97% 이상으로 전량 포집가능하므로 메탄올, 에탄올, 올레핀 생산 또는 액화탄소 등의 제품 원료로 사용될 수 있으며, 저농도의 이산화탄소의 경우는 스마트팜에 활용하여 에너지 유용자원으로 선순환할 수 있다.
도 1은 본 발명의 생활형 바이오가스를 활용한 연료전지 시스템의 블럭도이고,
도 2는 본 발명의 바이오가스 전처리부의 설비 계통도를 모식적으로 도시한 것이고,
도 3은 본 발명의 바이오가스 농축부의 멤브레인에서 메탄과 이산화탄소의 분리 및 정제원리를 모식적으로 도시한 것이고,
도 4는 본 발명의 이산화탄소 포집부로부터 이산화탄소 정제부를 통한 흐름도를 도시한 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 생활형 바이오가스를 활용한 연료전지 시스템의 블럭도를 나타낸 것으로서, 구체적으로는 유기성 폐자원으로부터 배출된 메탄가스 50∼70% 함량의 바이오가스 생산부(10), 상기 생산부로부터 공급된 생활형 바이오가스에 탈황 및 실록산을 제거하는 바이오가스 전처리부(20), 상기 전처리된 바이오가스가 멤브레인을 통과하여 메탄가스 농도를 95% 이상으로 고질화시키는 바이오가스 농축부(30), 상기 고질화된 메탄가스를 인산형 연료전지 연료극에 공급하는 연료전지부(40) 및 상기 연료전지부에서 생산된 전력을 가정의 연료 또는 자동차 연료 제공을 위한 전력공급부(50)로 이송되는 생활형 바이오가스를 활용한 연료전지 시스템(1)을 제공한다.
각 구성별로 설명하면, 바이오가스 생산부(10)에서 유기성 폐자원이라 함은 가축분뇨, 생활분뇨, 음식물 폐기물, 오폐수, 하수오니 등을 포함한 일상적으로 배출되는 도시쓰레기의 유기성 폐기물이라면 모두 포함한다.
바이오가스 생산부(10)는 상기 유기성 폐자원을 혐기미생물에 의해 발효시켜 폐기물을 감량 처리하고 동시에 바이오가스를 생산한다. 구체적으로 최초 및 최종 침전지에서 발생된 슬러지를 농축시켜 소화조로 이동하는 농축조, 상기 농축된 슬러지의 유기물을 혐기성 상태에서 분해하여 감량화, 안정화시키고 메탄가스를 생산하는 소화조를 거쳐 메탄을 주성분으로 한 바이오가스를 생산하고 다음 단계에 제공할 수 있다.
또한, 바이오가스 생산부(10)의 소화과정을 거친 액상 슬러지는 탈수하여 고체 슬러지 케이크로 생산하는 탈수조(이때 함수율은 80% 내외)를 거치고 상기 슬러지 케이크를 슬러지 건조시설로 통과시켜 함수율 10% 수준으로 건조하여 화력발전소 연료로 공급하고 재활용할 수 있어 친환경적이다.
본 발명에서 바이오가스 생산부(10)로부터 공급된 생활형 바이오가스는 메탄함량 50 내지 70% 수준으로는 열량(5,000　kcal/m3　이하)이 작아 운송용 연료나 도시가스로 사용이 어려우며 천연가스와 비슷한 발열량을 맞추기 위해서는 바이오가스의 메탄함량을 95% 이상으로 향상시켜야 한다.
따라서, 바이오가스 생산부(10)로부터 공급된 생활형 바이오가스는 전처리부(20)를 거쳐 탈황 및 실록산을 제거할 수 있다.
도 2는 본 발명의 바이오가스 전처리부(20) 설비계통도를 모식적으로 도시한 것으로서, 데미스터 쿨러(21)를 이용하여 바이오가스의 수분을 제습하고, 냉각기를 통하여 바이오가스의 온도를 일정하게 제어한다. 상기 데미스터 쿨러나 상기 냉각기는 상기 통합제어부(미도시)에 의해 제어될 수 있다.
이때, 바이오가스 전처리부(20) 내 바이오가스 제습기(24)를 통해 가스유입구(100% RH)를 통과한 습도 높은 가스는 내부 충진된 제습제와 온도조건에 의해 제습된 가스로 생성되어 제습기 상부로 상승하여 가스 출구(1∼5vol%이하)로 배출되고, 제습과정에 생성된 응축수는 제습기 하부에 구비된 응축수 저장소에 모이거나 응축수 배출구방향으로 배출된다.
상기 바이오가스 제습기(24)를 통해 제습된 가스는 가스승압블로워 현장제어판(25)에 공급되어, 공기 또는 산소를 적정량 조절하여 유입시키고, 상기 공기 또는 산소와 바이오가스가 함께 건식탈황장치(26) 및 실록산 제거장치(27)를 통과하여, 상기 온습도 제어에 의해 온도 및 습도가 일정하게 제어된 바이오가스에 함유된 황화수소 및 실록산 등의 불순물이 제거된다.
건식탈황장치(26)에는 고체형태의 흡착제 표면을 화학적 처리로 황성분을 흡착 제거하는 방법으로서, 활성탄, 실리카겔, 제올라이트 등의 흡착제로 황성분을 흡착하여 제거할 수 있으며 바람직하게는 수산화철로 충진된 탈황메디아에 의해 황화수소를 제거함으로써 안정적이고 황성분 제거효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 공기 또는 산소공급에 의해 탈황메디아를 재생할 수 있으므로 탈황메디아의 교체주기 연장 및 여재 교체 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
상기 건식탈황장치(26)는 내부에 탈황메디아가 충진된 형태로 이루어지며, 건식탈황반 응조 하부에는 가스유입구가 형성되고, 상부에는 처리된 가스가 배출되는 가스배출구가 형성되며, 다단으로 설비되어 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 건식탈황장치(26)를 통과한 바이오가스는 연속적으로 실록산 제거장치(27)에 공급된다.
상기 실록산이란 규소(Si)와 산소(O)가 서로 결합하여 폴리머를 형성된 상태를 말하며, 실록산결합이라고 불리는 실리콘의 주골격으로 되어 있고, 탄소결합(C-C)의 결합에너지가 356KJ/mol인데 대하여, 실록산결합(Si-O)은 444KJ/mol으로 커고 대단히 안정하다는 것이 특징이다. 이러한 실록산이 바이오가스 중에 포함되면, 가스엔진이나 마이크로가스터빈의 연소실내에서 산화하여 실리카(SiO2)로 되어 분말 또는 결정상태로 연소실에 잔류하게 되므로 제거가 요구된다.
일반적인 실록산 제거는 활성탄 흡착에 의해 수행되며 성능개선을 위해 공지의 흡착제도 포함할 수 있다.
상기 건식탈황장치(26) 및 실록산제거장치(27)를 통과하여 황화수소 및 실록산이 제거된 바이오가스는 멤브레인을 통과하는 바이오가스 농축부(30)를 통해 메탄가스의 농도를 95% 이상으로 고질화한다.
상기 바이오가스 농축부(30)는 산화철 흡착탑, 활성탄 흡착탑, 첨착활성탄 흡착탑 등을 구비하여 복수의 흡착탑에 의해 순차적으로 바이오가스를 정제할 수 있다. 이때, 흡착탑의 성능 및 용량에 따라 그 개수를 하나 또는 그 이상으로 결정할 수 있으며, 최종적으로 바이오가스 내 메탄의 농도를 최소 95%이상, 바람직하게는 99%이상으로 농축된다.
상기 바이오가스 농축부(30)에 있어서, 상기 산화철 흡착탑, 활성탄 흡착탑, 첨착활성탄, 흡착탑 등을 통해 정제된 바이오가스의 정제정도를 각 단계별로(각 흡착탑을 거칠 때마다) 상기 가스분석을 통해 분석하여 상기 통합제어부로 제공한다. 상기 통합제어부에서는 상기 가스분석을 통해 제공되는 상기 바이오가스의 정제정보를 디스플레이하여 정제여부 또는 정제 결과를 알 수 있도록 한다.
상기 바이오가스 농축부(30)를 통해 정제 및 농축된 바이오가스의 메탄의 순도는 상기 가스분석을 통해 체크되고, 이때, 농축된 바이오가스의 메탄의 순도가 95% 미만일 경우에는 상기 통합제어부의 제어에 의한 밸브 개폐를 통해 상기 농축된 바이오가스를 상기 바이오가스 전처리부(20)의 온습도 제어 전단으로 되돌려 바이오가스를 재순환시킨다.
상기 바이오가스를 재순환시키기 위한 메탄의 순도 측정은 직접 메탄의 순도를 측정하는 방법을 사용할 수도 있고 이산화탄소의 양을 측정하는 방법이 사용될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 바이오가스 농축부의 멤브레인에서 메탄과 이산화탄소의 분리 및 정제원리를 모식적으로 도시한 것으로서, 전 단계에서 공급된 바이오가스가 멤브레인(31)을 통과하면, CO2, N2, O2, H2O 등을 메탄은 멤브레인 내에 축적되고, 이산화탄소는 투과되어 별도로 구비된 이산화탄소 포집부(32)에 모이게 된다.
이러한 공법은 바이오가스를 분리하는 타공정과 대비하였을 때 메탄에 대한 선택도가 높을 뿐 아니라 환경을 오염시키는 오폐수, 폐촉매 등이 생성되지 않아 환경친화도가 높다.
따라서 전 단계에서 건식탈황장치 및 실록산 제거장치를 통과한 정제된 바이오가스가 멤브레인을 통해 메탄과 이산화탄소를 선택적으로 투과한다. 이때, 상기 멤브레인 소재의 미세기공 크기, 용해도ㆍ확산도의 차이에 의해 선택적으로 분리할 수 있으며, 메탄과 이산화탄소의 분자크기 차이로 인해 막의 상대 침투율이 다르게 작용하므로 멤브레인을 통해 분리된다.
멤브레인은 1단 이상이 사용될 수 있으며, 복수의 다단형태의 멤브레인을 통해 분리 정제할 수 있다. 이때, 원료가스의 투과압력이 증가하면 메탄가스의 농도는 상승하며, 메탄가스의 회수효율도 함께 증가한다. 즉, 막분리공정의 공급압력을 6 bar 수준의 높은 압력과 투과측 압력을 상압으로 운전하면, 단일 분리막 모듈의 분리정제 공정의 경우 투과부의 농도는 메탄가스는 98.1%, 회수율은 54%이고, 압력을 10 bar로 조정하면, 메탄가스의 순도는 97.1%, 회수율은 65.4%로 나타난다. 따라서, 투과압력을 조정하게 되면 메탄가스의 순도 및 회수율을 조절할 수 있다.
상기 멤브레인 소재는 폴리이미드, 폴리설폰계 재료의 멤브레인 사용이 가능하며, 멤브레인을 다단으로 구성하여 막면적비, 단별 압력, 유량, 온도 등 조건을 최적화하여 정제 성능을 최적화할 수 있다.
본 발명에서는 바이오가스 농축부(30)를 통해 메탄가스 함량 99%까지 구현할 수 있다.
본 발명의 시스템에서, 상기 바이오가스 농축부(30)를 통해 농축된 메탄가스는 인산형 연료전지 연료극에 공급하는 연료전지부(40)를 통해 전기를 생산한다. 이때, 상기 바이오가스개질부를 추가로 설치할 수 있으며 상기 농축된 바이오가스를 수소로 개질하여 개질수소연료로 제공한다.
상기 개질의 방법으로는 하나의 개질기(예를 들면, 스팀 개질기)를 구비하여 메탄의 순도가 95% 이상인 바이오 가스를 수소로 개질하게 된다. 이때 개질 가스는 수소함량이 70부피% 이상이 되도록 할 수 있다.
상기 연료전지부(40)는 상기 공급되는 개질수소연료를 이용하여 전력을 생산하여 제공하게 된다.
본 발명의 연료전지부는 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)는 액체 인산을 전해질로 이용하는 연료전지를 사용한다.
이때, 연료전지의 원료로서 운영상의 문제로 천연가스와의 혼합공급이 요구되어 농도에 따라 천연가스의 혼합량이 증가될 수 있으나, 본 발명은 전단계에서 얻은 95% 이상, 바람직하게는 99% 이상의 고질화된 생활형 바이오가스(CH4)로부터 개질된 수소 35부피% 이상과 화학연료(CH4 99%)로부터 개질하여 얻은 수소 65부피% 이하를 혼합하고, 공기로부터 얻은 산소를 각각 다공성의 애노드극과 캐소드극에 공급하고, 양(兩)전극간을 부하가 걸리게 하여 접속하면 애노드극에서는 수소가 H2 → 2H+ + 2e-와 같이 산화되어 수소이온이 생성되고, 전자를 부하회로에 방출한다. 한편 양극에서는 산소가 부하회로를 통하여 온 전자와 인산 전해액을 이동하여 온 수소이온과 반응하여, 1/2 02 + 2H + 2e- → H2O와 같이 물이 생성하게 된다.
상기 발생된 전력용량은 15MW 이상, 바람직하게는 35MW 이상, 궁극적으로는 50MW 수준으로 연계가 가능하므로, 전력공급부(50)를 거쳐 운송용 연료 또는 가정용 연료(주거지역의 도시가스)로 공급 가능하다.
이때, 본 발명에서 채용된 인산형 연료전지(PAFC)는 고체산화물연료전지(SOFC)는 고온형(작동온도 600∼1,000℃) 연료전지대비 사내 요구수익률(P-IRR)이 각각 5.54 및 5.36이고, 설치비용 등을 고려하여 경제성 측면에서 유리하다.
따라서, 본 발명의 생활형 바이오가스로부터 메탄의 농도를 고질화하여 메탄을 주성분으로 한 바이오가스를 인산형 연료전지 연료극에 공급함으로써, 연료전지 시스템의 효율 향상, 안정성 및 경제성을 높일 수 있다.
따라서, 상기 연료전지부(40)에서 생산된 전력은 전력공급부(50)로 이송되어 가정의 연료 (아파트 및 지역난방의 주거지역 연료) 또는 자동차 연료로 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 연료전지부(40)에서 생산된 열(105∼120℃)은 바이오가스 전처리부에서 걸려진 하수슬러지 처리에 사용될 수 있다.
상기 하수슬러지는 하수처리침전물을 탈수 → 슬러지 → 건조 → 분말화하여 펠릿으로 성형하여 자원화함으로써, 폐자원의 자원화와 동시에 수익성을 제공한다.
또한, 인산형 연료전지에서 생산되는 전기, 열 이외에 세정탑 후단에서 발생되는 낮은 농도의 이산화탄소를 스마트팜에 활용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 바이오가스 농축부(30)에서 메탄과 동시에 분리된 이산화탄소를 모을 수 있는 이산화탄소 포집부(32)로부터 이산화탄소 정제부(33)를 통한 흐름도를 도시한 것으로서, 멤브레인 통과시 이산화탄소가 분리되어 포집된 이산화탄소는 이산화탄소 정제부(33)를 통과하여, 압축, 정제, 액화 및 저장단계로 수행되어 제품원료로 순환 공급된다. 이때, 이산화탄소의 포집율은 97% 이상으로 전량 포집가능하므로 메탄올, 에탄올, 올레핀 생산 또는 액화탄소 등의 제품 원료로 사용될 수 있다.
또한, 세정탑 후단에서 발생되는 낮은 농도의 이산화탄소를 스마트팜에 활용되도록 할 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
10: 바이오가스 생산부
20: 바이오가스 전처리부
21: 데미스터 쿨러, 22: 열교환기, 23: 공냉식 냉각기, 24: 제습기, 25: 가스승압블로워 현장제어판, 26: 건식탈황장치, 27: 실록산제거장치, 28: 입자제거필터
30: 바이오가스 농축부
31: 정제용 멤브레인
32: 이산화탄소 포집부
33: 이산화탄소 정제부
40: 연료전지부
50: 전력공급부
1: 생활형 바이오가스를 활용한 연료전지 시스템

Claims (5)

  1. 유기성 폐자원으로부터 배출된 메탄가스 50∼70% 함량의 생활형 바이오가스 생산부,
    상기 생산부로부터 공급된 생활형 바이오가스에 탈황 및 실록산을 제거하는 바이오가스 전처리부,
    상기 전처리된 바이오가스가 멤브레인을 통과하여 메탄가스 농도를 95% 이상으로 고질화시키는 바이오가스 농축부,
    상기 고질화된 메탄가스를 연료전지 연료극에 공급하는 연료전지부 및
    상기 연료전지부에서 생산된 전력을 가정의 연료 또는 자동차 연료 제공을 위한 전력공급부로 이송되는 생활형 바이오가스를 활용한 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 멤브레인 통과시 이산화탄소가 분리되어 포집되는 이산화탄소 포집부가 별도 구비된 것을 특징으로 하는 생활형 바이오가스를 활용한 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 이산화탄소 포집부로 공급된 이산화탄소가 이산화탄소 정제부를 통해 압축, 정제, 액화 및 저장단계로 수행되어 제품 원료로 순환 공급된 것을 특징으로 하는 생활형 바이오가스를 활용한 연료전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 연료전지가 인산형 연료전지(PAFC)인 것을 특징으로 하는 생활형 바이오가스를 활용한 연료전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 연료전지부에 생활형 바이오가스(CH4)로부터 개질된 수소 35부피% 이상과 화학연료(CH4)로부터 개질하여 얻은 수소 65부피% 이하가 혼합 공급되어 전력이 생산된 것을 특징으로 하는 생활형 바이오가스를 활용한 연료전지 시스템.
KR1020210189791A 2021-12-28 2021-12-28 생활형 바이오가스를 활용한 연료전지 시스템 KR20230100800A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210189791A KR20230100800A (ko) 2021-12-28 2021-12-28 생활형 바이오가스를 활용한 연료전지 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210189791A KR20230100800A (ko) 2021-12-28 2021-12-28 생활형 바이오가스를 활용한 연료전지 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230100800A true KR20230100800A (ko) 2023-07-06

Family

ID=87185627

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210189791A KR20230100800A (ko) 2021-12-28 2021-12-28 생활형 바이오가스를 활용한 연료전지 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20230100800A (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101366374B1 (ko) 2013-11-13 2014-02-24 씨아이바이오텍(주) 가축 분뇨를 포함하는 유기성 폐기물의 자원화 처리 시스템 및 방법
KR20180007519A (ko) 2016-07-13 2018-01-23 이이알앤씨 주식회사 바이오 가스로부터 메탄 회수율을 향상시킬 수 있는 다단 분리막 시스템

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101366374B1 (ko) 2013-11-13 2014-02-24 씨아이바이오텍(주) 가축 분뇨를 포함하는 유기성 폐기물의 자원화 처리 시스템 및 방법
KR20180007519A (ko) 2016-07-13 2018-01-23 이이알앤씨 주식회사 바이오 가스로부터 메탄 회수율을 향상시킬 수 있는 다단 분리막 시스템

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Awe et al. A review of biogas utilisation, purification and upgrading technologies
Ahmed et al. Biogas upgrading, economy and utilization: a review
Petersson et al. Biogas upgrading technologies–developments and innovations
Miltner et al. Review on available biogas upgrading technologies and innovations towards advanced solutions
Qyyum et al. Biogas to liquefied biomethane: Assessment of 3P's–Production, processing, and prospects
Shah et al. Comprehending the contemporary state of art in biogas enrichment and CO2 capture technologies via swing adsorption
Angelidaki et al. Biogas upgrading: current and emerging technologies
Bauer et al. Biogas upgrading-Review of commercial technologies
Allegue et al. Biogas and bio-syngas upgrading
KR100985911B1 (ko) 바이오가스 전처리 시스템
Papacz Biogas as vehicle fuel
Gkotsis et al. Biogas upgrading technologies–Recent advances in membrane-based processes
CA3032787C (en) Method and device for biogas upgrading and hydrogen production from anaerobic fermentation of biological material
JP2011523671A (ja) メタン抽出のためのバイオガス精製方法およびシステム
KR101207532B1 (ko) 고순도 바이오메탄 정제시설에서 바이오메탄의 건조 및 불순물 제거 공정을 수행하는 장치
US9005337B2 (en) System for the treatment and purification of biogas
CN203820739U (zh) 沼气处理系统
Karne et al. A review on biogas upgradation systems
CN104745260A (zh) 一种沼气制取高品质天然气并储存的方法及其设备
Lapa et al. Production of biogas and BioH2: biochemical methods
Cardoso et al. A critical overview of development and innovations in biogas upgrading
Nindhia et al. Method on conversion of gasoline to biogas fueled single cylinder of four stroke engine of electric generator
KR20230100800A (ko) 생활형 바이오가스를 활용한 연료전지 시스템
Mwacharo et al. Biogas drying and purification methods
KR20230100802A (ko) 생활형 바이오가스를 활용한 연료전지 기반의 에너지 시스템