KR20240006324A - 바이오가스 정제장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예는 환원전극부에서 생성된 수소를 산화전극부의 반응물로 재활용하여 고농도의 이산화탄소를 제거하는 동시에 해당 시스템을 구동하는 데 필요한 에너지를 상당 수준 저감시키며, 높은 에너지 효율로 이산화탄소를 제거하고 수소를 재활용할 수 있는 바이오가스 정제장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 바이오가스 정제장치는 전해질이 저장된 환원전극 반응조에 구비되는 환원전극부를 포함하며, 외부로부터 공급받은 물을 이용하여 수소와 수산화이온(OH-)을 생성하는 수전해셀부(PEMEC), 산화전극 반응조에서 막전극집합체 형태로 구비되는 산화전극부를 포함하며, 환원전극부로부터 생성되는 수소를 공급받아 수소산화반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지부(PEMFC), 수전해셀부와 연료전지부 사이에서 이온 전도가 가능한 구조로 구비되는 이온교환부, 그리고 환원전극 반응조와 산화전극 반응조를 연결하여 환원전극 반응조에서 생성된 기체가 산화전극 반응조의 유입부에 공급되어 산화전극부의 반응물로 사용되도록 안내하는 연결부를 포함한다.
Description
본 발명은 바이오가스 정제장치 및 방법에 관한 것이다.
바이오가스는 55-75% 메탄, 20-40% 이산화탄소, 미량의 질소 및 황화수소 등의 성분들로 구성되며, 고함량의 이산화탄소로 인해 발열량이 낮고 불순물에 의한 기기 및 배관 손상 등의 문제를 유발할 수 있기 때문에 정제 과정을 필요로 한다.
상용화 되어있는 바이오가스 정제(Biogas upgrading) 기술은 워터 스크러빙(Water washing), 화학적 흡수법, 압력 스윙 흡착(PSA ; Pressure Swing Absorption), 막분리법 등이 있다.
워터 스크러빙은 비용 측면에서 경쟁력이 있고 공정 운영이 쉬우나, 박테리아로 인한 클로깅 문제와 황화수소로 인한 설비 부식 문제에 취약하다는 단점이 있다.
화학적 흡수법은 이산화탄소 제거 효율이 높고 고순도 메탄을 회수할 수 있다는 장점이 있으나, 공정 운전 중 화학적 침전물이 발생할 수 있고 흡수제의 재생을 위한 유지·관리 비용이 많이 필요하다.
PSA 기법은 비용적으로 경쟁력이 높고 별도의 열이나 흡수제를 요구하지 않지만, 고순도의 메탄을 얻을 수 없고 공정 운영이 까다롭다는 단점이 있다.
막분리법은 공정의 유지·관리 및 운영이 쉽고 설비 구축이 편리하다는 장점이 있으나, 고순도 메탄을 얻기 위해서는 여러 단계의 공정이 필요하고 막 교체주기가 짧다는 단점이 있다. 이러한 이유로, 이산화탄소 제거와 수소의 재활용이 용이한 바이오가스 정제기술이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 환원전극부에서 생성된 수소를 산화전극부의 반응물로 재활용하여 고농도의 이산화탄소를 제거하는 동시에 해당 시스템을 구동하는 데 필요한 에너지를 상당 수준 저감시키며, 높은 에너지 효율로 이산화탄소를 제거하고 수소를 재활용할 수 있는 바이오가스 정제장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 바이오가스 정제장치는 전해질이 저장된 환원전극 반응조에 구비되는 환원전극부를 포함하며, 외부로부터 공급받은 물을 이용하여 수소와 수산화이온(OH-)을 생성하는 수전해셀부(PEMEC), 산화전극 반응조에서 막전극집합체 형태로 구비되는 산화전극부를 포함하며, 환원전극부로부터 생성되는 수소를 공급받아 수소산화반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지부(PEMFC), 수전해셀부와 연료전지부 사이에서 이온 전도가 가능한 구조로 구비되는 이온교환부, 그리고 환원전극 반응조와 산화전극 반응조를 연결하여 환원전극 반응조에서 생성된 기체가 산화전극 반응조의 유입부에 공급되어 산화전극부의 반응물로 사용되도록 안내하는 연결부를 포함한다.
산화전극 반응조에 수소를 공급하는 수소 공급부를 더 포함할 수 있다.
환원전극부에서 생성된 수산화이온(OH-)으로 이산화탄소를 제거할 수 있다.
산화전극부는 일면에 구비되는 가스확산전극(GDE), 그리고 타면에 구비되어 이온 전도 기능을 하는 전해질막을 포함할 수 있다.
산화전극 반응조에서 고순도의 메탄을 최종 생산물로 회수할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 바이오가스 정제방법은 수전해셀부(PEMEC)와 연료전지부(PEMFC)사이에서 이온 전도가 가능한 구조로 구비되는 이온교환부를 포함하는 바이오가스 정제장치를 준비하는 단계, 이산화탄소와 메탄을 포함하는 바이오가스를 수전해셀부의 환원전극부로 공급하여 이산화탄소를 제거하는 이산화탄소 제거단계, 수전해셀부의 환원전극 반응조로 공급된 메탄과 수전해로 생성된 수소를 연료전지부의 산화전극부로 공급하여 에너지 요구량을 낮추는 수소 공급단계, 수소 공급부에 저장된 수소를 연료전지부의 산화전극 반응조로 추가 공급하여 산소생성반응을 억제하고 수소산화반응을 유도하는 수소 추가 공급단계, 그리고 산화전극 반응조에서 고순도 메탄을 회수하는 메탄 회수 단계를 포함한다.
환원전극부에서 생성된 수소를 산화전극부의 반응물로 재활용하여 고농도의 이산화탄소를 제거하는 동시에 해당 시스템을 구동하는 데 필요한 에너지를 상당 수준 저감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바이오가스 정제장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바이오가스 정제과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 인가 전류 수준에 대한 이산화탄소 제거효율을 나타낸 결과를 도시한 도면이다.
도 4는 수소산화반응을 유도하기 위한 추가적인 수소 공급량을 특정하는 과정을 나타낸 결과를 도시한 도면이다.
도 5는 인가 전류 수준별로 수소 재활용 방법 적용 시 저감할 수 있는 에너지 수준을 나타낸 결과를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바이오가스 정제과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 인가 전류 수준에 대한 이산화탄소 제거효율을 나타낸 결과를 도시한 도면이다.
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도 5는 인가 전류 수준별로 수소 재활용 방법 적용 시 저감할 수 있는 에너지 수준을 나타낸 결과를 도시한 도면이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바이오가스 정제장치를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바이오가스 정제과정을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 바이오가스 정제장치(10)는 수전해셀부(PEMEC, 100), 연료전지부(PEMFC, 200), 이온교환부, 연결부를 포함하며, 수전해셀부(100)에서 생성된 수소를 연료전지부(200)의 반응물로 재활용하여 이산화탄소를 제거하고 수소를 재활용할 수 있다. 여기서, 바이오가스 정제(Biogas Upgrading)는 바이오가스 내에 포함된 이산화탄소를 제거하여 고순도의 메탄을 추출하는 공정을 의미한다. 본 발명의 실시예는 전기화학적 방법을 사용하여 바이오가스 내에 존재하는 이산화탄소를 흡수하는 방식으로 고순도 메탄을 생산하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 원료 또는 대상으로 사용되는 바이오가스는 이산화탄소(40~60%)와 메탄(60~40%)을 포함할 수 있다.
수전해셀부(100)는 전해질이 저장된 환원전극 반응조(110)에 구비되는 환원전극부를 포함하며, 외부로부터 공급받은 물을 이용하여 수소를 생성할 수 있다. 즉, 수전해셀부(100)는 물을 전기 분해해 수소 가스 및 수산화이온(OH-)을 발생시킬 수 있다. 환원전극부는 금속전극(112)과 액체상의 전해질(114)을 포함할 수 있다. 환원전극부에서 생성된 수산화이온을 활용하여 이산화탄소를 제거할 수 있다. 그리고 환원전극부에서 생성된 수소가 산화전극부의 연료로 사용되어 에너지 요구량을 저감시킬 수 있다. 수전해셀부(100)는 이산화탄소 제거용 전기분해 장치로 이용될 수 있으며, 화학약품 투입없이 바이오가스 내 존재하는 이산화탄소를 제거할 수 있다. 수전해셀부(100)에서 발생하는 수소를 재활용하여 바이오가스 정제 공정의 에너지 소모를 감소시킬 수 있다. 즉, 에너지 요구량을 낮추면서도 바이오가스로부터 이산화탄소를 용이하게 제거할 수 있다.
환원전극부의 금속전극(112) 소재는 물분해 반응에 유리한 니켈, 루비듐, 백금 등을 포함할 수 있다. 환원전극부에서는 반응식 1과 같은 물분해 반응이 진행되며, 수소이온농도(pH)의 변화에 따라 이산화탄소의 상을 변화시키는 방식(반응식 2, 3)으로 바이오가스 내 이산화탄소를 제거할 수 있다.
[반응식 1]
2H2O(aq) + 2e- → H2(g) + 2OH-(aq)
[반응식 2]
CO2(g) + OH-(aq) → HCO3 -(aq) pKa=6.3
[반응식 3]
CO2(g) + 2OH-(aq) -> HCO3 -(aq) + OH-(aq) → CO3 2-(aq) pKa=10.3
한편, 수전해셀부(100)는 기준전극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 수전해셀부(100)는 수소 전극 또는 Ag/AgCl 전극 및 그 외 일반적인 전기화학 분야에서 사용되는 기준전극을 사용할 수 있다. 그리고 수전해셀부(100)는 일반적인 전기화학 분야에서 사용되는 전해질을 제한없이 사용할 수 있다.
연료전지부(200)는 산화전극 반응조(210)에서 막전극집합체 형태로 구비되는 산화전극부를 포함하며, 환원전극부로부터 생성되는 수소를 공급받아 수소산화반응을 통해 전기를 생산할 수 있다. 즉, 연료전지부(200)는 수소 가스를 연료로 이용한 발전으로 기전력을 발생시킬 수 있다. 산화전극 반응조(210)에 수소를 공급하는 수소 공급부를 더 포함할 수 있다. 수소 공급부는 수소를 저장하며 공급하는 기능을 한다. 수소 공급부로부터 공급되는 수소는 환원전극부에서 물의 환원반응으로 발생한 수소와 함께 산화전극부의 반응물로 사용될 수 있다. 산화전극 반응조(210)에서 고순도의 메탄을 최종 생산물로 회수할 수 있다. 바이오가스에 포함된 이산화탄소를 수전해셀부(100)에서 효과적으로 제거할 수 있고 연료전지부(200)에서 고순도의 메탄을 추출할 수 있다. 또한, 바이오가스 정제장치(10)를 이용한 정제공정 운영 중 생성된 수소를 재사용하여 해당 정제과정에서 요구되는 에너지 사용량을 유의미한 수준으로 절감할 수 있다. 산화전극부는 일면에 구비되는 가스확산전극(GDE ; Gas Diffusion Electrode, 214), 그리고 타면에 구비되어 이온 전도 기능을 하는 전해질막(PEM, 이온교환막, 216)을 포함할 수 있다.
산화전극부는 하나의 가스확산전극(214)과 폴리머(Polymer) 형태의 전해질막(216)을 포함할 수 있다. 산화전극부의 반응물은 가스상인 수소이므로 가스확산전극(214)이 필요하다. 산화전극부는 가스확산전극(214)과 전해질막(216)이 고온과 고압에서 접합된 막전극집합체(MEA ; Membrane Electrode Assembly) 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 산화전극부는 가스가 투과할 수 있는 가스확산전극(214)과 이온교환 기능을 하는 전해질막(216)이 데칼(Decal) 방식으로 접합한 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 막전극집합체는 기존 연료전지 셀에서 사용하는 MEA와 구성상의 차이가 있다. 기존 연료전지 셀은 산화반응의 연료로 수소를 사용하고, 환원반응의 연료로 산소를 사용하므로 MEA가 GDE(H2)/PEM/GDE(O2) 형태로 형성된다. 즉 GDE 2장이 각각 산화전극부와 환원전극부로 사용된다.
이와는 달리, 본 발명의 실시예에 따른 바이오가스 정제장치(10)의 경우 산화전극부의 연료는 가스인 수소이지만 환원전극부의 반응물이 물이기 때문에 막전극집합체가 GDE/PEM의 형태로 형성될 수 있다.
산화전극부에서는 수소산화반응이 반응식 4와 같이 발생하고 전체 바이오가스 정제장치(10)에 인가되는 전압 수준을 낮추게 된다.
[반응식 4]
H2(g) -> 2H+(aq) + 2e-
이온교환부는 수전해셀부(100)와 연료전지부(200) 사이에서 이온 전도가 가능한 구조로 구비될 수 있다. 이온교환부는 전해질막(PEM ; Polymer Electrolyte Membrane)을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 바이오가스 정제장치(10)는 이온교환부를 중심으로 연료전지부(200)와 수전해셀부(100)가 결합된 형태로 형성할 수 있다.
연결부는 환원전극 반응조(110)와 산화전극 반응조(210)를 연결하여 환원전극 반응조(110)에서 생성된 기체가 산화전극 반응조(210)의 유입부(204)에 공급되도록 안내하며, 환원전극 반응조(110)에서 생성된 수소는 산화전극부의 반응물로 사용될 수 있다.
한편, 수전해셀부(100)에서 생성된 수소를 연료전지부(200)의 연료로 사용하기 위해서 환원전극 반응조(110)의 배출부(104)와 산화전극 반응조(210)의 유입부(204)가 연결될 수 있다. 그리고 산화전극 반응조(210)에 추가적인 수소를 공급하는 수소 주입구(202)가 구비될 수 있다. 환원전극 반응조(110)에는 바이오가스가 공급되는 바이오가스 주입구(102)가 구비되며, 산화전극 반응조(210)에는 바이오메탄이 배출되는 바이오메탄 배출구(206)가 구비될 수 있다.
수전해셀부(100)에서 물분해를 통해 수산화이온(OH-)과 수소(H2)가 생성된다. 생성된 수소는 산화전극부의 반응물로 사용될 수 있다.
한편, 반응물인 바이오가스(40% CO2/60% CH4)가 환원전극부로 주입되면, 바이오가스 내의 이산화탄소는 수산화이온과 반응하여 이온 형태의 탄산수소염(HCO3 -)으로 전환된다. 다시 말해 바이오가스 내의 CO2가 pH 변화에 따라 물에 용해(dissolution)된다.
연료전지부(200)에서 수소산화반응이 일어나 전체 셀의 구동 에너지를 낮출 수 있다. 기존 수전해셀의 경우 산화전극부에서 일어나는 반응은 산소생성반응(OER ; Oxygen Evolution Reaction)이다. 본 발명의 실시예는 기존 수전해셀의 산화전극부가 연료전지부(200)로 대체되기 때문에 산소생성반응 대신 수소산화반응(HOR ; Hydrogen Oxidation Reaction)이 일어나게 된다. 그러면 환원전극부와 산화전극부의 전위차가 낮아져서 전체 셀 구동 에너지가 감소한다.
수소를 연료로 모두 소모하면 순수한 메탄만 남게 되는데, 이를 바이오메탄(biomethane)이라고 한다. 바이오메탄은 정제된 바이오가스, 고순도 메탄을 의미한다. 바이오메탄은 기존 천연가스를 사용하는 설비와 차량에 별도의 수정을 가하지 않고 그대로 사용이 가능하다. 이론적으로는 메탄의 환원 전위가 낮은 편이기 때문에 수소와 함께 산화될 가능성이 있다. 본 발명의 경우 상온 조건과 상압 조건을 유지하면서 메탄이 반응하지 않고 수소만 산화할 수 있는 조건을 특정하여 운용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 바이오가스 정제장치(10)는 기존 수전해셀과 수소연료전지셀을 결합한 셀 구조이며, 환원전극 반응조(110)에 수전해셀을 적용하여 NaOH, KOH, K2CO3 등의 화학물질을 사용하지 않고 CO2를 효과적으로 제거할 수 있다. 그리고 폐자원으로 생성된 바이오가스로부터 고순도의 메탄을 추출할 수 있다. 또한, 산화전극 반응조(210)에 수소연료전지셀을 적용하여 에너지수준을 효과적으로 낮출 수 있다. 예를 들어 산화전극 반응조(210)의 pH를 7로, 환원전극 반응조(110)의 pH를 12.2로 유지하고 60 mA cm-2의 전류밀도를 적용했을 때 수소 산화반응으로 인해 셀 포텐셜이 75% 감소하였다. 이러한 특성으로 바이오가스 정제 분야 뿐만이 아니라 전기분해를 활용하는 다양한 분야에도 응용이 가능하다.
한편, 셀의 세부적인 형태는 다양하게 변경할 수 있다. 예를 들어 환원전극 반응조(110)에 액체(Liquid) 형태의 전해질을 추가하고 그 전해질에 기준전극을 삽입할 수 있으며, 가스확산전극(214)과 전해질막(216) 사이에 기준 전극을 삽입할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 바이오가스 정제장치(10)를 이용하여 이산화탄소 제거와 수소 재활용을 구현하는 바이오가스 정제방법에 대해 각 단계별로 상세히 설명한다. 바이오가스 정제방법은 바이오가스 정제장치(10) 준비단계, 이산화탄소 제거단계, 수소 공급단계, 수소 추가 공급단계, 그리고 메탄 회수 단계를 포함한다.
바이오가스 정제장치 준비단계는 수전해셀부(100)와 연료전지부(200)사이에서 이온 전도가 가능한 구조로 구비되는 이온교환부를 포함하는 바이오가스 정제장치(10)를 준비하는 단계이다.
이산화탄소 제거단계는 이산화탄소와 메탄을 포함하는 바이오가스를 수전해셀부(100)의 환원전극부로 공급하여 이산화탄소를 제거하는 단계이다. 이산화탄소와 메탄을 포함하는 바이오가스를 환원전극부로 공급하고, 이를 통하여 물의 환원 반응으로 생성된 수산화 이온을 이산화탄소와 반응시켜 바이오가스 내 이산화탄소를 제거할 수 있다.
수소 공급단계는 수전해셀부(100)의 환원전극 반응조(110)로 공급된 메탄과 수전해로 생성된 수소를 연료전지부(200)의 산화전극부로 공급하여 에너지 요구량을 낮추는 단계이다.
수소 추가 공급단계는 수소 공급부에 저장된 수소를 연료전지부(200)의 산화전극 반응조(210)로 추가 공급하여 산소생성반응을 억제하고 수소산화반응을 유도하는 단계이다.
메탄 회수 단계는 산화전극 반응조(210)에서 고순도 메탄을 회수하는 단계이다.
상기한 바와 같이 바이오가스 내의 메탄과 환원전극부에서 수전해로 생성된 수소는 환원전극 반응조(110)와 연동되는 산화전극 반응조(210)의 연결부를 통하여 산화전극 반응조(210)로 공급될 수 있다. 그리고 수전해로 생성된 수소는 수소 공급부로부터 추가로 공급된 수소와 함께 산화전극 반응조(210)의 반응물로 작용할 수 있다.
상온 조건과 상압 조건에서 환원 전위차(반응식 4, 5)에 따라 산소생성반응(OER ; Oxygen Evolution Reaction)이 아닌 수소산화반응(HOR ; Hydrogen Oxidation Reaction)이 발생함으로써 바이오가스 정제장치(10)에 인가되는 셀전압은 크게 감소될 수 있다.
마지막으로, 환원전극부에서 생성된 수소가 산화전극부에서 모두 소모됨으로써 산화전극 반응조(210)로부터 고순도의 메탄을 회수할 수 있다.
[반응식 4]
H2(g) → 2H+(aq) + 2e-, E0=0.000 V
[반응식 5]
2H2O(l) → 4H+(aq) + O2(g) + 4e-, E0=-1.229 V
도 3은 인가 전류 수준에 대한 이산화탄소 제거효율을 나타낸 결과를 도시한 도면이며, 도 4는 수소산화반응을 유도하기 위한 추가적인 수소 공급량을 특정하는 과정을 나타낸 결과를 도시한 도면이다. 그리고 도 5는 인가 전류 수준별로 수소 재활용 방법 적용 시 저감할 수 있는 에너지 수준을 나타낸 결과를 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 바이오가스 정제장치(10)를 이용하여 이산화탄소 제거 및 에너지 저감 효율을 확인하기 위한 실험 결과를 설명한다. 해당 실험은 25℃의 상온 조건과 1 atm의 상압 조건에서 60분간 수행되었다. 그리고 바이오가스 정제장치(10)는 피크(PEEK ; polyetherether ketone) 재질의 외벽 두 쌍, 산화전극 반응조(210), 환원전극 반응조(110), 환원전극 가스주입셀, 추가적인 수소 공급부를 포함한다.
환원전극 가스주입셀의 아래쪽에 바이오가스 주입라인이 구비될 수 있으며, 환원전극부가 위치한 환원전극 반응조(110)와 연결될 수 있다. 환원전극 가스 주입셀의 위쪽은 산화전극 반응조(210)와 연결될 수 있다. 추가적인 수소 공급부와 함께 산화전극 반응조(210)의 아래쪽 라인으로 연결될 수 있다. 기체 공급 시, 산화전극 반응조(210)에 위치한 막전극집합체(백금촉매층과 기체확산층(212)을 포함하는 산화전극부)를 통해 기체가 확산되어 통과할 수 있다. 반응이 끝난 기체는 산화전극 반응조(210) 위쪽에 위치한 가스라인을 통해 가스 크로마토그래피(GC ; Gas Chromatography)로 연결되어 배출될 수 있다. 환원전극부는 백금을 포함하며, 전해질은 0.25M 인산완충액(Phosphate Buffer)을 사용하였다. 전기화학 반응을 위해 3 mL의 전해질을 산화전극 반응조(210)와 환원전극 반응조(110)에 각각 주입하였다.
이산화탄소의 전기화학적 제거를 위하여 시간대별 pH를 기록하는 동시에 전기화학적 분석기인 전위 가변기(Potentiostat) 및 파워 서플라이(Power supply)를 사용하여 시간대 전압법(CP ; Chronopotentiometry)을 수행하였으며, 산화전극 반응조(210)의 위쪽 가스라인을 가스 크로마토그래피(GC ; Gas Chromatography)에 연결하여 기체 생성물을 분석하였다. 생성물의 분석결과와 시간대 전압법에 따른 전압 수준을 토대로 pH와 이산화탄소 제거효율, 추가적으로 공급해야 하는 수소의 양, 에너지 절감 효율, 최종 생성물인 메탄의 순도가 계산되었다.
먼저 시간대 전압법(CP ; Chronopotentiometry)을 1시간 동안 수행하여 인가된 전류별로 pH를 측정하는 실험을 진행한 결과, 도 3에 도시된 바와 같이 인가된 전류의 세기가 클수록 pH 및 이산화탄소 제거율이 높아짐을 확인하였다. 이 때 수소는 전류 세기에 비례하여 생성되었고, 60 mA cm-2 전류수준에서 바이오가스 20 CCM(40% CO2/CH-4)이 주입될 경우 환원전극 반응조(110)에서 pH 11.2, CO2 제거율 99.9%, 수소 생성량 11.3 CCM 임을 확인하였다. 산소생성반응(OER ; Oxygen Evolution Reaction)을 억제하고 수소산화반응(HOR ; Hydrogen Oxidation Reaction)을 유도하기 위하여 추가적으로 투입해야 하는 수소의 양은 최소 0.5 CCM으로 확인되었다(도 4). 가스 크로마토그래피(GC)를 통해 분석한 결과 환원전극 반응조(110)와 연동되는 산화전극 반응조(210)의 연결부 및 추가적인 수소 공급부를 통하여 산화전극 반응조(210)로 유입된 수소는 99% 이상 소모됨을 확인하였으며, 그 결과 얻어진 메탄 순도는 99.7%로 계산되었다. 60 mA cm-2 전류수준에서 전체 셀 전압은 본 발명에서 제시한 수소 재활용 방법을 사용하지 않은 경우와 비교하여 75% 감소하였다(도 5).
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 바이오가스 정제장치(10)는 산화전극부를 포함하는 연료전지부(200), 환원전극부를 포함하는 수전해셀부(100)가 결합되어 바이오가스를 정제할 수 있다. 전기에너지를 사용하여 비자발적인 화학 반응이 일어나도록 하는 전해 전지(electrolytic cell) 기능을 할 수 있다. 예를 들어, 수전해셀부(100)를 기본으로 하면서 산화전극부를 수소를 활용할 수 있는 연료전지부(200)로 형성할 수 있다. 그리고 수소 재사용(H2 recycling)을 통해 OER반응이 아닌 HOR 반응(Hydrogen Oxidation Reaction, 수소 산화)을 유도하여 수전해셀부(100)의 에너지 손실을 크게 절감시킬 수 있다. 또한, 산화전극 반응물을 물에서 수소로 변경하여 에너지 제한단계(energy-limiting step)이었던 OER 반응 자체를 제거할 수 있다. 그리고 차세대 에너지원인 수소를 반응물로 활용할 수 있다. 즉, 환원전극부에서 이산화탄소(CO2)가 제거되고, 산화전극부에서 수소(H2)가 반응물로 사용되면서 에너지 절감 효과를 볼 수 있다. 결과적으로 고순도 메탄이 회수될 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 여기에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 다양하게 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이것도 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10 ; 바이오가스 정제장치
100 ; 수전해셀부
110 ; 환원전극 반응조 112 ; 금속전극
114 ; 액체상의 전해질 200 ; 연료전지부
210 ; 산화전극 반응조 214 ; 가스확산전극
216 ; 전해질막
110 ; 환원전극 반응조 112 ; 금속전극
114 ; 액체상의 전해질 200 ; 연료전지부
210 ; 산화전극 반응조 214 ; 가스확산전극
216 ; 전해질막
Claims (6)
- 전해질이 저장된 환원전극 반응조에 구비되는 환원전극부를 포함하며, 외부로부터 공급받은 물을 이용하여 수소와 수산화이온(OH-)을 생성하는 수전해셀부(PEMEC),
산화전극 반응조에서 막전극집합체 형태로 구비되는 산화전극부를 포함하며, 상기 환원전극부로부터 생성되는 수소를 공급받아 수소산화반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지부(PEMFC),
상기 수전해셀부와 상기 연료전지부 사이에서 이온 전도가 가능한 구조로 구비되는 이온교환부, 그리고
상기 환원전극 반응조와 상기 산화전극 반응조를 연결하여 상기 환원전극 반응조에서 생성된 기체가 상기 산화전극 반응조의 유입부에 공급되어 상기 산화전극부의 반응물로 사용되도록 안내하는 연결부
를 포함하는 바이오가스 정제장치. - 제1항에서,
상기 산화전극 반응조에 수소를 공급하는 수소 공급부를 더 포함하는 바이오가스 정제장치. - 제1항에서,
상기 환원전극부에서 생성된 수산화이온(OH-)으로 이산화탄소를 제거하는 바이오가스 정제장치. - 제1항에서,
상기 산화전극부는
일면에 구비되는 가스확산전극(GDE), 그리고
타면에 구비되어 이온 전도 기능을 하는 전해질막
을 포함하는 바이오가스 정제장치. - 제1항에서,
상기 산화전극 반응조에서 고순도의 메탄을 최종 생산물로 회수하는 바이오가스 정제장치. - 수전해셀부(PEMEC)와 연료전지부(PEMFC)사이에서 이온 전도가 가능한 구조로 구비되는 이온교환부를 포함하는 바이오가스 정제장치를 준비하는 단계,
이산화탄소와 메탄을 포함하는 바이오가스를 상기 수전해셀부의 환원전극부로 공급하여 이산화탄소를 제거하는 이산화탄소 제거단계,
상기 수전해셀부의 환원전극 반응조로 공급된 메탄과 수전해로 생성된 수소를 상기 연료전지부의 산화전극부로 공급하여 에너지 요구량을 낮추는 수소 공급단계,
수소 공급부에 저장된 수소를 상기 연료전지부의 산화전극 반응조로 추가 공급하여 산소생성반응을 억제하고 수소산화반응을 유도하는 수소 추가 공급단계, 그리고
상기 산화전극 반응조에서 고순도 메탄을 회수하는 메탄 회수 단계
를 포함하는 바이오가스 정제방법.
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| KR1020220083245A KR20240006324A (ko) | 2022-07-06 | 2022-07-06 | 바이오가스 정제장치 및 방법 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240006324A true KR20240006324A (ko) | 2024-01-15 |
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|---|---|---|---|
| KR1020220083245A KR20240006324A (ko) | 2022-07-06 | 2022-07-06 | 바이오가스 정제장치 및 방법 |
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2022
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|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal |