WO2020185028A1 - 수소연료전지자동차용 바이오매스 연료 처리 시스템 - Google Patents

수소연료전지자동차용 바이오매스 연료 처리 시스템 Download PDF

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WO2020185028A1
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김우재
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이화여자대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a biomass fuel treatment system for a hydrogen fuel cell vehicle, and more specifically, to a biomass fuel treatment system for a hydrogen fuel cell vehicle capable of maintaining reaction conditions including a filter.
  • Hydrogen is the most common element on Earth, and exists in various forms such as fossil fuels, biomass, and water. In order to use such hydrogen as a fuel, it is important to produce it in a way that is economical and minimizes its impact on the environment.
  • Hydrogen production methods include production through fossil fuel reforming reaction, which is a traditional method, and production using biomass and water, which is a renewable method.
  • traditional reforming methods include steam reforming, partial oxidation, autothermal reforming, and gasification.
  • the renewable method is divided into a thermochemical method using biomass and a biological method, and the method using water is divided into an electrolysis method, a pyrolysis method, and a photolysis method.
  • Korean Patent Application Publication No. KR2002-0055346 discloses a method and apparatus for preparing methanol using a biomass raw material. More specifically, the patent discloses an apparatus for producing methanol using a biomass raw material including a hydrogen gas supply means in order to continuously supply hydrogen gas required for a reaction from a product gas generated by gasifying biomass.
  • the conventional technology is not suitable for a complex and bulky structure to be applied to a hydrogen fuel cell vehicle, and there is a problem in that the reaction environment cannot be kept constant as by-products are generated in a miniaturized structure.
  • a biomass fuel treatment system capable of maintaining a constant reaction environment, including a means for removing carbonates generated as by-products in the reaction of gasifying biomass.
  • the present disclosure is conceived in response to the above-described background technology, and is to provide a biomass fuel treatment system for a hydrogen fuel cell vehicle capable of maintaining reaction conditions including a filter.
  • a biomass fuel treatment system for a hydrogen fuel cell vehicle is disclosed according to an embodiment of the present disclosure for realizing the above-described problems.
  • the biomass fuel treatment system for a hydrogen fuel cell vehicle is gasified by heating the biomass mixture to a pre-treatment unit that forms a biomass mixture for biomass and hydroxide to be input, and is connected to one side of the pre-treatment unit to heat the biomass mixture to a predetermined temperature or higher.
  • a reactor including a reaction space for generating a reaction, a filter unit connected to one side of the reactor to filter by-products in the form of ash among products for the gasification reaction, and at least one of the reactor and the filter unit It is connected to the side and may include a hydrogen supply unit for supplying hydrogen of the product to the hydrogen fuel cell.
  • the filter unit forms a housing constituting an outer surface, at least one passage through which at least a part of the product moves within the housing, and is made of a porous material to filter the ash-shaped by-products among the products, and It may include a plug configured to block at least a portion of the one or more passages so that the product passes through the carrier.
  • the carrier may be configured to have pores smaller than the average molecular size of carbonate among the by-products.
  • it may further include a by-product storage unit connected to one side of the filter unit, for storing at least some of the ash-shaped by-products filtered by the filter unit.
  • the by-product storage unit predicts the arrival time of the product to the filter unit based on at least one of whether a reactant is injected into the pretreatment unit and whether the gasification reaction occurs in the reactor, and the filter
  • the filter unit may determine to move at least some of the by-products.
  • the pretreatment unit may include a water injection means for providing at least one of water and steam to the biomass mixture.
  • the water injection means may provide at least one of water and steam generated in the hydrogen fuel cell to the pretreatment unit.
  • the water injection means may include a washing module configured to inject at least one of the water and steam to the inner surface of the pretreatment unit when the biomass mixture is moved from the pretreatment unit to the reactor. .
  • the pretreatment unit may include a mixing means for mechanically mixing the biomass and the reactant including the hydroxide therein to generate the biomass mixture.
  • the hydrogen supply unit may include hydrogen storage means made of a porous material to store hydrogen collected from at least one of the reactor and the filter unit.
  • the hydroxide may be composed of at least one of an alkali metal hydroxide and an alkaline earth metal hydroxide.
  • a method for treating biomass fuel for a hydrogen fuel cell vehicle includes forming a biomass mixture for the biomass and hydroxide to be introduced, generating a gasification reaction by heating the biomass mixture in a reactor to a predetermined temperature or higher, and in the form of ash among the products for the gasification reaction. Filtering by-products and supplying hydrogen among the products of the gasification reaction to a hydrogen fuel cell may be included.
  • the present disclosure may provide a biomass fuel treatment system for a hydrogen fuel cell vehicle capable of maintaining reaction conditions including a filter.
  • FIG. 1 is a flow-chart of a biomass fuel treatment method according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 shows a structural diagram of a filter unit according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a biomass fuel processing system for a hydrogen fuel cell vehicle according to an embodiment of the present disclosure.
  • Some embodiments of the present disclosure relate to a fuel processing system for producing hydrogen through biomass, and to be used in a device capable of running hydrogen as fuel (eg, a hydrogen fuel cell vehicle, a hydrogen boat, etc.). I can.
  • the biomass fuel treatment method includes (1) forming a biomass mixture for biomass and hydroxide input to the pretreatment unit 100, and (2) preparing the biomass mixture in the reactor 200 at a preset temperature.
  • a biomass mixture for biomass and hydroxide introduced into the pretreatment unit 100 may be formed (701). More specifically, the fuel treatment system 1000 according to the present disclosure may include a pretreatment unit 100 into which a reactant may be injected. In addition, biomass and hydroxide may be respectively added to the pretreatment unit 100. Additionally, the pretreatment unit 100 may supply water through the water injection unit 110 or may further add a catalyst according to an embodiment.
  • the biomass may include at least one of glucose, cellulose, hemi-cellulose, and lignin. More specifically, the biomass may include algae such as hematococcus, or organic substances containing glucose, such as food waste.
  • biomass may be put into the pretreatment unit 100 in a dry state.
  • water required for the gasification reaction may be supplied in the form of water or steam through the water injection means 110.
  • biomass may be put into the pretreatment unit 100 in a wet state.
  • a gasification reaction may be performed using the moisture contained in the biomass as a reactant, and insufficient water may be additionally injected through the water injection means 110. A detailed description of the water injection means 110 will be described later with reference to FIG. 1.
  • the hydroxide may be a compound consisting of a metal element and a negatively charged hydroxide ion (OH-). More specifically, the hydroxide may include an alkali metal compound in which an alkali metal is combined with a hydroxide ion (OH-), or an alkaline earth metal compound in which an alkaline earth metal is combined with a hydroxide ion (OH-).
  • the hydroxide may include at least one of potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH), lithium hydroxide (LiOH), calcium hydroxide (Ca(OH)2), and magnesium hydroxide (Mg(OH)2). . Further, depending on the embodiment, one or more hydroxides may be used in combination.
  • the hydroxide may be added to the pretreatment unit 100 in the form of a solution together with another solvent (eg, water).
  • another solvent eg, water
  • the catalyst according to an embodiment of the present disclosure may include a material that facilitates the reaction of biomass and hydroxide to facilitate gasification reaction to hydrogen. More specifically, the catalyst may include at least one element of nickel (Ni) and iron (Fe). In addition, the catalyst may be mixed in advance with biomass and hydroxide and introduced into the pretreatment unit 100. In addition, the catalyst may be disposed in an inorganic nanofiber structure such as silica, alumina, or carbon.
  • a biomass mixture in which hydroxide and biomass are mixed may be generated in the pretreatment unit 100.
  • at least one of water, steam, and a catalyst may be further added to form a biomass mixture.
  • the pretreatment unit 100 may move the generated biomass mixture to the reactor 200 through a pipe connected to one side.
  • the pretreatment unit 100 may supply at least one of water and steam to the biomass mixture.
  • the water supply may be performed in a liquid state of water or a gaseous form of water vapor through the water injection means 110 included in the pretreatment unit 100.
  • the water injection means 110 may supply moisture to the biomass mixture by using at least one of water and steam generated by the hydrogen fuel cell 600 according to an embodiment.
  • the water injection unit 110 may supply separately stored reaction water into the pretreatment unit 100. And, after that, the pretreatment unit 100 may move the biomass mixture in a state in which moisture is supplied to the reactor 200.
  • the water injection means 110 may include at least one of water and steam on the inner surface of the pretreatment unit 100 after the biomass mixture moves from the pretreatment unit 100 to the reactor 200. It may include a cleaning module 111 configured to spray one. More specifically, the washing module 111 is disposed at the lower end of the interior (eg, the center) of the pretreatment unit 100, as shown in FIG. 2, and is configured to spray water toward the inner surface of the pretreatment unit 100. I can. In addition, according to the embodiment, the washing module 111 may be disposed on the upper inner surface of the pretreatment unit 100 to operate like a sprinkler that sprays water toward the lower end to clean the inner peripheral surface.
  • the washing module 111 may perform washing of the inner surface of the pretreatment unit 100 when the biomass mixture in the pretreatment unit 100 moves to the reactor 200.
  • water used for washing may flow into the reactor 200 along the interior of the pretreatment unit 100. Accordingly, the washing module 111 may prevent chemical problems or odors that may occur when biomass is fermented or oxidized by always keeping the pretreatment unit 100 clean.
  • the total amount of moisture supplied through the water injection means 110 may be determined based on at least one of an injection amount of biomass and an injection amount of hydroxide.
  • sodium hydroxide required to react all 100 g of dry biomass may be 10 g and water may be 400 g.
  • 1 kg of dry biomass and 150 g of sodium hydroxide may be supplied to the pretreatment unit 100, respectively.
  • the water injection means 110 may inject 3 kg of water and water vapor into the pretreatment unit 100 to form a biomass mixture.
  • the washing module 111 may wash the inner surface with 1 kg of water and transfer water used for washing to the reactor 200.
  • a biomass mixture consisting of 4 kg of water and 150 g of sodium hydroxide required to react all 1 kg of biomass may be located in the reactor 200. Further, according to an embodiment, 6 kg of moisture may be supplied according to the injection amount of the hydroxide 150 g.
  • the description of the operation and numerical description of the above-described biomass, hydroxide and water injection means 110 is only an example, and the present disclosure is not limited thereto.
  • the pretreatment unit 100 may include a mixing means 120 for mechanically mixing a reactant including biomass and hydroxide therein to generate a biomass mixture. More specifically, the pretreatment unit 100 may include one or more knives disposed at one end of the inner surface (eg, a lower end, as shown in FIG. 2) and capable of rotating. In addition, when at least two or more of biomass, hydroxide, catalyst, and water are supplied to the interior of the pretreatment unit 100, the mixing means 120 may rotate and mechanically mix the reactants. Accordingly, the mixing means 120 can generate a biomass mixture in which biomass, hydroxide, and catalyst are uniformly mixed with each other, and thus, can promote a gasification reaction in the reactor 200.
  • a mixing means 120 for mechanically mixing a reactant including biomass and hydroxide therein to generate a biomass mixture. More specifically, the pretreatment unit 100 may include one or more knives disposed at one end of the inner surface (eg, a lower end, as shown in FIG. 2) and capable of rotating. In addition, when at least two or more of biomass
  • the gasification reaction may be generated 702 by heating the biomass mixture in the reactor 200 to a predetermined temperature or higher. More specifically, when the biomass mixture is located in the reactor 200, the reactor 200 may generate a gasification reaction of the biomass by heating the temperature inside the reactor to a predetermined temperature or higher. And, according to the embodiment, the reactor 200 may maintain the temperature condition until no more gasification reaction occurs in the biomass mixture.
  • the temperature of the reactor 200 may be 150 °C or higher based on a standard pressure.
  • the temperature of the reactor 200 may be 200 °C or more and less than 300 °C based on standard pressure. Accordingly, the reactor 200 may maintain a temperature condition (eg, 250°C) at which carbonate and hydrogen are generated until the reaction is completed.
  • an additional biomass mixture may be supplied from the pretreatment unit 100 before the gasification reaction of the biomass mixture is completed. In this case, the biomass mixture to be added may be supplied in an amount capable of maintaining the reaction conditions.
  • the gasification reaction may be a chemical reaction in which a biomass mixture including water, biomass, and hydroxide is used as a reactant, and hydrogen and carbonate are used as products. More specifically, the reactor 200 may generate gaseous hydrogen and an ash carbonate by heating the biomass mixture to generate a gasification reaction. Here, hydrogen as a main product and carbonate as a by-product may be generated through a gasification reaction of the biomass mixture. In addition, the reactor 200 may react or evaporate the moisture remaining in the carbonate with the biomass mixture while maintaining the reaction conditions (eg, 250 °C).
  • the reaction conditions eg, 250 °C
  • Carbonate (M I 2 CO 3) can be produced through the gasification of biomass and hydroxide.
  • the carbonate may include ionic crystals including carbonate ions (CO 3 2- ).
  • carbonate ions CO 3 2-
  • carbonate ions CO 3 2-
  • sodium hydroxide used as the hydroxide
  • hydrogen and sodium carbonate may be produced through a gasification reaction between biomass and sodium hydroxide.
  • sodium carbonate may be ionized into sodium ions and carbonate ions by contacting moisture through water injected from the pretreatment unit 100 or other factors.
  • carbonate ions may be hydrolyzed to generate alkaline hydroxide ions, thereby changing the interior of the reactor 200 to alkaline.
  • the reaction environment inside the reactor 200 may be changed due to the carbonate salt remaining in the reactor 200. Accordingly, when a gasification reaction is performed on the biomass mixture supplied from the pretreatment unit 100 later, a problem in that the gasification reaction may proceed differently from prediction due to a change in the reaction environment may occur.
  • by-products in the form of ash may be filtered (703). More specifically, the reactor 200 may move at least some of the products to the filter unit 300 connected to one side. In addition, the filter unit 300 may filter carbonate salts in the product. The filter unit 300 may filter by-products in the form of ash among products.
  • the ash-type by-product is a product in a solid state including carbonate, and may mean the rest of the product excluding hydrogen.
  • the filter unit 300 may include a housing 310, a carrier 320, and a plug 330 in order to remove by-products in the form of ash from the product. More specifically, the filter unit 300 is connected to one side of the reactor 200 so that a product for the gasification reaction may be introduced. Here, the product may be formed by mixing hydrogen, carbon dioxide, and carbonate.
  • the housing 310 may include an inlet through which a product is introduced and an outlet through which the filtered product is discharged while configuring the outer surface of the filter unit 300.
  • the carrier 320 may be disposed in the housing 310 in the longitudinal direction of the housing 310 to form one or more passages through which the product can move. For example, as shown in FIG.
  • the carrier 320 may be arranged in a straight line along the movement direction of the product so that the product flowing into the left side of the housing 310 can be discharged through the outlet on the right side.
  • the carrier 320 is composed of a honeycomb structure in which one or more layers are stacked, and is composed of a porous material, so that gas and small solids can pass through.
  • the plug 330 may block at least a portion of one or more passages formed by the carrier 320. For example, as shown in FIG. 2, the plug 330 is disposed at one end on the right side of the both ends of the passage formed by the carrier 320 to limit the movement of the product.
  • the plug 330 may be disposed at the opposite end of the adjacent passage, that is, at the left end to limit the movement of the product.
  • the plugs 330 may be disposed to alternately block both ends of one or more passages formed by the carrier 320. Accordingly, the filter unit 300 may force the movement to essentially pass through the carrier 320 made of a porous material in order for the product to flow into and discharge into the housing 310.
  • Detailed description of the above-described filter unit 300 is only an example, and the present disclosure is not limited thereto.
  • the carrier 320 may be configured to pass hydrogen gas in the product and filter carbonate. More specifically, the carrier 320 may be configured to have pores smaller than an average molecular size of sodium carbonate when a carbonate (eg, sodium carbonate) passes. Accordingly, the carbonate in the ash state in the filter unit 300 is caught without passing through the carrier 320, and only hydrogen gas may be discharged through the outlet.
  • a carbonate eg, sodium carbonate
  • the by-product storage unit 400 may be connected to the inlet side of the filter unit 300 or discharge carbonate through another outlet of the housing. More specifically, the by-product storage unit 400 arrives at the filter unit 300 based on at least one of whether a reactant is injected into the pretreatment unit 100 and whether a gasification reaction occurs in the reactor 200 You can predict the time to do it. In addition, the by-product storage unit 400 may predict a time required for moving the by-product in the filter unit 300.
  • the by-product storage unit 400 may determine that the filter unit 300 moves at least some of the by-products. Accordingly, the filter unit 300 may move the carbonate remaining in the filter unit 300 to the by-product storage unit 400 because it does not pass through the carrier 320.
  • the carbonate movement operation may be performed only when there is no gasification reaction of the biomass mixture in the reactor 200.
  • the filter unit 300 may accumulate carbonate in the carrier 320 while filtering the product from the reactor 200.
  • the filter unit 300 is based on whether a gasification reaction occurs in the reactor 200 and whether fuel, ie, biomass, hydroxide, moisture, and catalysts are injected into the pretreatment unit 100, the filter unit 300 The time it will take for the product to arrive can be estimated.
  • the filter unit 300 may move at least some of the by-products filtered by the carrier 320 to the by-product storage unit 400 when the estimated time required to remove the carbonate from the carrier 320 is earlier than the expected arrival time of the product. have.
  • the filter unit 300 may dissolve carbonates hanging on the carrier 320 by injecting water into the housing 310.
  • a solution containing carbonate may be moved to the by-product storage unit 400.
  • the filter unit 300 separates by-products such as carbonate accumulated on the carrier 320 through physical means (eg, filter vibration means), and transfers this to the by-product storage unit 400. Can be moved.
  • the filter unit 300 may separate and discharge gaseous carbon dioxide by melting the carbonate accumulated in the carrier 320 through a heating means, and move the residue of the combustion reaction to the by-product storage unit 400. have.
  • Detailed description of the by-product movement operation in the filter unit 300 described above is only an example, and the present disclosure is not limited thereto.
  • the by-product storage unit 400 may remove by-products (eg, carbonate, calcareous, etc.) accumulated in the by-product storage unit 400 according to a preset period including a by-product treatment means.
  • the by-product storage unit 400 may compress the accumulated by-products in the form of one cube at each preset period including the pressing module.
  • the user may remove the cube composed of by-products to remove by-products of the biomass fuel treatment system 1000.
  • the filter unit 300 can remove carbonates that are continuously accumulated on the surface of the carrier 320, so that the performance of the filter unit 300 can be maintained.
  • the hydrogen supply unit 500 includes a hydrogen storage means 510 made of a porous material to store hydrogen collected from at least one of the reactor 200 and the filter unit 300.
  • the hydrogen supply unit 500 may collect gaseous hydrogen from at least one of the reactor 200 and the filter unit 300.
  • the hydrogen supply unit 500 may supply hydrogen to the hydrogen fuel cell 600 or may store hydrogen in the hydrogen storage means 510.
  • the hydrogen storage means 510 may have a structure in which a porous zeolite-based hydrogen storage material is filled to adsorb and store hydrogen, and then desorbed to supply hydrogen.
  • the hydrogen fuel cell 600 when hydrogen is supplied in a good state of charge, the hydrogen fuel cell 600 temporarily stores it in the hydrogen storage means 510 and receives hydrogen when the state of the hydrogen fuel cell 600 is poor. I can. That is, even when there is a risk of discharge because a vehicle using a hydrogen fuel cell cannot find a hydrogen charging station, hydrogen can be supplied from the stored hydrogen storage means 510.
  • Hydrogen among the products for the gasification reaction may be supplied to the hydrogen fuel cell 600 (704). More specifically, the reactor 200 may be connected to the hydrogen supply unit 500 at one side to separate hydrogen from the product. Here, hydrogen exists in a gaseous state after the gasification reaction, and then may be separated and collected in the hydrogen supply unit 500. In addition, the hydrogen supply unit 500 may supply hydrogen to the hydrogen fuel cell 600. In addition, the reactor 200 according to another embodiment first moves all of the products to the filter unit 300, and connects a hydrogen supply unit 500 to one side of the filter unit 300 to remove by-products in the form of ash. Hydrogen can be collected separately from the resulting product. Accordingly, the hydrogen fuel cell 600 may receive hydrogen from a gasification reaction of biomass.
  • the biomass fuel processing system 1000 may include a hydrogen fuel cell 600 that generates electricity by reacting hydrogen and oxygen.
  • the general hydrogen fuel cell 600 is composed of an anode, a cathode, and an electrolyte interposed therebetween. Hydrogen introduced into the anode is oxidized by the electrode catalyst and separated into hydrogen ions and electrons, and the separated hydrogen ions generate hydrogen through the electrolyte membrane, and the electrons move to the cathode through an external circuit, and then the oxygen and the introduced into the cathode are separated. It can generate water, heat, and electric energy by causing a reduction reaction. And, here, water may be supplied to the pretreatment unit 100 again through the water injection unit 110.
  • the biomass fuel treatment system 1000 according to the present disclosure can remove carbonates generated by the gasification reaction of biomass from the reactor 200, so that the reaction environment generated thereafter can always be kept constant.
  • the pretreatment unit 100 and the reactor 200 are separated, and the reaction environment can be maintained constant regardless of before/after the gasification reaction.
  • the biomass fuel treatment system 1000 according to the present disclosure is capable of continuous gasification reaction to biomass and is applied to a hydrogen cell vehicle, it is continuously converted to a hydrogen fuel cell without the need for a separate reaction stop and restart step. Energy and hydrogen can be supplied.
  • FIG. 2 shows a structural diagram of the filter unit 300 according to an embodiment of the present disclosure.
  • the filter unit 300 may include a housing 310, a carrier 320, and a plug 330 in order to remove by-products in the form of ash from the product. More specifically, the filter unit 300 is connected to one side of the reactor 200 so that a product for the gasification reaction may be introduced. Here, the product may be formed by mixing hydrogen, carbon dioxide, and carbonate.
  • the housing 310 may include an inlet through which a product is introduced and an outlet through which the filtered product is discharged while configuring the outer surface of the filter unit 300.
  • the carrier 320 may be disposed in the housing 310 in the longitudinal direction of the housing 310 to form one or more passages through which the product can move. For example, as shown in FIG.
  • the carrier 320 may be arranged in a straight line along the movement direction of the product so that the product flowing into the left side of the housing 310 can be discharged through the outlet on the right side.
  • the carrier 320 is composed of a honeycomb structure in which one or more layers are stacked, and is composed of a porous material, so that gas and small solids can pass through.
  • the plug 330 may block at least a portion of one or more passages formed by the carrier 320. For example, as shown in FIG. 2, the plug 330 is disposed at one end on the right side of the both ends of the passage formed by the carrier 320 to limit the movement of the product.
  • the plug 330 may be disposed at the opposite end of the adjacent passage, that is, at the left end to limit the movement of the product.
  • the plugs 330 may be disposed to alternately block both ends of one or more passages formed by the carrier 320. Accordingly, the filter unit 300 may force the movement to essentially pass through the carrier 320 made of a porous material in order for the product to flow into and discharge into the housing 310.
  • Detailed description of the above-described filter unit 300 is only an example, and the present disclosure is not limited thereto.
  • the carrier 320 may be configured to pass hydrogen gas in the product and filter carbonate. More specifically, the carrier 320 may be configured to have pores smaller than an average molecular size of sodium carbonate when a carbonate (eg, sodium carbonate) passes. Accordingly, the carbonate in the ash state in the filter unit 300 is caught without passing through the carrier 320, and only hydrogen gas may be discharged through the outlet.
  • a carbonate eg, sodium carbonate
  • the filter unit 300 may move the carbonate remaining in the filter unit 300 to the by-product storage unit 400 because it does not pass through the carrier 320.
  • the by-product storage unit 400 may be connected to the inlet side of the filter unit 300 or discharge carbonate through another outlet of the housing. The carbonate movement operation may be performed only when there is no gasification reaction of the biomass mixture in the reactor 200.
  • the filter unit 300 may accumulate carbonate in the carrier 320 while filtering the product from the reactor 200.
  • the filter unit 300 is based on whether a gasification reaction occurs in the reactor 200 and whether fuel, ie, biomass, hydroxide, moisture, and catalysts are injected into the pretreatment unit 100, the filter unit 300 The time it will take for the product to arrive can be estimated.
  • the filter unit 300 may move at least some of the by-products filtered by the carrier 320 to the by-product storage unit 400 when the estimated time required to remove the carbonate from the carrier 320 is earlier than the expected arrival time of the product. have.
  • the filter unit 300 may dissolve carbonates hanging on the carrier 320 by injecting water into the housing 310.
  • a solution containing carbonate may be moved to the by-product storage unit 400.
  • the filter unit 300 separates by-products such as carbonate accumulated on the carrier 320 through physical means (eg, filter vibration means), and transfers this to the by-product storage unit 400. Can be moved.
  • the filter unit 300 may separate and discharge gaseous carbon dioxide by melting the carbonate accumulated in the carrier 320 through a heating means, and move the residue of the combustion reaction to the by-product storage unit 400. have.
  • Detailed description of the by-product movement operation in the filter unit 300 described above is only an example, and the present disclosure is not limited thereto.
  • the by-product storage unit 400 may remove by-products (eg, carbonate, calcareous, etc.) accumulated in the by-product storage unit 400 according to a preset period including a by-product treatment means.
  • the by-product storage unit 400 may compress the accumulated by-products in the form of one cube at each preset period including the pressing module.
  • the user may remove the cube composed of by-products to remove by-products of the biomass fuel treatment system 1000.
  • the filter unit 300 can remove carbonates that are continuously accumulated on the surface of the carrier 320, so that the performance of the filter unit 300 can be maintained.
  • the biomass fuel treatment system 1000 according to the present disclosure can remove carbonates generated by the gasification reaction of biomass from the reactor 200, so that the reaction environment generated thereafter can always be kept constant.
  • the pretreatment unit 100 and the reactor 200 are separated, and the reaction environment can be maintained constant regardless of before/after the gasification reaction.
  • the biomass fuel treatment system 1000 according to the present disclosure is capable of continuous gasification reaction to biomass and is applied to a hydrogen cell vehicle, it is continuously converted to a hydrogen fuel cell without the need for a separate reaction stop and restart step. Energy and hydrogen can be supplied.
  • the pretreatment unit 100 may form a biomass mixture for biomass and hydroxide to be input.
  • the pretreatment unit 100 may include a water injection means 110 capable of providing at least one of water and steam to the biomass mixture.
  • the water injection means 110 may supply water (or steam) into the pretreatment unit 100 separately from the biomass.
  • the water injection means 110 may supply at least one of water and steam generated by the hydrogen fuel cell 600 into the pretreatment unit 100.
  • the water injection unit 110 may supply separately stored reaction water into the pretreatment unit 100. That is, the water injection means 110 may be configured to supply moisture into the pretreatment unit 100 regardless of the source of water used.
  • the water injection means 110 when the biomass mixture is moved from the pretreatment unit 100 to the reactor 200, at least one of water and steam on the inner surface of the pretreatment unit 100 It may include a cleaning module configured to spray one. More specifically, the washing module 111 is disposed at the lower end of the interior (eg, the center) of the pretreatment unit 100, as shown in FIG. 2, and is configured to spray water toward the inner surface of the pretreatment unit 100. I can. In addition, according to the embodiment, the washing module 111 may be disposed on the upper inner surface of the pretreatment unit 100 to operate like a sprinkler that sprays water toward the lower end to clean the inner peripheral surface.
  • the washing module 111 may perform washing of the inner surface of the pretreatment unit 100 when the biomass mixture in the pretreatment unit 100 moves to the reactor 200.
  • water used for washing may flow into the reactor 200 along the interior of the pretreatment unit 100. Accordingly, the washing module 111 may prevent chemical problems or odors that may occur when biomass is fermented or oxidized by always keeping the pretreatment unit 100 clean.
  • the pretreatment unit 100 may include a mixing means 120 for mechanically mixing a reactant including biomass and hydroxide to generate a biomass mixture. More specifically, the pretreatment unit 100 may include a knife disposed at one end of the inner surface (eg, a lower end, as shown in FIG. 2) and capable of rotating. In addition, when at least two or more of biomass, hydroxide, catalyst, and water are supplied to the interior of the pretreatment unit 100, the mixing means 120 may rotate and mechanically mix the reactants. Accordingly, the mixing means 120 can generate a biomass mixture in which biomass, hydroxide, and catalyst are uniformly mixed with each other, and thus, can promote a gasification reaction in the reactor 200.
  • a mixing means 120 for mechanically mixing a reactant including biomass and hydroxide to generate a biomass mixture. More specifically, the pretreatment unit 100 may include a knife disposed at one end of the inner surface (eg, a lower end, as shown in FIG. 2) and capable of rotating. In addition, when at least two or more of biomass, hydroxide, catalyst
  • the reactor 200 may include a reaction space connected to one side of the pretreatment unit 100 to generate a gasification reaction by heating the biomass mixture to a predetermined temperature or higher. More specifically, the reactor 200 may receive a biomass mixture from the pretreatment unit 100. Here, the biomass mixture may be non-continuously supplied from the pretreatment unit 100 to the reactor 200, or may be supplied continuously according to an embodiment.
  • the reactor 200 may include a heating means to inject thermal energy into the reaction space therein. Accordingly, the reactor 200 may be heated to a temperature of a preset temperature range (eg, 230°C or more and less than 270°C) to cause the biomass mixture to start a gasification reaction.
  • a preset temperature range eg, 230°C or more and less than 270°C
  • the filter unit 300 is connected to one side of the reactor 200 as described above with reference to FIGS. 1 and 2 to filter by-products in the form of ash among products for the gasification reaction. can do.
  • the filter unit 300 may include a housing 310, a carrier 320, and a plug 330 to remove by-products in the form of ash from the product. More specifically, the filter unit 300 is connected to one side of the reactor 200 so that a product for the gasification reaction may be introduced.
  • the product may be formed by mixing hydrogen, carbon dioxide, and carbonate.
  • the housing 310 may include an inlet through which a product is introduced and an outlet through which the filtered product is discharged while configuring the outer surface of the filter unit 300.
  • the carrier 320 may be disposed in the housing 310 in the longitudinal direction of the housing 310 to form one or more passages through which the product can move.
  • the carrier 320 is composed of a honeycomb structure in which one or more layers are stacked, and is composed of a porous material, so that gas and small solids can pass through.
  • the plug 330 may block at least a portion of one or more passages formed by the carrier 320. Accordingly, the filter unit 300 may force the movement to essentially pass through the carrier 320 made of a porous material in order for the product to flow into and discharge into the housing 310.
  • the carrier 320 may be configured to pass hydrogen gas in the product and filter carbonate. More specifically, the carrier 320 may be configured to have pores smaller than an average molecular size of sodium carbonate when a carbonate (eg, sodium carbonate) passes. Accordingly, the carbonate in the ash state in the filter unit 300 is caught without passing through the carrier 320, and only hydrogen gas may be discharged through the outlet.
  • a carbonate eg, sodium carbonate
  • the carrier 320 may be configured to pass hydrogen gas in the product and filter carbonate. More specifically, the carrier 320 may be configured to have pores smaller than an average molecular size of sodium carbonate when a carbonate (eg, sodium carbonate) passes. Accordingly, the carbonate in the ash state of the filter unit 300 is caught without passing through the carrier 320, and only hydrogen gas may be discharged through the outlet.
  • a carbonate eg, sodium carbonate
  • a by-product storage unit 400 for storing at least some of the ash-shaped by-products may be connected to one side. More specifically, the filter unit 300 may move the carbonate remaining in the filter unit 300 to the by-product storage unit 400 because it does not pass through the carrier 320. For example, the filter unit 300 may dissolve carbonates hanging on the carrier 320 by injecting water into the filter unit 300 and move it to the by-product storage unit 400. In addition, as another example, the filter unit 300 may melt carbonate accumulated in the carrier 320 through a heating means to pass gaseous carbon dioxide and move the residue to the by-product storage unit 400.
  • the method of moving from the filter unit 300 to the by-product storage unit 400 is only an example, and the present disclosure is not limited thereto.
  • the by-product storage unit 400 may be connected to the inlet side of the filter unit 300 or discharge carbonate through another outlet of the housing. Accordingly, the filter unit 300 can remove carbonates that are continuously accumulated on the surface of the carrier 320, so that the performance of the filter unit 300 can be maintained.
  • the hydrogen supply unit 500 includes a hydrogen storage means 510 made of a porous material to store hydrogen collected from at least one of the reactor 200 and the filter unit 300.
  • the hydrogen supply unit 500 may collect gaseous hydrogen from at least one of the reactor 200 and the filter unit 300.
  • the hydrogen supply unit 500 may supply hydrogen to the hydrogen fuel cell 600 or may store hydrogen in the hydrogen storage means 510.
  • the hydrogen storage means 510 may have a structure in which a porous zeolite-based hydrogen storage material is filled to adsorb and store hydrogen, and then desorbed to supply hydrogen.
  • the hydrogen fuel cell 600 when hydrogen is supplied in a good state of charge, the hydrogen fuel cell 600 temporarily stores it in the hydrogen storage means 510 and receives hydrogen when the state of the hydrogen fuel cell 600 is poor. I can. That is, even when there is a risk of discharge because a vehicle using a hydrogen fuel cell cannot find a hydrogen charging station, hydrogen can be supplied from the stored hydrogen storage means 510.
  • the biomass fuel processing system 1000 may include a hydrogen fuel cell 600 that generates electricity by reacting hydrogen and oxygen.
  • the general hydrogen fuel cell 600 is composed of an anode, a cathode, and an electrolyte interposed therebetween. Hydrogen introduced into the anode is oxidized by the electrode catalyst and separated into hydrogen ions and electrons, and the separated hydrogen ions generate hydrogen through the electrolyte membrane, and the electrons move to the cathode through an external circuit, and then the oxygen and the introduced into the cathode are separated. It can generate water, heat, and electric energy by causing a reduction reaction. And, here, water may be supplied to the pretreatment unit 100 again through the water injection unit 110.
  • the biomass fuel treatment system 1000 according to the present disclosure can remove carbonates generated by the gasification reaction of biomass from the reactor 200, so that the reaction environment generated thereafter can always be kept constant.
  • the pretreatment unit 100 and the reactor 200 are separated, and the reaction environment can be maintained constant regardless of before/after the gasification reaction.
  • the biomass fuel treatment system 1000 according to the present disclosure is capable of continuous gasification reaction to biomass and is applied to a hydrogen cell vehicle, it is continuously converted to a hydrogen fuel cell without the need for a separate reaction stop and restart step. Energy and hydrogen can be supplied.
  • the present disclosure relates to a fuel treatment system for producing hydrogen through biomass, and may be used in a device capable of driving hydrogen as fuel (eg, a hydrogen fuel electric vehicle, a hydrogen boat, etc.).
  • a device capable of driving hydrogen as fuel eg, a hydrogen fuel electric vehicle, a hydrogen boat, etc.

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Abstract

본 개시의 일 실시예에 따라 수소연료전지자동차용 바이오매스(Biomass) 연료 처리 시스템이 개시된다. 상기 바이오매스 연료 처리 시스템은 투입되는 바이오매스 및 수산화물에 대한 바이오매스 혼합물을 형성하는 전처리부, 상기 전처리부의 일 측에 연결되어 상기 바이오매스 혼합물을 사전 설정된 온도 이상으로 가열함으로써 가스화 반응을 발생시키는 반응 공간을 포함하는 반응기, 상기 반응기의 일 측에 연결되어 상기 가스화 반응에 대한 생성물 중 애쉬(Ash) 형태의 부산물을 필터링하는 필터부 및 상기 반응기 및 상기 필터부 중 적어도 하나의 일 측에 연결되어 상기 생성물 중 수소를 수소 연료 전지로 공급하기 위한 수소 공급부를 포함할 수 있다.

Description

수소연료전지자동차용 바이오매스 연료 처리 시스템
수소연료전지자동차용 바이오매스 연료 처리 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 필터를 포함하여 반응조건을 유지할 수 있는 수소연료전지자동차용 바이오매스 연료 처리 시스템에 관한 것이다.
온실가스 배출과 지구온난화 문제로 인하여 화석연료를 대체할 수 있는 신재생에너지 개발 및 확산의 필요성이 증가하며, 청정에너지원으로 평가되는 수소가 주목을 받고 있다. 수소는 지구상에서 가장 많이 존재하는 원소이며, 화석연료, 바이오매스 및 물 등의 다양한 형태로 존재한다. 이와 같은 수소를 연료로 사용하기 위해서는 경제적이면서도 환경에 미치는 영향을 최소화하는 방법으로 생산하는 것이 중요하다.
수소생산방법에는 전통방식인 화석연료 개질 반응을 통한 생산과 재생가능한 방법인 바이오매스와 물을 이용한 생산이 있다. 이 중 전통 개질 방식은 습윤개질 반응(steam reforming), 부분산화 반응(partial oxidation), 자열개질 반응(autothermal reforming) 그리고 가스화 반응(gasification)이 있다. 또한, 재생 가능한 방식으로는 바이오매스를 이용한 열화학적 방법과 생물학적 방법으로 나뉘고, 물을 이용한 방법은 전기분해법, 열분해법 그리고 광분해법으로 나뉜다.
현재까지는 수소 수요의 약 96%가 화석연료를 이용한 개질 반응을 통한 생산이고, 바이오매스를 이용한 수소생산은 그 양이 매우 미미한 수준에 그치고 있다. 하지만, 바이오매스는 지구상에서 탄소가 순환된다는 점에서 청정 에너지원으로 평가되고 있는 만큼, 보다 효율적으로 수소를 생산하고 산업에 적용함으로써 수요를 충족시킬 필요가 있다.
대한민국 공개특허 KR2002-0055346에는 바이오매스 원료에 의한 메탄올 제조방법 및 장치를 개시하고 있다. 보다 구체적으로, 해당 특허는 바이오매스를 가스화시켜 생성되는 생성 가스 중에서 반응에 필요한 수소 가스를 연속 공급하기 위하여 수소가스 공급수단을 포함하는 바이오매스 원료에 의한 메탄올 제조장치를 개시하고 있다. 하지만, 종래의 기술은 수소연료전지자동차에 적용하기에 복잡하고 비대한 구조로 적합하지 않고, 또한, 소형화된 구조에서 부산물이 생성됨에 따라 반응 환경을 일정하게 유지하지 못하는 문제가 있다.
이에 따라, 바이오매스를 가스화하는 반응에서 부산물로 생성되는 탄산염을 제거할 수 있는 수단을 포함하여 반응환경을 일정하게 유지할 수 있는 바이오매스 연료 처리 시스템에 대한 당업계의 수요가 존재할 수 있다.
본 개시는 전술한 배경기술에 대응하여 안출된 것으로, 필터를 포함하여 반응조건을 유지할 수 있는 수소연료전지자동차용 바이오매스 연료 처리 시스템을 제공하기 위함이다.
전술한 바와 같은 과제를 실현하기 위한 본 개시의 일 실시예에 따라 수소연료전지자동차용 바이오매스(Biomass) 연료 처리 시스템이 개시된다. 상기 수소연료전지자동차용 바이오매스 연료 처리 시스템은 투입되는 바이오매스 및 수산화물에 대한 바이오매스 혼합물을 형성하는 전처리부, 상기 전처리부의 일 측에 연결되어 상기 바이오매스 혼합물을 사전 설정된 온도 이상으로 가열함으로써 가스화 반응을 발생시키는 반응 공간을 포함하는 반응기, 상기 반응기의 일 측에 연결되어 상기 가스화 반응에 대한 생성물 중 애쉬(Ash) 형태의 부산물을 필터링하는 필터부 및 상기 반응기 및 상기 필터부 중 적어도 하나의 일 측에 연결되어 상기 생성물 중 수소를 수소 연료 전지로 공급하기 위한 수소 공급부를 포함할 수 있다.
대안적으로, 상기 필터부는 외면을 구성하는 하우징, 상기 하우징 내부에서 상기 생성물 중 적어도 일부가 이동하는 하나 이상의 통로를 형성하고, 다공성 재료로 구성되어 상기 생성물 중 상기 애쉬 형태의 부산물을 필터링하는 담체 및 상기 하나 이상의 통로 중 적어도 일부를 막아 상기 생성물이 상기 담체를 통과하도록 구성되는 플러그를 포함할 수 있다.
대안적으로, 상기 담체는 상기 부산물 중 탄산염의 평균 분자 크기보다 작은 기공을 가지도록 구성될 수 있다.
대안적으로, 상기 필터부의 일 측에 연결되고, 상기 필터부에서 필터링 된 상기 애쉬 형태의 부산물 중 적어도 일부를 보관하기 위한 부산물 보관부를 더 포함할 수 있다.
대안적으로, 상기 부산물 보관부는 상기 전처리부에 반응물이 주입되는지 여부 및 상기 반응기에서 상기 가스화 반응이 발생하고 있는지 여부 중 적어도 하나에 기초하여 상기 필터부로 상기 생성물이 도착하는 시간을 예측하고, 상기 필터부에서 상기 부산물을 이동시키는 소요 시간을 예측하고, 그리고, 상기 생성물이 도착하는 시간보다 상기 부산물을 이동시키는 소요 시간이 빠를 경우, 상기 필터부에서 부산물 중 적어도 일부를 이동시킬 것을 결정할 수 있다.
대안적으로, 상기 전처리부는 상기 바이오매스 혼합물에 물 및 수증기 중 적어도 하나를 제공하는 물 주입 수단을 포함할 수 있다.
대안적으로, 상기 물 주입 수단은 수소 연료 전지에서 생성되는 물 및 수증기 중 적어도 하나를 상기 전처리부에 제공할 수 있다.
대안적으로, 상기 물 주입 수단은 상기 바이오매스 혼합물이 상기 전처리부에서 상기 반응기로 이동된 경우, 상기 전처리부의 내부면에 상기 물 및 수증기 중 적어도 하나를 분사하도록 구성되는 세척 모듈을 포함할 수 있다.
대안적으로, 상기 전처리부는 상기 바이오매스 및 상기 수산화물을 포함하는 반응물을 내부에서 기계적으로 혼합하여 상기 바이오매스 혼합물을 생성하기 위한 혼합 수단을 포함할 수 있다.
대안적으로, 상기 수소 공급부는 상기 반응기 및 상기 필터부 중 적어도 하나로부터 포집된 수소를 저장하기 위해 다공성 재료로 구성된 수소 저장 수단을 포함할 수 있다.
대안적으로, 상기 수산화물은 알칼리 금속의 수산화물 및 알칼리토 금속의 수산화물 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.
또한, 본 개시의 다른 일 실시예에 따라 수소연료 전지자동차용 바이오매스 연료 처리 방법이 개시된다. 상기 방법은 투입되는 바이오매스 및 수산화물에 대한 바이오매스 혼합물을 형성하는 단계, 반응기에서 상기 바이오매스 혼합물을 사전 설정된 온도 이상으로 가열함으로써 가스화 반응을 발생시키는 단계, 상기 가스화 반응에 대한 생성물 중 애쉬 형태의 부산물을 필터링하는 단계 및 상기 가스화 반응에 대한 생성물 중 수소를 수소 연료 전지로 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시는 필터를 포함하여 반응조건을 유지할 수 있는 수소연료전지자동차용 바이오매스 연료 처리 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 바이오매스 연료 처리 방법의 순서도(flow-chart)다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 필터부의 구조도를 도시한다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 수소연료전지자동차용 바이오매스 연료 처리 시스템의 모식도를 도시한다.
다양한 실시예들 및/또는 양상들이 이제 도면들을 참조하여 개시된다. 하기 설명에서는 설명을 목적으로, 하나 이상의 양상들의 전반적 이해를 돕기 위해 다수의 구체적인 세부사항들이 개시된다. 그러나, 이러한 양상(들)은 이러한 구체적인 세부사항들 없이도 실행될 수 있다는 점 또한 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 인식될 수 있을 것이다. 이후의 기재 및 첨부된 도면들은 하나 이상의 양상들의 특정한 예시적인 양상들을 상세하게 기술한다. 하지만, 이러한 양상들은 예시적인 것이고 다양한 양상들의 원리들에서의 다양한 방법들 중 일부가 이용될 수 있으며, 기술되는 설명들은 그러한 양상들 및 그들의 균등물들을 모두 포함하고자 하는 의도이다.
더불어, 용어 "또는"은 배타적 "또는"이 아니라 내포적 "또는"을 의미하는 것으로 의도된다. 즉, 달리 특정되지 않거나 문맥상 명확하지 않은 경우에, "X는 A 또는 B를 이용한다"는 자연적인 내포적 치환 중 하나를 의미하는 것으로 의도된다. 즉, X가 A를 이용하거나; X가 B를 이용하거나; 또는 X가 A 및 B 모두를 이용하는 경우, "X는 A 또는 B를 이용한다"가 이들 경우들 어느 것으로도 적용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 "및/또는"이라는 용어는 열거된 관련 아이템들 중 하나 이상의 아이템의 가능한 모든 조합을 지칭하고 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 해당 특징 및/또는 구성요소가 존재함을 의미하지만, 하나 이상의 다른 특징, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 달리 특정되지 않거나 단수 형태를 지시하는 것으로 문맥상 명확하지 않은 경우에, 본 명세서와 청구범위에서 단수는 일반적으로 "하나 또는 그 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 본 개시의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 개시를 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 개시의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 개시의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 개시는 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
본 개시 내용의 일부 실시예들은 바이오매스(biomass)를 통해 수소를 생산하기 위한 연료 처리 시스템에 관한 것으로, 수소를 연료로 주행할 수 있는 장치(예컨대, 수소 연료 전지자동차, 수소 보트 등)에 사용될 수 있다.
본 개시에 따른 바이오매스 연료 처리 방법은 (1) 전처리부(100)에 투입되는 바이오매스 및 수산화물에 대한 바이오매스 혼합물을 형성하는 단계, (2) 반응기(200)에서 바이오매스 혼합물을 사전 설정된 온도 이상으로 가열함으로써 가스화 반응을 발생시키는 단계, (3) 가스화 반응에 대한 생성물 중 애쉬(Ash) 형태의 부산물을 필터링 하는 단계 및 (4) 가스화 반응에 대한 생성물 중 수소를 수소 연료 전지로 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
이하에서는 도 3을 참조하여 바이오매스 연료 처리 방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
<바이오매스 연료 처리 방법>
먼저, 전처리부(100)에 투입되는 바이오매스 및 수산화물에 대한 바이오매스 혼합물을 형성(701)할 수 있다. 보다 구체적으로, 본 개시에 따른 연료 처리 시스템(1000)은 반응물이 투입될 수 있는 전처리부(100)를 포함할 수 있다. 그리고, 전처리부(100)에 바이오매스 및 수산화물이 각각 투입될 수 있다. 추가적으로, 전처리부(100)는 물 주입 수단(110)을 통해 물을 공급하거나, 실시예에 따라 촉매를 더 투입할 수 있다.
여기서 바이오매스는 글루코오스(glucose), 셀룰로오스(cellulose), 헤미-셀룰로오스(hemi- cellulose) 및 리그닌(lignin)중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 바이오매스는 헤마토쿠수스(haematococcus) 등의 해조류(algae)거나, 또는 음식물 쓰레기와 같이 글루코오스가 포함된 유기물을 포함할 수 있다.
그리고, 바이오매스는 건조된 상태(dry)로 전처리부(100)에 투입될 수 있다. 이러한 경우, 물 주입 수단(110)을 통해 물이나 수증기 형태로 가스화 반응에 필요한 수분을 공급할 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 바이오매스가 젖은 상태로 전처리부(100)에 투입될 수 있다. 이러한 경우, 바이오매스가 함유하고 있는 수분을 반응물로 가스화 반응을 수행할 수 있으며, 부족한 물의 경우, 추가적으로 물 주입 수단(110)을 통해 주입될 수도 있다. 물 주입 수단(110)에 관한 자세한 기재는 도 1을 참고하여 후술한다.
또한, 수산화물은 금속 원소와 음전하를 띤 수산화 이온(OH- )으로 이루어진 화합물일 수 있다. 보다 구체적으로, 수산화물은 알칼리 금속이 수산화 이온(OH-)과 결합된 알칼리 금속 화합물이나, 알칼리토 금속이 수산화 이온(OH-)과 결합된 알칼리토 금속 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 수산화물은 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 수산화리튬(LiOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 실시예에 따라서, 하나 이상의 수산화물이 조합되어 사용될 수도 있다. 그리고, 실시예에 따라 수산화물은 다른 용매(예컨대, 물)과 함께 용액의 형태로 전처리부(100)에 투입될 수 있다. 전술한 수산화물의 기재는 예시일 뿐, 본 개시는 이에 제한되지 않는다.
본 개시의 일 실시예에 따른 촉매는 바이오매스 및 수산화물의 반응을 도와 수소로의 가스화 반응을 용이하게 도와주는 물질을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 촉매는 니켈(Ni) 및 철(Fe) 중 적어도 하나의 원소를 포함할 수 있다. 그리고, 촉매는 바이오매스 및 수산화물에 사전에 혼합되어 전처리부(100)에 투입될 수 있다. 또한, 촉매는 실리카, 알루미나, 카본 등의 무기 나노섬유 구조 속에 배치될 수 있다.
이에 따라, 전처리부(100)에는 수산화물과 바이오매스가 혼합된 바이오매스 혼합물이 생성될 수 있다. 또한, 선택적으로, 물이나 수증기, 그리고 촉매 중 적어도 하나를 더 투입하여 바이오매스 혼합물을 생성할 수 있다. 그리고, 본 개시의 일 실시예에 따른 전처리부(100)는 생성된 바이오매스 혼합물을 일 측에 연결된 관을 통해 반응기(200)로 이동시킬 수 있다.
또한, 본 개시의 일 실시예에 따른 전처리부(100)는 바이오매스 혼합물에 물 및 수증기 중 적어도 하나를 공급할 수 있다. 여기서 수분 공급은 전처리부(100)가 포함하는 물 주입 수단(110)을 통해서 액체 상태의 물, 또는 기체 형태의 수증기 상태로 수행될 수 있다. 여기서 물 주입 수단(110)은 실시예에 따라서, 수소 연료 전지(600)에서 생성되는 물 및 수증기 중 적어도 하나를 사용하여, 바이오매스 혼합물에 수분을 공급할 수 있다. 또한, 다른 실시예에 따라서 물 주입 수단(110)은 별도로 저장된 반응용 물을 전처리부(100) 내부에 공급할 수도 있다. 그리고, 이후에 전처리부(100)는 수분이 공급된 상태의 바이오매스 혼합물을 반응기(200)로 이동시킬 수 있다.
추가적으로, 본 개시의 일 실시예에 따른 물 주입 수단(110)은 바이오매스 혼합물이 전처리부(100)에서 반응기(200)로 이동한 이후, 전처리부(100)의 내부면에 물 및 수증기 중 적어도 하나를 분사하도록 구성되는 세척 모듈(111)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 세척 모듈(111)은 도 2에 도시된 바와 같이, 전처리부(100)의 내부(예컨대, 중앙)의 하단에 배치되어 전처리부(100) 내부면을 향해 물을 분사하도록 구성될 수 있다. 또한, 실시예에 따라서 세척 모듈(111)은 전처리부(100)의 내부면 상단에 배치되어 하단을 향해 물을 분사하는 스프링클러와 같이 동작하여 내주면을 세척할 수 있다. 그리고, 세척 모듈(111)은 전처리부(100) 내부에 있던 바이오매스 혼합물이 반응기(200)로 이동한 경우, 전처리부(100)의 내부면에 대한 세척을 수행할 수 있다. 그리고, 세척에 사용된 물은 전처리부(100)의 내부를 따라 반응기(200)로 유입될 수 있다. 이에 따라, 세척 모듈(111)은 전처리부(100)를 항상 깨끗하게 유지함으로써 바이오매스가 발효되거나 산화되는 경우에 발생할 수 있는 화학 문제나 악취를 미연에 방지할 수 있다.
또한, 물 주입 수단(110)을 통해 공급되는 수분의 총 량은 바이오매스의 주입량 및 수산화물의 주입량 중 적어도 하나에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 건조한 바이오매스 100g을 전부 반응하기 위해 필요한 수산화나트륨이 10g이고, 수분이 400g일 수 있다. 그리고, 전처리부(100)에 건조한 바이오매스 1kg 및 수산화나트륨 150g이 각각 공급될 수 있다. 이러한 경우, 물 주입 수단(110)은 3kg의 물 및 수증기를 전처리부(100)에 주입하여 바이오매스 혼합물을 형성할 수 있다. 또한, 세척 모듈(111)은 1kg의 물로 내부면을 세척하고 반응기(200)로 세척에 사용된 물을 이동시킬 수 있다. 이에 따라, 반응기(200)에는 바이오매스 1kg을 전부 반응하기 위해 필요한 물 4kg 및 수산화나트륨 150g으로 구성되는 바이오매스 혼합물이 위치할 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 수산화물의 주입량 150g에 따라, 수분이 6kg 공급될 수도 있다. 전술한 바이오매스, 수산화물 및 물 주입 수단(110)의 동작 기재 및 수치 기재는 예시일 뿐, 본 개시는 이에 제한되지 않는다.
또한, 전처리부(100)는 바이오매스 및 수산화물을 포함하는 반응물을 내부에서 기계적으로 혼합하여 바이오매스 혼합물을 생성하기 위한 혼합 수단(120)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 전처리부(100)는 내부면 중 일 단(예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 하단)에 배치되어 회전할 수 있는 하나 이상의 나이프를 포함할 수 있다. 그리고, 혼합 수단(120)은 바이오매스, 수산화물, 촉매 및 물 중 적어도 두 개 이상이 전처리부(100)의 내부로 공급되는 경우, 회전하며 반응물들을 기계적으로 혼합할 수 있다. 이에 따라, 혼합 수단(120)은 바이오매스, 수산화물 및 촉매가 서로 균일하게 혼합된 바이오매스 혼합물을 생성할 수 있으며, 따라서 반응기(200)에서의 가스화 반응을 촉진할 수 있다.
반응기(200)에서 바이오매스 혼합물을 사전 설정된 온도 이상으로 가열함으로써 가스화 반응을 발생(702)시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 반응기(200)에 바이오매스 혼합물이 위치한 경우, 반응기(200)는 반응기 내부의 온도를 사전 설정된 온도 이상으로 가열함으로써 바이오매스의 가스화 반응을 발생시킬 수 있다. 그리고, 실시예에 따라, 반응기(200)는 바이오매스 혼합물에서 더 이상 가스화 반응이 일어나지 않을 때까지 상기 온도 조건을 유지할 수 있다. 여기서 반응기(200)의 온도는 표준압 기준 150°C 이상일 수 있다. 바람직하게는 반응기(200)의 온도가 표준압 기준 200°C 이상 300°C 미만일 수 있다. 이에 따라, 반응기(200)는 반응이 완료될 때까지 탄산염 및 수소가 생성되는 온도 조건(예컨대, 250°C)을 유지할 수 있다. 또한, 다른 실시예에 따른 반응기(200)는 바이오매스 혼합물의 가스화 반응이 완료되기 전에 전처리부(100)로부터 추가적인 바이오매스 혼합물이 공급될 수 있다. 이와 같은 경우, 추가되는 바이오매스 혼합물은 반응 조건을 유지할 수 있는 양이 공급될 수 있다.
여기서 가스화 반응은 물, 바이오매스 및 수산화물을 포함하는 바이오매스 혼합물을 반응물로 하고, 수소 및 탄산염을 생성물로 하는 화학 반응일 수 있다. 보다 구체적으로, 반응기(200)는 바이오매스 혼합물을 가열하여 가스화 반응을 발생시킴으로써 기체 상태의 수소와 애쉬(ash) 상태의 탄산염을 생성할 수 있다. 여기서 바이오매스 혼합물의 가스화 반응을 통해 주산물인 수소와 부산물인 탄산염 등이 생성될 수 있다. 그리고, 반응기(200)는 반응 조건(예컨대, 250°C)을 유지하면서 탄산염에 남아있는 수분을 바이오매스 혼합물과 반응시키거나 증발시킬 수 있다.
탄산염(M I 2CO 3)은 바이오매스와 수산화물의 가스화 반응을 통해 생성될 수 있다. 여기서 탄산염은 탄산이온(CO 3 2-)을 포함하는 이온 결정을 포함할 수 있다. 이에 따라, 반응기(200) 내부에 탄산염이 잔류하는 경우, 물에 녹아 알칼리성을 보일 수 있다. 예를 들어, 수산화물로 수산화나트륨이 사용되는 경우, 바이오매스와 수산화나트륨의 가스화 반응을 통해 수소와 탄산나트륨이 생성될 수 있다. 그리고, 탄산나트륨은 전처리부(100)에서 주입되는 물이나, 기타 요인을 통해 수분과 접촉하여 나트륨 이온과 탄산 이온으로 이온화 할 수 있다. 또한, 탄산 이온은 가수분해되어 알칼리성의 수산화 이온을 생성함으로써 반응기(200) 내부를 알칼리성으로 변화시킬 수 있다. 전술한 수산화물 및 반응의 기재는 예시일 뿐, 본 개시는 이에 제한되지 않는다. 즉, 반응기(200)에 잔류하는 탄산염으로 인하여 반응기(200) 내부의 반응 환경이 변할 수 있다. 따라서, 추후 전처리부(100)로부터 공급되는 바이오매스 혼합물에 대한 가스화 반응을 진행할 때, 반응 환경의 변화로 인하여 가스화 반응이 예측과 상이하게 진행될 수 있는 문제가 발생할 수 있다.
가스화 반응에 대한 생성물 중 애쉬 형태의 부산물을 필터링(703)할 수 있다. 보다 구체적으로, 반응기(200)는 일 측에 연결되는 필터부(300)로 생성물 중 적어도 일부를 이동시킬 수 있다. 그리고, 필터부(300)는 생성물 중 탄산염을 필터링할 수 있다. 필터부(300)는 생성물 중 애쉬 형태의 부산물을 필터링할 수 있다. 여기서 애쉬 형태의 부산물은 탄산염을 포함하는 고체 상태의 생성물로, 생성물에서 수소를 제외한 나머지를 의미할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 필터부(300)는 생성물에서 애쉬 형태의 부산물을 제거하기 위해 하우징(310), 담체(320) 및 플러그(330)를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 필터부(300)는 반응기(200)의 일 측에 연결되어 가스화 반응에 대한 생성물이 유입될 수 있다. 여기서 생성물은 수소, 이산화탄소, 탄산염 등이 혼합되어 구성될 수 있다. 하우징(310)은 필터부(300)의 외면을 구성하면서 생성물이 유입되는 유입구, 그리고 필터링 된 생성물이 배출되는 배출구를 포함할 수 있다. 그리고, 담체(320)는 하우징(310) 내부에 하우징(310)의 길이 방향으로 배치되어 생성물이 이동할 수 있는 통로를 하나 이상 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 담체(320)는 하우징(310)의 좌측으로 유입되는 생성물이 우측의 배출구로 배출될 수 있도록 생성물의 이동 방향을 따라서 직선으로 배치될 수 있다. 여기서 담체(320)는 하나 이상의 층이 겹겹이 배치되는 벌집 구조로 구성되고, 다공성 재료로 구성되어 기체 및 작은 고체가 통과될 수 있다. 그리고, 플러그(330)는 담체(320)가 형성한 하나 이상의 통로 중 적어도 일부를 막을 수 있다. 예를 들어, 플러그(330)는 도 2에 도시된 바와 같이, 담체(320)가 형성하는 통로의 양단 중 우측 일 단에 배치되어, 생성물의 이동을 제한할 수 있다. 또한, 플러그(330)는 인접 통로의 반대편 일 단, 즉, 좌측 일 단에 배치되어 생성물의 이동을 제한할 수 있다. 이와 같이, 플러그(330)는 담체(320)가 형성한 하나 이상의 통로의 양 단을 교대로 막도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 필터부(300)는 생성물이 하우징(310) 내부에 유입되어 배출되기 위해서 다공성 재료로 구성된 담체(320)를 필수적으로 통과하도록 움직임을 강제할 수 있다. 전술한 필터부(300)의 자세한 기재는 예시일 뿐, 본 개시는 이에 제한되지 않는다.
본 개시의 일 실시예에 따른 담체(320)는 생성물 중 수소 기체를 통과시키고, 탄산염을 필터링하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 담체(320)는 탄산염(예컨대, 탄산나트륨)이 통과할 때, 탄산나트륨의 평균 분자 크기보다 작은 기공을 가지도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 필터부(300)에서 애쉬 상태의 탄산염은 담체(320)를 통과하지 못하고 걸리고, 수소 기체만 배출구로 배출될 수 있다.
그리고, 본 개시의 일 실시예에 따른 필터부(300)에서 필터링 된 애쉬 형태의 부산물 중 적어도 일부를 부산물 보관부(400)에 보관할 수 있다. 여기서 부산물 보관부(400)는 필터부(300)의 유입구 측에 연결되거나, 하우징의 다른 출구를 통해 탄산염을 배출할 수 있다. 보다 구체적으로, 부산물 보관부(400)는 전처리부(100)에 반응물이 주입되는지 여부 및 반응기(200)에서 가스화 반응이 발생하고 있는지 여부 중 적어도 하나에 기초하여 필터부(300)로 생성물이 도착하는 시간을 예측할 수 있다. 또한, 부산물 보관부(400)는 필터부(300)에서 부산물을 이동시키는 소요 시간을 예측할 수 있다. 그리고, 부산물 보관부(400)는 생성물이 도착하는 시간보다 부산물을 이동시키는 소요 시간이 빠를 경우, 필터부(300)에서 부산물 중 적어도 일부를 이동시킬 것을 결정할 수 있다. 이에 따라, 필터부(300)는 담체(320)를 통과하지 못하여 필터부(300) 내부에 잔류하는 탄산염을 부산물 보관부(400)로 이동시킬 수 있다. 탄산염의 이동 작업은 반응기(200)에서 바이오매스 혼합물의 가스화 반응이 없을 경우에만 수행될 수 있다. 예를 들어, 필터부(300)는 반응기(200)로부터 생성물을 필터링하면서, 담체(320)에 탄산염을 축적할 수 있다. 그리고, 필터부(300)는 반응기(200)에서 가스화 반응이 일어나는지 여부와, 전처리부(100)에 연료, 즉, 바이오매스, 수산화물, 수분 및 촉매들이 주입되는지 여부에 기초하여 필터부(300)로 생성물이 도착하기까지 걸릴 시간을 예측할 수 있다. 그리고, 필터부(300)는 생성물의 도착 예정시간보다 담체(320)의 탄산염 제거 예상 소요시간이 빠를 경우, 담체(320)에 필터링 된 부산물 중 적어도 일부를 부산물 보관부(400)로 이동시킬 수 있다. 실시예에 따라, 필터부(300)는 하우징(310) 내부로 물을 주입함으로써 담체(320)에 걸려있는 탄산염을 녹일 수 있다. 그리고, 탄산염을 포함하는 용액을 부산물 보관부(400)로 이동시킬 수 있다. 또한, 다른 실시예에 따라, 필터부(300)는 물리적 수단(예컨대, 필터 진동 수단 등)을 통해 담체(320) 상에 축적된 탄산염 등의 부산물을 분리하고, 이를 부산물 보관부(400)로 이동시킬 수 있다. 또한, 다른 예시로써 필터부(300)는 가열 수단을 통해 담체(320)에 누적된 탄산염을 융해시켜 기체 상태의 이산화탄소를 분리 배출하고 연소 반응의 잔여물을 부산물 보관부(400)로 이동시킬 수 있다. 전술한 필터부(300)에서의 부산물 이동 작업에 대한 자세한 기재는 예시일 뿐, 본 개시는 이에 제한되지 않는다.
추가적으로, 부산물 보관부(400)는 부산물 처리 수단을 포함하여 사전 설정된 주기에 따라, 부산물 보관부(400)에 축적된 부산물(예컨대, 탄산염, 석회질 등)을 제거할 수 있다. 예를 들어, 부산물 보관부(400)는 압착 모듈을 포함하여 사전 설정된 주기마다 축적된 부산물을 하나의 큐브 형태로 압착할 수 있다. 그리고, 사용자는 관련 장치를 정비할 때, 부산물로 구성된 큐브를 제거하여 바이오매스 연료 처리 시스템(1000)의 부산물을 제거할 수 있다. 이에 따라, 필터부(300)는 담체(320)의 표면에 지속적으로 누적되는 탄산염을 제거할 수 있어 필터부(300)의 성능이 유지될 수 있다.
또한, 본 개시의 일 실시예에 따른 수소 공급부(500)는 반응기(200) 및 필터부(300) 중 적어도 하나로부터 포집된 수소를 저장하기 위해 다공성 재료로 구성된 수소 저장 수단(510)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 수소 공급부(500)는 반응기(200) 및 필터부(300) 중 적어도 하나로부터 기체 상태의 수소를 포집할 수 있다. 그리고, 수소 공급부(500)는 수소 연료 전지(600)로 수소를 공급하거나, 또는 수소 저장 수단(510)에 수소를 저장할 수 있다. 여기서 수소 저장 수단(510)은 다공성 제올라이트계 수소 저장물질이 충진되어 수소를 흡착하여 저장하였다가, 다시 탈착하여 수소를 공급할 수 있는 구조로 구성될 수 있다. 이에 따라, 수소 연료 전지(600)는 충전 상태가 좋은 상황에서 수소가 공급될 때, 수소 저장 수단(510)에 임시로 보관했다가 수소 연료 전지(600)의 상태가 좋지 않을 때 수소를 공급받을 수 있다. 즉, 수소 연료 전지를 사용하는 자동차가 수소 충전소를 찾지 못하여 방전의 위험이 있을 경우에도 저장해둔 수소 저장 수단(510)으로부터 수소를 공급받을 수 있다.
가스화 반응에 대한 생성물 중 수소를 수소 연료 전지(600)에 공급(704)할 수 있다. 보다 구체적으로, 반응기(200)는 일 측에 수소 공급부(500)와 연결되어 생성물 중 수소를 분리할 수 있다. 여기서 수소는 가스화 반응 이후 기체 상태로 존재하다가, 수소 공급부(500)에서 분리 포집될 수 있다. 그리고, 수소 공급부(500)는 수소 연료 전지(600)로 수소를 공급할 수 있다. 또한, 다른 실시예에 따른 반응기(200)는 생성물의 전부를 필터부(300)로 먼저 이동시키고, 상기 필터부(300)의 일 측에 수소 공급부(500)를 연결하여 애쉬 형태의 부산물이 제거된 생성물에서 수소를 분리 포집할 수 있다. 이에 따라, 수소 연료 전지(600)는 바이오매스의 가스화 반응으로부터 수소를 공급받을 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 바이오매스 연료 처리 시스템(1000)은 수소와 산소를 반응시켜 전기를 생성하는 수소 연료 전지(600)를 포함할 수 있다. 그리고, 일반적인 수소 연료 전지(600)는 연료극(anode)과 공기극(cathode), 그리고 이들 사이에 있는 전해질로 구성된다. 연료극에 유입된 수소는 전극촉매에 의해 산화되어 수소이온과 전자로 분리되며, 분리된 수소이온은 전해질막을 통해 수소가 생성되며 전자는 외부회로를 통해 공기극으로 이동한 후, 공기극으로 유입된 산소와 환원반응을 일으켜 물과 열, 전기에너지를 생성할 수 있다. 그리고, 여기서 물은 물 주입 수단(110)을 통해 다시 전처리부(100)로 공급될 수 있다.
이에 따라, 본 개시에 따른 바이오매스 연료 처리 시스템(1000)은 바이오매스의 가스화 반응으로 생성되는 탄산염을 반응기(200)에서 제거할 수 있어 이후의 발생하는 반응 환경을 항상 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 본 개시에 따른 바이오매스 연료 처리 시스템(1000)은 전처리부(100)와 반응기(200)가 각각 분리되어 있고, 가스화 반응의 전/후 상관없이 반응 환경을 일정하게 유지할 수 있다.
즉, 본 개시에 따른 바이오매스 연료 처리 시스템(1000)은 바이오매스에 대한 연속적인 가스화 반응이 가능하여 수소 전지 자동차에 적용될 때, 별도의 반응 중지 및 재시동의 단계가 필요없이 연속적으로 수소 연료 전지로 에너지 및 수소를 공급할 수 있다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 필터부(300)의 구조도를 도시한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 필터부(300)는 생성물에서 애쉬 형태의 부산물을 제거하기 위해 하우징(310), 담체(320) 및 플러그(330)를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 필터부(300)는 반응기(200)의 일 측에 연결되어 가스화 반응에 대한 생성물이 유입될 수 있다. 여기서 생성물은 수소, 이산화탄소, 탄산염 등이 혼합되어 구성될 수 있다. 하우징(310)은 필터부(300)의 외면을 구성하면서 생성물이 유입되는 유입구, 그리고 필터링 된 생성물이 배출되는 배출구를 포함할 수 있다. 그리고, 담체(320)는 하우징(310) 내부에 하우징(310)의 길이 방향으로 배치되어 생성물이 이동할 수 있는 통로를 하나 이상 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 담체(320)는 하우징(310)의 좌측으로 유입되는 생성물이 우측의 배출구로 배출될 수 있도록 생성물의 이동 방향을 따라서 직선으로 배치될 수 있다. 여기서 담체(320)는 하나 이상의 층이 겹겹이 배치되는 벌집 구조로 구성되고, 다공성 재료로 구성되어 기체 및 작은 고체가 통과될 수 있다. 그리고, 플러그(330)는 담체(320)가 형성한 하나 이상의 통로 중 적어도 일부를 막을 수 있다. 예를 들어, 플러그(330)는 도 2에 도시된 바와 같이, 담체(320)가 형성하는 통로의 양단 중 우측 일 단에 배치되어, 생성물의 이동을 제한할 수 있다. 또한, 플러그(330)는 인접 통로의 반대편 일 단, 즉, 좌측 일 단에 배치되어 생성물의 이동을 제한할 수 있다. 이와 같이, 플러그(330)는 담체(320)가 형성한 하나 이상의 통로의 양 단을 교대로 막도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 필터부(300)는 생성물이 하우징(310) 내부에 유입되어 배출되기 위해서 다공성 재료로 구성된 담체(320)를 필수적으로 통과하도록 움직임을 강제할 수 있다. 전술한 필터부(300)의 자세한 기재는 예시일 뿐, 본 개시는 이에 제한되지 않는다.
본 개시의 일 실시예에 따른 담체(320)는 생성물 중 수소 기체를 통과시키고, 탄산염을 필터링하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 담체(320)는 탄산염(예컨대, 탄산나트륨)이 통과할 때, 탄산나트륨의 평균 분자 크기보다 작은 기공을 가지도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 필터부(300)에서 애쉬 상태의 탄산염은 담체(320)를 통과하지 못하고 걸리고, 수소 기체만 배출구로 배출될 수 있다.
그리고, 본 개시의 일 실시예에 따른 필터부(300)에서 필터링 된 애쉬 형태의 부산물 중 적어도 일부를 부산물 보관부(400)에 보관할 수 있다. 보다 구체적으로, 필터부(300)는 담체(320)를 통과하지 못하여 필터부(300) 내부에 잔류하는 탄산염을 부산물 보관부(400)로 이동시킬 수 있다. 여기서 부산물 보관부(400)는 필터부(300)의 유입구 측에 연결되거나, 하우징의 다른 출구를 통해 탄산염을 배출할 수 있다. 탄산염의 이동 작업은 반응기(200)에서 바이오매스 혼합물의 가스화 반응이 없을 경우에만 수행될 수 있다. 예를 들어, 필터부(300)는 반응기(200)로부터 생성물을 필터링하면서, 담체(320)에 탄산염을 축적할 수 있다. 그리고, 필터부(300)는 반응기(200)에서 가스화 반응이 일어나는지 여부와, 전처리부(100)에 연료, 즉, 바이오매스, 수산화물, 수분 및 촉매들이 주입되는지 여부에 기초하여 필터부(300)로 생성물이 도착하기까지 걸릴 시간을 예측할 수 있다. 그리고, 필터부(300)는 생성물의 도착 예정시간보다 담체(320)의 탄산염 제거 예상 소요시간이 빠를 경우, 담체(320)에 필터링 된 부산물 중 적어도 일부를 부산물 보관부(400)로 이동시킬 수 있다. 실시예에 따라, 필터부(300)는 하우징(310) 내부로 물을 주입함으로써 담체(320)에 걸려있는 탄산염을 녹일 수 있다. 그리고, 탄산염을 포함하는 용액을 부산물 보관부(400)로 이동시킬 수 있다. 또한, 다른 실시예에 따라, 필터부(300)는 물리적 수단(예컨대, 필터 진동 수단 등)을 통해 담체(320) 상에 축적된 탄산염 등의 부산물을 분리하고, 이를 부산물 보관부(400)로 이동시킬 수 있다. 또한, 다른 예시로써 필터부(300)는 가열 수단을 통해 담체(320)에 누적된 탄산염을 융해시켜 기체 상태의 이산화탄소를 분리 배출하고 연소 반응의 잔여물을 부산물 보관부(400)로 이동시킬 수 있다. 전술한 필터부(300)에서의 부산물 이동 작업에 대한 자세한 기재는 예시일 뿐, 본 개시는 이에 제한되지 않는다.
추가적으로, 부산물 보관부(400)는 부산물 처리 수단을 포함하여 사전 설정된 주기에 따라, 부산물 보관부(400)에 축적된 부산물(예컨대, 탄산염, 석회질 등)을 제거할 수 있다. 예를 들어, 부산물 보관부(400)는 압착 모듈을 포함하여 사전 설정된 주기마다 축적된 부산물을 하나의 큐브 형태로 압착할 수 있다. 그리고, 사용자는 관련 장치를 정비할 때, 부산물로 구성된 큐브를 제거하여 바이오매스 연료 처리 시스템(1000)의 부산물을 제거할 수 있다. 이에 따라, 필터부(300)는 담체(320)의 표면에 지속적으로 누적되는 탄산염을 제거할 수 있어 필터부(300)의 성능이 유지될 수 있다.
이에 따라, 본 개시에 따른 바이오매스 연료 처리 시스템(1000)은 바이오매스의 가스화 반응으로 생성되는 탄산염을 반응기(200)에서 제거할 수 있어 이후의 발생하는 반응 환경을 항상 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 본 개시에 따른 바이오매스 연료 처리 시스템(1000)은 전처리부(100)와 반응기(200)가 각각 분리되어 있고, 가스화 반응의 전/후 상관없이 반응 환경을 일정하게 유지할 수 있다.
즉, 본 개시에 따른 바이오매스 연료 처리 시스템(1000)은 바이오매스에 대한 연속적인 가스화 반응이 가능하여 수소 전지 자동차에 적용될 때, 별도의 반응 중지 및 재시동의 단계가 필요없이 연속적으로 수소 연료 전지로 에너지 및 수소를 공급할 수 있다.
이하에서는 본 개시의 일 실시예에 따른 바이오매스 연료 처리 시스템(1000)을 구성하는 장치 및 구조에 대해서 주로 설명한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 전처리부(100)는 투입되는 바이오매스 및 수산화물에 대한 바이오매스 혼합물을 형성할 수 있다. 그리고, 전처리부(100)는 바이오매스 혼합물에 물 및 수증기 중 적어도 하나를 제공할 수 있는 물 주입 수단(110)을 포함할 수 있다. 여기서 물 주입 수단(110)은 바이오매스와 별도로 전처리부(100) 내부에 물(또는 수증기)를 공급할 수 있다. 실시예에 따라서, 물 주입 수단(110)은 수소 연료 전지(600)에서 생성되는 물 및 수증기 중 적어도 하나를 전처리부(100)의 내부로 공급할 수 있다. 또한, 다른 실시예에 따라서 물 주입 수단(110)은 별도로 저장된 반응용 물을 전처리부(100) 내부에 공급할 수도 있다. 즉, 물 주입 수단(110)이 사용하는 물의 출처와 상관없이 전처리부(100) 내부에 수분을 공급할 수 있도록 구성될 수 있다.
그리고, 본 개시의 일 실시예에 따른 물 주입 수단(110)은 바이오매스 혼합물이 전처리부(100)에서 반응기(200)로 이동된 경우, 전처리부(100)의 내부면에 물 및 수증기 중 적어도 하나를 분사하도록 구성되는 세척 모듈을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 세척 모듈(111)은 도 2에 도시된 바와 같이, 전처리부(100)의 내부(예컨대, 중앙)의 하단에 배치되어 전처리부(100) 내부면을 향해 물을 분사하도록 구성될 수 있다. 또한, 실시예에 따라서 세척 모듈(111)은 전처리부(100)의 내부면 상단에 배치되어 하단을 향해 물을 분사하는 스프링클러와 같이 동작하여 내주면을 세척할 수 있다. 그리고, 세척 모듈(111)은 전처리부(100) 내부에 있던 바이오매스 혼합물이 반응기(200)로 이동한 경우, 전처리부(100)의 내부면에 대한 세척을 수행할 수 있다. 그리고, 세척에 사용된 물은 전처리부(100)의 내부를 따라 반응기(200)로 유입될 수 있다. 이에 따라, 세척 모듈(111)은 전처리부(100)를 항상 깨끗하게 유지함으로써 바이오매스가 발효되거나 산화되는 경우에 발생할 수 있는 화학 문제나 악취를 미연에 방지할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 전처리부(100)는 바이오매스 및 수산화물을 포함하는 반응물을 내부에서 기계적으로 혼합하여 바이오매스 혼합물을 생성하기 위한 혼합 수단(120)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 전처리부(100)는 내부면 중 일 단(예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 하단)에 배치되어 회전할 수 있는 나이프를 포함할 수 있다. 그리고, 혼합 수단(120)은 바이오매스, 수산화물, 촉매 및 물 중 적어도 두 개 이상이 전처리부(100)의 내부로 공급되는 경우, 회전하며 반응물들을 기계적으로 혼합할 수 있다. 이에 따라, 혼합 수단(120)은 바이오매스, 수산화물 및 촉매가 서로 균일하게 혼합된 바이오매스 혼합물을 생성할 수 있으며, 따라서 반응기(200)에서의 가스화 반응을 촉진할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 반응기(200)는 전처리부(100)의 일 측에 연결되어 바이오매스 혼합물을 사전 설정된 온도 이상으로 가열함으로써 가스화 반응을 발생시키는 반응 공간을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 반응기(200)는 전처리부(100)로부터 바이오매스 혼합물을 공급받을 수 있다. 여기서 바이오매스 혼합물은 전처리부(100)에서 반응기(200)로 비연속적으로 공급될 수 있고, 실시예에 따라 연속적으로도 공급될 수 있다. 또한, 반응기(200)는 가열 수단을 포함하여 내부의 반응 공간에 열 에너지를 주입할 수 있다. 이에 따라, 반응기(200)는 사전 설정된 온도 범위(예컨대, 230°C 이상 270°C 미만)의 온도까지 가열하여 바이오매스 혼합물이 가스화 반응을 개시하도록 할 수 있다.
또한, 본 개시의 일 실시예에 따른 필터부(300)는 도 1 및 2를 참조하여 전술한 바와 같이, 반응기(200)의 일 측에 연결되어 가스화 반응에 대한 생성물 중 애쉬 형태의 부산물을 필터링할 수 있다. 필터부(300)는 생성물에서 애쉬 형태의 부산물을 제거하기 위해 하우징(310), 담체(320) 및 플러그(330)를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 필터부(300)는 반응기(200)의 일 측에 연결되어 가스화 반응에 대한 생성물이 유입될 수 있다. 여기서 생성물은 수소, 이산화탄소, 탄산염 등이 혼합되어 구성될 수 있다. 하우징(310)은 필터부(300)의 외면을 구성하면서 생성물이 유입되는 유입구, 그리고 필터링 된 생성물이 배출되는 배출구를 포함할 수 있다. 그리고, 담체(320)는 하우징(310) 내부에 하우징(310)의 길이 방향으로 배치되어 생성물이 이동할 수 있는 통로를 하나 이상 형성할 수 있다. 여기서 담체(320)는 하나 이상의 층이 겹겹이 배치되는 벌집 구조로 구성되고, 다공성 재료로 구성되어 기체 및 작은 고체가 통과될 수 있다. 그리고, 플러그(330)는 담체(320)가 형성한 하나 이상의 통로 중 적어도 일부를 막을 수 있다. 이에 따라, 필터부(300)는 생성물이 하우징(310) 내부에 유입되어 배출되기 위해서 다공성 재료로 구성된 담체(320)를 필수적으로 통과하도록 움직임을 강제할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 담체(320)는 생성물 중 수소 기체를 통과시키고, 탄산염을 필터링하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 담체(320)는 탄산염(예컨대, 탄산나트륨)이 통과할 때, 탄산나트륨의 평균 분자 크기보다 작은 기공을 가지도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 필터부(300)에서 애쉬 상태의 탄산염은 담체(320)를 통과하지 못하고 걸리고, 수소 기체만 배출구로 배출될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 담체(320)는 생성물 중 수소 기체를 통과시키고, 탄산염을 필터링하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 담체(320)는 탄산염(예컨대, 탄산나트륨)이 통과할 때, 탄산나트륨의 평균 분자 크기보다 작은 기공을 가지도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 필터부(300) 애쉬 상태의 탄산염은 담체(320)를 통과하지 못하고 걸리고, 수소 기체만 배출구로 배출될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 필터부(300)는 일 측에 애쉬 형태의 부산물 중 적어도 일부를 보관하기 위한 부산물 보관부(400)가 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 필터부(300)는 담체(320)를 통과하지 못하여 필터부(300) 내부에 잔류하는 탄산염을 부산물 보관부(400)로 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 필터부(300)는 내부에 물을 주입함으로써 담체(320)에 걸려있는 탄산염을 녹여 부산물 보관부(400)로 이동시킬 수 있다. 또한, 다른 예시로써 필터부(300)는 가열 수단을 통해 담체(320)에 누적된 탄산염을 융해시켜 기체 상태의 이산화탄소를 통과시키고 잔여물을 부산물 보관부(400)로 이동시킬 수 있다. 전술한 필터부(300)에서 부산물 보관부(400)로의 이동 방법은 예시일 뿐, 본 개시는 이에 제한되지 않는다. 여기서 부산물 보관부(400)는 필터부(300)의 유입구 측에 연결되거나, 하우징의 다른 출구를 통해 탄산염을 배출할 수 있다. 이에 따라, 필터부(300)는 담체(320)의 표면에 지속적으로 누적되는 탄산염을 제거할 수 있어 필터부(300)의 성능이 유지될 수 있다.
또한, 본 개시의 일 실시예에 따른 수소 공급부(500)는 반응기(200) 및 필터부(300) 중 적어도 하나로부터 포집된 수소를 저장하기 위해 다공성 재료로 구성된 수소 저장 수단(510)을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 수소 공급부(500)는 반응기(200) 및 필터부(300) 중 적어도 하나로부터 기체 상태의 수소를 포집할 수 있다. 그리고, 수소 공급부(500)는 수소 연료 전지(600)로 수소를 공급하거나, 또는 수소 저장 수단(510)에 수소를 저장할 수 있다. 여기서 수소 저장 수단(510)은 다공성 제올라이트계 수소 저장물질이 충진되어 수소를 흡착하여 저장하였다가, 다시 탈착하여 수소를 공급할 수 있는 구조로 구성될 수 있다. 이에 따라, 수소 연료 전지(600)는 충전 상태가 좋은 상황에서 수소가 공급될 때, 수소 저장 수단(510)에 임시로 보관했다가 수소 연료 전지(600)의 상태가 좋지 않을 때 수소를 공급받을 수 있다. 즉, 수소 연료 전지를 사용하는 자동차가 수소 충전소를 찾지 못하여 방전의 위험이 있을 경우에도 저장해둔 수소 저장 수단(510)으로부터 수소를 공급받을 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 바이오매스 연료 처리 시스템(1000)은 수소와 산소를 반응시켜 전기를 생성하는 수소 연료 전지(600)를 포함할 수 있다. 그리고, 일반적인 수소 연료 전지(600)는 연료극(anode)과 공기극(cathode), 그리고 이들 사이에 있는 전해질로 구성된다. 연료극에 유입된 수소는 전극촉매에 의해 산화되어 수소이온과 전자로 분리되며, 분리된 수소이온은 전해질막을 통해 수소가 생성되며 전자는 외부회로를 통해 공기극으로 이동한 후, 공기극으로 유입된 산소와 환원반응을 일으켜 물과 열, 전기에너지를 생성할 수 있다. 그리고, 여기서 물은 물 주입 수단(110)을 통해 다시 전처리부(100)로 공급될 수 있다.
이에 따라, 본 개시에 따른 바이오매스 연료 처리 시스템(1000)은 바이오매스의 가스화 반응으로 생성되는 탄산염을 반응기(200)에서 제거할 수 있어 이후의 발생하는 반응 환경을 항상 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 본 개시에 따른 바이오매스 연료 처리 시스템(1000)은 전처리부(100)와 반응기(200)가 각각 분리되어 있고, 가스화 반응의 전/후 상관없이 반응 환경을 일정하게 유지할 수 있다.
즉, 본 개시에 따른 바이오매스 연료 처리 시스템(1000)은 바이오매스에 대한 연속적인 가스화 반응이 가능하여 수소 전지 자동차에 적용될 때, 별도의 반응 중지 및 재시동의 단계가 필요없이 연속적으로 수소 연료 전지로 에너지 및 수소를 공급할 수 있다.
제시된 프로세스들에 있는 단계들의 특정한 순서 또는 계층 구조는 예시적인 접근들의 일례임을 이해하도록 한다. 설계 우선순위들에 기반하여, 본 개시의 범위 내에서 프로세스들에 있는 단계들의 특정한 순서 또는 계층 구조가 재배열될 수 있다는 것을 이해하도록 한다. 첨부된 방법 청구항들은 샘플 순서로 다양한 단계들의 엘리먼트들을 제공하지만 제시된 특정한 순서 또는 계층 구조에 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 개시의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 개시를 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 개시의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 개시의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 개시는 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
상기와 같은 발명의 실시를 위한 최선의 형태에서 관련 내용을 기술하였다.
본 개시는 바이오매스(biomass)를 통해 수소를 생산하기 위한 연료 처리 시스템에 관한 것으로, 수소를 연료로 주행할 수 있는 장치(예컨대, 수소 연료 전기자동차, 수소 보트 등)에 사용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 수소연료전지자동차용 바이오매스(Biomass) 연료 처리 시스템에 있어서,
    투입되는 바이오매스 및 수산화물에 대한 바이오매스 혼합물을 형성하는 전처리부;
    상기 전처리부의 일 측에 연결되어 상기 바이오매스 혼합물을 사전 설정된 온도 이상으로 가열함으로써 가스화 반응을 발생시키는 반응 공간을 포함하는 반응기;
    상기 반응기의 일 측에 연결되어 상기 가스화 반응에 대한 생성물 중 애쉬(Ash) 형태의 부산물을 필터링하는 필터부; 및
    상기 반응기 및 상기 필터부 중 적어도 하나의 일 측에 연결되어 상기 생성물 중 수소를 수소 연료 전지로 공급하기 위한 수소 공급부;
    를 포함하는,
    수소연료전지자동차용 바이오매스 연료 처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터부는:
    외면을 구성하는 하우징;
    상기 하우징 내부에서 상기 생성물 중 적어도 일부가 이동 가능한 하나 이상의 통로를 형성하고, 그리고 다공성 재료로 구성되어 상기 생성물 중 상기 애쉬 형태의 부산물을 필터링하는 담체; 및
    상기 하나 이상의 통로 중 적어도 일부를 막아 상기 생성물이 상기 담체를 통과하도록 구성되는 플러그;
    를 포함하는,
    수소연료전지자동차용 바이오매스 연료 처리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 담체는,
    상기 부산물 중 탄산염의 평균 분자 크기보다 작은 기공을 가지도록 구성되는,
    수소연료전지자동차용 바이오매스 연료 처리 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터부의 일 측에 연결되고, 상기 필터부에서 필터링 된 상기 애쉬 형태의 부산물 중 적어도 일부를 보관하기 위한 부산물 보관부;
    를 더 포함하는,
    수소연료전지자동차용 바이오매스 연료 처리 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 부산물 보관부는,
    상기 전처리부에 반응물이 주입되는지 여부 및 상기 반응기에서 상기 가스화 반응이 발생하고 있는지 여부 중 적어도 하나에 기초하여 상기 필터부로 상기 생성물이 도착하는 시간을 예측하고, 상기 필터부에서 상기 부산물을 이동시키는 소요 시간을 예측하고, 그리고, 상기 생성물이 도착하는 시간보다 상기 부산물을 이동시키는 소요 시간이 빠를 경우, 상기 필터부에서 부산물 중 적어도 일부를 이동시킬 것을 결정하는,
    수소연료전지자동차용 바이오매스 연료 처리 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전처리부는,
    상기 바이오매스 혼합물에 물 및 수증기 중 적어도 하나를 제공하는 물 주입 수단;
    을 포함하는,
    수소연료전지자동차용 바이오매스 연료 처리 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 물 주입 수단은,
    상기 수소 연료 전지에서 생성되는 물 및 수증기 중 적어도 하나를 상기 전처리부에 제공하는,
    수소연료전지자동차용 바이오매스 연료 처리 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 물 주입 수단은,
    상기 바이오매스 혼합물이 상기 전처리부에서 상기 반응기로 이동된 경우, 상기 전처리부의 내부면에 상기 물 및 수증기 중 적어도 하나를 분사하도록 구성되는 세척 모듈;
    을 포함하는,
    수소연료전지자동차용 바이오매스 연료 처리 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전처리부는,
    상기 바이오매스 및 상기 수산화물을 포함하는 반응물을 내부에서 기계적으로 혼합하여 상기 바이오매스 혼합물을 생성하기 위한 혼합 수단;
    을 포함하는,
    수소연료전지자동차용 바이오매스 연료 처리 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소 공급부는,
    상기 반응기 및 상기 필터부 중 적어도 하나로부터 포집된 수소를 저장하기 위해 다공성 재료로 구성된 수소 저장 수단;
    을 포함하는,
    수소연료전지자동차용 바이오매스 연료 처리 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 수산화물은,
    알칼리 금속의 수산화물 및 알칼리토 금속의 수산화물 중 적어도 하나로 구성되는,
    수소연료전지자동차용 바이오매스 연료 처리 시스템.
  12. 수소연료 전지자동차용 바이오매스 연료 처리 방법에 있어서,
    투입되는 바이오매스 및 수산화물에 대한 바이오매스 혼합물을 형성하는 단계;
    반응기에서 상기 바이오매스 혼합물을 사전 설정된 온도 이상으로 가열함으로써 가스화 반응을 발생시키는 단계;
    상기 가스화 반응에 대한 생성물 중 애쉬 형태의 부산물을 필터링하는 단계; 및
    상기 가스화 반응에 대한 생성물 중 수소를 수소 연료 전지로 공급하는 단계;
    를 포함하는,
    수소연료 전지자동차용 바이오매스 연료 처리 방법.
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