WO2025071002A1 - 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템 - Google Patents

바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템 Download PDF

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이동규
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Definitions

  • biogas-based electrochemical hydrogen extraction and separation system that plasma-catalytically reforms biogas and uses it to operate a solid oxide fuel cell and a solid oxide water electrolysis cell.
  • a fuel cell is an eco-friendly energy source that utilizes the reverse reaction of water electrolysis.
  • Various types of fuel cells are being developed, one of which is the solid oxide fuel cell (SOFE).
  • SOFE solid oxide fuel cell
  • a solid oxide fuel cell system includes a solid oxide that acts as an electrolyte, a fuel electrode to which hydrogen gas as a fuel is supplied, and an air electrode to which air is supplied. Oxygen ions generated by a reduction reaction of oxygen at the air electrode move to the fuel electrode through the electrolyte and react with hydrogen supplied to the fuel electrode to produce water and electricity.
  • solid oxide fuel cell systems operate at high temperatures of 500 to 800°C, so they have higher electrical efficiency than other fuel cells, are free from poisoning by carbon monoxide, etc., and have the advantage of having no problems with electrolyte loss, replenishment, or corrosion.
  • the stationary solid oxide fuel cell In order to use the solid oxide fuel cell system, the stationary solid oxide fuel cell must be heated to the operating temperature.
  • a separate burner was installed externally to heat the fuel cell to the operating temperature, and the burner was used to heat the fuel cell to the operating temperature.
  • this heating method has the problems that it takes a very long time to heat the solid oxide fuel cell to the operating temperature, damages the unit cell due to local high temperatures, and makes rapid operation difficult because the heat is not evenly distributed.
  • fuel cell technology is a promising technology with high efficiency and economic feasibility, but it can be used smoothly only when hydrogen production and the corresponding supply and demand system are organized together, so it can be considered in conjunction with hydrogen production.
  • the solid oxide electrolysis cell (SOEC), one of the hydrogen production technologies, is an electrolysis device that uses solid oxide as an electrolyte and consists of an air electrode, a solid oxide electrolyte layer, and a fuel electrode.
  • SOEC solid oxide electrolysis cell
  • PSA pressure swing adsorption
  • the present invention aims to provide a biogas-based electrochemical hydrogen extraction separation system.
  • the purpose is to provide a biogas-based electrochemical hydrogen extraction and separation system that supplies biogas heated and reformed by plasma as fuel for a solid oxide fuel cell to generate water and electricity, and produces hydrogen by electrolyzing the generated water.
  • the purpose is to provide a biogas-based electrochemical hydrogen extraction and separation system that can maintain long-term stability by reducing carbon deposition on a solid oxide fuel cell fuel electrode through direct reforming of biogas.
  • a biogas-based electrochemical hydrogen extraction and separation system including a solid oxide fuel cell and a solid oxide water electrolysis cell
  • the system including a fuel supply unit for supplying biogas as fuel, a first reaction unit for reforming the biogas supplied through the fuel supply unit to generate a first reformed gas, a second reaction unit for secondarily reforming the first reformed gas to generate a second reformed gas, a third reaction unit for receiving the second reformed gas generated in the second reaction unit and generating electricity, a fourth reaction unit for receiving unreacted gas generated in the third reaction unit and using it as fuel, and receiving steam generated in the third reaction unit and generating hydrogen, and a power converter for receiving electricity generated in the third reaction unit and supplying electricity to the first reaction unit and the fourth reaction unit.
  • the first reaction unit further includes a first reactor that uses plasma as a reforming means, the first reactor reforming the biogas to generate a first reformed gas and a heat source, and the first reaction unit may be disposed below the second reaction unit.
  • a first reactor that uses plasma as a reforming means, the first reactor reforming the biogas to generate a first reformed gas and a heat source, and the first reaction unit may be disposed below the second reaction unit.
  • the first reformed gas includes methane, carbon dioxide, carbon monoxide, hydrogen and steam
  • the second reaction unit may receive the first reformed gas generated in the first reaction unit and reform it into a second reformed gas including hydrogen, carbon dioxide and carbon monoxide.
  • the second reaction section is configured to have a catalyst disposed therein to react with the first reformed gas, and the catalyst may include Ni-perovskite.
  • the third reaction unit may include a first fuel electrode which receives the second reformed gas to generate electricity and water, wherein hydrogen in the second reformed gas is oxidized to generate electrons and hydrogen ions, a first air electrode which receives electrons from the first fuel electrode and reacts with external air to generate oxygen ions, a first solid electrolyte layer which receives oxygen ions from the first air electrode and supplies them to the first fuel electrode, and an air inlet portion through which air is introduced into an upper portion of the first air electrode, and an air outlet portion through which unreacted air is discharged.
  • the fourth reaction unit may be configured to receive unreacted gas containing carbon monoxide and carbon dioxide, heat, and water from the third reaction unit to produce hydrogen, and may include a second cathode that uses the unreacted gas containing carbon monoxide and carbon dioxide as fuel and electrolyzes steam to separate it into cations, oxygen, and electrons, a second solid electrolyte layer that transfers cations from the second cathode to the second fuel electrode, a second fuel electrode in which cations and electrons transferred from the second cathode react to generate hydrogen, and a hydrogen discharge unit that discharges hydrogen generated at the second fuel electrode to the outside.
  • a second cathode that uses the unreacted gas containing carbon monoxide and carbon dioxide as fuel and electrolyzes steam to separate it into cations, oxygen, and electrons
  • a second solid electrolyte layer that transfers cations from the second cathode to the second fuel electrode
  • the second reaction unit, the third reaction unit, and the fourth reaction unit may be preheated with the high temperature heat generated in the first reaction unit.
  • a method for operating a biogas-based electrochemical hydrogen extraction and separation system comprising: a fuel supply step of supplying biogas as fuel; a first reforming step of reforming the biogas supplied through the fuel supply unit to generate a first reformed gas; a second reforming step of secondarily reforming the first reformed gas to generate a second reformed gas; an electricity generation step of receiving the second reformed gas generated in the second reforming step to generate electricity; and a hydrogen generation step of receiving unreacted gas generated in the electricity generation step to use it as fuel and receiving steam generated in the electricity generation step to generate hydrogen, wherein the electricity generated in the electricity generation step is supplied to the first reforming step and the hydrogen generation step.
  • the first reforming step generates a first reformed gas by applying plasma as a reforming means, and the first reformed gas may include hydrogen, water, and unreacted gas (carbon monoxide, carbon dioxide).
  • the first reformed gas may include hydrogen, water, and unreacted gas (carbon monoxide, carbon dioxide).
  • the second reforming step supplies the first reformed gas to a functional catalyst layer to generate a second reformed gas
  • the second reformed gas may include hydrogen and unreacted gas (carbon monoxide, carbon dioxide).
  • the electricity generation step may be configured to generate electricity and water by supplying the second reformed gas, wherein hydrogen in the second reformed gas is oxidized at the first fuel electrode to form electrons and hydrogen ions, the first air electrode receives electrons from the first fuel electrode and reacts with external air to generate oxygen ions, and the oxygen ions may be transferred from the first air electrode to the first fuel electrode through the first solid electrolyte layer, and the oxygen ions transferred to the first fuel electrode may react with the hydrogen ions to form water.
  • the hydrogen generation step may be configured to produce hydrogen by supplying unreacted gas containing carbon monoxide and carbon dioxide formed in the electricity generation step, heat, and water, using the unreacted gas containing carbon monoxide and carbon dioxide as fuel at the second cathode, separating steam into cations, oxygen, and electrons by electrolysis, and transferring the cations formed at the second cathode to the second fuel electrode through the second solid electrolyte layer, and generating hydrogen by reacting the cations and electrons transferred from the second cathode at the second fuel electrode.
  • the present invention has the effect of providing a biogas-based electrochemical hydrogen extraction separation system.
  • the present invention provides a biogas-based electrochemical hydrogen extraction and separation system that supplies biogas heated and reformed by plasma as fuel for a solid oxide fuel cell to generate water and electricity, and produces hydrogen by electrolyzing the generated water.
  • biogas a renewable resource, as fuel, it has the effect of increasing resource reuse and energy efficiency.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a biogas-based electrochemical hydrogen extraction separation system according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a biogas-based electrochemical hydrogen extraction separation system according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing the temperature distribution of a biogas-based electrochemical hydrogen extraction separation system according to one embodiment of the present invention.
  • the present invention relates to a biogas-based electrochemical hydrogen extraction separation system and its operating method.
  • the present invention relates to a biogas-based electrochemical hydrogen extraction and separation system including a solid oxide fuel cell and a solid oxide water electrolysis cell, comprising: a fuel supply unit for supplying biogas as fuel; a first reaction unit for reforming the biogas supplied through the fuel supply unit to generate a first reformed gas; a second reaction unit for secondarily reforming the first reformed gas to generate a second reformed gas; a third reaction unit for generating electricity by receiving the second reformed gas generated in the second reaction unit; a fourth reaction unit for receiving unreacted gas generated in the third reaction unit and using it as fuel and for generating hydrogen by receiving steam generated in the third reaction unit; and a power converter for receiving electricity generated in the third reaction unit and supplying electricity to the first reaction unit and the fourth reaction unit, a biogas-based electrochemical hydrogen extraction and separation system for plasma-catalytically reforming biogas and operating a solid oxide fuel cell and a solid oxide water electrolysis cell using the same. It relates to a hydrogen extraction separation system.
  • the present invention relates to a method for operating a biogas-based electrochemical hydrogen extraction and separation system, comprising: a fuel supply step of supplying biogas as fuel; a first reforming step of reforming the biogas supplied through the fuel supply unit to generate a first reformed gas; a second reforming step of secondarily reforming the first reformed gas to generate a second reformed gas; an electricity generation step of receiving the second reformed gas generated in the second reforming step to generate electricity; and a hydrogen generation step of receiving unreacted gas generated in the electricity generation step to use it as fuel and receiving steam generated in the electricity generation step to generate hydrogen, wherein the electricity generated in the electricity generation step is supplied to the first reforming step and the hydrogen generation step.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a biogas-based electrochemical hydrogen extraction and separation system according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a biogas-based electrochemical hydrogen extraction and separation system according to one embodiment of the present invention.
  • a biogas-based electrochemical hydrogen extraction and separation system may be configured to include a fuel supply unit (110), a first reaction unit (200), a second reaction unit (300), a third reaction unit (400), a fourth reaction unit, and a power converter (600).
  • the above fuel supply unit (110) is arranged on the side of the first reaction unit (200) and can supply fuel to the first reaction unit (200).
  • the fuel can supply fuel containing hydrogen such as alcohol fuel, hydrocarbon fuel, natural gas fuel, and biogas, and in detail, it is preferable to supply biogas containing methane (CH 4 ) and carbon dioxide (CO 2 ).
  • the first reaction unit (200) above is a reforming device that reforms fuel supplied from the fuel supply unit (110) to generate primary reformed gas and a heat source.
  • the primary reformed gas includes hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide, etc., and may include unreacted gas (methane, CH 4 ).
  • the first reaction unit (200) may be a plasma reactor, and the reforming means may be arc plasma.
  • the fuel is heated as it is reformed using plasma as a reforming means, and the temperature of the reformed gas may be 500 to 900°C.
  • the first reactor (200) is placed below the second reaction unit (300) described below. It is preferable that the reformed gas including the unreacted gas generated through reforming of the fuel in the first reaction unit (200) and the high-temperature heat generated by the reaction preheat the second reaction unit (300), the third reaction unit (400), and the fourth reaction unit (500) along the flow path.
  • the second reaction unit (300) performs secondary reforming of the primary reformed gas supplied from the first reactor (200), and the secondary reformed gas may include hydrogen and unreacted gases such as carbon dioxide and carbon monoxide.
  • the second reaction unit (300) performs a methane reforming reaction under a catalyst with the first reformed gas including the unreacted gas supplied from the first reaction unit (200) to generate a second reformed gas.
  • a reaction heat of 600 to 900°C is required.
  • the methane reforming reaction can be performed without a separate heat supply device.
  • the perovskite catalyst may be Ni-BZY (Yttria-doped barium zirconate).
  • the third reaction unit (400) receives the second reformed gas generated in the second reaction unit (300) to generate electricity and water, and may be a solid oxide fuel cell including a first fuel electrode (410), a first solid electrolyte layer (420), and a first air electrode (430).
  • a sealing material (440) sealing the first fuel electrode (410), the first solid electrolyte layer (420), and the first air electrode (430) may be further included, and contact between air and hydrogen may be prevented by the sealing material (440), thereby creating an oxidation-reduction atmosphere.
  • the first fuel electrode (410) generates electrons and water by oxidizing hydrogen in the second reformed gas
  • the first air electrode (430) receives electrons from the first fuel electrode (410) and reacts with external air to generate oxygen ions.
  • the reactions that occur at the first fuel electrode (410) and the first air electrode (430) are as shown in the chemical reaction formula 1 below.
  • an air inlet (450) may be arranged to supply air to the first air electrode (430), and an air discharge unit (460) may be arranged to discharge unreacted air and nitrogen that have not reacted in the first air electrode (430).
  • the temperature of the air introduced through the first air inlet (450) is 25°C, but the temperature of the air discharged to the outside by the reaction may be about 800°C.
  • the first solid electrolyte layer (420) receives oxygen ions from the first air electrode (430) and supplies them to the first fuel electrode (410). It is preferable to arrange an oxygen ion conductor to ensure smooth conduction of oxygen ions at 700 to 900°C.
  • the first solid electrolyte layer (430) uses Yttria-stabilized Zirconia (YSZ) or Gadolinia-doped ceria (GDC).
  • the oxygen ions delivered to the first fuel electrode (410) react with the hydrogen ions to generate water ( H20 , steam), and it is preferable that the water be supplied to the fourth reaction unit (500) together with unreacted gas (carbon dioxide, carbon monoxide).
  • unreacted gas carbon dioxide, carbon monoxide
  • the fourth reaction unit (500) receives unreacted gas including carbon monoxide and carbon dioxide, heat, and water from the third reaction unit (400) to produce hydrogen, and may be a solid oxide water electrolysis cell including a second air electrode (510), a second solid electrolyte layer (520), and a second fuel electrode (530).
  • a sealing material (540) that seals the second fuel electrode (510), the second solid electrolyte layer (520), and the second air electrode (530) may be further included, and contact between air and hydrogen may be prevented by the sealing material (540), thereby creating an oxidation-reduction atmosphere.
  • the second air electrode (510) uses unreacted gas containing carbon monoxide and carbon dioxide supplied from the third reaction unit (400) as fuel, electrolyzes water (H 2 0, steam) to separate it into cations, oxygen, and electrons, and produces hydrogen at the second fuel electrode (510).
  • the reactions occurring at the second fuel electrode (510) and the second air electrode (530) are as shown in the chemical reaction formula 2 below.
  • Second fuel electrode 2H + + 2e - ⁇ H 2
  • the second solid electrolyte layer (520) transfers cations from the second air electrode (510) to the second fuel electrode (530). It is preferable to place a cation conductor in the solid electrolyte layer (520) to ensure smooth conduction of cations at 500 to 700°C.
  • the second solid electrolyte layer (530) uses BCY (Yttria-doped barium cerate) or BZY (Yttria-doped barium zirconate).
  • the second fuel electrode (530) can generate hydrogen by reacting with positive ions and electrons received from the second air electrode (510). At this time, it is preferable that a hydrogen discharge unit (560) be arranged on the upper portion of the second fuel electrode (530) to recover the generated hydrogen.
  • the biogas-based electrochemical hydrogen extraction separation system according to the present invention further includes a gas discharge unit (120). Unreacted gas including carbon monoxide, carbon dioxide, and oxygen that has not reacted in the fourth reaction unit (400) can be discharged to the outside through the gas discharge unit (120) along the path.
  • the third reaction unit (400) and the fourth reaction unit (500) can be stacked and electrically connected to form a module-type stacking.
  • a plurality of third reaction units (400) can be stacked and electrically connected, and a plurality of fourth reaction units (500) can be stacked and electrically connected to form a module-type stacking.
  • the reaction heat generated in the third reaction unit (400) and the fourth reaction unit (500) can be re-supplied to the first reaction unit (200) and the second reaction unit (300) through the flow path to form an optimized heat recovery system.
  • the power converter (600) can receive electricity generated in the third reaction unit (300) and supply electricity to the first reaction unit (200) and the fourth reaction unit (500). Specifically, since electricity is required for plasma reaction in the first reaction unit (200), the plasma reforming reaction can be performed by supplying electricity generated in the third reaction unit (300) through the power converter (600). In addition, electrolysis can be performed by supplying electricity generated in the third reaction unit (300) to the fourth reaction unit (500) through the power converter (600).
  • FIG. 3 is a diagram showing the temperature distribution of a biogas-based electrochemical hydrogen extraction separation system according to one embodiment of the present invention.
  • biogas-based electrochemical hydrogen extraction and separation system 100
  • it can be configured to include a fuel supply stage, a first reforming stage, a second reforming stage, an electricity generation stage, and a hydrogen generation stage.
  • the above fuel supply step supplies fuel to the first reaction unit (200), and biogas can be supplied as fuel through the fuel supply unit (110).
  • the temperature of the fuel supplied to the first reaction unit (200) is preferably room temperature.
  • the first reforming step generates a first reformed gas by reforming the biogas supplied from the fuel supply unit (110), and the first reforming step can generate the first reformed gas by applying plasma as a reforming means.
  • the first reformed gas can include hydrogen, water, and unreacted gas (carbon monoxide, carbon dioxide).
  • reaction heat is formed as the first reforming step is performed.
  • the reaction heat is 800 to 900°C, and the reaction heat can be supplied to the second reaction unit (300), the third reaction unit (400), and the fourth reaction unit (500) along the path to preheat each reaction unit.
  • the second reforming step is to reform the first reformed gas for the second time to produce a second reformed gas.
  • the first reformed gas can be supplied to a second reaction unit (300) including a catalyst to produce a second reformed gas through a methane reforming reaction.
  • the second reformed gas is hydrogen and may also include unreacted gas.
  • reaction heat is formed as the second reforming step is performed.
  • the reaction heat is about 800°C, and is preferably supplied to the third reaction unit (400) together with the second reformed gas.
  • the above-described electricity generation step can generate electricity and water by an electrochemical reaction by receiving the second reformed gas.
  • the hydrogen supplied to the first fuel electrode (410) is oxidized to form electrons and hydrogen ions.
  • the first air electrode (430) receives electrons from the first fuel electrode (410) and reacts with external air to generate oxygen ions.
  • the oxygen ions can be transferred from the first air electrode (430) to the first fuel electrode (410) through the first solid electrolyte layer (420) and react with the hydrogen ions to form water.
  • the electricity formed by the reaction is supplied to the power converter (600).
  • the supplied electricity be supplied to the first reaction unit (200) and the fourth reaction unit (500), and if a large amount of electricity is generated, it can be stored in a separate external storage device.
  • reaction heat of about 800°C is generated, and it is preferable that the reaction heat be supplied to the fourth reaction unit (500) and used as reaction heat when performing the hydrogen generation step.
  • the above hydrogen generation step can produce hydrogen by receiving unreacted gas including carbon monoxide and carbon dioxide formed in the above electricity generation step, heat, and water.
  • the unreacted gas fuel including the carbon monoxide and carbon dioxide is used in the second air electrode (510), and water (steam) is electrolyzed to separate into cations, oxygen, and electrons.
  • the cations formed from the second air electrode (510) are transferred to the second fuel electrode (530) through the second solid electrolyte layer (520), and the cations and electrons transferred from the second air electrode (510) can react in the second fuel electrode (530) to generate hydrogen. At this time, it is preferable to recover the generated hydrogen through the hydrogen discharge unit (560).
  • the biogas-based electrochemical hydrogen extraction separation system further includes a gas discharge unit (120).
  • Unreacted gas including carbon monoxide and carbon dioxide that did not react in the fourth reaction unit (400) can be discharged to the outside through the gas discharge unit (120) along the path.
  • the temperature of the unreacted gas discharged to the outside can be about 600°C.
  • the present invention has the effect of providing a biogas-based electrochemical hydrogen extraction separation system.
  • the present invention provides a biogas-based electrochemical hydrogen extraction and separation system that supplies biogas heated and reformed by plasma as fuel for a solid oxide fuel cell to generate water and electricity, and produces hydrogen by electrolyzing the generated water.
  • reforming is performed by utilizing the high-temperature heat generated by plasma without using an external burner, and by operating a solid oxide fuel cell and a solid oxide water electrolysis cell, there is an effect of reducing energy loss and increasing energy efficiency.
  • 400 3rd reaction section, 410: 1st fuel electrode, 420: 1st solid electrolyte layer, 430: 1st air electrode, 440: sealing material, 450: air inlet, 460: air outlet
  • 500 4th reaction section, 510: 2nd air electrode, 520: 2nd solid electrolyte layer, 530: 2nd fuel electrode, 540: sealant, 560: hydrogen discharge section

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Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지 및 고체산화물 수전해 셀을 포함하는 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템 및 그 운전방법에 관한 것이다. 상세하게는, 고체산화물 연료전지 및 고체산화물 수전해 셀을 포함하는 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템에 있어서, 바이오가스를 연료로 공급하는 연료 공급부, 상기 연료 공급부를 통해 공급된 바이오가스를 개질하여 제1 개질가스를 생성하는 제1 반응부, 상기 제1 개질가스를 2차 개질하여 제2 개질가스를 생성하는 제2 반응부, 상기 제2 반응부에서 생성된 제2 개질가스를 공급받아 전기를 생성하는 제3 반응부, 상기 제3 반응부에서 생성된 미반응 가스를 공급받아 연료로 사용하고, 상기 제3 반응부에서 생성된 스팀을 공급받아 수소를 생성하는 제4 반응부; 및 상기 제3 반응부에서 생성된 전기를 공급받아 상기 제1 반응부 및 제4 반응부에 전기를 공급하는 전력변환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템
본 발명은 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템에 관한 것이다.
상세하게는 바이오가스를 플라즈마-촉매개질하고, 이를 이용하여 고체산화물연료전지 및 고체산화물 수전해셀을 운전하는 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템에 관한 것이다.
최근 석유 및 천연가스 등의 기존 에너지 자원의 고갈 우려가 대두되고, 친환경적인 자원에 대한 요구가 높아짐에 따라, 새로운 대체에너지의 일환으로 연료전지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
연료전지란 물의 전기분해 역반응을 활용하는 친환경 에너지원으로, 다양한 종류의 연료전지가 개발되고 있으며, 그 중 하나로 고체산화물 연료전지(Solid oxide fuel cell, SOFE)가 있다.
고체산화물 연료전지 시스템은 전해질 역할을 하는 고체산화물, 연료인 수소가스가 공급되는 연료극 및 공기가 공급되는 공기극을 포함하는 것으로, 공기극에서 산소의 환원반응에 의해 생성된 산소이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하고 연료극에 공급된 수소와 반응하여 물과 전기를 생산하게 된다.
일반적으로 고체산화물 연료전지 시스템은 500 내지 800℃의 고온에서 작동하기 때문에 다른 연료전지보다 전기 효율이 높으며, 일산화탄소 등에 대한 피독 현상이 없으며, 전해질의 손실, 보충 및 부식의 문제가 없다는 장점이 있다.
이때, 고체산화물 연료전지 시스템을 사용하기 위해서는 정지상태의 고체산화물 연료전지를 작동온도까지 가열시켜야 한다. 종래에는 연료전지를 작동온도까지 가열하기 위하여 외부에 별도의 버너를 구비하고, 상기 버너를 이용하여 작동온도까지 가열하는 방식을 적용하였었다. 그러나 이러한 가열방식은 고체산화물 연료전지를 작동온도까지 가열하는데 매우 오랜 시간이 걸리며 국부적인 고온으로 인해 단위 전지에 손상을 입히고, 열이 고르게 분포하지 못하여 급속 가동이 어렵다는 문제점이 있다.
한편, 연료전지 기술은 높은 효율로 인한 경제성 등을 갖는 유망한 기술이지만 수소 생산 및 그에 따른 수급 체계가 함께 구성되어야만 원활한 이용이 가능하기 때문에 수소 생산을 연계하여 생각할 수 있다.
수소 생산 기술 중 하나인 고체산화물 전기분해 셀(SOEC, Solid Oxide Electrolyzer Cell)은 고체산화물을 전해질로 이용한 전기분해 장치로서 공기극, 고체산화물 전해질층 및 연료극으로 이루어져 있다. 이때, 종래의 고체산화물 전기분해 셀의 경우 고체산화물 전해질층을 통해 산소이온을 전도하는 것으로, 반응물(H2O)과 생성물(H2)이 연료극에 함께 존재함으로서 수소 추출과정이 필수적이며, 연료극에는 미반응 가스인 이산화탄소가 존재함으로써 부가적인 압력흡착방식(Pressure swing adsorption, PSA)분리 공정이 필요해 전체적이 효율성이 감소한다는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 본 발명은 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상세하게는, 플라즈마에 의해 가열 및 개질된 바이오가스를 고체산화물 연료전지의 연료로 공급하여 물과 전기를 생성하고, 상기 생성된 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 바이오가스의 직접 개질을 통해 고체산화물 연료전지 연료극의 탄소 침적을 감소시켜 장기 안정성을 유지시킬 수 있는 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 고체산화물 연료전지 및 고체산화물 수전해 셀을 포함하는 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템에 있어서, 바이오가스를 연료로 공급하는 연료 공급부, 상기 연료 공급부를 통해 공급된 바이오가스를 개질하여 제1 개질가스를 생성하는 제1 반응부, 상기 제1 개질가스를 2차 개질하여 제2 개질가스를 생성하는 제2 반응부, 상기 제2 반응부에서 생성된 제2 개질가스를 공급받아 전기를 생성하는 제3 반응부, 상기 제3 반응부에서 생성된 미반응 가스를 공급받아 연료로 사용하고, 상기 제3 반응부에서 생성된 스팀을 공급받아 수소를 생성하는 제4 반응부 및 상기 제3 반응부에서 생성된 전기를 공급받아 상기 제1 반응부 및 제4 반응부에 전기를 공급하는 전력변환기를 포함하는, 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템을 제공한다.
바람직하게는, 상기 제1 반응부는 플라즈마를 개질 수단으로 사용하는 제1 반응기를 더 포함하는 것으로, 상기 제1 반응기는 상기 바이오가스를 개질하여 제1 개질가스 및 열원을 생성하고, 상기 제1 반응부는 상기 제2 반응부 하부에 배치되는 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 개질가스는 메탄, 이산화탄소, 일산화탄소, 수소 및 스팀을 포함하고, 상기 제2 반응부는 상기 제1 반응부에서 생성된 제1 개질가스를 공급받아 수소, 이산화탄소 및 일산화탄소를 포함하는 제2 개질가스로 개질하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 반응부는 촉매가 배치되어 상기 제1 개질가스와 반응하는 것으로, 상기 촉매는 Ni-페로브스카이트를 포함하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 제3 반응부는 상기 제2 개질가스를 공급받아 전기 및 물을 생성하는 것으로, 상기 제2 개질가스 내 수소가 산화되어 전자와 수소이온을 생성하는 제1 연료극, 상기 제1 연료극으로부터 전자를 전달받고 외부공기와 반응하여 산소이온을 생성하는 제1 공기극, 상기 제1 공기극으로부터 산소이온을 전달받아 상기 제1 연료극에 공급하는 제1 고체 전해질층 및 상기 제1 공기극 상부에 공기가 유입되는 공기 유입부 및 미반응 공기가 배출되는 공기 배출부를 포함하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 제4 반응부는 상기 제3 반응부로부터 일산화탄소 및 이산화탄소를 포함하는 미반응 가스, 열 및 물을 공급받아 수소를 생산하는 것으로, 상기 일산화탄소 및 이산화탄소를 포함하는 미반응 가스를 연료로 사용하고 스팀을 전기분해하여 양이온, 산소 및 전자로 분리하는 제2 공기극, 상기 제2 공기극으로부터 양이온을 제2 연료극으로 전달하는 제2 고체 전해질층, 상기 제2 공기극으로부터 전달받은 양이온 및 전자가 반응하여 수소를 생성하는 제2 연료극 및 상기 제2 연료극에서 생성된 수소를 외부로 배출하는 수소 배출부를 포함하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 반응부에서 생성된 고온의 발생열로 상기 제2 반응부, 제3 반응부 및 제4 반응부를 예열하는 것일 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템의 운전방법에 있어서, 바이오가스를 연료로 공급하는 연료 공급단계, 상기 연료 공급부를 통해 공급된 바이오가스를 개질하여 제1 개질가스를 생성하는 제1 개질단계, 상기 제1 개질가스를 2차 개질하여 제2 개질가스를 생성하는 제2 개질단계, 상기 제2 개질단계에서 생성된 제2 개질가스를 공급받아 전기를 생성하는 전기생성단계 및 상기 전기생성단계에서 생성된 미반응 가스를 공급받아 연료로 사용하고, 상기 전기생성단계에서 생성된 스팀을 공급받아 수소를 생성하는 수소생성단계를 포함하고, 상기 전기생성단계에서 생성된 전기는 상기 제1 개질단계 및 수소생성단계에 공급하는 것인, 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템의 운전방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 제1 개질단계는 개질 수단으로 플라즈마를 가하여 제1 개질가스를 생성하는 것으로, 상기 제1 개질가스는 수소, 물 및 미반응가스(일산화탄소, 이산화탄소)를 포함하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 개질단계는 상기 제1 개질가스를 기능성 촉매층에 공급하여 제2 개질가스를 생성하는 것으로, 상기 제2 개질가스는 수소 및 미반응가스(일산화탄소, 이산화탄소)를 포함하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 전기생성단계는 제2 개질가스를 공급받아 전기 및 물을 생성하는 것으로, 제1 연료극에서 제2 개질가스 내 수소가 산화되어 전자와 수소이온이 형성되고, 제1 공기극에서 상기 제1 연료극으로부터 전자를 전달받고 외부공기와 반응하여 산소이온을 생성하며, 상기 산소이온은 제1 고체 전해질층을 통해 제1 공기극으로부터 제1 연료극으로 전달되고, 상기 제1 연료극으로 전달된 산소이온은 상기 수소이온과 반응하여 물을 형성하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 수소생성단계는 전기생성단계에서 형성된 일산화탄소 및 이산화탄소를 포함하는 미반응 가스, 열 및 물을 공급받아 수소를 생산하는 것으로, 제2 공기극에서 상기 일산화탄소 및 이산화탄소를 포함하는 미반응 가스 연료로 사용하고 스팀을 전기분해하여 양이온, 산소 및 전자로 분리하고, 제2 고체 전해질층을 통해 제2 공기극으로부터 형성된 양이온을 제2 연료극으로 전달하며, 제2 연료극에서 상기 제2 공기극에서 전달받은 양이온 및 전자가 반응하여 수소를 생성하는 것일 수 있다.
본 발명은 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템을 제공하는 효과가 있다.
상세하게는, 플라즈마에 의해 가열 및 개질된 바이오가스를 고체산화물연료전지의 연료로 공급하여 물과 전기를 생성하고, 상기 생성된 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템을 제공하는 효과가 있다.
또한, 바이오가스의 직접 개질을 통해 고체산화물 연료전지 연료극의 탄소 침적을 감소시켜 장기 안정성을 유지시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 재생가능한 자원인 바이오가스를 연료로 사용함에 따라 자원 재사용 및 에너지 효율성을 높이는 효과가 있다.
또한, 외부버너를 사용하지 않고 플라즈마의 고온 발생열을 이용하여 개질 및 고체산화물 연료전지 및 고체산화물 수전해 셀을 운전함에 따라 에너지 손실을 줄이고 에너지 효율성을 높이는 효과가 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시예와 같은 특정 실시예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템의 온도분포를 나타낸 구성도이다.
본 발명의 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 및 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 명세서에 첨부된 도면에 의거한 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 예컨대, 본 명세서에서 어떤 구성요소를 '포함'한다고 하는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템 및 그 운전방법에 관한 것이다.
상세하게는, 본 발명은 고체산화물 연료전지 및 고체산화물 수전해 셀을 포함하는 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템에 있어서, 바이오가스를 연료로 공급하는 연료 공급부, 상기 연료 공급부를 통해 공급된 바이오가스를 개질하여 제1 개질가스를 생성하는 제1 반응부, 상기 제1 개질가스를 2차 개질하여 제2 개질가스를 생성하는 제2 반응부, 상기 제2 반응부에서 생성된 제2 개질가스를 공급받아 전기를 생성하는 제3 반응부, 상기 제3 반응부에서 생성된 미반응 가스를 공급받아 연료로 사용하고, 상기 제3 반응부에서 생성된 스팀을 공급받아 수소를 생성하는 제4 반응부 및 상기 제3 반응부에서 생성된 전기를 공급받아 상기 제1 반응부 및 제4 반응부에 전기를 공급하는 전력변환기를 포함하는, 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템 바이오가스를 플라즈마-촉매개질하고, 이를 이용하여 고체산화물연료전지 및 고체산화물 수전해 셀을 운전하는 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템의 운전방법에 있어서, 바이오가스를 연료로 공급하는 연료 공급단계, 상기 연료 공급부를 통해 공급된 바이오가스를 개질하여 제1 개질가스를 생성하는 제1 개질단계, 상기 제1 개질가스를 2차 개질하여 제2 개질가스를 생성하는 제2 개질단계, 상기 제2 개질단계에서 생성된 제2 개질가스를 공급받아 전기를 생성하는 전기생성단계 및 상기 전기생성단계에서 생성된 미반응 가스를 공급받아 연료로 사용하고, 상기 전기생성단계에서 생성된 스팀을 공급받아 수소를 생성하는 수소생성단계를 포함하고, 상기 전기생성단계에서 생성된 전기는 상기 제1 개질단계 및 수소생성단계에 공급하는 것인, 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템의 운전방법에 관한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명의 기술사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로서, 이에 의하여 본 발명이 한정되는 것으로 해석되어서는 안 되며, 본 발명의 실시예들은 이 분야의 통상의 기술자에게 다양한 응용을 가질 수 있음은 당연하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템을 나타내는 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템의 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템(100)은 연료 공급부(110), 제1 반응부(200), 제2 반응부(300), 제3 반응부(400), 제4 반응부 및 전력변환기(600)를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 연료 공급부(110)는 제1 반응부(200)의 측면에 배치되는 것으로, 상기 제1 반응부(200)에 연료를 공급할 수 있다. 상기 연료는 알코올계 연료, 탄화수소계 연료, 천연가스계 연료 및 바이오 가스와 같이 수소를 함유하는 연료를 공급할 수 있는 것으로, 상세하게는 메탄(CH4) 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 바이오가스를 공급하는 것이 바람직하다.
상기 제1 반응부(200)는 상기 연료 공급부(110)로부터 공급받은 연료를 개질하여 1차 개질가스 및 열원을 생성하는 개질장치이다. 상기 1차 개질가스는 수소, 이산화탄소, 일산화탄소 등을 포함하며, 반응이 되지 않은 미반응 가스(메탄, CH4)를 포함 수 있다.
이때, 상기 연료를 개질하여 개질가스를 생성하기 위하여 플라즈마를 개질 수단으로 사용하는 것으로, 상기 제1 반응부(200)는 플라즈마 반응기일 수 있으며, 상기 개질 수단은 아크 플라즈마일 수 있다. 또한, 상기 연료는 플라즈마를 개질수단으로 사용하여 개질함에 따라 가열되는 것으로, 상기 개질가스의 온도는 500 내지 900℃일 수 있다.
또한, 상기 제1 반응기(200)는 후술하는 제2 반응부(300)의 하부에 배치된다. 상기 제1 반응부(200)에서 연료의 개질 통해 생성된 미반응 가스를 포함하는 개질가스 및 반응에 따라 생성된 고온의 발생열은 유로를 따라 상기 제2 반응부(300), 제3 반응부(400) 및 제4 반응부(500)를 예열하는 것이 바람직하다.
상기 제2 반응부(300)는 상기 제1 반응기(200)로부터 공급된 1차 개질가스를 2차 개질하는 것으로, 상기 2차 개질가스는 수소 및 미반응가스인 이산화탄소와 일산화탄소를 포함할 수 있다.
상세하게는, 상기 제2 반응부(300)는 제1 반응부(200)로부터 공급되는 미반응가스를 포함하는 제1 개질가스와 촉매 하에 메탄개질반응을 수행하여 2차 개질가스를 생성하는 것으로, 상기 메탄개질반응을 수행하기 위하여 600 내지 900℃의 반응열을 필요로 한다. 이때, 상기 제1 반응부(200)로부터 공급되는 제1 개질가스의 온도가 500 내지 900℃이므로, 별도의 열 공급 장치 없이 메탄개질반응을 수행할 수 있다.
이때, 상기 촉매는 탄소 침적저항성 및 산화반응에 뛰어난 Ni-페로브스카이트(perovskite)와 같은 촉매를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 페로브스카이트 촉매는 Ni-BZY(Yttria-doped barium zirconate)일 수 있다.
상기 제3 반응부(400)는 제2 반응부(300)에서 생성된 제2 개질가스를 공급받아 전기 및 물을 생성하는 것으로, 제1 연료극(410), 제1 고체 전해질층(420) 및 제1 공기극(430)을 포함하는 고체 산화물 연료전지 일 수 있다. 이때, 상기 제1 연료극(410), 제1 고체 전해질층(420) 및 제1 공기극(430)을 실링하는 실링재(440)를 더 포함할 수 있고, 상기 실링재(440)에 의해 공기 및 수소의 접촉을 방지하여 산화-환원 분위기를 조성할 수 있다.
상기 제1 연료극(410)은 상기 제2 개질가스 내 수소가 산화되어 전자와 물을 생성하고, 상기 제1 공기극(430)은 상기 제1 연료극(410)으로부터 전자를 전달받고 외부공기와 반응하여 산소이온을 생성한다. 상기 제1 연료극(410) 및 제1 공기극(430)에서 이루어지는 반응은 아래 화학 반응식 1과 같다.
화학 반응식 1.
제1 연료극: H2 + O2- → H2O + 2e-
제1 공기극: 1/2O2 + 2e- → O2-
또한, 상기 제1 공기극(430)으로 공기를 공급하기 위하여 공기 유입부(450)가 배치될 수 있으며, 상기 제1 공기극(430)에서 반응하지 않은 미반응 공기 및 질소를 배출시키기 위하여 공기 배출부(460)가 배치될 수 있다. 이때, 상기 제1 공기 유입부(450)를 통해 유입되는 공기의 온도는 25℃이나, 반응에 의하여 외부로 배출되는 공기의 온도는 약 800℃일 수 있다.
상기 제1 고체 전해질층(420)은 상기 제1 공기극(430)으로부터 산소이온을 전달받아 상기 제1 연료극(410)에 공급하는 것으로, 700 내지 900℃에서 산소이온의 전도가 원활하게 이루어지게 하기 위하여 산소이온전도체를 배치하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 제1 고체 전해질층(430)은 YSZ(Yttria-stabilized Zirconia) 또는 GDC(Gadolinia-doped ceria)를 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 제1 연료극(410)으로 전달된 산소이온과 상기 수소이온이 반응하여 물(H20, Steam)이 생성되며, 상기 물은 미반응 가스(이산화탄소, 일산화탄소)와 함께 제4 반응부(500)로 공급되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 제1 연료극(410)에서 산소이온과 수소이온이 반응함에 따라 700 내지 900℃의 반응열이 발생하며, 상기 생성된 열이 상기 제4 반응부(500)로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 제4 반응부(500)는 상기 제3 반응부(400)로부터 일산화탄소 및 이산화탄소를 포함하는 미반응가스, 열 및 물을 공급받아 수소를 생산하며, 제2 공기극(510), 제2 고체 전해질층(520) 및 제2 연료극(530)을 포함하는 고체산화물 수전해 셀 일 수 있다. 이때, 상기 제2 연료극(510), 제2 고체 전해질층(520) 및 제2 공기극(530)을 실링하는 실링재(540)를 더 포함할 수 있고, 상기 실링재(540)에 의해 공기 및 수소의 접촉을 방지하여 산화-환원 분위기를 조성할 수 있다.
종래의 고체산화물 수전해 셀의 경우 반응물(물)과 생성물(수소)이 연료극에 함께 존재하기 때문에, 생성된 수소를 분리하기 위하여 수소 추출 과정이 필수적이었다.
또한, 연료극에는 미반응 가스인 이산화탄소가 존재함으로써 부가적인 압력흡착방식(Pressure swing adsorption, PSA)분리 공정이 필요해 전체적이 효율성이 감소한다는 문제점이 있다. 이에, 본 발명의 고체산화물 수전해 셀은 프로톤 고체 산화물 수전해 셀을 적용하는 것이 바람직하다.
상세하게는, 상기 제2 공기극(510)은 상기 제3 반응부(400)에서 공급되는 일산화탄소 및 이산화탄소를 포함하는 미반응 가스를 연료로 사용하고, 물(H20, Steam)을 전기분해하여 양이온, 산소 및 전자로 분리하며, 제2 연료극(510)에서는 수소를 생산한다. 상기 제2 연료극(510) 및 제2 공기극(530)에서 이루어지는 반응은 아래 화학 반응식 2와 같다.
화학 반응식 2.
제2 연료극: 2H+ + 2e- → H2
제2 공기극: H2O → 2H+ + 2e- + 1/2O2
또한, 상기 제2 고체 전해질층(520)은 상기 제2 공기극(510)으로부터 양이온을 제2 연료극(530)으로 전달한다. 상기 고체 전해질층(520)은 500 내지 700℃에서 양이온의 전도가 원활하게 이루어지게 하기 위하여 양이온전도체를 배치하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 제2 고체 전해질층(530)은 BCY(Yttria-doped barium cerate)나 BZY(Yttria-doped barium zirconate)를 사용하는 것이 바람직하다.
상세하게는, 상기 제2 연료극(530)은 상기 제2 공기극(510)으로부터 전달받은 양이온 및 전자가 반응하여 수소를 생성할 수 있다. 이때, 상기 생성된 수소를 회수하기 위하여 상기 제2 연료극(530) 상부에 수소 배출부(560)가 배치되는 것이 바람직하다.
상기 제2 연료극(530)에서 수소가 생성됨에 따라 반응물(H2O)이 공급되는 위치와 생성물(H2)이 회수되는 위치가 달라 별도의 수소 추출과정을 수행하지 않아도 되며, 미반응 가스인 이산화탄소를 제거하기 위한 부가적인 분리공정을 수행하지 않아도 되어 공정의 효율성을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명에 따른 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템은 가스 배출부(120)를 더 포함한다. 상기 제4 반응부(400)에서 반응하지 않은 일산화탄소 및 이산화탄소, 산소를 포함하는 미반응 가스를 유로를 따라 가스 배출부(120)를 통해 외부로 배출할 수 있다.
한편, 상기 제3 반응부(400) 및 제4 반응부(500)는 각각을 적층하고 전기적으로 연결하여 모듈형태의 스택킹을 형성할 수 있다. 상세하게는, 상기 제3 반응부(400)를 복수개 적층하여 전기적으로 연결하고, 제4 반응부(500)를 복수개 적층하여 전기적으로 연결함으로써 모듈형태의 스택킹을 형성할 수 있다. 이때, 상기 제3 반응부(400) 및 제4 반응부(500)에서 생성된 반응열은 유로를 통해 제1 반응부(200) 및 제2 반응부(300)로 재공급하여 최적화된 열 회수 시스템을 형성할 수 있다.
상기 전력변환기(600)는 제3 반응부(300)에서 생성된 전기를 공급받아 상기 제1 반응부(200) 및 제4 반응부(500)에 전기를 공급할 수 있다. 상세하게는, 제 1 반응부(200)에서 플라즈마 반응 시 전기가 필요하므로, 상기 제3 반응부(300)에서 생성된 전기를 전력변환기(600)를 통해 공급함에 따라 플라즈마 개질반응을 수행할 수 있다. 또한, 상기 제3 반응부(300)에서 생성된 전기를 전력변환기(600)를 통해 상기 제4 반응부(500)에 전기를 공급함에 따라 전기분해를 수행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템의 온도분포를 나타낸 구성도이다.
하기에서는 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템의 운전방법 및 운전에 따른 반응온도 분포에 대하여 설명하도록 한다.
상기 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템(100)을 운전하기 위하여 연료 공급단계, 제1 개질단계, 제2 개질단계 및 전기생성단계 및 수소생성단계를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 연료 공급단계는 제1 반응부(200)에 연료를 공급하는 것으로, 연료 공급부(110)를 통해 바이오 가스를 연료로 공급할 수 있다. 이때, 상기 제1 반응부(200)에 공급되는 연료의 온도는 실온인 것이 바람직하다.
상기 제1 개질단계는 연료 공급부(110)로부터 공급된 바이오가스를 개질하여 제1 개질가스를 생성하는 것으로, 상기 제1 개질단계는 개질 수단으로 플라즈마를 가하여 제1 개질가스를 생성할 수 있다. 이때, 상기 제1 개질가스는 수소, 물, 및 미반응 가스(일산화탄소, 이산화탄소)를 함께 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 개질단계를 수행함에 따라 반응열이 형성된다. 상기 반응열은 800 내지 900℃이며, 상기 반응열은 유로를 따라 상기 제2 반응부(300), 제3 반응부(400) 및 제4 반응부(500)로 공급되어 각 반응부를 예열할 수 있다.
상기 제2 개질단계는 상기 제1 개질가스를 2차 개질하여 제2 개질가스를 생성하는 것으로, 상기 제1 개질가스를 촉매를 포함하는 제2 반응부(300)에 공급하여 메탄개질반응을 통해 제2 개질가스를 생성할 수 있다. 이때, 상기 제2 개질가스는 수소이며, 미반응 가스를 함께 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2 개질단계를 수행함에 따라 반응열이 형성된다. 상기 반응열은 약 800℃정도이며, 제2 개질가스와 함께 상기 제3 반응부(400)로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 전기생성단계는 상기 제2 개질가스를 공급받아 전기화학반응에 의해 전기 및 물을 생성할 수 있다. 상세하게는, 상기 제1 연료극(410)에 공급된 수소는 산화되어 전자와 수소이온이 형성된다. 제1 공기극(430)은 상기 제1 연료극(410)으로부터 전자를 전달받고 외부공기와 반응하여 산소이온을 생성하며, 상기 산소이온은 제1 고체 전해질층(420)을 통해 제1 공기극(430)으로부터 제1 연료극(410)으로 전달되고 상기 수소이온과 반응하여 물을 형성할 수 있다. 이때, 반응에 의해 형성된 전기는 전력변환기(600)로 공급된다. 공급된 전기는 제1 반응부(200) 및 제4 반응부(500)로 공급하는 것이 바람직하며, 생성되는 전기가 많은 경우 별도의 외부저장장치에 저장할 수 있다. 또한, 상기 전기생성단계를 수행하는 경우 약 800℃의 반응열이 발생하는 것으로, 상기 반응열이 제4 반응부(500)로 공급되어 수소생성단계 수행시 반응열로 이용되는 것이 바람직하다.
상기 수소생성단계는 상기 전기생성단계에서 형성된 일산화탄소 및 이산화탄소를 포함하는 미반응 가스, 열 및 물을 공급받아 수소를 생산할 수 있다.
상세하게는, 상기 제2 공기극(510)에서 상기 일산화탄소 및 이산화탄소를 포함하는 미반응 가스 연료로 사용하고, 물(스팀)을 전기분해하여 양이온, 산소 및 전자로 분리한다. 상기 제2 고체 전해질층(520)을 통해 제2 공기극(510)으로부터 형성된 양이온을 제2 연료극(530)으로 전달하며, 상기 제2 연료극(530)에서 상기 제2 공기극(510)에서 전달받은 양이온 및 전자가 반응하여 수소를 생성할 수 있다. 이때, 생성된 수소는 수소 배출부(560)를 통해 회수하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템은 가스 배출부(120)를 더 포함한다. 상기 제4 반응부(400)에서 반응하지 않은 일산화탄소 및 이산화탄소를 포함하는 미반응 가스를 유로를 따라 가스 배출부(120)를 통해 외부로 배출할 수 있다. 이때, 외부로 배출되는 미반응가스의 온도는 약 600℃정도 일 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템을 제공하는 효과가 있다.
상세하게는, 플라즈마에 의해 가열 및 개질된 바이오가스를 고체산화물연료전지의 연료로 공급하여 물과 전기를 생성하고, 상기 생성된 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템을 제공하는 효과가 있다.
또한, 바이오가스의 직접 개질을 통해 고체산화물 연료전지 연료극의 탄소 침적을 감소시켜 장기 안정성을 유지시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 재생가능한 자원인 바이오가스를 연료로 사용함에 따라 자원 재사용 및 에너지 효율성을 높이는 효과가 있다.
또한, 외부버너를 사용하지 않고 플라즈마의 고온 발생열을 이용하여 개질을 수행하고, 고체산화물 연료전지 및 고체산화물 수전해 셀을 운전함에 따라 에너지 손실을 줄이고 에너지 효율성을 높이는 효과가 있다.
본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
[부호의 설명]
110: 연료 공급부, 120: 가스 배출부
200: 제1 반응부,
300: 제2 반응부
400: 제3 반응부, 410: 제1 연료극, 420: 제1 고체 전해질층, 430: 제1 공기극, 440: 실링재, 450: 공기 유입부, 460: 공기 배출부
500: 제4 반응부, 510: 제2 공기극, 520: 제2 고체 전해질층, 530: 제2 연료극, 540: 실링재, 560: 수소 배출부

Claims (12)

  1. 고체산화물 연료전지 및 고체산화물 수전해 셀을 포함하는 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템에 있어서,
    바이오가스를 연료로 공급하는 연료 공급부;
    상기 연료 공급부를 통해 공급된 바이오가스를 개질하여 제1 개질가스를 생성하는 제1 반응부;
    상기 제1 개질가스를 2차 개질하여 제2 개질가스를 생성하는 제2 반응부;
    상기 제2 반응부에서 생성된 제2 개질가스를 공급받아 전기를 생성하는 제3 반응부;
    상기 제3 반응부에서 생성된 미반응 가스를 공급받아 연료로 사용하고, 상기 제3 반응부에서 생성된 스팀을 공급받아 수소를 생성하는 제4 반응부; 및
    상기 제3 반응부에서 생성된 전기를 공급받아 상기 제1 반응부 및 제4 반응부에 전기를 공급하는 전력변환기;를 포함하는,
    바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반응부는 플라즈마를 개질 수단으로 사용하는 제1 반응기를 더 포함하고,
    상기 제1 반응기는 상기 바이오가스를 개질하여 제1 개질가스 및 열원을 생성하고,
    상기 제1 반응부는 상기 제2 반응부 하부에 배치되는 것인,
    바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 개질가스는 메탄, 이산화탄소, 일산화탄소, 수소 및 스팀을 포함하고,
    상기 제2 반응부는 상기 제1 반응부에서 생성된 제1 개질가스를 공급받아 수소, 이산화탄소 및 일산화탄소를 포함하는 제2 개질가스로 개질하는 것인,
    바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 반응부는 촉매가 배치되어 상기 제1 개질가스와 반응하고,
    상기 촉매는 Ni-페로브스카이트를 포함하는 것인,
    바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제3 반응부는 상기 제2 개질가스를 공급받아 전기 및 물을 생성하고,
    상기 제3 반응부는,
    상기 제2 개질가스 내 수소가 산화되어 전자와 수소이온을 생성하는 제1 연료극;
    상기 제1 연료극으로부터 전자를 전달받고 외부공기와 반응하여 산소이온을 생성하는 제1 공기극;
    상기 제1 공기극으로부터 산소이온을 전달받아 상기 제1 연료극에 공급하는 제1 고체 전해질층;
    상기 제1 공기극 상부에 공기가 유입되는 공기 유입부; 및
    미반응 공기가 배출되는 공기 배출부;를 포함하는 것인,
    바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제4 반응부는 상기 제3 반응부로부터 일산화탄소 및 이산화탄소를 포함하는 미반응 가스, 열 및 물을 공급받아 수소를 생산하고,
    상기 제4 반응부는,
    상기 일산화탄소 및 이산화탄소를 포함하는 미반응 가스를 연료로 사용하고 스팀을 전기분해하여 양이온, 산소 및 전자로 분리하는 제2 공기극;
    상기 제2 공기극으로부터 양이온을 제2 연료극으로 전달하는 제2 고체 전해질층;
    상기 제2 공기극으로부터 전달받은 양이온 및 전자가 반응하여 수소를 생성하는 제2 연료극; 및
    상기 제2 연료극에서 생성된 수소를 외부로 배출하는 수소 배출부;를 포함하는 것인,
    바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반응부에서 생성된 고온의 발생열로 상기 제2 반응부, 제3 반응부 및 제4 반응부를 예열하는 것인,
    바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템.
  8. 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템의 운전방법에 있어서,
    바이오가스를 연료로 공급하는 연료 공급단계;
    상기 연료 공급부를 통해 공급된 바이오가스를 개질하여 제1 개질가스를 생성하는 제1 개질단계;
    상기 제1 개질가스를 2차 개질하여 제2 개질가스를 생성하는 제2 개질단계;
    상기 제2 개질단계에서 생성된 제2 개질가스를 공급받아 전기를 생성하는 전기생성단계; 및
    상기 전기생성단계에서 생성된 미반응 가스를 공급받아 연료로 사용하고, 상기 전기생성단계에서 생성된 스팀을 공급받아 수소를 생성하는 수소생성단계; 를 포함하고,
    상기 전기생성단계 생성된 전기는 상기 제1 개질단계 및 수소생성단계에 공급하는 것인,
    바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템의 운전방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 개질단계는 개질 수단으로 플라즈마를 가하여 제1 개질가스를 생성하고,
    상기 제1 개질가스는 수소, 물 및 미반응가스(일산화탄소, 이산화탄소)를 포함하는 것인,
    바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템의 운전방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 개질단계는 상기 제1 개질가스를 기능성 촉매층에 공급하여 제2 개질가스를 생성하고,
    상기 제2 개질가스는 수소 및 미반응가스(일산화탄소, 이산화탄소)를 포함하는 것인,
    바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템의 운전방법.
  11. 제8항에 있어서,
    전기생성단계는 제2 개질가스를 공급받아 전기 및 물을 생성하고,
    제1 연료극에서 제2 개질가스 내 수소가 산화되어 전자와 수소이온이 형성되고,
    제1 공기극에서 상기 제1 연료극으로부터 전자를 전달받고 외부공기와 반응하여 산소이온을 생성하며,
    상기 산소이온은 제1 고체 전해질층을 통해 제1 공기극으로부터 제1 연료극으로 전달되고,
    상기 제1 연료극으로 전달된 산소이온은 상기 수소이온과 반응하여 물을 형성하는 것인,
    바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템의 운전방법.
  12. 제11항에 있어서,
    수소생성단계는 전기생성단계에서 형성된 일산화탄소 및 이산화탄소를 포함하는 미반응 가스, 열 및 물을 공급받아 수소를 생산하고,
    제2 공기극에서 상기 일산화탄소 및 이산화탄소를 포함하는 미반응 가스를 연료로 사용하고 스팀을 전기분해하여 양이온, 산소 및 전자로 분리하고,
    제2 고체 전해질층을 통해 제2 공기극으로부터 형성된 양이온을 제2 연료극으로 전달하며,
    제2 연료극에서 상기 제2 공기극에서 전달받은 양이온 및 전자가 반응하여 수소를 생성하는 것인,
    바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템의 운전방법.
PCT/KR2024/011603 2023-09-26 2024-08-06 바이오가스 기반 전기화학적 수소추출분리 시스템 Pending WO2025071002A1 (ko)

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