KR102265036B1 - Hydrogen convergence charging system using biogas - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따르면, 메탄을 포함하는 바이오가스를 저장 및 공급하는 바이오가스 공급부; 상기 바이오가스 공급부에 연결되고, 상기 바이오가스 공급부로부터 공급되는 바이오가스를 이용하여 수소를 생산하는 수소 발생부; 상기 수소 발생부에 연결되고, 상기 수소 발생부에서 생산된 수소를 소정 압력 이상으로 압축하는 고압 압축부; 상기 고압 압축부에 연결되고, 상기 고압 압축부에서 압축된 수소를 저장하는 고압 수소 저장부; 상기 고압 수소 저장부에 연결되고, 상기 고압 수소 저장부에 저장된 수소의 압력을 기 설정된 복수의 압력들 중 하나로 조절하여 배출하는 압력 조절부를 포함할 수 있다.The present invention relates to a hydrogen fusion charging system using biogas. Specifically, according to an embodiment of the present invention, a biogas supply unit for storing and supplying biogas containing methane; a hydrogen generator connected to the biogas supply unit and configured to produce hydrogen using the biogas supplied from the biogas supply unit; a high-pressure compression unit connected to the hydrogen generating unit and compressing the hydrogen produced by the hydrogen generating unit to a predetermined pressure or higher; a high-pressure hydrogen storage unit connected to the high-pressure compression unit and storing hydrogen compressed in the high-pressure compression unit; It may include a pressure adjusting unit connected to the high-pressure hydrogen storage unit and discharging by adjusting the pressure of the hydrogen stored in the high-pressure hydrogen storage unit to one of a plurality of preset pressures.

Description

바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템{HYDROGEN CONVERGENCE CHARGING SYSTEM USING BIOGAS}Hydrogen fusion charging system using biogas {HYDROGEN CONVERGENCE CHARGING SYSTEM USING BIOGAS}

본 발명은 바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템에 대한 것이다. The present invention relates to a hydrogen fusion charging system using biogas.

일반적으로, 우리나라는 소비 에너지의 97%를 수입에 의존하고 있으며, 에너지 소비 증가율 또한 매우 높다. 현재 대부분의 에너지를 화석연료를 이용하여 얻고 있으나, 매장량이 한정되어 있어 영구사용이 불가능하며, 가격은 지속적으로 올라가고 있다. 또한, 사용하면서 배출되는 배출가스는 지구온난화와 미세먼지와 같은 여러 가지 환경문제를 일으키고 있다. 나아가, 대체 에너지로 주목을 받았던 원자력 에너지도 후쿠시마 원전사고 이후 탈원전 시대로 가면서 화석연료와 원자력 에너지를 대체할 에너지로 재생가능에너지(Renewable energy)가 주목되고 있다. 이러한 재생가능에너지는 태양, 풍력, 조력, 지열 등 다양하지만 전기에너지로만 변환이 가능하여 저장과 운송에 어려움이 있다. 따라서 이러한 문제들을 해결함과 동시에 지역적 편재가 없으면서, 고갈되지 않고, 지속적으로 사용 가능한 친환경적 에너지가 필요하다.In general, Korea depends on imports for 97% of energy consumption, and the rate of increase in energy consumption is also very high. Currently, most of the energy is obtained using fossil fuels, but due to limited reserves, permanent use is impossible, and the price is continuously rising. In addition, exhaust gases emitted during use cause various environmental problems such as global warming and fine dust. In addition, nuclear energy, which has been attracting attention as an alternative energy, has been attracting attention as renewable energy as an energy to replace fossil fuels and nuclear energy as the era of nuclear power is shifted after the Fukushima nuclear accident. These renewable energies are diverse, such as solar, wind, tidal, and geothermal, but they can only be converted into electrical energy, so storage and transportation are difficult. Therefore, while solving these problems, there is a need for environmentally friendly energy that is not ubiquitous in the region, is not exhausted, and can be used continuously.

이러한 관점에서, 수소는 우주 물질의 75%를 차지할 정도로 풍부하며, 지역적 편중이 없는 보편적 에너지원으로서 장기간ㆍ대용룸* 저장이 가능하고, 산소와 반응하여 열ㆍ전기에너지를 생산하며, 부산물은 물 밖에 없어 환경 친화적인 에너지이다. 또한, 다른 재생에너지의 단점을 P2G(Power to gas) 기술을 이용하여 수소로 전환하면 저장 및 운송이 쉬운 에너지 저장소처럼 활용할 수 있다. 이렇게 수소를 활용하면 에너지원의 다각화, 해외 에너지 의존도 감소 등을 통해서 에너지 공급 리스크를 완화하고 에너지 자립이 가능하다. From this point of view, hydrogen is abundant enough to account for 75% of the cosmic matter, and as a universal energy source without regional bias, it can be stored for a long time or in a substitute room*, reacts with oxygen to produce thermal and electrical energy, and the by-product is water. There is only one environmentally friendly energy. In addition, if the disadvantages of other renewable energy are converted to hydrogen using P2G (Power to gas) technology, it can be used as an energy storage that is easy to store and transport. By using hydrogen in this way, it is possible to alleviate energy supply risks and become energy self-sufficient by diversifying energy sources and reducing dependence on foreign energy.

현재 가장 많이 이용되는 수소 생산방법은 도시가스를 이용하여 스팀개질을 통해서 수소를 생산하는 방법이다. 그러나 화석연료인 도시가스를 이용하기 때문에 온실가스 배출과 도시가스 가격 상승으로 경제성이 낮은 문제점이 있다. Currently, the most used hydrogen production method is a method of producing hydrogen through steam reforming using city gas. However, since city gas, which is a fossil fuel, is used, there is a problem of low economic efficiency due to greenhouse gas emission and increase in city gas price.

이에 대한 대안으로서, 바이오가스를 이용하는 방법이 있다. 일반적으로 함수율이 높은 유기성폐기물은 처리비용 및 환경문제로 인해서 주로 매립 또는 해양투기로 처리되었다. 그러나 직매립 금지와 런던협약에 의거하여 해양투기 금지, 기후변화협약에 따른 이산화탄소의 저감을 위해서 지속적인 신재생에너지 자원 확보가 매우 중요한 문제로 대두되면서, 새로운 바이오매스 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 유기성폐기물은 높은 유기물함량으로 인해서 혐기소화에 적용시 메탄가스 회수가 가능하여 많은 관심을 받고 있다. As an alternative to this, there is a method using biogas. In general, organic wastes with high moisture content were mainly disposed of in landfill or dumping at sea due to treatment costs and environmental problems. However, there is a growing interest in new biomass energy as the ban on direct landfilling and the ban on dumping at sea according to the London Convention and the continuous securing of renewable energy resources to reduce carbon dioxide according to the Climate Change Convention are emerging as very important issues. Organic waste is receiving a lot of attention because it is possible to recover methane gas when applied to anaerobic digestion due to its high organic matter content.

그러나 님비현상으로 인해서 혐기소화 시설이 도시 외각에 있어서 가장 효율이 높은 열에너지 형태로 공급하기 어렵고, 전기에너지는 효율이 낮으며, 도시가스 공급은 고질화의 단위공정과 도시가스 배관 연계가 필요하여 초기 투자비용이 높다. 따라서 미활용 되고 있는 바이오가스가 전체의 20%를 상회하고 있는 실정이다. 따라서 현재 수소생산을 위한 경제성 있는 대안으로 대두되고 있는 바이오가스를 활용하는 수소융복합충전소 개발은 수소 사회로의 조기 진입과 버려지는 자원의 효율적 활용이라는 두가지 과제를 동시에 해결할 수 있는 방법이다.However, due to the nimbi phenomenon, it is difficult for anaerobic digestion facilities to supply the most efficient form of thermal energy outside the city, electrical energy is inefficient, and city gas supply requires a unit process of nitrification and connection of city gas pipelines. The investment cost is high. Therefore, the unused biogas accounts for more than 20% of the total. Therefore, the development of a hydrogen fusion charging station using biogas, which is currently emerging as an economical alternative for hydrogen production, is a method that can simultaneously solve the two tasks of early entry into a hydrogen society and efficient use of wasted resources.

종래의 바이오가스를 이용한 수소 충전 기술은 on-site 수소생산이 요구되는데, 안정적이고 경제성 있는 수소생산을 위해서는 수소발생기의 24시간 운전이 필요하다. 이때 메탄을 이용하여 수소를 생산하기 위해서 개질기를 사용하는데, 고온에서 촉매를 이용하여 반응을 수행하기 때문에 자주 운전 중지와 가동을 반복하게 되면 많은 에너지 소비와 이에 따른 효율 저하, 유지보수 등의 문제가 발생된다.The conventional hydrogen charging technology using biogas requires on-site hydrogen production. For stable and economical hydrogen production, 24-hour operation of the hydrogen generator is required. At this time, a reformer is used to produce hydrogen using methane, and since the reaction is performed using a catalyst at high temperature, frequent stopping and repeated operation causes a lot of energy consumption and problems such as reduced efficiency and maintenance. occurs

또한, 바이오가스는 유기성폐기물 처리를 위해서 지속적인 운전이 필요하기 때문에 수소 생산을 위한 용도로만 제한하게 되면 그 외의 다른 활용 방법을 찾아야 한다. 게다가 생산된 수소의 이용을 위해서는 일반 수소차량과 수요가 있는 곳으로 수소를 대량 이송하기 위한 튜브 트레일러 모두 이용 가능한 충전소가 필요하다. 그러나 일반 수소차량과 튜브 트레일러의 충전 압력이 다르기 때문에 수소 충전소의 설치가 용이하지 않다. In addition, since biogas requires continuous operation for organic waste treatment, if it is limited to use only for hydrogen production, other utilization methods must be found. In addition, in order to use the produced hydrogen, a charging station that can be used for both general hydrogen vehicles and tube trailers for mass transport of hydrogen to places of demand is required. However, it is not easy to install a hydrogen charging station because the charging pressure of a normal hydrogen vehicle and a tube trailer is different.

이에, 상술한 바와 같은 문제들을 해결하여 운영 자립화가 가능한 수소 융복합 충전 기술에 대한 연구가 필요한 실정이다.Accordingly, there is a need for research on hydrogen fusion charging technology that can be operated independently by solving the above-mentioned problems.

특허문헌 1: 한국등록특허 제10-1963113호 공보(2019.07.30)Patent Document 1: Korean Patent No. 10-1963113 Publication (July 30, 2019) 특허문헌 2: 한국등록특허 제10-1739045호 공보(2017.05.17)Patent Document 2: Korean Patent No. 10-1739045 Publication (2017.05.17)

본 발명의 실시예들은 상술한 종래의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 에너지 효율이 높고, 다양한 충전 압력에도 대응할 수 있어서 활용 가능성이 현실적인 수준으로 달성될 수 있으며, 운영 자립화가 가능한 바이오가스를 이용한 수소 융복합 충전 시스템을 제공하고자 한다.Embodiments of the present invention have been devised to solve the above-mentioned conventional problems, have high energy efficiency, can respond to various charging pressures, and thus can achieve a practical level of availability, and hydrogen using biogas that can be operated independently We want to provide a convergence charging system.

본 발명의 일 측면에 따르면, 메탄을 포함하는 바이오가스를 저장 및 공급하는 바이오가스 공급부; 상기 바이오가스 공급부에 연결되고, 상기 바이오가스 공급부로부터 공급되는 바이오가스를 이용하여 수소를 생산하는 수소 발생부; 상기 수소 발생부에 연결되고, 상기 수소 발생부에서 생산된 수소를 소정 압력 이상으로 압축하는 고압 압축부; 상기 고압 압축부에 연결되고, 상기 고압 압축부에서 압축된 수소를 저장하는 고압 수소 저장부; 상기 고압 수소 저장부에 연결되고, 상기 고압 수소 저장부에 저장된 수소의 압력을 기 설정된 복수의 압력들 중 하나로 조절하여 배출하는 압력 조절부를 포함하는, 바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템이 제공될 수 있다.According to an aspect of the present invention, a biogas supply unit for storing and supplying biogas containing methane; a hydrogen generator connected to the biogas supply unit and configured to produce hydrogen using the biogas supplied from the biogas supply unit; a high-pressure compression unit connected to the hydrogen generating unit and compressing the hydrogen produced by the hydrogen generating unit to a predetermined pressure or higher; a high-pressure hydrogen storage unit connected to the high-pressure compression unit and storing hydrogen compressed in the high-pressure compression unit; A hydrogen fusion charging system using biogas is provided, which is connected to the high-pressure hydrogen storage unit, and includes a pressure control unit for discharging by adjusting the pressure of hydrogen stored in the high-pressure hydrogen storage unit to one of a plurality of preset pressures. can

또한, 상기 수소 발생부에서 생산된 수소는 상기 고압 압축부에 의해 900 bar 이상의 압력으로 압축되고, 상기 고압 수소 저장부에서 저장되는 수소의 압력은 800 bar 이상으로 설정되는, 바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템이 제공될 수 있다.In addition, the hydrogen produced in the hydrogen generating unit is compressed to a pressure of 900 bar or more by the high-pressure compression unit, and the pressure of hydrogen stored in the high-pressure hydrogen storage unit is set to 800 bar or more, hydrogen fusion using biogas A composite filling system may be provided.

또한, 상기 압력 조절부에 연결되고, 상기 압력 조절부에 의해 700 bar 이상의 압력으로 조절된 수소를 제공받아서 배출하는 고압 디스펜서; 상기 압력 조절부에 연결되고, 상기 압력 조절부에 의해 450 bar 이상의 압력으로 조절된 수소를 제공받아서 배출하는 중압 디스펜서; 및 상기 압력 조절부에 연결되고, 상기 압력 조절부에 의해 200 내지 250 bar 의 압력으로 조절된 수소를 제공받아서 배출하는 저압 디스펜서를 더 포함하는, 바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템이 제공될 수 있다.In addition, the high-pressure dispenser is connected to the pressure control unit, receiving the hydrogen adjusted to a pressure of 700 bar or more by the pressure control unit to discharge; a medium-pressure dispenser connected to the pressure control unit and receiving and discharging hydrogen adjusted to a pressure of 450 bar or more by the pressure control unit; and a low-pressure dispenser connected to the pressure control unit, receiving and discharging hydrogen adjusted to a pressure of 200 to 250 bar by the pressure control unit, a hydrogen fusion charging system using biogas can be provided have.

또한, 상기 수소 발생부와 상기 고압 압축부 사이에 연결되고, 상기 수소 발생부에서 생산된 수소를 전달받아서 저장하는 저압 수소 저장부; 및 상기 저압 수소 저장부에 연결되고, 상기 저압 수소 저장부에 저장된 수소를 공급받아서 전기를 생산하는 연료전지부를 더 포함하는, 바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템이 제공될 수 있다.In addition, a low-pressure hydrogen storage unit connected between the hydrogen generator and the high-pressure compression unit, receiving and storing the hydrogen produced by the hydrogen generator; and a fuel cell unit connected to the low-pressure hydrogen storage unit and receiving hydrogen stored in the low-pressure hydrogen storage unit to generate electricity, a hydrogen fusion charging system using biogas can be provided.

또한, 상기 수소 발생부에 연결되고, 수소 생산 과정에서 발생되는 부산물인 이산화탄소를 공급받아서 재활용하는 이산화탄소 재활용 시설을 더 포함하는, 바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템이 제공될 수 있다.In addition, a hydrogen fusion charging system using biogas can be provided, which is connected to the hydrogen generator and further includes a carbon dioxide recycling facility for receiving and recycling carbon dioxide, which is a by-product generated in the hydrogen production process.

또한, 상기 연료전지부에서 전기 생산 과정 중 발생되는 폐열은 상기 수소 발생부로 공급되고, 상기 수소 발생부로 공급된 폐열은 수소 생산 공정에 이용되는, 바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템이 제공될 수 있다.In addition, a hydrogen fusion charging system using biogas can be provided in which waste heat generated during the electricity production process in the fuel cell unit is supplied to the hydrogen generating unit, and the waste heat supplied to the hydrogen generating unit is used in the hydrogen production process. have.

또한, 상기 수소 발생부와 상기 연료 전지부에 연결되고, 상기 연료전지부에서 발생되는 폐열을 상기 수소 발생부로 전달하는 열교환기를 더 포함하고, 상기 열교환기를 통해 전달되는 폐열은 상기 수소 발생부의 수소 생산 공정에 이용되는, 바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템이 제공될 수 있다.In addition, the device further includes a heat exchanger connected to the hydrogen generator and the fuel cell, and configured to transfer waste heat generated from the fuel cell to the hydrogen generator, wherein the waste heat transferred through the heat exchanger produces hydrogen in the hydrogen generator. A hydrogen fusion charging system using biogas, which is used in the process, may be provided.

또한, 상기 바이오가스 공급부와 상기 수소 발생부의 사이에 연결되고, 상기 바이오가스 공급부로부터 공급되는 바이오가스의 메탄 함량을 90% 이상으로 높여서 상기 수소 발생부로 공급하는 바이오가스 고질화부를 더 포함하는, 바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템이 제공될 수 있다.In addition, further comprising a biogas nitrification unit connected between the biogas supply unit and the hydrogen generating unit, and supplying the hydrogen generating unit by increasing the methane content of the biogas supplied from the biogas supply unit to 90% or more A hydrogen fusion charging system using gas may be provided.

또한, 상기 수소 발생부는, 상기 바이오가스 공급부에 연결되고, 상기 바이오가스 공급부로부터 공급되는 바이오가스에 대해 수분과 실록산의 제거 및 탈황 처리를 포함하는 전처리를 수행하기 위해 제공되는 전처리부; 상기 전처리부에 연결되고, 상기 전처리부에 의해 전처리된 바이오가스를 건식개질반응을 통해 일산화탄소를 포함하는 합성가스와 수소를 생성하는 건식 개질부; 상기 건식 개질부에 연결되고, 상기 건식 개질부에서 생성된 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 반응시켜서 수소와 이산화탄소를 생성하는 수성가스 전이반응부; 및 상기 수성가스 전이반응부에 연결되고, 상기 수성가스 전이반응부로부터 전달되는 수소 가스의 수소 순도를 높이는 수소 고질화부를 포함하는, 바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템이 제공될 수 있다.In addition, the hydrogen generator may include: a pretreatment unit connected to the biogas supply unit and provided to perform a pretreatment including removal of moisture and siloxane and desulfurization treatment for biogas supplied from the biogas supply unit; a dry reforming unit connected to the pre-processing unit and generating syngas and hydrogen including carbon monoxide through a dry reforming reaction of the biogas pre-treated by the pre-processing unit; a water gas transfer reaction unit connected to the dry reforming unit and generating hydrogen and carbon dioxide by reacting the synthesis gas containing carbon monoxide generated in the dry reforming unit; And connected to the water gas transfer reaction unit, including a hydrogen nitrification unit for increasing the hydrogen purity of the hydrogen gas transferred from the water gas transfer reaction unit, a hydrogen fusion charging system using biogas can be provided.

본 발명의 실시예들에 따르면, 에너지 효율이 높고, 다양한 충전 압력에도 대응할 수 있어서 활용 가능성이 현실적인 수준으로 달성될 수 있으며, 운영 자립화가 가능한 바이오가스를 이용한 수소 융복합 충전 시스템을 제공할 수 있다는 효과가 있다.According to embodiments of the present invention, it is possible to provide a hydrogen fusion charging system using biogas that has high energy efficiency, can respond to various charging pressures, can be utilized at a realistic level, and can be operated independently. It works.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1의 연료전지부에서 발생되는 폐열을 수소 발생부로 전달하기 위한 열교환기를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 수소 전달 압력 체계를 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템을 도시한 블록도이다.
도 5는 도 4의 수소 발생부의 구성을 구체적으로 도시하기 위한 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a hydrogen fusion charging system using biogas according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view illustrating a heat exchanger for transferring waste heat generated in the fuel cell unit of FIG. 1 to a hydrogen generating unit.
3 is a conceptual diagram illustrating the hydrogen delivery pressure system of FIG. 1 .
4 is a block diagram illustrating a hydrogen fusion charging system using biogas according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a block diagram specifically illustrating the configuration of the hydrogen generator of FIG. 4 .

이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, specific embodiments for implementing the spirit of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

아울러 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. In addition, in the description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '결합', '고정', '접촉'된다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 결합, 고정, 접촉될 수도 있지만 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In addition, when it is said that a component is 'coupled', 'fixed', or 'contacted' to another component, it may be directly coupled, fixed, or contacted to the other component, but it is understood that other components may exist in the middle. it should be

본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것은 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.The terminology used herein is only used to describe specific embodiments and is not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise.

또한, 본 명세서에서 일 측, 타 측 등의 표현은 도면에 도시를 기준으로 설명한 것이며 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있음을 미리 밝혀둔다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.In addition, in the present specification, expressions of one side, the other side, etc. are described with reference to the drawings, and it is to be noted in advance that if the direction of the corresponding object is changed, it may be expressed differently. For the same reason, some components are exaggerated, omitted, or schematically illustrated in the accompanying drawings, and the size of each component does not fully reflect the actual size.

또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Also, terms including an ordinal number such as 1st, 2nd, etc. may be used to describe various components, but the components are not limited by these terms. These terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

명세서에서 사용되는 '포함하는'의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.As used herein, the meaning of 'comprising' specifies a particular characteristic, region, integer, step, operation, element and/or component, and other specific characteristic, region, integer, step, operation, element, component, and/or group. It does not exclude the existence or addition of

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템 및 방법의 구체적인 구성에 대하여 설명한다. Hereinafter, a detailed configuration of a hydrogen fusion charging system and method using biogas according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템(1)은 바이오가스 공급부(10), 바이오가스 고질화부(20), 수소 발생부(30), 저압 수소 저장부(40), 고압 압축부(50), 고압 수소 저장부(60) 및 압력 조절부(70)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , the hydrogen fusion charging system 1 using biogas according to an embodiment of the present invention includes a biogas supply unit 10 , a biogas nitrification unit 20 , a hydrogen generator 30 , and a low pressure It may include a hydrogen storage unit 40 , a high-pressure compression unit 50 , a high-pressure hydrogen storage unit 60 , and a pressure control unit 70 .

바이오가스 공급부(10)는 메탄을 포함하는 바이오가스를 저장 및 공급하기 위해 제공되며, 유기성폐기물을 이용하여 혐기소화 공정을 통해 바이오가스를 발생시킨 후, 이를 저장하도록 구비될 수 있다. 이렇게 생성된 바이오가스는 약 60% 메탄과 약 40%의 이산화탄소로 구성될 수 있다. The biogas supply unit 10 is provided to store and supply biogas containing methane, and may be provided to store the biogas after generating biogas through an anaerobic digestion process using organic waste. The biogas thus produced can be composed of about 60% methane and about 40% carbon dioxide.

바이오가스 고질화부(20)는 바이오가스 공급부(10)와 수소 발생부(30)의 사이에 연결되고, 바이오가스 공급부(10)로부터 공급되는 바이오가스의 메탄 함량을 90% 이상으로 높여서 수소 발생부(30)로 공급할 수 있다. 이러한 바이오가스 고질화부(20)는 예를 들어, 흡착공정(adsorption process), 흡수공정(scrubbing process) 및 막분리공정(membrane separation process) 중 적어도 하나 이상의 공정에 의해 바이오가스의 고질화를 수행할 수 있다. The biogas nitrification unit 20 is connected between the biogas supply unit 10 and the hydrogen generator 30 , and increases the methane content of the biogas supplied from the biogas supply unit 10 to 90% or more to generate a hydrogen generating unit (30) can be supplied. The biogas nitrification unit 20 may perform nitrification of biogas by, for example, at least one of an adsorption process, a scrubbing process, and a membrane separation process. can

수소 발생부(30)는 바이오가스 공급부(10)에 연결되고, 바이오가스 공급부(10)로부터 공급되는 메탄 가스를 이용하여 수소를 생산한다. 이때, 수소 발생부(30)는 일 예로 스팀 메탄 개질 반응(Steam Methane Reforming)을 이용하여 수소를 발생시킬 수 있다. 구체적으로, 스팀 메탄 개질 반응은 촉매를 이용해 바이오가스를 스팀 존재하에서 개질해서 하기 [반응식 1]과 같이 합성가스(CO + H2의 혼합 가스)로 화학 전환하는 반응이다.The hydrogen generator 30 is connected to the biogas supply unit 10 and produces hydrogen using methane gas supplied from the biogas supply unit 10 . In this case, the hydrogen generator 30 may generate hydrogen using, for example, steam methane reforming. Specifically, the steam methane reforming reaction is a reaction in which biogas is reformed in the presence of steam using a catalyst and chemically converted into syngas (a mixed gas of CO + H 2 ) as shown in [Reaction Equation 1] below.

[반응식 1] CH4 + H2O → CO + 3H2 △H = 206.28 kJ/mol[Scheme 1] CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 ΔH = 206.28 kJ/mol

이러한 스팀 메탄 개질 반응은 생성 기체 중 CO2/H2 비가 0.25로서, 탄화수소를 원료로 한 부분 산화 공정에 비하여 CO2 생성비가 낮고, 일정량의 탄화수소로부터 더 많은 양의 수소를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 또한, 스팀 메탄 개질 반응 공정에서 생산된 가스의 CO/H2 비율이 높으므로 CO를 CO2 및 H2로 전환시킬 수 있다. 이를 수성가스 전환반응(water-gas shift reaction, WGS)이라 하며, 하기 [반응식 2]로 표현될 수 있다.This steam methane reforming reaction has the advantage that a CO 2 / H 2 ratio of 0.25 of the product gas, as compared with a hydrocarbon in a partial oxidation step as a raw material, CO 2 is low generation ratio, to obtain a larger amount of hydrogen from the quantity of hydrocarbon . In addition, since the CO/H 2 ratio of the gas produced in the steam methane reforming reaction process is high, CO can be converted into CO 2 and H 2 . This is called a water-gas shift reaction (WGS), and can be expressed by the following [reaction formula 2].

[반응식 2] CO + H2O → CO2 + H2 △H = -41.3 kJ/mol[Scheme 2] CO + H 2 O → CO 2 + H 2 ΔH = -41.3 kJ/mol

전환반응은 온도에 따라 고온 전환반응 및 저온 전환반응이 있다. 따라서, 스팀 메탄 개질 반응 공정 이후 고온전환반응(high temperature shift reaction) 공정과 저온전환반응(low temperature shift reaction) 공정이 연결될 수 있다.The conversion reaction includes a high-temperature conversion reaction and a low-temperature conversion reaction depending on the temperature. Therefore, after the steam methane reforming process, a high temperature shift reaction process and a low temperature shift reaction process may be connected.

고온 전환반응은 Cr2O3를 조촉매로 첨가한 Fe2O3 촉매를 사용하여 350~550 ℃에서 수행될 수 있다. 대표적인 사용 촉매의 화학 성분은 Fe(56.5 ~ 57.5％), Cr(5.6 ~ 6.0％)이다. 일반적으로 고온전환반응은 공간속도가 감소할수록 CO 전환율은 높고, 촉매 입경이 감소할수록 반응속도는 증가한다. H2S는 상당히 넓은 온도 범위에서는 촉매 반응에 영향을 미치지 않지만 온도가 낮아질수록 소량의 H2S도 고온 전환반응 속도를 떨어뜨린다. 다시 말해서, 410℃ 이상에서는 농도 4％ H2S도 반응속도에 영향을 미치지 않지만, 350℃에서는 H2S 함유 농도 0.5％ 이내에서만 반응속도에 영향을 미치지 않는다.The high-temperature conversion reaction can be carried out at 350 ~ 550 °C using a Fe 2 O 3 catalyst to which Cr 2 O 3 is added as a co-catalyst. Chemical components of a typical used catalyst are Fe (56.5-57.5%) and Cr (5.6-6.0%). In general, in the high-temperature conversion reaction, as the space velocity decreases, the CO conversion rate is high, and the reaction rate increases as the catalyst particle size decreases. H 2 S does not affect the catalytic reaction in a fairly wide temperature range, but as the temperature decreases, even a small amount of H 2 S lowers the high-temperature conversion reaction rate. In other words, at 410° C. or higher, even 4% H 2 S does not affect the reaction rate, but at 350° C., the H 2 S-containing concentration does not affect the reaction rate only within 0.5%.

저온 전환반응은 200 ~ 250℃에서 수행하며, CuO(15~31％), ZnO(36~62％), Al2O3(0~40％) 등의 촉매를 사용한다. 반응 최저 온도는 수성가스의 이슬점보다 높아야 하며, 배출가스 중의 CO 농도는 1％ 이하가 된다. 저온 전환반응 촉매는 초기에 활성화 과정을 거쳐 환원 상태로 전환시켜 사용한다. H2S에 의한 활성 저하가 심각하므로 저온 전환반응에서는 입구에 H2S 제거 공정을 설치하여 H2S 농도를 0.1 ppm 이하로 유지하는 것이 필요하다.The low-temperature conversion reaction is carried out at 200 ~ 250 ℃, using a catalyst such as CuO (15 ~ 31%), ZnO (36 ~ 62%), Al 2 O 3 (0 ~ 40%). The minimum reaction temperature must be higher than the dew point of the water gas, and the CO concentration in the exhaust gas is 1% or less. The low-temperature conversion catalyst is initially used after being converted to a reduced state through an activation process. Since deactivation is serious due to H 2 S in the low-temperature shift reaction, it is necessary to install an H 2 S removal process to the entrance to keep the H 2 S concentration to less than 0.1 ppm.

이러한 전환반응 이후 수소 정제 공정이 연결될 수 있다. 수소 정제 공정에는 PSA 뿐만 아니라, 분리막법, 심냉법 등이 사용될 수 있다. 예컨대, PSA(pressure swing adsorption)는 4-12개의 흡착탑으로 구성될 수 있다. 흡착제로는 molecular sieve 등 다양한 흡착제를 사용하며, 5~10 bar의 운전 압력에서 99.99％ 이상의 고순도 H2를 생산 할 수 있다. 흡착이 완료된 흡착제는 감압하여 정화공정을 통해서 재생될 수 있다.After this conversion reaction, a hydrogen purification process can be connected. In the hydrogen purification process, not only PSA, but also a separation membrane method, a deep cooling method, etc. may be used. For example, pressure swing adsorption (PSA) may consist of 4-12 adsorption towers. Various adsorbents such as molecular sieve are used as adsorbents, and high purity H 2 of 99.99% or more can be produced at an operating pressure of 5 to 10 bar. The adsorbent that has been adsorbed can be regenerated through a purification process under reduced pressure.

저압 수소 저장부(40)는 수소 발생부(30)에 연결되고, 수소 발생부(30)에서 생산된 수소를 전달받아서 저장한다. 이때, 저압 수소 저장부(40)에 저장되는 수소의 압력은 10 bar 이하로 설정될 수 있다. The low-pressure hydrogen storage unit 40 is connected to the hydrogen generator 30 , receives and stores the hydrogen produced by the hydrogen generator 30 . In this case, the pressure of hydrogen stored in the low-pressure hydrogen storage unit 40 may be set to 10 bar or less.

고압 압축부(50)는 수소 발생부(30)와 연결된 저압 수소 저장부(40)에 연결되고, 수소 발생부(30)에서 생산된 수소를 소정 압력 이상으로 압축한다. 예컨대, 수소 발생부(30)에서 생산된 수소는 고압 압축부(50)에 의해 900 bar 이상의 압력으로 압축될 수 있다. The high-pressure compression unit 50 is connected to the low-pressure hydrogen storage unit 40 connected to the hydrogen generation unit 30 , and compresses the hydrogen produced by the hydrogen generation unit 30 to a predetermined pressure or higher. For example, hydrogen produced by the hydrogen generating unit 30 may be compressed to a pressure of 900 bar or more by the high pressure compression unit 50 .

고압 수소 저장부(60)는 고압 압축부(50)에 연결되고, 고압 압축부(50)에서 압축된 수소를 저장한다. 또한, 고압 수소 저장부(60)에서 저장되는 수소의 압력은 800 bar 이상으로 설정될 수 있다. The high-pressure hydrogen storage unit 60 is connected to the high-pressure compression unit 50 and stores hydrogen compressed in the high-pressure compression unit 50 . In addition, the pressure of hydrogen stored in the high-pressure hydrogen storage unit 60 may be set to 800 bar or more.

압력 조절부(70)는 고압 수소 저장부(60)에 연결되고, 고압 수소 저장부(60)에 저장된 수소의 압력을 기 설정된 복수의 압력들 중 하나로 조절하여 배출한다. 예를 들어, 압력 조절부(70)는 도 3에 도시된 바와 같이 세 단계에 걸쳐서 수소의 압력을 조절하여 배출할 수 있으며, 700 bar, 450 bar 및 200~250 bar 중 어느 하나로 압력을 선택적으로 조절하여 배출할 수 있다. 이러한 압력 조절부(70)는 일 예로 압력 레귤레이터(regulator)로서 제공될 수 있다.The pressure adjusting unit 70 is connected to the high-pressure hydrogen storage unit 60 , and adjusts the pressure of the hydrogen stored in the high-pressure hydrogen storage unit 60 to one of a plurality of preset pressures and discharges it. For example, the pressure control unit 70 may control the pressure of hydrogen over three steps as shown in FIG. 3 and discharge it, and selectively select any one of 700 bar, 450 bar, and 200 to 250 bar. It can be adjusted and discharged. The pressure adjusting unit 70 may be provided as, for example, a pressure regulator.

한편, 바이오가스 공급부(10) 또는 바이오가스 고질화부(20)에 이상이 생겼거나, 혐기소화에 의한 바이오가스의 생성이 원활하지 않을 경우에 대비하여 수소 발생부(30)는 도시가스 계통(12)에 연결되어, 유사시 도시가스를 공급받아서 수소를 생산하는 것이 가능하다. 이로써, 24시간 운전이 가능한 시스템이 구현될 수 있다. 또한, 바이오가스 고질화부(20)에서 메탄 함량이 높아진 바이오가스 중 일부는 CNG 충전소(22)로 공급되어 활용될 수 있다.On the other hand, in case an abnormality occurs in the biogas supply unit 10 or the biogas nitrification unit 20 or the generation of biogas by anaerobic digestion is not smooth, the hydrogen generating unit 30 is installed in the city gas system 12 ), it is possible to produce hydrogen by receiving city gas in case of emergency. Accordingly, a system capable of operating for 24 hours can be implemented. In addition, some of the biogas having an increased methane content in the biogas nitrification unit 20 may be supplied and utilized to the CNG charging station 22 .

또한, 수소융복합 충전 시스템(1)은 이산화탄소 재활용 시설(24)을 더 포함할 수 있다. 이산화탄소 재활용 시설(24)은 수소 발생부(30)에 연결되고, 수소 생산 과정에서 발생되는 부산물인 이산화탄소를 공급받아서 재활용할 수 있다. 이때, 바이오가스 고질화부(20)에서 바이오가스가 고질화되는 과정에서 메탄과 분리된 이산화탄소와 수소 생산 과정에서 발생하는 이산화탄소는 부산물로서 이산화탄소 재활용 시설(24)에 공급되어 재활용될 수 있다.In addition, the hydrogen fusion charging system 1 may further include a carbon dioxide recycling facility 24 . The carbon dioxide recycling facility 24 is connected to the hydrogen generator 30 , and can receive and recycle carbon dioxide, a by-product generated in the hydrogen production process. In this case, carbon dioxide separated from methane and carbon dioxide generated in the hydrogen production process in the process of nitrifying biogas in the biogas nitrification unit 20 may be supplied to the carbon dioxide recycling facility 24 as a by-product and recycled.

또한, 수소융복합 충전 시스템(1)은 연료전지부(42)를 더 포함할 수 있다. 연료전지부(42)는 저압 수소 저장부(40)에 연결되고, 저압 수소 저장부(40)에 저장된 수소를 공급받아서 전기를 생산한다. 이때, 전기 생산 과정 중 발생되는 폐열은 수소 발생부(30)로 공급되고, 수소 발생부(30)로 공급된 폐열은 수소 생산 공정에 이용될 수 있다.In addition, the hydrogen fusion charging system 1 may further include a fuel cell unit 42 . The fuel cell unit 42 is connected to the low pressure hydrogen storage unit 40 , and receives hydrogen stored in the low pressure hydrogen storage unit 40 to generate electricity. In this case, the waste heat generated during the electricity production process may be supplied to the hydrogen generator 30 , and the waste heat supplied to the hydrogen generator 30 may be used in the hydrogen production process.

이와 같이, 저압 수소 저장부(40)에 저장된 수소를 연료전지부(42)에서 전기를 생산하는 데 이용하고, 이렇게 생산된 전기는 수소융복합 충전 시스템(1)의 공정에 다시 이용될 수 있다. 또한, 잉여 전기는 전기차 충전을 위해 이용되거나, 외부로 매전될 수 있다. 이를 위해, 전기차 충전소(44)가 연료전지부(42)에 연결되어 운용될 수 있다.In this way, the hydrogen stored in the low-pressure hydrogen storage unit 40 is used to produce electricity in the fuel cell unit 42 , and the electricity thus produced can be used again in the process of the hydrogen fusion charging system 1 . . In addition, the surplus electricity may be used for charging an electric vehicle or sold to the outside. To this end, the electric vehicle charging station 44 may be operated by being connected to the fuel cell unit 42 .

기존의 수소 충전 시스템은 도시가스를 이용하여 수소를 생산하고 개질기의 예열 및 온도 유지를 위해서도 도시가스를 사용한다. 또한, 고압 압축기 및 공정 운전을 위해서 전기 에너지도 필요하다. 따라서 전기와 도시가스 등의 외부 에너지 사용 없이는 수소 생산이 어려운 구조를 갖는다. 반면에 본 실시예에 따른 수소융복합 충전 시스템(1)은 바이오가스를 간단한 전처리 후 또는 고질화하여 이용하기 때문에 개질기 예열 및 온도 유지를 위해서 평상시에는 외부로부터 도시가스를 공급받을 필요 없이 바이오가스를 이용할 수 있다. 또한, 생산된 수소를 이용해서 연료전지를 통해서 전기를 생산하여 공정에 이용하고 부산물로 발생하는 700℃ 이하의 고온 폐열을 회수하여 수소 발생부(30)의 스팀 생성이나 개질기 온도 유지에 이용 가능하다. 따라서 시스템이 안정적으로 운전되면 외부에너지 사용 없이 바이오가스와 연료전지의 전기를 이용해서 공정을 운전할 수 있어 에너지 자립이 가능하게 된다.The existing hydrogen charging system uses city gas to produce hydrogen and uses city gas to preheat the reformer and maintain temperature. In addition, electrical energy is required for high pressure compressor and process operation. Therefore, it has a structure in which hydrogen production is difficult without the use of external energy such as electricity and city gas. On the other hand, since the hydrogen fusion charging system 1 according to the present embodiment uses biogas after simple pre-treatment or nitrification, it is usually used to preheat the reformer and maintain the temperature, so it is not necessary to receive city gas from the outside. Available. In addition, by using the produced hydrogen to produce electricity through a fuel cell and use it in the process, high-temperature waste heat of 700 ° C or less generated as a by-product can be recovered and used to generate steam in the hydrogen generator 30 or maintain the reformer temperature. . Therefore, if the system is operated stably, the process can be operated using electricity from biogas and fuel cells without the use of external energy, thereby enabling energy independence.

도 2를 참조하면, 수소융복합 충전 시스템(1)은 열교환기(32)를 더 포함할 수 있다. 열교환기(32)는 수소 발생부(30)와 연료전지부(42)에 연결되고, 연료전지부(42)에서 발생되는 폐열을 수소 발생부(30)로 전달할 수 있다. 이를 위해, 열교환기(32)와 연료전지부(42) 및 수소 발생부(30) 사이에는 열매체의 순환을 위한 파이프라인이 설치될 수 있으며, 파이프라인 상에는 순환 펌프(31, 41)와 개폐 밸브(33, 43)가 구비될 수 있다. 이로써, 열교환기(32)를 통해 연료전지부(42)에서 발생된 폐열이 수소 발생부(30)로 전달될 수 있으며, 이렇게 전달된 폐열은 수소 발생부(30)의 수소 생산 공정에 이용될 수 있다.Referring to FIG. 2 , the hydrogen fusion charging system 1 may further include a heat exchanger 32 . The heat exchanger 32 is connected to the hydrogen generating unit 30 and the fuel cell unit 42 , and may transfer waste heat generated in the fuel cell unit 42 to the hydrogen generating unit 30 . To this end, a pipeline for circulation of a heating medium may be installed between the heat exchanger 32, the fuel cell unit 42, and the hydrogen generator 30, and the circulation pumps 31 and 41 and an on/off valve on the pipeline. (33, 43) may be provided. Accordingly, waste heat generated in the fuel cell unit 42 may be transferred to the hydrogen generator 30 through the heat exchanger 32 , and the transferred waste heat may be used in the hydrogen production process of the hydrogen generator 30 . can

도 3을 참조하면, 수소융복합 충전 시스템(1)은 고압 디스펜서(82), 중압 디스펜서(84) 및 저압 디스펜서(86)를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3 , the hydrogen fusion charging system 1 may further include a high-pressure dispenser 82 , a medium-pressure dispenser 84 , and a low-pressure dispenser 86 .

고압 디스펜서(86)는 압력 조절부(70)에 연결되고, 압력 조절부(70)에 의해 700 bar 이상의 압력으로 조절된 수소를 제공받아서 배출할 수 있다. 중압 디스펜서(84)는 압력 조절부(70)에 연결되고, 압력 조절부(70)에 의해 450 bar 이상의 압력으로 조절된 수소를 제공받아서 배출할 수 있다. 저압 디스펜서(86)는 압력 조절부(70)에 연결되고, 압력 조절부(70)에 의해 200 내지 250 bar 의 압력으로 조절된 수소를 제공받아서 배출할 수 있다.The high-pressure dispenser 86 may be connected to the pressure control unit 70 , and may receive and discharge hydrogen adjusted to a pressure of 700 bar or more by the pressure control unit 70 . The medium pressure dispenser 84 is connected to the pressure control unit 70 , and may receive and discharge hydrogen adjusted to a pressure of 450 bar or more by the pressure control unit 70 . The low pressure dispenser 86 may be connected to the pressure control unit 70 , and may receive and discharge hydrogen adjusted to a pressure of 200 to 250 bar by the pressure control unit 70 .

기존의 수소 충전 시스템은 충전 압력별로 가압장치와 저장조가 독립적으로 구성되었다. 그러나 본 실시예에 따른 수소융복합 충전 시스템(1)은 수소를 고압 압축부(50)를 통해서 900 bar 이상으로 압축하여 고압 수소 저장부(60)에 800 bar 이상으로 저장하여 수소차량 및 튜브트레일러가 필요로 하는 다양한 압력(700, 450, 200bar)으로 조절하여 사용하는 개념이다. 따라서 공정의 단순화와 초기 비용 및 운전비용 절감이 가능하다.In the existing hydrogen filling system, the pressurization device and the storage tank were independently configured for each filling pressure. However, the hydrogen fusion charging system 1 according to this embodiment compresses hydrogen to 900 bar or more through the high-pressure compression unit 50 and stores it in the high-pressure hydrogen storage unit 60 to 800 bar or more, so that hydrogen vehicles and tube trailers It is a concept used by adjusting the various pressures (700, 450, 200 bar) required by the user. Therefore, it is possible to simplify the process and reduce the initial cost and operating cost.

고압 수소 저장부(60)에 저장된 수소는 일반 수소차량에 공급 가능한 700 bar, 고압 튜브트레일러에 공급 가능한 450 bar, 저압 튜브트레일러에 공급 가능한 200 내지 250 bar 로 단계적으로 감압하여 공정 중간에 가압을 하거나, 추가 저장 용기 없이 모두 충전할 수 있다.The hydrogen stored in the high-pressure hydrogen storage unit 60 is pressure-reduced in stages to 700 bar that can be supplied to a general hydrogen vehicle, 450 bar that can be supplied to a high-pressure tube trailer, and 200 to 250 bar that can be supplied to a low-pressure tube trailer. , all can be filled without additional storage containers.

한편, 상술한 실시예에 따른 수소융복합 충전 시스템(1)은 스팀 메탄 개질 반응을 이용한 소위 습식 개질 방식에 의해 수소를 생산하는 것으로 설명되었는데, 본 발명의 사상이 이에 한정되는 것은 아니며, 수소 발생부의 수소 발생 매커니즘은 다양하게 변형 실시 가능하다. On the other hand, the hydrogen fusion charging system 1 according to the above-described embodiment has been described as producing hydrogen by a so-called wet reforming method using a steam methane reforming reaction, but the spirit of the present invention is not limited thereto, and hydrogen generation The negative hydrogen generation mechanism can be implemented with various modifications.

이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템(1')에 대하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 상술한 실시예에 비하여 수소 발생부의 수소 생산 매커니즘에 있어서 차이가 있으므로, 이를 중심으로 설명하며, 동일한 부분은 상술한 실시예를 원용한다.Hereinafter, a hydrogen fusion charging system 1 ′ using biogas according to another embodiment of the present invention will be described. In describing this embodiment, since there is a difference in the hydrogen production mechanism of the hydrogen generating unit compared to the above-described embodiment, the description will be focused on this, and the same part will refer to the above-described embodiment.

도 4 및 도 5를 참조하면, 수소 발생부(30')는 습식 개질 방식이 아닌 건식 개질 방식에 의해 수소를 생산하도록 구성될 수 있다. 건식 개질 방식은 이산화탄소와 메탄을 반응하여 수소를 생산하는 방법으로서, 고질화 단계가 필요 없으며, 간단한 전처리 이후 바로 적용 가능하다는 장점이 있다. 따라서 높은 유지보수 비용이 들어가는 바이오가스 고질화 공정과 고온의 스팀이 필요 없어 습식 개질 방식에 비하여 유지비용을 줄일 수 있다. 또한 이산화탄소와 메탄의 1대1 반응으로 바이오가스의 이산화탄소만으로 수소를 생산하기에는 부족하기 때문에 후단 수소 생산 과정에서 발생하는 이산화탄소를 공정에 재이용 할 수 있는 장점이 있다. 4 and 5 , the hydrogen generator 30 ′ may be configured to produce hydrogen by a dry reforming method instead of a wet reforming method. The dry reforming method is a method of producing hydrogen by reacting carbon dioxide and methane, does not require a nitrification step, and has the advantage that it can be applied immediately after a simple pretreatment. Therefore, the maintenance cost can be reduced compared to the wet reforming method because there is no need for high-temperature steam and the biogas nitrification process, which requires high maintenance costs. In addition, since the one-to-one reaction between carbon dioxide and methane is insufficient to produce hydrogen with only carbon dioxide from biogas, there is an advantage in that carbon dioxide generated during the downstream hydrogen production process can be reused in the process.

구체적으로, 수소 발생부(30')는 전처리부(310), 건식 개질부(320), 수성가스 전이반응부(330) 및 수소 고질화부(340)를 포함할 수 있다.Specifically, the hydrogen generating unit 30 ′ may include a pretreatment unit 310 , a dry reforming unit 320 , a water gas transfer reaction unit 330 , and a hydrogen nitridation unit 340 .

전처리부(310)는 바이오가스 공급부(10)에 연결되고, 바이오가스 공급부(10)로부터 공급되는 바이오가스에 대해 수분과 실록산의 제거 및 탈황 처리를 포함하는 전처리를 수행하기 위해 제공된다.The pretreatment unit 310 is connected to the biogas supply unit 10 and is provided to perform a pretreatment including removal of moisture and siloxane and desulfurization treatment on the biogas supplied from the biogas supply unit 10 .

건식 개질부(320)는 전처리부(310)에 연결되고, 전처리부(310)에 의해 전처리된 바이오가스를 건식개질반응을 통해 일산화탄소를 포함하는 합성가스와 수소를 생성한다. 건식 개질부(320)에서는 하기 [화학식 3]으로 표시되는 반응이 진행된다.The dry reforming unit 320 is connected to the pre-processing unit 310 and generates syngas and hydrogen containing carbon monoxide through a dry reforming reaction of the biogas pretreated by the pre-processing unit 310 . In the dry reforming unit 320, the reaction represented by the following [Formula 3] proceeds.

[화학식 3] CH4 + CO2 ↔ 2CO + 2H2 (△H298K = +247 kJ mol-1)[Formula 3] CH 4 + CO 2 ↔ 2CO + 2H 2 (ΔH298K = +247 kJ mol -1 )

이때, [화학식 3]에 표시된 바와 같이 건식 개질 반응은 흡열반응이고, 이에 따라, 건식 개질부(320)는 약 700 내지 900℃의 온도로 유지될 수 있다.At this time, as shown in [Formula 3], the dry reforming reaction is an endothermic reaction, and thus, the dry reforming unit 320 may be maintained at a temperature of about 700 to 900°C.

또한, 수소 발생부(30')는 전처리부(310)와 건식 개질부(320)사이에 제공되는 예열기(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 이 경우 전처리부(310)와 건식 개질부(320)사이에 탄소 침적을 막아 대용량으로 건식 개질 반응이 수행될 수 있다.In addition, the hydrogen generating unit 30 ′ may further include a preheater (not shown) provided between the pre-processing unit 310 and the dry reforming unit 320, in this case the pre-processing unit 310 and the dry reforming unit ( 320), the dry reforming reaction can be carried out in a large capacity by preventing carbon deposition.

수성가스 전이반응부(330)는 건식 개질부(320)에 연결되고, 건식 개질부(320)에서 생성된 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 반응시켜서 수소와 이산화탄소를 생성한다. 수성가스 전이반응부(330)에서는 일산화탄소를 포함하는 합성가스의 전환반응과 이산화탄소의 흡착반응이 일어난다. 이때, 수성가스 전이반응부(330)는 합성가스의 전환반응을 촉진시키는 수소생성촉매를 포함하고, 이산화탄소의 흡착반응을 진행시키는 이산화탄소 포집용 흡착제를 포함할 수 있다.The water gas transfer reaction unit 330 is connected to the dry reforming unit 320 and reacts the synthesis gas containing carbon monoxide generated in the dry reforming unit 320 to generate hydrogen and carbon dioxide. In the water gas transfer reaction unit 330, the conversion reaction of the synthesis gas containing carbon monoxide and the adsorption reaction of carbon dioxide occur. At this time, the water gas transfer reaction unit 330 may include a hydrogen generating catalyst that promotes the conversion reaction of the synthesis gas, and may include an adsorbent for capturing carbon dioxide that advances the adsorption reaction of carbon dioxide.

수성가스 전이반응부(330)에서 일어나는 합성가스 전환반응은 하기 [화학식 4]로 표시될 수 있다.The synthesis gas conversion reaction occurring in the water gas transfer reaction unit 330 may be represented by the following [Formula 4].

[화학식 4] CO + H2O ↔ CO2 + H2 (△H298K = -41 kJ mol-1)[Formula 4] CO + H 2 O ↔ CO 2 + H 2 (ΔH298K = -41 kJ mol -1 )

이러한 합성가스 전환반응에 의해 일산화탄소와 스팀이 동일 몰수로 반응해 수소와 이산화탄소를 생산할 수 있다. 또한, 합성가스 전환반응을 수행하기 위해, 수소생성촉매가 사용될 수 있다. 수소생성촉매로는 Cu, Ni 및 Fe으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 전이금속을 포함하는 촉매가 사용될 수 있으며, 수소생성촉매는 조촉매 및 지지체로서 ZnO 및/또는 Al2O3를 추가로 함유할 수 있다.By this synthesis gas conversion reaction, carbon monoxide and steam react with the same number of moles to produce hydrogen and carbon dioxide. In addition, in order to carry out the synthesis gas shift reaction, a hydrogen generating catalyst may be used. As the hydrogen generating catalyst, a catalyst containing one or more transition metals selected from the group consisting of Cu, Ni and Fe may be used, and the hydrogen generating catalyst may further contain ZnO and/or Al 2 O 3 as a promoter and a support. can

수소 고질화부(340)는 수성가스 전이반응부(330)에 연결되고, 수성가스 전이반응부(330)로부터 전달되는 수소 가스의 수소 순도를 높인다. 또한, 수소 고질화부(340)에서 수소의 순도를 높이는 과정에서 이산화탄소가 부산물로서 생성되는데, 이렇게 생성된 이산화탄소는 건식 개질부(320)로 재순환되어 건식 개질 공정에 재활용될 수 있다.The hydrogen nitridation unit 340 is connected to the water gas transfer reaction unit 330 , and increases the purity of hydrogen gas delivered from the water gas transfer reaction unit 330 . In addition, carbon dioxide is generated as a by-product in the process of increasing the purity of hydrogen in the hydrogen renitrification unit 340 , and the carbon dioxide produced in this way is recycled to the dry reforming unit 320 to be recycled in the dry reforming process.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템에 따르면, 에너지 효율이 높고, 다양한 충전 압력에도 대응할 수 있어서 활용 가능성이 현실적인 수준으로 달성될 수 있으며, 운영 자립화가 가능한 바이오가스를 이용한 수소 융복합 충전 시스템을 제공할 수 있다는 효과가 있다.According to the hydrogen fusion charging system using biogas according to the embodiments of the present invention as described above, energy efficiency is high, and it can respond to various charging pressures, so that utilization can be achieved at a realistic level, and operation independence can be achieved. There is an effect that it is possible to provide a hydrogen fusion charging system using possible biogas.

이상 본 발명의 실시예들을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.Although the embodiments of the present invention have been described as specific embodiments, these are merely examples, and the present invention is not limited thereto, and should be construed as having the widest scope according to the basic idea disclosed herein. A person skilled in the art may implement a pattern of a shape not indicated by combining/substituting the disclosed embodiments, but this also does not depart from the scope of the present invention. In addition, those skilled in the art can easily change or modify the disclosed embodiments based on the present specification, and it is clear that such changes or modifications also fall within the scope of the present invention.

1: 바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템
10: 바이오가스 공급부 20: 바이오가스 고질화부
30, 30': 수소 발생부 40: 저압 수소 저장부
50: 고압 압축부 60: 고압 수소 저장부
70: 압력 조절부 12: 도시가스 계통
22: CNG 충전소 24: 이산화탄소 재활용 시설
42: 연료전지부 44: 전기차 충전소
82: 고압 디스펜서 84: 중압 디스펜서
86: 저압 디스펜서 310: 전처리부
320: 건식 개질부 330: 수성가스 전이반응부
340: 수소 고질화부1: Hydrogen fusion charging system using biogas
10: biogas supply unit 20: biogas nitrification unit
30, 30': hydrogen generating unit 40: low pressure hydrogen storage unit
50: high pressure compression unit 60: high pressure hydrogen storage unit
70: pressure regulator 12: city gas system
22: CNG refueling station 24: CO2 recycling facility
42: fuel cell unit 44: electric vehicle charging station
82: high pressure dispenser 84: medium pressure dispenser
86: low pressure dispenser 310: preprocessor
320: dry reforming unit 330: water gas transfer reaction unit
340: hydrogen nitridation unit

Claims (9)

메탄을 포함하는 바이오가스를 저장 및 공급하는 바이오가스 공급부;
상기 바이오가스 공급부에 연결되고, 상기 바이오가스 공급부로부터 공급되는 바이오가스를 이용하여 수소를 생산하는 수소 발생부;
상기 수소 발생부에 연결되고, 상기 수소 발생부에서 생산된 수소를 소정 압력 이상으로 압축하는 고압 압축부;
상기 고압 압축부에 연결되고, 상기 고압 압축부에서 압축된 수소를 저장하는 고압 수소 저장부; 및
상기 고압 수소 저장부에 연결되고, 상기 고압 수소 저장부에 저장된 수소의 압력을 기 설정된 복수의 압력들 중 하나로 조절하여 배출하는 압력 조절부를 포함하고,
상기 고압 수소 저장부에서 저장되는 수소의 압력은 800 bar 이상으로 설정되고,
상기 고압 수소 저장부에 저장된 800 bar 이상의 압력을 갖는 수소는 상기 압력 조절부를 통해 700 bar 이상의 압력으로 조절된 수소, 450 bar 이상의 압력으로 조절된 수소 및 200 내지 250 bar의 압력으로 조절된 수소 중 어느 하나로 배출되고,
상기 수소 발생부는,
상기 바이오가스 공급부에 연결되고, 상기 바이오가스 공급부로부터 공급되는 바이오가스에 대해 수분과 실록산의 제거 및 탈황 처리를 포함하는 전처리를 수행하기 위해 제공되는 전처리부;
상기 전처리부에 연결되고, 상기 전처리부에 의해 전처리된 바이오가스를 건식개질반응을 통해 일산화탄소를 포함하는 합성가스와 수소를 생성하는 건식 개질부;
상기 건식 개질부에 연결되고, 상기 건식 개질부에서 생성된 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 반응시켜서 수소와 이산화탄소를 생성하는 수성가스 전이반응부; 및
상기 수성가스 전이반응부에 연결되고, 상기 수성가스 전이반응부로부터 전달되는 수소 가스의 수소 순도를 높이는 수소 고질화부를 포함하고,
상기 수소 고질화부에서 수소 가스의 수소 순도를 높이는 과정에서 발생하는 이산화탄소는 상기 건식 개질부로 재순환되어 상기 건식개질반응에 재활용되는,
바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템.A biogas supply unit for storing and supplying biogas containing methane;
a hydrogen generator connected to the biogas supply unit and configured to produce hydrogen using the biogas supplied from the biogas supply unit;
a high-pressure compression unit connected to the hydrogen generating unit and compressing the hydrogen produced by the hydrogen generating unit to a predetermined pressure or higher;
a high-pressure hydrogen storage unit connected to the high-pressure compression unit and storing hydrogen compressed in the high-pressure compression unit; and
and a pressure adjusting unit connected to the high-pressure hydrogen storage unit and discharging by adjusting the pressure of the hydrogen stored in the high-pressure hydrogen storage unit to one of a plurality of preset pressures,
The pressure of hydrogen stored in the high-pressure hydrogen storage unit is set to 800 bar or more,
Hydrogen having a pressure of 800 bar or higher stored in the high-pressure hydrogen storage unit is any of hydrogen controlled to a pressure of 700 bar or higher, hydrogen controlled to a pressure of 450 bar or higher, and hydrogen controlled to a pressure of 200 to 250 bar through the pressure control unit discharged as one
The hydrogen generator,
a pretreatment unit connected to the biogas supply unit and provided to perform a pretreatment including removal of moisture and siloxane and desulfurization treatment on the biogas supplied from the biogas supply unit;
a dry reforming unit connected to the pre-processing unit and generating syngas and hydrogen including carbon monoxide through a dry reforming reaction of the biogas pre-treated by the pre-processing unit;
a water gas transfer reaction unit connected to the dry reforming unit and generating hydrogen and carbon dioxide by reacting the synthesis gas containing carbon monoxide generated in the dry reforming unit; and
It is connected to the water gas transfer reaction unit, and includes a hydrogen nitridation unit to increase the hydrogen purity of the hydrogen gas transferred from the water gas transfer reaction unit,
Carbon dioxide generated in the process of increasing the purity of hydrogen gas in the hydrogen renitrification unit is recycled to the dry reforming unit and recycled in the dry reforming reaction,
Hydrogen fusion charging system using biogas. 제1 항에 있어서,
상기 수소 발생부에서 생산된 수소는 상기 고압 압축부에 의해 900 bar 이상의 압력으로 압축되는,
바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템.According to claim 1,
Hydrogen produced in the hydrogen generating unit is compressed to a pressure of 900 bar or more by the high-pressure compression unit,
Hydrogen fusion charging system using biogas. 제1 항에 있어서,
상기 압력 조절부에 연결되고, 상기 압력 조절부에 의해 700 bar 이상의 압력으로 조절된 수소를 제공받아서 배출하는 고압 디스펜서;
상기 압력 조절부에 연결되고, 상기 압력 조절부에 의해 450 bar 이상의 압력으로 조절된 수소를 제공받아서 배출하는 중압 디스펜서; 및
상기 압력 조절부에 연결되고, 상기 압력 조절부에 의해 200 내지 250 bar 의 압력으로 조절된 수소를 제공받아서 배출하는 저압 디스펜서를 더 포함하는,
바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템.According to claim 1,
a high-pressure dispenser connected to the pressure adjusting unit and receiving and discharging hydrogen adjusted to a pressure of 700 bar or more by the pressure adjusting unit;
a medium-pressure dispenser connected to the pressure control unit and receiving and discharging hydrogen adjusted to a pressure of 450 bar or more by the pressure control unit; and
Further comprising a low pressure dispenser connected to the pressure control unit, receiving and discharging hydrogen adjusted to a pressure of 200 to 250 bar by the pressure control unit,
Hydrogen fusion charging system using biogas. 제1 항에 있어서,
상기 수소 발생부와 상기 고압 압축부 사이에 연결되고, 상기 수소 발생부에서 생산된 수소를 전달받아서 저장하는 저압 수소 저장부; 및
상기 저압 수소 저장부에 연결되고, 상기 저압 수소 저장부에 저장된 수소를 공급받아서 전기를 생산하는 연료전지부를 더 포함하는,
바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템.According to claim 1,
a low-pressure hydrogen storage unit connected between the hydrogen generating unit and the high-pressure compression unit, receiving and storing the hydrogen produced by the hydrogen generating unit; and
Further comprising a fuel cell unit connected to the low-pressure hydrogen storage unit and receiving the hydrogen stored in the low-pressure hydrogen storage unit to produce electricity,
Hydrogen fusion charging system using biogas. 제1 항에 있어서,
상기 수소 발생부에 연결되고, 수소 생산 과정에서 발생되는 부산물인 이산화탄소를 공급받아서 재활용하는 이산화탄소 재활용 시설을 더 포함하는,
바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템.According to claim 1,
Further comprising a carbon dioxide recycling facility connected to the hydrogen generator and receiving and recycling carbon dioxide, which is a by-product generated in the hydrogen production process,
Hydrogen fusion charging system using biogas. 제4 항에 있어서,
상기 연료전지부에서 전기 생산 과정 중 발생되는 폐열은 상기 수소 발생부로 공급되고,
상기 수소 발생부로 공급된 폐열은 수소 생산 공정에 이용되는,
바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템.5. The method of claim 4,
Waste heat generated during the electricity production process in the fuel cell unit is supplied to the hydrogen generating unit,
The waste heat supplied to the hydrogen generator is used in the hydrogen production process,
Hydrogen fusion charging system using biogas. 제4 항에 있어서,
상기 수소 발생부와 상기 연료 전지부에 연결되고, 상기 연료전지부에서 발생되는 폐열을 상기 수소 발생부로 전달하는 열교환기를 더 포함하고,
상기 열교환기를 통해 전달되는 폐열은 상기 수소 발생부의 수소 생산 공정에 이용되는,
바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템.5. The method of claim 4,
Further comprising a heat exchanger connected to the hydrogen generating unit and the fuel cell unit and transferring waste heat generated in the fuel cell unit to the hydrogen generating unit,
Waste heat transferred through the heat exchanger is used in the hydrogen production process of the hydrogen generator,
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