KR102265036B1 - 바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템 - 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.

Description

바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템{HYDROGEN CONVERGENCE CHARGING SYSTEM USING BIOGAS}
본 발명은 바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템에 대한 것이다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
이에, 상술한 바와 같은 문제들을 해결하여 운영 자립화가 가능한 수소 융복합 충전 기술에 대한 연구가 필요한 실정이다.
특허문헌 1: 한국등록특허 제10-1963113호 공보(2019.07.30) 특허문헌 2: 한국등록특허 제10-1739045호 공보(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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템 및 방법의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.
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.
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.
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.
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.
[반응식 1] CH4 + H2O → CO + 3H2 △H = 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.
[반응식 2] CO + H2O → CO2 + H2 △H = -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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
도 3을 참조하면, 수소융복합 충전 시스템(1)은 고압 디스펜서(82), 중압 디스펜서(84) 및 저압 디스펜서(86)를 더 포함할 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
구체적으로, 수소 발생부(30')는 전처리부(310), 건식 개질부(320), 수성가스 전이반응부(330) 및 수소 고질화부(340)를 포함할 수 있다.
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.
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.
[화학식 3] CH4 + CO2 ↔ 2CO + 2H2 (△H298K = +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.
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.
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.
수성가스 전이반응부(330)에서 일어나는 합성가스 전환반응은 하기 [화학식 4]로 표시될 수 있다.
[화학식 4] CO + H2O ↔ CO2 + H2 (△H298K = -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.
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.
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.
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.
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 고질화부

Claims (9)

  1. 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.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 수소 발생부에서 생산된 수소는 상기 고압 압축부에 의해 900 bar 이상의 압력으로 압축되는,
    바이오가스를 이용한 수소융복합 충전 시스템.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
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