바이오가스의 전환율, 에너지 전환효율, 수소선택도, 수소 수율, 비주입에너지 그리고 비에너지 요구량은 Eqs. (19)~(25)에 의해 계산되어지며, 추가적으로 일산 화탄소 및 에틸렌의 선택도를 Eqs. (36), (37)의해 나타냈다.
(1) 일산화탄소 선택도
× ···(36)
여기서, [CH4]converted는 메탄 전환량(L/min), [CO2]converted 이산화탄소 전환량이며,
[CO]produced는 일산화탄소 생성량(L/min) 이다.
(2) 에틸렌 선택도
×
× ···(37)
여기서, [CH4]converted는 메탄 전환량(L/min), [CO2]converted 이산화탄소 전환량 (L/min)이며, [C2H4]produced는 에틸렌 생성량(L/min) 이다.
5.3 결과 및 고찰
본 연구에서는 바이오가스 가스를 PEMFC 적용하기 위해 글라이딩 아크 플라즈마 촉매 반응기, 전이반응기, 선택적 산화반응기로 구성된 개질 시스템을 통해 최적 조건과 실험 결과에 대해 Table 5-2에 나타냈다.
HTS 반응기는 S/C 비 3에서 최적 조건이었으며, 수소 수율은 평균 60%로 나타났 으며, 촉매 층 온도는 500 ℃에서 최대 수소 수율을 얻을 수 있었다.
LTS 반응기의 S/C 비 2.9에서 최적 조건이었으며, 수소 수율은 HTS 반응기 보다 평균 2% 증가되었다. 촉매 층 온도는 300 ℃에서 최대 수소 수율을 얻을 수 있었 다.
PROX I단의 공기 주입량은 300 mL/min에서 수소 수율과 일산화탄소 선택도가 최 적조건이었다. 또한 촉매 층 온도는 190 ℃에서 최적조건을 나타냈다.
PROX II단의 공기주입은 200 mL/min, 촉매층 온도는 190 ℃에서 수소 수율과 일 산화탄소 선택도가 최적조건이었으며, 이때의 일산화탄소 선택도는 0%로 일산화탄 소가 배출되지 않았다.
바이오가스가 각 반응기를 모두 지난 후의 합성가스는 수소 수율 55%, 메탄 전 환율 97%, 이산화탄소 전환율 91%로 바이오가스를 개질하여 생성된 합성가스는 높 은 수율을 나타내며, 일산화탄소 선택도는 0%를 나타내고 있어 PEMFC에 적용이 가 능할 것으로 보여진다.
Table 5-2. Experimental conditions and data for the reference condition of hydrogen rich gas production system
Reference condition Conditions Component ratio
(CH4:CO2) Steam flow rate
(L/min) S/C ratio Input power (kW)
Specific energy input
(kWh/m3)
value 6:4 12 3 0.52 0.5
Experimental data SynGas components (%) CH4
conversion rate(%)
Energy conversion efficiency
(%)
H2
selectivity (%)
H2 yield (%)
Specific energy requirement
(kJ/mol) H2 CO CH4 CO2 C2H4 C2H6 N2
62.1 11.7 1.1 21.7 0 0 3.4 99.7 98.6 54.6 53.5 63
5.3.1 글라이딩 아크 플라즈마 촉매 반응기
변수별 연구에 앞서 글라이딩 아크 플라즈마 촉매 반응기에서의 개질 가스가 수성가스 전이반응기 및 선택적 산화반응기에 영향을 미치지 않는 최적의 조건을 찾기 위하여 실험을 진행하였다.
Fig. 5-9는 글라이딩 아크 플라즈마 촉매 반응기의 수증기 주입량 변화를 나타 낸 것이다. 수성가스 전이반응기는 글라이딩 아크 플라즈마 촉매 반응기와 일체형 으로 설계 및 제작되어 있어, 주입되는 수증기가 동시에 사용되기 때문에 수증기 주입량 변화를 실험한 결과를 나타낸 것이다. 글라이딩 아크 플라즈마 촉매 반응 기에서 S/C 비 2이하에서는 카본블랙이 형성되었으며, S/C 비 4 이상에서는 수증 기 기화장치에 주입되는 물의 양의 증가로 기화장치의 온도가 감소하는 현상이 나 타났다. 이런 점들을 고려하여 글라이딩 아크 플라즈마 촉매 반응기에서 카본블랙 이 형성되지 않으면서 히터 온도가 유지되는 지점인 S/C 비 2.6∼3.4의 범위에서 실험을 진행하였다.
실험결과는 수소 수율은 평균 60%로 비교적 안정되게 나타내고 있다. 메탄 전환 율은 평균 99%로 높은 전환율을 나타내고 있어 거의 대부분의 메탄은 합성가스로 전환됨을 알 수 있다. 일산화탄소 선택도는 평균 60%로 안정적으로 나타났으며, Sreethawong 등에 의한 연구결과와 유사한 평균 12%의 에틸렌 선택도를 나타냈다
162). 결과적으로 글라이딩 아크 플라즈마 촉매 반응기에서 합성가스 생산이 비교적 안정적으로 형성되는 것을 확인할 수 있었다.
H2yield,CO2,CH4conversionrate(%) CO,C2H4selectivitys(%) 0 20 40 60 80 100 CH4conversion
CO2conversion
CO selectivity
H2yield
C2H4selectivity
Steam/Carbon
2.6 2.8 3 3.2 3.4
40 60 80 100
Fig. 5-9. Effect of various S/C ratios in the gliding arc plasma reactor.