Biogas has attracted much attention as modern society gradually emphasizes carbon neutrality on the fossil-based energy system. To balance energy production from renewables with total energy demand, biogas should be upgraded to RNG (Renewable Natural Gas) in order to make use of all the energy system benefits of natural gas. Removing carbon dioxide in raw biogas with low energy-intensive technology has been one of the vital aspects of biogas utilization. This study explores the usefulness of the electrochemical approach in biogas upgrading and evaluates how effective the system is in terms of CH4 recovery and energy demand. By combining fuel cell and electrolysis cell, CO2 was dissolved in the cathode, and produced H2 from the cathode was recycled to the anode where the H2 oxidation reaction significantly reduces the total cell potential. The study adopted a comparative experimental design with a water electrolysis system to evaluate the system's performance. In this regard, the contribution factor of overall cell potential reduction was analyzed from the Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) response. Consequently, electrochemical methanation achieved 99.67 ± 0.58% purity. Also, substituting anodic reaction from O2 evolution to H2 oxidation resulted in approximately 65% of overall cell potential reduction. What is striking about this result is that 93.7% of the anodic overpotential in water electrolysis was eradicated in H2 recycling system.
2050년 탄소중립을 달성하기 위한 주요 전략은 재생 에너지의 생산 및 활용으로, 유럽의 경우 2030년까지 최종 에너지 소비의 40%를 재생에너지원에서 충당하여야 한다. 대부분의 재생 에너지는 범용성이 낮은 특성으로 인해 화석연료 기반의 에너지 시스템에 통합될 수 없지만, 바이오가스의 경우 CO2를 제거하는 정제 과정을 거치면 기존 천연가스 설비를 그대로 활용할 수 있어 탄소중립 환경에서 에너지 시스템 전반의 유연성을 확보하는 기능을 한다. 본 연구는 전기화학적 방법을 사용한 바이오가스 정제 시스템을 개발하는 것을 목표로 하였으며, 바이오가스 내 CO2를 제거하여 고순도의 메탄을 회수하는 동시에 에너지 요구량을 유의미한 수준까지 절감할 수 있도록 연료전지와 수전해셀을 결합한 전기화학셀을 디자인하였다. 수전해셀의 환원전극에서 생성되는 OH- 이온으로 바이오가스 내 CO2를 제거하고, 물분해로 생성된 수소를 연료전지 구조의 산화전극으로 이동시켜 기존 수전해셀에서 일어나는 산소생성반응을 수소 산화반응으로 대체하였다. 이 과정에서 전체적인 셀 포텐셜을 크게 감소시킬 수 있었으며, 최종적인 메탄 순도는 99.67 ± 0.58%를 기록하였다. EIS 분석을 통해 수소 리사이클링 시스템에서 에너지 효율을 증가시킬 수 있었던 구체적인 원인을 밝혔으며, 산소생성반응이 수소 산화반응으로 대체되면서 산화전극 과전압의 93.7%가 제거되어 전체 셀 전압 감소분의 65%를 차지하였음을 확인하였다. 또한 inductive loop의 원인을 밝히는 과정에서 온도를 상승시킬 경우 전체적인 시스템의 효율을 더욱 개선시킬 수 있다는 것을 증명하였다.
