KR100919357B1 - 차량에서의 탄화수소 연료의 탑재형 탈탄화 방법 - Google Patents

차량에서의 탄화수소 연료의 탑재형 탈탄화 방법 Download PDF

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Abstract

기존의 운송 차량에 장착된 내연 엔진에 동력을 공급하기 위해 사용되는 탄화수소 연료 일부 또는 전부의 탑재 처리에 의하여 이산화탄소 배출을 감소시키기 위한 방법 및 장치는 연료의 수소-탄소 결합을 절단하기 위한 공지된 탈탄화 기술을 이용한다. 화합물들은 냉각된 다음, (1) 추후의 회수 및 산업적 사용을 위해탑재 저장되는 기초 탄소 파우더, 및 (2) ICE의 연료로 연소 및/또는 다른 탑재 에너지 관련 설비에 전용될 수 있는 수소, 또는 수소 풍부 기체 스트림으로 분리된다.
탈탄화, 탄화수소 연료, 내연엔진, 연료전지

Description

차량에서의 탄화수소 연료의 탑재형 탈탄화 방법{Method for on board decarbonization of hydrocarbon fuels in a vehicle}
본 발명은 가스상 및/또는 액상 탄화수소 연료의 탑재형 처리에 의한 자동차 및 다른 차량들에 동력을 공급하기 위해 사용되는 내연엔진(ICE)으로부터의 이산화탄소(CO2) 배출 감소에 관한 것이다.
증가하는 온실가스의 농도와 지구온난화 현상과의 명백한 관계에 대한 관심이 증가하고 있다. 그 결과, 다양한 인간활동과 관련된 CO2 배출을 감소시킬 필요성에 대해 세계적 합의가 이루어졌다.
내연엔진(ICE)에 의하여 동력이 전달되는 탄화수소 연료가 공급된 운송 차량으로부터의 이산화탄소(CO2) 배출은 사람이 생성하는 전체 온실가스 배출량의 많은 부분을 차지한다. 결과적으로, 세계적으로 많은 국가에서 차량으로부터의 CO2를 현저하게 감소시키기 위한 새로운 규칙의 채택이 현재 고려되고 있다. 예로서, 최근에 캘리포니아주는 2016년까지 자동차로부터의 CO2 배출의 현저한 감소를 요구하는 새로운 법률을 채택하기 위한 움직임을 나타내고 있다. 발전장치와 같은 고정된 에 너지원으로부터의 CO2 배출은 기술분야에서 알려진 방법 및 장치를 이용한 연소 공정의 전 또는 후에 효과적으로 분리 및 회수될 수 있다. 이들 기술들은 자동차, 트럭 및 버스와 같은 이동 운송 시스템의 경우에는 탑재 공간의 제한된 수용 가능성과 높은 제반 비용으로 인해 실용적이지 않다. 운송기관과 같은 이동 시스템으로부터의 CO2 배출 감소의 필요성을 해결하기 위한 최근의 노력은 연소 엔진 및 파워 트레인의 효율 향상, 연료 효율성이 더 큰 파워 트레인의 채택(예, 하이브리드), 및 회전과 마찰손실의 감소를 포함하는 제한을 통하여 연료 경제성을 최적화하는 것이다.
이들 모든 단계들은 합쳐져서 자동차로부터의 CO2 배출을 어느 정도 감소시켰다. 그러나, 이들 감소의 정도는 빠르게 증가하는 자동차 운송 영역을 고려할 때 CO2 배출의 적합한 수준을 유지하기에는 충분하지 않을 것이다. 이러한 우려로 인해, 비-탄소계 또는 탄소-중화 연료를 사용하는 대체적인 추진 시스템이 심각하게 고려되고 있으며, 현재의 탄화수소 연료용 ICE계 시스템을 점진적으로 대체할 수 있는 것에 대한 요구가 커지고 있다. 그러나, 이들 대체 시스템들은 지난 세기에 걸쳐 전 세계적인 기초위에 개발되어온 운송기관에 연료를 공급하는 사회기반시설의 실질적인 대체를 필요로 할 것이다.
대기 중으로 유입되는 CO2의 생성을 감소시켜 지구 온난화를 경감시키기 위한 다양한 방안이 제안되어왔다. 화석 연료의 탈탄화는 연소 전 후에 탄소를 제거 하는 공정으로 알려져 있다(지구 온난화 경감을 위한 화석 연료 탈탄화 기술, Brookhaven National Laboratory(1997-98)).
천연 가스는 (1) 청정 연소 연료 또는 연료 전지로의 공급 스트림인 수소 및 (2) 기초 탄소의 형태인 카본 블랙을 생성하기 위해 공기가 없는 조건하에서 열적(thermal decomposition) 또는 열분해(pyrolysis)하는 것이 제안되어왔다(대기 중으로의 CO2 방출 없는 천연가스로부터의 수소, Int'l S. Hydrogen Energy, Vol. 23, No. 12, pp. 1087-1093 (1998). 이 경우 열적 분해는 전기를 이용하여 수소를 이용하는 플라즈마를 형성하는 플라즈마 아크 공정(plasma arc process)에 의하여 이루어진다.
공기가 없는 상태에서의 탄화수소의 수소 및 기초 탄소로의 촉매적 열분해 공정이 개시되었다(Thermocatalytic CO2-Free Production of Hydrogen from Hydrocarbon Fuels, N. Muradov, 2002 U.S. DOE Hydrogen Program Review의 학술회의자료, NREL/CP-6 10-32405).
자열분해 영역에서 적은 양의 산소의 존재 하에서의 메탄 분해 공정이 제2회 European Hydrogen Energy Conference, Spain, November 2005에서 발표된 기조 논문(keynote paper)에서 N. Muradov에 의해 개시되었다. 이 공정은 분해 반응을 위한 촉매로서 활성화된 탄소를 사용한다.
본 발명은 자동차 및 탄화수소계 운송 시스템을 구성하는 다른 종류의 차량에 동력을 공급하기 위해 사용되는 엔진에 인접한 차량 탑재 탈탄화 수단을 이용하는 장치 및 방법을 널리 포함한다. 탈탄화 수단(decarbonization unit)은 연료의 일부 또는 전부를 처리하고, ICE에 동력을 공급하기 위해 사용되는 탄화수소 연료로부터 탄소의 일부를 분리하며, 탄소 입자로부터 생산된 수소 또는 수소 풍부 기체를 분리하고, 임시적으로 차량에 탄소를 탑재 저장한다.
탄소는 기초 탄소 파우더 형태로 추출된다. 탄소는 바람직하게는 파우더의 형태, 즉 매우 가늘거나 작은 입자 크기를 가진다. 다양한 스크레이퍼(scraper) 또는 다른 입자 분해 장치가 다운스트림(downstream)으로 사용되거나, 분리기의 일부로 포함되어 이 결과를 얻을 수 있다. 저장된 탄소는 차량으로부터 주기적으로 회수되며, 예, 연료충전소, 결국 중앙 저장소로 수송하거나 직접 산업상 사용자에게 수송한다. 탄소는 그 자체로, 타이어, 플라스틱, 페인트, 잉크, 강철, 개스킷(gasket) 및 매우 다양한 다른 제품들의 생산에 사용될 수 있는, 상대적으로 높은 가치를 갖는 물질이다.
또는, 이 생산된 탄소의 일부는 차량의 전력 필요량의 일부 또는 전부를 충족시키기 위한 탑재형 부수적 동력 생성 수단으로 작용하는 탄소계 연료 전지에 동력을 공급하기 위해 사용될 수 있다.
탄소로부터 분리된 수소 또는 수소 풍부 기체는 ICE에 공급될 수 있으며, 연료의 전체 수소 대 탄소 비를 증가시킨다. 이것은 CO2를 감소시킬 것이며, 또한 차량의 전체 연료 연소 효율에 긍정적인 영향을 가져올 것이다.
생성된 수소는 또한 연료 효율을 향상시킬 수 있고 또한 다른 전용의 탑재형 연료 개질기를 필요로 하는, 동력을 공급하는 연료전지계 보조 전력 설비와 같은 다른 탑재형 설비에 사용될 수 있다
연료로부터 분리된 수소의 일부는 또한 ICE로부터의 배기가스를 후처리하는데에 사용될 수 있다. 구체적으로, 수소 또는 수소 풍부 기체는 ICE로부터의 배출 가스인 산화질소 또는 NOx에 대한 수소계 선택적 산화 촉매 환원(SCR:Selective Catalytic reduction) 후처리 시스템을 위한 환원제로 사용된다.
본 발명은 기존의 기반시설에 대해 상대적으로 적은 변형을 요구하는 ICE계 운송 시스템으로부터의 CO2 배출을 제한하는 방법을 제시한다. 탈탄화 수단에서 처리된 연료는 가솔린, 디젤, 나프타, 에탄올, 천연가스 및 이들 연료 중 2 이상의 혼합물을 포함하는 어떠한 운송 차량용 탄화수소 연료일 수 있다.
펌프 및 도관을 포함하는 탄소 저장 및 수집 시스템은 일반적으로 사용할 수 있고, 기존의 연료 스테이션(fuel station)에 설치될 수 있다. 부담이 되기 보다는, (탄화수소 연료의 많은 부분을 구성하는) 탄소가 본 발명에 의하여 중요한 국내 및 세계적 생산 산업을 위한 공급원료, 또는 보일러, 기화기 및 산업적인 로(furnace)를 위한 연료 또는 연료 희석제로 사용될 수 있는 유용한 물질의 형태로 분리된다. 본 발명의 실행은 대체적인 무탄소(carbon-free) 연료 기반시설로의 값 비싼 변경이 필요하지 않게 하면서, 이에 필적할 만한 탄소계 산업을 이루기 위한 새로운 사업 기회를 창출할 것이다.
도 1을 참조하면, 가솔린 또는 디젤과 같은 기존의 탄화수소 연료가 연료 탱크(1)로부터 마이크로프로세서/컨트롤러(3)과 조합되어 작용하여 연료 흐름을 조절하고 연료를 연료 라인(4)을 통하여 내연 엔진(13)에, 및/또는 연료 라인(5)을 통하여 탈탄화 수단(6)에 배급하는 연료 시스템 배급 밸브(2)로 흐른다. 상기 연료의 흐름은 컨트롤 수단(3)에서 프로그램된 최적화된 연료 분배 체계에 기초한다.
본 발명의 탈탄화 수단(6)은 그 정의하는 바와 같이 4개의 주요 구성요소, 즉 분해기(7), 냉각 수단(8), 분리기(9) 및 탄소 저장 수단(11)으로 구성된다.
도 1에 나타난 제1 구체예에서, 연료의 전부 또는 일부분이, 공기 없이 분해하거나 크랙킹되어 기초 탄소 및 수소를 생산하는 분해기(7)에 공급된다. 열분해 효율에 따라, 가스상 탄화수소 화합물들이 수소와 함께 생산될 가능성이 있다. 이러한 가스상 탄화수소 화합물들은 메탄, 에탄 및 미량의 C3 화합물을 포함할 수 있다. 연료가 산화제를 포함하는 경우, 열분해 산물은 CO 및 CO2를 포함하게 될 것이다.
분해기(7)에 공급된 연료는 분해기(7)에 공급되기 전에 또는 그 내부에서 기화된다. 열분해는 촉매적 열분해 공정(thermocatalysis), 플라즈마 공정, 또는 기술분야에 공지되거나 기술분야에 의해 개발될 다른 산업적 분해 공정에 의하여 이루어질 수 있다. 분해에 필요한 열은 전기, 고온 배기 가스, 전용 버너, 또는 기술분야에서 현재 공지되거나 개발될 다른 수단과 같은 외부 열원에 의하여 공급될 것이다. 촉매적 열분해 공정은 다른 비촉매적 분해 공정에 비하여 상대적으로 낮은 온도에서 조작되는 장점을 갖는다.
탄소 및 수소, 또는 수소 풍부 기체는 냉각을 위해 냉각기(8)에 공급된 다음, 가스상 수소 또는 수소 풍부 기체로부터 파우더 형태의 고체 기초 탄소를 분리하는 분리기(9)로 이송된다. 상기 탄소는 분리기(9)로부터 라인(10)을 통하여 이송되어 차량의 연료 공급 간격에 맞는 용량을 갖는 저장 수단(11)에 저장된다. 저장 수단(11)에는 주기적으로 탄소를 빼내기 위한 액세스 포트 또는 출구(15)가 설치된다.
분리기(9)로부터의 수소 또는 수소 풍부 기체는 라인(12)을 통과하여 내연 엔진(13)에의 공급 및/또는 다른 목적으로 사용된다. 수소 또는 수소 풍부 기체는 흡입 공기 또는 흡입 공기/연료 혼합물과 혼합하는 흡기 매니폴드를 통하여, 또는 연소 챔버에 직접 주입하는 특별한 주입기를 통하여 내연 엔진(13)에 도입된다.
제2 구체예에서, 도 2에 개략적으로 나타난 바와 같이, 라인(5)을 통하여 연료 시스템(2)으로부터 공급된 연료는 증기화되고, 혼합 수단(16)에서 조절된 양의 공기(17)와 혼합된다. 다음에, 본 공기-연료 혼합물(18)은 촉매적 또는 비촉매적 수단을 이용하여 발열 연소 및 흡열 분해가 동시에 일어나는 탈탄화 수단(6) 내의 분해기(7)에 공급된다. 본 공정에서, 부분 산화 반응에 의해 방출된 열은 탄화수소연료를 탄소 및 수소 풍부 기체 스트림으로 열분해하기 위해 필요한 열의 전부 또는 일부를 공급할 것이다.
분해기(7)에 도입된 공기-연료 혼합물의 비율은 원하는 분해 온도를 얻기 위해 조절된다. 열교환기를 통한 고온 배기 가스의 통과와 같은 외부 가열이 필요한 경우에 도입되어 연료 에너지의 단점을 최소화하기 위해 내부 가열을 보충할 수 있다. 그 후, 냉각기(8)에서 온도가 감소되고, 수소 및 다른 가스들로부터 탄소가 분리되며, 제1 실시예 및 도 1에 관하여 상술한 바와 같이 공정이 진행된다.
생산된 수소 또는 수소 풍부 기체를 내연 엔진에 공급하는 것은 연료 연소 효율을 향상시킬 것이고 탄소 배출이 보다 감소되는 바람직한 효과를 갖게 될 것이다.
도 1 및 도 2에 나타난 보다 바람직한 구체예에서, 추출된 수소 또는 수소 풍부기체의 일부는 탑재형 전기 전력 생성 장치인 연료 전지계 보조 전력 수단(20)에도 사용될 수 있다. 특히, 수소는 3-방향 밸브(25)와 연결된 공급 라인(23)을 통하여 수소계 보조 전력공급 수단(20)에 사용될 수 있다. 필요한 경우, 수소는 탑재된 연료 전지(20)에 수소 공급 스트림을 공급하기 위해 기술분야에 알려진 방법 및 장치를 이용하여 분리기(9)의 하부 스트림에 존재하는 탄화수소 가스로부터 선택적으로 회수될 수 있다.
보다 바람직한 구체예에서, 분리된 탄소의 일부는 3-방향 밸브(25) 및 라인(21)을 통하여 차량에 탑재된 탄소계 보조 전력 생성 수단(22)에 공급될 수 있다. 전력 수단(22)의 출력은 차량에 필요한 에너지를 충족시키고 차량의 교류기/발전기를 조작할 필요성을 감소시키거나 제거함으로써 연료 효율을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명은 운송 차량에 탑재된 연료의 탄소 성분 일부를 추출하는 새로운 방법을 사용하여 차량의 내연 엔진으로부터의 이산화 탄소 배출을 감소시키는 것이다.
탄소는 가치가 높은 산업적 공급원료인 기초 탄소의 형태로 추출된다. 또한 이것은 안전하고, 수집, 저장, 운송 및 배급이 용이한 파우더 형태이다. 기초 탄소는 연료유의 발열량이 44 MJ/kg인 것과 비교하여, 예를 들어 33.8 MJ/kg인 현저한 발열량을 가지며, 보일러, 기화기 및 산업적인 로(furnace) 내의 연소 연료 또는 연료 희석제로 사용될 수 있다. 상기 탄소가 본 방법으로 사용되는 경우, 본 발명은 이동체 연료로부터의 탄소 배출의 일부를 기술분야에 공지된 다른 수단이 이산화탄소 배출을 조절하기 위해 적용될 수 있는 고정형 연료로 전환할 수 있다.
본 발명에 따른 엔진 연료의 탈탄과 관련한 소위 연료 에너지 단점, 또는 에너지 손실의 계산은 많은 변수와 가정에 기초한 것임은 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자에게 명백할 것이다. 다른 연료는 다른 발열량을 가지므로 이들 변수는 연료의 종류를 포함한다. ICE의 배기로부터 회수 및 전환할 수 있는 열도 연소되는 연료의 종류 및 조작 조건에 따라 달라질 것이다. 열교환기의 크기 및 구성은 그 효율에 영향을 미칠 것이다. 각 형태의 분해기(7)는 필요 에너지가 다르고, 다른 탈탄화 효율로 조작될 것이며, 이들 효율은 탈탄화되는 연료의 형태에 따라 같은 장치에서도 다르게 될 것이다. 그러나, 사용된 분해기의 종류에 관계없이, ICE로부터의 이산화탄소 배출 감소의 이로운 결과는 달성될 것이다.
탈탄화 공정으로 수소에 대한 100% 전환율을 달성하는 것은 이론적으로는 가능하나, 실제 적용에서의 전환은 어느 정도 측정가능한 탄화수소 가스 부분도 생산할 것임을 기술분야에 통상의 지식을 가진자들은 알 수 있을 것이다.
다음의 경제성 분석은 탄화수소 연료의 탑재형 부분 탈탄화가 최소한 또는 재정적 악영향이 없거나 매우 적은 효과적인 탄소 배출 감소를 위한 실용적인 공정임을 증명한다. 본 예는 평균 분자 구조가 CnH1 .86n이고, 47 MJ/kg의 높은 발열량을 갖는 가솔린 연료의 25% 탑재형 탈탄화에 기초한다. 결과적으로, 수소에 대한 탄소의 질량비는 6.4:1이고, 가솔린 내의 탄소 질량 분율은 0.865이며, 가솔린 내의 수소 질량 분율은 0.135이다. 본 분석을 위해, 가솔린이 기초 탄소 및 수소로 완전히 분해되는 것으로 가정되었다.
탄탈화로 인한 연료 에너지의 전체적 감소분은 추출된 탄소 에너지량과 연료 분해를 위해 필요한 에너지의 총합과 같을 것이다. 연료 1 kg 당 25% 탈탄화에 의한연료의 에너지 감소량은, 탄소가 33.8 MJ/kg의 발열량을 갖는 경우, 다음과 같이 계산된다:
0.25 × 0.865 kg C × 33.8 MJ/kg C = 7.309 MJ (1)
본 실시예에서 가솔린을 분해하는데 필요한 에너지는 1.073 MJ/kg으로 산정된다. 연료 1 kg의 25% 탈탄화에 대해, 이 에너지는 다음과 같을 것이다:
0.25 kg × 1.073 MJ/kg C = 0.268 MJ (2)
그러므로, 25% 탈탄화의 결과인 연료 kg당 전체 에너지 감소량은 다음과 같다:
사용되지 않은 탄소 에너지 + 분해 에너지 =
7.309 MJ + 0.268 MJ = 7.577 MJ (3)
연료 1 kg으로부터 이론적으로 얻어지는 전체 에너지 값에 대한 에너지 손실 퍼센트는 다음과 같다:
7.577 MJ ÷ 47 MJ = 16% (4)
메탄에 대한 동일한 분석은 25% 탈탄화의 경우에 비해 13%의 에너지 손실 퍼센트을 얻을 것이다. 디젤연료에 대해, 이 퍼센트는 가솔린의 퍼센트에 근접할 것이다.
이 에너지 손실 부분은 MIT와 Delphi에서 수행된 것과 같은 최근의 연구들에의해 보고된 바와 같이(SAE 논문 2005-01-0251 및 2003-01-0356) ICE의 연료 연소 효율에 대한 수소 풍부화의 긍정적 효과에 의해 회복될 것이다. Delphi는 수소풍부화와 연료전지계 보조 전력 수단 이용의 조합된 효과로 인해 24%까지의 연료 소비 감소를 나타내는 결과를 얻은 한편, MIT는 수소 풍부화로 인해 연료 연소 효율이 12%까지 향상된다는 것을 보고하였다. 부가적인 이점으로서, 수소 풍부화가 질소 산화물(NOx)의 형성을 현저하게 감소시킬 것이라고도 보고된다.
최근 연구에 의해 보고된 바와 같이, 탈탄화 수단에 의해 생산된 수소의 일부를 연료 전지계 보조 전력 수단에 동력을 공급하기 위해 사용하는 것은 또한 전체 연료 효율을 향상시키며, 이로써 탈탄화의 에너지 감소를 더 보상할 수 있을 것이다.
어떤 경우에는, 연료 분해 공정에 요구되는 에너지는 엔진의 배기 가스의 열을 분해될 연료의 온도를 증가시키기 위해 사용함으로써 현저하게 감소될 수 있다.
회수된 탄소는 또한 에너지 손실 값을 보상할 수 있고, 어떠한 기반시설 투자, 운송비용, 취급 및 저장과 관련된 비용을 보상할 수 있는 달러 가치(dollar value)를 갖는다. 탄소의 가치는 주로 연료 종류 및 분해 공정에 따라 달라지는 그 양과 구조에 따라 다를 것이다. 메탄 분해에 대해 공개된 결과에 기초하면, 촉매적 열분해 공정을 사용하여 생산된 탄소는 무정형 또는 결정형 그래파이트(graphite)가 대부분이며, 그 가격 범위는 kg당 $0.22~0.41일 것으로 예상된다[SRI International, Chemical Economics Handbook, 1997]. 플라즈마 분해는 무정형의 탄소, 예를 들면 가격 범위가 kg당 $0.66~1.08인 카본 블랙을 수득할 것으로 예상된다[Chemical Marketing Reporter, 2001; Chemical Week, 2001].
75 리터의 연료 탱크를 갖는 평균적인 승용차에서, 25%의 탈탄화는 약 12%의 기초 탄소를 생산할 것으로 예상될 수 있다. 이러한 양의 탄소의 달러 가치는 그래파이트 탄소에 대해 약 $3.60일 것이며($0.30/kg의 평균가격 가정), 카본 블랙에 대해 약 $9.60일 것이다($0.80/kg의 평균가격 가정).
이산화탄소 배출의 감소는 또한 그 자체로 교토 의정서(Kyoto protocol)에 참가한 국가들에 대한 경제적 기회를 상징할 것이다. 본 발명에 의한 CO2 배출 감소의 신뢰성은 청정 개발 체제(CDM:clean development mechanism) 프로젝트를 위해 요청될 수 있다.
요약하면, 본 발명은 탈탄화 공정의 규모에 따라 연료 에너지 일부의 손실을 초래할 것이다. 그러나, 이 에너지 손실은 수소 풍부화 효과를 고려하고, 탑재형 연료 전지 보조 발전을 이용하며, 탈탄화 공정에서 사용하기 위해 배기 가스로부터 열 에너지를 회수함으로써 최소화될 수 있다. 또한, 이 손실의 일부 또는 전부는 회수된 기초 탄소의 가치 및 쿄토 의정서 청정 개발 체제(Kyoto Protocol CDM) 프로젝트 또는 다른 적용가능한 환경 규제 계획과 관련된 CO2 신뢰성에 의하여 보상된다.
이 분석은 본 발명의 부분적 탈탄화 공정이 평균적인 승용차에 사용가능하다는 것을 말해준다. 더 많은 공간이 가능한 대형 차량에 대한 경제성이 향상되고, 연료 주입의 간격이 더 길어지며, 보조 전력 수단의 사용에 의한 효율성 향상이 더욱 커질 것이다.
기술 분야의 통상의 지식을 가진자에게 명백한 바와 같이, 본 발명에 따른 방법 및 장치를 사용하는 조작 방법은, 차, 트럭, 버스, 열차, 배 또는 다른 운송수단이든지, 어떠한 특정 운송 이동체 종류 및 모델의 구체적인 요구를 충족시키도록 변화될 수 있다. 모든 이러한 경우에, ICE로부터의 CO2 배출 감소의 목표는 본 발명의 실시에 의하여 달성될 것이다.
따라서, 본 발명의 범주는 상술된 일반적인 기재 및 특정 구체예 및 도면을 참조함으로써 단순히 결정되는 것이 아니라 다음의 특허청구범위의 해석에 의하여 결정될 것이다.
본 발명은 첨부된 도면을 통하여 더 자세하게 기술될 것이다.
도 1은 자동차에 탑재된 본 발명의 방법을 적용하기 위한 장치의 배열의 바람직한 제1 구체예를 나타내는 개략적인 다이아그램이다.
도 2는 자동차에 탑재된 본 발명의 실시를 위한 장치 및 방법의 바람직한 제2 구체예를 나타내는 도 1과 유사한 개략적인 다이아그램이다.

Claims (20)

  1. (a) 분해기, 냉각기, 분리기 및 저장 수단을 포함하는 탑재형 탈탄화 수단을 제공하는 단계;
    (b) 차량에 탑재된 상기 분해기에 가스상 또는 기화된 액상의 탄화수소 연료료를 공급함으로써 상기 연료를 분해하고 수소 또는 수소 풍부 기체, 및 기초 탄소를 생산하는 단계;
    (c) 상기 수소 또는 수소 풍부 기체, 및 기초 탄소를 탑재된 열교환기에서 냉각시키는 단계;
    (d) 상기 분리기에서 상기 탄소로부터 상기 수소 또는 수소 풍부 기체를 분리하는 단계;
    (e) 상기 분리기로부터 분리된 탄소를 상기 탑재된 저장 수단에 이송시키는 단계; 및
    (f) 상기 수소 또는 수소 풍부 기체를 연료로 사용하기 위해 차량의 ICE에 공급하는 단계;를 포함하는, 연료의 적어도 일부를 탑재 탈탄화시킴으로써 탄화수소 연소 내연 엔진(ICE)에 의해 동력이 공급되는 차량으로부터의 CO2 배출을 감소시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분해기에서의 상기 연료의 분해는 촉매적 열분해 공 정, 플라즈마 분해 공정, 촉매적 자열 분해 공정, 및 초단열 연소 공정으로 구성된 그룹으로부터 선택된 분해 공정에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 연료의 분해에 필요한 열은 전기, 고온 배기 가스, 전용 버너, 및 그 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 외부 열원으로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수소 또는 수소 풍부 기체는 주입 공기 또는 공기/연료 혼합물과 혼합되기 위해 차량의 ICE에 공급되거나, 연소 챔버에 직접 주입되어 엔진의 연소 효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 수소 또는 수소 풍부 기체의 일부는 차량의 ICE로부터의 질소 산화물(NOx)의 수소계 선택적 촉매 환원(SCR) 후처리를 위한 환원제로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 수소 또는 수소 풍부 기체는 탑재된 보조 전력 수단으로서의 수소계 연료 전지의 운전에 사용되어, 차량의 전기적 필요를 위한 전기 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 단계(d)에서 분리된 상기 탄소는 탑재된 보조 전력 수 단으로서의 탄소계 연료 전지의 운전에 사용되어, 차량의 전기적 필요를 위한 전기 에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 차량으로부터 회수된 상기 탄소가 타이어의 제조, 야금 공정, 토너, 잉크, 페인트, 밀봉재(seal) 및 개스킷(gasket)의 공급 원료, 보일러, 기화기 및 산업적인 로(furnace)를 위한 연료 또는 연료 희석제로 사용하기 위해 가공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 차량에 동력을 공급하기 위해 사용되는 연료의 100%까지 상기 탑재된 탈탄화 수단에서 처리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 탈탄화 수단에 도입되는 연료는 가솔린, 디젤, 나프타, 알코올, 천연 가스, 및 이들 연료의 둘 이상의 혼합물을 포함하는 운송 차량에 사용되는 어느 하나의 탄화수소 연료인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 분리기는 기체/고체 분리 사이클론, 멤브레인, 및 여과 시스템으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 방법은 최적화된 연료 분배 체계로 프로그램된 전기 조절 수단을 포함하여, 상기 탈탄화 수단 및 상기 내연엔진에 대한 연료 흐름 속도 를 조정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 탈탄화 수단에 의해 생산된 수소 또는 수소 풍부 기체의 흐름을, 내연 엔진, 또는 수소계 연료 전지 보조 전력 수단 및 수소계 후처리를 포함하는 다른 용도(uses)로 가도록 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 탈탄화 수단에서 생산된 분리된 탄소 일부의 탑재된 탄소계 연료 전지 보조 전력 수단으로의 흐름을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    (g) 상기 분해기의 공기/연료 혼합 상부 흐름을 공급하기 위해 상기 탄화수소 연료를 공기와 혼합하는 단계;
    (h) 상기 공기/연료 혼합물을 상기 탄화수소 연료의 발열적 부분 산화 반응 및 흡열 분해를 동시에 이루는 조건 하에서 상기 분해기에 도입하여 기초 탄소 및 수소 풍부 기체를 생산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 촉매적 분해 공정 또는 초단열 연소 공정이 상기 연료를 부분 산화 및 열 분해하기 위해 이용되며, 부분 산화로부터 방출된 열이 분해에 필 요한 열의 전부 또는 일부를 충당하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 엔진의 배기 가스로부터의 열과 같은 외부 가열이 내부 가열과 조합되어 사용되어 열 이용 효율을 최대화하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. (a) 수소 또는 수소 풍부 기체, 및 기초 탄소를 생산하기 위해 기화된 연료를 분해하는 분해기;
    (b) 열 교환에 의해 상기 수소 또는 수소 풍부 기체, 및 탄소를 냉각시키기 위한, 상기 분해기와 유체 연통(fluid communication)된 냉각기;
    (c) 상기 냉각된 수소 또는 수소 풍부 기체 및 탄소를 공급받아 상기 탄소로부터 상기 수소 또는 수소 풍부 기체를 분리하기 위한, 상기 냉각기와 유체 연통된 분리기;
    (d) 상기 분리된 탄소를 공급받기 위한, 상기 분리기와 연통된 탑재된 탄소 저장 수단; 및
    (e) 상기 분리기로부터의 수소 및 수소 풍부 기체를 탈탄화된 연료로 사용하기 위해 차량의 내연 엔진(ICE)에 공급하기 위한 수단;을 포함하는 탑재된 탈탄화 수단을 포함하는, 차량에 동력을 공급하기 위해 사용되는 탄화수소 연료 연소 내연 엔진(ICE)으로부터의 CO2 배출 감소를 위한 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 분해기는 촉매적 열분해 공정, 플라즈마 분해 공정, 촉매적 자열 분해 공정, 및 초단열 연소 공정으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 분해 공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제18항에 있어서, 상기 장치는 탑재된 탄화수소 연료 저장 탱크로부터 탈탄화 수단 및 내연 엔진으로의 상기 연료 흐름이 차량의 운전 요건을 충족하도록 조정하는 최적화된 연료 분배 프로그램을 갖는 마이크로프로세서 및 전기적 컨트롤 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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