KR102519307B1 - 배기 가스 에너지 회수 변환기 - Google Patents

배기 가스 에너지 회수 변환기 Download PDF

Info

Publication number
KR102519307B1
KR102519307B1 KR1020217008499A KR20217008499A KR102519307B1 KR 102519307 B1 KR102519307 B1 KR 102519307B1 KR 1020217008499 A KR1020217008499 A KR 1020217008499A KR 20217008499 A KR20217008499 A KR 20217008499A KR 102519307 B1 KR102519307 B1 KR 102519307B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
exhaust gas
oxygen
gas
membrane
Prior art date
Application number
KR1020217008499A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20210037727A (ko
Inventor
로니 지. 존슨
Original Assignee
제이텍 에너지 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 제이텍 에너지 인코포레이티드 filed Critical 제이텍 에너지 인코포레이티드
Publication of KR20210037727A publication Critical patent/KR20210037727A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102519307B1 publication Critical patent/KR102519307B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/32—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00
    • B01D53/326—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00 in electrochemical cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • B01D53/944—Simultaneously removing carbon monoxide, hydrocarbons or carbon making use of oxidation catalysts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • B01D53/9445—Simultaneously removing carbon monoxide, hydrocarbons or nitrogen oxides making use of three-way catalysts [TWC] or four-way-catalysts [FWC]
    • B01D53/9454—Simultaneously removing carbon monoxide, hydrocarbons or nitrogen oxides making use of three-way catalysts [TWC] or four-way-catalysts [FWC] characterised by a specific device
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • B01D53/9459—Removing one or more of nitrogen oxides, carbon monoxide, or hydrocarbons by multiple successive catalytic functions; systems with more than one different function, e.g. zone coated catalysts
    • B01D53/9463—Removing one or more of nitrogen oxides, carbon monoxide, or hydrocarbons by multiple successive catalytic functions; systems with more than one different function, e.g. zone coated catalysts with catalysts positioned on one brick
    • B01D53/9472—Removing one or more of nitrogen oxides, carbon monoxide, or hydrocarbons by multiple successive catalytic functions; systems with more than one different function, e.g. zone coated catalysts with catalysts positioned on one brick in different zones
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/101—Three-way catalysts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/103—Oxidation catalysts for HC and CO only
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/105—General auxiliary catalysts, e.g. upstream or downstream of the main catalyst
    • F01N3/108—Auxiliary reduction catalysts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/002—Shape, form of a fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/2435—High-temperature cells with solid electrolytes with monolithic core structure, e.g. honeycombs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/10—Noble metals or compounds thereof
    • B01D2255/102—Platinum group metals
    • B01D2255/1021—Platinum
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/10—Noble metals or compounds thereof
    • B01D2255/102—Platinum group metals
    • B01D2255/1023—Palladium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/10—Noble metals or compounds thereof
    • B01D2255/102—Platinum group metals
    • B01D2255/1025—Rhodium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2570/00—Exhaust treating apparatus eliminating, absorbing or adsorbing specific elements or compounds
    • F01N2570/10—Carbon or carbon oxides
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2570/00—Exhaust treating apparatus eliminating, absorbing or adsorbing specific elements or compounds
    • F01N2570/12—Hydrocarbons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2570/00—Exhaust treating apparatus eliminating, absorbing or adsorbing specific elements or compounds
    • F01N2570/14—Nitrogen oxides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)
  • Exhaust Gas Treatment By Means Of Catalyst (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

배기 가스 또는 폐열용 에너지 회수 변환기가 제공된다. 변환기는 멤브레인 전극 조립체(MEA: membrane electrode assembly), 제1 분자 산소 함량을 갖는 배기 가스 및 외부 전기 부하를 포함한다. MEA는 제1 전극, 제2 전극 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재된 산소 이온 전도성 멤브레인을 포함한다. 제1 전극 및 제2 전극의 각각은 전기 화학 반응을 촉진하도록 구성된 적어도 하나의 산화 촉매를 포함한다. MEA의 제2 전극은 배기 가스에 노출되고, MEA의 제1 전극은 제2 분자 산소 함량을 갖는 가스에 노출된다. 제2 분자 산소 함량은 제1 분자 산소 함량보다 높다. 외부 전기 부하가 MEA의 제1 전극과 제2 전극 사이에 연결된다.

Description

배기 가스 에너지 회수 변환기
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2018년 8월 22일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/720,996호에 대해 우선권을 주장하며, 그 전체 개시가 본원에 참조로 통합된다.
본 발명은 배기 가스 또는 폐열용 에너지 회수 변환기에 관한 것이다.
기계 엔진, 특히 내연 기관의 연료 연소 및 에너지 변환 효율은 오랜 과제로 잘 알려져 있다. 피스톤형 내연 기관은 오토(Otto) 사이클에서 동작하며, 여기서 저온 외기(ambient air)는 피스톤에 의해 압축된 후, 엔진 실린더 내부의 연료 연소를 통해 매우 높은 온도로 가열된다. 사이클이 계속됨에 따라 피스톤에 대한 가열된 공기의 팽창은 저온에서 공기의 초기 압축 중에 소비되는 것보다 더 많은 일을 생성한다. 연소 터빈 및 스크램 제트(scram jet)와 같은 다른 엔진도 다른 열역학적 사이클에서 동작하지만 내연 카테고리에 속한다. 예를 들어, 이러한 다른 엔진이 작동 유체를 저온에서 압축하기 위해 피스톤 또는 터빈을 사용하여 샤프트 일이 수행된 다음 작동 유체의 온도가 상승되어 작동 유체가 피스톤 또는 터빈과 같은 부하에 대해 팽창되어 샤프트 일을 생성하는 열역학적 사이클에서 동작할 수 있다. 작동 유체를 채용하는 모든 엔진의 동작에 대한 핵심은 작동 유체를 고온에서 팽창시켜 생성되는 일보다 저온에서 압축하는 데 더 적은 일을 필요로 한다는 것이다. 이는 작동 유체를 채용하는 모든 열역학 엔진에 대한 경우이다.
도 1을 참조하면, 분 당 회전(rpm: rotations per minute)에서 엔진 속도의 함수로서 피스톤형 내연 기관의 배기 가스 온도를 표현하는 그래프가 나타내어져 있다. 일반적으로 배기 온도는 엔진 전력 출력에 따라 증가하며, 엔진 비효율 및 폐열을 소산시켜야 하는 엔진의 필요성과 직접 관련되는 것으로 이해된다. 엔진 비효율과 연관된 문제는 본질적으로 2개 요소이며: 1) 유용한 일로 변환되는 연료로부터의 이용 가능한 에너지의 퍼센티지가 제한되며, 2) 엔진으로부터의 연소 생성물이 NOx, 일산화탄소 및 부분 연소된 탄화수소와 같은 독성 가스를 포함한다는 것이다.
촉매 변환기는 배기 스트림에서 독성 가스를 적절하게 산화 및 환원시키기 위해 개발되었다. 그러나, 촉매 변환기는 NOX의 환원과 완전히 연소되지 않은 나머지 연료 생성물, 일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC)의 완전한 연소를 촉매하기 때문에 폐열을 또한 생성한다. 자동차 산업은 배기 가스로부터 폐열을 활용하기 위해 오랫동안 노력해 왔다. 그러나, 이전의 노력은 주로 이용 가능한 기술의 비용 및/또는 낮은 효율성으로 인해 제한된 성공을 거두었다.
많은 주목을 받은 하나의 접근법은 제베크 효과(Seebeck effect)에 기초한 반도체 열전 변환기를 사용하는 것이었다. 그러나, 기존 반도체 열전 변환기는 동작 엔진 배기 온도에서 기껏해야 대략 6%의 변환 효율을 제공한다. 동작하기 위해, 열전 변환기는 일 측에서 가열되고 다른 측에서 냉각되어야 한다. 더욱 구체적으로, 일 측은 엔진 폐열에 의해 가열되고, 다른 측을 냉각시키기 위해 냉각제 유동 루프 또는 다른 능동 냉각이 필요하다. 기존 반도체 열전 변환기를 구현하는 데 필요한 열 교환기, 세라믹 플레이트, 펌프 및 팬을 포함할 수 있는 냉각제 루프와 연관된 복잡성은 특히 상대적으로 낮은 효율성과 연관된 소량의 생성 전력을 고려할 때 이러한 접근법을 그 사용이 정당화될 수 없을 정도로 고비용으로 만들었다. 고온의 엔진 배기에 비해 저온을 유지하는 데 필요한 플랜트의 균형을 위한 시스템 비용은 비용-효율적인 해결책을 제공하지 못했다.
15%의 궁극적인 효율 목적을 갖는 진보된 양자 열전-기반 디바이스가 또한 개발되었다. 그러나, 분자 확산 및 이동 문제로 인해 양자 우물 디바이스에 필요한 나노 구조가 약 200℃ 초과의 온도에서의 동작 동안 유지될 수 있는지 여부가 불확실하다. 양자 우물 디바이스에 대한 200℃ 온도 제한은 성능이 카르노(Carnot)의 50% 범위에 있더라도 양자 우물 디바이스가 15% 변환 효율을 초과할 수 없음을 의미할 것이다. 또한, 양자 우물 열전 디바이스의 구성이 제조 관점에서 확장될 수 있는지 명확하지 않다.
그 개시가 본원에 참조로 통합되는, 2003년 4월 28일자로 출원된 미국 특허 제7,160,639호에 개시된 다른 유형의 열-전기 화학 변환기가 또한 개발되었다. 이러한 열-전기 화학 변환기는 전력을 생성하기 위해 작동 유체로서 이온화 가능 가스(수소 또는 산소)를 갖는 전기 화학 프로세스를 사용한다. 연료 전지에 사용되는 것과 유사한 2개의 전기 화학 멤브레인 전극 조립체(MEA: membrane electrode assembly) 셀 스택이 필요한 열 엔진 압축 및 팽창 프로세스를 수행하며, 하나의 MEA 스택은 상대적으로 저온에서 동작하고 다른 MEA 스택은 상대적으로 고온에서 동작한다. 작동 유체는 2개의 MEA 스택 사이에서 연속적인 루프에서 순환한다. 작동 유체의 팽창에 의해 고온 MEA 스택에서 전력이 생성되므로, 작동 유체를 압축하기 위해 저온 MEA 스택에 전력이 인가된다. 임의의 엔진에서와 같이, 저온 압축 동안 소비되는 것보다 많은 전력이 고온 팽창 동안 생성된다.
이러한 변환기의 성능은 네른스트 식(Nernst equation)에 따라 고온 MEA 스택보다 더 낮은 전압에서 동작하는 저온 MEA 스택의 형태로 나타난다. 즉, 저온 MEA 스택은 상대적으로 낮은 전압에서 수소를 압축하고 고온 MEA 스택은 상대적으로 높은 전압에서 수소를 팽창시킨다. 2개의 MEA 스택 간의 전압 차이가 외부 부하에 인가된다. 작동 유체(예를 들어, 수소)는 엔진 내부에서 지속적으로 순환하며 소모되지 않는다. 2개의 MEA 스택을 통한 전류 흐름 및 외부 부하는 동일하다. 제베크 효과에 기초한 열전 변환기와 유사하게, 이러한 유형의 변환기는 동작하기 위해 엔진 배기열에 대한 온도 차이를 필요로 한다. 이러한 유형의 변환기는 더 높은 효율과 연관된 더 높은 전력 출력으로 인해 제베크 효과에 기초하는 변환기보다 더욱 비용 효과적이지만, 온도 차이를 유지하기 위해 냉각이 필요하기 때문에 구현하기가 여전히 상대적으로 복잡하다.
본 발명의 촉매 변환기는 기계 엔진의 배기 또는 폐 가스에서 독성 가스를 산화 및/또는 환원시키는 개선된 디바이스 및 방법을 제공한다.
일 실시예에서, 본 발명은 배기 가스 또는 폐열용 에너지 회수 변환기에 관한 것이다. 변환기는 멤브레인 전극 조립체(MEA: membrane electrode assembly), 제1 분자 산소 함량을 갖는 배기 가스 및 외부 전기 부하를 포함한다. MEA는 제1 전극, 제2 전극 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재된 산소 이온 전도성 멤브레인을 포함한다. 제1 전극 및 제2 전극의 각각은 전기 화학 반응을 촉진하도록 구성된 적어도 하나의 산화 촉매를 포함한다. MEA의 제2 전극은 배기 가스에 노출되고, MEA의 제1 전극은 제2 분자 산소 함량을 갖는 가스에 노출된다. 제2 분자 산소 함량은 제1 분자 산소 함량보다 높다. 외부 전기 부하가 MEA의 제1 전극과 제2 전극 사이에 연결된다.
다른 실시예에서, 본 발명은 변환기를 사용하여 기계 엔진으로부터 배기 가스를 정화하기 위한 방법에 관한 것이다. 변환기는 촉매 환원 챔버, 멤브레인 전극 조립체(MEA), 배기 가스 및 외부 전기 부하를 포함한다. MEA는 제1 전극, 제2 전극 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재된 산소 이온 전도성 멤브레인을 포함한다. 제1 전극 및 제2 전극의 각각은 전기 화학 반응을 촉진하도록 구성된 적어도 하나의 산화 촉매를 포함한다. 배기 가스는 탄화수소, 질소 산화물 및 물을 함유하고, 제1 분자 산소 함량을 갖는다. MEA의 제2 전극은 배기 가스에 노출되고, MEA의 제1 전극은 제2 분자 산소 함량을 갖는 가스에 노출되어, 가스 내에 함유된 산소가 제1 전극에 진입한다. 제2 분자 산소 함량은 제1 분자 산소 함량보다 높다. 외부 전기 부하는 MEA의 제1 전극과 제2 전극 사이에 연결된다. 본 방법은 배기 가스의 탄화수소, 질소 화합물 및 물이 반응 가스로 변환되도록 배기 가스를 촉매 환원 챔버로 운송하는 단계로서, 반응 가스는 원소 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 및 원소 질소인, 촉매 환원 챔버로 운송하는 단계; 반응 가스, 물 및 임의의 미연소 탄화수소를 함유하는 스트림을 촉매 환원 챔버로부터 제2 전극으로 운송하는 단계; 산소 이온이 산소 이온 전도성 멤브레인을 통해 전도되고 전자가 동시에 외부 전기 회로로 방출되도록, 산소 이온을 생성하기 위해 제2 분자 산소 함량을 갖는 가스로부터 산소를 산화시키는 단계; 및 산소 이온과 결합하고 각각의 반응 전위에서 일산화탄소 및 미연소 탄화수소와의 산화 반응을 위해 전자를 외부 전기 회로로부터 제1 전극으로 운송하는 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예의 후술하는 상세한 설명은 첨부 도면과 함께 읽을 때 더 잘 이해될 것이다. 본 발명을 예시하기 위해, 현재 바람직한 실시예가 도면에 나타내어져 있다. 그러나, 본 발명은 나타낸 정확한 구성 및 수단에 한정되지 않는다는 것이 이해된다. 도면에서:
도 1은 엔진 속도의 함수로서 피스톤형 내연 기관의 배기 가스 온도를 표현하는 그래프를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3-웨이 촉매 변환기의 개략도를 제공한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 피스톤형 내연 기관을 포함하는 촉매 변환기 시스템의 개략도를 제공한다.
도 4는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 피스톤형 내연 기관을 포함하는 촉매 변환기 시스템의 개략도 및 촉매 변환기 시스템의 MEA 스택 조립체의 섹션의 확대도를 제공한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터빈 엔진을 포함하는 촉매 변환기 시스템의 개략도 및 촉매 변환기 시스템의 MEA 스택의 확대된 뷰의 확대도를 제공한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스크램 제트(scram jet) 엔진을 포함하는 촉매 변환기 시스템의 개략도를 제공한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배기 가스 또는 폐열용 에너지 회수 변환기(20), 즉, 촉매 변환기(20), 더욱 구체적으로 3-웨이형 촉매 변환기(20)가 나타내어져 있다. 촉매 변환기(20)는 내연 기관으로부터 나오는 것과 같은 배기 가스 내의 독성 가스 및 오염물을 독성이 덜하거나 덜 유해한 배기 가스로 환원시킨다. 촉매 변환기(20)는 제1 챔버(12) 및 제2 챔버(22)를 포함한다. 제1 챔버(12)는 하나 이상의 환원 촉매(따라서, 촉매 환원 챔버)를 포함하고, 제2 챔버(22)는 하나 이상의 산화 촉매(따라서, 촉매 산화 챔버)를 포함한다. 환원 촉매의 예는 로듐, 백금, 전이 금속 거대 고리 및 칼고게나이드를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 바람직한 실시예에서, 제1 챔버(12)의 환원 촉매는 로듐 금속, 보다 구체적으로 미세하게 분할된 로듐 금속이다.
본원에서 일반적으로 배기 가스로 지칭되는 엔진 배기 가스 또는 폐열 흐름(11)은 초기에 촉매 변환기(20)의 제1 챔버(12)에 제공된다. 제1 챔버(12)에서, 제1 챔버(12)의 환원 촉매는 다음 반응에 의해 원소 수소 H2를 형성하기 위해 배기 가스의 미연소 탄화수소와 물을 환원시킨다:
탄화수소 + H2O → H2 + CO
이 반응에서 생성된 원소 수소는 다음 반응에 의해, 배기 가스의 질소 산화물과 반응하고, 이에 의해 이를 원소 질소로 환원시킨다:
2NO + 2H2 → N2 + 2H2O
탄화수소 및 물의 환원으로부터 형성된 일산화탄소는 또한 다음 반응에 의해 배기 가스의 질소 산화물을 원소 질소 및 이산화탄소로 환원시키는 데 이용 가능하다:
2NO + 2CO → N2 + 2CO2
2CO + NO2 → N2 + 2CO2
반응 가스, 물 및 부분 연소된 탄화수소의 스트림(15)이 그 후 제1 챔버(12)를 빠져나와 제2 챔버(22)로 이동한다. 제2 챔버(22)는 산소 전도성 멤브레인 전극 조립체(MEA)(9)를 장착하거나, 이를 포함하거나 이에 의해 형성된다. MEA 스택(9)은 이온 전도성 멤브레인(18)을 개재하는 제1 전극 및 제2 전극(14, 16)을 포함한다. 제1 전극(14)은 캐소드이고 제2 전극(16)은 애노드이다. 제1 전극 및 제2 전극(14, 16)의 각각은 촉매를 함유하고, 보다 바람직하게는 산화 촉매를 함유한다. 사용될 수 있는 산화 촉매의 예는 백금, 팔라듐, 금속 산화물, 전이 금속 거대 고리 및 칼고게나이드를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 바람직하게는, 제1 전극 및 제2 전극(14, 16) 각각에 함유된 산화 촉매는 백금/팔라듐 촉매이다.
주변 환경으로부터의 외기는 MEA 스택(9)을 통해 제2 챔버(22)로 도입된다. 더욱 구체적으로, 외기와 배기 가스 사이의 산소 분압 차이 하에서, 외기 내에 함유된 산소는 애노드(16)로 진입하며, 여기서 내부에 포함된 촉매에 의해 산화된다. 생성된 산소 이온은 방출된 전자가 외부 부하(19) 또는 에너지 저장 디바이스(17)와 같은 외부 회로로 동시에 방출되므로 이온 전도성 멤브레인(18)을 통해 전도된다. 회로는 캐소드(14)에서 완성되며, 여기서 외부 회로로부터의 전자는 각각의 반응 전위에서 일산화탄소 및 임의의 미반응 탄화수소와의 산화 반응을 위해 이온 전도성 멤브레인(18)을 통해 전도된 산소 이온과 결합한다.
구체적으로, 부분적으로 연소된(즉, 임의의 나머지 미연소된) 탄화수소는 MEA 스택(9)을 통해 전도된 산소와 반응하여 이산화탄소와 물로 변환되고, 제1 챔버(12)에서 생성되어 제2 챔버(22)로 도입된 일산화탄소는 다음 반응에 의해 이산화탄소를 형성하기 위해 MEA 스택(9)을 통해 전도된 산소와 반응한다:
2CO + O2 → 2CO2
탄화수소 + O2 → H2O + CO2
제2 챔버(22)에서의 산화 반응에 추가하여, 전력은 또한 외기와 배기 가스 사이의 산소 분압 차이 하에서 변환기(20)에 의해 생성된다. 네른스트 전위 하에서 끌어온 전력은 MEA 스택(9)을 통해 변환기(20)로 도입된 추가 산소로 인해 배기 스트림의 산소 함량을 증가시킨다. 더욱 구체적으로, 미반응 연소 생성물의 전기 화학 반응 전위에 추가하여, 배기의 고온과 외기의 산소 분압에 비해 낮은 산소 분압은 네른스트 식에 따라 전압을 생성한다:
Figure 112021033440067-pct00001
식 1
여기서, R은 기체 상수(8.31 J/mol-K)이고, T는 셀 동작 온도이고, F는 패러데이(Faraday) 상수(96,487 C/mol)이다. 고온 배기 가스는 분압 차이 하에서 MEA 스택(9)을 통해 제2 챔버(22)로 전도된 외기의 산소에 대한 팽창의 열원이다.
예를 들어, 산소는 외기의 20%이고 공기 중의 산소의 분압은 2.94 psi이다. 한편, 내연 기관에서 나오는 것과 같은 배기 가스 스트림은 통상적으로 대략 0.5%의 산소를 함유하고 산소의 분압은 0.0735 psi이다. 따라서, 외기와 통상적인 엔진 배기 스트림 사이의 산소 분압의 결과적인 비율은 40이다. 도 1에 반영된 바와 같이, 2,000 rpm에서 동작하는 대표적인 엔진의 배기 스트림의 온도는 500 ℃이다. 따라서, 네른스트 식에 의해 계산된, MEA 스택(9)에 대한 결과적인 개방 회로 전압은 123 mV이다. 결과적인 전기 에너지는 외부 부하(19)로 직접 공급될 수 있거나, 필요할 때까지 에너지 저장 디바이스(17) 내에 저장될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배기 가스 또는 폐열용 에너지 회수 변환기(30), 즉, 촉매 변환기 시스템(30)의 추가 실시예가 나타내어져 있다. 변환기 시스템(30)은 피스톤형 내연 기관(42), 제1 챔버(25) 및 MEA 스택(24)을 포함한다. 내연 기관은 임의의 통상적인 엔진일 수 있고, 엔진에 의해 생성된 배기 가스(28)가 이를 통해 이동하는 배기 가스 매니폴드(44)를 포함한다. 내연 기관(42)에 의해 생성된 배기 가스(28)는 부분 연소된 연료(즉, 탄화수소), 일산화탄소, 아산화질소(NOx), 이산화탄소 및 잔류 산소를 포함한다. 변환기 시스템(30)은 배기 가스 스트림(28)으로부터 폐 에너지를 회수할 수 있는 3-웨이형 촉매 변환기로서 기능한다.
제1 챔버(25)는 바람직하게는 환원 촉매를 함유하고, 보다 바람직하게는 미세하게 분할된 로듐 금속을 함유한다. 이와 같이, 제1 챔버(25)는 촉매 환원 챔버(25)이며, 주로 배기 가스 내의 탄화수소 및 물을 원소 수소 및 일산화탄소로 환원하고, 질소 산화물을 질소, 이산화탄소 및 물로 환원시키는 기능을 한다.
따라서, 촉매 환원 챔버(25)를 떠나는 배기 가스 스트림(36)은 물, 일산화탄소, 임의의 잔류 연료 및 부분 연소된 탄화수소, 질소 및 이산화탄소를 함유한다. 임의의 이용 가능한 산소가 일산화탄소 또는 탄화수소와 반응했기 때문에 이상적으로는 미량의 산소만이 남아 있다. 촉매 환원 챔버(25)를 빠져나가는 배기 가스 스트림(36)은 그 후 MEA 스택(24)을 통과한다.
MEA 스택(24)은 본질적으로 배기 가스 스트림(36)을 산화시키기 위한 산화 반응 챔버로서의 역할을 한다. MEA 스택(24)은 제1 전극 및 제2 전극(30, 32) 사이에 개재된 산소 이온 전도성 멤브레인(31)을 포함한다. 각각의 제1 전극 및 제2 전극(30, 32)은 촉매, 바람직하게는 산화 촉매, 더욱 바람직하게는 백금/팔라듐 촉매를 함유한다. 멤브레인(31)은 본질적으로 외기와 배기 가스 흐름(36) 사이의 산소 이온 전도성 장벽으로서의 역할을 하며, 제1 전극(30)은 배기 가스 스트림(36) 내에 위치되어 이와 접촉하고 제2 전극(32)은 외기에 노출된다. 외기와 배기 가스 스트림(36) 사이의 산소 분압 차이 하에서, 산소는 제2 전극(32)으로 진입하여 산화 촉매에 의해 내부에서 산화된다. 생성된 산소 이온은 방출된 전자가 외부 부하(19)로 외부로 그리고 이를 통해 전도됨에 따라 멤브레인(31)을 통해 전도된다. 회로는 제1 전극(30)에서 완성되며, 여기서 외부 회로로부터의 전자는 도 2의 실시예와 관련하여 위에서 논의된 바와 같이, 물과 증가된 이산화탄소 함량을 함유하는 혼합물(38)을 형성하기 위해 각각의 반응 전위에서 일산화탄소 및 미반응 탄화수소와의 (내부에 함유된 산화 촉매에 의한) 산화 반응을 위해 멤브레인(31)을 통해 전도된 산소 이온과 결합한다.
따라서, 촉매 환원 챔버(25) 및 MEA 스택(24)은 엔진 배기 가스 스트림에서 반응 생성물의 산화 및 환원을 촉진함으로써 촉매 변환기의 요건을 충족시킨다. 또한, 외기/배기 가스 산소 압력 차이 하에서 MEA 스택(24)을 통해 전도되는 과잉 산소로 인해 산소 함량이 증가한다. MEA 스택(24)을 통한 산소 전도에 의해 생성된 전기 에너지는 외부 부하로 직접 공급될 수 있거나, 필요할 때까지 에너지 저장 디바이스(17) 내에 저장될 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 배기 가스 또는 폐열용 에너지 회수 변환기의 다른 실시예가 나타내어져 있다. 변환기(70)는 피스톤형 내연 기관(72) 및 제1 챔버(75)에 추가하여 MEA 스택 조립체(73)의 형태로 유용한 전압 및 전류 레벨에서 전력을 생성하기 위해 MEA 스택의 직렬 및 병렬 전기 접속을 포함하는 조립체를 포함한다. 도 3의 실시예의 변환기와 유사하게, 내연 기관은 엔진(72)에 의해 생성된 배기 가스(78)가 이를 통해 이동하는 배기 가스 매니폴드(74)를 포함한다. 내연 기관(72)에 의해 생성된 배기 가스(78)는 부분 연소된 연료(즉, 탄화수소), 일산화탄소, 아산화질소(NOx), 이산화탄소 및 잔류 산소를 포함한다. 제1 챔버(75)는 환원 촉매, 바람직하게는 미세하게 분할된 로듐을 포함하고, 주로 배기 가스(78)의 탄화수소 및 물을 원소 수소 및 일산화탄소로 환원시키고, 질소 산화물을 질소, 이산화탄소 및 물로 환원시키는 기능을 한다.
따라서, 촉매 환원 챔버(75)를 떠나는 배기 가스 스트림(76)은 물, 일산화탄소, 임의의 잔류 연료 및 부분 연소된 탄화수소, 질소 및 이산화탄소를 함유한다. 임의의 이용 가능한 산소가 일산화탄소 또는 탄화수소와 반응했기 때문에, 이상적으로 미량의 산소만이 남아 있다. 그 후, 촉매 환원 챔버(75)를 빠져나가는 배기 가스 스트림(76)은 MEA 스택 조립체(73)를 통과한다.
이 실시예에서, MEA 스택 조립체(73)는 복수의 섹션, 바람직하게는 3개의 섹션(57a, 57b 및 57c)으로 구성된다. 섹션(57a, 57b, 57c)은 바람직하게는 더 높은 순 출력 전압을 산출하기 위해 커넥터(59)에 의해 직렬로 전기적으로 접속된다. 섹션(57a)의 확대도가 도 4의 하부 나타내어져 있으며, 섹션(57b 및 57c)은 섹션(57a)과 동일하다. 상기 확대로를 참조하면, MEA 스택 조립체(73)의 각각의 섹션(57a, 57b, 57c)은 서로 전기적으로 병렬로 접속되고 음의 단자(53)에 접속된 제1 복수의 전극(58), 및 서로 전기적으로 병렬로 접속되고 양의 단자(51)에 접속된 제2 복수의 전극(54)을 포함한다. 멤브레인(52)은 제1 전극과 제2 전극(58, 54)의 각각의 쌍 사이에 위치된다. 제1 전극 및 제2 전극(58, 54)의 각각은 촉매, 바람직하게는 백금/팔라듐 촉매를 함유한다. 제1 복수의 전극(58)은 외기에 노출되고 제2 복수의 전극(54)은 배기 가스와 접촉한다.
외기/배기 가스의 산소 압력 차이로 인해, 외기로부터의 산소가 제1 복수의 전극(58)으로 진입한다. 진입하는 산소는 각각의 제1 전극(58) 내에 함유된 촉매에 의해 산화되고, 전자는 음의 단자(53)로 방출되고 산소 이온(56)은 각각의 멤브레인(52)을 통해 각각의 제2 전극(54)으로 전도된다. 그 후, 전자는 음의 단자 및 양의 단자(53, 51)를 통해 외부 회로를 통해 궁극적으로 각각의 제2 전극(54)으로 라우팅되며, 여기서 도 2 및 도 3과 관련하여 상술한 것과 동일한 방식으로 제2 전극(54) 내에 함유된 촉매에 의해 각각의 반응 전위에서 일산화탄소 및 임의의 미반응 탄화수소와의 산화 반응을 위해 산소 이온과 결합한다. 따라서, 제2 전극(54)은 엔진 배기 가스 스트림에서 생성물의 산화 반응을 촉진함으로써 촉매 변환기의 요건을 충족한다. 이와 같이, 부분 연소된 연료(예를 들어, 탄화수소) 및 일산화탄소는 물과 증가된 이산화탄소 함량을 함유하는 혼합물(78)을 형성하기 위해 MEA 스택 조립체(73)를 통해 전도된 산소와의 반응을 거친다.
산화 반응에 추가하여, 전력은 또한 도 2와 관련하여 상술한 바와 같이, 네른스트 식에 따라 외기로부터 이용 가능한 풍부한 산소와 엔진 배기 가스 스트림의 고갈된 산소 함량 사이의 산소 분압 차이로부터 생성된다. 분압 차이 하에서 변환기를 통한 산소의 팽창은 직접 전기를 생성하고 배기 스트림의 산소 함량을 증가시킨다. MEA 스택 조립체(73)에 의해 생성된 전기 에너지는 외부 부하(19)에 직접 공급될 수 있거나, 필요할 때까지 에너지 저장 디바이스(도 4에 미도시) 내에 저장될 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 배기 가스 또는 폐열용 에너지 회수 변환기의 다른 실시예가 나타내어져 있다. 변환기는 터빈 엔진(90)의 일부이고 터빈 엔진(90)으로부터 에너지를 추출하도록 구성된다. 터빈 엔진(90)은 공기 흡입 섹션(60), 터빈 공기 압축기 섹션(62), 연소 챔버(66), 촉매 환원 섹션(나타내지 않았지만, 도 3에 나타낸 촉매 환원 섹션(25)과 유사함) 및 전력 터빈 섹션(64)을 포함한다. 압축기 섹션(62)으로부터의 압축된 공기의 일부와 연료는 연료가 연소되는 연소 챔버(66)에 공급된다. 나머지 압축 공기는 연소 챔버(66)의 외부 주위로 흐른다.
연소 챔버(66)의 배기는 탄화수소 연료/산소 연소 반응으로부터의 물(H2O) 및 이산화탄소(CO2)를 포함한다. 또한, 주변 흡입 공기의 질소와 산소는 아산화질소(NOx)를 생성하기 위해 연소 챔버(66)에서 고온에서 반응한다. 일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC)와 같은 불완전한 연료 연소 생성물이 또한 연소 챔버(66)의 엔진 배기에 존재한다. 연소 프로세스는 배기에 산소가 실질적으로 고갈되게 한다.
변환기는 MEA 스택 조립체, 더욱 구체적으로 제1 MEA 스택 및 제2 MEA 스택(68)을 포함한다. 제1 MEA 스택 및 제2 MEA 스택(68)은 연소 챔버(66)의 벽, 구체적으로 점화-후 영역에 위치된다. MEA 스택(68) 중 하나의 확대도가 도 5의 하부에 나타내어져 있다. 각각의 MEA 스택(68)은 한 쌍의 전극(61, 63) 사이에 개재된 이온 전도성 멤브레인(65)을 포함한다. 각각의 MEA 스택(68)은 제1 전극(61)이 터빈 엔진 연소 배기 가스에 노출되고 제2 전극(63)이 압축된 공기 흐름에 노출되도록 위치된다.
각각의 MEA 스택(68)의 멤브레인(65)은 외기와 배기 가스 흐름 사이의 산소 이온 전도성 장벽이다. 제1 전극 및 제2 전극(61, 63) 각각은 촉매, 바람직하게는 산화 촉매, 더욱 바람직하게는 백금/팔라듐 촉매를 함유한다. 압축 공기와 배기 가스의 산소 분압 차이 하에서, 산소는 제2 전극(63)으로 진입하여 내부에서 산화되고, 생성된 산소 이온은 멤브레인(65)을 통해 전도되며, 방출된 전자는 부하(도 5에 미도시)를 통해 외부로 전도된다. 회로는 제1 전극(61)에서 완성되며, 여기서 외부 회로로부터의 전자는 물과 증가된 이산화탄소 함량을 함유하는 혼합물을 형성하기 위해 각각의 반응 전위에서 배기 스트림의 일산화탄소 및 임의의 미반응 탄화수소와의 산화 반응을 위해 산소 이온과 결합한다. 각각의 MEA 스택(68)의 제1 전극(61)은 엔진 배기 스트림에서 반응 생성물의 산화를 촉진함으로써 촉매 변환기의 요건을 충족한다.
산화 반응에 추가하여, 전력은 또한 네른스트 식에 따라 외기로부터 이용 가능한 풍부한 산소와 엔진 배기 스트림의 고갈된 산소 함량 사이의 산소 분압 차이로부터 생성된다. 분압 차이 하에서 변환기를 통한 산소의 팽창은 직접 전기를 생성하고, 연소 챔버(66)를 빠져나가는 가스의 산소 함량을 증가시킨다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 배기 가스 또는 폐열용 에너지 회수 변환기의 다른 실시예가 나타내어져 있다. 변환기는 스크램 제트 엔진의 일부이며 스크램 제트 엔진으로부터 에너지를 추출하도록 구성된다. 스크램 제트 엔진은 공기 입구 섹션(70), 격리기 섹션(72), 연소기 섹션(76) 및 노즐 섹션(74)을 포함한다. 변환기는 또한 MEA 조립체, 즉, 제1 MEA 스택 및 제2 MEA 스택(78)을 포함한다. MEA 스택(78)은 연료 연소 영역 및 기류-통과 영역으로의 연소 섹션(76)을 통한 흐름을 부분적으로 분리한다. 격리기 섹션(72)으로부터의 연료 및 공기의 일부는 연료 연소 영역으로 공급된다. 공기의 나머지 부분은 각각의 MEA 스택(78)의 반대 측 상에서 통과하여, 각각의 스택(78)의 제1 전극(71)은 연소 가스에 노출되고 각각의 스택(78)의 제2 전극(73)은 격리기 섹션(72)으로부터 직접 제공되는 산소가 풍부한 공기 흐름에 노출된다.
각각의 MEA 스택(78)의 제1 전극 및 제2 전극(71, 73) 사이에 위치되는 멤브레인(75)은 제2 전극(73)에 노출된 산소가 풍부한 공기 흐름을 제1 전극(71)에 노출된 산소가 고갈된 연소-후 가스 흐름으로부터 분리하는 산소 이온 전도성 장벽이다. 제1 전극 및 제2 전극(71, 73) 각각은 촉매, 바람직하게는 산화 촉매, 더 바람직하게는 백금/팔라듐 촉매를 함유한다. 격리기 섹션(72)으로부터의 공기와 배기 가스의 산소 분압 차이 하에서, 산소는 제2 전극(73)으로 진입하여 내부에 함유된 촉매에 의해 산화되고 생성된 산소 이온은 이온 전도성 멤브레인(75)을 통해 제1 전극(71)으로 전도되며, 방출된 전자는 부하(도 6에 미도시)를 통해 외부로 전도된다. 회로는 제1 전극(71)에서 완성되며, 여기서 외부 회로로부터의 전자는 각각의 반응 전위에서 연소 가스 스트림의 일산화탄소 및 임의의 미반응 탄화수소와의 산화 반응을 위해 이온 전도성 멤브레인(75)을 통해 전도된 산소 이온과 결합한다. 변환기는 도 3 내지 도 5와 관련하여 상술한 바와 같이, 촉매 환원 섹션 및 배기 가스 조성을 포함한다.
제1 전극(71)은 엔진 배기 스트림에서 반응 생성물의 산화를 촉진함으로써 촉매 변환기의 요건을 충족시킨다. 이와 같이, 부분 연소된 연료(예를 들어, 탄화수소)와 일산화탄소는 물과 증가된 이산화탄소 함량을 함유하는 혼합물을 형성하기 위해 MEA를 통해 전도된 산소와의 반응을 거친다.
산화 반응에 추가하여, 전력은 또한 네른스트 식에 따라 외기로부터 이용 가능한 풍부한 산소와 연료 연소 생성물의 고갈된 산소 함량 사이의 산소 분압 차이로부터 생성된다. 분압 차이 하에서 변환기를 통한 산소의 팽창은 직접 전기를 생성한다.
상술한 변환기/시스템 중 임의의 것이 산업 설비에 프로세싱 열을 공급하는 데 적합할 수 있다. 예시적인 설비는 원광, 목재 또는 종이 건조 프로세스로부터 금속을 프로세싱하고 분리하기 위해 열이 필요한 설비일 것이다. 본질적으로, 프로세스 열원으로서 연료를 연소하는 프로세스에서 산소가 풍부한 가스로부터 산소가 고갈된 가스를 생성하는 산업 프로세싱 설비이다. 잔열과 불완전 연소 생성물은 종종 낭비된다.
본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 광범위한 발명의 개념을 벗어나지 않고 상술한 실시예에 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정 실시예에 제한되지 않고 첨부된 청구 범위에 의해 정의된 본 발명의 사상 및 범위 내에서 수정을 포함하도록 의도되는 것으로 이해된다.

Claims (12)

  1. 배기 가스 또는 폐열용 에너지 회수 변환기로서, 상기 변환기는,
    촉매 환원 챔버;
    상기 촉매 환원 챔버와 유동적으로 연통되고, 제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 개재된 산소 이온 전도성 멤브레인을 포함하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 각각은 전기 화학 반응을 촉진하도록 구성된 적어도 하나의 산화 촉매를 포함하는 멤브레인 전극 조립체;
    제1 이온화 가능가스 함량을 갖는 배기 가스로서, 상기 멤브레인 전극 조립체의 상기 제2 전극은 상기 배기 가스에 노출되고, 상기 멤브레인 전극 조립체의 상기 제1 전극은 제2 이온화 가능가스 함량을 갖는 가스에 노출되고, 상기 제2 이온화 가능가스 함량은 상기 제1 이온화 가능가스 함량보다 높은, 배기 가스; 및
    상기 멤브레인 전극 조립체의 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 연결된 외부 전기 부하를 포함하는, 에너지 회수 변환기.
  2. 제1항에 있어서,
    연료가 상기 배기 가스를 생성하기 위해 산소가 풍부한 가스와 혼합되고 연소되는, 에너지 회수 변환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 산화 촉매는 백금/팔라듐 촉매인, 에너지 회수 변환기.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 환원 촉매는 로듐 및 백금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 에너지 회수 변환기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 환원 촉매는 로듐인, 에너지 회수 변환기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배기 가스는 탄화수소, 질소 산화물 및 물을 포함하고,
    상기 촉매 환원 챔버에서, 상기 배기 가스의 상기 탄화수소 및 상기 물은 상기 로듐 촉매에 의해 물, 이산화탄소, 질소 및 일산화탄소로 변환되는, 에너지 회수 변환기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 이온화 가능가스는 산소이고,
    상기 제2 이온화 가능가스 함량을 갖는 상기 가스로부터의 산소는 상기 제1 전극으로 진입하고, 산소 이온들을 생성하기 위해 그 내에 함유된 상기 적어도 하나의 산화 촉매에 의해 산화되고,
    상기 산소 이온들은 상기 이온 전도성 멤브레인을 통해 전도되고, 전자들이 상기 외부 전기 부하로 방출되고,
    상기 전자들은 상기 외부 전기 부하로부터 상기 제2 전극으로 전달되고 상기 산소 이온들과 결합하여 각각의 반응 전위들에서 일산화탄소 및 임의의 미반응 탄화수소를 산화시키는, 에너지 회수 변환기.
  9. 변환기를 사용하여 기계 엔진으로부터 배기 가스를 정화하기 위한 방법으로서, 상기 변환기는,
    촉매 환원 챔버;
    제1 전극, 제2 전극 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 개재된 산소 이온 전도성 멤브레인을 포함하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 각각은 전기 화학 반응을 촉진하도록 구성된 적어도 하나의 산화 촉매를 포함하는 멤브레인 전극 조립체;
    탄화수소, 질소 산화물 및 물을 함유하는 배기 가스로서, 상기 배기 가스는 제1 분자 산소 함량을 갖고, 상기 멤브레인 전극 조립체의 상기 제2 전극은 상기 배기 가스에 노출되고, 상기 멤브레인 전극 조립체의 상기 제1 전극은 제2 분자 산소 함량을 갖는 가스에 노출되어, 상기 가스 내에 함유된 산소가 상기 제1 전극에 진입하고, 상기 제2 분자 산소 함량은 상기 제1 분자 산소 함량보다 높은, 배기 가스; 및
    상기 멤브레인 전극 조립체의 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 연결된 외부 전기 부하를 포함하고,
    상기 방법은,
    상기 배기 가스의 상기 탄화수소, 상기 질소 산화물 및 상기 물이 반응 가스들로 변환되도록 상기 배기 가스를 상기 촉매 환원 챔버로 운송하는 단계로서, 상기 반응 가스들은 원소 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 및 원소 질소인, 촉매 환원 챔버로 운송하는 단계;
    상기 반응 가스들, 상기 물 및 임의의 미연소 탄화수소를 함유하는 스트림을 상기 촉매 환원 챔버로부터 상기 제2 전극으로 운송하는 단계;
    산소 이온들이 상기 산소 이온 전도성 멤브레인을 통해 전도되고 전자들이 동시에 외부 전기 회로로 방출되도록, 상기 산소 이온들을 생성하기 위해 상기 제2 분자 산소 함량을 갖는 상기 가스로부터 상기 산소를 산화시키는 단계; 및
    상기 산소 이온들과 결합하고 각각의 반응 전위들에서 상기 일산화탄소 및 상기 미연소 탄화수소와의 산화 반응을 위해 상기 전자들을 상기 외부 전기 회로로부터 상기 제1 전극으로 운송하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 산화 촉매는 백금/팔라듐 촉매인, 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 촉매 환원 챔버는 로듐 및 백금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 촉매를 함유하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 촉매는 로듐인, 방법.
KR1020217008499A 2018-08-22 2019-08-22 배기 가스 에너지 회수 변환기 KR102519307B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201862720996P 2018-08-22 2018-08-22
US62/720,996 2018-08-22
PCT/US2019/047599 WO2020041535A1 (en) 2018-08-22 2019-08-22 Exhaust gas energy recovery converter

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210037727A KR20210037727A (ko) 2021-04-06
KR102519307B1 true KR102519307B1 (ko) 2023-04-07

Family

ID=67841279

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020217008499A KR102519307B1 (ko) 2018-08-22 2019-08-22 배기 가스 에너지 회수 변환기

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11326497B2 (ko)
EP (1) EP3840862A1 (ko)
JP (1) JP7408632B2 (ko)
KR (1) KR102519307B1 (ko)
CN (1) CN112601599B (ko)
WO (1) WO2020041535A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111569808B (zh) * 2020-05-22 2022-06-17 中石化上海工程有限公司 一种能量集成利用的原料药反应提纯系统及其工艺方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040166386A1 (en) * 2003-02-24 2004-08-26 Herman Gregory S. Fuel cells for exhaust stream treatment
US20090305090A1 (en) 2006-09-13 2009-12-10 The University Of Akron Catalysts compositions for use in fuel cells

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10026941A1 (de) * 2000-05-30 2001-12-06 Creavis Tech & Innovation Gmbh Verfahren zur selektiven elektrochemischen Oxidation von organischen Verbindungen
EP1314214A4 (en) 2000-07-28 2005-11-23 Johnson Res & Dev Company Inc JOHNSON R VERSIBLE ENGINE
US20050058595A1 (en) * 2003-09-15 2005-03-17 Celgard Inc. Reactor and method for generating hydrogen from a metal hydride
US7363758B2 (en) * 2004-11-09 2008-04-29 Ford Global Technologies, Llc Lean burn engine control NOx purging based on positional loading of oxidants in emission control device
US7600375B2 (en) * 2006-02-14 2009-10-13 Ford Global Technologies, Llc Catalytic device with fuel cell portion and catalytic conversion portion
US7810319B2 (en) * 2006-02-14 2010-10-12 Ford Global Technologies, Llc Catalytic device with fuel cell portion and catalytic conversion portion
US7870723B2 (en) * 2006-02-14 2011-01-18 Ford Global Technologies, Llc System and method to operate fuel cell in the exhaust of an internal combustion engine
US7846595B2 (en) * 2006-02-14 2010-12-07 Ford Global Technologies, Llc System and method to operate a fuel cell in the exhaust of an internal combustion engine
US8192877B2 (en) * 2006-02-14 2012-06-05 Ford Global Technologies, Llc System and method to operate fuel cell in the exhaust of an internal combustion engine
US8261862B2 (en) * 2006-08-18 2012-09-11 Kabushiki Kaisha Atsumitec Drive apparatus for vehicle
AU2012261639B2 (en) * 2006-09-13 2014-02-27 The University Of Akron Catalysts Compositions for use in Fuel Cells
CN101239277B (zh) * 2007-11-27 2011-11-30 刘建国 直接液体燃料电池尾气的电化学处理方法和专用装置
CN102335552A (zh) * 2010-07-16 2012-02-01 国立清华大学 控制废气排放并发电的电化学催化剂转化器
CN102485326A (zh) * 2010-12-06 2012-06-06 黄大仁 电化学催化剂转化器
TWI422422B (zh) * 2011-11-09 2014-01-11 Nat Univ Tsing Hua 控制廢氣排放的電觸媒管
EP2827412A1 (en) * 2013-07-16 2015-01-21 DWI an der RWTH Aachen e.V. Microtubes made of carbon nanotubes
DK3269001T3 (da) * 2015-03-09 2022-11-14 Jtec Energy Inc Fremgangsmåde til at drive en termoelektrokemisk omformer med integreret energilagring

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040166386A1 (en) * 2003-02-24 2004-08-26 Herman Gregory S. Fuel cells for exhaust stream treatment
US20090305090A1 (en) 2006-09-13 2009-12-10 The University Of Akron Catalysts compositions for use in fuel cells

Also Published As

Publication number Publication date
CN112601599A (zh) 2021-04-02
KR20210037727A (ko) 2021-04-06
US20210310392A1 (en) 2021-10-07
WO2020041535A1 (en) 2020-02-27
CN112601599B (zh) 2022-12-02
EP3840862A1 (en) 2021-06-30
JP2021535552A (ja) 2021-12-16
JP7408632B2 (ja) 2024-01-05
US11326497B2 (en) 2022-05-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20200014046A1 (en) Solid-oxide fuel cell systems
US20160260991A1 (en) Power generation system utilizing a fuel cell integrated with a combustion engine
CA2211391A1 (en) An electrochemical energy conversion and storage system
JP2004207241A (ja) 空気及び燃料の流れを再循環させる燃料電池一体型ハイブリッド発電装置
JP5030436B2 (ja) 単室型固体酸化物型燃料電池
US6989209B2 (en) Power generation method
US8288042B2 (en) Electric power generation device
KR102519307B1 (ko) 배기 가스 에너지 회수 변환기
US20140060461A1 (en) Power generation system utilizing a fuel cell integrated with a combustion engine
EP1241339A3 (en) Compound-type energy generation system
JP5106944B2 (ja) 発電装置
JPS60258862A (ja) 燃料電池発電装置
CN115243801A (zh) 蒸汽浓差能量转换器
JP4654631B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池
JP3600798B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池と燃焼を利用する産業プロセスとのコンバインドシステム
DE602004006636D1 (de) Hilfskrafteinheit von festoxidbrennstoffzellen
JP2004044458A (ja) 複合発電プラント
JP2014231816A (ja) 燃料電池およびガスタービンを備える発電装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant