KR20070047231A

KR20070047231A - 연료 전지 보조 발전과 결합된 질소 산화물 재생을 위한합성가스의 생성

Info

Publication number: KR20070047231A
Application number: KR1020067009841A
Authority: KR
Inventors: 케 리우; 프란시스 에이 코쿰
Original assignee: 쉘 하이드로겐 엘엘씨
Priority date: 2003-11-19
Filing date: 2004-11-17
Publication date: 2007-05-04
Also published as: US20050103543A1; US7090043B2; JP5154800B2; JP2007524966A; WO2005051509A2; CA2546439A1; WO2005051509A3; CN101155706A; MXPA06005644A; CA2546439C; BRPI0416697A

Abstract

트럭 엔진 (12) 의 정상 작동 동안에, 촉매 부분 산화기 (catalytic partial oxidizer)(30) 는 짧은 시간 주기 동안에 NO_x 트랩을 재생하기 위하거나 EGR 시스템 (43~46) 을 통해서 엔진 (12) 의 입구 (13) 에 전환되는 (33) 합성가스 (수소와 일산화탄소) 를 공급한다. 일부 수소는 합성가스로부터 팔라듐 막 분리기 (63) 에 의해서 추출되며, 연료 전지 스택 (51) 의 연료 입구 (52) 로 지나가게 된다. 상기 스택 (51) 은 트럭에 보조 전력을 공급한다. 상기 스택의 공기 출구 (55) 로부터 습공기가 연료/배출/공기 정적 혼합기로 공급된다. 메탄 발생기 (methanator) 는 팔라듐 막을 통해서 누출되는 CO를 CH₄로 변환하며, 팔라듐 막 분리기 (63) 의 내부에 혹은 입구에서 물/가스 전환 촉매 (water/gas shift catalyst) 혹은 증기 재생성 촉매 (steam reforming catalyst)(76) 는 추가적인 일부 H₂를 제공한다.

Description

연료 전지 보조 발전과 결합된 질소 산화물 재생을 위한 합성가스의 생성{GENERATING SYNGAS FOR NOX REGENERATION COMBINED WITH FUEL CELL AUXILIARY POWER GENERATION}

본 발명은 내연 기관을 가진 차량에서 NO_x 트랩 안의 NO_x 흡착제를 재생하기 위해서 생성된 수소 및 일산화탄소의 혼합물 (이하 합성가스) 을 이용하는 것과 디젤 트럭 같은 차량에서 보조 발전용 연료 전지에 수소함유 연료를 제공하기 위해서 H₂ 합성가스의 일부를 전환시킨 것을 결합하는 것에 관한 것이다.

내연 기관을 가진 차량에서, 배기 가스 중의 질소 산화물 (NO_x) 를 줄이기 위해서, NO_x 트랩의 흡착 물질의 재생을 위해 수소와 일산화탄소의 가스 혼합물 (이하 합성가스 (syngas) 라고 칭함) 을 생성하는 것이 알려져 있다. 2002년 9월 13일에 출원되어 공동 계류 중인 미국 특허 출원 일련 번호 10/243,105에는 NO_x 트랩을 재생하는데 사용하기 위해서 엔진 연료, 엔진 배기 가스 및 공기로부터 합성가스를 생성하는 것이 개시되어 있다. 이런 시스템의 다른 예가 2002년 12월 4일에 출원되었고 공동 소유된 미국 특허 출원 일련 번호 10/309,712 에 개시되어 있다.

도 1 에서 보여지는 종래 기술에서, 엔진 시스템 (11) 은 라인 (13) 의 연료와 공기의 혼합물을 받는 내연 기관 (12) 을 포함한다. 라인 (17) 의 공기는 전형적으로 터보 챠저에 의해서 공급되며, 이 공기의 압력은 밸브 (18) 에 의해서 적절하게 조절된다. 연료는 연료 펌프 (20) 로부터 라인 (19) 을 통해 공급된다. 라인 (23) 의 엔진 배기 가스는 밸브 혹은 고정된 오리피스 (24) 를 통해서 라인 (19) 의 연료와 함께 정적 혼합기 (static mixer)(25) 에 공급된다. 연료는 밸브 혹은 고정된 오리피스 (26) 를 통해 전달된다. 라인 (29) 에 있는 정적 혼합기의 배출물은 수소, 일산화탄소 및 다른 가스의 기체 혼합물을 생성하는 촉매 부분 산화기 (catalytic partial oxidizer)(CPO)(30) 에 공급되며, 이 모두는 종래 기술이며, 본 발명과는 관련이 없다. 라인 (31) 에 있는 CPO의 배출물은 2방 밸브 (two-way valve)(33) 에 공급된다. 이 밸브는 다른 곳에서 설명된 바와 같이 더 많은 선택을 할 수 있는 밸브일 수도 있다.

라인 (23) 의 배기 가스는 또한, 한 쌍의 NO_x 트랩 (35) 에 공급하는 한 세트의 밸브 (34) 같은 합성가스 이용 장치 (syngas-utilizing apparatus) 에 공급되고, 이 장치는 상기 언급한 출원 번호 10/243,105에 개시되어 있으며, 엔진의 NO_x 방출을 감소시키기 위한 NO_x 흡착 물질로서 예를 들면, 탄산 바륨을 사용할 수 있다. 밸브 (34) 로 들어오는 다른 유입물은 2방 밸브 (33) 의 한 설정에 의해서 라인 (38) 을 통해 공급된다. 따라서, 짧은 시간 (일반적으로 5~10초) 동안에 NO_x 트랩 중 하나에 있는 흡착 물질이 합성가스에 의해서 재생될 때, 제어기 (40) 로부터의 신호 (39) 에 따라 2방 밸브 (33) 는 유효량의 합성가스를 밸브 (34) 에 공급하게 된다. 이 경우 유효량은 NO_x 트랩을 재생하는데 필요한 양이다. 제어기 (40) 는 신호 (41) 로 밸브 (34) 를 앞뒤로 전환시켜서 각 NO_x 트랩은 교대로 NO_x를 장기간 (일반적으로 80~100초 정도) 흡착하고, 그 후 짧은 시간 동안 합성가스에 의해서 재생된다.

합성가스가 필요하지 않을 때, 제어기 (40) 는 신호 (39) 를 써서 EGR 라인 (43) 에 합성가스를 공급하게 2방 밸브 (33) 를 설정하며, 상기 EGR 라인은 배기 라인 (23) 으로부터 통상의 EGR 밸브 (44) 를 통하여 배기 가스를 받게 된다. EGR 가스는 열교환기 (45) 에서 냉각되고, 다른 통상의 EGR밸브 (46) 를 통과하여 엔진 (12) 의 연소실 직전에 공기/연료 혼합물과 섞이게 된다. EGR 요소 (43~46) 는 통상적인 것이다.

도 1 의 장치에서 엔진 (12) 이 정상 작동할 때, CPO는 정격 용량에서 작동하여 유효한 혹은 적절한 양의 합성가스를 연속적으로 공급할 수 있다. CPO의 배출물은 NO_x 트랩 (35) 에 공급되거나 엔진 (12) 의 입구로 번갈아서 보내진다. 합성가스의 열량은 엔진에서 회복되기 때문에, 엔진 작동이 향상되고 원하지 않는 방출물을 감소시켜서 합성가스를 생성하는 데 사용되는 연료의 양은 엔진 전체 시스템의 효율 감소를 일으키지는 않는다. CPO를 연속적으로 (엔진의 정상 작동 동안에) 작동하기 때문에 CPO를 자주 시동하고 끌 필요가 없다. 따라서 CPO의 제어는 두드러지게 간단해지고 CPO 촉매가 손상 받을 위험이 최소화된다.

일반적으로 디젤 엔진에 의해서 작동되는 큰 트럭에서, 때때로 소비되는 전기 에너지를 얻기 위해 보조 전력 유닛이 필요하다. 현재 사용가능한 보조 전력 유닛은 매우 비싸며, 보조 전력 유닛에 동력을 제공하는데 요구되는 연료 처리 시스템은 매우 복잡하며 비싸고, 상용화에는 실용적이지 않다.

본 발명의 목적은, 대형 트럭용의 실용적인 보조 전력 유닛; 비용 면에서 효과적이고 효율적인 방식으로 연료 공급을 받을 수 있는 보조 전력 유닛; 잘 맞아서 트럭의 엔진에 보조적인 다른 장비와 통합가능한 보조 전력 유닛; 그리고 대형 트럭에서 사용될 수 있는 개선된 보조 시스템을 구현하는 것이다.

본 발명에 따를 때, 양성자 교환막 (Proton exchange membrane)(PEM) 연료 전지는 CPO에 의해서 생성된 H₂의 일부를 사용하여 트럭 시스템에 필요한 보조 전력에 제공한다. 또한 본 발명에 따를 때, 팔라듐 막은 일산화탄소를 소량 포함한 수소 함유 가스와 이산화탄소 (CO_x) 를 분리하는데 사용되며, 이 가스는 메탄 발생기에 보내져 소량의 메탄 (CH₄) 을 함유한 수소로 전환된다. 본 발명에 따를 때, 합성가스는 연속적으로 작동하는 촉매 부분 산화기 (CPO) 에 의해서 생성되며, 팔라듐 막에 의해서 제거되지 않은 합성가스의 일부는 재생 기간 동안에 NO_x 흡착제를 재생하는 데 공급되고, 정상 작동 동안에는 EGR 시스템을 통해서 엔진의 연료 입구에 공급된다. 엔진이 아이들링 상태에 있을 때, 합성가스는 버너 구동식 공기 조화 시스템 같은 다른 보조 장치에 보내져 트럭의 공기 조화에 필요한 에너지를 제공하게 된다.

또한 본 발명에 의할 때, 선택적으로, 소량의 CO_x가 팔라듐 막을 통하여 누출되어 메탄 발생기에 의해서 CH₄로 전환되며, 이리하여 팔라듐 막 장치와 메탄 발생기는 매우 작고 저렴하게 될 수 있다.

차에 장착된 CPO 에서 사용되는 공기의 습화 (humidification) 는 연료 전지 스택의 공기 배출물 중의 습분으로 이루어진다. 따라서 연료 전지을 전력만 공급할 뿐만 아니라, CPO 유입 공기를 습화시켜 제공하여서 합성가스 (및 H₂) 의 생성을 돕는다.

팔라듐 막 분리기의 입구에서 합성가스에 분사되는 물은 연료 전지 공기 배출물로부터 추출될 수 있다.

도 1 은 NO_x 트랩으로부터 엔진의 연료 입구로 CPO의 배출물을 전환하는 종래 기술의 엔진 시스템의 단순화된 개략도이다.

도 2 는 본 발명에 따른, 도 1 의 합성가스 생성 기능을 연료 전지 스택 보조 발전 유닛과 결합한 엔진 시스템의 개략도이다.

도 3 은 분리기에 더 저렴하고 얇은 Pd 막을 사용할 수 있게 하는 메탄 발생기를 가진 도 2 의 시스템의 개략도이다.

도 4 는 Pd 막에 촉매의 부가를 도시한 부분 개략도이다.

도 2 를 참고하면, 본 발명에 따를 때, 대형 트럭용 보조 전력 유닛은 연료 입구 매니폴드 (fuel inlet manifold)(52), 연료 출구 매니폴드 (53), 산화제 입구 매니폴드 (54) 및 산화제 출구 매니폴드 (55) 를 가진 연료 전지 스택 (51) 을 포함하는 연료 전지 발전기 (50) 를 포함한다. 연료 출구 매니폴드 (53) 는 본 발명의 일부를 형성하지 않는 당 기술 분야에 알려진 연료 재활용 장치와 상호 연결될 수 있거나, 연료 출구는 연료 입구 (60) 에 있는 정적 혼합기 (25) 에 연결될 수 있다. 산화제 입구 매니폴드 (54) 는 일반적으로 7-4kPa (2-3psi) 보다 큰 압력으로 압축되지 않은 공기를 블로어 (blower)(58) 로부터 받거나, 공기 라인 (13) 으로부터 압축기에 의해서 공급받을 수 있다.

산화제 출구 매니폴드 (55) 는 덕트 (59) 에 의해서 전술한 바와 같이 EGR 유동을 냉각하는 열교환기 (45) 에 연결된다. 열교환기 (45) 의 공기 출구는 덕트 (62) 에 의해서 정적 혼합기 (25) 에 연결되어, CPO의 입구에 따뜻한 습공기를 제공한다. EGR 배기 흐름물의 열은 CPO (30) 에 공급되는 습공기의 온도를 효율적인 작동을 위해 약 300℃ ~ 350℃ (572℉~662℉) 로 상승시키는데 도움을 준다. 전에 설명한 것처럼 CPO (30) 에 의해서 생성된 합성가스는 덕트 (31) 에 의해서 팔라듐 막 분리기 (63) 의 입구에 공급된다. 이 분리 유닛은 덕트 (65) 의 수소를 연료 전지 스택 (51) 의 연료 입구 (52) 에 공급한다.

덕트 (70) 안의 팔라듐 막 분리기 (63) 의 주된 배출물은 소량의 CO, CO₂ 및 전환되지 않은 다른 탄화수소와 함께 수소를 포함한다. 이 배출물은 3방 밸브 (33) 에 공급되어, 엔진이 단순 아이들링 상태일 때, 수소가 라인 (71) 을 따라 버너 구동식 공기 조화 시스템과 같은 다양한 보조 장치에 공급될 수 있다. 엔진이 정상 작동할 때 (즉, 부하가 있을 때), 합성가스가 라인 (38) 을 통해 밸브 (34) 에 공급되도록 3방 밸브는 짧은 시간 동안 (5~10초 정도) 설정된다. 그러나, (재생 기간 사이의 80~100초 기간 같이) NO_x 흡착제가 재생되지 않고 엔진이 정상 작동할 때는, 합성가스가 라인 (43) 을 따라서 이동하여 엔진의 입구에서 EGR과 혼합되도록 3방 밸브가 설정된다.

희망한다면, 전반적으로 더 저렴한 시스템을 갖기 위해서, 얇고 저렴한 팔라듐 막이 상기 분리기 (63) 에 사용될 수 있다. 그러나 이러한 경우에는 CO를 포함한 소량의 합성가스가 막을 통과해 누출될 수 있으며, 이로 인해서 도관 (65) 에는 수소와 소량의 CO의 혼합물이 제공된다. 알려진 것처럼 CO는 연료 전지에 있는 양극 촉매 (anode catalyst) 를 피독시킨다. 도 3 에서 보이듯이, 팔라듐 막 분리기 (63) 는 덕트 (65) 의 수소와 CO_x를 메탄 발생기 (methanator)(66) 에 공급한다. 알려진 것처럼 메탄 발생기 (66) 는 Pt-Ru 촉매를 포함할 수 있다. 메탄 발생기 (66) 에서, CO는 연료 전지 스택에 무해한 CH₄로 전환된다. 만일 연료 출구 (53) 가 정적 혼합기 (25) 에 연결되어 있는 경우에는 메탄 (CH₄) 을 CPO 로 재순환시켜서 혹은 엔진에서 연소시켜서 CH₄의 열량을 회수할 수 있다.

도 4 에서 도시되어 있듯이, 희망한다면, 팔라듐 막 분리기 (63) 의 내부에 혹은 그 입구에 촉매 (76) 를 제공할 수 있다. 이 촉매는 물/가스 전환 반응 촉매 (water/gas shift reactor catalyst) 혹은 증기 재생성 반응 촉매 (steam reforming reactor catalyst) 중 하나일 수 있다. 이 경우에, NO_x 트랩을 재생시키고 연료 전지 스택에 수소를 공급하기 위해 필요한 합성가스의 양은 일부는 CPO (30)(약 70% 정도) 를 통해서, 일부는 촉매 (76)(약 30% 정도) 를 통해서 공급될 수 있다.

만일 희망한다면, 혹은 불필요하다면, 특히 시동 동안 혹은 심지어 정상 상태 동안에 만일 본 발명의 구현에 필요하다면, 공기는 정적 혼합기 (24) 의 입구 (60) 에 직접 공급될 수 있다. 추가로 라인 (23) 의 뜨거운 배기 가스는 연료 전지 스택 공기 배출이 충분해지기 전에 CPO의 시동 동안에 사용될 수 있다.

비록 필요하지는 않지만, 희망한다면, 합성가스를 400℃(752℉) 미만으로 냉각하기 위해 팔라듐 막 분리기 (63) 의 입구에서 CPO (30) 의 배출물 (31) 에 물을 분사할 수 있다. 물은 다양한 방법으로 공급될 수 있는데, 가장 간단하게는 물탱크 (도시되지 않음) 혹은 연료 전지 스택 (51) 에서 공급하는 것이다.

번갈아 재생되는 한 쌍의 NO_x 트랩 (35) 을 사용하는 대신에, 본 발명은 2002년 12월 4일 출원되어 공동 계류 중인 미국 특허 출원 번호 10/309,712에 공개된 것과 같은 연속적으로 흡착하고 재생되는 NO_x 트랩을 사용하여 실시할 수 있으 며, 이 NO_x 트랩은 서로 회전하는 흡착제와, 이 흡착제를 포화시키는데 걸리는 시간과 그 흡착제를 재생시키는데 걸리는 시간에 따라 분배하는 입구 매니폴드를 가진다.

Claims

수소와 일산화탄소를 포함하는 혼합물 (이하 "합성가스"라 함) 로 재생되는 흡착 물질을 가진 질소산화물 (이하 "NO_x"라 함) 트랩 어셈블리 (34, 35);

공기 입구 (54) 에서 공기를 받고, 연료 입구 (52) 에서는 수소 농후 연료 혼합물을 받으며, 공기 출구 (55) 로부터 배출되는 습공기를 가지며, 차량내의 보조 장치를 작동시키기 위한 전력을 공급하는 연료 전지 발전기 (50);

엔진 연료 (13, 19, 20) 로 작동되며, NO_x를 가진 엔진 배기 가스 (23) 를 상기 NO_x 트랩 어셈블리에 공급하는 내연 기관 시스템 (12);

상기 엔진 배기 가스, 상기 엔진 연료 및 상기 연료 전지 발전기로부터 배출되는 습공기 (59, 62) 로부터 합성가스를, 상기 NO_x 트랩 어셈블리 안의 흡착 물질을 재생하는데 필요한 양보다 많은 양으로 생성하는 수단 (24~26, 29~31); 및

입구에서 합성가스를 받으며, 상기 흡착 물질을 재생하는데 사용되는 합성가스를 주 배출 도관 (70) 에서 공급하며, 부가적인 배출 도관 (65) 으로부터 수소 농후 가스 혼합물을 상기 연료 전지 스택의 상기 연료 입구에 공급하는 팔라듐 막 분리기 (63);

를 포함하는 차량.
제 1 항에 있어서,

상기 팔라듐 막 분리기 (63) 는 상기 부가적인 배출 도관으로부터 CO를 포함한 일부 합성가스를 누출할 수 있는 막을 가지며,

상기 차량은 메탄 발생기 (methanator)(66) 를 더 포함하며, 상기 팔라듐 막 분리기의 상기 부가적인 배출구 (65) 로부터 수소 농후 혼합물은 상기 메탄 발생기에 공급되며, 상기 메탄 발생기에서 CO는 CH₄로 전환되며, 상기 메탄 발생기의 배출 도관 (69) 은 상기 연료 전지 스택의 연료 입구 (52) 에 연결되는 것을 특징으로 하는 차량.
제 1 항에 있어서,

상기 팔라듐 막 분리기 (63) 의 막과 합성가스를 생성하는 상기 수단 (30) 의 배출 도관 (31) 사이에 위치하며, 물/가스 전환 반응 촉매 (water/gas shift reactor catalyst) 와 증기 재생성 반응 촉매 (steam reforming reactor catalyst) 중에서 선택되는 촉매 (76) 를 더 포함하며,

상기 합성가스의 양은 일부는 상기 합성가스 생성 수단을 통해서, 일부는 상기 촉매를 통해서 공급되는 것을 특징으로 하는 차량.
제 1 항에 있어서,

상기 분리기의 주 배출 도관으로부터 나와서 NO_x 트랩 촉매의 재생에 이용되지 않는 합성가스를 엔진 (43, 46, 12) 에 혹은 라인 (71) 을 거쳐서 버너 구동식 공기 조화 시스템에 보내는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.