KR20080104139A

KR20080104139A - 수소 농후 연료를 생산, 분배, 사용 및 모니터링하는 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20080104139A
Application number: KR1020087021734A
Authority: KR
Inventors: 저스틴 펄톤; 로거 더블유. 마르마로; 그레고리 제이. 에간
Original assignee: 에덴 이노베이션즈 리미티드
Priority date: 2006-02-06
Filing date: 2007-01-19
Publication date: 2008-12-01
Also published as: EP1994266A4; US20070181083A1; WO2007092142A3; CN101415921B; US7721682B2; CN101415921A; CA2641429C; WO2007092142A2; US7497191B2; CA2641429A1; AU2007212745A1; EP1994266A2; US20080216774A1; JP2009526313A

Abstract

본 발명은 수소 농후 연료를 생산, 분배, 사용 및 모니터링하는 시스템(10)을 제공하며, 상기 시스템은 수소 농후 연료를 생산하도록 구성된 생산 시스템(12)과, 수소 농후 연료를 사용하도록 구성된 엔진(18)을 구비한 차량(16)과, 수소 농후 연료를 저장하고 차량(16)으로 분배하도록 구성된 분배 시스템(14)을 포함한다. 또한, 시스템(10)은 수소 농후 연료를 엔진(18)으로 전달하도록 구성된 차량(16) 상의 연료 전달 시스템(20)과, 생산 시스템(12)을 제어하고 차량(16)에 의한 수소 농후 연료의 사용을 모니터링하도록 구성된 제어 시스템(44)을 포함한다. 본 발명에 따르면, 수소 가스와 탄화수소 연료를 생산하는 단계와, 수소 가스와 탄화수소 연료를 수소 농후 연료로 혼합하는 단계와, 엔진에서 수소 농후 연료를 사용하는 단계와, 생산 단계 및 사용 단계 중 배기 가스를 추적하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.

수소 농후 연료, 생산 시스템, 차량, 제어 시스템, 배기 가스, 온실 효과, 온실 가스

Description

수소 농후 연료를 생산, 분배, 사용 및 모니터링하는 시스템 및 방법 {SYSTEM AND METHOD FOR PRODUCING, DISPENSING, USING AND MONITORING A HYDROGEN ENRICHED FUEL}

본 발명은 대체 연료에 관한 것으로서, 특정한 수소 농후 연료를 생산, 분배, 사용 및 모니터링하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

수소 및 천연 가스와 같은 기상의 대체 연료는 자동차 엔진의 청정 연소 특성만큼 가치가 있다. 하이탄으로 알려진 특히 청정 연소 기상 대체 연료는 수소와 천연 가스의 혼합물로부터 형성된다. 하이탄(HYTHANE)의 접두사 "하이(Hy)"는 수소(hydrogen)로 부터 취해진 것이다. 하이탄의 접미사 "탄(THANE)"은 천연 가스의 주요 성분인 메탄(methane)으로부터 취해진 것이다. 하이탄은 Brehon Energy PLC.의 등록 상표이다. 하이탄은 통상 에너지의 약 5% 내지 7% 수소를 함유한다. 천연 가스는 통상 약 90% 이상이 메탄이며, 소량의 에탄, 프로판, 더 높은 탄화수소(higher hydrocarbone) 및 이산화탄소 또는 질소와 같은 불활성 기체를 포함한다.

수소 및 메탄은 다방면에서 우선적인 차량 연료이다. 메탄은 희석 공연 혼합물과 초흡기(super-aspiration)를 사용하는 엔진 용도에서 연료 효율을 제한하는 비교적 좁은 가연성 범위를 갖는다. 희박 연소 및 배기 가스 재순환(EGR)으로 각각 알려진 과잉 공기 또는 재생된 배기 가스로 공연 혼합물을 희석하는 것이 통상적이다. 초흡기는 터보차저 또는 다른 과급(supercharging) 펌프에 의해 통상 달성된다. 소량의 수소만을 첨가하여도 희박 가연성 범위는 충분히 확장된다. 또한, 메탄은 특히 희박 공연 혼합물에서 느린 화염 속도를 갖는 반면에, 수소는 8배 더 빠른 화염 속도를 갖는다. 메탄은 발화하기 어려울 수 있는 상당히 안정적인 분자이지만, 수소는 메탄보다 25배 낮은 발화 에너지 요구 조건을 갖는다. 마지막으로, 메탄은 엔진 내에서 완전 연소되기 어려울 수 있거나, 배기 가스 후처리 전환기에서 촉진되기 어려울 수 있다. 반대로, 수소는 엔진 내에서의 메탄 연소를 가속하는 강력한 연소 자극제이며, 수소는 또한 낮은 배기 가스 온도에서의 효과적인 촉매 작용을 위한 강력한 환원제이다.

순수한 수소 연료는 배기 가스를 100%까지 줄일 수 있지만, 근일에는 화석 연료와 수소 간에는 불만족스러운 비용 차이가 존재한다. 수소 비용은 수소 에너지에 비례하며, 이는 베이스라인 에너지 시스템(예컨대, 비수소 연료식 차량)에 의해 소비된 에너지의 백분율로 표시될 수 있다. 하지만, 수소 비용만으로는 수소 연료 시스템에 의해 제공되는 이득을 고려할 수는 없다. 연료로서 수소를 사용하는 이득을 완전히 이해하기 위해서는, 수소의 사용 및 경제성에 대한 폭넓은 이해가 필요하다.

본 발명은 수소 농후 연료에 의한 배기 가스 감소를 고려하였다. 베이스라인 조건과 관련하여 백분율 수소 에너지에 대한 백분율 배기 가스 감소의 비율은 레버리지 요소(leverage factor)로 불리우는 수소 사용의 유효성의 측정이다. 수소 레버리지는 [배기 가스 감소 %]/[수소로 공급된 베이스라인 에너지 %]의 비율로 정의된다. 예컨대, 순수한 수소로 작동하도록 전환된 100대의 천연 가스 버스 차대는 약 7%의 총 배기 가스 감소를 가질 것이다. 이는 사용 수소의 레버리지가 7%/7% =1을 의미한다. 하지만, 동일한 차대는 100대의 버스 모두에 대해 천연 가스와 혼합된 동일한 양의 수소(에너지의 7%)를 사용할 수 있으며, 전체 차대에 대해 50%의 배기 가스 감소를 달성할 수 있다. 이 경우, 수소 레버리지는 50%/7%=7.14이거나 또는 순수한 수소의 경우보다 7배 효과적이다.

본 발명은 또한 연료의 전체 라이프 사이클을 고려하였다. 예컨대, 에탄올과 같은 생물 연료(biofuel)는 가솔린 엔진에 의해 생성되는 배기 가스를 감소시킬 수 있다. 하지만, 에탄올의 생산은 농장 트랙터에서 연소되는 디젤 연료, 농장 폐기물의 소각, 발효 및 증류 중의 과도한 이산화탄소의 생산, 및 분배를 위한 탱커 트럭에서 추가로 연소되는 디젤을 포함할 수 있다. 본 발명은 임의의 유효한 비교가 에탄올 연료와 에탄올 연료가 대체하고 있는 베이스라인 연료 사이에서 이루어지기 전에 이러한 배기 가스 공급원 모두가 고려되어야 한다는 점을 인지하였다.

차량 연료로 수소를 사용하는 것에 대한 지속적인 관심과 상당한 진전에도 불구하고, 수소는 아직까지는 알코올, 프로판 또는 천연 가스와 같이 확실한 대체 연료가 되지 못하였다. 본 발명은 수소 농후 연료를 생산, 분배, 사용 및 모니터링하기 위한 "정(well)에서 바퀴까지" 방식을 사용하는 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 시스템에 의해, 라이프 사이클 평가는 임의의 다른 베이스라인 연료에 비 해, 수소 농후 연료의 생산, 운반 및 사용과 관련된 전체적인 환경적 충격을 비교할 수 있다.

관련 기술의 상술된 예들 및 이러한 예들과 관련된 제한은 도시적인 것이며 배타적인 것으로 의도되지 않았다. 관련 기술의 다른 제한은 본 명세서를 탐독하고 도면을 연구하면 당업자에게 명확해질 것이다.

수소 농후 연료를 생산, 분배, 사용 및 모니터링하는 시스템 및 방법이 제공된다. 후속하는 실시예와 그 양태들은 시스템 및 방법과 관련하여 설명 및 도시되었으며, 이는 예시적이며 도시적인 것으로 의도되며 발명을 제한하지 않는다.

본 발명의 시스템은 수소 농후 연료를 사용하도록 구성된 엔진을 갖는 적어도 하나의 차량을 포함한다. 또한, 시스템은 수소 농후 연료를 생산하도록 구성된 생산 시스템과, 차량으로 수소 농후 연료를 분배하도록 구성된 분배 시스템을 포함한다. 또한, 시스템은 수소 농후 연료의 사용 중 차량에 의한 에너지 소모와 배기 가스를 모니터링하도록 구성된 제어 시스템을 포함한다. 또한, 제어 시스템은 수소 농후 연료의 생산을 모니터링하고 제어하여, 배기 가스와 에너지 소모 추적을 위한 필수 데이터를 수집하도록 구성된다. 또한, 제어 시스템은 수소 농후 연료의 생산 및 사용 중 배기 가스를 최소화하고 베이스라인 연료에 비해 에너지 소비를 최소화하도록 사용될 수 있다.

생산 시스템은 수소 가스를 제공하도록 구성된 수소 공급원과, 기본 탄화수소 연료를 제공하도록 구성된 탄화수소 공급원을 포함한다. 수소 가스와 탄화수소 연료는 극저온 또는 초임계 상태의 사전 혼합된 가압 가스 또는 유체로 수소 농후 연료를 제공하도록 생산 시스템에 의해 냉각, 혼합 및 압축될 수 있다. 다르게는, 생산 시스템은 수소 가스와 탄화수소 연료를 개별 요소로 차량에 제공할 수 있으며, 수소 가스와 탄화수소 연료는 이후에 차량에서 탑재식으로 혼합될 수 있다.

분배 시스템과, 제어 시스템 및 생산 시스템의 구성 요소는 종래의 주유소(gas station)와 구조와 기능이 유사한 연료 보급 스테이션에 위치될 수 있다. 도시적인 실시예에서, 분배 시스템은 사전 혼합된 상태로 수소 농후 연료를 차량에 분배하도록 구성된다. 대안적 실시예에서, 수소 가스 및 탄화수소 연료는 개별적인 요소로 제공되고, 차량은 수소 가스와 탄화수소 연료를 혼합하기 위한 정적 분사 시스템을 포함한다.

본 발명의 방법은 수소 농후 연료를 제공하는 단계와, 차량으로 수소 농후 연료를 분배하는 단계와, 차량 엔진에서 수소 농후 연료를 사용하는 단계와, 최소한 상기 사용 단계 중의 배기 가스와 연료 소비를 모니터링하는 단계를 포함한다. 모니터링 단계는 엔진 작동 조건, 배기 가스 배출 데이터 및 주행거리(mileage) 데이터와 같은 엔진 성능 데이터를 감지 및 기록할 수 있다. 또한, 모니터링 단계는 수소 농후 연료의 생산, 분배, 및 사용 기간을 포함하는 수소 농후 연료의 전체 라이프 사이클에 걸쳐 배기 가스를 추정 및 추적하기 위한 데이터를 모니터링할 수 있다. 또한, 모니터링 단계는 수소 농후 연료의 상태를 검증하고 수소 농후 연료의 생산, 분배 및 사용 중의 안전과 제어를 제공할 수 있다.

예시적인 실시예는 도면 부호가 첨부된 도면에 도시되었다. 본원에 개시된 실시예와 도면들은 제한적인 것이 아니라 도시적인 것으로 간주하여야 한다.

도1은 수소 농후 연료를 생산, 분배, 사용 및 모니터링하기 위한 시스템의 개략도이고,

도2는 본 시스템의 혼합 시스템, 압축 시스템, 저장 시스템 및 분배 시스템을 도시한 개략도이고,

도2A는 선 2A를 따라 취해진 도2의 확대도이고,

도2B는 선 2B를 따라 취해진 도2의 확대도이고,

도2C는 선 2C를 따라 취해진 도2의 확대도이고,

도2D는 선 2D를 따라 취해진 도2의 확대도이고,

도3은 본 시스템의 마스터 제어 시스템의 개략도이고,

도4는 본 시스템의 분배 시스템의 개략도이고,

도5는 차량 엔진 탑재식으로 수소 가스와 탄화수소 연료를 혼합하는 시스템의 단면도이고,

도6은 연방 배기 시험의 정상 상태 시뮬레이션에서 변형된 쿠민스 L-10 버스 엔진으로부터의 NOx 배기에 대한 다양한 수소 농도의 효과를 도시한 그래프이다.

이하의 정의가 본 명세서에 사용된다.

하이탄(HYTHANE)은 수소 및 메탄(천연 가스)을 포함하는 수소 농후 연료를 의미한다.

초임계 극저온 연료(SCCF)는 초임계 탄화수소 유체 내에 용해된 수소 가스를 포함하는 수소 농후 연료를 의미한다.

초임계 유체는 압력 및 온도가 유체의 임계 온도 및 압력보다 높은 유체를 의미한다. 이 상태에서는, 액상과 기상 사이의 구별이 존재하지 않으며, 유체는 포화 증기 및 포화 액체 상태가 동일한 고밀도 기체(dense gas)로 지칭된다.

온실 배기 가스(greenhouse emission)는 온실 효과와 지구 온난화에 기여하는 대기로의 배기 가스를 의미한다.

시스템 10

도1을 참조하면, 수소 농후 연료를 생산, 분배, 사용 및 모니터링하기 위한 시스템(10)이 도시된다. 시스템(10)은 수소 농후 연료를 생산하기 위한 생산 시스템(12)과, 수소 농후 연료를 분배하기 위한 분배 시스템(14)과, 수소 농후 연료를 사용하도록 구성된 엔진(18)을 갖는 차량(16)을 포함한다. 또한, 차량은 엔진(18)에 대한 연료 전달 시스템(20)과 엔진 제어 모듈(46)을 포함한다.

시스템(10)(도1)은 또한 차량(16) 상의 엔진 제어 모듈(46), 분배 시스템(14)의 감사(audit) 및 제어 모듈(88) 및 생산 시스템(12)의 구성 요소와 통신선(182)을 거쳐 신호 통신하는 마스터 제어 시스템(44)을 포함한다. 마스터 제어 시스템(44)은 배기 가스 배출 데이터(또는 배기 가스를 추산하는데 사용될 수 있는 작동 데이터) 및 차량 주행거리 데이터와 같은 차량 특유의 데이터를 감지, 검색, 저장 및 통신하도록 구성된다. 이러한 데이터는 배기 가스를 줄이고 에너지 소비를 감소시키기 위해 특정 차량(16)을 정비 또는 변형하는데 사용될 수 있다. 또 한, 이러한 데이터는 1997 교토 의정서의 탄소 배출권 시스템에 대한 지구 온난화 가스의 감소의 근거를 제공하는데 사용될 수 있다. 단지 차량 배기뿐만 아니라, 마스터 제어 시스템(44)은 생산 시스템(12)의 구성 요소에 의해 생성되는 배기 가스를 포함하는 수소 농후 연료의 전체 라이프 사이클에 걸쳐 배기를 모니터링하는데 사용될 수도 있다. 또한, 마스터 제어 시스템(44)은 생산 시스템(12)에 의해 생산된 수소 농후 연료의 상태를 모니터링 및 보증하고 생산 시스템(12), 분배 시스템(14) 및 차량(16)에 대한 안전과 제어를 제공하도록 구성될 수 있다.

도시된 실시예에서, 수소 농후 연료는 메탄 연료 내에 혼합된 수소 가스를 포함하는 하이탄을 포함한다. 또한, 메탄 연료는 압축 가스(CNG), 액화 천연 가스(LNG) 또는 초임계 유체의 형태일 수 있다. 하지만, 수소 농후 연료는 메탄 연료가 아닌 에틸렌, 에탄, 프로판, 프로필렌, 프로펜(propene) 및 부탄과 같은 다른 탄화수소 연료를 포함할 수 있다. 다른 대안으로, 수소 농후 연료는 에틸렌, 에탄, 프로판, 프로필렌, 프로펜 및 부탄과 같은 더 높은 탄화수소와 결합된 메탄과 같은 다중 탄화수소를 포함할 수 있다. 또한, 수소 농후 연료는 물리적 특성 또는 성능 특성을 개선하도록 구성된 첨가제를 포함할 수 있다.

생산 시스템 12

도1에 도시된 바와 같이, 생산 시스템(12)은 수소 공급원(22)과 메탄(천연 가스) 공급원(24)을 포함한다. 생산 시스템(12)은 또한 수소와 메탄(천연 가스)을 통상의 온도에서 하이탄으로 혼합하기 위한 혼합 시스템(26)을 포함한다. 이러한 온도의 전형적인 범위는 40℃ 내지 125℃일 수 있다. 혼합 시스템(26)은 또한 소 정의 압력으로 하이탄을 압축하기 위한 압축기 시스템(28)을 포함할 수 있다. 상기 소정의 압력의 전형적인 범위는 실용적인 차고에 대해 2000psig 내지 5000psig이다.

혼합 시스템(26)(도1)은 종래의 주유소와 구조 및 기능면에서 유사한 연료 보급 스테이션(34)(도1)에 위치될 수 있다. 대안적으로, 혼합 시스템(26)(도1)은 다른 위치에 위치될 수도 있으며, 미리 혼합된 하이탄은 연료 보급 스테이션(34)(도1)으로 운송될 수 있다. 생산 시스템(12)(도1)은 또한 수소 공급원(22)으로부터의 수소와 메탄(천연 가스) 공급원(24)으로부터의 메탄을 혼합 시스템(26)으로 운송하기 위한 연료 운송 시스템(32)(도1)을 포함한다. 생산 시스템(12)(도1)은 또한 연료 보급 스테이션(34)(도1)에 위치된 저장 탱크의 캐스케이드(cascade)의 형태인 저장 시스템(30)(도1)을 포함한다. 분배 시스템(14)(도1)으로부터 차량 연료 탱크(42)(도1)로 빠르게 연료를 분배하기 위해, 최소한 캐스케이드의 최종 스테이지는 차량 연료 탱크(42)(도1)의 최대 압력보다 상당히 더 높은 압력으로 유지된다. 고압 저장이 없다면, 단지 느린 충전 분배만이 가능하며, 이는 고사양 차량(high-utilization vehicle)의 대형 차대(fleet)에 실용적이지 못하다.

수소 공급원(22)

수소 공급원(22)(도1)은 수소 생산 중 배기 가스 및 에너지 소비를 최소화하도록 선택 및 작동된다. 다양한 수소 공급원이 존재하며, 수소 공급원의 선택은 시스템(10)(도1)의 전체적인 환경적 충격에 큰 영향을 미칠 수 있다. 적절한 수소 공급원은 전기 분해(electrolysis), 신종 물분열(exotic water splitting), 산업 폐기물 스트림(industrial waste stream), 정(well), 개질(reforming) 및 기화(gasification)를 포함한다.

전기 분해-수소 공급원(22)

전기 분해는 전력을 입력하여 물 분자를 그 구성 요소인 수소와 산소로 분리하는 공정이다. 물의 전기 분해는 풍력 또는 태양 광전지와 같은 재생 가능 에너지, 또는 일반적인 전기 에너지 그리드로부터의 전기를 사용할 수 있다.

전기 분해는 물과 전기를 사용할 수 있는 어떠한 위치에서도 수소를 생산하기에 편리한 반면에, 설비가 매우 비싸다. 또한, 전기 분해에 의해 생산된 수소의 가격은 전기적 입력 파워의 비용에 따라 다른 공급원보다 통상 더욱 비싸다. 고압에서 물을 전기 분해하는 것이 가능하며, 가압된 수소를 생산하기 위해 요구되는 과전압이 거의 열역학적으로 완전하다는 특징이 다른 수소 생산 방법에 비해 전기 분해를 특별하게 한다. 효율의 관점에서, 고압 전기 분해는 가압된 수소를 생산하기에 가장 좋은 방법일 수 있다. 하지만, 전기 분해는 상대적으로 비싼 전력 및 설비를 사용하기 때문에, "고효율"은 항상 "낮은 비용"을 의미하지는 않는다.

신종 물분열 -수소 공급원(22)

물을 분열시키기 위한 더욱 새로운 방법이 실행되어 왔으나, 현재는 상용화되지는 않았다. 이러한 방법들은 원자 열-화학적 공정, 광전적(photolytic) 공정, 및 미생물 또는 전기 보조식 미생물 공정을 포함한다.

산업 폐기물 스트림 -수소 공급원(22)

환경적 관점에서, 특정 재생 가능한 전기 분해 공정에 의해 생산되는 수소에 대한 차선은 상당한 수소 함량을 갖는 산업 폐기물 스트림을 사용하는 것이다. 산업 폐기물은 또한 많은 경우에 수소의 가장 저렴한 공급원일 수 있다. 강철 및 2차 알루미늄 생산, 염소/알칼리 플랜트(chlorine/alkaline plant), 유리 공장, 페이퍼 공장, 및 때때로 석유 또는 가스 정제소가 수소 농후 폐기물 가스 스트림을 생산한다. 수소를 분리하기 위한 많은 증명된 산업 기술들이 존재하며, 이러한 기술들은 다른 수소가 가스들과 구별될 수 있게 하는 수소의 다양한 특성에 의해 조장된다.

하이탄은 수소 공급원의 궁극의 순도(final purity)에 대해 특별히 민감하지 않다. 예컨대 일산화탄소와 같은 수소 폐기물 스트림에서 통상 발견되는 백만분율(parts per milion) 수준의 오염물이 연료 전지에 영구적으로 손상을 가할 수 있다. 하지만, 하이탄에 의해 연료가 주입된 엔진은 수 퍼센트까지의 수소 및 천연 가스와 혼합된 일산화탄소에 의해 크게 영향받지 않을 것이다. 사실, 일산화탄소는 수소와 유사한 광범위한 가연성을 가지며, 일산화탄소의 특징적 연소 지연은 수소의 존재와 연소에 의해 가속된다. 연료 전지를 영구적으로 오염시키거나 손상시키지 않는 다른 가스는 질소, 이산화탄소, 메탄 등과 같은 수소 공급 스트림 내에 존재하지만, 여전히 성능을 저해한다. 이러한 구성 요소들의 대부분은 천연 가스에서 발견되는 다양한 가스에서 공통적이며, 즉, 하이탄 엔진은 연료 품질면에서 매우 강건하다. 또한, 하이탄에 대한 90% 이상의 수소를 생산하는 수소 분리 설비 대 연료 전지에 필요한 99.9999% 이상의 순도를 생산하는 수소 분리 설비 간에는 거대한 비용 및 에너지 원가 차이가 존재한다.

정[천연 광상( natural deposit )]-수소 공급원(22)

일반적이지는 않지만, 자연 발생된 비교적 높은 농도의 수소를 갖는 특정 천연 가스 광상이 존재한다. 너무 많은 수소는 파이프라인 천연 가스 공급을 위해 설치된 통상적인 가열 설비에 대해 문제가 될 수 있지만, 이러한 공급원으로부터 제거된 수소는 차량 연료 보급을 위한 하류 단계에서 더 사용될 수도 있다. 천연 수소 농후 가스 광상이 좋은 위치에서 발생한다면, 정 및 연료 조절 플랜트로부터 하이탄 차량 연료 보급 스테이션까지 전용 파이프라인을 사용하는 것도 가능하다.

개질 및 기화-수소 공급원(22)

오늘날 구입 가능한 수소의 대부분은 스팀 개질이라고 불리우는, 천연 가스와 물의 고온 화학 반응으로부터 제조된다. 이러한 공정은 이산화탄소를 생성하고 원래의 천연 가스 공급 원료의 연료 에너지 일부를 소비한다. 따라서, 라이프 사이클의 관점에서, 이는 에너지 효율 또는 온실 가스 배출에 대해 수소의 가장 좋은 선택은 아니다. 하지만, 스팀 개질된 천연 가스는 일반적으로 가장 저렴한 수소 공급원이며, 이러한 공정은 거대한 석유 정제소 크기 플랜트로부터 하이탄 분배 시스템을 위한 현장 유닛까지 스케일 조절이 가능하다. 다른 수소 공급원이 너무 비싸거나 입수 불가능한 새로운 또는 기존의 천연 가스 연료 보급 설비에서 단지 천연 가스 공급원과 물(및 제어를 위한 소량의 전력)만이 비교적 저렴한 수소를 생산하는데 요구된다.

수소는 또한 바이오매스(biomass) 또는 석탄(coal)을 포함하는 다양한 공급 원료의 부분 산화에 의해 생성되며, 이 공정은 기화로서 통칭된다. 부분 산화 단 계로부터의 생산 스트림은 수증기, 이산화탄소 및 질소와 함께, 수소 및 일산화탄소를 포함한다. 부분 산화에 의해 생성된 열은 물과 일산화탄소의 흡열 반응으로부터 추가의 수소 및 이산화탄소를 생성하도록 추가적인 스팀 분사와 함께 사용될 수 있다[자동 열 수기 변화 공정(autothermal water gas shift process)].

메탄(천연 가스) 공급원(24)

수소 공급원(22)과 유사하게, 하이탄을 위한 메탄(천연 가스) 공급원(24)의 선택은 시스템 배기 가스의 라이프 사이클 평가에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 수소 공급원(22)과 함께, 메탄(천연 가스) 공급원(24)은 배기 가스와 에너지 소비를 최소화하도록 선택 및 작동된다. 적절한 메탄(천연 가스) 공급원(24)은 정, 산업 폐기물 스트림 및 생물 가스(biogas)를 포함한다.

정(천연 광상)-메탄(천연 가스) 공급원(24)

세계 에너지 네트워크에서 거의 대부분의 메탄은 천연 "화석 연료" 광상으로부터 공급된다. 이러한 공급원은 가장 광범위하며 산업용 또는 차량용으로 가장 비싼 메탄을 제공한다. 또한, 이 공급원은 탄소의 고립된 형태를 취해서, 결국 온실 가스로 대기로 되돌아가며, 이로 인해, 이러한 공급원의 환경적 충격은 반드시 고려되어야 한다. 화석 천연 가스의 라이프 사이클 배기 가스는 예컨대 가솔린과 같은 더 많은 고에너지 생산 공정(energy-intense production process) 또는 더 높은 탄소 농도를 갖는 다른 연료에 비해 여전히 유리하게 비교될 수 있다.

미래에는, 얼음 천연 가스 수화물(NGH) 화합물의 거대한 해양 광상이 상당한 메탄 공급원을 제공할 수 있다. 이러한 수화물 내에 그리고 그 아래 함유된 총 메 탄 에너지는 알려진 전세계 지하 석유 및 가스 매장량에 최소한 2배로 추산된다. 지하 천연 가스를 갖지 못한 많은 나라들이 이러한 수중 자원의 이득을 취할 수 있다. 이러한 공급원의 환경적 충격은 지하 메탄과 유사하지만, 많은 메탄 수화물 형태의 반안정 특성(semi-stable nature)으로 인해 메탄이 대기로 방출될 위험이 더 크다. 메탄은 강력한 온실 가스이며, 지구 온난화에 대한 그 영향은 100년 주기 동안 이산화탄소 중량의 21배와 유사하다.

산업 폐기물 스트림 -메탄(천연 가스) 공급원(24)

메탄 농후 폐기물 스트림은 석탄 채광 및 석유, 화학 제품 및 강철의 생산과 같은 많은 산업에서 일반적이다. 파이프라인 운송을 위해 이러한 메탄을 포획, 분리 및 압축하는 것은 정으로부터의 종래의 천연 가스 생산에 비해 항상 경제적인 것은 아니다. 많은 경우에, 운송을 위해 가스를 압축 또는 액화하는 것이 경제적이지 않기 때문에, 산업 공정은 폐기물 메탄을 배기하거나 또는 태운다(연소시킨다). 또한, 해안에서 멀리 떨어진 석유 생산 설비와 같은 원거리 지역은 파이프라인 운송의 선택을 갖지 못한다. 첨언하면, 천연 가스 수화물은 메탄 압축 또는 액화의 에너지 비용 및 설비 없이 포획되는 이러한 미개발 메탄(stranded methane)에 대해 효과적인 방법을 제공할 수 있지만, NGH 생산 기술은 오늘날 완전히 개발되지 않았다.

생물 가스-메탄(천연 가스) 공급원(24)

메탄의 산업 폐기물 스트림과 유사하게, 메탄 농후 "생물 가스"의 다양한 공급원은 일반적이지만, 화석 천연 가스 생산과 비교할 때 포획과 운송이 반드시 경 제적이지는 않다. 교토 의정서에 의해 생성된 탄소 배출권 교역 시장과 지구 온난화 우려는 이러한 공급원의 더욱 광범위한 사용을 정당화할 수 있다. 더 쉽게 포획되는 생물 가스 배기 가스 중 일부는 매립식 폐기물 처리 및 폐수 처리 플랜트로부터 기인한다. 다른 잠재적 공급원은 가정 폐수 처리 시스템과 유사한 액체 폐기물 처리 시스템을 갖춘 대규모 가축 설비이다.

연료 운송 시스템(32)

적절한 연료 운송 시스템(22)은 파이프라인, 선박 및 트럭을 포함한다. 수소 공급원(22) 및 메탄(천연 가스) 공급원(24)을 갖는 경우, 운송 시스템(22)은 배기 및 에너지 소비를 최소화하도록 선택 및 작동된다.

파이프라인-연료 운송 시스템(32)

천연 가스 형태의 메탄에 대한, 적절한 운송 방법 중 하나는 파이프라인 네트워크를 통하는 것이다. 적당하게 고압인 파이프라인도 가끔 사용되지만, 대부분의 천연 가스 분배 시스템은 저압 파이프라인에 의해 공급된다.

또한, 파이프라인을 통해 수소를 운송 및 분배하는 것이 가능하다. 많은 초기 가스 파이프라인 네트워크는 가열 및 조명을 위한 "도시 가스(town gas)"를 사용하는 도시에서 발전하였다. 이 가스는 석탄의 스팀 개질에 의해 생산된 일산화탄소와 수소의 혼합물이었다. 또한, 수소 파이프라인은 석유 정제소 및 화학 플랜트 내 그리고 이들 사이에서 일반적인 것이다.

액화 및 선박/트럭-연료 운송 시스템(32)

고립된 섬 또는 연안 국가의 경우, 수입된 액화 천연 가스(LNG)가 종종 사용 가능한 유일한 천연 가스 자원이다. 하지만, LNG는 해외의 낮은 생산 비용으로 인해 경제적인 이유로 개발된 국내 천연 가스 자원을 보유한 나라에 수입될 수 있다. 천연 가스는 약 -160℃까지 온도를 감소시켜, 대기압에서 약 600의 인자(factor)에 의해 메탄의 체적을 감소시키는 냉동 사이클로 액화된다. 이러한 체적의 감소는 많은 양이 특별한 탱커에 의해, 해양을 가로질러 선박으로 운반될 수 있게 하거나, 또는 철도 차량이나 장거리 육상 수송 트레일러의 단열이 매우 잘된(super-insulated) 탱크에 의해 많은 양이 운반될 수 있게 한다. 대형 산업 스케일에서, 액화 공정은 천연 가스 에너지의 대략 15%를 소비한다.

또한, 수소는 대기압에서 온도가 -253℃보다 훨씬 더 낮은 극저온 액체로 운송될 수 있다. 액화 공정은 액체 수소의 연료 에너지의 약 30%를 소비한다. 철도 차량 또는 고속도로 트레일러 상의 탱크에 의한 수소의 액화 운송은 약 160㎞의 거리까지 비교적 일반적이지만, 대규모의 해양 선적은 수소 분배에 사용되지 않는다. 수소의 대규모 소비처는 현장에 또는 파이프라인 운송을 통해 전용 생산 설비를 갖는다.

또한, LNG와 수소의 사전 혼합식 초임계 혼합물을 운송할 수 있다. 초임계 혼합물은 LNG와 유사한 밀도를 갖지만, 액체/가스 경계 표면 없이 단일 상태로 잘 혼합되어 유지되고 튀거나 출렁이지 않고 탱크를 완전하게 충전하는 가스에 더 가깝게 행동한다.

천연 가스 수화물 및 선박/트럭-연료 운송 시스템(32)

천연 가스의 수화물 형태는 현재 운송에 사용되지 않는다. 하지만, NGH는 약 0.9g/㎖의 밀도로 중량의 13.4%까지 메탄을 함유한다. 이는 17MPa의 압력 또는 약 2480psi와 동등한 메탄 저장 밀도를 의미한다. 수화물의 장기간 안정성을 보장하기 위해, 단지 약 2.5MPa(360psi)의 실제 압력과 -5℃의 저장 온도만이 요구된다. 준안정성(metastability)과 상대적으로 느린 해리는 예컨대, 수일의 운송 시간 중에 대기압과 -5℃ 온도에서의 NGH의 저장을 가능하게 한다.

운송 및 분배 공정은 파이프라인 압력으로 NGH 슬러리를 펌핑하고 가열하여 해리를 유발하며, 이는 파이프라인으로 증발된 LNG를 주입하도록 사용되는 공정과 유사하다. 하지만, 해리된 수화물로부터 남겨진 액상 물은 이후에 가압된 가스 스트림으로부터 반드시 분리되어야만 한다.

압축 및 트럭-연료 운송 시스템(32)

육상으로 약 300㎞까지의 짧은 거리에 대해, 천연 가스 및 수소는 고속도로 및 철도를 통해 미교통부 사양 실린더(DOT specification cylinder), 고속도로 화물 탱크 및 튜브 트레일러, 및 철도 탱크 차량에 의해 압축된 가스로 경제적으로 운반될 수 있다. 튜브 트레일러는 더 작은 차대에 서비스를 제공하는 하이탄 연료 보급 스테이션에 수소를 분배하기 위한 매력적인 해법이 될 수도 있다. 또한, 튜브 트레일러 또는 철도 탱크는 종래의 천연 가스 파이프라인의 혜택을 받지 못하는 인근 연료 보급 스테이션에 중앙 설비에서 혼합 및 압축된 하이탄을 분배할 수 있다.

혼합 시스템(26)

도2 내지 도2D를 참조하면, 혼합 시스템(26)의 추가적인 상세와, 생산 시스 템(12) 및 분배 시스템(14)과 혼합 시스템의 인터페이스가 개략적으로 도시된다. 도2 내지 도2D를 참조하면, 도2는 완전한 혼합 시스템(26)을 도시하고, 도2A 내지 도2C는 도2의 확대 부분이며, 도2D는 도2 내지 도2C의 설명문을 포함한다.

혼합 시스템(26)(도2)은 메탄(천연 가스) 도관(90)(도2)과 수소 가스 도관(92)(도2A)을 포함한다. 메탄(천연 가스) 도관(90)에 대한 대표적 유량은 50psig의 최소 압력에서 약 400SCFM일 수 있다. 수소 가스 도관(92)(도2A)에 대한 대표적인 유량은 50psig의 최소 압력에서 약 100SCFM일 수 있다. 메탄(천연 가스) 도관(90)(도2A)의 크기는 요구에 따라 선택될 수 있으며, 7.62㎝(3인치) 도관이 전형적이다. 수소 가스 도관(92)(도2A)의 크기는 또한 요구에 따라 선택될 수 있으며, 2.54㎝(1인치) 도관이 전형적이다.

메탄(천연 가스) 도관(90)(도2A)은 볼 밸브(94)(도2A), 체크 밸브(96)(도2A), 압력 조절기(98)(도2A) 및 압력 릴리프 밸브(100)(도2A)와 유체 소통된다. 캐비닛 벽(180)이 볼 밸브(94)(도2A)와 체크 밸브(96)(도2A) 사이에 위치될 수 있다. 또한, 압력 게이지(102, 104)(도2A)는 압력 조절기(98)(도2A)의 일측에서 압력을 감지한다. 수소 가스 도관(92)(도2A)은 볼 밸브(106)(도2A), 체크 밸브(108)(도2A), 압력 조절기(110)(도2A) 및 압력 릴리프 밸브(112)(도2A)와 유체 소통된다. 캐비닛 벽(180)은 볼 밸브(106)(도2A)와 체크 밸브(108)를 분리한다. 또한, 압력 게이지(116, 118)(도2A)는 압력 조절기(110)(도2A)의 일측에서 압력을 감지한다.

메탄(천연 가스) 도관(90)(도2A) 및 수소 가스 도관(92)(도2A)은 또한 공통 온도로 메탄(천연 가스) 및 수소를 냉각하도록 구성된 수평 유동 열교환기(120)(도2A)와 유체 소통한다. 평행 유동 열교환기(120)(도2A)의 메탄(천연 가스) 출력 도관(122)(도2A 및 도2B)은 공기 작동식 밸브(126)(도2B), 온도 게이지(128)(도2B), 압력 게이지(130)(도2B) 및 소닉 노즐(132, sonic nozzle)(도2B)을 포함한다. 평행 유동 열교환기(120)(도2A)의 수소 가스 출력 도관(124)(도2A 및 도2B)은 공기 작동식 밸브(134)(도2B), 온도 게이지(136)(도2B), 압력 게이지(138)(도2B) 및 소닉 노즐(140)(도2B)을 포함한다. 공기 작동식 밸브(126, 134)(도2B)는 통신 라인(182)(도2B)을 통해 마스터 제어 시스템(44)(도2A) 및 마스터 시스템(44)(도2A)의 품질 제어 시스템(176)(도2A)과 신호 통신한다.

또한, 평행 유동 열교환기(120)(도2A)의 메탄(천연 가스) 출력 도관(122)(도2B) 및 수소 가스 출력 도관(124)(도2B)은 메탄(천연 가스) 및 수소 가스가 혼합되어 수소 농후 연료를 형성하는 혼합 챔버(144)(도2B)와 유체 소통한다. 혼합 챔버(144)(도2B)는 통신 라인(182)을 거쳐 마스터 제어 시스템(44)(도2A)과 신호 통신하는 압력 스위치(하부)(184)(도2B)와 압력 스위치(상부)(186)를 포함한다. 압력 스위치(184, 186)(도2B)는 혼합 챔버(144)(도2B) 내로의 그리고 혼합 챔버로부터의 유동을 제어하는데 사용될 수 있다. 혼합 챔버(144)(도2B)는 또한 수소 농후 연료가 수집되어 임시로 저장되는 버퍼 탱크(146)(도2B)와 유체 소통된다. 버퍼 탱크(146)(도2B)는 압력 게이지(168)(도2B), 드레인 밸브(148)(도2B), 조절 밸브(150)(도2B) 및 통기 적층체와 같이 안전한 위치로 통기하도록 구성된 압력 릴리프 밸브(152)(도2B)를 포함한다.

버퍼 탱크(146)(도2B)의 출력 도관(154)(도2B 및 도2C)은 볼 밸브(156)(도2C), 압력 게이지(158)(도2C) 및 압축기 시스템(28)(도2C)과 유체 소통하는 체크 밸브(160)(도2C)를 포함한다. 압축기 시스템(28)(도2C)은 소정의 압력으로 수소 농후 연료를 압축하도록 구성된다. 따라서, 압축기 시스템(28)(도2C)은 소정의 압력에서 소정량의 수소 농후 연료를 저장하도록 구성된 저장 시스템(30)(도2C)과 유체 소통한다. 저장 시스템(30)(도2C)은 또한 분배 시스템(14)(도2C)과 유체 소통한다. 또한, 하이탄 재생 루프(162)(도2C)는 버퍼 탱크(146)(도2B)로부터의 출력 도관(154)(도2C) 및 저장 시스템(30)(도2C)과 유체 소통한다. 하이탄 재생 루프(162)(도2C)는 압력 조절기(164)(도2C)와 볼 밸브(166)(도2C)를 포함한다.

통신 라인(182)(도2C)은 마스터 제어 시스템(44)(도2A), 압축 시스템(28)(도2C), 저장 시스템(30)(도2C), 차량(16)(도2C) 상의 엔진 제어 모듈(46)(도2C) 및 분배 시스템(14)(도2C)의 감사 및 제어 모듈(88)(도2C) 사이에 신호 통신을 가능하게 한다. 또한, 마스터 제어 시스템(44)(도2A)의 품질 제어 세그먼트(176)(도2C)는 품질 제어 샘플을 추출 및 분석하도록 구성된 버퍼 탱크(146)(도2B)와 유체 소통하는 품질 견본 루프(170)(도2B)를 포함한다. 품질 견본 루프(170)(도2B)는 또한 압력 조절기(174)(도2B) 및 조절 밸브(172)(도2B)를 포함한다. 마스터 제어 시스템(44)(도2A)은 또한, 안전을 보장하기 위해 압력, 온도 및 유동 데이터를 사용하도록 구성된 안전 시스템(178)(도2A)을 포함한다.

마스터 제어 시스템(44)(도2A)은 생산 시스템(12)과 분배 시스템(14)을 포함하는 시스템(10)을 제어하도록 구성된 소프트웨어로 프로그래밍된 컴퓨터 또는 제 어기를 포함한다. 또한, 안전 시스템(178)(도2A)과 함께 작동하는 마스터 제어 시스템(44)(도2A)은 안전 우선 시스템(safety override system)을 제공한다. 또한, 마스터 제어 시스템(44)(도2A)은 수소 농후 연료의 혼합 및 분배 중 품질 보증 모니터링과 제어를 제공한다. 또한, 마스터 제어 시스템(44)(도2A)은 다양한 형태의 하이탄을 사용할 수 있지만, 구성 요소 중 일부는 각각의 연료 유형의 특정 요구를 만족시키도록 특제될 수 있다. 마스터 제어 시스템(44)(도2A)은 또한 데이터를 수집하고, 파라미터를 검증하고, 사용자 설정식 출력 파라미터의 실시간 계산을 수행한다. 또한, 마스터 제어 시스템(44)(도2A)은 교토 의정서에 따른 탄소 또는 질소산화물(NOx) 배출권을 포함하는 다른 교역 가능한 배기 가스 프로그램에 대한 보증된 감사를 수행한다.

도3을 참조하면, 마스터 제어 시스템(44)의 작동 특성이 작업 공정도로 도시된다. 버블(200)로 지시된 바와 같이, 혼합 시스템(26)은 소정의 압력과 온도로 합성된 균형잡힌 혼합물 내의 성분(예컨대, 수소 가스 및 메탄)을 제공하도록 제어된다. 버블(202)에 의해 지시된 바와 같이, 혼합 시스템(26)의 동적 제어 및 안전 시스템(178)의 제어가 제공된다. 버블(204)에 의해 지시된 바와 같이, 분배 시스템(14) 및 차량(16)으로의 전달이 제어된다. 버블(208)에 의해 지시된 바와 같이, 하이탄 품질 제어 시스템(176) 및 차량 인터페이스에 대한 통신 시스템(188)이 제어된다. 버블(206)에 의해 지시된 바와 같이, 하이탄 인식, 데이터 수집, 감사 및 안전을 포함하는 차량 엔진 제어 모듈(46)이 제어된다. 마스터 제어 시스템(44)의 데이터 수집과 감사 기능의 더 상세한 사항이 이제 설명될 것이다.

마스터 제어 시스템(44)-배기 가스 배출 데이터 수집 및 감사

1997 교토 의정서는 국가들이 온실 가스 배출 감소 목표를 달성하기 위한 비용을 감소하는 것을 돕도록 시장 기반의 배기 가스 교역 기구를 창설했다. 하이탄의 사용에 의해 발생되는 배기 가스 배출권의 이점을 취하기 위해, 적절하게 입증되고 검증된 시스템이 이산화탄소 또는 이와 동일한 온실 가스 배출의 감소를 설명하기 위해 필요하다. (교토 의정서의 부분이 아닌) 지역적인 공기 품질 제어를 위해, 일부 지역에서는 NOx 및 SOx 배출의 감소를 위한 배출권을 교역하고 있다.

분배 시스템(14)에 기록된 데이터

이산화탄소 배출을 추적하는 가장 간단한 방법은 분배 시스템(14)에서 차량 차대의 전체 연료 소비량을 추적하는 것이다. 이 경우, 분배 시스템(14)은 차량(16)(도1) 상의 엔진 제어 모듈(46)(도1)과 통신하는 감사 및 제어 모듈(88)(도1)을 포함할 수 있다. 연료의 소비량이 알려지면, 분배되어 최종 연소되는 하이탄의 킬로그램당 대기로 배출되는 이산화탄소의 킬로그램이 용이하게 결정된다. 하지만, 데이터 계산 및 보고 섹션에서 후술되는 바와 같이, 이러한 방법은 실제 이산화탄소 배출만을 설명할 뿐이며, 다른 가능한 온실 가스 배출 또는 라이프 사이클 이득(life cycle benefit)을 설명하지는 못한다.

탑재식 설비에 의해 수집된 데이터

탑재식(on-board) 데이터에 대한 접근은 단지 연료 소비만이 아닌 특정 환경과 엔진 작동 조건에서의 연료 소비를 추적 가능하게 한다. 엔진 배기 행동 정보가 양호하게 특성화되면, 단지 이산화탄소만이 아닌 모든 엔진 배기 가스를 정량하 는 것이 가능하다.

데이터 수집 및 분배 기능이 마스터 제어 시스템(44)(도1)과 엔진 제어 모듈(46)(도1)에 의해 수행될 수 있는 레벨의 스펙트럼이 존재한다.

1. 센서 데이터는 독립형 탑재 설비에 의해 마스터 제어 시스템(44)(도1)으로 수집, 저장 및 분배될 수 있다.

2. 센서 데이터는 엔진 제어 모듈(46)(도1)에 의해 수집될 수 있으며 (예컨대, 일반적인 SAE J1939 CAN 버스를 통해) 실시간 데이터 스트림으로서 마스터 제어 시스템(44)(도1)으로 전송될 수 있다.

3. 센서 데이터는 엔진 제어 모듈(46)(도1)에 의해 수집 및 저장될 수 있으며, 마스터 제어 시스템(44)(도1)으로 브로드캐스팅되기 위해 때때로 독립형 분배 유닛으로 송신될 수 있다.

4. 데이터 수집, 저장 및 통신 기능 모두는 엔진 제어 모듈(46)(도1)로 통합된다.

엔진 제어 모듈(46)(도1)에 의해 탑재식으로 저장된 데이터 저장 탑재는 와이어 연결 또는 무선 통신[예컨대, 통신 시스템(188)-도4]에 의해 마스터 제어 시스템(44)(도1)으로 전송될 수 있다. 이러한 데이터 전송 공정은 분배 시스템(14)(도1)에서의 연료 보급 중 발생할 수 있거나, 또는 데이터는 차량 차대 중개물(agency)에 의해 직접 수집될 수도 있다. 예컨대, 엔진 제어 모듈(46)은 분배 시스템(14) 상의 감사 및 제어 모듈(88)(도1)과 무선 통신을 통해 신호 통신할 수 있다.

데이터 계산 및 보고

간단한 이산화탄소 배출 감소는 총 차대 연료 소비 및 연료 조성 데이터로부터 계산될 수 있다. 이 방법은 메탄 배출과 같은 추가적인 온실 가스 균등물 또는 잠재적 라이프 사이클 이득의 이점을 취하지 않는다. 이것은 메탄과 같은 다른 가스들이 더 강력한 온실 효과를 갖기 때문에, 설명되지 못한 상당한 수의 배출 가스 감소 배출권을 사용하지 못하게 된다.

데이터 계산 및 보고의 다음 레벨은 다양한 엔진 작동 조건에서의 연료 소비에 대한 막대 그래프식 정보를 추가하며, 이 데이터는 차대 내의 차량(16)(도1)에서 탑재식으로 수집되어야만 한다. 이 정보는 각각의 개별 차량(16)에 대한 임의의 배기 가스 조성의 총 배출량을 계산하는데 사용될 수 있다. 그 후, 차대 내의 모든 차량으로부터 계산된 데이터는 이산화탄소 균등물 감소를 보고하기 위해 집합된다. 또한, 다른 가스들은 NOx 및 SOx와 같은 지역적인 공기 품질 배기 가스 교역 배출권을 위해 정량될 수 있다.

연료 공급원, 연료 보급 스테이션(34)(도1) 및 베이스라인(baseline) 차량 차대에 대한 정보는 시스템(10)(도1)의 배기 가스 감소의 전체 라이프 사이클 평가를 위해 필요한 최종 레벨의 데이터를 제공한다. 예컨대, 일 스테이션은 파이프라인으로부터의 (선박에 의해 운송된 LNG 및 정 가스의 혼합물일 수 있는) 천연 가스를 수용할 수 있으며, 다른 스테이션은 선박 및 트럭에 의해 운송된 LNG 만을 사용할 수도 있다. 수소 공급원은 쉽게 변경되는 경향이 있다. 일부의 경우, 베이스라인이 하이탄으로 전환된 천연 가스 버스의 차대일 수 있으며, 다른 경우에는 디 젤 버스의 전체 베이스라인 차대가 새로운 하이탄 유닛에 의해 완전히 대체될 수도 있다. 전체 라이프 사이클에 걸쳐 계산된 온실 가스 배출량은 "정에서 바퀴까지"로부터 취해진 경로에 따라 결정되며, 이는 총 하이탄 온실 가스 배출 감소를 보고하기 위한 유효한 방법으로서 베이스라인에 비교돼야 하는 총 라이프 사이클 평가이다.

저장 시스템(30)

사전 혼합된 하이탄은 저장 상태가 수소 가스 내의 메탄의 초임계 상태를 유지하는 한, 통기 없이 한번에 수일 동안 저장 시스템(30)(도2C) 내에 저장될 수 있다. 초임계 저장의 불리한 면은 탱크가 (압축 가스 저장과 비교될 만큼의 높은 압력과 극저온 액체 저장과 비교될 만큼의 절연은 아니지만) 압력과 절연 모두를 고려해 설계되어야 한다는 것이다.

개별 저장

초임계 상태로 저장 시스템(30)(도2C) 내에서 혼합된 하이탄을 저장하는 다른 대안으로서, 수소 및 메탄은 고압 압축 가스 또는 극저온 액체로 독립적으로 각각 저장될 수도 있다. 이러한 방식의 장점 중 하나는 개별적 연료 공급원 운송 탱크가 고갈 전까지 연료 보급 스테이션 저장 용기로 사용될 수도 있다는 것이다. 예컨대, 수소 튜브 트레일러가 연료 보급 스테이션에 주차되어 소모되고 다른 사이클을 위해 중앙 분배 허브로 재운송될 수 있다.

연료 보급 스테이션(34)(도2C)이 천연 가스 파이프라인으로부터 비교적 원거리에 위치될 때, LNG 저장은 운송뿐만 아니라 펌핑되어 증기화된 LNG로부터 생산된 CNG(압축 천연 가스)인 LCNG의 생산에 대해서도 경제적 이득을 제공한다. LCNG는 차량 연료 보급 중 작동중(on-the-fly)인 LNG로부터 생산될 수 있어서, 높은 압력의 천연 가스 저장이 불필요하며, 단지 작은 버퍼 탱크만이 요구된다. 천연 가스와 수소의 개별 저장은 또한 연료의 개별적인 분배를 가능하게 하여, LNG, CNG, 수소 및 하이탄 차량이 하나의 장소에서 재충전될 수 있다. 하지만, 압축된 수소 및 CNG 또는 LCNG가 개별적으로 저장된다면, 고압 하이탄 혼합이 압축된 가스 차량 탱크 연료 보급 중 필요하며, 이는 저압, 사전 압축 하이탄 혼합만큼 간단하고 일관적이지 않다.

차량 저장

연료 보급 스테이션(34)(도2C)에서의 저장과 유사하게, 차량 내의 하이탄 저장에 대한 많은 선택이 존재한다. 차량 저장의 적절한 방법 중 하나는 초임계 상태로 사전 혼합된 하이탄을 저장하도록 구성된 극저온 용기 또는 두어(dewar)와 같은 차량 연료 탱크(42)를 구성한다. 하지만, 차량(16)(도2C) 내의 저장 방법과 조합된 연료 보급 스테이션(34)(도2C)에서의 저장 방법은 혼합된 하이탄을 고압 차량 연료 탱크(42)(도2C)에 분배하는데 사용되는 방법에 제약을 가한다.

하이탄을 사용하면, 차량 연료 탱크(42)의 체적의 약 20%는 메탄보다 단위 체적당 낮은 에너지량을 갖는 수소를 수용한다. 또한, 메탄은 고압일수록 유리한 압축률 특성을 갖는 반면에, 수소의 압축률은 온도 증가에 따라 악화된다. 전체적인 효과는 천연 가스 차량의 범위가 하이탄으로 전환되었을 때 20%만큼 감소될 수 있다는 것이다. 이러한 효과는 천연 가스의 조성과 더 높은 탄화수소 함량에 의해 약간 완화될 수도 있다. 에탄, 프로판 및 부탄이 하이탄의 탱크 내에서 25MPa(3600 psi)과 0℃로 모두 포화된(응축되지 않음) 경우, 혼합물의 용적 에너지 밀도는 동일한 조건에서의 순수한 메탄 탱크의 5% 내에 있다. 범위가 중요한 문제인 몇몇 상황에서, 더 높은 탄화수소를 갖는 하이탄을 의도적으로 "첨가(spiking)"하는 것이 바람직할 수도 있다.

혼합 시스템(26)(도2)에 대한 대안으로서, 수소 가스 및 초임계 메탄 연료는 발명의 명칭을 "초임계 극저온 연료(SCCF)를 생산하기 위한 방법 및 시스템[Method And System For Producing A Supercritical Cryogenic Fuel (SCCF)]"으로 하여 2005년 11월 14일 출원되었으며 본원에 참조로서 합체된 미국출원번호 제11/273,397호에 개시된 바와 같은 와동 혼합기(vortex mixer)를 사용하여 혼합 및 압축될 수 있다.

분배 시스템(14)

도4를 참조하면, 분배 시스템(14)이 개별적으로 도시된다. 분배 시스템(14)은 차량(16)(도1) 상의 차량 연료 탱크(42)(도1)와 기체/유체 소통하도록 밀봉되게 구성되는 충전 밸브(38)와 호스(36)를 포함한다. 분배 시스템(14)(도4)은 또한

지지 솔레노이드 밸브, 압력 게이지 및 안전 관련 구성 요소와 조합된 계량, 제어 및 스위칭 구성 요소를 포함하는 다양한 내부 구성 요소(40)를 포함한다. 또한, 구성 요소(40)는 분배될 특정 하이탄 연료 유형을 위해 구성될 수 있다. 고압 기상 하이탄을 위한, 구성 요소(40)의 설정은 현재 천연 가스 차량 시장에서 사용 되는 종래의 CNG 분배기와 유사할 수 있다.

분배 시스템(14)은 또한, 상술된 감사 및 제어 모듈(88)(도4)을 포함할 수 있다. 상술된 통신 라인(182)(도2C)과 신호 통신하는 것에 부가하여, 감사 및 제어 모듈(88)은 신호 통신 시스템(188)과 신호 통신할 수 있다. 신호 통신 시스템(188)은 분배 시스템(14)과 시스템(10)(도1)의 다른 구성 요소간에 신호를 전달하도록 구성된 RF(무선 주파수) 시스템과 같은 무선 시스템을 포함한다. 예컨대, 통신 시스템(188)은 엔진 제어 모듈(46)(도1) 및 마스터 제어 시스템(44)(도2A)과 신호 통신할 수 있다. 통신 시스템(188)은 무선 시스템 이외의 하드와이어(hardwire) 연결 또는 카드 판독 시스템을 포함할 수 있다.

개별 CNG 및 압축된 수소를 고압 탱크 내에서 혼합하도록 분배

저장 섹션에서 상술된 바와 같이, 천연 가스는 저압 LNG로 저장되고 차량 연료 보급 중 고압으로 펌핑되어 증기화될 수 있다. 다른 가능성은 압축된 천연 가스와 압축된 수소가 개별적으로 저장되어 하나의 설비에서 CNG, 수소 또는 하이탄 차량에 연료를 보급하는 적응성을 유지하는 것이다. 이 경우, 하이탄은 차량 탱크 내에서의 혼합을 위해 압축된 수소 및 CNG를 교대 분출(alternating squirt) 또는 분치량(aliquot)으로 분배해야만 할 수 있다. 이것은 하이탄의 분배를 복잡하게 하여 다른 하이탄 혼합 방법만큼 일정한 혼합물을 제공하지 못할 수 있다.

개별 극저온 액체 또는 초임계 하이탄 혼합물 분배

공간 제약적 또는 장거리 차량은 더 높은 밀도의 극저온 연료 저장을 요구할 수 있다. 개별 LNG 및 액체 수소 탱크가 사용될 수도 있지만, 그렇다면 차량 연료 보급은 개별적인 연료 연결부를 요구하고, 하이탄 혼합은 차량 탑재식으로 수행되어야만 한다. 다르게는, 초임계 극저온 하이탄 혼합은 하나의 연료 연결부를 통해 펌핑되어 차량 탱크 내에서 저장될 수 있다.

극저온 액체 또는 압축된 가스의 개별 차량 탱크로의 분배

몇몇 통상적이지 않은 환경에서, 가변 하이탄 조성을 사용하거나, 특정 엔진 상태 중에 또는 차량 루트를 따르는 특정 위치에서 천연 가스 또는 수소 연료를 독점적으로 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 상황에서, 천연 가스와 수소를 개별적으로 차량 내에, 즉 극저온 탱크, 고압 가스 탱크 또는 이들의 조합에 분배 및 보관하는 것이 필요하다.

차량 전달 시스템(20)

연료가 차량(16)(도1)에 보내지면, 차량 엔진(18)(도1)으로의 하이탄의 전달을 위한 몇 가지 선택이 존재한다. 또한, 하이탄이 차량 엔진(18)(도1) 내에서 최종 연소되는 방법에 대한 다양한 선택이 존재한다.

사전 혼합 전달

대부분의 경우, 하이탄은 사전 혼합된 압축 가스로 저장될 수 있다. 필터, 전기 솔레노이드 차단(lock-off) 밸브 및 압력 조절기, 그리고 이들과 관련한 플러밍(plumbing)은 하이탄을 엔진(18)(도1)으로 전달하도록 연료 탱크(42)(도1) 또는 탱크를 연료 전달 시스템(20)(도1) 및 엔진 제어 모듈(46)(도1)에 연결한다.

하이탄이 사전 혼합된 초임계 연료로 저장되면, 탱크 압력은 상기 사전 혼합된 압축 가스 예와 동일한 전달 시스템(20)(도1)을 사용하여 충분히 높아질 것이 다. 하지만, 초임계 하이탄 혼합물은 차량 연료 탱크(42)(도1)를 떠날 때 반드시 가열 및 증기화 되어야 한다.

유사하게, 하이탄 연료 성분 중 하나가 극저온 액체로 개별적으로 저장되면, 연료는 연료 탱크(42)(도1)를 떠날 때 반드시 가열 및 증기화 되어야 한다. 하지만, 이 경우 액체 탱크가 통상 고압을 유지하지 않기 때문에 압력 감소 조절기는 필요하지 않을 수 있다. 단지 필터, 차단 밸브 및 플러밍이 탱크와 엔진 연료 시스템을 연결한다.

개별적으로 저장된 연료. 탑재식으로 혼합된 하이탄

수소 및 천연 가스가 차량(16)(도1)에 개별적으로 저장되면, 하이탄은 탑재식으로 혼합된다. 엔진(18)의 광범위한 연료 유동 범위에 대해 일정한 하이탄 혼합 비율을 얻기 위해, 특별한 혼합 또는 전달 설비가 필요하다.

혼합 방법 중 하나는 본원에 참조로서 합체된 미국 특허 제4,520,763호에 설명된다. 이러한 혼합 방법은 엔진(18)(도1)에 진입하는 공기와 공기속으로 주입되는 연료의 양 사이의 균형잡힌 유동을 달성하기 위해 가스의 압축률을 사용한다. Littleton, CO.의 Hydrogen Components, Inc.는 수소 엔진을 제어하기 위해 25년간 소위 "정적 분사(Constant Volume Injection)"(CIV)라 불리는 이러한 기술을 사용하였다. 동일한 기술은 정밀하고 고정된 비율로 둘 이상의 가스를 계량하는데 사용될 수도 있다.

도5를 참조하면, CVI 유닛(50)이 도시된다. CVI 유닛(50)은 이하의 구성 요소를 포함한다.

52 배기 포트

54 밸브 시일

56 밸브 안내부

58 쐐기

60 롤러 안내부

62 윤활유 오일

64 밸브 시트

66 흡입 포트

68 흡입 매니폴드

70 통기 통로

72 스프링 시트

74 스프링

76 스프링 리테이너

78 키퍼(keeper)

80 롤러 태핏

82 캠

84 배기 밸브

86 CVI 챔버

엔진의 캠샤프트와 동조하는 캠(82)은 3단계 순서로 CVI 유닛(50)을 작동한다.

1. 흡입 밸브(도시 생략)가 개방되어, 수소 및 메탄 연료가 각각의 CVI 챔버(86)를 충전할 수 있게 한다. 각각의 기상 연료를 위한 CVI 챔버(86)가 존재하며, 즉 하나는 수소용이고 하나는 메탄(CNG)용인 CVI 챔버가 존재한다.

2. 수소 연료의 정밀하게 계량된 양이 흡입 밸브(도시 생략)를 폐쇄하여, CVI 챔버(86) 내에 포획된다. 유사하게, 메탄 연료의 상응하는 양은 각각의 CVI 챔버(86) 내에 포획된다.

3. 배출 밸브(84)는 개방되어 혼합 및 엔진 연료 제어 시스템(48)으로의 전달을 위해 연료 버프 체적(도시 생략)으로 수소 및 메탄 연료 가스를 배출한다.

작동의 기본 원리는 제어된 압력과 고정된 온도에서 정확하게 공지된 체적의 밀봉된 챔버가 공지된 양의 가스를 유지한다는 것이다. CVI 챔버에 의해 전달되는 기상 연료의 양은 엔진 RPM, 챔버 체적 및 입구 밸브(도시 생략)와 배출 밸브(84) 사이의 압력차에 비례한다. 에너지 함량의 7% 수소를 혼합하려는 목표는 천연 가스 체적의 약 20%를 요구한다. 이상 기체 이론에서, 천연 가스에 사용된 챔버(86)의 체적은 80/20% 혼합을 산출하기 위해 수소에 사용된 챔버(86)의 체적보다 4배 더 커야만 한다. 시험 결과는 이론적 챔버 체적이 실제 가스 행동에 대해 약간 변형될 필요가 있다는 것을 보여준다. 천연 가스와 수소가 동일 압력으로 CVI 유닛(50)에 공급되고 두 챔버(86)가 동일한 버퍼 체적으로 방출하는 한, 연료 혼합물 조성은 일정한 비율로 유지될 것이다. 또한, 이러한 버퍼 체적 내의 최종 연료 혼합물 조성을 검증하기 위해 센서를 사용하는 것도 가능하다.

평행 연료 시스템으로 엔진에 개별적으로 전달되어 개별적으로 저장되는 연 료

평행 연료 제어 시스템은 또한 정확하고 공지된 비율로 엔진에 수소와 천연 가스를 전달하는데 사용될 수도 있다. 개방 루프 연료 전달 특징이 양호하게 특성화된 연료 분사기와 같은 전체 작동 범위에 대한 연료 계량 구성 요소에 대해 알려져 있다면, 천연 가스 및 수소는 엔진 실린더 내 또는 엔진 흡기에서 최종적으로 혼합되도록 개별적으로 계량될 수 있다. 연료 계량 구성 요소의 두 개의 개별 세트가 사용되지만, 양자 모두가 하나의 엔진 제어 모듈에 의해 구동될 수도 있다.

대부분의 경우, 일정한 하이탄 조성이 사용되며, 엔진 보정(calibration)은 이러한 특정 혼합물에 대해 최적화된다. 하지만, 일부 환경에서, 연료 가용성에 따라 하이탄 또는 천연 가스 중 어느 하나만을 작동할 수 있는 것이 유리할 수 있다. 탑재식 하이탄 혼합에서, 수소 연료 전달 시스템은 차단될 수 있으며, 연료 제어 시스템(48)(도5)은 NG만 또는 하이탄 연료 공급을 수용하도록 이중 보정 테이블을 사용할 수도 있다. 연료 시스템 적응성에서 한 단계 더 나아가기 위해, 연료 제어 시스템(48)(도5)이 주입되는 연료 수소 함량을 감지하고 가변 하이탄 조성을 보상하는 것이 가능하다. 개별 수소 및 천연 가스 차량 저장에서, 연료 혼합물을 능동적으로 제어하고 상이한 엔진 작동 조건들 또는 차량 루트 위치 사이에 천연 가스만을 제공하거나 수소만을 제공하거나 또는 임의의 혼합물을 제공하는 것도 가능하다.

하이탄 엔진 작동

기본적으로 차량 엔진 작동에 사용되는 두 모드의 엔진 작동, 즉 희박 연소 및 화학량론적 연소(stoichiometric)가 존재한다. 선행권(priority) 및 배기 가스 목표에 따라, 하이탄은 연소 안정성을 개선하고, 출력과 효율을 증가시키고, 유해 배기 가스 배출을 감소시키기 위해 두 엔진 유형과 함께 사용될 수 있다.

희박 공연비에서의 엔진의 작동은 대체로 효율을 개선한다. 하지만, 출력은 감소되어 터보차저가 공기 유동과 출력을 증가시키기 위해 통상 부가된다. 더 높은 흡입 압력을 제공하고 폐기 배출 가스 에너지를 사용하여, 터보는 또한 효율을 추가로 개선한다. 최대 효율은 공연비가 더 희박해질수록 가연성에 의해 제한되며 흡입 압력이 증가함에 따라 노크(knock)에 의해 제한된다. NOx 배출 감소는 또한, 희박한 가연성 제한에 의해 제한되며, 이때 불연소 탄화수소(메탄) 배출이 극적으로 증가한다. 수소를 다른 보정 변화없이 희박 가연성 제한에 유사하게 작동하는 천연 가스 엔진에 추가하면, NOx가 증가하고, 출력이 증가하고, 효율이 증가하고, 불연소 탄화수소가 감소된다. 하지만, 수소는 연료 가연성도 개선시켜 더욱 희박한 작동을 가능하게 하고 점화 시기를 감소시킬 수 있다. 이러한 보정 파라미터는 불연소 탄화수소를 증가시키지 않고 더 높은 효율, 더 높은 출력 또는 감소된 NOx 배출에 대해 최적화될 수 있다. 탄화수소 배출을 크게 줄이기 위한 가장 경제적인 방법은 산화 촉매제를 사용하는 것이지만, 안정한 메탄 분자는 효과적인 촉매 작용을 위해 상대적으로 높은 배기 가스 온도를 요구한다. 많은 연구와 실험 프로젝트가 하이탄 내의 에너지의 7%의 수소 함량이 효율, 출력 또는 탄화수소 배출에 있어서 어떠한 불이익 없이 NOx의 감소(NG에 비해 약 50%만큼)에 대해 최적이라는 것을 결정하였다. 추가의 수소는 더 희박한 작동을 가능하게 하지만, 더 낮 은 NOx는 (더 희박한 조건에서 산화 촉매제 내의 더 낮은 배기 가스 온도로 인해) 효율, 출력 또는 탄화수소 배출의 희생 없이는 불가능하다.

화학량론적 연소

화학적으로 균형잡힌 공연 혼합물은 "화학량론적" 공연비("stoichiometric" air/fuel ratio)로 지칭된다. 이러한 조건에서 작동하는 천연 가스 엔진은 최대 출력을 제공하지만, 효율과 엔진 외부 배기 가스(engine-out emission)는 희박 연소 작동보다 악화된다. 또한, 배기 가스 온도는 전부하(full load)에서의 화학량론적 연소 중 최대이며, 많은 대형 디젤 파생 엔진(diesel-derivative engine)은 이러한 고온 및 열 부하에 대해 설계되지 않는다.

이러한 명백한 단점에도 불구하고, 대부분의 소형 가솔린 엔진은 화학량론적이며, 많은 대형 엔진이 이러한 유형의 작동에 대해 현재 개발되고 있다. 화학량론적 엔진을 위한 핵심 기술(key enabling technology)은 3방향 배출 촉매제이다. 이 장치는 NOx 배출을 감소시키고 엔진 내의 불완전 연소로부터 남은 산소와 함께 상기 장치의 산소를 일산화탄소(CO)와 불연소 탄화수소(HC)를 다시 산화하는데도 사용한다. 촉매제 방출 이후의 전체 레벨은 천연 가스에 의한 희박 연소보다도 낮은 정도의 양일 수 있다. 배출 레벨은 화학량론적인 촉진된 천연 가스 엔진에 대해 이미 매우 낮지만, 하이탄은 여전히 배기 가스를 상당히 개선할 수 있다. 수소는 메탄의 연소를 촉진하고 NOx 및 무반응 산소(unreacted oxygen)에 대한 강력한 환원제이다. 에너지의 5% 수소 정도의 작은 양이 3방향 촉매를 갖는 화학량론적 CNG 소형 차량에서 50% 이상의 NOx 및 CO와 총 탄화수소의 35%를 감소시는 것으로 밝혀졌다.

낮은 효율과 높은 온도는 대형 엔진을 위해 개선되어야 할 바람직하지 못한 특성이다. 이러한 두 문제 모두는 배출 가스 재순환(EGR)을 사용하여 완화될 수 있다. 희박 연소 작동과 같이, EGR은 효율을 증가시키지만 출력을 감소시키며, 즉 터보차징이 엔진의 출력 밀도를 개선하기 위해 종종 사용된다. 대부분의 부분에서, 희박 연소 엔진은 과잉 공기로 공연 차지(air/fuel charge)를 희석시킴으로써 연소 온도를 감소시켜 배기 가스 온도와 NOx를 감소시킨다. EGR은 재생된 배기 가스가 산소를 거의 갖지 않거나 아주 약간 갖기 때문에, 동일한 효율을 달성하면서 NOx를 추가로 감소시킨다. 임의의 경우에, 임의의 엔진 외부 NOx는 화학량론적 공연비가 사용될 때 촉매제 내에서 거의 완전하게 제거된다. 희박 연소 엔진과 유사하게, 화학량론적 EGR 엔진은 혼합물의 희석 가연성 제한이 점화 실패하기 전에 추가적인 EGR이 사용될 수 있기 때문에 수소를 추가함으로써 이득을 얻는다. 이것은 효율을 증가시키고 배기 가스 온도 및 엔진 외부 NOx 배출을 낮춘다. 또한, EGR의 사용은 상대적으로 낮은 온도에서의 연소 촉진 및 높은 촉매 반응성과 같은 화학량론적 3방향 촉매 작용에 의한 수소의 이득이 실현될 수 있게 한다. 대형 용도에서, 3방향 촉매제와 EGR을 사용하는 화학량론적 터보차저식 엔진은 하이탄 연료에 가능한 가장 낮은 배기 가스를 제공하지만, EGR 시스템의 비용 및 복잡성과 약간 낮은 효율로 인해 희박 연소 작동보다 비용이 많이 든다.

하이탄 버스 연료는 천연 가스 내의 에너지 함량의 7% 수소(체적의 20% H₂) 의 혼합물이다. 도6은 연방 배기 시험(Federal emissions test)의 정상 상태 시뮬레이션에서 변형된 쿠민스(Cummins) L-10 버스로부터의 NOx 배출에 대한 다양한 수소 농도의 효과를 도시한다.

따라서, 본 발명은 수소 농후 연료의 라이프 사이클 배기를 생산, 분배, 사용 및 모니터링하는 개선된 시스템 및 방법을 제공한다. 본 발명은 당업자에게 이해될 소정의 양호한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 특정한 변경 및 변형이 후속하는 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 범주 내에서 이루어질 수 있다.

Claims

수소 농후 연료를 생산하도록 구성된 생산 시스템과,

수소 농후 연료를 사용하도록 구성된 차량과,

생산 시스템 및 차량과 신호 통신하는 제어 시스템을 포함하며,

제어 시스템은 수소 농후 연료의 생산을 제어하고, 수소 농후 연료의 사용 중 차량에 의해 생성된 배기 가스를 모니터링하도록 구성된 시스템.
제1항에 있어서, 제어 시스템은 생산 시스템에 의해 생성된 배기 가스를 모니터링하고, 수소 농후 연료의 양을 모니터링하고, 수소 농후 연료의 생산 중 안전을 모니터링하도록 구성된 시스템.
제1항에 있어서, 차량으로 수소 농후 연료를 분배하도록 구성된, 제어 시스템과 신호 통신하는 분배 시스템을 더 포함하는 시스템.
제1항에 있어서, 수소 농후 연료는 수소 및 탄화수소를 포함하는 시스템.
제1 제어 모듈과 수소 농후 연료를 사용하도록 구성된 엔진을 포함하는 차량과,

차량으로 수소 농후 연료를 분배하도록 구성되고, 제1 제어 모듈과 신호 통 신하는 제2 제어 모듈을 포함하는 분배 시스템과,

수소 농후 연료의 사용 중 차량에 의해 생성된 배기 가스를 모니터링하도록 구성된 제1 제어 모듈 및 제2 제어 모듈과 신호 통신하는 제어 시스템을 포함하는 시스템.
제5항에 있어서, 수소 농후 연료를 생산하도록 구성된, 제어 시스템과 신호 통신하는 생산 시스템을 더 포함하고, 제어 시스템은 수소 농후 연료의 생산을 제어하도록 구성된 시스템.
제6항에 있어서, 제어 시스템은 생산 시스템에 의한 수소 농후 연료의 생산 중 배기 가스를 모니터링하도록 구성된 제어 시스템.
제5항에 있어서, 수소 농후 연료는 수소 및 메탄을 포함하는 시스템.
제5항에 있어서, 제1 제어 모듈과 제2 제어 모듈 간의 신호 통신은 무선 통신을 포함하는 시스템.
제5항에 있어서, 제1 제어 모듈과 제2 제어 모듈 간의 신호 통신은 카드 판독기 또는 하드와이어 연결을 포함하는 시스템.
수소 농후 연료를 생산하도록 구성된 생산 시스템과,

수소 농후 연료를 사용하도록 구성된 엔진을 구비한 차량과,

차량으로 수소 농후 연료를 분배하도록 구성된 분배 시스템과,

생산 시스템, 차량 및 분배 시스템과 신호 통신하는 제어 시스템을 포함하며,

제어 시스템은 생산 시스템을 제어하고, 수소 농후 연료의 사용 중 차량에 의해 생성된 배기 가스를 모니터링하도록 구성된 시스템.
제11항에 있어서, 생산 시스템은 수소 공급원, 탄화수소 공급원 및 운송 시스템을 포함하고, 운송 시스템은 수소 농후 연료의 생산 및 운반 중 베이스라인 연료에 비해 배기 가스를 감소시키도록 선택되고 작동되는 시스템.
제11항에 있어서, 수소 공급원은 전기 분해, 신종 물분열, 산업 폐기물 스트림, 정, 개질 및 기화로 구성된 그룹으로부터 선택되는 시스템.
제12항에 있어서, 탄화수소 공급원은 정, 산업 폐기물 스트림 및 생물 가스로 구성된 그룹으로부터 선택되는 시스템.
제11항에 있어서, 수소 농후 연료는 수소 및 탄화수소를 포함하는 시스템.
제11항에 있어서, 생산 시스템은 수소 농후 연료로 수소 가스와 탄화수소 연료를 혼합하도록 구성된, 제어 시스템과 신호 통신하는 혼합 시스템을 포함하는 시스템.
제11항에 있어서, 제어 시스템은 수소 농후 연료의 사용 중 차량에 의한 배기 가스 및 에너지 소비 데이터를 제공하도록 구성된 차량 상의 엔진 제어 모듈과, 상기 데이터를 수신하도록 구성된, 엔진 제어 모듈과 신호 통신하는 분배 시스템 상의 제어 및 감사 모듈을 포함하는 시스템.
수소 농후 연료로 수소 가스와 탄화수소 연료를 혼합하도록 구성된 혼합기를 포함하는 생산 시스템과,

수소 농후 연료를 사용하도록 구성된 엔진과, 작동 조건을 감지하고 엔진으로부터의 배기 가스를 계산하도록 구성된 제1 제어 모듈을 구비한 차량과,

차량에 의한 수소 농후 연료의 사용을 모니터링하고 혼합기를 제어하도록 구성된 제1 제어 모듈과 신호 통신하는 제2 제어 모듈을 포함하는 제어 시스템을 포함하는 시스템.
제18항에 있어서, 차량으로 수소 농후 연료를 분배하도록 구성된 분배 시스템을 더 포함하고, 제2 제어 모듈은 분배 시스템상에 위치되는 시스템.
제19항에 있어서, 제1 제어 모듈과 제2 제어 모듈 사이의 신호 통신은 무선 통신, 카드 판독기 또는 하드와이어 연결을 포함하는 시스템.
제20항에 있어서, 수소 농후 연료를 저장하도록 구성된, 분배 시스템과 유체 소통하는 저장 시스템을 더 포함하는 시스템.
제21항에 있어서, 수소 농후 연료는 초임계 상태인 수소 가스와 메탄을 포함하는 시스템.
수소 가스 및 메탄 연료를 분배하도록 구성된 분배 시스템과,

차량으로서, 엔진과, 엔진에 수소 가스와 메탄 연료를 전달하도록 구성된, 분배 시스템과 유체 소통하는 차량 상의 연료 전달 시스템과, 수소 가스와 메탄 연료를 혼합하도록 구성된 정적 분사 유닛과, 수소 가스와 메탄 연료의 연소 중 엔진으로부터의 배기 가스를 계산하도록 구성된 엔진 제어 모듈을 포함하는 차량과,

배기 가스를 모니터링하고, 분배 시스템에 의한 수소 농후 연료의 분배를 제어하도록 구성된, 엔진 제어 모듈과 신호 통신하는 분배 시스템상의 감사 및 제어 모듈을 갖는 제어 시스템을 포함하는 시스템.
제23항에 있어서, 메탄 연료는 천연 가스를 포함하는 시스템.
제23항에 있어서, 감사 및 제어 모듈과 엔진 제어 모듈 사이에 신호 통신을 제공하기 위한 무선 통신 시스템을 더 포함하는 시스템.
수소 농후 연료를 생산, 분배, 사용 및 모니터링하기 위한 방법이며,

수소 가스와 탄화수소 연료를 생산하는 단계와,

수소 가스와 탄화수소 연료를 수소 농후 연료에 혼합하는 단계와,

수소 농후 연료를 사용하도록 구성된 엔진을 구비한 차량으로 수소 농후 연료를 분배하는 단계와,

차량 엔진에서 수소 농후 연료를 사용하는 단계와,

상기 사용 단계 중 배기 가스와 연료 소비를 모니터링하는 단계를 포함하는 수소 농후 연료의 생산, 분배, 사용 및 모니터링 방법.
제26항에 있어서, 동일한 제어 시스템에 의해 혼합 단계가 제어되고 모니터링 단계가 수행되는 수소 농후 연료의 생산, 분배, 사용 및 모니터링 방법.
제26항에 있어서, 모니터링 단계는 차량에 대한 연료 보급 스테이션에서 적어도 부분적으로 수행되는 수소 농후 연료의 생산, 분배, 사용 및 모니터링 방법.
제26항에 있어서, 모니터링 단계는 사용 단계 중 연료 소비 및 배기 가스를 계산하고 작동 조건을 감지하도록 구성된, 차량 상의 제어 모듈을 사용하여 수행되 는 수소 농후 연료의 생산, 분배, 사용 및 모니터링 방법.
제26항에 있어서, 모니터링 단계는 차량과 마스터 제어 시스템 사이의 무선 통신을 이용하여 수행되는 수소 농후 연료의 생산, 분배, 사용 및 모니터링 방법.
수소 농후 연료를 생산, 사용 및 모니터링하는 방법이며,

수소 농후 연료를 생산하도록 구성된 생산 시스템을 제공하는 단계와,

수소 농후 연료를 사용하도록 구성된 차량을 제공하는 단계와,

생산 시스템 및 차량과 신호 통신하고, 수소 농후 연료의 생산을 제어하고, 수소 농후 연료의 사용 중 차량에 의해 생성된 배기 가스를 모니터링하도록 구성된 제어 시스템을 제공하는 단계와,

제어 시스템을 사용하여 생산 시스템을 제어하는 단계와,

차량 내에서 수소 농후 연료를 사용하는 단계와,

제어 시스템을 사용하는 사용 단계 중 배기 가스를 모니터링하는 단계를 포함하는 수소 농후 연료의 생산, 사용 및 모니터링 방법.
제31항에 있어서, 제어 시스템은 생산 시스템에 의해 생성된 배기 가스를 모니터링하고, 수소 농후 연료의 양을 모니터링하고, 수소 농후 연료의 생산 중 안전을 모니터링하는 수소 농후 연료의 생산, 사용 및 모니터링 방법.
제31항에 있어서, 차량으로 수소 농후 연료를 분배하도록 구성된 제어 시스템과 신호 통신하는 분배 시스템을 제공하는 단계를 더 포함하여, 분배 시스템을 이용하여 차량으로 수소 농후 연료를 분배하는 수소 농후 연료의 생산, 사용 및 모니터링 방법.
제31항에 있어서, 수소 농후 연료는 수소 및 탄화수소를 포함하는 수소 농후 연료의 생산, 사용 및 모니터링 방법.