KR20140096064A - 연료로 온-보드 이산화탄소 변환에 의해 이동발생원으로부터 배출물 감소 - Google Patents

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장-피에르 알. 발라구에
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Abstract

배기 가스를 탄화수소 연료로 변환시켜 차량 배출물을 감소시키기 위한 장치 및 공정. 상기 장치 및 공정은 유해한 물질의 차량 배출물을 더욱 감소시키기 위해 종래의 배출물 조절 기술을 보충한다. 상기 장치는 차량의 추진력을 공급하는 연소 엔진의 배기 가스로부터 열 에너지를 얻기 위한 열교환기 (102A), 상기 배기 가스로부터 물 및 이산화탄소를 분리하기 위해 막 분리기 (108), 및 나노 촉매를 포함하는 촉매 반응기 (102B)를 포함한다. 상기 촉매 반응기 (102B)는 상기 막 분리기 (108)로부터 물 및 이산화탄소를 수용하고, 탄화수소 연료를 생산하고, 상기 나노 촉매에 의해 촉진되는 상기 물 및 이산화탄소의 반응을 함유하며, 상기 반응을 활성화하기 위해 열교환기 (102A)로부터 열 에너지를 사용한다. 상기 촉매 반응기 (102B)는 열 에너지의 이동을 촉진하기 위해 열교환기 (102A)의 몸체 내에 함유된다.

Description

연료로 온-보드 이산화탄소 변환에 의해 이동발생원으로부터 배출물 감소 {Emission Reduction from Mobile Sources by On-Board Carbon Dioxide Conversion to Fuel}
본 발명은 이산화탄소를 탄화수소 연료로 변환시켜 차량 배출물 (vehicle emission)을 감소시키기 위한 공정에 관한 것이다. 좀더 구체적으로, 본 발명의 구현 예는 차량의 연소 엔진 (combustion engine)용 탄화수소 연료로 차량 배기 (vehicle exhaust)를 변환하기 위한 온-보드 열교환기 (on-board heat exchanger) 및 촉매 변환장치 (catalytic converter)를 활용한다.
자동차 산업은 차량 배출물이 공공 건강 및 환경에 유해하다는 것을 수십 년 동안 인지해 왔다. 차량 배출물을 감소시키는 종래의 방법이 불충분하다는 것은 또한 잘 알려져 있다. 통상적으로, 차량 배출물은 엔진 효율을 증가시켜 및/또는 연소 후 배기를 세정시켜 감소될 수 있다. 예를 들어, 차량 배기는 2차 공기 주입, 배기 가스 재순환, 및/또는 촉매 변환을 사용하여 세정될 수 있다.
통상적으로, 촉매 변환장치는 독성 배출물을 비-독성 물질 (non-toxic substances)로 변환하기 위한 금속성 촉매 (예를 들어, 백금, 팔라듐, 로듐)를 포함한다. 변환된 독성 배출물은 일산화탄소, 산화 질소, 및 미연소 탄화수소 (unburned hydrocarbon)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 일산화탄소는 산화될 수 있고, 이산화탄소로 변환될 수 있으며, 여기서 상기 촉매는 산화를 활성화한다.
촉매 변환장치의 사용은 차량 배출물의 감소와 연관된 모든 도전을 해결하는 데 실패하였다. 예를 들어, 촉매 변환장치는 연소될 탄화수소 연료의 양을 감소시키는 데 실패하였다. 또한, 촉매 변환장치는 지구온난화에 기여하는 온실 가스인, 이산화탄소를 생산한다.
따라서, 차량 배출물을 감소시키기 위한 개선된 공정을 갖는 것이 요구된다. 바람직하게는, 배출물을 이용가능한 연료로 변환하는 공정을 갖는 것이 바람직할 것이다. 또한, 방출되는 이산화탄소의 양을 감소시키는 공정을 갖는 것이 바람직하다.
하나의 구현 예에 있어서, 이동발생원으로부터 배출물 감소를 위한 장치는 차량의 추진력을 공급하는 연소 엔진의 배기 가스로부터 열 에너지를 얻기 위한 열교환기; 상기 배기 가스로부터 물 및 이산화탄소를 분리하기 위한 막 분리기 (membrane separator); 및 나노 촉매를 갖는 촉매 반응기를 포함하고, 상기 촉매 반응기는 탄화수소 연료를 생산하는 물 및 이산화탄소의 반응을 함유하고, 상기 반응은 상기 나노 촉매에 의해 촉진된다. 하나의 구현 예에 있어서, 상기 촉매 반응기는 상기 막 분리기로부터 물 및 이산화탄소를 수용하고, 상기 물 및 이산화탄소의 반응을 활성화하기 위해 상기 열 교환기로부터의 열 에너지를 사용한다.
하나의 구현 예에 있어서, 상기 나노 촉매는 적어도 하나의 루테늄 (ruthenium), 망간 (manganese), 및 니켈을 포함하는 다금속성 (multimetallic) 나노 촉매이다. 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 나노 촉매는 2 내지 3 퍼센트 루테늄, 20 내지 30 퍼센트 니켈, 및 15 내지 20 퍼센트 망간이다. 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 나노 촉매는 2 퍼센트 루테늄, 20 퍼센트 니켈, 및 15 퍼센트 망간이다.
하나의 구현 예에 있어서, 상기 막 분리기는 실리카-계 막 층, 탄소-계 막 층, 또는 제올라이트 막 층인 선택성 막 층 및 세라믹 지지체, 금속성 지지체, 또는 알루미나 지지체인 지지체 층을 포함한다.
하나의 구현 예에 있어서, 상기 촉매 반응기는 상기 열 에너지가 나노 촉매를 보유하는 촉매 반응기의 일부로 향하도록 상기 열교환기에 의해 둘러싸인다. 하나의 구현 예에 있어서, 상기 촉매 반응기는 상기 나노 촉매를 보유하기 위한 다중 튜브를 포함하고, 상기 다중 튜브는 상기 열교환기로부터 열 에너지를 수용하기 위한 증가된 표면적을 제공한다.
하나의 구현 예에 있어서, 상기 탄화수소 연료는 에탄올 및 프로핀 (propyne)을 포함한다.
본 발명의 이러한 다른 특성, 관점, 및 장점들은 하기의 상세한 설명, 청구항 및 첨부된 도면을 참고하여 더욱 이해될 것이다. 그러나, 도면은 본 발명의 여러 가지 구현 예를 단지 예시하므로, 따라서 이것이 다른 동일한 효과의 구현 예들을 허용할 수 있기 때문에 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 고려되는 않는 것으로 이해된다.
도 1은 본 발명의 하나 이상의 구현 예에 따른 장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 하나 이상의 구현 예에 따른 공정 흐름도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 하나 이상의 구현 예에 따른 대표 장치를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 하나 이상의 구현 예에 따른 열교환기 및 촉매 반응기를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 하나 이상의 구현 예에 따른 열교환기를 나타낸다.
본 발명이 여러 구현 예들과 연관하여 설명되지만, 이들 구현 예에 본 발명이 제한되지 않는 것으로 의도되는 것으로 이해될 것이다. 이와 반대로, 첨부된 청구항에 의해 정의된 본 발명의 사상 및 범주 내에 포함될 수 있는 것은 모든 대안, 변형 및 균등물을 포괄하는 것으로 의도된다.
하나의 구현 에에 있어서, 차량의 배출 감소를 위한 장치는 연소 차량의 배기 가스로부터 열 에너지를 얻기 위한 열교환기; 차량의 추진력을 공급하는 연소엔진; 상기 배기 가스로부터 물 및 이산화탄소를 분리하기 위한 막 분리기; 및 탄화수소 연료를 생산하는 물 및 이산화탄소의 반응을 함유하기 위한 나노 촉매를 포함하는 촉매 반응기를 포함한다. 또한, 상기 열교환기에 의해 얻은 열 에너지는 물 및 이산화탄소의 반응을 활성화한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 장치 (100)는 통합 열교환기 (102A) 및 촉매 반응기 (102B), 촉매 변환장치 (104), 코일-형 열교환기 (106), 막 분리기 (108) 및 배기 (110)을 포함한다. 하나의 구현 예에 있어서, 상기 장치 (100)는 하기에서 도 3에 관하여 논의된 바와 같이, (예를 들어, 차량의 언더카트리지 (undercarriage)에 설치된) 차량의 배기 시스템에 혼입된다.
하나의 구현 예에 있어서, 상기 열교환기 (102A) 및 촉매 반응기 (102B)는 상기 열교환기 (102A)에서 배기 가스로부터 얻은 열 에너지가 상기 촉매 반응기 (102B)에서 반응을 활성화하는데 사용될 수 있도록 통합된다. 상기 열교환기 (102A)는 연소 엔진으로부터 배기 가스를 수용한다. 열 에너지는 이들이 상기 열교환기 (102A)를 통과하면서 배기 가스로부터 얻어지고, 이에 의해 상기 배기 가스가 상기 촉매 변환장치 (104)에 진입하기 전에 상기 배기 가스를 냉각시킨다. 상기 열교환기 (102A)는 (1) 상기 엔진으로부터 회수되고 상기 촉매 반응기 (102B)에 의해 사용되는 폐열 (waste heat) 및 (2) 상기 장치 (100)의 다른 구성품으로 진입하기 전에 냉각되는 배기 가스를 허용한다. 예를 들어, 상기 막 분리기 (108)는 상기 연소 엔진을 나오는 배기 가스의 온도보다 상대적으로 더 낮은 온도 및 높은 압력에서 작동하는 막을 포함할 수 있다.
몇몇 구현 예에 있어서, 상기 촉매 반응기 (102B)는 촉매 시스템, 광-촉매 시스템, 전기-촉매 시스템, 또는 적절한 이의 조합을 포함한다. 또한, 상기 촉매 반응기 (102B)는 고정, 유동층 및 촉매 막을 포함할 수 있다. 상기 촉매는 지지체로서 알루미나, 실리카, 및 점토 및 하기에 논의된 바와 같은 활성 성분으로서 활성 단일금속, 이-금속 및 삼-금속 물질 물질을 포함하는 지지된 나노구조 촉매일 수 있다.
하나의 구현 예에 있어서, 상기 촉매 반응기 (102B)는 CO2 및 H2O을 탄화수소 연료로 변환하기 위한 반응을 함유한다. 예를 들어, 상기 반응은 nCO2 + (n+1)H2O → CnH2n +1OH + (3n/2) O2와 같은 알코올을 생산하기 위한 일반 반응일 수 있는데, 여기서 n = 1, 2, 3, 4, 5, 6 등이다. (예를 들어, n=1인 경우 상기 생산물은 CH3OH (메탄올)이고, n=2인 경우, 상기 생산물은 C2H5OH (에탄올), 등이다). 또 다른 예에 있어서, 상기 반응은 2nH2O + nCO2 → CnH2n +2 + 2nO2와 같은 알칸 생산을 위한 대상이 될 수 있고, 여기서 n = 1, 2, 3, 4, 5, 6 등이다. 또 다른 실시 예에 있어서, 상기 반응은 하기의 반응에서 나타난 바와 같이, 산소를 방출하는 혼합 생산물 또는 메탄 (CH4)을 생산할 수 있다:
● 673 K 및 대기압에서 에탄올, 프로핀, 및 산소를 생산하는 촉매 활성 반응 - 5CO2 + 5H2O → C2H5OH + H3C-C=CH + 7 O2
● 메탄올, 에탄올, 산소 및 프로핀을 생산하는 촉매 활성 반응 - 6CO2 + 7H2O → CH3OH + C2H5OH + 17/2 O2 + H3C-C=CH
이러한 예에 있어서, 상기 촉매 및 반응 온도는 어떤 생산물 (예를 들어, 에탄올)의 생산을 최대화하도록 맞출 수 있다. 또한, 상기 촉매 반응기 (102B)에 의해 사용된 나노 촉매는 루테늄, 망간, 및/또는 니켈을 포함하는 금속성 나노 촉매일 수 있다. 구체적으로, 상기 금속성 나노 촉매는 약 2 내지 3 퍼센트 루테늄, 약 20 내지 30 퍼센트 니켈, 및 약 15 내지 20 퍼센트 망간 (예를 들어, 2 퍼센트 루테늄, 20 퍼센트 니켈, 및 15 퍼센트 망간)일 수 있다. 상기 반응은 H2O (증기) 및 CO2가 산소 및 수소를 생산하기 위해 나노 촉매 표면에 대해 분해하는 경우, 상기 촉매에 의해 활성화될 수 있다. 이러한 단계에서, 상기 수소 및 산소는 탄화수소 연료를 생산하기 위해 탄소와 반응될 수 있다. 몇몇 경우에 있어서, 상기 반응으로부터 결과하는 초기 산소는 부가적 에너지의 발생을 결과할 수 있고, 이것은 외부 열 에너지에 대한 요구를 감소시킨다.
대표 나노 촉매는 Hussain S.T., et al., Nano Catalyst for CO 2 Conversion to Hydrocarbons, Journal of Nano Systems & Technology, Oct. 31, 2009에 기재된다. 상기 논문에 있어서, 상기 대표 나노 촉매는 다음과 같이 제조된다:
● 루테늄 3염화물 (ruthenium trichloride) (0.103 g), 망간 질산염 4수화물 (manganese nitrate tetrahydrate) (2.285 g) 및 니켈 질산염 6수화물 (nickel nitrate hexahydrate) (2.47 g) (analar grade)의 용액은 탈이온화된 H2O에서 제조되고, 수산화물의 침전을 방지하기 위하여 묽은 염산으로 산성화된다.
● 슬러리의 일부 (10 ㎤)는 그 다음 증발 욕조 (evaporation basin)에서 이산화티타늄 촉매 지지체 (3.95 g), (350 ㎡g-1)에 첨가되고, 여기서 상기 혼합물은 20분 동안 자기 교반되며, 밤새도록 395 K에서 건조된다.
● 상기 제조된 촉매 샘플은 그 다음 600 ℃에서 6시간 동안 공기 중에서 하소된다.
통상적 구동 사이클 (예를 들어, USO6 구동 사이클)에 기초하여, 배기 가스는 차량의 속도에 의존하여 6.5 grams/sec 내지 200 grams/sec으로 방출될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 상기 구동 사이클에서 최대 속도는 약 80 mph이고, 이것은 상업적 목적을 위해 촉매의 양을 계산하는데 사용될 수 있다. 실험실 시험에 있어서, 사용된 촉매의 양은 0.5 grams이고, 여기서 상기 반응기를 통한 배기의 상응하는 공간 속도는 6000 - 7200 hr-1이다. 비교하면, 차량을 통한 배기 질량 유량 (mass flow rate)은 6.5 g/s 내지 200 g/s으로 변화할 수 있다. 몇몇 구현 예에 있어서, 실험실 양 및 통상적 구동 사이클을 기초하여, 상기 촉매 반응기 (102B)에 사용된 촉매의 총 양은 약 120 grams이다. 이러한 경우에 있어서, 상기 반응기에서 변환 수준은 상기 배기 질량 유량에 의존한다 (즉, 상기 반응기에서 변환율은 상기 배기 질량 유량이 감소함에 따라 증가한다).
하나의 구현 예에 있어서, 상기 촉매 변환장치 (104)는 상기 차량 배기로부터 독성 물질을 세정한다. 구체적으로, 상기 촉매 변환장치 (104)는 (1) CO2를 발생시키기 위해 일산화탄소를 산화시키고, (2) H2O 및 CO2를 발생시키기 위해 미연소 탄화수소를 산화시키는 금속성 촉매를 포함할 수 있다. 상기 촉매 변환장치 (104)에서 반응은 이들이 코일형 열교환기 (106)를 통과하기 전에 배기 가스의 온도를 증가시킨다.
하나의 구현 예에 있어서, 상기 코일형 열교환기 (106)는 이것이 막 분리기 (108)에 제공되기 전에 상기 배기 가스의 온도를 감소시킨다. 상기 코일형 열교환기 (106)는 상기 촉매 반응기 (102B) 쪽으로 이동하는 배기 가스로부터 반응물로 열 에너지를 이동시킬 수 있다.
하나의 구현 예에 있어서, 상기 막 분리기 (108)은 상기 코일형 열교환기 (106)로부터 수용된 배기 가스의 다른 가스로부터 CO2 및 H2O를 분리한다. 상기 막 분리기 (108)는 다양한 막을 포함할 수 있고, 여기서 상기 CO2 및 H2O는 상기 작동 조건 (예를 들어, 온도)에 의존하여 투과물 (permeate) 또는 미투과물 (retenate)로 분리된다. 상기 분리된 CO2 및 H2O는 촉매 반응기 (102B)로 통과되고, 다른 가스는 배기 (110)에 통과된다. 상기 배기 (110)는 그 다음 차량으로부터 다른 가스를 방출할 수 있다.
도 2를 참조하면, 배기 가스를 탄화수소 연료로 변환하기 위한 대표 공정 흐름은 도시된다. (202)에 있어서, 차량 엔진을 떠나는 배기 가스는 약 850 ℃의 온도에서 이중-파이프 열교환기 (102A)에 진입한다 (즉, 상기 배기 가스는 차량 엔진에서 연소로부터 발생된 열의 형태로 에너지를 함유한다). 상기 이중-파이프 열교환기 (102A)는 (203)에서 배기 가스를 방출하기 전에 배기 가스로부터 열 에너지를 얻는다. 상기 배기 가스는 상기 촉매 변환장치 (104)에 진입하기 전에 약 350-500 ℃의 온도에서 이중-파이프 열교환기 (102A)를 떠난다. 상기 촉매 변환장치 (104)에 있어서, 반응은 미연소 가스질 성분을 N2, CO2, H2O, 등으로 변환을 일으킨다. (204)에 있어서, 상기 변환된 가스는 약 500-600 ℃의 온도에서 촉매 변환장치 (106)를 떠난다.
상기 변환된 가스는 그 다음 촉매 반응기 (102B) 쪽으로 이동하는 반응물에 추가 열을 전달하도록 코일형 열교환기 (106)을 통과한다. (206)에 있어서, 상기 변환된 가스는 약 200-300 ℃에서 막 분리기 (108)에 진입한다. 상기 막 분리기 (108)에 있어서, CO2 및 H2O는 상기 변환된 가스로부터 분리된다. (210)에 있어서, 상기 분리된 CO2 및 H2O는 약 500 ℃로 상기 CO2 및 H2O의 온도를 상승시키기 위해 상기 코일형 열교환기 (106)를 통과한다. (110)에 있어서, 잔여 가스는 막 분리기 (108)를 떠나고, 배기로서 차량으로부터 방출된다. (212)에 있어서, 가열된 CO2 및 H2O는 촉매 반응기 (102B)로 통과된다. 상기 촉매 반응기 (102B)에 있어서, 나노 촉매는 CO2 및 H2O를 탄화수소 연료로 변환하는 반응을 활성화한다. (214)에 있어서, 상기 탄화수소 연료는 자동차 엔진 (216)으로 재순환되고(예를 들어, 탄화수소 연료는 연료 라인, 기화기 (carburetor), 또는 연료 탱크로 통과될 수 있다), 이에 의해 차량으로부터 CO2 배출을 감소시킨다.
도 2의 공정 흐름 배열은 CO2 및 H2O가 상기 막 분리기 (108)에서 저온에서 상기 배기 가스로부터 분리될 수 있도록 상기 배기 가스를 냉각시킨다. 동시에, 상기 촉매 반응기 (102B) 쪽으로 이동하는 분리된 CO2 및 H2O의 온도는 상기 이중-파이프 열교환기 (102A) 및 코일-형 열교환기 (106) 모두로부터 열 전달에 의해 상승한다. 몇몇 구현 예에 있어서, 상기 공정 흐름 배열은 상기 반응이 외부 에너지 없이 실행될 수 있도록 상기 배기 가스의 폐열을 활용한다. 상기 공정 흐름 배열은 도 3에 대하여 하기에 논의된 바와 같이 배기 파이프를 따라 차량의 언더카트리지 (undercarriage) 상에 설치될 수 있다.
도 3을 참조하면, 차량 언더카트리지 (302) 상에 설치된 대표 장치는 도시된다. 차량의 배기 헤드 파이프 (306)는 연소 엔진으로부터 배기 가스를 수용한다 (도시되지 않음). 상기 통합 열교환기 (102A) 및 촉매 반응기 (102B)는 상기 배기 헤드 파이프 (306)에 부착된다. 이러한 예에 있어서, 상기 배기 헤드 파이프 (306) 및 통합 열교환기 (102A) 및 촉매 반응기 (102B)는 차량의 엔진 섹션 (304) 하에 위치된다 (즉, 차량의 연소 엔지 하에 위치된다). 상기 배기 헤드 파이프 (306)으로부터 배기 가스는 상기 열교환기 (102A)를 통해 상기 촉매 변환장치 (104)로 전달된다.
엔진 섹션 (304)에 인접한 것은 배기 가스가 상기 대표 장치를 통과에 따라 상기 배기 가스의 열로부터 차량을 보호하기 위한 열차폐막 (heat shield) (306)이다. 이러한 예에 있어서, 상기 열차폐막 (306)은 촉매 변환장치 (104), 코일-형 열교환기 (106), 막 분리기 (108), 및 배기 (110)을 포괄하고, 이의 각각은 도 1 및 2에 대하여 전술된 각각의 구성품과 실질적으로 유사할 수 있다. 도 3에서 나타낸 바와 같이, 상기 막 분리기 (108)로부터 투과물 (210) (즉, CO2 및 H2O)은, 배기 가스로부터 상기 투과물 (210)로 열 에너지를 이동시키는, 상기 코일-형 열교환기 (106)로 전달된다. 상기 가열된 반응물 (212)은 그 다음 상기 촉매 변환장치 (104)를 통해 촉매 반응기 (102B)로 전달된다. 또한, 열 에너지는, 가열된 반응물 흐름이 촉매 반응기 (102B) 내 및 향함에 따라, 상기 촉매 변환장치 (104) 및 열교환기 (102A)로부터 가열된 반응물 (212)로 이동될 수 있다. 상기 촉매 반응기 (102B)는 가열된 반응물 (212)를 탄화수소 연료 (214)로 변환시키고, 이것은 그 다음 차량용 재순환된 연료 (216)로서 사용된다.
도 4를 참조하면, 대표 통합 열교환기 및 촉매 반응기 (102A, 102B)는 도시된다. 전술된 바와 같이, 상기 통합 열교환기 및 촉매 반응기 (102A, 102B)는 차량 언더카트리지 상에 상기 연소 엔진 및 촉매 변환장치 사이에 설치될 수 있다. 상기 배기 가스 (202)는 통상적으로 대략 800 내지 900 ℃에서 엔진을 떠나고, 상기 통합 열교환기 및 촉매 반응기 (102A, 102B)의 외부 파이프 (402)를 ㄸ떠나기 전에 약 500 내지 600 ℃까지 빠르게 냉각된다. 상기 통합 열교환기 및 촉매 반응기 (102A, 102B)는 상기 배기 가스 (202)로부터 폐열을 회수하고, 상기 통합 열교환기 및 촉매 반응기 (102A, 102B)의 내부 파이프 (404)에서 발생하는 흡열 반응 (endothermic reaction)의 열 요구조건을 충족시키기 위해 위치된다.
이러한 예에 있어서, 상기 통합 열교환기 및 촉매 반응기 (102A, 102B)는 표준 이중-파이프 열교환기이고, 여기서 상기 내부 파이프 (404)는 반응을 위해 촉매 (406)을 보유하고, 외부 파이프 (402)는 배기 가스용 통로를 제공한다. 또 다른 예에 있어서, 상기 통합 열교환기 및 촉매 반응기 (102A, 102B)는 촉매 (406)을 보유하는 다중 튜브를 갖는 내부 쉘 (shell)을 포함하는 쉘 및 튜브 형 열교환기일 수 있고, 여기서 상기 다중 튜브는 이중-파이프 열교환기의 양 말단에서 튜브-시트에 부착될 수 있다. 상기 다중 튜브는 상기 열 이동을 위해 더 넓은 표면적을 제공한다. 또 다른 예에 있어서, 상기 외부 파이프 (402)는 열을 보존하고, 열 이동을 촉진하기 위해 적당하게 절연될 수 있다.
도 5를 참조하면, 대표 막 분리기 (108)는 도시된다. 상기 막 분리기 (108)는 상기 촉매 변환장치 (206)로부터 수용된 배기 가스로부터 투과물 (210) (CO2 및 H2O)을 분리시키기 위한 막 (502)를 포함한다. 몇몇 구현 예에 있어서, 상기 막 (502)은 중공 섬유 구조를 가질 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 상기 막 (502)은 안정한 지지체 (예를 들어, 세라믹 중공 섬유 등)상에 코팅된 선택성 막 층 (도시되지 않음)을 포함한다. 다른 구현 예에 있어서, 상기 막 (502)은 관상 구조 (tubular configuration)를 가질 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 상기 선택성 막 층은 다공성 관상 지지체 (예를 들어, 다공성 알루미나 튜브, 세라믹 튜브, 다공성 금속 튜브, 등) 상에 코팅된다. 선택적으로, 스위프 가스 (sweep gas) (도시되지 않음)는 투과물 (210)의 수집을 촉진하기 위해 막 분리기 (108)에 주입될 수 있다. 하기 표 1은 막 분리기 (108)에 사용될 수 있는 대표 막들을 나타낸다.
막 분리기 (108)에 대한 막들의 예
예 선택성 막 층 물질 지지체 층
1 실리카 알루미나/지르코니아 내부층을 갖는
세라믹 지지체
2 실리카 지르코니아 또는 알루미나 내부층을 갖는
다공성 금속성 지지체
3 코발트 내장된 실리카 다공성 금속성/세라믹 지지체
4 탄소 분자체 (CMS) 알루미나 지지체
5 Y-형 제올라이트 알루미나 지지체
6 (폴리이미드 또는 유사한 중합체의 탄화에 의해 제조된) 탄소계 알루미나 지지체
7 포제사이트 (FAU)-형 제올라이트
본 발명은, 첨부된 청구항에 의해 정의된 본 발명의 범주를 제한하려는 의도가 없이 단지 예시적인 설명을 위해 제공된, 하기 실시 예에 의해 예시된다.
실시 예 - 열 연구
연구는 (1) 상기 배기 가스로부터 방출된 열, (2) 상기 배기 가스의 온도, 및 (3) 상기 배출 조성물을 특징화하도록 수행된다. 부가하여, 배기 시스템 (예를 들어, 도면 1의 장치 (100))에 대한 열역학 계산은 수행된다. 연구에서 수행된 특정 역할은 하기 단계를 포함한다:
● 배기 가스 온도를 평가하는 단계,
● 800 내지 850 ℃에서 촉매 반응기를 작동하기 위해 배기 엔진 가스로부터 에너지의 이용가능성을 결정하는 단계,
● 배기 배출물의 조성을 결정하는 단계.
엔진 사이클, 전달된 동력 (즉, 도시평균유효압력 (indicated mean effective pressure) (IMEP)), 엔진 효율, 연료 소비, 추정된 배기 온도 및 배출물의 열역학 시뮬레이션은 가스-동력 엔진 시스템 시뮬레이션 플랫폼을 사용하여 수행된다. 구체적으로, 계산은 실험실 시험에 사용된 바와 같은 최신 단기통 스파크 점화엔진 (modern single cylinder spark ignition engine)에 기초한 입력 데이터로 가스-동역학 엔진 시스템 시뮬레이션 플랫폼을 사용하여 수행되고, 여기서 점화엔진은 주입 및 배기 기하학 및 포트 연료 주입 (Port Fuel Injection) (PFI)을 갖는다. 상기 모델은 이용가능한 실험적 데이터에 대하여 다른 연료 및 연소 조건에 대해 충분히 입증된다. 또한, 상기 엔진 주입 및 배기 기하학의 조건 및 가스 동역학은 실험실 엔진에 기초하고, 상기 실험실 엔진에서 열 이동은 통상적인 기본 값 (default value)에 기초한다. 시뮬레이션은 액체 부피에 의해 측정된 67% 이소-옥탄 및 33% 톨루엔의 혼합으로 수행되고, 이를 질량 분획으로 변환시킨 것이 62.2%/37.8% 이소-옥탄/톨루엔이다. 이러한 연료 혼합물은 종종 최신 가솔린의 재생가능한 대표로 실험실 시험에서 사용된다.
하기 표 2에 제공된 상기 시뮬레이션의 분석은 다음을 나타낸다:
● 평균 배기 온도는 기화된 가솔린의 사용으로 약 1152 K (879 ℃)로 나타나고, 여기서 최대 온도는 상기 배기 밸브 개방시에 달성된다. 그러나, 상기 밸브 및 상기 헤드 출구에서 평균 배기 온도는 각각 약 1188 K (915 ℃) 및 1152 K (879 ℃)이다.
● 가솔린에 대해 (1123K (850 ℃)의 최대 배기 온도를 갖는) 배기 가스로부터 이용가능한 엔탈피 (Enthalpy)는 약 1.559E+05 kJ/kmol이다.
● 상기 가솔린 시뮬레이션에 대하여, 얻어진 도시 엔진 효율은 40.1%이다.
내연기관 (ICE) 시스템에 대한 예측된 (시뮬레이트된) 엔진 성능, 배기 온도, 연료 소비, 및 배출물 (람다 (Lambda) =1, rpm=3000)

연료		 ICE에서 100 % 가솔린
(액체 부피에 의한 67% 이소-옥탄 33% 톨루엔 - 기화된, 62.2%/37.8 질량%)
LHV (fMJ/kg) 43.340
도시 동력 (Indicated power) (HP) 22.060
도시 동력 (kW) 16.225
도시평균유효압력 (bar) 11.630
도시 특정 연료 소비 (kg/kWh) 0.208
도시 엔진 효율 (%) 40.1
밸브에서 평균 배기 온도출구 (K) 1,185.0
출구에서 평균 배기 온도 (K) 1,151.9
최대 배기 온도 (K) 1,247.0
NOx (ppm) 3,575.0
NOx (g/kWh ind) 12.0
HC (ppm) 2,861.0
HC (g/kWh ind) 4.5
CO (ppm) 1,311.0
CO (g/kWh ind) 4.1
HC 및 CO에서 총 C (g 탄소 / kWh ind) - 대략 5.865
연료 진입 엔진에서 C의 질량 분획 0.862
연료 진입 엔진에서 총 C (g 탄소 / kWh ind) 179.342
배기내의 CO2 (gCO2/kWh ind) - 모든 C가 CO2인 경우 657.586
배기 내의 CO2 (ppm CO2) - 모든 C가 CO2인 경우 133,937.0
배기 내의 CO2 (vol% CO2) - 모든 C가 CO2인 경우 13.39370
상기 표 2는 상기 배기 헤드 출구에서 평균 배기 온도가 대략 1152 K (879 ℃)로 추정되고, 차량으로부터 방출된 배기 가스가 대략 520 내지 580 ℃의 온도를 갖는 것을 보여준다. 따라서, 상기 배기 시스템을 통해 이동하는 상기 배기 가스에 의한 열 손실은 약 300 내지 360 ℃이다.
하기 표 3은 변화하는 공기 흐름의 영향하에서 연소의 결과로서 통상적 가솔린 연료로부터 유리된 열 (kJ/kg)을 나타낸다. 하기 표 4는 연료가 과량의 공기 조건 하에서 연소된 경우 몰 분획으로 나타낸 가스의 조성을 나타낸다.
연료 혼합물로부터 유리된 열, 연소 공기의 다른 값에 대한 kJ/kg
100 % C8H18 과량의 공기 요인
(γ)
39583.33 0.9
47947.06 1
47837.57 1.5
희박 연료 연소에 대한 생산물 몰 분획 (과량의 공기)
연료에서 H2 퍼센트 XCO2 XH2O XN2 XO2
0 0.08533334 0.096 0.752 0.06666667
배기 가스로부터 에너지 이용가능성
차량 엔진의 폐열로부터의 에너지 회수의 예로서, 다음은 청정 전력 기술 (Clean Power Technologies)에 의해 수행된 시험의 결과이다:
● 1400 rpm에서 운전하고 405 bhp를 생산하는 디젤 엔진으로, 상기 배기 가스 온도는 549 ℃이다.
● 0.46 Kg/s의 질량 유량 (mass flow rate)에서, 상기 배기 가스는 268 kJ/s의 에너지값을 갖는다.
● 열교환기는 상기 배기가스로부터 250 ℃를 회수할 수 있고, 이것은 상기 에너지의 45%이다 (즉, 대략 121 kJ/s).
● 상기 시스템은 그 다음 대략 열 회수에 대해 16%의 에너지 효율을 제공하는, 19 KW 출력을 갖는 기계 동력 (mechanical power)으로 회수된 열 에너지를 변환할 수 있다.
● 상기 회수된 에너지는 차량 엔진 운전 동력의 약 5-10%를 회수하는 것과 대등하다.
촉매 변환장치 에너지 회수
조사를 통해 차량의 촉매 변환장치로부터 이용가능한 에너지가 또한 있다는 것을 보여준다. 구체적으로, 촉매 변환장치에서 발생하는 화학반응은 -2.8266 x 106 kJ/kmol의 총 열을 방출한다.
(1) 상기 연료의 초기 연소에 의해 발생된 폐 에너지로부터 회수된 열 에너지 (즉, 대략 121 kJ/s) 및 (2) 상기 촉매 변환장치로부터 회수된 열 에너지 (즉, -2.8266 x 106 kJ/kmol) 모두는 상기 촉매 반응기에 제공된 반응물을 가열하는데 사용될 수 있고, 이에 의해 도 1-5와 관련하여 전술된 바와 같이 H2O 및 CO2를 탄화수소 연료로의 변환을 촉진한다.
본 명세서에 사용된 바와 같은, 용어들의 "단수" 또는 "복수"는 특별히 구분없이 사용하며, 비록 "단수"일지라도, 특별한 언급이 없는 한, 적어도 하나 또는 하나 이상을 의미한다. 선택적 또는 선택적으로는 실질적으로 기재된 사건 또는 상황이 발생할 수 있거나 또는 발생할 수 없는 것을 의미한다. 상기 기재는 사건 또는 상황이 발생하는 예 및 발생하지 않는 예를 포함한다. 범위는 약 하나의 특정 값 및/또는 약 또 다른 특정 값으로 본 명세서에 표현될 수 있다. 이러한 범위가 표현된 경우, 또 다른 구현 예는 상기 범위 내에 모든 조합에 따라, 하나의 특정 값으로부터 및/또는 다른 특정 값까지인 것으로 이해될 것이다.
본 발명이 이의 특정 구현 예와 연관하여 기재되는 반면, 많은 대안, 변형 및 변경은 전술된 기재의 관점에서 기술분야의 당업자에게 자명한 것이 명확하다. 따라서, 모든 이러한 대안, 변형, 및 변경은 첨부된 청구항의 사상 및 광범위한 범주 내에 속하는 것으로 의도된다. 본 발명은 개시된 요소를 적절하게 포함하거나, 이루어지거나 또는 필수적으로 이루어질 수 있고, 개시되지 않은 요소의 부재하에서 실행될 수 있다.
특허들 또는 공개공보들이 참고되는 본 출원을 통하여, 이들 참조 문헌의 전체적인 내용은, 이들 문헌이 본 명세서에서 만들어진 진술과 모순인 경우를 제외하고는, 본 발명이 속하는 기술 분야의 상태를 좀더 완벽히 설명하기 위해, 본 출원의 참조로서 혼입되는 것으로 의도된다.
100: 장치 102A: 열교환기
102B: 촉매 반응기 104: 촉매 변환장치
106: 코일-형 열교환기 108: 막 분리기
110: 배기

Claims (16)

  1. 차량의 추진력을 공급하는 연소 엔진의 배기 가스로부터 열 에너지를 얻도록 작동가능한 열교환기 (102A);
    상기 배기 가스로부터 물 및 이산화탄소를 분리하도록 작동가능한 막 분리기 (108); 및
    상기 열교환기 (102A)의 몸체에 함유된 촉매 반응기 (102B)를 포함하며, 상기 촉매 반응기 (102B)는:
    상기 막 분리기 (108)로부터 물 및 이산화탄소를 수용하고;
    나노 촉매에 의해 촉진되며, 탄화수소 연료를 생산하는 물 및 이산화탄소의 반응을 함유하며;
    상기 물 및 이산화탄소의 반응을 활성화하기 위해 상기 열교환기 (102A)로부터 열 에너지를 사용하도록 작동가능한 온-보드, 촉매 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 촉매는 루테늄, 망간, 및 니켈 중 적어도 하나를 포함하는 다중금속성 나노 촉매인 온-보드, 촉매장치.
  3. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노 촉매는 2 내지 3 퍼센트 루테늄, 20 내지 30 퍼센트 니켈, 및 15 내지 20 퍼센트 망간인 온-보드, 촉매장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 나노 촉매는 2 퍼센트 루테늄, 20 퍼센트 니켈, 및 15 퍼센트 망간인 온-보드, 촉매 장치.
  5. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 막 분리기(108)는:
    실리카-계 막 층, 탄소-계 막 층, 또는 제올라이트 막 층인 선택성 막 층; 및
    세라믹 지지체, 금속성 지지체, 또는 알루미나 지지체인 지지체 층을 포함하는, 온-보드, 촉매 장치.
  6. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매 반응기 (102B)는 열 에너지가 상기 나노 촉매를 보유하는 촉매 반응기 (102B)의 일부로 향하도록 상기 열교환기 (102A)에 의해 둘러싸인, 온-보드 촉매 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 촉매 반응기 (102B)는 상기 열교환기 (102A)로부터 열 에너지를 수용하기 위한 증가된 표면적을 제공하며, 상기 나노 촉매를 보유하기 위한 다중 튜브를 포함하는, 온-보드 촉매 장치.
  8. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄화수소 연료는 에탄올 및 프로핀을 포함하는, 온-보드 촉매장치.
  9. 차량의 추진력을 공급하는 연소 엔진의 배기 가스로부터 열 에너지를 얻는 단계;
    상기 배기 가스로부터 물 및 이산화탄소를 분리시키는 단계;
    상기 배기 가스로부터 얻은 열 에너지에 의해 활성화되고, 나노 촉매에 의해 촉진되는 반응을 수행하여 물 및 이산화탄소를 탄화수소 연료로 변환하는 단계; 및
    상기 탄화수소 연료를 연소를 위해 연소 엔진으로 공급하는 단계를 포함하는 탄화수소 연료로 온-보드 이산화탄소 변환 공정.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 나노 촉매는 루테늄, 망간, 및 니켈 중 적어도 하나를 포함하는 다중금속성 나노 촉매인, 탄화수소 연료로 온-보드 이산화탄소 변환 공정.
  11. 청구항 9-10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노 촉매는 2 내지 3 퍼센트 루테늄, 20 내지 30 퍼센트 니켈, 및 15 내지 20 퍼센트 망간인, 탄화수소 연료로 온-보드 이산화탄소 변환 공정.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 나노 촉매는 2 퍼센트 루테늄, 20 퍼센트 니켈, 및 15 퍼센트 망간인, 탄화수소 연료로 온-보드 이산화탄소 변환 공정.
  13. 청구항 9-12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 가스로부터 물 및 이산화탄소를 분리하기 전에 200 내지 300 ℃로 상기 배기 가스를 냉각시키는 단계를 더욱 포함하는 탄화수소 연료로 온-보드 이산화탄소 변환 공정.
  14. 청구한 9-13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공정은 이산화탄소를 생산하기 위해 상기 배기 가스에서 일산화탄소를 산화시키는 단계를 더욱 포함하는 탄화수소 연료로 온-보드 이산화탄소 변환 공정.
  15. 청구항 9-14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄화수소 연료는 에탄올 및 프로핀을 포함하는 탄화수소 연료로 온-보드 이산화탄소 변환 공정.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 반응은 5CO2 + 5H2O → C2H5OH + H3C-C=CH + 7 O2이고, 여기서 CO2는 이산화탄소이고, H2O는 물이며, C2H5OH는 에탄올이고, H3C-C=CH은 프로핀이며, O2는 산소인, 탄화수소 연료로 온-보드 이산화탄소 변환 공정.
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