[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

KR20070001839A - 수소 연료 공급 시스템 - Google Patents

수소 연료 공급 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20070001839A
KR20070001839A KR1020060059323A KR20060059323A KR20070001839A KR 20070001839 A KR20070001839 A KR 20070001839A KR 1020060059323 A KR1020060059323 A KR 1020060059323A KR 20060059323 A KR20060059323 A KR 20060059323A KR 20070001839 A KR20070001839 A KR 20070001839A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hydrogen
fuel supply
supply system
hydrogen fuel
methanol
Prior art date
Application number
KR1020060059323A
Other languages
English (en)
Inventor
수양 왕
Original Assignee
수양 왕
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 수양 왕 filed Critical 수양 왕
Publication of KR20070001839A publication Critical patent/KR20070001839A/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/323—Catalytic reaction of gaseous or liquid organic compounds other than hydrocarbons with gasifying agents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/087—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
    • B01J19/088—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/26—Nozzle-type reactors, i.e. the distribution of the initial reactants within the reactor is effected by their introduction or injection through nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J4/00—Feed or outlet devices; Feed or outlet control devices
    • B01J4/001—Feed or outlet devices as such, e.g. feeding tubes
    • B01J4/002—Nozzle-type elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/0278—Feeding reactive fluids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/22—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds
    • C01B3/24—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds of hydrocarbons
    • C01B3/26—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds of hydrocarbons using catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/501—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/10—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture adding acetylene, non-waterborne hydrogen, non-airborne oxygen, or ozone
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00074—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids
    • B01J2219/00119—Heat exchange inside a feeding nozzle or nozzle reactor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0873—Materials to be treated
    • B01J2219/0881—Two or more materials
    • B01J2219/0883—Gas-gas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0873—Materials to be treated
    • B01J2219/0892—Materials to be treated involving catalytically active material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0894—Processes carried out in the presence of a plasma
    • B01J2219/0898—Hot plasma
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0233—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0244—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being an autothermal reforming step, e.g. secondary reforming processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/025—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a partial oxidation step
    • C01B2203/0261—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a partial oxidation step containing a catalytic partial oxidation step [CPO]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0405—Purification by membrane separation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C01B2203/0475—Composition of the impurity the impurity being carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0861—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by plasma
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C01B2203/1047—Group VIII metal catalysts
    • C01B2203/1052—Nickel or cobalt catalysts
    • C01B2203/1058—Nickel catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1217—Alcohols
    • C01B2203/1223—Methanol
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/14—Details of the flowsheet
    • C01B2203/142—At least two reforming, decomposition or partial oxidation steps in series
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/16—Controlling the process
    • C01B2203/169—Controlling the feed
    • 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
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P30/00—Technologies relating to oil refining and petrochemical industry

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

메탄올 수용액 입자 발생기, 스파크-플라즈마 히터, 촉매 반응기, 수소 분리 장치, 수증 냉각기, 수소 압축기, 수소 주입 시스템 등을 포함하는 수소 연료 공급 장치를 제공한다. 메탄올과 물을 적절히 혼합하여 메탄올 수용액을 형성하고, 메탄올 수용액 입자 발생기로 진동시켜 마이크로 내지 나노 사이즈의 수성 메탄올 입자를 형성하고, 상기 마이크로 내지 나노 사이즈의 입자를 스파크-플라즈마 히터로 고온에서 가열하고, 이후 촉매 반응기를 통해 수소, 이산화탄소 및 질소의 기체 혼합물을 형성한다. 이후 상기 수소는 수소 분리 장치에 의해 분리된다. 최종적으로, 상기 수소는 수증 냉각기에 의해 냉각되고 이후 수소 압축기에 의해 압축된다. 생성되는 수소는 수소 주입 시스템을 통하여 수소 내연 엔진 또는 수소 전력 발전기로 공급될 수 있다.

Description

수소 연료 공급 시스템{Hydrogen fuel supply system}
도 1은 본 발명의 기능을 나타내는 블럭도이다.
도 2는 메탄올 수용액의 마이크로-입자 발생기의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 메탄올 수용액의 마이크로-입자 발생기 내의 압전 트랜스듀서와 그것의 장착 각도 간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4a는 메탄올 수용액의 마이크로-입자 발생기 내의 진동기의 제1 작동예를 나타내는 도면이다.
도 4b는 메탄올 수용액의 마이크로-입자 발생기 내의 진동기의 제2 작동예를 나타내는 도면이다.
도 4c는 메탄올 수용액의 마이크로-입자 발생기 내의 진동기의 제3 작동예를 나타내는 도면이다.
도 5는 촉매 반응기의 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 수소 분리 장치의 구조를 나타내는 도면이다.
도 7은 수증 냉각기의 구조를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 조합에 따른 시스템 및 하이브리드 트랜스미션 시스템(hybrid trasmission system)을 나타내는 도면이다.
본 발명은 수소 연료 공급 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 메탄올 수용액 입자 발생기, 스파크-플라즈마(spark-plasma) 히터, 촉매 반응기, 수소 분리 장치, 수증 냉각기(hydro-evaporation cooler), 수소 압축기 및 수소 주입 시스템 등으로 이루어진 수소 연료 공급 시스템에 관한 것이다. 수소를 발생시키는 시스템의 부피를 크게 줄일 수 있고, 수소 발생 효율을 높일 수 있으며, 수소는 수소 내연 엔진(hydrogen internal-combustion engine) 또는 수소 전력 발전기에 공급되어 인간이 이용할 수 있다.
수소는 자연계에 풍부하게 존재하는 에너지원이라는 사실은 잘 알려져 있다. 그러나, 수소는 가장 가벼운 원소로서 저장하기가 어렵다. 따라서, 수소는 항상 액체 수소로서 압축 및 냉각된다. 수소를 저장하는 방법이 매우 복잡하기 때문에 수소를 얻는 비용 역시 매우 고가이다.
스팀(steam)으로 메탄올의 성질을 변화시킴으로써 수소를 얻는 방법이 있다. 반응은 화학식 1과 같다:
<화학식 1>
Figure 112006046705394-PAT00001
수년 동안 상기 반응식이 잘 알려져 있지만, 극복할 수 없는 몇 가지 기술이 있기 때문에 상기 반응은 수소 내연 엔진 또는 수소 전력 발전기와 같은 산업 설비에서는 이용될 수 없었다.
본 발명의 주요 목적은 수소 연료 공급 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 수소 연료 공급 시스템을 사용함으로써, 수성 메탄올(aqueous methanol)의 마이크로-입자의 전환으로부터 수소가 분리된다. 수소 냉각기, 압축기 및 주입기의 조합으로부터, 생성되는 수소가 수소 내연 엔진 또는 수소 전력 발전기에 신속히 공급될 수 있다.
본 발명의 두번째 목적은 메탄올 수용액 입자 발생기, 스파크-플라즈마 히터, 촉매 반응기, 수소 분리 장치, 수증 냉각기, 수소 압축기 및 수소 주입 시스템 등으로 이루어진 수소 연료 공급 시스템을 제공하는 것이다. 메탄올 수용액 입자 발생기를 사용하여 메탄올 수용액을 진동시켜 수성 메탄올의 마이크로-입자를 형성 시키고, 수성 메탄올의 마이크로-입자는 이후 고온 가열을 위하여 스파크-플라즈마 히터로 주입되며, 메탄올의 연소를 위해 필요한 소량의 공기 및 열이 촉매 반응기에 도입되어 수소, 이산화 탄소 및 질소의 기체 혼합물을 형성시킨다. 이후 수소가 수소 분리 장치를 통하여 분리되어 나온다. 그리고 나서, 수소는 수증 냉각기에 의해 냉각되고 이후 수소 압축기에 의해 압축된다. 생성되는 수소는 이후 용도에 따라 수소 내연 엔진 또는 수소 전력 발전기에 공급될 수 있다.
본 발명의 수소 연료 공급 시스템에 따르면, 메탄올 및 공기 내의 산소의 연소를 조절함으로써 반응기의 온도가 조절될 수 있으며, 이것이 본 발명의 또 다른 목적이다.
본 발명의 수소 연료 공급 시스템에 따르면, 스파크-플라즈마 히터를 사용함으로써 플라즈마 내의 이온, 전자, 라디칼의 기능이 반응 속도를 증가시키고, 이후 촉매의 수명을 증가시키며, 촉매의 가격을 낮추는데 사용될 수 있으며, 이것이 본 발명의 또 다른 목적이다.
본 발명의 수소 연료 공급 시스템에 따르면, 수소를 냉각시키는데 수증 냉각기를 사용함으로써 종래의 냉각기에 비해 냉각이 더욱 효과적이고 에너지 소비가 줄어들 수 있으며, 이것이 본 발명의 또 다른 목적이다.
결과적으로, 본 발명의 목적은 다음과 같은 기술적 수단에 의해 달성된다.
본 발명의 수소 연료 공급 시스템은 메탄올 수용액 입자 발생기, 스파크-플라즈마 히터, 촉매 반응기, 수소 분리 장치, 수증 냉각기, 수소 압축기, 수소 주입 시스템 등으로 이루어진다. 메탄올 용액과 물을 적절히 혼합하여 메탄올 수용액을 형성하고, 이후 초음파 진동기로 진동시키고, 메탄올 수용액 입자를 스파크-플라즈마 히터로 고온에서 가열하고, 이어서 촉매 반응기를 통해 반응시켜 수소, 이산화탄소 및 질소의 기체 혼합물을 형성시킨다. 생성되는 수소는 수소 주입 장치를 통해 수소 내연 엔진 또는 수소 전력 발전기로 공급될 수 있다. 본 발명의 수소 연료 공급 시스템에서 상기 촉매 반응기가 300~460 ℃, 50~300 마이크로초의 반응 조건에서 수행될 경우, 메탄올 수용액의 마이크로-입자는 56.3~65.1%의 수소, 20.7~23.7%의 이산화탄소 및 11.1~21.1%의 질소를 생성할 것이다.
본 발명의 목적은 또한 하기의 기술적 수단에 의해 달성될 수 있다:
상기 메탄올 수용액 입자 발생기는 고효율의 마이크로 주입기이며, 진동기를 사용함으로써 상기 메탄올 수용액은 높은 전기 진동수로써 마이크로 내지 나노 사이즈의 안개 입자로 전환될 수 있다.
상기 수성 메탄올의 마이크로-입자는 스파크 플러그의 전극 갭 사이에서 생성된 방전에 의해 형성된 플라즈마 영역에 주입되고, 이후 플라즈마 충돌 및 부분적 산화에 의한 가열이 수행되어 반응이 일어나게 된다.
상기 스파크 플러그의 애노드(anode) 및 외부 캐소드(cathode) 사이의 갭은 전기적 전류 스트림을 발생시키고 이후 전자를 배출시키며, 이후 고온의 기체가 이온화되어 재구성 반응을 가속시킬 수 있다.
상기 메탄올 수용액의 마이크로-입자는 그것이 촉매와 반응하기 전에 스파크-플라즈마 히터에 의해 가열되어 예비-반응(pre-reaction)이 진행된다.
상기 메탄올 수용액의 마이크로-입자는 스파크-플라즈마 히터에 의해 가열된 후 촉매 반응기로 도입되어 수소, 이산화탄소 및 질소로 이루어진 기체 혼합물로 전환된다. 이 과정에서는 300~460 ℃의 작동 온도에서 라디칼로서 Ni 촉매를 사용한다.
상기 촉매 반응기가 300~460 ℃, 50~300 마이크로초의 반응 조건에서 수행될 경우, 상기 메탄올 수용액의 마이크로-입자는 56.3~65.1%의 수소, 20.7~23.7%의 이산화탄소 및 11.1~21.1%의 질소를 생성할 것이다.
상기 수소 분리 장치는 질소 및 이산화탄소의 밀도가 수소의 밀도의 13.9배를 초과하면 수소가 질소 및 이산화탄소 위에 부유하기 쉽다는 기능을 이용하여 수행된다. 또한, 세라믹으로 제조된 수소 투과 막이 수소의 순수한 분리를 위해 공급된다.
상기 방법은 메탄올과 물의 혼합 비율, 가열 및 수소 분리를 조절할 수 있는 프로그램가능 로직 조절기(programmable logic controller)를 사용할 수 있으며, 하기 화학식 2의 반응을 수행할 수 있다:
<화학식 2>
Figure 112006046705394-PAT00002
또한, 온도 센서, 수증 냉각기, 수소 압축기, 공기 유속 검사기(air flow rate detector), 엔진 rpm 검사기 및 수소 주입기의 작동을 조절함으로써 수소의 역화(backfiring) 및 예비-점화(pre-ignition)을 방지할 수 있다. 또한 수소 내연 엔진 및 수소 전력 발전기의 효율을 최적화할 수 있고, NOx의 방출량을 줄일 수 있다.
적절한 온도에서의 수소 생성의 최적 조건을 조절하기 위하여 상기 메탄올 수용액 내의 상기 메탄올의 부피비는 57.1~75.5%로 조절된다.
상기 시스템은 또한 잔여 반응수의 저장을 위하여 물탱크를 포함할 수 있다.
상기 시스템은 또한 발생되는 스팀 및 전원으로 작동하기 위한 수소 내연 엔진 또는 수소 전력 발전기를 포함할 수 있다.
상기 시스템은 또한 스파크 점화 및 전기 기구에 필요한 전력을 공급하기 위하여 전원 공급기를 포함할 수 있다.
상기 시스템은 또한 메탄올 수용액이 마이크로 내지 나노 사이즈의 안개 입자가 될 수 있도록 고진동수의 바이브레이션 에너지를 발생시키기 위한 진동기 및 압전 트랜스듀서의 기능을 갖는 칩을 포함할 수 있다.
상기 시스템의 진동기의 기능 및 압전 트랜스듀서의 기능을 갖는 상기 칩의 장착 각도는 스파크 플라즈마 히터의 해당 위치에 따라 달라질 수 있으며, 그 각도는 6 내지 45°사이에서 변화된다.
상기 시스템은 또한 부분적 산화 반응에 필요한 산소를 공급하기 위한 팬 세트를 포함할 수 있다.
상기 시스템은 또한 산화 반응에 필요한 공기의 몰 비율을 25.3~44.2%의 범위에서 정밀하게 조절하기 위한 기체 주입 조절기를 포함할 수 있다.
상기 시스템은 또한 다른 지형에서 일반적으로 작동할 수 있도록 조절하기 위한 물 컬럼 스토퍼(water column stopper)를 포함할 수 있다.
상기 시스템은 또한 상기 시스템을 시동 및 종료시키는 전력을 저장하기 위한 배터리 세트를 포함할 수 있다.
상기 시스템은 또한 스파크의 연속적인 점화를 조절하기 위한 점화 시스템을 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 특성 및 다른 특성 및 이점들은 첨부 도면에서 설명되는 하기 구현예의 상세한 설명을 통하여 더욱 완전하게 이해될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수소 연료 공급 시스템은 물탱크(01), 메탄올 탱크(02), 메탄올 수용액의 마이크로-입자 발생기(03), 스파크-플라즈마 히터(04), 촉매 반응기(05), 스파크 점화 시스템(06), 수소 분리 장치(07), 제1 수증 냉각기(08), 수소 압축기(09), 제2 수증 냉각기(010) 및 프로그램가능 로직 제어기(011)로 이루어진다. 메탄올과 물을 적절히 혼합하여 메탄올 수용액을 형성한 후, 초음파 진동기로 진동시키고, 메탄올 수용액 입자를 스파크-플라즈마 히터로 고온에서 가열하고, 이후 촉매 반응기를 통하여 반응시켜 수소, 이산화탄소 및 질소의 기체 혼합물을 형성시킨다. 생성되는 수소는 수소 주입 시스템에 의해 수소 내연 엔진 또는 수소 전력 발전기로 공급될 수 있다. 상기 수소 연료 공급 시스템에서, 상기 촉매 반응기가 300~460 ℃, 50~300 마이크로초의 반응 조건에서 수행될 경우, 상기 메탄올 수용액의 마이크로-입자는 56.3~65.1%의 수소, 20.7~23.7%의 이산화탄소 및 11.1~21.1%의 질소를 생성할 것이다.
상기 기술된 반응은 메탄올 스팀의 자동-온도 재합성 반응이다: 이는 하기 반응(1), 즉 메탄올 스팀 재형성 반응, 및 반응 (2), 즉 메탄올의 부분적 산화반응으로부터 합성된다. 이러한 화학식은 1980년 말에 Johnson-Matthey에 의해 제공되었다.
메탄올 스팀 재형성 반응
CH3OH + H20 -> 3H2 + CO2 (1)
메탄올의 부분적 산화반응
CH3OH + 1/2O2 -> 2H2 + CO2 (2)
이후 본 발명의 반응은 (1) + (2)가 된다.
4CH3OH + 3H2O + 1/2O2 -> 4CO2 + 11H2 (3)
본 발명의 바람직한 구현예의 상세한 설명은 다음과 같다:
물탱크(01) 내의 물과 탱크(02) 내의 메탄올은 프로그램가능 로직 제어기(011)에 의해 제어되어 적절한 부피비를 갖는 메탄올 수용액을 형성하며, 이후 상기 수용액은 메탄올 수용액의 마이크로-입자 발생기(03)로 유도되며, 상기 메탄올 수용액의 마이크로-입자 발생기(03)는 도 2에 도시된 바와 같이 마이크로-입자 주입기로서, 압전 칩으로 형성된 복수의 진동기(031, 032, 033)가 상기 주입기 내부에 장착되어 있다. 진동기 회선 제어기(034)를 사용하여 전류 펄스가 생성되고 24~48V의 전압으로 500~250Hz의 진동수를 상기 진동기에 신호를 보내며, 이후 메탄올 수용액이 반응하여 메탄올 수용액의 마이크로-입자를 형성한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 메탄올 수용액의 마이크로-입자 발생기(03) 내에는 적당한 높이 위치에 액체-수준 제어기(035)가 있어, 메탄올 수용액이 고정된 높이 수준으로 유지될 수 있다. 진동기(031, 032, 033)의 각 2개 사이에는 수직 용액 컬럼 스토퍼(036)가 장착되어, 상기 진동기(031, 032, 033)의 각 2개 위에 메탄올 수용액의 정해진 양이 유지되도록 한다. 메탄올 수용액의 마이크로-입자 발생기가 기울어지는 경우, 메탄올 수용액의 마이크로-입자의 발생은 방해되지 않을 것이다. 한편, 진동기(031, 032, 033)의 각 2개의 상부 말단에는 마이크로-입자를 위한 복수의 통로 구멍(037)이 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 진동기(031, 032, 033)는 재료 입자 주입 방향 및 스파크-플라즈마 히터(04)의 위치를 감안하여 기울어진 각도 A로 메탄올 수용액의 마이크로-입자 발생기(03) 내에 기울어지게 장착되며, 상기 기울어진 각도는 6° 내지 50°로 조절될 수 있다.
메탄올 수용액의 마이크로-입자 발생기(03)의 기능을 설명하면 하기와 같다: 도 2에 도시된 바와 같이, 진동기(031)가 고속으로 표면을 진동시킬 때, 메탄올 수용액(300)의 관성으로 인해, 진동수를 맞출 수 없어, 전기가 진동기(031)에 도입되면 상기 메탄올 수용액 컬럼(301)이 진동기(031)(도 4a에 도시됨) 상에 발생하고, 진동기(031)의 진폭(amplitude)이 음이면 메탄올 수용액이 상기 유동을 맞출 수 없으므로, 순간적인 진공(302)이 발생하고(도 4b에 도시됨) 이후 기포가 발생한다. 진동기(031)의 진폭이 양이면 상기 기포는 메탄올 수용액 컬럼(301)의 끝단으로 밀려서 매우 작은 입자(303)(도 4c에 도시됨)로 부서진다.
진동기(031)의 진동 이후, 메탄올 수용액의 입자는 작아지고, 그것의 부피는 커지며, 화학 반응의 접촉 영역 또한 커질 것이고, 가장 이상적인 조건은: 입자가 기체만큼 작아진다면 1몰의 H2O에 대하여 18cc의 부피이다. 이후 그 부피는 22.4 리터가 되고, 생성되는 공기압은 주위보다 커질 것이며, 따라서 메탄올 수용액(303)의 입자는 압력차에 의해 바깥 쪽으로 밀릴 것이고, 공기 유동이 메탄올 수용액의 마이크로-입자 발생기(03) 내부로 흘러들어갈 것이며, 한편 수용액 컬럼(301)은 수직 용액 컬럼 스토퍼(036) 또는 용액 락킹 저지판(solution rocking preventing plate)(038)에 의해 막히고 다음 진동을 위하여 용액 표면으로 다시 들어갈 것이다.
Insitece Laser Refraction Particle Diameter Analyst로 측정되고 기하학적 평균 계산 방법, 표면적 계산 방법 및 수학적 평균치 계산 방법에 의해 계산된 메탄올 수용액 입자의 평균 직경은 3㎛보다 작다.
메탄올 수용액의 마이크로-입자 발생기(03)는 메탄올 수용액이 진동기(031, 032, 033)의 각 2개 위 30~45mm 위치에 존재하도록 조절하기 위한 액체 수준 제어기(035)를 포함하며, 액체 수준이 매우 낮으면, 프로그램가능 로직 제어기(012)의 작동에 의하여 메탄올 탱크(02) 내의 메탄올 및 물탱크(01) 내의 물이 메탄올 수용액의 마이크로-입자 발생기(03)로 유도될 것이며, 탱크(02) 내에 메탄올이 없으면 메탄올 수용액의 마이크로-입자 발생기(03)는 과열되는 것을 방지하기 위하여 전원이 꺼질 것이다.
메탄올 수용액 입자의 형성 후, 메탄올 수용액 입자는 스파크 플라즈마 히터(04)로 유도된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 스파크 플라즈마 히터(04)의 한쪽 말단에는 기체 주입 제어기(042)를 구비한 공기 주입구(041)가 장착되고, 또한 공기를 상기 스파크 플라즈마 히터(04) 내부로 유도하는 것을 제어하기 위한 팬 세트(043)가 장착되어 있다. 상기 공기 주입구(041)는 또한 메탄올 수용액 입자로 유도하는데 사용될 수도 있다. 상기 스파크 플라즈마 히터(04)의 다른 쪽 말단에는 스파크 플러그(044)가 장착되어 있다. 스파크 플라즈마 히터(04)의 내부 벽에는 스파크 플러그 외부 연결 캐소드(045)가 장착되어 있다. 상기 스파크 플라즈마 히터(04) 내부에는 스파크 플러그(044)의 전극 갭 간의 방전이 플라즈마 영역을 형성한다. 상기 스파크 플러그(044)는 많은 용도를 갖는 스파크 플러그일 수 있다. 애노드 및 캐소드 간의 갭이 크게 조절되면, 상기 플라즈마 에너지는 향상될 것이다.
또한, 상기 스파크 플라즈마(04)의 내벽은 Si3N4층 또는 BN층으로 코팅될 것이다.
상기 스파크-플라즈마 히터(04)를 사용함으로써, 메탄올 수용액 입자 및 적당한 양의 공기가 발생되는 스파크에 의해 가열된다. 상기 스파크-플라즈마 히터(04)는 화학식 2의 화학 반응에 의해 연속적인 스파크의 점화를 제어할 수 있으며, 촉매 스팀 반응기(05)에 충분한 온도를 제공하고, 이후 온도가 동시에 400℃까지 올라갈 것이며, 상기 플라즈마는 메탄올 수용액 입자 혼합물의 유동 기체를 점 화시킬 것이다. 따라서 메탄올 스팀이 화학식 1의 반응으로 수소가 가득찬 기체로 변환되는 경우, 수소의 전환은 유동하는 메탄올 수용액 입자의 혼합 이후에 가속될 것이다. 따라서, 상기 스파크-플라즈마 히터(04)는 온도를 올리는 기능 및 활성 메탄올을 수소로 가득한 기체로 전환하는 것을 촉진하는 기능을 갖는다. 또한, 메탄올 스팀 혼합물이 촉매와 반응하기 전에, 유사한 플라즈마 방전에 의하여 메탄올이 예비-반응을 수행할 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 스파크-플라즈마 히터(04)로 가열된 메탄올 수용액 입자는 반응을 위하여 촉매 반응기(05)로 유도된다. 상기 촉매 반응기(05)는 복수의 금속 벌집 구조 또는 세라믹 벌집 구조(052)를 구비한 반응관(051)이다. 상기 반응관(051) 외부에는 고온 절연 물질(053)이 감싸져 있고, 촉매 반응기(05)는 상기 스파크-플라즈마 히터(04)와 동일한 치수를 가지며, 그것의 내벽은 Si3N4층 또는 BW층으로 코팅되어 있다. 한편 상기 벌집 구조(052)는 Ni계 촉매로 코팅되어 있다. 기본 물질로서 니켈을 함유한 상기 Ni계 촉매는 상기 벌집 구조(052) 상에 코팅되어 있다. 이러한 구조를 통해, 메탄올 수용액 입자가 촉매 반응기(05)로 유도되어 상기 촉매와 반응할 경우, 반응은 300~460℃에서 수행되며, H2, CO2, 및 N2로 이루어진 혼합 기체가 얻어진다.
이러한 촉매 반응기(05)는 정해진 온도 및 접촉 시간 범위에서 작동한다. 상기 촉매 반응기가 300℃ 미만의 온도에서 작동하면, 필요한 반응시간은 300 마이크로초이며, 반응 시간이 50 마이크로초보다 짧으려면 반응 온도는 375℃ 이상이어 야 한다.
300~460 ℃, 50~300 마이크로초의 반응 조건 하에서 메탄올 수용액 입자의 반응은 56.3~65.1%의 수소, 20.7~23.7%의 이산화탄소 및 11.1~21.1%의 질소를 발생시킬 것이다.
메탄올 수용액 입자가 상기 촉매 반응기(05)를 거친 후, 수소가 가득찬 기체 혼합물(H2, CO2, N2)은 이후 수소 분리 장치(07)로 들어간다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 수소 분리 장치(07)는 전도성 파이프(071)이며, 상기 전도성 파이프(071) 내부에는 수소 투과성 막(072)이 장착되어 있다. 질소의 밀도가 수소보다 13.9배 크고, 이산화탄소의 밀도가 수소보다 21.9배 크기 때문에, 상기 기체 혼합물이 통로(073)를 통해 수소 분리 장치(07)로 들어갈 경우 수소가 상부에 뜨고, 분리 보드(074)의 작용으로 수소가 질소 및 이산화탄소로부터 분리되고 최종적으로 상기 수소 투과성 막(072)에 의해 여과되어 얻어진 수소는 수소 출구(075)를 통해 외부로 유출된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제1 수증 냉각기(08) 및 제2 수증 냉각기(010)는 동일한 구조를 가진다. 수소가 상기 수소 출구(075)로부터 유출된 후 수소는 상기 제1 수증 냉각기(08)로 들어가서 냉각되며, 이후 수소 압축기(09)에 의해 압축되고, 이후 제2 수증 냉각기(010)에 의해 다시 냉각된 다음, 수소 내연 엔진 또는 수소 전력 발전기로 주입되어 연료로서 사용된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제1 수증 냉각기(08) 및 상기 제2 수증 냉각 기(010)는 수소 또는 공기가 공기 발산 파이프(081)에서 흐를 경우, 수소 또는 공기의 열이 파이프(081)의 내벽으로 발산되고, 증발된 스팀을 포함하는 공기가 이후 케이싱(082)을 통해 흐르고, 원심분리기 팬(083)에 의해 냉각기 내에 흡수되고, 이후 공기 배기 파이프(084)에 의해 냉각기로부터 배기되고, 물은 이후 물펌프(085) 및 물 분배 통로(086)에 의해 배출되어 순환되며, 온도 저하 기능을 달성한다. 상기 증발된 물은 물탱크(01)에 의해 다시 채워진다.
본 발명의 시스템은 메탄올과 물의 혼합물을 제어하기 위한 프로그램가능 로직 제어기(011)를 포함함으로써 메탄올 수용액으로부터의 입자의 발생을 조절한다. 공기 주입, 플라즈마 충돌 가열 및 부분적 산화 가열의 제어, 수소 분리, 수소 냉각, 수소 압축, 내연 엔진 또는 수소 전력 발전기로의 수소 주입의 제어, 공기 주입의 제어, 내연 엔진 또는 전력 발생기의 수소 연소의 제어로서, 화학식 3의 반응을 달성하고:
<화학식 3>
4CH3OH + 3H2O + 1/2O2 -> 4CO2 + 11H2;
압력 센서, 온도 센서, 유출량 검사기, 액체 수준 제어기, 마이크로-밸브, 마이크로 팬 세트 등을 제어함으로써 최적의 조건을 이루도록 한다.
본 발명의 시스템은 또한, 플러크 점화 시스템(013) 상의 코일을 포함하여 수소 내연 엔진 또는 수소 전력 발전기에 높은 작동 효율을 제공한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 시스템은 또한 상기 에너지 발생 장치 를 감시하기 위한 하이브리드 트랜스미션 시스템(014)이 장착되어 있으므로, 크루즈(cruise) 및 일정 속도의 과잉 마력을 저장하고, 효율 저하 또는 수소 내연 엔진 및 수소 전력 발전기의 오염을 감소시키기 위해 초기 마력을 공급한다.
또한, 비탈을 올라가는데 필요한 큰 마력은 하이브리드 트랜스미션 시스템(014) 및 수소 내연 엔진 또는 수소 전력 발전기(012)로부터의 전력에 의해 충족되며, 이후 에너지 오염에 따른 폐기물이 감소된다.
상기 하이브리드 트랜스미션 시스템(014)은 Ford Company에서 제조된 모듈 방식의 하이브리드 트랜스미션 시스템일 수 있으며, 시판되는 다른 상업적 시스템도 가능하다.
수소 압축기로서는 Sun Mines Electrics Co.에서 제조된 다이어프램(diaphram) 압축기가 적당하다.
본 발명의 시스템은 차량 내부 에어콘(015)를 포함할 수 있으며, 상기 에어콘은 승객에게 냉방 효과를 제공해야 하고, 수소 내연 엔진 또는 수소 전력 발전기로의 공기의 온도를 감소시켜야 한다. 냉각된 공기는 밀도가 크고, 전력 발생기에 높은 질량 유속(mass-flow rate)을 제공하고, 전력 발생기 출력 및 효과를 향상시킨다. 한편 수소 주입기는 Quantum fuel system Inc.의 연료 주입기 또는 시판되는 일반적인 연료 주입기일 수 있다.
수소 내연 엔진 또는 수소 전력 발전기(012)는 수소에 적합하도록 점화 타이밍, 주입 타이밍 및 포지티브 크랭크케이스 환풍의 변형된 기능을 갖는 내연 엔진 또는 터빈일 수 있다.
촉매는 (NiO:16중량%, SiO2 < 0.1중량%, SO3 < 0.03중량%, Al2O3:잔여량)의 조성을 갖는 니켈계 촉매인 KATALCO 23-4시리즈, 또는 (NiO:18중량%, K2O:1.8중량%, SiO2 < 0.1중량%, Ca/Al2O3:잔여량)의 조성을 갖는 니켈계 촉매인 KATALCO 25-4시리즈일 수 있다. 상기 촉매 모두 Synetix Corp.에서 제조된다.
촉매 및 벌집 캐리어의 조성 방법은 다음과 같다: 분말 촉매 및 접착제를 혼합하여 젤을 형성하고, 이후 상기 젤을 세라믹 또는 Fe-Cr-Al 벌질 캐리어 상에 코팅한 후, 상기 벌집을 450℃에서 2시간 동안 가열한다.
상기 수소 투과성 막은 REB Research & Consulting Corporate, U.S.A; Argonne National Laboratory, U.S.A, 또는 National Energy Technology Laboratory, Elton Research, Inc.,에서 제조된 막, 또는 ITN Energy Systems, Inc.에서 개발된 수소 이동성 막일 수 있다. 상기 내연 엔진은 SANYANG Industry CO., LTD(ROC)에서 제조된 HT12F1 시리즈 125cc 스쿠터에 있는 4 스트로크 4 밸브 인젝션 엔진 제품 또는 Victory Industrial Corporation(ROC)에서 제조된 전기 제어 장치인 Alternator VDN11401001를 구비한 4 스트로크 연료 인젝션 엔진 제품일 수 있다.
본 발명의 시스템에 의하여, 하기의 결과가 얻어진다:
실시예
실시예 1
(A) 메탄올 수용액의 공급 속도: 70g/min.
(B) 공기 주입 속도: 24.4g/min.
(C) 물/메탄올의 몰비: 0.8
(D) 촉매 스팀 반응기의 온도: 480℃.
실험 결과: GC(Gas Chromatograph) 및 플로우트(Float) 방식의 유속 측정기에 의한 측정결과, 수소 64%, 이산화탄소 23% 및 질소 12%가 얻어진다. 수소의 생성 속도는 8g/min이다.
실시예 2
(A) 메탄올 수용액의 공급 속도: 140g/min.
(B) 공기 주입 속도: 52.6g/min.
(C) 물/메탄올의 몰비: 0.75
(D) 촉매 스팀 반응기의 온도: 440℃.
실험 결과: GC(Gas Chromatograph) 및 플로우트 방식의 유속 측정기에 의한 측정결과, 수소 64.5%, 이산화탄소 23.3% 및 질소 11.6%가 얻어진다. 수소의 생성 속도는 17g/min이다.
실시예 3
(A) 메탄올 수용액의 공급 속도: 200g/min.
(B) 공기 주입 속도: 132.3g/min.
(C) 물/메탄올의 몰비: 0.6
(D) 촉매 스팀 반응기의 온도: 330℃.
실험 결과: GC(Gas Chromatograph) 및 플로우트 방식의 유속 측정기에 의한 측정결과, 수소 59%, 이산화탄소 22.3% 및 질소 18.1%가 얻어진다. 수소의 생성 속도는 25g/min이다.
실시예 4
(A) 메탄올 수용액의 공급 속도: 440g/min.
(B) 공기 주입 속도: 228.6g/min.
(C) 물/메탄올의 몰비: 0.667
(D) 촉매 스팀 반응기의 온도: 330℃.
실험 결과: GC(Gas Chromatograph) 및 플로우트 방식의 유속 측정기에 의한 측정결과, 수소 62.1%, 이산화탄소 23.2% 및 질소 14.6%가 얻어진다. 수소의 생성 속도는 53.5g/min이다.
실시예 5
수소 연료 공급 시스템 + HN12F1 125cc 스쿠터의 4밸브 4스트로크 인젝션 엔진 + 교환기 VDN11401001 (12볼트 140암페어)
(A) 메탄올 수용액의 공급 속도: 25g/min.
(B) 공기 주입 속도: 8.57g/min.
(C) 물/메탄올의 몰비: 0.75
(D) 촉매 스팀 반응기의 온도: 293℃.
(E) 수소 다이어프램 압축기: 37.5 psi.
실험 결과: 측정된 전압은 12.2V, 전류는 142.7A 이다.
본 발명의 장치에서 메탄올과 스팀의 마이크로 내지 나노 사이즈의 입자가 초미립자를 형성하기 위해 혼합되어, 이후 스파크 플라즈마 히터로 직접 주입되어 가열된다. 상기 초미립자는 화학반응을 위한 접촉 영역을 수십배 증가시킬 수 있으며, 따라서 반응속도가 매우 빠르다. 가열 외에, 스파크 플라즈마의 에너지는 생성되는 이온, 전자, 중성자 및 라디칼을 전환시키는 기능을 갖는다. 따라서, 메탄올 및 물 분자의 재형성 반응이 촉진될 것이며, 상기 부분적 연소 및 촉매 반응기의 반응에 의하여 수소, 질소 및 이산화탄소의 기체 혼합물이 얻어진다. 이후, 수소는 수소 분리 장치에 의하여 분리되고 수증 냉각기에 의해 냉각되며, 수소 압축기에 의해 압축되고 최종적으로 수소 내연 엔진 또는 수소 전력 발전기에 공급된다. 수소의 발생 속도가 매우 빠르므로, 결과적으로 생성되는 수소는 모든 종류의 수소 내연 엔진 또는 수소 전력 발전기에 공급될 수 있다.
본 발명의 시스템에 따르면, 메탄올 수용액의 마이크로-입자 발생기(03)의 한쪽 말단에는 액체 수준 제어기(035)가 장착되어 있으며, 다른쪽 말단은 물탱크(01) 및 메탄올 탱크(02)에 연결되어 있다. 생성되는 메탄올 수용액 입자는 이후 촉매 반응기(05)로 들어가고, 이후 수소 분리 장치(07)에 의하여 분리된다. 상기 촉매 반응기(05)의 한쪽 말단에는 스파크 플러그가 장착되고 스파크 점화 시스템(06)에 연결되어 있으며, 팬 세트(043) 및 공기 주입구(041)가 상기 프로그램 가능한 로직 제어기(011), 배터리 세트(016) 및 전력 발생기(017)에 연결되어 있다. 그 부피는 매우 작아서 작은 공간을 차지하며, 쉽게 이용될 수 있다.
결론적으로, 본 발명의 수소 연료 공급 시스템은 다음과 같은 특징을 갖는 다: 본 발명의 수소 연료 공급 시스템은 메탄올 수용액 입자 발생기, 스파크-플라즈마 히터, 촉매 반응기, 수소 분리 장치, 수증 냉각기, 수소 압축기, 수소 주입 시스템 등을 포함한다. 메탄올 및 물을 적절히 혼합하여 메탄올 수용액을 형성하고, 메탄올 수용액 입자 발생기에 의해 진동시켜 마이크로 내지 나노 사이즈의 메탄올 수용액 입자를 형성하고, 상기 마이크로 내지 나노 사이즈의 입자를 스파크-플라즈마 히터로 고온에서 가열하고, 촉매 반응기를 통하여 수소, 이산화탄소 및 질소의 기체 혼합물을 형성한다. 최종적으로, 상기 수소는 수증 냉각기에 의해 냉각되고 이후 수소 압축기에 의해 압축된다. 생성되는 수소는 수소 주입 시스템에 의하여 수소 내연 엔진 또는 수소 전력 발전기로 공급될 수 있다.
본 발명을 수행하는 몇가지 예가 기술되었으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명을 수행하는 다른 방법 또는 구현예를 인식할 것이다. 따라서, 상기 기술된 구현예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 하기의 청구항의 범위 내에서 변형될 수 있다.

Claims (20)

  1. 물 보관용 물탱크;
    메탄올 용액 보관용 메탄올 탱크;
    물 및 메탄올의 혼합물로부터 메탄올 입자를 형성하기 위한 메탄올 수용액 입자 발생기;
    상기 발생된 메탄올 입자를 가열하기 위한 스파크 플라즈마 히터;
    상기 가열된 메탄올 입자를 반응시켜 수소, 이산화탄소 및 질소의 기체 혼합물을 형성하기 위한 촉매 반응기;
    상기 기체 혼합물로부터 수소를 분리하기 위한 수소 분리 장치;
    안전을 위하여 상기 분리된 수소의 온도를 하강시켜 수소의 활성을 저하시키기 위한 수소 냉각기;
    상기 분리된 수소의 압력을 강화시켜 질량 유속(mass-flow rate)을 더욱 증가시키기 위한 수소 압축기; 및
    상기 분리된 수소를 수소 엔진에 연료로서 주입하기 위한 주입 시스템
    을 포함하는 수소 연료 공급 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 메탄올 수용액 입자 발생기가 메탄올 수용액을 마이크로 내지 나노 사이즈의 안개로 변환시기 위해 진동기에 의해 고진동수의 전기 에너지를 생성시키는 마이크로 인젝터인 것을 특징으로 하는 수소 연료 공급 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 진동기가 압전 트랜스듀서로 이루어진 칩인 것을 특징으로 하는 수소 연료 공급 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 진동기 및 압전 트랜스듀서의 기능을 갖는 상기 칩의 장착 각도가 스파크 플라즈마 히터의 해당 위치에 따라 6°~ 45°에서 변화하는 것을 특징으로 하는 수소 연료 공급 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 메탄올 수용액 입자 발생기가 다른 지형 조건에서 작동할 수 있도록 조절하기 위한 물 컬럼 스토퍼를 장착한 것을 특징으로 하는 수소 연료 공급 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 적절한 온도에서 최적의 수소 생성 조건을 조절하기 위하여 상기 메탄올 수용액 내의 메탄올의 부피비가 57.1~75.5%로 조절되는 것을 특징으로 하는 수소 연료 공급 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 수성 메탄올의 마이크로-입자가 스파크 플러그의 전극 갭 사이에 생긴 방전으로 인해 형성된 플라즈마 영역에 주입되어, 이후 플라즈마 충돌 및 산소 연소에 의한 가열이 수행되고, 반응이 일어나서 고온 기체가 이온화를 일으키고, 재구성 반응이 촉진되는 것을 특징으로 하는 수소 연료 공급 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 촉매 반응기가 라디칼로서 Ni 촉매를 사용하여 300~460℃의 작동 온도에서 메탄올 수용액 입자를 수소 및 이산화탄소를 갖는 기체 혼합물로 전환시키는 것을 특징으로 하는 수소 연료 공급 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 촉매 반응기가 300~460℃, 50~300 마이크로초의 반응 조건에서 수행될 경우, 상기 메탄올 수용액의 마이크로-입자가 56.3~65.1%의 수소, 20.7~23.7%의 이산화탄소 및 11.1~21.1%의 질소를 생성하는 것을 특징으로 하는 수소 연료 공급 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 수소 분리 장치가 질소 및 이산화탄소의 밀도가 수소 농도의 13.9배를 초과하면 수소가 질소 및 이산화탄소 위에 부유하기 쉬운 기능을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 수소 연료 공급 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 전 과정을 제어하기 위한 제어 프로그램을 구비한 프로그램가능 로직 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료 공급 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 시스템이 스파크 점화 및 전기 기구에 필요한 전기를 공급하기 위한 전원 공급기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료 공급 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 시스템이 부분적 산화 반응에 필요한 산소를 공급하기 위한 마이크로 팬 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료 공급 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 시스템이 또한 부분적 산화 반응에 필요한 공기의 몰비를 25.3~44.2%로 정밀하게 조절하기 위한 기체 주입 조절기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료 공급 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 시스템이 또한 시동을 위한 전기를 저장하기 위한 배터리 패키지를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료 공급 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 상기 시스템이 또한 연속적인 점화를 위한 점화 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료 공급 시스템.
  17. 제1항에 있어서, 상기 시스템이 또한 수소를 냉각시키기 위한 수증 냉각기를 포함하는 것을 수소 연료 공급 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 수증 냉각기가 수소 또는 공기가 공기 발산 파이프에서 흐를 경우, 수소 및 공기의 열이 파이프의 내벽에 발산되고, 증발된 스팀을 포함하는 공기가 케이싱을 통과하여 흐르고 원심분리기 팬에 의해 냉각기 내로 흡수 되고 이후 공기 배기 파이프에 의해 냉각기로부터 배기되고, 이후 물이 물펌프 및 물분배 통로에 의해 배출되어 재순환되며, 이로써 온도 저하의 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 수소 연료 공급 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 상기 시스템이 또한 상기 냉각기에 의해 냉각된 후 수소를 압축하기 위한 수소 압축기를 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료 공급 시스템.
  20. 제1항에 있어서, 상기 시스템이 또한 높은 질량 유속을 위한 밀도 큰 공기를 얻어서 전력 발생기의 출력 및 효율을 증가시키기 위한 에어콘을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 연료 공급 시스템.
KR1020060059323A 2005-06-29 2006-06-29 수소 연료 공급 시스템 KR20070001839A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/168,541 2005-06-29
US11/168,541 US7637971B2 (en) 2005-06-29 2005-06-29 Hydrogen fuel supply system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20070001839A true KR20070001839A (ko) 2007-01-04

Family

ID=37192539

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020060059323A KR20070001839A (ko) 2005-06-29 2006-06-29 수소 연료 공급 시스템

Country Status (4)

Country Link
US (1) US7637971B2 (ko)
EP (1) EP1739057A3 (ko)
JP (1) JP2007009917A (ko)
KR (1) KR20070001839A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220005829A (ko) * 2020-07-07 2022-01-14 한국과학기술연구원 고효율 복합 소재를 구비한 초경량 수소 생산 반응기

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6803688B2 (en) * 2002-07-31 2004-10-12 General Electric Company Isolation of generator bearing housing from generator enclosure and methods therefor
JP5035500B2 (ja) * 2006-01-25 2012-09-26 日本ポリウレタン工業株式会社 着色樹脂粉末の製造方法
US20080131360A1 (en) * 2006-10-20 2008-06-05 Charles Terrel Adams Methods and systems of producing molecular hydrogen using a plasma system at various pressures
US8220440B2 (en) * 2006-10-20 2012-07-17 Tetros Innovations, Llc Methods and systems for producing fuel for an internal combustion engine using a low-temperature plasma system
CA2681376A1 (en) * 2006-10-20 2008-10-23 Tetros Innovations, L.L.C. Methods and systems of producing molecular hydrogen using a plasma system
US8211276B2 (en) * 2006-10-20 2012-07-03 Tetros Innovations, Llc Methods and systems of producing fuel for an internal combustion engine using a plasma system at various pressures
US7946258B2 (en) * 2006-10-20 2011-05-24 Tetros Innovations, Llc Method and apparatus to produce enriched hydrogen with a plasma system for an internal combustion engine
US20080138676A1 (en) * 2006-10-20 2008-06-12 Charles Terrel Adams Methods and systems of producing molecular hydrogen using a plasma system in combination with a membrane separation system
US20080131744A1 (en) * 2006-10-20 2008-06-05 Charles Terrel Adams Methods and systems of producing molecular hydrogen using a low-temperature plasma system
TW201016490A (en) * 2008-10-29 2010-05-01 Hsu-Yang Wang Hydrogen mixture gas supply device
JP2014503052A (ja) 2011-01-24 2014-02-06 ピー． ジェンキンス、ウォルター 燃料混合物を気化させる装置、システム、および方法
KR20150088299A (ko) 2012-11-20 2015-07-31 왈더슨 마이애미 엘엘씨 엔진 제동 메커니즘을 구비한 4행정 디젤 엔진에 의해 가동되는 차량으로부터 회수되는 운동 및/또는 위치 에너지로부터 수소를 포함하는 가스 연료를 생성하는 방법 및 이러한 방법의 구현에 유용한 시스템
BR112016024767A8 (pt) * 2014-04-23 2017-12-19 Fan Pinliang método para fazer um veículo de motor a gasolina funcionar à base de uma mistura de álcool e água como combustível, módulo de controle, veículo híbrido e método de conversão
CN112299371A (zh) * 2019-07-31 2021-02-02 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 一种供氢系统及供氢方法
CN111911321B (zh) * 2020-06-28 2024-05-14 深圳大学 一种气助甲醇发动机燃料供给系统及其供给方法
CN112682223B (zh) * 2021-01-21 2022-01-11 太原理工大学 一种基于发动机余热气化甲醇的燃醇系统
CN113702528B (zh) * 2021-08-27 2023-03-24 深圳市华科达检测有限公司 气相色谱仪
CN114483334B (zh) * 2022-01-25 2022-10-11 北京工业大学 一种废气再循环结合水直喷的副产氢内燃机及方法
CN117432555A (zh) * 2022-04-27 2024-01-23 河南海力特能源科技有限公司 一种发动机的再制造方法

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04240101A (ja) * 1991-01-19 1992-08-27 Iwatani Internatl Corp メタノールからの水素製造設備での二酸化炭素製造方法
US5409784A (en) 1993-07-09 1995-04-25 Massachusetts Institute Of Technology Plasmatron-fuel cell system for generating electricity
US5425332A (en) 1993-08-20 1995-06-20 Massachusetts Institute Of Technology Plasmatron-internal combustion engine system
JPH07315801A (ja) * 1994-05-23 1995-12-05 Ngk Insulators Ltd 高純度水素製造システム、高純度水素の製造方法及び燃料電池システム
US5887554A (en) 1996-01-19 1999-03-30 Cohn; Daniel R. Rapid response plasma fuel converter systems
FR2757499B1 (fr) 1996-12-24 2001-09-14 Etievant Claude Generateur d'hydrogene
JP2000351607A (ja) * 1999-06-09 2000-12-19 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 水素製造装置
BR0116999A (pt) 2001-04-27 2005-01-18 David Systems & Technology S L Método para a conversão de combustìveis de motor (mf) em gás sintético e conversor plasma catalìtico
US7014930B2 (en) * 2002-01-25 2006-03-21 Arvin Technologies, Inc. Apparatus and method for operating a fuel reformer to generate multiple reformate gases
JP2004116329A (ja) * 2002-09-25 2004-04-15 Hitachi Industries Co Ltd 往復圧縮機
US6702991B1 (en) 2002-11-12 2004-03-09 Arvin Technologies, Inc. Apparatus and method for reducing power consumption of a plasma fuel reformer
US6981472B2 (en) 2002-11-18 2006-01-03 Massachusetts Institute Of Technology Homogeneous charge compression ignition control utilizing plasmatron fuel converter technology
US7312440B2 (en) * 2003-01-14 2007-12-25 Georgia Tech Research Corporation Integrated micro fuel processor and flow delivery infrastructure
JP2004342390A (ja) 2003-05-14 2004-12-02 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220005829A (ko) * 2020-07-07 2022-01-14 한국과학기술연구원 고효율 복합 소재를 구비한 초경량 수소 생산 반응기

Also Published As

Publication number Publication date
EP1739057A2 (en) 2007-01-03
JP2007009917A (ja) 2007-01-18
US20070000454A1 (en) 2007-01-04
EP1739057A3 (en) 2008-08-27
US7637971B2 (en) 2009-12-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20070001839A (ko) 수소 연료 공급 시스템
US5399251A (en) System for generating hydrogen and oxygen
US4659634A (en) Methanol hydrogen fuel cell system
JP2007009917A5 (ko)
CN102007286B (zh) 内燃机用氢供给装置及内燃机的运转方法
JP2003040602A (ja) 燃料電池用水素製造装置
EP2175051A1 (en) Hydrogen-oxygen electrolyzing device and carbon paper electrodes thereof with material-changed outer surfaces
WO2006138211A2 (en) Catalytic microcombustors for compact power or heat generation
JP2003507321A (ja) 低電力小型プラズマ燃料変換器
KR20100105108A (ko) 수소와 산소를 이용한 연료 공급 장치
US6936361B2 (en) Method for humidifying a fuel stream for a direct methanol fuel cell
EP1241339A3 (en) Compound-type energy generation system
KR20150089262A (ko) 휘발화한 증기상태의 화석연료와 물 전기분해가스를 혼합한 조성 연료 및 이를 이용한 연소방법 및 이를 이용한 내연 기관
JP2002226201A (ja) 水素の製造法およびその装置
CN111082097B (zh) 一种燃料电池系统
US20130029236A1 (en) Device for Providing Hot Exhaust Gases
CN1921199A (zh) 燃料电池系统
KR20160030905A (ko) 휘발화한 증기상태의 화석연료와 물 전기분해가스를 혼합한 조성 연료 및 이를 이용한 연소방법 및 이를 이용한 내연 기관
KR20170015663A (ko) 휘발화한 증기상태의 화석연료와 물 전기분해가스를 혼합한 조성 연료 및 이를 이용한 연소방법 및 이를 이용한 내연 기관
CN100343163C (zh) 从甲醇水溶液微粒转化及分离氢气的自发性重组系统
CN103441641A (zh) 爆轰波引射环道式磁流体发电系统
WO2010011126A2 (en) Water fuel apparatus
KR100968626B1 (ko) 하우징, 이를 구비한 수소발생장치 및 연료전지 발전시스템
US20030198843A1 (en) Hydrocarbon fueled liquid gallium fuel generator system
JP2009272214A (ja) 燃料電池システムおよび車両

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E601 Decision to refuse application