(57)【要約】  排気ガスを炭化水素燃料に変換することにより車両の排出を低減するための装置およびプロセス。装置およびプロセスは、車両の有害物質排出をさらに低減するように、従来の排出制御技術を補完する。装置は、車両に駆動力を供給する燃焼機関の排気ガスから熱エネルギーを抽出するための熱交換器（１０２Ａ）と、排気ガスから水および二酸化炭素を分離するための膜分離器（１０８）と、ナノ触媒を備える触媒反応器（１０２Ｂ）とを含む。触媒反応器（１０２Ｂ）は、膜分離器（１０８）から水および二酸化炭素を受容し、炭化水素燃料を生成し、ナノ触媒により促進される、水および二酸化炭素の反応を収容し、熱交換器（１０２Ａ）からの熱エネルギーを使用して反応を刺激する。触媒反応器（１０２Ｂ）は、熱交換器（１０２Ａ）の本体内に収容され、熱エネルギーの伝達を促進する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
搭載型触媒装置であって、
燃焼機関の排気ガスから熱エネルギーを抽出するように動作可能な熱交換器（１０２Ａ）であって、前記燃焼機関は、車両に駆動力を供給する、熱交換器（１０２Ａ）と；
前記排気ガスから水および二酸化炭素を分離するように動作可能な膜分離器（１０８）と；
前記熱交換器（１０２Ａ）の本体に収容される触媒反応器（１０２Ｂ）と
を特徴とし、前記触媒反応器（１０２Ｂ）は、
前記膜分離器（１０８）から水および二酸化炭素を受容し；
炭化水素燃料を生成する水および二酸化炭素の反応であって、ナノ触媒により促進される反応を収容し；
熱交換器（１０２Ａ）からの前記熱エネルギーを使用して、水および二酸化炭素の前記反応を刺激する
ように動作可能である、搭載型触媒装置。
【請求項２】
前記ナノ触媒は、ルテニウム、マンガンおよびニッケルの少なくとも１種を含む多元金属ナノ触媒である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ナノ触媒は、２〜３パーセントのルテニウム、２０〜３０パーセントのニッケル、および１５〜２０パーセントのマンガンである、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記ナノ触媒は、２パーセントのルテニウム、２０パーセントのニッケル、および１５パーセントのマンガンである、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記膜分離器（１０８）は、
シリカ系膜層、炭素系膜層、またはゼオライト膜層である選択的膜層と；
セラミック担体、金属担体、またはアルミナ担体である担体層と
を備える、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記触媒反応器（１０２Ｂ）は、前記熱エネルギーが、前記ナノ触媒を保持する前記触媒反応器（１０２Ｂ）の一部に向けられるように、前記熱交換器（１０２Ａ）に包囲される、請求項１から５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記触媒反応器（１０２Ｂ）は、前記ナノ触媒を保持するための複数の管を備え、前記複数の管は、前記熱交換器（１０２Ａ）からの前記熱エネルギーを受容するための増加した表面積を提供する、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記炭化水素燃料は、エタノールおよびプロピンを含む、請求項１から７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
炭化水素燃料への搭載型二酸化炭素変換のためのプロセスであって、
燃焼機関の排気ガスから熱エネルギーを抽出するステップであって、前記燃焼機関は、車両に駆動力を供給する、ステップと；
前記排気ガスから水および二酸化炭素を分離するステップと；
ナノ触媒により促進される反応を行うことにより、前記水および前記二酸化炭素を炭化水素燃料に変換するステップであって、前記反応は、前記排気ガスから抽出された前記熱エネルギーにより刺激される、ステップと；
前記炭化水素燃料を、燃焼させるために前記燃焼機関内に供給するステップと
を特徴とするプロセス。
【請求項１０】
前記ナノ触媒は、ルテニウム、マンガンおよびニッケルの少なくとも１種を含む多元金属ナノ触媒である、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１１】
前記ナノ触媒は、２〜３パーセントのルテニウム、２０〜３０パーセントのニッケル、および１５〜２０パーセントのマンガンである、請求項９または１０に記載のプロセス。
【請求項１２】
前記ナノ触媒は、２パーセントのルテニウム、２０パーセントのニッケル、および１５パーセントのマンガンである、請求項１１に記載のプロセス。
【請求項１３】
前記排気ガスから前記水および前記二酸化炭素を分離する前に、前記排気ガスを摂氏２００〜３００度まで冷却するステップをさらに特徴とする、請求項９から１２のいずれかに記載のプロセス。
【請求項１４】
前記排気ガス中の一酸化炭素を酸化させて二酸化炭素を生成するステップをさらに特徴とする、請求項９から１３のいずれかに記載のプロセス。
【請求項１５】
前記炭化水素燃料は、エタノールおよびプロピンを含む、請求項９から１４のいずれかに記載のプロセス。
【請求項１６】
前記反応は、５ＣＯ２＋５Ｈ２Ｏ→Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋Ｈ３Ｃ−Ｃ≡ＣＨ＋７Ｏ２（式中、ＣＯ２は二酸化炭素であり、Ｈ２Ｏは水であり、Ｃ２Ｈ５ＯＨはエタノールであり、Ｈ３Ｃ−Ｃ≡ＣＨはプロピンであり、Ｏ２は酸素である）である、請求項１５に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素を炭化水素燃料に変換することにより、車両の排出を低減するためのプロセスに関する。より具体的には、本発明の実施形態は、搭載型熱交換器および触媒コンバーターを使用して、車両の排気を車両の燃焼機関のための炭化水素燃料に変換する。
【背景技術】
【０００２】
自動車産業では、長い間、車両の排出が公衆衛生および環境に有害であることが認識されていた。また、車両の排出を低減する従来の方法が不十分であることは周知である。典型的には、車両の排出は、エンジンの効率を増加させること、および／または燃料後の排気を清浄化することにより低減され得る。例えば、車両の排気は、二次的空気噴射、排気ガス再循環、および／または触媒変換を使用して清浄化され得る。
【０００３】
典型的には、触媒コンバーターは、毒性排出物を非毒性物質に変換するために金属触媒（複数を含む）（例えば、白金、パラジウム、ロジウム）を含む。変換される毒性排出物は、一酸化炭素、酸化窒素、および未燃炭化水素を含み得る。例えば、一酸化炭素が酸化されて二酸化炭素に変換され得るが、触媒が酸化を刺激する。
【０００４】
触媒コンバーターの使用は、車両の排出の低減に関連した全ての課題を解決するわけではない。例えば、触媒コンバーターは、燃焼される炭化水素燃料の量を低減しない。さらに、触媒コンバーターは、地球温暖化の一因となる温室効果ガスである二酸化炭素を生成する。
【０００５】
したがって、車両の排出を低減するための改善されたプロセスを有することが望ましい。好ましくは、排出物を使用可能な燃料に変換するプロセスを有することが望ましい。さらに、排出される二酸化炭素の量も低減するプロセスを有することが望ましい。
【発明の概要】
【０００６】
一実施形態において、移動汚染源からの排出低減のための装置は、燃焼機関の排気ガスから熱エネルギーを抽出するための熱交換器であって、燃焼機関は、車両に駆動力を供給する、熱交換器と；排気ガスから水および二酸化炭素を分離するための膜分離器と、ナノ触媒を有する触媒反応器とを含み、触媒反応器は、炭化水素燃料を生成する水および二酸化炭素の反応であって、ナノ触媒により促進される反応を収容する。一実施形態において、触媒反応器は、膜分離器から水および二酸化炭素を受容し、熱交換器からの熱エネルギーを使用して、水および二酸化炭素の反応を刺激する。
【０００７】
一実施形態において、ナノ触媒は、ルテニウム、マンガン、およびニッケルの少なくとも１種を含む多元金属ナノ触媒である。別の実施形態において、ナノ触媒は、２〜３パーセントのルテニウム、２０〜３０パーセントのニッケル、および１５〜２０パーセントのマンガンである。さらに別の実施形態において、ナノ触媒は、２パーセントのルテニウム、２０パーセントのニッケル、および１５パーセントのマンガンである。
【０００８】
一実施形態において、膜分離器は、シリカ系膜層、炭素系膜層、またはゼオライト膜層である選択的膜層と、セラミック担体、金属担体、またはアルミナ担体である担体層とを含む。
【０００９】
一実施形態において、触媒反応器は、熱エネルギーが、ナノ触媒を保持する触媒反応器の一部に向けられるように、熱交換器に包囲される。一実施形態において、触媒反応器はナノ触媒を保持するための複数の管を含み、複数の管は、熱交換器からの熱エネルギーを受容するための増加した表面積を提供する。
【００１０】
一実施形態において、炭化水素燃料は、エタノールおよびプロピンを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本発明のこれらの、および他の特徴、態様、および利点は、以下の説明、特許請求の範囲、および添付の図面に関連してより良く理解されるであろう。しかしながら、図面は本発明のいくつかの実施形態のみを例示し、したがって、他の同等に有効な実施形態を認め得るような本発明の範囲を制限しているとみなされるべきではないことに留意されたい。
【００１２】
【図１】本発明の１つ以上の実施形態による装置を示す。
【００１３】
【図２】本発明の１つ以上の実施形態によるプロセスフローを示す。
【００１４】
【図３】本発明の１つ以上の実施形態による例示的装置を示す。
【００１５】
【図４】本発明の１つ以上の実施形態による熱交換器および触媒反応器を示す。
【００１６】
【図５】本発明の１つ以上の実施形態による熱交換器を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
いくつかの実施形態に関連して本発明を説明するが、本発明をそれらの実施形態に限定することは意図されないことが理解される。逆に、添付の特許請求の範囲により定義される本発明の精神および範囲内に含まれ得るような全ての代替、修正および同等物を含むことが意図される。
【００１８】
一実施形態において、車両の排出低減のための装置は、燃焼車両の排気ガスから熱エネルギーを抽出するための熱交換器であって、燃焼機関は、車両に駆動力を供給する、熱交換器と、排気ガスから水および二酸化炭素を分離するための膜分離器と、炭化水素燃料を生成する水および二酸化炭素の反応を収容するための、ナノ触媒を含む触媒反応器とを含む。さらに、熱交換器により抽出された熱エネルギーは、水および二酸化炭素の反応を刺激する。
【００１９】
図１に示されるように、装置１００は、統合された熱交換器１０２Ａおよび触媒反応器１０２Ｂ、触媒コンバーター１０４、コイル式熱交換器１０６、膜分離器１０８、ならびに排気管１１０を備える。一実施形態において、装置１００は、図３に関連して後述されるように、車両の排気システムに組み込まれる（例えば、車両の車台に設置される）。
【００２０】
一実施形態において、熱交換器１０２Ａおよび触媒反応器１０２Ｂは、熱交換機１０２Ａ内の排気ガスから抽出された熱エネルギーが触媒反応器１０２Ｂ内での反応を刺激するために使用され得るように統合される。熱交換器１０２Ａは、燃焼機関からの排気ガスを受容する。熱エネルギーは、熱交換器１０２Ａを通過する際に排気ガスから抽出され、それにより、排気ガスが触媒コンバータ１０４に進入する前に排気ガスは冷却される。熱交換器１０２Ａにより、（１）廃熱がエンジンから回収されて触媒反応器１０２Ｂにより使用され得、（２）排気ガスが装置１００の他の構成要素に進入する前に冷却され得る。例えば、膜分離器１０８は、比較的高い圧力、および燃焼機関から出る排気ガスの温度よりも低い温度で動作する膜を含み得る。
【００２１】
いくつかの実施形態において、触媒反応器１０２Ｂは、触媒系、光触媒系、電気触媒系、またはそれらの好適な組み合わせを含む。さらに、触媒反応器１０２Ｂは、固定、流動床および触媒膜を含み得る。触媒は、担体としてのアルミナ、シリカ、および粘土、ならびに後述のような活性成分としての活性一金属、二金属、および三金属材料を含む、担持されたナノ構造触媒であってもよい。
【００２２】
一実施形態において、触媒反応器１０２Ｂは、ＣＯ２およびＨ２Ｏを炭化水素燃料に変換する反応を収容する。例えば、反応は、ｎＣＯ２＋（ｎ＋１）Ｈ２Ｏ→ＣｎＨ２ｎ＋１ＯＨ＋（３ｎ／２）Ｏ２（式中、ｎ＝１、２、３、４、５、６等である（例えば、ｎ＝１の場合、生成物はＣＨ３ＯＨ（メタノール）であり、ｎ＝２の場合、生成物はＣ２Ｈ５ＯＨ（エタノール）である等））等のアルコールを生成する一般的反応であってもよい。別の例において、反応は、２ｎＨ２Ｏ＋ｎＣＯ２→ＣｎＨ２ｎ＋２＋２ｎＯ２（式中、ｎ＝１、２、３、４、５、６等である）等のアルカン生成に標的化されてもよい。さらに別の例において、反応は、以下の反応に示されるように、酸素の放出と共に、メタン（ＣＨ４）または混合生成物を生成し得る。
・６７３Ｋおよび大気圧下でエタノール、プロピン、および酸素を生成する触媒刺激反応−５ＣＯ２＋５Ｈ２Ｏ→Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋Ｈ３Ｃ−Ｃ≡ＣＨ＋７Ｏ２
・メタノール、エタノール、酸素、およびプロピンを生成する触媒刺激反応−６ＣＯ２＋７Ｈ２Ｏ→ＣＨ３ＯＨ＋Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋１７／２Ｏ２＋Ｈ３Ｃ−Ｃ≡ＣＨ
【００２３】
この例において、触媒および反応温度は、ある特定の生成物（例えばエタノール）の生成を最大化するように調節され得る。さらに、触媒反応器１０２Ｂにより使用されるナノ触媒は、ルテニウム、マンガン、および／またはニッケルを含む金属ナノ触媒であってもよい。具体的には、金属ナノ触媒は、約２〜３パーセントのルテニウム、約２０〜３０パーセントのニッケル、および約１５〜２０パーセントのマンガン（例えば、２パーセントのルテニウム、２０パーセントのニッケル、および１５パーセントのマンガン）であってもよい。反応は、Ｈ２Ｏ（蒸気）およびＣＯ２がナノ触媒表面上で分解して酸素および水素を生成する際に、触媒により刺激され得る。この段階で、水素および酸素は、炭素と反応して、炭化水素燃料を生成し得る。いくつかの場合において、反応から得られる発生期酸素は、追加のエネルギーの生成をもたらすことができ、これは外部熱エネルギーの要件を低減する。
【００２４】
例示的ナノ触媒は、Ｈｕｓｓａｉｎ  Ｓ．Ｔ．、ｅｔ  ａｌ．、Ｎａｎｏ  Ｃａｔａｌｙｓｔ  ｆｏｒ  ＣＯ２  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｔｏ  Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｎａｎｏ  Ｓｙｓｔｅｍｓ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｏｃｔ．３１，２００９に記載されている。この論文において、例示的ナノ触媒は、以下のように調製される。
・三塩化ルテニウム（０．１０３ｇ）、硝酸マンガン四水和物（２．２８５ｇ）および硝酸ニッケル六水和物（２．４７ｇ）（分析用試薬）の溶液を、脱イオンＨ２Ｏ中で調製し、希塩酸で酸性化して水酸化物の沈殿を妨げる。
・次いで、スラリーの一部（１０ｃｍ３）を、蒸発容器内の二酸化チタン触媒担体（３．９５ｇ）（３５０ｍ２ｇ−１）に添加し、混合物を２０分間磁気撹拌し、３９５Ｋで一晩乾燥させる。
・次いで、調製された触媒試料を、６００℃で６時間空気中で焼成する。
【００２５】
典型的な運転サイクル（例えばＵＳＯ６運転サイクル）に基づき、排気ガスは、車両スピードに依存して６．５グラム／秒から２００グラム／秒で排出され得る。この場合、運転サイクルにおける最大スピードは約８０ｍｐｈであり、これは、商業目的の触媒の量を計算するために使用され得る。実験室試験において、使用される触媒の量は、０．５グラムであり、反応器を通る排気の対応する空間速度は、６０００〜７２００／時間であった。比較として、車両を通る排気質量流量は、６．５グラム／秒から２００グラム／秒を変動し得る。いくつかの実施形態において、実験室での量および典型的な運転サイクルに基づき、触媒反応器１０２Ｂにおいて使用される触媒の総量は、約１２０グラムである。この場合、反応器内の変換のレベルは、排気質量流量に依存する（すなわち、反応器内の変換率は、排気質量流量が減少するにつれて増加する）。
【００２６】
一実施形態において、触媒コンバーター１０４は、車両排気からの毒性物質を清浄化する。具体的には、触媒コンバーター１０４は、（１）一酸化炭素を酸化してＣＯ２を生成し、（２）未燃焼炭化水素を酸化してＨ２ＯおよびＣＯ２を生成するための金属触媒を含み得る。触媒コンバーター１０４内の反応は、排気ガスがコイル式熱交換器１０６に通される前にその温度を上昇させる。
【００２７】
一実施形態において、コイル式熱交換器１０６は、膜分離器１０８に提供される前の排気ガスの温度を低下させる。コイル式熱交換器１０６は、排気ガスから触媒反応器１０２Ｂに向けて移動する反応物質に熱エネルギーを伝達し得る。
【００２８】
一実施形態において、膜分離器１０８は、コイル式熱交換器１０６から受容した排気ガスの他のガスからＣＯ２およびＨ２Ｏを分離する。膜分離器１０８は、様々な膜を含み得るが、ＣＯ２およびＨ２Ｏは、動作条件（例えば温度）に依存して、透過物または保持物として分離される。分離されたＣＯ２およびＨ２Ｏは、触媒反応器１０２Ｂに通され、他のガスは、排気管１１０に通される。次いで、排気管１１０は、車両から他のガスを排出し得る。
【００２９】
図２を参照すると、排気ガスを炭化水素燃料に変換するための例示的プロセスフローが示されている。２０２において、車両エンジンから出た排気ガスは、約８５０℃の温度で二重管熱交換器１０２Ａに進入する（すなわち、排気ガスは、車両エンジン内での燃焼から生成された熱の形態でエネルギーを含有する）。二重管熱交換器１０２Ａは、２０３において排気ガスを排出する前に、排気ガスから熱エネルギーを抽出する。排気ガスは、触媒コンバーター１０４に進入する前に、約３５０〜５００℃の温度で二重管熱交換器１０２Ａから出る。触媒コンバーター１０４において、未燃焼ガス状成分をＮ２、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等に変換する反応が生じる。２０４において、約５００〜６００℃の温度で、変換されたガスが触媒コンバーター１０６から出る。
【００３０】
次いで、変換されたガスは、コイル式熱交換器１０６を通過して、触媒反応器１０２Ｂに向かって移動する反応物質にさらなる熱を伝達する。２０６において、変換されたガスは、約２００〜３００℃で膜分離器１０８に進入する。膜分離器１０８において、ＣＯ２およびＨ２Ｏは、変換されたガスから分離される。２１０において、分離されたＣＯ２およびＨ２Ｏは、コイル式熱交換器１０６を通過して、ＣＯ２およびＨ２Ｏの温度を約５００℃に上昇させる。１１０において、残りのガスは膜分離器１０８から出て、排気として車両から排出される。２１２において、加熱されたＣＯ２およびＨ２Ｏは、触媒反応器１０２Ｂに通される。触媒反応器１０２Ｂにおいて、ナノ触媒が、ＣＯ２およびＨ２Ｏを炭化水素燃料に変換する反応を刺激する。２１４において、炭化水素燃料は、自動車エンジン２１６内にリサイクルされ（例えば、炭化水素燃料は、燃料ライン、気化器、または燃料タンクに通されてもよい）、それにより車両からのＣＯ２排出を低減する。
【００３１】
図２のプロセスフロー構成は、ＣＯ２およびＨ２Ｏが膜分離器１０８内で低温で排気ガスから分離され得るように、排気ガスを冷却する。同時に、触媒反応器１０２Ｂに向かって移動する分離されたＣＯ２およびＨ２Ｏの温度は、二重管熱交換器１０２Ａおよびコイル式熱交換器１０６の両方からの熱伝達により上昇する。いくつかの実施形態において、プロセスフロー構成は、反応が外部エネルギーなしで行われ得るように、排気ガスの廃熱を利用する。プロセスフロー構成は、図３に関して後述されるように排気パイプに沿って車両の車台に設置され得る。
【００３２】
図３を参照すると、車両の車台３０２に設置された例示的装置が示されている。車両の排気ヘッドパイプ３０６は、燃焼機関（図示せず）からの排気ガスを受容する。統合された熱交換器１０２Ａおよび触媒反応器１０２Ｂは、排気ヘッドパイプ３０６に取り付けられる。この例において、排気ヘッドパイプ３０６および統合された熱交換器１０２Ａおよび触媒反応器１０２Ｂは、車両のエンジン部分３０４の下に位置付けられる（すなわち、車両の燃焼機関の下に位置付けられる）。排気ヘッドパイプ３０６からの排気ガスは熱交換器１０２Ａを通して触媒変換器１０４に伝達される。
【００３３】
エンジン部分３０４に隣接して、排気ガスが例示的装置を通過する際に車両を排気ガスの熱から保護するための遮熱材３０６がある。この例において、遮熱材３０６は、触媒コンバーター１０４、コイル式熱交換器１０６、膜分離器１０８、および排気管１１０を包囲し、そのそれぞれは、図１および２に関して上述されるそれぞれの構成要素に実質的に類似し得る。図３に示されるように、膜分離器１０８からの透過物２１０（すなわち、ＣＯ２およびＨ２Ｏ）は、コイル式熱交換器１０６に運搬され、これが排気ガスからの熱エネルギーを透過物２１０に伝達する。次いで、加熱反応物質２１２は、触媒コンバーター１０４を通って触媒反応器１０２Ｂに運搬される。加熱反応物質が触媒反応器１０２Ｂに向かって、およびその中に流動する際、触媒コンバーター１０４および熱交換機１０２Ａからさらなる熱エネルギーが、加熱反応物質２１２に伝達され得る。触媒反応器１０２Ｂは、加熱反応物質２１２を炭化水素燃料２１４に変換し、次いでこれが車両用のリサイクル燃料２１６として使用される。
【００３４】
図４を参照すると、例示的な統合された熱交換器および触媒反応器１０２Ａ、１０２Ｂが示されている。上述のように、統合された熱交換器および触媒反応器１０２Ａ、１０２Ｂは、車両の車台の燃焼機関と触媒コンバーターとの間に設置され得る。排気ガス２０２は、典型的には、約８００〜９００℃でエンジンから出て、統合された熱交換器および触媒反応器１０２Ａ、１０２Ｂの外側パイプ４０２から出る前に、約５００〜６００℃に急速に冷却される。統合された熱交換器および触媒反応器１０２Ａ、１０２Ｂは、排気ガス２０２から廃熱を回収し、統合された熱交換器および触媒反応器１０２Ａ、１０２Ｂの内側パイプ４０４内で生じる吸熱反応の熱要件を補完するように位置付けられる。
【００３５】
この例において、統合された熱交換器および触媒反応器１０２Ａ、１０２Ｂは、内側パイプ４０４が反応のための触媒４０６を保持し、外側パイプ４０２が排気ガスのための通路を提供する、標準的な二重管熱交換器である。別の例において、統合された熱交換器および触媒反応器１０２Ａ、１０２Ｂは、触媒４０６を保持する複数の管を有する内側シェルを含むシェルおよびチューブ式熱交換器であってもよく、複数の管は、二重管熱交換器の両端で管板に取り付けられ得る。複数の管は、熱伝達のためのより大きな表面積を提供する。いずれの例においても、外側パイプ４０２は、熱を保存し熱伝達を促進するように適切に断熱され得る。
【００３６】
図５を参照すると、例示的な膜分離器１０８が示されている。膜分離器１０８は、触媒コンバーター２０６から受容された排気ガスから透過物２１０（ＣＯ２およびＨ２Ｏ）を分離するための膜５０２を含む。いくつかの実施形態において、膜５０２は、中空繊維構成を有し得る。この場合、膜５０２は、安定な担体（例えばセラミック中空繊維等）上にコーティングされた選択的膜層（図示せず）を含む。他の実施形態において、膜５０２は、管状構成を有し得る。この場合、選択的膜層は、多孔性管状担体（例えば、多孔性アルミナ管、セラミック管、多孔性金属管等）上にコーティングされる。随意に、掃気ガス（図示せず）を膜分離器１０８内に注入し、透過物２１０の回収を促進することができる。以下の表Ｉは、膜分離器１０８に使用され得る例示的な膜を示す。
表Ｉ：膜分離器１０８用の例示的な膜
【表１】
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【００３７】
本発明は、例示の目的のみのために示され、添付の特許請求の範囲により定義される本発明の範囲を限定することを意図しない以下の実施例により例示される。
[実施例−熱的試験]
【００３８】
（１）排気ガスから放出された熱、（２）排気ガスの温度、および（３）排気組成物を特性決定するための試験を行った。さらに、排気システム（例えば図１の装置１００）に対する熱力学的計算を行った。試験において行われた具体的な作業は、以下を含む。
・排気ガス温度の推定。
・８００〜８５０℃での触媒反応器の運転のための、排気エンジンガスからのエネルギーの利用可能性の決定。
・排ガスの組成の決定。
【００３９】
気体力学エンジンシステムシミュレーションプラットフォームを使用して、エンジンサイクル、供給出力（すなわち、図示平均有効圧（ＩＭＥＰ））、エンジン効率、燃費、推定排気温度および排出物の熱力学的シミュレーションを行った。具体的には、実験室試験において使用されるような現代の単気筒火花点火エンジンに基づく入力データと共に、気体力学エンジンシステムシミュレーションプラットフォームを使用して計算を行ったが、点火エンジンは、入口および排気管構造ならびにポート燃料噴射（ＰＦＩ）を有していた。モデルは、利用可能な実験データに対して、異なる燃料および燃焼条件において完全に検証された。さらに、エンジン入口および排気管構造の条件および気体力学は、実験用エンジンに基づき、実験用エンジンにおける熱伝達は、典型的な初期設定値に基づいていた。液体体積で測定される６７％イソ−オクタンおよび３３％トルエンのブレンドを用いてシミュレーションを行ったが、その変換された質量分率は、６２．２％／３７．８％のイソオクタン／トルエンである。この燃料ブレンドは、しばしば、現代のガソリンの再現可能な表現として、実験室試験において使用される。
【００４０】
以下の表ＩＩに示されるシミュレーション結果の分析は、以下を示している。
・平均排気温度は、気化ガソリンの使用で約１１５２Ｋ（８７９℃）と思われ、最高温度は、排気弁開口部で達成される。しかしながら、弁およびヘッド出口における平均排気温度は、それぞれ約１１８８Ｋ（９１５℃）および１１５２Ｋ（８７９℃）である。
・ガソリンの排気ガス（１１２３Ｋ（８５０℃）の最大排気温度を有する）から利用可能なエンタルピーは、約１．５５９Ｅ＋０５ｋＪ／ｋｍｏｌである。
・ガソリンのシミュレーションにおいて、得られた図示エンジン効率は、４０．１％であった。
表ＩＩ：内燃機関（ＩＣＥ）システムの予測（シミュレーションされた）エンジン性能、排気温度、燃費および排出（λ＝１、ｒｐｍ＝３０００）
【表２】
2015502474.tif 000004
【００４１】
上記表ＩＩは、排気ヘッド出口における平均排気温度が、約１１５２Ｋ（８７９℃）と推定されることを示し、また、車両から排出された排気ガスが、約５２０〜５８０℃の温度を有することが示された。したがって、排気システムを通って移動する間の排気ガスによる熱損失は、約３００〜３６０℃である。
【００４２】
以下の表ＩＩＩは、様々な空気流量の影響下での燃焼の結果としての、典型的なガソリン燃料から放出された熱を示す（ｋＪ／ｋｇで）。以下の表ＩＶは、燃料が過剰空気条件下で燃焼した場合の、モル分率で示されたガスの組成を示す。
表ＩＩＩ：燃焼空気の異なる値に対する、燃料ブレンドから放出された熱（ｋＪ／ｋｇ）。
【表３】
2015502474.tif 000005
表ＩＶ：希薄燃料燃焼（過剰空気）の生成物モル分率
【表４】
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[排気ガスからのエネルギー利用可能性]
【００４３】
車両エンジンの廃熱からのエネルギー回収の一例として、以下は、Ｃｌｅａｎ  Ｐｏｗｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓにより行われた試験の結果である。
・１４００ｒｐｍで駆動し、４０５ｂｈｐを生成するディーゼルエンジンの場合、排気ガス温度は５４９℃である。
・０．４６Ｋｇ／ｓの質量流量では、排気ガスは２６８ｋＪ／ｓのエネルギー値を有する。
・熱交換器は、排気ガスから２５０℃を回収することができ、これはエネルギーの４５％である（すなわち、約１２１ｋＪ／ｓ）。
・次いで、システムは、回収された熱エネルギーを１９ＫＷの出力の機械力に変換し、熱回収に対して約１６％のエネルギー効率を提供することができる。
・回収されたエネルギーは、車両エンジン駆動力の約５〜１０％の回収に等しい。
[触媒コンバーターエネルギー回収]
【００４４】
研究を通して、車両の触媒コンバーターから利用可能なエネルギーもまた存在することが示されている。具体的には、触媒コンバーター内で生じる化学反応は、−２．８２６６×１０６ｋＪ／ｋｍｏｌの総熱量を放出する。
【００４５】
（１）燃料の初期燃焼により生成された廃エネルギーから回収された熱エネルギー（すなわち、約１２１ｋＪ／ｓ）および（２）触媒コンバーターから回収された熱エネルギー（すなわち、−２．８２６６×１０６ｋＪ／ｋｍｏｌ）の両方が、触媒反応器に提供された反応物質を加熱するために使用され、それにより図１〜５に関連して上述したようなＨ２ＯおよびＣＯ２の炭化水素燃料への変換が促進され得る。
【００４６】
文脈上異なる定義が明示されていない限り、単数形の「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は複数形の指示対象も含む。随意の、または随意に、とは、次いで説明される事象または状況が生じても生じなくてもよいことを意味する。その説明は、事象または状況が生じる場合、および生じない場合を含む。範囲は、本明細書において、約１つの特定の値から、および／または約別の特定の値までとして表現され得る。そのような範囲が表現される場合、別の実施形態は、１つの特定の値から、および／または他の特定の値までであり、前記範囲内の全ての組み合わせを含むことを理解されたい。
【００４７】
本発明をその具体的な実施形態と併せて説明したが、上記説明に照らして、多くの代替、修正、および変形が当業者に明らかであることが明瞭である。したがって、全てのそのような代替、修正、および変形を、添付の特許請求の範囲の精神および広範な範囲内に含まれるものとして包含することが意図される。本発明は、開示される要素を好適に含む、それらからなる、または本質的にそれらからなってもよく、また、開示されていない要素の非存在下で実践され得る。
【００４８】
本出願を通して、特許または出版物が参照されている場合、これらの参考文献の開示は、本発明が関連する最新技術をより十分に説明するために、これらの参考文献が本明細書における記述と矛盾しない限り、参照によりその全体が本出願に組み込まれることが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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