KR100656021B1 - 불균일계 촉매 제조를 위한 코팅 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 불균일계 촉매 제조를 위한 코팅 장치 및 코팅 방법에 관한 것으로서, 상이한 농도의 촉매용액들이 채워지는 용액배스와, 다수개의 스포이드를 통해 상기 용액배스로부터 상이한 농도의 촉매용액들을 동시 흡입한 후 담체 상단 끝면에 투입하는 용액흡입기와, 상기 용액흡입기(13)에 의해 투입된 촉매용액을 담체 반대쪽에서 흡입하여 담체를 코팅시키는 하측 흡입기를 이용함으로써, 촉매를 통과하는 배기가스의 유동분포에 맞추어 단면상의 각 위치별로 귀금속의 담지량이 상이한 불균일계 촉매를 제조할 수 있도록 한 불균일계 촉매 제조를 위한 코팅 장치 및 코팅 방법에 관한 것이다.

이러한 본 발명에 따르면, 촉매 단면상으로 배기가스의 유동량이 많은 곳은 귀금속 담지량을 높게, 배기가스의 유동량이 낮은 곳은 귀금속 담지량을 낮게 하여 코팅할 수 있는 바, 배기가스의 유동분포에 따라 귀금속량을 최적으로 분배할 수 있고, 결국 귀금속 사용량을 줄여 제조비용을 낮출 수 있는 효과가 있게 된다.

불균일계, 촉매, 코팅, 용액흡입기, 스포이드, 용액배스, 흡입기, 귀금속

Description

불균일계 촉매 제조를 위한 코팅 방법{Apparatus and method for coating heterogeneous catalyst}

도 1은 배기 매니폴드를 지나 각 런너 1, 2, 3, 4를 통과하는 배기가스의 유동분포의 예를 나타낸 도면,

도 2는 촉매 단면을 통과하는 배기가스의 유동분포를 나타낸 도면,

도 3은 종래기술에 따른 자동차 촉매의 코팅 과정을 도시한 공정도,

도 4는 본 발명에 따른 코팅 장치 및 코팅 방법을 보여주는 공정도,

도 5는 균일 코팅 촉매와 본 발명의 코팅 방법을 적용하여 제조한 불균일 코팅 촉매의 엔진 평가 결과를 나타낸 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 담체 11 : 용액배스

12 : 칸막이 13 : 용액흡입기

14 : 스포이드 16 : 흡입기

본 발명은 불균일계 촉매 제조를 위한 코팅 장치 및 코팅 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상이한 농도의 촉매용액들이 채워지는 용액배스와, 다수개의 스포이드를 통해 상기 용액배스로부터 상이한 농도의 촉매용액들을 동시 흡입한 후 담체 상단 끝면에 투입하는 용액흡입기와, 상기 용액흡입기(13)에 의해 투입된 촉매용액을 담체 반대쪽에서 흡입하여 담체를 코팅시키는 하측 흡입기를 이용함으로써, 촉매를 통과하는 배기가스의 유동분포에 맞추어 단면상의 각 위치별로 귀금속의 담지량이 상이한 불균일계 촉매를 제조할 수 있도록 한 불균일계 촉매 제조를 위한 코팅 장치 및 코팅 방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 배기가스는 엔진에서 혼합기 연소에 의해 생성되어 배기 파이프를 통해 대기 중으로 방출되는 가스를 말하며, 이러한 배기가스에는 미연소탄화수소(THC), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx) 등 인체에 유해한 물질이 다량 포함되어 있다.

이에 자동차 배기가스로 인한 대기오염을 방지하는 것이 환경위생상 중요한 문제로 대두되고 있으며, 배기가스를 배출하기 전에 반드시 정화처리를 하도록 규제하고 있다.

자동차에서 배기가스를 정화하기 위하여 주로 쓰이는 장치가 삼원촉매(three way catalyst)를 사용한 촉매 컨버터인데, 이는 배기 파이프 도중에 장착되며, 차량에 따라 배기가스 배출량이 다르기 때문에 촉매의 사양은 다르다.

여기서, 삼원촉매는 배기가스의 유해성분인 일산화탄소, 질소산화물 및 탄화 수소계 화합물과 동시에 반응하여 이들 화합물을 제거하는 촉매를 의미하며, 주로 Pt/Rh, Pd/Rh 또는 Pt/Pd/Rh계의 삼원촉매가 이용된다.

이러한 삼원촉매를 포함하여 통상의 자동차용 촉매는 배기가스 정화를 위해 워시코트에 귀금속을 추가 담지하여 제조되며, 엔진으로부터 배출되어 배기 매니폴드를 지나가는 배기가스 중 유해성분(THC, CO, NOx)을 CO₂, H₂O, N₂로 정화하게 된다.

한편, 균일한 양의 워시코트 및 귀금속이 코팅되고 있는 기존 배기가스 정화용 촉매에 있어서 배기가스 저감을 최대화하고 촉매 가격을 절감하기 위해서는 다음의 2가지 방법을 고려할 수 있다.

먼저, 배기가스를 정화시키는 가장 효과적인 방법은 시동 직후에 촉매가 충분히 웜업되기 전 배출되는 배기가스를 최소화하는 것이다.

따라서, 촉매가 가장 짧은 시간에 웜업되도록 하기 위해서는 촉매 전단에 고농도의 촉매를 코팅함으로써 촉매의 웜업 시간(Light-Off Time, LOT)을 줄일 수 있다.

그리고, 자동차 배기 시스템에서 배기 매니폴드는 엔진 각 기통에서 배출되는 배기가스의 통로 역할을 하는데, 일반적으로 4개 기통의 배기가스가 하나로 모여 촉매 컨버터를 지나게 되며, 특히 배기 매니폴드의 형상에 따라 촉매 각 부분에서 배기가스의 통과 유량이 다르게 된다.

도 1은 배기 매니폴드를 지나 각 런너 1, 2, 3, 4를 통과하는 배기가스의 유 동분포의 예를 나타낸 것이며, 도 2는 촉매 단면을 통과하는 배기가스의 유동분포를 나타낸 것이다.

도 1에서 가운데 그림('AVERAGE')은 런너들의 유동분포를 평균한 것이다.

이에 나타낸 바와 같이, 배기 매니폴드의 형상에 따라 촉매 단면에서의 배기가스 유동분포는 크게 달라지게 되는데, 기존의 촉매는 배기가스의 유동에 상관없이 촉매 단면에 대하여 일정한 양의 귀금속을 균일하게 코팅하였으며, 균일 코팅 촉매의 일정부분은 배기가스를 많이 정화하지만 다른 일부분은 배기가스를 거의 정화하지 않게 된다.

결국, 기존 균일 코팅 촉매에서는 단면상으로 동일한 양의 귀금속이 담지되어 있으므로 원가적인 측면에서 과다한 귀금속이 소모되고 있는 형편이며, 따라서 촉매의 효율을 높이고 귀금속 사용량을 줄이기 위해서는 촉매 단면을 지나가는 배기가스 유동량을 고려하여 워시코트 및 귀금속량을 재분배 코팅할 필요가 있다.

도 3은 종래기술에 따른 자동차 촉매의 코팅 과정을 도시한 공정도로서, 도시한 바와 같이 촉매용액이 담긴 용액배스(bath)와 부압을 제공하는 흡입기가 이용된다.

그 과정을 설명하면, 우선 용액배스(1)에 촉매용액(3)을 담은 후 담체(4)를 일단이 용액배스(1) 내 액면에 접촉되도록 하여 세운다.

이어 상측에서 흡입기(2)를 이용하여 일정한 부압을 걸어주면 촉매용액(3)이 담체로 빨아 올려지며, 이렇게 하여 담체(4)의 반쪽 부분만을 우선 코팅한다.

그 후 위 아래가 반대가 되도록 담체(4)를 거꾸로 세운 후 동일한 방법으로 코팅되지 않은 나머지 반쪽 부분을 코팅한다.

그러나, 이러한 방법은 담체 전체에 촉매를 균일하게 코팅하기에는 적합하나 귀금속 농도를 촉매 단면에 대해 부분별로 달리하여 코팅하는 불균일 코팅 방법으로는 적합하지 않다.

도 3과 같은 방법을 이용하여 담체 전체를 동일한 귀금속량으로 코팅하는 경우, 배기가스의 통과 유량이 촉매 단면의 각 부분마다 상이하여 촉매 단면 위치별로 귀금속량을 달리할 필요가 있음에도 불구하고, 담체 전체에 균일한 양의 귀금속이 사용되기 때문에 귀금속의 과다한 소모가 불가피하고 촉매의 제조원가가 높아질 수밖에 없다.

따라서, 촉매 단면의 특정부분에 대해서 귀금속 농도를 달리하여 코팅할 수 있는 방안이 절실히 요구되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 촉매 단면상으로 배기가스의 유동량이 많은 곳은 귀금속 담지량을 높게, 배기가스의 유동량이 낮은 곳은 귀금속 담지량을 낮게 코팅할 수 있도록 함으로써, 배기가스의 유동분포에 따라 귀금속량을 최적으로 분배할 수 있고, 결국 귀금속 사용량을 줄여 제조비용을 낮출 수 있는 불균일계 촉매 제조를 위한 코팅 장치 및 코팅 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, 귀금속 농도가 상이한 여러 농도의 촉매용액들이 담겨질 수 있도록 내부공간이 칸막이에 의해 다수개의 칸으로 구획되어 있는 용액배스와; 하부에 다수개의 스포이드가 설치되어 상기 각 스포이드를 상기 용액배스의 각 칸에 삽입 후 촉매용액을 흡입할 수 있도록 구비되고, 상기 용액배스 내에 채워진 촉매용액들을 각 스포이드 내부로 흡입하여 담체 상단 끝면 위로 투입하게 되는 용액흡입기와; 상기 용액흡입기의 스포이드로부터 담체 상단 끝면 위로 투입된 촉매용액을 담체 하측에서 빨아들여 코팅하기 위한 부압을 제공하는 하측 흡입기;를 포함하는 불균일계 촉매 제조를 위한 코팅 장치에 특징이 있는 것이다.

또한, 본 발명은, (a)내부공간이 칸막이에 의해 여러 칸으로 구획되어 있는 용액배스 내에 귀금속 농도가 상이한 촉매용액들을 채우는 단계와; (b)하부에 다수개의 스포이드가 설치된 용액흡입기를 이용하되, 상기 각 스포이드를 상기 용액배스의 각 칸에 삽입하여 각 스포이드 내부로 촉매용액을 흡입하는 단계와; (c)상기 용액흡입기를 담체 상측으로 이동시킨 후 부압을 해제하여 각 스포이드로부터 담체 상단 끝면 위로 촉매용액을 투입시키는 단계와; (d)상기 담체 하측에 위치된 흡입기를 이용하여 담체 반대쪽에서 부압을 걸어주어 담체 상단 끝면 위로 투입된 촉매용액을 빨아들임으로써 담체 상부를 코팅하는 단계와; (e)담체를 상하가 반대가 되도록 회전시킨 다음, 상기 (b) ~ (d)단계를 반복하여 실시하는 단계;를 포함하는 불균일계 촉매 제조를 위한 코팅 방법에 특징이 있는 것이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 불균일계 촉매 제조를 위한 코팅 장치 및 코팅 방법에 관한 것으로서, 촉매 단면에 대하여 위치별로 귀금속 농도를 달리하여 코팅할 수 있는 코팅 장치 및 코팅 방법에 관한 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 코팅 장치 및 코팅 방법을 보여주는 공정도로서, 이를 참조하여 본 발명에 따른 코팅 장치 및 코팅 방법을 설명하면 다음과 같다.

도시한 바와 같이, 본 발명의 코팅 장치는 귀금속 농도가 상이한 촉매용액들이 담겨질 수 있도록 내부공간이 칸막이(12)에 의해 여러 칸으로 구획되어 있는 용액배스(11)와, 하부에 설치된 다수개의 스포이드(14)에 부압을 제공하여 상기 용액배스(11) 내에 채워진 귀금속 농도가 상이한 촉매용액들을 흡입한 후 부압 해제시에 투입하는 상측의 용액흡입기(13)와, 상기 용액흡입기(13)의 스포이드(14)로부터 담체(10) 상측으로 투입된 촉매용액을 담체(10) 하측에서 빨아들이기 위하여 부압을 걸어주는 하측 흡입기(16)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 용액배스(11)는 귀금속 함유량을 달리하여 제조된 여러 농도의 촉매용액들을 담기 위한 것으로, 각 농도의 촉매용액들이 분리된 상태로 담겨질 수 있도록 내부공간이 격자모양으로 설치된 칸막이(12)에 의해 메시(mesh)형태로 구획되어 있다.

그리고, 상기 용액흡입기(13)는 촉매용액이 흡입될 수 있도록 부압을 제공한다는 점에서 종래 사용된 흡입기와 구성상으로는 유사하나, 하부에 다수개의 스포 이드(14)가 소정 간격으로 설치된 점에 차이가 있다.

즉, 상기 용액흡입기(13)는 부압, 즉 흡입력이 다수개의 스포이드(14)를 통해 각 촉매용액에 작용하도록 제작된 것으로, 각 스포이드(14)를 통해 촉매용액을 빨아당기는 일종의 멀티 피벳 장치라 할 수 있으며, 스포이드(14)가 촉매용액에 잠기면 부압을 걸어주어 일정 부압이 각 스포이드(14)에 걸리도록 제작된 흡입장치이다.

이와 같이 용액흡입기(13)가 부압을 걸어주어 촉매용액을 당겨주게 되면 각 스포이드(14) 속으로 촉매용액이 빨려들어가는 바, 부압이 작용하는 상태에서는 각 스포이드(14) 내에 촉매용액이 계속해서 저장되게 되고, 부압이 해제되는 순간 각 스포이드(14) 내 촉매용액이 중력에 의해 하측으로 떨어지게 되어 있다.

상기 용액흡입기(13)는 부압 제공시 각 스포이드(14)에 대해 동일한 부압이 걸리도록 구비되며, 따라서 부압을 걸어주어 용액을 당겨주면 각 스포이드(14) 속으로 일정량의 촉매용액이 빨려들어가게 된다.

또한, 상기 용액흡입기(13)는 승, 하강 동작이 가능하도록 구비되며, 하강하여 각 스포이드(14)가 용액배스(11)의 각 칸에 삽입될 수 있게 되어 있는 바, 기계적으로 상하 동작이 가능하도록 상하 구동수단에 장착하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 상하 구동수단은 하단에 용액흡입기(13)가 결합되고 상하로 전후진하는 피스톤(15)을 가진 공압 또는 유압 실린더 장치로 실시 가능하다.

그리고, 상기 하측 흡입기(16)는 상측으로 놓여진 담체(10)에 대하여 그 하측에서 일정 부압을 제공하여 용액흡입기(13)에 의해 담체(10) 상측으로 투입된 촉 매용액을 빨아당겨줌으로써 담체(10) 상부에 촉매용액이 코팅되도록 하는 장치이다.

도 4에 도시한 코팅 장치에서 용액배스(11) 내 구획되어 있는 칸 수(촉매용액의 수), 스포이드(14)의 갯수 및 간격 등은 필요에 따라 적절히 변경 가능한 것이며, 본 발명이 도시한 예로 한정되는 것은 아니다.

이하, 상기와 같이 이루어진 코팅 장치를 이용하여 본 발명에 따른 불균일계 촉매 제조를 위한 코팅 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.

우선, 귀금속의 함유량(농도, 로딩량)을 달리하여 제조한 여러 촉매용액들을 용액배스(11)의 해당 칸 내에 각각 채워넣는다.

이때, 각 칸마다 모두 각각 상이한 농도의 촉매용액들을 채울 필요는 없으며, 용액배스(11)를 여러 영역으로 구분한 뒤 같은 영역 내의 칸들에는 같은 농도의 촉매용액을 채워넣되, 영역별로만 상이한 농도의 촉매용액들을 채울 수도 있다.

이어 용액흡입기(13)를 하강시켜 용액배스(11)의 촉매용액들에 스포이드(14)가 잠기도록 하며, 이때 용액배스(11)의 한 칸에 한 개의 스포이드(14)가 내려가 촉매용액에 잠기게 한다.

이후 용액흡입기(13)에서 부압을 걸어주도록 하면, 각 스포이드(14)의 흡입력에 의해 각각 일정량의 촉매용액이 해당 스포이드(14) 속으로 빨려들어가게 된다.

그리고, 계속해서 부압을 걸어주어 스포이드(14) 내부에 촉매용액이 흡입된 상태에서 용액흡입기(13)를 담체(10) 상측으로 이동시킨 뒤, 용액흡입기(13)의 부 압을 제거한다.

이와 같이 용액흡입기(13)의 부압이 제거되면, 촉매용액이 각 스포이드(14)에서 중력에 의해 아래로 떨어지게 되고, 이와 같이 투입되는 촉매용액은 담체(10) 상단 끝면의 각 위치에 묻게 된다.

이후, 담체(10) 하측의 하측 흡입기(16)를 이용하여 중력방향으로 부압을 걸어주면, 담체(10) 위의 촉매용액이 아래로 빨아당겨지면서 담체(10) 상부를 코팅하게 된다.

이와 같이 담체(10) 반쪽을 코팅하고 나면, 다시 용액흡입기(13)를 용액배스(11) 상측으로 이동시킨 뒤 하강시켜 용액배스(11)의 촉매용액들에 스포이드(14)가 잠기도록 하며, 이후 용액흡입기(13)에서 부압을 걸어주어 일정량의 촉매용액이 해당 스포이드(14) 속에 빨려들어가도록 한다.

그 다음, 스포이드(14) 내부에 촉매용액이 흡입된 상태로 용액흡입기(13)를 담체(10)쪽으로 이동시키는데, 이때 담체(10)를 상하가 반대가 되도록 회전시켜 코팅되지 않은 부분이 상측으로, 코팅된 부분이 하측으로 놓이도록 한다.

이후, 담체(10) 위에서 용액흡입기(13)의 부압을 제거하면, 촉매용액이 각 스포이드(14)에서 중력에 의해 아래로 떨어지게 되고, 이와 같이 투입되는 촉매용액은 담체(10) 상단 끝면의 각 위치에 묻게 된다.

이후, 담체(10) 하측의 하측 흡입기(16)를 이용하여 중력방향으로 부압을 걸어주면, 담체(10) 위의 촉매용액이 아래로 빨아당겨지면서 코팅되지 않는 담체(10)의 나머지 부분이 코팅된다.

이와 같이 하여, 상이한 농도의 촉매용액들이 채워진 용액배스(11)와, 다수개의 스포이드(14)를 통해 상기 용액배스(11)로부터 상이한 농도의 촉매용액들을 흡입한 후 담체(10) 상단 끝면에 투입하는 용액흡입기(13)와, 상기 용액흡입기(13)에 의해 담체(10) 상단 끝면에 투입된 촉매용액을 담체(10) 반대쪽에서 흡입하여 담체(10)를 코팅시키는 하측 흡입기(16)를 이용함으로써, 단면상의 각 위치별로 귀금속의 담지량이 상이한 불균일계 촉매를 제조할 수 있게 된다.

이러한 본 발명의 코팅 방법에 따르면, 엔진으로부터 배기 매니폴드를 통해 나오는 배기가스의 유동분포와 동일하게 촉매를 코팅할 수 있는 바, 촉매 단면상으로 배기가스의 유동량이 많은 곳은 귀금속 담지량을 높게, 배기가스의 유동량이 낮은 곳은 귀금속 담지량을 낮게 하여 코팅할 수 있게 되며, 촉매용액을 해석상의 메시(mesh)처럼 코팅할 수 있게 된다.

도 5는 균일 코팅 촉매(Ref.)와 본 발명의 코팅 방법을 적용하여 제조한 불균일 코팅 촉매(#3, #4)의 엔진 평가 결과를 나타낸다.

본 발명에 따른 불균일 코팅 촉매(#3, #4)의 경우 귀금속량을 각각 10 ~ 15% 절감하여 유동분포에 따라 귀금속을 분배한 촉매로서, LOT50 및 SWEEP 평가에서 기존 균일 코팅 촉매(Ref.)와 동등 수준 이상의 성능을 나타내었다.

SWEEP 평가는 배기가스 람다 0.99 ~ 1.01 범위에서 각 배기가스의 평균 정화율을 나타낸 것이고, CO/NOx는 CO와 NOx가 만나는 점의 정화율을 나타낸 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 불균일계 촉매 제조를 위한 코팅 장치 및 코팅 방법에 의하면, 촉매 단면상으로 배기가스의 유동량이 많은 곳은 귀금속 담지량을 높게, 배기가스의 유동량이 낮은 곳은 귀금속 담지량을 낮게 코팅할 수 있게 되면서 배기가스의 유동분포에 따라 귀금속량을 최적으로 분배할 수 있고, 결국 귀금속 사용량을 줄여 제조비용을 낮출 수 있는 효과가 있게 된다.

Claims (2)

1. 귀금속 농도가 상이한 여러 농도의 촉매용액들이 담겨질 수 있도록 내부공간이 칸막이에 의해 다수개의 칸으로 구획되어 있는 용액배스와;

   하부에 다수개의 스포이드가 설치되어 상기 각 스포이드를 상기 용액배스의 각 칸에 삽입 후 촉매용액을 흡입할 수 있도록 구비되고, 상기 용액배스 내에 채워진 촉매용액들을 각 스포이드 내부로 흡입하여 담체 상단 끝면 위로 투입하게 되는 용액흡입기와;

   상기 용액흡입기의 스포이드로부터 담체 상단 끝면 위로 투입된 촉매용액을 담체 하측에서 빨아들여 코팅하기 위한 부압을 제공하는 하측 흡입기;

   를 포함하는 불균일계 촉매 제조를 위한 코팅 장치.
2. (a)내부공간이 칸막이에 의해 여러 칸으로 구획되어 있는 용액배스 내에 귀금속 농도가 상이한 촉매용액들을 채우는 단계와;

   (b)하부에 다수개의 스포이드가 설치된 용액흡입기를 이용하되, 상기 각 스포이드를 상기 용액배스의 각 칸에 삽입하여 각 스포이드 내부로 촉매용액을 흡입하는 단계와;

   (c)상기 용액흡입기를 담체 상측으로 이동시킨 후 부압을 해제하여 각 스포이드로부터 담체 상단 끝면 위로 촉매용액을 투입시키는 단계와;

   (d)상기 담체 하측에 위치된 흡입기를 이용하여 담체 반대쪽에서 부압을 걸어주어 담체 상단 끝면 위로 투입된 촉매용액을 빨아들임으로써 담체 상부를 코팅하는 단계와;

   (e)담체를 상하가 반대가 되도록 회전시킨 다음, 상기 (b) ~ (d)단계를 반복하여 실시하는 단계;

   를 포함하는 불균일계 촉매 제조를 위한 코팅 방법.

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