KR100731149B1 - 촉매성능평가장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 촉매의 성능평가장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 다수의 가스관으로부터 공급되는 가스를 원하는 조성비로 혼합공급하여 촉매층 통과 전과 후의 결과를 분석하는 촉매성능평가장치에 관한 것이다.
상기 촉매성능평가장치는 연료전지용 개질반응 시스템의 수소개질촉매, 자동차 배기가스 연소촉매 및 기타 화학 촉매 반응 등의 연구에 활용하는 것을 목적으로 한다.
상기 촉매성능평가장치는 공급가스 배관과 혼합기와 증발기와 적외선 방식의 가열로와 순환기가 포함된 응축기와 반응 전 후의 조성 가스를 분석하는 분석기와 각 라인에 장착된 밸브, 유량조절기 온도 조절기 등의 상태를 실시간으로 확인하며 제어하는 연산장치를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 촉매 성능 평가 장치는 표준가스의 공급으로 분석값의 기준을 설정하는 방법과 촉매반응의 효율을 높이기 위한 적외선 방식의 가열로, 혼합기와 증발기 및 순환기를 포함하는 이중 구조의 응축기를 구성함으로써 촉매의 성능을 평가하여 보다 우수한 촉매를 연구, 개발하는데에 있어 신뢰성 있는 결과값을 확보할 수 있는 효과가 있다.
촉매, 성능평가, 반응조건, 평가방법, 분석

Description

촉매성능평가장치{A catalytic performance test equipments}
도 1 은 본 발명의 실시예를 나타낸 촉매성능평가장치의 구성을 도시한 구성도
[도면의 주요 부분에 대한 부호 설명]
10 : 질소 공급관 20 : 수소 공급관
30 : 일산화탄소 공급관 40 : 이산화탄소 공급관
50 : 메탄 공급관 60 : 공기 공급관
11, 141 : 볼 밸브 12 :인라인 필터
13 : 질량식 유량 조절기(Mass Flow Controller)
14,67 : 체크 밸브
16 : 릴리프 밸브 17 : 압력 센서
18, 131 : 2방향 솔레노이드 밸브(Normal Open)
15 : 2방향 솔레노이드 밸브(Normal Close)
66, 71 : 3방향 솔레노이드 밸브 70 : 정량 펌프
80 : 혼합기 90 : 증발기
100 : 가열로 110 : 튜브형 반응기
120 : 순환기 130 : 응축기
133 : 자동 배수(Auto drain) 장치 140 : 분석기
142, 143 : 니들 밸브 144 : 압력 게이지
150 : 연산장치
본 발명은 촉매성능평가장치에 관한 것이다.
촉매는 화학반응에서 반응물질 이외의 것으로, 그것 자체는 반응 전후에 있어서 양적 ·질적으로 변하지 않으면서 반응속도만을 변화시키는 물질을 말하는데, 이러한 성질을 이용하여 연료전지용 수소개질, 자동차 배기가스의 정화 시스템, 각종 화학적 촉매반응 실험 등 다양한 분야에 걸쳐 활용되어지고 있다.
또한 개질(Reforming)이란 공급되는 원료로부터 전기 발생에 필요한 순수한 수소를 추출해 내는 과정으로서 연료전지와 관련해서는 메탄(CH4) 등이 주로 사용된다.
상기 촉매를 개발하고 연구하는데 있어 그 성분 및 조성을 분석하여 성능을 평가하는 것은 필수적인 것이다.
상기 촉매는 환경, 자동차, 대체에너지, 석유화학 등의 산업 분야에서 너무도 광범위한 응용분야를 가지고 있음에도 불구하고 다양한 실험 조건에서 촉매의 정확한 성능 측정 결과값을 확보할 수 있는 장치가 국내에서는 아직까지 개발되지 못하고 있다.
본 발명은 상기와 같이 촉매의 특성에 따라 필요한 가스의 양과 농도를 정확히 제어하여 촉매반응 전과 촉매반응 후의 특성을 분석하는 촉매성능평가장치을 제시하고자 한다.
본 발명의 촉매성능평가장치는 연료전지용 개질반응 시스템의 수소개질촉매, 자동차 배기가스 연소촉매 및 기타 화학 촉매 반응 등의 연구에 활용하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 촉매성능평가장치의 사용압력은 상압에서 고압(약 200㎏/㎠)까지의 범위 내에서 실험이 가능하고, 측정온도는 상온에서 1000℃까지 온도 범위 내에서 설정하여 실험을 수행할 수 있으며, 모든 시스템의 운전이 수동 또는 자동으로 선택하여 프로그램에 의해 운전된다.
상기의 목적을 달성하고자 본 발명은 가스공급을 위한 볼밸브(11), 인라인 필터(12), 질량식 유량조절밸브(13), 체크밸브(14), 솔레노이드밸브(15)가 설치된 다수개의 가스 공급관(P0)과;
상기 가스 공급관(P0)으로부터 공급되는 가스가 혼합되도록 설치된 혼합가스 공급관(P1)과;
상기 혼합가스 공급관(P1)으로부터 혼합된 조성가스를 분석기(140)로 공급하는 혼합가스 공급관(P3)과 반응기(11)로 공급하는 혼합가스 공급관(P2)으로 분배 가능하도록 설치된 3방향 솔레노이드 밸브(66)와;
상기 혼합가스 공급관(P2)으로부터 공급되는 혼합가스를 균일하게 혼합하는 혼합기(80)와;
상기 혼합기(80)에서 혼합된 혼합가스와 정량펌프(70)로부터 정밀하게 조절된 물을 물 공급관(P')으로부터 공급받아 기화시켜 혼합하는 증발기(90)와;
상기 증발기(90)에서 나온 증기 및 혼합가스가 혼합가스 공급관(P4)을 통하여 공급받도록 설치된 반응기(110)와;
상기 반응기(110)를 감싸고 열원을 제공하며 반응에 필요한 온도로 제어하는 가열로(100)와;
상기 반응기(110)의 촉매층을 통과한 혼합가스가 혼합가스 공급관(P5)을 통하여 공급받도록 연설된 혼합가스를 응축시키는 이중구조의 응축기(130)와;
상기 응축기(130)에서 배출되는 액체가 일정량 이상이 되면 자동으로 배출하는 자동배수장치(133)와;
상기 응축기(130)를 통과하여 수분이 제거된 반응 후의 조성가스를 공급관(P7)으로 공급받아 분석하는 분석기(140)와;
상기 분석기(140) 및 각 전자밸브 제어, 온도조절기, 가열로 등의 상태를 실시간으로 확인하며 제어하는 연산장치(150)를 포함하여 구성된다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 촉매 성능 평가 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도시한 바와 같이 본 발명에 따른 촉매 성능평가장치는 가스공급을 위하여 수동으로 개폐하는 볼밸브(11)와 가스를 정화시켜주는 인라인필터(12)와 공급된 가스의 유량을 제어하는 질량식 유량 조절기(13)와 가스의 역류 방지를 위한 체크밸브(14) 및 2방향 솔레노이드 밸브(15)가 장착된 가스 공급관(P0)은 질소공급관(10), 수소공급관(20), 일산화탄소공급관(30), 이산화탄소공급관(40), 메탄공급관(50), 공기공급관(60)을 포함할 수 있도록 다수개로 설치되며, 상기 다수의 가스 공급관(P0)으로부터 공급되는 가스가 혼합되어 공급될 수 있도록 혼합가스 공급관(P1)이 연설된다.
상기 가스 공급관(P0)을 통하여 공급되는 가스는 가스 공급관(P0)을 구성하고 있는 질량식 유량 조절기(13)와 2방향 솔레노이드 밸브(15)를 연산장치(150)로 제어하여 혼합가스 공급관(P1)으로 공급되는 혼합가스의 성분과 조성을 원하는 혼합가스가 되도록 한다.
상기 질소공급관(10)에는 평상시 열려있는 상태(Normal Open)의 2방향 솔레노이드 밸브(18)를 병렬로 설치하는 퍼지용 질소공급관(10')을 설치하여 비상시 또는 전원이 갑자기 꺼지는 등의 응급 상황 발생시 배관 내에 가스를 퍼지(Purge)하도록 하여 촉매보호 및 안전성을 확보하도록 한다.
상기 혼합가스 공급관(P1)에는 압력센서(17)와 릴리프 밸브(16)을 설치하여 각 가스의 공급관(P0)에 설치된 질량식 유량 조절기(13)와 2방향 솔레노이드 밸브(15)에 의해 제어되어 공급되는 가스의 압력을 압력센서(17)로 측정하고, 일정압력 이상에서는 릴리프 밸브(16)가 작동되도록 함으로써 혼합가스 공급관(P1) 내에 과부하가 발생하지 않고 안정적으로 혼합가스가 공급되도록 한다.
상기 혼합가스 공급관(P1)으로 공급되는 혼합가스는 3방향 솔레노이드 밸브(66)에 의하여 혼합가스 공급관(P2)과 혼합가스 공급관(P3)로 공급된다.
상기 혼합가스 공급관(P2)은 공급되는 혼합가스가 촉매반응을 한 후에 분석기(140)로 유도될 수 있도록 연설된 공급관이며, 혼합가스 공급관(P3)은 공급되는 혼합가스가 촉매반응을 일으키지 않고 분석기(140)로 유도될 수 있도록 연설된 공급관이다.
상기 3방향 솔레노이드 밸브(66)는 연산장치(150)에 의해 제어되며, 혼합가스 공급관(P3)의 일측에는 니들밸브(142)를 설치하여 Zero(질소)가스, Span가스 등의 표준가스 및 실험가스의 유로를 니들밸브(142) 방향으로 개방하여 대부분을 배출(Vent)시키고 설정된 농도와 양으로 합해진 가스 중 분석에 필요한 양만을 분석기(140)로 보낼 수 있도록 한다.
상기의 Zero Gas는 분석기의 최소 눈금치를 설정하는 표준가스로서 여기서는 질소가 사용되었다.
상기 혼합 표준가스(Span Gas) 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 공기 등을 혼합하여 이미 조성을 알고 있는 상태의 가스를 말한다.
상기 3방향 솔레노이드 밸브(66)와 혼합가스 공급관(P3)을 통하여 혼합가스를 분석기(140)로 직접 보내는 것은 혼합가스를 촉매층을 통과시키기 전과 후를 비교하여 촉매의 성능을 평가하기 위한 기준을 정하기 위함이다.
상기 분석기(140)에서 주입된 혼합가스의 분석이 완료되면 연산장치(150)에 의해 자동으로 유로가 혼합가스 공급관(P3)에서 혼합가스 공급관(P2)로 변경되어 분석기(140)로 보낸 동일 성분의 혼합가스에 대하여 반응기(110)방향으로 분배한다.
상기 반응기(110) 방향으로 공급되도록 연설된 혼합가스 공급관(P2)은 혼합가스의 역류를 방지하기 위하여 체크밸브(67)가 설치되어 혼합기(80)에 연설된다.
상기 혼합기(80)에서 혼합된 혼합가스들은 물 공급관(P')으로 공급되는 물과 혼합되어 증발기(90)로 보내져 물의 기화와 함께 한번 더 혼합되어 혼합가스 공급관(P4)을 통하여 반응기(110)로 보내지도록 한다.
상기 물 공급관(P')에는 정량펌프(70)와 3방향 솔레노이드밸브(71)를 설치하고, 상기 정량펌프(70)와 3방향 솔레노이드밸브(71)를 연산장치(150)로 제어하여 촉매반응에 필요한 양만큼의 물만 공급되도록 한다.
상기 혼합기(80)와 증발기(90)는 반응기(110)의 촉매층을 통과하기 전 혼합된 Gas와 수소개질에 필요한 수증기 혼합 및 공급가스의 예열을 수행하여 촉매 반응의 효율을 높이는 것이다.
상기 반응기(110)는 튜브형식으로 튜브 내부에 촉매를 충진하고 튜브의 바깥쪽은 가열로(100)로 감싸 가스의 촉매반응을 위한 최적의 환경을 조성하도록 하였다.
상기 가열로(100)는 적외선(IR) 방식의 가열기를 장착하여 일반 전기 가열로에 비하여 가열 시간 단축시키고 고온에서의 온도제어에 있어 신속하게 대응할 수 있도록 하였다.
상기 반응기(110)를 통과한 촉매반응 가스는 응축기(130)에서 응축되어 2방향 솔레노이드 밸브(131)와 자동배수장치(133)를 거쳐 수분이 제거된 상태에서 분석기(140)로 보내지며, 니들밸브(142)을 이용하여 의하여 필요한 양만을 분석기(140)로 보낼 수 있도록 한다.
상기 반응기(110)와 응축기(130) 사이에는 혼합가스 공급관(P5)으로 연설하고, 상기 혼합가스 공급관(P5)에는 니들밸브(143)가 설치된 혼합가스 공급관(P6)을 설치하여 반응기(110)을 통하여 응축기(130)기에 공급되는 촉매반응 가스의 양이 많을 경우에는 혼합가스 공급관(P6)에 설치된 니들밸브(143)를 연산장치(150)으로 제어/개방하여 배출시킴으로써 공급되는 촉매반응 가스의 양을 조절할 수 있도록 한다.
상기 응축기(130)는 2중 구조로 된 응축기가 사용되며, 순환기(120)를 설치하여 외벽에 냉각유체를 순환시켜 반응가스의 응축시간을 단축시키도록 한다.
상기 분석기(140)는 조성 가스별로 분석 장치들이 구비되어 있어 신속하고 정확한 분석값을 얻을 수 있다.
이와 같이 구성된 촉매성능평가장치는 각각의 밸브의 개폐, 유량제어 및 공급관의 필요위치에 부착된 온도센서 및 압력센서 그리고 가열기 등의 제어는 마이크로프로세서 내지는 컴퓨터로 구성된 연산장치(150)에 의해 제어되도록 설치되며, 이러한 제어는 촉매성능평가장치 시스템을 위해 제작된 프로그램 등에 의해 이루어지며 분석값 또는 진행 상황 등을 실시간으로 확인할 수 있도록 한다.
상기 촉매성능평가장치를 이용한 촉매의 성능을 평가하는 방법은 공급가스라 인으로부터 Zero Gas를 반응기를 거치지 아니하고 분석기로 보내어 분석기의 최소 눈금을 교정한다. 여기서 Zero Gas는 분석기의 최소 눈금치를 설정하는 표준가스로는 질소가 사용된다.
상기 Zero가스의 분석이 끝나면 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 공기 등을 혼합하여 이미 조성을 알고 있는 혼합 표준가스(Span Gas)를 분석기로 보내어 분석기 측정 범위 내의 최대 눈금치를 교정한다.
상기 Zero 가스와 Span 가스의 공급, 분석 과정을 마치면 본격적으로 촉매의 성능평가가 이루어진다.
연구 중인 또는 개발된 촉매를 반응기에 충진하고 가스의 조성을 조정해 가며 촉매층 통과 전과 후의 분석을 수행하여 촉매를 평가하고 상기 Zero가스와 Span가스 분석에서 얻어진 분석값과 비교하여 결과값의 신뢰성을 확인한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 촉매성능평가장치는 최적의 반응 조건 즉, 공급되는 가스의 양과 농도를 정밀 제어하고 반응기내의 반응물질과 촉매, 공급가스 및 공급 액체에 의한 반응조건을 원하는 유량, 온도, 압력, 상황 등의 실험조건에 맞게 관련 모든 설정 값을 PC에서 입력하여, 보다 우수한 성질의 촉매를 연구하고 개발하는데에 활용하고 여러 변수에 따른 촉매성능을 평가함으로써 신뢰성 있는 결과값를 확보하여 연료전지의 수소 개질 및 화학적 반응 실험 촉매, 자동차 배기가스 저감기술 등의 연구에 활용할 수 있는 이점이 있다.

Claims (8)

  1. 공급되는 가스의 촉매층 통과 전과 후를 비교 측정하여 성능을 평가하는 촉매 성능 평가 장치에 있어서,
    가스를 공급하도록 설치된 가스 공급관(P0)과;
    상기 가스 공급관(P0)으로부터 공급되는 가스가 혼합되도록 설치된 혼합가스 공급관(P1)과;
    상기 혼합가스 공급관(P1)으로부터 혼합된 조성 가스를 분석기(140)로 공급하는 혼합가스 공급관(P3)과 반응기(11)로 공급하는 혼합가스 공급관(P2)으로 분배 가능하도록 설치된 3방향 솔레노이드 밸브(66)와;
    상기 혼합가스 공급관(P2)으로부터 공급되는 혼합가스와 정량펌프(70)로부터 정밀하게 조절된 물을 물 공급관(P')으로부터 공급받아 기화시켜 혼합하는 증발기(90)와;
    상기 증발기(90)에서 나온 증기 및 혼합가스가 혼합가스 공급관(P4)을 통하여 공급받도록 설치된 반응기(110)와;
    상기 반응기(110)를 감싸고 열원을 제공하며 반응에 필요한 온도로 제어하는 가열로(100)와;
    상기 반응기(110)의 촉매층을 통과한 혼합가스가 혼합가스 공급관(P5)을 통하여 공급받도록 연설된 혼합가스를 응축시키는 이중구조의 응축기(130)와;
    응축기(130)를 통과하여 수분이 제거된 반응 후의 조성가스를 공급관(P7)으 로 공급받아 분석하는 분석기(140)와;
    상기 분석기(140) 및 각 구성요소의 상태를 실시간으로 확인하며 제어하는 연산장치(150)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 촉매성능평가장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 공급관(P0)은 볼밸브(11), 인라인 필터(12), 질량식 유량조절밸브(13), 체크밸브(14), 솔레노이드밸브(15)로 구성됨을 특징으로 하는 촉매성능평가장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가스 공급관(P0)은 질소공급관(10), 수소공급관(20), 일산화탄소공급관(30), 이산화탄소공급관(30), 메탄공급관(40), 공기공급관(40)을 포함하도록 형성된 것을 특징으로 하는 촉매성능평가장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 질소공급관(10)에는 병렬로 퍼지용 질소의 흐름을 제어하기 위한 솔레노이드 밸브(18)가 설치된 퍼지용 질소공급관(10')이 연결되는 것을 특징으로 하는 촉매성능평가장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 혼합가스 공급관(P1)에 압력배출밸브(16), 압력센서(17)가 설치되는 것을 특징으로 하는 촉매성능평가장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 혼합가스 공급관(P2)과 물 공급관(P') 사이에 혼합기(80)를 설치하여 혼합가스 공급관(P2)을 통하여 공급되는 혼합가스를 균일하게 혼합하는 것을 특징으로 하는 촉매성능평가장치.
  7. 제1항에 있어서,
    응축기(130)의 일측에는 냉각용 유체를 공급하는 순환기(120)가 설치됨을 특징으로 하는 촉매성능평가장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 응축기(130)에서 배출되는 액체가 일정량 이상이 되면 자동으로 배출하는 자동배수장치(133)가 설치됨을 특징으로 하는 촉매성능평가장치.
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