KR101113917B1 - 연소 엔진의 배기가스 처리를 위한 망상 박판 및 그 망상 박판을 구비한 담체 - Google Patents

연소 엔진의 배기가스 처리를 위한 망상 박판 및 그 망상 박판을 구비한 담체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 개방 채널에서 연소 엔진의 배기가스를 처리하는 다공성 박판을 목적으로 한다. 본 발명에 따르면, 다공성 박판(3, 3a, 3b)의 적어도 일부분은, 10nm가 넘는 기공(35)과 1.4μm가 넘는 조대 입자를 가지는 지지물에 의해 피복된다.
배기가스 정화, 다공성 박판, 담체, 촉매, 지지물

Description

연소 엔진의 배기가스 처리를 위한 망상 박판 및 그 망상 박판을 구비한 담체 {MESH SHEET AND SUBSTRATE HAVING MESH SHEET(S) FOR TREATING EXHAUST GASES OF COMBUSTION ENGINES}
본 발명은 개방 채널 내에서 연소 엔진의 배기가스를 처리하는 다공성 박판 및 상기 다공성 박판을 구비한 담체(substrate)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 다공성 박판 및 상기 다공성 박판을 구비한 담체를 제조하는 방법에 관한 것이기도 하다.
연소 엔진 배기가스의 처리를 위해서는 개방 채널, 폐쇄 채널, 또는 복합 채널을 가지는 담체가 사용된다. 개방 채널에서는 배기가스가 직접 담체를 관통하여 흐른다. 폐쇄 채널을 가지는 담체에서는 배기가스가 벽, 예컨대 세라믹 또는 금속으로 된 다공성 벽을 관통하여 흐르게 된다. 개방 채널에서는 대부분 기체상 불순물의 감소율이 높긴 하지만, 불순물 입자의 감소율은 예컨대 10% ~ 15% 정도로 낮다. 폐쇄 채널에서는 기체상 불순물의 감소율이 높고, 불순물 입자의 감소율도 예컨대 70% ~ 90%로 높다. 폐쇄 채널에서의 문제점은 벽에서의 막힘 현상(clogging)이다. 폐쇄 채널은 청소되지 않는다면 점진적으로 완전히 막혀버린다. 압력 손실도 또한 증가한다. 채널을 개방 상태로 유지할 수 있는 한 가지 방법은 지속적으로 또는 주기적으로 청소하는 것이다.
한 가지 어려운 상황은, 부분적으로 막혀진(clogged) 폐쇄 채널을 가지는 담체를 이용하여 연소 엔진을 기동하는 것이다. 기동 시에 상기 담체의 온도는 낮고 입자들이 그 표면에 걸려든다. 결국 배기가스의 유동이 불가능하게 될 정도로 매우 많은 입자들이 벽 표면에 존재하게 된다. 이러한 상황에서는 연소 엔진까지 손상을 입을 수가 있다.
2003년 5월 8일자로 발행된 국제 특허 공개 WO 03038248 A1에서는 유체가 관통하여 흐를 수 있게 한 필터 합성물(filter composite)을 개시하고 있다. 이는 적어도 하나의 모서리 영역을 구비하고 적어도 부분적으로는 다공성 재료로 만들어진 최소한 하나의 최상층(top layer)과, 섬유질 천으로 만들어진 최소한 하나의 섬유층(fibrous layer)을 포함한다. 필터 복합물은 최소한 하나의 섬유층이, 최소한 하나의 최상층 내에 섬유층이 영구히 배치될 수 있도록 그 섬유층을 둘러싸는 인클로저(enclosure)를 형성한다는 점에 그 특징이 있다.
개방 채널에서 배기가스의 입자를 효율적으로 감소시키는 다공성 박판이 발명되었다. 이에 따라 상기 다공성 박판을 구비한 담체도 또한 발명되었다.
이러한 목적을 위한 본 발명의 특징은 독립항에 개시되었다. 본 발명의 몇가지 바람직한 실시예들은 다른 청구항에 개시되었다.
본 발명의 박판 표면은 의도적으로 거칠게 만들 수 있고, 그렇게 함으로써 물질 및 열 전달 및/또는 입자 제거/반응을 촉진할 수 있다. 조도(roughness)는 예컨대 30μm ~ 100μm 섬유와 같이 거친 출발 물질 및/또는 코팅 방법에 의해 제공된다. 조도, 지지물(support) 두께 및/또는 촉매 활성층(catalytically active layer)의 수는 하나 또는 그 이상의 촉매의 축 방향을 따라서 바람직하게 변할 수 있다.
본 발명의 구조상의 실시예는 어떠한 형태로든 제한되지 않는다. 본 발명의 실시예에 따르면, 본 발명의 촉매는 유동 방향에 대하여 병렬 또는 직렬로 결합된 여러 가지 구조로 존재할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 박판은 1.4μm를 넘는 조대 입자와 10nm를 넘는 기공을 가지는 지지물(support)에 의해 최소한 부분적으로 피복된다. 바람직하게는 실질적으로 다공성 박판의 모든 기공이 상기 지지물로 충진된다. 바람직하게는 상기 다공성 박판의 양 크기를 모두 가지는 개방 채널이 존재한다. 지지물 및/또는 필터 장치로서 섬유층과 같은 임의의 추가 층이 필요하지 않다. 코팅된 다공성 박판은 예컨대 개방 채널에서 사용되는 매끈한 박판에 비해 구조가 단순하고, 제조가 용이하며, 입자의 감소율이 높다.
놀랍게도, 1.4μm가 넘는 조대한 입자와 10nm가 넘는 기공을 가지는 지지물로 다공성 박판을 피복할 경우, 개방 채널에서 흐르는 입자의 감소율이 실질적으로 향상된다는 것이 발견되었다. 입자의 감소율은 입자의 발생원과 조성에 매우 크게 의존한다. 입자들은 다양한 양의 휘발성 유기 화합물(volatile organic compounds, 이하 'VOF'라 함), 고체 탄소, 황, 수분, 그리고 금속 산화물을 포함한다. 표준 산화 촉매는 대부분의 VOF를 산화시키고 10% ~ 60%의 입자 질량을 감소시킬 수 있다. 새로운 발명에 의해 입자 감소율을 20% ~ 25% 향상시킬 수 있다.
새로운 다공성 박판의 중요한 성질은 막힘 현상이 전혀 발생하지 않거나 발생하더라도 최소한에 그친다는 것이다. 이것은 매우 중요하고, 본 발명에 따른 다공성 박판은 대부분의 요구 조건에서 사용이 가능하며, 많은 용도에서 유용하다.
개방 채널에서의 기체 흐름은 지지물의 거친 입자와 기공으로 인해 다공성 박판 표면에서 감소된다. 기공과 거친 입자를 가지는 재료로 코팅된 다공성 박판은 효율적인 개방 입자 트랩(trap)으로 작용한다. 이것은 불순물 기체와 입자 간의 접촉을 늘리고, 따라서 체류 시간과 불순물 감소를 증가시킨다. 불순물 입자는 매끈한 박판에 비해 다공성 박판에 불순물 입자가 더욱 잘 부착된다.
다공성 박판에 부착된 입자는 기체상 불순물로 변하고, 뒤이어 무해한 화합물로 분해된다. 기체의 일부분이 다공성 박판의 통로(opening)에 있는 지지물의 기공을 통하여 흐를 수 있고, 입자들은 지지물 표면에 부착된다. 이것도 또한 입자 감소율의 향상을 가져온다. 한편, 다공성 박판은 막힘 현상이 발생하지 않거나 최소한에 그치고, 다공성 박판의 근처에서 압력 손실이나 기체의 유속이 감소되지 않는다. 이것은 작동 실패를 줄이고, 따라서 다공성 박판의 효율을 향상시킨다.
다공성 박판의 측면 간 압력 차이는 다공성 박판의 기공과 지지물을 통하여 흐르는 배기가스의 흐름을 향상시킨다. 이 현상은 입자가 지지물에 부착되도록 하고, 배기가스로부터의 입자 감소율이 더욱 향상되도록 한다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 상기 지지물의 중간 기공 크기는 5nm를 상회하고, 바람직하게는 10nm ~ 50nm, 예컨대 15nm ~ 20nm이다. 지지물의 최적 기공 크기도 배기가스와 다공성 박판 부근의 기체 흐름 환경에 의존한다. 배기가스는 예컨대 5nm ~ 200nm의 중간 입자 크기를 가질 수 있고, 중간 기공 크기는 예컨대 5nm ~ 20nm가 될 수 있다.
다공성 박판은 바람직하게는 망상 박판(mesh sheet), 금속 발포 박판(metal foam sheet), 소결 금속 박판(sintered metal sheet), 짜여진 와이어 망(knitted wire mesh), 세라믹 섬유 박판(ceramic fiber sheet) 등이 될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 다공성 박판은 망상 박판이다. 바람직하게는 망상 박판의 메시 번호(mesh number)는 30 ~ 300이다. 배기가스의 적어도 일부분은 망상 박판의 통로에서 10nm가 넘는 기공을 가지는 지지물을 관통하여 흐를 수 있다. 이것은 배기가스 입자가 지지물 표면에 부착되도록 함으로써, 입자 감소율이 실질적으로 향상되도록 한다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 망상 박판의 중간 통로 크기(median opening size)는 0.01nm ~ 0.5nm 이며, 바람직하게는 0.05nm ~ 0.3nm, 예컨대 0.08nm ~ 0.2nm 이다.
다공성 박판의 통로 형상은 가변적이다. 도관(canal), 정사각형, 다이아몬드, 구멍(hole) 등과 유사한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어 다이아몬드형 박판에서는 와이어(wire)가 단일 층으로 놓일 수도 있고, 엇갈리게 놓일 수도 있다.
다공성 박판은 예를 들어 주름진 형태나 평평한 형태를 가질 수 있다. 바람직하게는 상기 다공성 박판은 주름진 망상 박판과 같은 주름진 박판이다. 이는 불순물 기체 및 입자와 지지물 사이의 접촉을 늘려서 체류 시간 및 불순물 감소를 증가시킨다.
본 발명의 한 실시예에 따르면 상기 지지물은 지지물 면으로부터 뻗쳐 있는 섬유질을 포함한다. 이것도 또한 입자의 유속을 감소시켜 지지물에 대한 입자의 부착을 증가시킴으로써 입자 감소를 증가시킨다.
거친 지지물은 예컨대 밀링(milling)에 의해 만들 수 있다. 조대한 입자 부분을 밀링 공정에 추가하면 지지물의 기공 크기 분포가 현저하게 변화한다. 거친 지지물 재료는, 예컨대 와시코트(wash coat) 슬러리와 조대한 알루미나(alumina) 입자를 30분 내지 120분 동안, 예컨대 40분 내지 60분 동안 볼 밀(ball mill)에 의해 밀링 함으로써 만들 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 지지물의 중간 입자 크기는 1μm를 상회하며, 바람직하게는 1.4μm ~ 15μm, 예컨대 2μm ~ 10μm 이다. 그 수치는 배기가스의 중간 입자 크기와 다공성 박판 표면 부근의 기체 유속에 어느 정도 의존한다. 또한 다공성 박판의 기공 크기에도 의존한다. 조대 입자의 면적 질량(area mass)은 예를 들자면 20g/m2 ~ 200g/m2 가 될 수 있고, 바람직하게는 20g/m2 ~ 80g/m2, 예컨대 35g/m2 ~50g/m2 이다. BET 방법에 의해 측정된 지지물의 비표면적은 예를 들자면 30m2/g ~ 300m2/g가 될 수 있고, 바람직하게는 150m2/g ~ 250m2/g, 예컨대 150m2/g ~ 200m2/g 이다.
조대 입자는 예컨대 알루미나, 실리카, 지르코니아, 세리아 또는/ 및 티타니아 입자가 될 수 있다. 또한 배기가스 처리에 적합한 다른 입자도 될 수 있다. 최적의 입자는 예컨대 볼 밀링(ball milling)에 의해 용이하게 밀링 될 수 있는 조대한 알루미나 입자가 될 수 있다. 이 선택된 알루미나 입자들은 처음처럼 둥근 형상을 하고 있고, 따라서 가스 정화를 위한 적합한 효과가 밀링에 의해 유지된다. 최초의 중간 입자 크기는 예를 들자면 100μm ~ 250μm 로 할 수 있고, 예컨대 150μm ~ 200μm 로 하거나, 170μm 로 할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 지지물은, 조대한 촉매 불활성(catalytically inert) 알루미나, 실리카, 지르코니아, 세리아 또는/ 및 티타니아 입자를 포함한다. 바람직하게는 지지물의 적어도 일부분은 미세한 촉매 활성 지지물 재료와 조대한 촉매 비활성(catalytically inactive) 입자를 함께 밀링 함으로써 만들 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 기공 부피는 바람직하게는 0.3cm3/g ~ 0.8cm3/g, 예컨대 0.4cm3/g이다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 상기 지지물은 미세한 촉매 활성 물질을 포함한다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 상기 지지물은 조대한 촉매 불활성 물질을 포함한다.
촉매 와시코트(catalyst wash coats), 즉 산화 목적으로 준비된 촉매 와시코트가 최적의 것이 될 수 있다. 일반적으로 어떠한 와시코트라 해도 선택된 조대한 입자에 의해 거칠게 만들어질 수 있는 것으로 생각된다. 전형적인 산화 와시코트는 도 8에 나타낸 것과 같다. BET 비표면적은 230m2/g 일 수 있고, 중간 입자 크기는 1.5μm ~ 3.5μm 일 수 있으며, 지지물의 면적 질량은 예컨대 40g/m2 일 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 개방 채널을 가진 담체는 본 발명에 따른 적어도 하나의 다공성 박판을 포함한다. 바람직하게는 상기 박판은 주름진 박판이다. 더욱 바람직하게는 상기 박판은 주름진 망상 박판이다. 상기 박판을 구비한 담체는 효과적인 개방 입자 트랩(trap)으로서 작용하고, 이는 입자 감소를 증가시킨다. 반면에, 담체의 개방 채널은 막히지 않고, 막힘 현상이 발생한다고 해도 최소한에 그치며, 담체에서의 압력 손실과 기체 유속은 감소되지 않는다. 이것은 작동 실패를 줄이고, 따라서 담체의 효율을 높인다.
상기 담체는 본 발명에 따른 다공성 박판 외에 다른 박판을 포함할 수도 있다. 다른 박판은 예를 들어, 평평하거나, 주름지거나, 매끈하거나, 천공되거나, 망상이거나, 와이어 망상이거나, 섬유질 박판일 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 다른 박판은 주름진 박판이다. 바람직하게는 상기 다른 박판은 주름진 망상 박판이다. 다른 박판으로서 주름진 망상 박판을 사용함에 따라, 입자의 체류 시간이 증가하고, 입자의 충돌도 또한 증가한다. 이것은 입자 감소율을 증가시키고, 따라서 담체의 효율을 향상시킨다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 다른 박판은 와이어 망상 박판이다. 담체에 와이어 망상 박판을 사용함에 따라, 상기 담체에서의 입자 체류 시간을 증가시킴으로써 입자 감소율이 향상될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 다른 박판은 섬유질 박판이다. 담체에 섬유질 박판을 사용함에 따라, 상기 담체에서의 입자 체류 시간을 증가시킴으로써 입자 감소율이 향상될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 다른 박판은 적어도 부분적으로는 지지물로 피복되어 있다. 그 지지물은 다공성 박판에 사용된 것과 동일한 지지물일 수도 있고, 다른 지지물일 수도 있다. 다른 박판에 사용되는 바람직한 지지물은 조대한 입자 및/또는 상기 지지물 면으로부터 뻗쳐 나온 섬유질을 포함한다. 바람직하게는 다른 박판의 지지물은 0.4μm를 상회하는, 예컨대 1.5μm ~ 3.5μm 의 중간 입자 크기를 가진다. 이것은 입자의 부착을 실질적으로 증가시키고, 따라서 상기 담체에서의 입자 감소율을 향상시킨다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 다른 박판은 1.4μm를 상회하는 중간 입자 크기 및/또는 10nm를 상회하는 기공을 가지는 지지물로 실질적으로 피복되어있다. 이것도 또한 박판에 대한 입자의 부착을 증가시킴으로써 불순물 입자의 감소율을 향상시킨다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 다공성 박판 및/또는 다른 박판은 압인부(impression) 및/또는 돌출부(projection)를 가진다. 이것은 담체 표면에 대한 기체와 불순물 입자의 충돌을 증가시키고, 따라서 입자 감소율을 높인다. 이것은 배기가스의 불순물 입자에 대한 수치가 더욱 감소되도록 한다. 기체의 충돌은 또한 기체와 촉매 활성 물질의 접촉을 더욱 증가시키고 따라서 기체 불순물의 감소율을 더욱 향상시킨다.
연소 엔진의 배기가스의 입자들은 본 발명에 따른 다공성 박판을 구비한 담체에 의해 효율적으로 처리될 수 있다. 불순물 입자의 감소율은 종래 담체에 비해 놀라울 정도로 높다. 또한 기체 불순물의 감소율도 높다. 본 발명에 따른 다공성 박판은 막히지 않으며, 막힘 현상이 발생한다고 해도 최소한에 그치기 때문에 담체에서 배기가스의 유속에 미치는 영향이 없다. 또한 담체에서의 압력 손실도 최소한에 그친다.
담체는 예컨대 예비 산화 촉매(pre-oxicatalyst) 또는 SCR 촉매(SCR- catalyst) 일 수 있다. 이와 같은 담체는 연소 엔진의 배기가스 중의 불순물 입자를 정화하는데 보다 바람직하게 사용될 수 있다. 담체의 구조는 변화 가능하다. 담체를 권취형이나 적층형으로 구성할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 금속, 세라믹, 금속 산화물, 탄화규소(SiC) 및/또는 질화규소(silicon nitride) 물질로 만들어진 하나 또는 여러 개의 촉매 담체에 촉매가 코팅되어 있다. 본 발명의 촉매 코팅은, 용도에 따라 사각형이나 삼각형과 같은 셀(cell) 형상, 셀 밀도(10cpsi ~ 2000cpsi, cpsi 단위는 제곱 인치당 셀 수, 즉 cells per square inch의 의미임), 또는 벽의 두께(10μm ~ 500μm)가 광범위하게 변화 가능한 표준 세라믹 또는 금속 셀이나 담체에 사전 혹은 사후 코팅될 수 있다. 방출 가스에 함유된 입자 또는 황 화합물의 함량이 높다면 매우 큰 채널 크기(< 100cpsi)가 촉매에 사용될 수 있다. 입자 및 황의 함량이 낮은 경우에는 매우 작은 채널 크기(예컨대 > 500cpsi)가 셀에 사용될 수 있다. 디젤의 경우, 전형적인 셀 개수는 50cpsi ~ 600cpsi 이다. 이 변수들의 수치는 셀 내에서, 또는 그 다음 셀에서도 변화 가능하며, 이것은 효율적인 혼합, 낮은 압력 감소, 또는 기계적 강도 때문에 유익하다.
코팅될 셀은, 각 채널마다 예컨대 절곡부(bent), 유동 장애물, 또는 교축부(throttling)와 같은 혼합 영역을 가지거나, 또는 그 구조가 포개놓는, 주름진 곡형 포일(foil)이나 판(plate)에 의해, 파형부 마루의 방향이 유입 가스의 그것으로부터 벗어나고, 포개어진 판금의 파형부 마루가 각각 서로 다른 방향으로 향하는 그런 형태가 되도록 만들어지는, 일종의 정적 혼합 구조로서도 작용할 수 있다. 종래의 금속 셀에서는 주름진 포일의 파형부 마루가 서로 나란하며, 주된 유동 방향과도 평행하다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 담체는 하나 또는 여러 개의 셀 형태 또는 다공성 구조체에 코팅이 되어 있다. 그것의 채널은 유동 방향에 평행할 수 있고, 그리고/또는 다른 방향을 가질 수도 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 담체는 하나 또는 여러 개의 입자 분리 및/또는 혼합 구조체에 코팅이 되어 있다. 본 발명의 한 실시예에 따르면, 담체는 세라믹, 금속, 금속 산화물, 실리카(SiO2) 및/또는 질화규소(silicon nitride) 물질로 만들어진 필터 또는 입자 트랩과 결합될 수 있다.
파형부의 마루와 주된 유동 방향 간의 각도를 변경함으로써 혼합 효율이 조절될 수 있다. 혼합 구조에 의해, 관의 반경 방향으로 유동 혼합이 이루어진다. 혼합 구조에 의해, 표준 셀 구조에 비해 높은 속도의 입자 분리가 이루어진다. 또한, 코팅될 구조체는 부분적으로 또는 전체적으로 망상 금속, 소결된 다공성 금속, 섬유질, 또는 입자 트랩을 포함한다.
또한 본 발명의 촉매는, 유동 방향에 직렬 또는 병렬로 위치하는, 두개 또는 여러 개의 전술한 촉매 구조체에 코팅될 수도 있다. 상이하거나 동일한 크기의 촉매 구조체는 단일 촉매 컨버터에 통합될 수도 있고, 필수적인 관으로 연결된 개별 컨버터에 존재할 수도 있다. 본 발명의 촉매의 조성, 귀금속(예컨대 Pt)의 양, 셀의 개수(기하학적 표면적), 또는 구조는 동일하거나 상이할 수 있다.
최근의 디젤 엔진들은 대체로 터보가 제공되며, 따라서 배기관의 온도가 낮고, 엔진에서 매우 가까운 위치에는 큰 컨버터가 들어갈 만한 공간이 존재하지 않는다. 이러한 이유로, 본 발명의 촉매 코팅은, 촉매에서 반응이 개시될 수 있게 배기가스 온도를 최대화시킬 수 있도록 한 다수의 보다 작은 구조체로 나누어진 형태로 해서 결집시킬 수 있다. 따라서 터보의 상류측(사전 터보 촉매)이나 또는 터보의 바로 하류측(사전 촉매)에 예컨대 하나 또는 다수의 작은 촉매 셀 또는 다른 구조체(금속 섬유, 혼합기)를 사용하는 것이 바람직하다. 촉매 코팅은 또한 배기가스 경로의 임의의 지점에서, 배관이나 구조체(터보의 윙(wing), 실린더 또는 터보의 출구)의 벽에 위치할 수도 있다.
하류측 처리를 위해 입자 분리기 외에 산화 촉매도 필요로 하는 경우, 상기 입자 분리기도 또한 본 발명의 촉매 코팅으로 코팅될 수 있다. 이와 같은 방식으로, 아주 소형인 구조체가 얻어진다. 입자 분리기는 세라믹, 금속, 금속 산화물, 탄화물(예컨대 SiC), 질화물 재료(SiH2), 질화물 또는 그 혼합물로 만들어질 수 있다. 구조는, 벽의 구멍을 통하여 기체가 흐르고, 유동 방향에서 분리기의 입구 측에 입자들이 잔류하는 셀형 입자 트랩이나 막대형 구조를 가질 수 있다. 섬유질형, 망상형, 발포형, 또는 평판형 구조를 포함하는 또 다른 형태의 입자 분리기가 있는데, 이 역시 본 발명의 촉매로 코팅될 수 있다. 이상과 같은 구조체들은 입자를 분리시킬 것 말고도 비용상의 이유나 혹은 압력 강하가 낮다는 이유로 해서 사용될 수 있는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 촉매는 다수의 중첩된 코팅 층들로 구성될 수 있으며, 적어도 그 중 하나는 본 발명에 의한 층이다. 본 발명의 촉매는 본 발명의 다른 층으로 코팅될 수 있으며, 상부층 또는 표면층에는 활성 금속이 존재하지 않는다. 이 보호층은, 완전히 활성인 금속이 촉매로부터 제거되는 것을 방지하고, 하부층을 비활성화로부터 보호하며, 입자가 표면에 흡착되는 것을 촉진하고, 그리고/또는 표면층의 전기적 성질(전기 전도도, 대전 등)을 하부층과 비교하여 변경시킬 수 있다.
촉매는 예컨대 Sc, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Cu, La, Au, Ag, Ga, In, 및/또는 Ce를 촉매 활성 물질로서 포함한다.
바람직하게는 담체는 서로 기울어진 각도를 가지며 함께 적층된 주름진 박판들을 가질 수 있다. 바람직하게는 측면의 각도는 5도 내지 30도이다. 바람직하게는 저항 용접에 의해 교차점에서 함께 접합될 수 있다. 이와 같은 개방 채널에서는 직선형 채널에 비해 물질 및 열 전달이 매우 크다.
담체는 압인부 및/또는 돌출부를 가진 권취형 담체일 수도 있다. 이것은 소용돌이치는 움직임을 만들고, 결과적으로, 예컨대 직선형 채널에 비해 물질 및 열 전달을 더욱 우수하게 만든다.
담체에서의 고르지 않은 유속은 지지물의 기공을 관통하는 기체 흐름을 증가시킴으로써 본 발명에 따른 다공성 금속에서의 입자 감소율을 향상시킬 수 있다. 이와 같이 증가된 기체 흐름은 이웃하는 채널들 사이의 압력 차이에 기인하는 것이다. 또한 압인부와 돌출부도 담체에서의 압력 차이를 유발함으로써 본 발명에 따른 다공성 박판을 통과하는 기체 흐름을 증가시킨다. 이와 같은 기체 흐름 증가 현상으로 인해 입자가 지지물에 부착되고, 배기가스로부터의 입자 감소율이 더욱 향상되게 된다.
담체는 원뿔이나 관의 모양을 할 수도 있다. 담체의 형상은 예를 들자면 엔진 및 배기가스에 의존한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 몇 가지 실시예를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 평평한 다공성 박판과 매끈하고 주름진 다른 박판을 가지는 담체를 도시한 도면.
도 2는 주름진 다공성 박판과 평평한 다른 박판을 가지는 담체를 도시한 도면.
도 3은 주름진 다공성 박판과 매끈하고 주름진 다른 박판을 가지는 담체를 도시한 도면.
도 4는 함께 결합된 주름진 다공성 박판을 가지는 담체를 도시한 도면.
도 5는 주름진 다공성 박판, 섬유질 박판, 그리고 매끈한 다른 박판을 도시한 도면.
도 6은 거친 입자와 섬유질을 가지는 지지물에 의해 부분적으로 피복된 망상 박판을 도시한 도면.
도 7은 거친 입자를 가지는 지지물에 의해 부분적으로 피복된 망상 박판을 도시한 도면.
도 8은 거친 지지물로 실질적으로 피복된 망상 박판을 도시한 도면.
도 9는 거친 지지물로 실질적으로 피복된 망상 박판을 보여주는 사진.
도 10은 망상 박판의 단면도.
도 11은 망상 박판의 표면 단면도.
도 12는 함께 결합된 망상 박판의 삼차원 그림.
도 13은 종래 기술에 따른 촉매와 본 발명에 따른 촉매에 대한 실험 결과를 보여주는 도표.
도 14는 거친 입자를 가진 지지물 및 거친 입자를 가지지 않는 지지물의 기공 크기 분포를 보여주는 도표.
도 1에서 담체(1)는 함께 접합된 평평한 망상 박판(3a)과 매끈하고 주름진 다른 박판(2a)을 포함함으로써 그 사이에 개방 채널(4)이 존재한다. 도 2에서 담체(1)는 함께 접합된 주름진 망상 박판(3b)과 매끈하고 평평한 박판(2b)을 포함함으로써 그 사이에 개방 채널(4)이 존재한다. 도 3에서 담체(1)는 함께 접합된 주름진 망상 박판(3b)과 매끈하고 주름진 다른 박판(2a)을 포함함으로써 그 사이에 개방 채널(4)이 존재한다. 도 4에서 담체(1)는 함께 접합된 주름진 망상 박판(3b)들을 포함함으로써 그 사이에 개방 채널(4)이 존재한다. 도 5에서 담체(1)는 함께 접합된 주름진 망상 박판(3b)과 와이어 망상 박판(5), 그리고 매끈하고 평평한 박판(2b)를 포함함으로써 그 사이에 개방 채널(4)이 존재한다. 이 모든 실시예에서 기체가 개방 채널을 통하여 흐를 수 있고, 압력 차이와 유체 환경에 의존하여 기체는 본 발명에 따라 거친 재료로 코팅된 박판을 관통하여 흐르기도 하며, 배기가스의 입자들은 지지물에 부착된다. 입자들은 또한 거친 입자들 및 섬유질과의 충돌로 인해 지지물에 부착되기도 한다. 바람직하게는 상기 다공성 박판의 두 크기를 모두 가지는 개방 채널이 존재한다.
도 6 내지 도 8에서는 와이어(31)를 포함하는 망상 박판(3)이 도시되어 있는데, 정사각 통로(32)가 형성되어 있다. 도 6에서는 망상 박판(3)이 거친 입자와 섬유질을 포함하는 지지물(33)에 의해 부분적으로 피복되어있다. 도 7에서는 망상 박판(3)이 거친 입자를 포함하는 지지물(33)에 의해 부분적으로 피복되어 있다. 도 8에서는 망상 박판(3)의 통로(32)가 거친 입자를 가지는 지지물(33)에 의해 실질적으로 피복되어있다. 이러한 다공성 박판들은 본 발명의 예시이며, 본 발명에 따른 다공성 박판의 제조와 이용에 대한 많은 가능성이 존재한다는 것을 보여준다.
도 9는 약 2μm의 중간 입자 크기를 가지는 거친 지지물(43)로 피복되어있는 망상 박판(41)에 대한 사진이다.
도 10 및 도 11에서는 망상 박판(3)이 미세한 입자(33p)와 거친 입자(33p)를 가지는 지지물(33)로 피복되어있다. 거친 지지물은 망상 박판(3)의 와이어(31)와 통로(32) 모두를 실질적으로 뒤덮고 있다. 배기가스(G)는 지지물(33)의 기공(35)을 거쳐서 망상 박판을 관통하여 흐를 수 있다. 배기가스의 입자들은 지지물의 표면에 우선적으로 부착된다.
도 12에서 담체(1)는 함께 접합된 주름진 망상 박판(3b)들을 포함한다. 이러한 망상 박판들은 본 발명의 거친 지지물로 피복될 수 있다. 이 망상 박판들 사이에는, 배기가스가 상기 담체(1)를 관통하여 자유롭게 흐를 수 있도록 하는 개방 채널(4)이 존재한다. 이 실시예는 배기가스로부터 입자를 끌어내는데 있어 매우 바람직하다.
도 13은 종래 기술에 의한 촉매와 본 발명에 의한 촉매를 사용한 실험 결과를 보여주고 있다. 종래 기술에 의한 통상의 촉매(DOC)는 함께 롤 되고 침으로 접합된 평평한 박판 및 주름진 매끈한 박판을 포함한다. 지지물은 약 1.0μm의 중간 입자 크기를 가지며, 그 안에 거친 입자는 존재하지 않는다. 본 발명에 따른 촉매(POC)는 2μm의 중간 입자 크기를 가지는 거친 지지물을 포함한다. POC-18534는 함께 롤 되고 압인부(impression)를 가지는 평평한 망상 박판 및 매끈한 주름진 박판을 포함한다. POC-18535는 상호간에 20도 각도의 경사를 가지고 함께 적층된 주 름진 망상 박판들을 포함한다. 망상 박판들은 교차점에서 저항 용접에 의해 함께 접합되어 있다.
도 14에는 지지물의 측정 결과가 나타나 있다. wc500에서 통상의 지지물은 1.4μm의 중간 입자 크기와 8nm의 중간 기공 크기를 가진다. wc501에서 지지물은 거친 입자들을 포함하고, 중간 입자 크기는 3.0μm이며, 중간 기공 크기는 10nm를 상회한다.
본 발명에 따른 담체에 의한 입자의 감소율은 33% 및 37%였으며, 종래 기술에 따른 담체에 의한 감소율은 12%였다. 결과는 놀라울 정도로 높으며, 본 발명의 망상 박판 및 그 망상 박판을 사용한 담체의 효율을 뚜렷하게 증명해 준다. 질소산화물(NOx)의 감소율도 종래 기술에 따른 촉매(4%)에 비해 본 발명에 따른 촉매(9%, 16%)가 훨씬 높았다. 일산화탄소(CO) 감소율과 총탄화수소(THC) 감소율은 모든 촉매에서 동일한 수준이었다. 이는, 본 발명에 따른 촉매가 입자의 감소 뿐만 아니라 배기가스 성분도 효율적으로 감소시킨다는 것을 보여준다. 이 조합은 연소 엔진의 배기가스를 처리하는 데 있어 매우 바람직하다.

Claims (28)

  1. 개방 채널에서 연소 엔진의 배기가스를 처리하는 망상 박판에 있어서,
    중간 기공 크기가 10nm를 넘는 기공들(35)과 크기가 1.4μm를 넘는 중간 입자들을 구비하며 면적 질량이 20g/m2 ~ 200g/m2인 지지물(33)에 의해, 상기 망상 박판(3, 3a, 3b)의 통로들(32)의 적어도 일부분이 충진되며, 상기 망상 박판(3, 3a, 3b)의 와이어들(31)이 피복되는 것을 특징으로 하는 망상 박판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 망상 박판(3, 3a, 3b)의 통로들(32)이 상기 지지물(33)에 의해 본질적으로 충진되는 것을 특징으로 하는 망상 박판.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 망상 박판(3, 3a, 3b)의 통로들(32)이 상기 지지물(33)에 의해 부분적으로 충진되는 것을 특징으로 하는 망상 박판.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 망상 박판(3)의 메시 크기가 30 ~ 300인 것을 특징으로 하는 망상 박판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 망상 박판이 주름진 박판(3b)인 것을 특징으로 하는 망상 박판.
  6. 제1항에 있어서,
    지지물(33)의 중간 입자 크기가 1.5μm ~ 3.5μm 인 것을 특징으로 하는 망상 박판.
  7. 제1항에 있어서,
    지지물(33)의 적어도 일부분이 밀링된 것을 특징으로 하는 망상 박판.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 지지물(33)의 BET 비표면적이 30m2/g ~ 300m2/g인 것을 특징으로 하는 망상 박판.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 지지물(33)은 상기 지지물 면으로부터 뻗쳐 나온 섬유질을 포함하는 것을 특징으로 하는 망상 박판.
  10. 연소 엔진의 배기가스를 처리하는 개방 채널을 가지는 금속 담체에 있어서,
    상기 담체(1)는 제1항에 따른 적어도 하나의 망상 박판을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 담체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 담체(1)가 적어도 하나의 다른 박판(2a, 2b, 5)을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 담체.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 다른 박판(2a, 2b, 5)은 매끈하거나, 천공되거나, 망상이거나, 와이어 망상이거나, 섬유질 박판인 것을 특징으로 하는 금속 담체.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 다른 박판이 평평한 박판(2b)인 것을 특징으로 하는 금속 담체.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 다른 박판이 주름진 박판(2a, 5)인 것을 특징으로 하는 금속 담체.
  15. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    다른 박판(들)(2a, 2b, 5)과 망상 박판(들)(3, 3a, 3b)이 동일 지지물(33)에 의해 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 담체.
  16. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    망상 박판(들)(3, 3a, 3b) 및 다른 박판(들)(2a, 2b, 5) 중 적어도 하나는 압인부 또는 돌출부, 또는 압인부와 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 담체.
  17. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 담체(1)가 예비 산화 촉매, 가수분해 촉매 또는 SCR 산화 촉매인 것을 특징으로 하는 금속 담체.
  18. 개방 채널에서 연소 엔진의 배기가스를 처리하는 망상 박판을 제조하는 방법에 있어서,
    중간 기공 크기가 10nm를 넘는 기공들(35)과 1.4μm를 넘는 중간 입자들을 구비하며 면적 질량이 20g/m2 ~ 200g/m2인 지지물(33)에 의해, 망상 박판(3, 3a, 3b)의 통로들(32)의 적어도 일부분이 충진되며, 상기 망상 박판(3, 3a, 3b)의 와이어들(31)이 피복되는 것을 특징으로 하는 망상 박판 제조 방법.
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