KR200479307Y1 - 금속지지체를 이용한 수소제거용 촉매체 - Google Patents
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Abstract
본 고안은 취성이 강한 세라믹 재질 대신 강도가 우수하고 충격에 강한 금속재질을 수소제거 촉매체로 사용하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 고안의 수소제거용 촉매체는, 내부에 다수의 셀을 포함하여 이루어지며, 각 셀마다 수소의 진행방향에 대해 평행하도록 접촉면이 형성되는 허니컴타입의 원통형 또는 육면체 형상의 수소제거용 촉매체에 있어서, 상기 촉매체는 셀과 셀 사이 벽의 두께가 0.01 ~ 0.20 mm를 갖는 금속지지체로 이루어지며, 상기 수소제거용 촉매체의 셀 단면은 물결파형, 삼각형, 사각형, 육각형 중 어느 하나로 이루어지는 특징으로 한다.
본 고안에 의하면, 강도가 우수하고 충격에 강한 금속지지체를 이용하여 수소제거용 촉매체로 제조함으로써, 원자력 발전소, 디젤 잠수함 또는 수소의 폭발이 발생되는 장소에서 촉매반응을 방해하는 수분의 흡수가 이루어지지 않아 수소의 제거가 원활하게 이루어질 수 있고, 셀과 셀 사이 벽의 두께를 얇게 하는 것이 가능하기 때문에 수소의 흐름이 원활해져 압력손실 저감되어 수소제거 효율이 향상되며, 고온에서도 내구성이 강한 희토류를 포함한 물질을 촉매담체로 사용하여 수소제거가 원활하게 이루어질 수 있는 장점이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 고안의 수소제거용 촉매체는, 내부에 다수의 셀을 포함하여 이루어지며, 각 셀마다 수소의 진행방향에 대해 평행하도록 접촉면이 형성되는 허니컴타입의 원통형 또는 육면체 형상의 수소제거용 촉매체에 있어서, 상기 촉매체는 셀과 셀 사이 벽의 두께가 0.01 ~ 0.20 mm를 갖는 금속지지체로 이루어지며, 상기 수소제거용 촉매체의 셀 단면은 물결파형, 삼각형, 사각형, 육각형 중 어느 하나로 이루어지는 특징으로 한다.
본 고안에 의하면, 강도가 우수하고 충격에 강한 금속지지체를 이용하여 수소제거용 촉매체로 제조함으로써, 원자력 발전소, 디젤 잠수함 또는 수소의 폭발이 발생되는 장소에서 촉매반응을 방해하는 수분의 흡수가 이루어지지 않아 수소의 제거가 원활하게 이루어질 수 있고, 셀과 셀 사이 벽의 두께를 얇게 하는 것이 가능하기 때문에 수소의 흐름이 원활해져 압력손실 저감되어 수소제거 효율이 향상되며, 고온에서도 내구성이 강한 희토류를 포함한 물질을 촉매담체로 사용하여 수소제거가 원활하게 이루어질 수 있는 장점이 있다.
Description
본 고안은 금속지지체를 이용한 수소제거용 촉매체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속지지체에 촉매 담체를 코팅하여 수소제거용 촉매체로 활용함으로써, 종래 세라믹을 지지체로 이용한 촉매체에 비해 강도가 높고 충격에 강하며 수소 제거 효율을 높일 수 있는 금속지지체를 이용한 수소제거용 촉매체에 관한 것이다.
원자력 발전소에서 사용되는 피동형 자동촉매 재결합기(Passive Autocatalytic Recombiner, PAR)는 허니컴형태의 다공성 세라믹지지체를 촉매체로 사용하고 있다. 상기 피동형 자동촉매 재결합기는 사고에 의해 발생된 수소를 공기 중의 산소와 결합시켜 물로 전환시키는 발열반응을 통해, 전원공급이 없이도 자연대류를 통해 수소를 제거한다.
원자력 발전소에서 중대사고의 시발점인 냉각수 상실사고가 발생하게 되면, 원자로 격납용기 내부에 냉각수가 분출되게 되며, 사고의 확산 방지를 위해 물을 포함한 화학용액을 살수하게 되는데, 이로 인해 원자로 내에는 습도가 높아지게 된다.
국내등록실용신안 제20-0464123호 (등록일자: 2012. 12. 06.) 의 경우 피동형 자동촉매 재결합기(PAR)에 관한 것으로서, 다공성 허니컴 형태의 세라믹 표면에 알루미나를 코팅한 후 다시 백금을 코팅하여 촉매체로 이용하는 것을 특징으로 하고 있다. 그러나, 촉매체로 사용되는 상기 세라믹 재질은 취성이 높아 충격에 의한 파손위험이 매우 높고, 이로 인해 원전의 내진 설계조건을 만족하기가 용이하지 않은 문제가 있다. 또한, 기공율이 20 ~ 35%에 이르러 수분 흡수율이 높기 때문에, 화재 등 원자로 사고시의 살수환경에서, 촉매체가 수분을 흡수함으로 인해 결과적으로 수소제거가 용이하지 않은 문제가 있다.
또한 세라믹재질의 경우, 취성이 높은 이유로 인해 셀 벽의 두께를 얇게 하는데 제한이 따르는 문제가 있다. 도 4에서 보는 바와 같이, 셀과 셀 사이 벽의 두께(d)가 두꺼울 경우 촉매체를 통과하는 수소가 일정 두께를 갖는 셀 벽의 단면에 부딪히며 발생하는 압력손실이 커지게 되며, 이로 인해 수소의 흐름이 방해되면서 수소제거율이 저하되는 문제가 있다.
본 고안은 상기 종래기술이 갖는 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 강도가 우수하고 물리적 충격에 강하며, 촉매반응을 방해하는 수분의 흡수가 이루어지지 않아 사고시 살수환경에서도 수소의 제거가 원활하게 이루어지며, 셀과 셀 사이 벽의 두께를 세라믹 촉매체보다 얇게 하는 것이 가능하여 압력손실의 저감을 통해 수소의 흐름을 원활하게 하여 수소제거 효율을 높이며, 고온에서 내구성이 강한 희토류를 포함한 물질을 촉매 담체로 사용하여 수소를 제거할 수 있는 금속지지체를 이용한 수소제거용 촉매체에 관한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 고안의 수소제거용 촉매체는, 내부에 다수의 셀을 포함하여 이루어지며, 각 셀마다 수소의 진행방향에 대해 평행하도록 접촉면이 형성되는 허니컴타입의 원통형 또는 육면체 형상의 수소제거용 촉매체에 있어서, 상기 촉매체는 셀과 셀 사이 벽의 두께가 0.01 ~ 0.20 mm를 갖는 금속지지체로 이루어지며, 상기 수소제거용 촉매체의 셀 단면은 물결파형, 삼각형, 사각형, 육각형 중 어느 하나로 이루어지는 특징으로 한다.
또한, 상기 수소제거용 촉매체를 이루는 금속지지체는, FeCrAl, FeCrAlY, NiCr, NiCrAl, NiFeCrAl, inconel, stainless steel 중 어느 하나로 이루어지며, 상기 금속지지체의 표면에는 Ce, La, Pr, Nd, Pt, Pd를 포함하는 귀금속류 또는 희토류 계열, 또는 alumina, titania, zeolite를 포함하는 금속산화물류 중 어느 하나 또는 둘 이상이 혼합되어 촉매 담체로 코팅되는 것을 특징으로 한다.
본 고안에 의하면, 강도가 우수하고 충격에 강한 금속지지체를 이용하여 수소제거용 촉매체로 제조함으로써, 원자력 발전소, 디젤 잠수함 또는 수소의 폭발이 발생되는 장소에서 촉매반응을 방해하는 수분의 흡수가 이루어지지 않아 수소의 제거가 원활하게 이루어질 수 있는 장점이 있다.
또한 본 고안에 의하면, 셀과 셀 사이 벽의 두께를 세라믹 촉매체보다 얇게 하는 것이 가능하기 때문에 수소의 흐름이 원활해져 압력손실이 저감되고 수소제거 효율이 향상되며, 고온에서 내구성이 강한 희토류를 포함한 물질을 촉매담체로 사용하여 수소제거가 원활하게 이루어질 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 고안에 따른 금속지지체를 이용한 수소제거 촉매체의 실시 예 중 육면체 형태를 나타내는 사시도면.
도 2는 본 고안에 따른 금속지지체를 이용한 수소제거 촉매체의 실시 예 중 육면체 형태를 나타내는 단면도면.
도 3은 본 고안에 따른 금속지지체를 이용한 수소제거 촉매체의 실시 예 중 원통형태를 나타내는 사시도면.
도 4는 종래 세라믹 재질을 이용한 수소제거 촉매체를 나타내는 사진.
도 2는 본 고안에 따른 금속지지체를 이용한 수소제거 촉매체의 실시 예 중 육면체 형태를 나타내는 단면도면.
도 3은 본 고안에 따른 금속지지체를 이용한 수소제거 촉매체의 실시 예 중 원통형태를 나타내는 사시도면.
도 4는 종래 세라믹 재질을 이용한 수소제거 촉매체를 나타내는 사진.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시 예를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 고안에 따른 금속지지체를 이용한 수소제거 촉매체의 실시 예 중 육면체 형태를 나타내는 사시도면과 단면도면을 각각 나타낸다. 도 1의 화살표는 수소(H2)가 촉매체에 대해 진행하는 방향을 나타내며, 상기 도 1 및 도 2는 내부에 다수의 셀을 포함하며 각 셀마다 수소의 진행방향에 대해 평행하도록 접촉면이 형성되는 허니컴타입의 촉매체를 보여주고 있다.
도 1(a) 및 도 2(a)는 촉매체의 셀 단면이 물결파형의 형태를 갖는 것을 나타내며, 도 1(b) 및 도 2(b)는 육각형의 형태를, 도 1(c) 및 도 2(c)는 사각형의 형태를 갖는 것을 나타내고 있다. 도면에는 도시되지 않았지만, 셀 단면의 형태는 삼각형의 형태도 포함될 수 있으며, 그 외에도 다양한 단면의 형태를 가질 수 있다.
도 3은 본 고안에 따른 금속지지체를 이용한 수소제거 촉매체의 실시 예 중 원통형태를 나타내는 사시도면이며, 도 4는 종래 세라믹 재질을 이용하여 제조되는 수소제거 촉매체를 보여주고 있다.
본 고안의 촉매체는 각 셀 벽의 두께가 0.01 ~ 0.20mm의 범위에서 이루어지도록 한다. 도 5에 따른 종래 세라믹 재질에 의하면, 취성이 높은 특성상 제조과정에서의 한계로 인해 두께(d)를 0.5mm 미만으로 형성하기가 어려운 문제가 있다.
그러나, 본 고안은 금속재질을 지지체로 이용하기 때문에 두께를 얇게 하더라도 제조가 용이한 특징이 있다. 다만 두께를 0.01 mm 미만으로 하는 경우 원전의 내진 설계치를 만족하지 못할 가능성이 있어 바람직하지 못하고, 0.20 mm를 초과하는 경우 셀 벽의 두께가 두꺼워져 수소가 입력되는 촉매체 전단의 압력과 배출되는 후단의 압력차가 커지게 되며, 이로 인한 압력손실로 수소의 제거율이 저하되어 바람직하지 못하다. 바람직하기는 촉매체의 셀 벽을 이루는 두께가 0.06 ~ 0.15 mm의 범위에서 형성되도록 함으로써, 내진 설계치를 만족하며 또한 수소제거율도 함께 만족될 수 있도록 한다.
본 고안에 사용되는 수소제거용 촉매체는 원자력 발전소 등의 내부에서 사고에 의해 발생되는 수소를 효과적으로 제거하기 위한 것으로서, 일반적으로 발전소 사고시 내부에는 고온이 발생하게 된다. 따라서, 고온에서도 화학적으로 견고하고 쉽게 산화되지 않는 금속을 지지체로 사용함이 바람직하고, 용융 또는 연화되는 온도가 높아야 한다. 또한 두께를 얇게 형성하는 것이 가능하도록 압연 또는 조형 등 가공이 용이하여야 하고, 열에 따른 팽창계수가 작아야 할 필요가 있다.
본 고안에서 촉매체로 사용될 수 있는 금속 지지체로는 FeCrAl, FeCrAlY, NiCr, NiCrAl, NiFeCrAl, inconel, stainless steel을 들 수 있으며, 상기 금속화합물을 지지체로 사용하여 상기 조건을 만족하도록 한다. 상기 금속 중 NiCr은 1,000 ~ 1,200 ℃의 온도에도 화학적으로 또한 물리적으로 안정된 형태를 유지할 수 있고, 가공 및 취급이 용이한 장점이 있다. 또한 FeCrAl은 1,300 ~ 1,500 ℃의 비교적 높은 온도에서도 안정적으로 사용가능한 장점이 있다. NiCr 계열의 합금인 inconel의 경우, 산화성 산, 염류, 알칼리, H2SO4이 함유된 가스 등에도 우수한 내식성을 갖는 특징이 있다. inconel의 주요 조성은 Ni 55 ~ 75%, Cr 14 ~ 25%, Mo 7 ~ 11%, Fe 0.4 ~ 0.6%, C 0.05 ~ 0.2% 등으로 되어 있다.
본 고안에서는 상기 금속지지체로 이루어진 촉매체의 표면에 Ce, La, Pr, Nd, Pt, Pd를 포함하는 귀금속류 또는 희토류 계열, 또는 alumina, titania, zeolite를 포함하는 금속산화물류 중 어느 하나 또는 둘 이상이 혼합되어 촉매 담체로 코팅되도록 하며, 둘 이상을 혼합하여 사용하는 경우 본 고안에서 혼합비율은 특별히 제한되지 않는다.
상기 촉매 담체는 금속지지체에 포함된 수소제거 활성물질을 분산시킴으로써, 수소가 상기 금속지지체의 표면에서 안정적으로 제거될 수 있도록 하기 위한 것이다. 촉매 담체를 이용하게 되면 수소가 금속지지체의 표면 전체에서 골고루 제거되게 되는데, 촉매 담체가 코팅되지 않은 상태에서는 금속지지체의 일부 표면에서만 수소제거가 국부적으로 이루어질 수도 있으며, 이로 인해 금속지지체의 국부 열용융 및/또는 파손 등이 이루어질 수 있고, 국부 열충격에 따라 금속지지체의 강도가 저하될 수 있다.
본 발명에서는 상기 촉매 담체를 금속지지체의 표면에 일정량 코팅되도록 함으로써, 수소가 금속지지체의 표면에서 고르게 제거되도록 하여 국구 열용융에 따른 파손 등이 방지되고, 열충격을 방지하여 금속지지체의 강도가 유지되어 안정도가 향상되게 된다. 본 발명에 사용되는 상기 촉매 담체는 금속지지체 중량에 대해 5 ~ 30%의 중량이 증가되도록, 바람직하기는 10 ~ 20%의 중량이 증가되도록 침적 코팅함으로써, 금속지지체의 활성물질과 수소와의 반응이 용이하게 이루어짐과 함께 금속지지체 표면 전체에서 수소제거가 고르게 이루어질 수 있도록 한다. 침적 코팅을 위해 상기 촉매 담체는 용융된 상태에서 액상으로 구비될 수 있으며, 금속지지체를 액상의 촉매 담체에 일정시간, 예를 들면 10분 ~ 2시간 침적시킨 상태에서 코팅이 이루어지도록 한다.
본 고안에 의하면, 강도가 우수하고 충격에 강한 금속지지체를 이용하여 수소제거용 촉매체로 제조함으로써, 원자력 발전소, 디젤 잠수함 또는 수소의 폭발이 발생되는 장소에서 촉매반응을 방해하는 수분의 흡수가 이루어지지 않아 수소의 제거가 원활하게 이루어질 수 있고, 셀과 셀 사이 벽의 두께를 얇게 하는 것이 가능하기 때문에 수소의 흐름이 원활해져 압력손실 저감되어 수소제거 효율이 향상되며, 고온에서도 내구성이 강한 희토류를 포함한 물질을 촉매담체로 사용하여 수소제거가 원활하게 이루어질 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 고안의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 고안의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 고안의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 고안의 권리범위가 미치는 것으로 이해되어야 하며, 본 고안의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능하다.
10: 금속재질의 수소제거 촉매체
20: 세라믹재질의 수소제거 촉매체
d: 셀과 셀 사이의 벽의 두께
20: 세라믹재질의 수소제거 촉매체
d: 셀과 셀 사이의 벽의 두께
Claims (4)
- 내부에 다수의 셀을 포함하여 이루어지며, 각 셀마다 수소의 진행방향에 대해 평행하도록 접촉면이 형성되는 허니컴타입의 원통형 또는 육면체 형상의 수소제거용 촉매체에 있어서,
상기 촉매체는 셀과 셀 사이 벽의 두께가 0.06 ~ 0.15 mm를 갖는 금속지지체로 이루어지고,
상기 수소제거용 촉매체의 셀 단면은 물결파형, 삼각형, 사각형, 육각형 중 어느 하나로 이루어지며,
상기 수소제거용 촉매체를 이루는 금속지지체는,
FeCrAl, FeCrAlY, NiCr, NiCrAl, NiFeCrAl, inconel, stainless steel 중 어느 하나로 이루어지고,
상기 금속지지체의 표면에는 Ce, La, Pr, Nd, Pt, Pd, alumina, titania, zeolite 중 어느 하나 또는 둘 이상이 혼합되어 촉매 담체로 코팅되며,
상기 촉매 담체는 금속지지체 중량에 대해 5 ~ 30%의 중량이 증가되도록 코팅되는 것을 특징으로 하는 금속지지체를 이용한 수소제거용 촉매체.
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