KR20060022453A - 광촉매층이 내부에 코팅되고 전극이 일체형으로 형성된디젤엔진 배출가스 정화장치 및 그 제조방법 - Google Patents

광촉매층이 내부에 코팅되고 전극이 일체형으로 형성된디젤엔진 배출가스 정화장치 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광촉매층이 내부에 코팅되고 전극이 일체형으로 형성된 디젤엔진 배출가스 정화장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 디젤엔진으로부터 배출되는 가스를 여과하는 필터와 포집된 입자상 물질을 재생하는 전극장치를 포함하는 정화장치 및 이를 제조하는 방법에 있어서, 세라믹 재질의 다공성 허니컴 모노리스 담체 내부에 광촉매 물질을 코팅하고, 상기 광촉매 물질이 내부에 코팅된 다공성 허니컴 모노리스 담체의 양 단부를 구성하는 각각의 단위 셀들이 상호 엇갈리게 폐쇄되도록 전도성 금속을 플러깅하는 다음, 상기 전도성 금속이 플러깅된 다공성 허니컴 모노리스 담체의 양 단부를 전도성 금속으로 코팅하여 상기 다공성 허니컴 모노리스 담체를 열처리하고, 상기 열처리된 다공성 허니컴 모노리스 담체를 전원공급부가 형성된 케이스에 내장시키는 것을 특징으로 하는 광촉매층이 내부에 코팅되고 전극이 일체형으로 형성된 디젤엔진 배출가스 정화장치 및 그 제조방법을 제공한다.
디젤엔진, 배출가스, 정화장치, 광촉매층, 플러깅, 모노리스, 담체

Description

광촉매층이 내부에 코팅되고 전극이 일체형으로 형성된 디젤엔진 배출가스 정화장치 및 그 제조방법{APPARATUS FOR PURIFYING DIESEL EXHAUST GAS WITH COATED PHOTOCATALYST LAYER AND ELECTRODE, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
도 1은 종래기술인 존슨-메쉬사의 CRT 반응기를 도시한 개략도;
도 2는 종래기술인 존슨-메쉬사의 CRT 반응기를 구성하는 DPF 시스템에서의 가스 흐름도;
도 3은 플라즈마 발생장치가 적용된 종래의 DPF 시스템을 도시한 개략도;
도 4는 가열수단이 적용된 종래의 DPF 시스템을 도시한 개략도;
도 5는 종래의 광촉매 반응 시스템을 도시한 개략도;
도 6은 본 발명에 따른 광촉매층이 내부에 코팅되고 전극이 일체형으로 형성된 디젤엔진 배출가스 정화장치의 전체 구성을 도시한 단면도;
도 7은 본 발명에 따른 광촉매층이 내부에 코팅되고 전극이 일체형으로 형성된 디젤엔진 배출가스 정화장치의 다공성 허니컴 모노리스 담체를 도시한 단면도 및 확대도;
도 8은 본 발명에 따른 광촉매층이 내부에 코팅되고 전극이 일체형으로 형성된 디젤엔진 배출가스 정화장치의 다공성 허니컴 모노리스 담체의 작용상태를 도시한 작용도이다.
♣도면의 주요부분에 대한 부호의 설명♣
101: DPF 102: 디젤산화촉매기(DOC)
111: 플라즈마 발생장치 112: 축전지
113:플라즈마 발생용 인버터 121: 가열수단
203: 광촉매 물질 204: 플러깅된 전도성 금속
205: 코팅된 금속층 207a, 207b: 단위셀
208: 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체
209: 완충매트 210: 케이스
211: 배기부 212: 유입부
214: 전원공급단자
본 발명은 광촉매층이 내부에 코팅되고 전극이 일체형으로 형성된 디젤엔진 배출가스 정화장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광촉매를 코팅한 세라믹 허니컴 모노리스 담체 양 단면의 단위셀 개방부를 전도성 금속으로 플러깅한 다음 다시 그 표면을 전도성 금속으로 코팅하여 정화장치의 필터로 적용함으로써 배기가스가 다공성의 벽을 따라 흘러가게 하여 배기 내에 존재하는 입자상물질을 포집하고, 포집된 입자상물질은 양 단면과 셀의 한 단에 플러깅된 전도성 금속에 고전압을 인가하여 저온 플라즈마를 발생시키고, 발생한 저온 플라즈마 내 에 존재하는 자외선을 이용하여 단위셀 벽면에 코팅된 광촉매를 여기시켜 산화하여 제거하는 광촉매층이 내부에 코팅되고 전극이 일체형으로 형성된 디젤엔진 배출가스 정화장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 종래의 디젤엔진 배기 후처리 시스템은 크게 디젤산화촉매(DOC, Diesel Oxidation Catalyst)와 매연여과필터(DPF, Diesel Particulate Matter Filter) 및 NOx 정화장치로 구분된다.
여기서 상기한 DOC는 기존 삼원촉매 중 산화 기능만을 강화하고, 여기에 내피독성을 증가한 형태로 기술적으로 큰 무리가 없어 현재 승용 디젤 차량에 장착되고 있으나 황성분이 많은 연료의 경우, 촉매 후단부에서 인체 호흡기에 매우 해로운 100㎚ 이하의 입자상 물질이 다량 배출되며, 황성분에 의해 촉매가 피독되어 내구성이 저하되는 단점이 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 대상이면서 디젤 차량의 배기가스 중에서 가장 큰 문제 중 하나인 입자상물질 처리기술로 현재 해외에서 연구되고 있는 기술을 하기 [표 1]에 정리하였다.
Figure 112004040502515-PAT00001
도 1에 도시된 바와 같이, 존슨-메쉬(Johnson-Matthey)社에서 개발한 CRT(Continuously Regenerating Trap or Technology)와 Engelhard사에서 개발한 DPX(Diesel Particulate Filter)는 흡기부, 촉매부, 여과부 및 배기부로 구성되는데, 상기 여과부는 세라믹 허니컴 모노리스 필터(Ceramic Honeycomb Monolith Filter)를 이용한 DPF(101)로서, 유입되는 디젤배기가스 내의 입자상물질을 포집하는 DPF(101) 전단부에 귀금속을 이용한 촉매부인 디젤산화촉매기(DOC; 102)를 위치시켜 배기가스 중에 풍부하게 존재하는 산소와 질소산화물을 반응시켜 산화력이 우수한 이산화질소를 생성시킴으로써 DPF(101)에 포집된 입자상 물질을 산화시키는 방법으로 입자상물질을 제거하는 장치이다.
상기한 바와 같은 방식의 DPF(101) 장치에서 입자상 물질을 포집하는 원리는, 도 2에 도시된 바와 같이, 필터 입구측이 개방된 각각의 단위셀(103)을 통해 배기가스가 유입되고, 그 개방된 단위셀(103)의 하류는 필터와 동일한 재질로 막힌 플러깅(Plugging; 104)으로 인해 배기가스 중 기체 성분은 다공성의 벽(105)을 통과하여 이웃하는 입구측에 폐쇄된 단위셀(106)로 흘러가게 되고, 고상 성분인 입자상 물질(107)은 벽의 작은 기공을 통과하지 못해 포집된다.
한편, 배기가스 내에 이산화질소(NO2)가 충분히 생성되면 CRT의 입자상 물질(107)에 대한 제거성능은 우수하지만, 이산화질소의 생성이 배기온도에 매우 민감하다. 즉 배기온도가 낮은 경우는 귀금속 촉매가 활성화되지 않아 일산화질소(NO)를 산소와 반응시키지 못해 이산화질소 생성율이 급격히 감소한다. 또한 디젤 배기가스 내에 존재하는 황 성분에 의해 귀금속 촉매가 피독되어 성능이 급격히 저하하는 단점이 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기한 방식과 같은 재생 개념으로 플라즈마 발생장치(111)를 DPF(101) 전단부에 설치하여 플라즈마가 갖는 강력한 산화력을 이용하여 배기 온도와 황 성분에 무관하게 일산화질소를 이산화질소로 산화시켜 DPF(101)를 재생하는 방법이 개발되었으나, 이와 같이 플라즈마만을 재생수단으로 채택하는 방식은 플라즈마 발생에 많은 전력이 필요하여 현재의 축전지(112) 용량으로는 사용이 불가능하며, 플라즈마 발생용 인버터(113)가 고가이며, 크기가 큰 단점이 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, Ibiden사(社)에서 개발한 SiC-DPF는 종래의 DPF 재질인 코디에라이트(Cordierite) 세라믹에서 기계적 강도가 우수한 실리콘카 바이드(SiC) 재질로 변경하여 제작한 것으로서, 필터의 단위셀 벽의 기공도를 향상시켜 중간층을 코팅할 수 있도록 개선하였다.
따라서, 포집된 입자상 물질은 DPF(101) 전단부에 위치한 열선과 같은 가열수단(121)으로 강제적으로 태우는 방법을 취하는 방식이 있으나 수분이 많이 포함된 배기가스의 온도를 입자상물질 강제 연소온도인 350℃ 이상 올리는데 전력소모가 너무 많아 현재의 디젤 승용차 축전지 전원으로는 상용화가 힘들다는 문제점이 있다.
상기한 디젤배기가스를 정화하는 기술 외에 연료에 ppm 단위로 Ce나 Fe를 촉매로 첨가한 연료첨가제 방식이 개발되고 있는데, 연료에 포함된 금속 촉매는 DPF 재생시 DPF의 재생 온도를 낮추고 재생시간을 단축하는 등의 장점이 있으나 성분이 금속인 관계로 엔진오일의 재(Ash) 성분과 함께 DPF의 배압을 증가시키며, DPF 교환주기를 단축시키는 단점이 있다.
한편, 상기한 바와 같은 디젤 배기가스 내에 함유된 입자상물질을 제거하는 기술은 아니나, 도 5에 도시된 바와 같이 내연기관 배기가스 중에 함유된 유해물질을 제거하는 장치로 개발된 배출가스 광반응 정화시스템이 있다. 상기한 광반응 정화시스템은 배기가스의 온도와 공기/연료비, 황 성분에 무관하게 저전력으로 작동하는 장점을 가지고 있다.
즉, 배기가스 내에 함유된 입자상 물질을 제거하는 DPF와 달리 양 단이 모두 열린 셀(34)을 갖는 허니컴 모노리스 담체(30)에 광촉매를 코팅하고, 양단에 금속망이나 판을 이용한 전극(40)을 사용하여 고전압을 인가하면 허니컴 모노리스 담체 (30)의 단위셀(34) 안에 플라즈마가 생성되어 광촉매를 여기시키고, 배기가스 내에 존재하는 기상의 유해성분을 효과적으로 저감하는 기술인 것이다.
상기한 종래의 광반응을 이용한 배기가스 정화시스템은 강력한 산화력 및 환원력을 바탕으로 기상(Gas Phase)의 유해성분을 제거하는데 효과적이나 디젤 배기가스에 함유된 입자상물질과 같은 고상(Solid Phase) 성분의 경우에는 산화반응에 소요되는 시간이 기상 성분보다 길기 때문에 양 단이 열린 상태로 고상 입자가 셀을 통과하는 시간동안에는 충분한 산화가 발생할 수 없어 입자상물질 제거가 불가능하다는 문제점을 안고 있다.
따라서, 상기한 입자상 물질의 제거를 위하여 일단 입자상 물질을 포집하였다가 충분한 시간을 가지며 산화시키는 방법인 기존의 DPF를 광반응시스템에 단순히 응용하는 방법을 고안해 낼 수 있으나, 이러한 단순한 조합, 즉 기존의 세라믹 허니콤 모노리스를 광촉매를 코팅한 DPF로 치환하고 DPF 양 단에 고전압을 인가하여 플라즈마를 발생하는 방법은 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, DPF 허니컴 모노리스 담체의 양 단부 중에서 어느 한 단이 세라믹재질의 플러깅(104)이 막혀 있으므로 모노리스 담체(30) 양단에 위치한 전극(40)과 전극(40) 사이에 절연체가 놓이게 되어 플라즈마 생성이 불가능하게 된다.
둘째, 허니컴 모노리스 담체의 양 단부 중에 한 단이 플러깅(104)으로 막히게 되면 광촉매 코팅시 상압에서 코팅을 하게 되므로 공기가 빠져나올 공간이 부족하기 때문에 코팅에 소요되는 시간이 증가하게 되고 코팅층이 불균일하게 되는 단점이 있다. 따라서 양산성이 떨어지고 플라즈마 발생이 불가능하거나 불균일하게 되어 전체적인 정화 성능 저하와 함께 전류가 한 곳으로 집중하게 될 확률이 증가하게 되어 시스템 안전성 및 내구성도 감소하게 된다.
상기한 종래기술 또는 종래기술의 단순조합으로써 발생할 수 있는 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 세라믹 재질의 허니콤 모노리스 담체 내부면에 광촉매 물질을 코팅한 다음, 담체의 양 단부 단위셀에 입출구부를 이웃하는 셀과 교대로 한 단씩 전도성 금속으로 플러깅 처리하고, 다시 그 표면을 전도성 금속으로 코팅함으로써 전극이 일체형으로 형성된 광촉매 허니콤 모노리스 담체를 제조하여 배기가스 정화시스템에 적용함으로써 광촉매 상에 저전력으로 플라즈마를 발생시켜 광촉매를 활성화시키고, 활성화된 광촉매의 산화력을 이용하여 광촉매 필터에 포집된 입자상물질을 효율적으로 연속 제거하는 광촉매층이 내부에 코팅되고 전극이 일체형으로 형성된 디젤엔진 배출가스 정화장치 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 디젤엔진으로부터 배출되는 가스를 여과하는 필터와 포집된 입자상 물질을 재생하는 전극장치를 포함하는 정화장치에 있어서, 내부 면이 광촉매 물질로 코팅되어 디젤엔진 배기가스를 여과시켜 입자상 물질을 포집하는 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체와, 상기 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체를 구성하는 각각의 단위 셀들의 입구 및 출구부가 상호 엇갈리게 폐쇄되도록 플러깅된 전도성 금속과, 상기 전도성 금속이 플러깅된 다공성 세 라믹 허니컴 모노리스 담체의 양 단부에 코팅된 금속층을 포함하여 전원공급부가 형성된 케이스에 내장되는 것을 특징으로 하는 광촉매층이 내부에 코팅되고 전극이 일체형으로 형성된 디젤엔진 배출가스 정화장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체에 플러깅된 전도성 금속 및 상기 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체의 양 단부에 코팅된 금속층의 열팽창 특성이 상기 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체의 열팽창 특성과 유사한 것을 특징으로 하는 광촉매층이 내부에 코팅되고 전극이 일체형으로 형성된 디젤엔진 배출가스 정화장치를 제공하게 되며,
또한, 본 발명은 상기 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체가 상기 케이스에 내장될 때 절연체로서 양단부가 고정되면서 측면부는 상기 케이스와의 완충작용을 위한 완충매트로 지지되도록 한다.
한편, 본 발명은 디젤엔진으로부터 배출되는 가스를 여과하는 필터와 포집된 입자상 물질을 재생하는 전극장치를 포함하는 정화장치를 제조하는 방법에 있어서, 세라믹 재질의 다공성 허니컴 모노리스 담체 내부에 광촉매 물질을 코팅하는 단계와, 상기 광촉매 물질이 내부에 코팅된 다공성 허니컴 모노리스 담체의 양 단부를 구성하는 각각의 단위 셀들이 상호 엇갈리게 폐쇄되도록 전도성 금속을 플러깅하는 단계와, 상기 전도성 금속이 플러깅된 다공성 허니컴 모노리스 담체의 양 단부를 전도성 금속으로 코팅하는 단계와, 상기 다공성 허니컴 모노리스 담체를 열처리하는 단계와; 상기 열처리된 다공성 허니컴 모노리스 담체를 전원공급부가 형성된 케이스에 내장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광촉매층이 내부에 코팅되 고 전극이 일체형으로 형성된 디젤엔진 배출가스 정화장치의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 다공성 허니컴 모노리스 담체에 전도성 금속을 플러깅하는 단계 및 상기 전도성 금속이 플러깅된 다공성 허니컴 모노리스 담체의 양 단부를 전도성 금속으로 코팅하는 단계에서 상기 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체의 열팽창 특성과 유사한 금속을 선택하여 플러깅 및 코팅하는 광촉매층이 내부에 코팅되고 전극이 일체형으로 형성된 디젤엔진 배출가스 정화장치의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 다공성 허니컴 모노리스 담체를 케이스에 내장시키는 단계에서 절연체로서 상기 다공성 허니컴 모노리스 담체의 양단부를 상기 케이스의 내부공간에 고정시키면서, 그 측면부를 상기 케이스의 내벽과 완충되도록 완충매트로 지지하는 광촉매층이 내부에 코팅되고 전극이 일체형으로 형성된 디젤엔진 배출가스 정화장치의 제조방법을 제공하게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세하게 설명한다.
도 6은 본 발명에 따른 광촉매층이 내부에 코팅되고 전극이 일체형으로 형성된 디젤엔진 배출가스 정화장치의 전체 구성을 도시한 단면도이고, 도 7은 본 발명에 따른 광촉매층이 내부에 코팅되고 전극이 일체형으로 형성된 디젤엔진 배출가스 정화장치의 다공성 허니컴 모노리스 담체를 도시한 단면도 및 확대도이다.
본 발명의 구체적인 구성 및 작용을 상기 첨부도면을 참조하여 실시예에 따라 상세히 설명하지만, 본 발명의 실시예는 그 기본적인 예시에 불과할 뿐 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 디젤엔진 배출가스 정화장치는 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체(208)가 중공형의 금속재질의 케이스(210)에 내장되는 형태로 구성된다.
본 발명에서 핵심이 되는 상기한 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체(208)는 통상의 세라믹을 압출하여 다수의 단위셀(207)로 이루어진 원통형으로 형성된 것으로서, 상기 단위셀(207)의 단면형상은 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 및 원형 등 다양한 형태로 제작될 수 있으나, 본 발명에서는 단위셀(207)의 단면형상이 사각형인 것을 기본으로 하여 설명하기로 한다.
상기 설명한 바와 같이, 본 발명을 구성하는 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체(208)는 단면형상이 사각형이면서 양단부가 개방된 단위셀(207)들의 일체형 집합체이다.
이러한 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체(208)의 내부 면은 먼저 플라즈마 광원에 의하여 활성화되는 광촉매 물질(203)로 코팅 처리된다. 코팅공정은 광촉매 물질(203) 성분이 용해된 용액에 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체(208)를 침지시키는 통상의 공정을 이용한다.
또한, 상기 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체(208)의 내부 면에 코팅되는 광촉매 물질은 광촉매(Photocatalyst) 효과가 있는 것으로 알려진 TiO2, ZnO, CdS, ZrO2, SnO2, V2O2, WO3, SrTiO3 및 이들 중 하나 또는 둘 이상의 혼합물 중에서 선택될 수 있으나, 본 발명의 실시예에서는 이산화티타늄(TiO2)을 사용한다. 이러한 광 촉매 효과는 특정 파장의 빛에 의해 여기(勵起)되며, 이러한 과정은 특정 파장의 빛이 광촉매 물질인 이산화티타늄에 조사되면 전자(e-) 및 정공(h+)이 발생하고, 이러한 전자 및 정공은 공기 중의 O2, H2반응을 일으켜 이산화티타늄 표면에 슈퍼옥사이드음이온(O2 -) 과 수산라디칼(·OH or OH-) 2종의 활성산소를 생성하여 강한 산화 또는 환원 작용에 의해 유해물질을 분해시키는 반응을 일으키게 되는 것이다.
상기한 바와 같은 원리로 광촉매 물질(203)을 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체(208)의 각 단위셀(207) 내부 면에 코팅한 다음, 전기 전도성이 우수하며 열적 안정성이 있는 전도성 금속(분말)(204)을 사용하여 담체(208)의 단위셀(207)의 상류와 하류를 교대로 플러깅(Plugging) 처리한다.
즉, 상기 단위셀(207)의 상류와 하류를 교대로 플러깅(Plugging) 처리한다는 의미는 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 단위셀(207)의 상류부가 유입되는 가스를 차단하도록 전도성 금속(204)으로 플러깅 처리되면 그 반대부는 플러깅 처리되지 않아 개방되는 형태가 되는 것이고, 단위셀(207)의 상류부가 가스가 유입되도록 개방되면 그 반대부는 전도성 금속(204)으로 플러킹 처리된다는 것이다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체(208)를 구성하는 각각의 단위셀(207)들은 이웃하는 단위셀(207)과는 플러깅 처리가 상호 엇갈리도록 형성된다. 즉 어느 하나의 단위셀(207)이 플러깅 처리되면 이와 접하여 이웃하는 4개의 단위셀(207)들은 플러깅 처리되지 않는 것이다.
여기서, 본 발명과 종래기술의 차이점은 종래기술인 DPF의 셀을 플러깅하는 재료는 DPF 셀과 동일한 재료의 세라믹을 사용하는 반면, 본 발명에서는 전기전도도가 우수한 금속(분말; 204)을 사용하는 것이며, 종래의 DPF(101)는 양단부를 플러깅(104) 후 필요에 따라 촉매 중간층을 코팅하나 본 발명에서는 광촉매를 코팅한 후, 전기 전도성성이 우수하며 세라믹 모노리스 담체(208)와 열적 특성이 유사한 전도성 금속(204)으로 플러깅 처리한다는 것이다.
상기 플러깅 재료인 전도성 금속(204)은 세라믹 허니컴 모노리스 담체(208)와 열팽창계수 등의 열적 특성이 비슷한 금속 또는 합금분말을 사용하여 입자상 분말 재생과정에서 발생하는 막대한 산화열에 의해 발생하는 열팽창 차이에 의한 허니컴 모노리스 담체(208)의 파손을 방지하도록 한다. 이러한 플러깅 재료의 예로는 스테인리스(Stainless), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 이산화철(FeO2) 등을 적정 조합한 합금으로 코디에라이트 또는 실리콘카바이드 등과 같은 세라믹 재질의 허니컴 모노리스 담체(208)의 열적 물성에 적합하도록 그 조합을 변경하도록 한다.
상기한 바와 같이, 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체(208)에 플러깅 처리가 완료되면 플러깅 재료와 동일한 재질의 금속(합금)을 사용하여 세라믹 허니컴 모노리스 담체(208)의 양 단면을 코팅하여 금속층(205)을 형성하게 된다.
이러한 분말의 코팅처리는 금속(합금)분말을 이용하는 것이 바람직하며, 금속분말에 휘발성 용제를 혼합하여 세라믹 허니컴 모노리스 담체(208)의 양 단면에 코팅한 다음, 열처리하여 각각의 단위셀(207)을 플러깅한 전도성 금속(204)분말과 양 단면을 코팅한 금속층(205)이 허니컴 모노리스 담체(208) 및 금속(분말) 상호간에 강하게 접합할 수 있도록 한다.
즉, 상기 플러깅된 금속(204)과 코팅된 금속층(205)은 고온 열처리 과정을 거치면서 소결되어 서로 전기적으로 연결되어 동일한 상을 갖게 되므로 고전압이 인가될 경우 하나의 연결된 전극이 되는 것이다.
따라서, 양 단이 열려 있던 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체(208)의 단위셀(207)은 플러깅된 금속(204)으로 인해 양 단 중 한 단이 교대로 막히는 형상으로 되어 디젤엔진 배기가스 내 입자상물질을 포집할 수 있게 되는 것이다. 또한 허니컴 모노리스 담체(208)의 양 단은 각각 플러깅 재료와 동일한 재질의 금속층(205)이 코팅되어 소결되므로 종래의 광반응기 시스템(20)에서 설치되는 전극(40)이 본 발명에서는 담체(208)와 일체형으로 형성되는 구조가 되는 것이다.
또한, 전극이 일체형으로 형성된 본 발명의 세라믹 허니컴 모노리스 담체(208)의 각각의 단위셀(207) 내부 면에는 광촉매 물질(203)이 코팅되어 있으므로 종래의 광반응기의 산화반응이 그대로 본 발명의 세라믹 허니컴 모노리스 담체(208) 안에서 발생하게 되는 것이다.
상기한 바와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명의 세라믹 허니컴 모노리스 담체(208)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 금속재질의 중공형 케이스(210)에 내장되어진다. 즉 배기가스 유입부(212) 및 배기부(211)가 형성된 케이스(210)에 배기가스가 흐르는 방향과 동일한 방향으로 각각의 단위셀(207)의 길이방향이 배열되도록 본 발명의 세라믹 허니컴 모노리스 담체(208)가 내장되는 것이다.
상기 케이스(210)의 내벽에는 본 발명의 세라믹 허니컴 모노리스 담체(208)의 길이와 동일한 간격으로 담체 지지대(215)가 형성되어 있으며, 이 지지대(215)의 재질은 전기가 통하지 않는 절연재질로 이루어져 세라믹 허니컴 모노리스 담체(208)에 전기가 통하는 경우 케이스(210)까지 통전되지 않도록 한다.
또한, 상기 케이스(210)에 내장되는 세라믹 허니컴 모노리스 담체(208)의 외벽과 케이스(210) 내벽 사이에는 충격으로부터 세라믹 허니컴 모노리스 담체(208)를 보호할 수 있도록 완충역할을 하는 완충매트(209)가 삽입되며, 이 완충매트(209)는 고온에서 견딜 수 있는 석면 또는 운모와 같은 절연재질의 섬유질 재료를 이용하게 된다.
한편, 상기 케이스(210)의 외부 면에는 전원을 공급할 수 있는 전원공급부(214)가 마련되어 있다. 즉 케이스(210)를 관통하여 설치되는 전원공급부(214)는 케이스(210)와 전기적으로 절연되도록 설치되며, 상기 케이스(210)에 내장 고정되는 세라믹 허니컴 모노리스 담체(208)의 외벽과는 전기적으로 통전되도록 접촉하게 되는 것이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 디젤엔진 배출가스 정화장치는 도 3 및 도 4에 도시된 정화시스템의 DPF(101) 및 플라즈마 발생장치(111), 가열수단(121)을 대체 적용되어 배출가스를 정화하게 된다.
이하, 본 발명의 작용에 관하여 설명한다.
도 8은 본 발명에 따른 광촉매층이 내부에 코팅되고 전극이 일체형으로 형성 된 디젤엔진 배출가스 정화장치의 다공성 허니컴 모노리스 담체의 작용상태를 도시한 작용도이다.
도 8은 본 발명에 따른 디젤엔진 배출가스 정화장치를 구성하는 세라믹 허니컴 모노리스 담체(208)의 일부를 확대하여 도시한 작용도로서, 상류 측(입구 측)이 전도성 금속(204)으로 플러깅되지 않은 단위셀(207)을 통하여 유입된 디젤엔진 배출가스(실선 화살표)는 상기 단위셀(207a)의 하류 측(출구 측)이 금속으로 플러깅되어 있으므로 상기 단위셀(207a)의 다공성 벽을 통하여 이웃하는 단위셀(207b)로 여과되어 배기(점선 화살표)되어진다.
이때, 본 발명을 구성하는 세라믹 허니컴 모노리스 담체(208)는 케이스(210)의 전원공급부(214)로부터 고전압을 인가받아 광촉매 물질에 저전력으로 플라즈마를 발생시켜 광촉매를 활성화시키게 된다. 이렇게 활성화된 광촉매의 산화력을 이용하여 상기 단위셀(207a)의 다공성 벽에 여과되어 포집된 입자상 물질을 효율적으로 연속 제거하게 되는 것이다.
상기와 같은 입자상 물질의 제거반응은 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체(208)를 이루는 모든 단위셀(207)에서 일어나게 되며, 포집된 입자상 물질이 효과적으로 제거되는 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 종래의 다공성 허니컴 모노리스 담체에 광촉매 물질을 코팅한 후 양단 중 어느 한 단을 교대로 전기적 전도성과 열적 안정성이 우수한 금속물질(분말)을 이용하여 플러깅하므로 종래의 DPF에 촉매를 담지한 중간층 을 코팅하는 과정에서 발생하는 불균일한 코팅과 긴 코팅 공정 시간의 문제점을 해결하여 광촉매를 균일하면서도 신속하게 코팅함으로 양산성을 향상시키고, 특히 고전압을 인가하여 저온 플라즈마를 발생시키는 과정에서 전기적 특성을 균일하게 분포시킴으로 안정적인 플라즈마 생성을 보장하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체에 광촉매 물질을 코팅하고, 전도성 금속으로 담체의 단위셀의 양단 중 한 단을 플러깅 처리하고, 이웃하는 셀은 이전 셀의 막힌 단과 반대되는 방향의 플러깅 처리한 후, 담체 양 단면을 플러깅한 금속과 동일한 재료로 다시 코팅한 후 고온에서 열처리하여 소결하므로 종래의 광반응기 시스템에 구비된 전극과 동일한 효과가 있는 전극이 일체형으로 형성됨으로써, 이 담체에 고전압을 인가하면 플라즈마를 발생시켜 단위셀 안에 코팅된 광촉매 물질을 활성화시켜 산화반응을 유도하여 배기 내에 존재하는 산소와 포집된 입자상 물질을 반응시켜 연속적으로 필터를 재생할 수 있는 효과가 있다. 또한 입자상 물질을 포집하는 필터와 포집된 입자상물질을 강제 재생하는 전극을 담체에 일체형으로 제조함으로 조립 공정이 단순해지고 시스템이 간단해지는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 정화장치가 적용된 정화시스템에서는 플라즈마를 필터(담체) 내부에 발생시킴으로 플라즈마의 산화력과 자외선을 직접 이용할 수 있으므로 에너지 소모가 적고 시스템 구성이 간단해지는 이점이 있다.

Claims (6)

  1. 디젤엔진으로부터 배출되는 가스를 여과하는 필터와 포집된 입자상 물질을 재생하는 전극장치를 포함하는 정화장치에 있어서,
    내부 면이 광촉매 물질로 코팅되어 디젤엔진 배기가스를 여과시켜 입자상 물질을 포집하는 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체와;
    상기 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체를 구성하는 각각의 단위 셀들의 입구 및 출구부가 상호 엇갈리게 폐쇄되도록 플러깅된 전도성 금속과;
    상기 전도성 금속이 플러깅된 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체의 양 단부에 코팅된 금속층을 포함하여 전원공급부가 형성된 케이스에 내장되는 것을 특징으로 하는 광촉매층이 내부에 코팅되고 전극이 일체형으로 형성된 디젤엔진 배출가스 정화장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체에 플러깅된 전도성 금속 및 상기 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체의 양 단부에 코팅된 금속층은 상기 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체의 열팽창 특성과 유사한 금속인 것을 특징으로 하는 광촉매층이 내부에 코팅되고 전극이 일체형으로 형성된 디젤엔진 배출가스 정화장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체는 상기 케이 스에 내장될 때 절연체로서 양단부가 고정되면서 측면부는 상기 케이스와의 완충작용을 위한 완충매트로 지지되는 것을 특징으로 하는 광촉매층이 내부에 코팅되고 전극이 일체형으로 형성된 디젤엔진 배출가스 정화장치.
  4. 디젤엔진으로부터 배출되는 가스를 여과하는 필터와 포집된 입자상 물질을 재생하는 전극장치를 포함하는 정화장치를 제조하는 방법에 있어서,
    세라믹 재질의 다공성 허니컴 모노리스 담체 내부에 광촉매 물질을 코팅하는 단계와;
    상기 광촉매 물질이 내부에 코팅된 다공성 허니컴 모노리스 담체의 양 단부를 구성하는 각각의 단위 셀들이 상호 엇갈리게 폐쇄되도록 전도성 금속을 플러깅하는 단계와;
    상기 전도성 금속이 플러깅된 다공성 허니컴 모노리스 담체의 양 단부를 전도성 금속으로 코팅하는 단계와;
    상기 다공성 허니컴 모노리스 담체를 열처리하는 단계와;
    상기 열처리된 다공성 허니컴 모노리스 담체를 전원공급부가 형성된 케이스에 내장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광촉매층이 내부에 코팅되고 전극이 일체형으로 형성된 디젤엔진 배출가스 정화장치의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 다공성 허니컴 모노리스 담체에 전도성 금속을 플러깅하는 단계 및 상기 전도성 금속이 플러깅된 다공성 허니컴 모노리스 담체의 양 단부를 전도성 금속으로 코팅하는 단계는 상기 다공성 세라믹 허니컴 모노리스 담체의 열팽창 특성과 유사한 금속으로 플러깅 및 코팅하는 것을 특징으로 하는 광촉매층이 내부에 코팅되고 전극이 일체형으로 형성된 디젤엔진 배출가스 정화장치의 제조방법.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 다공성 허니컴 모노리스 담체를 케이스에 내장시키는 단계는 절연체로서 상기 다공성 허니컴 모노리스 담체의 양단부를 상기 케이스의 내부공간에 고정시키면서, 그 측면부를 상기 케이스의 내벽과 완충되도록 완충매트로 지지하는 것을 특징으로 하는 광촉매층이 내부에 코팅되고 전극이 일체형으로 형성된 디젤엔진 배출가스 정화장치의 제조방법.
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