KR20150104396A - 플라즈마 촉매 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 구동 전극에 인가되는 전압을 저전압으로 가능하게 하고, 구동 전극과 접지 전극 사이에 적용할 수 있는 단위 촉매의 개수를 증대시키는 플라즈마 촉매 반응기를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 촉매 반응기는, 서로의 사이에 설정되는 갭에서 발생하는 플라즈마와 자체의 촉매 반응을 이용하여, 내부를 통과하는 배출 가스에 포함된 유해 기체를 저감시키는 복수의 단위 촉매, 상기 복수의 단위 촉매의 갭들 중 적어도 어느 한 갭에 배치되어 구동 전압을 인가하는 구동 전극, 및 상기 복수의 단위 촉매의 최외곽 양단에 배치되어 상기 구동 전극과의 사이에 전위차를 설정하는 접지 전극을 포함한다.

Description

플라즈마 촉매 반응기 {PLASMA CATALISTIC REACTOR}
본 발명은 플라즈마 촉매 반응기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자동차, 플랜트 및 발전소 등에서 배출되는 배출 가스에 포함된 유해 기체를 제거하는 플라즈마 촉매 반응기에 관한 것이다.
자동차, 플랜트 및 발전소 등의 배출 가스에는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC) 및 질소산화물(NOx) 등과 같은 유해 기체가 포함되어 있다. 이러한 유해 기체를 제거하는데 촉매 반응기 및 플라즈마 반응기가 사용되고 있다.
촉매 반응기는 배출 가스의 유로에 설치되어 유해 기체를 무해한 이산화탄소(CO2), 물(H2O) 및 질소(N2)로 산화 및 환원 반응시켜 제거한다. 촉매 반응기로는 일산화탄소와 탄화수소 및 질소산화물을 동시에 저감시키는 삼원 촉매가 널리 사용되고 있다.
대한민국 특허 제1182356호의 플라즈마-촉매 반응기는 내부로 배출 가스를 통과시키며 촉매 반응을 이용하여 배출 가스에 포함된 유해 기체를 저감시키는 촉매, 배출 가스가 도입되는 촉매의 전방에 위치하는 구동 전극, 및 배출 가스가 빠져나가는 촉매의 후방에 위치하는 접지 전극을 포함한다.
이 플라즈마-촉매 반응기의 경우, 단위 촉매 사이에 플라즈마를 발생시키기 위해서 단위 촉매의 두께에 따라 수십 kV(20~40kV)의 고전압이 요구된다. 즉 구동 전극 및 접지 전극 사이에서 단위 촉매의 두께를 더 크게 확장하려면, 더 높은 고전압이 요구된다.
이로 인하여, 플라즈마-촉매 반응기는 고전압에 의한 누전 및 전자파 장애를 유발시킬 수 있고, 구동 전극 및 접지 전극 사이에 단위 촉매를 구비하므로 적용 가능한 단위 촉매의 두께를 제한한다.
본 발명의 일 실시예는 구동 전극에 인가되는 전압을 저전압으로 가능하게 하고, 구동 전극과 접지 전극 사이에 적용할 수 있는 단위 촉매의 두께(개수)를 증대시키는 플라즈마 촉매 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 촉매 반응기는, 서로의 사이에 설정되는 갭에서 발생하는 플라즈마와 자체의 촉매 반응을 이용하여, 내부를 통과하는 배출 가스에 포함된 유해 기체를 저감시키는 복수의 단위 촉매, 상기 복수의 단위 촉매의 갭들 중 적어도 어느 한 갭에 배치되어 구동 전압을 인가하는 구동 전극, 및 상기 복수의 단위 촉매의 최외곽 양단에 배치되어 상기 구동 전극과의 사이에 전위차를 설정하는 접지 전극을 포함한다.
상기 구동 전극은, 상기 갭에 배치되어 양면으로 양측에 배치되는 단위 촉매에 접촉될 수 있다.
상기 접지 전극은, 상기 최외곽 양단에서 이웃하는 단위 촉매에 각각 접촉될 수 있다.
상기 접지 전극의 개수는, 상기 구동 전극의 개수보다 1개 더 많을 수 있다.
상기 접지 전극은 3개 이상일 수 있다.
상기 접지 전극은, 상기 최외곽 양단에 배치되는 양단 접지 전극, 및 상기 갭에 배치되는 갭 접지 전극을 포함할 수 있다.
상기 갭 접지 전극은, 양면으로 양측에 배치되는 단위 촉매에 접촉될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수의 단위 촉매의 갭들 중 한 갭에 구동 전극을 배치하고, 최외곽 양단에 접지 전극을 배치하므로 하나의 구동 전극으로 양단에 배치되는 접지 전극과 상호 작용하여, 단위 촉매의 갭들에서 플라즈마를 발생시키므로 단위 촉매를 경유하는 배출 가스에 포함된 유해 기체를 촉매 반응과 플라즈마로 제거하는 효과가 있다.
구동 전극을 사이에 두고 이격된 양측에 접지 전극을 배치하여 전극 사이의 거리가 단축되므로 배출 가스의 처리량을 늘리면서도 플라즈마 촉매 반응기를 저전압으로 구동 가능하게 하고, 플라즈마 촉매 반응기에 적용 가능한 단위 촉매의 두께(개수)를 증대시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 촉매 반응기의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선에 따른 조립 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 촉매 반응기의 조립 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 촉매 반응기의 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선에 따른 조립 단면도이다. 제1 실시예의 플라즈마 촉매 반응기(100)는 자동차, 플랜트 및 발전소 등 유해 기체(예를 들면, 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물 등)가 포함된 배출 가스를 발생시키는 여러 기계 장치 또는 기계 설비에 장착되어 유해 기체를 제거하는데 사용될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 실시예의 플라즈마 촉매 반응기(100)는 내부를 통과하는 배출 가스에 포함된 유해 기체를 저감시키는 복수의 단위 촉매들(10), 복수의 단위 촉매들(10) 사이에 설정되는 갭(G)과 단위 촉매들(10)의 최외곽 양단에 구비되는 구동 전극(20)과 접지 전극(30)을 포함한다.
단위 촉매들(10)은 그룹을 형성하여, 일측 접지 전극(30)과 구동 전극(20) 사이 및 구동 전극(20)과 다른 측 접지 전극(30) 사이에 각각 그룹을 배치된다. 단위 촉매들(10)은 서로의 사이에 설정되는 갭(G)에서 갭(G)의 양측에 설정되는 전위차에 의하여 배출 가스를 방전기체로 하여 플라즈마를 생성한다.
단위 촉매(10)와 구동 전극(20) 및 접지 전극(30)은 절연 지지체(40)로 둘러싸일 수 있다. 절연 지지체(40)는 기계 장치 또는 기계 설비 중 배출 가스를 내보내는 배관에 연결 설치되며, 내부에 배출 가스가 흐르는 공간을 제공한다.
다른 한편으로, 절연 지지체(40)는 배출 가스를 내보내는 배관 자체로 이루어질 수도 있다. 즉 배출 가스가 흐르는 배관 내부에 단위 촉매(10), 구동 전극(20) 및 접지 전극(30)이 설치될 수 있다. 이 경우 배관은 절연 물질로 형성되거나, 배관 내부 중 단위 촉매(10), 구동 전극(20) 및 접지 전극(30)을 둘러싸는 영역에 절연층(도시하지 않음)이 형성될 수 있다.
단위 촉매(10)는 일산화탄소와 탄화수소를 저감시키는 산화 촉매이거나, 일산화탄소와 탄화수소 및 질소산화물을 저감시키는 삼원 촉매일 수 있다. 삼원 촉매의 경우, 일산화탄소와 탄화수소는 산화 반응으로 저감시키고, 질소산화물은 환원 반응으로 저감시킨다.
단위 촉매(10)는 유전체로 제작된 담체(substrate)와, 담체 표면에 코팅 또는 함침의 방법으로 부착된 전도성 촉매층으로 이루어진다. 예를 들면, 담체는 알루미나(Al2O3), 카본, 제올라이트, 실리카(SiO2) 및 실리콘 카바이드(SiC) 중 적어도 한 계열 이상의 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 담체는 벌집 모양의 벽체를 구비한 허니콤 구조 또는 다공성 금속 폼(metal foam) 등 다양한 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 전도성 촉매층은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 레늄(Re) 및 오스뮴(Os) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들면, 전도성 촉매층은 백금과 로듐을 포함하거나, 백금과 로듐 및 팔라듐을 포함할 수 있다. 백금은 주로 일산화탄소와 탄화수소를 저감시키는 산화 반응을 촉진시키고, 로듐은 질소산화물 저감 반응을 촉진시킬 수 있다.
복수의 단위 촉매들(10)은 서로의 사이에 갭(G)을 설정하여 이격 배치되고, 자체의 촉매 반응에 더하여 갭(G)에서 발생되는 플라즈마로 배출 가스에 포함된 유해 기체를 제거한다.
단위 촉매들(10)이 복수로 구비됨에 따라 배출 가스는 복수의 갭(G)을 순차적으로 경유하게 되고, 이로 인하여, 배출 가스에 포함된 유해 기체가 단계적으로 제거될 수 있다. 즉 배출 가스에 대한 유해 기체의 제거율이 높아질 수 있다.
이를 위하여, 구동 전극(20)은 복수의 단위 촉매(10)의 갭들(G) 중 적어도 어느 한 갭(G)에 배치되어 구동 전압(H.V)을 인가한다. 제1 실시예에서 구동 전극(20)은 단위 촉매들(10)의 중앙에 배치되어 있다.
즉 단위 촉매들(10)은 양측의 제1그룹(G1)과 제2그룹(G2)으로 나누어지고, 구동 전극(20)은 제1그룹(G1)과 제2그룹(G2) 사이에 배치된다. 그리고 접지 전극(30)은 복수의 단위 촉매(10)의 최외곽 양단에 배치되어, 전기적으로 접지된다. 즉 접지 전극(30)은 양측의 제1그룹(G1)과 제2그룹(G2)의 외곽에 각각 배치된다.
편의상, 제1 실시예의 플라즈마 촉매 반응기(100)는 단위 촉매(10) 6개, 구동 전극(20) 1개 및 접지 전극(30) 2개(즉, 제1, 제2 접지 전극(31, 32))를 절연 지지체(40)에 내장하여 이루어져 있다.
배출 가스는 절연 지지체(40)의 일측으로 유입되어, 제1 접지 전극(31), 제1그룹(G1)의 단위 촉매들(10), 구동 전극(20), 제2그룹(G2)의 단위 촉매(10) 및 제2 접지 전극(32)을 경유하면서 유해 기체가 제거된 후, 절연 지지체(40)의 다른 일측으로 배출된다.
도시하지 않았으나, 제어부는 구동 전극(20)에 인가되는 구동 전압(H.V)의 크기와 인가 시간 등을 조절할 수 있다. 제1, 제2 접지 전극(31, 32)이 접지된 상태에서 구동 전극(20)에 구동 전압(H.V)이 인가되면, 제1그룹(G1)과 제2그룹(G2)의 각 단위 촉매들(10) 사이의 갭(G)에서 전위차가 형성되고, 전위차에 의하여 배출 가스를 방전기체로 하여 플라즈마가 생성된다.
구동 전극(20)과 접지 전극(30)은 개구부(201, 301)를 각각 형성하는 구조 또는 메쉬 구조(미도시)로 형성되어, 단위 촉매들(10)과 같이 절연 지지체(40)의 내부에서 배출 가스를 통과시킬 수 있다. 제1 실시예는 개구부(201, 301)를 가지는 금속판으로 형성되는 구동 전극(20)과 접지 전극(30)을 예시한다.
구동 전극(20)은 복수의 단위 촉매들(10)의 중앙, 즉 제1그룹(G1)과 제2그룹(G2) 사이에 위치하는 갭(G)에 배치되어, 그 양면으로 양측에 배치되는 단위 촉매(10)에 접촉된다.
접지 전극(30)은 복수의 단위 촉매들(10)의 최외곽, 즉 제1그룹(G1)과 제2그룹(G2)의 양단에서 이웃하는 단위 촉매(10)에 각각 접촉된다. 접지 전극(30)의 개수는 구동 전극(20)의 개수보다 1개 더 많다.
1개의 구동 전극(20)과 2개의 접지 전극(30)을 사용하여, 제1그룹(G1)과 제2그룹(G2) 내의 각 갭들(G)에서 플라즈마가 생성될 수 있다. 즉 하나의 구동 전극(20) 양측 복수의 갭들(G)에서 플라즈마가 생성되므로 플라즈마 촉매 반응기(100)의 전체 길이(L)에 비하여, 구동 전극(20)과 접지 전극(30) 사이의 거리(D)가 짧아질 수 있다(D=L/2).
플라즈마 촉매 반응기의 전체 길이(L)의 양측에 구동 전극과 접지 전극을 구비하는 종래기술에 비하여, 제1 실시예의 플라즈마 촉매 반응기(100)는 구동 전극(20)에 인가되는 전압을 저전압으로 가능하게 한다. 예를 들면, 제1 실시예의 구동 전극(20)에 인가되는 구동 전압(H.V)은 종래기술의 구동 전극에 인가되는 구동 전압의 1/2~2/3 정도이다. 따라서 제1 실시예는 고전압에 의한 누전 및 전자파 장애를 최소화 할 수 있다.
또한, 구동 전극과 접지 전극 사이에 단위 촉매를 구비하는 종래기술에 비하여, 제1 실시예의 플라즈마 촉매 반응기(100)는 구동 전극(20)과 접지 전극(30) 사이에 더 많은 개수의 단위 촉매(10)를 적용할 수 있다. 따라서 제1 실시예는 구동 전극(20) 및 접지 전극(30) 사이에 적용 가능한 단위 촉매(10)의 전체 두께를 더 크게 할 수 있다.
단위 촉매(10)는 전도성 촉매층을 포함하므로 낮은 전압강하 특성을 가진다. 따라서 단위 촉매들(10) 사이의 갭(G)에서 높은 전위차가 형성될 수 있고, 이로 인하여 강한 플라즈마가 생성될 수 있다.
플라즈마 촉매 반응기(100)의 시동 초기에, 구동 전극(20)은 단위 촉매(10)가 충분히 가열되기 이전의 저온 영역에서 구동 전압(H.V)을 일정 시간 동안 인가 받는다. 그러면 구동 전극(20)과 접지 전극(30) 사이에 배치되는 단위 촉매들(10) 사이의 갭(G)에서 전위차가 형성되고, 이 전위차에 의해 플라즈마가 생성된다.
플라즈마 촉매 반응기(100)는 시동 초기의 저온 영역에서 플라즈마 반응을 이용하여 배출 가스에 포함된 유해 기체를 무해한 원소로 분해시킨다. 물론, 시동 초기의 저온 영역에서도 단위 촉매(10)의 촉매 반응은 일어나지만 분해 효율이 충분하지 않으므로 플라즈마가 촉매 반응을 보조하여 유해 기체를 높은 효율로 분해시킨다.
이하 본 발명의 다른 실시예에 대하여 설명한다. 제1 실시예와 비교하여 동일한 구성에 대하여 생략하고 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 촉매 반응기의 조립 단면도이다. 도 3을 참조하면, 제2 실시예의 플라즈마 촉매 반응기(200)는 접지 전극(30)을 3개 구비하고, 구동 전극(20)을 2개 구비한다.
도시하지 않았으나, 플라즈마 촉매 반응기는 설치될 기계 장치 또는 기계 설비에서 허용되는 여건에 따라, 구동 전극이 3개 이상으로 구비되고, 접지 전극이 구동 전극의 개수보다 1개 더 많은 구조로 형성될 수 있다.
제2 실시예에서, 접지 전극(30)은 최외곽 양단에 배치되는 양단 접지 전극(310)과 단위 촉매들(10)의 갭(G)에 배치되는 갭 접지 전극(320)을 포함한다. 갭 접지 전극(320)은 구동 전극(20)과 같이, 양면으로 양측에 배치되는 단위 촉매(10)에 접촉된다.
플라즈마 촉매 반응기(200)는 전체 길이(L2)가 증가함에 따라 절연 지지체(240) 내에 구동 전극(20)과 접지 전극(30)을 번갈아 여러 번 배치하고, 구동 전극(20)과 접지 전극(30) 사이 마다 복수의 단위 촉매(10)를 구비하여, 배출 가스의 처리 용량을 증가시킬 수 있다.
플라즈마 촉매 반응기(200)에서, 단위 촉매들(10)은 양측의 제1그룹(G1)과 제2그룹(G2)으로 나누어지고, 2개의 구동 전극(20) 각각은 제1그룹(G1)과 제2그룹(G2) 사이에 배치된다. 그리고 제1그룹(G1)과 제2그룹(G2)은 갭 접지 전극(320)을 사이에 두고 양측에 대칭 구조로 배치된다.
배출 가스는 절연 지지체(240)의 일측으로 유입되어, 일측의 양단 접지 전극(310), 제1그룹(G1)의 단위 촉매들(10), 한 구동 전극(20), 제2그룹(G2)의 단위 촉매들(10), 갭 접지 전극(320), 제1그룹(G1)의 단위 촉매들(10), 다른 구동 전극(20), 제2그룹(G2)의 단위 촉매들(10), 및 다른 측의 양단 접지 전극(310)을 경유하면서 유해 기체가 제거된 후, 절연 지지체(240)의 다른 일측으로 배출된다.
이 경우에도, 양단 접지 전극(310)과 구동 전극(20)의 사이 거리(D) 및 구동 전극(20)과 갭 접지 전극(320) 사이 거리(D), 캡 접지 전극(320)과 구동 전극(20) 사이 거리(D) 및 구동 전극(20)과 양단 접지 전극(310) 사이 거리(D)는 제1 실시예에서 구동 전극(20)과 접지 전극(30) 사이의 거리(D)와 동일하다.
전체 길이(L)의 양측에 구동 전극과 접지 전극을 구비하는 종래기술에 비하여, 제2 실시예의 플라즈마 촉매 반응기(200)는 구동 전극(20)에 인가되는 전압을 저전압으로 가능하게 한다. 예를 들면, 제2 실시예의 구동 전극(20)에 인가되는 전압은 제1 실시예의 구동 전극(20)에 인가되는 전압과 동일한 수준일 수 있다.
또한, 구동 전극과 접지 전극 사이에 단위 촉매를 구비하는 종래기술에 비하여, 제2 실시예의 플라즈마 촉매 반응기(200)는 구동 전극(20)과 접지 전극(30) 사이의 개수 증가만큼 단위 촉매(10)를 더 적용할 수 있다. 전체적으로, 플라즈마 촉매 반응기(200)에서 단위 촉매(10)의 두께가 증가된다.
즉 제1 및 제2 실시예의 플라즈마 촉매 반응기(100, 200)는 종래기술에 비하여 전체적으로 단위 촉매(10)의 두께를 n배(그룹의 개수)로 확장하므로 대유량의 배출 가스에 포함된 유해 기체를 처리할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 단위 촉매 20: 구동 전극
30: 접지 전극 31, 32: 제1, 제2 접지 전극
240, 40: 절연 지지체 100, 200: 플라즈마 촉매 반응기
201, 301: 개구부 310: 양단 접지 전극
320: 갭 접지 전극 D: 거리
G: 갭 G1, G2: 제1, 제2 그룹
L, L2: 전체 길이

Claims (7)

  1. 서로의 사이에 설정되는 갭에서 발생하는 플라즈마와 자체의 촉매 반응을 이용하여, 내부를 통과하는 배출 가스에 포함된 유해 기체를 저감시키는 복수의 단위 촉매;
    상기 복수의 단위 촉매의 갭들 중 적어도 어느 한 갭에 배치되어 구동 전압을 인가하는 구동 전극; 및
    상기 복수의 단위 촉매의 최외곽 양단에 배치되어 상기 구동 전극과의 사이에 전위차를 설정하는 접지 전극;
    을 포함하는 플라즈마 촉매 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구동 전극은,
    상기 갭에 배치되어 양면으로 양측에 배치되는 단위 촉매에 접촉되는 플라즈마 촉매 반응기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 접지 전극은,
    상기 최외곽 양단에서 이웃하는 단위 촉매에 각각 접촉되는 플라즈마 촉매 반응기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 접지 전극의 개수는,
    상기 구동 전극의 개수보다 1개 더 많은 플라즈마 촉매 반응기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 접지 전극은 3개 이상인 플라즈마 촉매 반응기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 접지 전극은,
    상기 최외곽 양단에 배치되는 양단 접지 전극, 및
    상기 갭에 배치되는 갭 접지 전극을 포함하는 플라즈마 촉매 반응기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 갭 접지 전극은,
    양면으로 양측에 배치되는 단위 촉매에 접촉되는 플라즈마 촉매 반응기.
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