KR20200046068A - 촉매 연소용 조성물, 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

수소 산화 촉매 및 산소 환원 촉매를 포함하는 촉매 조성물 및 이 촉매 조성물을 기판에 도포하는 방법이 제공된다. 촉매 조성물을 포함하는 열 교환 반응기 및 열 교환 매체를 가열하는 방법이 또한 제공된다. 또한, 상기 촉매 조성물을 포함하는 촉매 표면을 포함하는 촉매 연소기가 제공된다. 상기 촉매는 수소 연소 반응의 저온 활성화를 위해 개조된 것이다.

Description

촉매 연소용 조성물, 방법 및 장치
본 발명은 연료 혼합물의 촉매 연소에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 청정 연료 혼합물의 촉매 연소에 관한 것이다.
에너지의 동력화에는 다양한 연료가 사용되고 있다. 전통적으로, 대부분의 연료는 화석 연료로부터 유래된다. 그러나, 화석 연료의 사용은 이산화탄소 및 다른 온실 가스의 방출을 발생시킬 수 있다. 이러한 방출은 인위적 기후 변화 및 전체 공기 질 저하에 기여할 수 있다는 증거가 증가하고 있다.
이러한 발견에 대응하여, 에너지원을 화석 연료로부터 더 청정한 공급원 유래의 원료로 전환시키기 위한 노력이 이루어지고 있다. 예를 들어, 석탄 화력 장치는 배출물을 감소시켜 공기 질을 개선하기 위해 많은 국가들에서 가동 중단되고 있다. 이 장치는 예를 들어 발전소 또는 지역 난방 플랜트에서 찾아볼 수 있다. 이 플랜트들은 증기 장비 및/또는 터빈과 같은 다른 장비를 포함할 수 있으며, 이는 전기 또는 열을 발생시키기 위해 다른 연료와 함께 사용하도록 전환될 수 있다.
청정 에너지의 잠재적인 한가지 공급원은 수소이다. 수소는 증기 개질 또는 전기분해를 포함하는 다수의 방식으로 생성될 수 있다. 전기분해를 위한 전기가 핵, 바람, 조류 또는 태양과 같은 청정 공급원으로부터 유래될 때, 생성된 수소는 탄소 배출물의 생성을 초래하지 않는다. 수소는 산소와 반응하여 물을 형성하고 에너지를 방출한다.
이 반응은 전기를 직접 발생시키는 연료 전지에 의해 사용되었다. 그러나, 막의 분해 및 연료 전지의 복잡한 제조 공정과 같은 요인이 연료로서 수소의 채택을 저지시켰다. 수소는 또한 내연기관에서 연료로 사용되었다. 그러나, 이들 시스템은 복잡할 수 있으며, 이러한 시스템의 안전한 취급에 과제로 존재한다.
촉매 연소 시스템이 사용되었지만, 이러한 시스템은 종종 예열 시스템과 같은 자가 유지(self-sustaining) 반응을 개시하기 위해 복잡하거나 값비싼 시스템을 필요로 한다. 자가 유지 반응이 시작된 경우에도 이들 시스템은 촉매 물질의 융삭(ablation) 및 벌크 연료의 점화에 관한 문제로 인해 사용될 수 있는 온도에 의해 종종 제한된다.
에너지의 청정 급원을 이용하기 위한 개선된 시스템 및 방법이 요구된다.
일 양태로서, 수소 산화 촉매(hydrogen oxidation catalyst: HOC); 및 산소 환원 촉매(oxygen reduction catalyst: ORC)를 포함하는 촉매 조성물이 제공된다. 상기 촉매는 수소 연소 반응의 저온 활성화에 대해 개조된 것이다.
일부 실시형태에서, HOC의 표면적 대 ORC의 표면적의 비는 약 9:1 내지 약 4:1 사이이다. 일부 실시형태에서, HOC의 표면적 대 ORC의 표면적의 비는 약 20:3이다. 일부 실시형태에서, HOC 및 ORC는 전착(electrodeposition)에 의해 형성된다. 일부 실시형태에서, 촉매는 약 140℃ 이하의 온도에서 수소 연소를 활성화시키도록 개조된다. 일부 실시형태에서, 촉매는 20℃ 이하의 온도에서 수소 연소를 활성화시키도록 개조된다. 일부 실시형태에서, HOC는 귀금속이다. 일부 실시형태에서, HOC는 백금 또는 팔라듐이다. 일부 실시형태에서, HOC는 팔라듐이다. 일부 실시형태에서, ORC는 산화제일주석이다.
일 양태에서, 기판을 제공하는 단계; 이 기판에 촉매 조성물을 도포하여 촉매 표면을 형성시키는 단계를 포함하는 촉매 조성물을 도포하는 방법이 제공된다. 적용된 촉매 조성물은 수소 산화 촉매(HOC) 및 산소 환원 촉매(ORC)를 포함한다. 촉매 표면은 수소 연소 반응의 저온 활성화를 위해 개조된다.
일부 실시형태에서, 촉매 표면은 약 9:1 내지 약 4:1 사이의 비를 갖는 HOC 면적 및 ORC 면적을 포함한다. 일부 실시형태에서, HOC 면적 대 ORC 면적의 비는 약 20:3이다. 일부 실시형태에서, 촉매 조성물의 도포는 HOC의 도포 및 ORC의 도포를 포함한다. 일부 실시형태에서, ORC는 HOC의 도포 후에 도포된다. 일부 실시형태에서, 촉매 조성물의 도포는 HOC, ORC, 또는 둘 모두를 기판에 전기도금하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 촉매 조성물의 도포는 HOC를 기판에 전기도금하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 촉매 조성물의 도포는 ORC를 HOC-도포된 기판에 전기도금하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 촉매 조성물을 도포하기 전에 기판에 전구체를 도포하며, 여기서 전구체는 기판에 대한 촉매 조성물의 접착성을 향상시킨다. 일부 실시형태에서, 전구체는 니켈 또는 구리이다. 일부 실시형태에서, 전구체를 도포하는 것은 전구체를 기판에 전기도금하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 촉매-도포된 기판의 열 처리 방법이 제공된다.
일 양태에서, 반응기 장치가 제공된다. 상기 장치는 제1 유체 물질을 수용하기 위한 입구 및 출구를 갖는 도관; 도관에 결합된 가열 요소로서, 상기 가열 요소는 연료 혼합물을 촉매 연소하기 위한 촉매 조성물이 상부에 도포되어 있는 촉매 표면을 포함하 고, 상기 촉매 조성물은 수소 산화 촉매(HOC) 및 산소 환원 촉매(ORC)를 포함하는,, 상기 가열 요소; 및 상기 도관을 둘러싸고 있고 제2 유체 물질을 수용하기 위한 입구 및 출구를 갖는 외피(shell)를 포함한다. 제1 유체 물질 및 제2 유체 물질 중 하나는 연료 혼합물을 포함하고, 제1 유체 물질 및 제2 유체 물질 중 다른 하나는 열 교환 매체를 포함한다. 연료 혼합물의 촉매 연소에 의해 방출된 에너지는 열 교환 매체로 전달된다. 촉매 조성물은 반응이 저온 하에서 일어나도록 연료 혼합물의 연소 활성화 에너지를 더 낮추도록 개조된다.
일부 실시형태에서, 연료 혼합물은 수소 및 산소를 포함한다. 일부 실시형태에서, 연료 혼합물은 수소 및 산소로 이루어진다. 일부 실시형태에서, 가열 요소에 근접하게 연료 혼합물을 분배하기 위한 분배기가 제공된다. 일부 실시형태에서, 가열 요소는 하나 이상의 핀(fin)을 더 포함하고, 촉매 표면의 적어도 일부는 하나 이상의 핀 상에 있다.
일 양태에서, 열 교환 매질을 가열하기 위한 방법이 제공된다. 연료 및 산화제를 포함하는 연료 혼합물은 촉매 가열 요소를 갖는 촉매 반응기로 공급된다. 촉매 가열 요소는 수소 산화 촉매(HOC) 및 산소 환원 촉매(ORC)를 갖는 촉매 표면을 포함하며, 연소가 저온에서 일어나도록 연료 혼합물의 연소 활성화 에너지를 더 낮추도록 개조된다. 연료 혼합물은 촉매 표면 상에서 촉매적으로 연소된다. 촉매 연소에 의해 발생된 열은 열 교환 매체로 전달된다.
일 양태에서, 촉매 연소기가 제공된다. 이 연소기는 본 명세서에 기술된 바와 같거나, 본 명세서에 기술된 방법에 의해 제조된 촉매 조성물을 갖는 촉매 표면을 포함한다.
일 양태에서, 연료 혼합물을 촉매적으로 연소시키는 방법이 제공된다. 연료 및 산화제를 포함하는 연료 혼합물이 본 명세서에 기술된 바와 같은 촉매 연소기 또는 반응기로 제공되고, 이 촉매 연소기 또는 반응기의 촉매 표면 상에서 촉매적으로 연소된다.
일부 실시형태에서, HOC 및 ORC는 표면적 기준으로 약 9:1 내지 약 4:1 사이의 비로 촉매 표면 상에 존재한다. 일부 실시형태에서, HOC 및 ORC는 표면적 기준으로 약 20:3의 비로 촉매 표면 상에 존재한다. 일부 실시형태에서, 연료는 수소이고, 산화제는 산소이다. 일부 실시형태에서, 촉매 연소는 대기압 이하의 압력에서 일어난다.
일 양태로서, 복수의 플레이트를 포함하며 각 플레이트가 상부에 도포된 촉매 조성물을 갖는 촉매 표면을 포함하고, 상기 촉매 조성물은 연료를 촉매적으로 연소시키기 위한 것으로서, 이 촉매 조성물은 수소 산화 촉매(HOC) 및 산소 환원 촉매(ORC)를 포함하는 것인 가열 요소; 및 상기 복수의 플레이트와 접촉해 있고, 열 교환 매체를 수용하기 위한 입구 및 출구를 포함하는 도관; 및 이 도관 및 가열 요소를 둘러싸고 있고 상기 연료 및 산화제를 수용하기 위한 하나 이상의 입구를 갖는 외피를 포함하며; 상기 연료의 촉매 연소에 의해 방출된 에너지는 상기 열 교환 매체로 전달되고; 상기 촉매 조성물은 상기 반응이 저온 하에서 일어나도록 상기 연료의 연소 활성화 에너지를 더 낮추도록 개조된 것인 반응기 장치가 제공된다.
일부 실시형태에서, 복수의 플레이트는 적층된다. 일부 실시형태에서, 복수의 플레이트는 파형(corrugated)이다. 일부 실시형태에서, 도관은 2개의 인접한 플레이트 사이에 위치한다. 일부 실시형태에서, 도관은 2개의 인접한 플레이트 사이에서 직조되어 있다. 일부 실시형태에서, 2개의 인접한 플레이트 사이의 접촉점에는 내강(lumen) 또는 홈(groove)이 제공되어 있고, 이 내강 또는 홈은 도관을 수용하기 위한 것이다. 일부 실시형태에서, 인접한 플레이트는 조인트 부재에 의해 이격된다. 일부 실시형태에서, 조인트 부재는 도관을 수용하기 위한 내강 또는 홈을 갖는다. 일부 실시형태에서, 2개의 인접한 플레이트 사이에는 연소 공동이 제공된다. 일부 실시형태에서, 복수의 플레이트에 근접한 연소 공동에 연료 및 산화제를 분배하기 위한 하나 이상의 분배기가 제공된다. 일부 실시형태에서, 하나 이상의 분배기는 연료를 분배하기 위한 제1 분배기 및 산화제를 분배하기 위한 제2 분배기를 포함한다. 일부 실시형태에서, 연료와 산화제의 혼합은 연소 공동에서 일어난다. 제23항 내지 제39항 중 어느 한 항의 반응기에서, 촉매 표면은 약 9:1 내지 약 4:1 사이의 비를 갖는 HOC 면적 및 ORC 면적을 포함한다. 일부 실시형태에서, ORC 면적에 대한 HOC 면적의 비는 약 20:3이다. 일부 실시형태에서, 열 교환 매체 또는 연료 혼합물을 예열하기 위하여 반응기의 상류에서 반응기와 열 접촉하는 예열기가 제공된다. 일부 실시형태에서, 열 교환 매체는 물을 포함한다. 일부 실시형태에서, 물에 에너지 전달은 기화를 초래하여 증기를 생성한다. 일부 실시형태에서, 가열 요소는 모듈식이다.
일 양태에서, 본 명세서에 기술된 바와 같은 반응기 또는 촉매 연소기를 하나 이상을 포함하는 촉매 연소 시스템이 제공된다.
이하, 첨부된 도면과 함께 본 발명의 양태들이 설명될 것이다.
도 1a는 수소 산화 촉매를 포함하는 연속 상 및 산소 환원 촉매를 포함하는 불연속 상을 나타내는 촉매 표면을 예시하는 개략도이다.
도 1b는 불연속 상의 총 면적이 도 1a에 도시된 것과 동일하지만 더 큰 계면 둘레를 갖는 산소 환원 촉매를 포함하는 불연속 상 및 수소 산화 촉매를 포함하는 연속 상을 나타내는 촉매 표면을 예시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 촉매 조성물을 도포하기 위한 방법을 예시하는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시양태에 따른 열교환기 단면의 투시도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 열 교환 매체를 가열하는 방법을 예시하는 블록도이다.
도 5a는 기판 상에 분무된 촉매 입자를 예시하는 개략도이다.
도 5b는 본 발명의 실시양태에 따라 기판 상에 전기도금된 촉매를 예시하는 개략도이다.
도 6a는 본 발명의 실시형태에 따라 코팅된 기판 상에 팔라듐 및 주석의 존재를 나타내는 SEM 이미지이다.
도 6b는 본 발명의 실시형태에 따라 코팅된 기판 상에 팔라듐의 존재를 나타내는 SEM 이미지이다.
도 6c는 본 발명의 실시형태에 따라 코팅된 기판 상에 팔라듐 및 주석의 존재를 나타내는 SEM 이미지이다.
도 7은 본 발명의 실시형태에 따른 방법에 따라 작동되는 시스템의 온도를 나타내는 플롯이다.
도 8은 본 발명의 실시형태에 따른 열교환기 단면의 투시도이다. 한 쌍의 연료 및 산화제 입구가 도시되어 있다.
도 9는 도 8에 도시된 열교환기 실시형태의 가열 요소의 단면도이다.
다음의 상세한 설명 전반에 걸쳐, 구체적인 세부사항들은 본 기술분야의 통상의 기술자에게 보다 철저한 이해를 제공하기 위해 설명된다. 그러나, 본 발명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해 잘 알려진 구성요소들은 도시되지 않거나 상세하게 설명되지 않을 수 있다. 따라서, 상세한 설명 및 도면은 제한적인 의미보다는 예시적인 의미로 간주되어야 한다.
촉매 조성물
일 양태에서, 수소 산화 촉매(HOC) 및 산소 환원 촉매(ORC)를 포함하는 촉매 조성물이 제공된다. 상기 촉매 조성물은 수소 연소 반응의 저온 활성화를 위해 개조된다.
일부 실시형태에서, HOC는 표면 분자 수소가 수소 라디칼로 해리되는 물질이다. 일부 실시형태에서, HOC는 귀금속이다. 일부 실시형태에서, 귀금속은 팔라듐 또는 백금이다. 일부 실시형태에서, 귀금속은 팔라듐이다.
일부 실시형태에서, ORC는 표면 분자 산소가 산소 라디칼로 해리되는 물질이다. 일부 실시형태에서, ORC는 철, 아연, 은, 구리, 주석, 이들의 산화물, 또는 이들의 임의의 조합이다. 일부 실시형태에서, ORC는 SnO2이다.
일부 실시형태에서, 촉매 조성물에 분자 수소 및 분자 산소가 도입되자마자, HOC는 분자 수소를 수소 라디칼로 해리시키고, ORC는 분자 산소를 산소 라디칼로 해리시킨다. 촉매 표면에서 하나의 산소 라디칼에 2개의 수소 라디칼의 수송은 물의 형성을 초래한다. 전체 반응은 발열반응이며 수소의 촉매 연소로 간주될 수 있다. 촉매 수소 연소에 의해 방출된 에너지는 다른 목적을 위해 동력화될 수 있다. 일부 실시형태에서, 반응에 의해 방출된 에너지는 열 교환 매체를 가열하는데 사용된다. 다른 구체예에서, 반응에 의해 방출된 에너지는 작업(work)으로 전환된다.
일부 실시형태에서, 촉매 조성물은 수소 연소 반응의 활성화 에너지를 저하시켜 상기 반응기 저온에서 일어나도록 한다. 예를 들어, 반응의 활성화 에너지는 반응이 140℃, 100℃, 50℃, 30℃, 20℃, 15℃ 이하, 또는 심지어 10℃ 이하의 온도에서 일어나도록 저하될 수 있다. 일부 실시형태에서, 촉매 표면 상에서 일어나는 수소 연소 반응은 벌크 분자 수소를 점화시키지 않는다. 이러한 실시형태에서, 촉매 연소는 무화염성 촉매 연소이다.
일부 실시형태에서, HOC 및 ORC는 높은 계면 둘레를 갖도록 구성된다. 일부 실시형태에서, HOC 표면적 대 ORC 표면적의 비는 9:1 내지 4:1 사이이다. 일부 실시형태에서, HOC 표면적 대 ORC 표면적의 비는 약 20:3이다. 일부 실시형태에서, 이러한 HOC 및 ORC의 표면적 비는 수소 연소 반응이 더 낮은 온도에서 진행될 수 있도록 활성화 반응을 낮추기에 충분한 계면 둘레 및 촉매 물질의 양을 제공한다.
일부 실시형태에서, 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 촉매(100)의 표면 상에서 HOC는 연속 표면적 (110)을 형성하고 ORC는 불연속 표면적(120)을 형성한다. 일부 실시형태에서, HOC 및 ORC는 연속 표면적과 불연속 표면적 사이의 총 계면 둘레를 증가시키도록 구성된다. 예를 들어, 불연속 표면적의 수를 증가시키면서 각 불연속 표면적(120')의 크기를 감소시키는 것은 동일한 전체 불연속 표면적에 대해서 전체 계면 둘레를 증가시킨다.
촉매 수소 연소 반응에 대한 활성화 에너지가 이 반응이 저온, 예를 들어 실온에서 일어날 정도로 저하되면, 이 반응은 예열 또는 다른 개시 단계를 필요로 함이 없이 촉매 조성물에 단지 수소 및 산소를 도입시킴으로써 개시될 수 있다. 예열을 제거함으로써, 촉매 수소 연소 시스템의 복잡성 및 비용이 감소될 수 있다. 또한, 예열은 의도하지 않은 조기 수소 연소의 잠재적인 위험을 도입시켜, 효율 손실 또는 안전성 문제를 초래할 수 있다.
촉매 제조
일부 실시형태에서, 촉매 조성물은 이하에 설명되는 방법에 따라 제조된다. 일부 실시형태에서, 촉매 조성물은 전기도금에 의해 형성된다.
일 양태에서, 촉매 조성물을 제조하는 방법(200)이 제공된다. 도 2를 참조하면, 이 공정은 (202)에서 기판을 제공하는 것을 포함한다. (208)에서 촉매 조성물은 기판에 도포되어 촉매 표면을 형성한다. 촉매 조성물은 수소 산화 촉매(HOC) 및 산소 환원 촉매(ORC)를 포함한다. 촉매 표면은 수소 연소 반응의 저온 활성화를 위해 개조된다.
일부 실시형태에서, 촉매 조성물은 HOC 면적 및 ORC 면적을 포함한다. 일부 실시형태에서, 촉매 표면은 약 9:1 내지 약 4:1 사이의 비로 존재하는 HOC 면적 및 ORC 면적을 포함한다. 일부 실시형태에서, HOC 면적 및 ORC 면적의 비는 약 20:3 이다.
일부 실시형태에서, 기판은 수소 취성(embrittlement)에 내성이 있다. 일부 실시형태에서, 기판은 흑연, 세라믹, 오스테나이트계 스테인리스 스틸, 알루미늄, 알루미늄 합금, 또는 구리 합금이다. 일부 실시형태에서, 기판은 흑연, 세라믹, 오스테나이트계 스테인리스 스틸, 또는 구리 합금이다. 일부 실시양태에서, 기판은 흑연 또는 오스테나이트계 스테인리스강이다. 일부 실시형태에서, 기판은 흑연이다. 일부 실시형태에서, 기판은 316 스테인리스강이다. 일부 실시형태에서, 기판은 열 전도체이다. 기판을 따라 열의 전도는 반응 부위에 열의 축적을 감소시킬 수 있어, 열점의 형성을 감소시킬 수 있다.
일부 실시형태에서, 촉매 조성물의 도포는 (208A)에서 HOC 도포, 및 (208B)에서 ORC 도포를 포함한다. 일부 실시형태에서, HOC는 ORC 도포 전에 도포된다. 일부 실시형태에서, ORC는 HOC 도포 전에 도포된다. 일부 실시형태에서, HOC 및 ORC는 단일 단계에서 도포된다. 일부 실시형태에서, 촉매 조성물의 도포는 기판을 HOC, ORC 또는 둘 다로 코팅하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 코팅은 기판에 용융된 촉매 물질을 도포하거나 전기 도금하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 코팅은 전기도금을 포함한다.
일부 실시형태에서, 촉매 조성물의 도포는 보호면을 형성시킨다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 촉매 조성물은 기판의 산화를 억제한다. 이와 같이, 일부 실시형태에서 촉매의 도포는 더욱 다양한 기판 물질의 사용을 허용할 수 있다.
일부 실시형태에서, 촉매 조성물의 도포는 전구체 또는 스트라이크(strike)의 도포를 포함한다. 일 실시형태에서, 전구체의 도포는 촉매 조성물의 도포 전에 기저층의 도포를 포함한다. 일부 실시형태에서, 기저층은 스트라이크이다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "스트라이크(strike)"는 기판에 대한 촉매의 결합 또는 접착을 용이하게 하기 위해 기판과 촉매 사이에 도포된 층을 지칭한다. 일 실시형태에서, 스트라이크는 니켈이다. 다른 실시형태에서, 스트라이크는 구리, 아연 또는 구리이다. 스트라이크가 도포되는 상기 실시형태에서, 상기 공정은 열처리를 포함하는 하나 이상의 마무리 단계를 포함한다.
일부 실시형태에서, 기판은 텍스처링된 표면을 갖는다. 텍스처링된 표면은 기판 상에 촉매 물질의 개선된 접착성을 제공할 수 있다. 표면 텍스처(surface texture)는 기판에 대한 촉매 물질의 접착과 열 전도 및 구성 요건의 균형을 맞춘다. 일부 실시형태에서, 기판 표면은 약 12.5㎛의 조도 값 Ra 또는 N10의 ISO 조도 등급을 갖는다.
일부 실시형태에서, 기판은 원하는 텍스처링을 제공하기 위해 임의의 촉매 물질을 도포하기 전에 (204)에서 조면화된다. 일부 실시형태에서, 기판은 샌딩(sanding), 샌드 블라스팅(sand blasting), 충전(filing), 스크래치 새김(scribing scratch), 및 널링(knurling)과 같은 기계적 공정을 사용하여 조면화된다.
일부 실시형태에서, 기판은 임의의 촉매 물질을 도포하기 전 또는 동안 (206)에서 세정된다. 상기 세정(cleaning)은 상기 기판으로부터 표면 불순물을 제거하여 촉매 물질의 접착을 향상시키는 것이다. 일부 실시형태에서, 표면 불순물은 그리스, 기계적 조면화 처리로부터의 잔류물, 또는 둘 다를 포함한다. 일부 실시형태에서, 세정은 전해 세정, 용매를 사용한 세정, 또는 둘 다를 포함한다. 일부 실시형태에서, 세정은 화학적 세정, 초음파 세정, 또는 둘 모두를 포함한다.
바람직한 일 실시형태에서, 기저층은 촉매 조성물의 도포(208) 전에 기판에 도포된다(207). 일부 실시형태에서, 기저층은 니켈 기저 코팅이다. 일 실시형태에서, 니켈 기저 코팅은 3-10V 전압 및 2-5A 전류에서 붕산 용매 중의 NiCl 염을 사용하여 100 내지 500 마이크론 사이의 깊이로 전해 도포된다. 기판의 커버율은 주사 전자 현미경(SEM)/에너지 분산형 X선(EDX)을 이용하여 검사한다. 바람직하게는, 기저층의 평활하고 인접한 코팅은 기판의 80% 초과, 기판의 90% 초과, 기판의 95% 초과, 기판의 99% 초과, 또는 기판의 100%인 커버율로 기판에 도포된다. 니켈 기저층은 기판에 대한 촉매의 결합을 용이하게 한다. 일 실시형태에서, 니켈 기저층은 스테인리스 스틸 기판 및 HOC 모두에 대해 강한 친화도 또는 결합성을 갖기 때문에, 니켈 기저층은 스테인리스 스틸 기판에 대한 HOC의 접착성을 향상시킨다. 일부 실시형태에서, 니켈 기저 층은 반응기의 가열 요소 플레이트에 대한 촉매의 접착성을 크게 향상시키고, 재료의 수명을 증가시킨다.
다른 실시형태에서, HOC 도포(208A)는 기판을 촉매로 직접 코팅하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 상기 코팅은 상기 기판을 상기 HOC로 전기도금하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 전기도금은 HOC염 및 용매를 포함하는 HOC 전기도금 용액에 침지된 기판에 전류를 인가하는 것을 포함한다.
일부 실시형태에서, HOC 도포는 기저 층 코팅을 갖는 기판을 코팅하는 것을 포함한다. 일 실시형태에서, 기저층은 니켈이다. 일부 실시형태에서, 상기 코팅은 상기 기저 층-코팅된 기판을 상기 HOC로 전기도금하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 전기도금은 HOC염 및 용매를 포함하는 HOC 전기도금 용액에 침지된 기저-층 코팅된 기판에 전류를 인가하는 것을 포함한다.
일부 실시형태에서, HOC염은 암모늄 또는 염화물 염이다. 일부 실시형태에서, HOC염은 염화암모늄팔라듐 또는 염화팔라듐이다. 일부 실시형태에서, 염은 염화팔라듐이다. 일부 실시형태에서, HOC염은 약 5mM 내지 약 15mM 사이의 농도로 존재한다. 일부 실시형태에서, HOC염은 약 7mM 내지 약 10mM 사이의 농도로 존재한다. 일부 실시형태에서, HOC염은 약 8.8mM의 농도로 존재한다.
일부 실시형태에서, 용매는 암모니아수를 포함한다.
일부 실시형태에서, HOC 전기도금 용액은 전도 보조제를 포함한다. 일부 실시형태에서, 전도 보조제는 NaCl을 포함한다.
일부 실시형태에서, 전기도금은 약 5V 내지 약 32V 사이의 전압을 인가하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 전기도금은 약 0.3A 내지 약 3A 사이의 전류를 인가하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 전기도금은 약 15분 동안 수행된다.
일부 실시형태에서, 기판에 도포된 HOC의 두께는 약 100㎛ 내지 약 1000㎛ 사이이다. 일부 실시형태에서, 기판에 도포된 HOC의 두께는 약 250㎛이다.
일부 실시형태에서, 상기 HOC를 전기도금한 후, 상기 기판은 상기 HOC를 안정화시키기 위해 처리된다. 일부 실시형태에서, 안정성 처리는 HOC가 상부에 전착된 기판을 가열하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 가열은 약 100℃의 온도에서 수행된다.
일부 실시형태에서, ORC 도포(208B)는 기판을 코팅하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, ORC 도포는 ORC를 기판에 직접 도포하는 것을 포함한다. 다른 실시형태에서, ORC 도포는 ORC를 HOC-코팅된 기판에 도포하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 코팅은 기판을 ORC로 전기도금하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 전기도금은 ORC염 및 용매를 포함하는 ORC 전기도금 용액에 침지된 기판에 전류를 인가하는 것을 포함한다.
일부 실시형태에서, ORC염은 염화물 염이다. 일부 실시형태에서, ORC염은 염화주석이다. 일부 실시형태에서, ORC염은 약 5mM 내지 약 10mM 사이의 농도로 존재한다. 일부 실시형태에서, ORC염은 약 6.6mM의 농도로 존재한다.
일부 실시형태에서, 염은 용매 중에 ORC염 전구체를 용해시킴으로써 생성된다. 일부 실시형태에서, ORC염 전구체는 산화물이다. 일부 실시형태에서, 산화물은 SnO2이다.
일부 실시형태에서, 용매는 염산을 포함한다. 일부 실시형태에서, ORC 전기도금 용액은 SnO2를 HCl에 용해시킴으로써 제조된다. 일부 실시형태에서, ORC 전기도금 용액은 1g의 SnO2를 800㎖의 32% HCl에 용해시켜 제조한다.
일부 실시형태에서, 전기도금은 약 5V 내지 약 32V의 전압을 인가하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 전기도금은 약 0.3A 내지 약 3A의 전류를 인가하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 전기도금은 약 7분 동안 수행된다.
일부 실시형태에서, 기판에 도포된 ORC의 두께는 약 100㎛ 내지 약 1000㎛ 이다. 일부 실시형태에서, 기판에 도포된 ORC의 두께는 약 250㎛이다.
일부 실시형태에서, 기판은 HOC 또는 ORC의 커버율을 확인하기 위해 HOC 또는 ORC를 도포한 후에 검사한다. 일부 실시형태에서, 기판은 SEM/EDX를 사용하여 검사한다. 일부 실시형태에서, 불충분한 커버율이 수득되면, HOC 또는 ORC의 2차 도포를 수행한다. 일부 실시형태에서, 열처리(하기에 기술됨)는 HOC 대비 ORC의 커버율을 감소시킨다. 예를 들어, 도포 후 기판 표면의 최대 40%가 ORC에 의해 커버될 수 있는 반면(즉, HOC 면적 대 ORC 면적 6:4 비), 열처리 후에는 표면의 단지 30% 만이 ORC에 의해 커버될 수 있다. 열처리 전의 검사는 ORC의 예열처리 커버율이 ORC의 바람직한 후-열처리 커버율을 수득하는데 충분한 것인지의 여부를 결정하는데 사용될 수 있다. 이와 같이, 일부 실시형태에서, ORC와 HOC 사이의 목표 커버율 비는 열처리 후보다 촉매 물질의 도포 후에 더 높다.
HOC, ORC 또는 이들의 조합으로 코팅되거나 전기도금된 표면은 촉매 연소를 겪을 때, 촉매 과립 또는 입자가 상부에 도포된 표면과 비교했을 때 더 적은 열점 형성을 나타낼 수 있다. 이론적으로 제한하려는 것은 아니며, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 과립 또는 미립자 촉매의 도포(510)는 하부 기판(520)과 비교적 작은 접촉 면적을 초래하는 것으로 생각된다. 대조적으로, 촉매 물질의 전기도금은 얇은 HOC 층(530) 및 이 HOC 층 상에 도포된 ORC(540)의 형성을 초래하고, 여기서 열이 기판으로 용이하게 이동된다. 연료 및 산화제를 포함하는 연료 혼합물이 촉매 표면에 도입될 때, 연료는 연소 공정을 거쳐서 열을 방출시킨다. 열이 촉매로부터 멀리 이동되지 않는다면, 국부적인 "열점"이 생성될 수 있고, 표면으로부터 촉매의 융삭 또는 화염 또는 폭발을 야기할 수 있는 연료 혼합물의 점화를 초래할 수 있다. 촉매와 하부 기판 사이의 접촉 면적을 증가시킴으로써, 열이 촉매로부터 보다 효율적으로 멀리 이동되어 열점의 형성을 감소시킬 수 있다. 열의 더욱 균일한 분포는 보다 높은 작동 온도를 사용할 수 있게 한다.
일부 실시형태에서, HOC 및 ORC가 상부에 도포된 기판은 (210)에서 1 이상의 마무리(finishing) 단계로 처리된다. 일부 실시형태에서, 1 이상의 마무리 단계는 열 처리를 포함한다. 일부 실시형태에서, 열처리는 공기 또는 N2 하에서 일어난다. 일부 실시형태에서, 열처리는 공기 하에서 일어난다. 일부 실시형태에서, 열 처리는 기판에 HOC 도포 후, 기판에 ORC 도포 후, 또는 둘 모두 후에 수행된다. 일부 실시형태에서, 열처리는 HOC 열처리 및 ORC 열처리를 포함한다.
일부 실시형태에서, HOC 열처리는 안정성 처리 후에 수행된다. 일부 실시형태에서, HOC 열처리는 약 800℃ 내지 약 1200℃의 온도에서 수행된다. 일부 실시형태에서, HOC 열처리는 약 900℃의 온도에서 수행된다. 일부 실시형태에서, 열처리는 약 30분 내지 약 4시간 동안 수행된다. 일부 실시형태에서, 열처리는 약 1시간 동안 수행된다. 일부 실시형태에서, 열처리는 기판에 도포된 HOC의 어닐링을 유발한다. 일부 실시형태에서, 열처리는 기저층에 대한 HOC의 어닐링을 유발한다.
일부 실시형태에서, ORC 열처리는 안정성 처리 후에 수행된다. 일부 실시형태에서, ORC 열처리는 약 200℃ 내지 약 600℃의 온도에서 수행된다. 일부 실시형태에서, ORC 열처리는 약 400℃의 온도에서 수행된다. 일부 실시형태에서, 열처리는 약 30분 내지 약 4시간 동안 수행된다. 일부 실시형태에서, 열처리는 약 1시간 동안 수행된다.
일부 실시형태에서, 열 처리는 HOC, ORC 또는 둘 다의 촉매 활성을 활성화 또는 증가시킨다. 일부 실시형태에서, 열 처리는 ORC의 활성을 활성화 또는 증가시킨다. 일부 실시형태에서, 열처리는 HOC, ORC 또는 둘 다의 하소를 초래한다. 일부 실시형태에서, ORC 전구체가 도포되고, 열 처리는 ORC 전구체를 ORC로 전환시키는 것과 같이 ORC의 형성을 초래한다.
일부 실시형태에서, 주석은 기판에 도포되고, 열처리는 산화제일주석의 형성을 초래한다.
반응기
도 3을 참조하면, 일 양태로서 반응기(300)가 제공된다. 일 실시형태에서, 반응기는 열 교환기이다. 반응기(300)는 제1 유체 물질을 수용하기 위한 입구(312) 및 출구(314)를 갖는 도관(310); 및 제2 유체 물질을 수용하기 위한 입구(332) 및 출구(334)를 갖는 도관(310)을 둘러싸는 외피(330)를 포함한다. 제1 유체 물질 및 제2 유체 물질 중 하나는 연료 혼합물이다. 제1 유체 물질 및 제2 유체 물질 중 다른 하나는 열 교환 매체이다. 도관(310)은 수소 산화 촉매(HOC) 및 산소 환원 촉매(ORC)를 포함하는 촉매 조성물이 상부에 배치된 가열 요소(316)를 포함한다. 가열 요소(316)는 연료 혼합물의 촉매 연소를 수행하고 촉매 연소에 의해 방출된 에너지를 열 교환 매체로 전달하도록 구성된다. 일부 실시형태에서, 촉매 조성물은 촉매 연소의 활성화 에너지를 낮추어 낮은 온도에서 일어나도록 한다.
일부 실시형태에서, 촉매 조성물은 상기 기술된 바와 같은 촉매 조성물이다. 일부 실시형태에서, 가열 요소(316)는 HOC 및 ORC가 상부에 도포된 기판을 포함한다. 일부 실시형태에서, HOC 및 ORC는 상기 기술된 방법을 사용하여 기판에 도포된다. 일부 실시형태에서, HOC 대 ORC의 비는 표면적 기준으로 약 9:1 내지 약 4:1 사이이다. 일부 실시형태에서, HOC 대 ORC의 비는 표면적 기준으로 약 20:3이다.
일부 실시형태에서, 연료 혼합물은 연료 및 산화제를 포함한다. 일부 실시형태에서, 연료는 수소, 탄화수소 물질 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 일부 실시형태에서, 탄화수소 물질은 재생 가능한 탄화수소 물질, 예컨대 바이오디젤, 바이오가스 또는 조류 연료이다. 일부 실시형태에서, 연료는 수소이다. 일부 실시형태에서, 산화제는 산소, 산소 풍부 공기 또는 공기를 포함한다. 일부 실시형태에서, 산화제는 산소이다.
일부 실시형태에서, 연료 혼합물을 수용하는 입구는 연료 입구 및 산화제 입구를 포함한다. 이러한 방식으로, 연료 혼합물은 예비혼합될 필요가 없다. 반응기에서 연료 혼합물의 성분을 도입함으로써, 연료 혼합물의 조성이 보다 잘 제어될 수 있다. 반응기에 도입되는 연료 혼합물의 조성에 대한 임의의 변화는 수송 지연이 최소화될 수 있기 때문에 더욱 신속하게 수행된다. 또한, 연료와 함께 존재하는 산화제 없이, 연료 및 산화제를 별도로 수송하는 것이 연료 혼합물을 수송하는 것보다 상대적으로 더 안전할 수 있다.
일부 실시형태에서, 열 교환 매체는 물 또는 헬륨을 포함한다. 일부 실시형태에서, 열 교환 매체는 물을 포함하거나 물이다. 이러한 실시형태에서, 연료 혼합물의 촉매 연소는 물을 가열한다. 일부 실시형태에서, 물은 가열되어 증기를 생성한다. 열교환기(300)에 의해 발생된 증기는 다양한 목적을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 증기는 터빈을 구동하여 전기를 발생시키고, 지역난방 용도에 에너지를 제공하거나, 또는 증기를 필요로 하는 다른 용도에 사용될 수 있다.
일부 실시형태에서, 가열 요소(316)의 적어도 일부는 도관(310)의 표면에 일체형이다. 일부 실시형태에서, 가열 요소(316)의 적어도 일부는 도관(310)의 표면에 결합된다.
일부 실시형태에서, 가열 요소(316)는 복수의 핀(318)을 포함한다. 핀의 첨가는 촉매 수소 연소가 일어날 수 있는 표면적을 증가시킬 수 있다. 일부 실시형태에서, 하나 이상의 핀들은 물결모양(ripple)이거나 또는 표면적을 더 증가시키기 위해 콘서티나(concertina) 형상을 갖는다. 일부 실시형태에서, 복수의 핀(318)은 도관(310)에 접합된다. 핀의 접합은, 예를 들어 전도를 통해, 핀(318)으로부터 도관(310) 및 이와 접촉해 있는 임의의 물질로 열 전달을 용이하게 한다. 예를 들어, 연료 혼합물의 촉매 연소가 핀(318)의 표면 상에서 일어나는 경우, 반응에 의해 방출된 열은 도관(310)을 통해 열 교환 매체로 전달될 수 있다.
일부 실시형태에서, 반응기(300)는 가열 요소(316)에 근접하게 연료 혼합물을 분배하기 위한 분배기(320)를 포함한다. 가열 요소(316)로 연료 혼합물의 분배는 가열 요소(316)의 표면에 미연소된 수소를 더 잘 도입시킬 수 있다. 일부 실시형태에서, 분배기(320)는 연료 혼합물을 수용하는 입구(312 또는 332)에 유동적으로 결합된다. 일부 실시형태에서, 분배기(320)는 복수의 후크형 파이프를 포함하며, 각각의 후크형 파이프는 연료 혼합물을 가열 요소(316)로 전달하기 위한 오리피스를 한정한다. 일부 실시형태에서, 분배기(320)는 가열 요소(316)의 다른 구역으로 전달되는 연료 혼합물의 조성을 변화시켜, 각 구역에 개별화된 연료 혼합물이 제공되도록 한다. 예를 들어, 복수의 파이프는 각각 독립적인 연료 혼합물을 전달할 수 있다.
일부 실시형태에서, 도관(310)은 복수의 튜브(322)를 포함한다. 이러한 방식으로, 열 교환 매체로의 열 전달 속도는 부피에 대한 표면적의 비를 최대화함으로써 증가된다. 일부 실시형태에서, 튜브(322)는 1회 통과 배열로 배치되어, 도관(310)의 일 단부에서 수용된 유체가 다른 단부로 전도된다. 일부 실시형태에서, 튜브는 다중-통과 배열로 배치되어, 도관의 일 단부에서 수용된 유체가 다른 단부로 전도되고, 다시 제1 단부로 전도되며, 선택적으로 더 많은 통과도 가능하다.
일부 실시형태에서, 도관(310)은 열 교환 매체를 수용하고 외피(330)는 연료 혼합물을 수용한다. 이러한 실시형태에서, 가열 요소(316)는 도관(310)의 외측에 배치되고 외피(330)의 내부 용적에 노출된다. 연료 혼합물의 촉매 연소에 의해 발생된 열은 도관(310) 내에 배치된 열 교환 매체로 전달된다.
일부 실시형태에서, 연료 혼합물의 촉매 연소는 외피(330)의 가열을 초래한다. 일부 실시형태에서, 외피(330)의 외부 표면과 접촉해 있는 예열기(340)는 연료 혼합물의 촉매 연소에 의해 방출된 열을 도관(310) 또는 외피(330)로 도입되기 전에 연료 혼합물 또는 열 교환 매체로 전달한다. 일부 실시형태에서, 예열기(340)는 도관(310)의 상류에 배치되고, 상류 도관(310)으로 도입되기 전에 열 교환 매체를 예열한다. 일부 실시형태에서, 열 교환 매체는 입구로 도입되기 전에 약 90℃의 온도로 가열된다.
일부 실시형태에서, 연료 혼합물 내의 미반응 연료는 열교환기로 다시 재순환된다. 연료의 재순환은 처리되거나 저장되어야 하는 미연소 연료의 양을 감소시킨다. 일부 실시형태에서, 하류 응축기(도시되지 않음)는 연소 생성물로부터 물을 제거한다. 연소 생성물로부터 물을 제거함으로써, 재순환된 연료는 더 적은 열 희석제를 함유할 수 있다. 열 희석제(thermal diluent)는 작동 온도의 감소 또는 촉매 표면 상에 응축 형성의 증가를 유발할 수 있으며, 이는 연소를 감소 또는 억제할 수 있다.
연료가 수소인 상기 실시형태들 중 일부에서, 접촉하도록 구성된 구성부재들은 수소 취성에 내성인 재료로 제조한다. 예를 들어, 수소 취성-내성 재료는 오스테나이트계 스테인리스 스틸, 구리, 구리 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 및 세라믹을 포함한다.
외피(330)가 연료 혼합물을 수용하는 실시형태들 중 일부에서, 외피의 내부는 방사성 열 손실을 감소 또는 최소화하는 반사 물질로 코팅된다. 일부 실시형태에서, 열 교환기는 외피를 둘러싸는 단열재를 포함한다. 일부 실시형태에서, 단열재는 유리 울(glass wool)이다.
도 8을 참조하면, 개선된 전도성 열 전달을 갖는 반응기(800)의 다른 실시형태가 제공된다. 일부 실시형태에서, 가열 요소와 제1 및 제2 유체 물질 도관의 상호직조(interweaving)는 더 큰 체적의 유체 물질과 연료로의 규모 상승뿐만 아니라 더 큰 열 전달을 허용한다.
반응기(800)는 제1 유체 물질을 수용하기 위한 입구(812) 및 출구(814)를 갖는 도관(810)을 포함한다. 도관(810)은 수소 산화 촉매(HOC) 및 산소 환원 촉매(ORC)를 포함하는 촉매 조성물이 상부에 배치된 가열 요소(816)에 연결된다. 가열 요소(816)는 연료 혼합물의 촉매 연소를 수행하고 촉매 연소에 의해 방출된 에너지를 열 교환 매체로 전달하도록 구성된다. 일부 실시형태에서, 촉매 조성물은 낮은 온도에서 일어나도록 촉매 연소의 활성화 에너지를 낮춘다. 도관(810) 및 가열 요소(816)는 외피(830)에 의해 둘러싸인 반응 공동 내에 위치한다. 외피(830)은 제2 유체 물질을 수용하기 위한 하나 이상의 입구를 갖는다. 일 실시형태에서, 제1 유체 물질은 열 교환 매체이고, 제2 유체 재료는 연료 및 산화제이다. 일부 실시형태에서, 제2 유체 물질은 연료와 산화제의 혼합물이다. 바람직한 실시형태에서, 연료 및 산화제는 별도로 수용되며, 예비-혼합되지 않는다. 일부 실시형태에서, 연료는 하나 이상의 다른 종류의 연료들의 혼합물이다.
일 실시형태에서, 외피는 반응 공동 내로 연료 혼합물을 수용하기 위한 한 쌍의 입구(832a, 832b)를 갖는다. 일부 실시형태에서, 제2 유체 물질은 연료 및 산화제를 포함한다. 입구(832a, 832b) 중 하나는 연료를 수용하기 위한 것이고, 다른 하나는 산화제를 수용하기 위한 것이다. 일부 실시형태에서, 연료는 전술한 바와 같은 연료이다. 일부 실시형태에서, 열 교환 매체는 전술한 바와 같은 열 교환 매체이다.
일부 실시형태에서, 촉매 조성물은 상기 기술된 바와 같은 촉매 조성물이다. 도 9를 참조하면, 일부 실시형태에서, 가열 요소(816)는 HOC 및 ORC가 상부에 도포된 복수의 수평 플레이트(950a, 950b, 950c)를 포함한다. 일부 실시형태에서, HOC 및 ORC는 상기 기술된 방법을 사용하여 플레이트에 도포된다. 일부 실시형태에서, HOC 대 ORC의 비는 표면적 기준으로 약 9:1 내지 약 4:1 사이이다. 일부 실시형태에서, HOC 대 ORC의 비는 표면적 기준으로 약 20:3이다.
일부 실시형태에서, 가열 요소(816)는 파형 플레이트를 포함하는 복수의 플레이트를 포함한다. 일부 실시형태에서, 복수의 플레이트 중 일부는 파형이다. 일부 실시형태에서, 복수의 파형 플레이트는 적층된다. 일부 실시형태에서, 도관(810)은 하나의 플레이트가 다른 플레이트에 접촉하도록 인접하게 위치된다.
일부 실시형태에서, 각 플레이트는 교호하는 융기부(952) 및 저점(954)을 포함하는 단면 형상을 갖는다. 단면 형상의 예는 사인파형, 지그재그, 굽은 형, 부채꼴형, 및 톱니형(serrated)을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 바람직한 실시형태에서, 각 플레이트는 하나 이상의 조인트(956)에 의해 인접 플레이트에 부착된다. 일부 실시형태에서, 하나 이상의 조인트는 인접 플레이트들을 서로 이격되게 유지시킨다. 일 실시형태에서, 조인트의 제1 측면은 하나의 플레이트의 융기부(ridge)의 상부 표면에 부착되고, 조인트의 제2 측면은 다른 플레이트의 저점(trough)의 하부 표면에 부착된다. 일부 실시형태에서, 각 조인트는 플레이트의 폭 아래로 신장하고 도관(810)을 수용하기 위한 내강(958)을 포함한다. 일 실시형태에서, 조인트는 각각 세장형 개방 채널을 가진 2개의 조인트 부재로 제조되어, 하나의 조인트는 하나의 플레이트에 용접되고 다른 조인트는 인접한 플레이트에 용접된다. 2개의 플레이트가 적층될 때, 2개의 세장형 개방 채널은 조합되어 도관(810)을 수용하기 위한 연속 내강(958)을 형성한다. 다른 실시형태에서, 조인트는 도관(810)을 수용하기 위한 홈을 갖는다.
몇몇 실시형태에서, 복수의 수평 플레이트는 예를 들어 클램프 또는 볼트에 의해 가해지는 압축력을 인가함으로써 함께 적층되고 유지된다. 몇몇 실시형태에서, 복수의 수평 플레이트 및 조인트는 예를 들어 클램프 또는 볼트에 의해 가해지는 압축력을 인가함으로써 모두 함께 유지된다. 대안적인 실시형태에서, 복수의 수평 플레이트와 조인트는 모두 용접되거나 또는 함께 결합된다. 또 다른 실시형태에서, 복수의 수평 플레이트는, 조인트를 사용하는 일 없이 그리고 도관을 수용하기 위해 인접 플레이트들이 접촉하거나 결합되는 세장형 내강을 포함하는 일 없이, 직접 용접 또는 함께 결합된다.
일부 실시형태에서, 복수의 플레이트는 함께 적층되면, 예를 들어, 그리드, 벌집형, 또는 다마스크 패턴인 전체 단면 형상을 가질 수 있다.
일 실시형태에서, 가열 요소는 함께 적층된 복수의 플레이트를 가지며, 각 플레이트는 대략 30㎜×400㎜이다. 다른 실시형태에서, 가열 요소는 함께 적층된 6개의 플레이트를 가지며, 각 플레이트는 대략 100㎜×200㎜이다.
일부 실시형태에서, 도관(810)은 조인트의 내강을 통해 상호직조되어, 도관이 하나의 내강으로부터 다음 내강을 통해 확장되는 경우 루프(860)를 형성한다. 일부 실시형태에서, 루프(860)는 복수의 플레이트의 폭 이상으로 확장된다. 일부 실시형태에서, 도관은 내강을 통해 1회 통과 배열로 배치되고, 이에 의해 내강의 일 단부에서 수용된 유체는 내강의 다른 단부로 전도된다. 일부 실시형태에서, 도관(810)은 내강을 통해 다중-통과 배열로 배치되어, 내강의 일 단부에서 수용된 유체가 다른 단부로 전도되고 다시 제1 단부로 전도되며, 선택적으로 더 많은 통과들도 가능하다.
일부 실시형태에서, 복수의 플레이트는 평평하고, 각각의 플레이트는 플레이트의 폭 아래로 확장되어 플레이트들을 이격되게 유지시키는 복수의 세장형 조인트들에 의해 인접한 부위에 결합된다. 본 실시형태에서, 조인트는 도관(810)이 전체적으로 상호직조되어 있는 내강을 포함한다.
일부 실시형태에서, 내강을 통해 확장되는 도관의 각 분절(910)은 다음 분절과 거리 "w"만큼 분리되며, 여기서 w는 적어도 10㎜, 적어도 20㎜, 적어도 30㎜, 바람직하게는 적어도 40㎜이다. 일 실시형태에서, w는 적어도 42㎜이다. 일부 실시형태에서, 한 쌍의 플레이트 사이에 상호직조되어 있는 경우, 도관의 각 열은 거리 "h" 만큼 다음 열과 분리되는데, 여기서 h는 적어도 10㎜, 적어도 15㎜, 적어도 20㎜, 바람직하게는 적어도 25㎜이다. 일 실시형태에서, h는 26㎜ 이상이다.
일부 실시형태에서, 복수의 플레이트는 도관(810)의 표면에 일체형이다. 일부 실시형태에서, 복수의 플레이트 중 적어도 일부는 도관(810)의 표면에 접합된다.
일부 실시형태에서, 반응기(800)는 플레이트에 근접하게 연료 및 산화제를 분배하기 위한 분배기(820)를 포함한다. 플레이트에 대한 연료 및 산화제의 분배는 플레이트의 표면에 미연소 수소를 더 잘 도입시킬 수 있다. 일부 실시형태에서, 분배기(820)는 연료 및 산화제를 수용하는 하나 이상의 입구에 유동적으로 연결된다. 분배기는 하나의 플레이트의 융기부 및 다른 플레이트의 저점에 의해 한정된 공동(970)을 통해 플레이트의 폭 아래로 확장된다. 일부 실시형태에서, 분배기(820)는 플레이트 사이에 형성된 공동(970)에 연료 혼합물을 전달하기 위한 오리피스를 포함한다. 일부 실시형태에서, 분배기(820)는 플레이트의 폭 아래로 확장되는 분배기의 길이를 따라 동일하거나 상이한 크기의 복수의 오리피스를 갖는다. 일부 실시형태에서, 분배기의 길이를 따라 오리피스의 크기는 유속의 균형 정도를 허용하도록 변경된다. 예를 들어, 분배기의 입구 단부에 더 가까운 오리피스는 입구로부터 가장 먼 분배기의 단부에 있는 오리피스보다 작다. 다른 크기도 또한 가능하고 당업자에게 공지되어 있다.
일부 실시형태에서, 한 쌍의 분배기(920a, 920b)는 연료 및 산화제를 각각 수용하는 각 쌍의 입구(832a, 832b)에 유동적으로 연결된다. 분배기 쌍은 모두 하나의 플레이트의 융기부 및 다른 플레이트의 저점에 의해 한정된 공동(970)을 통해 확장되어, 연료 및 산화제를 공동(970)으로 전달한다. 일부 실시형태에서, 분배기 쌍 중 하나는 융기부(972)에 의해 한정된 공동의 부분에 더 가깝게 위치하거나 실질적으로 그 부분 내에 위치하며, 분배기 쌍 중 다른 하나는 저점(974)에 의해 한정된 공동의 부분에 더 가깝게 위치하거나 또는 실질적으로 그 부분 내에 위치한다. 일부 실시형태에서, 분배기(920a, 920b)의 쌍은 플레이트의 폭 아래로 확장되는 분배기의 길이를 따라 동일하거나 상이한 크기의 복수의 오리피스를 갖는다. 분배기 쌍 중 하나를 따르는 오리피스는 종방향 위치가 일치하고, 분배기 쌍 중 다른 분배기의 대응하는 오리피스와 대향한다. 연료 및 산화제 기체는 대향하는 분배기 공급 파이프로부터 들어와서 서로 만날 때 소용돌이치며 혼합하여 연료-산화제 혼합물을 형성하고, 이는 그 다음 플레이트의 주위 촉매 표면과 접촉하게 된다. 연료 및 산화제를 개별적으로 도입하고, 이들을 반응기에서 가능한 늦게 혼합하는 하나의 이점은, 이것이 폐기물 배기를 최소화하고 연료의 연소를 최대화하여 보다 효율적인 연소를 가능하게 한다는 것이다.
일부 실시형태에서, 분배기는 직경이 3 내지 10㎜, 5 내지 8㎜, 6 내지 7㎜, 바람직하게는 6.35㎜이다. 일부 실시형태에서, 오리피스는 0.1 내지 2㎜, 0.5 내지 1.5㎜, 바람직하게는 1㎜의 크기 범위를 갖는다. 다른 치수도 또한 가능하다.
일부 실시형태에서, 반응기는 분배기 또는 복수의 분배기 쌍의 네트워크를 포함하여 연료 및 산화제를 플레이트 사이에 형성된 다양한 공동으로 분배한다. 바람직한 실시형태에서, 각각의 공동은 자신의 각각의 입구 쌍에 유동적으로 연결된 한 쌍의 분배기를 수용한다. 이러한 실시형태에서, 복수의 입구 쌍 및 대응하는 복수의 분배기 쌍이 존재한다. 일부 실시형태에서, 분배기는 연료 혼합물을 수용하기 위해 입구에 유동적으로 연결된 개방 단부; 및 폐쇄 단부를 갖는다. 이러한 방식으로, 입구를 통해 주입된 연료 혼합물은 출구로서 작용하는 오리피스를 통해 배출된다. 일부 실시형태에서, 분배기의 쌍은 각각 개방 단부 및 폐쇄 단부, 및 연료 및 산화제가 배출되어 이들이 플레이트의 표면과 접촉하기 전에 연료와 산화제의 높은 혼합 정도를 허용하는 오리피스를 갖는다. 대안적인 실시형태에서, 분배기 또는 분배기들의 쌍은 플레이트들 사이에 형성된 다양한 공동들을 통해 상호직조된다.
일부 실시형태에서, 반응기는 자신의 외피, 가열 요소, 열 교환 매체용 도관, 및 연료 입구를 갖는 모듈식 유닛이다. 일 실시형태에서, 촉매 연소 시스템은 다수의 모듈식 반응기를 포함한다. 일 실시형태에서, 각 반응기 모듈식 유닛은 30개의 가열 플레이트, 400㎜ 직경 및 대략 1㎜ 두께를 가진 가열 요소를 갖는다. 일부 실시형태에서, 촉매 연소 시스템은 3개 초과, 5개 초과, 10개 초과, 또는 20개 초과 유닛의 모듈식 반응기를 갖는다. 일 실시형태에서, 촉매 연소 시스템은 4 내지 6개의 반응기 모듈식 유닛을 갖는다. 일 실시형태에서, 반응기 모듈식 유닛은 적층형으로 조립된다. 모듈로서 반응기를 제공하는 것은 유지 또는 수리를 위해 하나의 모듈을 나머지와 독립적으로 교체하는 능력을 포함하여 많은 이점을 갖는다.
촉매 연소 시스템의 일부 실시형태에서, 도관은 각각의 반응기 모듈식 유닛에 전용인 도관이다. 일부 실시형태에서, 촉매 연소 시스템은 열 교환 매체를 각각의 반응기 모듈식 유닛에 전달하도록 평행하게 또는 직렬로 배열된 도관 네트워크를 갖는다. 촉매 연소 시스템이 적층 조립된 반응기 모듈식 유닛을 포함하는 일부 실시형태에서, 도관은 열 교환 매체가 모듈식 반응기의 바닥 부위에 위치한 도관 입구를 통해 도입되고, 모듈식 반응기의 상단 부위에 위치한 도관 출구를 통해 배출되도록 구성된다. 제1 적층 모듈 반응기의 도관 출구는 제2 적층 모듈 반응기의 도관 입구와 유체 연결되어 있다. 이러한 방식으로, 촉매 연소 시스템에 있는 반응기 모듈식 유닛의 수는 최상부 반응기 모듈식 유닛으로부터 열 교환 매체의 바람직한 산출량에 기초하여 변경될 수 있다.
일부 실시형태에서, 본 명세서에 기술된 반응기는 각각 복수의 플레이트를 갖는 복수의 가열 요소를 포함한다. 일부 실시형태에서, 본 명세서에 기술된 반응기는 모듈식 가열 요소를 포함하며, 각각의 모듈식 유닛은 복수의 플레이트를 갖는다.
열 교환
공지된 열 교환기에서, 고온 매체는 전형적으로 도관 내부에 제공되며, 냉각 매체에 의해 둘러싸여 고온 매체 유래의 열을 냉각 매체로 전달한다. 연료 연소를 최대화하고 동시에 열 전달을 최대화하기 위해 개량된 반응기 및 촉매 표면이 본 명세서에 기술된 바와 같이 개발되었고, 이는 냉각 매체(즉, 열 교환 매체)가 고온 매체(즉, 촉매 조성물로 코팅된 가열 요소)에 의해 둘러싸인 도관 내에 제공될 때 더욱 효율적이다.
또한, 초기에 열 교환기를 시동할 때, 열 교환 매체로 열의 전도성 전달로 인한 조기 열 손실은 촉매 조성물이 상부에 도포된 가열 요소의 유효성을 개시 연소로부터 감소시킬 수 있다. 상당한 지연 또는 느린 초기 온도 증가를 피하기 위해, 본 명세서에 기술된 반응기는 또한 플레이트 사이에 도관의 상호직조 및 루프 부분이 플레이트의 접촉점에 있지 않는 플레이트의 폭을 넘어선 도관의 루핑(looping)에 의해, 시동 중에 이러한 조기 열 손실을 보다 효과적으로 관리한다는 이점도 갖는다.
일 양태에서, 도 4에 도시된 바와 같이 열 교환 매체를 가열하기 위한 방법(400)이 제공된다. (402)에서, 촉매 표면은 수소 산화 촉매(HOC) 및 산소 환원 촉매(ORC)를 포함한다. 촉매 표면은 연료가 저온에서 발생하도록 연료와 산화제를 포함하는 연료 혼합물의 연소 활성화 에너지를 낮추도록 개조된다. (404)에서, 연료 혼합물은 촉매 표면에 공급된다. (406)에서, 연료 혼합물은 촉매 표면 상에서 연소된다. (408)에서, 촉매 연소에 의해 발생된 열은 열 교환 매체로 전달된다.
일부 실시형태에서, HOC 및 ORC는 표면적 기준으로 약 9:1 내지 약 4:1의 비로 존재한다. 일부 실시형태에서, HOC 및 ORC는 약 20:3의 비로 존재한다.
일부 실시형태에서, 연료 혼합물은 연료 및 산화제를 포함한다. 일부 실시형태에서, 연료는 수소, 탄화수소 물질 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 일부 실시형태에서, 탄화수소 물질은 재생 가능한 탄화수소 물질, 예컨대 바이오디젤, 바이오가스 또는 조류 연료이다. 일부 실시형태에서, 연료는 수소이다. 일부 실시형태에서, 산화제는 산소, 산소 풍부 공기 또는 공기를 포함한다. 일부 실시형태에서, 산화제는 산소이다.
일부 실시형태에서, 촉매 연소의 연소 생성물은 물을 포함한다. 촉매 표면 상에 물의 축적은 연료 혼합물의 연소를 촉진하는데 이용 가능한 표면을 감소시킨다. 일부 실시형태에서, 촉매 연소는 낮은 압력에서 일어난다. 더 낮은 압력은 물의 끓는 점을 감소시킬 수 있다. 낮은 끓는 점은 물의 기화 속도를 증가시킴으로써 촉매 표면 상의 액체 물의 축적을 감소시킬 수 있다.
일부 실시형태에서, 연료 혼합물의 공급은 연료 혼합물의 조성을 조절하는 것을 포함한다. 일부 실시형태에서, 연료 혼합물의 공급은 시동 단계(404A), 작동 단계(404B) 또는 둘 다를 포함한다.
시동 단계(404A) 동안, 촉매 표면은 초기 온도에 배치된다. 일부 실시형태에서, 촉매 표면의 초기 온도는 100℃, 50℃, 30℃, 20℃, 15℃ 이하, 또는 심지어 10℃ 이하이다. 일부 실시형태에서, 시동 단계(404A) 동안 제공된 연료 혼합물의 조성은 비교적 산소가 풍부하다. 비교적 산소가 풍부한 연료 혼합물은 연료-풍부 혼합물보다 더 낮은 온도에서 촉매 연소를 겪을 수 있다. 일부 실시형태에서, 시동 단계 동안 공급된 연료 혼합물의 산소 대 연료의 비는 약 1:2 내지 약 1:1 사이이다. 일부 실시형태에서, 시동 단계 동안 공급된 연료 혼합물의 산소 대 연료의 비는 약 11:14 이다. 촉매 연소는 촉매 표면의 가열을 초래한다. 일부 실시형태에서, 시동 단계는 최대 1시간, 45분, 30분, 또는 심지어 20분 동안 지속된다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 특정 실시형태에서, 연료 혼합물은 반응기에 공급되었다. 초기 온도는 주위 온도(약 25℃)였다. 온도는 약 35℃에 도달할 때까지 약 10 초 동안 서서히 상승했고, 이 시점에서 온도는 더 빠르게 증가하기 시작했다. 이론에 국한하려는 것은 아니지만, 초기 온도에서 에너지는 반응을 활성화시키기에 충분하지만, 비교적 낮은 반응 속도였다. 반응이 진행됨에 따라, 발열 촉매 연소 반응에 의해 에너지가 방출되었다. 이는 관찰되는 온도 증가를 초래하였고, 추가 에너지를 제공하였으며, 이는 반응 속도를 증가시켰고, 온도를 더 빠르게 증가시켰다. 이에 반해, 동일한 연료 혼합물을 공급했지만, 팔라듐이 유사한 가열 요소에서 유일한 촉매 물질인 시스템에서는 1시간 이상의 기간 후에도 주위 온도 이상으로 온도 증가가 관찰되지 않았다.
일부 실시형태에서, 일단 촉매 표면의 온도가 약 140℃를 초과하면, 공정은 작동 단계(404B)로 진입한다. 일부 실시형태에서, 연료 혼합물의 조성은 상대적으로 연료-풍부한 것이다. 일부 실시형태에서, 상대적으로 연료-풍부한 연료 혼합물을 이용한 촉매 연소는 열 희석제로서 작용할 과량의 산화제가 존재하지 않기 때문에 더 높은 작동 온도에서 일어날 수 있다. 일부 실시형태에서, 작동 단계 동안 공급된 연료 혼합물의 산소 대 연료의 비는 약 2:5 내지 약 2:3이다. 일부 실시형태에서, 작동 단계 동안 공급된 연료 혼합물의 산소 대 연료의 비는 약 3:4이다. 일부 실시형태에서, 작동 단계 동안 촉매 연소는 300℃, 400℃, 500℃ 또는 심지어 600℃보다 높은 작동 온도를 갖는 촉매 표면 상에서 일어난다. 일부 실시형태에서, 작동 온도는 600℃ 초과이다. 더 높은 촉매 표면 온도는 열 교환 매체와 더 큰 열 구배를 초래하여, 열 교환 매체로 전달되는 열의 양을 증가시킨다.
일부 실시형태에서, 연료 혼합물은 제한된 열 희석제를 갖거나 열 희석제를 포함하지 않는다. 예를 들어, 공기는 질소, 산소 및 이산화탄소를 포함하는 기체 혼합물이다. 공기 중의 비-산소 기체는 제한된 반응성을 가지며, 연료 혼합물의 촉매 연소에 의해 달성될 수 있는 온도가 연료 혼합물이 제한된 열 희석제를 포함하거나 열 희석제를 포함하지 않을 때보다 낮도록 촉매 연소에 의해 방출된 열의 일부를 흡수하는 열 희석제로서 작용할 수 있다. 또한, 높은 작동 온도에서 질소의 존재는 바람직하지 않은 NOx의 형성을 초래할 수 있다. 이와 같이, 일부 실시형태에서, 산화제는 산소 풍부 공기 또는 산소이다. 일부 실시형태에서, 산화제는 산소이다.
일부 실시형태에서, 촉매 연소는 대기압보다 낮은 압력에서 수행된다. 일부 실시형태에서, 촉매 연소는 100㎪, 90㎪, 80㎪, 70㎪, 60㎪ 미만 또는 심지어 50㎪ 미만의 압력에서 수행된다. 대기압보다 낮은 압력에서는 물의 끓는점이 낮아져, 촉매 표면 상에 액체 물이 축적될 가능성을 감소시킨다. 또한, 보다 낮은 압력에서는 벌크 연료 혼합물의 연소성이 감소될 수 있으며, 이는 더 큰 안전성을 초래할 수 있다.
일부 실시형태에서, 열 교환 매체는 물, 대류 냉각 헬륨 루프, sCO2(과열된 이산화탄소)이다. 일부 실시형태에서, 열이 물로 전달되면 증기의 형성을 초래한다. 증기는, 예를 들어, 터빈을 구동하는데 사용되어 지역 난방 시스템용 에너지를 제공하는데, 또는 담수화 작동에 사용될 수 있다.
일부 실시형태에서, 촉매 표면은 상기 기술된 열 교환기의 가열 요소의 표면의 적어도 일부이다. 일부 실시형태에서, 촉매 표면은 상기 기술된 방법에 따라 제조된다. 일부 실시형태에서, 촉매 표면은 상기 기술된 바와 같은 촉매 조성물을 포함한다.
일 양태에서, 촉매 연소기가 제공된다. 촉매 연소기는 촉매 표면을 포함한다. 촉매 표면은 상기 기술된 바와 같은 촉매 조성물을 포함하거나, 상기 기술된 바와 같은 방법에 의해 제조된다.
일부 실시형태에서, 촉매 연소기의 작동에 의해 발생된 열은 작업을 수행하기 위한 열원으로서 사용된다. 일부 실시형태에서, 촉매 연소기의 작동에 의해 발생된 열은 스털링 엔진(Stirling Engine), 터빈, 공기 조화용 상 변화 작동, 지역 난방 시스템, 또는 담수화 시스템을 구동시키는데 사용된다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 촉매 연소기는 반응기(300)에 포함된 가열 요소이다. 다른 실시형태에서, 촉매 연소기는 스털링 엔진의 팽창 실린더를 수용하도록 개조된 구멍을 갖는 흑연 블록이다. 일부 실시형태에서, 촉매 연소기의 작동에 의해 발생된 열은 증기를 발생시키는데 사용된다. 예를 들어, 촉매 연소기는 전술한 바와 같이 반응기에 통합될 수 있다.
일 양태로서, 연료 혼합물을 촉매 연소시키는 방법이 제공된다. 연료 및 산화제를 포함하는 연료 혼합물은 전술한 바와 같이 촉매 연소기에 공급되고 촉매 연소기의 촉매 표면 상에서 촉매적으로 연소된다. 일부 실시형태에서, 촉매 연소는 열이 열 교환 매체로 반드시 전달되는 것은 아닌 점을 제외하고는 전술한 바와 같은 열 교환 매체의 가열과 유사하게 수행된다.
실시예
실시예 1 - 촉매 조성물의 제조
디스크는 두께가 0.8㎜인 316 스테인리스 스틸 시트로부터 절단하였다. 이 디스크에 구멍을 뚫어 구멍을 탑재하였다. 디스크의 표면은 30부터 800까지 점진적으로 미세한 그릿을 갖는 카보런덤 페이퍼(carborundum paper)를 사용하여 ISO 조도 등급 N10으로 기계적으로 조면화하였다.
HOC 전기도금 용액은 PdCl 1g을 30% 암모니아 800㎖에 용해하여 제조하였다. 상기 디스크 및 유사한 면적의 팔라듐 전극을 상기 용액 내에 기계적으로 부유시키고, 30V에서 1A의 전류를 15분 동안 인가하였다. 그 목적은 두께가 약 250㎛인 팔라듐의 균일한 커버율을 수득하는 것이었다.
일단 도금이 완료되면, 디스크를 제거하고, 증류수로 헹구고, 섬세한 태스크 와이퍼로 부드럽게 두드려 건조하여 과량의 잔류 액체를 제거하였다. 이어서, 디스크를 100℃의 산업용 노에서 약 15분 동안 베이킹하여 잔류 전기도금 용액을 제거하였다.
표면의 가시적 검사를 수행하여 기판이 육안으로 확인되지 않고 균일한 코팅이 도포되었는지를 확인하였다. 커버율이 한계치(marginal)였다면 다중점 SEM/EDX 검사를 수행하였다. 필요한 경우, 전기도금 공정을 반복하였다.
일단 커버율이 확인되면, 디스크를 900℃에서 1시간 동안 어닐링시킨 다음 실온으로 냉각시켰다.
ORC 용액은 1g의 SnO2를 32% HCl 800㎖에 용해시켜 제조하였다.
냉각된 디스크는 ORC 전기도금 용액에 기계적으로 부유시키고 10V에서 3A의 전류를 디스크 및 유사한 치수의 팔라듐 전극을 따라 7분 동안 적용하였다.
ORC 전기도금이 완료되면, 디스크를 제거하고 증류수로 헹구었다. 전기도금이 표면의 30% 이상에 주석을 침착시켰는지를 확인하기 위해 육안 검사 공정을 반복하였다.
커버율이 확인되면, 디스크를 400℃에서 1시간 동안 어닐링하였다.
기판에 도포된 촉매 조성물을 나타내는 SEM/EDX 이미지는 도 6a 내지 도 6c 에 제공된다. 이미지를 수득하는데 사용된 설정은 다음과 같다:
Acc. 전압: 15.0㎸
해상도: 512×512 픽셀
관찰된 해상도: 50%
처리 시간: 5
이미지 폭: 1.567㎜
혼합 맵: 팔라듐 La1(적색), 주석 La1(녹색)
실시예 2 - 촉매 조성물에 의한 촉매 연소
도 3에 도시된 바와 같이, 내부에 배치된 가열체에 촉매 조성물이 도포된 반응기를 사용하였다. 이 시스템은 도관이 물을 수용하고 외피가 연료 혼합물을 수용하도록 작동시켰다.
시스템은 개방 밸브를 통해 증기/물 출구로부터 물이 유출될 때까지 펌프를 사용하여 탱크 유래의 물로 준비시켰다. 이어서, 물 보조시스템 출구 밸브는 닫았다. 외피의 내부 환경 내의 압력을 낮추어서 약 2㎪(a)의 진공을 수득하였다. 수소 및 산소는 조절기를 통해 내부 공동으로 도입시켰고 질량 유량 조절기로 조절하였다. 유량은 초기에 수소 및 산소를 약 14:11의 비율로 전달되도록 설정하였다. 내부 온도 및 외부 온도를 모니터링하기 위해 일련의 열전대를 사용하였다.
도 7을 참조하면, 내부 온도는 초기에 약 25℃였다. 약 10초 동안 상대적으로 느린 초기 온도 증가가 있었다. 약 40℃ 내지 60℃의 온도에서, 온도 증가율은 상당히 가속화되었다. 온도는 약 350℃ 내지 400℃에서 안정화되었다.
물은 보조시스템으로 순환시켰고, 증기 압력은 800㎪ 미만의 증기압을 유지하기 위해 배출 밸브를 개방시켜 조절하였다.
이어서, 연료 혼합물의 유량은 진공 시스템이 약 100㎪(a) 이하의 내부 압력을 더 오래 유지할 수 있을 때까지, 전달되는 H2의 양 및 전달되는 O2의 양을 증가시키도록 조정하였다.
온도는 약 600℃로 증가시켰고 고품질 증기가 생성되었다.
실시예 3 - 파형 가열 플레이트 상에 도포된 촉매 조성물에 의한 촉매 연소
도 8에 도시된 바와 같이, 내부에 배치된 복수의 파형 플레이트에 촉매 조성물이 도포된 반응기를 사용하였다. 시스템은 도관이 물을 수용하고, 외피가 2 개의 별도 입구를 통해 수소 및 산소를 수용하도록 작동시켰다. 시스템은 물로 준비하였고, 수소 및 산소를 상기 실시예 2에 기술된 바와 유사한 방식으로 내부 공동에 도입시켰다.
내부 온도는 초기에 약 11℃였고(데이터는 도시되지 않음), 시스템은 도 7 에 도시된 것과 유사한 온도 증가 프로파일 또는 경향을 나타내어 고품질의 증기를 생성하였다.
다수의 예시적인 양태 및 실시형태가 상기에 논의되었지만, 당업자는 특정 변형, 치환, 부가 및 이들의 하위조합이 가능하다는 것을 인식할 것이다. 상기 명세서에서, 설명의 목적으로 본 개시내용의 철저한 이해를 제공하기 위해 다수의 세부사항들이 제시된다. 그러나, 본 발명을 실시하기 위해 이들 구체적인 세부사항이 필수적이지 않다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 특정 치수 및 재료는 개시된 예시적인 실시양태를 구현하기 위해 설명되지만, 다른 적절한 치수 및/또는 재료가 본 개시내용의 범위 내에서 사용될 수 있다. 현행 및 향후의 모든 적합한 기술 변화를 포함하는 이러한 모든 변형 및 변화는 본 발명의 영역 및 범위 내에 속하는 것으로 생각된다. 언급된 모든 참고문헌은 그 전문이 본 명세서에 참조에 의해 편입된다.

Claims (53)

  1. 촉매 조성물로서,
    수소 산화 촉매(hydrogen oxidation catalyst: HOC); 및
    산소 환원 촉매(oxygen reduction catalyst: ORC)를 포함하되,
    상기 촉매는 수소 연소 반응의 저온 활성화를 위해 개조된, 촉매 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 HOC의 표면적 대 상기 ORC의 표면적의 비가 약 9:1 내지 약 4:1 사이인, 촉매 조성물.
  3. 제2항에 있어서, 상기 HOC의 표면적 대 상기 ORC의 표면적의 비가 약 20:3인, 촉매 조성물.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 HOC 및 상기 ORC는 전착에 의해 형성되는, 촉매 조성물.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매는 약 140℃ 이하의 온도에서 수소 연소를 활성화하기 위해 개조된, 촉매 조성물.
  6. 제5항에 있어서, 상기 촉매는 20℃ 이하의 온도에서 수소 연소를 활성화시키기 위해 개조된, 촉매 조성물.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 HOC는 귀금속인, 촉매 조성물.
  8. 제7항에 있어서, 상기 HOC는 백금 또는 팔라듐인, 촉매 조성물.
  9. 제8항에 있어서, 상기 HOC는 팔라듐인, 촉매 조성물.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 ORC는 산화제일주석인, 촉매 조성물.
  11. 촉매 조성물을 도포하기 위한 방법으로서,
    기판을 제공하는 단계;
    촉매 조성물을 상기 기판에 도포하여 촉매 표면을 형성하는 단계로서, 상기 촉매 조성물은 수소 산화 촉매(HOC) 및 산소 환원 촉매(ORC)를 포함하는, 상기 촉매 표면을 형성하는 단계를 포함하되;
    상기 촉매 표면은 수소 연소 반응의 저온 활성화를 위해 개조된, 촉매 조성물을 도포하기 위한 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 촉매 표면은 약 9:1 내지 약 4:1 사이의 비를 갖는 HOC 면적 및 ORC 면적을 포함하는, 촉매 조성물을 도포하기 위한 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 HOC 면적 대 상기 ORC 면적의 비가 약 20:3인, 촉매 조성물을 도포하기 위한 방법.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매 조성물을 도포하는 단계는 상기 HOC를 도포하는 단계 및 상기 ORC를 도포하는 단계를 포함하는, 촉매 조성물을 도포하기 위한 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 ORC는 상기 HOC의 도포 후에 도포되는, 촉매 조성물을 도포하기 위한 방법.
  16. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매 조성물을 도포하는 단계는 상기 HOC, 상기 ORC, 또는 둘 모두를 상기 기판에 전기도금하는 것을 포함하는, 촉매 조성물을 도포하기 위한 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 촉매 조성물을 도포하는 단계는 상기 HOC를 상기 기판에 전기도금하는, 촉매 조성물을 도포하기 위한 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 촉매 조성물을 도포하는 단계는 상기 ORC를 상기 HOC-도포된 기판에 전기도금하는, 촉매 조성물을 도포하기 위한 방법.
  19. 제11항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매 조성물을 도포하기 전에 상기 기판에 전구체를 도포하는 단계를 더 포함하되, 상기 전구체는 상기 기판에 대한 상기 촉매 조성물의 접착을 향상시키는, 촉매 조성물을 도포하기 위한 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 전구체는 니켈 또는 구리인, 촉매 조성물을 도포하기 위한 방법.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 전구체를 도포하는 단계는 상기 전구체를 상기 기판에 전기도금하는 것을 포함하는, 촉매 조성물을 도포하기 위한 방법.
  22. 제11항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매 도포된 기판의 가열 처리를 더 포함하는, 촉매 조성물을 도포하기 위한 방법.
  23. 반응기 장치로서,
    도관으로서,
    제1 유체 물질을 수용하기 위한 입구, 및 출구를 포함하는, 상기 도관;
    상기 도관에 결합된 가열 요소로서, 상기 가열 요소는 촉매 조성물이 상부에 도포되어 있는 촉매 표면을 포함하고, 상기 촉매 조성물을 연료 및 산화제를 포함하는 연료 혼합물을 촉매적으로 연소시키기 위한 것이며, 상기 촉매 조성물은 수소 산화 촉매(HOC) 및 산소 환원 촉매(ORC)를 포함하는, 상기 가열 요소; 및
    상기 도관을 둘러싸고 있는 외피(shell)로서, 제2 유체 물질을 수용하기 위한 입구 및 출구를 갖는, 상기 외피를 포함하되,
    상기 제1 유체 물질 및 상기 제2 유체 물질 중 하나는 상기 연료 혼합물을 포함하고, 상기 제1 유체 물질 및 상기 제2 유체 물질 중 다른 것은 열 교환 매체를 포함하며;
    상기 연료 혼합물의 촉매 연소에 의해 방출된 에너지가 상기 열 교환 매체로 전달되고, 그리고
    상기 촉매 조성물은 상기 반응이 저온에서 일어나도록 상기 연료 혼합물의 연소 활성화 에너지를 저하시키도록 개조된, 반응기 장치.
  24. 제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 혼합물은 수소 및 산소를 포함하는, 반응기.
  25. 제26항에 있어서, 상기 연료 혼합물은 수소 및 산소로 구성된, 반응기.
  26. 제23항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 혼합물을 상기 가열 요소에 근접하게 분배하기 위한 분배기를 더 포함하는, 반응기.
  27. 제23항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 요소는 적어도 하나의 핀을 더 포함하되, 상기 촉매 표면의 적어도 일부가 상기 적어도 하나의 핀 위에 있는, 반응기.
  28. 반응기 장치로서,
    복수의 플레이트를 포함하는 가열 요소로서, 각 플레이트는 상부에 촉매 조성물이 도포된 촉매 표면을 포함하고, 상기 촉매 조성물은 연료를 촉매 연소하기 위한 것으로, 상기 촉매 조성물은 수소 산화 촉매(HOC) 및 산소 환원 촉매(ORC)를 포함하는, 상기 가열 요소; 및
    상기 복수의 플레이트와 접촉하고 있는 도관으로서,
    열 교환 매체를 수용하기 위한 입구, 및
    출구
    를 포함하는, 상기 도관; 및
    상기 도관 및 상기 가열 요소를 둘러싸고 있는 외피로서, 상기 연료 및 산화제를 수용하기 위한 하나 이상의 입구를 갖는 상기 외피를 포함하되;
    상기 연료의 촉매 연소에 의해 방출된 에너지는 상기 열 교환 매체로 전달되고; 그리고
    상기 촉매 조성물은 상기 연료의 연소 활성화 에너지를 낮추어 반응이 저온 하에서 일어나도록 개조된, 반응기 장치.
  29. 제28항에 있어서, 상기 복수의 플레이트는 적층된, 반응기.
  30. 제29항에 있어서, 상기 복수의 플레이트 중 하나 이상이 파형인, 반응기.
  31. 제28항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도관은 2개의 인접한 플레이트 사이에 위치하는, 반응기.
  32. 제31항에 있어서, 상기 도관은 상기 2개의 인접한 플레이트 사이에 직조되어 있는, 반응기.
  33. 제28항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2개의 인접한 플레이트 사이의 접촉점에 내강(lumen) 또는 홈(groove)을 더 포함하되, 상기 내강 또는 홈은 상기 도관을 수용하기 위한 것인, 반응기.
  34. 제28항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인접한 플레이트들이 조인트 부재에 의해 이격되어 있는, 반응기.
  35. 제34항에 있어서, 상기 조인트 부재는 상기 도관을 수용하기 위한 내강 또는 홈을 갖는, 반응기.
  36. 제28항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2개의 인접한 플레이트 사이에 연소 공동을 포함하는, 반응기.
  37. 제36항에 있어서, 상기 복수의 플레이트에 인접한 연소 공동으로 상기 연료 및 상기 산화제를 분배하기 위한 하나 이상의 분배기를 더 포함하는, 반응기.
  38. 제37항에 있어서, 상기 하나 이상의 분배기가 상기 연료를 분배하기 위한 제1 분배기 및 상기 산화제를 분배하기 위한 제2 분배기를 포함하는, 반응기.
  39. 제38항에 있어서, 상기 연료와 상기 산화제의 혼합이 상기 연소 공동에서 일어나는, 반응기.
  40. 제23항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매 표면은 약 9:1 내지 약 4:1 사이의 비를 갖는 HOC 면적 및 ORC 면적을 포함하는, 반응기.
  41. 제40항에 있어서, 상기 HOC 면적 대 상기 ORC 면적의 비가 약 20:3인, 반응기.
  42. 제23항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 교환 매체 또는 상기 연료 혼합물을 예열하기 위하여, 상기 반응기의 상류에 상기 반응기와 열 접촉하고 있는 예열기를 더 포함하는, 반응기.
  43. 제23항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 교환 매체는 물을 포함하는, 반응기.
  44. 제43항에 있어서, 상기 물에 상기 에너지의 전달이 증기를 생산하는 기화를 초래하는, 반응기.
  45. 제23항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 요소는 모듈식인, 반응기.
  46. 열 교환 매체를 가열하기 위한 방법으로서,
    수소 산화 촉매(HOC) 및 산소 환원 촉매(ORC)를 갖는 촉매 표면을 포함하는 촉매 가열 요소를 갖는 촉매 반응기에 연료 및 산화제를 공급하는 단계로서, 상기 촉매 표면은 연소가 저온에서 일어나도록 상기 연료 혼합물의 연소 활성화 에너지를 낮추도록 개조된, 상기 공급하는 단계;
    상기 촉매 표면에서 상기 연료 혼합물을 촉매 연소시키는 단계; 및
    상기 촉매 연소에 의해 발생된 열을 상기 열 교환 매체로 전달하는 단계
    를 포함하는, 열 교환 매체를 가열하기 위한 방법.
  47. 제46항에 있어서, 상기 HOC 및 상기 ORC는 표면적 기준으로 약 9:1 내지 약 4:1 사이의 비로 상기 촉매 표면 상에 존재하는, 열 교환 매체를 가열하기 위한 방법.
  48. 제47항에 있어서, 상기 HOC 및 상기 ORC는 표면적 기준으로 약 20:3의 비로 상기 촉매 표면에 존재하는, 열 교환 매체를 가열하기 위한 방법.
  49. 제46항 내지 제48항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료는 수소이고 상기 산화제는 산소인, 열 교환 매체를 가열하기 위한 방법.
  50. 제46항 내지 제49항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매 연소는 대기압 이하의 압력에서 일어나는, 열 교환 매체를 가열하기 위한 방법.
  51. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 정의된 바와 같은, 또는 제11항 내지 제22항 중 어느 한 항에 정의된 방법에 의해 제조된 촉매 조성물을 포함하는 촉매 표면을 포함하는, 촉매 연소기.
  52. 연료 혼합물을 촉매 연소시키는 방법으로서,
    제41항에 정의된 바와 같은 촉매 연소기, 또는 제23항 내지 제44항 중 어느 한 항에 정의된 바와 같은 반응기에 연료 및 산화제를 공급하는 단계; 및
    상기 연료 혼합물을 촉매 표면에서 촉매 연소시키는 단계
    를 포함하는, 연료 혼합물을 촉매 연소시키는 방법.
  53. 제45항에 정의된 바와 같은 하나 이상의 반응기를 포함하는 촉매 연소 시스템.
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