KR20220104735A - 저항 가열에 의해 가열된 원료 가스의 흡열 반응 - Google Patents

저항 가열에 의해 가열된 원료 가스의 흡열 반응 Download PDF

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피터 묄가르트 모르텐센
카스페르 에밀 라르센
세바스티안 토르 위즈만
킴 아스베르그-페테르센
벤딕센 프레밍 부스
피터 발레르
알렉산드루 소레아
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토프쉐 에이/에스
그런포스 홀딩 에이/에스
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Abstract

원료 가스의 흡열 반응에 촉매작용하도록 구성된 구조화된 촉매로서, 상기 구조화된 촉매는 전기 전도성 물질의 거시적 구조를 포함하고, 상기 거시적 구조는 세라믹 코팅을 담지하며, 상기 세라믹 코팅은 촉매 활성 물질을 담지하고, 전기 전도성 물질은 적어도 부분적으로 전기 전도성 금속 물질과 세라믹 물질의 균질한 혼합물 형태의 복합체이며, 거시적 구조는 적어도 부분적으로 상이한 저항률을 가진 둘 이상의 물질로 이루어진다.

Description

저항 가열에 의해 가열된 원료 가스의 흡열 반응
본 발명은 원료 가스(feed gas)의 흡열 반응을 수행하기 위한 구조화된 촉매에 관한 것이며, 상기 구조화된 촉매는 제1 전기 전도성 물질의 거시적 구조를 포함하고, 상기 거시적 구조는 세라믹 코팅을 담지하며, 상기 세라믹 코팅은 촉매 활성 물질을 담지한다.
흡열 반응은 열이 어떻게 반응기 유닛 내 촉매층의 반응 구역에 효율적으로 전달될 수 있는지가 주로 문제가 된다. 대류, 전도 및/또는 복사 가열에 의한 종래의 열 전달은 느릴 수 있고, 대부분의 구성형태에서 큰 저항에 부딪힐 것이다. 이러한 문제는 스팀 개질 플랜트의 관형 개질기에서 나타날 수 있는데, 이것은 실제로 속도 제한 단계로서 열 전달을 수반한 대형 열 교환기로서 간주될 수 있다. 관형 개질기 관의 가장 내부의 온도는 관 벽을 통한 열 전달 속도와 관 내의 촉매로 인해, 또 스팀 개질 반응의 흡열성으로 인해 관 외부 온도보다 다소 낮다.
촉매를 수용한 관의 외부 대신 촉매 내에 열을 공급하는 한 가지 방식은 전기 저항 가열에 의한 것이다. DE102013226126은 물리적 에너지 재생을 수반한 등온 메탄 개질 과정을 설명하며, 여기서 메탄은 이산화탄소에 의해 일산화탄소와 수소로 구성된 합성가스로 개질된다. 출발 가스인 CH4와 CO2가 전기 전도성이며 촉매인 입자로 구성된 고정층 반응기에서 전도되고, 이것은 약 1000 K의 온도로 전기적으로 가열된다. 반응물 가스의 전환 및 생성된 합성가스의 열 발생이 고정층 반응기에서 일어난다.
본 발명의 목적은 원료 가스의 흡열 반응을 수행하기 위한 전열식 구조화된 촉매 및 반응기 시스템의 대안의 구성형태를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 열 공급과 촉매가 통합된 구조화된 촉매 및 반응기 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 산업 규모 스팀 개질의 기준인 측면 연소식 또는 상부 연소식 스팀 메탄 개질기(SMR) 등의 외부 가열 반응기를 가진 시스템과 비교하여 전반적인 에너지 소비가 감소되는, 탄화수소를 포함하는 원료 가스의 흡열 반응을 수행하기 위한 구조화된 촉매 및 반응기 시스템을 제공하는 것이다. 전기 가열을 이용함으로써 연소식 SMR의 고온 연도 가스가 회피되며, 따라서 전열식 반응기의 개질 구역에서는 에너지가 덜 요구된다.
본 발명의 다른 목적은 흡열 반응을 수행하는 종래의 반응기와 비교하여 촉매량 및 반응기 시스템 크기가 감소되는, 원료 가스, 예를 들어 탄화수소를 포함하는 원료 가스의 흡열 반응을 수행하기 위한 구조화된 촉매 및 반응기 시스템을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명은 반응의 반응 프론트가 제어된 상태에서 촉매 활성 물질의 양을 재단할 수 있고, 따라서 감소시킬 수 있는 가능성을 제공한다.
또한, 본 발명의 목적은 원료 가스, 예를 들어 탄화수소를 포함하는 원료 가스의 흡열 반응으로부터 생성물 가스의 생성을 위한 방법을 제공하는 것이며, 여기서 반응기 시스템으로부터 나오는 생성물 가스는 상대적 고온 및 상대적 고압을 가진다. 특히, 반응기 시스템으로부터 나오는 생성물 가스의 온도는 약 900℃ 내지 1100℃ 또는 심지어 최대 1300℃인 것이 바람직하고, 반응기 시스템으로부터 나오는 생성물 가스의 압력은 약 30 bar 내지 약 100 bar인 것이 바람직하다. 본 발명은 반응기 시스템으로부터 나오는 생성물 가스 온도의 정밀한 제어를 허용할 것이다.
본 발명의 이점은, 특히 반응기 시스템에 사용된 전력이 재생가능한 에너지 자원 유래일 때 이산화탄소 및 기후에 유해한 다른 유출물들의 전반적인 유출이 상당히 감소될 수 있다는 것이다.
본 발명은 원료 가스의 흡열 반응에 촉매작용하도록 구성된 구조화된 촉매에 관한 것이며, 상기 구조화된 촉매는 전기 전도성 물질의 거시적 구조를 포함하고, 상기 거시적 구조는 세라믹 코팅을 담지하며, 상기 세라믹 코팅은 촉매 활성 물질을 담지하고, 전기 전도성 물질은 적어도 부분적으로 전기 전도성 금속 물질과 세라믹 물질의 균질한 혼합물 형태의 복합체이며, 거시적 구조는 적어도 부분적으로 저항률이 상이한 2개 이상의 물질로 이루어진다.
본 발명은 전기 전도성 물질의 거시적 구조를 포함하는 타입의 구조화된 촉매의 개선에 관한 것이며, 상기 거시적 구조는 세라믹 코팅을 담지하고, 상기 세라믹 코팅은 촉매 활성 물질을 담지한다.
본 발명은 상기 타입의 구조화된 촉매에서 전기 전도성 금속 물질과 세라믹 물질의 균질한 혼합물 형태의 전기 전도성 물질이 선택된 수준의 저항률을 갖도록 제조될 수 있다는 것과 저항률이 증가된 전기 전도성 물질을 사용함으로써 물질을 통한 열 플럭스를 증가시키는 것이 가능하다는 발견에 기초한다. 본 발명은 복합 물질에 의해 달성되는 더 높은 저항률을 가진 구조화된 촉매를 적용함으로써 구조화된 촉매의 증가된 단면이 사용될 수 있고, 이것은 필요한 구조화된 촉매의 수를 감소시킬 수 있는 가능성을 제공한다는 것을 보여주었다. 이것은 차례로 본 발명의 어레이를 구성하는데 필요한 모노리스 브릿지의 수와 연결의 수를 감소시킨다.
또한, 본 발명은 상기 언급된 복합 물질 형태의 전기 전도성 물질을 사용할 때 촉매를 통한 원료 가스 유동 방향으로 저항률 및 열 플럭스가 상이한 구조화된 촉매를 생성하는 것이 가능하다는 인식에 기초한다. 이러한 설계는 차례로 촉매에서 흡열 반응의 최적화가 일어나도록 하여 보다 효과적인 반응을 달성할 수 있게 한다.
또한, 본 발명은 원료 가스의 흡열 반응을 수행하기 위한 반응기 시스템에 관한 것이며, 상기 반응기 시스템은:
a) 본 발명의 촉매;
b) 상기 촉매를 수용하는 압력 쉘로서, 상기 원료 가스를 투입하기 위한 입구 및 생성물 가스를 내보내기 위한 출구를 포함하고, 상기 원료 가스가 제1 단부에서 상기 촉매로 들어가고 상기 생성물 가스는 제2 단부로부터 상기 촉매를 빠져나가도록 상기 입구가 배치된 압력 쉘; 및
c) 상기 구조화된 촉매와 상기 압력 쉘 사이의 단열층
을 포함한다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 촉매 또는 본 발명의 반응기 시스템의 사용에 관한 것이며, 여기서 흡열 반응은 스팀 메탄 개질, 시안화수소 형성, 메탄올 크래킹, 암모니아 크래킹, 역 수성 가스 이동 및 탈수소화 반응으로 구성되는 군으로부터 선택된다.
정의
본 발명과 관련하여 하기 논의된 용어들은 다음과 같은 의미를 가진다:
용어 "모노리스"는 잘 한정된 표면적을 가진 코헤런트(coherent) 구조를 의미하며, 여기서 "코헤런트"는 연속상을 의미한다.
용어 "소결 처리"는 액화점까지 물질의 용융 없이 성형가능하거나 확산가능하게 되도록 물질의 적어도 일부의 가열한 다음 물질을 냉각시켜 최종 형태로 고화하는 것을 수반하는 물질의 고체 덩어리를 압축하고 성형하는 과정을 의미한다.
용어 "고온 스팟"은 전기 전도성 구조화된 촉매 물질의 스팟을 의미하며, 이 스팟에서 물질은 전기 에너지를 이 스팟으로 전달하는 국소적 고 전류 밀도로 인해 고도로 가열되고, 이것은 스팟 근처에서 화학 반응을 유도하는데 필요한 에너지를 상당히 초과하며, 용융점 근처 온도까지 물질이 가열됨으로 인해 물질이 손상될 위험이 있다.
용어 물질의 "저항률"은 물질을 통해서 고정된 전류를 통과시키고, 상기 물질을 가로지른 전위 차이를 측정하고, Ohm의 법칙에 따라서 저항률과 상관시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 측정된 저항률을 의미한다. 대안으로서, 본 분야에 잘 알려진 다른 종래의 방법이 사용될 수 있다.
모노리스에서 브릿지가 연결되는 장소와 관련하여 용어 "제1 단부에서"는 모노리스에서 제2 단부보다 제1 단부에 더 가까운 위치를 의미한다. 모노리스에서 브릿지가 연결되는 장소와 관련하여 용어 "제2 단부에서"는 모노리스에서 제1 단부보다 제2 단부에 더 가까운 위치를 의미한다.
용어 "모노리스 브릿지"는 2개의 모노리스를 연결하는 브릿지를 의미하며, 브릿지는 코헤런트 구조이고, 여기서 "코헤런트"는 연속상을 의미한다.
용어 "균질한 혼합물 형태의 복합체"는 혼합물의 임의의 주어진 샘플 전체적으로 동일한 성분 비율을 가진 혼합물을 의미한다.
용어 "비-복합 전기 전도성 금속 물질"은 세라믹 물질을 함유하지 않는 전기 전도성 금속 물질을 의미한다.
용어 "성형가능한 상태"는 물질이 동일한 상태의 다른 물질에 접착하고 및/또는 통합될 수 있는 성형가능한 상태인 것을 의미한다.
용어 "전류"는 직류와 교류를 모두 포함한다.
용어 "생소지"(green body)는 소결 또는 산화가 일어나기 전, 예를 들어 결합된 분말 형태의 약하게 결합된 성형가능한 물질을 의미한다.
용어 "복수의 화학 원소로 구성되는"은 적어도 하나의 화학 원소를 의미한다.
또한, 용어 "스팀 개질"은 하기 반응 중 하나 이상에 따른 개질 반응을 의미한다:
CH4 + H2O <-> 3H2 (i)
CH4 + 2H2O <-> CO2 + 4H2 (ii)
CH4 + CO2 <-> 2H2 (iii)
반응 (i) 및 (ii)는 스팀 메탄 개질 반응이고, 반응 (iii)은 건조 메탄 개질 반응이다.
고급 탄화수소, 즉 CnHm(n≥2, m≥4)인 경우, 식 (i)는 다음과 같이 일반화된다:
CnHm + n H2O <-> (n + m/2)H2 (iv)
여기서 n≥2, m≥4.
전형적으로, 스팀 개질은 수성 가스 이동 반응 (v)을 수반한다:
CO + H2O <-> CO2 + H2 (v)
용어 "스팀 메탄 개질"은 반응 (i) 및 (ii)를 커버하는 의미이며, 용어 "스팀 개질"은 반응 (i), (ii) 및 (iv)를 커버하는 의미이고, 용어 "메탄화"는 반응 (i)의 역 반응을 커버한다. 대부분의 경우, 반응 (i)-(v)은 전부 반응기 시스템으로부터의 출구에서 평형에 가깝거나 평형 상태이다.
용어 "예비개질"은 주로 반응 (iv)에 따른 고급 탄화수소의 촉매 전환을 커버하기 위해 사용된다. 예비개질은 전형적으로 스팀 개질 및/또는 메탄화(가스 조성 및 작동 조건에 따라서) 및 수성 가스 이동 반응을 수반한다. 예비개질은 주로 단열 반응기에서 수행되지만 가열된 반응기에서 일어날 수도 있다.
용어 "시안화수소 합성"은 하기 반응을 의미한다:
2 CH4　+ 2 NH3　+ 3 O2　<-> 2 HCN + 6 H2O (vi)
CH4　+ NH3　<-> HCN + 3H2 (vii)
용어 "탈수소화"는 하기 반응을 의미한다:
R1-CH2-CH2-R2 <-> R1-CH=CH-R2 (viii)
여기서 R1 및 R2는 -H, -CH3, -CH2, 또는 -CH와 같은 탄화수소 분자에 있는 임의의 적절한 기일 수 있다.
용어 "메탄올 크래킹"은 하기 반응을 의미한다:
CH3OH <-> 2H2 (ix)
CH3OH + H2O <-> CO2 + 3H2 (x)
전형적으로, 메탄올 크래킹 반응은 수성 가스 이동 반응 (v)을 수반한다.
용어 "암모니아 크래킹"은 하기 반응을 의미한다:
2NH3 <->N2 + 3H2 (xi)
본 발명의 복합 물질의 구조화된 촉매
또한, 본 발명은 원료 가스의 흡열 반응에 촉매작용하도록 구성된 구조화된 촉매에 관한 것이며, 상기 구조화된 촉매는 전기 전도성 물질의 거시적 구조를 포함하고, 상기 거시적 구조는 세라믹 코팅을 담지하며, 상기 세라믹 코팅은 촉매 활성 물질을 담지하고, 전기 전도성 물질은 적어도 부분적으로 전기 전도성 금속 물질과 세라믹 물질의 복합체이며, 거시적 구조는 적어도 부분적으로 저항률이 상이한 2개 이상의 물질로 이루어진다.
특정 실시형태에서, 거시적 구조는 적어도 부분적으로 하나 이상의 복합 물질과 하나 이상의 비-복합 전기 전도성 금속 물질로 이루어진다. 특정 실시형태에서, 거시적 구조는 적어도 부분적으로 2개의 복합 물질과 하나의 비-복합 전기 전도성 물질로 이루어진다. 특정 실시형태에서, 거시적 구조는 적어도 부분적으로 2개 이상의 복합 물질로 이루어진다.
상기 복합체의 전기 전도성 금속 물질은 임의의 종래의 촉매 활성 금속 물질일 수 있다. 본 발명의 구조화된 촉매의 특정 실시형태에서, 금속 물질은 Fe, Cr, Al, Co, Ni, Zr, Cu, Ti, Mn, 및 Si로 구성되는 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 합금이다.
특정 실시형태에서, 거시적 구조의 물질은 철과 크롬을 포함하는 합금, 철, 크롬 및 알루미늄을 포함하는 합금, 철과 코발트를 포함하는 합금, 및 철, 알루미늄, 니켈 및 코발트를 포함하는 합금으로 구성되는 군으로부터 선택된다. 특정 실시형태에서, 거시적 구조의 물질은 소위 말하는 "Alnico 합금"이며, 이것은 철, 알루미늄, 니켈, 및 코발트와 선택적으로 또한 구리, 티타늄을 포함하는 특정 종류의 합금이다. 특정 실시형태에서, 거시적 구조의 물질은 철, 크롬 및 알루미늄을 포함하는 FeCrAlloy이다. 특정 실시형태에서, 거시적 구조의 물질은 철, 크롬 및 알루미늄을 포함하는 합금 "Kanthal"이다. "Kanthal"은 그것의 저항 특성으로 인해 거시적 구조를 위한 좋은 재료 선택이라는 것이 입증되었다.
상기 복합체의 세라믹 물질은 임의의 종래의 세라믹 물질일 수 있다. 본 발명의 구조화된 촉매의 특정 실시형태에서, 세라믹 물질은 Al, Mg, Ce, Zr, Ca, Y 및 La로 구성되는 군으로부터 선택된 물질의 산화물이다. 본 발명의 구조화된 촉매의 특정 실시형태에서, 세라믹 물질은 Al2O3, ZrO2, MgAl2O3, CaAl2O3, 이들의 임의의 조합, 및 Y, Ti, La, 또는 Ce의 산화물과 혼합된 조합으로 구성되는 군으로부터 선택된다. 본 발명의 구조화된 촉매의 특정 실시형태에서, 세라믹 물질은 Al2O3, ZrO2, MgAl2O3, CaAl2O3, 및 이들의 임의의 조합으로 구성되는 군으로부터 선택된다. 세라믹 산화물은 전도성이 낮아서 절연 특성을 가진다. 전기 전도성 금속 물질에 첨가되었을 때 세라믹 산화물은 결과의 복합 물질의 저항률을 증가시킬 것이다.
본 발명의 구조화된 촉매의 특정 실시형태에서, 거시적 구조에서 금속 물질 대 세라믹 물질의 중량비는 50 내지 1, 바람직하게 40 내지 1, 더 바람직하게 30 내지 2, 더 바람직하게 24 내지 3, 및 가장 바람직하게 19 내지 4의 범위이다.
본 발명의 구조화된 촉매의 특정 실시형태에서, 구조화된 촉매는 적어도 하나의 모노리스 형태를 가지며, 여기서 모노리스는 원료 가스가 들어가는 제1 단부로부터 생성물 가스가 빠져나오는 제2 단부까지 모노리스를 통해서 상기 원료 가스를 이송하기 위한 그 안에 형성된 다수의 유로를 가지고, 상기 모노리스는 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부로 연장된 길이방향 축을 가진다.
본 발명의 구조화된 촉매의 특정 실시형태에서, 모노리스의 거시적 구조는 상기 길이방향 축의 방향으로 배치된 조성이 상이한 2개 이상의 복합 물질로 이루어지며, 이로써 상이한 저항률이 제공된다. 본 발명의 구조화된 촉매의 특정 실시형태에서, 모노리스의 거시적 구조는 적어도 3개의 복합 물질, 바람직하게 적어도 4개의 복합 물질, 더 바람직하게 적어도 5개의 복합 물질, 더 바람직하게 적어도 6개의 복합 물질, 더 바람직하게 적어도 7개의 복합 물질, 및 가장 바람직하게 적어도 8개의 복합 물질로 이루어진다. 본 발명의 구조화된 촉매의 특정 실시형태에서, 모노리스의 거시적 구조는 적어도 제1 단부에서 제2 단부로의 방향으로 배치된 제1, 제2 및 제3 복합 물질을 포함하며, 제2 복합 물질은 제1 및 제3 복합 물질보다 높은 저항률을 가지고, 제3 복합 물질은 제1 및 제2 복합 물질보다 낮은 저항률을 가지며, 제1 복합 물질은 제2 및 제3 복합 물질의 저항률 사이의 저항률을 가진다. 이러한 설계는 채널에서의 화학 반응과 상관될 수 있는 상이한 열 플럭스들을 가진 구조화된 촉매를 제공한다. 모노리스의 제1 구역에서 낮은 열 플럭스를 가짐으로써 화학 반응 속도를 대하여 공급된 열이 균형을 이루며, 이것은 제1 단부에서 온도가 더 낮아서 반응 속도도 더 낮기 때문이다. 채널의 가스가 제2 단부를 향해감에 따라 온도가 증가하면, 이 구역에서 화학 반응 속도도 더 높아지고 더 많은 반응물이 소모될 수 있기 때문에 열 플럭스가 높아지는 것이 유익하다. 모노리스의 제2 단부에서는 다시 열 플럭스가 낮은 것이 유익할 수 있는데, 이 단부에서 최대 온도가 달성되고, 이 구역에서 열 플럭스가 낮은 것이 원하는 작동 설정 지점까지 온도를 제어하는데 더 용이하기 때문이다.
본 발명의 구조화된 촉매의 특정 실시형태에서, 모노리스의 거시적 구조는 상기 길이방향 축의 방향으로 배치된 조성이 상이한 하나 이상의 복합 물질과 비-복합 전기 전도성 금속 물질로 이루어지며, 이로써 상이한 저항률이 제공된다.
본 발명의 구조화된 촉매의 특정 실시형태에서, 모노리스의 거시적 구조는 상기 길이방향 축의 방향으로 배치된 조성이 상이한 2개 이상, 더 바람직하게 3개 이상, 더 바람직하게 4개 이상, 더 바람직하게 5개 이상, 더 바람직하게 6개 이상의 복합 물질과 비-복합 전기 전도성 금속 물질로 이루어지며, 이로써 상이한 저항률이 제공된다.
바람직하게, 모노리스의 거시적 구조는 제1 단부에서 제2 단부로의 방향으로 배치된 적어도 제1 및 제2 복합 물질과 비-복합 전기 전도성 금속 물질을 포함하며, 제2 복합 물질은 제1 복합 물질 및 비-복합 물질보다 높은 저항률을 가지고, 비-복합 물질은 제1 및 제2 복합 물질보다 낮은 저항률을 가지며, 제1 복합 물질은 제2 복합 물질의 저항률과 비-복합 물질의 저항률 사이의 저항률을 가진다. 이러한 설계의 기술적 이점은 선행 단락에 설명된 것과 동일하다. 구조화된 촉매의 상기 실시형태는 본 발명의 어레이에 사용하기에 적합하다. 이러한 어레이에서, 모노리스 브릿지 전기 전도성 물질은 바람직하게 비-복합 전기 전도성 금속 물질이며, 예를 들어 거시적 구조에 사용된 것과 동일한 비-복합 물질이다.
a) 전기 전도성 금속 물질 대 세라믹 물질의 비, b) 세라믹 입자의 크기, c) 세라믹 입자의 모양, 및 d) 세라믹 물질의 종류로 구성되는 군으로부터 선택된 하나 이상의 변수를 변화시킴으로써 복합 물질의 상이한 저항률이 얻어질 수 있다.
본 발명의 구조화된 촉매의 특정 실시형태에서, 조성이 상이한 2개 이상의 복합 물질로 이루어진 모노리스는 하기 단계를 포함하는 방법에 의해 생성된다:
· 하기를 포함하는 복수의 페이스트를 제조하는 단계;
· 적어도 제1 조성을 갖는 제1 페이스트, 제1 페이스트는 제1 합금 조성을 가진 금속 분말, 세라믹 분말, 및 제1 바인더를 포함하고, 및
· 적어도 제2 조성을 갖는 제2 페이스트, 제2 페이스트(10b)는 제2 합금 조성을 가진 금속 분말 및 제2 바인더를 포함하고,
· 여기서 제1 합금 조성 및 제2 합금 조성은 모두 복수의 화학 원소로 구성되고, 화학 원소는 각 합금 조성의 0.5 중량%를 초과하는 양으로 존재하는 각각의 화학 원소에 대해 그 화학 원소가 제1 및 제2 합금 조성에 모두 포함되도록 선택되며,
o 최대 5.0 중량%의 양으로 제1 합금 조성에 존재하는 화학 원소에 대해, 그 화학 원소의 양은 제1 합금 조성과 제2 합금 조성 간에 최대 1 퍼센트 포인트 차이가 있고,
o 5.0 중량%를 초과하는 양으로 제1 합금 조성에 존재하는 화학 원소에 대해, 그 화학 원소의 양은 제1 합금 조성과 제2 합금 조성 간에 최대 3 퍼센트 포인트 차이가 있고,
· 복수의 페이스트를 가공 장비의 공급 챔버로 전달하는 단계,
· 공급 챔버로부터 가공 장비의 다이를 통해서 페이스트를 내보냄으로써 복수의 페이스트로부터 생소지를 성형하는 단계, 및
· 생소지를 소결 또는 산화하여 복합체 구성요소의 길이방향 방향을 따라서 다양한 저항률(ρ)을 가진 복합체 구성요소를 얻는 단계, 길이방향 방향은 다이를 통한 페이스트의 이동 방향에 해당하고, 다양한 저항률(ρ)은 제1 조성과 제2 조성이 상이한 것의 결과이다.
본 발명의 구조화된 촉매의 특정 실시형태에서, 촉매는 본 발명의 어레이이다.
또한, 본 발명은 원료 가스의 흡열 반응에 촉매작용하도록 구성된 구조화된 촉매에 관한 것이며, 상기 구조화된 촉매는 전기 전도성 물질의 거시적 구조를 포함하고, 상기 거시적 구조는 세라믹 코팅을 담지하며, 상기 세라믹 코팅은 촉매 활성 물질을 담지하고, 전기 전도성 물질은 전기 전도성 금속 물질과 세라믹 물질의 균질한 혼합물 형태의 복합체이다.
본 발명의 촉매의 어레이
본 출원에서, 표현 "본 발명의 어레이"는 "본 발명의 촉매의 어레이"를 의미하며, 두 표현은 상호 교환하여 사용된다.
또한, 본 발명은 본 발명의 제1 및 제2 구조화된 촉매를 포함하는 어레이에 관한 것이며, 여기서
a) 제1 및 제2 구조화된 촉매는 각각 제1 및 제2 모노리스 형태를 가지고;
b) 상기 제1 및 제2 모노리스는 각각 원료 가스가 들어가는 제1 단부로부터 생성물 가스가 빠져나가는 제2 단부로 모노리스를 통해서 상기 원료 가스를 이송하기 위해 그 안에 형성된 다수의 유로를 가지며, 상기 제1 및 제2 모노리스는 각각 상기 제1 단부에서 상기 제2 단부로 연장된 길이방향 축을 가지고;
c) 어레이는 상기 제1 및 제2 모노리스에 각각 전기적으로 연결되고 전기 전원에 전기적으로 연결된 적어도 제1 및 제2 전도체를 포함하며, 상기 전기 전원은 상기 거시적 구조를 통해서 전기 전류를 통과시킴으로써 상기 제1 및 제2 모노리스의 적어도 일부를 적어도 500℃의 온도로 가열할 수 있는 치수이고, 상기 제1 전도체는 제1 모노리스에 직접 또는 간접적으로 전기적으로 연결되고 제2 전도체는 제2 모노리스에 직접 또는 간접적으로 전기적으로 연결되며, 전도체는 상기 제2 단부보다 상기 제1 단부에 더 가까운 어레이 상의 위치에서 연결되고;
d) 상기 제1 및 제2 모노리스는 모노리스 브릿지 전기 전도성 물질의 모노리스 브릿지에 의해 전기적으로 연결되고;
e) 어레이는 제1 전도체로부터 제1 모노리스를 통해서 상기 제2 단부로 전류가 흐르고, 다음에 브릿지를 통과하고, 다음에 제2 모노리스를 통해서 제2 전도체로 전류가 흐르게 전기 전류를 보내도록 구성되고;
f) 상기 어레이는 하기 단계:
i) 3개의 개별 독립체의 형태로 제1 모노리스, 제2 모노리스 및 모노리스 브릿지의 전기 전도성 물질을 제공하는 단계, 및
ii) 소결 또는 산화 처리 단계를 포함하는 방법에 의해 개별 독립체들을 함께 연결하는 단계
를 포함하는 과정에 의해 제조된다.
본 발명의 어레이는 전원으로부터 전기를 공급하는 전기 전도체가 구조화된 촉매의 어레이의 제1 단부에 가장 가까운 위치에서 연결되지만, 모노리스 브릿지(들)의 구성형태에 의해 여전히 실질적으로 개별 모노리스의 (대부분의) 한쪽 단부에서 반대쪽 단부로 전류가 흐르도록 전류를 보내는 방식으로 구성된다. 이 특징에 의해 구조화된 촉매의 제1 단부에서 제2 단부까지 온도가 증가하는 온도 프로파일이 확립된다. 이것은 연결은 고온에 민감한데 구조화된 촉매의 더 저온인 단부에 전도체를 연결할 수 있는 가능성을 제공하기 때문에 유익하다. 또한, 이것은 구조화된 촉매에 의해 촉진된 흡열 반응의 화학 반응 프론트의 개선된 제어를 허용하기 때문에 유익하다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 제2 전도체는 제2 모노리스에 직접 연결된다. 이 연결에서, 용어 "직접 연결된"은 하나 이상의 모노리스와 같은 중간 요소 없이 연결된 것을 의미한다. 전도체와 모노리스의 연결은 소결에 의한 연결 또는 용접, 납땜 또는 경납땜과 같은 기계적 연결일 수 있다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 제2 전도체는 제2 모노리스에 간접적으로 전기적으로 연결된다. 본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 어레이는 (i) 구조화된 촉매의 하나 이상의 병치된 추가의 중간 모노리스 및 (ii) 구조화된 촉매의 하나의 단부 모노리스를 더 포함하며, 여기서 각각의 추가의 중간 모노리스는 모노리스 브릿지 전기 전도성 물질의 모노리스 브릿지에 의해 적어도 2개의 병치된 모노리스에 연결되고, 단부 모노리스는 적어도 하나의 병치된 모노리스에 연결되며, 제2 전도체는 상기 제2 단부보다 상기 제1 단부에 더 가까운 모노리스 상의 위치에서 단부 모노리스에 연결된다. 바람직하게, 추가의 중간 모노리스와 단부 모노리스의 총 수는 짝수이고, 제2 전도체는 어레이의 제1 단부에서 단부 모노리스에 연결된다. 이러한 설계는 각 모노리스의 한쪽 단부에서 반대쪽 단부로 전류가 흐르는 것을 허용한다. 본 발명의 어레이의 상기 특정 실시형태에서, 바람직하게 어레이의 제2 단부에서 모노리스 브릿지들의 전도성 물질은 동일한 물질이다. 본 발명의 어레이의 상기 특정 실시형태에서, 바람직하게 모노리스 브릿지들의 전도성 물질은 동일한 물질이다.
어레이가 하나 이상의 중간 모노리스를 포함하는 본 발명의 특정 실시형태에서, 단부 모노리스는 어레이가 제1 및 제2 모노리스만을 포함하는 특정 실시형태의 제2 모노리스에 해당한다. 어레이가 하나 이상의 중간 모노리스를 포함하는 본 발명의 특정 실시형태에서, 제2 전도체는 제2 모노리스 대신 단부 모노리스에 연결된다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 추가의 중간 모노리스와 단부 모노리스의 총 수는 3 내지 36 사이의 임의의 수이다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 제1 및 제2 모노리스는 어레이의 제2 단부에서 모노리스 브릿지에 의해 연결되며, 여기서 각각의 추가의 중간 모노리스는 상기 제1 단부와 상기 제2 단부에서 교대로 모노리스 브릿지 전기 전도성 물질의 모노리스 브릿지에 의해 2개의 병치된 모노리스에 직렬 연결되고, 이로써 각 모노리스의 한쪽 단부에서 반대쪽 단부로 전류가 보내지며, 단부 모노리스는 제2 단부에서 하나의 병치된 모노리스에 연결된다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 상기 제1 및 제2 모노리스는 어레이의 제2 단부에서 모노리스 브릿지에 의해 연결된다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 모노리스 브릿지에 의한 제1 및 제2 모노리스 사이의 전기적 연결은 코헤런트 연결(coherent connection)이며, 여기서는 소결 또는 산화 처리에 의해 모노리스에 브릿지가 연결된 구역에서 물질의 구조가 모노리스 및 모노리스 브릿지에서 인접 물질의 구조와 동일하다. 바람직하게, 상기 연결 구역에서 뚜렷한 경계는 존재하지 않는다. 대안으로서, 용어 "코헤런트하게 연결된"은 일정하게 내부-연결된 또는 일정하게 결합된 것으로 정의될 수 있다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 모노리스 브릿지는 제1 및 제2 모노리스의 제1 단부에서 제2 단부까지 길이의 50% 미만, 바람직하게 40%, 더 바람직하게 30%, 더 바람직하게 20%, 및 가장 바람직하게 10%에 걸쳐서 연장된다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 상기 어레이는 하기 단계:
A) 2개 또는 3개의 개별 독립체의 형태로 제1 모노리스, 제2 모노리스 및 모노리스 브릿지의 전기 전도성 물질을 제공하는 단계로서, 연결되어야 하는 표면적이 성형가능한 상태인 단계,
B) 연결되어야 하는 표면적들을 접촉시켜 접촉 영역에 연속 물질 상을 형성하는 단계,
C) 소결 또는 산화 처리의 단계를 포함하는 방법에 의해 접촉 영역들을 함께 연결하는 단계
를 포함하는 과정에 의해 제조된다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 모노리스와 모노리스 브릿지의 전도성 물질은 동일한 물질이다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 모노리스 및 적어도 하나의 모노리스 브릿지의 전기 전도성 물질 중 적어도 하나는 전기 전도성 금속 물질과 세라믹 물질의 복합체이다. 상기 복합 물질을 사용함으로써 전기 전도성 물질로만 구성된 물질에 비해 증가된 저항률을 얻는 것이 가능하다는 것이 밝혀졌다. 증가된 저항률은 물질의 증가된 가열을 허용한다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 모노리스 및 모노리스 브릿지의 전기 전도성 물질 중 적어도 하나의 저항률은 1 x 10E-4 Ohm x m 내지 1 x 10E-7 Ohm x m, 바람직하게 1 x 10E-5 Ohm x m 내지 1 x 10E-7 Ohm x m, 더 바람직하게 1 x 10E-5 Ohm x m 내지 5 x 10E-6 Ohm x m, 및 가장 바람직하게 5 x 10E-5 Ohm x m 내지 1 x 10E-6 Ohm x m이다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 모노리스 브릿지 물질은 적어도 500℃, 바람직하게 적어도 700℃, 바람직하게 적어도 900℃, 바람직하게 적어도 1000℃, 및 가장 바람직하게 적어도 1100℃의 온도까지 내열성이다.
본 발명의 어레이가 촉매작용을 하는 흡열 반응은 촉매작용이 가능한 임의의 흡열 화학 반응일 수 있다. 본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 흡열 반응은 스팀 메탄 개질, 시안화수소 형성, 메탄올 크래킹, 암모니아 크래킹, 역 수성 가스 이동 및 탈수소화 반응으로 구성되는 군으로부터 선택된다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 모노리스는 상기 길이방향 축에 수직인 평면에서 단면이 다각형, 정다각형, 원, 반원, 타원, 반타원, 사다리꼴로 구성되는 군으로부터 선택된 모양을 가지며, 모노리스들은 동일한 또는 상이한 모양을 가질 수 있다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 모노리스는 상기 길이방향 축에 수직인 평면에서 단면이 삼각형, 직사각형, 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형, 구각형, 십각형, 십일각형 및 십이각형으로부터 선택된 정다각형인 모양을 가진다. 바람직하게, 모노리스들은 상기 길이방향 축에 수직인 평면에서 단면이 삼각형, 직사각형 및 육각형으로 구성되는 군으로부터 선택된 모양이 되는 동일한 모양을 가진다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 모노리스의 유로는 다각형, 정다각형, 원, 반원, 타원, 반타원, 사다리꼴로 구성되는 군으로부터 선택된 모양을 가지며, 유로는 하나의 모노리스 내에서 및/또는 상이한 모노리스 사이에 동일한 또는 상이한 모양을 가질 수 있다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 모노리스의 유로는 상기 길이방향 축에 수직인 평면에서 단면이 삼각형, 직사각형, 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형, 구각형, 십각형, 십일각형 및 십이각형으로부터 선택된 정다각형인 모양을 가진다. 바람직하게, 모노리스의 유로들은 상기 길이방향 축에 수직인 평면에서 단면이 삼각형, 직사각형 및 육각형으로 구성되는 군으로부터 선택된 모양이 되는 동일한 모양을 가진다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 어레이는 물질의 저항 가열에 의해 500 내지 50000 W/m2의 열 플럭스를 생성하도록 구성된다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 어레이는 상기 적어도 두 전도체 사이의 주 전류 경로의 길이를 모노리스의 최대 치수보다 큰 길이로 증가시키도록 구성된 전기절연부를 가진다. 본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 상기 절연부는 모노리스의 적어도 하나에 슬릿의 형태로 존재한다. 바람직하게, 상기 슬릿은 모노리스의 길이방향 방향에 수직인 길이방향 방향을 가진다. 본 발명의 특정 실시형태에서, 전기절연부는 공기 또는 세라믹과 같은 고 저항률 물질의 형태이다. 바람직하게, 절연부의 저항률에 대한 모노리스의 전도성 물질의 저항률의 비는 적어도 50, 바람직하게 적어도 100, 더 바람직하게 적어도 200, 더 바람직하게 적어도 300, 더 바람직하게 적어도 400, 더 바람직하게 적어도 600, 더 바람직하게 적어도 800, 및 가장 바람직하게 적어도 1000이다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 상기 어레이는 상기 모노리스 길이의 적어도 70%에서 주 전류 경로의 전류 밀도 벡터가 상기 구조화된 촉매의 길이에 평행한, 즉 모노리스의 길이방향 축에 평행한 비-제로 성분 값을 갖도록 상기 모노리스를 통해서 전류를 보내도록 구성된 적어도 하나의 전기절연부를 가진다. 따라서, 구조화된 촉매 길이의 적어도 70%에서 전류 밀도 벡터는 구조화된 촉매의 길이에 평행한 양의 또는 음의 성분 값을 가질 것이다. 따라서, 구조화된 촉매의 z-축을 따라서 구조화된 촉매 길이의 적어도 70%, 예를 들어 90% 또는 95%에서, 주 전류 경로의 전류 밀도 벡터는 z-축을 따라서 양의 또는 음의 값을 가질 것이다. 이것은 전류가 구조화된 촉매의 제1 단부에서 제2 단부를 향해 흐른 다음, 다시 제1 단부를 향해서 흐른다는 것을 의미한다. 구조화된 촉매의 제1 단부로 들어가는 가스의 온도 및 구조화된 촉매 상에서 일어나는 흡열 스팀 개질 반응은 구조화된 촉매로부터 열을 흡수한다. 이러한 이유 때문에 구조화된 촉매의 제1 단부는 제2 단부보다 저온인 상태로 유지되며, 주 전류 경로의 전류 밀도 벡터가 상기 구조화된 촉매의 길이에 평행한 비-제로 성분 값을 갖도록 함으로써, 실질적으로 계속 증가하는 온도 프로파일이 얻어지고, 이것은 제어가능한 반응 프론트를 제공한다. 한 실시형태에서, 전류 밀도 벡터는 상기 구조화된 촉매 길이의 70%, 바람직하게 80%, 더 바람직하게 90%, 및 더욱더 바람직하게 95%에서 상기 구조화된 촉매 길이에 평행한 비-제로 성분 값을 가진다. 용어 "구조화된 촉매의 길이"는 구조화된 촉매를 수용하고 있는 반응기 유닛에서 가스 흐름 방향으로 구조화된 촉매의 치수를 의미한다는 것이 주지되어야 한다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 브릿지가 존재하지 않는 병치된 모노리스 사이의 공간에 지지부가 배치된다. 지지부의 목적은 파손이나 균열이 일어나는 것을 피하기 위해 어레이 구성을 지지하는 것이다. 본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 지지부는 세라믹과 같은 고 저항률 물질로 이루어진다. 바람직하게, 지지부 물질의 저항률에 대한 모노리스의 전도성 물질의 저항률의 비는 적어도 50, 바람직하게 적어도 100, 더 바람직하게 적어도 200, 더 바람직하게 적어도 300, 더 바람직하게 적어도 400, 더 바람직하게 적어도 600, 더 바람직하게 적어도 800, 및 가장 바람직하게 적어도 1000이다. 본 발명의 특정 실시형태에서, 지지부는 브릿지에 의해 점유되지 않은 모노리스의 제1 단부에서 제2 단부까지 길이의 적어도 50%, 바람직하게 적어도 60%, 더 바람직하게 적어도 70%, 더 바람직하게 적어도 80%, 및 가장 바람직하게 적어도 90%에 걸쳐서 연장된다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 어레이를 통과하는 원료 가스 통로의 길이는 제1 전극에서부터 어레이를 통해서 제2 전극까지 가는 전류 통로 길이보다 작다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 모노리스 브릿지 물질은 그 안에 형성된 최소 치수가 0.4mm 이상, 바람직하게 0.6mm 이상, 더 바람직하게 0.8mm 이상, 더 바람직하게 1.0mm 이상, 더 바람직하게 1.2mm 이상, 더 바람직하게 1.4mm 이상, 더 바람직하게 1.6mm 이상, 더 바람직하게 1.8mm 이상, 및 가장 바람직하게 2.0mm 이상인 임의의 공간이 없는 물질이다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 적어도 하나의 모노리스는 구역 브릿지 전기 전도성 물질의 구역 브릿지에 의해 직렬 연결된 적어도 두 모노리스 구역으로 이루어진다. 본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 상기 하나의 모노리스는 적어도 3개의 모노리스 구역, 바람직하게 적어도 4개의 모노리스 구역, 더 바람직하게 적어도 5개의 모노리스 구역, 더 바람직하게 적어도 6개의 모노리스 구역, 더 바람직하게 적어도 7개의 모노리스 구역, 및 가장 바람직하게 적어도 8개의 모노리스 구역으로 이루어진다. 본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 상기 모노리스 구역들은 상이한 저항률을 가진다. 본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 상기 하나의 모노리스는 제1 단부에서 제2 단부를 향한 방향으로 순서대로 배치된 제1, 제2 및 제3 모노리스 구역으로 이루어지며, 제2 모노리스 구역은 제1 및 제3 모노리스 구역보다 높은 저항률을 가지고, 제3 모노리스 구역은 제1 및 제2 모노리스 구역보다 낮은 저항률을 가지며, 제1 모노리스 구역은 제2 복합 물질의 저항률과 제3 복합 물질의 저항률 사이의 저항률을 가진다. 이러한 설계는 흡열 반응의 촉매작용을 위해 최적화되는, 어레이의 제1 단부에서 제2 단부까지의 온도 프로파일을 제공한다.
어레이 제조 과정
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 상기 어레이는 하기 단계:
A) 2개 또는 3개의 개별 독립체의 형태로 제1 모노리스, 제2 모노리스 및 모노리스 브릿지의 전기 전도성 물질을 제공하는 단계로서, 연결되어야 하는 표면적이 성형가능한 상태인 단계,
B) 연결되어야 하는 표면적들을 접촉시켜 접촉 영역에 연속 물질 상을 형성하는 단계,
C) 소결 또는 산화 처리의 단계를 포함하는 방법에 의해 접촉 영역들을 함께 연결하는 단계
를 포함하는 과정에 의해 제조된다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 상기 어레이는 하기 단계를 포함하는 과정에 의해 제조된다:
· 제1 합금 조성 및 제1 가용성 바인더를 가진 금속 분말을 포함하는 제1 모노리스 구성요소로서, 제1 결합면을 갖는 제1 구성요소를 제공하는 단계,
· 제2 합금 조성 및 제2 가용성 바인더를 가진 금속 분말을 포함하는 제2 모노리스 구성요소로서, 제2 결합면을 갖는 제2 구성요소를 제공하는 단계,
· 제3 합금 조성 및 제3 가용성 바인더를 가진 금속 분말을 포함하는 브릿지 구성요소로서, 브릿지 구성요소의 각 단부에 하나씩 2개의 제3 결합면을 갖는 브릿지 구성요소를 제공하는 단계;
· 여기서 제1 합금 조성과 제2 및 제3 합금 조성은 모두 복수의 화학 원소로 구성되고, 화학 원소는 각 합금 조성의 0.5 중량%를 초과하는 양으로 존재하는 각각의 화학 원소에 대해 그 화학 원소가 제1 및 제2 및 제3 합금 조성에 모두 포함되도록 선택되며,
- 최대 5.0 중량%의 양으로 제1 합금 조성에 존재하는 화학 원소에 대해, 그 화학 원소의 양은 제1 합금 조성과 제2 및 제3 합금 조성 각각 간에 최대 1 퍼센트 포인트 차이가 있고,
- 5.0 중량%를 초과하는 양으로 제1 합금 조성에 존재하는 화학 원소에 대해, 그 화학 원소의 양은 제1 합금 조성과 제2 및 제3 합금 조성 각각 간에 최대 3 퍼센트 포인트 차이가 있고,
· 하나의 제3 결합면이 제1 결합면과 접촉하고 나머지 하나의 제3 결합면은 제2 결합면과 접촉하도록 제1 모노리스 구성요소와 제2 모노리스 구성요소 사이에 브릿지 구성요소를 배열하는 단계,
· 용매가 적어도 일부 증발하는 것을 허용하는 시간 기간 동안 접촉한 상태로 결합면을 유지하는 단계; 및
· 이어서 가능한 가까이 함께 또는 접촉된 상태로 결합면을 유지하면서 제1, 제2 및 제3 구성요소를 함께 소결 또는 산화시켜 어레이를 달성하는 단계.
상기 과정의 특정 실시형태에서, 하기 단계가 배열 단계에 앞선다:
용매를 적용함으로써 제1 결합 표면 및/또는 제2 결합 표면을 적어도 부분적으로 용해하는 단계.
상기 과정의 특정 실시형태에서, 제1, 제2 및 제3 구성요소는 분말 압출, 분말 사출 성형, 적층 제조, 또는 테이프 주조에 의해 제조된다.
상기 과정의 특정 실시형태에서, 제1, 제2 및 제3 구성요소의 금속 합금 조성은 철, 크롬, 알루미늄, 코발트, 니켈, 망간, 몰리브덴, 바나듐, 규소 또는 이들의 합금 중 하나 이상을 포함한다.
상기 과정의 특정 실시형태에서, 제1, 제2 및/또는 제3 구성요소(들)는 세라믹 물질을 포함한다.
상기 과정의 특정 실시형태에서, 용해된 바인더 및 금속 분말을 포함하는 브릿지 구성요소는 세라믹 분말을 더 포함한다.
상기 과정의 특정 실시형태에서, 제1 바인더, 제2 바인더, 및 제3 바인더는 유사한 또는 동일한 용해성을 가지며, 예컨대 제1, 제2 및 제2 바인더는 동일하다.
상기 과정의 특정 실시형태에서, 제1, 제2 및/또는 제3 구성요소(들)의 바인더는 물에 의해 용해될 수 있다.
상기 과정의 특정 실시형태에서, 전자의 소결 또는 산화 후, 제1 모노리스 구성요소, 제2 모노리스 구성요소 및 브릿지 구성요소 사이의 계면은 주사 전자 현미경 분석에 의해 확인될 수 없다.
상기 과정의 특정 실시형태에서, 복수의 모노리스 구성요소와 브릿지 구성요소는 함께 연결된다. 상기 과정의 특정 실시형태에서, 복수의 모노리스 구성요소와 브릿지 구성요소는 함께 연결되어 원하는 구성형태의 다수의 모노리스와 브릿지를 가진 어레이를 생성한다.
고온 스팟 형성에 의해 야기된 부작용을 완화하기 위한 요소를 가진 어레이
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 어레이는 하기로 구성되는 군으로부터 선택된 고온 스팟 형성에 의해 야기된 부작용을 완화하기 위한 요소를 더 포함한다:
(i) 2개의 모노리스 양쪽의 기하 중심을 통해서 위치되고 어레이의 길이방향 축과 동일한 방향으로 위치된 중심면이 형성하도록 배치된 모노리스 브릿지에 의해 연결되어야 하는 2개의 모노리스, 여기서 제1 및 제2 모노리스는 상기 중심면에 수직인 방향으로 제1 및 제2 너비를 가지고, 상기 모노리스 브릿지는 상기 중심면에 수직인 방향으로 너비를 가지며, 모노리스 브릿지의 너비는 상기 제1 및 제2 너비보다 넓고,
(ii) 모노리스 브릿지는 연결되어야 하는 2개의 모노리스가 접하는 한쪽 또는 양쪽 단부에서 브릿지의 중심점에서보다 더 큰 단면적을 가지며,
(iii) 모노리스 사이의 안전 브릿지, 여기서 안전 브릿지는 모노리스 브릿지가 작동중일 때 안전 브릿지를 통해서 전류가 흐르는 것을 방해하기에 충분히 높은 전기 저항을 가진 안전 브릿지 전기 전도성 물질을 포함하며, 안전 브릿지는 어레이의 제1 및 제2 단부 사이의 임의의 지점에 위치되고,
(iv) 제1 및 제2 전도체를 연결하기 위한 제1 및 제2 모노리스 중 적어도 하나의 돌출부, 여기서 돌출부는 돌출부 전기 전도성 물질로 이루어지고,
(v) 모노리스 브릿지 물질은 제1 전기 전도성 물질보다 낮은 전기 저항률을 가지며,
(vi) 모노리스 브릿지는 적어도 제1 및 제2 층을 포함하고, 제1 층은 제2 층보다 어레이의 제2 단부에 더 가까이 배치되며, 제1 층은 제2 층보다 낮은 전기 저항률을 가진다.
상기 설명된 대로, 본 발명의 타입의 구조화된 촉매는 촉매를 통과하는 전기 전류의 흐름이 제한되는 다수의 구성 부분(스팟)을 가지며, 여기서 전류는, 예를 들어 구조화된 촉매의 제2 단부에서 단면이 감소된 좁은 통로를 통과하게 되거나, 또는 하나의 구역에서 다른 구역으로, 예를 들어 한 종류의 물질에서 다른 종류의 물질로 또는 두 구역 사이의 계면을 가로질러 전달되게 된다. 고온 스팟이라고도 하는 이러한 스팟은 과열되고 구조적으로 손상됨으로써 부분적으로 또는 전체적으로 기능장애를 일으킬 위험이 있다. 상기 정의된 바와 같은 요소 (i) 내지 (vi)는 각각 본 발명의 어레이의 상이한 구성 부분에서 고온 스팟 형성의 위험을 완화시킨다.
상기 정의된 완화 요소 (i)을 가진 본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 모노리스 브릿지에 의해 연결되어야 하는 2개의 모노리스는 상기 길이방향 축에 수직인 평면에서 직사각형 단면을 가지고, 평행한 표면을 갖도록 구성되며, 상기 2개의 모노리스는 각각 나머지 하나의 모노리스와 마주하는 전면부, 전면부와 평행한 배면부 및 전면부 및 배면부에 수직인 2개의 측면부를 가지고, 모노리스 브릿지는 전면부의 적어도 일부 사이에 배치된 이격 구역, (B) 측면부 중 하나 이상의 적어도 일부와 연결된 하나 이상의 측면 구역, 및 (C) 배면부의 적어도 일부와 연결되고 적어도 하나의 측면 구역과 연결된 배면 구역을 포함한다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 브릿지는 어레이의 길이방향 축 방향에서 봤을 때 L자형 바디, H자형 바디, T자형 바디, S자형 바디, 8자형 바디, O자형 바디, F자형 바디, E자형 바디, 및 I자형 바디, 2개의 평행한 선형 바디, 및 직사각형 프레임 바디로 구성되는 군으로부터 선택된 형태를 가지며, 브릿지는 어레이의 길이방향 축 방향으로 균일한 치수를 가진다. 본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 상기 바디의 각 구역은 그 단면이 연결된 모노리스의 표면에 수직인 평면에서 직사각형 단면을 가진다. 본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 브릿지의 측면 구역은 각각 길이방향 방향에 수직인 방향으로 직사각형 단면을 갖고 연결되어야 하는 2개의 모노리스의 측면부를 연결하는 길이방향 축을 가진 기다란 선형 바디의 형태를 가진다. 본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 측면 구역은 하나의 모노리스의 배면부로부터 제2 모노리스의 배면부로 연장된다. 본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 기다란 선형 바디는 모노리스의 제1 단부에 가장 가까운 표면에서 모노리스의 측면부에 연결된 연장부를 가진다. 바람직하게, 연장부는 측면부에 수직인 방향에서 봤을 때 직사각형 상자 형태를 가진다. 대안으로서, 연장부는 측면부에 수직인 방향에서 봤을 때 삼각형 단면을 가진 상자 형태를 가지며, 여기서 삼각형은 배면부로부터 전면부를 향해서 경사진다.
본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 브릿지의 측면 구역은 각각 모노리스의 제2 단부에 가장 가까운 측면 구역의 가장자리에서는 직선이고 모노리스의 제1 단부에 가장 가까운 측면 구역의 가장자리에서는 부분 타원 형태의 곡선인 측면부에 수직인 방향에서 본 형태를 갖고 연결되어야 하는 2개의 모노리스의 측면부를 연결하는 길이방향 축을 가진 기다란 바디의 형태를 가지며, 여기서 부분 타원 형태의 곡선은 모노리스의 배면부로부터 전면부를 향하는 방향으로 경사진 프로파일을 가진다.
상기 정의된 완화 요소 (vi)를 갖는 본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 모노리스 브릿지는 제1 층과 제2 층 사이에 배치된 전기 전도성 물질의 하나 이상의 중간층을 함유하며, 여기서 중간층은 제1 층에서 제2 층까지 층마다 저항률이 증가한 수준에 있는 전기 저항률을 가진다.
상기 정의된 완화 요소 (vi)를 갖는 본 발명의 어레이의 특정 실시형태에서, 제1 층은 제1 전기 전도성 물질의 저항률보다 낮은 저항률을 가지고, 제2 층은 제1 전기 전도성 물질보다 높은 저항률을 가진다.
흡열 반응
한 실시형태에서, 흡열 반응은 탄화수소의 탈수소화 반응이다. 이 반응은 반응식 (viii)에 따라서 일어난다. 이 반응을 위한 촉매 물질은 Pt/Al2O3 또는 Pt-Sn/Al2O3일 수 있다. 촉매 활성 물질은 Pt일 수 있다. 반응기의 최대 온도는 500-700℃일 수 있다. 원료 가스의 압력은 2-5 bar일 수 있다.
한 실시형태에서, 흡열 반응은 메탄올의 크래킹 반응이다. 이 반응은 반응식 (v), (ix), 및 (x)에 따라서 일어난다. 이 반응을 위한 촉매 물질은 Ni/MgAl2O3 또는 Cu/Zn/Al2O3일 수 있다. 촉매 활성 물질은 Cu 또는 Ni일 수 있다. 반응기의 최대 온도는 200-300℃일 수 있다. 원료 가스의 압력은 2-30 bar, 바람직하게 약 25 bar일 수 있다.
한 실시형태에서, 흡열 반응은 메탄올의 크래킹 반응이다. 이 반응을 위한 촉매 물질은 CuZnO/Al2O3, Fe/Al2O3NiGa/MgAl2O4 또는 CuZn/ZrO2일 수 있다. 촉매 활성 물질은 Cu, Zn, ZnO, Fe, Ga, Ni, 또는 이들의 조합일 수 있고, 세라믹 코팅은 Al2O3, ZrO2, MgAl2O3, CaAl2O3, 또는 이들의 조합일 수 있으며, 잠재적으로 Y, Ti, La, 또는 Ce의 산화물과 혼합될 수 있다. 반응기의 최대 온도는 150-1300℃일 수 있다. 원료 가스의 압력은 2-200 bar, 바람직하게 약 25 bar일 수 있다. 한 실시형태에서, 상기 거시적 구조는 Fe Cr Al의 합금으로 이루어지며, ZrO2와 Al2O3 혼합물의 세라믹 코팅을 담지하고, 촉매 활성 물질은 CuZn이다. 다른 실시형태에서, 상기 거시적 구조는 Fe Cr Al의 합금으로 이루어지며, ZrO2와 MgAl2O4 혼합물의 세라믹 코팅을 담지하고, 촉매 활성 물질은 Ni이다. 다른 실시형태에서, 상기 거시적 구조는 Fe Cr Al의 합금으로 이루어지며, ZrO2의 세라믹 코팅을 담지하고, 촉매 활성 물질은 Mn이다.
한 실시형태에서, 흡열 반응은 탄화수소의 스팀 개질이다. 이 반응은 반응식 (i)-(v)에 따라서 일어난다. 이 반응을 위한 촉매 물질은 Ni/Al2O3, Ni/MgAl2O3, Ni/CaAl2O3, Ru/MgAl2O3, 또는 Rh/MgAl2O3일 수 있다. 촉매 활성 물질은 Ni, Ru, Rh, Ir, 또는 이들의 조합일 수 있다. 반응기의 최대 온도는 850-1300℃일 수 있다. 원료 가스의 압력은 15-180 bar, 바람직하게 약 25 bar일 수 있다.
한 실시형태에서, 흡열 반응은 탄화수소의 스팀 개질이다. 이 반응을 위한 촉매 물질은 Ni/Al2O3, Ni/ZrO2, Ni/MgAl2O3, Ni/CaAl2O3, Ru/MgAl2O3, 또는 Rh/MgAl2O3일 수 있다. 촉매 활성 물질은 Ni, Ru, Rh, Ir, 또는 이들의 조합일 수 있고, 세라믹 코팅은 Al2O3, ZrO2, MgAl2O3, CaAl2O3, 또는 이들의 조합일 수 있으며, 잠재적으로 Y, Ti, La, 또는 Ce의 산화물과 혼합될 수 있다. 반응기의 최대 온도는 850-1300℃일 수 있다. 원료 가스의 압력은 15-180 bar, 바람직하게 약 25 bar일 수 있다. 한 실시형태에서, 상기 거시적 구조는 Fe Cr Al의 합금으로 이루어질 수 있고, ZrO2 및 MgAl2O4 혼합물의 세라믹 코팅을 담지하며, 촉매 활성 물질은 니켈이다.
한 실시형태에서, 흡열 반응은 암모니아 크래킹 반응이다. 이 반응은 반응식 (xi)에 따라서 일어난다. 이 반응을 위한 촉매 물질은 Fe, FeCo, 또는 Ru/Al2O3일 수 있다. 촉매 활성 물질은 Fe 또는 Ru일 수 있다. 반응기의 최대 온도는 400-700℃일 수 있다. 원료 가스의 압력은 2-30 bar, 바람직하게 약 25 bar일 수 있다.
한 실시형태에서, 흡열 반응은 탄화수소의 암모니아 크래킹 반응이다. 이 반응을 위한 촉매 물질은 Fe(Fe3O4 또는 FeO로부터의), FeCo, Ru/Al2O3, Ru/ZrO2, Fe/Al2O3, FeCo/Al2O3, Ru/MgAl2O3, 또는 CoSn/Al2O3일 수 있다. 촉매 활성 물질은 Ru, Rh, Fe, Co, Ir, Os, 또는 이들의 조합일 수 있고, 세라믹 코팅은 Al2O3, ZrO2, MgAl2O3, CaAl2O3, 또는 이들의 조합일 수 있으며, 잠재적으로 Y, Ti, La, 또는 Ce의 산화물과 혼합될 수 있다. 반응기의 최대 온도는 300-1300℃일 수 있다. 원료 가스의 압력은 2-180 bar, 바람직하게 약 25 bar일 수 있다. 한 실시형태에서, 상기 거시적 구조는 Fe Cr Al의 합금으로 이루어질 수 있고, ZrO2 및 Al2O3 혼합물의 세라믹 코팅을 담지하며, 촉매 활성 물질은 Ru이다.
한 실시형태에서, 흡열 반응은 시안화수소 합성 또는 유기 니트릴의 합성 과정이다. 이 반응은 반응식 (vi) 및 (vii)에 따라서 일어난다. 이 반응을 위한 촉매 물질은 Pt/Al2O3일 수 있다. 촉매 활성 물질은 Pt, Co 또는 SnCo일 수 있다. 반응기의 최대 온도는 700-1200℃일 수 있다. 원료 가스의 압력은 2-30 bar, 바람직하게 약 5 bar일 수 있다.
한 실시형태에서, 흡열 반응은 시안화수소 합성 또는 유기 니트릴의 합성 과정이다. 이 반응을 위한 촉매 물질은 Pt/Al2O3, Pt/ZrO2, Ru/Al2O3, Pt/MgAl2O4, Rh/Al2O3, 또는 CoSn/Al2O3일 수 있다. 촉매 활성 물질은 Pt, Ru, Rh, Ir, Co, Sn, 또는 이들의 조합일 수 있고, 세라믹 코팅은 Al2O3, ZrO2, MgAl2O4, CaAl2O4, 또는 이들의 조합일 수 있으며, 잠재적으로 Y, Ti, La, 또는 Ce의 산화물과 혼합될 수 있다. 반응기의 최대 온도는 850-1300℃일 수 있다. 원료 가스의 압력은 2-180 bar, 바람직하게 약 25 bar일 수 있다. 한 실시형태에서, 상기 거시적 구조는 Fe Cr Al의 합금으로 이루어질 수 있고, ZrO2 및 Al2O3 혼합물의 세라믹 코팅을 담지하며, 촉매 활성 물질은 Pt이다.
한 실시형태에서, 흡열 반응은 탄화수소의 방향족화 반응이다. 이것은 유익하게는 고급 탄화수소의 방향족화 반응이다.
본 발명의 반응기
또한, 본 발명은 원료 가스의 흡열 반응을 수행하기 위한 반응기 시스템에 관한 것이며, 상기 반응기 시스템은:
a) 본 발명의 촉매 또는 본 발명의 어레이;
b) 상기 촉매를 수용하는 압력 쉘로서, 상기 원료 가스를 투입하기 위한 입구 및 생성물 가스를 내보내기 위한 출구를 포함하고, 상기 원료 가스가 제1 단부에서 상기 촉매로 들어가고 상기 생성물 가스는 제2 단부로부터 상기 촉매를 빠져나가도록 상기 입구가 배치된 압력 쉘; 및
c) 상기 구조화된 촉매와 상기 압력 쉘 사이의 단열층
을 포함한다.
본 발명의 촉매의 사용
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 촉매, 본 발명의 어레이 또는 본 발명의 반응기의 사용에 관한 것이며, 여기서 흡열 반응은 스팀 메탄 개질, 시안화수소 형성, 메탄올 크래킹, 암모니아 크래킹, 역 수성 가스 이동 및 탈수소화 반응으로 구성되는 군으로부터 선택된다.
본 발명의 항목
1. 원료 가스의 흡열 반응에 촉매작용하도록 구성된 구조화된 촉매로서, 상기 구조화된 촉매는 전기 전도성 물질의 거시적 구조를 포함하고, 상기 거시적 구조는 세라믹 코팅을 담지하며, 상기 세라믹 코팅은 촉매 활성 물질을 담지하고, 전기 전도성 물질은 적어도 부분적으로 전기 전도성 금속 물질과 세라믹 물질의 균질한 혼합물 형태의 복합체이며, 거시적 구조는 적어도 부분적으로 저항률이 상이한 2개 이상의 물질로 이루어지는 촉매.
2. 제 1 항에 있어서, 거시적 구조는 적어도 부분적으로 하나 이상의 복합 물질과 하나 이상의 비-복합 전기 전도성 금속 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉매.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 금속 물질은 Fe, Cr, Al, Co, Ni, Zr, Cu, Ti, Mn, 및 Si로 구성되는 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 합금인 것을 특징으로 하는 촉매.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 세라믹 물질은 Al, Mg, Ce, Zr, Ca, Y 및 La로 구성되는 군으로부터 선택된 물질의 산화물인 것을 특징으로 하는 촉매.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 거시적 구조에서 금속 물질 대 세라믹 물질의 중량비는 50 내지 1, 바람직하게 40 내지 1, 더 바람직하게 30 내지 2, 더 바람직하게 24 내지 3, 및 가장 바람직하게 19 내지 4의 범위인 것을 특징으로 하는 촉매.
6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 구조화된 촉매는 적어도 하나의 모노리스 형태를 가지며, 여기서 모노리스는 원료 가스가 들어가는 제1 단부로부터 생성물 가스가 빠져나오는 제2 단부까지 모노리스를 통해서 상기 원료 가스를 이송하기 위한 그 안에 형성된 다수의 유로를 가지고, 상기 모노리스는 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부로 연장된 길이방향 축을 가지는 것을 특징으로 하는 촉매.
7. 제 6 항에 있어서, 모노리스의 거시적 구조는 상기 길이방향 축의 방향으로 배치된 조성이 상이한 2개 이상의 복합 물질로 이루어지며, 이로써 상이한 저항률이 제공되는 것을 특징으로 하는 촉매.
8. 제 7 항에 있어서, 모노리스의 거시적 구조는 적어도 3개의 복합 물질, 바람직하게 적어도 4개의 복합 물질, 더 바람직하게 적어도 5개의 복합 물질, 더 바람직하게 적어도 6개의 복합 물질, 더 바람직하게 적어도 7개의 복합 물질, 및 가장 바람직하게 적어도 8개의 복합 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉매.
9. 제 8 항에 있어서, 모노리스의 거시적 구조는 적어도 제1 단부에서 제2 단부로의 방향으로 배치된 제1, 제2 및 제3 복합 물질을 포함하며, 제2 복합 물질은 제1 및 제3 복합 물질보다 높은 저항률을 가지고, 제3 복합 물질은 제1 및 제2 복합 물질보다 낮은 저항률을 가지며, 제1 복합 물질은 제2 및 제3 복합 물질의 저항률 사이의 저항률을 가지는 것을 특징으로 하는 촉매.
10. 제 6 항에 있어서, 모노리스의 거시적 구조는 상기 길이방향 축의 방향으로 배치된 조성이 상이한 하나 이상의 복합 물질과 비-복합 전기 전도성 금속 물질로 이루어지며, 이로써 상이한 저항률이 제공되는 것을 특징으로 하는 촉매.
11. 제 10 항에 있어서, 모노리스의 거시적 구조는 제1 단부에서 제2 단부로의 방향으로 배치된 적어도 제1 및 제2 복합 물질과 비-복합 전기 전도성 금속 물질을 포함하며, 제2 복합 물질은 제1 복합 물질 및 비-복합 물질보다 높은 저항률을 가지고, 비-복합 물질은 제1 및 제2 복합 물질보다 낮은 저항률을 가지며, 제1 복합 물질은 제2 복합 물질의 저항률과 비-복합 물질의 저항률 사이의 저항률을 가지는 것을 특징으로 하는 촉매.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 하나에 따른 제1 및 제2 구조화된 촉매를 포함하는 어레이로서, 여기서
a) 제1 및 제2 구조화된 촉매는 각각 제1 및 제2 모노리스 형태를 가지고;
b) 상기 제1 및 제2 모노리스는 각각 원료 가스가 들어가는 제1 단부로부터 생성물 가스가 빠져나가는 제2 단부로 모노리스를 통해서 상기 원료 가스를 이송하기 위해 그 안에 형성된 다수의 유로를 가지며, 상기 제1 및 제2 모노리스는 각각 상기 제1 단부에서 상기 제2 단부로 연장된 길이방향 축을 가지고;
c) 어레이는 상기 제1 및 제2 모노리스에 각각 전기적으로 연결되고, 전기 전원에 연결되도록 구성된 적어도 제1 및 제2 전도체를 포함하며, 상기 전기 전원은 상기 거시적 구조를 통해서 전기 전류를 통과시킴으로써 상기 제1 및 제2 모노리스의 적어도 일부를 적어도 500℃의 온도로 가열할 수 있는 치수이고, 상기 제1 전도체는 제1 모노리스에 직접 또는 간접적으로 전기적으로 연결되고 제2 전도체는 제2 모노리스에 직접 또는 간접적으로 전기적으로 연결되며, 전도체는 상기 제2 단부보다 상기 제1 단부에 더 가까운 어레이 상의 위치에서 연결되고;
d) 상기 제1 및 제2 모노리스는 모노리스 브릿지 전기 전도성 물질의 모노리스 브릿지에 의해 전기적으로 연결되고;
e) 어레이는 제1 전도체로부터 제1 모노리스를 통해서 상기 제2 단부로 전류가 흐르고, 다음에 브릿지를 통과하고, 다음에 제2 모노리스를 통해서 제2 전도체로 전류가 흐르게 전기 전류를 보내도록 구성되고;
f) 상기 어레이는 하기 단계:
i) 3개의 개별 독립체의 형태로 제1 모노리스, 제2 모노리스 및 모노리스 브릿지의 전기 전도성 물질을 제공하는 단계, 및
ii) 소결 또는 산화 처리 단계를 포함하는 방법에 의해 개별 독립체들을 함께 연결하는 단계
를 포함하는 과정에 의해 제조되는 것인 어레이.
13. 제 12 항에 있어서, 제2 전도체는 제2 모노리스에 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 어레이.
14. 제 13 항에 있어서, 제2 전도체는 제2 모노리스에 간접적으로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 어레이.
15. 제 14 항에 있어서, 어레이는 (i) 구조화된 촉매의 하나 이상의 병치된 추가의 중간 모노리스 및 (ii) 구조화된 촉매의 하나의 단부 모노리스를 더 포함하며, 여기서 각각의 추가의 중간 모노리스는 모노리스 브릿지 전기 전도성 물질의 모노리스 브릿지에 의해 적어도 2개의 병치된 모노리스에 연결되고, 단부 모노리스는 적어도 하나의 병치된 모노리스에 연결되며, 제2 전도체는 상기 제2 단부보다 상기 제1 단부에 더 가까운 모노리스 상의 위치에서 단부 모노리스에 연결되는 것을 특징으로 하는 어레이.
16. 제 15 항에 있어서, 추가의 중간 모노리스와 단부 모노리스의 총 수는 짝수이고, 제2 전도체는 어레이의 제1 단부에서 단부 모노리스에 연결되는 것을 특징으로 하는 어레이.
17. 제 16 항에 있어서, 제1 및 제2 모노리스는 어레이의 제2 단부에서 모노리스 브릿지에 의해 연결되며, 여기서 각각의 추가의 중간 모노리스는 상기 제1 단부와 상기 제2 단부에서 교대로 모노리스 브릿지 전기 전도성 물질의 모노리스 브릿지에 의해 2개의 병치된 모노리스에 직렬 연결되고, 이로써 각 모노리스의 한쪽 단부에서 반대쪽 단부로 전류가 보내지며, 단부 모노리스는 제2 단부에서 하나의 병치된 모노리스에 연결되는 것을 특징으로 하는 어레이.
18. 제 12 항 내지 제 17 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 및 제2 모노리스는 어레이의 제2 단부에서 모노리스 브릿지에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 어레이.
19. 제 12 항 내지 제 18 항 중 어느 하나에 있어서, 모노리스 브릿지는 제1 및 제2 모노리스의 제1 단부에서 제2 단부까지 길이의 50% 미만, 바람직하게 40%, 더 바람직하게 30%, 더 바람직하게 20%, 및 가장 바람직하게 10%에 걸쳐서 연장되는 것을 특징으로 하는 어레이.
20. 제 12 항 내지 제 19 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 어레이는 하기 단계:
A) 3개의 개별 독립체의 형태로 제1 모노리스, 제2 모노리스 또는 중간 모노리스 및 모노리스 브릿지의 전기 전도성 물질을 제공하는 단계로서, 연결되어야 하는 표면적이 성형가능한 상태인 단계,
B) 접촉 영역에서 연결되어야 하는 표면적들을 접촉시키는 단계,
C) 소결 또는 산화 처리의 단계를 포함하는 방법에 의해 접촉 영역들을 함께 연결하는 단계
를 포함하는 과정에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 어레이.
21. 제 12 항 내지 제 20 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 어레이는 하기 단계를 포함하는 과정에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 어레이:
· 제1 합금 조성 및 제1 가용성 바인더를 가진 금속 분말을 포함하는 제1 모노리스 구성요소로서, 제1 결합면을 갖는 제1 구성요소를 제공하는 단계,
· 제2 합금 조성 및 제2 가용성 바인더를 가진 금속 분말을 포함하는 제2 모노리스 구성요소로서, 제2 결합면을 갖는 제2 구성요소를 제공하는 단계,
· 제3 합금 조성 및 제3 가용성 바인더를 가진 금속 분말을 포함하는 브릿지 구성요소로서, 브릿지 구성요소의 각 단부에 하나씩 2개의 제3 결합면을 갖는 브릿지 구성요소를 제공하는 단계;
· 여기서 제1 합금 조성과 제2 및 제3 합금 조성은 모두 복수의 화학 원소로 구성되고, 화학 원소는 각 합금 조성의 0.5 중량%를 초과하는 양으로 존재하는 각각의 화학 원소에 대해 그 화학 원소가 제1 및 제2 및 제3 합금 조성에 모두 포함되도록 선택되며,
- 최대 5.0 중량%의 양으로 제1 합금 조성에 존재하는 화학 원소에 대해, 그 화학 원소의 양은 제1 합금 조성과 제2 및 제3 합금 조성 각각 간에 최대 1 퍼센트 포인트 차이가 있고,
- 5.0 중량%를 초과하는 양으로 제1 합금 조성에 존재하는 화학 원소에 대해, 그 화학 원소의 양은 제1 합금 조성과 제2 및 제3 합금 조성 각각 간에 최대 3 퍼센트 포인트 차이가 있고,
· 하나의 제3 결합면이 제1 결합면과 접촉하고 나머지 하나의 제3 결합면은 제2 결합면과 접촉하도록 제1 모노리스 구성요소와 제2 모노리스 구성요소 사이에 브릿지 구성요소를 배열하는 단계,
· 용매가 적어도 일부 증발하는 것을 허용하는 시간 기간 동안 접촉한 상태로 결합면을 유지하는 단계; 및
· 이어서 가능한 가까이 함께 또는 접촉된 상태로 결합면을 유지하면서 제1, 제2 및 제3 구성요소를 함께 소결 또는 산화시켜 어레이를 달성하는 단계.
22. 제 21 항에 있어서, 하기 단계가 배열 단계에 앞서는 것을 특징으로 하는 어레이:
용매를 적용함으로써 제1 결합 표면 및/또는 제2 결합 표면을 적어도 부분적으로 용해하는 단계.
23. 제 15 항 내지 제 22 항 중 어느 하나에 있어서, 모노리스 브릿지의 전도성 물질은 동일한 물질인 것을 특징으로 하는 어레이.
24. 제 15 항 내지 제 23 항 중 어느 하나에 있어서, 어레이의 제2 단부에서 모노리스 브릿지의 전도성 물질은 동일한 물질인 것을 특징으로 하는 어레이.
25. 제 12 항 내지 제 24 항 중 어느 하나에 있어서, 모노리스 및 모노리스 브릿지의 전도성 물질은 동일한 물질인 것을 특징으로 하는 어레이.
26. 제 12 항 내지 제 25 항 중 어느 하나에 있어서, 모노리스 및 적어도 하나의 모노리스 브릿지의 전기 전도성 물질 중 적어도 하나는 전기 전도성 금속 물질과 세라믹 물질의 복합체인 것을 특징으로 하는 어레이.
27. 제 12 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서, 모노리스 및 모노리스 브릿지의 전기 전도성 물질 중 적어도 하나의 저항률은 1 x 10E-4 Ohm x m 내지 1 x 10E-7 Ohm x m, 바람직하게 1 x 10E-5 Ohm x m 내지 1 x 10E-7 Ohm x m, 더 바람직하게 1 x 10E-5 Ohm x m 내지 5 x 10E-6 Ohm x m, 및 가장 바람직하게 5 x 10E-5 Ohm x m 내지 1 x 10E-6 Ohm x m인 것을 특징으로 하는 브릿지.
28. 제 12 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서, 모노리스 브릿지 물질은 적어도 500℃, 바람직하게 적어도 700℃, 바람직하게 적어도 900℃, 바람직하게 적어도 1000℃, 및 가장 바람직하게 적어도 1100℃의 온도까지 내열성인 것을 특징으로 하는 어레이.
29. 제 12 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서, 흡열 반응은 스팀 메탄 개질, 시안화수소 형성, 메탄올 크래킹, 암모니아 크래킹, 역 수성 가스 이동 및 탈수소화 반응으로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 어레이.
30. 제 12 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서, 모노리스는 상기 길이방향 축에 수직인 평면에서 단면이 다각형, 정다각형, 원, 반원, 타원, 반타원, 사다리꼴로 구성되는 군으로부터 선택된 모양을 가지며, 모노리스들은 동일한 또는 상이한 모양을 가질 수 있는 것을 특징으로 하는 어레이.
31. 제 30 항에 있어서, 모노리스는 상기 길이방향 축에 수직인 평면에서 단면이 삼각형, 직사각형, 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형, 구각형, 십각형, 십일각형 및 십이각형으로부터 선택된 정다각형인 모양을 가지는 것을 특징으로 하는 어레이.
32. 제 12 항 내지 제 31 항 중 어느 하나에 있어서, 어레이는 하기로 구성되는 군으로부터 선택된 고온 스팟 형성에 의해 야기된 부작용을 완화하기 위한 요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이:
(i) 2개의 모노리스 양쪽의 기하 중심을 통해서 위치되고 어레이의 길이방향 축에 평행한 방향으로 위치된 중심면이 형성하도록 배치된 모노리스 브릿지에 의해 연결된 2개의 모노리스, 여기서 제1 및 제2 모노리스는 상기 중심면에 수직인 방향으로 제1 및 제2 너비를 가지고, 상기 모노리스 브릿지는 상기 중심면에 수직인 방향으로 너비를 가지며, 모노리스 브릿지의 너비는 상기 제1 및 제2 너비보다 넓고,
(ii) 모노리스 브릿지는 연결되어야 하는 2개의 모노리스가 접하는 한쪽 또는 양쪽 단부에서 브릿지의 중심점에서보다 더 큰 단면적을 가지며,
(iii) 모노리스 사이의 안전 브릿지, 여기서 안전 브릿지는 모노리스 브릿지가 작동중일 때 안전 브릿지를 통해서 전류가 흐르는 것을 방해하기에 충분히 높은 전기 저항을 가진 안전 브릿지 전기 전도성 물질을 포함하며, 안전 브릿지는 어레이의 제1 및 제2 단부 사이의 임의의 지점에 위치되고,
(iv) 제1 및 제2 전도체를 연결하기 위한 제1 및 제2 모노리스 중 적어도 하나의 돌출부, 여기서 돌출부는 돌출부 전기 전도성 물질로 이루어지고,
(v) 모노리스 브릿지 물질은 제1 전기 전도성 물질보다 낮은 전기 저항률을 가지며,
(vi) 모노리스 브릿지는 적어도 제1 및 제2 층을 포함하고, 제1 층은 제2 층보다 어레이의 제2 단부에 더 가까이 배치되며, 제1 층은 제2 층보다 낮은 전기 저항률을 가진다.
33. 제 32 (i) 항에 있어서, 모노리스 브릿지에 의해 연결되어야 하는 2개의 모노리스는 상기 길이방향 축에 수직인 평면에서 직사각형 단면을 가지고, 평행한 표면을 갖도록 구성되며, 상기 2개의 모노리스는 각각 나머지 하나의 모노리스와 마주하는 전면부, 전면부와 평행한 배면부 및 전면부 및 배면부에 수직인 2개의 측면부를 가지고, 모노리스 브릿지는 전면부의 적어도 일부 사이에 배치된 이격 구역, (B) 측면부 중 하나 이상의 적어도 일부와 연결된 하나 이상의 측면 구역, 및 (C) 배면부의 적어도 일부와 연결되고 적어도 하나의 측면 구역과 연결된 배면 구역을 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이.
34. 제 33 항에 있어서, 브릿지는 어레이의 길이방향 축 방향에서 봤을 때 L자형 바디, H자형 바디, T자형 바디, S자형 바디, 8자형 바디, O자형 바디, F자형 바디, E자형 바디, 및 I자형 바디, 2개의 평행한 선형 바디, 및 직사각형 프레임 바디로 구성되는 군으로부터 선택된 형태를 가지며, 브릿지는 어레이의 길이방향 축 방향으로 균일한 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 어레이.
35. 제 34 항에 있어서, 상기 바디의 각 구역은 그 단면이 연결된 모노리스의 표면에 수직인 평면에서 직사각형 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 어레이.
36. 제 33 항에 있어서, 브릿지의 측면 구역은 각각 길이방향 방향에 수직인 방향으로 직사각형 단면을 갖고 연결되어야 하는 2개의 모노리스의 측면부를 연결하는 길이방향 축을 가진 기다란 선형 바디의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 어레이.
37. 제 35 항 또는 제 36 항에 있어서, 측면 구역은 하나의 모노리스의 배면부로부터 제2 모노리스의 배면부로 연장되는 것을 특징으로 하는 어레이.
38. 제 35 항 내지 제 37 항 중 어느 한 항에 있어서, 기다란 선형 바디는 모노리스의 제1 단부에 가장 가까운 표면에서 모노리스의 측면부에 연결된 연장부를 가지는 것을 특징으로 하는 어레이.
39. 제 38 항에 있어서, 연장부는 측면부에 수직인 방향에서 봤을 때 직사각형 상자 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 어레이.
40. 제 39 항에 있어서, 연장부는 측면부에 수직인 방향에서 봤을 때 삼각형 단면을 가진 상자 형태를 가지며, 여기서 삼각형은 배면부로부터 전면부를 향해서 경사지는 것을 특징으로 하는 어레이.
41. 제 33 항에 있어서, 브릿지의 측면 구역은 각각 모노리스의 제2 단부에 가장 가까운 측면 구역의 가장자리에서는 직선이고 모노리스의 제1 단부에 가장 가까운 측면 구역의 가장자리에서는 부분 타원 형태의 곡선인 측면부에 수직인 방향에서 본 형태를 갖고 연결되어야 하는 2개의 모노리스의 측면부를 연결하는 길이방향 축을 가진 기다란 바디의 형태를 가지며, 여기서 부분 타원 형태의 곡선은 모노리스의 배면부로부터 전면부를 향하는 방향으로 경사진 프로파일을 가지는 것을 특징으로 하는 어레이.
42. 제 32 (vi) 항에 있어서, 모노리스 브릿지는 제1 층과 제2 층 사이에 배치된 전기 전도성 물질의 하나 이상의 중간층을 함유하며, 여기서 중간층은 제1 층에서 제2 층까지 층마다 저항률이 증가한 수준에 있는 전기 저항률을 가지는 것을 특징으로 하는 어레이.
43. 제 32 (vi) 항에 있어서, 제1 층은 제1 전기 전도성 물질의 저항률보다 낮은 저항률을 가지고, 제2 층은 제1 전기 전도성 물질보다 높은 저항률을 가지는 것을 특징으로 하는 어레이.
44. 제 12 항 내지 제 43 항 중 어느 하나에 있어서, 어레이는 물질의 저항 가열에 의해 500 내지 50000 W/m2 의 열 플럭스를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 어레이.
45. 제 12 항 내지 제 44 항 중 어느 하나에 있어서, 어레이는 상기 적어도 두 전도체 사이의 주 전류 경로의 길이를 모노리스의 최대 치수보다 큰 길이로 증가시키도록 구성된 전기절연부를 가지는 것을 특징으로 하는 어레이.
46. 제 12 항 내지 제 45 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 어레이는 상기 모노리스 길이의 적어도 70%에서 주 전류 경로의 전류 밀도 벡터가 상기 구조화된 촉매의 길이에 평행한 비-제로 성분 값을 갖도록 상기 모노리스를 통해서 전류를 보내도록 구성된 적어도 하나의 전기절연부를 가지는 것을 특징으로 하는 어레이.
47. 제 12 항 내지 제 46 항 중 어느 하나에 있어서, 어레이를 통과하는 원료 가스 통로의 길이는 제1 전극에서부터 어레이를 통해서 제2 전극까지 가는 전류 통로 길이보다 작은 것을 특징으로 하는 어레이.
48. 제 12 항 내지 제 47 항 중 어느 하나에 있어서, 모노리스 브릿지 물질은 그 안에 형성된 최소 치수가 0.4mm 이상, 바람직하게 0.6mm 이상, 더 바람직하게 0.8mm 이상, 더 바람직하게 1.0mm 이상, 더 바람직하게 1.2mm 이상, 더 바람직하게 1.4mm 이상, 더 바람직하게 1.6mm 이상, 더 바람직하게 1.8mm 이상, 및 가장 바람직하게 2.0mm 이상인 임의의 공간이 없는 물질인 것을 특징으로 하는 어레이.
49. 제 12 항 내지 제 48 항 중 어느 하나에 있어서, 모노리스의 유로는 상기 길이방향 축에 수직인 평면에서 단면이 다각형, 정다각형, 원, 반원, 타원, 반타원, 사다리꼴로 구성되는 군으로부터 선택된 모양을 가지며, 유로는 하나의 모노리스 내에서 및/또는 상이한 모노리스 사이에 동일한 또는 상이한 모양을 가질 수 있는 것을 특징으로 하는 어레이.
50. 제 49 항에 있어서, 모노리스의 유로는 상기 길이방향 축에 수직인 평면에서 단면이 삼각형, 직사각형, 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형, 구각형, 십각형, 십일각형 및 십이각형으로부터 선택된 정다각형인 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 어레이.
51. 원료 가스의 흡열 반응을 수행하기 위한 반응기 시스템으로서,
a) 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 하나의 촉매 또는 제 12 항 내지 제 50 항 중 어느 하나의 어레이;
b) 상기 어레이를 수용하는 압력 쉘로서, 상기 원료 가스를 투입하기 위한 입구 및 생성물 가스를 내보내기 위한 출구를 포함하고, 상기 원료 가스가 제1 단부에서 상기 어레이로 들어가고 상기 생성물 가스는 제2 단부로부터 상기 어레이를 빠져나가도록 상기 입구가 배치된 압력 쉘; 및
c) 상기 구조화된 촉매와 상기 압력 쉘 사이의 단열층
을 포함하는 반응기 시스템.
52. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 하나에 따른 촉매 또는 제 12 항 내지 제 50 항 중 어느 하나의 어레이 또는 제 51 항의 반응기 시스템의 사용으로서, 여기서 흡열 반응은 스팀 메탄 개질, 시안화수소 형성, 메탄올 크래킹, 암모니아 크래킹, 역 수성 가스 이동 및 탈수소화 반응으로 구성되는 군으로부터 선택되는 것인 사용.
본 발명의 요점
1. 원료 가스의 흡열 반응에 촉매작용하도록 구성된 구조화된 촉매로서, 상기 구조화된 촉매는 전기 전도성 물질의 거시적 구조를 포함하고, 상기 거시적 구조는 세라믹 코팅을 담지하며, 상기 세라믹 코팅은 촉매 활성 물질을 담지하고, 전기 전도성 물질은 전기 전도성 금속 물질과 세라믹 물질의 균질한 혼합물 형태의 복합체인 촉매.
1.1. 제 1 항에 있어서, 전기 전도성 물질은 상이한 조성을 가진 상이한 물질을 포함하는 복합체이며, 조성 중 하나 이상은 금속 물질 및 세라믹 물질을 포함하고, 상이한 물질들은 모노리스의 거시적 구조의 길이방향 축 방향으로 다양한 저항률을 제공하는 방식으로 위치되는 촉매.
2. 제 1 항에 있어서, 금속 물질은 Fe, Cr, Al, Co, Ni, Zr, Cu, Ti, Mn, 및 Si로 구성되는 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 합금인 것을 특징으로 하는 촉매.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 세라믹 물질은 Al, Mg, Ce, Zr, Ca, Y 및 La로 구성되는 군으로부터 선택된 물질의 산화물인 것을 특징으로 하는 촉매.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 거시적 구조에서 금속 물질 대 세라믹 물질의 중량비는 50 내지 1, 바람직하게 40 내지 1, 더 바람직하게 30 내지 2, 더 바람직하게 24 내지 3, 및 가장 바람직하게 19 내지 4의 범위인 것을 특징으로 하는 촉매.
5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 구조화된 촉매는 적어도 하나의 모노리스 형태를 가지며, 여기서 모노리스는 원료 가스가 들어가는 제1 단부로부터 생성물 가스가 빠져나오는 제2 단부까지 모노리스를 통해서 상기 원료 가스를 이송하기 위한 그 안에 형성된 다수의 유로를 가지고, 상기 모노리스는 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부로 연장된 길이방향 축을 가지는 것을 특징으로 하는 촉매.
6. 제 5 항에 있어서, 모노리스의 거시적 구조는 상기 길이방향 축의 방향으로 배치된 조성이 상이한 2개 이상의 복합 물질로 이루어지며, 이로써 상이한 저항률이 제공되는 것을 특징으로 하는 촉매.
6.1 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 모노리스의 거시적 구조는 상이한 조성을 포함하는 둘 이상의 복합체 물질을 포함하며, 상이한 조성은 모노리스의 길이방향 축 방향으로 배치되고, 이로써 모노리스의 길이방향 축을 따라서 변하는 상이한 저항률을 제공하는 것을 특징으로 하는 촉매.
6.2. 상이한 조성의 복수의 페이스트로부터 제조된 상기 요점 중 어느 하나의 모노리스의 거시적 구조는 각 페이스트의 상이한 물질로 인해 복합체 구성요소 자체를 구성할 수 있다. 이러한 실시형태에서, 모노리스의 거시적 구조는 페이스트의 상이한 조성의 결과로서 상이한 물질을 포함하는 복합체가 되며, 페이스트 중 하나 이상은 나머지 페이스트와 상이한 조성을 가질 수 있고, 상이한 물질은 모노리스의 거시적 구조의 길이방향 축 방향으로 다양한 저항률을 제공하는 방식으로 배치된다.
6.3. 한 실시형태에서, 상기 요점 중 어느 하나에 따른 모노리스의 거시적 구조는 복수의 페이스트를 제조하는데 사용된 상이한 조성으로 인해 적어도 부분적으로 하나 이상의 합금 및 적어도 부분적으로 세라믹 입자를 갖는 하나 이상의 합금을 포함할 수 있고, 상이한 부분은 모노리스의 제조 방법에서 설명된 대로 상기 길이방향 축 방향으로 배치된다.
7. 제 6 항에 있어서, 모노리스의 거시적 구조는 적어도 3개의 복합 물질, 바람직하게 적어도 4개의 복합 물질, 더 바람직하게 적어도 5개의 복합 물질, 더 바람직하게 적어도 6개의 복합 물질, 더 바람직하게 적어도 7개의 복합 물질, 및 가장 바람직하게 적어도 8개의 복합 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉매.
8. 제 7 항에 있어서, 모노리스의 거시적 구조는 적어도 제1 단부에서 제2 단부로의 방향으로 배치된 제1, 제2 및 제3 복합 물질을 포함하며, 제2 복합 물질은 제1 및 제3 복합 물질보다 높은 저항률을 가지고, 제3 복합 물질은 제1 및 제2 복합 물질보다 낮은 저항률을 가지며, 제1 복합 물질은 제2 및 제3 복합 물질의 저항률 사이의 저항률을 가지는 것을 특징으로 하는 촉매.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 하나에 따른 제1 및 제2 구조화된 촉매를 포함하는 어레이로서, 여기서
a) 제1 및 제2 구조화된 촉매는 각각 제1 및 제2 모노리스 형태를 가지고;
b) 상기 제1 및 제2 모노리스는 각각 원료 가스가 들어가는 제1 단부로부터 생성물 가스가 빠져나가는 제2 단부로 모노리스를 통해서 상기 원료 가스를 이송하기 위해 그 안에 형성된 다수의 유로를 가지며, 상기 제1 및 제2 모노리스는 각각 상기 제1 단부에서 상기 제2 단부로 연장된 길이방향 축을 가지고;
c) 어레이는 상기 제1 및 제2 모노리스에 각각 전기적으로 연결되고, 전기 전원에 연결되도록 구성된 적어도 제1 및 제2 전도체를 포함하며, 상기 전기 전원은 상기 거시적 구조를 통해서 전기 전류를 통과시킴으로써 상기 제1 및 제2 모노리스의 적어도 일부를 적어도 500℃의 온도로 가열할 수 있는 치수이고, 상기 제1 전도체는 제1 모노리스에 직접 또는 간접적으로 전기적으로 연결되고 제2 전도체는 제2 모노리스에 직접 또는 간접적으로 전기적으로 연결되며, 전도체는 상기 제2 단부보다 상기 제1 단부에 더 가까운 어레이 상의 위치에서 연결되고;
d) 상기 제1 및 제2 모노리스는 모노리스 브릿지 전기 전도성 물질의 모노리스 브릿지에 의해 전기적으로 연결되고;
e) 어레이는 제1 전도체로부터 제1 모노리스를 통해서 상기 제2 단부로 전류가 흐르고, 다음에 브릿지를 통과하고, 다음에 제2 모노리스를 통해서 제2 전도체로 전류가 흐르게 전기 전류를 보내도록 구성되고;
f) 상기 어레이는 하기 단계:
i) 3개의 개별 독립체의 형태로 제1 모노리스, 제2 모노리스 및 모노리스 브릿지의 전기 전도성 물질을 제공하는 단계, 및
ii) 소결 또는 산화 처리 단계를 포함하는 방법에 의해 개별 독립체들을 함께 연결하는 단계
를 포함하는 과정에 의해 제조되는 것인 어레이.
10. 제 9 항에 있어서, 제2 전도체는 제2 모노리스에 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 어레이.
11. 제 9 항에 있어서, 제2 전도체는 제2 모노리스에 간접적으로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 어레이.
12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 어레이는 (i) 구조화된 촉매의 하나 이상의 병치된 추가의 중간 모노리스 및 (ii) 구조화된 촉매의 하나의 단부 모노리스를 더 포함하며, 여기서 각각의 추가의 중간 모노리스는 모노리스 브릿지 전기 전도성 물질의 모노리스 브릿지에 의해 적어도 2개의 병치된 모노리스에 연결되고, 단부 모노리스는 적어도 하나의 병치된 모노리스에 연결되며, 제2 전도체는 상기 제2 단부보다 상기 제1 단부에 더 가까운 모노리스 상의 위치에서 단부 모노리스에 연결되는 것을 특징으로 하는 어레이.
13. 제 12 항에 있어서, 추가의 중간 모노리스와 단부 모노리스의 총 수는 짝수이고, 제2 전도체는 어레이의 제1 단부에서 단부 모노리스에 연결되는 것을 특징으로 하는 어레이.
14. 제 13 항에 있어서, 제1 및 제2 모노리스는 어레이의 제2 단부에서 모노리스 브릿지에 의해 연결되며, 여기서 각각의 추가의 중간 모노리스는 상기 제1 단부와 상기 제2 단부에서 교대로 모노리스 브릿지 전기 전도성 물질의 모노리스 브릿지에 의해 2개의 병치된 모노리스에 직렬 연결되고, 이로써 각 모노리스의 한쪽 단부에서 반대쪽 단부로 전류가 보내지며, 단부 모노리스는 제2 단부에서 하나의 병치된 모노리스에 연결되는 것을 특징으로 하는 어레이.
15. 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 및 제2 모노리스는 어레이의 제2 단부에서 모노리스 브릿지에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 어레이.
16. 제 9 항 내지 제 15 항 중 어느 하나에 있어서, 모노리스 브릿지는 제1 및 제2 모노리스의 제1 단부에서 제2 단부까지 길이의 50% 미만, 바람직하게 40%, 더 바람직하게 30%, 더 바람직하게 20%, 및 가장 바람직하게 10%에 걸쳐서 연장되는 것을 특징으로 하는 어레이.
17. 제 9 항 내지 제 16 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 어레이는 하기 단계:
A) 3개의 개별 독립체의 형태로 제1 모노리스, 제2 모노리스 및 모노리스 브릿지의 전기 전도성 물질을 제공하는 단계로서, 연결되어야 하는 표면적이 성형가능한 상태인 단계,
B) 접촉 영역에서 연결되어야 하는 표면적들을 접촉시키는 단계,
C) 소결 또는 산화 처리의 단계를 포함하는 방법에 의해 접촉 영역들을 함께 연결하는 단계
를 포함하는 과정에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 어레이.
어레이의 제1 및 제2 모노리스에 더하여 하나 이상의 중간 모노리스 및 단부 모노리스가 존재할 때, 어레이는 여전히 상기 과정에 의해 제조될 수 있으며, 이러한 경우 3개의 개별 독립체는 병치된 모노리스 및 이들 사이의 모노리스 브릿지 중 임의의 2개이다.
18. 제 9 항 내지 제 17 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 어레이는 하기 단계를 포함하는 과정에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 어레이:
· 제1 합금 조성 및 제1 가용성 바인더를 가진 금속 분말을 포함하는 제1 모노리스 구성요소로서, 제1 결합면을 갖는 제1 구성요소를 제공하는 단계,
· 제2 합금 조성 및 제2 가용성 바인더를 가진 금속 분말을 포함하는 제2 모노리스 구성요소로서, 제2 결합면을 갖는 제2 구성요소를 제공하는 단계,
· 제3 합금 조성 및 제3 가용성 바인더를 가진 금속 분말을 포함하는 브릿지 구성요소로서, 브릿지 구성요소의 각 단부에 하나씩 2개의 제3 결합면을 갖는 브릿지 구성요소를 제공하는 단계;
· 여기서 제1 합금 조성과 제2 및 제3 합금 조성은 모두 복수의 화학 원소로 구성되고, 화학 원소는 각 합금 조성의 0.5 중량%를 초과하는 양으로 존재하는 각각의 화학 원소에 대해 그 화학 원소가 제1 및 제2 및 제3 합금 조성에 모두 포함되도록 선택되며,
- 최대 5.0 중량%의 양으로 제1 합금 조성에 존재하는 화학 원소에 대해, 그 화학 원소의 양은 제1 합금 조성과 제2 및 제3 합금 조성 각각 간에 최대 1 퍼센트 포인트 차이가 있고,
- 5.0 중량%를 초과하는 양으로 제1 합금 조성에 존재하는 화학 원소에 대해, 그 화학 원소의 양은 제1 합금 조성과 제2 및 제3 합금 조성 각각 간에 최대 3 퍼센트 포인트 차이가 있고,
· 하나의 제3 결합면이 제1 결합면과 접촉하고 나머지 하나의 제3 결합면은 제2 결합면과 접촉하도록 제1 모노리스 구성요소와 제2 모노리스 구성요소 사이에 브릿지 구성요소를 배열하는 단계,
· 용매가 적어도 일부 증발하는 것을 허용하는 시간 기간 동안 접촉한 상태로 결합면을 유지하는 단계; 및
· 이어서 가능한 가까이 함께 또는 접촉된 상태로 결합면을 유지하면서 제1, 제2 및 제3 구성요소를 함께 소결 또는 산화시켜 어레이를 달성하는 단계.
19. 제 18 항에 있어서, 하기 단계가 배열 단계에 앞서는 것을 특징으로 하는 어레이:
용매를 적용함으로써 제1 결합 표면 및/또는 제2 결합 표면을 적어도 부분적으로 용해하는 단계.
20. 제 12 항 내지 제 19 항 중 어느 하나에 있어서, 모노리스 브릿지의 전도성 물질은 동일한 물질인 것을 특징으로 하는 어레이.
21. 제 12 항 내지 제 19 항 중 어느 하나에 있어서, 어레이의 제2 단부에서 모노리스 브릿지의 전도성 물질은 동일한 물질인 것을 특징으로 하는 어레이.
22. 제 9 항 내지 제 21 항 중 어느 하나에 있어서, 모노리스 및 모노리스 브릿지의 전도성 물질은 동일한 물질인 것을 특징으로 하는 어레이.
23. 제 9 항 내지 제 22 항 중 어느 하나에 있어서, 모노리스 및 적어도 하나의 모노리스 브릿지의 전기 전도성 물질 중 적어도 하나는 전기 전도성 금속 물질과 세라믹 물질의 복합체인 것을 특징으로 하는 어레이.
24. 제 9 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, 모노리스 및 모노리스 브릿지의 전기 전도성 물질 중 적어도 하나의 저항률은 1 x 10E-4 Ohm x m 내지 1 x 10E-7 Ohm x m, 바람직하게 1 x 10E-5 Ohm x m 내지 1 x 10E-7 Ohm x m, 더 바람직하게 1 x 10E-5 Ohm x m 내지 5 x 10E-6 Ohm x m, 및 가장 바람직하게 5 x 10E-5 Ohm x m 내지 1 x 10E-6 Ohm x m인 것을 특징으로 하는 브릿지.
25. 제 9 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서, 모노리스 브릿지 물질은 적어도 500℃, 바람직하게 적어도 700℃, 바람직하게 적어도 900℃, 바람직하게 적어도 1000℃, 및 가장 바람직하게 적어도 1100℃의 온도까지 내열성인 것을 특징으로 하는 어레이.
26. 제 9 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 흡열 반응은 스팀 메탄 개질, 시안화수소 형성, 메탄올 크래킹, 암모니아 크래킹, 역 수성 가스 이동 및 탈수소화 반응으로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 어레이.
27. 제 9 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서, 모노리스는 상기 길이방향 축에 수직인 평면에서 단면이 다각형, 정다각형, 원, 반원, 타원, 반타원, 사다리꼴로 구성되는 군으로부터 선택된 모양을 가지며, 모노리스들은 동일한 또는 상이한 모양을 가질 수 있는 것을 특징으로 하는 어레이.
28. 제 27 항에 있어서, 모노리스는 상기 길이방향 축에 수직인 평면에서 단면이 삼각형, 직사각형, 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형, 구각형, 십각형, 십일각형 및 십이각형으로부터 선택된 정다각형인 모양을 가지는 것을 특징으로 하는 어레이.
29. 제 9 항 내지 제 28 항 중 어느 하나에 있어서, 어레이는 하기로 구성되는 군으로부터 선택된 고온 스팟 형성에 의해 야기된 부작용을 완화하기 위한 요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이:
(i) 2개의 모노리스 양쪽의 기하 중심을 통해서 위치되고 어레이의 길이방향 축에 평행한 방향으로 위치된 중심면이 형성하도록 배치된 모노리스 브릿지에 의해 연결된 2개의 모노리스, 여기서 제1 및 제2 모노리스는 상기 중심면에 수직인 방향으로 제1 및 제2 너비를 가지고, 상기 모노리스 브릿지는 상기 중심면에 수직인 방향으로 너비를 가지며, 모노리스 브릿지의 너비는 상기 제1 및 제2 너비보다 넓고,
(ii) 모노리스 브릿지는 연결되어야 하는 2개의 모노리스가 접하는 한쪽 또는 양쪽 단부에서 브릿지의 중심점에서보다 더 큰 단면적을 가지며,
(iii) 모노리스 사이의 안전 브릿지, 여기서 안전 브릿지는 모노리스 브릿지가 작동중일 때 안전 브릿지를 통해서 전류가 흐르는 것을 방해하기에 충분히 높은 전기 저항을 가진 안전 브릿지 전기 전도성 물질을 포함하며, 안전 브릿지는 어레이의 제1 및 제2 단부 사이의 임의의 지점에 위치되고,
(iv) 제1 및 제2 전도체를 연결하기 위한 제1 및 제2 모노리스 중 적어도 하나의 돌출부, 여기서 돌출부는 돌출부 전기 전도성 물질로 이루어지고,
(v) 모노리스 브릿지 물질은 제1 전기 전도성 물질보다 낮은 전기 저항률을 가지며,
(vi) 모노리스 브릿지는 적어도 제1 및 제2 층을 포함하고, 제1 층은 제2 층보다 어레이의 제2 단부에 더 가까이 배치되며, 제1 층은 제2 층보다 낮은 전기 저항률을 가진다.
30. 제 29 (i) 항에 있어서, 모노리스 브릿지에 의해 연결되어야 하는 2개의 모노리스는 상기 길이방향 축에 수직인 평면에서 직사각형 단면을 가지고, 평행한 표면을 갖도록 구성되며, 상기 2개의 모노리스는 각각 나머지 하나의 모노리스와 마주하는 전면부, 전면부와 평행한 배면부 및 전면부 및 배면부에 수직인 2개의 측면부를 가지고, 모노리스 브릿지는 전면부의 적어도 일부 사이에 배치된 이격 구역, (B) 측면부 중 하나 이상의 적어도 일부와 연결된 하나 이상의 측면 구역, 및 (C) 배면부의 적어도 일부와 연결되고 적어도 하나의 측면 구역과 연결된 배면 구역을 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이.
31. 제 30 항에 있어서, 브릿지는 어레이의 길이방향 축 방향에서 봤을 때 L자형 바디, H자형 바디, T자형 바디, S자형 바디, 8자형 바디, O자형 바디, F자형 바디, E자형 바디, 및 I자형 바디, 2개의 평행한 선형 바디, 및 직사각형 프레임 바디로 구성되는 군으로부터 선택된 형태를 가지며, 브릿지는 어레이의 길이방향 축 방향으로 균일한 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 어레이.
32. 제 31 항에 있어서, 상기 바디의 각 구역은 그 단면이 연결된 모노리스의 표면에 수직인 평면에서 직사각형 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 어레이.
33. 제 30 항에 있어서, 브릿지의 측면 구역은 각각 길이방향 방향에 수직인 방향으로 직사각형 단면을 갖고 연결되어야 하는 2개의 모노리스의 측면부를 연결하는 길이방향 축을 가진 기다란 선형 바디의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 어레이.
34. 제 32 항 또는 제 33 항에 있어서, 측면 구역은 하나의 모노리스의 배면부로부터 제2 모노리스의 배면부로 연장되는 것을 특징으로 하는 어레이.
35. 제 32 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서, 기다란 선형 바디는 모노리스의 제1 단부에 가장 가까운 표면에서 모노리스의 측면부에 연결된 연장부를 가지는 것을 특징으로 하는 어레이.
36. 제 35 항에 있어서, 연장부는 측면부에 수직인 방향에서 봤을 때 직사각형 상자 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 어레이.
37. 제 36 항에 있어서, 연장부는 측면부에 수직인 방향에서 봤을 때 삼각형 단면을 가진 상자 형태를 가지며, 여기서 삼각형은 배면부로부터 전면부를 향해서 경사지는 것을 특징으로 하는 어레이.
38. 제 30 항에 있어서, 브릿지의 측면 구역은 각각 모노리스의 제2 단부에 가장 가까운 측면 구역의 가장자리에서는 직선이고 모노리스의 제1 단부에 가장 가까운 측면 구역의 가장자리에서는 부분 타원 형태의 곡선인 측면부에 수직인 방향에서 본 형태를 갖고 연결되어야 하는 2개의 모노리스의 측면부를 연결하는 길이방향 축을 가진 기다란 바디의 형태를 가지며, 여기서 부분 타원 형태의 곡선은 모노리스의 배면부로부터 전면부를 향하는 방향으로 경사진 프로파일을 가지는 것을 특징으로 하는 어레이.
39. 제 29 (vi) 항에 있어서, 모노리스 브릿지는 제1 층과 제2 층 사이에 배치된 전기 전도성 물질의 하나 이상의 중간층을 함유하며, 여기서 중간층은 제1 층에서 제2 층까지 층마다 저항률이 증가한 수준에 있는 전기 저항률을 가지는 것을 특징으로 하는 어레이.
40. 제 29 (vi) 항에 있어서, 제1 층은 제1 전기 전도성 물질의 저항률보다 낮은 저항률을 가지고, 제2 층은 제1 전기 전도성 물질보다 높은 저항률을 가지는 것을 특징으로 하는 어레이.
41. 제 9 항 내지 제 40 항 중 어느 하나에 있어서, 어레이는 물질의 저항 가열에 의해 500 내지 50000 W/m2 의 열 플럭스를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 어레이.
42. 제 9 항 내지 제 41 항 중 어느 하나에 있어서, 어레이는 상기 적어도 두 전도체 사이의 주 전류 경로의 길이를 모노리스의 최대 치수보다 큰 길이로 증가시키도록 구성된 전기절연부를 가지는 것을 특징으로 하는 어레이.
43. 제 9 항 내지 제 42 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 어레이는 상기 모노리스 길이의 적어도 70%에서 주 전류 경로의 전류 밀도 벡터가 상기 구조화된 촉매의 길이에 평행한 비-제로 성분 값을 갖도록 상기 모노리스를 통해서 전류를 보내도록 구성된 적어도 하나의 전기절연부를 가지는 것을 특징으로 하는 어레이.
44. 제 9 항 내지 제 43 항 중 어느 하나에 있어서, 어레이를 통과하는 원료 가스 통로의 길이는 제1 전극에서부터 어레이를 통해서 제2 전극까지 가는 전류 통로 길이보다 작은 것을 특징으로 하는 어레이.
45. 제 9 항 내지 제 44 항 중 어느 하나에 있어서, 모노리스 브릿지 물질은 그 안에 형성된 최소 치수가 0.4mm 이상, 바람직하게 0.6mm 이상, 더 바람직하게 0.8mm 이상, 더 바람직하게 1.0mm 이상, 더 바람직하게 1.2mm 이상, 더 바람직하게 1.4mm 이상, 더 바람직하게 1.6mm 이상, 더 바람직하게 1.8mm 이상, 및 가장 바람직하게 2.0mm 이상인 임의의 공간이 없는 물질인 것을 특징으로 하는 어레이.
46. 제 9 항 내지 제 45 항 중 어느 하나에 있어서, 모노리스의 유로는 상기 길이방향 축에 수직인 평면에서 단면이 다각형, 정다각형, 원, 반원, 타원, 반타원, 사다리꼴로 구성되는 군으로부터 선택된 모양을 가지며, 유로는 하나의 모노리스 내에서 및/또는 상이한 모노리스 사이에 동일한 또는 상이한 모양을 가질 수 있는 것을 특징으로 하는 어레이.
47. 제 46 항에 있어서, 모노리스의 유로는 상기 길이방향 축에 수직인 평면에서 단면이 삼각형, 직사각형, 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형, 구각형, 십각형, 십일각형 및 십이각형으로부터 선택된 정다각형인 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 어레이.
48. 원료 가스의 흡열 반응을 수행하기 위한 반응기 시스템으로서,
a) 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 하나의 촉매 또는 제 9 항 내지 제 47 항 중 어느 하나의 어레이;
b) 상기 어레이를 수용하는 압력 쉘로서, 상기 원료 가스를 투입하기 위한 입구 및 생성물 가스를 내보내기 위한 출구를 포함하고, 상기 원료 가스가 제1 단부에서 상기 어레이로 들어가고 상기 생성물 가스는 제2 단부로부터 상기 어레이를 빠져나가도록 상기 입구가 배치된 압력 쉘; 및
c) 상기 구조화된 촉매와 상기 압력 쉘 사이의 단열층
을 포함하는 반응기 시스템.
49. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 하나에 따른 촉매 또는 제 9 항 내지 제 47 항 중 어느 하나의 어레이 또는 제 48 항의 반응기 시스템의 사용으로서, 여기서 흡열 반응은 스팀 메탄 개질, 시안화수소 형성, 메탄올 크래킹, 암모니아 크래킹, 역 수성 가스 이동 및 탈수소화 반응으로 구성되는 군으로부터 선택되는 것인 사용.
이전 요점을 다시 참조한다는 것은 상응하는 요점의 하위요점 중 하나를 다시 참조한다는 의미이기도 하다.
도면의 간단한 설명
도 1은 2개의 모노리스와 모노리스 브릿지를 포함하는 본 발명의 어레이의 투시도이다.
도 2는 4개의 모노리스와 3개의 모노리스 브릿지를 포함하는 본 발명의 어레이의 투시도이다.
도 3은 2개의 모노리스, 모노리스 브릿지 및 안전 브릿지를 포함하는 본 발명의 어레이의 투시도이다.
도 4는 2개의 모노리스와 3개 층을 가진 모노리스 브릿지를 포함하는 본 발명의 어레이의 투시도이다.
도 5는 2개의 모노리스와 H자 형태의 모노리스 브릿지를 포함하는 본 발명의 어레이의 투시도이다.
도 6은 2개의 모노리스와 L자 형태의 모노리스 브릿지를 포함하는 본 발명의 어레이의 투시도이다.
도 7은 2개의 모노리스와 T자 형태의 모노리스 브릿지를 포함하는 본 발명의 어레이의 투시도이다.
도 8은 3개의 모노리스를 포함하는 본 발명의 어레이의 투시도이다.
도 9는 4개의 모노리스와 모든 4개의 모노리스의 3개 측면 주변에 연속층의 형태로 어레이의 제2 단부에 있는 모노리스 브릿지를 포함하는 본 발명의 어레이의 투시도이다.
도 10은 2개의 모노리스와 삼각형 연장부를 가진 2개의 I자형 상자 형태로 어레이의 제2 단부에 있는 모노리스 브릿지를 포함하는 본 발명의 어레이의 투시도이다.
도 11은 2개의 모노리스와 정육면체 연장부를 가진 2개의 I자형 상자 형태로 어레이의 제2 단부에 있는 모노리스 브릿지를 포함하는 본 발명의 어레이의 투시도이다.
도 12는 2개의 모노리스와 부분 타원 아웃라인의 상부 가장자리와 더 낮은 직선 라인 가장자리를 가진 2개의 I자형 바디 형태로 어레이의 제2 단부에 있는 모노리스 브릿지를 포함하는 본 발명의 어레이의 투시도이다.
도 13은 2개의 모노리스와 O자형 상자 형태로 어레이의 제2 단부에 있는 모노리스 브릿지를 포함하는 본 발명의 어레이의 투시도이다.
도 14는 2개의 모노리스와 8자형 상자 형태로 어레이의 제2 단부에 있는 모노리스 브릿지를 포함하는 본 발명의 어레이의 투시도이다.
도 15는 본 발명에 따른 어레이의 도면(도 15a, 15b 및 15d) 및 브릿지의 물질 조성의 차트(도 15c)이다.
도 16은 본 발명의 어레이를 사용한 스팀 개질 실험 동안 측정된 실험 데이터 및 작동 온도를 도시한다.
도 17은 10 kW/m2의 대략 일정한 표면 플럭스로 흡열 반응을 촉진하도록 500 kW의 에너지를 제공하기 위해 구조화된 촉매의 모노리스 브릿지와 직렬 연결된 모노리스의 최적 기하 구성형태의 일례를 도시한다.
도 18은 AlO 형태의 세라믹 함량에 따라 물질의 저항률 ρ이 어떻게 변화하는지에 대한 실험 데이터를 도시한다.
도면의 상세한 설명
도 1은 제1 모노리스(13) 및 제2 모노리스(14)와 제1 및 제2 모노리스(13 및 14)를 연결하는 모노리스 브릿지(15)를 포함하는 제1 단부(11) 및 제2 단부(12)를 가진 본 발명의 어레이(10)를 도시한다. 제1 및 제2 모노리스(13 및 14)는 전기 전도성 물질의 거시적 구조를 포함하는 구조화된 촉매의 형태이며, 상기 거시적 구조는 세라믹 코팅을 담지하고, 상기 세라믹 코팅은 촉매 활성 물질을 담지한다. 모노리스 브릿지는 전기 전도성 물질로 이루어진다.
제1 및 제2 모노리스(13 및 14)는 외부 전기 전원(미도시))에 연결된 제1 및 제2 전도체(미도시)에 연결된다. 제1 및 제2 모노리스(13 및 14)와 모노리스 브릿지(15)는 외부 전기 전원에 연결되었을 때 그것의 가열을 가능하게 한다.
제1 및 제2 모노리스(13 및 14)는 그 안에 형성된 유로를 가지며, 이것은 어레이(10)의 제1 단부(11)에서 제2 단부(12)로 연장되고, 어레이(10)를 통해서 원료 가스를 제1 단부(11)에서 제2 단부(12)로 인도함으로써 그것을 촉매에 노출시켜 원료 가스를 가열하도록 한다. 모노리스 브릿지(15)는 유로가 없는데, 즉 그것은 연속 구조를 가진 물질에 의해 구성된다.
도 2는 제1 모노리스(23), 제2 모노리스(24), 중간 모노리스(25), 단부 모노리스(26), 제1 및 제2 모노리스(23 및 24) 사이에서 어레이의 제2 단부(22)에 있는 모노리스 브릿지(27), 제2 모노리스(23)와 중간 모노리스(25) 사이에서 어레이의 제1 단부(21)에 있는 모노리스 브릿지(28) 및 중간 모노리스(25)와 단부 모노리스(26) 사이에서 어레이의 제2 단부(22)에 있는 모노리스 브릿지(29)를 포함하는 제1 단부(21) 및 제2 단부(22)를 가진 본 발명의 어레이(20)를 도시한다. 모노리스(23, 24, 25 및 26)는 그 안에 형성된 유로(30)를 가지며, 이것은 어레이(20)의 제1 단부(21)에서 제2 단부(22)로 연장되고, 어레이(20)를 통해서 원료 가스를 제1 단부(21)에서 제2 단부(22)로 인도한다. 모노리스 브릿지(27, 28 및 29)는 유로가 없는데, 즉 그것은 연속 구조를 가진 물질에 의해 구성된다.
도 3은 제1 모노리스(43) 및 제2 모노리스(44)와 제1 및 제2 모노리스(43 및 44)를 연결하는 모노리스 브릿지(45)를 포함하는 제1 단부(41) 및 제2 단부(42)를 가진 본 발명의 어레이(40)를 도시한다. 제1 및 제2 모노리스(43 및 44)는 그 안에 형성된 유로(46)를 가지며, 이것은 어레이(40)의 제1 단부(41)에서 제2 단부(42)로 연장되고, 어레이(40)를 통해서 원료 가스를 제1 단부(41)에서 제2 단부(42)로 인도한다. 모노리스 브릿지(45)는 유로가 없는데, 즉 그것은 연속 구조를 가진 물질에 의해 구성된다.
어레이(40)는 또한 모노리스 브릿지(45)가 전류의 통과를 위해 작동중일 때 전류의 통과를 방지하거나 상당히 감소시키기에 충분히 높은 저항률을 가진 전도성 물질의 안전 브릿지(47)를 포함한다. 그러나, 모노리스 브릿지(45)가, 예를 들어 손상으로 인해 작동중이 아닐 경우, 전류는 어레이의 계속 작동을 보장하기 위해 안전 브릿지(47)를 통과할 것이다.
도 4는 제1 모노리스(53) 및 제2 모노리스(54)와 제1 및 제2 모노리스(53 및 54)를 연결하는 모노리스 브릿지(55)를 포함하는 제1 단부(51) 및 제2 단부(52)를 가진 본 발명의 어레이(50)를 도시한다. 제1 및 제2 모노리스(53 및 54)는 그 안에 형성된 유로를 가지며, 이것은 어레이(50)의 제1 단부(51)에서 제2 단부(52)로 연장되고, 어레이(50)를 통해서 원료 가스를 제1 단부(51)에서 제2 단부(52)로 인도한다. 모노리스 브릿지(55)는 유로가 없는데, 즉 그것은 균질한 구조를 가진 물질에 의해 구성된다.
모노리스 브릿지(55)는 제1 층(56), 중간층(57) 및 제2 층(58)을 포함하는 전기 전도성 물질의 3개 층으로 이루어진다. 제1 층(56)의 전도도는 제1 및 제2 모노리스(53 및 54)의 전도도보다 높다. 중간층(57)의 전도도는 제1 및 제2 모노리스(53 및 54)의 전도도보다 낮다. 제2 층(58)의 전도도는 중간층(57)의 전도도보다 낮다. 3개 층(56, 57 및 58)의 전도도 수준은 제1 모노리스에서 제2 모노리스로 통과하는 전류가 3개 층 사이에 대략 균일하게 분포되도록 선택된다.
3개 층(56, 57 및 58) 사이에 이러한 균일한 전류 분포를 얻는데 더 도움이 되기 위해, 층(56)의 두께는 층(57)의 두께보다 크고 층(57)의 두께는 층(58)의 두께보다 크다.
모노리스 브릿지의 이러한 구성형태는 모노리스 브릿지에서 상대적으로 낮은 전류 밀도를 보장하며, 이로써 고온 스팟의 위험이 감소한다.
도 5는 제1 모노리스(63) 및 제2 모노리스(64)와 제1 및 제2 모노리스(63 및 64)를 연결하는 모노리스 브릿지(65)를 포함하는 제1 단부(61) 및 제2 단부(62)를 가진 본 발명의 어레이(60)를 도시한다. 제1 및 제2 모노리스(63 및 64)는 그 안에 형성된 유로(66)를 가지며, 이것은 어레이(60)의 제1 단부(61)에서 제2 단부(62)로 연장되고, 어레이(60)를 통해서 원료 가스를 제1 단부(61)에서 제2 단부(62)로 인도한다. 모노리스 브릿지(65)는 유로가 없는데, 즉 그것은 균질한 구조를 가진 물질에 의해 구성된다.
제1 및 제2 모노리스(63 및 64)는 정방형 단면을 가지며, 평행한 표면들을 갖도록 구성된다. 모노리스 브릿지(65)는 서로 마주하는 제1 및 제2 모노리스(63 및 64)의 두 전면부(68 및 69) 사이에 배치된 정방형 단면을 가진 이격 구역(67) 및 정방형 단면을 가진 2개의 선형 구역(70 및 71)을 포함하는 H자형 상자 형태의 브릿지로 이루어지며, 구역(70)은 모노리스(63 및 64)의 한쪽 측면에서 측면부(72 및 73)에 연결되고 이격 구역(67)의 측면부에 연결되며, 구역(71)은 모노리스(63 및 64)의 반대쪽 측면의 측면부(74 및 75)에 연결되고 이격 구역(67)의 측면부에 연결된다.
제1 모노리스(63)에서 제2 모노리스(64)로 흐르는 전기 전류는 일부는 이격 구역(67)을 통해서 일부는 선형 구역(70 및 71)을 통해서 흐를 것이다. 따라서, H자형 브릿지는 전류가 흐르는 증가된 단면을 제공하며, 이로써 전류 밀도 및 브릿지의 가열이 감소되고, 이것은 차례로 고온 스팟이 발생할 위험을 감소시킨다.
도 6은 제1 모노리스(81) 및 제2 모노리스(82)와 제1 및 제2 모노리스(81 및 82)를 연결하는 모노리스 브릿지(83)를 포함하는 어레이(80)를 도시한다. 제1 및 제2 모노리스(81 및 82)는 정방형 단면을 가지며, 평행한 표면들을 갖도록 구성된다. 모노리스 브릿지(83)는 서로 마주하는 제1 및 제2 모노리스(81 및 82)의 두 전면부(85 및 86) 사이에 배치된 정방형 단면을 가진 이격 구역(84) 및 정방형 단면을 가진 하나의 선형 구역(87)을 포함하는 L자형 상자 형태의 브릿지로 이루어지며, 구역(87)은 모노리스(82)의 한쪽 측면에서 측면부(88)에 연결되고, 이격 구역(84)의 측면부에 연결된다.
제1 모노리스(81)로부터 흐르는 전기 전류는 일부는 이격 구역(84)을 통해서 제2 모노리스(82)로 직접 흐르고 일부는 이격 구역(84)을 통해서 선형 구역(87)으로 흐른 다음 제2 모노리스(82)로 흐를 것이다. 따라서, L자형 브릿지는 전류가 흐르는 증가된 단면을 제공하며, 이로써 전류 밀도 및 브릿지의 가열이 감소되고, 이것은 차례로 고온 스팟이 발생할 위험을 감소시킨다.
도 7은 제1 모노리스(91) 및 제2 모노리스(92)와 제1 및 제2 모노리스(91 및 92)를 연결하는 모노리스 브릿지(93)를 포함하는 어레이(90)를 도시한다. 제1 및 제2 모노리스(91 및 92)는 정방형 단면을 가지며, 평행한 표면들을 갖도록 구성된다. 모노리스 브릿지(93)는 서로 마주하는 제1 및 제2 모노리스(91 및 92)의 두 전면부(95 및 96) 사이에 배치된 정방형 단면을 가진 이격 구역(94) 및 정방형 단면을 가진 하나의 선형 구역(97)을 포함하는 T자형 상자 형태의 브릿지로 이루어지며, 구역(97)은 모노리스(91 및 92)의 한쪽 측면에서 두 측면부(98 및 99)에 연결되고, 이격 구역(94)의 측면부에 연결된다.
제1 모노리스(91)에서 제2 모노리스(92)로 흐르는 전기 전류는 일부는 이격 구역(94)을 통해서 일부는 선형 구역(97)을 통해서 흐를 것이다. 따라서, T자형 브릿지는 전류가 흐르는 증가된 단면을 제공하며, 이로써 전류 밀도 및 브릿지의 가열이 감소되고, 이것은 차례로 고온 스팟이 발생할 위험을 감소시킨다.
도 8은 제1 모노리스(113), 제2 모노리스(114) 및 단부 모노리스(115)를 포함하는 제1 단부(111) 및 제2 단부(112)를 가진 어레이(110)를 도시한다. 제1 모노리스(113)는 어레이의 제2 단부에서 모노리스 브릿지(116)에 의해 제2 모노리스(114)에 연결된다. 제2 모노리스(114)는 어레이의 제1 단부에서 모노리스 브릿지(117)에 의해 단부 모노리스(115)에 연결된다. 제1 전도체(118)는 제1 모노리스(113)의 제1 단부(111)에 연결되고, 제2 전도체(119)는 단부 모노리스(115)의 제1 단부(111)에 연결된다. 이 실시형태에서, 단부 모노리스는 그것을 통과하는 가스에 의해 가열될 것이다.
도 9는 2개의 제1 모노리스(123 및 124)와 2개의 단부 모노리스(125 및 126)를 포함하는 제1 단부(121) 및 제2 단부(122)를 가진 어레이(120)를 도시한다. 모든 4개 모노리스는 모든 4개 모노리스의 3개 측면을 둘러싼 층 형태의 모노리스 브릿지(127)에 의해 제2 단부에서 연결된다. 제1 전도체(128 및 129)는 제1 모노리스(123 및 124)의 제1 단부(121)에 연결되고, 제2 전도체(130 및 131)는 단부 모노리스(125 및 126)의 제1 단부(121)에 연결된다.
전도체(128)에 의해 전기 전류는 제1 모노리스(123)에서 브릿지(127)를 통해서 단부 모노리스(125 및 126)로 인도된다. 마찬가지로, 전도체(129)에 의해 전기 전류는 제1 모노리스(124)에서 브릿지(127)를 통해서 단부 모노리스(125 및 126)로 인도된다. 이러한 구성은 평행한 결합으로 간주될 수 있다. 어레이(120)는 전도체 및 모노리스로 구성된 유닛 중 하나가 사용 도중 결함을 가지게 되고, 이로써 전류가 흐르지 못하게 되는 경우 유익한데, 이러한 경우에도 이 어레이는 계속 기능할 것이고, 이 어레이를 사용하여 반응기를 작동시켜 흡열 반응을 수행하는 것이 중단되지 않을 것이다. 또한, 어레이(120)의 평행한 결합은 3 단계 에너지 공급을 취급할 수 있다는 점에서 유익하다.
도 10은 제1 모노리스(141)및 제2 모노리스(142)와 제1 및 제2 모노리스(141 및 142)를 연결하는 모노리스 브릿지(143)를 포함하는 어레이(140)를 도시한다. 제1 및 제2 모노리스(141 및 142)는 정방형 단면을 가지며, 평행한 표면들을 갖도록 구성된다. 모노리스 브릿지(143)는 정방형 단면을 가진 2개의 상자 모양 선형 구역(144 및 145)을 가지며, 모노리스(141 및 142)의 한쪽 측면에서 구역(144)은 모노리스(141 및 142)의 두 측면부(146 및 147)에 연결되고, 모노리스(141 및 142)의 반대쪽 측면에서 구역(145)은 모노리스(141 및 142)의 두 측면부(148 및 149)에 연결된다.
선형 구역(144)은 어레이(140)의 제1 단부에 가장 가까이 놓인 단부에 연장부(150 및 151)를 포함한다. 선형 구역(145)은 어레이(140)의 제1 단부에 가장 가까이 놓인 단부에 연장부(152 및 153)를 포함한다. 연장부(150-153)는 측면부에 수직인 방향에서 봤을 때 삼각형 단면을 가진 상자 형태를 가지며, 삼각형은 모노리스(141 및 142)의 배면부로부터 이들의 전면부를 향해서 경사진다.
제1 모노리스(141)에서 제2 모노리스(142)로 흐르는 전기 전류는 일부는 선형 구역(144 및 145)을 통해서 일부는 삼각형 연장부를 통해서 흐를 것이다. 따라서, 브릿지(143)는 전류가 흐르는 증가된 단면적을 제공하며, 이로써 저항률 및 브릿지의 가열이 감소되고, 이것은 차례로 고온 스팟이 발생할 위험을 감소시킨다. 또한, 연장부(150-153)의 단면적이 모노리스의 배면부를 향해서 증가한다는 사실로 인해, 전류의 흐름이 모노리스의 측면부의 전체 연장부에 걸쳐서 분포된다. 따라서, 이러한 설계에 의해 고온 스팟이 발생할 위험이 더욱더 감소된다.
도 11은 제1 모노리스(161)및 제2 모노리스(162)와 제1 및 제2 모노리스(161 및 162)를 연결하는 모노리스 브릿지(163)를 포함하는 어레이(160)를 도시한다. 제1 및 제2 모노리스(161 및 162)는 정방형 단면을 가지며, 평행한 표면들을 갖도록 구성된다. 모노리스 브릿지(163)는 정방형 단면을 가진 2개의 상자 모양 선형 구역(164 및 165)의 형태이며, 모노리스(161 및 162)의 한쪽 측면에서 구역(164)은 모노리스(161 및 162)의 두 측면부(166 및 167)에 연결되고, 모노리스(161 및 162)의 반대쪽 측면에서 구역(165)은 모노리스(161 및 162)의 두 측면부(168 및 169)에 연결된다.
선형 구역(164)은 어레이(160)의 제1 단부에 가장 가까이 놓인 단부에서 연장부(170 및 171)를 포함한다. 선형 구역(165)은 어레이(160)의 제1 단부에 가장 가까이 놓인 단부에 연장부(172 및 173)를 포함한다. 연장부(170-173)는 측면부에 수직인 방향에서 봤을 때 정방형 단면을 가진 상자 형태를 가진다. 브릿지(163)의 이 설계는 도 10과 관련하여 설명된 것과 동일한 이유로 고온 스팟이 발생할 위험을 감소시킨다.
도 12는 제1 모노리스(181)및 제2 모노리스(182)와 제1 및 제2 모노리스(181 및 182)를 연결하는 모노리스 브릿지를 포함하는 어레이(180)를 도시한다. 제1 및 제2 모노리스(181 및 182)는 정방형 단면을 가지며, 평행한 표면들을 갖도록 구성된다. 모노리스 브릿지는 제1 및 제2 모노리스(181 및 182)의 두 전면부(184 및 185) 사이에 배치된 직사각형 단면을 가진 이격 구역(183) 및 정방형 단면을 가진 기다란 두 측면 구역(186 및 187)을 포함하며, 구역(186)은 모노리스(181 및 182)의 한쪽 측면의 측면부(188 및 189)에 연결되고 이격 구역(183)의 측면부에는 연결되지 않으며, 구역(187)은 모노리스(181 및 182)의 반대쪽 측면의 측면부(190 및 191)에 연결되고 이격 구역(183)의 측면부에는 연결되지 않는다.
측면부(186 및 187)는 각각 연결되어야 하는 2개의 모노리스의 측면부를 연결하는 길이방향 축을 가진 기다란 바디의 형태를 가지며, 측면부에 수직인 방향에서 봤을 때의 형태는 모노리스의 제2 단부에 가장 가까운 측면 구역의 가장자리에서 직선 라인이고, 모노리스의 제1 단부에 가장 가까운 측면 구역의 가장자리에서는 부분 타원 형태의 곡선이며, 부분 타원 형태의 곡선은 배면부로부터 모노리스의 전면부를 향하는 방향으로 경사진 프로파일을 가진다. 이러한 설계는 더 나은 전류 분포를 허용하며, 이로써 고온 스팟 발생 위험이 감소된다.
도 13은 제1 모노리스(201)및 제2 모노리스(202)와 제1 및 제2 모노리스(201 및 202)를 연결하는 모노리스 브릿지(203)를 포함하는 어레이(200)를 도시한다. 제1 및 제2 모노리스(201 및 202)는 정방형 단면을 가지며, 평행한 표면들을 갖도록 구성된다. 모노리스 브릿지(203)는 직사각형 단면을 가진 상자 모양의 직사각형 프레임 형태를 가지며, 상기 프레임은 모노리스(201 및 202)의 측면부 및 배면부에 연결된다. 이러한 설계는 더 나은 전류 분포를 허용하며, 이로써 고온 스팟 발행 위험이 감소된다.
도 14는 도 13에 도시된 어레이와 동일한 구성을 가진 어레이(210)를 도시하는데, 단 모노리스 브릿지가 상자 모양 직사각형 프레임(211)에 더하여 제1 및 제2 모노리스(215 및 216)의 두 전면부(213 및 214) 사이에 배치된 이격 구역(212)을 포함한다. 이격 구역(212)의 측면부는 상기 프레임의 측면부에 연결된다. 이러한 설계는 보다 더 나은 전류 분포를 허용하며, 이로써 고온 스팟 발생 위험이 감소된다.
실시예
실시예 1: 본 발명의 어레이의 사진촬영 분석 및 구조적 특성 시험
도 15는 본 발명에 따른 어레이의 일례를 도시하며, 여기서 10개 채널의 2개 모노리스가 모노리스 브릿지에 의해 연결된다. 모노리스는 12cm 길이 및 1.5 x 3.0cm 치수의 직사각형 단면 평면을 가진다. 모노리스 브릿지는 모노리스 사이에서 1.3cm의 길이를 가지고, 1.0 x 3.0cm의 접촉 면적으로 모노리스에 연결된다.
3개 독립체 모두 FeCrAlloy의 동일한 금속 분말 물질로 제조되었다. 주사 전자 현미경 및 에너지 분산 X선 분광기를 사용하여 브릿지를 분석하면 다음과 같다:
1. 육안으로 브릿지는 SEM 사진에서 연결된 구역들 사이에 명백한 분리 또는 계면이 없기 때문에 모노리스와 구별될 수 없다(도 15a, 15b 및 15d 참조). 3개의 독립체의 유일한 구별되는 특징은 브릿지 물질과 비교하여 모노리스의 다공성이 약간 더 높기 때문에 모노리스에서 보이드가 더 높은 비율로 발생한다는 것이다.
2. 모노리스-브릿지-모노리스 구역을 가로지른 물질 조성은 구별이 불가능하며(도 15c 참조), 이것은 선 스캔 분석에 의해 예시된 대로 동일한 금속 분말 물질이 사용되었기 때문이다. 또한, 그래프에 의해 모노리스 및 브릿지의 조성과 비교하여 연결된 구역들 사이의 계면에서 물질 조성에 명백한 차이가 없다는 것이 확인된다. 도 15c의 그래프에서 신호 하강은 물질의 보이드를 통해서 스캔된 것의 결과이다.
실시예 2: 본 발명의 어레이를 사용한 스팀 개질 실험 동안 측정된 실험 데이터 및 작동 온도
도 16은 본 발명에 따른 어레이에서 스팀 개질 반응 실험 동안 측정된 실험 데이터 및 작동 온도를 도시하며, 여기서는 12cm(길이) x 1cm x 1cm의 외부 치수를 가진 4개의 모노리스가 교대로 단부에서 모노리스 사이에 있는 1.3mm 길이의 모노리스 브릿지에 의해 연결된다. AC-전원이 제1 모노리스의 제1 단부의 최상부 1cm 및 제4 모노리스의 제1 단부의 최상부 1cm에 연결된다. 이 실험에서는 총 원료 유량 100 Nl/h으로 32% CH4, 2% H2, 및 66% H2O의 공급원료가 251℃의 온도 및 9 barg의 압력에서 본 발명의 반응기 시스템에 공급되었고, 이때 원료 온도는 어레이의 제1 단부의 온도에 상응한다. 데이터는 모노리스의 제2 단부 근처에서 측정된 온도를 원료 가스로의 에너지 플럭스의 함수로서 나타낸다. 이것은 본 발명의 어레이의 이 실시형태가 어떠한 기계적 고장을 경험하지 않고 이 실험에서 적어도 1180℃까지 온도 내성인 것을 예시한다. 추가로, 데이터는 본 발명에서 어레이의 길이에 걸쳐서 뚜렷한 온도 프로파일을 갖는 전기 가열 어레이를 구성하는 것이 가능한 것을 예시하며, 주어진 경우 온도는 제1 단부에서 제2 단부까지 대략 900℃ 증가한다. 본 발명의 이점은 고온 흡열 반응을 촉진할 수 있는 높은 출구 온도를 유지하면서 부착된 전원과 전기 전도체의 전기 연결을 취급할 수 있는 상대적으로 저온인 단부를 가진다는 것이다.
실시예 3: 모노리스 브릿지와 직렬 연결된 모노리스의 최적 기하구조 구성형태
도 17은 800 A 및 625 V의 전기 회로를 사용하여 10 kW/m2의 대략 일정한 표면 플럭스에서 흡열 반응을 촉진하기 위해 500 kW 에너지를 제공하기 위한 본 발명의 어레이에서 모노리스 브릿지와 직렬 연결된 모노리스의 최적 기하구조 구성형태의 일례를 도시한다. 모노리스는 두께 0.44mm 및 길이 0.5m를 갖는 대략 0.25cm x 0.25cm 벽의 정사각형 채널을 가진다. 이 실시예는 실제 저항에 따른 모노리스의 필요 단면을 예시한다. 다수의 어레이가 시험되며, 이들은 금속 물질과 세라믹 물질의 복합체 형태의 상이한 물질 조성을 사용함으로써 달성된 상이한 저항률을 가진다.
이 실험은 복합 물질에 의해 달성된 더 높은 저항의 모노리스를 적용함으로써 모노리스의 증가된 단면이 사용될 수 있고, 이것은 필요한 모노리스의 수를 감소시킬 수 있는 가능성을 제공한다는 것을 예시한다. 이것은 차례로 본 발명의 어레이를 구성하기 위해 필요한 모노리스 브릿지의 수 및 연결의 수를 감소시킨다. 종합하면, 이 그래프는 모노리스를 연결하는 것 및 상이한 저항률을 가진 재료를 선택하는 것과 관련한 본 발명의 개념이 종합적으로 개선된 특성을 갖는 모노리스 어레이의 제조를 가능하게 한다는 것을 예시한다.
실시예 4:
도 18은 본 발명의 개발 동안 얻어진 결과를 도시한다. 이것은 물질의 저항률 ρ가 AlO 형태의 세라믹의 함량에 따라 변한다는 것을 보여준다. 이 그래프는 상기 설명된 대로 본 발명의 촉매에 사용된 복합체 구성요소를 따라서 저항률이 측정된 실험에 기초한다. 저항률은 구성요소에 기지의 전류를 인가하고 고정된 거리에서 구성요소와 접촉하여 배치된 2개 프로브를 사용하여 전압 강하를 측정함으로써 측정되었다. 이 실험은 실온 및 더 고온에서 수행되었고, 둘 다 다양한 저항률을 나타냈다.
이 실험은 넓은 범위 내에서 선택된 저항률을 갖는 전기 전도성 금속 물질과 세라믹 물질의 복합 물질을 제조하는 것이 가능하다는 것을 보여준다.

Claims (37)

  1. 원료 가스의 흡열 반응에 촉매작용하도록 구성된 구조화된 촉매로서, 상기 구조화된 촉매는 전기 전도성 물질의 거시적 구조를 포함하고, 상기 거시적 구조는 세라믹 코팅을 담지하며, 상기 세라믹 코팅은 촉매 활성 물질을 담지하고, 전기 전도성 물질은 전기 전도성 금속 물질과 세라믹 물질의 균질한 혼합물 형태의 복합체인 촉매.
  2. 제 1 항에 있어서, 금속 물질은 Fe, Cr, Al, Co, Ni, Zr, Cu, Ti, Mn, 및 Si로 구성되는 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 합금인 것을 특징으로 하는 촉매.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 세라믹 물질은 Al, Mg, Ce, Zr, Ca, Y 및 La로 구성되는 군으로부터 선택된 물질의 산화물인 것을 특징으로 하는 촉매.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 거시적 구조에서 금속 물질 대 세라믹 물질의 중량비는 50 내지 1, 바람직하게 40 내지 1, 더 바람직하게 30 내지 2, 더 바람직하게 24 내지 3, 및 가장 바람직하게 19 내지 4의 범위인 것을 특징으로 하는 촉매.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 구조화된 촉매는 적어도 하나의 모노리스 형태를 가지며, 여기서 모노리스는 원료 가스가 들어가는 제1 단부로부터 생성물 가스가 빠져나오는 제2 단부까지 모노리스를 통해서 상기 원료 가스를 이송하기 위한 그 안에 형성된 다수의 유로를 가지고, 상기 모노리스는 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부로 연장된 길이방향 축을 가지는 것을 특징으로 하는 촉매.
  6. 제 5 항에 있어서, 모노리스의 거시적 구조는 상기 길이방향 축의 방향으로 배치된 조성이 상이한 2개 이상의 복합 물질로 이루어지며, 이로써 상이한 저항률이 제공되는 것을 특징으로 하는 촉매.
  7. 제 6 항에 있어서, 모노리스의 거시적 구조는 적어도 3개의 복합 물질, 바람직하게 적어도 4개의 복합 물질, 더 바람직하게 적어도 5개의 복합 물질, 더 바람직하게 적어도 6개의 복합 물질, 더 바람직하게 적어도 7개의 복합 물질, 및 가장 바람직하게 적어도 8개의 복합 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉매.
  8. 제 7 항에 있어서, 모노리스의 거시적 구조는 적어도 제1 단부에서 제2 단부로의 방향으로 배치된 제1, 제2 및 제3 복합 물질을 포함하며, 제2 복합 물질은 제1 및 제3 복합 물질보다 높은 저항률을 가지고, 제3 복합 물질은 제1 및 제2 복합 물질보다 낮은 저항률을 가지며, 제1 복합 물질은 제2 및 제3 복합 물질 사이의 저항률을 가지는 것을 특징으로 하는 촉매.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 제1 및 제2 구조화된 촉매를 포함하는 어레이로서, 여기서
    a) 제1 및 제2 구조화된 촉매는 각각 제1 및 제2 모노리스 형태를 가지고;
    b) 상기 제1 및 제2 모노리스는 각각 원료 가스가 들어가는 제1 단부로부터 생성물 가스가 빠져나가는 제2 단부로 모노리스를 통해서 상기 원료 가스를 이송하기 위해 그 안에 형성된 다수의 유로를 가지며, 상기 제1 및 제2 모노리스는 각각 상기 제1 단부에서 상기 제2 단부로 연장된 길이방향 축을 가지고;
    c) 어레이는 상기 제1 및 제2 모노리스에 각각 전기적으로 연결되고, 전기 전원에 연결되도록 구성된 적어도 제1 및 제2 전도체를 포함하며, 상기 전기 전원은 상기 거시적 구조를 통해서 전기 전류를 통과시킴으로써 상기 제1 및 제2 모노리스의 적어도 일부를 적어도 500℃의 온도로 가열할 수 있는 치수이고, 상기 제1 전도체는 제1 모노리스에 직접 또는 간접적으로 전기적으로 연결되고 제2 전도체는 제2 모노리스에 직접 또는 간접적으로 전기적으로 연결되며, 전도체는 상기 제2 단부보다 상기 제1 단부에 더 가까운 어레이 상의 위치에서 연결되고;
    d) 상기 제1 및 제2 모노리스는 모노리스 브릿지 전기 전도성 물질의 모노리스 브릿지에 의해 전기적으로 연결되고;
    e) 어레이는 제1 전도체로부터 제1 모노리스를 통해서 상기 제2 단부로 전류가 흐르고, 다음에 브릿지를 통과하고, 다음에 제2 모노리스를 통해서 제2 전도체로 전류가 흐르게 전기 전류를 보내도록 구성되고;
    f) 상기 어레이는 하기 단계:
    i) 3개의 개별 독립체의 형태로 제1 모노리스, 제2 모노리스 및 모노리스 브릿지의 전기 전도성 물질을 제공하는 단계, 및
    ii) 소결 또는 산화 처리 단계를 포함하는 방법에 의해 개별 독립체들을 함께 연결하는 단계
    를 포함하는 과정에 의해 제조되는 것인 어레이.
  10. 제 9 항에 있어서, 제2 전도체는 제2 모노리스에 간접적으로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 어레이.
  11. 제 10 항에 있어서, 어레이는 (i) 구조화된 촉매의 하나 이상의 병치된 추가의 중간 모노리스 및 (ii) 구조화된 촉매의 하나의 단부 모노리스를 더 포함하며, 여기서 각각의 추가의 중간 모노리스는 모노리스 브릿지 전기 전도성 물질의 모노리스 브릿지에 의해 적어도 2개의 병치된 모노리스에 연결되고, 단부 모노리스는 적어도 하나의 병치된 모노리스에 연결되며, 제2 전도체는 상기 제2 단부보다 상기 제1 단부에 더 가까운 모노리스 상의 위치에서 단부 모노리스에 연결되는 것을 특징으로 하는 어레이.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 모노리스는 어레이의 제2 단부에서 모노리스 브릿지에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 어레이.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 어레이는 하기 단계:
    A) 3개의 개별 독립체의 형태로 제1 모노리스, 제2 모노리스 및 모노리스 브릿지의 전기 전도성 물질을 제공하는 단계로서, 연결되어야 하는 표면적이 성형가능한 상태인 단계,
    B) 접촉 영역에서 연결되어야 하는 표면적들을 접촉시키는 단계,
    C) 소결 또는 산화 처리의 단계를 포함하는 방법에 의해 접촉 영역들을 함께 연결하는 단계
    를 포함하는 과정에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 어레이.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 어레이는 하기 단계를 포함하는 과정에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 어레이:
    · 제1 합금 조성 및 제1 가용성 바인더를 가진 금속 분말을 포함하는 제1 모노리스 구성요소로서, 제1 결합면을 갖는 제1 구성요소를 제공하는 단계,
    · 제2 합금 조성 및 제2 가용성 바인더를 가진 금속 분말을 포함하는 제2 모노리스 구성요소로서, 제2 결합면을 갖는 제2 구성요소를 제공하는 단계,
    · 제3 합금 조성 및 제3 가용성 바인더를 가진 금속 분말을 포함하는 브릿지 구성요소로서, 브릿지 구성요소의 각 단부에 하나씩 2개의 제3 결합면을 갖는 브릿지 구성요소를 제공하는 단계;
    · 여기서 제1 합금 조성과 제2 및 제3 합금 조성은 모두 복수의 화학 원소로 구성되고, 화학 원소는 각 합금 조성의 0.5 중량%를 초과하는 양으로 존재하는 각각의 화학 원소에 대해 그 화학 원소가 제1 및 제2 및 제3 합금 조성에 모두 포함되도록 선택되며,
    - 최대 5.0 중량%의 양으로 제1 합금 조성에 존재하는 화학 원소에 대해, 그 화학 원소의 양은 제1 합금 조성과 제2 및 제3 합금 조성 각각 간에 최대 1 퍼센트 포인트 차이가 있고,
    - 5.0 중량%를 초과하는 양으로 제1 합금 조성에 존재하는 화학 원소에 대해, 그 화학 원소의 양은 제1 합금 조성과 제2 및 제3 합금 조성 각각 간에 최대 3 퍼센트 포인트 차이가 있고,
    · 하나의 제3 결합면이 제1 결합면과 접촉하고 나머지 하나의 제3 결합면은 제2 결합면과 접촉하도록 제1 모노리스 구성요소와 제2 모노리스 구성요소 사이에 브릿지 구성요소를 배열하는 단계,
    · 용매가 적어도 일부 증발하는 것을 허용하는 시간 기간 동안 접촉한 상태로 결합면을 유지하는 단계; 및
    · 이어서 가능한 가까이 함께 또는 접촉된 상태로 결합면을 유지하면서 제1, 제2 및 제3 구성요소를 함께 소결 또는 산화시켜 어레이를 달성하는 단계.
  15. 제 14 항에 있어서, 하기 단계가 배열 단계에 앞서는 것을 특징으로 하는 어레이:
    용매를 적용함으로써 제1 결합 표면 및/또는 제2 결합 표면을 적어도 부분적으로 용해하는 단계.
  16. 원료 가스의 흡열 반응을 수행하기 위한 반응기 시스템으로서, 상기 반응기 시스템은:
    a) 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 촉매 또는 제 9 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항의 어레이;
    b) 상기 촉매를 수용하는 압력 쉘로서, 상기 원료 가스를 투입하기 위한 입구 및 생성물 가스를 내보내기 위한 출구를 포함하고, 상기 원료 가스가 제1 단부에서 상기 촉매로 들어가고 상기 생성물 가스는 제2 단부로부터 상기 촉매를 빠져나가도록 상기 입구가 배치된 압력 쉘; 및
    c) 상기 구조화된 촉매와 상기 압력 쉘 사이의 단열층
    을 포함하는 반응기 시스템.
  17. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 촉매, 또는 제 9 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항의 어레이, 또는 제 16 항의 반응기의 사용으로서, 여기서 흡열 반응은 스팀 메탄 개질, 시안화수소 형성, 메탄올 크래킹, 암모니아 크래킹, 역 수성 가스 이동 및 탈수소화 반응으로 구성되는 군으로부터 선택되는 것인 사용.
  18. 원료 가스의 흡열 반응에 촉매작용하도록 구성된 구조화된 촉매로서, 상기 구조화된 촉매는 전기 전도성 물질의 거시적 구조를 포함하고, 상기 거시적 구조는 세라믹 코팅을 담지하며, 상기 세라믹 코팅은 촉매 활성 물질을 담지하고, 전기 전도성 물질은 적어도 부분적으로 전기 전도성 금속 물질과 세라믹 물질의 균질한 혼합물 형태의 복합체이며, 거시적 구조는 적어도 부분적으로 저항률이 상이한 2개 이상의 물질로 이루어지는 촉매.
  19. 제 18 항에 있어서, 거시적 구조는 적어도 부분적으로 하나 이상의 복합 물질과 하나 이상의 비-복합 전기 전도성 금속 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉매.
  20. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서, 금속 물질은 Fe, Cr, Al, Co, Ni, Zr, Cu, Ti, Mn, 및 Si로 구성되는 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 합금인 것을 특징으로 하는 촉매.
  21. 제 18 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 세라믹 물질은 Al, Mg, Ce, Zr, Ca, Y 및 La로 구성되는 군으로부터 선택된 물질의 산화물인 것을 특징으로 하는 촉매.
  22. 제 18 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서, 거시적 구조에서 금속 물질 대 세라믹 물질의 중량비는 50 내지 1, 바람직하게 40 내지 1, 더 바람직하게 30 내지 2, 더 바람직하게 24 내지 3, 및 가장 바람직하게 19 내지 4의 범위인 것을 특징으로 하는 촉매.
  23. 제 18 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 구조화된 촉매는 적어도 하나의 모노리스 형태를 가지며, 여기서 모노리스는 원료 가스가 들어가는 제1 단부로부터 생성물 가스가 빠져나오는 제2 단부까지 모노리스를 통해서 상기 원료 가스를 이송하기 위한 그 안에 형성된 다수의 유로를 가지고, 상기 모노리스는 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부로 연장된 길이방향 축을 가지는 것을 특징으로 하는 촉매.
  24. 제 23 항에 있어서, 모노리스의 거시적 구조는 상기 길이방향 축의 방향으로 배치된 조성이 상이한 2개 이상의 복합 물질로 이루어지며, 이로써 상이한 저항률이 제공되는 것을 특징으로 하는 촉매.
  25. 제 24 항에 있어서, 모노리스의 거시적 구조는 적어도 3개의 복합 물질, 바람직하게 적어도 4개의 복합 물질, 더 바람직하게 적어도 5개의 복합 물질, 더 바람직하게 적어도 6개의 복합 물질, 더 바람직하게 적어도 7개의 복합 물질, 및 가장 바람직하게 적어도 8개의 복합 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉매.
  26. 제 25 항에 있어서, 모노리스의 거시적 구조는 적어도 제1 단부에서 제2 단부로의 방향으로 배치된 제1, 제2 및 제3 복합 물질을 포함하며, 제2 복합 물질은 제1 및 제3 복합 물질보다 높은 저항률을 가지고, 제3 복합 물질은 제1 및 제2 복합 물질보다 낮은 저항률을 가지며, 제1 복합 물질은 제2 및 제3 복합 물질의 저항률 사이의 저항률을 가지는 것을 특징으로 하는 촉매.
  27. 제 23 항에 있어서, 모노리스의 거시적 구조는 상이한 저항률을 제공하기 위해 상기 길이방향 축 방향으로 배치된 상이한 조성을 가진 하나 이상의 복합 물질과 하나의 비-복합 전기 전도성 금속 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉매.
  28. 제 27 항에 있어서, 모노리스의 거시적 구조는 제1 단부에서 제2 단부를 향하는 방향으로 배치된 적어도 제1 및 제2 복합 물질과 비-복합 전기 전도성 금속 물질을 포함하며, 여기서 제2 복합 물질은 제1 복합 물질 및 비-복합 물질보다 높은 저항률을 가지고, 비-복합 물질은 제1 및 제2 복합 물질보다 낮은 저항률을 가지며, 제1 복합 물질은 제2 복합 물질의 저항률과 비-복합 물질의 저항률 사이의 저항률을 가지는 것을 특징으로 하는 촉매.
  29. 제 18 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 따른 제1 및 제2 구조화된 촉매를 포함하는 어레이로서, 여기서
    a) 제1 및 제2 구조화된 촉매는 각각 제1 및 제2 모노리스 형태를 가지고;
    b) 상기 제1 및 제2 모노리스는 각각 원료 가스가 들어가는 제1 단부로부터 생성물 가스가 빠져나가는 제2 단부로 모노리스를 통해서 상기 원료 가스를 이송하기 위해 그 안에 형성된 다수의 유로를 가지며, 상기 제1 및 제2 모노리스는 각각 상기 제1 단부에서 상기 제2 단부로 연장된 길이방향 축을 가지고;
    c) 어레이는 상기 제1 및 제2 모노리스에 각각 전기적으로 연결되고, 전기 전원에 연결되도록 구성된 적어도 제1 및 제2 전도체를 포함하며, 상기 전기 전원은 상기 거시적 구조를 통해서 전기 전류를 통과시킴으로써 상기 제1 및 제2 모노리스의 적어도 일부를 적어도 500℃의 온도로 가열할 수 있는 치수이고, 상기 제1 전도체는 제1 모노리스에 직접 또는 간접적으로 전기적으로 연결되고 제2 전도체는 제2 모노리스에 직접 또는 간접적으로 전기적으로 연결되며, 전도체는 상기 제2 단부보다 상기 제1 단부에 더 가까운 어레이 상의 위치에서 연결되고;
    d) 상기 제1 및 제2 모노리스는 모노리스 브릿지 전기 전도성 물질의 모노리스 브릿지에 의해 전기적으로 연결되고;
    e) 어레이는 제1 전도체로부터 제1 모노리스를 통해서 상기 제2 단부로 전류가 흐르고, 다음에 브릿지를 통과하고, 다음에 제2 모노리스를 통해서 제2 전도체로 전류가 흐르게 전기 전류를 보내도록 구성되고;
    f) 상기 어레이는 하기 단계:
    i) 3개의 개별 독립체의 형태로 제1 모노리스, 제2 모노리스 및 모노리스 브릿지의 전기 전도성 물질을 제공하는 단계, 및
    ii) 소결 또는 산화 처리 단계를 포함하는 방법에 의해 개별 독립체들을 함께 연결하는 단계
    를 포함하는 과정에 의해 제조되는 것인 어레이.
  30. 제 29 항에 있어서, 제2 전도체는 제2 모노리스에 간접적으로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 어레이.
  31. 제 30 항에 있어서, 어레이는 (i) 구조화된 촉매의 하나 이상의 병치된 추가의 중간 모노리스 및 (ii) 구조화된 촉매의 하나의 단부 모노리스를 더 포함하며, 여기서 각각의 추가의 중간 모노리스는 모노리스 브릿지 전기 전도성 물질의 모노리스 브릿지에 의해 적어도 2개의 병치된 모노리스에 연결되고, 단부 모노리스는 적어도 하나의 병치된 모노리스에 연결되며, 제2 전도체는 상기 제2 단부보다 상기 제1 단부에 더 가까운 모노리스 상의 위치에서 단부 모노리스에 연결되는 것을 특징으로 하는 어레이.
  32. 제 29 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 모노리스는 어레이의 제2 단부에서 모노리스 브릿지에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 어레이.
  33. 제 29 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 어레이는 하기 단계:
    A) 3개의 개별 독립체의 형태로 제1 모노리스, 제2 모노리스 또는 중간 모노리스 및 모노리스 브릿지의 전기 전도성 물질을 제공하는 단계로서, 연결되어야 하는 표면적이 성형가능한 상태인 단계,
    B) 접촉 영역에서 연결되어야 하는 표면적들을 접촉시키는 단계,
    C) 소결 또는 산화 처리의 단계를 포함하는 방법에 의해 접촉 영역들을 함께 연결하는 단계
    를 포함하는 과정에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 어레이.
  34. 제 29 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 어레이는 하기 단계를 포함하는 과정에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 어레이:
    · 제1 합금 조성 및 제1 가용성 바인더를 가진 금속 분말을 포함하는 제1 모노리스 구성요소로서, 제1 결합면을 갖는 제1 구성요소를 제공하는 단계,
    · 제2 합금 조성 및 제2 가용성 바인더를 가진 금속 분말을 포함하는 제2 모노리스 구성요소로서, 제2 결합면을 갖는 제2 구성요소를 제공하는 단계,
    · 제3 합금 조성 및 제3 가용성 바인더를 가진 금속 분말을 포함하는 브릿지 구성요소로서, 브릿지 구성요소의 각 단부에 하나씩 2개의 제3 결합면을 갖는 브릿지 구성요소를 제공하는 단계;
    · 여기서 제1 합금 조성과 제2 및 제3 합금 조성은 모두 복수의 화학 원소로 구성되고, 화학 원소는 각 합금 조성의 0.5 중량%를 초과하는 양으로 존재하는 각각의 화학 원소에 대해 그 화학 원소가 제1 및 제2 및 제3 합금 조성에 모두 포함되도록 선택되며,
    - 최대 5.0 중량%의 양으로 제1 합금 조성에 존재하는 화학 원소에 대해, 그 화학 원소의 양은 제1 합금 조성과 제2 및 제3 합금 조성 각각 간에 최대 1 퍼센트 포인트 차이가 있고,
    - 5.0 중량%를 초과하는 양으로 제1 합금 조성에 존재하는 화학 원소에 대해, 그 화학 원소의 양은 제1 합금 조성과 제2 및 제3 합금 조성 각각 간에 최대 3 퍼센트 포인트 차이가 있고,
    · 하나의 제3 결합면이 제1 결합면과 접촉하고 나머지 하나의 제3 결합면은 제2 결합면과 접촉하도록 제1 모노리스 구성요소와 제2 모노리스 구성요소 사이에 브릿지 구성요소를 배열하는 단계,
    · 용매가 적어도 일부 증발하는 것을 허용하는 시간 기간 동안 접촉한 상태로 결합면을 유지하는 단계; 및
    · 이어서 가능한 가까이 함께 또는 접촉된 상태로 결합면을 유지하면서 제1, 제2 및 제3 구성요소를 함께 소결 또는 산화시켜 어레이를 달성하는 단계.
  35. 제 34 항에 있어서, 하기 단계가 배열 단계에 앞서는 것을 특징으로 하는 어레이:
    용매를 적용함으로써 제1 결합 표면 및/또는 제2 결합 표면을 적어도 부분적으로 용해하는 단계.
  36. 원료 가스의 흡열 반응을 수행하기 위한 반응기 시스템으로서, 상기 반응기 시스템은:
    a) 제 18 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항의 촉매 또는 제 29 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항의 어레이;
    b) 상기 촉매를 수용하는 압력 쉘로서, 상기 원료 가스를 투입하기 위한 입구 및 생성물 가스를 내보내기 위한 출구를 포함하고, 상기 원료 가스가 제1 단부에서 상기 촉매로 들어가고 상기 생성물 가스는 제2 단부로부터 상기 촉매를 빠져나가도록 상기 입구가 배치된 압력 쉘; 및
    c) 상기 구조화된 촉매와 상기 압력 쉘 사이의 단열층
    을 포함하는 반응기 시스템.
  37. 제 18 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항의 촉매, 또는 제 29 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항의 어레이, 또는 제 36 항의 반응기의 사용으로서, 여기서 흡열 반응은 스팀 메탄 개질, 시안화수소 형성, 메탄올 크래킹, 암모니아 크래킹, 역 수성 가스 이동 및 탈수소화 반응으로 구성되는 군으로부터 선택되는 것인 사용.
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