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KR101338068B1 - Ｓｄｐｆ 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR101338068B1
KR101338068B1 KR1020110125045A KR20110125045A KR101338068B1 KR 101338068 B1 KR101338068 B1 KR 101338068B1 KR 1020110125045 A KR1020110125045 A KR 1020110125045A KR 20110125045 A KR20110125045 A KR 20110125045A KR 101338068 B1 KR101338068 B1 KR 101338068B1
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현대자동차주식회사
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Abstract

디젤 배기가스의 PM(Particulate Materials)을 포집하는 다기공의 필터부; 상기 필터부의 배기가스 입구측에 코팅된 SCR(Selective Catalytic Reduction)촉매층; 상기 필터부의 배기가스 출구측에 코팅된 산화알루미늄층; 및 상기 산화알루미늄층의 표면에 코팅된 귀금속촉매층;을 포함하는 SDPF 및 그 제조방법이 소개된다.

Description

ＳＤＰＦ 및 그 제조방법 {SCR ON DIESEL PARTICULAR FILTER AND METHOD FOR PROCUCING THE SAME}
본 발명은 SCR 촉매층과 귀금속 촉매층의 층분리가 되어, 귀금속 촉매에 의한 NH3 산화반응을 방지할 수 있는 SDPF 및 그 제조방법에 관한 것이다.
SDPF(SCR ON DIESEL PARTICULAR FILTER)의 경우, 다기공 DPF(DIESEL PARTICULAR FILTER)에 SCR(Selective Catalytic Reduction)촉매 (일반적으로, Cu-zeolite, Fe-zeolite)를 코팅하여 SDPF 전단에서 공급되는 NH3 및 배기가스 중의 Nox를 SCR 촉매 상에서 반응시켜, Nox를 물과 N2로 정화시키는 기능을 한다.
또한, SDPF는 필터의 기능을 하므로, DPF의 기능인 배기가스 중의 SOOT(PM,Particulate Materials)를 포집하여, 엔진에서 후분사를 통하여, 배기온을 상승시키고, 이를 통해 SDPF에 포집된 SOOT를 산화/제거시킨다.
현재, SDPF의 경우, PASSIVE TYPE과 ACTIVE TYPE으로 나눌수 있으며, PASSIVE TYPE은 LNT + SDPF 타입으로, LNT에 포집된 Nox를 후분사를 통해 DeNOx시킬 때, NH3가 부산물로 생성되고, 이 NH3와 배기가스중의 EXCESS한 Nox를 SDPF에서 NO2를 정화시킨다.
ACTIVE 타입은 SDPF 전단에 UREA(요소수) INJECTER를 장착하여, UREA를 공급하고, UREA에서 기화된 NH3가 SDPF에서 NOX와 반응하여 N2로 정화된다. 그리고, PASSIVE 및 ACTIVE 타입 모두 SDPF의 고유기능인 Soot를 포집하고, 주기적으로 엔진의 후분사를 통해, 배기온을 상승시키고, 필터에 포집된 soot를 산화/연소시킨다.
2차 분사에서 의해 배기온을 증가시키거나, NH3를 생성시킬 경우, 부가적으로 2nd EM(HC, CO 등)이 발생하게 된다. 기존의 시스템(DOC+DPF 또는 LNT+DPF)에서는 DPF에 코팅된 촉매(Pt, Pd 등)에 의해서 부가적으로 발생되는 2nd EM을 제거하였으나, PASSIVE/ACTIVE SDPF에서는 DPF에 코팅된 SCR 촉매에 의해서 2nd EM을 제거하여야 하나, DPF에 코팅된 SCR 촉매는 일반적으로 Zeolite 타입으로 귀금속 촉매 대비해서, 2ND EM(CO, HC 등)의 산화성능이 현저히 낮다.
도 1은 종래의 SDPF의 시간에 따른 분포를 나타낸 도면으로서, 일반적인 SDPF에 적용되는 필터 재질은 SiC, AT, Cordierite 등이 있고, 기공률은 55~65% 사이이다. 또한, 기공의 Mean Diameter는 약 10~25 마이크론(㎛) 이다. SDPF 적용시, Soot, SCR 촉매의 분포는 도 1과 같다. 고기공인 DPF에 다량의 SCR 촉매가 코팅되므로, DPF의 입구면을 거쳐서 출구면까지 SCR 촉매가 코팅되게 된다. 이렇게 함으로써 SCR 촉매 상에서 NH3와 Nox의 SCR 반응을 거쳐 Nox가 정화된다. 그러나, 후분사에 의해, NH3를 발생시키거나, DPF를 재생할 경우 발생되는 2nd EM은 SCR 촉매가 충분히 정화시킬 수가 없는 문제가 있는 것이다.
따라서 SDPF를 적용할 경우, 후분사에 의해 부가적으로 발생되는 2nd EM의 저감 기술이 필요하다. 고기공의 DPF의 배기가스 입구 벽면에 SCR 촉매(Zeolite 타입)을 코팅하고, 배기가스 출구 벽면에 귀금속 촉매를 코팅할 경우, 출구면에 코팅된 귀금속 촉매가 배기가스 입구 벽면까지 코팅되, 배기가스 입구 벽면에 공급되는 NH3를 산화 시켜, NH3 + Nox = N2 + H2O 반응을 방해하게 된다. 따라서, 배기가스 출구 벽면에 일반적인 코팅법으로 귀금속 촉매를 코팅할 경우, NH3 + Nox의 SCR 반응을 방해하여 Nox 정화율이 낮아지게 되는 문제가 있는 것이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, SCR 촉매층과 귀금속 촉매층의 층분리가 되어, 귀금속 촉매에 의한 NH3 산화반응을 방지할 수 있는 SDPF 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 SDPF(SCR on Diesel Particular Filter)는, 디젤 배기가스의 PM(Particulate Materials)을 포집하는 다기공의 필터부; 상기 필터부의 배기가스 입구측에 코팅된 SCR(Selective Catalytic Reduction)촉매층; 상기 필터부의 배기가스 출구측에 코팅된 산화알루미늄층; 및 상기 산화알루미늄층의 표면에 코팅된 귀금속촉매층;을 포함한다.
상기 SCR촉매층은 제올라이트(zeolite) 촉매를 포함하는 코팅층일 수 있다.
상기 산화알루미늄층은 입자의 크기가 필터부 기공크기의 80~120%일 수 있다.
상기 귀금속촉매층은 입자 크기가 필터부 기공크기의 80~120%일 수 있다.
상기 귀금속촉매층은 귀금속이 산화알루미늄에 함침되어 형성될 수 있다.
상기 필터부는 층층이 배치된 복수의 필터패널로 구성되고, 복수의 필터패널은 마주보는 면끼리 배기가스 입구측과 출구측을 형성하여 입구측과 출구측이 번갈아가며 형성될 수 있다.
한편, 상기 SDPF의 제조방법은, 디젤 배기가스의 PM(Particulate Materials)을 포집하는 복수의 다기공 필터패널을 일정간격 이격하여 층층이 배치하는 필터제조단계; 필터패널의 마주보는 면끼리 배기가스 입구측과 출구측을 형성하되 입구측과 출구측이 번갈아가며 형성되도록 하는 배치단계; 상기 필터패널의 입구측 면들이 SCR촉매액에 함침되도록 하는 SCR층코팅단계; 상기 필터패널의 출구측 면들이 산화알루미늄액에 함침되도록 하는 산화알루미늄층코팅단계; 및 상기 필터패널의 출구측 면들이 귀금속촉매액에 함침되도록 하는 귀금속촉매층코팅단계;를 포함한다.
상기 산화알루미늄층코팅단계는 산화알루미늄을 밀링 및 건조한 후 점도를 조절하여 산화알루미늄액을 제조하고, 필터패널의 출구측 면들을 함침한 후 건조시켜 코팅할 수 있다.
상기 귀금속촉매층코팅단계는 산화알루미늄을 밀링한 후 귀금속 전구체와 혼합하고, 소성 및 밀링 후 점도를 조절하여 귀금속촉매액을 제조하고, 필터패널의 출구측 면들을 함침한 후 건조시켜 코팅할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 SDPF 및 그 제조방법에 따르면, SDPF 촉매에 SCR 촉매(DPF 입구면)와 귀금속 촉매(DPF 출구면)에 경계부를 형성하여, DPF에 공급되는 NH3가 NOX 정화율에 기여하지 않고 산화되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 SDPF의 시간에 따른 분포를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SDPF의 상세 단면 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SPDF의 전체 구성도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 SDPF 및 그 제조방법에 대하여 살펴본다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SDPF의 상세 단면 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SPDF의 전체 구성도이다.
본 발명의 SPDF(SCR on Diesel Particular Filter)는, 디젤 배기가스의 PM(Particulate Materials)을 포집하는 다기공의 필터부(100); 상기 필터부(100)의 배기가스 입구측에 코팅된 SCR(Selective Catalytic Reduction)촉매층(300); 상기 필터부(100)의 배기가스 출구측에 코팅된 산화알루미늄층(500); 및 상기 산화알루미늄층(500)의 표면에 코팅된 귀금속촉매층(700);을 포함한다.
본 발명의 SPDF는 다기공의 SDPF 필터부의 일면에 SCR촉매(zeolite 타입)코팅 후 타면에는 경계층 촉매 코팅 후 귀금속 촉매를 코팅하는 것이다. 즉, 필터 Mean diameter 80%~120%에 해당하는 산화알루미늄(Al2O3) 입자를 먼저 코팅한 후, 필터 Mean diameter의 80%~120%에 해당하는 Al2O3+귀금속 혼합물의 촉매를 재 코팅하는 방법이다. 이러한 구조는 도 2에 잘 나타나 있다.
즉, 코팅순서는 SCR촉매를 다기공 필터의 DPF 입구면에 코팅한 후, 필터 Mean diameter 80%~120%에 해당하는 Al2O3 입자를 DPF 출구면에 먼저 코팅한 후, 필터 Mean diameter 80%~120% 크기의 Al2O3에 귀금속이 담지된 촉매를 추가적으로 DPF 출구면에 코팅하면 된다. 이렇게 하면, SCR 촉매층과 귀금속 촉매층의 층분리가 되어, 귀금속 촉매에 의한 NH3 산화반응을 방지할 수 있는 것이다.
따라서, 본 발명의 SDPF는 디젤 배기가스의 PM(Particulate Materials)을 포집하는 다기공의 필터부(100)를 기본으로 하고, 그 필터부(100)의 배기가스 입구측에 SCR(Selective Catalytic Reduction)촉매층(300)을 코팅한다. 그리고 그 반대측인 필터부(100)의 배기가스 출구측에는 산화알루미늄층(500) 및 귀금속촉매층(700)을 순서대로 코팅하는 것이다. 산화알루미늄층은 귀금속촉매층의 침입을 방지함으로써, SCR촉매층과 귀금속촉매층이 분리된 상태에서 각자의 역할을 충실히 수행할 수 있게 된다.
한편, 상기 SCR촉매층(300)은 제올라이트(zeolite) 촉매를 포함하는 코팅층이고, 상기 산화알루미늄층(500)은 입자의 크기가 필터부 기공크기의 80~120%로 하며, 상기 귀금속촉매층(700) 역시 입자 크기가 필터부 기공크기의 80~120%로 한다.
알루미늄산화물인 Al2O3는 γ상의 Al2O3이고, 역할은 필터와 Pt/Al2O3 코팅층 사이에 Al2O3 코팅층을 만들어 필터와 Pt/Al2O3 코팅층 간의 상호 반응을 억제시킬수 있으므로 Al2O3층은 Barrier로 작용한다. 그리고, 이러한 Barrier 역할을 하기 위해서는 Al2O3는 열적으로 안정성을 가져, 고온에서 입자 Sintering이 일어나지 않아야 한다. γ상의 Al2O3은 850도까지 열적 안정성을 가진다.
또한 γ상의 Al2O3는 비표면적이 약 150m3/g으로 표면적이 크고, 표면이 상당히 거칠고 형상도 불균일하다. 따라서, 표면이 매끄럽고, 표면 형상이 균일한 물질의 경우, 필터의 기공을 물리적으로 쉽게 막을 수 있지만, γ상의 Al2O3은 거칠고 불균일하여 배기가스가 흐르는 통로를 제공하고 배압을 낮추는 역할을 한다(만약 표면적이 작고 균일하면서 열적 안정성이 낮은 물질을 쓸 경우, 고온에 노출될 경우 입자가 sintering되어 표면이 매끄럽게 되고 이것이 필터의 기공을 막아 배압을 상당히 증가시키게 된다). 또한, Al2O3는 코팅성이 좋기 때문에 필터입자에 코팅되어 높은 adhesion성능을 가진다. 따라서 높은 기계적 내구성을 가진다.
그리고, 상기 귀금속촉매층(700)은 귀금속이 산화알루미늄에 함침되어 형성되도록 한다. 또한, 상기 필터부(100)는 층층이 배치된 복수의 필터패널(120)로 구성되고, 복수의 필터패널(120)은 마주보는 면끼리 배기가스 입구측과 출구측을 형성하여 입구측과 출구측이 번갈아가며 형성될 수 있다.
이러한 SDPF를 제조하기 위한 제조방법은, 디젤 배기가스의 PM(Particulate Materials)을 포집하는 복수의 다기공 필터패널을 일정간격 이격하여 층층이 배치하는 필터제조단계; 필터패널의 마주보는 면끼리 배기가스 입구측과 출구측을 형성하되 입구측과 출구측이 번갈아가며 형성되도록 하는 배치단계; 상기 필터패널의 입구측 면들이 SCR촉매액에 함침되도록 하는 SCR층코팅단계; 상기 필터패널의 출구측 면들이 산화알루미늄액에 함침되도록 하는 산화알루미늄층코팅단계; 및 상기 필터패널의 출구측 면들이 귀금속촉매액에 함침되도록 하는 귀금속촉매층코팅단계;를 포함한다.
또한, 상기 산화알루미늄층코팅단계는 산화알루미늄을 밀링 및 건조한 후 점도를 조절하여 산화알루미늄액을 제조하고, 필터패널의 출구측 면들을 함침한 후 건조시켜 코팅하여 제조한다.
그리고, 상기 귀금속촉매층코팅단계는 산화알루미늄을 밀링한 후 귀금속 전구체와 혼합하고, 소성 및 밀링 후 점도를 조절하여 귀금속촉매액을 제조하고, 필터패널의 출구측 면들을 함침한 후 건조시켜 코팅하여 제조할 수 있다.
먼저 복수의 다기공 필터패널을 일정간격 이격하여 층층이 배치하여 필터를 제조하고, 각각의 필터패널 사이에는 플러그(200)가 지그재그로 마련되도록 한다. 플러그(200)에 의해 입구측이 일측으로 개방되고 출구측이 타측으로 개방되는 것이다.
그리고 입구측을 아래로 향하도록 SCR촉매액에 함침하여 입구측의 마주보는 필터패널의 면들에만 SCR촉매층을 코팅한다.
그리고 출구측으로 아래로 향하도록 산화알루미늄액에 함침하여 산화알루미늄층을 코팅하고 건조한 후, 출구측을 다시 아래로 향하도록 귀금속촉매액에 함침시켜 귀금속촉매층을 코팅하는 것이다. 이러한 과정을 통하여 도 2 및 3에 도시된 본 발명의 SDPF를 제조하는 것이다.
그리고, 상술한 바와 같은 구조로 이루어진 SDPF 및 그 제조방법에 따르면, SDPF 촉매에 SCR 촉매(DPF 입구면)와 귀금속 촉매(DPF 출구면)에 경계부를 형성하여, DPF에 공급되는 NH3가 NOX 정화율에 기여하지 않고 산화되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 필터부 120 : 필터패널
200 : 플러그 300 : SCR촉매층
500 : 산화알루미늄층 700 : 귀금속촉매층

Claims (9)

  1. 디젤 배기가스의 PM(Particulate Materials)을 포집하는 다기공의 필터부(100);
    상기 필터부(100)의 배기가스 입구측에 코팅된 SCR(Selective Catalytic Reduction)촉매층(300);
    상기 필터부(100)의 배기가스 출구측에 코팅된 산화알루미늄층(500); 및
    상기 산화알루미늄층(500)의 표면에 코팅된 귀금속촉매층(700);을 포함하고,상기 산화알루미늄층(500)은 입자의 크기가 필터부 기공크기의 80~120%이며, 상기 귀금속촉매층(700)은 입자 크기가 필터부 기공크기의 80~120%인 것을 특징으로 하는 SDPF(SCR on Diesel Particular Filter).
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 SCR촉매층(300)은 제올라이트(zeolite) 촉매를 포함하는 코팅층인 것을 특징으로 하는 SDPF.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 귀금속촉매층(700)은 귀금속이 산화알루미늄에 함침되어 형성된 것을 특징으로 하는 SDPF.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 필터부(100)는 층층이 배치된 복수의 필터패널(120)로 구성되고, 복수의 필터패널(120)은 마주보는 면끼리 배기가스 입구측과 출구측을 형성하여 입구측과 출구측이 번갈아가며 형성된 것을 특징으로 하는 SDPF.
  7. 디젤 배기가스의 PM(Particulate Materials)을 포집하는 복수의 다기공 필터패널을 일정간격 이격하여 층층이 배치하는 필터제조단계;
    필터패널의 마주보는 면끼리 배기가스 입구측과 출구측을 형성하되 입구측과 출구측이 번갈아가며 형성되도록 하는 배치단계;
    상기 필터패널의 입구측 면들이 SCR촉매액에 함침되도록 하는 SCR층코팅단계;
    상기 필터패널의 출구측 면들이 산화알루미늄액에 함침되도록 하는 산화알루미늄층코팅단계; 및
    상기 필터패널의 출구측 면들이 귀금속촉매액에 함침되도록 하는 귀금속촉매층코팅단계;를 포함하고,
    상기 산화알루미늄층코팅단계에서 산화알루미늄층은 입자의 크기가 필터부 기공크기의 80~120%이며, 상기 귀금속촉매층코팅단계에서 귀금속촉매층은 입자 크기가 필터부 기공크기의 80~120%인 것을 특징으로 하는 SDPF 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 산화알루미늄층코팅단계는 산화알루미늄을 밀링 및 건조한 후 점도를 조절하여 산화알루미늄액을 제조하고, 필터패널의 출구측 면들을 함침한 후 건조시켜 코팅하는 것을 특징으로 하는 SDPF 제조방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 귀금속촉매층코팅단계는 산화알루미늄을 밀링한 후 귀금속 전구체와 혼합하고, 소성 및 밀링 후 점도를 조절하여 귀금속촉매액을 제조하고, 필터패널의 출구측 면들을 함침한 후 건조시켜 코팅하는 것을 특징으로 하는 SDPF 제조방법.
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