| 초록 |
1. 연차목표 1) 안전성 및 효율성이 향상된 촉매연소 탄산가스 발생기(DA-350) 개발 ○ 연료-공기 혼합 연소실 설계 및 수치해석 수행 ○ 혼합기 공급 유량을 고려한 담체 및 촉매 규격 선정 ○ 촉매연소 탄산가스 발생기용 촉매 담지량 설계 ○ 연료-공기 혼합기 가열장치 개발 ○ 촉매연소 탄산가스 발생기 안정화 시스템 구성 ○ DA-350 기구설계 완료 후 제품 디자인 2) 촉매연소 탄산가스 발생기 배출가스 Zero화 성능 테스트 ○ 노즐(연료공급장치) 직경별 촉매연소 안정화 테스트 ○ 연료-공기 혼합기 유량 공급 오차 시험 ○ 연료공급 제어로직 개발 ○ 반경방향 촉매 온도차(700~800℃) 시험 ○ 배출되는 탄산가스 농도 목표성능 달성 ○ 유해배출가스 Zero화 목표성능 달성 2. 개발내용 및 결과 1) 안전성 및 효율성이 향상된 촉매연소 탄산가스 발생기 시제품 제작 ○ 연료-공기 혼합 연소실 설계 및 수치해석 수행 - 촉매연소의 핵심 부품인 연료-공기 혼합 연소실 설계 및 설계비용 감축을 위해 수치해석을 통한 최적 설계 도출함. - 1차 시제품 제작 전 예비 시험을 위한 단품형 연료-공기 혼합 연소실 시제품 제작. - 제작된 단품형 연료-공기 혼합 연소실로 연료-공기 혼합기 분사실험 진행 후 보완사항 추가하여 추가적 연소실 제작 후 최종 모델 결정. ○ 혼합기 공급 유량을 고려한 담체 및 촉매 규격 선정 - 제품에 사용될 촉매 담체를 선정하기 위해 현재 시장에서 판매되고 있는 원형 세라믹 허니컴(Type1), 사각형 세라믹 허니컴(Type2), 원형 세라믹 허니컴(Type3)을 가지고 연소실 설계 후 Type1과 Type3를 조합하여 사용하기로 함. - 당사 촉매연소 탄산가스 발생기 성능도달에 적합한 촉매를 선정하기 위해 전남대학교 촉매연구실험실에서 연구된 자료를 바탕으로 제품에 적용 가능한 촉매를 선정함. ○ 촉매연소 탄산가스 발생기용 촉매 담지량 설계 - 문헌조사를 통해 연료-공기 혼합기 공급 유량에 따른 촉매연소 최적화 담지량을 기준으로 연료-공기 블로워의 유량에 맞춰 촉매연소 활성화가 잘 일어날 수 있는 담지량을 실험을 통해 선정하였음. ○ 연료-공기 혼합기 가열장치 개발 - 개발 초기 점화촉매에 니크롬선을 사용하여 촉매를 가열해주어 연소촉매의 가열과 활성화 온도 도달 시간을 단축시키려는 방향으로 개발이 진행되었음. - 점화촉매의 활성화 온도를 유지하기 위해서 제품의 동작 동안에 점화촉매의 연속적인 가열이 이루어져야 하는데 초기 가열 방식은 점화촉매의 연속적인 가열이 힘들어 다른 방법을 모색되어야 함. - 점화 촉매를 사용하지 않으면서 가열기의 수명을 고려하여 공기를 가열하는 간접 가열방식으로 실험을 진행하게 되었음. - 점화촉매 방식은 제품의 양산시에는 실험 및 생산 비용이 후자의 비해 높으며 가열장치 고장 시 점화촉매를 교환해야하는 단점이 있음. - 공급공기 가열방식은 촉매 전단에 가열기를 위치시키고 연료-공기 혼합기 온도를 조절하여 연소촉매에서 촉매를 활성화 시켜 촉매연소가 이러날 수 있도록 하였음. - 공급공기 가열 방식은 가열장치 고장 시 히터만 교환이 가능하고 제품에 양산을 고려할 때 비용 및 시간적인 기회비용이 높을 것으로 판단하여 공급공기 가열방식으로 변경함. ○ 촉매연소 탄산가스 발생기 안정화 시스템 구성 - 촉매연소 탄산가스 발생기의 연료공급 장치는 기계공학적 설계를 바탕으로 화염의 전파 경로를 차단하는 방식을 사용하였음. - 연료공급 장치에서 역화가 발생하지 못하도록 열전도도가 높아 열을 흡수 할 수 있는 재질인 구리(Cu)를 선택하여 사용하였으며 화염 전파 온도 이하로 유지시킬 수 있는 기구적인 장치를 고안하였음. - 제품의 사용이 끝난 후 안전한 작동중지를 위하여 작동중지 버튼을 누를 시 연료 및 가열기의 전원공급이 중지되고 공기공급 팬은 20~30분 정도 유지된 후에 제품의 전원이 꺼지게 되며 공기공급 팬이 유지되는 구간에서 다시 전원사용 버튼을 누를 시 제품의제 가동이 진행됨. - 작동중지 버튼을 누른 후 공기공급 팬이 20~30분 유지하는 이유는 촉매와 제품의 온도를 낮추어 내구성과 안전성을 확보하기 위함임. ○ DA-350 기구설계 완료 후 제품 디자인 - 2018년 제품의 출시에 맞추어 제품 홍보 및 마케팅을 위한 제품 디자인을 진행함. - 제품 명, 제품 이미지 등을 선정하고 홍보 영상 등 마케팅 전반에 필요한 사항들을 준비하고 있으며 제품이 출시되는 사업화 2차년도에 본격적인 마케팅에 들어갈 예정임. 2) 촉매연소 탄산가스 발생기 배출가스 Zero화 성능 테스트 ○ 노즐(연료공급장치) 직경별 촉매연소 안정화 테스트 - 기계공학적 이론을 바탕으로 연구를 진행하여 촉매연소 탄산가스 발생기에 실제 적용가능한 노즐 직경(Φ0.7, Φ0.8, Φ1.0)들을 선정하고 각 노즐에 따른 촉매연소 안정화 테스트를 위해 실험을 진행하여 제품화 할 수 있는 노즐(Φ0.8)을 선정하였음. - Φ0.7 노즐 실험에서는 공기 과잉률(λ) 값이 4.7~5.1 측정되었고 촉매 활성화온도(720℃) 이상에서 20분가량 작동 후 연소촉매 전단의 온도가 서서히 낮아져 연소촉매의 활성화 영역이 이동하는 경향이 보이면서 촉매연소가 유지되지 않는 현상을 보임. - Φ1.0 노즐 실험에서는 공기 과잉률(λ) 값이 2.8~3.1 측정되었고 촉매 활성화 온도가 810~960℃로 높게 측저되어 촉매의 내구성에 문제가 있을 것으로 판단함. - Φ0.8 노즐 실험에서는 공기 과잉률(λ) 값이 3.4~3.9 측정되었으며 촉매온도는 700~800℃를 유지하였으며 안정적인 작동이 가능했으며 이론적 연구에 가장 잘 부합한 결과를 보여 Φ0.8 노즐을 선정하였음. ○ 연료-공기 혼합기 유량 공급 오차 시험 - 초기 혼합기 유량을 100~170L/min으로 설정하고 과제를 시작했으나 설계 후 실험을 통해 나온 결과를 보면 170~180L/min으로 공급하고 있음을 볼 수 있었다. - 연소실의 특성상 촉매 중앙과 반경방향으로 유속차이가 있었지만 전체적인 공급유량으로 보았을 때 공급 오차는 1.1%임을 확인할 수 있었다. ○ 연료공급 제어로직 개발 - 개발 초기 가열장치 가열온도를 촉매 활성화온도(350℃) 이상 높이지 않으면 연소촉매에서 불완전 연소가 일어나 유해배출가스(HC)가 배출됨을 확인하였음. - 제품의 연료공급은 전원 켜짐 버튼을 눌렀을 때 가열장치에서 공급되는 연료-공기 혼합기의 온도를 측정하여 촉매의 활성화 온도(350℃)에서 공급되도록 제어하였으며 연료-공기 혼합기 가열장치는 공급되는 연료공기 혼합기의 온도가 촉매 활성화 온도에 도달 하여도 안정적인 촉매연소 작동을 위해 촉매 후단 온도가 490℃이상일 때 동작을 멈출 수 있도록 제어로직을 개발 함. ○ 반경방향 촉매 온도차(700~800℃) 시험 - 연소촉매 전 영역에서 촉매연소 반응이 균일하게 일어남을 확인하기 위해 촉매연소 시작 후 촉매 후단에서 육안검사 및 온도를 측정하는 실험을 진행함. - 육안검사 이상 없었으며 온도 측정 결과 정량적 목표인 ±10℃를 만족됨을 확인 함. ○ 배출되는 탄산가스 농도 목표성능 달성 - 제작된 1차 시제품을 바탕으로 성능을 테스트한 결과 개발 제품의 목표 탄산가스 농도인 4~5%(at A/F 3.2~3.7)를 달성함. ○ 유해배출가스 Zero화 목표성능 달성 - 당사의 자체적인 배출가스 농도 측정 실험 진행 결과 배출가스 항목별 목표성능을 만족하는 결과를 얻을 수 있었음. - 자동차부품연구원(KATECH)에서 FT-IR 및 Gas PEMS장비를 통해 배출가스 농도 실험을 진행한 결과 정량적 목표로 정한 항목들의 목표성능을 만족한다는 성적서(부록1)를 발급받았음. 3) 탄산가스 발생기에 대한 이론 및 실험적 테스트 ○ 열회수에 따른 탄산가스 발생기 연소안정성 확보 - 탄산가스 발생기 제품 출시를 위해서는 연소안정성을 확보하는 것이 중요하다. 탄산가스 발생기 성능의 중요 변수인 공간속도(SV), 공기과잉률(λ), 금속메시와 다공성 세라믹 분배기의 유무, 점화기의 연소촉매 사이의 거리를 고려하여 시험을 통해 연소안정서을 확보하였다. ○ 연소촉매 제작 및 탄산가스 농도 계산 - 촉매연소 탄산가스 발생기에 적용될 연소촉매의 제작방법을 확보하기 위한 연구를 진행하여 촉매연소 탄산가스 발생기에 적용될 연소촉매로 Pt/r-Al2O3을 선정하였으며, 제조방법은 함침법으로 결정하였다. ○ 촉매연소 탄산가스 발생기 최적 |
