KR100893772B1 - 탄소나노튜브를 이용한 수소산소 발생용 전극판 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 수소산소 발생용 전극판 제조방법에 관한 것으로서, 탄소나노튜브와, 탄소 분말과, 산화니켈 분말과, 탈탄산나트륨화합물 분말과, 촉매를 고르게 믹싱하여 고분산도의 믹싱혼합물 형성하는 단계(S1); 믹싱혼합물을 금형에 투입한 후 가압하여 프레싱성형물을 성형하는 단계(S2); 및 프레싱성형물을 진공소성로에서 소성하는 단계(S3);를 포함한다.

Description

탄소나노튜브를 이용한 수소산소 발생용 전극판 제조방법{a method for manufacturing hydrogen-oxygen generating electrode plate}

본 발명은 물로부터 수소산소를 효과적으로 발생시킬 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 수소산소 발생용 전극판 제조방법에 관한 것이다.

수소산소 발생장치는 물이 전기분해되어 얻어지는 생성물인 수소 및 산소를 생산하기 위한 장치로서, 그 내부에는 물을 전기분해하여 무공해 에너지원인 수소산소 혼합가스를 발생하는 전극판이 설치된다. 이때 전극판에 의하여 발생되는 수소와 산소는 2 : 1의 몰비로 발생되며, - 전극판 표면에 수소가 기포 형태로 생성되고, + 전극판 표면에 산소가 기포 형태로 생성된다. 이때, 물을 전기분해하는 전극판은 스테인레스강이나, 스테인레스강의 표면에 백금이 코팅된 구조를 가진다.

이러한 전극판에 의하여 전기분해되어 발생된 수소와 산소는 혼합되어 혼합가스 형태가 되며 연소가 가능하며, 연소시 오염물질의 생성하지 않아 친환경적인 에너지원으로서 새롭게 부각되고 있다.

그런데, 상기와 같이 스테인레스 또는 백금이 코팅된 스테인레스로 이루어진 전극판의 경우, 인가되는 전기에너지에 비하여 생성되는 수소산소의 양이 적고, 이에 따라 발생되는 수소산소에 프로판가스와 같은 보조연료를 혼합하여 연소시켜야 하였다. 따라서 경제성이 낮을 수 밖에 없었다.

또한 전기분해가 진행되는 동안에 전극판의 표면이 서서히 분해되어 녹기 때문에, 수백시간이 경과하면 전극판을 교체하여야 하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 투입되는 전기에너지에 비하여 발생되는 수소산소의 양을 늘림으로써 경제성을 확보할 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 수소산소 발생용 전극판 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은, 다양한 형태로 구현할 수 있어 다양한 규격의 수소산소 발생장치에 적용할 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 수소산용 발생용 전극판 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 오랜시간동안 전기분해가 진행되더라도 분해되지 않도록 함으로써 교체할 필요성을 배재할 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 수소산소 발생용 전극판 제조방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 수소산소 발생용 전극판 제조방법은, 물을 전기분해하여 수소 및 산소를 발생하기 위한 수소산소 발생용 전극판의 제조방법에 있어서, 탄소나노튜브와, 탄소 분말과, 산화니켈 분말과, 탈탄산나트륨화합물 분말과, 촉매를 고르게 믹싱하여 고분산도의 믹싱혼합물 형성하는 단계(S1); 상기 믹싱혼합물을 금형에 투입한 후 가압하여 프레싱성형물을 성형하는 단계(S2); 및 상기 프레싱성형물을 진공소성로에서 소성하는 단계(S3);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

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본 발명에 있어서, 상기 단계(S2)에서 상기 프레싱성형물은 500~1500ton/㎠ 의 압력으로 가압한다.

본 발명에 있어서, 상기 단계(S3)에서 상기 프레싱성형물은 600~2000 ℃에서 20~400 분 범위에서 소성한다. 이때, 상기 단계(S3)에서 소성은 산소의 유입이 차단된 진공소성로에서 진행된다.

본 발명에 있어서, 상기 촉매는, 란탄(La)과, 분말형태의 광나노토르마린과, 분말형태의 백금으로 이루어진 군중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하여 구현된다.

본 발명에 있어서, 상기 탄소 100 중량부를 기준으로 할 때, 상기 탄소나노튜브는 2~15 중량부이고, 상기 산화니켈은 80~360 중량부이며, 상기 탈탄산나트륨화합물은 20~130 중량부이고, 상기 촉매는 10 ~ 200 중량부이다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 수소산소 발생용 전극판 제조방법에 따르면, 투입되는 전기에너지에 비하여 발생되는 수소산소의 양이 많아지도록 함으로써 프로판가스와 같은 보조연료를 혼합하지 않고도 연소시킬 수 있어 경제성을 확보할 수 있다.

더 나아가, 압착 및 소성 과정을 통하여 형태가 규정될 수 있으므로, 사용하고자 하는 용도 및 용량에 따라 다양한 형태로 구현할 수 있다라는 작용, 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하여 제조되는 전극판은, 전기분해가 진행되는 동안에 전극판의 표면이 분해되지 않음으로써 기존의 전극판에 비하여 수천시간이 지나더라도 교체하지 않아도 된다.

이하, 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 수소산소 발생용 전극판 제조방법을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 수소산소 발생용 전극판은 물을 전기분해하여 수소 및 산소를 발생하며, 이때 투입되는 전기량에 비하여 발생되는 수소와 산소의 발생량을 늘리기 위하여 다음과 같은 조성비를 가진다.

즉, 수소산소 발생용 전극판은, 탄소나노튜브(CNT)와, 탄소(C) 분말과, 산화니켈(NiO) 분말과, 탈탄산나트륨화합물(NaTaO3) 분말과, 전기분해를 촉진하기 위한 촉매를 포함한다. 이때 촉매는 란탄(La)과, 광나노토르마린과, 백금(Pt)으로 이루어진 군중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하여 구현되며, 분말 형태인 것이 바람직하다.

상기한 조성물의 조성비를 탄소분말 100 중량부를 기준으로 하여 설명하면 다음과 같다.

탄소나노튜브(CNT)의 조성비는, 탄소 100 중량부를 기준으로 할 때, 2~15 중량부, 바람직하게는 3~10 중량부이다. 만약 탄소나노튜브의 조성비가 0.5 중량부 이하일 경우 전도성이 상대적으로 낮은 탄소에 의하여 제조되는 전극판표면의 전도도가 감소되고, 60 중량부 이상일 경우 자체적으로 혼합성이 떨어지는 탄소나노튜브의 분산효과를 기대할 수 없으며, 제조되는 전극판의 밀도 및 강도가 약해진다.

또한 탄소나노튜브는 다른 조성물 분말과의 분산력 향상을 위해 0.005~10㎛ 크기의 입도를 가지는 것이 적절하며, 바람직하게는 20~100nm 크기가 적절하다. 이와 같이, 본 발명에서 사용되는 탄소나노튜브로는, 단일벽, 다중벽, 탄소나노섬유중 적어도 하나를 포함하여 선택된다.

탄소나노튜브는, 하나의 탄소가 다른 탄소원자와 육각형 벌집무늬로 결합되 어 튜브형태를 이루고 있는 물질로서 이방성이 매우 크고, 단일벽, 다중벽, 다발 등의 다양한 구조를 가지며, 튜브의 직경이 나노미터(nm = 10억분의 1m) 수준으로 극히 작은 영역의 물질이다. 탄소나노튜브는 활성탄소나 흑연, 다이아몬드와 같은 다른 탄소계 물질과는 달리 전기전도성이 매우 우수하고 전계방출 특성이 양호한 특징을 지니고 있다. 이러한 특징은 구조에 따라 탄소의 전자구조가 다르기 때문인데, 즉 전기전도성이 우수한 흑연 속의 탄소는 sp2 결합구조를 지니고 있고, 절연체인 다이아몬드는 sp3 결합구조를 지니고 있기 때문이다. 탄소나노튜브는 벌크에 비해 1000배 이상의 높은 표면적을 가지는 다공질 상태를 이루므로, 전기화학적 장치에 적용함에 있어서 산화환원 반응을 위한 표면적이 극대화되어 총 반응량을 크게 상승시킨다.

탄소(C)는 탄소나노튜브를 다른 조성물과 결합시키기 위한 결합체로 사용된다. 즉, 탄소는, 그 자체로 결합성이 매우 작은 탄소나노튜브를 다른 조성물 분말과 결합시키기 위한 목적으로 사용되는 것이다. 이때 탄소의 입경은 0.5 ~ 200㎛ 범위인 것이 바람직하다.

산화니켈(NiO)은, 소성 과정을 거쳐 전극판을 제조할 때, 용융되어 다른 조성물과 융합함으로써 전극판의 강도를 크게 한다. 이러한 산화니켈의 조성비는, 탄소 100 중량부를 기준으로 할 때, 80~360 중량부, 바람직하게는 120~240 중량부이다. 만약, 산화니켈이 80 중량부 이하일 경우에는 제조되는 전극판의 강도가 충분하지 않아 잘 부스러지고, 360 중량부 이상일 경우에는 수소발생효율이 떨어져 효과적이지 못하기 때문이다.

탈탄산나트륨화합물은, 제조되는 전극판에서 수소의 발생량을 크게 하기 위한 것이다. 탈탄산나트륨화합물의 조성비는, 탄소 100 중량부를 기준으로 할 때, 20~130 중량부, 바람직하게는 33~100 중량부이다. 만약 탈탄산나트륨화합물이 20 중량부 이하일 경우 전극판에서 수소의 발생량이 작아지고, 130 중량부 이상일 경우 전극판의 강도가 약해지기 때문이다.

촉매는 탄소 100 중량부를 기준으로 하였을 때, 10~200 중량부이다.

촉매로서 광나노토르마린과 란탄과 백금을 모두 포함할 때, 각각의 조성비는 다음과 같다.

즉 광나노토르마린은 조성비는, 탄소 100 중량부를 기준으로 할 때, 10~75 중량부, 바람직하게는 16~50 중량부이다.

광나노토르마린은, 토르마린을 수 마이크로에서 수 나노미터 단위의 분말로 분쇄한 후 약 1300℃ 의 온도에서 소성함으로써 구현된다. 토르마린은 수정과 같은 결정구조를 가지는 육방정계에 속하는 광물로서, 마찰에 의하여 전기가 생기고 또한 음이온을 다량 발생하며, 또한 전기분해를 더욱 촉진시켜 수소 및 산소가 많이 생성되게 한다. 이러한 토르마린은 분말로 분쇄된 후 소성됨으로써, 물과의 접촉면적을 넓힐 수 있는 수많은 미세기공이 형성된 광촉매로 구현되어, 물의 전기분해를 더욱 촉진시킬 수 있는 것이다.

란탄은 제조되는 전극판이 물을 보다 효과적으로 전기분해하여 수소의 발생량을 높이기 위한 것이다. 이러한 란탄의 조성비는, 탄소 100 중량부를 기준으로 할 때, 5~100 중량부, 바람직하게는 15~60 중량부이다.

백금은 제조되는 전극판이 물을 보다 효과적으로 분해할 수 있도록 한다. 이러한 백금의 조성비는, 탄소 100 중량부를 기준으로 할 때, 3~20 중량부, 바람직하게는 5~15 중량부이다.

다음, 본 발명의 수소산소 발생용 전극판 제조방법을 설명한다.

탄소나노튜브를 이용한 수소산소 발생용 전극판을 제조하기 위하여, 먼저 탄소나노튜브(CNT)와, 분말형태의 탄소(C)와, 분말형태의 산화니켈(NiO)과, 분말형태의 탈탄산나트륨화합물(NaTaO3)과, 전기분해를 촉진하기 위한 촉매를 고르게 고분산도로 믹싱하여 믹싱혼합물을 형성하는 단계(S1)를 수행한다. 이때, 상기한 촉매는, 란탄(La)과, 분말형태의 광나노토르마린과, 분말형태의 백금(Pt)으로 이루어진 군중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하여 구현된다. 상기한 조성물들은 고르게 고분산도로 분산되어야 하며, 이를 위하여 공지의 초임계유체방법이나 역마이셀 방법을 이용한다.

다음, 믹싱혼합물을 금형에 투입한 후 500~1500ton/㎠ 의 압력으로 프레싱하여 프레싱성형물을 형성하는 단계(S2)를 수행한다. 프레싱 단계를 통하여, 분말 형태의 상기한 프레싱성형물은 단단한 고체 형태로 구현된다.

이때 금형에는 특정 형태의 성형홈을 적용함으로써, 다양한 형태의 전극판을 구현할 수 있다. 예를 들면, 복잡한 기하학적 형태, 예를 들면 가장자리에서 돌출되거나 몰입되는 다수개의 홈이 형성된 형태등을 구현할 수 있는 것이다.

다음, 프레싱성형물을 진공소성로에서 600~2000 ℃에서 20~400 분 범위에서 소성하는 단계(S3)를 수행한다. 이때 프레싱성형물을 성형하는데 있어, 산소의 유 입을 철저히 차단하기 위하여 소성로는 반드시 진공소성로를 사용하여야 한다. 만약 산소가 유입되면, 소성과정에서 산화가 일어나서 제조되는 전극판의 수소 및 산소 생성 효율을 떨어뜨린다.

이와 같은 소성 단계를 통하여, 산화니켈은 용융되어 탄소, 탄소나노튜브 및 촉매들을 단단한 구성체로 결합시킨다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 보호범위가 이들 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.

<실시예>

먼저, 탄소나노튜브, 탄소 분말, 산화니켈 분말, 탈탄산나트륨화합물 분말, 광나노토르마린 분말, 란탄, 백금 분말을 믹서를 이용하여 믹싱함으로써 믹싱혼합물을 형성한다. 이때, 상기한 믹싱혼합물을 형성하기 위하여 탄소가 30g, 탄소나노튜브 2g. 산화니켈 60g, 탈탄산나트륨화합물 20g. 광나노토르마린 10g, 란탄 15g, 백금 3g을 혼합한 후 고분산도로 믹싱하여 믹싱혼합물을 만든다. 이후, 믹싱혼합물을 판재 형태의 홈이 형성된 금형에 투입한 후, 1000 ton/㎠ 의 압력으로 프레싱하여 프레싱성형물을 형성한다. 그리고, 프레싱성형물을 진공소성로에서 1700 ℃에서 400 분동안 소성함으로써, 전극판을 완성하였다.

상기한 실시예에 의하여 제조된 전극판의 표면에는 nm 단위의 다공이 형성되어 있고, 또한 미세한 산과 골이 형성된 구조로 되어있다. 즉, 전극판에는 nm 단위의 산과 골이 고밀도로 형성되어 있어 물과의 접촉 표면적이 커진다. 예를 들면, 물이 골 부분에서 산화되어 산소를 만들때 동시에 수소이온이 생기며, 수소이온은 산의 정상부분에 모여진 후 촉매가 수소이온을 환원하는 반응을 촉진하여 대량의 수소산소 혼합가스를 만들게 된다.

<비교예>

통상적으로 물을 전기분해하는 전극판으로서 스테인레스강으로 이루어진 전극판을 준비하여, 상호 비교한 데이터를 기재하였다.

항목	실시예	비교예(스테인레스강)
전극판(길이×폭×두께)	15cm ×15cm ×1cm	15cm×15cm×1cm
소모전력(W)	300W	23,000W
단위시간당 수소와 산소의 총발생량(L)	58,000L/Hour	6000L/Hour

상기한 표에서 비교된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 전극판은 비교예에서 사용된 전극판에 비하여 많은 투입 에너지에 비하여 월등히 많은 수소 및 산소를 발생하는 것을 알 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 물을 전기분해하여 수소 및 산소를 발생하기 위한 수소산소 발생용 전극판의 제조방법에 있어서,

   탄소나노튜브 분말과, 탄소 분말과, 산화니켈 분말과, 탈탄산나트륨화합물 분말과, 촉매를 고르게 믹싱하여 고분산도의 믹싱혼합물 형성하는 단계(S1);

   상기 믹싱혼합물을 금형에 투입한 후 가압하여 프레싱성형물을 성형하는 단계(S2); 및

   상기 프레싱성형물을 진공소성로에서 소성하는 단계(S3);를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 수소산소 발생용 전극판 제조방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 단계(S2)에서 상기 프레싱성형물은 500~1500ton/㎠ 의 압력으로 가압하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 수소산소 발생용 전극판 제조방법.
6. 제4항에 있어서,

   상기 단계(S3)에서 상기 프레싱성형물은 600~2000 ℃에서 20~400 분 범위에서 소성하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 수소산소 발생용 전극판 제조방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 단계(S3)에서 소성은 산소의 유입이 차단된 진공소성로에서 진행되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 수소산소 발생용 전극판 제조방법.
8. 제4항에 있어서, 상기 촉매는,

   란탄(La)과, 분말형태의 광나노토르마린과, 분말형태의 백금으로 이루어진 군중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하여 구현된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 수소산소 발생용 전극판 제조방법.
9. 제4항에 있어서,

   상기 탄소 100 중량부를 기준으로 할 때, 상기 탄소나노튜브는 2~15 중량부이고, 상기 산화니켈은 80~360 중량부이며, 상기 탈탄산나트륨화합물은 20~130 중량부이고, 상기 촉매는 10 ~ 200 중량부인 것;을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 수소산소 발생용 전극판 제조방법.