KR100973305B1 - 활성탄소의 기공조절방법 및 이에 의해 처리된 활성탄소를포함하는 수소저장장치 - Google Patents
활성탄소의 기공조절방법 및 이에 의해 처리된 활성탄소를포함하는 수소저장장치 Download PDFInfo
- Publication number
- KR100973305B1 KR100973305B1 KR1020080019273A KR20080019273A KR100973305B1 KR 100973305 B1 KR100973305 B1 KR 100973305B1 KR 1020080019273 A KR1020080019273 A KR 1020080019273A KR 20080019273 A KR20080019273 A KR 20080019273A KR 100973305 B1 KR100973305 B1 KR 100973305B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- activated carbon
- hydrogen storage
- plasma
- hydrogen
- present
- Prior art date
Links
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 80
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 76
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 76
- 238000003860 storage Methods 0.000 title claims abstract description 53
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 239000011148 porous material Substances 0.000 title claims abstract description 27
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 134
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 27
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 claims description 3
- 125000001153 fluoro group Chemical group F* 0.000 claims description 3
- -1 fluoro alkanes Chemical class 0.000 claims description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims 1
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 abstract description 7
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 description 20
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 13
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 13
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 3
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000012621 metal-organic framework Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000640 Fe alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002156 adsorbate Substances 0.000 description 1
- 239000003463 adsorbent Substances 0.000 description 1
- 239000000809 air pollutant Substances 0.000 description 1
- 231100001243 air pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 150000001335 aliphatic alkanes Chemical class 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000000779 depleting effect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 125000003709 fluoroalkyl group Chemical group 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 229910003471 inorganic composite material Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- IXQWNVPHFNLUGD-UHFFFAOYSA-N iron titanium Chemical compound [Ti].[Fe] IXQWNVPHFNLUGD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DOARWPHSJVUWFT-UHFFFAOYSA-N lanthanum nickel Chemical compound [Ni].[La] DOARWPHSJVUWFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ATTFYOXEMHAYAX-UHFFFAOYSA-N magnesium nickel Chemical compound [Mg].[Ni] ATTFYOXEMHAYAX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052987 metal hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004681 metal hydrides Chemical class 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 125000002524 organometallic group Chemical group 0.000 description 1
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 1
- 230000000607 poisoning effect Effects 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000002459 sustained effect Effects 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/30—Active carbon
- C01B32/354—After-treatment
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J19/087—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
- B01J19/088—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
- B01J20/02—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
- B01J20/28—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties
- B01J20/28054—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their surface properties or porosity
- B01J20/28069—Pore volume, e.g. total pore volume, mesopore volume, micropore volume
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
- B01J20/28—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties
- B01J20/28054—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their surface properties or porosity
- B01J20/28078—Pore diameter
- B01J20/2808—Pore diameter being less than 2 nm, i.e. micropores or nanopores
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
- C01B3/0005—Reversible uptake of hydrogen by an appropriate medium, i.e. based on physical or chemical sorption phenomena or on reversible chemical reactions, e.g. for hydrogen storage purposes ; Reversible gettering of hydrogen; Reversible uptake of hydrogen by electrodes
- C01B3/001—Reversible uptake of hydrogen by an appropriate medium, i.e. based on physical or chemical sorption phenomena or on reversible chemical reactions, e.g. for hydrogen storage purposes ; Reversible gettering of hydrogen; Reversible uptake of hydrogen by electrodes characterised by the uptaking medium; Treatment thereof
- C01B3/0021—Carbon, e.g. active carbon, carbon nanotubes, fullerenes; Treatment thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/30—Active carbon
- C01B32/306—Active carbon with molecular sieve properties
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
- C01P2006/16—Pore diameter
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
- C01P2006/16—Pore diameter
- C01P2006/17—Pore diameter distribution
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/32—Hydrogen storage
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
Abstract
활성탄소의 기공조절방법 및 이에 의해 처리된 활성탄소를 포함하는 수소저장장치가 제공된다.
본 발명에 따른 활성탄소의 기공조절방법은 전극이 구비된 반응챔버에 활성탄소를 위치시키는 단계; 불소계 가스를 공급하며 전압을 인가하여 플라즈마를 형성하는 단계; 및 상기 플라즈마로 상기 활성탄소의 표면을 처리함으로써 미세기공의 분율을 증가시키고 평균 미세기공 직경을 감소시키는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따르면 간단한 공정을 통하여 상용 활성탄소의 미세기공 분율을 증가시킬 수 있고, 평균 미세기공 직경을 감소시킬 수 있으며, 본 발명에 따라 표면처리된 활성탄소를 포함하는 수소저장장치의 경우 종래의 상용 활성탄소를 사용하는 경우에 비하여 수소저장능력이 최대 50% 이상 증가된다.
Description
본 발명은 활성탄소의 기공조절방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 활성탄소의 미세기공의 분율을 증가시키고 평균 미세기공 직경을 감소시킬 수 있는 활성탄소의 기공조절방법 및 이에 의해 처리된 활성탄소를 포함하는 수소저장장치에 관한 것이다.
수소는 환경문제 및 화석연료의 가격상승이나 고갈을 예상할 때 궁극적인 미래의 대체에너지원 또는 에너지 매체(Energy carrier)로 부상하고 있다. 이는 화석연료가 대기오염물질 배출의 주범이며, 최근에는 배출되는 이산화탄소의 대기중 농도증가로 지구온난화의 우려를 가중시키고 있는데 반하여, 수소는 공해물질을 배출시키지 않으며, 환경친화적이고 일반 연료, 수소자동차, 수소비행기, 연료전지 등 현재의 에너지 시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 이용될 수 있다는 장점이 있기 때문이다.
그러나 수소는 상온, 대기압 상태에서 기체로 존재하기 때문에 체적당 에너 지밀도가 낮고 운반 및 저장이 불편하다는 단점이 있다. 특히, 수소 자동차의 양산을 위해서는 가급적 낮은 압력에서 높은 저장율로 수소를 저장할 수 있어야 한다. 미국 에너지부(DOE)에서 제시하는 수소저장에 대한 연도별 목표치는 2010년에 6중량%, 2015년에 9중량%이다.
수소의 저장기술은 기체, 액체, 고체상태로 저장하는 방법이 제안되었으며, 수소를 기체상태로 저장하는 방법은 저장 밀도를 높이기 위하여 고압상태의 수소를 실린더에 보관하여 저장하는 것인데, 현재 가장 보편적으로 사용되고 있는 방법으로서 보관이 간단하고, 특별한 부대장치를 필요로 하지 않으나, 저장밀도가 낮고, 500기압 이상의 초고압이므로 위험하다는 단점이 있다.
한편, 수소를 고체상태로 저장하는 방법으로서 희토류 금속으로 이루어진 수소저장합금을 이용하여, 상기 수소저장합금이 수소와 가역적으로 반응함으로써 금속수소화물을 형성하는 것에 의해 수소를 저장하는 방법이 알려져 있는데, 티탄-철합금, 란탄-니켈합금, 마그네슘-니켈합금 등은 거의 실용화 단계에 있으며 상온에서 20∼40atm의 압력으로 수소를 저장할 수 있다는 장점이 있지만, 무게가 무겁고 고가이며 피독현상과 미분화에 의한 성능열화의 문제점이 있다.
또한, 수소흡착을 유도하기 위한 넓은 표면적의 수소 흡착체로써 탄소나노튜브 등의 탄소재료 또는 금속-유기 골격구조(metal-organic framework:MOF)와 같은 다공성 물질을 이용하는 것에 대한 연구가 진행되고 있는데, 금속-유기 골격구조의 경우 금속 클러스터가 차지하는 중량이 대부분이어서 무게가 비교적 무겁고 제조비용이 고가라는 문제가 있었다.
이에 비하여, 탄소재료는 단일의 원소로 구성되어 있음에도 불구하고, 결합의 형태가 다양하며, 화학적 안정성, 전기 및 열전도성, 고강도, 고탄성율, 생체친화성 등의 우수한 특성을 가진 우수한 재료이다. 더불어 기존의 수소저장방법에 비해 안전하고 가벼울 뿐만 아니라 저장비용이 낮은 장점이 있으며, 수소저장이 가역적이어서 반영구적으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 친환경적이라는 큰 장점을 가지고 있다.
하지만 기존의 상용화된 활성탄소를 그 미세기공의 분율이 너무 낮고 평균 미세기공의 직경이 약 2nm로서 수소 분자의 평균 직경보다 상당히 크기 때문에 수소의 저장에 적합하지 않았다. 즉, 수소를 저장하기에 적합한 공간은 수소분자를 물리적 결합으로 고정시킬 수 있는, 더 작은 미세기공 약 1∼1.5 nm 정도의 기공이 필요하다. 이를 위해서는 새로운 기공부여 방법이 제공되거나 기존의 상용화된 활성탄소의 기공경을 축소시키는 기술이 제공되어야 한다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 활성탄소의 미세기공 분율을 증가시키고 평균 미세기공 직경을 감소시킬 수 있는 활성탄소의 기공조절방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 방법에 의해 처리된 활성탄소를 이용한 수소저장장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여,
전극이 구비된 반응챔버에 활성탄소를 위치시키는 단계; 불소계 가스를 공급하며 전압을 인가하여 플라즈마를 형성하는 단계; 및 상기 플라즈마로 상기 활성탄소의 표면을 처리함으로써 미세기공의 분율을 증가시키고 평균 미세기공 직경을 감소시키는 것을 특징으로 하는 활성탄소의 기공조절방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 플라즈마의 형성은 대기압에서 진행되며, 상기 불소계 가스는 하나 이상의 불소원자로 치환된 탄소수 1 내지 3의 플루오로 알칸일 수 있고, 상기 불소계 가스의 농도는 10 내지 500ppm일 수 있다.
또한, 상기 불소계 가스는 CHF3, CH2F2 또는 CH3F일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 전압은 5 내지 100 W인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 전극과 활성탄소의 거리는 0.1 내지 10mm일 수 있다.
또한, 상기 플라즈마로 상기 활성탄소의 표면을 처리하는 시간은 30 내지 600초일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 플라즈마 처리된 활성탄소의 미세기공 분율은 87 내지 97%이며, 평균 미세기공 직경은 1.2 내지 1.9 nm일 수 있다.
본 발명은 상기 두 번째 과제를 해결하기 위하여,
상기 기공조절방법에 의해 처리된 활성탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소저장장치를 제공한다.
본 발명에 따르면 간단한 공정을 통하여 상용 활성탄소의 미세기공 분율을 증가시키는 한편, 평균 미세기공 직경을 감소시킬 수 있으며, 본 발명에 따라 표면처리된 활성탄소를 포함하는 수소저장장치의 경우 종래의 상용 활성탄소를 사용하는 경우에 비하여 수소저장능력이 최대 50% 이상 증가된다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 활성탄소의 기공조절방법은 불소계 플라즈마 처리 공정에 의해 상용 활성탄소의 미세기공 분율을 증가시키고, 평균 미세기공 직경을 감소시킬 수 있으며, 상기 본 발명에 따라 처리된 활성탄소를 이용한 수소저장장치는 종래의 상용 활성탄소를 이용한 경우보다 수소저장능력을 최대 50% 이상 증가시킬 수 있다는 것을 특징으로 한다.
상기 불소계 플라즈마 처리에 의해 활성탄소의 미세기공 분율이 증가하고 평균 미세기공 직경이 감소되는 이유는 활성탄소에는 대기공, 중기공 및 미세기공들이 존재하는데, 본 발명에 따른 불소계 플라즈마 처리를 하게 되면 활성탄소에 미세 에칭에 의한 다수의 미세기공들이 새로 생성되기 때문이다. 한편, 대기공이나 중기공의 경우에도 에칭이 되긴 하지만, 수소저장에 있어서는 미세기공이 중요한 인자가 되며, 에칭에 의해 새로 생성된 미세기공의 경우에는 그 기공 크기가 매우 작기 때문에 전체적인 미세기공 분율이 증가하고, 평균 미세기공 직경은 감소하게 되는 것이다. 다양한 플라즈마 중에서 불소계 플라즈마가 가장 바람직한 이유는 탄소와의 적절한 상호작용에 의해 기공의 파괴를 최소화하며 미세기공들을 형성시킬 수 있기 때문이다.
본 발명에 사용되는 상기 활성탄소로는 상용으로 판매하는 활성탄 또는 활성탄소섬유 등을 사용해도 무방하다.
불소계 플라즈마 처리시 사용하는 가스는 비활성 가스인 He 등에 불소계 가스인 탄소수 1 내지 3의 플루오로 알칸을 사용하는데, 상기 플루오로 알칸은 상온 및 상압에서 기체로 존재하는 한 특별히 제한되지 않으며, CHF3, CH2F2 또는 CH3F 가 바람직하다. 분자량이 작은 기체를 사용하면 미세기공을 좀더 많이 만들 수 있다는 장점이 있다.
상기 불소계 가스는 10 ppm 내지 500 ppm 정도 함유되어 있는 것이 바람직한데, 10ppm 미만인 때에는 플라즈마 처리효과가 너무 미약하며, 500ppm을 초과하는 때에는 플라즈마 발생에 부정적인 영향을 미칠 수 있기 때문이다.
본 발명에서 플라즈마의 전압이 5 W에서 100 W의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 이는 너무 낮은 영역에서는 플라즈마 처리시간이 길어지고 너무 높은 영역에서는 급작스러운 반응에 의해 제어가 쉽지 않기 때문이다.
본 발명에서 플라즈마 처리시 가스의 주입량은 3∼5 l/min이 바람직하며, 5 l/min인 것이 더욱 바람직하다. 본 발명에서 플라즈마 발생을 위한 주파수는 12∼14 MHz가 바람직하며, 보다 바람직하게는 13.56 MHz일 수 있다.
한편, 플라즈마 소스와 활성탄소 사이의 거리는 0.1∼10 mm인 것이 바람직한데, 보다 바람직하게는 1∼5 mm일 수 있다. 상기 거리가 0.1 mm 미만인 때에는 거리가 너무 가까워서 폭발의 위험이 있고, 10 mm를 초과하는 때에는 처리 효과가 미약하기 때문에 바람직하지 않다.
본 발명에서는 플라즈마 처리 시간은 30초부터 600초까지가 바람직하다. 보다 바람직하게는 60초∼300초 사이가 좋은데 이는 너무 적은 시간에 충분한 불소기를 도입하기 위해서는 강한 에너지를 사용해야 하며, 너무 오랜 시간 플라즈마 처리를 실시할 경우 활성탄소의 기공구조 파괴를 불러올 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 수소저장장치는 수소저장용기와 수소 주입관 및 방출관을 포함하며, 수소저장용기의 내부에 상기 본 발명에 따라 처리된 활성탄소가가 충진되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기 주입관 및 방출관은 일체로 형성될 수도 있다.
본 발명에서 상기 수소저장용기는 고진공과 100∼200bar의 고압을 견딜 수 있는 소재인 한 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 고강도 알미늄 소재를 안감으로 하고 초경량, 고탄성의 탄소섬유 복합재를 덧씌워 제조된 것일 수 있다. 상기 진공도는 수소주입 이전에 필요한 진공도이며, 수소저장시 수소주입압력은 통상 100bar 정도이기 때문에 이러한 고압을 견딜 수 있기 위한 상한치로서 약 200bar의 압력을 견딜 수 있도록 설계된 것이다. 또한 상기 수소저장용기의 형상도 특별히 제한되지는 않지만 압력분포가 균일하게 되고 압력을 지탱할 수 있도록 원통형상인 것이 바람직하다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 예에 따른 수소저장장치의 개략적인 단면도가 도시되어 있는데 이는 본 발명에 따른 수소저장장치의 구조를 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면 본 발명에 따른 수소저장장치(1)는 원통형의 수소저장용기(10)의 내부에 본 발명에 따라 처리된 활성탄소(20)가 충진되어 있고 상기 수소저장용기(10)의 일측에는 일정압력의 수소기체를 주입시킬 수 있는 주입관(30)이 구비되고 타측에는 수소기체를 방출시키는 방출관(40)이 구비되며, 상기 주입관(30)과 방출관(40)에는 개폐를 조절할 수 있는 밸브(미도시)가 설치된다. 이미 언급한 바와 같이, 상기 주입관과 방출관은 일체로 형성될 수도 있다.
마지막으로 수소주입이 끝나면 주입관(30)을 닫고 수소를 원료로 사용하는 자동차 기타 기계장치에 상기 방출관(40)을 연결하여 수소를 방출시킴으로써 에너지원으로 사용할 수 있다.
도면에는 도시하지 않았지만 본 발명에 따른 수소저장장치(1)의 내부에는 수소의 주입/방출을 원활하게 하기 위하여 상기 수소저장용기(10)의 축방향을 따라 하나 이상의 수소이동관을 더 구비할 수도 있고, 기타 당업계에서 공지된 기타 부가적인 장치를 더 구비할 수 있음은 물론이다.
도 2에는 본 발명에 따른 복수의 수소저장장치가 연결된 사용예를 도시하였다. 도 2를 참조하면, 상기 제 1 실시예에 따른 수소저장장치(1)를 다수개로 구성 한 일군의 수소저장장치가 도시되어 있는데, 이러한 일군의 수소저장장치는 외부 수소생성기(2)를 통해 발생된 수소가스가 이를 일정압력으로 공급하는 가압공급기(3)를 거쳐 공급관(15)를 따라 주입관(30)을 통하여 유입되고, 이 공급관(15)에 병렬식으로 각각의 수소저장장치(1)가 배치된다. 아울러, 각각의 수소저장장치(1)의 방출관(40)이 병렬로 연결되게 배출관(16)을 설치하여, 이를 통해 외부의 수소기체 소모장치(4)로 공급하도록 되어 있다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
활성탄소 5 g을 5 l/min의 유량으로 He이 공급되는 300 mm x 400 mm의 반응 챔버의 가운에서 위치시킨 뒤, 플라즈마 전극과의 위치를 1 mm로 세팅하였다. 이에 CHF3 가스를 10 ppm으로 공급하고, 전압을 10 W로 60초간 처리하였다.
실시예 2
활성탄소 5 g을 5 l/min의 유량으로 He이 공급되는 300 mm x 400 mm의 반응 챔버의 가운에서 위치시킨 뒤, 플라즈마 전극과의 위치를 3 mm로 세팅하였다. 이에 CHF3 가스를 10 ppm으로 공급하고, 전압을 10 W로 60초간 처리하였다.
실시예 3
활성탄소 5 g을 5 l/min의 유량으로 He이 공급되는 300 mm x 400 mm의 반응 챔버의 가운에서 위치시킨 뒤, 플라즈마 전극과의 위치를 5 mm로 세팅하였다. 이에 CHF3 가스를 10 ppm으로 공급하고, 전압을 10 W로 60초간 처리하였다.
실시예 4
활성탄소 5 g을 5 l/min의 유량으로 He이 공급되는 300 mm x 400 mm의 반응 챔버의 가운에서 위치시킨 뒤, 플라즈마 전극과의 위치를 5 mm로 세팅하였다. 이에 CHF3 가스를 10 ppm으로 공급하고, 전압을 10 W로 120초간 처리하였다.
실시예 5
활성탄소 5 g을 5 l/min의 유량으로 He이 공급되는 300 mm x 400 mm의 반응 챔버의 가운에서 위치시킨 뒤, 플라즈마 전극과의 위치를 5 mm로 세팅하였다. 이에 CHF3 가스를 10 ppm으로 공급하고, 전압을 10 W로 300초간 처리하였다.
실시예 6
활성탄소 5 g을 5 l/min의 유량으로 He이 공급되는 300 mm x 400 mm의 반응 챔버의 가운에서 위치시킨 뒤, 플라즈마 전극과의 위치를 5 mm로 세팅하였다. 이에 CHF3 가스를 100 ppm으로 공급하고, 전압을 10 W로 300초간 처리하였다.
실시예 7
활성탄소 5 g을 5 l/min의 유량으로 He이 공급되는 300 mm x 400 mm의 반응 챔버의 가운에서 위치시킨 뒤, 플라즈마 전극과의 위치를 5 mm로 세팅하였다. 이에 CHF3 가스를 500 ppm으로 공급하고, 전압을 10 W로 300초간 처리하였다.
실시예 8
활성탄소 5 g을 5 l/min의 유량으로 He이 공급되는 300 mm x 400 mm의 반응 챔버의 가운에서 위치시킨 뒤, 플라즈마 전극과의 위치를 5 mm로 세팅하였다. 이에 CHF3 가스를 500 ppm으로 공급하고, 전압을 50 W로 300초간 처리하였다.
실시예 9
활성탄소 5 g을 5 l/min의 유량으로 He이 공급되는 300 mm x 400 mm의 반응 챔버의 가운에서 위치시킨 뒤, 플라즈마 전극과의 위치를 5 mm로 세팅하였다. 이에 CHF3 가스를 500 ppm으로 공급하고, 전압을 100 W로 300초간 처리하였다.
시험예 1
상기 실시예 1 내지 9에 의해 처리된 활성탄소의 비표면적, 미세기공 분율 및 평균 미세기공 직경을 각각 10회씩 측정하고 그 평균값을 하기 표 1에 나타내었으며, 상기 실시예 1 내지 9에 의해 처리된 활성탄소를 이용한 수소저장결과를 도 3에 도시하였다.
상기 측정은 하기의 방법에 의해 수행하였다.
(1) 활성탄소 기공구조 측정
표면처리된 활성탄소의 기공구조는 77K의 액체 질소 분위기 하에서 시료 약 0.1 g을 채취하여 질소기체를 흡착질로 하여 흡착량을 측정하였다. 시료의 전처리는 573K에서 시료 내 잔류 압력이 10-3 torr 이하로 될 때까지 약 9∼12 시간 동안 탈기(degassing) 시켰다. N2 등온흡착시험 후, P/Po (P는 부분 압력, Po는 포화 증기압)가 약 0.05에서 0.3까지는 흡착량에 대해서 직선의 기울기를 나타내며, 이것으로부터 BET 비표면적 및 미세기공 분율, 평균 미세기공 직경 등을 구하였다.
(2) 수소저장양 측정 (wt.%)
기능성 흑연의 수소저장양 측정을 위해 각 샘플은 573K에서 잔류 압력을 10-3 torr 이하로 유지한 상태로 6 시간 동안 탈기시킨 후, BEL-HP (BEL Japan)을 이용하여 298K, 100 기압의 조건에서 수소저장량을 측정하였다. 수소저장측정방식은 step-by-step 방식을 사용하였으며, 1회 평균 시료량은 1.0 g으로 하였다.
| 샘플명 | 비표면적 (m2/g) | 미세기공 분율 (%) | 평균 미세기공경 (nm) |
| 미처리 | 1550 | 85 | 2.0 |
| 실시예1 | 1525 | 88 | 1.73 |
| 실시예2 | 1530 | 87.5 | 1.8 |
| 실시예3 | 1540 | 87 | 1.9 |
| 실시예4 | 1525 | 88 | 1.75 |
| 실시예5 | 1510 | 90 | 1.7 |
| 실시예6 | 1470 | 94 | 1.5 |
| 실시예7 | 1450 | 95.5 | 1.35 |
| 실시예8 | 1435 | 96 | 1.3 |
| 실시예9 | 1420 | 97 | 1.2 |
상기 표 1 및 첨부된 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 기공조절방법으로 표면처리된 활성탄소는 기존의 상용화된 활성탄소에 비해 높은 미세기공 분율 및 낮은 평균 미세기공 직경을 가지는 것으로 확인되었으며, 이에 따라 비표면적이 감소되었음에도 불구하고 수소저장능이 증대되었다는 것을 확인할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 복수의 수소저장장치가 연결된 실시예이다.
도 3은 실시예 1 내지 9에 의해 처리된 활성탄소를 이용한 수소저장결과에 대한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 수소저장용기 20: 유무기복합재
30: 주입관 40: 방출관
50: 유기금속 전구체 공급관 60: 진공용 가스관
Claims (9)
- 전극이 구비된 반응챔버에 활성탄소를 위치시키는 단계; 10 내지 500ppm의 농도로 불소계 가스를 공급하며 전압을 인가하여 플라즈마를 형성하는 단계; 및 상기 플라즈마로 상기 활성탄소의 표면을 처리함으로써 미세기공의 분율을 증가시키고 평균 미세기공 직경을 감소시키는 것을 특징으로 하는 활성탄소의 기공조절방법.
- 제 1항에 있어서,상기 플라즈마의 형성은 대기압에서 진행되며, 상기 불소계 가스는 하나 이상의 불소원자로 치환된 탄소수 1 내지 3의 플루오로 알칸인 것을 특징으로 하는 활성탄소의 기공조절방법.
- 제 2항에 있어서,상기 불소계 가스는 CHF3, CH2F2 또는 CH3F인 것을 특징으로 하는 활성탄소의 기공조절방법.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 전압은 5 내지 100 W인 것을 특징으로 하는 활성탄소의 기공조절방법.
- 제 1항에 있어서,상기 전극과 활성탄소의 거리가 0.1 내지 10mm인 것을 특징으로 하는 활성탄소의 기공조절방법.
- 제 1항에 있어서,상기 플라즈마로 상기 활성탄소의 표면을 처리하는 시간은 30 내지 600초인 것을 특징으로 하는 활성탄소의 기공조절방법.
- 제 1항에 있어서,상기 플라즈마 처리된 활성탄소의 미세기공 분율이 87 내지 97%이며, 평균 미세기공 직경이 1.2 내지 1.9 nm인 것을 특징으로 하는 활성탄소의 기공조절방법.
- 제 1항 내지 제 3항 또는 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 기공조절방법에 의해 처리된 활성탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소저장장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020080019273A KR100973305B1 (ko) | 2008-02-29 | 2008-02-29 | 활성탄소의 기공조절방법 및 이에 의해 처리된 활성탄소를포함하는 수소저장장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020080019273A KR100973305B1 (ko) | 2008-02-29 | 2008-02-29 | 활성탄소의 기공조절방법 및 이에 의해 처리된 활성탄소를포함하는 수소저장장치 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20090093635A KR20090093635A (ko) | 2009-09-02 |
| KR100973305B1 true KR100973305B1 (ko) | 2010-07-30 |
Family
ID=41302096
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020080019273A KR100973305B1 (ko) | 2008-02-29 | 2008-02-29 | 활성탄소의 기공조절방법 및 이에 의해 처리된 활성탄소를포함하는 수소저장장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100973305B1 (ko) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102190541B1 (ko) * | 2019-12-27 | 2020-12-14 | 인하대학교 산학협력단 | 니켈을 담지 한 수소 저장용 전극 재료 및 제조방법 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20000062733A (ko) * | 1999-03-05 | 2000-10-25 | 조셉 제이. 스위니 | 불화 가스 혼합물을 이용한 실리콘의 플라즈마 에칭방법 |
| KR20030046455A (ko) * | 2000-09-19 | 2003-06-12 | 에라켐 유럽 에스.에이. | 카본을 함유하는 공급원료를, 규정된 나노구조를 가지는탄소 함유 물질로 전환시키는 장치 및 방법 |
-
2008
- 2008-02-29 KR KR1020080019273A patent/KR100973305B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20000062733A (ko) * | 1999-03-05 | 2000-10-25 | 조셉 제이. 스위니 | 불화 가스 혼합물을 이용한 실리콘의 플라즈마 에칭방법 |
| KR20030046455A (ko) * | 2000-09-19 | 2003-06-12 | 에라켐 유럽 에스.에이. | 카본을 함유하는 공급원료를, 규정된 나노구조를 가지는탄소 함유 물질로 전환시키는 장치 및 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20090093635A (ko) | 2009-09-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7721601B2 (en) | Hydrogen storage tank and method of using | |
| US7896950B2 (en) | Plasma-aided method and apparatus for hydrogen storage and adsorption of gases into porous powder | |
| US6626981B2 (en) | Microporous carbons for gas storage | |
| JP2009525258A (ja) | ナノ多孔質炭素材料及びそれを使用するシステム及び方法 | |
| WO2006022329A8 (ja) | 蒸散燃料ガス吸着材及び蒸散燃料ガス捕集装置、並びに活性炭及びその製造方法 | |
| Anson et al. | Hydrogen adsorption on a single-walled carbon nanotube material: a comparative study of three different adsorption techniques | |
| KR100973305B1 (ko) | 활성탄소의 기공조절방법 및 이에 의해 처리된 활성탄소를포함하는 수소저장장치 | |
| EP2358631B1 (en) | Fuel removal system for hydrogen implanted in a nanostructure material | |
| CN113350983A (zh) | 电场极化气体吸附*** | |
| Salehi et al. | Theoretical and experimental study on the adsorption and desorption of methane by granular activated carbon at 25 C | |
| KR100937517B1 (ko) | 다공성 탄소 소재, 그의 제조방법 및 그의 수소저장체로서의 용도 | |
| US20110160042A1 (en) | Method for constructing fractal network structure in hydrogen storage material | |
| KR100255178B1 (ko) | 저온액체 저장탱크의 보일오프가스 처리방법 및 장치 | |
| WO2005120715A2 (en) | Electrostatic switch for hydrogen storage and release from hydrogen storage media | |
| KR100745567B1 (ko) | 수소저장용 나노크기의 니켈이 도핑된 카본나노튜브와 그제조방법 | |
| Buczek et al. | Improvement of hydrogen storage capacity for active carbon | |
| Delavar et al. | The effect of chemical treatment on adsorption of natural gas by multi-walled carbon nanotubes: sorption equilibria and thermodynamic studies | |
| KR100744832B1 (ko) | 중기공을 함유한 다공성 탄소나노섬유의 제조방법 | |
| Gadiou et al. | The influence of microporosity on the hydrogen storage capacity of ordered mesoporous carbons | |
| US20060191409A1 (en) | Electrostatic switch for hydrogen storage and release from hydrogen storage media | |
| JP2005113361A (ja) | フッ素化アモルファスナノ炭素繊維およびその製造方法、フッ素化アモルファスナノ炭素繊維からなる水素吸蔵材料、水素貯蔵装置および燃料電池システム | |
| KR102206994B1 (ko) | 증기 활성화와 규소소거법의 시너지효과를 이용한 왕겨 기반의 메탄저장용 활성탄소 제조방법 | |
| KR101400228B1 (ko) | 나노 기공성 물질, 상기 나노 기공성 물질의 제조방법 및이를 이용한 수소저장장치 | |
| Ramesh et al. | Sustainable porous activated carbon derived from cotton for high power supercapacitor and CO2 storage applications | |
| Nour et al. | Enhanced discharge of ANG storage for vehicle use |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| N231 | Notification of change of applicant | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20130716 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20140707 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20151228 Year of fee payment: 6 |
|
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |