説明

炭素ナノチューブを用いた水素酸素発生用電極板及びそれを製造するための製造方法(ahydrogen−oxygengeneratingelectrodeplateandmethodformanufacturingthesame)

【課題】炭素ナノチューブを用いた水素酸素発生用電極板及びその製造方法を提供する。
【解決手段】水素酸素発生用電極板は、炭素ナノチューブ(CNT)と、炭素(C)と、酸化ニッケル(NiO)と、脱炭酸ナトリウム化合物(NaTaO)と、触媒とを含むことを特徴とする。また、水素酸素発生用電極板の製造方法は、炭素ナノチューブと、炭素粉末と、酸化ニッケル粉末と、脱炭酸ナトリウム化合物粉末と、触媒を均一にミキシングして高分散度のミキシング混合物を形成する段階と、ミキシング混合物を金型に投入した後加圧してプレッシング成形物を成形する段階と、及びプレッシング成形物を真空焼成炉で焼成する段階とを含む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は水から水素酸素を効果的に発生させることができる炭素ナノチューブを用いた水素酸素発生用電極板及びそれを製造するための製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
水素酸素発生装置は水が電気分解されて得られる生成物である水素及び酸素を生産するための装置であって、その内部には水を電気分解して無公害エネルギー源である水素酸素混合ガスを発生する電極板が設けられる。この際、電極板によって発生される水素と酸素は2:1のモル比で発生され、−電極板表面に水素が気泡形態に生成されて、+電極板表面に酸素が気泡形態に生成される。この際、水を電気分解する電極板はステンレス鋼及び、ステンレス鋼の表面に白金がコーティングされた構造を有する。
【0003】
このような電極板によって電気分解されて発生された水素と酸素は混合され混合ガス形態になって燃焼が可能となり、燃焼の際、汚染物質が生成しないので環境に優しいエネルギー源として新しく浮き彫りにされている。
【0004】
しかし、前記のようにステンレス又は白金がコーティングされたステンレスからなる電極板の場合、印加される電気エネルギーに比べて生成される水素酸素の量が少なく、これによって発生される水素酸素にプロパンガスのような補助燃料を混合して燃焼させなければならなかった。したがって経済性が低かった。
【0005】
さらに、電気分解が進行される間に電極板の表面が徐々に分解されて溶けるため、数百時間が経過すると電極板を交替しなければならない問題点があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は前記のような問題点を解決するために創出されたものであって、投入される電気エネルギーに比べて発生される水素酸素の量を増やすことにより経済性を確保することができる炭素ナノチューブを用いた水素酸素発生用電極板及びそれを製造するための製造方法を提供することを目的とする。
【0007】
本発明の他の目的は、多様な形態に具現できて多様な規格の水素酸素発生装置に適用できる炭素ナノチューブを用いた水素酸素発生用電極板及びその製造方法を提供するものである。
【0008】
本発明の他の目的は、長い間電気分解が進行されても分解されないようにすることによって交替する必要性が排除できる炭素ナノチューブを用いた水素酸素発生用電極板及びそれを製造するための製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
前記のような目的を達成するために、本発明による炭素ナノチューブを用いた水素酸素発生用電極板は、水を電気分解して水素及び酸素を発生するための水素酸素発生用電極板において、炭素ナノチューブ(CNT)と、炭素(C)と、酸化ニッケル(NiO)と、脱炭酸ナトリウム化合物(NaTaO)と、触媒とを含むことを特徴とする。
【0010】
本発明において、前記炭素100重量部を基準とするとき、前記炭素なのチューブは2〜15重量部であり、前記酸化ニッケルは80〜360重量部であり、前記脱炭酸ナトリウム化合物は20〜130重量部であり、前記触媒は10〜200重量部である。
【0011】
本発明において、前記触媒は、ランタン(La)と、光ナノトルマリンと、白金(Pt)からなる群中から選択されたいずれか1つを含めて具現される。
【0012】
前記のような目的を達成するために、本発明による炭素なのチューブを用いた水素酸素発生用電極板の製造方法は、水を電気分解して水素及び酸素を発生するための水素酸素発生用電極板の製造方法において、炭素ナノチューブと、炭素粉末と、酸化ニッケル粉末と、脱炭酸ナトリウム化合物粉末と、触媒を均一にミキシングして高分散度のミキシング混合物を形成する段階S1と、前記ミキシング混合物を金型に投入した後、加圧してプレッシング成形物を成形する段階S2と、及び前記プレッシング成形物を真空焼成炉で焼成する段階S3とを含むことを特徴とする。
【0013】
本発明において、前記段階S2において前記プレッシング成形物は500〜1500ton/cmの圧力で加圧する。
【0014】
本発明において、前記段階S3において前記プレッシング成形物は600〜2000℃で20〜400分の範囲で焼成する。この際、前記段階S3において塑性は酸素の流入が遮断された真空焼成炉で進行される。
【0015】
本発明において、前記触媒は、ランタン(La)と、粉末形態の 光ナノトルマリンと、粉末形態の白金からなる群中から選択されたいずれか1つ以上を含んで具現される。
【0016】
本発明において、前記炭素100重量部を基準とする時、前記炭素ナノチューブは2〜15重量部であり、前記酸化ニッケルは80〜360重量部であって、前記脱炭酸ナトリウム化合物は20〜130重量部であり、前記触媒は10〜200重量部である。
【発明の効果】
【0017】
本発明による炭素ナノチューブを用いた水素酸素発生用電極板及びそれを製造するための製造方法によると、投入される電気エネルギーに比べ、発生される水素酸素の量が多くなるようにすることによってプロパンガスのような補助燃料を混合しなくても燃焼させることができるので、経済性を確保することができる。
【0018】
さらに圧搾及び塑性過程を介して形態が規定されることができるので、使用しようとする用途及び容量によって多様な形態に具現することができるとの作用、効果がある。
【0019】
また、本発明によって製造される電極板は、電気分解が進行される間に電極板の表面が分解されないことによって既存の電極板に比べて数千時間が過ぎても交替しなくても良い。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、本発明による炭素ナノチューブを用いた水素酸素発生用電極板及びそれを製造するための製造方法を詳細に説明する。
【0021】
本発明による炭素ナノチューブを用いた水素酸素発生用電極板は、水を電気分解して水素及び酸素を発生し、この際、投入される電気量に比べ発生される水素と酸素の発生量を増やすために次のような組成比を有する。
【0022】
すなわち、水素酸素発生用電極板は、炭素ナノチューブ(CNT)と、炭素(C)粉末と、酸化ニッケル(NiO)粉末と、脱炭酸ナトリウム化合物(NaTaO)粉末と、電気分解を促進するための触媒とを含む。この際、触媒はランタン(La)と、光ナノトルマリンと、白金(Pt)からなる群中から選択されたいずれか1つ以上を含んで具現され、粉末形態である方が望ましい。
【0023】
前記の組成物の組成比を炭素粉末100重量部を基準として説明すると次の通りである。
【0024】
炭素ナノチューブ(CNT)の組成比は、炭素100重量部を基準とする時、2〜15重量部、望ましくは3〜10重量部である。仮りに炭素ナノチューブの組成比が0.5重量部の以下である場合、伝導性が相対的に低い炭素によって製造される電極板表面の伝導度が減少され、60重量部の以上の場合、自体的に混合性が劣る炭素ナノチューブの分散効果が期待できないし、製造される電極板の密度及び強度が弱くなる。
【0025】
さらに炭素ナノチューブは他の組成物粉末との分散力向上のために0.005〜10μmの大きさの粒度を有することが適切であって、望ましくは20〜100nmの大きさが適切である。このように、本発明において用いられる炭素ナノチューブには、単一壁、多重壁、炭素ナノ繊維中、少なくとも1つを含んで選択される。
【0026】
炭素ナノチューブは、一つの炭素が異なる炭素原子と六角形蜂巣状に結合されてチューブ形態をなしている物質であって、異方性が非常に大きく、単一壁、多重壁、束などの多様な構造を有し、チューブの直径がナノミリメータ(nm=10億分の1m)の水準であってきわめて小さな領域の物質である。炭素ナノチューブは活性炭素や黒鉛、ダイアモンドのような他の炭素系物質とは違って、電気伝導性が非常に優秀で電界放出の特性が養護した特徴を有している。このような特徴は、構造によって炭素の電子構造が異なるためであるが、すなわち電気伝導性が優秀な黒鉛中の炭素はsp2の結合構造を有していて、絶縁体であるダイアモンドはsp3の結合構造を有しているためである。炭素ナノチューブはバルクに比べて1000倍以上の高い表面積を有する多孔質状態をなすので、電気化学籍装置に適用するにおいて酸化還元反応のための表面積が極大化されて総反応量を大きく上昇させる。
【0027】
炭素(C)は炭素ナノチューブを他の組成物と結合させるための結合体に用いられる。すなわち、炭素は、その自体で結合性が非常に小さな炭素ナノチューブを他の組成物粉末と結合させるための目的に用いられるものである。この際、炭素の立径は0.5〜200μmの範囲である方が望ましい。
【0028】
酸化ニッケル(NiO)は、塑性過程を経て電極板を製造する際、鎔融されて他の組成物と融合することによって電極板の強度を大きくする。このような酸化ニッケルの組成比は、炭素100重量部を基準とする時、80〜360重量部、望ましくは120〜240重量部である。仮りに、酸化ニッケルが80重量部の以下である場合には製造される電極板の強度が充分でないので砕けやすいし、360重量部の以上である場合には水素発生効率が劣って効果的でないためである。
【0029】
脱炭酸ナトリウム化合物は、製造される電極板において水素の発生量を大きくするためのものである。脱炭酸ナトリウム化合物の組成比は、炭素100重量部を基準とする時、20〜130重量部、望ましくは33〜100重量部である。仮りに脱炭酸ナトリウム化合物が20重量部の以下である場合、電極板で水素の発生量が小さくなり、130重量部の以上である場合、電極板の強度が弱くなるためである。
【0030】
触媒は炭素100重量部を基準とした時、10〜200重量部である。
【0031】
触媒として光ナノトルマリンとランタンと白金とを全て含む際、それぞれの組成比は次の通りである。
【0032】
すなわち光ナノトルマリン組成比は、炭素100重量部を基準とする時、10〜75重量部、望ましくは16〜50重量部である。
【0033】
光ナノトルマリン、トルマリンを数マイクロから数ナノミリメータ単位の粉末に粉砕した後、約1300℃の温度で塑性することによって具現される。トルマリンは水晶のような結晶構造を有する六房晶系に属する鉱物であって、摩擦によって電気が生じ、また陰イオンを多量発生し、また電気分解をさらに促進させて水素及び酸素が多く生成されるようにする。このようなトルマリンは粉末に粉砕された後塑性されることによって、水との接触面積を広めることができる数多くの微細気孔が形成された光触媒に具現されて、水の電気分解をさらに促進させることができるものである。
【0034】
ランタンは製造される電極板が水をより効果的に電気分解し水素の発生量を高めるためである。このようなランタンの組成比は、炭素100重量部を基準とする時、5〜100重量部、望ましくは15〜60重量部である。
【0035】
白金は製造される電極板が水をより効果的に分解することができるようにする。このような白金の組成比は、炭素100重量部を基準とする時、3〜20重量部、望ましくは5〜15重量部である。
【0036】
次に、本発明の水素酸素発生用電極板の製造方法を説明する。
【0037】
炭素ナノチューブを用いた水素酸素発生用電極板を製造するために、先ず炭素ナノチューブ(CNT)と、粉末形態の炭素(C)と、粉末形態の酸化ニッケル(NiO)と、粉末形態の脱炭酸ナトリウム化合物(NaTaO)と、電気分解を促進するための触媒を均一に高分散度にミキシングしてミキシング混合物を形成する段階S1を遂行する。この際、前記触媒は、ランタン(La)と、粉末形態の光ナノトルマリンと、粉末形態の白金(Pt)とからなる群中から選択されたいずれか1つ以上を含んで具現される。前記組成物らは均一に高分散度に分散されなければならないし、これのために公知の超臨界流体方法や逆マイセル方法を用いる。
【0038】
次に、ミキシング混合物を金型に投入した後、500〜1500ton/cmの圧力でプレッシングしてプレッシング成形物を形成する段階S2を遂行する。プレッシング段階を介して、粉末形態の前記プレッシング成形物は硬い固体形態に具現される。
【0039】
この際、金型には特定形態の成形溝を適用することによって、多様な形態の電極板を具現することができる。例えば、複雑な幾何学的形態、端部で突出されたり没入される多数個の溝が形成された形態などを具現することができるものである。
【0040】
次に、プレッシング成形物を真空焼成炉で600〜2000℃で20〜400分の範囲で焼成する段階S3を遂行する。この際、プレッシング成形物を成形するにおいて、酸素の流入を徹底的に遮断するために焼成炉は必ず真空焼成炉を使用しなければならない。仮りに酸素が流入されると、塑性過程において酸化が起き製造される電極板の水素及び酸素の生成効率を落とす。
【0041】
このような塑性段階を介し、酸化ニッケルは鎔融されて炭素、炭素ナノチューブ及び触媒らを硬い構成体に結合させる。
【0042】
以下、本発明を実施例を介してさらに具体的に説明する。これら実施例は只本発明を例示するためのものであって、本発明の保護範囲がこれら実施例によって制限されるものではない。
【実施例】
【0043】
先ず、炭素ナノチューブ、炭素粉末、酸化ニッケル粉末、脱炭酸ナトリウム化合物粉末、光ナノトルマリン粉末、ランタン、白金粉末をミキサーを用いてミキシングすることによってミキシング混合物を形成する。この際、前記ミキシング混合物を形成するために炭素が30g、炭素ナノチューブ2g、酸化ニッケル60g、脱炭酸ナトリウム化合物20g、光ナノトルマリン10g、ランタン15g、白金3gを混合した後、高分散度にミキシングしてミキシング混合物を作る。以後、ミキシング混合物を板材形態の溝が形成された金型に投入した後、1000ton/cmの圧力でプレッシングしてプレッシング成形物を形成する。そして、プレッシング成形物を真空焼成炉において1700℃で400分間塑性することによって、電極板を完成する。
【0044】
前記実施例によって製造された電極板の表面にはnm単位の多孔が形成されていて、また微細な山と谷が形成された構造になっている。すなわち、電極板にはnm単位の山と谷が高密度に形成されていて水との接触表面積が大きくなる。例えば、水が谷部分で酸化されて酸素を作る時、同時に水素イオンが生じ、水素イオンは山の頂上部分に集まった後触媒が水素イオンを還元する反応を促進して大量の水素酸素混合ガスを作るようになる。
【比較例】
【0045】
通例的に水を電気分解する電極板としてステンレス鋼からなる電極板を供え、相互比較したデータを記載した。
【0046】
【表1】

【0047】
前記表で比較された通り、本発明の実施例によって製造された電極板は比較例で使われた電極板に比べ多くの投入エネルギーに比べて非常に多くの水素及び酸素を発生することが分かる。
【0048】
本発明は図面に示された一実施例を参考に説明されたが、これは例示的なことに過ぎなし、本技術分野における通常の知識を有する者なら本発明から多様な変形及び均等な他の実施例が可能であるという点を理解するはずである。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
水を電気分解して水素及び酸素を発生するための水素酸素発生用電極板において、
炭素ナノチューブ(CNT)と、炭素(C)と、酸化ニッケル(NiO)と、脱炭酸ナトリウム化合物(NaTaO)と、触媒とを含むことを特徴とする炭素ナノチューブを用いた水素酸素発生用電極板。
【請求項2】
前記炭素100重量部を基準とする時、前記炭素ナノチューブは2〜15重量部であり、前記酸化ニッケルは80〜360重量部であり、前記脱炭酸ナトリウム化合物は20〜130重量部であり、前記触媒は10〜200重量部であることを特徴とする請求項1に記載の炭素ナノチューブを用いた水素酸素発生用電極板。
【請求項3】
前記触媒は、
ランタン(La)と、光ナノトルマリンと、白金(Pt)とからなる群中から選択されたいずれか1つ以上を含んで具現されたことを特徴とする請求項1に記載の炭素ナノチューブを用いた水素酸素発生用電極板。
【請求項4】
水を電気分解して水素及び酸素を発生するための水素酸素発生用電極板の製造方法において、
炭素ナノチューブ粉末と、炭素粉末と、酸化ニッケル粉末と、脱炭酸ナトリウム化合物粉末と、触媒を均一にミキシングして高分散度のミキシング混合物を形成する段階S1と、
前記ミキシング混合物を金型に投入した後加圧してプレッシング成形物を成形する段階S2と、及び
前記プレッシング成形物を真空焼成炉で焼成する段階S3とを含むことを特徴とする炭素ナノチューブを用いた水素酸素発生用電極板及びそれを製造するための製造方法。
【請求項5】
前記段階S2において前記プレッシング成形物は500〜1500ton/cmの圧力で加圧することを特徴とする請求項4に記載の炭素ナノチューブを用いた水素酸素発生用電極板の製造方法。
【請求項6】
前記段階S3において前記プレッシング成形物は600〜2000℃で20〜400分の範囲で焼成することを特徴とする請求項4に記載の炭素ナノチューブを用いた水素酸素発生用電極板の製造方法。
【請求項7】
前記段階S3において塑性は酸素の流入が遮断された真空焼成炉で進行されることを特徴とする請求項6に記載の炭素ナノチューブを用いた水素酸素発生用電極板の製造方法。
【請求項8】
前記触媒は、
ランタン(La)と、粉末形態の光ナノトルマリンと、粉末形態の白金とからなる群中から選択されたいずれか1つ以上を含んで具現されたことを特徴とする請求項4に記載の炭素ナノチューブを用いた水素酸素発生用電極板の製造方法。
【請求項9】
前記炭素100重量部を基準とする時、前記炭素ナノチューブは2〜15重量部であり、前記酸化ニッケルは80〜360重量部であり、前記脱炭酸ナトリウム化合物は20〜130重量部であり、前記触媒は10〜200重量であることを特徴とする請求項4に記載の炭素ナノチューブを用いた水素酸素発生用電極板の製造方法。

【公開番号】特開2010−47837(P2010−47837A)
【公開日】平成22年3月4日(2010.3.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−178651(P2009−178651)
【出願日】平成21年7月31日(2009.7.31)
【出願人】(509198859)
【Fターム(参考)】