KR101866967B1 - 대용량 활성화 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 1회 실험에 의하여 100g 이상의 대량으로 활성탄을 제조가능하고, 활성화 공정 중에는 물론이거니와 공정이 완료된 후에도 증기 배출부에 칼륨이 적층되지 않고 완벽하게 회수되는 대용량 활성화 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 대용량 활성화 장치는, 탄화시료와 KOH 용액을 담아서 활성화 공정을 수행하는 반응 용기부; 상기 반응 용기부 내부로 질소 기체를 공급하는 질소 공급부; 상기 반응 용기부 내에서 발생하는 증기를 외부로 배출하는 증기 배출부; 상기 증기 배출부에 연결되어 설치되며, 상기 증기 배출부를 통하여 배출되는 칼륨을 회수하는 칼륨 회수부; 상기 반응 용기부 내부 및 증기 배출부에 교번적으로 에탄올 증기를 공급하는 에탄올 증기 공급부; 상기 반응 용기부 외부에 설치되며, 상기 반응 용기부 내부를 가열하는 가열부;를 포함한다.
Description
본 발명은 대용량 활성화 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 1회 실험에 의하여 100g 이상의 대량으로 활성탄을 제조가능하고, 활성화 공정 중에는 물론이거니와 공정이 완료된 후에도 증기 배출부에 칼륨이 적층되지 않고 완벽하게 회수되는 대용량 활성화 장치에 관한 것이다.
일반적으로 슈퍼 커패시터는 정전기적(electrostatic) 특성을 이용하기 때문에 전기 화학적 반응을 이용하는 배터리에 비하여 충방전 회수가 거의 무한대이고 반영구적으로 사용 가능하며, 에너지의 충방전 속도가 매우 빨라 그 출력 밀도가 배터리의 수십 배 이상이다.
따라서 기존의 화학전지 배터리로는 구현하지 못하는 슈퍼 커패시터의 특성으로 인하여, 산업계 전반에 걸쳐 슈퍼 커패시터의 응용 분야가 점차 확대되는 추세이다. 특히, 요즘과 같은 고유가 시대에 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV) 또는 연료전지자동차(Fuel Cell Vehicle, FCV) 등과 같은 차세대 환경 친화 차량 개발 분야에 있어 에너지 버퍼로서 슈퍼 커패시터의 효용성은 날로 증가하고 있다.
즉, 슈퍼 커패시터는 보조 에너지 저장장치로서 화학전지 배터리와 병용됨으로써, 순간적인 에너지의 공급과 흡수는 슈퍼 커패시터가 담당하고, 평균적인 차량의 에너지 공급은 배터리가 담당함으로써 전반적인 차량 시스템의 효율 개선과 에너지 저장 시스템의 수명 연장 등의 효과를 기대할 수 있다.
또한, 이동전화나 동영상 레코더와 같은 휴대용 전자 부품에서 보조 전원으로 사용될 수 있으며, 그 중요성 및 용도가 날로 증가하고 있다.
이와 같은 슈퍼 커패시터는 크게 전기 이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor : EDLC)와 산화환원 커패시터(Pseudo capacitor)로 분류된다. 상기 EDLC는 표면에 전기 이중층이 생성되어 전하를 축적하고, 수도 커패시터는 활물질로 사용되는 금속 산화물의 산화환원 반응에 의해 전하를 축적한다.
그런데 상기 수도 커패시터는 금속 산화물로 사용되는 재료(특히, 루테늄 산화물)의 가격이 고가이고, 또한 사용 후 폐기시 상기 재료가 친환경적이지 못하기 때문에 환경오염을 유발하는 문제가 있다.
이에 반해, EDLC는 전극물질 자체가 갖는 뛰어난 안정성과 함께 친환경적인 탄소재료를 이용한다. 이러한 탄소 전극물질에는 활성 탄소분말(ACP : Activated Carbon Powder), 탄소 나노튜브(CNT : Carbon Nano Tube), 흑연, 기상성장 탄소섬유(VGCF : Vaopr Growen Carbon Fiber), 탄소 에어로겔(Carbon aerogel), 폴리 아크릴로나이트릴(PAN : Poly acrylonitrile) 및 폴리비닐리덴플로라이드(PVdF : Poly Vinylidenefluoride)와 같은 고분자를 탄화하여 제조하는 탄소나노섬유(CNF : Carbon Nano Fiber) 및 활성화 탄소나노섬유(ACNF : Activated Carbon Nano Fiber) 등이 사용된다. 상기 탄소재료 이외에 도전성을 부여하기 위해 카본 블랙 등의 도전재를 첨가한다.
EDLC 는 일반적으로 전류 집전체, 전극, 전해질 및 분리막으로 구성되며, 분리막으로 인해 서로 전기적으로 분리된 두개의 전극 사이에 전해질이 충진되어 있고, 전류 집전체는 전극에 효과적으로 전하를 충전시키거나 방전시키는 역할을 한다. 이러한 EDLC의 전극재료로 사용되는 활성탄소 전극은 미세기공으로 이루어진 다공질로서 넓은 비표면적을 가지고 있어, 활성탄소 전극에 (-)를 걸어주면 전해질로부터 해리되어 나온 (+) 이온이 활성탄소 전극의 기공 내로 들어가서 (+)층을 이루고, 이는 활성탄소 전극의 계면에 형성된 (-)층과 전기 이중층을 형성하면서 전하를 충전시키게 된다.
이러한 EDLC 커패시터의 축전용량은 활성탄소 전극의 구조 및 물성에 크게 의존하는데, 요구되는 특성으로는 비표면적이 클 것, 물질 자체의 내부저항이 작을 것, 그리고 탄소 소재의 밀도가 높을 것 등이 있다.
이렇게 전기전도도가 우수하면서도 용량이 큰 다기능 전극재료로 본 특허의 출원인은 고전기전도성 구형 복합체 제조 기술을 제안하였는바, 이제 이러한 고전기전도성 구형 복합체를 대량으로 양산하기 위한 양산 기술의 개발이 절실하게 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 고전기전도성 구형 복합체 양산 기술 중 하나인 대용량 활성화 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 1회 실험에 의하여 100g 이상의 대량으로 활성탄을 제조가능하고, 활성화 공정 중에는 물론이거니와 공정이 완료된 후에도 증기 배출부에 칼륨이 적층되지 않고 완벽하게 회수되는 대용량 활성화 장치를 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 대용량 활성화 장치는, 탄화시료와 KOH 용액을 담아서 활성화 공정을 수행하는 반응 용기부; 상기 반응 용기부 내부로 질소 기체를 공급하는 질소 공급부; 상기 반응 용기부 내에서 발생하는 증기를 외부로 배출하는 증기 배출부; 상기 증기 배출부에 연결되어 설치되며, 상기 증기 배출부를 통하여 배출되는 칼륨을 회수하는 칼륨 회수부; 상기 반응 용기부 내부 및 증기 배출부에 교번적으로 에탄올 증기를 공급하는 에탄올 증기 공급부; 상기 반응 용기부 외부에 설치되며, 상기 반응 용기부 내부를 가열하는 가열부;를 포함한다.
그리고 본 발명에 상기 반응 용기부는, 상부가 개방된 원통 형상으로 구성되는 외부 용기; 상기 외부 용기 내부에 설치되며, 상부가 개방된 원통 형상을 가지는 내부 용기; 상기 외부 용기의 개구된 상부를 덮는 상부 덮개;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 외부 용기와 내부 용기는 니켈로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 대용량 활성화 장치에는, 상기 증기 배출부의 직경이 질소 공급부의 직경보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 에탄올 증기 공급부는, 에탄올 증기를 연속적으로 발생시키는 에탄올 증기 발생부; 상기 에탄올 증기 발생부와 상기 반응 용기부를 연결하여 설치되며, 상기 에탄올 증기 발생부에서 발생된 에탄올 증기를 상기 반응 용기부로 공급하는 제1 에탄올 증기 공급관; 상기 제1 에탄올 증기 공급관에 설치되며, 상기 반응 용기부로 공급되는 에탄올 증기를 단속하는 제1 단속 밸브; 상기 에탄올 증기 발생부와 상기 증기 배출부를 연결하여 설치되며, 상기 에탄올 증기 발생부에서 발생된 에탄올 증기를 상기 증기 배출부로 공급하는 제2 에탄올 증기 공급관; 상기 제2 에탄올 증기 공급관에 설치되며, 상기 반응 용기부로 공급되는 에탄올 증기를 제1 단속밸브와 교번적으로 단속하는 제2 단속 밸브;를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 1회 실험에 의하여 100g 이상의 대량으로 활성탄을 제조가능하고, 활성화 공정 중에는 물론이거니와 공정이 완료된 후에도 증기 배출부에 칼륨이 적층되지 않고 완벽하게 회수되는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대용량 활성화 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.
본 실시예에 따른 대용량 활성화 장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 반응 용기부(110), 질소 공급부(120), 증기 배출부(130), 칼륨 회수부(140), 에탄올 증기 공급부(150) 및 가열부(160)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저 상기 반응 용기부(110)는 도 1에 도시된 바와 같이, 탄화시료와 KOH 용액을 담아서 활성화 공정을 수행하는 공간을 제공하는 구성요소이다. 본 실시예에 따른 대용량 활성화 장치(100)에서는 탄화시료와 KOH 용액을 1 : 2의 비율로 투입하여 활성화 공정을 진행한다. 따라서 상기 반응 용기부(110) 내에는 KOH를 최대 400g 까지 투입하고, 탄화시료는 최대 200g 까지 투입할 수 있는 내부 체적을 가진다.
구체적으로 본 실시예에서 상기 반응 용기부(110)는 도 1에 도시된 바와 같이, 외부 용기(112)와 내부 용기(114) 및 상부 덮개(116)로 구성될 수 있다. 먼저 상기 외부 용기(112)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상부가 개방된 원통 형상으로 구성되는 용기이다. 그리고 상기 내부 용기(114)는 상기 외부 용기(112) 내부에 설치되며, 상부가 개방된 원통 형상을 가지며, 실제로 탄화시료와 KOH 용액의 혼합물이 담기는 구성요소이다. 이때 상기 내부 용기(112)와 외부 용기(112) 사이에는 일정한 이격 공간이 형성되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 상부 덮개(116)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 외부 용기(112)의 개구된 상부를 덮는 구성요소이며, 상기 내부 용기(114)에 탄화시료와 KOH 용액을 투입하거나 활성화가 완료된 시료를 배출하는 경우에는 상부 덮개(116)가 개방된 상태에서 작업이 진행되고, 공정 중에는 상기 외부 용기(112) 및 내부 용기(114) 내부 공간을 밀폐 공간으로 만든 상태에서 공정이 진행된다. 따라서 상기 상부 덮개(116)는 상기 외부 용기(112)에 용이하게 여닫을 수 있는 구조로 결합되며, 닫힌 상태에서는 확실한 밀폐 성능을 가지도록 견고한 결합 구조를 가진다.
한편 본 실시예에서 상기 외부 용기(112)와 내부 용기(114)는 니켈로 이루어지는 것이, 반응 과정 중에서 탄화시료나 KOH 용액에 의하여 부식되는 등의 현상이 발생하지 않으므로 바람직하다.
다음으로 상기 질소 공급부(120)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 반응 용기부(110)에 결합되어 설치되며, 상기 반응 용기부(110) 내부로 질소 기체를 지속적으로 공급하는 구성요소이다. 이때 상기 질소 공급부(120)는 질소 공급 탱크(122)와 연결관(124) 및 질소 공급구(126)로 구성될 수 있다. 상기 질소 공급구(126)는 상기 외부 용기(112)의 일측벽을 관통하여 설치되며, 외부에서 공급되는 질소 기체의 이동 통로를 제공한다.
다음으로 상기 증기 배출부(130)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 반응 용기부(110)에 결합되어 설치되며, 상기 반응 용기부(110) 내에서 발생하는 증기를 외부로 배출하는 구성요소이다. 본 실시예에서 상기 증기 배출부(130)는 상기 질소 공급구(126)의 반대편에 설치되며, 상기 외부 용기(112)의 측벽을 관통하여 설치된다. 이때 상기 증기 배출부(130)는 상기 질소 공급구(126)의 직경보다 2배 정도 크게 형성되는 것이, 원활한 증기 배출을 위하여 바람직하다.
다음으로 상기 칼륨 회수부(140)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 증기 배출부(130)에 연결되어 설치되며, 상기 증기 배출부(130)를 통하여 배출되는 칼륨을 회수하는 구성요소이다. 상기 증기 배출부(130)는 구체적으로 증기 배출구(132)와 배출관(134)로 이루어질 수 있다. 그리고 상기 칼륨 회수부(140)는 일정한 내부 체적을 가지는 용기로 구성되며, 그 내부에는 낮은 온도로 유지되는 에탄올이 채워지는 구성을 가진다. 따라서 상기 증기 배출부(130)를 통하여 가열된 상태로 공급되는 증기에서 칼륨 등이 에탈올 용해되어 회수되는 것이다.
다음으로 상기 에탄올 증기 공급부(150)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 반응 용기부(110) 외부에 설치되며, 상기 반응 용기부(110) 내부 및 증기 배출부(130)에 교번적으로 에탄올 증기를 공급하는 구성요소이다. 여기에서 '교번적으로 에탄올 증기를 공급'한다는 것은, 상기 에탄올 증기 공급부(150)에 의하여 만들어진 에탄올 증기가 상기 반응 용기부(110)에 공급되는 경우에는 상기 증기 배출부(130)에는 공급되지 않고, 상기 증기 배출부(130)에 공급되는 경우에는 상기 반응 용기부(110)에 공급되지 않는 것을 말한다.
이를 위하여 본 실시예에서 상기 에탄올 증기 공급부(150)는 구체적으로, 에탄올 증기 발생부(151), 제1 에탄올 증기 공급관(152), 제1 단속밸브(153), 제2 에탄올 증기 공급관(154) 및 제2 단속밸브(155)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저 상기 에탄올 증기 발생부(151)는 도 1에 에탄올 증기를 연속적으로 발생시키는 구성요소로서, 일정량의 에탄올이 체워지는 에탄올 보유 용기와 상기 에탄올 보유 용기를 가열하여 에탄올 증기를 만드는 열원을 포함하여 구성될 수 있다.
그리고 상기 제1 에탄올 증기 공급관(152)은 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 에탄올 증기 발생부(151)와 상기 반응 용기부(110)를 연결하여 설치되며, 상기 에탄올 증기 발생부(151)에서 발생된 에탄올 증기를 상기 반응 용기부(110)로 공급하는 구성요소이다.
그리고 상기 제1 단속밸브(153)는 상기 제1 에탄올 증기 공급관(152)에 설치되며, 상기 반응 용기부(110)로 공급되는 에탄올 증기를 단속하는 구성요소이다.
또한 상기 제2 에탄올 증기 공급관(154)은 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 에탄올 증기 발생부(151)와 상기 증기 배출부(130)를 연결하여 설치되며, 상기 에탄올 증기 발생부(151)에서 발생된 에탄올 증기를 상기 증기 배출부(130)로 공급하는 구성요소이다. 그리고 상기 제2 단속밸브(155)는 상기 제2 에탄올 증기 공급관(154)에 설치되며, 상기 반응 용기부(110)로 공급되는 에탄올 증기를 제1 단속밸브(153)와 교번적으로 단속하는 구성요소이다.
따라서 상기 제2 단속 밸브(155)는 제1 단속 밸브(153)와 배타적으로 단속된다. 즉, 제1, 2 단속밸브(153, 155)는 동시에 닫히거나 열리지 않고, 어느 한 단속밸브가 열린 경우에는 다른 단속 밸브가 닫히는 방식으로 제어되는 것이다.
이때 상기 제2 에탄올 증기 공급관(154)은 상기 배출관(134)의 증기 배출구(132) 측 말단에 연결되는 것이, 배출관(134)의 온도 하강과 칼륨 석출을 방지할 수 있어서 바람직하다.
다음으로 상기 가열부(160)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 반응 용기부(110) 외부에 설치되며, 상기 반응 용기부(110) 내부를 가열하는 구성요소이다. 즉, 상기 가열부(160)는 상기 반응 용기부(110) 내에서 원활하게 활성화 반응이 이루어지도록 적합한 온도로 상기 반응 용기부(110)를 가열하는 것이며, 이를 위하여 히터(162)와 온도 제어부(164)로 구성될 수 있다.
100 : 본 발명의 일 실시예에 따른 대용량 활성화 장치
110 : 반응 용기부 120 : 질소 공급부
130 : 증기 배출부 140 : 칼륨 회수부
150 : 에탄올 증기 공급부 160 : 가열부
110 : 반응 용기부 120 : 질소 공급부
130 : 증기 배출부 140 : 칼륨 회수부
150 : 에탄올 증기 공급부 160 : 가열부
Claims (5)
- 탄화시료와 KOH 용액을 담아서 활성화 공정을 수행하는 반응 용기부;
상기 반응 용기부 내부로 질소 기체를 공급하는 질소 공급부;
상기 반응 용기부 내에서 발생하는 증기를 외부로 배출하는 증기 배출부;
상기 증기 배출부에 연결되어 설치되며, 상기 증기 배출부를 통하여 배출되는 칼륨을 회수하는 칼륨 회수부;
상기 반응 용기부 내부 및 증기 배출부에 교번적으로 에탄올 증기를 공급하는 에탄올 증기 공급부;
상기 반응 용기부 외부에 설치되며, 상기 반응 용기부 내부를 가열하는 가열부;를 포함하며,
상기 에탄올 증기 공급부는,
에탄올 증기를 연속적으로 발생시키는 에탄올 증기 발생부;
상기 에탄올 증기 발생부와 상기 반응 용기부를 연결하여 설치되며, 상기 에탄올 증기 발생부에서 발생된 에탄올 증기를 상기 반응 용기부로 공급하는 제1 에탄올 증기 공급관;
상기 제1 에탄올 증기 공급관에 설치되며, 상기 반응 용기부로 공급되는 에탄올 증기를 단속하는 제1 단속 밸브;
상기 에탄올 증기 발생부와 상기 증기 배출부를 연결하여 설치되며, 상기 에탄올 증기 발생부에서 발생된 에탄올 증기를 상기 증기 배출부로 공급하는 제2 에탄올 증기 공급관;
상기 제2 에탄올 증기 공급관에 설치되며, 상기 반응 용기부로 공급되는 에탄올 증기를 제1 단속밸브와 교번적으로 단속하는 제2 단속 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 대용량 활성화 장치. - 제1항에 있어서, 상기 반응 용기부는,
상부가 개방된 원통 형상으로 구성되는 외부 용기;
상기 외부 용기 내부에 설치되며, 상부가 개방된 원통 형상을 가지는 내부 용기;
상기 외부 용기의 개구된 상부를 덮는 상부 덮개;를 포함하는 것을 특징으로 하는 대용량 활성화 장치. - 제2항에 있어서, 상기 외부 용기와 내부 용기는 니켈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 대용량 활성화 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 증기 배출부의 직경이 질소 공급부의 직경보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 대용량 활성화 장치. - 삭제
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| JP2005132702A (ja) | 2003-10-31 | 2005-05-26 | Jfe Chemical Corp | 活性炭の製造方法およびその製造装置 |
| JP2007186383A (ja) * | 2006-01-13 | 2007-07-26 | Jfe Chemical Corp | 活性炭の製造装置および製造方法 |
| JP2007261918A (ja) | 2006-03-30 | 2007-10-11 | Shiga Pref Gov | 竹活性炭の製造方法 |
| JP5852231B2 (ja) | 2011-05-16 | 2016-02-03 | エクスパンション エナジー， エルエルシー | 炭素の捕捉および分離、環境修復ならびに金属回収のためのシステムおよび方法 |
-
2016
- 2016-04-19 KR KR1020160047415A patent/KR101866967B1/ko active IP Right Grant
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