JP2010111945A - 水素酸素混合発生システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷却用ファンやポンプ等の電気装置を使用せずに放熱が可能となるとともに、燃焼火花が逆火される可能性を排除することができ、安全性が確保できる水素酸素混合ガス発生システムを提供する。
【解決手段】水が貯蔵され水素酸素混合ガスが捕集される水貯蔵捕集槽１０と、多数の電極２１、２２が内蔵されるものであって、水を電気分解するための電極ユニット２０と、水貯蔵捕集槽１０の下部側と電極ユニット２０とを連結して水貯蔵捕集槽１０から電極ユニット２０に水を供給する一つ以上の水供給管３０、３０'と、水貯蔵捕集槽１０の上部側と電極ユニット２０とを連結して電極ユニット２０から排出される水素酸素混合ガスを水貯蔵捕集槽１０に貯蔵された水の上部側に供給するガス供給管４０、４０'と、水貯蔵捕集槽１０を貫通して内蔵されるものであって、水貯蔵捕集槽１０の熱を吸熱した後放熱する吸熱放熱部５０とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は水から水素酸素混合ガスを発生させる水素酸素混合ガス発生システムに関するものである。

水素酸素混合ガス発生システム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、正（＋）及び負（−）電極が設けられた貯蔵槽内に少量の電解物質が添加された水を供給して直流電圧を印加することによって、無公害エネルギー源である水素酸素混合ガスを発生させる。この際、発生される水素と酸素は２:１のモル比で発生され、−電極表面に水素が気泡形態に生成され、＋電極表面に酸素が気泡形態に生成される。このように生成された水素と酸素は混合されて混合ガス形態になり燃焼が可能となる。また水素酸素混合ガスは燃焼時、汚染物質が生成しないので環境にやさしいエネルギー源として新しく浮き彫りになっている。

しかし、水を電気分解する過程において多くの熱が発生されるので、その熱を冷やすための放熱装置を採用しなければならないが、放熱装置を設けるための空間や放熱装置を稼働するための各種の電気装置ら、例えば冷却用ファンやポンプ等が必要したので、結局大きさが大きくなり全体的な構造が複雑であった。

また水素酸素混合ガス内部には酸素が含まれていて外部から酸素を供給されなくても燃焼する。したがって、燃焼時生成される燃焼火花は常に逆火される可能性が共存する問題点があった。

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、空気を自然循環させる方式の吸熱放熱部を採用することによって冷却用ファンやポンプ等の電気装置を使用せずに放熱が可能となり、また全体的な構造を単純化することのができ、コンパクトに具現することができる混合ガス発生システムを提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、燃焼火花が逆火される可能性を排除することができるので安全性が確保できる水素酸素混合ガス発生システムを提供することにある。

前記のような目的を果たすために本発明にかかる水素酸素混合ガス発生システムは、水が貯蔵され水素酸素混合ガスが捕集される水貯蔵捕集槽１０と、多数の電極２１、２２が内蔵されるものであって、水を電気分解するための電極ユニット２０と、前記水貯蔵捕集槽１０の下部側と電極ユニット２０とを連結して前記水貯蔵捕集槽１０から前記電極ユニット２０に水を供給する一つ以上の水供給管３０、３０'と、前記水貯蔵捕集槽１０の上部側と電極ユニット２０とを連結して前記電極ユニット２０から排出される水素酸素混合ガスを前記水貯蔵捕集槽１０に貯蔵された水の上部側に供給するガス供給管４０、４０'、及び前記水貯蔵捕集槽１０を貫通して内蔵されるものであって、前記水貯蔵捕集槽１０の熱を吸熱した後放熱する吸熱放熱部５０を含み、前記吸熱放熱部５０は、前記水貯蔵捕集槽１０を上下方向に貫通するように設けられる一つ以上の放熱管５１と、前記放熱管５１に内蔵されるものであって、空気との接触面積をふやすための放熱ピン形成部５２とを含むことを特徴とする。

本発明にかかる水素酸素混合ガス発生システムによると、水が貯蔵され水素酸素混合ガスが捕集される水貯蔵捕集槽と、水貯蔵捕集槽を貫通して内蔵される吸熱放熱部とを含むことによって、冷却用ファンやポンプ等の電気装置を使用せずに空気を自然循環させて放熱が可能となり、また全体的な構造を単純化することができるし、さらに全体的にコンパクトに具現することができる。

また逆流防止フィルターユニットを採用することによって燃焼火花が逆火されないようにすると同時に、高純度の混合ガスを生成することができ、さらに安全な水素酸素混合ガス発生システムを具現することができる作用、効果がある。

本発明にかかる水素酸素混合ガス発生システムの構成を説明するための図である 図１の吸熱放熱部を説明するための図である

以下、本発明にかかる水素酸素混合ガス発生システムを添付の図面を参照して詳しく説明する。

図１は本発明による水素酸素混合ガス発生システムの構成を説明するための図であり、図２は図１の吸熱放熱部を説明するための図である。

示されたように、本発明にかかる水素酸素混合ガス発生システムは、 水が貯蔵され水素酸素混合ガスが捕集される水貯蔵捕集槽１０と、多数の電極２１、２２が内蔵されるものであって、水を電気分解するための電極ユニット２０と、水貯蔵捕集槽１０の下部側と電極ユニット２０とを連結して前記水貯蔵捕集槽１０から前記電極ユニット２０に水を供給する一つ以上の水供給管３０、３０'と、水貯蔵捕集槽１０の上部側と電極ユニット２０とを連結して前記電極ユニット２０から排出される水素酸素混合ガスを水貯蔵捕集槽１０に貯蔵された水の上部側に供給するガス供給管４０、４０'と、水貯蔵捕集槽１０を貫通して内蔵されるものであって、前記水貯蔵捕集槽１０の熱を吸熱した後放熱する吸熱放熱部５０と、 外部から水を供給するメイン水供給管（Ｓ）と連結されてその水貯蔵捕集槽１０に貯蔵された水が一定水位を維持するようにする水位維持部６０と、水貯蔵捕集槽１０から流入される水素酸素混合ガスがその水貯蔵捕集槽１０に逆流されることを防止するための逆流防止フィルターユニット７０と、逆流防止フィルターユニット７０と連結されて水素酸素混合ガスを噴射するノズル８０とを含むことを特徴とする。

水貯蔵捕集槽１０は、電極ユニット２０に水を供給すると同時に、電極ユニット２０から発生される水素酸素混合ガスを捕集する装置である。水貯蔵捕集槽１０は全体的に筒形状をしているし、耐圧にも耐えるように耐久性に優れた金属材質からなる。

水貯蔵捕集槽１０の内部には電極ユニット２０で発生された水素酸素混合ガスを水から分離する混合ガス分離フィルター１１が設けられ、混合ガス分離フィルター１１の上部に水素酸素混合ガスが捕集される捕集部１２が形成されることができる。

この場合、混合ガス分離フィルター１１は、細かいメッシュの網に光触媒、さらに望ましくは上述したトルマリン光触媒が形成されて具現される。トルマリン光触媒はメッシュの網にコーティングされたり、メッシュの網を製造する時に含有されるようにする。混合ガス分離フィルター１１は、上昇する水素酸素混合ガス内部の含まれた異物、すなわち電気分解の時−、＋電極で発生される異物や、供給される水に含まれた異物をフィルタリングすることいよって、純粋な水素酸素混合ガスのみを捕集することができる。特に、混合ガス分離フィルター１１に光触媒が形成されているので、異物は光触媒作用によってさらに効果的に除去される。

一方、水貯蔵捕集槽１０の表面には水貯蔵捕集槽１０の放熱効率を高めるための熱伝導層１０ａが形成されるのが望ましい。熱伝導層１０ａは、ナノメートルサイズ、望ましくは１０−６０ナノメートルサイズの炭素ナノチューブとトルマリン光触媒を単独または混合して塗布することによって具現される。

電極ユニット２０は、水を電気分解して水素と酸素を生産するためのものであって、所定の間隔をおいて配置される多数の−電極２１と＋電極２２を含む。この際、−、＋電極２１、２２の表面は電気分解が効率的に起き、生成された水素酸素の気泡が容易に脱落されるようにナノ研磨されている。

ナノ研磨とは、−、＋電極２１、２２の表面をナノ単位で研いたものを意味する。このようなナノ研磨を通じて−、＋電極２１、２２表面の摩擦力を最小化することができるので、生成された水素及び酸素気泡が非常に容易に脱落されることができる。

特に、物質の大きさがバルク状態からナノサイズに小くなる場合、機械的、熱的、電気的、磁気的、光学的物性が独特に変わるが、−、＋電極２１、２２表面をナノ研磨して物性を変化させることによって水の電気分解がさらに活発になるものである。

一方、−、＋電極２１、２２の表面には炭素ナノチューブ及び/またはトルマリン光触媒が附着され得る。この際、トルマリン光触媒はトルマリンを数マイクロから数ナノメートル単位の粉末に粉碎した後、約１３００℃の温度で塑性することによって具現された後、−、＋電極２１、２２に接着剤等を用いて附着される。トルマリンは水晶のような結晶構造を有する六方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を多く生成させる。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、電解液との接触面積を広げることができる幾多の微細気孔が形成された光触媒に具現され、このようなトルマリン光触媒を−、＋電極２１、２２に附着することによって電解液の電気分解をさらに促進させることができる。さらに、−、＋電極２１、２２は、トルマリン光触媒を板形に成形することによって具現されることもできることは勿論である。

前記−、＋電極２１、２２は全体的に密封された構造である管やボックス内部に位置される。

水供給管３０、３０'は水貯蔵捕集槽１０から電極ユニット２０に水を供給する管路であって、ガス供給管４０、４０'は電極ユニット２０で発生された水素酸素混合ガスを水貯蔵捕集槽１０に供給する管路である。

吸熱放熱部５０は、水貯蔵捕集槽１０の熱を吸熱した後放熱するものであって、水貯蔵捕集槽１０を上下方向または左右方向に貫通するように設けられる一つ以上の放熱管５１と、放熱管５１に内蔵されるものであって空気との接触面積をふやすための放熱ピン形成部５２とを含む。この際、吸熱放熱部５０は、放熱管５１の上部または下部に設けられる放熱ファン５３と、水貯蔵捕集槽１０の温度を測定してその水貯蔵捕集槽１０の温度が基準温度以上になった時、放熱ファン５３を作動させる信号を発生する温度感知センサー５４とをさらに含むのが望ましい。

放熱管５１は水貯蔵捕集槽１０を上下方向または左右方向に貫通する多数個の小直径の管でなっていて、本実施例では７個を採用している。

放熱ピン形成部５２は放熱管５１に繋がれ、その放熱管５１を経由する空気との接触面積をふやす。このような放熱ピン形成部５２は多様な形態で具現することができるが、本実試例においては図２に示されたように、薄い帯形状の板金をスクリュー形状に捩って具現され、その板金に多数の凹凸５２ａを形成したものを使用している。

この際、放熱管５１内周面または放熱ピン形成部５２の表面には水貯蔵捕集槽１０からの吸熱及び放熱効率を高めるための熱伝導層５１ａが形成される。前記熱伝導層５１ａは、ナノメートルサイズ、望ましくは１０−６０ナノメートルサイズの炭素ナノチューブとトルマリン光触媒を単独または混合して塗布することによって具現される。

放熱ファン５３は、空気を強制吸入し放熱管５１を経由するようにするものである。

温度感知センサー５４は水貯蔵捕集槽１０の温度が基準温度以上に上昇する時や、または以上動作によって温度が過度に上昇する時これを検知し、放熱ファン５３を作動させる信号を発生する。

水位維持部６０は、メイン水供給管（Ｓ）と連結され、その水貯蔵捕集槽１０に貯蔵された水が一定水位を維持するようにすることによって、多様な方式で具現され得る。本実試例において水位維持部６０は、メイン水供給管（Ｓ）と連結されるソレノイドバルブ６１と、水貯蔵捕集槽１０内部に設けられ貯蔵された水の水位を検知することによって一定水位になるようにソレノイドバルブ６１を開閉する信号を発生する水水位感知センサー６２とを含む。しかし、水位維持部は、トイレの便器に適用される浮標方式に具現されることができることは勿論である。

逆流防止フィルターユニット７０は、捕集部１２からガスライン７５を通じて流入される水素酸素混合ガスから異物を除去し、高純度の混合ガスを作るためのものであり、さらに水素酸素混合ガスが捕集部１２へ逆流されることを防止するための逆火防止機能をする。これのために、逆流防止フィルターユニット７０は、その内部に水が貯蔵されてガスライン７５が繋がれる水貯蔵部７１と、水貯蔵部７１の上部に設けられるものであって触媒が貯蔵された触媒貯蔵部７２と、水貯蔵部７１と触媒貯蔵部７２の間を連結するベンチュリ部７３とを含む。この際、水貯蔵部７１において水の上部側には水を経由した水素酸素混合ガスが捕集されるサブ捕集部７１ａが形成されている。

触媒貯蔵部７２には触媒が貯蔵されるが、このような触媒としてトルマリン光触媒、または白金触媒がある。このような触媒貯蔵部７２は化合物形態からなる異物を触媒作用によって除去するようになる。

第１ベンチュリ部７３はそれを経由する水素ガスと酸素ガスを均一に混合するためと同時に、触媒貯蔵部７２に移動された混合ガスがサブ捕集部７１ａへ逆流されないようにするためのものである。これのためにベンチュリ部７３内部には微細な流路が一つまたは多数個形成されているし、さらに望ましく微細な流路がスクリュー形態からなる。

ベンチュリ部７３に形成された流路の直径は０．２ｍｍ〜１０ｍｍの間であることが望ましい。

実質的に、水貯蔵部７１へ流入された水素ガスと酸素ガスは部分的に混合されていない状態である。しかし、これら水素ガスと酸素ガスはベンチュリ部７３の流路を経由しながら自然に混合される。

一方、水貯蔵部７１の内部には水の水位を感知する水位感知部７４が設けられる。水位感知部７４は、水貯蔵部７１で消耗される水の量を測定し給水タンク（図示せず）から水が水貯蔵部７１に供給されるようにする。このような水位感知部７４は多様な形態で具現されることができるが、例えば浮標方式や、センサー方式等に具現され得る。このような水位感知部７４及び給水タンクは当業界において使われている技術であるため詳細な説明は略する。

さらに、水貯蔵部７１の内部に位置されるガスライン７５の端部に連結された異物除去フィルター７６が設けられ得る。異物除去フィルター７６はガスライン７５を通じて流入される水素酸素混合ガス内部に含まれた異物を除去する。

前記逆流防止フィルターユニット７０の構造によって、ガスライン７５を通じて流入される水素酸素混合ガスに含まれた異物は異物除去フィルター７６によって除去される。以後、異物が除去された混合ガスは上昇してサブ捕集部７１ａに集められ、これによりガスライン７５に逆火されなくなる。さらに、サブ捕集部７１ａに集められた混合ガスは、以後ベンチュリ部７３を経由しながらさらに均一に混合され、触媒貯蔵部７２を通過しながら化合物からなった異物が除去され、高純度の混合ガスになる。

次に、前記のような水素酸素混合ガス発生システムの動作を説明する。

前記構造によって、電極ユニット２０に直流を印加すると、−電極２１及び＋電極２２の間に電気分解が起きながら水素及び酸素気泡が発生し、これらの混合ガスは水とともにガス供給管４０、４０'を通じて水貯蔵捕集槽１０内部の水の上部側へ流入される。すると、水貯蔵捕集槽１０の内部圧力が高くなり、高くなった内部圧力は水が水供給管３０、３０'に抜け出るようにする。すなわち、ポンプのような構成を採用しなくても、水貯蔵捕集槽１０に供給される水素酸素混合ガスの圧力によって水は自然に水供給管３０、３０'を通じて電極ユニット２０に供給される。以後、水素酸素混合ガスは混合ガス分離フィルター１１を経由した後、捕集部１２に集められ、捕集部１２に捕集された水素酸素混合ガスはガスライン７５→逆流防止フィルターユニット７０→ノズル８０を通じて燃焼ガスとして使用するようになる。

一方、電極ユニット２０において電気分解が進行されるによって多くの熱が発生され、この熱はガス供給管４０、４０'を通じて水貯蔵捕集槽１０に伝達しながら水貯蔵捕集槽１０の温度が上がる。すると、水貯蔵捕集槽１０を貫通して設けられる吸熱放熱部５０の放熱管５１及び放熱ピン形成部５２の温度が上がり、これによって放熱管５１内部の空気は加熱されて上昇した後、外部に抜け出る。すなわち、放熱管５１及び放熱ピン形成部５２に伝達された水貯蔵捕集槽１０の熱は、その放熱管５１内部の温度を上昇させて外部に抜け出るようにすることによって自然放熱することができる。

さらに、水貯蔵捕集槽１０の温度が基準温度以上に上昇したり、または異常動作によって温度が過度に上昇すると、温度感知センサー５４はこれを検知して放熱ファン５３を作動させる信号を発生し、これによって急速な放熱が可能となる。

本発明は図面に示された一実施例を参照に説明されたが、これは例示的なことに過ぎなく、本技術分野の通常の知識を有する者なら本発明により多様な変形及び均等な他の実試例が可能であることがわかる。

１０...水貯蔵捕集槽 １０ａ...熱伝導層
１１...混合ガス分離フィルター １２...捕集部
２０...電極ユニット ２１、２２...電極
３０、３０'...水供給管 ４０、４０'...ガス供給管
５０...吸熱放熱部 ５１...放熱管
５１ａ...熱伝導層 ５２...放熱ピン形成部
５３...放熱ファン ５４...温度感知センサー
６０...水位維持部 ６１...ソレノイドバルブ
６２...水水位感知センサー ７０...逆流防止フィルターユニット
７１...水貯蔵部 ７１ａ...サブ捕集部
７２...触媒貯蔵部 ７３...ベンチュリ部
７４...水位感知部 ７５...ガスライン
７６...異物除去フィルター ８０...ノズル

Claims (6)

1. 水が貯蔵され水素酸素混合ガスが捕集される水貯蔵捕集槽と、
   多数の電極が内蔵されるものであって、水を電気分解するための電極ユニットと、
   前記水貯蔵捕集槽の下部側と前記電極ユニットとを連結して前記水貯蔵捕集槽から前記電極ユニットに水を供給する一つ以上の水供給管と、
   前記水貯蔵捕集槽の上部側と前記電極ユニットとを連結して前記電極ユニットから排出される水素酸素混合ガスを前記水貯蔵捕集槽に貯蔵された水の上部側に供給するガス供給管及び
   前記水貯蔵捕集槽を貫通して内蔵されるものであって、前記水貯蔵捕集槽の熱を吸熱した後放熱する吸熱放熱部とを含み、
   前記吸熱放熱部は、前記水貯蔵捕集槽を上下方向に貫通するように設けられる一つ以上の放熱管と、
   前記放熱管に内蔵されるものであって、空気との接触面積をふやすための放熱ピン形成部とを含むことを特徴とする水素酸素混合ガス発生システム。
2. 前記吸熱放熱部は、前記放熱管の上部または下部に設けられる放熱ファンと、前記水貯蔵捕集槽の温度を測定してその水貯蔵捕集槽の温度が基準温度以上になった時、前記放熱ファンを作動させる信号を発生する温度感知センサーとをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の水素酸素混合ガス発生システム。
3. 前記水貯蔵捕集槽の表面または前記放熱管の内周面または前記放熱ピン形成部の表面には放熱効率を高めるための熱伝導層が形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の水素酸素混合ガス発生システム。
4. 前記熱伝導層は、ナノメートルサイズの炭素ナノチューブとトルマリン光触媒を単独または混合して塗布することによって具現されることを特徴とする請求項３に記載の水素酸素混合ガス発生システム。
5. 外部から水を供給するメイン水供給管と連結され、その水貯蔵捕集槽に貯蔵された水が一定水位を維持するようにする水位維持部をさらに含み、
   前記水位維持部は、前記メイン水供給管と連結されるソレノイドバルブと、前記水貯蔵捕集槽内部に設けられて貯蔵された水の水位を検知することによって一定水位になるように前記ソレノイドバルブを開閉する信号を発生する水水位感知センサーとを含むことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の水素酸素混合ガス発生システム。
6. 前記水貯蔵捕集槽の内部に設けられ前記水素酸素混合ガスを水から分離する混合ガス分離フィルターと、前記混合ガス分離フィルターの上部に形成されてその混合ガス分離フィルターを経由した水素酸素混合ガスが捕集される捕集部とをさらに含むことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の水素酸素混合ガス発生システム。

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