KR100532230B1 - 전해셀 및 이를 이용한 수소 발생장치 - Google Patents

전해셀 및 이를 이용한 수소 발생장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 전해셀 및 이를 이용한 수소발생장치에 관한 것이다.
보다 상세하게로는, 다수의 투수공을 갖는 극판, 기하학적패턴이 적층되는 방수판, 소정입도의 메쉬를 갖는 니켈재질의 전극판, 희토입자막이 적층되는 구성으로 이루어 진 전해셀을 제공한다.
또한, 상기와 같은 하나 이상의 전해셀을 조립한 후 전해액이 충진되는 챔버의 내측에 삽입하는 구성으로 이루어진 수소발생장치를 제공한다.
이에 따라서, 다양한 재질을 사용할 수 있도록 하고, 조립이 간단하고 편리하며, 내부 소모를 최소화 하여 전해 효율을 극대화 시키도록 하는 것이다.

Description

전해셀 및 이를 이용한 수소 발생장치{AN ELECTROLYTIC CELL AND HYDROGEN PRODUCER USING ELECTROLYTIC CELL}
본 발명은, 희토입자막과 니켈재질의 전극판을 이용하여 내부 소모를 최소화 하여 전해 효율을 극대화 시키도록 하는 전해셀 및 이를 이용한 수소발생기에 관한 것이다.
이는 특히, 다수의 투수공이 일체로 형성되는 극판과 전해액의 순환이 용이하도록 기하학적패턴이 상부면에 형성되는 방수판 및 시트중앙부에 소정입도의 메쉬가 형성되는 전극판, 희토입자막이 적층되는 것을 특징으로 한다.
일반적으로 수소는, 물의 원소나 분자를 전기분해하는 동작에 얻을 수 있으며, 전해질로서 염기성의 전해액을 사용하였다.
또한 수소는, 연소 후 수증기만을 배출시키기 때문에 인체에 무해하며, 환경오염물질의 발생이 없어 차세대 에너지원으로서 각광을 받을 것으로 기대된다.
더하여, 상기 수소는 무독성으로 방출시에도 인체에 무해하고, 물을 보충하는 동작으로 연료원의 공급이 가능토록 되며, 이와같은 수소는 자동차 연료, 각종 열에너지제품, 가정및 산업용 보일러 등 다양한 분야에서 사용될 수 있다.
이와같은 기술과 관련된 수소및 산소 발생을 위한 전해셀(21)이 대한민국등록특허공보 제468541호에 개시되어 있으며 그 구성은 도1에 도시한 바와같이, 산소배출용 엘보우(32)및 수소배출용 니플(33)을 갖는 말단판(22a)(22b) 사이에 전해질막(25)이 설치되며, 상기 전해질막(25)의 상하측에 음극챔버및 양극챔버를 형성하는 다공질컨넥터(26b)(26a)가 각각 구비되고, 상기 다공질컨넥터(26b)(26a)의 일측에 산소경로(29)(29a)및 수소경로(30)(30a)를 각각 구비하는 전극판(24)이 배치된다.
그리고, 상기 전극판(24)과 다공질컨넥터(26a)(26b)사이에는 내주면및 외주면가스켓(31i)(31o)이 구비되고, 전해질막(25)과 다공질컨넥터(26a)(26b)사이에도 내주면및 외주면실시트(28i)(28o)가 구비되며, 전극판(24)과 말단판(22a)(22b)사이에 가스켓(27)이 구비되는 구성으로 이루어 진다.
그러나, 상기와 같은 전해셀은, 음극챔버및 양극챔버를 형성하기 위한 복수의 컨넥터를 필요로 하여 부품수가 증가되며, 관통되는 중앙부를 통하여 전해액이 공급됨으로써 불필요한 소비를 유발하고, 전해셀의 내부소모가 증가되는 등의 단점이 있는 것이다.
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 다양한 재질을 사용할 수 있도록 하고, 조립이 간단하고 편리하게이루어 지도록 하며, 내부 소모를 최소화 하여 전해 효율을 극대화 시키도록 하고, 극화전압과 전압차를 최소화 하도록 하는 수소 발생장치를 제공하는 데 있다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 전해액의 이동 경로를 따라 방수판, 극판, 전극판, 희토입자막 그리고, 희토입자막에서 부터 다시금 전극판, 극판, 방수판이 적층되는 하나 이상의 전해셀 조합으로 이루어진 전해셀을 제공한다.
또한, 전해액의 이동 경로를 따라 방수판, 극판, 전극판, 희토입자막 그리고, 희토입자막에서 부터 다시금 전극판, 극판, 방수판이 적층되는 하나 이상의 전해셀 조합으로 이루어진 전해셀을 복수의 볼트및 이에 대응되는 너트로서 순차로 적층 결합하여 전해액이 충진되는 챔버의 내측에 설치하는 구성으로 이루어진 전해셀을 이용한 수소 발생장치를 제공한다.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은, 내부에너지를 최소화 하기 위하여 다공성 극판을 이용하여 표면적을 증가시키고, 희토이온을 이용한 교환막을 통하여 이온교환의 에너지소모를 취소화 하고, 니켈망에 의해 극판에 생성된 산소, 수소의 체류시간을 최소화 하여 저항을 줄이도록 한다.
상기와 같은 구성에 의해 수소의 발생효율이 도9a,b에서와 같이 92.4% 이상으로 향상되었다.
또한, 발명의 수소는 하기의 반응식및 도8에 나타난 동작상태도에서 설명된 바와같은 물의 전기분해에 의해 얻어지며,
[반응식]
2H2O 전류 2H2 ↑+O2↑
음극 : 4H+ + 4e = 2H2 ↑
양극: 4OH_ = O2 ↑+ 2H2O + 4e
역기에서, 수소이온은 양극을 산소와 수소의 이온은 음극을 띄어 전해조의 양극과 음극사이에서 수소의 이온은 음극을 향해 이동하여 수소를 생성하고, 양극은 산소를 생성한다.
이때, 상기 물속에는 강산성 또는 강알칼리를 첨가하면 전기분해 속도가 가속된다.
본 발명의 전해셀(100)은 도2 및 도3에서 도시한 바와같이, 전해액의 이동 경로를 따라 방수판(130), 극판(110), 전극판(150), 희토입자막(170) 그리고 전극판(150), 극판(110), 방수판(130)이 순차로 적층되는 구성으로 하나의 전해셀(100)를 구성한다.
그리고, 상기 극판(110)은 스테인레스 재질로 이루어져 다수의 유동홈(115)이 일체로 형성되며, 상기 극판(110)의 재질은 한정이 없으며 전기 전도성이면서 부식에 강한 재질이면 가능하다.
더하여, 상기 방수판(130)은, 고무나 합성수지등의 절열재로 이루어져 그 상부면에 소정의 기하학적 형상을 갖으면서 니켈도금층이 구비되는 유동라인(135)이 일체로 적층되고, 산소와 수소가 통과하는 방출홈(137)이 각각 형성되며, 상기 유동라인(135)과 방출홈(137)에는 도금층이 일체로 연결되고, 상기 도금층 역시 그 재질이 니켈로서 한정될 필요없이 내식성을 갖는 도전성 재질이면 가능하다.
또한, 상기 전극판(150)은, 고무나 합성수지등의 절열재의 중앙부에 니켈로 이루어진 메쉬형상의 스크린(155)이 구비되며, 상기 스크린(155)은 물의 이온화성능을 향상토록 200메시 이상의 입도를 갖도록 형성된다.
그리고, 상기 200메시 이상의 입도를 갖는 스크린 일측에는 강도보강을 위하여 별도의 스크린이 더 구비된다.
계속하여, 상기 희토입자막(170)은, 나노상태의 희토재질과 바인더의 혼합구조로서 시트상태로 제조되며, 상기 바인더는 폴리에스트롤 원액을 적정비율로 희석하여 제조되면서 수소압력에 따라 그 두께가 조정된다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 개체의 전해셀(100)에 볼트공등을 형성한 전해셀(500)을 다수개 조합하여 수소발생장치(600)를 이루며, 상기 수소발생장치(600)는 개체의 전해셀(500)을 복수의 볼트(300)및 이에 대응되는 너트(310)로서 결합하는 구성으로 이루어 진다.
더하여, 상기 전해셀(100)은, 하나나 다수개 설치시 각각의 전해셀 즉 방수판의 일측면에 마감판(240)을 각각 부착하여 압력에 견디도록 한 후 케이블(650)을 통하여 각각 상이한 전원을 공급토록 한다.
계속하여, 상기 전해셀(500)은, 상기와 같은 전해셀(100)을 이루는 각각의 극판(110), 방수판(130), 전극판(150), 희토입자막(170)등에 상호 연결을 위한 하나 이상의 볼트공(217)(234)(254)(274)(294)을 형성하는 구성으로 이루어진 극판(210), 방수판(230), 전극판(250), 희토입자막(270) 및 마감판(290)으로 이루어 진다.
또한, 상기 방수판(230)및 마감판(290)에는 복수의 전해액유동홀(237)(297)과 산소및 수소배출홈(232)(292)이 각각 구비되고, 상기 전해액유동홀(237)(297)과 산소및 수소배출홈(232)(292)은 전해셀(500)의 챔버(700)내 설치상태에 따라 변하게 된다.
그리고, 상기 수소발생기(600)는, 전해액(C)이 충진되는 챔버(700)의 내측에 설치되며, 상기 수소배출홈과 산소배출홈이 챔버(700)의 상부에 설치되는 수소배출관(710)및 산소배출관(730)과 연결되도록 설치된다.
한편, 도7에서와 같이, 상기와 같은 구성을 갖는 하나 이상의 전해셀(500)은 절연체(670)를 개재하여 전기적으로 분리되는 커버(610)의 내측에 설치되고, 상기 커버(610)는 전해액의 유동이 가능토록 복수의 관통공(610a)이 형성되고, 상이한 전원을 공급하기 위한 단자(640)가 일측에 각각 돌출되며, 산소및 수소배출관과 연결하기 위한 배관(630)이 일체로 연결된다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.
도2 내지 도9에서 도시한 바와같이, 본 발명은 먼저, 방수판(130)(230)과 극판(110)(210)및 전극판(150)(250)과 희토입자막(170)(270)를 적층한 후 그 가장자리에 마감판(240)을 각각 위치시켜 볼트체결이나 상기 방수판(130)(230)과 극판(110)(210)및 전극판(150)(250)과 희토입자막(170)(270)를 커버(610)의 내측에 삽입하는 동작에 의해 압착하면 방수판과 극판및 전극판이 전기적으로 연결되어 전극판에 각각의 전원이 공급된다.
이때, 극판과 방수판등은 일반적으로 쉽게 구할 수 있는 재질을 이용하여 설계함으로써 제작비를 최소화 한다.
또한, 본 발명의 극판은 스테인레스및 광금속류로 제작되어 재질에 따른 제약이 최소화 되면서 물에 의한 부식을 최소화 하게 된다.
그리고, 본원 발명의 방수판(130)은, 고무판의 상부에 기하학적 형상을 갖는 유동라인(135)이 구비되어 전해액이 쉽게 유동되는 동시에 입자막과 극판의 베이스 역활을 수행하면서 수소와 산소의 압력차이를 형성하게 된다.
또한, 상기 유동라인(135)은 직경이 상이한 다수의 원과 이를 연결하는 직선으로 이루어진 기하학적 형상에 의해 유체의 유동은 원활하면서 발생되는 수소압력에 의해 파손이 방지된다.
더하여, 상기 희토입자막(170)과 전극판(150)은 시트상으로 구성되어 전해단의 극화 전압이 낮고 전압차가 낮아 전력소모를 최소화 하면서 압력손실을 최소화 한다.
또한, 상기 희토입자막(170)은, 전해단의 내부 소모를 줄여 전해효율을 높이도록 한다.
상기와 같은 개체의 전해셀(500)을 복수의 볼트(300)및 너트(310)에 의해 조립한 후 전해액(C)이 충진되는 챔버(700)에 삽입한 후 마감판(240)에 전원을 공급한다.
이때, 상기 전극판(150)은 각각 상이하게 공급되는 전원에 의해 전해단의 한쪽에 수소방을 다른 한 쪽에 산소방을 구성한다.
즉, 상기 전극판(150)에 전기가 공급되면 물이 전기분해되어 산소와 수소입자로 분리되고, 희토입자막(170)으로 이루어진 고체 전해질을 통하여 수소입자의 이온화를 활성화 시키게 된다.
이와 같이 물의 전기분해에 의해 발생된 수소는 챔버(700)의 수소배출관(710)을 통하여 배출된다.
그리고, 본원발명은 도8에서와 같이, 희토입자막의 양측에 전극판과 극판및 방수판이 각각 위치하는 구성으로 상기 다공성 전극판은 수소방 및 산소방을 구성하게 된다.
더하여, 상기 방수판은 각각의 수소방과 산소방을 구분하면서 다공상의 전극판으로 각각 + 및 -극성을 인가하게 된다.
이와같은 구성에서, 전해액이 방수판을 통하여 공급되면 마감판 입구의 전해액 입구로 통하여 전해셀로 투입되고, 극판과 방수판 접촉면에 형성되는 유동라인을 통하여 양극(+)의 다공상 극판으로 유입된다.
이때, 상기 전해액은 전류하에 분해되고 생성된 산소는 분해되지 않는 전해액과 함께 방수판의 유동라인을 통하여 저장조로 유입된후 일부 산소는 외부로 방출된다.
한편, 상기 전해액중 입자막을 통과한후 음극(-)의 다공성 극판에서 수소를 생성하고, 상기 수소는 수소통로를 통하여 방출되면서 마감판에 연결되는 수소배출관(710)을 통하여 배출되는 것이다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 다양한 재질을 사용할 수 있도록 하고, 조립이 간단하고 편리하게 이루어 지며, 내부 소모를 최소화 하여 전해 효율을 극대화 시키고, 극화전압과 전압차를 최소화 하는 효과가 있는 것이다.
본 발명한 실시예에 관련하여 도시하고 설명 하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알수 있음을 밝혀 두고자 한다.
도1은 종래의 수소 및 산소 발생을 위한 전해셀을 도시한 단면도 이다.
도2 및 도3은 본 발명에 따른 전해셀을 도시한 단면도 및 분해상태도 이다.
도4는 본 발명에 따른 전해셀을 이용한 수소 발생장치를 도시한 분해도 이다.
도5 및 도6은 본 발명에 따른 전해셀을 이용한 수소 발생장치를 도시한 단면도 및 장착상태도 이다.
도7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소발생장치를 도시한 단면도 이다.
도8은 본 발명에 따른 수소발생장치를 도시한 개략도 이다.
도9a,b는 각각 본 발명에 수소발생장치의 발생효율을 도시한 그래프도 이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
110...극판 130...방수판
150...전극판 170...희토입자막
190...마감판 300...볼트
500...전해셀 700...챔버
710...수소배출관

Claims (9)

  1. 희토입자막(170)을 중심으로 복수의 전극판(150)과 극판(110)및 방수판(130)이 각각 적층되는 구성으로 이루어 지며,
    a)상기 극판(110)은 도전성 재질로 이루어져 다수의 유동홈(115)이 일체로 관통 형성되고,
    b)상기 방수판(130)은, 절연체의 상부면에 소정의 기하학적 형상을 갖으면서 도전층이 형성된 유동라인(135)이 일체로 적층되고, 상기 유동라인(135)과 도전층으로서 연결되는 방출홈(137)이 각각 형성되며,
    c)상기 전극판(150)은, 전해액의 이온화성능을 향상하도록 메쉬형상의 스크린(155)이 구비되고,
    d)상기 희토입자막(170)은 시트상으로 제조되는 전해셀
  2. 제1항에 있어서, 상기 전극판(150)은, 물의 이온화성능을 향상토록 200메시 이상의 입도를 갖는 스크린과 강도보강을 위한 스크린으로 이루어 지는 것을 특징으로 하는 전해셀
  3. 제1항에 있어서, 상기 희토입자막(170)은, 나노상태의 희토재질과 바인더의 혼합구조로서 이루어 지는 것을 특징으로 하는 전해셀
  4. 제1항에 있어서, 상기 유동라인(135)은, 유체의 유동은 원활하면서 발생되는 수소압력에 의해 파손이 방지토록 직경이 상이한 다수의 원과 이를 연결하는 직선으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전해셀
  5. 제1항 내지 제4항의 구성으로 이루어진 하나 이상의 전해셀에 복수의 볼트공을 형성하여 볼트(300)및 이에 대응되는 너트(310)로서 순차로 적층 결합하고, 상기 전해설(500)를 전해액(C)이 충진되는 챔버(700)의 내측에 설치하는 구성으로 이루어진 전해셀을 이용한 수소 발생장치
  6. 제5항에 있어서, 상기 전해셀(500)은, 방수판의 양측에 마감판(240)을 개재하여 전원을 공급하면서 방수판을 보호하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 전해셀을 이용한 수소 발생장치
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 전해셀(500)은, 상기 볼트(300)가 삽입되는 하나 이상의 볼트공(217)(234)(254)(274)(294)을 형성하는 극판(210), 방수판(230), 전극판(250), 희토입자막(270)및 마감판(290)으로 이루어 지며,
    상기 방수판(230)및 마감판(290)에는 복수의 전해액유동홀(237)(297)과 산소및 수소배출홈(232)(292)이 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 전해셀을 이용한 수소 발생장치
  8. 제5항에 있어서, 상기 전해셀(500)은, 희토입자막(270)을 중심으로 그 양측면에 각각 대칭토록 전극판(250)과 극판(210)및 방수판(230)이 각각 적층되고,
    상기 방수판(230)에는, 도전층을 갖는 기하학적 형상의 유동라인(135)이 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 전해셀을 이용한 수소 발생장치
  9. 제1항 내지 제4항의 구성으로 이루어진 하나 이상의 전해셀(500)을 절연체(670)를 개재하여 결합되면서 전해액의 유동이 가능토록 복수의 관통공(610a)이 형성되는 복수의 커버(610)내측에 밀착결합하고, 절연체(670)로서 절연되는 커버에 상이한 전원을 공급하도록 설치되며, 상기 전해셀(500)를 전해액(C)이 충진되는 챔버(700)의 내측에 설치하는 구성으로 이루어진 전해셀을 이용한 수소 발생장치
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