KR100620801B1

KR100620801B1 - 전해효율이 향상된 수소산소 혼합가스 발생장치 및 그 사용방법

Info

Publication number: KR100620801B1
Application number: KR1020050012001A
Authority: KR
Inventors: 손대호
Original assignee: (주)국제에너지
Priority date: 2005-02-14
Filing date: 2005-02-14
Publication date: 2006-09-13
Also published as: KR20060091136A

Abstract

본 발명은 전기분해방법에 의해 수소산소 혼합가스를 발생시키는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극관에 붙어 있는 기포상태의 수소 또는 산소를 신속히 이탈시키도록 하고 전해조에서 발생되는 기체와 전해액을 동시에 냉각시키는 것을 특징으로 하는 전해효율이 향상된 수소산소 혼합가스 발생장치에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명의 구성은 직류전력을 공급하는 전력공급부와; 전해액을 전기분해하여 수소, 산소 및 기체 불순물(H₂O, KOH)를 발생시키는 전해조와; 전해조에서 발생한 기체와 전해액을 강제순환시키는 순환펌프와; 전해조에서 발생한 기체와 전해액을 동시에 냉각시키는 냉각부와; 수소산소 혼합가스와 전해액을 분리 포집하는 분리탱크와; 상기 구성요소들를 연결하는 전해액 순환라인;으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 통하여 전해조에서 발생하는 기체를 전해액과 함께 강제순환시킴으로써 수소 또는 산소가 생성되는 즉시 전해액과 함께 전해조를 빠져 나오도록 하여 전극관에 수소 또는 산소가 붙어 있는 시간을 최소화함과 동시에 전해액과 접촉하는 전극판의 유효면적을 최대화할 수 있다.

또한 전해조에서 발생하는 기체와 전해액을 동시에 냉각시킴으로써 기체상태로 포함된 불순물(H₂O, KOH)을 다시 액체 상태로 환원시켜 별도의 필터(가스냉각장 치)를 구성하지 않고도 고순도의 수소산소 혼합가스를 얻을 수 있다.

전기분해, 수소, 산소, 전해조, 강제순환, 분리탱크, 전극관

Description

전해효율이 향상된 수소산소 혼합가스 발생장치 및 그 사용방법{A hydrogen and oxygen generator with high electrolytic efficiency and its using method}

도 1은 본 발명의 전체적인 구성도이며,

도 2는 본 발명에 따른 전해조의 일실시예를 보여주는 도면이며,

도 3은 도 2의 A-A'단면을 나타내는 도면이며,

도 4는 본 발명에 따른 전극관 유닛의 분해사시도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 설명 *

100 : 전해조 200 : 순환펌프

300 : 냉각부 400 : 분리탱크

500 : 전해액 순환라인 110 : 케이싱

120 : 전극관 유닛 121 : 전극관

122 : 고정대 123 : 고정볼트

일반적으로 물을 전기분해하여 수소산소 혼합가스를 얻는 장치에서는 전해조 내에서 물과 수산화칼륨(KOH)을 일정비율로 혼합한 전해액이 전류가 인가된 전극판과 접촉되면 (+)전극판 표면에는 산소가스가, (-)전극판 표면에는 수소가스가 각각 기포 형태로 생성된다.

종래에는 사각형의 전해조에 (+)극과 (-)극의 전극판을 교번으로 배열하여 상자용 용기에 장착하는 방법 또는 (+)극을 중심에 두고 원통형 전극통을 여러겹으로 배열하여 원통형 용기에 장착하는 방법 등이 고안되었는데, 상기의 방법을 사용한 경우 전해액의 효과적인 방열이 어려워 실용화되지 못했다.

왜냐하면 전해액은 전기분해로 인하여 온도가 상승하게 되는데, 전해액이 고온으로 되면서 증발되는 수증기(H₂O), 수산화칼륨(KOH) 등의 기체불순물이 포함되므로 수소산소 혼합가스의 순도를 떨어뜨리는 문제점이 있었기 때문이다.

그 후 전극판을 라지에이타처럼 배치함으로써 공랭식으로 전해액을 냉각하는 전해조가 고안되었으나 그 또한 충분한 양의 가스를 생산하기에는 용량이 적어 대용량의 가스를 생산하기에는 부적당하였다.

이러한 문제를 해결하고자 전해액을 강제순환시키는 방법이 고안되었는데, 이 또한 전극판에 생성된 가스를 신속히 이탈시키지 못함으로써 상대적으로 전극판의 유효면적을 감소시키는 결과를 낳아 전해효율이 떨어져 충분한 실효성을 거두지 못했다.

상기의 방법은 단지 전해액만 강제순환시켜 냉각시키는 것일 뿐, 전해조 내부에서 발생하는 가스(H₂, O₂)는 여전히 자연적인 부력의 힘만으로 전극판에서 떨어져 전해액 위로 떠올라 전해액 상부의 공간에 모여 압력이 발생함으로써 가스가 배출되는 것이기 때문이다. 즉, 전원가 인가되면 각각의 전극판에 기포가 생성되고 기포가 중첩되어 어느정도 커져야 전극판에서 이탈되어 전해액 수면위로 상승하는 것이다.

또한 상기 방법은 전해액 상부의 가스가 모이는 공간에 압력이 증가할수록 수압이 작용하므로 전해액 내에서의 기포의 이동에 지장을 초래하게 되고, 이에 따라 전극판에 기포가 붙어있는 시간이 길어질 수 밖에 없으며, 기포가 붙어있는 전극판 부위는 전기분해가 일어날 수 없는 상태가 되므로 결과적으로 전극판의 유효 면적을 축소시켜 전해효율은 여전히 낮을 수 밖에 없는 문제점이 있었다.

한편 전극관에 전원을 인가하는 방법에 대하여 살펴보면, 종래에는 최외곽의 전극관에 음극을 연결하고 중심부에 설치한 전극관에 양극이 연결함으로써 중심이 되는 양극관과 음극 케이싱 사이에 배치되는 전극관에는 전원이 연결되지 않고 간접적으로 대전되도록 구성하였다. 그러나 이러한 방법은 각 전극관 사이의 전위차가 낮아 전해효율이 저하되는 문제점이 야기시켰다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로써, 본 발명의 목적은 전해조에서 발생하는 기체를 전해액과 함께 강제순환시킴으로써 수소 또는 산소가 생성되는 즉시 전해액과 함께 전해조를 빠져 나오도록 하여 전극관에 수소 또는 산소가 붙어 있는 시간을 최소화함과 동시에 전해액과 접촉하는 전극관의 유효면적을 최대화할 수 있다.

또한 각각의 전극관에 전원공급부에서 인출된 (+)(-)전원을 직접 연결함으로써 종래의 전해조에 비해 전극관 사이의 전위차를 높게 유지시켜 전해효율을 극대화하는데 있다.

또한 혼합가스와 전해액을 동시에 냉각시킴으로써 기체상태로 포함된 불순물(수증기, 수산화칼륨)을 다시 액체 상태로 환원시켜 별도의 필터를 구성하지 않고도 고순도의 수소산소 혼합가스를 얻는데 있다.

이를 위한 본 발명의 구성은 직류전력을 공급하는 전력공급부(도면 미도시)와; 전해액을 전기분해하여 수소, 산소 및 기체 불순물(H₂O, KOH)를 발생시키는 전해조(100)와; 전해조에서 발생한 기체와 전해액을 강제순환시키는 순환펌프(200)와; 전해조에서 발생한 기체와 전해액을 동시에 냉각시키는 냉각부(300)와; 수소산소 혼합가스와 전해액을 분리 포집하는 분리탱크(400)와; 상기 구성요소들를 연결하는 전해액 순환라인(500);으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 살펴본다.

전력공급부(도면 미도시)는 일반 교류전원에 과전류보호장치가 구비되고 변압기를 통해 적정전압으로 변환한 다음 정류기와 전류제어기를 거쳐 생성되는 직류전원이 전극관에 직접 공급되도록 한다.

전해조(100)는 도 1 내지 도 3을 참조하여 원통형의 케이싱(110)과 케이싱 내에 설치되는 전극관 유닛(120)으로 구성된다.

상기 케이싱(110)은 개방되는 양단 부분이 반구형태로 밀폐되는 구조이며, 상기 밀폐되는 일단면에 전해액이 유입되는 유입구(111)가 형성되고, 타단면에 전해액이 유출되는 유출구(112)가 형성된다.

상기 케이싱 내에 설치되는 전극관 유닛(120)은 서로 다른 크기의 반경을 가지는 다수개의 원통형 전극관(121)이 서로 동심원(同心圓)형태로 중첩되어 일정간격 이격되도록 구성되는데, 상기 전극관을 고정하기 위하여 전극관이 개방되는 양단 부분에 고정대(122)가 끼워지고, 상기 고정대는 상기 전극관의 중심을 관통하는 고정볼트(123)에 끼워져 너트 등으로 고정되어 서로 결합되는 구조이다.

상기 고정대(122)의 형태에 대하여 구체적으로 살펴보면, 고정대(122)의 일측면에는 다수개의 원통형 전극관이 끼워져 고정될 수 있도록 서로 다른 크기의 반경을 가지는 원형 삽입홈(122a)이 형성되어야 하고, 전해액이 원활하게 고정대를 통과할 수 있도록 공간부(122b)를 가진 형태이면 가능한 것이므로 도면에서 예시된 십자가(╂) 형태뿐만 아니라 사람인(人)형태 또는 다수의 장공을 가진 원판 형태 등 다양한 형태가 가능할 것이다. 그리고 연강판에 니켈도금된 전극관(121)과는 달리 고정대(122)는 합성수지와 같은 절연재로 제작되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성으로 일정한 크기의 전해조(110)에서의 전극관(121)의 면적을 최대한으로 할 수 있고, 전해조(110) 내부는 기체가 모이는 여유공간 없이 전해액으로 꽉 차게되는 상태가 계속되며, 전해액이 통과하면서 전극관(121)에 생성되는 수소 또는 산소 기포가 전극표면에 붙어 있는 시간을 최소화 함과 동시에 전해액이 전극관(121)과 접촉하여 전해될 수 있는 유효면적을 최대화 할 수 있게 된다.

한편 상기 각각의 전극관(121)에는 상기 전원공급부에서 인출된 전원선을 직접 연결시킬 수 있도록 전원단자(121a)를 형성하고, (+)전극관과 (-)전극관이 교번으로 배열되도록 전원공급부의 (+)전원과 (-)전원을 직접 연결한다. 또한 (+)전극관과 (-)전극관 사이의 간격을 되도록 줄여주어 종래의 전해조에 비해 전극관 사이의 전위차를 높게 유지시킴으로써 전해효율을 극대화할 수 있게 한다.

상기 순환펌프(200)는 상기 전해조(100)의 유출구(112)와 연결되어 전해액과, 전해조(100)에서 발생하는 수소 또는 산소 기포, 그리고 수증기(H₂O), 수산화칼륨(KOH) 등과 같은 기체불순물을 냉각부(300)로 강제순환시키게 된다.

상기 냉각부(300)는 전해액과, 수소 또는 산소 기포, 기체불순물(H₂O, KOH) 등을 함께 냉각시키게 되는데, 주로 라지에이타를 사용한다. 이는 100℃이하로 냉각되기만 하면 전해조(100)에서 발생하는 불순물(H₂O, KOH)은 액체상태로 환원되고, 수소 또는 산소는 기체상태를 그대로 유지하기 때문이다.

상기 분리탱크(400)는 상기 냉각부(300)를 통과한 전해액과 가스기포(H₂, O₂)가 유입되어 전해액과 가스(H₂, O₂)를 서로 분리하는 부분으로, 하부에는 전해액 순환라인(500)과 연결되도록 전해액유출구(401)가 형성되고, 상부에는 가스이송라인(600)과 연결되도록 가스유출구(402)가 형성된다.

상기와 같은 구성으로 가스(H₂, O₂)는 상승하여 분리탱크(400) 상부로 모여 가스이송라인(600)을 통해 외부로 배출되고, 전해액은 분리탱크(400) 하부에 모여 전해액 유출구(401)를 통해 다시 전해조의 유입구(111)로 공급된다.

이로써 종래 전해액 냉각장치와 별도로 기체상태의 수증기(H₂O)와 수산화칼륨(KOH)을 액체상태로 환원시키기 위한 가스냉각장치를 구비하지 않고도 고순도의 수소산소 혼합가스를 얻을 수 있게 된다.

한편 수소산소 혼합가스의 발생으로 소비되는 것은 물(H₂O)이기 때문에 전해액 순환라인에서 물(H₂O)만 보충해주면 된다.

상기와 같은 구성을 통하여 전해조에서 발생하는 기체를 전해액과 함께 강제순환시킴으로써 수소 또는 산소가 생성되는 즉시 전해액과 함께 전해조를 빠져 나오도록 하여 전극관에 수소 또는 산소가 붙어 있는 시간을 최소화함과 동시에 전해액과 접촉하는 전극관의 유효면적을 최대화할 수 있다.

또한 각각의 전극관에 전원공급부에서 인출된 (+)(-)전원을 직접 연결함으로써 종래의 전해조에 비해 전극관 사이의 전위차를 높게 유지시켜 전해효율을 극대 화할 수 있다.

또한 전해조에서 발생하는 기체와 전해액을 동시에 냉각시킴으로써 기체상태로 포함된 불순물(H₂O, KOH)을 다시 액체 상태로 환원시켜 별도의 필터(가스냉각장치)를 구성하지 않고도 고순도의 수소산소 혼합가스를 얻을 수 있다.

Claims

수소산소 혼합가스 발생장치에 있어서,

직류전력을 공급하는 전력공급부와;

전해액을 전기분해하여 수소, 산소 및 기체 불순물(H₂O, KOH)를 발생시키는 전해조(100)와;

전해조(100)에서 발생한 기체와 전해액을 강제순환시키는 순환펌프(200)와;

전해조(100)에서 발생한 기체와 전해액을 동시에 냉각시키는 냉각부(300)와;

수소산소 혼합가스와 전해액을 분리 포집하는 분리탱크(400)와;

상기 구성요소들를 연결하는 전해액 순환라인(500);으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전해효율이 향상된 수소산소 혼합가스 발생장치.
제 1항에 있어서, 상기 전해조(100)는

원통형의 케이싱(110)과 케이싱 내에 설치되는 전극관 유닛(120);으로 이루어지되,

상기 케이싱(110)의 개방되는 양단 부분은 반구형태로 밀폐되는 구조이며, 상기 밀폐되는 일단면에 전해액이 유입되는 유입구(111)가 형성되고, 타단면에 전해액이 유출되는 유출구(112)가 형성되는 것을 특징으로 하는 전해효율이 향상된 수소산소 혼합가스 발생장치.
제 2항에 있어서, 상기 케이싱 내에 설치되는 전극관 유닛(120)은

서로 다른 반경을 가지고 동심원(同心圓) 형태로 중첩되어 구성되는 다수개의 원통형 전극관(121)과;

상기 다수개의 전극관(121)이 개방되는 양단 부분에 끼워지는 절연재질의 고정대(122)와;

상기 다수개의 전극관(121)의 중심을 관통하는 고정볼트(123)로 구성되되,

상기 고정대(122)는 상기 고정볼트(123)에 끼워져 고정되는 한편, 고정대(122)의 일측면에는 다수개의 원통형 전극관(121)의 개방되는 양단부분이 끼워 고정될 수 있도록 서로 다른 직경을 가지는 원형 삽입홈(122a)이 형성되며, 전해액이 원활하게 통과할 수 있도록 공간부(122b)가 형성되는 것을 특징으로 하는 전해효율이 향상된 수소산소 혼합가스 발생장치.
제 3항에 있어서,

상기 다수개의 원통형 전극관(121)에는 전원공급부의 (+)전원 또는 (-)전원이 직접 연결되는 전원단자(121a)가 형성되고, 상기 다수개의 원통형 전극관(121)은 (+)극과 (-)극이 교번으로 배열되도록 구성된 것을 특징으로 하는 전해효율이 향상된 수소산소 혼합가스 발생장치.
제 1항 내지 제 4항에 있어서,

상기 전해조(100) 내부에는 기체가 모이는 여유공간이 없이 전해액으로 꽉 차게되는 상태를 계속 유지시키되,

전해액이 순환펌프(200)의 강제순환에 의해 전해조(100)를 통과하면서 전극관(121)에 생성되는 수소 또는 산소 기포를 이탈시킴과 동시에 전해액과 접촉할 수 있는 전극관의 유효면적을 증대시키는 것을 특징으로 하는 전해효율이 향상된 수소산소 혼합가스 발생장치의 사용방법.