KR101005342B1 - 전기분해를 이용한 물분해 장치 - Google Patents

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이고르 니콜라에비치 모길레프스키
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오엠 에너지 리미티드
에브게니 미카일로비치 오브시아니코프
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Abstract

본 발명은 전기화학에 관한 것이다. 본 발명 장치는 전해조와, 전해질 용액 공급관 및 전기분해 산물 배출관을 구비하고 회전작동기에 연결된 축에 장치된 몸체와, 전해질 용액 배출관, 하나는 상기 축에 위치하고 다른 하나는 상기 몸체의 내부면으로 이루어지는 쇼트서킷 전극과, 열교환기를 포함한다. 상기 장치는 축이 수직으로 위치한 상부 베어링 유닛 및 하부 베어링 유닛과 전해질 용액의 순환용 외부덕트를 구비하고, 상기 상부 외부덕트에는 상기 상부 베어링 유닛에 고정된 내부 나선형 표면을 구비한 상기 전해질 용액을 위한 환형 용액실(室)과, 전해질 및 물 공급 라인과 전해질 용액 공급관에 연결된 전해질 용액 혼합기와, 전해질 용액 유무 감지기가 구비된다. 전해질 용액 배출관은 상부 커버에 장치되고 환형 전해질 용액실과 서로 통하는 조절밸브를 구비한다. 상기 몸체의 내부 표면에는 적어도 1개의 안내 홈이 장치된다. 물공급 라인은 물유량 조절장치를 갖추고 있다. 전기분해 산물 배출라인에는 전기분해 산물 펌핑장치가 설치된다. 열교환기는 전해질 용액 순환 외부덕트에 위치하고 전해질 용액 유무 감지기는 물유량 조절장치 및 축 회전작동기와 연결되어 있다.
전기 분해, 물 분해, 전해조, 배출관, 전극, 열교환기

Description

전기분해를 이용한 물분해 장치{DEVICE FOR WATER DECOMPOSITION BY ELECTROLYSIS}
본 발명은 전기화학 분야, 보다 명확히는 물을 전기분해하여 산소-수소 혼합물(폭발 가스 - 수소 및 산소)를 얻기 위한 전기분해 장치에 관한 것이다. 본 발명은, 다양한 산업분야에서 기술적으로 필요한 산소를 얻을 뿐만 아니라 내연엔진 또는 기타 에너지·열 설비에 사용되는 수소 연료를 얻기 위하여, 일련의 산업분야에서의 가스연소 기술에 필요한 폭발 가스 발생원으로서 이용될 수 있다.
여러 산업분야에서 다수의 가스연소 장치에서 연소되는 산소-수소 혼합물(폭발 가스)를 얻기 위한 전해조(electrolyzer)는 이미 잘 알려져 있다. 전해조의 몸체는 회전가능한 축(shaft)에 설치되고, 밀링 가공된 고리모양의 홈이 있는 원판형 전극을 구비한다. 이 전해조의 출력은 조절 가능하다(러시아특허 No.2006526, C25B 1/04, 1994).
이 장치의 단점은 기능이 제한되어 있고 외부 발생원으로부터 전기에너지를 소비하여 전기분해가 이루어지기 때문에 에너지소비가 크다는 것이다.
또한 물을 전기분해하여 수소 및 산소를 얻기 위한 원심 전해조로서, 실린더 형태의 몸체를 구비한 용기(容器, reservoir)와, 베어링에 설치되고 회전가능한 중공 축을 포함하는 전해조도 알려져 있다. 축은 회전작동기(drive) 및 전류발생기와 운동역학적으로 연결되어 있다. 용기에는, 발전기의 전기적 회로에 접속된 전극과, 전기분해 초기 물질을 운반하고 최종 물질을 배출시키는 배관이 설치되고, 전해질 용액이 채워져 있다. 용기가 회전하는 동안, 회전의 기계적 에너지가 처음에는 전기에너지로, 다음에는 물에서 얻어진 수소 및 산소의 화학에너지로 차례로 변화된다(러시아특허 No 2015395,F 02 M21/00,1990).
이 장치의 기능의 단점은 에너지가 반드시 차례대로 변환되어야 하므로 생산성이 낮다는 점인데, 물분해반응의 흡열효과가 외부의 열에너지를 사용하지 아니하고 생성된 전기에너지를 이용하여 보전되기 때문이다.
여기서 제안하는 장치와 (기술적 본질 및 결과적 측면에서) 가장 근접하다고 여겨지는 종래 기술은 전기분해를 이용한 물분해 에너지 변환장치이다. 이 장치는 물 및 전해질 공급과 전기분해 산물을 배출하는 기술적 라인, 회전작동기와 연결되고 전해질 용액으로 가득 채워져 회전하는 용기, 하나는 축에 설치되고 다른 하나는 회전하는 용기의 내부표면으로 이루어진 쇼트서킷 전극(short-circuited electrode), 축에 설치되어 물과 전해질 용액을 운반하고 전기분해 산물을 배출하는 배관, 열교환기 및 용기 내부에 설치된 분리기(separator)를 포함한다. 이 장치에서는 기계적 에너지 및 열에너지의 전기 및 화학에너지로의 변환이 평행하게 이루어진다. 임의의 자연적 열 또는 인위적 열을 이용한 결과 전기분해의 효율성이 증대된다(러시아특허 No 2174162, C25B 9/00,1/02,F02M 21/02, 2001).
이 장치의 단점은 생산성이 낮고 작동이 불안정한 것인데, 이는 회전하는 용기 내부의 전해질 용액 부분과 가스환경의 경계 상태를 제어하지 못하기 때문이다. 이로써 축에 설치된 전극의 디스크의 활성표면(active surface)이 가스환경 또는 전위가 낮은 전해질 용액 구역에 놓이게 된다. 이는 전극의 활성 표면을 감소시키고 전기분해 작용을 어렵게 한다. 또한 장치의 작용이 복잡한데, 이는 회전축 배관을 통해 회전하는 용기의 내부에 있는 열교환기에 열전달 물질을 공급하고 배출하는 것이 기술적으로 어려울 뿐만 아니라 열교환기의 전류전달 면이 전해질 용액 내에 전위 차이가 발생하는 것을 방해하기 때문이다.
본 발명의 기술적 목적은 생산성을 높이고 장치의 구조를 단순화함과 동시에 기능적 가능성을 확대시키는 데에 있다.
이와 같은 기술적 목적은 다음과 같은 구성에 의해 달성되었다. 본 발명은 전기분해를 이용한 물분해 장치로서, 물과 전해질 공급 및 전기분해 산물의 배출을 위한 라인과 전해조를 포함한다. 상기 전해조는 회전작동기와 연결된 축에 설치된 몸체를 포함하고, 상기 축은 전해질 용액 운반관과 더불어, 전기분해 산물 및 전해질 용액 배출관을 구비한다. 물분해 장치는 쇼트서킷 전극들과 열교환기를 또한 포함한다. 상기 전극들 중 하나는 축에 위치하고 다른 하나는 몸체의 내부면으로 이루어진다. 본 장치에는 수직으로 위치한 축을 지지하는 상부 베어링 유닛 및 하부 베어링 유닛과 전해질 용액의 순환용 외부덕트가 설치되어 있다, 상기 외부덕트는, 내부표면이 나선 형태를 띠고 상부 베어링 유닛에 고정된 환형 전해질 용액실(室)을 포함한다. 또한 전해질 용액 유무 감지기, 전해질과 물 공급 라인 및 전해질 용액 운반관과 연결된 전해질 용액 혼합기가 설치되어 있다. 전해조의 몸체는 전류전달 물질로 이루어져 있고 전도체로 된 하부 및 상부커버가 설치되어 있으며, 전해질 용액 배출관은 상부커버에 장치되고 환형 전해질 용액실과 서로 통하는 조절밸브를 구비한다. 물공급 라인은 물공급 조절장치를 갖추고 있고, 전기분해 산물 배출라인에는 전기분해 산물 펌핑장치가 설치되며, 열교환기는 전해질 용액 순환 외부덕트에 위치하고, 전해질 용액 유무 감지기는 물공급 조절장치 및 축 회전작동기와 연결되어 있다. 본 장치는 전기분해 산물의 배출라인에 분리기를 설치할 수 있고 안전커버를 달 수 있다. 전해조 몸체는 실린더 형이고 내부 표면에는 적어도 1개, 더 바람직한 경우는 2개의 안내 홈(guiding groove)이 있고, 적어도 그 중 하나는 나선형으로 이루어진다. 축에 설치된 전극은 축과 평행한 홈(cut)을 가진 원추체 및 원추체에 고정된 방사형 구멍이 있는 실린더로 이루어질 수 있고, 물공급 조절장치로서 전자기 밸브를 이용할 수 있으며 전기분해 산물의 펌핑장치로서 전기진공 펌프를 사용할 수 있다.
전기분해를 이용한 물분해장치의 개략도가 도면에 도시되어 있다.
이해를 돕기 위하여 도면상의 개별 덕트 및 구성요소간의 크기의 상관관계는 실제와 다를 수 있다.
본 장치는 전해조(1)를 포함하고, 상기 전해조는 전류전달 물질로 된 실린더형 몸체(2)에 전류전달 물질로 이루어진 상부커버(3) 및 하부커버(4)를 구비하고, 몸체는 하부 베어링 유닛(6) 및 상부 베어링 유닛(7)에 설치된 수직 축(5) 상에 위치한다. 축(5)은 회전작동기(8)와 연결되고, 내부에 전해질 용액 운반관(9) 및 전기분해 산물 배출관(10)을 구비한다. 전해조(1) 내부의 축(5) 상에 전극(11)이 구비되고(가령, 음극), 전극은 축과 평행한 홈이 있는 원추체(12) 및 원추체(12)에 고정된 방사형 구멍이 있는 실린더(13)로 되어 있다. 몸체(2)의 내부면(14)은 다른 전극(가령 양극)을 형성하고, 나선형일 수 있는 1개 또는 그 이상(2개가 바람직)의 홈(15)을 구비한다. 전해조(1)에는 전해질 용액 순환 외부덕트(16)가 설치되어 있고, 전해조는, 상부 베어링 유닛(7)에 고정되고 내부면이 나선 형태를 띤 환형 전해질 용액실(17)과; 전해질 용액 유무 감지기(18)와; 열교환기(19)와; 축(5)에 위치한 전해질 용액 공급관(9)에 연결된 전해질 용액 혼합기(20)와; 물공급 조절장치(23), 밸브(24) 및 수조(22)를 구비하는 물공급 라인(21)과; 전해질 공급라인(25)과; 전해질 용기(26)를 포함한다. 전해조(1)의 상부커버(3)에는, 내부면이 나선 형태로 된 환형 전해질 용액실(17)과 서로 통하는 조절밸브(28)가 달린 전해질 용액 배출관(27)이 있다. 전기분해 산물의 배출관(10)은, 전기분해 산물 펌핑장치(30)(예를 들어, 전기진공펌프)가 달린 전기분해산물 배출라인(29) 및 산소-수소 혼합물을 산소와 수소로 분리시키는 분리기(31)에 연결되어 있다. 전해질 용액 공급관(9)에는, 유출된 전해질 용액 배출관(32) 및 유출된 전해질 용액 집수기(33)가 설치되어 있다. 전해질 용액 유무 감지기(18)는 물공급 조절장치(23) 및 축(5)의 회전작동기(8)와 연결되어 있다. 본 장치는 안전커버(34)가 설치되어 있다.
발명품의 작용 가능성을 증명하는 자료
본 장치는 다음과 같이 작동한다.
전해질 용기(26)로부터 나온 전해질은 전해질 공급라인(25)을 따라 전해질 용액 혼합기(20)로 공급된다. 이곳으로부터 축(5)에 위치한 전해질 용액 공급관(9)을 통해 전해조(1)로 들어간다. 물공급 라인(21)의 밸브(24)는 닫혀 있다. 하부 베어링 유닛(6) 및 상부 베어링 유닛(7)에 수직으로 설치된 축(5)의 회전작동기(8)가 켜지고 전해질 용액으로 채워진 전해조(1)를 회전시키기 시작한다. 이는 전기분해 과정이 시작되기 전까지 가속된다. 전해조가 가속되는 동안, 외부 순환덕트(16)에서 전해질 용액의 순환이 시작된다. 전해질 용액 유무 감지기(18)가 작동하고 전자기 밸브(23)(또는 임의의 물공급 조절장치)에 신호를 보낸다. 이 신호는 물공급을 중지시키고 이후에 밸브(24)를 개방시킨다. 장치는 자동 물공급 조절 모드로 전환되어, 수조(22)로부터 물공급 라인(21)을 따라 전자기 밸브(23), 전해질 용액 혼합기(20) 및 전해질 용액 공급관(9)을 통해 전해조(1)로 물공급이 이루어진다.
수소와 산소를 생성하는 과정에서 회전하는 전해조(1) 내부의 전해질 용액량 및 그에 따른 용액의 농도는 계속 변화한다. 즉 전해질 용액의 농도는 증가하고 양은 감소한다. 전해질 용액 부분과 가스환경의 경계가 변화하게 되고, 전해질 배출관이 가스환경에 놓이게 되면 전해조로부터 나오는 전해질 용액의 배출은 중단되고, 이에 따라 외부 덕트에서의 전해질 용액 순환도 중지된다. 전해질 용액 유무 감지기(18)는 물공급 조절장치(전자기 밸브)(23)와 동시에 회전작동기(8)에 명령을 내린다. 혼합기(20)에 물이 공급되기 시작하고 이후 희석된 전해질이 전해질 용액 공급관(9)을 통해 회전하는 전해조(1)로 공급된다. 회전작동기(9)는 전해조(1)의 회전을 멈추기 시작한다. 관성작용 및 나선형 홈(15)의 작용으로 전해질 용액은 혼합된다. 외부덕트(16)에서 재개된 전해질 순환 및 감지기(18)의 해당 명령에 따라, 전자기 밸브(23)는 수조(22)로부터 라인(21)으로의 물 공급을 중단시키고 회전작동기(8)는 다시 전해조(1)를 회전시킨다.
전해조(1) 내부 수직 축(5) 상의 전극들 중 1개(가령 음극)(11)는 축과 평행한 홈이 있는 원추체(12) 및 원추체(12)에 고정된 방사형 구멍이 있는 실린더(13)로 이루어져 있고, 다른 전극(가령 양극)의 기능을 수행하는 것은 몸체(2)의 내부면(14)으로서, 내부면에는 1개 또는 그 이상(2개가 바람직)의 나선형 안내 홈(15)이 설치되어있다. 상기 홈은 나산형, 환형, 직선형 또는 이들이 혼합된 형상으로 이루어질 수도 있다.
전해조(1)의 각각의 전극은 사용되는 전해질의 화학적 성분에 따라서 음극 또는 양극의 기능을 수행할 수 있다.
전극(11)의 원추체(12)의 홈 및 실린더(13)의 방사형 구멍 및 전해조(1)의 몸체(2)의 내부면(14) 상의 나선형 안내 홈(15)은 전해질 용액의 공급 및 혼합을 개선하기 위한 목적으로 만들어진 것이다.
동일한 목적이, 축(5)의 회전작동기(8)의 단시간 제동과 그 후의 가속에 의해서 달성되고, 이는 전해질 용액 순환 외부덕트(16)에 설치된 전해질 용액 유무 감지기(18)의 명령에 따라 수행된다.
회전과정 중 원심력의 작용으로 전해조(1) 내에 인위적인 중력장이 형성되고 이것의 영향으로 자체 질량이 서로 다른 수화물의 형태로 양이온과 음이온이 분리된다. 무거운 이온(예를 들면, 음이온)이 몸체(2)의 내부면(14)(음극) 근처에 마이너스 전하를 형성시키고, 이는 전류전달 물질로 이루어진 몸체(2)에 적절한 전하를 형성시킨다.
가벼운 이온은 양극과 음극(11)의 사이에 플러스 전하를 형성시키며 모인다. 이때 그 전위가 가벼운 이온의 수화물 포락면(hydrate envelop)을 변형시킬 만한 전기장을 형성하기에 충분하다면, 발생된 균형은 음극(11)에서 깨어질 것이다. 가벼운 이온은 음극(11)의 표면(12 및 13)로 이동하여 전하를 잃는다. 무거운 이온은 또한 자신의 전하를 음극에 전달하고, 전극 사이에서 전류전달 물질로 이루어진 하부 커버(3) 및 상부커버(4)를 통해 쇼트서킷 도체가 형성되어 직류가 흐르게 될 것이다. 전해질 이온은 수소 및 산소를 형성시키며 감소될 것이고 전기분해의 중간 산물은 물과의 2차 반응이 이루어지게 된다.
환원된 수소와 산소는 전해조(1)의 중앙으로 떠오르고, 산소-수소 혼합물의 형태로 전기분해 산물 펌핑장치(30)(예를 들면, 진공펌프)를 이용하여 전기분해 산물 배출관(10)을 통하여, 그리고 전기분해 산물 배출라인(29)을 통하여 소비자에게 전달된다. 산소-수소 화합물을 산소와 수소로 분리하기 위하여 장치에 분리기(31)를 장착할 수 있는데, 이곳으로부터 분리된 가스는 수소연료 및 산소의 소비자에게 전달된다.
전기분해 산물(산소-수소 혼합물 - 폭발 가스)의 펌핑장치(30)는 수소와 산소가 장치로부터 외부환경으로 유출되는 것을 방지하는 데에 필요하다.
전해질 용액은, 내부표면이 나선 형태를 띠고 있는 고정된 환형 전해질 용액실(17)과 서로 통하는 조절밸브(28)가 구비된 전해질 용액 배출관(27)을 통하여 전해질 용액 순환 외부덕트(16)로 진입하고, 이곳으로부터 열교환기(19)를 통해 전해질 용액 혼합기(20)로 이동하여 이후 축(5)의 전해질 용액 공급관(9)을 통하여 회전하는 전해조(1)로 되돌아온다. 이렇게 외부덕트(16)에서의 전해질 용액 순환이 이루어진다. 전해질 용액이 공급관(9)에서 유출되는 경우, 전해질 용액 유출관(32)을 통하여 배출 용기(33)로 배출시키고, 전해질 용액은 이곳으로부터 전해질 용기(26)로 되돌아간다.
전해질 용액 순환 외부덕트(16)의 고정된 환형 전해질 용액실(17)의 내부면이 나선 형태를 띠고 있는 것은, 회전하는 전해조(1)로부터 나온 전해질 용액의 와류(vortical stream)를 완화하기 위한 것이다.
수소와 산소의 이온을 환원하여 물을 수소와 산소로 분해하는 과정은 전해질 용액의 엔탈피 감소를 동반하고 그 결과 용액의 온도가 계속 하락한다. 그리고 열손실을 보충하지 않으면 용액이 응결되어 작용이 중지된다. 따라서 용액을 반드시 가열해야 한다. 이를 위하여 전해질 용액 순환 외부덕트(16)에 열교환기(19)가 설치되어 있다. 열전달 물질로서 전해질 용액을 사용한다. 열에너지는 내연엔진의 배기가스 또는 냉각제 또는 기타 형태로 열교환기(19)에 전달된다.
수소 및 산소 발생과정에서 회전하는 전해조(1) 내의 전해질 용액량과 이에 따른 용액의 농도는 계속 변화한다. 즉 전해질 용액의 농도는 증가하고 양은 감소한다. 전해질 용액량이 계속 변화하는 조건하에서 높은 전위 영역에서 전해질 용액과 전극(11) 접촉면적을 충분히 확보하고 또한 가스환경 공간을 형성하기 위하여 수직 축(5)에 설치된 전극(11)은 실린더(13)가 부착되어 있는 원추체(12)로 이루어져 있다.
전해조(1)의 몸체(2)는 실린더형으로 제작하는 것이 바람직한데 이는 설계를 단순화시킨다.
안전을 위하여 장치에 안전커버(34)를 부착할 수 있다.
여기서 제안하는 장치에서는 기계적 에너지 및 열에너지가 전기적 및 화학적 에너지로 변환된다.
본 발명은 장치의 생산성을 향상시킨다. 이 장치는 매우 단순하고 전통적인 설비재료 및 흔한 전해질을 이용하였고 교통수단의 내연엔진 기기에 사용되어 연료절감을 꾀할 수 있고 화력발전소 및 원자력 발전소의 증기터빈, 금속공업에서 산업열의 이용 등과 같은 분야에 적용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 물과 전해질 공급 및 전기분해 산물의 배출을 위한 라인과 전해조를 포함하되, 상기 전해조는 전해질 용액 공급관 및 전기분해 산물 배출관과 함께 회전 작동기와 연결된 축에 설치된 몸체를 구비하고,
    전해질 용액 배출관, 쇼트서킷 전극들 및 열교환기를 또한 포함하되, 상기 전극들 중 하나는 축에 위치하고 다른 하나는 몸체의 내부면으로 이루어지는, 전기분해를 이용한 물분해 장치로서,
    축을 수직으로 유지하는 상부 베어링 유닛 및 하부 베어링 유닛과 전해질 용액의 순환용 외부덕트를 또한 포함하되, 외부덕트에는, 내부표면이 나선 형태이고 상부 베어링 유닛에 고정된 환형 전해질 용액실(室)과, 전해질 용액 유무 감지기와, 전해질 및 물 공급 라인과 전해질 용액 공급관과 연결된 전해질 용액 혼합기가 설치되며,
    전해조의 몸체는 전류전달 물질로 이루어지고 전도체로 된 하부 및 상부 커버가 구비되며, 전해질 용액 배출관은 상부 커버에 설치되고 환형 전해질 용액실과 서로 통하는 조절밸브를 구비하며, 물공급 라인은 물공급 조절장치를 구비하고, 전기분해 산물 배출라인에는 전기분해 산물 펌핑장치가 설치되며, 열교환기는 전해질 용액 순환 외부덕트에 위치하고, 전해질 용액 유무 감지기는 물공급 조절장치 및 축 회전작동기와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 물분해 장치.
  2. 제1항에 있어서, 전기분해 산물 배출라인에는 분리기가 장착된 것을 특징으 로 하는 전기분해를 이용한 물분해 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 안전 커버가 설치된 것을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 물분해 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전해조의 몸체가 실린더형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 물분해 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 축에 위치한 전극은 축과 평행한 홈이 있는 원추체 및 원추체에 고정되고 방사형 구멍이 있는 실린더로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 물분해 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 물공급 조절장치로 전자기 밸브를 사용하는 것을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 물분해 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전기분해 산물의 펌핑장치로 전기 진공 펌프를 사용하는 것을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 물분해 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전해조 몸체의 내부 표면에는 적어도 1개의 안내 홈이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 물분해 장치.
  9. 제8항에 있어서, 홈의 개수가 2개인 것을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 물분해 장치.
  10. 제8항에 있어서, 적어도 1개의 나선형 안내 홈이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 전기분해를 이용한 물분해 장치.
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