KR101014388B1 - 내연기관용 산소/수소가스 발생장치 - Google Patents

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Abstract

이 발명은 내연기관(예를 들어, 차량)의 배터리 전원을 이용하여 물을 전기화학적으로 분해하고, 이때 발생하는 수소가스와 산소가스가 혼합된 혼합가스를 내연기관에 공급하여 연료 절감과 배기가스의 공해문제를 해결하는 내연기관용 혼합가스 발생장치에 관한 것이다.

Description

내연기관용 산소/수소가스 발생장치{Hydrogen and oxygen generator for internal combustion engines}
이 발명은 내연기관용 산소/수소가스 발생장치에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 내연기관(예를 들어, 차량)의 배터리 전원을 이용하여 물을 전기화학적으로 분해하고, 이때 발생하는 수소가스와 산소가스가 혼합된 혼합가스를 내연기관에 공급하여 연료 절감과 배기가스의 공해문제를 해결하는 내연기관용 산소/수소가스(이하, '혼합가스'라 함) 발생장치에 관한 것이다.
격막이 없는 전해조 내에서 물을 전기분해하면 혼합가스가 발생하며, 이 혼합가스는 수소가스와 산소가스가 2:1의 몰비로 혼합되어, 완전 연소되는 특성이 있다. 이와 같은 화학적 특성을 이용하여 혼합가스를 차량 엔진의 공기 흡입구에 공급하여 연비를 개선하고, 배기가스 중의 오염물질을 낮추는 기술에 관한 선행기술은 매우 많다. 그러나, 현재까지 혼합가스를 제조하는 기술은 물에 알카리염을 첨가한 알카리 물을 전기분해하는 기술에 국한되어 있다.
일반적으로 물은 전도도가 낮아 전류를 인가해도 전기분해가 일어나지 않으며, 이에 가성소다와 같은 알카리나 황산과 같은 산성의 전해질을 첨가하여 전해질의 전도도를 높인 후에 비교적 낮은 전류에서 전기분해를 수행하면 운전이 가능하다. 그러나, 이같이 알카리 전해질을 기본으로 하는 전기분해 기술은 알카라인 전기분해 시스템과 혼합가스를 이용하는 외부 시스템에서 여러 문제점을 갖는다.
전기분해 시스템과 관련한 문제로는 사용하는 전해질의 알카리 농도가 20% 이상으로 매우 높기 때문에, 사용하는 전극 재질이 고농도 알카리에 적합한 재질 (스테인레스 스틸 또는 니켈)을 사용해야 하고, 또한 전류효율이 낮아 전기분해 저항열에 따른 큰 냉각 시스템이 필요하며, 그리고 운전조건 중의 하나인 전류밀도(단위면적당 공급되는 전류량, 단위: A/cm2)가 낮아 상대적으로 전극면적이 커질 수밖에 없는 큰 단점을 근본적으로 가지고 있다.
다른 문제로는 운전과 관련한 문제로서, 물에 알카라인을 첨가하면 물의 빙점(freezing point)이 상승하여 상온 약 5℃에서도 전해질이 어는 현상이 발생한다. 따라서, 상온에서 운전이 불가능하게 되어 전해질을 녹이기 위한 불필요한 에너지가 소비되는 단점이 있다.
외부시스템에 미치는 영향으로는 전기분해시 발생하는 혼합가스 내부로 미세한 물과 알카리 성분이 함께 외부로 이동하기 때문에, 알카리 성분을 완벽하게 제거하지 않으면 외부장치, 예를 들어 차량 엔진 또는 보일러 등에 부식을 일으킬 수 있는 잠재적 문제를 가지고 있다.
따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 물(순수)을 전기화학적으로 분해하고, 이때 발생하는 수소가스와 산소가스가 혼합된 혼합가스를 내연기관에 공급하여 연료 절감과 배기가스의 공해문제를 해결할 수 있는 내연기관용 혼합가스 발생장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이 발명의 내연기관용 혼합가스 발생장치는, 전기분해를 위한 물을 공급받아 저장 가능하며 상부에 전기분해시에 생성된 가스를 배출하는 배출라인이 형성되며, 공급되는 물을 전기분해하여 산소가스 및 수소가스가 혼합된 혼합가스를 생성하며, 생성된 혼합가스를 배출하는 배출라인이 형성된 전기분해수단과, 전기분해수단 내의 온도를 제어하는 온도 제어수단, 및 전기분해수단에서 생성된 혼합가스의 과도한 정체로 인한 폭발을 미연에 방지하는 안전수단을 포함하며, 전기분해수단은 전기분해를 위한 물을 공급받아 저장하는 전기분해조와, 공급되는 물을 전기분해하여 혼합가스를 생성하는 전기분해모듈을 구비하며, 전기분해모듈은 수소이온 교환막과, 수소이온 교환막의 양측에 각각 형성되어 어느 한쪽의 극성을 각각 가지는 전극기능과 전류공급 기능을 갖는 제1, 제2 전류 공급판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 발명의 내연기관용 혼합가스 발생장치는, 전기분해를 위한 물을 공급받아 저장 가능하며 공급되는 물을 전기분해하여 산소가스 및 수소가스가 혼합된 혼합가스를 생성하여, 생성된 혼합가스를 배출하는 배출라인이 형성된 전기분해수단과, 전기분해수단 내의 온도를 제어하는 온도 제어수단, 및 전기분해수단에서 생성된 혼합가스의 과도한 정체로 인한 폭발을 미연에 방지하는 안전수단을 포함하되, 전기분해수단, 온도 제어수단 및 안전수단을 1개의 유닛으로 구성하고, 전기분해수단은 전기분해를 위한 물을 공급받아 저장하는 전기분해조와, 전기분해조 내에 설치되어 공급되는 물을 전기분해하여 혼합가스를 생성하는 전기분해모듈을 구비하며, 전기분해모듈은 물을 전기분해하여 혼합가스를 생성하도록 수소이온 교환막과 수소이온 교환막의 양측에 각각 갖는 전극 촉매층이 일체형으로 형성된 전기분해셀과, 전극분해셀의 양측면에 각각 결합되어 어느 한쪽의 극성을 각각 갖는 전류공급 기능을 하는 제1, 제2 전류 공급판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 발명의 수소이온 교환막은 50 ~ 200㎛의 두께를 가지며 탄화수소(hydrocarbon)계 재질 또는 탄화불소(fluorocarbon)계 재질의 고분자에 ~SO3 형태의 강산성 그룹을 갖는 것이 바람직하다.
이 발명의 전극 촉매층은 1 ∼ 15㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
이 발명의 전극 촉매층은 백금족의 금속(백금, 루테늄, 로듐, 파라듐, 오스뮴, 이리듐), 금, 은, 크롬, 철, 티타늄, 망간, 코발트, 니켈, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 규소, 아연 및 주석으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 1종 이상 의 금속과의 합금으로 구성되는 것이 바람직하다.
이 발명의 전기분해조는 공급되는 물에 존재하는 하드니스 성분을 제거하는 양이온교환 수지층을 더 가질 수 있다. 이때, 양이온교환 수지층은 산성형(strong acid types), 약산성형(weak acid types) 또는 킬레이트형(chelating type)의 폴리스타일렌 디비닐벤젠 가교형 수지가 충진되어 형성되는 것이 더 바람직하다.
이 발명의 안전수단은 전기분해수단 내의 압력이 2.5기압이 되면 작동하는 압력 스위치(pressure switch)와, 3기압이 되면 전기분해수단 내에 축적된 혼합가스를 외부로 배출하는 기능을 하는 안전밸브(safety valve), 및 3.5기압에서 전기분해수단에서 발생한 혼합가스를 강제적으로 일순간 외부로 배출하는 럽쳐 디스크(rupture disk)로 구성될 수 있다.
이 발명의 전기분해조의 상부에는 블록에 의해 분할되어 온도 제어수단을 구성하는 냉각부가 형성되며, 블록에는 전기분해조 내의 혼합가스가 냉각부로 이동하는 혼합가스 이동배관과, 냉각부에서 응축된 물을 전해분해조로 이동시키는 응축물 이동배관이 각각 형성되며, 혼합가스 이동배관은 응축물 이동배관보다 1 ~ 5cm 높은 구조로 냉각부 쪽으로 연장될 수 있다.
이 발명의 냉각부에는 비산되는 물 입자를 크게 만드는 미스트 제거기가 더 설치될 수 있다.
이 발명의 전기분해조에는 전기분해조 내의 온도를 승온시키기 위한 가열부재와, 전기분해조 내의 온도를 측정하여 가열부재를 제어하는 온도제어 센서가 더 설치될 수 있다.
이 발명의 내연기관용 혼합가스 발생장치는 물(순수)을 전기화학적으로 분해하고, 이때 발생하는 수소가스와 산소가스가 혼합된 혼합가스를 내연기관에 공급하여 연료 절감과 배기가스의 공해문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
아래에서, 이 발명에 따른 내연기관용 혼합가스 발생장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
참고로, 도면에서 사용하는 구조도는 이해를 쉽게 하기 위한 것으로, 각 요소의 상대적인 크기나 위치관계가 반드시 정확하지는 않다.
도 1은 이 발명에 따른 내연기관용 혼합가스 발생장치와 내연기관의 흡기배기 시스템과의 관계를 도시한 개략도이다. 도 1에서, 점선은 전기관련 선을 나타내고, 실선은 유체(혼합가스, 공기 등)의 흐름을 나타낸다.
내연기관의 흡기 시스템은 공기 중의 먼지 등을 제거하는 에어 클리너(100)와 엔진(110)으로 구성되며, 배기 시스템은 배기가스 중에 포함된 유해한 가스를 무해한 가스로 산화 및 환원시키는 촉매장치(120)와 배기소음을 저하시키는 소음기(130) 등으로 구성된다.
이 발명에 따른 내연기관용 혼합가스 발생장치(200)는 외부에서 물을 공급받고, 내연기관 내의 배터리(140)에서 필요한 전기를 공급받아 물을 전기분해 한다. 도 1에서 +점선은 배터리(140)의 +단자와 연결되고, -점선은 배터리의 -단자와 연결된다. 오일압력신호(s1)는 내연기관의 엔진에서 제공하는 오일압력 스위치와 연결되어 내연기관의 운전과 관련한 정지 또는 가동신호를 혼합가스 발생장치(200) 내의 제어박스(도시 안됨)에 전송하고, 제어박스는 이 신호로부터 혼합가스 발생장치(200)의 운전 및 정지를 결정한다.
혼합가스 발생장치(200)에서 발생한 혼합가스는 연소효율 개선과 배기오염물질을 감소시키기 위해 혼합가스 배출라인(s2)을 통해 에어 클리너(100)와 엔진(110) 사이의 흡기라인 중에 공급되거나, 배기오염물질만을 제거하기 위해 혼합가스 배출라인(s3)을 통해 산화 및 환원시키는 촉매장치(120)의 전단에 공급될 수 있다.
도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 내연기관용 혼합가스 발생장치의 구성관계를 도시한 구조도이다. 이 실시예의 내연기관용 혼합가스 발생장치(200)는 선행 기술과 달리 물에 가성카리(KOH)와 같은 전해질을 첨가하는 방법이 아닌 물만을 전기화학적으로 분해하도록 구성한 것을 특징으로 한다.
이 실시예의 혼합가스 발생장치(200)는 상부블록(202), 중간블록(204), 하부블록(206), 전기분해조(208) 및 냉각부(210) 등을 구비하되, 1개의 유닛으로 구성된다.
상부블록(202)에는 물을 공급하는 물 공급배관(212), 제1 안전부재(214), 제2 안전부재(216), 제3 안전부재(218), 혼합가스 배출배관(220) 및 수위센서 고정부(222)가 설치된다. 물 공급배관(212)의 상부에는 물의 누출 등을 대비한 보호 캡(224)이 형성된다.
상부블록(202)에는 제1 ~ 제3 안전부재(214, 216, 218)가 설치되어 있어 혼합가스 발생장치(200)의 보호가 가능하다. 제1 안전부재(214)는 혼합가스 발생장치(200) 내의 압력이 2.5기압이 되면 작동하는 압력 스위치(pressure switch)로서 제어박스(도시 안됨)에 경고음 또는 신호를 제공하고, 제2 안전부재(216)는 혼합가스 발생장치(200) 내의 압력이 3기압이 되면 혼합가스 발생장치(200)에 축적된 혼합가스를 외부로 배출하는 기능을 하는 안전밸브(safety valve)로서 기능 복원이 가능하며, 제3 안전부재(218)는 혼합가스 발생장치(200) 내의 압력이 3.5기압에서 혼합가스 발생장치(200)에서 발생한 혼합가스를 강제적으로 일순간 외부로 배출하는 럽쳐 디스크(rupture disk)로서 기능 복원이 불가능하다. 이 3개의 안전부재는 설정된 압력에 따라 순차적으로 작동하도록 구성되어, 전기분해조(208)와 냉각부(210) 내에 가스 정체로 인한 과도한 압력증가로 인한 폭발을 미연에 방지하는 역할을 한다.
또한, 상부블록(202)에는 혼합가스 배출배관(220)이 형성되는데, 여기서 혼합가스 배출배관(220)은 전기분해조(208)에서 발생한 혼합가스를 내연기관으로 공급하는 역할을 한다. 이 혼합가스 배출배관(220)에는 유량을 조절하는 유량조절기(226)가 설치되어 있는데, 여기서 유량조절기(226)는 압력조절을 통해 유량을 제어하는 유량 압력조절기(pressure regulator)인 것이 바람직하다.
중간블록(204)은 전기분해조(208)와 냉각부(210)를 분리하는 것으로서, 전기분해조(208)에서 발생한 혼합가스가 냉각부(210)로 이동할 수 있는 혼합가스 이동배관(228)과, 냉각부(210)에서 응축된 물을 전해분해조(208)로 이동시키는 응축물 이동배관(230)을 갖는다. 이때, 혼합가스 이동배관(228)은 응축물 이동배관(230)보다 1 ~ 5cm 높은 구조를 가져야 하는데, 1cm 이하에서는 응축된 물이 혼합가스 이동배관(228)으로 이동할 수 있기 때문이다. 바람직한 높이차는 2 ~ 3cm이다.
하부블록(206)에는 물을 외부로 배출할 수 있는 배출관(232)과 배출밸브(234), 그리고 후술할 전기분해모듈(248)에 전류를 공급하기 위한 +극용 제1 터미널(236)과 -극용 제2 터미널(238)이 설치된다.
상부블록(202)과 중간블록(204)의 사이에는 전기분해에서 발생한 혼합가스의 온도를 낮추기 위한 수단과 물의 미세입자를 크게 만드는 수단을 가지는 냉각부(210)가 설치된다.
냉각부(210)의 온도와 압력은 혼합가스 배출배관(220)을 통해 내연기관(도시 안됨)으로 이동하는 혼합가스에 동반하는 물의 양을 결정하는데, 온도가 높을수록 증발하는 물의 양이 증가하기 때문에 온도를 낮게 유지해야 한다. 그러나, 온도를 너무 낮게 유지하기 위해서는 추가 동력이 많이 증가되므로 적절한 운전 조건 설정이 중요하다. 이때, 적절한 온도는 10℃ 내외로 유지하는 것이 바람직하다. 냉각부(210)의 온도는 온도 스위치(temperature switch)(240)와 냉각팬(242)을 통해 제어한다. 온도 스위치(240)는 냉각부(210)의 온도가 일정 온도를 상회하면 냉각팬(242)을 구동하고, 일정 온도 이하가 되면 다시 냉각팬(242)을 정지시킨다.
또한, 냉각부(210)의 상부에는 미스트(mist) 제거기(244)가 설치되는데, 여기서 미스트 제거기(244)는 비산되는 물 입자를 크게 만드는 기능을 한다. 미스트 제거기(244)에서 만들어진 큰 입자의 물은 중력에 의해 냉각부(210)의 하부로 떨어 진 다음, 중간블록(204)의 응축물 이동배관(230)을 따라 전기분해조(208)로 이동한다.
중간블록(204)과 하부블록(206)의 사이에는 물을 전기분해하는 기능을 갖는 전기분해조(208)가 위치한다. 여기서, 전기분해조(208)는 물의 전기분해 기능 이외에 물의 저장기능과 혼합가스를 제조하는 기능을 수행하는 것으로서, 이를 위해 물의 수질 유지용 이온교환 수지층(246), 혼합가스를 제조하는 전기분해모듈(248), 온도제어 센서(250) 및 레벨센서(252)로 구성된다.
이온교환 수지층(246)은 전기분해조(208)의 상부에 있는 물 공급배관(212)을 통해 공급되는 물에 존재하는 하드니스 성분(양이온으로 특히 칼슘과 마그네슘 성분)을 제거하는 역할을 한다. 만약, 물에 존재하는 하드니스 성분들이 제거되지 않으면 전기분해모듈(248)을 구성하는 수소이온 교환막에 축적되어 막의 효율을 단축시킬 수 있다. 이온교환 수지층(246)의 하단과 상단에는 이온교환 수지를 고정해 주는 매트 형태의 막(254)이 위치한다.
이온교환 수지층(246)에 충진된 양이온 교환수지로는 산성형(strong acid types), 약산성형(weak acid types), 킬레이트형(chelating type)의 폴리스타일렌 디비닐벤젠 가교형 수지가 있다. 바람직한 양이온 교환수지는 산성형(strong acid types) 또는 킬레이트형(chelating type) 폴리스타일렌 디비닐벤젠 가교형 수지이다.
온도제어 센서(250)는 전기분해조(208)의 온도를 측정하여 온도 상한값과 온도 하한값 내의 일정 범위 내에서 온도를 유지하도록 한다.
전기분해조(208) 내의 온도가 너무 높으면 물 증발속도가 빨라져 전기분해할 물이 없게 되어 위험한 상황에 도달할 수 있으므로, 혼합가스 발생장치(200)의 가동을 중지시켜야 한다. 따라서, 이 실시예에서는 전기분해조(208) 내의 온도 상한값을 80℃로 설정하고, 80℃ 이상이 되면 혼합가스 발생장치(200)의 가동을 중지시키기 위한 신호를 외부 제어박스(도시 안됨)로 전송하여 혼합가스 발생장치(200)의 가동을 중지시킨다.
그리고, 전기분해조(208) 내의 물이 얼어있거나 5℃ 이하로 너무 낮을 경우에는 물을 전기분해하기가 어려우므로, 물을 승온시켜야 한다. 따라서, 이 실시예에서는 전기분해조(208) 내의 온도 하한값을 5℃로 설정하고, 온도가 5℃ 이하이면 온도신호를 제어박스로 전송하여 전기분해조(208) 내의 온도를 승온하기 위한 가열부재(예를 들면, 히터)(도시 안됨)를 가동시킨다.
레벨센서(252)는 전기분해조(208) 내의 수위를 감지하여 수위에 관한 정보를 제어박스로 보낸다. 그러면, 제어박스는 운전자가 물 보충에 대한 신호(예를 들면, 램프신호)와 물을 보충할 때 적절한 수위에 도달했는지에 대한 신호(예를 들면, 램프신호)를 제공한다.
도 3은 도 2에 도시된 전기분해모듈을 구성하는 전기분해셀의 원리도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 전기분해셀(300)은 물을 전기화학적으로 분해하여 수소가스와 산소가스로 구성된 혼합가스를 생산하는 것으로서, 전해액으로 가성카리(KOH)와 같은 독극물을 사용하지 않으며, 양극 촉매층(310), 수소이온 교환막(320) 및 음극 촉매층(330)을 갖는다.
도 3에서와 같이, 물은 양극 촉매층(310)에서 산소, 전자, 수소이온(H+)(프로톤)으로 분해되고, 수소이온은 수화되어 수소이온 교환막(320)을 통해 음극 전극층(330)으로 이동하며, 전자는 외부회로(340)를 따라 양극 촉매층(310)에서 음극 촉매층(330)으로 이동한다. 수소이온 교환막(320)을 통해 음극 촉매층(330)으로 이동한 수소이온(H+)은 외부회로(340)를 따라 이동한 전자(e-)와 반응하여 수소가스(H2)가 된다. 이때, 전극(양극, 음극) 촉매층(310, 330)에서 각각 일어나는 전기화학적 반응을 표현하면 반응식 1, 2와 같다.
Figure 112007087763923-pat00001
Figure 112007087763923-pat00002
수소이온 교환막(320)은 고체 고분자 전해질로서 그 두께가 50 ~ 200㎛이다. 그리고 수소이온 교환막(320)은 음이온(anions)은 그 내부를 따라 이동이 불가능한 반면에, 양이온(cation), 즉 수소이온은 이동 가능해야 하며, 온도에 대한 내열성과 전기화학적 산화환원 분위기에서 내구성을 가져야 한다.
따라서, 수소이온 교환막(320)은 이와 같은 기능 및 요구사항을 만족시킬 수 있도록, 탄화수소(hydrocarbon)계 재질 또는 탄화불소(fluorocarbon)계 재질의 고분자에 양이온(cation)이 선택적으로 이동가능 하도록 이온 전달그룹인 설폰닉(sulfonic), 카복실릭(carboxylic) 및 포스포릭(phosphoric)계 산성그룹(acidic groups)을 가지는 고분자 구조체로 구성하는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 내열성과 내산화성이 우수한 탄화수소(hydrocarbon)계 재질 또는 탄화불소(fluorocarbon)계 재질의 고분자에 ~SO3 형태의 강산성을 그룹을 가지는 막 구조를 갖는 것이다. 이와 같은 계열의 대표적인 수소이온 교환막(320)은 듀폰사(E. I. du Pont de Nemours and Company, Wilmington, Del.)의 "상품명 NAFION"이다.
이 실시예에 따른 전기분해셀(300)의 전극 촉매층(310, 330)은 촉매를 각각 가지거나, 촉매 이외에 고분자를 포함하는 것이 바람직하다. 여기서, 이온교환 수지는 촉매층의 바인더 기능을 가질 수 있다. 이때, 촉매층에 포함되는 이온교환 수지는 수소이온 교환막(320)을 구성하는 이온교환 수지와 같아도 좋고 달라도 좋다. 또한, 촉매층의 두께를 두껍게 할 경우에는 소정의 막 두께가 될 때까지 코팅을 반복해도 좋다.
이 실시예의 전극 촉매층(310, 330)에 각각 포함되는 촉매는 동일하거나 달라도 좋지만, 백금족 또는 백금족 합금으로 이루어지는 금속촉매가 바람직하다. 여기서, 금속촉매로는 백금족의 금속(백금, 루테늄, 로듐, 파라듐, 오스뮴, 이리듐), 금, 은, 크롬, 철, 티타늄, 망간, 코발트, 니켈, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 규소, 아연 및 주석으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 1종 이상의 금속과의 합금이 바람직하다.
그리고, 이 실시예의 전극 촉매층(310, 330)과 수소이온 교환막(320)은 그 두께가 각각 한정되는 것은 아니지만, 수소이온 교환막(320)은 그 두께가 50㎛ 이 하로 지나치게 얇으면 단락(short)을 일으킬 우려가 있고, 그 두께가 200㎛ 이상이면 저항이 커져 전압이 급상승하게 되므로, 50㎛ ~ 200㎛인 것이 바람직하다.
전극 촉매층(310, 330)은 그 두께가 두꺼워짐에 따라 물과 수소 또는 산소의 확산을 쉽게 하여 전기분해셀(300)의 특성을 향상시킨다. 그런데, 전극 촉매층(310, 330)의 두께가 20㎛이상일 경우에는 과다한 촉매사용으로 촉매 손실의 문제점이 있고, 그 두께가 1㎛이하로 얇을 경우에는 단위면적당 존재하는 촉매량이 적어져 반응활성이 낮아질 수 있기 때문에, 촉매층의 두께는 1 ∼ 15㎛인 것이 바람직하다.
이 실시예의 전기분해셀(300)은 혼합가스 발생에 적합하도록 구성해야 하는 바, 양극 촉매층(310), 수소이온 교환막(320) 및 음극 촉매층(330) 간의 간격을 유지하는 방법에 따라 제로갭형(Zero-gap), 유한거리형(Finite Gap), 또는 전극과 고분자 일체형(Electrode Membrane Composite, 이하 "EMC"로 기술함)으로 제작할 수 있다.
제로갭형은 수소이온 교환막(320)과 전극 촉매층(310, 330) 사이의 간격이 제로(0mm)로 밀착된 구조이고, 유한거리형은 수소이온 교환막(320)과 전극 촉매층(310, 330) 사이의 간격이 일정한 거리를 갖는 구조이며, EMC형은 수소이온 교환막(320)과 전극 촉매층(310, 330)이 일체화된 구조이다.
그런데, 순수한 물은 전도도가 낮기 때문에(저항이 매우 크기 때문에) 많은 에너지를 공급해야만 일정량의 혼합가스를 얻을 수 있다. 이러한 관점에서 에너지 소비량을 줄일 수 있는 제로갭형 또는 EMC형이 바람직하다.
EMC형 전기분해셀을 제작하기 위해, 수소이온 교환막에 촉매층을 형성시키는 방법이 특정방법으로 국한되는 것은 아니지만, 구체적으로 예를 들면, 수소이온 교환막 위에 촉매를 직접 석출시키는 방법과, 촉매층을 수소이온 교환막 위에 형성한 2조의 하프셀을 각각 제작한 후 각각의 수소이온 교환막의 면을 대향시켜 압착하는 방법 등이 있다.
도 4는 도 2에 도시된 전기분해모듈을 EMC형 전기분해셀로 구성한 일례를 도시한 개략도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 전기분해모듈(400 ; 도 2의 248)은 EMC형 전기분해셀(402)과, 일측의 극성을 가지는 제1 전류 공급판(404)과, 다른 반대측의 극성을 가지는 제2 전류 공급판(406), 및 한 쌍의 고정부(408)로 구성된다. 이때, 제1, 제2 전류 공급판(404, 406)에는 외부전원(도시 안됨, 내연기관의 배터리)과의 연결을 위한 터미널(410, 412 ; 도 2의 236, 238)이 각각 연결된다.
이때, 전류(전자 흐름)의 이동경로는 다음과 같다. 외부전원으로부터 일측의 극성을 가지는 제1 전류 공급판(404)의 터미널(410)로 전류가 인가되면, 전류는 제1 전류 공급판(404), EMC형 전기분해셀(402), 반대 극성의 제2 전류 공급판(406), 및 제2 전류 공급판(406)의 터미널(412)을 거쳐 외부전원으로 이동한다. 제1, 제2 전류 공급판(404, 406)에 적합한 재질로는 티타늄(titanium), 탄탈륨(tantalum), 모넬(monel), 니켈(nickel), 스테인레스 스틸(stainless steel) 등이며, 바람직하게는 이 재질위에 전도성이 우수한 백금(platinum)족을 열분해 방법이나 전기도금 방법으로 코팅하는 것이다. 또한, 제1, 제2 전류 공급판(404, 406) 은 물과 발생되는 가스의 유입과 유출이 쉽도록 다공성 구조를 갖는 것이 바람직하다.
전기분해모듈(400)은 EMC형 전기분해셀(402), 제1, 제2 전류 공급판(404, 406), 및 한 쌍의 고정부(408)의 동일 위치에 각각 형성되는 구멍(a, b)에 볼트를 삽입하고 너트로 조임으로써 일체화된다. 여기서, 고정부(408)는 전기가 흐르지 않는 부도체 재질로 구성하되, 일반적으로 플라스틱 재질로 구성하는 것이 바람직하다.
도 5는 도 2에 도시된 전기분해모듈을 제로갭형 전기분해셀로 구성한 일례를 도시한 개략도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 전기분해모듈(450)은 제로갭형 전기분해셀로 구성한 것으로서, 수소이온 교환막(452)과, 전극기능과 전류공급의 기능을 가지는 제1, 제2 전류 공급판(454, 456), 및 한 쌍의 고정부(458)로 구성된다.
이 실시예의 전기분해모듈(450)은 도 4의 전기분해모듈(400)과 유사한 구성관계를 갖는 것으로서, 그 차이점은 다음과 같다. 도 4의 EMC형 전기분해셀(402)의 기능을 도 5에서는 수소이온 교환막(452)이 하고, 도 4의 제1, 제2 전류 공급판(404,406)은 전류공급 기능만을 하지만, 도 5의 제1, 제2 전류 공급판(454, 456)은 전류공급 기능 이외에 전극촉매 기능을 한다는 것이다. 전류의 이동경로 등 그 이외의 구성은 동일하다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하겠지만, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.
[발명예 1]
발명예 1은 촉매층을 수소이온 교환막 위에 형성한 하프셀 2조를 제작하고 각각의 수소이온 교환막 측의 면을 대향시켜 압착하는 방법을 통해 제작한 EMC형 전기분해셀로 구성한 전기분해모듈을 평가한 것이다.
가. 실험 장치의 구성 및 운전
(1) 전기분해모듈
(가) EMC형 전기분해셀
음극촉매로 Pt black, 양극촉매로 Pt black, IrO2 및 Pt-IrO2를 사용하였다. 전극 촉매층은 전극촉매, Nafion ionomer(Aldrich, USA), 그리고 PTFE binder(Aldrich, USA)를 iso-propyl-alcohol 용액 속에서 혼합하여 만들었다. 혼합된 슬러리는 ultrasonic 조건에서 30분간 균일하게 혼합시켰고, 그 다음 5 X 5cm의 몰드에 부은 후 forced convective 오븐에서 30℃에서 4시간 동안 건조시켜 양극과 음극의 전극 촉매층을 형성하였다.
수소이온 교환막으로 Nafion 117(Dupont, USA)을 사용하였다. 수소이온 교환막을 3wt.% H2O2 용액에서 1시간 끓였고, 바로 0.5M H2SO4용액에서 1시간 끓였다. 그런 다음 끓는 순수에 1시간 보관하였으며, 이것을 2번 정도 반복하여 H2SO4을 완전히 제거하였다.
EMC형 전기분해셀을 제조하기 위하여 양극전극 촉매층, 고체고분자 전해질, 그리고 음극전극 촉매층을 함께 7분간 100kgfcm-2의 압력 하에서 120℃로 핫프레스(hot-press) 하였다. 전기화학 측정 전에 MEA는 24시간 D.I. 물에 팽윤시켜 측정하였다.
(나) 제1, 제2 전류 공급판
2mm 직경의 구멍을 갖는 타공판 형태의 티타늄 모재에 이리듐 산화물을 코팅한 후, 제1 전류 공급판에는 전류공급원의 (+)극을 연결하고, 다른 제2 전류 공급판에는 전류공급원의 (-)극을 연결한다.
(2) 전극활성면적: 7cm2
나. 성능측정
순수에 전기분해모듈을 넣고 전류량에 따른 조전압(CV, Cell Voltage, 단위는 Voltage)을 측정한다.
다. 실험결과
도 6은 발명예 1에서 전극의 촉매에 따른 전류-전압 관계를 측정한 비교 그래프이다. 도 6에서 표시기호 (+)는 양극 촉매층의 촉매성분을 나타내고, (-)는 음극 촉매층의 촉매성분을 나타낸다. 도 8은 발명예들과 비교예들에서 전극의 촉매에 따른 전류-전압 관계를 측정한 비교 그래프이다. 도 8에서, 발명예 1은 도 6의 실시예 중에서 가장 우수한 성능을 가지는 실험 데이터를 일례로 표기한 것이다.
[발명예 2]
발명예 2는 수소이온 교환막 위에 직접 촉매를 석출시키는 방법을 통해 제작한 EMC형 전기분해셀로 구성한 전기분해모듈을 평가한 것이다.
가. 실험 장치의 구성 및 운전
(1) 전기분해모듈
(가) EMC형 전기분해셀
음극촉매로 Pt, 양극촉매로 Pt, Pt-Ru 및 Pt-Ir을 사용되었다. 먼저 발명예 1에서와 같이 수소이온 교환막을 전처리 하였다.
전처리한 수소이온 교환막을 5mM의 pt(NH3)4Cl2(tetra-amineplatinum chloride hydrate, 98%)를 함유한 메탄올(Methanol)과 물이 1:3의 부피비로 혼합된 혼합용액 내에 40분간 넣어 백금이온이 막의 내부로 확산 흡착되도록 한다. 그런 다음, 50℃로 예열된 PH13의 용액에 NaBH4를 넣어 1mM 환원 용액을 만든 후, 흡착과정의 백금용액을 제거한 후 60ml의 환원용액을 대신 채운다. 이런 과정을 통해 2시간의 환원과정이 끝나면 수소이온 교환막을 0.5M의 H2SO4에 2시간, 초순수에 1시간 정도 함침한 후 보관한다. 환원과정이 끝나면 Pt 전극촉매층을 가지는 EMC형 전기분해셀(이하, Pt-M-Pt로 서술함)이 제조된다.
다시 Pt-M-Pt는 일측을 Masking한 후 다시 다른 반대측에 Ir 또는 Ru을 코팅한다. 5mM IrCl4(Iridium chloride) 또는 5mM RuCl4(Ruthenium chloride)을 함유한 메탄올(Methanol)과 물이 1:3의 부피비로 혼합된 혼합용액을 만든 후, 이 혼합용액 내에 세정한 막을 40분간 넣어 이리듐이 막의 내부로 확산 흡착되도록 한다. 그런 다음, 50℃로 예열된 PH13의 용액에 NaBH4를 넣어 1mM 환원 용액을 만든 후 흡착과정의 백금용액을 제거한 후 60ml의 환원용액을 대신 채운다. 이런 과정을 통해 2시간의 환원과정이 끝나면 막을 0.5M의 H2SO4에 2시간, 초순수에 1시간 정도 함침한 후 보관한다.
(나) 제1, 제2 전류 공급판
2mm 직경의 구멍을 갖는 타공판 형태의 티타늄 모재에 이리듐 산화물을 코팅한 후, 제1 전류 공급판에는 전류공급원의 (+)극을 연결하고, 다른 제2 전류 공급판에는 전류공급원의 (-)극을 연결한다.
(2) 전극활성면적: 7cm2
나. 성능측정
순수에 전기분해모듈을 넣고 전류량에 따른 조전압(CV, Cell Voltage, 단위는 Voltage)을 측정한다.
다. 실험결과
도 7은 발명예 2에서 전극의 촉매에 따른 전류-전압 관계를 측정한 비교 그래프이다. 도 7에서 표시기호 (+)는 양극 촉매층의 촉매성분을 나타내고, (-)는 음극 촉매층의 촉매성분을 나타낸다. 도 8에서, 발명예 2는 도 7의 실시예 중에서 가장 우수한 성능을 가지는 실험 데이터를 일례로 표기한 것이다.
[발명예 3]
발명예 3은 제로갭형 전기분해셀로 구성한 전기분해모듈을 평가한 것이다.
가. 실험 장치의 구성 및 운전
(1) 전기분해모듈
(가) 수소이온 교환막: 미 듀폰사 Nafion
(나) 제1, 제2 전류 공급판
2mm 직경의 구멍을 갖는 타공판 형태의 티타늄 모재에 이리듐 산화물을 코팅한 후, 제1 전류 공급판에는 전류공급원의 (+)극을 연결하고, 다른 제2 전류 공급판에는 전류공급원의 (-)극을 연결한다.
(다) 전극간의 간격: 물리적인 제로갭(0mm)
(2) 전극활성면적: 7cm2
나. 성능측정
순수에 전기분해모듈을 넣고 전류량에 따른 조전압(CV, Cell Voltage, 단위는 Voltage)을 측정한다.
다. 실험결과
그 실험결과는 도 8의 발명예 3으로 표기하였다.
[비교예 1]
비교예 1은 유한거리형(Finite Gap) 전기분해셀로 구성한 전기분해모듈을 평 가한 것이다.
가. 실험 장치의 구성 및 운전
(1) 전기분해모듈
(가) 수소이온 교환막: 미 듀폰사 Nafion
(나) 제1, 제2 전류 공급판
2mm 직경의 구멍을 갖는 타공판 형태의 티타늄 모재에 이리듐 산화물을 코팅한 후, 제1 전류 공급판에는 전류공급원의 (+)극을 연결하고, 다른 제2 전류 공급판에는 전류공급원의 (-)극을 연결한다.
(다) 전극간의 간격: 2mm
(2) 전극활성면적: 7cm2
나. 성능측정
순수에 전기분해모듈을 넣고 전류량에 따른 조전압(CV, Cell Voltage, 단위는 Voltage)을 측정한다.
다. 실험결과
그 실험결과는 도 8의 비교예 1로 표기하였다.
[비교예 2]
비교예 2는 선행기술과 관련한 알카라인 전기분해셀로 구성한 전기분해모듈을 평가한 것이다.
가. 실험 장치의 구성 및 운전
(1) 전기분해모듈
(가) 수소이온 교환막: 없음
(나) 제1, 제2 전류 공급판
니켈 모재로 각각 구성하여, 제1 전류 공급판에는 전류공급원의 (+)극을 연결하고, 다른 제2 전류 공급판에는 전류공급원의 (-)극을 연결한다.
(다) 제1, 제2 전류 공급판 간의 간격: 3mm
(2) 전극활성면적: 7cm2
나. 성능측정
가성카리 25%에 전기분해모듈을 넣고 전류량에 따른 조전압(CV, Cell Voltage, 단위는 Voltage)을 측정한다.
다. 실험결과
그 실험결과는 도 8의 비교예 2로 표기하였다.
도 6 내지 도 8을 통해 알 수 있듯이, 이 발명에 따른 내연기관용 혼합가스 발생장치를 구성하는 전기분해셀로 제로갭형 또는 EMC형을 적용할 경우, 순수만을 이용하여 전기분해가 가능함을 알 수 있다. 따라서, 이 발명을 적용함으로써 선행기술의 문제점인 알카리를 전기분해하는 데서 발생하는 모든 문제를 해결할 수 있다.
이상에서 이 발명의 내연기관용 혼합가스 발생장치에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다.
또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 이 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
이 발명의 내연기관용 혼합가스 발생장치는 연소효율의 증진 및 배기가스의 오염물질 억제가 가능하므로, 가솔린 내연기관, 디젤 내연기관을 가지는 승용차, 트럭, 버스, 터보차 등과, 프로판, 메탄, 천연가스 등을 사용하는 포크리프트 또는 트랙터 등에 적용 가능하다.
도 1은 이 발명에 따른 내연기관용 혼합가스 발생장치와 내연기관의 흡기배기 시스템과의 관계를 도시한 개략도이고,
도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 내연기관용 혼합가스 발생장치의 구성관계를 도시한 구조도이고,
도 3은 도 2에 도시된 전기분해모듈을 구성하는 전기분해셀의 원리도이고,
도 4는 도 2에 도시된 전기분해모듈을 EMC형 전기분해셀로 구성한 일례를 도시한 개략도이고,
도 5는 도 2에 도시된 전기분해모듈을 제로갭형 전기분해셀로 구성한 일례를 도시한 개략도이고,
도 6은 발명예 1에서 전극의 촉매에 따른 전류-전압 관계를 측정한 비교 그래프이고,
도 7은 발명예 2에서 전극의 촉매에 따른 전류-전압 관계를 측정한 비교 그래프이며,
도 8은 발명예들과 비교예들에서 전극의 촉매에 따른 전류-전압 관계를 측정한 비교 그래프이다.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
200 : 혼합가스 발생장치 202 : 상부블록
204 : 중간블록 206 : 하부블록
208 : 전기분해조 210 : 냉각부

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 산소가스 및 수소가스가 혼합된 혼합가스를 내연기관에 공급하여 연소효율을 개선하거나 배기오염물질을 감소시키기 위해 상기 내연기관 내에 설치되는 내연기관용 산소/수소가스 발생장치로서,
    전기분해를 위한 물을 공급받아 저장 가능하며 공급되는 물을 전기분해하되 상기 내연기관 내의 배터리에서 필요한 전기를 공급받아 물을 전기분해하여 산소가스 및 수소가스가 혼합된 혼합가스를 생성하여, 생성된 혼합가스를 상기 내연기관으로 공급하기 위한 배출라인이 형성된 전기분해수단과,
    상기 전기분해수단 내의 온도를 제어하는 온도 제어수단, 및
    상기 전기분해수단에서 생성된 혼합가스의 과도한 정체로 인한 폭발을 미연에 방지하는 안전수단을 포함하되,
    상기 전기분해수단, 온도 제어수단 및 안전수단을 1개의 유닛으로 구성하고,
    상기 전기분해수단은 전기분해를 위한 물을 공급받아 저장하는 전기분해조와, 상기 전기분해조 내에 설치되어 공급되는 물을 전기분해하여 상기 혼합가스를 생성하는 전기분해모듈을 구비하며,
    상기 전기분해모듈은 물을 전기분해하여 상기 혼합가스를 생성하도록 수소이온 교환막과 상기 수소이온 교환막의 양측에 각각 갖는 전극 촉매층이 일체형으로 형성된 전기분해셀과, 상기 전극분해셀의 양측면에 각각 결합되어 어느 한쪽의 극성을 각각 갖는 전류공급 기능을 하는 제1, 제2 전류 공급판을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 산소/수소가스 발생장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 수소이온 교환막은 50 ~ 200㎛의 두께를 가지며 탄화수소(hydrocarbon)계 재질 또는 탄화불소(fluorocarbon)계 재질의 고분자에 ~SO3 형태의 강산성 그룹을 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관용 산소/수소가스 발생장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 전극 촉매층은 1 ∼ 15㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관용 산소/수소가스 발생장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 전극 촉매층은 백금족의 금속(백금, 루테늄, 로듐, 파라듐, 오스뮴, 이리듐), 금, 은, 크롬, 철, 티타늄, 망간, 코발트, 니켈, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 규소, 아연 및 주석으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 1종 이상의 금속과의 합금으로 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관용 산소/수소가스 발생장치.
  6. 삭제
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 전기분해조는 공급되는 물에 존재하는 하드니스 성분을 제거하는 양이온교환 수지층을 더 갖는 특징으로 하는 내연기관용 산소/수소가스 발생장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 양이온교환 수지층은 산성형(strong acid types), 약산성형(weak acid types) 또는 킬레이트형(chelating type)의 폴리스타일렌 디비닐벤젠 가교형 수지 가 충진되어 형성되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 산소/수소가스 발생장치.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 안전수단은 상기 전기분해수단 내의 압력이 2.5기압이 되면 작동하는 압력 스위치(pressure switch)와, 3기압이 되면 상기 전기분해수단 내에 축적된 혼합가스를 외부로 배출하는 기능을 하는 안전밸브(safety valve), 및 3.5기압에서 상기 전기분해수단에서 발생한 혼합가스를 강제적으로 일순간 외부로 배출하는 럽쳐 디스크(rupture disk)로 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 산소/수소가스 발생장치.
  10. 청구항 2에 있어서,
    상기 전기분해조의 상부에는 블록에 의해 분할되어 상기 온도 제어수단을 구성하는 냉각부가 형성되며,
    상기 블록에는 상기 전기분해조 내의 혼합가스가 상기 냉각부로 이동하는 혼합가스 이동배관과, 상기 냉각부에서 응축된 물을 상기 전해분해조로 이동시키는 응축물 이동배관이 각각 형성되며,
    상기 혼합가스 이동배관은 상기 응축물 이동배관보다 1 ~ 5cm 높은 구조로 상기 냉각부 쪽으로 연장되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 산소/수소가스 발생장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 냉각부에는 비산되는 물 입자를 크게 만드는 미스트 제거기가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 산소/수소가스 발생장치.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 전기분해조에는 상기 전기분해조 내의 온도를 승온시키기 위한 가열부재와, 상기 전기분해조 내의 온도를 측정하여 상기 가열부재를 제어하는 온도제어 센서가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 산소/수소가스 발생장치.
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