KR101278455B1

KR101278455B1 - 휴대용 수소가스 용존 또는 산소가스 용존 음용수 제조 장치

Info

Publication number: KR101278455B1
Application number: KR1020110083997A
Authority: KR
Inventors: 문상봉
Original assignee: 문상봉
Priority date: 2011-05-23
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2013-07-01
Also published as: KR20120130671A

Abstract

이 발명의 휴대용 음용수 제조 장치는, 물을 공급하거나 배출하기 위한 통로와, 전기분해 반응에 의해 생성된 가스만을 외부로 배출하기 위한 배출구를 갖는 용기와; 용기의 내부공간을 상하로 구획하여, 물을 저장하는 제1 챔버와, 제1 챔버와 대향하는 측에 물을 저장하지 않고 배출구를 통해 가스만을 외부로 배출하는 제2 챔버를 갖도록 하며, 제1 전극촉매층과 제2 전극촉매층이 이온교환막과 일체화된 형태를 갖는 전기분해셀과; 전기분해셀의 상단 및 하단에 각각 밀착되어 전류를 공급하는 제1 전류 급전판과 제2 전류 급전판; 및 제1 전류 급전판과 제2 전류 급전판에 직류를 공급하기 위한 직류전원 공급수단으로 구성된다.

Description

휴대용 수소가스 용존 또는 산소가스 용존 음용수 제조 장치{The portable water generator containing hydrogen gas or containing oxygen gas}

이 발명은 음용수 제조 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 휴대가 가능한 소형화가 가능하고 수소가스가 포함된 물인 수소수나 산소가스가 포함된 물인 산소수와 같은 음용수를 휴대하면서 만족스러운 수준으로 제조할 수 있는 휴대용 수소가스 용존 또는 산소가스 용존 음용수 제조 장치(이하, "휴대용 음용수 제조 장치"라 함)에 관한 것이다. 또한, 이 발명은 상기와 같은 음용수를 제조함과 더불어 이때 생산되는 수소가스 또는 산소가스를 외부의 별도의 용기에 공급하여 음용수를 제조하는데 활용할 수 있는 휴대용 음용수 제조 장치에 관한 것이기도 하다.

일반적으로 수소수는 물에 수소가스가 1ppm 가량 용해된 물로 인체 내의 활성산소를 제거하는 효과가 있고, 산소수는 물에 산소가스가 8ppm 이상 용해된 물로 피로 회복에 효과가 있는 것으로 알려져 있다.

수소수와 산소수를 음용하는 방법으로는 산소 또는 수소를 물리적 또는 화학적인 방법으로 발생시켜 정수기 등에 적용하여 이용하는 것으로서, 생성된 산소가스 또는 수소가스를 물에 용해시켜 음용하는 방법이 주된 방법이다. 따라서 이러한 방법은 휴대하기에 많은 제약이 따르는 문제점이 있다.

한편, 수소와 산소를 효과적으로 발생시키는 방법 중에서 물을 전기화학적으로 전기분해하는 방법은 일반적으로 알려져 있다. 이 방법에 사용되는 전기분해 장치는 양극(anode, 산화반응이 일어나는 전극)과 음극(cathode, 환원반응이 일어나는 전극)으로 이루어진 전극 쌍을 갖는 전기분해셀이나 양극, 음극 및 이들 사이에 배치된 중성막 또는 이온 교환막을 포함하는 구성을 갖는 전기분해셀을 사용하도록 구성된다.

물을 전기분해하여 수소를 제조하는 방법은 원리상 직류 저전압 전원이 사용된다. 따라서 이 방법에 사용되는 장치는 즉각적으로 반응하는 반응 특성이나 안전성 면에서는 탁월하지만, 소형의 휴대용 수소 또는 산소가스 제조 장치에 적용하기에는 그 가능성이 매우 낮다.

예로서, 물을 전기분해하여 수소 또는 산소를 생성하는 방법에 관한 선행 기술들이 다수 존재한다. 이들 선행기술들은 언급한 바와 같이 정수기 등에 적용할 목적으로 구성되어 있다. 따라서 이들 선행기술들이 적용된 정수기의 경우에는 고가이기 때문에, 이러한 정수기를 구입해 수소수 또는 산소수를 음용하는데 어려움이 있다. 한편, 상기 정수기의 물에 수소 또는 산소가 포함된 수소수 또는 산소수는 시간에 따라 농도가 급격히 낮아져(물에 산소 또는 수소의 용해도가 매우 낮음) 보관 및 저장에 불편함이 있다.

전해 수소수를 생성하는 장치로는 대한민국 특허등록 제0995713호(발명의 명칭 : 전기 분해용 전극 조립체, 이를 구비한 산소 수소 발생기 및 이를 구비한 산소수 수소수 제조 장치), 특허출원 제2009-0096589호(발명의 명칭 : 전해 수소수 생성 장치)등이 있다. 그런데, 이들 기술들은 휴대용으로 구성되어 있지 않다. 또한, 이들 기술의 전기분해셀은 전극 촉매층이 전류 급전판에 형성되고, 전류 급전판과 이온교환막의 사이가 물리적으로 접촉된 구조, 즉 거리가 유한한 구조를 갖는다. 그런데, 이러한 구조의 전기분해셀을 이용하여 물을 전기분해할 경우에는 전극촉매층과 이온교환막 계면에서의 접촉 저항으로 전압 상승이 일어난다. 즉, 전류 소모량이 많기 때문에 휴대용으로는 부적합하다.

또한, 상기 기술에서와 같이 전류 급전판에 전극촉매층을 형성하는 일반적인 시스템의 경우에는 전류 효율이 낮아 장치가 커지고 그 구성관계가 복잡해져 휴대용으로 그 크기를 축소하는데 한계가 있다.

따라서 수소가스 또는 산소가스의 발생 효율을 대폭 향상시키기 위해서는 적절한 촉매 및 전기분해셀의 구조를 선택하는 것이 필수적이다. 한편, 수소수와 산소수와 같은 음용수를 제조하는 장치를 휴대용으로 구성함에 있어서, 가장 중요한 점은 수소가스 또는 수소가스의 발생시에 소요되는 전기소비량이다. 일반적으로 물을 전기분해할 때 물이 전도도가 낮아 이온교환막과 전극촉매층의 계면사이에서 저항이 많아지고 전력 소비량이 커지게 된다. 즉, 전기분해셀이 큰 문제점으로 작용하였다. 이러한 문제점 때문에 지금까지 작고 안전한 휴대용 음용수 제조 장치가 개발된 적이 없었을 뿐만 아니라, 이와 같은 시도를 갖는 것 중에서 어떤 것도 실용화되지 못하였다.

따라서 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 휴대용으로 적합하도록 전기분해셀의 구조를 최적함으로써, 휴대가 가능한 소형화가 가능하고 수소가스가 포함된 물인 수소수나 산소가스가 포함된 물인 산소수와 같은 음용수를 휴대하면서 만족스러운 수준으로 제조할 수 있는 휴대용 음용수 제조 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 이 발명은 상기와 같은 음용수를 제조함과 더불어 이때 생산되는 수소가스 또는 산소가스를 외부의 별도의 용기에 공급하여 음용수를 제조하는데 활용할 수 있는 휴대용 음용수 제조 장치를 제공하는 데 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 이 발명의 휴대용 음용수 제조 장치는, 물을 공급하거나 배출하기 위한 통로와, 전기분해 반응에 의해 생성된 가스만을 외부로 배출하기 위한 배출구를 갖는 용기와; 용기의 내부공간을 상하로 구획하여, 물을 저장하는 제1 챔버와, 제1 챔버와 대향하는 측에 물을 저장하지 않고 배출구를 통해 가스만을 외부로 배출하는 제2 챔버를 갖도록 하며, 제1 전극촉매층과 제2 전극촉매층이 이온교환막과 일체화된 형태를 갖는 전기분해셀과; 전기분해셀의 상단 및 하단에 각각 밀착되어 전류를 공급하는 제1 전류 급전판과 제2 전류 급전판; 및 제1 전류 급전판과 제2 전류 급전판에 직류를 공급하기 위한 직류전원 공급수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 발명은 제1 챔버가 외부와 연통하도록 용기에 형성된 연통구와, 연통구에 접속되는 가스 배출라인과, 가스 배출라인에 설치되어 제1 챔버 내의 압력과 가스의 이동을 조정하는 압력조절부, 및 가스 배출라인의 단부에 설치되어 발생 가스를 물에 녹이기 위한 디퓨져를 더 포함할 수 있다.

이 발명의 용기는 일정 용량의 물을 저장할 수 있는 제1 챔버를 가지며 상부 및 하부가 개방된 본체와, 통로의 역할을 하며 용기의 상부를 덮는 상부 덮개, 및 제2 챔버와 배출구를 갖는 하부 덮개를 포함할 수 있다.

이 발명은 본체와 제1 전류 급전판의 사이와 하부 덮개와 제2 전류 급전판의 사이에 각각 설치되어 물의 기밀을 막는 한 쌍의 가스켓과, 하부 덮개를 본체에 고정하되 전기분해셀, 제1 전류 급전판, 제2 전류 급전판 및 한 쌍의 가스켓을 동시에 고정하기 위한 다수개의 고정 볼트를 더 포함할 수 있다.

이 발명의 제1 전극촉매층과 제2 전극촉매층은 동일한 전극촉매로 구성될 수 있다.

이 발명의 제1 전극촉매층과 제2 전극촉매층은 이온교환막의 계면에서 0.01㎛ ~ 10㎛ 침투되는 것이 바람직하다.

이 발명의 전극촉매는 백금족의 금속인 백금, 루테늄, 로듐, 파라듐, 오스뮴 또는 이리듐 군에서 선택되는 1종 또는 1종 이상의 금속이 혼합된 합금인 것이 바람직하다.

이 발명의 이온교환막은 그 두께가 50㎛ ~ 200㎛인 것이 바람직하다.

또한, 이 발명의 이온교환막은 탄화수소(hydrocarbon)계 재질 또는 탄화불소(fluorocarbon)계 재질의 고분자에 양이온(cation)이 선택적으로 이동가능 하도록 이온 전달 그룹인 설폰닉(sulfonic), 카복실릭(carboxylic) 및 포스포릭(phosphoric)계 산성그룹(acidic groups)을 가지는 고분자 구조체로 구성하거나, 탄화수소(hydrocarbon)계 재질 또는 탄화불소(fluorocarbon)계 재질의 고분자에 ~SO3 형태의 강산성 그룹을 가지는 막 구조를 갖는 것이 바람직하다.

이 발명의 직류전원 공급수단은 용기의 일측에 부착해 일체로 구성하거나 별도로 분리하여 구성할 수 있다. 한편, 이 발명의 직류전원 공급수단은 1차 배터리 또는 2차 배터리이거나, AC 전원으로부터 DC 전력을 공급할 수 있는 어댑터를 구비하여 구성할 수 있다. 또한, 이 발명의 직류전원 공급수단은 전극으로의 전압(또는 전류) 인가 방향을 역전시키는 디바이스가 일체로 결합되도록 구성되거나 디바이스가 별도로 분리 배치되도록 구성될 수 있다.

이 발명은 전기분해가 수행되고 있음을 나타내기 위한 표시수단을 더 포함할 수 있다.

이 발명은 휴대용으로 적합하도록 전기분해셀의 구조를 최적함으로써, 휴대가 가능한 소형화가 가능하고 수소가스가 포함된 물인 수소수나 산소가스가 포함된 물인 산소수와 같은 음용수를 휴대하면서 만족스러운 수준으로 제조할 수 있는 효과가 있다. 즉, 이 발명은 물을 전기분해할 때, 전기분해 전압이 매우 낮아 휴대용 배터리로도 쉽게 이용가능하고, 500ml의 물을 수소로 포화시키는데 10sec 정도면 충분하기 때문에, 정수기와 같은 장치를 구매하지 않고, 손쉽게 휴대하면서도 수소수 또는 산소수와 같은 음용수를 제조하여 음용할 수 있는 장점이 있다.

또한, 이 발명은 상기와 같은 음용수를 제조함과 더불어 이때 생산되는 수소가스 또는 산소가스를 외부의 별도의 용기에 공급하여 음용수를 제조하는데 더 활용할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 휴대용 음용수 제조 장치의 구성관계를 도시한 개념도이고,
도 2는 도 1에 도시된 전기분해셀의 구성관계를 촬영한 사진이고,
도 3은 이 발명의 다른 실시예에 따른 휴대용 음용수 제조 장치의 구성관계를 도시한 개념도이고,
도 4는 이 발명에 따른 휴대용 음용수 제조 장치를 제작하여 촬영한 사진이고,
도 5는 도 4의 장치를 이용하여 실험한 데이터로 시간에 따른 수소 발생량 데이터이고,
도 6은 도 4의 장치를 이용하여 실험한 데이터로 시간에 따른 물의 용존 수소량 데이터이고,
도 7은 도 4의 장치를 이용하여 실험한 데이터로 시간에 따른 산소 발생량 데이터이며,
도 8은 도 4의 장치를 이용하여 실험한 데이터로 시간에 따른 물의 용존 산소량 데이터이다.

이 발명의 휴대용 음용수 제조 장치는 소형으로 휴대용으로 사용하기에 가장 적합하도록 구성한 것이지만, 이 발명의 장치가 소형 장치로 제한되는 것은 아니다. 즉, 아래에서 상세하게 설명될 장치의 규모를 증대시킴으로써 대형 장치로의 제작도 가능하다.

아래에서는 이 발명에 따른 휴대용 음용수 제조 장치에 대해 양호한 실시예들을 통해 상세하게 설명될 것이다. 그러나 이 발명의 구성이 아래에서 설명된 내용으로 제한되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 휴대용 음용수 제조 장치의 구성관계를 도시한 개념도이고, 도 2는 도 1에 도시된 전기분해셀의 구성관계를 촬영한 사진이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 따른 휴대용 음용수 제조 장치(100)는 일정 용량의 물을 저장할 수 있는 제1 챔버(111)를 가지며 상부 및 하부가 개방된 본체(110)와, 본체(110)의 하부에 위치하며 양극촉매층(제1 전극촉매층)과 음극촉매층(제2 전극촉매층)이 이온교환막과 일체화된 형태로 제작된 전기분해셀(120)과, 본체(110)의 상부를 덮는 상부 덮개(130)와, 전기분해셀(120)의 하부에 위치하며 물을 저장하지 않고 전기분해 반응에 의해 생성된 가스가 체류하는 공간을 제공하는 제2 챔버(141)와 가스만을 외부로 배출하기 위한 배출구(142)를 갖는 하부 덮개(140)와, 전기분해셀(120)의 상단 및 하단에 각각 밀착되어 전류를 공급하는 제1 전류 급전판(150) 및 제2 전류 급전판(160)과, 제1 전류 급전판(150)과 제2 전류 급전판(160)에 직류를 공급하기 위한 직류전원 공급수단(170)과, 본체(110)와 제1 전류 급전판(150)의 사이와 하부 덮개(140)와 제2 전류 급전판(160)의 사이에 각각 설치되어 물의 기밀을 막는 한 쌍의 가스켓(180)과, 하부 덮개(140)를 본체(110)에 고정하되 전기분해셀(120), 제1, 제2 전류 급전판(150, 160) 및 한 쌍의 가스켓(180)을 동시에 고정하기 위한 다수개의 고정 볼트(190)로 구성된다. 이 실시예의 용기는 상기와 같이 구성된 본체(110)와, 상부 덮개(130), 및 하부 덮개(140)로 구성된다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 전기분해셀(120)은 제1 전극촉매층(121), 제2 전극촉매층(122) 및 이온교환막(123)으로 구성된 것으로서, 제1 전극촉매층(121)과 제2 전극촉매층(122)이 이온교환막(123)과 일체화된 형태를 갖는다.

제1 전류 급전판(150) 및 제2 전류 급전판(160)은 가운데 부분은 액체 및 가스가 통과할 수 있는 구조의 망, 메쉬 등이 적합하며, 외측 부분은 본체(110) 등에 보다 원활하게 고정할 수 있는 판 형태로 구성하는 것이 바람직하다. 제1, 제2 전류 급전판(150, 160)의 재질로는 티타늄(titanium), 탄탈륨(tantalum) 등이 적합하며, 전도성을 부여하기 위해 백금(platinum)을 열분해 방법이나 전기도금 등의 방법으로 코팅하는 것이 바람직하다.

한편, 본체(110), 상부 덮개(130) 및 하부 덮개(140)는 휴대가 용이하도록 아크릴수지, 아세탈수지, PVC(polyvinylchloride)수지, CPVC(chlorinated PVC)수지, PVDF(polyvinylidene difluoride)수지, Teflon(또는 PTFE, polytetrafluoroethylene)수지, 불소계(fluoropolymer)수지, 또는 ABS (acrylonitrile-butadiene-styrene)수지 등의 고분자 재질을 이용해 제작하되, 인체 무독성 및 가격 등을 고려할 때 ABS수지를 이용해 제작하는 것이 바람직하다.

직류전원 공급수단(170)은 휴대용 음용수 제조 장치(100)의 일측에 부착해 일체로 구성하거나 별도로 분리하여 구성할 수 있다. 여기서, 직류전원 공급수단(170)으로는 배터리를 이용할 수 있는데, 배터리를 이용할 경우에는 충전이 가능한 2차 배터리가 적합하다. 한편, 직류전원 공급수단(170)은 AC 전원으로부터 DC 전력을 공급할 수 있는 어댑터를 사용해 휴대용 음용수 제조 장치(100)를 작동시키도록 구성할 수도 있다. 또한, 직류전원 공급수단(170)은 전극으로의 전압(또는 전류) 인가 방향을 역전시키는 디바이스가 일체로 결합된 구성관계를 갖거나 상기 디바이스가 별도로 분리 배치되는 구성관계를 가질 수도 있다.

이 실시예의 휴대용 음용수 제조 장치(100)는 전기분해가 수행되고 있음을 나타내기 위한 표시수단을 추가로 더 갖도록 구성할 수 있다. 여기서, 표시수단으로는 전류가 인가되는 동안 켜지는 LED 램프를 그 일례로 들 수 있다.

아래에서는 상기와 같이 구성된 이 실시예의 휴대용 음용수 제조 장치를 이용하여 음용수인 수소수와 산소수를 제조하는 방법에 대해 각각 설명한다.

1. 수소수 제조 방법

이 실시예의 휴대용 음용수 제조 장치(100)를 이용해 물을 환원시켜 수소를 제조하는 방법은 다음과 같다.

제1 전류 급전판(150)에 직류전원 공급수단(170)의 (-)전원을 전선(e1)으로 연결하고, 제2 전류 급전판(160)에 직류전원 공급수단(170)의 (+)전원을 전선(e2)로 연결한다. 그런 다음, 전선(e1, e2)을 통해 전류를 공급하면, 전류는 제2 전류 급전판(160), 제2 전극촉매층(122), 이온교환막(123), 제1 전극촉매층(121)을 거쳐 제1 전류 급전판(150)을 통과하여 이동한다. 한편, 본체(110) 내의 제1 챔버(111) 내에 있는 물은 전기분해셀(120) 내 이온교환막(123)의 확산(Diffusion)현상에 의해 제2 전극촉매층(122)으로 이동하며, 제2 전극촉매층(122)에서의 산화반응(반응식 1)에 의해 산소(O₂), 수소이온(H⁺), 전자(e)가 발생한다. 수소이온(H⁺)은 전기장에 의해 이온교환막(123), 제1 전극촉매층(121)으로 이동하여 환원 반응(반응식 2)에 의해 수소가스(H₂)가 생산된다.

[반응식 1]

[반응식 2]

한편, 생산된 수소가스(H₂)는 제1 챔버(111) 내에 있는 물에 용해되고, 제1 챔버(111)의 상부에는 가스로 존재한다. 전기분해 후 가스의 발생량이 많아지면서 가스 압력이 높아지고, 높아진 가스는 재용해되어 수소 농도가 3ppm 수준에 이르게 된다. 이렇게 수소가 일정 압력에 도달하면 상부 덮개(130)에 형성된 안전밸브(131)가 제1 챔버(111) 내의 가스를 배출하여 압력을 제어한다.

그리고 제2 전극촉매층(122)에서의 산화반응(반응식 1)에 의해 발생한 산소(O₂)는 하부 덮개(140)의 배출구(142)를 통해 외부로 배출된다. 이렇게 배출되는 산소는 수분을 포함하지 않으며, 순도는 99% 이상이 된다.

2. 산소수 제조 방법

이 실시예에 따른 휴대용 음용수 제조 장치(100)를 이용하여 물을 산화시켜 산소를 생성하는 방법은 앞서 언급한 수소를 생성하는 방법에서 직류전원 공급수단(170)의 극을 반대로 공급하면 산소를 쉽게 제조할 수 있다.

즉, 제1 전류 급전판(150)에 직류전원 공급수단(170)의 (+)전원을 전선(e1)으로 연결하고, 제2 전류 급전판(160)에 직류전원 공급수단(170)의 (-)전원을 전선(e2)으로 연결한다. 그런 다음, 전선(e1, e2)을 통해 전류를 공급하면, 전기분해셀(120) 내의 제1 전극촉매층(121)에서 물의 산화반응(반응식 3)이 발생하고, 그로 인해 산소(O₂), 수소이온(H⁺), 전자(e)가 발생한다. 이렇게 발생된 산소(O₂)는 제1 챔버(111) 내의 물에 포화될 때까지 용해된다. 한편, 반응생성물인 수소이온(H⁺)은 전기분해셀(120) 내의 이온교환막(123)의 전기확산(Electolytic Diffusion) 현상에 의해 제2 챔버(141)로 이동하며, 외부회로를 통해 이동한 전자(e)와 제2 전극촉매층(122)에서의 환원반응(반응식 4)에 의해 수소가스(H₂)가 생산된다.

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[반응식 4]

한편, 발생된 산소가스는 제1 챔버(111) 내에 있는 물에 용해되고, 제1 챔버(111)의 상부에 가스로 존재한다. 전기분해 후 가스의 발생량이 많아지면서 가스 압력이 높아지고, 높아진 가스는 재용해되어 산소 농도가 20ppm 수준에 이르게 된다.

이 실시예의 전기분해셀의 운전 전류밀도는 0.01 ~ 2.0A/cm² 에서 직류전압 2 ~ 6Volt의 운전이 바람직하다. 전류밀도가 0.01A/cm²이하에서는 단위면적당 공급되는 전류량이 작아서 장치가 커지게 되며, 전류밀도가 2.0A/cm²이상에서는 10V 이상으로 전압이 상승하게 되어 산소 외에 오존 발생량이 커지게 되어 음용수로의 적합성이 떨어진다. 더 바람직하기로는 전류밀도가 0.1 ~ 1.0A/cm²이고, 직류전압이 2 ~ 6Volt이다.

아래에서는 이 실시예의 전기분해셀의 구성관계에 대해 좀 더 구체적으로 설명한다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 이 실시예의 전기분해셀(120)은 제1 전극촉매층(121), 제2 전극촉매층(122) 및 이온교환막(123)으로 구성된다. 여기서, 제1 전극촉매층(121)과 제2 전극촉매층(122)은 앞서 설명한 바와 같이 물을 산화시켜 산소를 생산하거나, 물을 환원시켜 수소를 생산하는 역할을 한다. 따라서, 이 실시예의 제1 전극촉매층(121) 및 제2 전극촉매층(122)은 산화 및 환원의 기능을 동시에 가져야 한다.

한편, 전도성이 낮은 물(수돗물)을 전기분해하는 경우 제1, 제2 전극촉매층(121, 122)과 이온교환막(123) 사이의 계면(Interface)에서 접촉저항이 높게 발생하고, 그로 인해 원하는 양의 가스를 얻기 위해서는 과량의 전류를 공급해 주어야 한다. 따라서 이 실시예의 전기분해셀(120)은 제1, 제2 전극촉매층(121, 122)과 이온교환막(123) 사이의 계면이 없는 구조를 가져야 한다.

산화 촉매

산소 발생을 위한 촉매로는 금속촉매가 바람직하다. 금속촉매로는 백금족의 금속(백금, 루테늄, 로듐, 파라듐, 오스뮴, 이리듐), 주석으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 1종 이상의 금속이 혼합된 합금이 바람직하다.

환원 촉매

수소 발생을 위한 촉매로는 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 금속이 혼합된 합금이 바람직하다.

산화-환원 촉매(제1, 제2 전극촉매층(121, 122))

산화 촉매군과 환원 촉매군에서 공통으로 얻을 수 있는 촉매로는 백금족의 금속(백금, 루테늄, 로듐, 파라듐, 오스뮴, 이리듐)인데, 그 중 물의 전기분해시에 산소 과전압이 낮고 내구성이 우수한 백금-이리듐이 가장 바람직하다.

이온교환막(123)

이온교환막(123)은 고체 고분자 전해질로서 그 두께가 50 ~ 200㎛이다. 그 두께가 50㎛ 이하로 지나치게 얇으면 단락(short)을 일으킬 우려가 있고, 그 두께가 200㎛ 이상이면 저항이 커져 전압이 급상승하게 되므로, 50㎛ ~ 200㎛인 것이 바람직하다.

그리고 이온교환막(123)은 음이온(anions)은 이동이 불가능한 반면에, 양이온(cation), 즉 수소이온은 이동 가능해야 하며, 온도에 대한 내열성과 전기화학적 산화환원 분위기에서 내구성을 가져야 한다.

따라서 이온교환막(123)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 전달 그룹인 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 강산성 그룹을 가지는 막 구조를 갖는 것이다. 이와 같은 계열의 대표적인 이온교환막(123)은 듀폰사(E. I. du Pont deNemours and Company, Wilmington, Del.)의 "상품명 NAFION"이 있다.

제1 전극촉매층(121), 제2 전극촉매층(122)과 이온교환막(123)의 형태

순수한 물은 전도도가 낮기 때문에(저항이 매우 크기 때문에) 많은 에너지를 공급해야만 일정량의 수소 또는 산소를 얻을 수 있다.

일반적으로 제1 전극촉매층(121), 제2 전극촉매층(122)이 형성된 위치에 따라 제로갭형(Zero-gap), 유한거리형(Finite Gap), 또는 고분자전극(Membrane Electrod, MC로 기술함)으로 제작할 수 있다.

제로갭형과 유한거리형은 전극촉매층이 전류 급전판(도 1의 150, 160)에 각각 형성되어, 이온교환막과 전극촉매층 사이의 간격이 0(제로갭) ~ 2mm(유한거리)인 구조이고, MC형은 도 2에 나타낸 바와 같이 이온교환막(123)과 제1, 제2 전극촉매층(121, 122)이 일체화된 구조이다. 따라서 에너지 소비량을 줄일 수 있는 관점에서 보면 MC형이 가장 바람직하다.

제1, 제2 전극촉매층(121, 122)은 이온교환막(123)을 사이에 두고 서로 간에 대면하는 형태로 위치하며, 또한 이온교환막(123) 내로 침투되는 형태를 갖는 것이 바람직하다. 이온교환막(123) 내로의 침투 두께는 0.01㎛에서 10㎛ 사이가 바람직하다. 0.01㎛ 이하에서는 전극촉매층과 이온교환막 사이에 접촉저항이 존재하며, 10㎛ 이상에서는 반응에 참여하는 전극촉매층의 양이 감소되어, 귀금속 촉매를 과잉 사용하게 되어 비경제적이다.

MC형으로 제작하기 위한 방법은 다음의 방법으로 국한되는 것은 아니지만, 구체적으로 예를 들면, 이온교환막 위에 촉매를 직접 석출시키는 방법과, 전극촉매층을 미리 만든 후 이온교환막의 양 측면에 전극촉매층을 각각 위치시킨 후 압착시켜 제작하는 방법 등이 있다.

제1, 제2 전극촉매층(121, 122)은 그 두께가 20㎛ 이상일 경우에는 과다한 촉매사용으로 촉매 손실의 문제점이 있고, 그 두께가 0.1㎛ 이하로 얇을 경우에는 단위면적당 존재하는 촉매량이 적어져 반응활성이 낮아질 수 있기 때문에, 제1, 제2 전극촉매층(121, 122)의 두께는 0.1 ∼ 15㎛인 것이 바람직하다.

전기분해셀(120)의 제1, 제2 전극촉매층(121, 122)은 촉매 단독으로 구성할 수도 있으나, 촉매 이외에 고분자를 포함할 수도 있는데, 고분자를 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 촉매층에 포함되는 고분자는 이온교환막(123)을 구성하는 이온교환 수지와 같아도 좋고 달라도 무방하다.

도 3은 이 발명의 다른 실시예에 따른 휴대용 음용수 제조 장치의 구성관계를 도시한 개념도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 휴대용 음용수 제조 장치(300)는 도 1의 휴대용 음용수 제조 장치(100)를 이용해 음용수인 수소수 또는 산소수를 제조하는 것 이외에 생산된 수소가스 또는 산소가스를 더 활용할 수 있도록 구성된다. 따라서, 이 휴대용 음용수 제조 장치(300)를 이용할 경우에는 외부에 위치하는 다수의 용기(컵)에 담긴 물에 수소가스 또는 산소가스를 제공하여 수소수 또는 산소수를 즉석에서 제조하여 공급할 수가 있다.

이 실시예의 휴대용 음용수 제조 장치(300)는 도 1의 휴대용 음용수 제조 장치(100)의 구성요소들을 그대로 포함하되, 물이 저장되는 제1 챔버(111)와 연통하는 가스 배출라인(310)과, 다수의 컵에 담긴 물에 수소가스 또는 산소가스를 제공하기 위한 구성요소들을 더 갖도록 구성된다. 즉, 이 실시예의 휴대용 음용수 제조 장치(300)는 제1 챔버(111)가 외부와 연통하도록 본체(110)에 형성된 연통구(320)와, 연통구(320)에 가스 배출라인(310)을 접속시키는 피팅(330)과, 가스 배출라인(310)에 설치되어 제1 챔버(111) 내의 압력과 가스의 이동을 조정하는 압력조절부(340)와, 가스 배출라인(310)의 단부에 설치되어 발생 가스를 물에 녹이기 위한 디퓨져(350)로 구성된다. 여기서, 압력조절부(340)를 이용해 수소가스 또는 산소가스의 압력을 조절함으로써, 외부에 위치하는 물에 용해되는 수소 또는 산소 용해도를 높일 수 있다. 한편, 디퓨져(350)는 물에 용해되는 수소 또는 산소의 용해도를 높이는 역할을 한다.

이 실시예의 장치(300)를 이용해 수소가스와 산소가스를 제조하는 방법은 도 1의 생성 원리와 동일하다.

아래에서는 이 발명에 따른 휴대용 음용수 제조 장치를 이용하여 수소수 또는 산소수, 수소가스 또는 산소가스를 생성하는 발명예 및 비교예에 대해 설명할 것이다. 그러나 이 발명이 이에 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다는 것을 이해해야 한다.

[발명예 1]

도 4는 이 발명에 따른 휴대용 음용수 제조 장치를 제작하여 촬영한 사진으로, 도 4와 같이 장치를 제작하여 수소 발생량을 평가했다.

(1) 장치의 구조

가. 본체의 용량: 100ml

나. 본체, 상부 덮개 및 하부 덮개의 재질 : 아크릴

다. 전기분해셀의 전극촉매층 크기: 3cm²

라. 제1 전극촉매층 및 제2 전극촉매층: Pt:Ir(50:50 중량%)를 cm²면적당 4mg 사용

마. 이온교환막: 나피온 117(Dupont, USA)

바. 제1 전극촉매층 및 제2 전극촉매층과 이온교환막을 이용한 고분자전극형 전기분해셀 제조

전극촉매, Nafion ionomer(Aldrich, USA) 및 PTFE binder(Aldrich, USA)를 iso-propyl-alcohol 용액과 혼합하여 촉매 슬러리를 만들었다. 혼합된 촉매 슬러리를 초음파 분위기에서 30분간 균일하게 교반시킨 다음, 전극촉매층 크기의 몰드에 부은 후 30℃의 오븐에서 4시간 동안 건조시켜 양극전극과 음극전극의 전극촉매층을 형성하였다. 이러한 전극촉매층을 이온교환막의 양측, 즉 제1 전극 촉매층과 제2 전극 촉매층을 이온교환막의 양측에 위치시킨 상태에서 7분간, 100kgfcm²의 압력하에서 120℃로 핫프레스(hot-press)하여 일체화하였다. 이와 같이 구성한 고분자전극형 전기분해셀은 도 2와 같이 이온교환막 내로 전극촉매층이 침투한 구조를 갖게 된다.

사. 제1 전류 급전판과 제2 전류 급전판

다공성 티타늄에 백금을 도금하여 각각 제작한 것으로서, 제1 전류 급전판에 배터리의 (-)전원을 연결하고, 제2 전류 급전판에 배터리의 (+)전원을 연결한다.

아. 인가전류: 3A (전류밀도 1A/cm²)

(2) 성능측정

가. 압력조절부를 오픈한 상태에서 시간에 따른 수소의 발생 유량을 치환법을 이용하여 측정하고, 이를 이용하여 수소발생 효율을 측정하였다.

나. 압력조절부를 차단하고 상부 덮개를 오픈한 상태에서 시간에 따른 제1 챔버 내의 물의 수소 농도를 휴대용 용존 수소 측정기(일본 TRUSTLEX사 ENH-1000)를 이용하여 측정하였다.

(3) 실험결과

도 5는 도 4의 장치를 이용하여 실험한 데이터로 시간에 따른 수소 발생량 데이터이고, 도 6은 도 4의 장치를 이용하여 실험한 데이터로 시간에 따른 물의 용존 수소량 데이터이다.

실험을 통해 얻은 실험결과를 발명예 1의 데이터로 표시하였다.

[발명예 2]

발명예 2는 이온교환막 위에 직접 촉매를 석출시키는 방법으로 제작한 고분자전극형 전기분해셀을 발명예 1의 장치에 설치하여 평가한 것이다.

(1) 장치의 구조

가. 본체의 용량: 100ml

나. 본체, 상부 덮개 및 하부 덮개의 재질 : 아크릴

다. 전기분해셀의 전극촉매층 크기: 3cm²

마. 이온교환막: 나피온 117(Dupont, USA)

이온교환막을 5mM의 pt(NH₃)₄Cl₂(tetra-amineplatinum chloride hydrate, 98%), Iridium chloride를 함유한 메탄올(Methanol)과 물이 1:3의 부피비로 혼합된 혼합용액 내에 40분간 넣어 이온이 막의 내부로 확산 흡착되도록 한다. 그런 다음, 50℃로 예열된 PH13의 용액에 NaBH₄를 넣어 1mM 환원 용액을 만든 후, 흡착과정의 백금족 용액을 제거한 후 60ml의 환원용액을 대신 채운다. 이런 과정을 통해 2시간의 환원과정이 끝나면 이온교환막을 0.5M의 H₂SO₄에 2시간, 초순수에 1시간 정도 함침한 후 보관한다. 환원과정이 끝나면 Pt-Ir 전극촉매층을 가지는 고분자전극형 전기분해셀이 제조된다. 이와 같이 구성한 고분자전극형 전기분해셀은 도 2와 같이 이온교환막 내로 전극촉매층이 침투한 구조를 갖는 것으로서, 고분자전극의 전체 두께가 180㎛이고, 전극촉매층의 침투 두께가 약 2㎛인 구조를 갖는다.

사. 제1 전류 급전판과 제2 전류 급전판

아. 인가전류: 3A (전류밀도 1A/cm²)

(2) 성능측정은 발명예 1과 동일하게 수행하였다.

(3) 실험결과

본 실험을 통해 얻은 실험결과를 발명예 2의 데이터로 표시하였다.

[발명예 3]

발명예 1의 장치를 이용하여 산소 발생량을 평가했다.

(1) 장치의 구조는 발명예 1과 동일하며, 제1 전류 급전판과 제2 전류 급전판에 직류전원 인가방식으로 제1 전류 급전판에 배터리의 (+)전원을 연결하고, 제2 전류 급전판에 배터리의 (-)전원을 연결하여, 제1 챔버 내의 물에 산소가 용해되도록 하였다.

(2) 성능측정

가. 압력조절부를 오픈한 상태에서 시간에 따른 산소의 발생 유량을 치환법을 이용하여 측정하고, 이를 이용하여 산소 발생 효율을 측정하였다.

나. 압력조절부를 차단하고 상부 덮개를 오픈한 상태에서 시간에 따른 제1 챔버 내의 물의 산소 농도를 휴대용 용존 산소 측정기를 이용하여 측정하였다.

(3) 실험결과

도 7은 도 4의 장치를 이용하여 실험한 데이터로 시간에 따른 산소 발생량 데이터이고, 도 8은 도 4의 장치를 이용하여 실험한 데이터로 시간에 따른 물의 용존 산소량 데이터이다.

실험을 통해 얻은 실험결과를 발명예 3의 데이터로 표시하였다.

[발명예 4]

발명예 4는 이온교환막 위에 직접 촉매를 석출시키는 방법으로 제작한 고분자전극형 전기분해셀을 발명예 1의 장치에 적용하여 평가한 것으로서, 발명예 3과 동일한 실험 방법을 적용하였다.

(1) 장치의 구조는 발명예 3과 동일하며, 제1 전극촉매층 및 제2 전극촉매층과 이온교환막을 갖는 고분자전극형 전기분해셀을 제조함에 있어서 발명예 2에서와 같이 이온교환막에 직접 석출시키는 방법을 이용하였다.

(2) 성능측정은 발명예 3과 동일하게 수행하였다.

(3) 실험결과

본 실험을 통해 얻은 실험결과를 발명예 4의 데이터로 표시하였다.

[비교예 1]

비교예 1은 전극촉매층을 제1 전류 급전판과 제2 전류 급전판에 각각 형성한 전기분해셀을 이용하여 비교한 것이다. 즉, 상기와 같은 전기분해셀을 발명예 1의 장치에 적용하여 평가했다.

(1) 장치의 구조는 발명예 1과 같다. 단, 제1 전극촉매층 및 제2 전극촉매층과 이온교환막을 갖는 고분자전극형 전기분해셀 구조를 적용하지 않았다. 대신에 제1 전극촉매층을 제1 전류 급전판에 형성하고, 제2 전극촉매층을 제2 전류 급전판에 형성하여 구성하였다. 이때, 전극촉매층은 발명예 1과 동일한 것으로 구성하였으며, 화합물을 열분해하는 방법으로 제1, 제2 전류 급전판을 제작하였다. 그리고, 제1 전류 급전판에 배터리의 (-)전원을 연결하고, 제2 전류 급전판에 배터리의 (+)전원을 연결하였다.

(2) 성능측정은 발명예 1과 동일하다.

(3) 실험결과

실험을 통해 얻은 실험결과를 비교예 1의 데이터로 표시하였다.

[비교예 2]

산소 발생을 위한 실험인 비교예 2는 발명예 3과 동일하며, 다른 점은 전극촉매층의 형성 방법으로 비교예 1과 같다.

(2) 성능측정은 발명예 1과 동일하다.

(3) 실험결과

실험을 통해 얻은 실험결과를 비교예 2의 데이터로 표시하였다.

[결과]

발명예 1(고분자 전극을 핫프레스로 제작하는 경우)과 발명예 2(이온교환막에 직접 전극을 석출하는 경우)를 적용한 휴대용 음용수 제조 장치는 도 5의 시간에 따른 수소 발생량 데이터에서 알 수 있듯이, 전기를 인가한 즉시 수소가 발생되며, 이때 전류효율을 계산하면 99% 수준이었다. 또한, 도 6의 시간에 따른 물의 용존 수소량 데이터에서 알 수 있듯이, 전기를 인가한 즉시 수소가 1.0ppm을 유지하였고, 그 이상은 측정이 불가능하였다.

발명예 3(고분자 전극을 핫프레스로 제작하는 경우)과 발명예 4(이온교환막에 직접 전극을 석출하는 경우)를 적용한 장치는 도 7의 시간에 따른 산소 발생량 데이터에서 알 수 있듯이, 전기를 인가한 즉시 산소가 발생되며, 이때 전류효율을 계산하면 99% 수준이었다. 또한, 도 8의 시간에 따른 물의 용존 수소량 데이터에서 알 수 있듯이, 전기를 인가한 즉시 산소가 8.0ppm을 유지하였고, 그 이상은 측정이 불가능하였다.

비교예 1과 비교예 2(전극촉매층을 전류 급전판에 형성)는 전기분해가 되질 않아 별도의 직류전원 공급기에서 전류를 공급하여 전기분해를 수행하였다. 이때, 전기분해 전압은 약 12V이며, 전기분해 효율은 약 40% 수준이었다.

[결론]

첫째, 수돗물을 전기분해하기 위한 수단으로 이 발명의 예처럼 고분자 내에 전극촉매층이 형성된 것이 바람직하며, 이와 같은 전기분해셀을 적용하면 음용수 제조 장치를 휴대용으로 제작이 가능하다.

둘째, 이 발명의 예에서 알 수 있듯이, 전류효율이 약 99%로서, 1회 음용하는 수돗물(150ml)을 수소 1ppm으로 포화시키는 데 필요한 양은 수소 0.15mgr이 필요하며, 이때 필요한 전류량은 99% 효율에서 1A(배터리 적용)로 적용하는 경우 5초 내외에 포화수준에 도달한다.

셋째, 이 발명의 휴대용 음용수 제조 장치는 상기와 같은 특성으로 매우 빠른 응답속도와 저전력 소모로 인해 소형화가 가능하다.

이상에서 이 발명의 휴대용 음용수 제조 장치에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 발명예를 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.

100 : 휴대용 음용수 제조 장치 110 : 본체
120 : 전기분해셀 130 : 상부 덮개
140 : 하부 덮개 150 : 제1 전류 급전판
160 : 제2 전류 급전판 170 : 직류전원 공급수단
180 : 가스켓 190 : 고정 볼트

Claims

물을 공급하거나 배출하기 위한 통로와, 전기분해 반응에 의해 생성된 가스만을 외부로 배출하기 위한 배출구를 갖는 용기와;
상기 용기의 내부공간을 상하로 구획하여, 물을 저장하는 제1 챔버와, 상기 제1 챔버와 대향하는 측에 물을 저장하지 않고 상기 배출구를 통해 상기 가스만을 외부로 배출하는 제2 챔버를 갖도록 하며, 제1 전극촉매층과 제2 전극촉매층이 이온교환막과 일체화된 형태를 갖는 전기분해셀과;
상기 전기분해셀의 상단 및 하단에 각각 밀착되어 전류를 공급하는 제1 전류 급전판과 제2 전류 급전판; 및
상기 제1 전류 급전판과 상기 제2 전류 급전판에 직류를 공급하기 위한 직류전원 공급수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 음용수 제조 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 챔버가 외부와 연통하도록 상기 용기에 형성된 연통구와, 상기 연통구에 접속되는 가스 배출라인과, 상기 가스 배출라인에 설치되어 상기 제1 챔버 내의 압력과 가스의 이동을 조정하는 압력조절부, 및 상기 가스 배출라인의 단부에 설치되어 발생 가스를 물에 녹이기 위한 디퓨져를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 음용수 제조 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 용기는 일정 용량의 물을 저장할 수 있는 상기 제1 챔버를 가지며 상부 및 하부가 개방된 본체와, 상기 통로의 역할을 하며 상기 용기의 상부를 덮는 상부 덮개, 및 상기 제2 챔버와 상기 배출구를 갖는 하부 덮개를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 음용수 제조 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 본체와 상기 제1 전류 급전판의 사이와 상기 하부 덮개와 상기 제2 전류 급전판의 사이에 각각 설치되어 물의 기밀을 막는 한 쌍의 가스켓과, 상기 하부 덮개를 상기 본체에 고정하되 상기 전기분해셀, 상기 제1 전류 급전판, 상기 제2 전류 급전판 및 상기 한 쌍의 가스켓을 동시에 고정하기 위한 다수개의 고정 볼트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 음용수 제조 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 용기의 상부에는 상기 제1 챔버 내의 가스를 배출하여 압력을 제어하는 안전밸브가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 휴대용 음용수 제조 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제1 전극촉매층과 상기 제2 전극촉매층은 동일한 전극촉매로 구성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 음용수 제조 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 제1 전극촉매층과 상기 제2 전극촉매층은 상기 이온교환막의 계면에서 0.01㎛ ~ 10㎛ 침투된 것을 특징으로 하는 휴대용 음용수 제조 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 전극촉매는 백금족의 금속인 백금, 루테늄, 로듐, 파라듐, 오스뮴 또는 이리듐 군에서 선택되는 1종 또는 1종 이상의 금속이 혼합된 합금인 것을 특징으로 하는 휴대용 음용수 제조 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 이온교환막은 그 두께가 50㎛ ~ 200㎛인 것을 특징으로 하는 휴대용 음용수 제조 장치.
청구항 9에 있어서,
상기 이온교환막은 탄화수소(hydrocarbon)계 재질 또는 탄화불소(fluorocarbon)계 재질의 고분자에 양이온(cation)이 선택적으로 이동가능 하도록 이온 전달 그룹인 설폰닉(sulfonic), 카복실릭(carboxylic) 및 포스포릭(phosphoric)계 산성그룹(acidic groups)을 가지는 고분자 구조체로 구성된 것을 특징으로 하는 휴대용 음용수 제조 장치.
청구항 9에 있어서,
상기 이온교환막은 탄화수소(hydrocarbon)계 재질 또는 탄화불소(fluorocarbon)계 재질의 고분자에 ~SO3 형태의 강산성 그룹을 가지는 막 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 휴대용 음용수 제조 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 직류전원 공급수단은 상기 용기의 일측에 부착해 일체로 구성하거나 별도로 분리하여 구성하는 것을 특징으로 하는 휴대용 음용수 제조 장치.
청구항 12에 있어서,
상기 직류전원 공급수단은 1차 배터리 또는 2차 배터리이거나, AC 전원으로부터 DC 전력을 공급할 수 있는 어댑터를 구비하는 것을 특징으로 하는 휴대용 음용수 제조 장치.
청구항 12에 있어서,
상기 직류전원 공급수단은 전극으로의 전압(또는 전류) 인가 방향을 역전시키는 디바이스가 일체로 결합되도록 구성되거나 상기 디바이스가 별도로 분리 배치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 음용수 제조 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 전기분해가 수행되고 있음을 나타내기 위한 표시수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 음용수 제조 장치.