KR101571441B1 - 물의 전기분해를 위한 전원 제어장치 및 그 제어방법 - Google Patents

물의 전기분해를 위한 전원 제어장치 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물을 전기분해하여 수소와 산소를 발생하는 장치로 공급되는 전원을 제어하는 장치와 그 방법에 관한 것으로, 배터리에서 인가된 직류전원으로 수소 및 산소를 발생시키는 수소/산소 발생기; 원격에서 상기 수소/산소 발생기의 제반 작동을 제어하는 신호를 발생하는 리모트 컨트롤러; 상기 리모트 컨트롤러에서 수신된 신호를 연산 및 판단하여 설정된 제어신호를 출력하는 제어부; 상기 직류전원을 공급하는 배터리의 출력전압과 배터리에 충전전원을 공급하는 발전기의 출력전압의 차이를 비교하여 배터리 전압만 입력되면 레벨신호를 출력하는 전압비교기; 상기 제어부에서 입력된 제어신호와 전압비교기에서 입력된 레벨신호를 논리 연산하여 레벨신호를 출력하는 AND회로, 및 상기 AND회로의 레벨신호로 스위칭되어 펄스폭변조(PWM)에 의한 전류제어로 수소/산소 발생기에 배터리의 직류전원을 공급하는 전원제어기를 포함하여 이루어진 것이다. 본 발명은 물을 전기분해하는 장치에 공급되는 전원을 프로그램에 의한 제어와 더불어 물리적인 제어를 이중으로 적용할 수 있어 프로그램 제어에 의한 오작동을 방지하고, 물리적인 제어에 의한 전기분해장치의 재가동에 따른 불편을 해소하며, 물을 전기분해하는 장치를 원격에서 제어할 수 있는 편의를 제공한 것이다.

Description

물의 전기분해를 위한 전원 제어장치 및 그 제어방법{Apparatus for Control Electric Power Source for Electrolysis of Water and Method thereof}
본 발명은 물을 전기분해하여 수소와 산소를 발생하는 장치로 공급되는 전원을 제어하는 장치와 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기분해(Electrolysis)는 물질에 전기 에너지를 가하여 산화 및 환원반응이 일어나도록 하는 것이다. 더욱이 물의 전기분해는 수소와 산소가 반응하여 물이 만들어지면 이 물은 자발적으로 수소와 산소로 되지 못한다. 그러나 전기에너지를 가해서 반응을 일으키면 물을 분해할 수 있다. 이때 전해질이 없는 순수한 물은 전류가 흐르지 않기 때문에 일정량의 수산화나트륨, 수산화칼륨 또는 황산나트륨 등의 전해질을 물에 넣고 전류를 흘린다.
따라서 물의 전기분해 때에는 전기분해조 한쪽에는 양극봉을 설치하고 다른 쪽에는 음극봉을 설치하며 전해조의 물에 전해질을 첨가 혼합하여 채운 상태에서 양극봉과 음극봉에 직류전원을 공급함으로써 물을 전기분해 한다. 이때, 양극봉에서는 산화반응으로 산소를 얻을 수 있고, 음극봉에서는 환원반응이 일어나 수소를 얻을 수 있다. 생성되는 수소와 산소의 부피비는 대략 2:1이다.
종래에 물을 전기분해하는 장치로 전원을 공급하기 위하여 프로그램 제어방식 또는 물리적인 제어방식이 적용되었으나, 프로그램 제어방식은 배터리의 방전에 의한 오작동이 발생될 수 있고, 물리적인 제어방식은 가동과 재가동을 빈번하게 수행해야 하는 번거로운 문제가 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-0535434호(2005.12.09. 공고)
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 물을 전기분해하는 장치에 공급하는 직류전원은 배터리와 더불어 배터리를 충전하는 발전기로 이루어진 전원장치를 사용하면 발전기에서 출력되는 전원만을 사용하고 발전기가 작동을 정지하였을 때에 배터리에서 공급되는 전원을 차단시켜 배터리의 무단 방전을 방지하는 방법으로 설정된 프로그램에 의한 제어방식과 물리적인 제어방식을 적용하기 위한 것이 목적이다.
또한, 본 발명은 배터리의 무단 방전을 방지하기 위하여 설정된 프로그램에 의한 제어방식으로 인한 오동작을 방지하고, 발전기가 작동을 정지하였을 때에 물리적으로 배터리에서 공급되는 전원을 차단시킬 수 있도록 함으로써 물의 전기분해장치의 작동을 위한 효과적인 제어와 전기분해장치의 재가동에 따른 불편을 해소하기 위한 것이 다른 목적이다.
또한, 본 발명은 물의 전기분해장치를 프로그램에 의한 제어방식에서 발생할 수 있는 오동작에서도 발전기의 가동 유무를 판단하여 배터리로부터 전원이 공급되는 것을 차단함과 더불어 배터리의 전원 공급을 제어하여 전기분해장치의 제어에 따른 불필요한 요소를 제거하기 위한 것이 다른 목적이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 배터리에서 인가된 직류전원으로 수소 및 산소를 발생시키는 수소/산소 발생기; 원격에서 상기 수소/산소 발생기의 제반 작동을 제어하는 신호를 발생하는 리모트 컨트롤러; 상기 리모트 컨트롤러에서 수신된 신호를 연산 및 판단하여 설정된 제어신호를 출력하는 제어부; 상기 직류전원을 공급하는 배터리의 출력전압과 배터리에 충전전원을 공급하는 발전기의 출력전압의 차이를 비교하여 배터리 전압만 입력되면 레벨신호를 출력하는 전압비교기; 상기 제어부에서 입력된 제어신호와 전압비교기에서 입력된 레벨신호를 논리 연산하여 레벨신호를 출력하는 AND회로, 및 상기 AND회로의 레벨신호로 스위칭되어 펄스폭변조(PWM)에 의한 전류제어로 수소/산소 발생기에 배터리의 직류전원을 공급하는 전원제어기를 포함하여 이루어진 물의 전기분해를 위한 전원 제어장치를 제공한 것이 특징이다.
또한, 본 발명에서, 상기 전원제어기와 수소/산소 발생기 사이에 설치되어 AND회로의 출력단에서 출력되는 레벨신호로 온 또는 오프되어 전원제어기에서 제어된 전류신호를 스위칭하는 전원스위치를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은, (a) 전압비교기에서 배터리의 출력전압과 발전기의 출력전압을 비교하여 발전기의 출력전압이 배터리의 출력전압보다 낮은 경우에 비교 회로의 출력단에 로우(low) 레벨신호가 출력되도록 하여 전원스위치를 오프(off)시켜 전원제어기의 제어신호에 의한 전력이 수소/산소 발생기로 출력되지 않도록 제어하는 단계; (b) 제어부에서 리모트 컨트롤러의 전원 온/오프스위치로부터 오프(off)신호를 수신하면 AND회로의 출력단에 로우(low) 레벨신호가 출력되도록 하여 전원제어기의 제어신호에 의한 전력이 수소/산소 발생기로 출력되지 않도록 제어하는 단계, 및 (c) 상기 전압비교기에서 발전기의 출력전압이 배터리의 출력전압보다 높고 제어부가 리모트 컨트롤러로부터 오프(off)신호를 수신하지 않은 경우에 AND회로의 출력단에 하이(high) 레벨신호가 출력되도록 하여 전원스위치를 온(on)시켜 전원제어기의 제어신호에 의한 전력이 수소/산소 발생기로 출력되도록 제어하는 단계를 포함하여 이루어진 물의 전기분해를 위한 전원 제어방법을 제공한 것이 특징이다.
본 발명에 따르면, 물을 전기분해하는 장치에 공급되는 전원을 프로그램에 의한 제어와 더불어 물리적인 제어를 이중으로 적용할 수 있어 프로그램 제어에 의한 오작동을 방지하고, 물리적인 제어에 의한 전기분해장치의 재가동에 따른 불편을 해소하며, 물을 전기분해하는 장치를 원격에서 제어할 수 있는 편의를 제공한 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 물의 전기분해를 위한 수소/산소 발생기에 전원을 공급 및 제어하는 장치를 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시 예로, 물의 전기분해를 위한 이중적 전원 제어장치를 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전압비교기를 나타낸 회로도이다.
도 4는 본 발명에 따른 AND회로를 나타낸 회로도이다.
도 5는 본 발명에 따른 물의 전기분해를 위한 전원 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하 본 발명에 따른 물의 전기분해를 위한 전원 제어장치에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1에서, 전해조에서 물을 전기분해하여 수소 및 산소를 발생하는 수소/산소 발생기(20)에 직류전원을 공급 및 제어하는 전원 제어장치(10)가 구성되고, 수소/산소 발생기(20)를 원격에서 제어하는 리모트 컨트롤러(30)가 구성된다. 따라서 본 발명은 수소/산소 발생기(20)의 작동을 프로그램에 의하여 제어하기 위한 리모트 컨트롤러(30)와, 수소/산소 발생기(20)의 작동을 물리적, 즉 전압신호의 비교에 의하여 제어하기 위한 전원 제어장치(10)가 이중적으로 구성된다.
도 2에서, 수소/산소 발생기(20)로 공급되는 전원을 제어하는 전원 제어장치(10)의 실시 예를 나타낸 것이다. 축전지 또는 2차 전지를 포함하는 충전용 배터리(11)는 내부에서 화학적 작용에 의해 전기적 에너지를 변환시켜 수소/산소 발생기(20)에 일정 크기의 직류전원을 공급하는 것으로 복수회의 충전과 방전이 가능한 것이 좋다. 충전용 배터리(11)는 납축전지, 알칼리 축전지, MF축전지 또는 리튬이온 축전지 등이 적용될 수 있다. 발전기(12)는 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 것으로, 발전된 전기에너지를 충전용 배터리의 충전전원으로 공급한다. 더욱이 발전기(12)에서 출력된 교류전원(AC)은 컨버터(Converter) 등을 통해 직류전원(DC)으로 변환하여 충전용 배터리를 충전하는 것이 좋다.
전압비교기(13)는 직류전원을 공급하는 배터리(11)의 출력전압과 배터리(11)에 충전전원을 공급하는 발전기(12)의 출력전압의 차이를 비교하여 배터리(11) 전압만 입력되면 하이(high) 또는 로우(low) 레벨의 신호를 출력하는 것이다.
도 3에서, 전압비교기(13)는 배터리(11)와 발전기(12)로부터 전압신호를 입력받는다. 여기에서, 전압비교기(13)는 비교기(COMP)의 (-)입력단에 배터리(11)의 전압이 인가되고, 비교기(COMP)의 (+)입력단에 발전기(GEN)와 연결된다. 발전기(GEN)와 배터리(BATTERY) 사이 및 비교기(COMP)의 (+)입력단 및 (-)입력단 사이에 제1다이오드(D1) 및 제2다이오드(D2)가 직병렬로 연결된다. 그리고 비교기(COMP)의 (+)입력단에는 제1저항(R1)과 제3저항(R3)이 병렬로 연결되고, 비교기(COMP)의 (-)입력단에는 제2저항(R2)과 제4저항(R4)이 병렬로 각각 연결된다. 비교기(COMP)의 입력단에 연결된 저항들의 저항값에 의하여 비교기(COMP)는 기준레벨이 정해진다. 따라서 전압비교기(13)는 배터리(BATTERY)의 입력전압과 발전기(GEN)의 입력전압을 비교하여 출력단에 하이(high) 또는 로우(low) 레벨의 신호를 출력한다. 더욱이 전압비교기(13)는 배터리 전압과 발전기 전압을 비교하여 배터리 전압만 입력되면 비교기(COMP)의 출력단에 로우(low) 레벨의 신호가 출력되도록 한다.
리모트 컨트롤러(30)는 원격에서 수소/산소 발생기(20)의 제반 작동, 즉 수소/산소 발생기(20)의 작동과 정지 및 전류 제어를 통해 수소와 산소의 양을 각각 제어하는 신호를 발생하는 것이다. 리모트 컨트롤러(30)는 원격에서 유선 또는 무선으로 제어신호를 출력하는 것으로 무선 제어가 가능한 것이 좋다.
제어부(17)는 리모트 컨트롤러(30)에서 수신된 신호를 연산 및 판단하여 설정된 제어신호를 출력하는 것이다. 제어부(17)는 내부에 설정된 프로그램이 포함되어 있어 리모트 컨트롤러(30)의 제어신호를 수신하여 출력단을 통해 프로그램된 제어신호를 출력한다. 더욱이 제어부(17)에는 리모트 컨트롤러(30)의 유선 또는 무선신호를 송수신하는 송수신부가 포함되어 있는 것이 좋다.
AND회로(15)는 제어부(17)에서 입력된 제어신호와 전압비교기(13)에서 입력된 레벨신호를 논리 연산하여 레벨신호를 출력하는 것이다. 도 4에서, AND회로(15)는 두개의 제1스위칭 트랜지스터(Q1) 및 제2스위칭 트랜지스터(Q2)가 종속적으로 (cascade)로 연결된다. 즉 제1트랜지스터(Q1)의 컬렉터단에 구동전압(5V) 및 출력단이 연결되고 베이스단에는 전압비교기(13)의 출력단이 연결되며, 제2트랜지스터(Q1)의 컬렉터단에 제1트랜지스터(Q1)의 에미터단이 연결되고 베이스단에는 제어부(17)의 출력단이 연결된다. 따라서 AND회로(15)는 전압비교기(13)와 제어부(17)의 입력신호를 논리 연산하여 하이 또는 로우 레벨의 신호를 출력한다.
전원제어기(14)는 AND회로(15)의 레벨신호로 스위칭되어 펄스폭변조(Pulse Width Modulation, PWM)에 의한 전류제어로 수소/산소 발생기(20)에 배터리(11)의 직류전원을 공급하는 것이다. 더욱이 전원제어기(14)와 수소/산소 발생기(20) 사이에 설치되어 AND회로(15)의 출력단에서 출력되는 레벨신호로 온 또는 오프(off)되어 전원제어기(14)에서 제어된 전류신호를 스위칭(switching)하는 전원스위치(16)를 구성될 수 있다.
이와 같이 이루어진 본 발명의 물의 전기분해를 위한 전원 제어방법에 관하여 첨부된 도 5의 흐름도를 참조하여 설명한다.
도 5에서, 우선, 전압비교기(13)는 입력단으로 각각 입력된 배터리(11)의 출력전압과 발전기(12)의 출력전압을 감지한다(S11). 그리고 전압비교기(13)는 발전기(12)의 출력전압과 배터리(11)의 출력전압을 비교한다(S12). 비교 결과로, 전압비교기(13)는 발전기(12)의 출력전압이 배터리(11)의 출력전압보다 높은 경우에는 AND회로(15)의 출력단에 로우(low) 레벨신호가 출력되도록 함으로써 전원스위치(16)를 오프(off)시켜 전원제어기(14)의 제어신호가 수소/산소 발생기(20)로 출력되지 않도록 한다(S15).
또한, 전압비교기(13)에서 발전기(12)의 출력전압이 배터리(11)의 출력전압보다 높지 않은 경우에 제어부(17)가 리모트 컨트롤러(30)로부터 오프(off) 작동신호를 수신하였는지를 판단하고(S13), AND회로(15)의 출력단에 로우(low) 레벨신호가 출력되도록 함으로써 전원스위치(16)를 오프(off)시켜 전원제어기(14)의 제어신호가 수소/산소 발생기(20)로 출력되지 않도록 제어한다(S15).
한편, 전압비교기(13)에서 발전기(12)의 출력전압이 배터리(11)의 출력전압보다 작고 제어부(17)가 리모트 컨트롤러(30)로부터 작동신호를 수신하지 않은 경우에 AND회로(15)의 출력단에 하이(high) 레벨신호가 출력되도록 함으로써 전원스위치(16)를 온(on)시켜 전원제어기(14)의 제어신호가 수소/산소 발생기(20)로 출력되도록 제어한다(S14).
따라서 본 발명의 물의 전기분해를 위한 전원 제어장치는 배터리를 충전시키는 발전기는 배터리보다 높은 전압이 발생되므로 이를 이용하여 배터리의 출력전압과 발전기의 출력전압의 차를 비교하여 배터리의 출력전압만 입력되면 비교기의 출력이 발생되고, 이 신호는 AND회로의 어느 하나의 입력단으로 입력되며 AND회로의 다른 입력단에는 제어부가 리모트 컨트롤러로부터 수신한 신호가 되어 AND회로의 출력단을 통해 최종의 레벨신호가 출력되도록 하는 것으로, 수소/산소 발생기로 이중으로 전원공급을 제어함으로써 발전기의 가동 때에만 물의 전기분해를 위한 전원이 공급되도록 제어한다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
10: 전원 제어장치 11, BATTERY: 충전용 배터리
12, GEN: 발전기 13: 전압비교기
14: 전원제어기 15: AND회로
16: 전원스위치 17: 제어부
20: 수소/산소 발생기 30: 리모트 컨트롤러
D1, D2: 다이오드 R1-R4: 저항
COMP: 비교기 Q1, Q2: 트랜지스터

Claims (3)

  1. 배터리에서 인가된 직류전원으로 수소 및 산소를 발생시키는 수소/산소 발생기;
    원격에서 상기 수소/산소 발생기의 제반 작동을 제어하는 신호를 발생하는 리모트 컨트롤러;
    상기 리모트 컨트롤러에서 수신된 신호를 연산 및 판단하여 설정된 제어신호를 출력하는 제어부;
    상기 직류전원을 공급하는 배터리의 출력전압과 배터리에 충전전원을 공급하는 발전기의 출력전압의 차이를 비교하여 배터리 전압만 입력되면 레벨신호를 출력하는 전압비교기;
    상기 제어부에서 입력된 제어신호와 전압비교기에서 입력된 레벨신호를 논리 연산하여 레벨신호를 출력하는 AND회로, 및
    상기 AND회로의 레벨신호로 스위칭되어 펄스폭변조(PWM)에 의한 전류제어로 수소/산소 발생기에 배터리의 직류전원을 공급하는 전원제어기를 포함하여 이루어진 물의 전기분해를 위한 전원 제어장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 전원제어기와 수소/산소 발생기 사이에 설치되어 AND회로의 출력단에서 출력되는 레벨신호로 온 또는 오프되어 전원제어기에서 제어된 전류신호를 스위칭하는 전원스위치를 더 포함하는 물의 전기분해를 위한 전원 제어장치.
  3. (a) 전압비교기에서 배터리의 출력전압과 발전기의 출력전압을 비교하여 발전기의 출력전압이 배터리의 출력전압보다 낮은 경우에 AND회로의 출력단에 로우(low) 레벨신호가 출력되도록 하여 전원스위치를 오프(off)시켜 전원제어기의 제어신호에 의한 전력이 수소/산소 발생기로 출력되지 않도록 제어하는 단계;
    (b) 리모트 컨트롤러의 전원 온/오프스위치로부터 오프(off)신호를 수신하면 AND회로의 출력 단에 로우(low) 레벨신호가 출력되도록 하여 전원제어기의 제어신호에 의한 전력이 수소/산소 발생기로 출력되지 않도록 제어하는 단계, 및
    (c) 상기 전압비교기에서 발전기의 출력전압이 배터리의 출력전압보다 높고 제어부가 리모트 컨트롤러로부터 오프(off)신호를 수신하지 않은 경우에 AND회로의 출력단에 하이(high) 레벨신호가 출력되도록 하여 전원스위치를 온(on)시켜 전원제어기의 제어신호에 의한 전력이 수소/산소 발생기로 출력되도록 제어하는 단계를 포함하여 이루어진 물의 전기분해를 위한 전원 제어방법.
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