KR101600963B1 - 고농도 산소 발생장치 - Google Patents

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Abstract

전기화학 반응을 이용하여 산소를 함유한 혼합기체(공기)로부터 수소 가스의 발생이 없는 안전한 고농도 산소 가스를 사용자에게 제공할 수 있게 함과 아울러 저소비 전력 및 저소음으로 쾌적한 환경을 조성할 수 있게 하는 고농도 산소 발생장치가 개시되어 있다. 본 발명에 따른 고농도 산소 발생장치는 공기흡입부, 공기흡입부에서 공기가 유입되고, 내부에는 전해질 용액이 담겨 전기화학적 반응이 일어나는 전해 셀, 및 전해질 용액이 담겨지고, 전해 셀에서 발생된 산소를 사용자에게 제공되게 하는 산소발생부,로 이루어진다. 전해 셀은, 평판형상의 양극판과, 평판형상의 음극판을 구비하는 전극부, 및 내부에 전해질 용액이 담겨지고 전극부를 고정시키는 공간분리부, 및 전해질 용액을 공기흡입부 및 산소발생부 측으로의 누수를 막으면서 전극부에 의해 발생된 산소를 산소발생부 측으로 투과되게 하는 기액투과부를 구비하는 전해조,로 이루어진다.

Description

고농도 산소 발생장치{DEVICE FOR GENERATING HIGH CONCENTRATION OF OXYGEN GAS}
본 발명은 고농도 산소 발생장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 전기화학 반응을 이용하여 산소를 함유한 혼합기체(공기)로부터 수소 가스의 발생이 없는 안전한 고농도 산소 가스를 사용자에게 제공할 수 있게 함과 아울러 저소비 전력 및 저소음으로 쾌적한 환경을 조성할 수 있게 하는 고농도 산소 발생 전해 셀에 관한 것이다.
산소는 폐를 통해 흡입되어 혈관으로 들어가고 심장의 수축과 이완작용으로 혈액을 통해 각 세포로 공급된다. 현대인은 운동부족, 식생활 습관에서 오는 혈액의 산성화, 혈관에 쌓인 콜레스테롤로 인한 혈액순환의 악화로 신선한 산소 공급이 요구되고 있지만, 대기오염으로 지하시설, 밀폐 공간 등의 산소 부족은 날로 심각해지고 있다. 이러한 산소 부족현상은 두통 및 무기력증 등을 유발함과 아울러 인체에 보이지 않는 치명적인 손상을 초래하기 때문에 최근에는 산소 발생기에 대한 관심이 높아지고 있는 실정이다.
일반적으로, 실내의 산소농도는 환기 후, 30분경과 시 평균 20.5% 측정되고, 외기의 산소농도는 서울지역 기준 20.8~20.9%로 측정된다. 실내와 실외의 농도차이가 0.3~0.4% 차이임에도 불구하고 실외에서 시원함을 느낄 수 있는 것은 온도의 차이라기보다는 명확히 산소농도 차이 때문이다. 산소농도 50%미만의 산소환경 속에서 지속적으로 생활하더라도 인체에 전혀 문제가 없으며, 100% 산소를 1시간이상 계속 흡입했을 때 산소 독성의 증세가 나타나지만 산소마스크를 직접 착용하지 않는 이상 50%이상의 산소 유입이 불가능하다. 그래서 산소공급기의 경우 30%정도의 공급을 가장 권장하고 있으며, 이 경우 장소에 따라 공기의 확산으로 21~23% 정도의 산소효과를 얻을 수 있다.
또한, 최근 들어 천식, 만성 기관지염 등의 호흡기계 기관 질환이 증가하는 경향이지만, 그 치료법으로는 산소가스 혹은 산소부화 공기를 환자에게 흡입시키는 산소 흡입요법이 가장 효과적으로 이용되고 있으며, 90% 이상의 고농도 산소도 이런 경우에 사용되고 있다.
고농도 산소 발생을 위해서는 제올라이트를 흡착제로 사용하는 PSA(Pressure Swing Adsorption)방식이 일반적이며, 멤브레인이나 평막 등의 분리막을 사용하는 멤브레인방식, 전기분해방식 등이 이용되고 있다. 그런데 제올라이트나 분리막을 이용하는 산소발생장치(PSA 방식)는 수분에 민감하여 일정기간이 경과하면 산소 순도가 저하되어 목적하는 용존산소농도를 충족하기가 어렵고 압축기 등의 사용으로 소음이 심하다는 단점이 있다.
최근 멤브레인 방식이나 전기전해방식에 대한 연구도 진행되고 있으며, 이와 관련하여, 대한민국공개특허 제 10-2008-0035847 호, 일본공개특허 제 2008-51453 호,에 전기전해방식 공기정화 장치에 관한 기술이 개시된 바 있고, 대한민국등록실용신안 제 20-0307369 호, 대한민국등록실용신안 제 20-0354683 호,에 산업용 산소발생장치가 개시된 바 있다.
그런데, 전술한 종래 전기전해방식 공기정화 장치 및 종래 산업용 산소 발생장치는 산소가스 이외에 오존 및 수소가스 등이 동시에 발생되기 때문에 인체에 유해하고, 폭발의 위험성을 가지고 있을 뿐만 아니라 압축기 등을 사용하기 때문에 큰 소음이 발생하는 문제점이 있었다.
그리고 전기전해방식 이외에 전기화학적 방법 및 장치가 사용되고 있으나 물을 전기분해함으로 부생성물로 수소가 발생하기 때문에 산소를 사용하기 전에 수소를 제거해야만 하는 번거로움이 있을 뿐만 아니라 산소와 수소가 공존하기 때문에 폭발의 위험을 가지고 있는 문제점이 있었다. 또한 전기분해방식은 4전자 반응과정이기 때문에 많은 에너지가 필요하고, 소비 전력도 커지는 또 다른 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 전기화학 반응을 이용하여 산소를 함유한 혼합기체(공기)로부터 수소 가스의 발생이 없는 안전한 고농도 산소 가스를 사용자에게 제공할 수 있게 함과 아울러 저소비 전력 및 저소음으로 쾌적한 환경을 조성할 수 있게 하는 고농도 산소 발생장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서 본 발명은,
공기흡입부와, 공기흡입부에서 공기가 유입되고, 내부에는 전해질 용액이 담겨 전기화학적 반응이 일어나는 전해 셀; 및 전해질 용액이 담겨지고, 전해 셀에서 발생된 산소를 사용자에게 제공되게 하는 산소발생부;로 이루어진 산소 발생장치에 있어서,
전해 셀은,
평판형상의 양극판과, 평판형상의 음극판을 구비하는 전극부; 및
내부에 전해질 용액이 담겨지고 전극부를 고정시키는 공간분리부, 및 전해질 용액을 공기흡입부 및 산소발생부 측으로의 누수를 막으면서 전극부에 의해 발생된 산소를 산소발생부 측으로 투과되게 하는 기액투과부를 구비하는 전해조,로 이루어진 고농도 산소 발생장치를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 고농도 산소 발생장치는, 대기중의 공기를 강염기의 전해질 용액에서 전기화학적 반응으로 고농도의 산소를 생성시키도록 함으로써, 수소가스의 발생 없이 안전한 고농도의 산소가스 얻을 수 있을 뿐만 아니라 다양한 분야, 특히 의료용 산소 발생기로 활용할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 고농도 산소 발생장치는, 종래의 PSA 방식의 고농도 산소 발생장치의 문제점이였던 압축기에 의한 소음을 줄일 수 있고, 전력 감소시킬 수 있는 이점이 있다.
게다가 본 발명에 따른 고농도 산소 발생장치는, 수소가스 발생으로 인한 폭발 위험이 없기 때문에 고농도 산소를 회석하여 실내 공기 정화를 위한 가정용 산소 발생장치로써 활용이 가능한 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고농도 산소 발생장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 고농도 산소 발생장치에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 고농도 산소 발생장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고농도 산소 발생장치(100)는, 공기흡입부(110)와, 공기흡입부(110)에서 공기가 유입되고, 내부에는 전해질 용액(S)이 담겨 전기화학적 반응이 일어나는 전해 셀(120)과, 전해질 용액(S)이 담겨지고, 전해 셀(120)에서 발생된 산소를 사용자에게 제공되게 하는 산소발생부(150),로 이루어진다.
먼저, 공기흡입부(110)는 함체 형상을 가지며 내부에 공기챔버(112)가 마련된다. 그리고 공기흡입부(110)에는 공기챔버(112) 내부로 공기가 유입되게 하는 공기흡입관(114), 및 불필요한 공기를 공기챔버(112) 외부로 배출되게 하는 공기배출관(116)이 형성된다.
누구나 알 수 있듯이, 공기흡입관(114) 및 공기배출관(116)에는 송풍팬(도시되지 않음) 및 배풍팬(도시되지 않음)이 각각 장착된다.
이와 같이 형성된 공기흡입부(110)의 일측에는 순차적으로 전해 셀(120) 및 산소발생부(150)가 배치된다.
전해 셀(120)은 전극부(122)와, 내부에 전해질 용액(S)이 담겨지고 전극부(122)를 고정시킴과 아울러 전해질 용액(S)의 누수를 막으면서 전극부(122)에 의해 발생된 산소를 산소발생부(150) 측으로 투과되게 하는 전해조(128)를 구비한다.
전극부(122)는 평판형상의 양극판(124)과, 평판형상의 음극판(126)을 구비한다. 양극판(124)은 산소 발생 시, 활성화 전위를 낮출 수 있도록 니켈, 백금, 이리듐 중 어느 하나로 된 전극, 또는 니켈, 백금, 이리듐으로 구성된 그룹에서 선택된 2종 이상의 합금으로 된 전극으로 제조된다. 더욱 바람직하게는 양극판(124)은 니켈, 백금, 이리듐 중 어느 하나의 금속산화물로 된 전극, 또는 니켈, 백금, 이리듐으로 구성된 그룹에서 선택된 2종 이상의 금속산화물로 된 전극으로 제조된다. 그리고 음극판(126)은 탄소로 구성된 기체 투과성 전극으로 제조된다.
한편, 전해조(128)는 내부에 전해질 용액(S)이 담겨지고 전극부(122)를 고정시키는 공간분리부(130)와, 전해질 용액(S)을 공기흡입부(110) 및 산소발생부(150) 측으로의 누수를 막으면서 전극부(122)에 의해 발생된 산소를 산소발생부(150) 측으로 투과되게 하는 기액투과부(138),를 구비한다.
공간분리부(130)는 음극판(126)과 공기흡입부(110) 사이에 배치되는 음극부공간분리막(132)과, 양극판(124)과 산소발생부(150) 사이에 배치되는 양극부공간분리막(134)과, 음극판(126)과 양극판(124) 사이에 배치되는 중간공간분리막(136)으로 이루어지며, 기액투과부(138)는 음극판(126)과 음극부공간분리막(132) 사이에 배치되어 전해질 용액(S)이 공기흡입부(110) 측으로 누수되는 것을 막으면서 공기흡입부(110) 측에서 안내되는 공기를 투과시키는 음극부기액투과막(140)과, 양극판(124)과 양극부공간분리막(134) 사이에 배치되어 전해질 용액(S)이 산소발생부(150) 측으로 누수되는 것을 막으면서 발생된 산소가스를 산소발생부(150) 측으로 투과시키는 양극부기액투과막(142)으로 이루어진다.
여기서, 음극부공간분리막(132)에는 공기흡입부(110)의 공기챔버(112)로부터 공기가 유입될 수 있도록 공기유입공(132a)이 형성되는데, 이를 위해서 공기흡입부(110)에는 공기유입공(132a)과 연결되는 공기안내공(118)이 형성된다. 그리고 양극부공간분리막(134)에는 산소발생부(150)에서 전해질 용액(S)이 순환됨과 아울러 발생된 산소가스를 산소발생부(150) 측으로 안내하는 산소배출공(134a)이 형성되며, 중간공간분리막(136)에는 전해질 용액(S)이 순환될 수 있도록 순환공(136a)이 형성된다.
바람직하게는 음극부공간분리막(132), 양극부공간분리막(134), 및 중간공간분리막(136)은 통상의 볼트와 너트로 구성된 체결수단(도시되지 않음)에 의해서 체결된다.
한편, 산소발생부(150)는 양극부공간분리막(134)의 일측에 배치되는데, 이러한 산소발생부(150)는 내부에 전해질 용액(S)이 담길 수 있도록 함체 형상을 가진다. 그리고 양극부공간분리막(134)과 마주보는 산소발생부(150)의 일측면 상에는 산소배출공(134a)과 연결되는 산소안내공(152)이 형성되며, 산소발생부(150)의 상부에는 산소발생부(150) 내로 안내된 산소가스를 사용자에게 제공되게 하는 산소공급관(154)이 마련된다.
한편, 전해질 용액(S)은 산소의 2전자 환원과정으로 생성하는 과산화물을 저에너지로 효율적으로 산화시키고 산소로 되돌리기 때문에 pH 12 이상의 강염기를 이용한다. 전해질 용액(S)은 알칼리성 수용액을 사용함이 바람직하다.
하기에는 전술한 바와 같이 형성된 고농도 산소 발생장치(100)의 작용을 간략하게 설명한다.
소정의 전압의 전류전원을 전극부(122)로 공급되면, 음극판(126)은 공기 중 산소를 선택적으로 2전자 반응과정으로 효율적으로 환원하고, 양극판(124)은 산소의 2전자 환원체를 확산하는 강염기의 전해질 용액(S)과 산소 2전자 환원체를 산화시키고 산소를 생성한다. 2전자 환원 반응에서는 산소-산소 결합이 파괴되지 않는 가역반응이기 때문에, 저에너지로 고농도 산소가스를 얻을 수 있어 소비전력을 저하시킬 수 있으며, 또한 산성 전해질 용액과 비교해, 강염기의 전해질 용액(S)에서는 산소의 환원체인 과산화물이 낮은 에너지로 산화되기 때문에 보다 낮은 소비전력의 저감이 가능해진다.
전술한 음극판(114)에서 일어나는 반응은,
O2 + H2O + 2e → HO2 - + OH- E0=-0.065V
이며,
전술한 양극판(112)에서 일어나는 반응은,
HO2 - + OH- → O2 + H2O +2e
이다.
상기 2개의 식에서 나타내지는 산소와 산화 환원 반응은 가역인 계이며, 이론적으로는 양극간 전압이 0V로 반응은 진행하게 된다. 그러나 실제로는 전극의 활성화 전위, 전해질 용액(S) 및 전극부(122)의 저항이 존재하기 때문에 0V 보다 큰 값이 된다. 하지만 전해질 용액(S)을 강염기성을 가지는 알칼리성 수용액을 사용하고, 양극판(124)을 니켈, 백금, 이리듐 중 어느 하나로 된 전극으로 제조되거나, 또는 니켈, 백금, 이리듐의 합금, 또는 니켈, 백금, 이리듐의 금속산화물로 된 전극으로 제조함으로서, 산소 발생에 있어서의 활성화 전위를 낮출 수 있다.
또한, 상기 반응식에서 보는 바와 같이, 기존의 수 전해방식에서 산소 발생 시, 수소가스가 발생했던 것과 같이 수소가스의 발생이 없이 고농도의 산소 발생이 가능함을 알 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 고농도 산소 발생장치 110 : 공기흡입부
120 : 전해 셀 122 : 전극부
124 : 양극판 126 : 음극판
128 : 전해조 130 : 공간분리부
138 : 기액투과부 150 : 산소발생부

Claims (5)

  1. 공기흡입부와, 상기 공기흡입부에서 공기가 유입되고, 내부에는 전해질 용액이 담겨 전기화학적 반응이 일어나는 전해 셀; 및 상기 전해질 용액이 담겨지고, 상기 전해 셀에서 발생된 산소를 사용자에게 제공되게 하는 산소발생부;로 이루어진 산소 발생장치에 있어서,
    상기 전해 셀은,
    평판형상의 양극판과, 평판형상의 음극판을 구비하는 전극부; 및
    내부에 상기 전해질 용액이 담겨지고 상기 전극부를 고정시키는 공간분리부, 및 상기 전해질 용액을 상기 공기흡입부 및 상기 산소발생부 측으로의 누수를 막으면서 상기 전극부에 의해 발생된 산소를 상기 산소발생부 측으로 투과되게 하는 기액투과부를 구비하는 전해조로 이루어지며,
    상기 공간분리부는, 상기 음극판과 상기 공기흡입부 사이에 배치되는 음극부공간분리막과, 상기 양극판과 상기 산소발생부 사이에 배치되는 양극부공간분리막과, 상기 음극판과 상기 양극판 사이에 배치되는 중간공간분리막으로 이루어지며, 상기 음극부공간분리막에는 상기 공기흡입부로부터 공기가 유입될 수 있도록 공기유입공이 형성되고, 상기 양극부공간분리막에는 상기 산소발생부에서 상기 전해질 용액이 순환됨과 아울러 발생된 산소가스를 상기 산소발생부 측으로 안내하는 산소배출공이 형성되며, 상기 중간공간분리막에는 상기 전해질 용액이 순환될 수 있도록 순환공이 형성되고, 상기 공기흡입부에는 상기 공기유입공과 연결되는 공기안내공이 형성되며, 상기 산소발생부의 일측면 상에는 상기 산소배출공과 연결되는 산소안내공이 형성되는 것을 특징으로 하는 고농도 산소 발생장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 양극판은 산소 발생 시 활성화 전위를 낮출 수 있도록 니켈, 백금, 이리듐 중 어느 하나로 제조되는 전극;, 또는 니켈, 백금, 이리듐으로 구성된 그룹에서 선택된 2종 이상의 합금으로 제조된 전극;, 또는 니켈, 백금, 이리듐 중 어느 하나의 금속산화물로 제조된 전극;, 또는 니켈, 백금, 이리듐으로 구성된 그룹에서 선택된 2종 이상의 금속산화물로 제조된 전극이며, 상기 음극판은 탄소로 구성된 기체 투과성 전극으로 제조되는 것을 특징으로 하는 고농도 산소 발생장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전해질 용액은 pH 12 이상의 강염기인 것을 특징으로 하는 고농도 산소 발생장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 기액투과부는 상기 음극판과 상기 음극부공간분리막 사이에 배치되어 상기 전해질 용액이 상기 공기흡입부 측으로 누수되는 것을 막으면서 상기 공기흡입부 측에서 안내되는 공기를 투과시키는 음극부기액투과막과, 상기 양극판과 상기 양극부공간분리막 사이에 배치되어 상기 전해질 용액이 상기 산소발생부 측으로 누수되는 것을 막으면서 발생된 산소가스를 상기 산소발생부 측으로 투과시키는 양극부기액투과막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고농도 산소 발생장치.
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