KR101706124B1 - 전해질 및 용매 전기분해 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

단순한 구조와 낮은 비용으로, 전기분해 산물을 용매에 용해시키는 응용에서도 전해질의 농도를 일정하게 유지하고 전기분해 과정에서의 전해조 발열을 냉각하는 전기분해 장치 및 방법. 전해질 농도를 유지하기 위한 수단으로, 본 발명의 전기분해 장치는 전체적인 장치 하우징에서, 전기분해가 일어나는 전해공간과 용매가 지나가는 용매공간을 전극을 이용하여 물리적으로 분리한다. 상기 전해공간은 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극에 의해 둘러싸인 형태로 제1전해조를 구성하고, 상기 용매공간은 상기 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극에 각각 연결되는 그물형의 제2 (+)전극 및 제2 (-)전극에 의해 둘러싸인 형태로 구성되는 제2전해조를 포함한다.

Description

전해질 및 용매 전기분해 장치 및 방법 {Electrolysis apparatus and method for electrolyte and solvent}

본 발명은 전해질의 농도를 일정하게 유지하도록 전기분해를 수행하며 이와 병행하여 용매의 전기분해를 수행하고, 전해 과정에서 전해조의 발열을 효율적으로 냉각시키는 구조로 형성된 전기분해 장치 및 방법에 관한 것이다.

전기분해 장치가 다양한 응용에서 활용되고 있다. 대표적인 것으로, 물을 전기분해하여 산소와 수소를 발생하여 산소와 수소를 각각 활용하거나, 이들을 다시 환원하여 정제된 물을 얻고 있다.

이러한 전기분해 장치의 한 가지 응용 예로서, 양 전극과 음 전극이 설치된 전해조에 HCl, NaCl 등의 전해질을 투입하여 전기분해하여 기체를 발생시킨 후 발생된 기체를 물, 유기용매, 무기용매 등의 용매에 용해시켜서 전해조로부터 추출해서 다양한 용도로 활용한다. 다른 예에서는, 전해조에 염수를 투입해 전기분해하여 활성 염소를 갖는 차아염소산나트륨을 제조한다.

전해조에 투입되는 전해질의 농도가 높을 때에 전기분해 후에 얻게 되는 생산물의 양이 많아진다. 그러나 전해조에서 전기분해된 기체를 용매에 용해시키는 응용에서는 투입되는 용매의 양이 증가함에 따라 전기분해해야 할 전해질의 농도가 계속해서 감소하게 되어 전기분해 효율이 감소하게 된다.

또한, 전기분해시에는 발열에 의해서 온도가 상승하는데, 온도가 적정 온도(수소, 산소, 염소 등 기체반응 관련 전기분해의 경우의 적정 온도는 대략 30℃)보다 높을 때에는 최종산물의 생산량이 떨어지게 된다. 즉, 전해조에서 전기분해 과정시에 열이 발생하게 되는데, 이 발생된 열로 인해 전해조 내의 전해액 온도가 높아지고 이로 인해 최종산물의 포집 효율(즉, 전기분해 효율)이 저하된다.

본 출원인은 단순한 구조와 낮은 비용으로, 전기분해 산물을 용매에 용해시키는 응용에서도 전해질의 농도를 일정하게 유지하고 전기분해 과정에서의 전해조 발열을 냉각하는 구조의 고효율 전기분해장치를 출원한 바 있다.

도 1은 본 출원인이 기출원한 고효율 전기분해 장치의 측면 단면도이고, 도 2는 도 1의 전기분해 장치의 평면 투시도이다. 용매가 투입되어 지나가는 용매공간, 즉, 전체적인 하우징(10)과, 투입된 전해질의 전기분해가 일어나는 전해공간, 즉, 전해조(20)가 상호 물리적으로 분리되어 있다. 전해조(20)는 (+)전극(21) 및 (-)전극(22)으로써 전해 공간을 구성하고 있다. 도 1과 도 2에서는 두 전극(21, 22)으로써 상자 형태의 전해조(20)를 형성하였다. 이들 양 전극은 서로 접촉되지 않도록 설치해야 한다. 전해조(20)에는 이 전해조(20) 내부로 전해질을 투입하는 전해질 투입구(23)가 있다. 이 전해질 투입구(23)도 역시 하우징(10)과 분리된다. 본 실시예에서 전해질 투입구(23)는 전해조(20)의 하부에서 상부로 펌프 등을 이용하여 전해질을 투입하도록 형성하였다. 또한, 전해조(20)의 상부에는 내부의 전해작용에 의한 전해산물이 방출되는 전해산물 방출구(24)가 있다. 이 전해산물 방출구(24)는 전해조(20)를 이루는 양 전극(21, 22)의 부접촉 부분에 간극 형태로 형성할 수 있다(도 2 참조). 전해산물 방출구(24)는 전해산물이 전해조(20)의 상부로부터 하우징(10) 내로 방출되도록 형성된다. 전해조(20)의 전체 구조물은 하우징(10) 안에 내장된다. 전해조(20)와 하우징(10)은, 상기 전해산물 방출구(24)만이 하우징(10)과 교통할 뿐, 그 이외 부분은 서로 물리적으로 분리되어 있다. 하우징(10)도 역시 상기 전해조(20)를 완전히 덮도록 상자형으로 형성하였다(단, 전해조(20)의 전해산물 방출구(24)와는 교통함). 즉, 전해조(20)에서 전기분해가 완료되어 방출된 전해산물은 하우징(10) 내로 투입된 용매와 전해조(20) 밖에서 만나게 되므로, 구조적으로 전해조(20) 내에서 전해질의 농도 저하가 일어나지 않게 된다. 하우징(10)의 일측에는 하우징 내부로 펌프(13) 등에 의해 용매가 투입되는 용매투입구(11)가 형성되어 있고, 하우징(10)의 그 반대측에는 하우징(10) 내부에 있는 전해조(20)에서 방출된 전해산물과 용매가 혼합된 후에 하우징(10) 외부로 배출되는 최종산물 배출구(12)가 형성되어 있다.

도 2의 평면도를 참조하여 기출원에 따른 전기분해 장치의 구조를 더 구체적으로 설명하면, 하우징(10) 내부에 전극으로 이루어진 전해조(20)를 설치하되, 이 전해조(20)의 두 대향 측면이 하우징(10)의 두 대향 벽에 각각 접촉하도록 하우징(10)의 크기 및 형상과 전해조(20)의 크기 및 형상을 설계하였다. 도 2에서 두 전극 21과 22 사이에 부접촉 간극이 있고 이 간극이 전해산물 방출구(24)를 이루고 있음을 볼 수 있다. 상기 전기분해 장치의 냉각을 위해 열전소자(30a 또는 30b)가 설치된다. 열전소자 30a는 전해조(20), 즉, 전극(21, 22) 중 하나에 설치한 예를 나타내고 열전소자 30b는 하우징(10)에 부착한 예를 나타낸다. 또한, 열전소자(30a 또는 30b)와 전극(21, 22)에 흐르는 전류를 이용하여 전기분해 장치의 냉각을 제어하는 제어부(도시하지 않음)가 포함된다.

한편 도 3의 변형 실시예를 참조하면, 전해조(20)를 구성하는 양 전극(21, 22)을 다수의 층으로 중첩 설치하였다. 이러한 중첩 구조에서 (+)전극(21)과 (-)전극(22)이 서로 하나씩 교대로 한 층을 이루되 각 층마다 전해질이 지나갈 수 있는 통로(25)가 생기도록 구성한다. 이 통로(25)를 통해 전해질이 전해분해되면서 전해조(20) 상부로 흐르는 모습을 도 3에 나타내었다.

도 4는 기출원한 발명의 전기분해 장치의 작용을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다. 염산 혹은 소금을 전기분해 하는 경우를 예시하고 있는데, 염산 또는 소금을 전기분해 하는 목적은 ClO^- 음이온을 만드는 데 있다. 이 과정은 다음과 같은 반응에 따른다.

(+)극: 2Cl^-(aq) → Cl₂(g) + 2e^- ----- 반응1

(-)극: 2H⁺(aq) + 2e^- → H₂(g) ----- 반응2

전기분해로 만들어진 Cl₂ 기체는 다시 물에 녹아 다음과 같이 반응한다.

Cl₂(g) + H₂O(l) → HOCl(aq) + H⁺(aq) + Cl^-(aq) ----- 반응3

이 반응 결과 다시 Cl^- 음이온이 형성되며, 그 양은 HOCl과 1:1의 비율이다. 특히, 염산을 이용하여 전기분해를 할 경우에는 반응3에 의해 1:1의 비율로 염산이 재생성되고 pH는 매우 낮아진다. HOCl의 농도를 높이기 위해, 이 과정에서 생성된 Cl^- 음이온을 다시 전기분해할 필요가 있다. Cl₂ 기체로부터 만들어진 Cl^- 음이온을 다시 전기분해하기 위해서 Cl^- 음이온이 형성되는 공간이 전기분해 공간이어야 한다. 만일 Cl₂ 기체가 전해공간을 벗어난 후 물과 반응하여 Cl^- 음이온을 형성하였다면, 추가의 전기분해는 불가능하며, HOCl의 농도를 높일 수 없고 재생성된 HCL에 의하여 pH는 낮아진다.

Cl₂ 기체가 전해공간에서 다시 물에 녹기 위해서 필요한 조건은 다음과 같다.

- 낮은 온도 : 기체는 낮은 온도에서 용해도가 크다.

- 높은 수압 : 기체는 압력이 높을수록 용해도가 크다.

전해조의 전해공간에는 전해질을 구성하던 용매가 90% 이상을 차지한다. 하지만 이 전해공간은 전기분해과정에서의 발열에 의해, 전기분해를 통해 발생시킨 Cl₂ 기체가 다시 용해되기 힘들다. 이 기체를 다시 용해시키기 위하여 전해공간을 냉각시킬 필요가 있다. 전해공간을 둘러싸고 있는 전극은 용매공간으로 들어오는 물의 온도에 의해 냉각될 수 있다. 또한 전해공간의 온도를 낮출 정도의 낮은 온도의 물이 공급되지 못할 경우 열전소자(팰티어 소자)에 의해 온도를 낮춤으로써 Cl₂ 기체가 전해공간에서도 다시 용해되어 물과 반응할 수 있도록 한다. 따라서 Cl₂ 기체는 반응1과 반응3의 과정을 다시 반복할 수 있으며, 이 과정이 여러 차례 반복됨에 따라 Cl^- 음이온의 농도는 기하급수적으로 낮아지고, HOCl의 농도는 최고가 된다. HOCl의 농도가 높아지고, Cl^- 음이온의 농도가 낮아질수록 HCl의 농도가 낮아지므로 pH는 7에 가까워지게 된다.

아래 표는 일반 전해조와 본 발명의 전해조의 동일한 조건에서의 성능을 비교한 표이다. 아래 표에서 볼 때 동일한 HCl 사용량일 때 HOCl의 농도가 대략 두 배로 상승하며 pH가 7에 근접함을 알 수 있다.

구분	사용한 HCl 질량 (mg)	pH	HOCl 농도 (ppm)	특징
일반 전해조	30.85 mg	3.37	15 ppm	1회의 Cl 전기분해
특허 전해조	30.85 mg	6.32	29 ppm	반복된 전기분해

위에서 설명한 본 출원인의 기출원에 따른 전기분해 장치에 개량 사항이 존재한다. 즉, 용매공간인 하우징(10) 내부를 통과하는 용매(예를 들어, 물)를 전해질의 전기분해와 별도로 전기분해해야 할 필요성이 있다. 이는 전해조(20)에서의 전해질의 전기분해와 별도로 용매 내의 유기물 또는 미생물을 전기분해함으로써, 특히 정수 장치 등에서 용매의 살균 효과를 최대화하고자 할 경우에 유용하다.

특허등록 10-1459931; 공고일자 2014년 11월 7일 실용신안등록 20-0441278; 공고일자 2008년 8월 4일 특허등록 10-0884105; 공고일자 2009년 2월 17일

본 발명은 상기 도 1~도 3과 같이 구성되는 본 출원인의 기출원 발명의 구성을 개량하여 전해공간과 별도로 용매공간 내에서도 용매를 전기분해하는 구성의 전기분해 장치를 제안하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는, 전해질이 투입되는 전해공간과 용매가 지나가는 용매공간을 포함하여, 전해공간에서 생성된 전기분해 산물을 용매공간에서 용매에 용해시키도록 구성된 전기분해 장치 및 방법을 제안한다.

상기 전해공간은 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극에 의해 둘러싸인 형태로 제1전해조를 구성하고, 상기 용매공간은 상기 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극에 각각 연결되는 그물형의 제2 (+)전극 및 제2 (-)전극에 의해 둘러싸인 형태로 구성되는 제2전해조를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1전해조는 각각 적어도 하나의 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극이 교대로 층을 이루되 각 층마다 전해질이 지나갈 수 있는 통로가 형성되도록 중첩 구조로 구성될 수 있다.

또한 상기 제1전해조의 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극의 중첩 구조는 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극이 수직으로 교대 층을 이루도록 형성될 수 있고, 또는, 상기 제1전해조의 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극의 중첩 구조는 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극이 수평으로 교대 층을 이루도록 형성될 수 있다.

상기 제2전해조는 상기 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극과 연결되는 제3 (+)전극 및 제3 (-)전극이 교대로 층을 이루되 각 층마다 용매가 지나갈 수 있는 통로가 형성되도록 중첩 구조로 구성될 수 있다.

상기 전기분해 장치를 냉각하는 구성이 추가될 수 있다. 예컨대, 상기 전해공간을 이루는 벽 또는 용매공간을 이루는 벽에 설치되는 열전소자를 포함할 수 있다. 아울러, 상기 전해공간을 이루는 전극에 흐르는 전류량에 기반하여 상기 열전소자의 전기분해장치 냉각도를 제어하는 제어부가 추가로 포함될 수 있다.

또한, 상기 전기분해 장치에 온도 센서가 추가로 포함되어, 이 온도 센서에서 측정된 온도와 사전에 설정된 기준 온도값을 비교하여 상기 열전소자의 전기분해장치 냉각도를 제어하는 제어부가 추가로 포함될 수 있다.

이상 설명한 발명의 구성 및 작용에 관한 개념은 이하에서 도면과 함께 설명하는 실시예의 구체적 설명을 통해 보다 명확해질 것이다.

본 발명의 전기분해 장치 및 방법에 의해서 단순한 구조, 낮은 비용, 그리고 높은 재현성으로, 전기분해해야 할 전해질의 농도를 용매의 투입에 불구하고 일정하게 유지할 수 있으며, 전해조에서 전기분해 과정시에 발생하는 열의 냉각을 효율적으로 수행할 수 있어 전기분해의 효율을 크게 증대시킬 수 있다. 특히, 용매공간에 제2분해조를 포함시켜서 여기를 통과하는 용매(예를 들어, 물) 내의 유기물 또는 미생물을 전해질의 전기분해와 별도로 전기분해함으로써, 다양한 응용장치에서 용매의 살균 효과를 극대화할 수 있다.

도 1은 본 출원인이 기출원한 전기분해 장치의 개념 설명을 위한 측단면도.
도 2는 도 1의 전기분해 장치의 평면 투시도.
도 3은 본 출원인이 기출원한 전기분해 장치의 다른 실시예의 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기분해 장치의 작용 설명도.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 전기분해 장치의 측단면도.
도 6은 도 5의 실시예를 변형한 다른 실시예의 측단면도.
도 7은 도 6의 실시예를 변형한 다른 실시예의 측단면도.
도 8은 도 7의 실시예를 변형한 다른 실시예의 측단면도.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 전기분해 장치의 냉각방법의 순서도.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기분해 장치의 냉각방법의 순서도.

이하, 본 발명에 따른 고효율 전기분해 장치 및 방법에 대해서 도면을 참조하여 몇 가지 실시예를 통해서 명확히 설명하고자 한다.

도 5의 실시예를 참조하면, 도 1과 같이 구성되는 기출원의 전기분해 장치에서 제1전해조(20)를 하우징(10) 내로 확장하여 그물(mesh)형의 제2 (+)전극(25) 및 그물형의 제2 (-)전극(26)으로써 제2전해조(40)를 구성하였다.

각각의 그물형 제2 (+)전극(25) 및 제2 (-)전극(26)은 기존의 제1 (+)전극(21) 및 제1 (-)전극(22)과 각각 연결된다. 그리고 제2 (+)전극(25) 및 제2 (-)전극(26)도 제1 (+)전극(21) 및 제1 (-)전극(22)과 마찬가지로 서로 전기 절연되어야 한다.

따라서 제1 (+)전극(21) 및 제1 (-)전극(22)에 각각 (+) 전력과 (-) 전력을 인가함에 의해 당연히 제2 (+)전극(25) 및 제2 (-)전극(26)에도 각각 (+) 전력과 (-) 전력이 인가된다.

또는 이와 달리, 제2 (+)전극(25) 및 제2 (-)전극(26)에도 별도로 (+) 전력과 (-) 전력을 인가할 수 있다. 이렇게 별도로 전력을 인가하는 이유는 제1 (+)전극(21) 및 제1 (-)전극(22)과의 거리 차이에 따라 발생할 수도 있는 전위 강하 현상을 보상하기 위한 것이다. 또한 전해질의 전기전도도와 상이한 전기전도도를 갖는 용매를 사용하는 경우에는 용매에 충분한 전압을 인가해주기 위한 것이다.

한편, 도면에는 제2전해조의 용매가 들어오는 입구 쪽의 전극에 (+) 전압을 인가한 것을 표시하였다. 이는 제2전해조에서의 스케일의 생성을 예방하기 위한 것이다. 스케일은 염기성 환경에서 잘 생성되므로, 염기성이 되기 쉬운 (-)극에는 전기분해 산물인 산성의 차아염소산(HOCl)이 지나가도록 하고, 산성의 차아염소산이 영향을 미치지 못하는 용매가 들어오는 쪽에는 (+) 전압을 걸어줌으로써 스케일의 생성을 예방하도록 하기 위한 것이다.

도 5와 같이 제1전해조(20)를 하우징(10) 내로 확장하여 그물형의 제2 (+)전극(25) 및 그물형의 제2 (-)전극(26)으로 제2전해조(40)를 구성함으로써, 제1전해조(20)에서 전해질(차아염소산 혹은 차아염소산나트륨 등)이 전기분해방법으로 생성되고 용매(물 등)와 섞이는 하우징(10) 내의 제2전해조(40)로 그물형의 제2 전극들을 통과하여 들어가게 되어 용매 속의 유기물이나 미생물이 추가로 전기분해됨에 따라 살균 효과 등이 필요한 응용(정수장치 등)에 유용하게 활용할 수 있게 된다.

전체적인 구성에 대해서 설명하면 다음과 같다. 제1전해조(20)에는 제1전해조(20) 내부로 전해질을 투입하는 전해질 투입구(23)가 있다. 이 전해질 투입구(23)도 역시 하우징(10)과 분리된다. 전해질 투입구(23)는 제1전해조(20)의 하부에서 상부로 펌프 등을 이용하여 전해질을 투입하도록 형성된다. 또한, 제1전해조(20)의 상부에는 내부의 전해작용에 의한 전해산물이 방출되는 전해산물 방출구(24)가 있다. 이 전해산물 방출구(24)는 제1전해조(20)를 이루는 양 전극(21, 22)의 부접촉 부분에 간극 형태로 형성할 수 있다(도 2 참조). 전해산물 방출구(24)는 전해산물이 제1전해조(20)의 상부로부터 제2하우징(40)) 내로 방출되도록 형성된다. 제2전해조(40)도 제1전해조(20)와 함께 하우징(10) 안에 내장된다. 제1전해조(20)와 하우징(10)은, 상기 전해산물 방출구(24)만이 하우징(10)과 교통할 뿐, 그 이외는 서로 물리적으로 분리되어 있고, 제2전해조(40)는 하우징(10)과 그물형의 제2 (+)전극(25) 및 그물형의 제2 (-)전극(26)과 전극의 그물눈을 통해 교통한다.

제1전해조(20)에서 전기분해가 완료되어 방출된 전해산물은 하우징(10) 내로 투입된 용매와 제2전해조(40) 내에서 만나게 되어, 제1전해조(20) 내에서 전해질의 농도 저하가 일어나지 않음과 동시에 제2전해조(40) 내에서 용매의 전기분해가 별도로 일어나게 된다.

또한 제1전해조에서는 전기분해 산물로서 수소기체(H2)가 상당량 발생하게 됨으로써 내부 압력을 유지시키게 되며, 이 작용에 의하여 전해산물 방출구(24)를 통해 제1전해조 내로 들어올 수 있는 용매의 인입이 방지되어 제1전해조(20) 내부의 농도가 유지될 수 있다.

하우징(10)의 일측에는 하우징 내부로 펌프(13) 등에 의해 용매가 투입되는 용매투입구(11)가 형성되어 있고, 하우징(10)의 그 반대측에는 하우징(10) 내부에 있는 제1전해조(20)에서 방출된 전해산물과 제2전해조(40)에서 전기분해된 용매가 혼합된 후에 하우징(10) 외부로 배출되는 최종산물 배출구(12)가 형성되어 있다.

상기 전기분해 장치의 냉각을 위해 열전소자(30a 또는 30b)가 설치된다. 열전소자 30a는 제1전해조(20), 즉, 전극(21, 22) 중 하나에 설치한 예를 나타내고 열전소자 30b는 하우징(10)에 부착한 예를 나타낸다. 또한, 열전소자(30a 또는 30b)와 전극(21, 22)에 흐르는 전류를 이용하여 전기분해 장치의 냉각을 제어하는 제어부(도시하지 않음)가 포함된다.

도 6은 도 5와 다른 변형 실시예를 나타낸다. 제1전해조(20)를 구성하는 두 개의 제1 (+)전극(21)과 제1 (-)전극(22)을 다수의 층으로 중첩 설치하였다. 이러한 중첩 구조에서 제1 (+)전극(21)과 제2 (-)전극(22)이 서로 하나씩 교대로 한 층을 이루되 각 층마다 전해질이 지나갈 수 있는 통로(25)가 생기도록 구성한다. 이 통로(25)를 통해 전해질이 전해분해되면서 제1전해조(20) 상부로 흐르는 모습을 도 4에 나타내었다.

제2 (+)전극(25)와 제2 (-)전극(26)으로 이루어지는 제2전해조(40)는 도 3의 경우와 마찬가지로 제1전해조(20) 위에 구성된다. 즉, 제1 (+)극 전극(21)에 그물형의 제2 (+)극 전극(25)이 연결되고 제1 (-)극 전극(22)에 그물형의 제2 (-)극 전극(26)이 연결되어 제2전해조(40)가 구성된다.

이렇게 (+)전극(21)과 (-)전극(22)의 상호 교대 중첩 구조로 제1전해조(20)를 제작함으로써 전해질의 제1전해조(20) 통과 시간이 연장되어 전해조 내에서의 전기분해 효율이 증대될 수 있으며, 그물형 전극을 통해 제2전해조(40)로 들어가서 전기분해된 용매가 제1전해조(20) 내로 용매가 쉽게 침투하지 못하게 되어 용매에 의하여 제1전해조(20)에서 전해질 농도가 저하되는 것을 방지할 수 있게 된다.

이러한 중첩 구조에서 전극 간의 간격이 좁으면 그만큼 전해산물이 전극을 통과하는 시간이 길어지고 발생된 기체의 기체방울이 하우징으로부터 인입될 수 있는 용매를 저지하게 됨에 따라 용질(전해질)의 전기분해 효율을 더욱 높일 수 있다.

도 7은 도 6과 달리 제1전해조(20)의 전극을 수평으로 중첩한 형태의 변형 구조를 나타낸다. 도 6에 나타낸 제1전해조(20)의 (+)전극(21) 및 (-)전극(22) 중첩 구조는 (+)전극 및 (-)전극이 수직으로 교대 층을 이루도록 형성된 것을 나타내는 반면에, 도 7의 변형 실시예에서는 제1전해조(20)의 제1 (+)전극(21) 및 제2 (-)전극(22)의 중첩 구조가 수평으로 교대 층을 이루도록 형성되는 것을 나타낸다. 이렇게 수평으로 교대 중첩된 제1전해조(20)의 제1 (+)극 전극(21) 및 제1 (-)극 전극(22)에 그물형의 제2 (+)전극(25)과 제2 (-)전극(26)이 각각 연결되어 제2전해조(40)를 구성한다.

도 8은 도 7과 같은 구성에서 그물형의 제2 (+)전극(25)과 그물형의 제2 (-)전극(26)으로 구성되는 제2전해조(40)의 내부에 제1전해조(20)의 구조와 유사한 전극 중첩 구조가 형성되는 실시예를 나타낸다. 즉, 제1전해조(20)의 제1 (+)전극(21) 및 제2 (-)전극(22)과 각각 연결되는 제3 (+)전극(21') 및 제3 (-)전극(22')이 교대 층을 이루도록 형성된다. 도 8에서와 같이 수평으로 중첩될 수도 있고, 도시하지는 않았지만 수직으로 중첩될 수도 있다. 이러한 구조로써 제2전해조(40)에 들어간 용매의 통과 경로가 길어져서 제2전해조(40)에서의 전기분해 작용의 효과가 배가된다.

다시 도 5와 도 6을 참조하면, 본 발명의 전기분해 장치의 냉각을 위해 열전소자(30a 또는 30b)를 설치한다. 열전소자 30a는 제1전해조(20), 즉, 제1 (+)전극(21) 또는 제1 (-)전극(22) 중 하나에 설치한 실시예를 나타내고 열전소자 30b는 하우징(10)에 부착한 실시예를 나타낸다. 그러나 열전소자의 설치 위치가 도 5와 도 6에 나타낸 위치에 한정되는 것은 아니다. 제1전해조(20) 또는 제2전해조(40) 또는 하우징(10)의 외벽이나 내측 벽에 부착하거나, 또는 벽 내에 매립 설치하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명의 전기분해 장치에는 열전소자(30a 또는 30b)와 전극(21, 22)에 흐르는 전류를 이용하여 전기분해 장치의 냉각을 제어하는 제어부(도시하지 않음)가 포함된다.

제어부의 작용, 즉, 냉각제어 방법에 대해서 도 9를 참조하면, 전기분해할 전해질의 양에 따라 전극(21, 22) 간에 흐르는 전류 기준값을 설정해 놓는다(100). 전극(21, 22) 간에 흐르는 전류를 측정한다(110). 전류 측정값이 전류 기준값과 같거나 그보다 크면(전기분해량이 높아서 온도가 적정치보다 올라간 경우)(120), 열전소자(30a 또는 30b)의 구동전류를 증가시켜서 열전소자(30a 또는 30b)의 냉각도(냉각 성능)를 높히고(130), 전류 측정값이 전류 기준값보다 작으면 열전소자(30a 또는 30b)의 구동전류를 감소시켜서 열전소자의 냉각도를 낮춘다(140). 물론, 열전소자의 구동 전류는 최소한, 전기분해 장치를 적정 온도로 유지하기 위한 정도로는 인가해야 한다.

도 10의 다른 실시예는 전기분해 장치의 적소에 온도 센서(도시하지 않음)를 설치하여 제어부(도시하지 않음)에 의해 냉각 제어를 행하는 방법이다. 이 경우에는 기준 온도값을 미리 설정해서 기억해 놓고(200) 온도 센서의 온도를 측정하여(210) 측정치가 기준치와 같거나 이를 초과하면(220) 열전소자(30a 또는 30b)를 제어하여 냉각도를 높히고(230), 측정치가 기준치보다 작으면 열전소자의 냉각도를 낮춘다(240).

이상에서 설명한 본 발명의 전기분해 장치는 그 자체로 각종 살균장치, 정수장치 등에 적용가능하다. 또한, 앞 단에 필터를 추가로 둠으로써 보다 더 큰 정수 성능을 요하는 응용, 예를 들어, 수영장 물 공급장치 등의 물정화 응용에 활용할 수 있다. 이러한 물정화 응용에서는 보통 모래나, 활성탄, 수지 등을 이용하여 크고 작은 입자들을 걸러내고, 약품 등을 투입하여 살균 처리 과정을 거침으로써 물관리를 한다. 물의 사용 용도에 따라 필터를 이용하여 거르는 입자의 크기나, 사용하는 약품, 그리고 물 속에 유지시켜야 하는 유효염소 농도 등이 정해진다. 유효염소 농도의 유지를 위해서 주로 사용하는 약품으로는 클로린 계통의 차아염소산나트륨이나, 차아염소산칼슘 등이 있다. 하지만 이들 약품은 살균과정에서 2B급 발암물질로 규정된 클로로포름 같은 물질을 생성시키기도 하여, 최근 들어 사용을 꺼려하고 다른 보다 안전한 살균소독물질을 찾고 있는 현실이다. 또한 차아염소산나트륨은 잔류성이 매우 높아 최종 배출수에서 높은 염도성 물질로 변화여 배출됨으로써 수질문제를 일으키고 해양 생태계를 교란시키는 환경파괴 물질중 하나로 밝혀지고 있다.

차아염소산은 차아염소산나트륨보다 살균력이 월등히 강한 물질로써 배출수의 염도를 높이지 않고, 빠르게 미생물과 유기물을 살균, 분해시키고 소멸되는 물질이다. 또한 약간의 전해질과 유기물이 포함된 물을 전기분해하면 발생하는 OH라디칼은 순간 살균력이 매우 높은 물질로써 매우 빠르게 물속의 미생물을 살균한다.

이러한 차아염소산을 생성하는 전해조와 OH 라디칼을 생성하는 본 발명의 전기분해장치를 필터시스템에 결합시킴으로써 한번의 과정만으로 복합적인 물정화 및 살균기능을 갖춘 필터시스템은 수영장 물살균처리, 지하수 물살균 처리, 빗물, 낙수물 등의 물 살균처리에 이용할 수 있을 것이다.

입수구를 통하여 들어온 정수되지 않은 물을 모래, 활성탄, 수지 등으로 구성된 여과기(필터)를 통하여 1차 여과하면, 여과기를 빠져나온 유해성 미생물과 유기물은 차아염소산 생성장치에서 생성된 차아염소산(HOCl)에 의하여 살균 분해된다. 차아염소산 생성 장치 또는 제1전해조(20)는 투입된 염산(HCl)을 전기분해하여, 최적의 살균 효과와 염소농도를 유지할 수 있도록 하여주며 pH 또한 제어한다. 여과기를 통과하고 염소 소독을 마친 물은 제2전해조(40)의 그물형 전극을 통과하면서 한 번 더 살균되고, 제2전해조(40)는 염소소독 후 분해 생성된 Cl^- 이온을 다시 전기분해하여 HOCl로 재생시키는 역할도 수행한다. 이와 같이 본 발명의 전기분해 장치는 차아염소산을 생성하는 역할을 할 뿐 아니라, 그 pH 역시 제어함으로써 전극에 생성되어 전극 효율을 떨어뜨리는 스케일(Mg(OH)₂, Ca(OH)₂ 등)의 생성을 억제하고, 형성된 배관 내 스케일을 제거하는 효과를 가짐으로써 전극 수명을 연장시키고, 최적의 살균 효과를 유지하도록 해주는 응용에 활용가능한 것이다.

이상에서 본 발명의 기술 사상을 구현하는 몇 가지 실시예에 대해 설명하였다. 그러나 본 발명의 사상이 이들 실시예에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 범위 내지 권리 범위는 첨부한 특허청구범위에 의해 정해지는 것이다.

Claims (18)

1. 전해질이 투입되는 전해공간과 용매가 지나가는 용매공간을 포함하여, 전해공간에서 생성된 전기분해 산물을 용매공간에서 용매에 용해시키도록 구성된 전기분해 장치에 있어서,
   상기 전해공간은 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극에 의해 둘러싸인 형태로 제1전해조를 구성하고,
   상기 용매공간은 상기 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극에 각각 연결되는 그물형의 제2 (+)전극 및 제2 (-)전극에 의해 둘러싸인 형태로 구성되는 제2전해조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2전해조의 제2 (+)전극은 용매공간으로 용매가 투입되는 측에 가깝게 위치하고 상기 제2 (-)전극은 용매공간으로 용매가 투입되는 측에 먼 곳에 위치하는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1전해조는 각각 적어도 하나의 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극이 교대로 층을 이루되 각 층마다 전해질이 지나갈 수 있는 통로가 형성되도록 중첩 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1전해조의 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극의 중첩 구조는 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극이 수직으로 교대 층을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 제1전해조의 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극의 중첩 구조는 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극이 수평으로 교대 층을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 제2전해조는 상기 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극과 연결되는 제3 (+)전극 및 제3 (-)전극이 교대로 층을 이루되 각 층마다 용매가 지나갈 수 있는 통로가 형성되도록 중첩 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
7. 제1항 또는 제3항 또는 제5항에 있어서, 상기 전기분해 장치를 냉각하기 위해 상기 전해공간을 이루는 벽 또는 용매공간을 이루는 벽에 설치되는 열전소자를 추가로 포함하는 전기분해 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 전해공간을 이루는 전극에 흐르는 전류량에 기반하여 상기 열전소자의 전기분해장치 냉각도를 제어하는 제어부를 추가로 포함하는 전기분해 장치.
9. 제7항에 있어서, 상기 전기분해 장치에 온도 센서가 추가로 포함되며, 이 온도 센서에서 측정된 온도와 사전에 설정된 기준 온도값을 비교하여 상기 열전소자의 전기분해장치 냉각도를 제어하는 제어부를 추가로 포함하는 전기분해 장치.
10. 전해질이 투입되는 전해공간을 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극에 의해 둘러싸인 형태로 제1전해조로서 구성하고,
    용매가 지나가는 용매공간을 상기 전해공간과 물리적으로 분리하여 구성하되, 이 용매공간은 상기 제1전해조의 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극에 각각 연결되는 그물형의 제2 (+)전극 및 제2 (-)전극에 의해 둘러싸인 형태로 구성되는 제2전해조를 포함하도록 하여,
    상기 제1전해조에서 생성된 전기분해 산물과 상기 제2전해조에서 전기분해된 용매가 혼합되어 최종산물로서 배출되도록 하는 것을 특징으로 하는 전기분해 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 제2전해조의 제2 (+)전극은 용매공간으로 용매가 투입되는 측에 가깝게 위치하고 상기 제2 (-)전극은 용매공간으로 용매가 투입되는 측에 먼 곳에 위치하는 것을 특징으로 하는 전기분해 방법.
12. 제10항에 있어서, 상기 제1전해조는 각각 적어도 하나의 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극을 교대로 층상 중첩하여 각 층마다 전해질이 지나갈 수 있는 통로가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 전기분해 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 제1전해조의 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극의 중첩 구조는 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극이 수직으로 교대 층을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전기분해 방법.
14. 제12항에 있어서, 상기 제1전해조의 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극의 중첩 구조는 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극이 수평으로 교대 층을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전기분해 방법.
15. 제10항에 있어서, 상기 제2전해조는 상기 제1 (+)전극 및 제1 (-)전극과 연결되는 제3 (+)전극 및 제3 (-)전극이 교대로 층을 이루되 각 층마다 용매가 지나갈 수 있는 통로가 형성되도록 중첩 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기분해 방법.
16. 제10항 또는 제12항 또는 제15항에 있어서, 상기 전해공간 또는 용매공간을 냉각시키는 것을 추가로 포함하는 전기분해 방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 전해공간 또는 용매공간의 냉각도를 상기 전해공간을 이루는 전극에 흐르는 전류량에 기반하여 제어하는 것을 특징으로 하는 전기분해 방법.
18. 제16항에 있어서, 상기 전해공간 또는 용매공간의 냉각도를 상기 전해공간 또는 용매공간에서 측정된 온도와 사전에 설정된 기준 온도값을 비교하여 제어하는 것을 특징으로 하는 전기분해 방법.

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