KR101750308B1 - 대용량 수소 산소 혼합가스 발생 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대용량 수소 산소 혼합가스 발생 시스템을 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로, 본 발명의 구성은 전원 공급부(10); 상기 전원 공급부(10)의 공급 전원에 의한 전기분해를 통해 수소 산소 혼합가스를 발생시키는 가스 발생부(20); 상기 가스 발생부(20)에서 발생하는 수소 산소 혼합가스를 모아주는 가스 집조부(30);를 포함한다. 본 발명의 시스템은 전기분해를 하기 위해 전원을 공급하는 목적으로 전원 공급부(10)(Power Supply Parts)와, 전기분해를 통해 가스를 직접 발생시키는 가스발생부(Gas Generator Parts)와, 각 Cell에서 발생된 가스를 모아주는 가스집조부와, 전원공급을 받아 가스를 발생시키고 가열되는 전해질을 냉각시키는 냉각부(40)를 구비하며, 상기 Cell은 전해조(23)를 의미한다.

Description

대용량 수소 산소 혼합가스 발생 시스템{High capacity hydrogen and oxygen mixing gas generation system}
본 발명은 대용량 수소 산소 혼합가스 발생 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주요부인 순환펌프를 공회전시키는 고장 및 스파크로 인한 내폭으로 펌프와 가스발생기 고장의 원인을 해소하고, 수소 산소 혼합가스 발생을 할 수 없는 근본적인 고장의 원인을 방지하는 새로운 대용량 수소 산소 혼합가스 발생 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 수소 산소 혼합가스 발생장치는 물이 전기분해되어 얻어지는 생성물인 산소 및 수소를 생산하기 위한 장치로서, 양(+) 및 음(-)전극이 설치된 전해조 내에 소량의 전해물질이 첨가된 물을 공급하고 직류 전압을 인가하여 무공해 에너지원인 산소/수소 혼합가스를 발생시키게 된다.
그런데, 기존의 Gas 발생장치는 전기분해의 촉진을 위해서 전기분해에 사용되는 KOH를 물에 희석하여 사용하는데 Gas 발생기를 장시간 사용할 경우, 수산화칼슘(KOH) 성분이 점점 발생되는 Gas와 함께 배출되므로 KOH의 농도가 엷어진다. 또한, 전기분해 시 발생하는 KOH(전해질)의 온도상승을 냉각시키기 위한 기존의 방식은 전해질 자연대류냉각 및 강제순환을 사용하고 있으며, 이는 온도가 높은 Cell전해조의 상부 Port로 전해질 용액이 배출되고, 하부 Port로 유입되는 순환방법이었다. 이로 인해 전극표면에 있던 Gas 및 전극표면에서 이탈된 수소, 산소혼합 가스가 유속 따라 펌프 및 열교환기로 유입되어 전해질이 순환되어야할 공간에 전해질을 밀어내고 점차가스 공간화된다. 이는 순환펌프를 공회전시키는 고장 및 스파크로 인한 내폭으로 펌프와 가스발생기 고장의 원인이었다. 이로 인해 전해질을 순환, 냉각할 수 없기에 온도상승으로 인한 가스 발생기의 에러가 상시 발생하고, 내폭으로 인한 잦은 충격 및 순환호스 파손으로 전해질이 배출되어 가스발생을 할 수 없는 근본적인 고장의 원인이었다. 이로 인해 순환펌프와 순환 호스를 자주 교체해야 하는 번거로움과 많은 비용과 인력이 소모되었다.
또한, 기존의 배관방법은 일반적으로 전해조와 전해조를 연결하는 방법으로 거리 및 연결호스의 내경을 무시하였고 이로 인해 직류전압이 연결호스에 흘러들어 소비되기에 실제로 전극에서 전기분해 되는 전압의 양보다 많게는 3배가량의 전압을 인가하여야 하며 많은 전압 손실이 있었다.
한국등록실용신안 제20-0451102호(2010.11.18 등록) 한국등록실용신안 제20-0423499호(2006.08.02 등록) 한국공개특허 제10-2016-0121949호(2016.10.21 공개)
본 발명은 전술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 개발된 것으로, 본 발명의 목적은 주요부의 고장 및 스파크로 인한 내폭으로 펌프와 가스발생기 고장의 원인을 해소하고, 수소 산소 혼합가스 발생을 할 수 없는 근본적인 고장의 원인을 방지하는 새로운 대용량 수소 산소 혼합가스 발생 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의하면, 전원 공급부; 상기 전원 공급부의 공급 전원에 의한 전기분해를 통해 수소 산소 혼합가스를 발생시키는 가스 발생부; 상기 가스 발생부에서 발생하는 수소 산소 혼합가스를 모아주는 가스 집조부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 대용량 수소 산소 혼합가스 발생 시스템이 제공된다.
상기 가스 발생부는 복수개의 전해조를 포함하며, 상기 전원 공급부는 상기 가스 발생부의 각각의 전해조에 내장된 전극셀에 전기분해에 필요한 전력을 인가하도록 구성되고, 상기 가스 발생부는 상기 전원 공급부에서 인가된 전력에 의해 내부의 전해질 용액(수산화칼륨(KOH) 또는 수산화나트륨(NaOH) 용액)과 상기 전극셀의 표면(표면적)에서 전기적, 화학적 반응을 일으켜서 상기 수소 산소 혼합가스를 발생시키도록 구성되고, 상기 가스 집조부는 상기 각각의 전해조(각각의 Cell)에서 발생한 수소 산소 혼합가스를 한곳으로 모아서 배관을 통해 외부 적용기기에 배출되기 이전에 상기 수소 산소 혼합가스의 집약, 응축을 통한 가스의 수분제거의 역할을 수행하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 가스 발생부에서 수소 산소 혼합가스를 발생시킬 때에 가열되는 전해질을 냉각시키는 냉각부;를 더 포함하여 구성되며, 상기 냉각부는 상기 전해조 내부에서 전기분해 작용으로 인하여 가열된 전해질 용액(KOH용액, 물과 전해질 KOH가 혼합된 용액)을 냉각시키는 것을 특징으로 한다.
상기 가스 발생부는 전해조에 셀전극이 내장되고 전해질이 충전된 복수개의 전해조를 포함하여 구성되며, 상기 전해조들은 순환배관에 의해 서로 연결된 것을 특징으로 한다.
상기 전해조와 전해조 사이에 전해질 순환배관을 연결하고자 할 때 각각 최소한의 거리는 350mm로 이상이 되도록 구성되고, 상기 순환배관은 내경 9mm의 배관을 사용하도록 구성된다.
상기 셀전극은 원형 실린더형 구조이고, 상기 원형 실린더형 구조의 셀전극은 동심원 형태로 복수개로 배치되며, 상기 복수개의 셀전극 중에서 맨 안쪽의 셀전극에 플러스(+) 전압이 가해지고 맨 바깥쪽의 셀전극에는 마이너스(-)전압이 가해지도록 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 맨 바깥쪽의 셀전극과 맨 안쪽의 셀전극에 가해지는 극성을 양극과 음극으로 교대하여 가해지도록 타이머가 구비된 것을 특징으로 한다.
상기 타이머는 맨 바깥쪽의 셀전극과 맨 안쪽의 셀전극에 전기적으로 연결(전선 등을 통해 연결)되고, 상기 타이머에는 전기적으로 컨트롤러가 연결되어, 상기 컨트롤러에 의해 주기적으로 양극과 음극을 교대하여 인가하도록 구성될 수 있다.
상기 전해질 용액(KOH용액, 물과 전해질 KOH가 혼합된 용액)은 상기 전해조의 하부에서 상부로 유입되는 강제순환방식을 사용하여 상기 셀전극 표면에 있던 가스유입을 차단하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 전해조는 상단부에 개방부가 구비되고, 상기 개방부의 측면으로 연장된 플랜지부가 구비되고, 상기 플랜지부에는 셀플랜지(27)가 결합되어, 상기 전해조의 상기 개방부를 막아주도록 구성되고, 상기 전해조의 외주면에는 복수개의 결합돌부와 복수개의 결합홈부가 원주 방향을 따라 교대로 구비되고, 상기 셀플랜지(27)의 하단부에는 복수개의 걸림돌편과 걸림 가이드홈이 원주 방향을 따라 복수개로 구비되어, 상기 셀플랜지(27)의 상기 걸림돌편이 상기 전해조의 상기 결합돌부에 걸려져서 상기 전해조에 상기 셀플랜지(27)가 결합된 상태로 유지되도록 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 전해조(각각의 Cell)로부터 전해질 용액(KOH 용액)의 유량을 일정하게 분배하여 인입 및 배출을 하도록 전해질 이송관을 상기 전해조의 전해조에 연결하고, 상기 전해질 이송관은 상부 이송관과, 상기 상부 이송관에 비하여 단면적이 더 작은 하부 이송관을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 상부 이송관과 하부 이송관은 두 개의 이송관들이 서로 연결되어 구성되며, 상기 상부 이송관의 어느 하나의 이송관에는 사이클론이 연결되고, 상기 사이클론이 연결된 이송관의 내부에는 내외주면으로 뚫린 구멍을 복수개를 가지는 내부관이 더 구비된 것을 특징으로 한다.
상기 전해조들로부터 일정량의 전해질 용액(KOH 수용액)을 샘플링하여 별도의 전해질 용액(KOH 수용액)과 혼합하는 믹싱 탱크; 상기 믹싱 탱크에서 상기 샘플링된 전해질 용액과 별도의 전해질 용액의 혼합에 의해 만들어진 새로운 전해질 용액의 PH를 측정치 이내의 범위로 조절하여 상기 측정치 이내의 PH를 가지는 상기 새로운 전해질 용액을 기준치로 초기화하는 전해질 용액 PH 셋팅부; 상기 전해조들의 사용시간이 일정 시간을 초과하면 상기 믹싱 탱크와 상기 전해질 용액 PH 셋팅부에 의한 샘플링 측정방법을 다시 자동으로 시행하여 상기 전해조들에서의 PH치가 떨어진만큼 짙은 농도의 전해질 용액(KOH 수용액)을 주입하여 보충하는 전해질 용액 보충부;를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 가스 집조부의 출력측에서 상기 전해조 내부의 가스 압력보다 더 높은 압력을 블로잉 하는 블로잉부(솔레노이드 밸브); 상기 전원 공급부에서 공급되는 전력을 증감시켜서 상기 전해조 내부의 압력을 상기 수소 산소 혼합가스의 소모량의 변화에 관계없이 항상 일정히 유지시키는 전력 제어부;를 포함하며 상기 전원 공급부의 Power Pack의 (-) 연결부위를 상기 가스 발생부를 구성하는 복수개의 전해조 중에서 마지막 전해조(마지막 Cell)의 (+) 극성으로 연결하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 전해조는 상단부에 개방부가 구비되고, 상기 개방부의 측면으로 연장된 플랜지부가 구비되고, 상기 플랜지부에는 셀플랜지(27)가 결합되어, 상기 전해조의 상기 개방부를 막아주도록 구성되고, 상기 전해조의 외주면에는 복수개의 결합돌부와 복수개의 결합홈부가 원주 방향을 따라 교대로 구비되고, 상기 셀플랜지(27)의 하단부에는 복수개의 걸림돌편과 걸림 가이드홈이 원주 방향을 따라 복수개로 구비되어, 상기 셀플랜지(27)의 상기 걸림돌편이 상기 전해조의 상기 결합돌부에 걸려져서 상기 전해조에 상기 셀플랜지(27)가 결합된 상태로 유지되도록 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 가스 집조부의 출력측에서 상기 전해조 내부의 가스 압력보다 더 높은 압력을 블로잉 하는 블로잉부(솔레노이드 밸브); 상기 전원 공급부에서 공급되는 전력을 증감시켜서 상기 전해조 내부의 압력을 상기 수소 산소 혼합가스의 소모량의 변화에 관계없이 항상 일정히 유지시키는 전력 제어부;를 포함하여 구성되며, 상기 전원 공급부의 Power Pack의 (-) 연결부위를 상기 가스 발생부를 구성하는 복수개의 전해조 중에서 마지막 전해조(마지막 Cell)의 (+) 극성으로 연결하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 전해조는 상단부에 개방부가 구비되고, 상기 개방부의 측면으로 연장된 플랜지부가 구비되고, 상기 플랜지부에는 셀플랜지(27)가 결합되어, 상기 전해조의 상기 개방부를 막아주도록 구성되고, 상기 전해조의 외주면에는 복수개의 결합돌부와 복수개의 결합홈부가 원주 방향을 따라 교대로 구비되고, 상기 셀플랜지(27)의 하단부에는 복수개의 걸림돌편과 걸림 가이드홈이 원주 방향을 따라 복수개로 구비되어, 상기 셀플랜지(27)의 상기 걸림돌편이 상기 전해조의 상기 결합돌부에 걸려져서 상기 전해조에 상기 셀플랜지(27)가 결합된 상태로 유지되도록 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 전해조(각각의 Cell)로부터 전해질 용액(KOH 용액)의 유량을 일정하게 분배하여 인입 및 배출을 하도록 전해질 이송관을 상기 전해조의 전해조에 연결하고, 상기 전해질 이송관은 상부 이송관과, 상기 상부 이송관에 비하여 단면적이 더 작은 하부 이송관을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 전해조들로부터 일정량의 전해질 용액(KOH 수용액)을 샘플링하여 별도의 전해질 용액(KOH 수용액)과 혼합하는 믹싱 탱크; 상기 믹싱 탱크에서 상기 샘플링된 전해질 용액과 별도의 전해질 용액의 혼합에 의해 만들어진 새로운 전해질 용액의 PH를 측정치 이내의 범위로 조절하여 상기 측정치 이내의 PH를 가지는 상기 새로운 전해질 용액을 기준치로 초기화하는 전해질 용액 PH 셋팅부; 상기 전해조들의 사용시간이 일정 시간을 초과하면 상기 믹싱 탱크와 상기 전해질 용액 PH 셋팅부에 의한 샘플링 측정방법을 다시 자동으로 시행하여 상기 전해조들에서의 PH치가 떨어진만큼 짙은 농도의 전해질 용액(KOH 수용액)을 주입하여 보충하는 전해질 용액 보충부;를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 가스 집조부의 출력측에서 상기 전해조 내부의 가스 압력보다 더 높은 압력을 블로잉 하는 블로잉부(솔레노이드 밸브); 상기 전원 공급부에서 공급되는 전력을 증감시켜서 상기 전해조 내부의 압력을 상기 수소 산소 혼합가스의 소모량의 변화에 관계없이 항상 일정히 유지시키는 전력 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 가스 발생부는 복수개의 전해셀이 순환배관에 의해 서로 연결되도록 구성되고, 상기 전원 공급부의 파워팩의 마이너스(-) 연결부위를 마지막 전해셀의 (+)극성으로 연결하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 전원 공급부와, 이 전원 공급부의 공급 전원에 의한 전기분해를 통해 수소 산소 혼합가스를 발생시키는 가스 발생부와, 이러한 가스 발생부에서 발생하는 수소 산소 혼합가스를 모아주는 가스 집조부와 냉각부를 주요 구성으로 포함하는 것으로, 순환펌프를 공회전시키는 고장 및 스파크로 인한 내폭으로 펌프와 가스발생기 고장의 원인을 해소하고, 수소 산소 혼합가스 발생을 할 수 없는 근본적인 고장의 원인을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상기의 효과 이외에 여러 가지 효과가 있으며 상기의 효과는 여러 효과 중에서 주요 효과임을 이해해야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 대용량 수소 산소 혼합가스 발생 시스템의 구조를 개략적으로 보여주는 도면
도 2는 본 발명의 주요부인 전해셀을 구성하는 셀전극의 구조를 개략적으로 보여주는 사시도
도 3은 본 발명의 주요부인 전해셀의 분해 사시도
도 4는 도 3에 도시된 전해셀에서 셀전극 어셈블리의 구조를 보여주는 종단면도
도 5는 본 발명의 주요부인 전해셀의 구조를 보여주는 종단면도
도 6은 본 발명에 의한 대용량 수소 산소 혼합가스 발생 시스템의 구조를 보여주는 사진
도 7 내지 도 9는 본 발명의 주요부인 전해셀과 순환배관의 구조를 보여주는 사진
도 10은 본 발명의 주요부인 전해조의 구성인 셀플랜지(27)의 클로즈와 오픈 과정을 개력적으로 보여주는 도면
도 11은 도 10에 도시된 셀플랜지(27)의 클로즈와 오픈 과정을 개략적으로 보여주는 단면도
도 12는 도 11의 A 부분의 확대도와 셀플랜지(27)와 전해조의 결합 과정을 개략적으로 보여주는 저면 사시도
도 13 본 발명에 의한 PH 제어방식을 수행하는 PH 제어부의 구조를 개략적으로 보여주는 도면
도 14는 본 발명의 주요부인 복수개의 전해셀과 전원 공급부의 연결 구조를 개략적으로 보여주는 평면도
도 15는 본 발명의 다른 주요부인 수소 산소 혼합가스 제어부의 배관도
도 16은 본 발명의 주요부인 냉각부의 구조를 개략적으로 보여주는 도면
도 17의 (A)와 (B)는 각각 종래 전해조의 냉각순환방식과 본 발명에 의한 전해조의 냉각순환방식을 개략적으로 보여주는 정면도
도 18은 본 발명의 주요부인 상부 이송관과 하부 이송관 및 전해셀의 구조를 분해하여 보여주는 사시도
도 19는 본 발명에서 가스 집조부와 사이클론 분리기의 구조를 보여주는 사시도
도 20은 도 19에 도시된 가스 집조부의 일부와 사이클론 분리기를 보여주는 사진
도 21은 본 발명의 주요부인 급수부의 구조를 개략개략적으로 보여주는 도면
도 22는 본 발명의 주요부인 가스 집조부(포집부)의 구조를 개략적으로 보여주는 도면
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 상기 본 발명의 목적과 특징 및 장점은 첨부도면 및 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 더욱 쉽게 이해될 수 있을 것이다. 도면에서 동일 부분에 대해서는 동일 부호를 사용한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 고효율 대용량 수소 산소 혼합가스 발생 시스템은 전원 공급부(10)와, 이 전원 공급부(10)의 공급 전원에 의한 전기분해를 통해 수소 산소 혼합가스를 발생시키는 가스 발생부(20)와, 이 가스 발생부(20)에서 발생하는 수소 산소 혼합가스를 모아주는 가스 집조부(30)와, 상기 가스 발생부(20)에서 수소 산소 혼합가스를 발생시킬 때에 가열되는 전해질을 냉각시키는 냉각부(40)를 구비한다. 다시 말해, 본 발명의 대용량 수소 산소 혼합가스 발생 시스템은 전체적으로 전기분해를 하기 위해 전원을 공급하는 목적으로 전원 공급부(10)(Power Supply Parts), 전기분해를 통해 가스를 직접 발생시키는 가스발생부(Gas Generator Parts), 각 Cell에서 발생된 가스를 모아주는 가스 집조부(30), 전원공급을 받아 가스를 발생시키고 가열되는 전해질을 냉각시키는 냉각부(40) 등으로 크게 구분되어 진다. 이때, 상기 Cell이라 함은 본 발명에서 주요부인 전해셀(22)을 의미하는 것으로, 이하에서는 경우에 따라 전해셀(22)을 Cell로 칭하는 경우가 있음을 미리 밝혀둔다.
상기 전원 공급부(10)는 전력을 수전받아 전원을 변환시켜주는 장치와 감지장치를 제어하는 PLC(Programmable Logic Controller)를 포함하는 것으로, 기기의 전반적인 명령 및 제어를 담당하게 되며, 각 Cell에 전기분해에 필요한 전력을 인가한다. 전원을 변환시켜주는 장치는 교류를 직류로 변환시켜주는 장치가 될 수 있다. 감지장치는 본 발명에서 사용하는 센서를 의미하고, 상기한 기기라 함은 본 발명의 대용량 수소 산소 혼합가스 발생 시스템을 의미하며, 상기 셀은 후술하는 가스 발생부(20)의 주요부인 전해셀(22)을 의미한다.
상기 가스 발생부(20)는 전해조(23)에 셀전극(24)이 내장되고 전해질이 충전된 복수개의 전해셀(22)(맨 바깥의 전해조(23)와 전해조(23) 안쪽에 구비된 셀전극(24)을 포함하는 것)을 포함한다. 전해조(23)는 원통 형상이다. 셀전극(24)은 원통 실린더 형상으로 구성된다. 상기 셀전극(24)은 전원 공급부(10)의 전원 공급회로에 전원선과 같은 통전성 연결수단으로 연결되어, 전원 공급부(10)로부터 전해조(23)의 셀전극(24)에 전원이 인가될 수 있게 된다. 맨 바깥의 전해조(23)에는 전원 공급부(10)의 음극이 연결되고, 전해조(23) 내부의 맨 안쪽의 봉형상의 셀전극(24)에는 전원 공급부(10)의 양극이 연결된다. 가스 발생부(20)는 전원 공급부(10)로부터 공급된 전력을 받아 요구되는 가스량을 발생시키는 부분이다. 전원 공급부(10)에서 인가된 전력과 내부 수산화칼륨(KOH) 또는 수산화나트륨(NaOH) 용액, 각 Cell의 표면적에서 전기적, 화학적 반응을 일으키게 된다. 다시 말해, 상기 가스 발생부(20)는 복수개의 전해셀(22)을 포함하여 구성되며, 전원 공급부(10)는 가스 발생부(20)의 각각의 전해셀(22)에 내장된 전극셀에 전기분해에 필요한 전력을 인가하도록 구성되고, 상기 가스 발생부(20)의 각각의 전해셀(22)은 전원 공급부(10)에서 인가된 전력에 의해 내부의 전해질 용액(수산화칼륨(KOH) 또는 수산화나트륨(NaOH) 용액)과 셀전극(24)의 표면(표면적)에서 전기적, 화학적 반응을 일으켜서 상기 수소 산소 혼합가스를 발생시키도록 구성된다. 이때, 상기 가스 발생부(20)를 구성하는 복수개의 전해셀(22)들은 지지 프레임에 지지되어 수직 방향으로 배치된다.
본 발명에서는 급수부를 구비한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 급수부는 레벨탱크(114)와 워터펌프(115)를 포함하며, 레벨탱크(114)는 전해셀(22)에 급수가 가능하도록 연결된다. 레벨탱크(114)는 상부 이송관(116)(Upper trans pipe)과 하부 이송관(117)(Under trans pipe)에 배관을 매개로 연결되어 전해셀(22)에 급수가 가능하도록 연결된다. 워터펌프(115)에 의해 순수 물탱크에서 워터펌프(115)에 의해 레벨탱크(114)로 물을 넣어서 각 전해셀(22)에 공급하게 된다. 도 21 참조.
상기 가스 발생부(20)에서는 가스발생 효율을 높이기 위하여 촉매가 사용된다. KOH는 반영구적으로 사용할 수 있으나 가스로 환원되는 물의 경우 지속적으로 환원되는 가스량만큼 보충수가 필요하므로 이에 필요한 물 Tank 및 이송을 위한 물 Pump를 설치하여 지속적으로 보충수를 공급하게 되며, Cell 내부의 수용액이 적절한 양을 유지하는가를 판별하고 감시하기 위해 수위조절 Tank와 Sensor가 부가적으로 설치된다.
촉매는 수산화칼슘(KOH) 또는 수산화나트륨(NAOH)이 될 수 있다. 촉매가 KOH로 사용되는 경우, 워터탱크(119)가 칸막이에 의해 반씩 나누어져 있고, 한쪽은 순수물이 채워져 있고, 다른 한쪽은 비중이 강한 KOH가 들어 있어서, 물쪽은 수도로 자동공급되고 KOH는 1년에 한번 확인하여 보충한다. 워터탱크(119)의 순수물을 보충수로서 각각의 전해셀(22)에 공급한다. 가스로 환원되는 양의 물을 각각의 전해셀(22)에 공급하는 것이다. 물론, 각각의 전해셀(22)에는 호스와 같은 연결관에 의해 워터탱크(119)의 물쪽 탱크 챔버에 연결되어, 워터탱크(119)의 물쪽 탱크 챔버에서 연결관을 통해 각각의 전해셀(22) 내부에 물을 공급할 수 있다. 또한, 각각의 전해셀(22)은 워터탱크(119)의 촉매쪽 탱크 챔버에 호스와 같은 연결관에 의해 연결되어, 워터탱크(119)의 촉매쪽 탱크 챔버에서 연결관을 통해 각각의 전해셀(22) 내부에 촉매를 공급할 수 있다. 워터탱크(119)는 물과 촉매가 반씩 채워져 있어서 KOH 및 워터탱크라 할 수 있다. 상기 촉매가 KOH인 경우, KOH를 각각의 전해셀(22)에 공급한다. 촉매는 반영구적으로 사용하므로, 물에 비하여 각각의 전해셀(22)에 보충 공급되는 경우는 보충수를 공급하는 경우에 비하여 드물지만, 촉매가 부족한 경우에는 각각의 전해셀(22)에 촉매를 공급할 수 있다.
상기 가스 집조부(30)는 가스(수소 산소 혼합가스)가 발생되는 각 Cell로부터 한곳으로 모아 배관을 통해 외부 적용기기에 배출되기 이전에 발생된 Gas의 집약, 응축을 통한 가스의 수분제거의 역할을 수행한다. 가스 집조부(30)는 각각의 전해셀(22)에 연결된 이송관에 연결된 파이프 구조의 데미스터 파이프(32)와, 이 데미스터 파이프(32)에 연결된 사이클론 분리기(34)를 포함할 수 있다. 하부 데미스터 파이프(32)가 상부 이송관(116)과 하부 이송관(117) 중에서 상부 이송관(116)에 연결되고, 데미스터 파이프(32)는 하부 데미스터 파이프(32)와 하부 데미스터 파이프(32)로 구성될 수 있으며, 상부 데미스터 파이프(32)에 사이클론 분리기(34)가 연결된다. 가스 집조부(30)에는 많은 센서들이 집약되어 있으며 역화 및 내폭으로 인한 센서의 보호를 위한 센서보호 필터를 추가로 구비한다. 외부 적용기기는 가스 집조부(30)를 구성하는 집조 배럴에 연결관과 같은 연결수단을 매개로 연결되어 수소 산소 혼합가스를 사용하는 장치가 될 수 있다. 집조 배럴이 데미스터 파이프(32)에 연결되고, 외부 적용기기가 집조 배럴에 연결됨으로써 가스 집조부(30)가 외부 적용기기에 연결된 구조를 취할 수 있다.
상기 냉각부(40)는 각 Cell에 공급된 전력으로 Cell 내부의 KOH 용액과 Cell 표면과의 전기분해 작용으로 자연적으로 발생되는 열을 최적의 가스발생 효율을 유지하기 위해 Cell내부의 가열된 KOH 용액(즉, 전해질 용액으로서 물과 KOH가 혼합된 용액)을 적절하게 냉각시켜주는 역할을 담당한다. 이를 위하여 열교환기와 냉각수 및 가열된 KOH 용액의 이송을 위한 펌프, 그리고 냉각기인 Chiller 또는 Radiator를 설치한다. Chiller 또는 Radiator는 도 1에서 도시된 히팅 익스체인저(46)가 될 수 있다. 상기 칠러 또는 라디에이터는 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기로 구성되는 냉각 사이클의 일부로 구성되고, 칠러 또는 라디에이터는 증발기에 해당되도록 구성될 수도 있다. 또한, 본 발명에서 히팅 인스체인저는 복수개의 격판에 의해 구획된 냉각수 순환실과 전해액 순환실이 교대로 구비되어, 냉각수 순환실로는 쿨링 타워에서 공급되는 냉각수가 순환하고, 전해액 순환실로는 전해셀(22) 내부의 전해액이 순환되면서 열교환이 이루어지므로, 전해액이 냉각되도록 구성될 수도 있다. 도 16에 도시된 바와 같이, 열교환기로 발생기(즉, 수소 산소 혼합가스 발생기)의 물을 펌프로 순환하며, 냉각수는 쿨링 타워에서 공급된다. 냉각수는 쿨링타워(44)와 히트 익스체인저 사이에서 순환되고, 전해액은 상부 순환 파이프(UPPER TRANS PIPE : 상부 이송관(116))에서 전해셀(22)의 상부 쪽으로 들어오고 전해셀(22)의 하부에서 하부 순환 파이프(UNDER TRANS PIPE : 하부 이송관(117))로 배출되어 상기 히트 익스체인저로 들어가서 상기 히트 익스체인저 내부에서 냉각수와 열교환이 이루어지도록 구성된다.
상기 가스 발생부(20)는 전해조(23)에 셀전극(24)이 내장되고 전해질이 충전된 복수개의 전해셀(22)을 포함하여 구성되며, 상기 전해셀(22)들은 순환배관(26)에 의해 서로 연결된다. 전해조(23)는 전해셀(22)의 맨 바깥쪽 전극셀이다. 이때, 본 발명에서는 가스 발생부(20)의 전해셀(22)에 전기분해용 Cell 전극을 구비한다. 전기분해용 셀전극(24)은 전해조(23)에 내장된다. 총 전극(즉, 셀전극(24))의 개수는 외피, 다시 말해, 전해조(23)를 포함하여 8개이고, 원형 Cylinder형 구조이다. 복수개의 전해셀(22)이 순환배관(26)에 의해 연결되어 직렬 또는 병렬로 연결되는데, 원칙적으로는 전해셀(22)의 맨 안쪽의 셀전극(24)에 (+) 전압이 가해지고 맨 바깥쪽의 셀전극(24)에는 (-)전압이 가해지며, 각각의 전해셀(22)의 셀전극(24)간의 전압강하는 2VDC로 한다. 맨 안쪽의 전극셀은 전원 공급부(10)의 파워팩의 (+) 극성이 연결된 전극셀을 의미하고, 맨 바깥쪽의 전극셀은 전원 공급부(10)의 파워팩의 (-) 극성이 연결된 전극셀을 의미한다. 따라서 총 Cell 전극의 전압은 16VDC(직류 16V)가 된다. 각각의 전해셀(22)은 순환배관(26)에 의해 서로 연결되어 있고, 각 전해셀(22) 내부의 전해질 용액은 순환배관(26)을 통해 각각의 전해셀(22)에 전기적으로 통전될 수 있도록 구성되어, 복수개의 전해셀(22)들이 전류가 통전될 수 있는 전기 통전 회로를 형성한다. 이때, 다수개의 각 전해셀(22)에서 전극관이 추가될 수 있다. 상기 셀전극(24)이 원통형 실린더 구조이므로 셀전극(24)을 전극관이라 할 수 있는데, 셀전극(24)은 8개 이상으로 추가될 수 있다. 도 2 참조.
상기 셀전극(24)은 원형 실린더형 구조이고, 상기 원형 실린더형 구조의 셀전극(24)은 동심원 형태로 복수개로 배치되며, 상기 복수개의 전해셀(22)의 셀전극(24) 중에서 맨 안쪽의 셀전극(24)에 플러스(+) 전압이 가해지고 맨 바깥쪽의 셀전극(24)에는 마이너스(-) 전압이 가해지도록 구성된다. 즉, 외피인 전해조(23)에 마이너스 전압이 가해지고, 봉형상으로 이루어진 맨 안쪽의 셀전극(24)(이하, 편의상 코어 셀전극(24)이라 함)에는 플러스 전압이 가해진다. 복수개의 셀전극(24)의 상단부와 하단부는 하부캡(22A)의 상면과 상부캡(22B)의 저면에 구비된 셀전극 지지홈에 삽입되고, 맨 안쪽의 셀전극(24)은 외주면이 절연체(22C)에 의해 감싸진 상태에서 맨 안쪽에서 두 번째 안쪽에 있는 셀전극(24) 내부의 지지바아(22D)의 상단부에 결합(나사부 등의 연결수단에 의해 통전 가능하게 결합)되고, 상기 지지바아(22D)의 하단부는 하부캡(22A)을 관통하여 결합된 볼트에 결합된다. 상기 코어 셀전극(24)과 상부캡(22B)과 하부캡(22A)과 지지바아(22D) 및 복수개의 셀전극(24)이 결합된 것을 셀전극 어셈블리라 할 수 있다. 상기 셀전극 어셈블리가 맨 바깥쪽의 셀전극(24)(즉, 외피)의 내부에 투입되고, 상기 외피의 상단부는 상부캡(22B)으로 막아주게 된다. 후술하는 셀플랜지(27)가 상부캡(22B) 위에서 외피 상단부의 플랜지부에 결합되고, 상기 셀플랜지(27)는 상부 커버(25)에 의해 감싸주며, 상기 상부 커버(5)는 외피(즉, 전해셀(22)의 맨 바깥쪽 셀전극) 상단부의 플랜지부에 볼트 등의 체결구로 결합될 수 있다. 상기 외피에 셀전극 어셈블리가 들어가 있는 것을 전해셀(22)이라 할 수 있다. 전해셀(22)은 복수개의 직경이 다른 셀전극(24)이 동심원 형태로 전해조(23)에 내장되어 지지된 구조를 취할 수 있게 된다. 한편, 맨 바깥쪽의 셀전극(24)과 맨 안쪽의 셀전극(24)에 각각 음극과 양극을 인가하고, 주기적으로 양극과 음극을 교대로 바꾸어서 인가하도록 구성된다. 즉, 외피인 전해조(23)에 음극을 인가하고 코어 셀전극(24)에 양극을 인가하고, 주기적으로 음극과 양극을 교대로 바꾸어서 인가하도록 구성된다.
상기 셀전극(24) 전체의 표면은 백금(필요시 은 또는 니켈) 도금을 하며, 실험결과 전극과 전극간의 거리(즉, 셀전극(24)과 셀전극(24) 사이의 거리)가 2mm~2.2mm일때 최고조의 가스발생이 되며 이를 유지시킴으로서 가스발생량을 최대화하고 전기분해 효율을 극대화한다. 상기 셀전극 지지홈과 상부 셀전극 지지홈이 전해조(23)의 중심부를 기준으로 동심원 형태로 배열되며, 각각의 셀전극 지지홈들 사이의 간격을 2mm~2.2mm로 구성하면, 각각의 셀전극(24)들 사이의 거리 간격을 2mm~2.2mm로 유지할 수 있게 된다.
또한, 전기분해시 셀전극(24)의 바깥쪽에는 전기속성이 (-)인 관계로 수소가 발생되고 셀전극(24)의 안쪽에는 (+)인 관계로 산소가 발생하나, 양극 쪽에 산소발생시 전극이 산화되어 전극관 손실이 빠르게 진행된다. 이를 보완하기 위해 음극과 양극에 타이머를 두어 주기적으로 음극과 양극을 교대하므로 (+) 산소 발생부분의 산화를 지연시켜 셀전극(24)(전극관)의 수명을 장기화한다. 맨 안쪽의 셀전극(24)인 코어 셀전극(24)과 맨 바깥쪽의 셀전극(24)인 외피에 각각 양극과 음극을 인가하고, 주기적으로 양극과 음극을 교대로 바꾸어서 인가하므로, (+)극 산소 발생부분의 산화를 지연시켜 셀전극(24)(전극관)의 수명을 장기화하는 것이다.
상기 맨 바깥쪽의 전해셀(22)의 셀전극(24)과 맨 안쪽의 전해셀(22)의 셀전극(24)에 가해지는 극성을 양극과 음극으로 교대하여 가해지도록 타이머가 구비된다. 이때, 타이머는 맨 바깥쪽의 전해셀(22)과 맨 안쪽의 전해셀(22)에 전기적으로 연결(전선 등을 통해 연결)되고, 상기 타이머에는 전기적으로 컨트롤러가 연결되어, 상기 컨트롤러에 의해 주기적으로 양극과 음극을 교대하여 인가하도록 구성될 수 있다.
상기 셀전극(24)의 형상(Cell 형상)이 원형으로써, 전기적으로 전류가 집속력을 갖는 구조로 되어 있으며, 전극과 전극 간(즉, 셀전극(24)과 셀전극(24) 간)에는 KOH 또는 NaOH의 전기분해를 촉진시키는 촉매가 순수(DI Water)에 희석되어, 전기분해 효율을 향상시킨다. 순수라 함은 순수한 물을 의미한다. 촉매 공급부에서 촉매를 전해조(23) 내부에 공급할 수 있다. 물탱크에 전해조(23)가 연결관으로 연결되어, 물탱크에서 전해조(23)에 순수한 물이 공급되도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 순환배관(26)의 연결방식에 있어서도 특징이 있다. 기존의 배관방법은 일반적으로 전해조(23)와 전해조(23)를 연결하는 방법으로 거리 및 연결호스의 내경을 무시하였고 이로 인해 직류전압이 연결호스에 흘러들어 소비되기에 실제로 전극에서 전기분해 되는 전압의 양보다 많게는 3배가량의 전압을 인가하여야 하며 많은 전압 손실이 있었다.
본 발명은 전해조(23)와 전해조(23) 사이에 전해질 순환배관(26)을 연결하고자 할 때 각각 최소한의 거리는 350mm로 이상으로 연결하며, 순환배관(26)의 경우 내경 9mm의 배관을 사용한다. 다시 말해, 상기 각각의 전해셀(22)들의 외피인 각각의 전해조(23)와 전해조(23) 사이에 전해질 순환배관(26)을 연결하고자 할 때 각각 최소한의 거리는 350mm로 이상으로 연결하고, 상기 순환배관(26)의 경우 내경 9mm의 배관을 사용하도록 구성된다. 그러면, 저항으로 인한 전압의 손실을 차단할 수 있으며, 이러한 사실은 실험을 통하여 검증되었다. 이러한 본 발명으로 인해 많은 양의 전압손실을 줄이고 가스발생 효율을 극대화한다. 전해조(23)와 전해조(23) 사이의 순환배관(26)을 직선으로 연결하지 않고 곡선형으로 돌려서 연결함으로써 전해조(23)와 전해조(23) 사이의 순환배관(26)의 최소한의 거리를 350mm 이상으로 할 수 있다. 도 3 내지 도 9 참조.
본 발명은 Cell의 플렌지 체결방식에서도 특징이 있다. 기존 체결방식은 용접 또는 Bolt로 체결하는 Flange 형식으로 되어있어 작업 시 생산성이 저하되는 단점이 있다.
본 발명에서는 Flange 체결을 기존방식에서 완전하게 탈피하여 60°의 홈을 주어서 30°의 방향으로 회전을 하여, 플랜지가 개방(Open)될 때에는 Air가 실리콘에 유입되어 열리게 되고, 플랜지가 결합될 때(Close될 때)에는 실리콘에 유입되었던 Air가 밖으로 배출되어 열리는 방식으로 구성한다. 실리콘의 재질은 내열성과 내마모성, 신축성을 향상시킴으로서 작업을 최단 시간에 가능하도록 효율성을 극대화한다.
다시 말해, 본 발명에서 전해조(23)는 상단부에 개방부가 구비되고, 상기 개방부의 측면으로 연장된 플랜지부가 구비되고, 상기 플랜지부에는 셀플랜지(27)가 결합되어, 상기 전해조(23)의 개방부를 막아주도록 구성되고, 상기 전해조(23)의 외주면에는 복수개의 결합돌부와 복수개의 결합홈부가 원주 방향을 따라 교대로 구비되고, 상기 셀플랜지(27)의 하단부에는 복수개의 걸림돌편과 걸림 가이드홈이 원주 방향을 따라 복수개로 구비되어, 상기 셀플랜지(27)의 걸림돌편이 전해조(23)의 결합돌부에 걸려져서 전해조(23)에 셀플랜지(27)가 결합된 상태로 유지되도록 구성된다.
상기 셀플랜지(27)는 둘레부에 하향 측벽부가 구비되고, 하향 측벽부의 하단부에 일정 간격으로 복수개의 걸림돌편이 구비되고, 각각의 걸림돌편 사이에는 걸림 가이드홈이 구비된다.
따라서, 상기 셀플랜지(27)가 전해조(23)에서 분리된 상태에서는 상기 걸림 가이드홈을 전해조(23) 외주면의 결합돌부에 맞추고 셀플랜지(27)의 걸림돌편은 전해조(23) 외주면의 결합홈부에 맞추어서 상기 셀플랜지(27)의 걸림돌편이 전해조(23)의 결합돌부보다 더 아래로 내려가도록 눌러준다. 이때, 상기 셀플랜지(27)의 저면에는 실링부재(28)(실리콘)이 구비되고, 실리콘은 내부에 공간부가 구비되고, 상기 공간부는 실리콘 내측단의 에어홀과 연통되도록 구성되어, 상기 셀플랜지(27)를 전해조(23)의 플랜지부 위에서 눌러주면, 상기 실리콘이 셀플랜지(27)의 저면과 전해조(23)의 플랜지부 사이에 개재된 상태에서 눌리면서 실리콘의 내부 공간부에 채워진 공기가 실리콘 내측단의 에어홀을 통해 빠져나오면서 실리콘이 눌리게 된다.
이러한 상태에서 상기 셀플랜지(27)를 한쪽 방향으로 돌려주면 상기 셀플랜지(27)의 걸림돌편이 전해조(23) 외주면의 결합돌부 아래에 걸려지므로, 상기 셀플랜지(27)를 볼트와 같은 체결구가 없이 걸림돌편과 결합돌부끼리의 맞걸림에 의해 전해조(23)의 개방부에 셀플랜지(27)를 결합할 수 있다. 이때, 상기 셀플랜지(27)와 전해조(23)의 플랜지부 사이에 개재된 실리콘은 눌려지므로, 셀플랜지(27)와 전해조(23) 사이의 밀봉 기능을 하게 된다.
한편, 상기 셀플랜지(27)가 전해조(23)에 결합된 상태에서 셀플랜지(27)를 다른 방향으로 돌려주면, 상기 셀플랜지(27)의 걸림돌편은 결합돌부에서 벗어나서 결합홈부 쪽으로 다시 돌려지면서 걸림돌편과 결합돌부 사이의 맞걸림 상태가 해제되므로, 실리콘은 눌려 있던 상태에서 자체의 탄성 복원력에 의해 다시 벌어지고, 실리콘이 다시 벌어지면 실리콘 내측단의 에어홀을 통해 에어가 실리콘 내부의 공간부로 다시 들어와서 실리콘이 다시 부풀려지므로, 상기 셀플랜지(27)가 전해조(23)의 개방부에서 위로 들리게 되므로, 셀플랜지(27)를 전해조(23)의 개방부에서 다시 분리할 수 있다. 도 10 내지 도 12 참조.
한편, 상기 셀플랜지(27)는 전해조(23)의 상단 플랜지부에 볼트 등의 체결구에 의해 결합되는 상부캡(22B)의 내부에 수용되어, 상부캡(22B)이 셀플랜지(27)를 보호하도록 구성될 수 있다.
본 발명은 기존에 비하여 새로운 PH 제어방식을 채용한다. 기존의 Gas 발생장치는 전기분해의 촉진을 위해서 전기분해에 사용되는 KOH를 물에 희석하여 사용하는데 Gas 발생기를 장시간 사용할 경우, 수산화칼슘(KOH) 성분이 점점 발생되는 Gas와 함께 배출되므로 KOH의 농도가 엷어진다. 이를 보충하기 위해서 농도가 짙은 KOH 수용액을 기존의 기기에 일정량을 주입하는 제어가 요구되는데 이러한 KOH농도는 측정 불가능할 정도로 강한 알카리성이므로, 본 발명에서는 KOH의 농도를 PH1에서 PH14 내로 측정이 가능하게 하는 장치를 사용한다.
우선 본기로부터 일정량의 KOH 수용액을 Sampling하여 Mixing Tank에 담고 KOH수용액과 순수 물의 배합을 일정비율로 묽게 섞는다. 본 발명의 수소산소 혼합가스 발생 시스템으로서 주요부인 전해셀(22)에서 KOH 수용액을 샘플링한다. 상기와 같이 함으로써, Mixing 된 KOH 수용액의 PH치가 PH1에서 PH14내의 측정치 이내로 들도록 하여 이러한 값을 기준치로 초기화한다. 기기(즉, 본 발명의 시스템)의 사용시간이 일정초과하면 이러한 Sampling 측정방법을 다시 자동으로 시행하여 KOH의 PH치가 떨어진 만큼 짙은 농도의 KOH 수용액을 주입하여 보충한다.
이를 위하여, 본 발명에서는 전해조(23)들로부터 일정량의 전해질 용액(KOH 수용액)을 샘플링하여 별도의 전해질 용액(KOH 수용액)과 혼합하는 믹스탱크(52)와, 상기 믹스탱크(52)에서 샘플링된 전해질 용액과 별도의 전해질 용액의 혼합에 의해 만들어진 새로운 전해질 용액의 PH를 측정치 이내의 범위로 조절하여 상기 측정치 이내의 PH를 가지는 새로운 전해질 용액을 기준치로 초기화하는 전해질 용액 PH 셋팅부와, 상기 전해조(23)들의 사용시간이 일정 시간을 초과하면 믹스탱크(52)와 전해질 용액 PH 셋팅부에 의한 샘플링 측정방법을 다시 자동으로 시행하여 전해조(23)들에서의 PH치가 떨어진만큼 짙은 농도의 전해질 용액(KOH 수용액)을 주입하여 보충하는 전해질 용액 보충부를 포함할 수 있다. 도 13 참조.
또한, 본 발명에서는 Cell 관련 전기제어의 효율을 개선한다. 본 발명의 대용량 수소 산소 혼합가스 발생 시스템의 전해조(23)(셀) 관련 전기제어의 효율을 개선하게 된다.
Gas 발생기(수소 산소 혼합가스 발생 시스템)를 장기간 사용할 경우, 양극 쪽(즉, 양극 셀전극(24))에서는 산소가 발생하므로 따라서 양극이 산화되고 마모 및 부식된다. 이것을 방지하기 위해서는 기기에 가해지는 전원의 극성을 교번적으로 바꾸어 양극에는 (-) 전원을, 음극에는 (+) 전원을 교대로 바꾸어서 사용하면 극관의 수명을 연장시킬수 있다. 따라서 기기를 장기간 사용할 수 있다. 참고로 음극에는 산화부식이 일어나지 않는다. 상기 음극은 음극 셀전극(24)이고 양극은 양극 셀전극(24)이다.
상기한 바와 같이, 맨 바깥쪽의 셀전극(24)과 맨 안쪽의 셀전극(24)에 가해지는 극성을 양극과 음극으로 교대하여 가해지도록 타이머가 구비되며, 상기 타이머는 맨 바깥쪽의 셀전극(24)과 맨 안쪽의 셀전극(24)에 전기적으로 연결(전선 등을 통해 연결)되고, 상기 타이머에는 전기적으로 컨트롤러가 연결됨으로써, 상기 컨트롤러에 의해 주기적으로 양극과 음극을 교대하여 인가하도록 구성될 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서는 무부하 전류 최소화하기 위한 구조를 구비한다. 기기에서 Cell과 이송 Pipe, Gas 집조 Tank 간에 절연이 완벽하게 되어있는 구조라 하더라도 가스 발생(수소 산소 혼합가스 발생)을 위한 매체용액이 순환(배관을 따라 순환)됨에 따라 누설되는 무부하 전류가 존재하는 것을 방지하기 위하여 Power Pack의(-) 연결부위를 마지막 Cell의 (+)극성으로 연결하여 Isolation 현상에 의해 무부하 전류가 흐르는 것을 전격적으로 방지하여 무효전력을 없앨 수 있다. 이를 위하여, 본 발명에서는 전원 공급부(10)의 Power Pack의 (-) 연결부위를 상기 가스 발생부(20)를 구성하는 복수개의 전해조(23) 중에서 마지막 전해셀(22)(마지막 Cell)의 (+) 극성에 연결하도록 구성될 수 있다. 즉, 맨 마지막 전해셀(22)의 복수개의 동심원 형태로 배열된 전극셀들 중에서 맨 안쪽의 전극셀은 (+) 극성이 연결되지만 맨 마지막 전해셀(22)의 맨 안쪽의 코어 전극셀만큼은 전원 공급부(10)의 음극(-)이 연결된다. 도 14 참조.
또한, 기기(수소 산소 혼합가스 발생 시스템)로부터 발생된 가스는 점점 늘어남에 따라 기기 내의 압력이 증가하는데 특정압력(예를 들면2.8kgf)에서부터 최대압력까지(예를 들면 3.0kgf) 도달할 때, 가스 발생용 전력을 비례-적분-미분량의 변화에 따라 가스 발생용 전력을 재빠르게 증감시켜 기기의 가스압력을 가스의 소모량의 변화에 관계없이 항상 일정하게 유지시킨다.
이를 위하며, 본 발명에서는 가스 집조부(30)의 출력측에서 전해조(23) 내부의 가스 압력보다 더 높은 압력을 블로잉 하는 블로잉부(62)를 구비한다. 블로잉부(62)는 솔레노이드 밸브를 통해 가스 집조부(30)의 집조 배럴의 출력측 배관에 연결될 수 있다. 제어부 배관도인 도 15 참조.
또한, 상기 전원 공급부(10)에서 공급되는 전력을 증감시켜서 전해조(23) 내부의 압력을 수소 산소 혼합가스의 소모량의 변화에 관계없이 항상 일정히 유지시키는 전력 제어부를 포함한다. 전력 제어부는 전원 공급부(10)의 내부에 구비될 수 있으며, 상기 전해조(23)의 셀전극(24)에 인가되는 전력량을 조절할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 온도대비 냉각순환 펌프의 속도제어(SIC:Speed Indicating Control) 구조를 구비한다.
수소산소가스 발생기의 효율은 되도록이면 전해액이 유동이 적은 상태에서 이루어지는 것이 좋으므로 전해장치 내부(전해조(23) 내부)의 온도와 가스온도를 감지하여 (SIC:Speed Indicating Control) 방식으로 냉각순환용 펌프의 속도를 Motor 속도 가감용 Inverter를 사용하여 제어하며 냉각하므로 불필요한 전해액의 유동을 줄임으로써, 최적의 전해환경을 조성, 가스발생량을 증대시킨다. 이를 위하여 전해조(23) 내부에 온도 센서와 가스온도 감지 센서가 내장될 수 있다. 모터 속도는 전해조(23)의 내부에 전해질 용액을 펌핑하는 펌프 모터가 될 수 있으며, 펌프에 모터 속도 가감용 인버터를 연결하는 구성을 취할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 전기분해를 하기 위한 촉매 전해질을 사용하는데 수산화칼륨(KOH)이나 수산화나트륨(NAOH) 촉매를 사용한다.
수산화나트륨보다는 냄새나 효율이 좋은 촉매전해질로는 주로 KOH를 1회 투입하여 사용하며 이후부터는 지속적으로 환원되는 가스량 만큼 보충수인 물공급이 필요하다.
물 공급을 위해 물펌프를 설치하여 지속적으로 보충수를 공급하게 된다. 물펌프는 전해조(23)에 배관을 통해 연결될 수 있다. 전극(Cell)내부의 전해질이 적절한 양을 유지하는가를 판별하고 감시하기 위해 전극에 영향을 주지 않도록 수위조절탱크(118)와 급수펌프가 부가적으로 설치된다. 도 1 참조.
물을 전기분해하는 수소 산소 혼합가스 발생 시스템을 제작하기 위해서는 다수개의 전극(CELL)이 필요하고 이를 보호해주는 통(전해조(23))이 필요하며 여기에 전해질을 전극보다 높게 유지시켜 전기분해를 한다. 도 5에 도시된 전해셀(22)의 단면도에서 전극셀의 상단부보다 더 높은 위치까지 전해질을 전해조(23)에 채워주게 된다.
가스발생량을 늘리기 위해서는 이러한 다수개의 전극을 한통(전해조(23))으로 여러개의 통(전해조(23))을 사용하여 직렬 또는 병렬로 연결하여 가스를 발생시킨다. 본 발명에서는 프레임에 지지된 전해조(23)를 배관을 통해 직렬 또는 병렬로 연결하여 가스를 발생시키도록 구성된다.
기존의 가스발생에 있어 다수개의 전극이 하나의 전해셀(22)로 구성되어있기에 수위조절통과 급수펌프를 1개씩 사용하면 되었지만 가스용량을 늘리기 위해 다수개의 전해셀(22)을 사용하게 되면서 각 전해셀(22)마다 수위조절통과 급수펌프가 필수로 사용되어 복잡하고 많은 체적을 필요로 한다.
이에 대용량의 가스를 발생시키기 위한 본 발명의 새로운 방식은 각 전해셀(22)을 양쪽으로 나열하고 그 사이에 상(가스연결) 중(전해질 연결) 하(전해질 연결) 3개의 가스 및 전해질 이송관을 설치하고 여기에 절연호스를 연결하여 전해조(23)와 전해조(23)의 전해질 수위가 같아지도록 연결함으로 하나의 수위조절통과 급수펌프만 사용되도록 한다.
그런데, 가스 발생량을 늘리기 위한 방안으로 전해질을 연결하는 순환배관(26) 방법은 전해셀(22)과 전해셀(22)을 3곳으로(상중하) 연결하는 방법으로 많은 양의 수위조절통과 급수펌프를 줄이는 좋은 방법이지만, 수위의 평활화를 위한 방안이기에 전기적인 효율을 (연결튜브의 내경 및 길이) 고려되지 않은 측면이 있다.
이로 인해 가스발생시 인가되는 직류전압이 연결호스에 흘러들어 소비되기에 실제로 전해셀(22) 1개를 사용할 때 전해셀(22) 내의 전극(즉, 전해조(23) 내부의 셀전극(24))에서 전기분해 되는 전압의 양보다 많게는 2배 가량의 전압을 인가하여야 하기에 많은 전압손실이 있을 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 전해조(23)와 전해조(23) 사이에 전해질 순환배관(26)을 연결하고자 할 때 각각 최소한의 길이는 350mm로 이상으로 연결하여야 하며, 이때 순환배관(26)(연결배관)의 경우 내경 9mm의 배관을 사용하게 되면 저항으로 인한 전압의 손실을 차단할 수 있다는 것을 실험을 통하여 검증하였다. 이러한 구성은 전술한 바와 같다. 도 6 내지 도 9 참조.
실시예 1의 경우, 단일 전해조(23) 1개, 전해조(23)내의 전극 8개를 사용하여 전기분해를 하게 되면 이론전압은 16VDC이나 인가전압 19.5~21VDC가 사용되었다.
복수의 전해조(23)를 사용하여 전해질 연결 시 인가전압이 25.5~28 VDC가 사용되었다. 대용량가스를 만들기 위한 조건이다.
복수개의 전해조(23)를 사용하여 내경 6mm~20mm 튜브를 사용하고 전해조(23)와 전해조(23)의 튜브길이는 250mm~450mm를 사용할 경우 사용전압이 19.5~21VDC로 단일 전해조(23)와 같이 사용되었다.
본 발명으로 인해 대용량가스발생시 저항으로 인한 많은 양의 전압손실을 줄였고 가스발생효율을 극대화한다.
또한, 본 발명에서 전해질이송관은 전기분해 발생시 전해조(23) 내부(Cell 내부)에 있는 KOH 용액이 전기분해를 위한 전압인가로 인하여 발열을 하게 되어 냉각이 요구된다. 따라서, Cell 내부에 있는 KOH 용액을 외부로 이송하여 최적의 발생효율 조건을 유지하기 위해 냉각시킬 필요성이 있으므로 KOH 용액은 아래쪽에 전해질을 배출하는 아래쪽 이송관과 펌프와 열교환기를 거쳐 중간에 전해질을 전해셀(22)로 주입시켜주는 중간이송관이 상하로 2개가 배치되며, 상부와 하부에 있는 물 이송관을 통하여 가열된 용액은 펌프에 의에 강제 순환되고 냉각된 용액이 새로 인입된다. 또한, 각 Cell로 부터 KOH 용액의 유량을 일정하게 분배하여 인입 및 배출을 하여야 하는데 이러한 역할을 전해질 이송관이 담당한다.
본 발명에서는 냉각순환방식도 특징이 된다. 전기분해 시 발생하는 KOH(전해질)의 온도상승을 냉각시키기 위한 기존의 방식은 전해질 자연대류냉각 및 강제순환을 사용하고 있으며, 이는 온도가 높은 Cell 전해조(23)(즉, 전해조(23))의 상부 Port로 전해질 용액이 배출되고, 하부 Port로 유입되는 순환방법이었다. 이로 인해 전극표면에 있던 Gas 및 전극표면에서 이탈된 수소, 산소혼합 가스가 유속 따라 펌프 및 열교환기로 유입되어 전해질이 순환되어야 할 공간에 전해질을 밀어내고 점차 가스공간화 된다. 이는 순환펌프를 공회전시키는 고장 및 스파크로 인한 내폭으로 펌프와 가스발생기 고장의 원인이었다. 이로 인해 전해질을 순환, 냉각할 수 없기에 온도상승으로 인한 가스 발생기의 에러가 상시 발생하고, 내폭으로 인한 잦은 충격 및 순환호스 파손으로 전해질이 배출되어 가스발생을 할 수 없는 근본적인 고장의 원인이었다. 이로 인해 순환펌프와 순환 호스를 자주 교체해야 하는 번거로움과 많은 비용과 인력이 소모되었다.
그런데, 본 발명에서는 전해셀(22)의 하부 포트로부터 하부 이송관(117)(하부 전해질 이송관)으로 전해액이 들어와서 상기 히트 익스체인저(Plate heat exchange)를 거쳐서 냉각이 된 다음, 냉각된 전해액이 상부 이송관(116)(상부 전해질 이송관)을 거쳐서 전해셀(22)의 상부 포트로 들어오는 구조를 취한다. 따라서, 본 발명에서는 전해액이 전해셀(22)의 상부에서 하부로 유입되는 일반적인 냉각순환방식이 아닌 전해셀(22)의 하부에서 상부로 유입되는 강제순환방식(도 17 참조)을 사용하여 전극표면에 있던 가스유입을 처음부터 차단하여 순환펌프의 고장의 원인을 해결하였으며, 이로 인해 가스발생기의 24시간 연속가동이 가능하며, 펌프 및 순환호스의 교체손실을 줄여 비용을 절감하였고, 기존의 펌프 및 열교환기로 유입되는 가스를 차단하여 Gas 발생 효율을 극대화한다. 도 16 참조.
따라서, 본 발명은 전해조(23)의 상부 포트에 강제순환펌프를 연결하여, 전해조(23)의 상부 포트에서 전해질 용액이 유입되고 전해조(23)의 하부 Port로 전해질 용액이 배출되도록 구성할 수 있다. 따라서, 전극표면에 있던 Gas 및 전극표면에서 이탈된 수소, 산소혼합 가스가 유속 따라 펌프 및 열교환기로 유입되어 전해질이 순환되어야 할 공간에 전해질을 밀어내고 점차 가스공간화 되는 경우가 방지된다. 이는 순환펌프를 공회전시키는 고장 및 스파크로 인한 내폭으로 펌프와 가스발생기 고장의 원인을 해소하는 효과를 가진다.
또한, 본 발명에서는 전해질 이송관의 구조는 용적이 큰 상부관과 하부관이 있다. 상부 이송관(116)과 하부 이송관(117)이 각각 상부관과 하부관으로 구성된다.
하부관은 용적이 작아 KOH 주입 시 1차적으로 격한 유량에 유입을 완화시켜준다. 이러한 하부관은 용적이 큰 상부관과 연결되어 있고, 상부관에서 용적이 크므로 압력을 일정하게 하는 역할을 함으로써 보다 더 유속이 완화된다. 따라서 각 Cell로부터 또는 각 Cell로 향하여 분배되는 유량 유속이 일정하게 유지된다. 도 18 참조.
이때, 상기 상부관과 하부관의 체결구조는 Cell의 방법과 동일하게 제작하여 KOH의 투입 및 생산성을 최대한 편리하게 한다. 즉, 하부관의 양단부에 결합되는 플랜지와 상부관의 양단부에 결합되는 플랜지는 상기한 각 전해조(23)의 전해조(23)과 플랜지를 결합돌부가 걸림돌편의 맞결합에 의해 각각 하부관의 양단부와 상부관의 양단부에 연결될 수 있다. 물론, 하부관과 플랜지 사이 및 상부관과 플랜지 사이에는 상기 실리콘이 개재된다.
본 발명은 가스 집조부(30)를 더 구비한 것에 특징이 있다. 도 19와 도 20에 가스 집조부(30) 구조가 도시되어 있다.
상기 가스 집조부(30)는 Cell의 내부에서 전기분해로 발생된 Gas를 집결시키고 온도차를 이용하여 응축냉각시키는 역할을 한다.
가스 집조부(30)의 구조는 상부 집조관(상부 가스 집조부(30))과 하부 집조관(하부 가스 집조부(30))으로 구성되어 있고 전기분해로 발생된 Gas를 일단 하부 집조관에서 집결시킨 후 자연냉각에 의해 1차적으로 Gas를 냉각시킨다. 하부 집조관에 연결관을 매개로 각각의 전해셀(22)이 연결되어 있다.
또한, 하부 집조관에서 냉각된 Gas는 상부 집조관으로 재 집결되면서 상부 집조관에서 Gas가 하부와 동일한 원리로 응축 냉각된다. 상부 집조관은 연결관을 배개로 하부 집조관에 연결되어 있다.
본 발명에서 가스 집조부(30)(가스 포집부)에 의하면, 각 전해셀(22)에서 전기 분해를 통하여 가스(즉, 수소 산소 혼합가스)가 발생되면, 데미스터 파이프(32)(Demister pipe)로 가스가 모인 후 F/B TANK를 통하여 OUT F/B TANK로 모여서 절단기 노즐로 공급된다. 도 22를 참조하면, 각 전지셀에서 들어와서 데이스터 파이프로 들어온 가스는 사이클론 분리기(34)을 거쳐서 F/B TANK로 들어가고 F/B TANK에서 나온 가스는 사이클론 분리기(34)을 거쳐서 외부 기기(상기 절단기 가스 노즐 등)으로 공급된다. 데미스터 파이프(32)는 하부 데미스터 파이프(32A)와 상부 데미스터 파이프(32B)로 구성되며, 상기 상부 집조관과 하부 집조관이 각각 하부 데미스터 파이프(32A)와 상부 데미스터 파이프(32B)가 될 수 있다.
응축냉각된 Gas는 Gas의 사용을 위하여 배관을 통해 기기 외부로 배출되는데 상부 집조관의 출구쪽에 보다 더 완벽한 냉각과 수분분리를 자연적으로 제거시키는 역할을 최대한 촉진시키기 위하여 Cyclone 분리기를 설치하였고, 이를 인입 적용을 통해 외부로 배출시킨다. 사이클론 분리기(34)는 사이클론 분리기 바디(34A)의 내부에 내장되며 상단부에서 하단부로 갈수록 내경이 점점 줄어드는 사이클론 분리기 관체(34B)와, 상기 사이클론 분리기 관체(34B)의 내부에 설치된 가스 배출관을 포함하며, 상기 가스 배출관은 외부의 수소 산소 혼합가스 사용 기기에 연결될 수 있다. 가스 집조부(30)의 체결방법은 Cell의 체결방법과 동일하도록 제작하였다.
상기 사이클론 분리기(34)에 의하면, 상기 상부 집조관으로 수소 산소 혼합가스가 들어오면, 상기 사이클론 분리기 관체(34B)의 내부에서 하부로 와류가 발생하면서 수분이 분리되고 수분이 분리된 수소 산소 혼합가스는 가스 배출관을 통해 배출될 수 있다.
따라서, 상기 사이클론 분리기(34)로 인하여 보다 더 완벽한 냉각과 수분분리를 함으로써 자연적으로 수분을 제거시키는 역할을 최대한 촉진시키고 냉각 효율도 높일 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서 상부 이송관(116)과 하부 이송관(117)은 두 개의 상부관과 하부관이 서로 연결되어 구성되며, 상기 상부 이송관(116)의 어느 하나의 관에는 사이클론 분리기(34)이 연결되고, 상기 사이클론 분리기(34)가 연결된 관의 내부에는 내외주면으로 뚫린 구멍을 복수개를 가지는 내부관이 더 구비된다. 본 발명에서는 상부관의 일단부에 사이클론 분리기(34)가 연결된다.
따라서, 각각의 전헤셀에서 들어와서 집조(포집)된 수소 산소 혼합가스가 상기 내부관을 지나가면서 내부관의 구멍을 통해 혼합가스에서 수분이 분리되므로, 상기 수소 산소 혼합가스의 분리 효율이 보다 높아지는 효과가 있다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
10. 전원 공급부 20. 가스 발생부
22. 전해셀 23. 전해조
24. 셀전극 26. 순환배관
30. 가스 집조부 32. 데미스터 파이프
34. 사이클론 분리기 40. 냉각부
42. 펌프 44. 쿨링타워
46. 히팅 익스체인저 52. 믹스탱크
62. 블로잉부

Claims (10)

  1. 전원 공급부(10);
    상기 전원 공급부(10)의 공급 전원에 의한 전기분해를 통해 수소 산소 혼합가스를 발생시키는 가스 발생부(20);
    상기 가스 발생부(20)에서 발생하는 수소 산소 혼합가스를 모아주는 가스 집조부(30);를 포함하여 구성되고,
    상기 가스 발생부(20)는 복수개의 전해조(23)를 포함하고,
    상기 전원 공급부(10)는 상기 가스 발생부(20)의 각각의 전해조(23)에 내장된 전극셀에 전기분해에 필요한 전력을 인가하도록 구성되고,
    상기 가스 발생부(20)는 상기 전원 공급부(10)에서 인가된 전력에 의해 내부의 전해질 용액(수산화칼륨(KOH) 또는 수산화나트륨(NaOH) 용액)과 상기 전극셀의 표면(표면적)에서 전기적, 화학적 반응을 일으켜서 상기 수소 산소 혼합가스를 발생시키도록 구성되고,
    상기 가스 집조부(30)는 상기 각각의 전해조(23)에서 발생한 수소 산소 혼합가스를 한곳으로 모아서 배관을 통해 외부 적용기기에 배출되기 이전에 상기 수소 산소 혼합가스의 집약, 응축을 통한 가스의 수분제거의 역할을 수행하도록 구성되고,
    상기 가스 집조부(30)는 각각의 전해셀(22)에 연결된 이송관에 연결된 파이프 구조의 데미스터 파이프(32)와, 상기 데미스터 파이프(32)에 연결된 사이클론 분리기(34)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 대용량 수소 산소 혼합가스 발생 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스 발생부(20)에서 수소 산소 혼합가스를 발생시킬 때에 가열되는 전해질을 냉각시키는 냉각부(40);를 더 포함하여 구성되며, 상기 냉각부(40)는 상기 전해조(23) 내부에서 전기분해 작용으로 인하여 가열된 전해질 용액을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 대용량 수소 산소 혼합가스 발생 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스 발생부(20)는 전해조(23)에 셀전극(24)이 내장되고 전해질이 충전된 복수개의 전해셀(22)을 포함하여 구성되며, 상기 전해셀(22)들은 순환배관(26)에 의해 서로 연결된 것을 특징으로 하는 대용량 수소 산소 혼합가스 발생 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 순환배관(26)은 곡선형 배관부를 갖도록 각각의 전해셀(22)들에 연결되어, 상기 순환배관(26)의 길이가 상기 곡선형 배관부에 의해 연장되도록 구성된 것을 특징으로 하는 대용량 수소 산소 혼합가스 발생 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 각각의 전해셀(22)들에 연결된 각각의 순환배관(26)의 길이는 350mm 이상인 것을 특징으로 하는 대용량 수소 산소 혼합가스 발생 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 각각의 전해셀(22)들의 외피인 각각의 전해조(23)와 전해조(23) 사이에 전해질 순환배관(26)을 연결하고자 할 때 각각 최소한의 거리는 350mm로 이상으로 연결하고, 상기 순환배관(26)의 경우 내경 9mm의 배관을 사용하도록 구성된 것을 특징으로 하는 대용량 수소 산소 혼합가스 발생 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 셀전극(24)은 원형 실린더형 구조이고, 상기 원형 실린더형 구조의 셀전극(24)은 동심원 형태로 복수개로 배치되며, 상기 복수개의 셀전극(24) 중에서 맨 안쪽의 셀전극(24)에 플러스(+) 전압이 가해지고 맨 바깥쪽의 셀전극(24)에는 마이너스(-)전압이 가해지도록 구성된 것을 특징으로 하는 대용량 수소 산소 혼합가스 발생 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가스 집조부(30)의 출력측에서 상기 전해조(23) 내부의 가스 압력보다 더 높은 압력을 블로잉 하는 블로잉부(62);
    상기 전원 공급부(10)에서 공급되는 전력을 증감시켜서 상기 전해조(23) 내부의 압력을 상기 수소 산소 혼합가스의 소모량의 변화에 관계없이 항상 일정히 유지시키는 전력 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 대용량 수소 산소 혼합가스 발생 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 가스 발생부(20)는 복수개의 전해셀(22)이 순환배관(26)에 의해 서로 연결되도록 구성되고, 상기 전원 공급부(10)의 파워팩의 마이너스(-) 연결부위를 마지막 전해셀(22)의 (+)극성으로 연결하도록 구성된 것을 특징으로 하는 대용량 수소 산소 혼합가스 발생 시스템.
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