KR101936151B1

KR101936151B1 - 전기분해 수소수 생성 전극조립체 및 이를 포함하는 고농도 수소수 생성 장치

Info

Publication number: KR101936151B1
Application number: KR1020180039535A
Authority: KR
Inventors: 김정욱; 안명희
Original assignee: 김정욱; 안명희
Priority date: 2018-04-05
Filing date: 2018-04-05
Publication date: 2019-01-09

Abstract

본 발명에 따른 전기분해 수소수 생성 전극조립체 및 이를 포함하는 고농도 수소수 생성 장치는 고농도의 수소수를 제조할 수 있으며, 수소수의 초기 수소 농도를 장기간 유지할 수 있는 고농도의 수소수를 제조할 수 있는 효과가 있으며, 수소수의 제조에 장기간 반복 사용되더라도 산화현상에 의한 양전극의 불순물 흡착에 따른 수소 생성 불활성화에 대한 문제를 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

전기분해 수소수 생성 전극조립체 및 이를 포함하는 고농도 수소수 생성 장치{Electrode assembly for hydrogen water through electrolysis, and high concentration hydrogen water generator comprising thereof}

본 발명은 전기분해를 통해 수소수를 생성하는 전극조립체 및 이를 포함하는 고농도 수소수 생성 장치에 관한 것이다.

수소 분자가 용해된 물인 수소수는 항산화 작용을 가지는 기능수(機能水)로서 세간에 주목을 받았으며, 이에 따라 물에 수소 분자를 더 많이 용해시키고 이러한 고농도의 수소수를 장기간 유지하도록 하기 위한 다양한 연구가 진행되어 왔다.

구체적으로, 활성산소는 체내 대사 과정에서 발생되는 산화력이 높은 산소로서, 각종 질병과 노화의 원인을 제공하기 때문에 체내의 활성산소를 제거해 줄 필요가 있으며, 이러한 활성산소를 체내에서 제거하는 활성수소가 주목받고 있다. 통상적으로 수소는 수소 원자 2개가 결합한 분자 상태로 존재하나, 드물게 수소 원자의 분자 결합이 와해되어 수소 원자가 단독으로 존재하는 경우가 발생하게 되는데 이렇게 단독으로 존재하는 수소 원자(H)를 활성수소라고 지칭하며, 이러한 활성수소는 체내의 활성산소와 결합하여 물을 생성함으로써, 체내의 활성산소를 제거한다. 이와 같이 수소의 농도를 높인 물을 ‘수소수’라 칭하며, 수소수는 항산화 능력이 뛰어난 것으로 알려져 있어, 수소수 제조를 위한 장치가 다수 개발되고 있다.

그러나 1 기압 및 20℃에서 물에 대한 수소의 용해도는 약 1.61 ppm이므로, 1 기압 및 20℃에서 일정 시간이 지난 이후, 통상적인 방법으로는 이론적으로 약 1.61 ppm 농도의 수소수가 한계이며, 종래의 수소수 제조 방법으로는 실제로 0.2~0.7 ppm 농도의 수소수 밖에 제조되지 않는 문제가 있다.

또한 물에 용해된 수소 분자는 시간이 지날수록 물로부터 기화되어 손실되기 때문에 초기 수소 농도를 장기간 유지할 수 있도록 하는 방안에 대해서도 연구되어야 한다.

한국공개특허공보 제10-2015-0017566호 (2015.02.17)

본 발명의 목적은 고농도의 수소수를 제조할 수 있으며, 수소수의 초기 수소 농도를 장기간 유지할 수 있도록 하는 전기분해 수소수 생성 전극조립체 및 이를 포함하는 고농도 수소수 생성 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 수소수의 제조에 장기간 반복 사용되더라도 산화현상에 의한 양전극의 불순물 흡착에 따른 수소 생성 불활성화에 대한 문제를 미연에 방지할 수 있는 전기분해 수소수 생성 전극조립체 및 이를 포함하는 고농도 수소수 생성 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 전기분해 수소수 생성을 위한 전극조립체는, 다수의 관통홀이 형성되는 음전극; 미세다공막; 이온교환막; 및 다수의 관통홀이 형성되는 양전극;이 순차적으로 인접하여 배치되며, 상기 음전극과 상기 양전극 사이에는 기포 표면활성화 공간이 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 미세다공막 및 상기 이온교환막은 상기 기포 표면활성화 공간 내에 위치할 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 음전극 및 상기 양전극은 일면이 오목하고 타면이 볼록한 중앙부를 포함할 수 있으며, 상기 기포 표면활성화 공간은 상기 음전극의 오목한 면과 상기 양전극의 볼록한 면 사이에 형성될 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 음전극 및 상기 양전극은 상기 중앙부; 및 상기 중앙부를 둘러싸는 평탄한 테두리인 밀착부;를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 이온교환막은 상기 음전극 및 상기 양전극이 물리적으로 분리되어 서로 접하지 않도록 이들 사이에 위치할 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 음전극의 밀착부, 상기 이온교환막의 테두리 및 상기 양전극의 밀착부는 서로 접하여 고정될 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 양전극의 관통홀은 상기 이온교환막과 대향하는 양전극의 일면의 타면에 관통홀의 둘레가 볼록하게 굴곡하여 돌출 형성될 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 양전극의 관통홀은 상기 이온교환막과 대향하는 양전극의 일면에 관통홀의 둘레가 오목하게 굴곡하여 함몰 형성될 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 양전극의 관통홀의 내부 평균직경은 상기 음전극의 관통홀의 내부 평균직경보다 큰 것일 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 본 발명에 따른 전극조립체를 포함하는 고농도의 수소수를 유지하는 수소수 생성 장치는, 상기 전기분해 수소수 생성 전극조립체; 및 상기 전기분해 수소수 생성 전극조립체의 음전극에 물이 접촉되어 전기분해에 의해 수소 분자가 생성되도록 하는, 상기 물이 장입되는 공간부를 포함하는 케이스;를 포함할 수 있으며, 상기 케이스는 상기 전기분해 수소수 생성 전극조립체의 양전극에 상기 물이 접촉되지 않는 구조를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 케이스는, 수소수가 장입되는 공간부를 가지는 하단부가 개방된 상부 케이스; 상기 케이스의 개방된 하단부에 결합되며, 상단부 및 하단부가 개방된 캡; 및 상기 캡 내부에 구비되되, 상기 케이스의 공간부에 장입된 물이 케이스 하부의 외부로 유출되지 않도록 상기 케이스의 하단부를 밀봉시켜 구비되는 상기 전기분해 수소수 생성 전극조립체;를 포함할 수 있으며, 상기 전기분해 수소수 생성 전극조립체의 음전극은 상기 케이스의 하단부와 대향하여 배치될 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 캡의 개방된 하단부는 산소 기체 유출구를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 수소수 생성을 위한 물의 전기분해용 양전극은, 다수의 관통홀을 포함할 수 있으며, 상기 관통홀은, 양전극의 일면에 관통홀의 둘레가 면 방향으로 볼록하게 굴곡하여 돌출 형성되는 돌출부; 및 양전극의 타면에 관통홀의 둘레가 면 방향으로 오목하게 굴곡하여 함몰 형성되는 함몰부;를 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 양전극은 일면이 오목하고 타면이 볼록한 중앙부를 포함하되, 상기 중앙부의 오목한 일면에 상기 관통홀의 돌출부가 형성되고, 상기 중앙부의 볼록한 일면에 상기 관통홀의 함몰부가 형성되는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 전기분해 수소수 생성 전극조립체 및 이를 포함하는 고농도 수소수 생성 장치는 고농도의 수소수를 제조할 수 있으며, 수소수의 초기 수소 농도를 장기간 유지할 수 있는 고농도의 수소수를 제조할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 전기분해 수소수 생성 전극조립체 및 이를 포함하는 고농도 수소수 생성 장치는 수소수의 제조에 장기간 반복 사용되더라도 산화현상에 의한 양전극의 불순물 흡착에 따른 수소 생성 불활성화에 대한 문제를 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 명세서에서 기재된 효과 및 그 내재적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.

도 1은 본 발명에 따른 음전극을 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 양전극을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 전극조립체를 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 전극조립체를 포함하는 수소수 생성 장치를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 전극조립체를 포함하는 수소수 생성 장치에서 수소가 생성되는 모습을 나타낸 도면이다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 전기분해 수소수 생성 전극조립체 및 이를 포함하는 고농도 수소수 생성 장치를 상세히 설명한다.

본 명세서에 기재되어 있는 도면은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 상기 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

본 명세서에서 사용되는 용어의 단수 형태는 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 해석될 수 있다.

본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 %의 단위는 별 다른 정의가 없는 한 중량%를 의미한다.

본 발명에 따른 전기분해 수소수 생성 전극조립체는 물의 전기분해를 통해 수소 분자를 물로부터 생성하여 수소수를 제조하는 데에 사용되는, 물의 전기분해용 전극조립체를 의미한다.

그러나 종래의 방법 또는 장치를 이용하여 제조된 수소수는 수소 농도가 200 내지 700 ppb 정도로 매우 낮고, 그 마저도 제조 후 수 분 후에 수소 농도가 약 40 ppb 정도로 매우 낮아지는 등, 초기 수소 농도를 장기간 유지할 수 없는 문제가 있었다. 뿐만 아니라 종래의 수소수 제조를 위한 장치는 수소수 제조에 장기간 사용될 경우, 산화에 의해 생성되는 고점도의 불순물 등이 양전극에 흡착되고 단단히 굳어 결국 수소 생성 자체가 불가능한 상태에 이르는 문제가 있었다.

따라서 본 발명에서는 전술한 문제들을 해결하고자 함을 목적으로 하며, 이하, 본 발명에 따른 전기분해 수소수 생성 전극조립체에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 전기분해 수소수 생성 전극조립체(500)는, 다수의 관통홀(121)이 형성되는 음전극(100); 미세다공막(200); 이온교환막(300); 및 다수의 관통홀(421)이 형성되는 양전극(400);이 순차적으로 인접하여 배치되며, 상기 음전극(100)과 상기 양전극(400) 사이에는 기포 표면활성화 공간(510)이 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전극조립체(500)는 음전극(100)과 양전극(400) 사이에 형성되는 상기 기포 표면활성화 공간(510)에 대한 구성요소와, 상기 미세다공막(200)에 대한 구성요소가 결합됨에 따라, 상기 전극조립체(500)를 이용하여 물을 전기분해하여 제조된 수소수는 제조 이후로부터 수 일이 경과해도 수소 농도가 1,200 내지 2,000 ppb 정도로 종래와 비교하여 약 3 배 이상 현저히 향상된 고농도의 수소수의 제조가 가능한 효과가 구현된다. 또한 후술하는 구성요소들의 추가에 의해, 장기간 수소수 제조의 사용에 따른, 산화에 의해 생성되는 점액 상태의 불순물 등이 양전극(400)에 흡착되어 수소 생성 자체가 불가능한 상태에 이르는 문제를 미연에 방지하는 효과도 구현된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 기포 표면활성화 공간(510)은 음전극(100)과 양전극(400) 사이에 형성되며, 이는 전기분해에 의해 생성되는 수소 기체를 포함하는 기포의 표면적을 향상시켜 물 내에 높은 농도로 수소가 존재하도록 하는 역할을 한다.

상기 기포 표면활성화 공간(510)의 내부에는 미세다공막(200)이 위치하며, 이러한 구조를 가짐에 따라, 기포 표면활성화 공간(510)에서 표면적이 현저히 높은 수소 기포, 즉, 매우 미세한 크기의 수소 기포(900)가 생성된다. 특히 이러한 매우 미세한 크기의 수소 기포(900)는 상기 미세다공막(200)에 형성된 미세홀을 통해 생성됨과 동시에 상기 미세홀에 흡착 및 코팅되어 존재하고 다음 생성되는 수소 기포와 그 위치가 전환됨에 따라 고농도의 수소수의 제조가 가능하다.

이때 미세다공막(200)은 기포 표면활성화 공간(510)의 내부에서 미세한 크기의 수소 기포(900)가 생성되도록 위치되면 무방하며, 예를 들어, 막 전체가 기포 표면활성화 공간(510)에 위치할 수도 있고, 막의 일부가 기포 표면활성화 공간(510)에 위치할 수도 있다.

상기 미세다공막(200)은 미세홀이 형성된 막을 의미할 수 있으며, 미세홀에 의해, 생성되는 수소 기포를 물리적으로 그 표면적을 증가시키는 역할뿐만 아니라, 음전극(100)에 전류를 균일하게 전달되도록 하여 표면적이 증가된 수소 기포의 표면적 편차를 최소화하여 균일한 극미세 수소 기포(900)가 생성되도록 하는 역할을 한다.

상기 미세다공막(200)의 재질은 크게 제한되지 않으며, 예컨대 상용 폴리머, 목재, 종이 등의 다양한 것, 바람직하게는 절연성 물질이 사용될 수 있다. 일 실시예로, 대나무 뿌리에서 추출한 소재로 제조된 종이막일 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.

상기 미세다공막(200)의 미세홀의 평균직경은 10 내지 800 nm, 구체적으로 50 내지 400 nm일 수 있으나, 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.

상기 미세다공막(200)의 평균두께는 10 내지 300 ㎛, 30 내지 200 ㎛, 일 실시예로 140 ㎛인 것이 보다 높은 농도의 수소수의 제조가 가능한 측면에서 바람직할 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.

상기 기포 표면활성화 공간(510)의 내부에는 이온교환막(300)이 위치할 수 있다. 이때 이온교환막(300)은 기포 표면활성화 공간(510)의 내부에서 이온교환막(300) 역할을 할 수 있도록 위치되면 무방하며, 예를 들어, 막 전체가 기포 표면활성화 공간(510)에 위치할 수도 있고, 막의 일부가 기포 표면활성화 공간(510)에 위치할 수도 있다.

상기 이온교환막(300)은 음전극(100)과 양전극(400)을 물리적으로 분리하여 이들이 서로 접하지 않도록 분리막 역할을 하는 것으로, 물은 통과시키지 않고 이온을 통과시키는 역할을 하며, 양이온교환막 또는 음이온교환막일 수 있다. 전술한 효과와 함께, 양전극(400)의 관통홀(421)을 통해 산소 기체가 원활히 배출될 수 있게 하기 위한 측면에서 음이온교환막이 바람직할 수 있다. 구체적인 일 예로, 이온교환막(300)은 양이온교환기 또는 음이온교환기를 가지는 고분자 수지를 유기용매에 용해하여 제조된 고분자 용액을 막 형태로 도포하고 건조하여 제조된 것일 수 있다. 양이온교환기를 가지는 고분자 수지는 예컨대 술폰산기(-SO₃H), 카르복실기(-COOH), 포스포닉기(-PO₃H₂), 포스피닉기(-HPO₂H), 아소닉기(-AsO₃H₂), 셀리노닉기(-SeO₃H) 등의 양이온교환기를 가지는 것일 수 있다. 그리고 음이온교환기를 가지는 고분자 수지는 예컨대 4급 암모늄염(-NH₃), 1~3급 아민(-NH₂, -NHR, -NR₂), 4급 포스포니움기(-PR₄), 3급 술폰니움기(-SR₃) 등의 음이온 교환기를 가지는 것일 수 있다. 또한 고분자 수지의 중량평균분자량은 전술한 이온교환막 역할을 할 수 있을 정도라면 무방하다. 하지만 이는 구체적인 예로서 설명한 것일 뿐, 이에 본 발명이 제한되지 않음은 물론이며, 공지된 문헌을 참고해도 무방하다.

상기 이온교환막(300)의 평균두께는 전술한 이온교환막의 역할을 수행할 수 있을 정도라면 제한되지 않으며, 예컨대 10 내지 800 ㎛일 수 있으나, 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.

상기 미세다공막 및 이온교환막은 층상 구조를 가지는 막(Layer)의 형태를 가지나, 상기 기포 표면활성화 공간에 위치될 수 있도록 오목하거나 볼록한 굽어진 형태를 가질 수 있음은 물론이다.

상기 기포 표면활성화 공간(510)을 형성하는 구체적인 수단으로, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 음전극(100) 및 상기 양전극(400)은 일면이 오목하고 타면이 볼록한 중앙부(120, 420)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 음전극(100)의 오목한 면과 양전극(400)의 볼록한 면이 서로 이격하도록 음전극(100)과 양전극(400)이 배치되며, 이들 사이에 상기 기포 표면활성화 공간(510)이 형성된다. 이렇게 형성된 기포 표면활성화 공간(510)의 중심의 높이는 0.5 내지 2 mm, 일 실시예로 1 mm일 수 있으나, 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.

상기 표면활성화 유도 공간의 내부를 보다 구체적으로 설명하면, 음전극(100)과 양전극(400)은 서로 대응 결합되어, 음전극(100)의 오목한 면과 양전극(400)의 볼록한 면이 서로 이격하여 기포 표면활성화 공간(510)이 형성될 시, 기포 표면활성화 공간(510) 내부에는 미세다공막(200) 및 이온교환막(300)이 구비될 수 있다. 이때 상기 공간 내부에서 이온교환막(300)은 양전극(400)과 접하여 형성될 수도 있고, 이격하여 형성될 수도 있으며, 접하는 부분과 접하지 않는 부분이 함께 존재하여 형성될 수도 있다. 또한 상기 공간 내부에서 미세다공막(200)은 이온교환막(300)과 접하여 형성될 수도 있고, 이격하여 형성될 수도 있으며, 접하는 부분과 접하지 않는 부분이 함께 존재하여 형성될 수도 있다.

구체적인 일 예로, 상기 음전극(100)의 볼록한 중앙부의 중심과, 상기 음전극(100)의 중앙부의 테두리와 대응하는 위치와의 높이는 1 내지 5 mm, 일 실시예로 3 mm일 수 있다. 또한 상기 양전극(400)의 볼록한 중앙부의 중심과, 상기 양전극(400)의 중앙부의 테두리와 대응하는 위치와의 높이는 0.5 내지 3 mm, 일 실시예로 2 mm일 수 있다. 따라서 음전극(100)과 양전극(400)이 대응 결합되어 각 층의 오목한 부분과 볼록한 부분 사이에 상기 기포 표면활성화 공간(510)이 형성된다.

본 발명에 따른 전극조립체(500)의 각 층들이 밀착 고정되도록 하기 위해, 상기 음전극(100) 및 상기 양전극(400)은 오목하거나 볼록한 상기 중앙부(120, 420); 및 상기 중앙부를 둘러싸는 테두리인 밀착부(110, 410);를 포함할 수 있다. 상기 밀착부(110, 410)가 있음으로써, 음전극(100)의 밀착부와 이온교환막(300)의 테두리의 일면이 접하고, 상기 이온교관막층의 테두리의 타면과 양전극(400)의 밀착부가 접하여 밀착 고정될 수 있다. 또한 음전극(100) 및 양전극(400)의 밀착부는 케이스 등과 같은 부재에 결합되어 고정되는 부분으로 활용될 수 있다.

본 발명에 따른 전극조립체(500)의 각 층들이 밀착 고정됨과 동시에 과대 전류 흐름에 의한 수소 기포의 표면적 저하 문제 방지하도록 상기 밀착부(110, 410)는 평탄한 것일 수 있으며, 평탄한 테두리면의 폭의 평균길이는 1 내지 3 mm일 수 있다. 전극에 과대전류가 흐를 경우, 수소 기포는 큰 입경을 가지는 입자로 생성되어 수면 위로 보다 급격히 상승하여 손실되므로, 수소수의 수소 농도의 저하를 유발할 수 이?나, 상기 밀착부(110, 410)가 오목하거나 볼록한 중앙부로부터 연장 형성된 평탄한 면이면서 이 폭의 평균길이가 전술한 범위과 같을 경우, 전류의 과대 흐름을 최소화할 수 있는 측면에서 바람직할 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.

상기 음전극(100)의 관통홀(121)은 크게 제한되지 않으며, 예컨대 1 내지 2 mm. 일 실시예로 1.5 mm의 평균직경을 가질 수 있으나, 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.

상기 음전극(100)의 관통홀(121)간 평균이격거리는 크게 제한되지 않으며, 예컨대 0.2 내지 0.8 mm, 일 실시예로 0.5 mm일 수 있으나, 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.

상기 음전극(100)의 관통홀(121)의 수 및 이들의 배열 형태는 제한되지 않는다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 양전극(400)의 관통홀(421)은 상기 이온교환막(300)과 대향하는 양전극(400)의 일면의 타면에 관통홀(421)의 둘레가 볼록하게 굴곡하여 돌출 형성될 수 있다. 이를 만족할 경우, 전기분해에 의해 생성되는 산소 기체가 상기 양전극(400)의 관통홀(421)을 통해 효과적으로 배출되도록 함으로써, 산화에 의해 생성되는 고점도의 불순물 등이 양전극(400)에 흡착되고 단단히 굳어 결국 수소 생성 자체가 불가능한 상태에 이르는 문제를 방지할 수 있어, 지속적인 수소수의 생성이 가능한 효과가 있다. 이때 상기 양전극(400)의 돌출 형성된 관통홀(421)의 높이는 0.5 내지 2.0 mm, 일 실시예로 1.2 mm일 수 있으며, 이 높이는 양전극(400)이 평평한 시트상으로 가정하였을 때 이 평평한 부분에서 돌출 형성된 관통홀(421)의 최상단과의 거리를 의미할 수 있다. 그러나 전술한 수치 값은 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 양전극(400)의 관통홀(421)은 상기 이온교환막(300)과 대향하는 양전극(400)의 일면에 관통홀(421)의 둘레가 오목하게 굴곡하여 함몰 형성될 수 있다. 이를 만족할 경우, 전기분해에 의해 생성되는 산소 기체가 상기 양전극(400)의 관통홀(421)을 통해 효과적으로 배출되도록 함으로써, 산화에 의해 생성되는 고점도의 불순물 등이 양전극(400)에 흡착되고 단단히 굳어 결국 수소 생성 자체가 불가능한 상태에 이르는 문제를 방지할 수 있어, 지속적인 수소수의 생성이 가능한 효과가 있다. 이때 상기 양전극(400)의 함몰 형성된 부분까지 포함한 관통홀(421)의 평균직경은 3 내지 7 mm, 일 실시예로 4.5 mm일 수 있다. 그러나 전술한 수치 값은 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.

바람직한 일 예에 있어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 양전극(400)은 일면에 형성된 다수의 관통홀(421)을 포함하며, 상기 관통홀(421)은, 양전극(400)의 일면에 관통홀(421)의 둘레가 면 방향으로 볼록하게 굴곡하여 돌출 형성되는 돌출부(421a); 및 양전극(400)의 타면에 관통홀(421)의 둘레가 면 방향으로 오목하게 굴곡하여 함몰 형성되는 함몰부(421b);를 포함하여 형성될 수 있다. 이를 만족할 경우, 전술한 산소 배출 효과가 보다 효과적으로 향상되어 보다 지속적으로 수소수를 생산할 수 있다. 이때 바람직하게는, 관통홀의 함몰부(421b)가 형성되는 양전극(400)의 면은 이온교환막(300)과 대향하는 면일 수 있고, 관통홀의 돌출부(421a)가 형성되는 양전극(400)의 면은 이온교환막(300)과 대향하는 면의 타면일 수 있다. 보다 바람직하게는, 관통홀의 함몰부(421b)가 형성되는 양전극(400)의 면은 볼록한 면일 수 있으며, 관통홀의 돌출부(421a)가 형성되는 양전극(400)의 면은 상기 볼록한 면의 타면인 오목한 면일 수 있다.

양전극(400)의 관통홀(421) 내부의 평균직경은 크게 제한되는 것은 아니지만 1.5 내지 3 mm, 일 실시예로 2 mm일 수 있으나, 이는 전술한 산소 배출 효과가 보다 효과적으로 향상되어 보다 지속적으로 수소수를 생산할 수 있는 측면에서 바람직한 일 예로 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.

상기 양전극(400)의 관통홀(421)의 내부 평균직경은 상기 음전극(100)의 관통홀의 내부 평균직경보다 큰 것이 지속적인 수소수 생산이 가능하고 고농도의 수소수를 생산할수 있는 측면에서 바람직할 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.

상기 양전극(400)의 관통홀(421)의 수는 크게 제한되는 것은 아니지만, 3 내지 7 개, 일 실시예로 5 개인 것이 예시될 수 있다. 이를 만족할 경우, 전술한 산소 배출 효과가 보다 효과적으로 향상되어 보다 지속적으로 수소수를 생산할 수 있어서 바람직할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.

상기 양전극(400)의 관통홀의 배열 형태는 크게 제한되는 것은 아니지만, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 십(十)자 형태인 것이 바람직할 수 있다. 구체적인 일 예로, 상기 양전극(400)의 관통홀은 제1 관통홀 내지 제5 관통홀을 포함할 수 있고, 제1 관통홀, 제2 관통홀 및 제3 관통홀은 순서대로 일렬로 배치될 수 있으며, 제4 관통홀은 제2 관통홀의 상부에 배치될 수 있고, 제5 관통홀은 제2 관통홀의 하부에 배치되어, 제4 관통홀, 제2 관통홀 및 제5 관통홀은 순서대로 일렬로 배치될 수 있다. 이를 만족할 경우, 전술한 산소 배출 효과가 보다 효과적으로 향상되어 보다 지속적으로 수소수를 생산할 수 있어서 바람직할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.

상기 양전극(400)의 관통홀간 평균이격거리는 크게 제한되지 않으며, 예컨대 5 내지 15 mm일 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.

상기 양전극(400) 및 상기 음전극(100)의 평균두께는 크게 제한되는 것은 아니나, 서로 독립적으로 10 내지 500 ㎛일 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.

상기 양전극(400) 및 상기 음전극(100)은 전극단자(130, 430)가 더 구비될 수 있으며, 이는 전극에 일체로 형성될 수도 있고, 결합되어 형성될 수도 있다. 상기 전극단자(130, 430)를 통해 전류가 인가되어 전기분해를 통한 수소수의 제조가 가능하다.

상기 양전극 및 상기 음전극은 전류가 흐를 수 있는 재질이라면 무방하며, 통상적인 전극에 사용되는 전도체, 예를 들면 구리 등의 금속류를 들 수 있다.

본 발명에서, ‘양전극’, ‘미세다공막’, ‘이온교환막’ 및 ‘음전극’은 층상 구조를 가지는 막(Layer)의 형태로 묘사될 수 있으나, 전술한 바와 같이, 그 층이 오목하거나 볼록한 굽어진 형태를 가질 수 있음은 물론이다.

또한 본 발명에서는 전술한 전기분해 수소수 생성 전극조립체(500)를 포함하는 고농도 수소수 생성 장치를 제공하며, 이의 일 예를 다음에서 설명한다.

본 발명에 따른 고농도의 수소수를 유지하는 수소수 생성 장치는, 전술한 전기분해 수소수 생성 전극조립체(500)를 포함하는 것으로, 상기 전기분해 수소수 생성 전극조립체(500); 및 상기 전기분해 수소수 생성 전극조립체(500)의 음전극(100)에 물이 접촉되어 전기분해에 의해 수소 분자가 생성되도록 하는, 상기 물이 장입되는 공간부(811)를 포함하는 케이스;를 포함할 수 있다. 이때 상기 케이스는 상기 전기분해 수소수 생성 전극조립체(500)의 양전극(400)에 상기 물(수소수)이 접촉되지 않는 구조, 구체적으로 이온교환막(300)과 대향하는 양전극의 일면의 타면에 상기 물이 접촉되지 않는 구조를 가지면 무방하다.

구체적인 일 예로, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고농도의 수소수를 유지하는 수소수 생성 장치는, 물(수소수)가 장입되는 공간부(811)를 가지는 하단부가 개방된 케이스(810); 상기 케이스의 개방된 하단부에 결합되며, 상단부 및 하단부가 개방된 캡(820); 및 상기 캡 내부에 구비되되, 상기 케이스의 공간부(811)에 장입된 물(수소수)이 케이스 하부의 외부로 유출되지 않도록 상기 케이스(810)의 하단부를 밀봉시켜 구비되는 상기 전기분해 수소수 생성 전극조립체(500);를 포함할 수 있으며, 상기 전기분해 수소수 생성 전극조립체(500)의 음전극(100)은 상기 케이스(810)의 하단부와 대향하여 배치될 수 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 상기 전극조립체(500)의 음전극(100)에는 물이 접촉되어 그 물이 전기분해되어 미세한 수소 기포가 물 내에서 생성되며, 상기 전극조립체(500)의 양전극(400)의 관통홀을 통해 전극조립체(500)의 하부 방향으로 산소 기체가 배출된다. 따라서 물 내에는 수소 농도가 한계에 다다를 때까지 지속적으로 증가하게 되며, 산소 기체는 수소 기체가 생성되는 방향과 반대 방향으로 배출되게 된다. 이에 따라 상기 캡의 개방된 하단부는 상기 양전극(400)의 관통홀(421)을 통해 배출되는 산소 기체를 유출시키는 산소 기체 유출구(821)를 포함할 수 있다.

100 : 음전극, 400 : 양전극,
110, 410 : 밀착부, 120, 420 : 중앙부,
121, 421 : 관통홀, 130, 430 : 전극단자,
200 : 미세다공막, 300 : 이온교환막,
421a : 돌출부, 421b : 함몰부,
500 : 전극조립체, 510 : 기포 표면활성화 공간,
810 : 상부 케이스, 811 : 물이 장입되는 공간부,
820 : 캡(하부 케이스), 821 : 산소 기체 유출구,
900 : 미세 수소 기포

Claims

다수의 관통홀이 형성되는 음전극; 미세다공막; 이온교환막; 및 다수의 관통홀이 형성되는 양전극;이 순차적으로 인접하여 배치되며,
상기 양전극의 관통홀은, 양전극의 일면에 관통홀의 둘레가 면 방향으로 볼록하게 굴곡하여 돌출 형성되는 돌출부; 및 양전극의 타면에 관통홀의 둘레가 면 방향으로 오목하게 굴곡하여 함몰 형성되는 함몰부;를 포함하여 형성되며,
상기 양전극은 일면이 오목하고 타면이 볼록한 중앙부를 포함하되, 상기 중앙부의 오목한 일면에 상기 관통홀의 돌출부가 형성되고, 상기 중앙부의 볼록한 일면에 상기 관통홀의 함몰부가 형성되며,
상기 돌출부는 상기 이온교환막과 대향하는 양전극의 일면의 타면에 형성되며,
상기 음전극은 일면이 오목하고 타면이 볼록한 중앙부를 포함하며,
상기 음전극의 오목한 면과 상기 양전극의 볼록한 면 사이에 기포 표면활성화 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 전기분해 수소수 생성을 위한 전극조립체.
제1항에 있어서,
상기 미세다공막 및 상기 이온교환막은 상기 기포 표면활성화 공간 내에 위치하는 전기분해 수소수 생성 전극조립체.
삭제
제1항에 있어서,
상기 음전극 및 상기 양전극은 상기 중앙부; 및 상기 중앙부를 둘러싸는 평탄한 테두리인 밀착부;
를 포함하는 전기분해 수소수 생성 전극조립체.
제4항에 있어서,
상기 이온교환막은 상기 음전극 및 상기 양전극이 물리적으로 분리되어 서로 접하지 않도록 이들 사이에 위치하는 전기분해 수소수 생성 전극조립체.
제5항에 있어서,
상기 음전극의 밀착부, 상기 이온교환막의 테두리 및 상기 양전극의 밀착부는 서로 접하여 고정되는 전기분해 수소수 생성 전극조립체.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 양전극의 관통홀의 내부 평균직경은 상기 음전극의 관통홀의 내부 평균직경보다 큰 것인 전기분해 수소수 생성 전극조립체.
제1항, 제2항, 제4항 내지 제6항 및 제9항에서 선택되는 어느 한 항의 전기분해 수소수 생성 전극조립체를 포함하는 고농도의 수소수를 유지하는 수소수 생성 장치로,
상기 수소수 생성 장치는,
상기 전극조립체; 및
상기 전극조립체의 음전극에 물이 접촉되어 전기분해에 의해 수소 분자가 생성되도록 하는, 상기 물이 장입되는 공간부를 포함하는 케이스;
를 포함하며,
상기 케이스는 상기 전극조립체의 양전극에 상기 물이 접촉되지 않는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 고 농도의 수소수를 유지하는 수소수 생성 장치.
제10항에 있어서,
상기 케이스는,
수소수가 장입되는 공간부를 가지는 하단부가 개방된 상부 케이스;
상기 케이스의 개방된 하단부에 결합되며, 상단부 및 하단부가 개방된 캡; 및
상기 캡 내부에 구비되되, 상기 케이스의 공간부에 장입된 수소수가 케이스 하부의 외부로 유출되지 않도록 상기 케이스의 하단부를 밀봉시켜 구비되는 상기 전극조립체;
를 포함하며,
상기 전기분해 수소수 생성 전극조립체의 음전극은 상기 케이스의 하단부와 대향하여 배치되는 고농도의 수소수를 유지하는 수소수 생성 장치.
제11항에 있어서,
상기 캡의 개방된 하단부는 산소 기체 유출구를 포함하는 고농도의 수소수를 유지하는 수소수 생성 장치.
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