KR101946046B1 - 전해 수소수 생성장치 - Google Patents

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Abstract

마시는 물을 전기분해하여 수소가 함유된 수소수를 간편하게 생성할 수 있으며 휴대가 용이한 전해 수소수 생성장치가 제공된다. 전해 수소수 생성장치는, 내부에 물을 수용하며 일측에 연통구가 형성된 용기부; 상기 연통구를 밀폐하여 상기 용기부 내부에 수용된 상기 물과 접하여, 양이온을 투과시키는 복수 개의 이온교환막이 중첩 배치된 이온막유닛; 상기 연통구의 내측으로 노출되어 상기 물과 접하며 상기 이온교환막의 일면에 밀착 배치된 제1 전극; 상기 제1 전극과 반대면인 상기 이온교환막의 타면에 밀착 배치된 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 전류를 공급하는 전원부를 포함한다.

Description

전해 수소수 생성장치{Electrolyzed Hydrogen water generating Device}
본 발명은 전해 수소수 생성장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 마시는 물을 전기분해하여 수소가 함유된 수소수를 간편하게 생성할 수 있으며 휴대가 용이한 전해 수소수 생성장치에 관한 것이다.
수소를 흡입하거나 수소수를 음용하여 수소를 섭취하게 되면, 수소는 우리 몸의 체내 여러 대사활동이나, 흡연, 스트레스, 장내이상발효, 방사선 및 자외선 노출, 허혈, 바이러스감염, 공해물질 등의 외적 요인에 의하여 과잉 발생된 활성산소를 환원시켜 산화능을 소거(消去)함으로써 우리 몸을 활성산소로부터 받는 산화적 손상을 방지할 수 있다.
활성산소란 수퍼옥사이드 음이온 래디칼(superoxide anion radical), 하이드록실 래디칼(Hydroxyl radical) 등과 같은 프리래디칼이다. 적당한 농도의 활성산소는 세포증식과 분화 등을 조절하는 기능이 있으나 과잉으로 존재하면 생체내의 핵산, 단백질, 지질 등으로부터 전자를 탈취하는 산화적 손상을 일으켜 당뇨, 고혈압, 치매, 메타볼릭 증후군, 노화의 촉진 등 많은 내과적 질병을 야기 시킨다. 인체 내에서는 수퍼옥사이드 디스뮤타제(SOD), 카탈라제(catalase), 구루타치온 옥시다제 등의 효소가 생성되어 과잉의 활성산소를 소거하는 기능이 있다. 그러나, 인체가 가령화(aging) 됨에 따라 효소의 분비가 약화되기 때문에 이를 극복하기 위해서는 활성산소 소거에 가장 효율성이 높고 부작용이 없는 수소수를 음용수로 하는 것이 바람직하다.
수소수를 생성하는 방법으로는 봄베(Bomb)에 담겨 있는 수소를 물에 가압해서 용해시키는 방법, 화학식 1에서 보는 바와 같이 물에 이온화 경향이 큰 금속, 예컨대, 마그네슘의 바를 물에 침지하여 미네랄이온화 방식에 의하여 수소를 생성하여 수소용존수를 제조하는 방법, 물을 전기분해하여 음극측에서 수소용존수를 생성하는 방법 등이 있다.
Mg + 2H20 → H2 + Mg(OH)2 (화학식1)
별도로 만들어진 수소를 물에 가압 용해시키는 방법으로 제조된 수소수를 판매하기 위해서는, 수소가 빠져나가기 어려운 알루미늄 캔이나 알루미늄 파우치에 관입(罐入)해야 하나, 이와 같은 방법은 고가의 설비와 포장비용이 수반되어야 하는 문제가 있다. 또한, 미네랄 이온화를 이용하는 방법은 휴대가 용이한 수소수 생성기로서의 편리성은 있으나 순수한 미네랄의 구득이 어렵고, 물과 반응하여 수산화염이 발생하여 물을 고 알칼리성으로 만들게 되므로 음용하기에는 부적합한 문제가 있다.
아울러, 물을 전기분해하여 음극측에 수소용존수를 생성하는 방법으로는 알칼리이온수 생성기가 있다. 이러한 수소수 생성기는 음극과 양극 사이에 이온투과 중성격막을 두어 음극실과 양극실이 나뉘어 있고, 음극실과 양극실에 물을 공급하고 전극에 직류를 인가하면 화학식 2와 3에서 보는 바와 같이, 양극 표면에서는 물이 전기분해되어 산소와 수소이온이 발생한다. 양극실에서는 산성이온수가 생성되고, 음극 표면에서는 수소와 수산이온이 발생하여 음극실에서는 알칼리성 이온수가 생성된다.
(음극) 4H2O + 4e → 2H2 + 4OH- (화학식2)
(양극) 2H2O → O2 + 4H+ + 4e (화학식3)
알칼리성 이온수에는 분자상 수소(H2)와 원자상수소(H, 활성수소)가 함유되어 있어 수소풍부수라고도 하며, 이를 음용하면 함유된 수소의 작용으로 상기에 기술된 내과적 질병의 예방에 효과 있는 것이 임상시험의 결과로 입증되었다.
그러나, 알칼리성 이온수에는 수소와 함께 발생된 수산이온(OH-)으로 인하여 pH가 높아지게 되고 좀 더 많은 양의 수소가 함유된, 적어도 0.5ppm(500ppb)정도의 수소 용존수를 얻으려면 전극에서의 전하를 높여야 한다. 이에 따라 수산이온 발생량도 많아지기 때문에 pH가 10이상이 되어 음용수로서는 부적합한 문제가 있었다.
이와 같은 이유로 알칼리이온수 생성기는 정수기(淨水器)로는 분류되지 않고 의료물질생성기로 인가를 받아 정수기(整水器)로서 의료물질생성기로 인가를 받아 판매되고 있다.
이러한 알칼리 이온수의 단점을 해결하기 위한 방안으로 중성이온 교환막 대신에 물에 의해 습윤화 되는 양이온 교환막을 사용하였다. 양이온 교환막과 접하는 양극의 반대편 일면은 물과 접하지 않고 외부의 공기에 노출되게 하며, 음극의 일면은 양이온 교환막과 접하게 하고 타면은 물에 노출되도록 하는 신규 전해조를 개발하였다. 이와 같은 전해조는 전극에 전하를 인가하면 산소(O2)는 전해조의 외부 공기 중으로 빠져나가고, 수소이온(H+)은 양이온 교환막을 통하여 음극측으로 이동하여 화학식 4에서 보는 바와 같이 음극측에서 발생한 수산이온(OH-)과 결합하여 물로 된다. 따라서, 음극측에서 생성된 전해수는 알칼리이온수생성기에서 보는 바와 같이 pH의 상승이 일어나지 않고 pH의 중성을 유지하게 되어 먹는 물로 손색이 없는 동시에 양극에서 발생된 산소를 포함하여 차아염소산, 오존, 래디칼 등 산화성 물질이 배출된다.
4OH- + 4H+ → 4H20 (화학식4)
알칼리이온수 생성기나 양극측 발생물질 배출형 중성수소수 생성기는 유수식(流水式)으로 되어 있어 수소용존수를 생성하기 위해서는 생성기가 수도전이나 다른 물 공급원과 도관으로 연결되어 하므로 휴대용으로 사용하기에는 문제점이 있었다.
이후, 중성수소생성기의 양극에서의 발생 가스 외부 배출 기술을 인용한 휴대형 또는 배치(batch)형 수소수생성기가 개발되었으나, 종래의 휴대용 수소생성기는 내부에 물을 수용하는 용기부와 전류 전달체의 전류단자, 양이온격막 및 전원공급부를 연결하는 연통구 패킹의 긴밀성부재로 누수가 발생하였다. 이로 인해 양전극 하부에 있는 전원공급부가 훼손되어 생성기 작동의 정지와 생성기 사용 중 이온격막의 수축과 팽윤으로 이온격막 양면에 열 증착한 음극 및 양극 촉매물질의 탈리에 의한 전해기능 상실 등의 문제가 발생하였다.
미국 등록특허 6,251,259(2001.06.26) 대한민국 등록특허 제10-1278455호, (2013.06.19)
Ota shigeo, Hydrogen acts as a therapeutic Antioxidant by selectively reducing cytotoxic Oxygen radicals, Nature Medicine, 2007.5
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 수소를 단시간 내에 수소포화용액에 근접하는 고농도로 함유하는 수소용존수를 생성할 수 있는 휴대가 용이한 전해 수소수 생성장치를 제공하려는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당 업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 기술적 과제에 의한 전해 수소수 생성장치는, 내부에 물을 수용하며 일측에 연통구가 형성된 용기부; 상기 연통구를 밀폐하여 상기 용기부 내부에 수용된 상기 물과 접하여, 양이온을 투과시키는 이온교환막 다수개가 중첩 배치된 이온막유닛; 상기 연통구의 내측으로 노출되어 상기 물과 접하며 상기 이온교환막의 일면에 밀착 배치된 제1 전극; 상기 제1 전극과 반대면인 상기 이온교환막의 타면에 밀착 배치된 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 전류를 공급하는 전원부를 포함한다.
상기 이온교환막은 이온교환기인 슬폰산기(-SO3H)가 막내에 고정 분포하는 다수의 세공을 갖는 고분자 폴리머로 양이온은 투과하고 음이온은 투과하지 않는 양이온교환막으로 이루어질 수 있다.
상기 이온교환막은 상기 고분자 폴리머가 스틸렌과 디비닐벤젠의 공중합체에 상기 이온교환기를 결합시킨 이온교환수지분말에 폴리프로필렌(polypropylene)을 혼합, 용융하여 박막상으로 압출 성형한 불균질막(Heterogeneous membrane)일 수 있다.
상기 이온교환막은 열수전처리에 의하여 팽윤율이 15%이상이고, 함수율이 30~38%일 수 있다.
상기 제1 전극은 백금(Pt)과 팔라듐(Pd)이 코팅된 티타늄(Ti) 금속 또는 티타늄 합금으로 이루어질 수 있다.
상기 제2 전극은 산화이리듐(IrO2)이 코팅된 티타늄(Ti) 금속 또는 티타늄 합금으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 미세홀이 형성된 타공판으로 이루어질 수 있다.
상기 미세홀의 직경은 1.0mm 이하 0.5mm 이상일 수 있다.
상기 미세홀의 천공 면적은 유효전극면적의 45%이내로 형성될 수 있다.
상기 연통구의 내측면에 결합되며 관통구가 형성된 결합부재를 포함하며, 상기 결합부재에 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 고정되되, 적어도 일부가 외부로 노출될 수 있다.
상기 연통구와 상기 제1전극 사이 및 상기 제2 전극과 상기 결합부재 사이에 형성되어 상기 물의 유입을 방지하는 실링부재를 포함할 수 있다.
상기 용기부는 주름관으로 형성되어 길이방향으로 압축될 수 있다.
상기 용기부의 상부에 결합되는 덮개부; 및 상기 덮개부를 관통하여 형성되어 상기 용기부 내측의 수소기체를 배출하는 소수배출노즐을 포함할 수 있다.
상기 용기부 내측에 상기 이온교환막과 접하도록 배치된 함수부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 전해 수소수 생성장치는, 짧은 시간에 많은 수소를 발생시킬 수 있으며, 수소를 물에 용해하여 수소수로 음용할 수 있을 뿐만 아니라, 수소가스를 직접 흡입할 수 있는 장점이 있다.
아울러, 수소수를 수용하는 장치를 압축 또는 복원할 수 있어, 휴대하기에 용이하며, 작은 크기의 장치로 많은 양의 수소를 발생시킬 수 있다.
또한, 손쉽게 분리 및 결합할 수 있어 관리 및 세척이 용이한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전해 수소수 생성장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 전해 수소수 생성장치의 단면도이다.
도 3은 도 2의 전해 수소수 생성장치의 전극 및 이온막유닛의 결합구조를 도시한 분해사시도이다.
도 4는 도 3의 전해 수소수 생성장치의 전기분해과정을 도시한 단면도이다.
도 5는 도 3의 전해 수소수 생성장치의 제1 전극을 도시한 평면도이다.
도 6은 도 3의 전해 수소수 생성장치에서 생성된 용존수소의 농도와 잔량을 도시한 그래프이다.
도 7은 도 1의 다른 실시예에 의한 전해 수소수 생성장치의 사시도이다.
도 8은 도 1의 전해 수소수 생성장치의 작동과정을 도시한 작동도이다.
본 발명의 이점 및 특징 그리고 그것들을 달성하기 위한 방법들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 단지 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 전해 수소수 생성장치에 관하여 구체적으로 설명하도록 한다.
본 발명의 전해 수소수 생성장치(1)는 물(W)을 전기 분해하여 수소수를 제조하는 장치로, 음용을 위한 수소수를 제조하거나 흡입용 수소를 제조하는 장치이다. 수소수 또는 수소는 인체 내에서 활성산소를 제거할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 전해 수소수 생성장치의 구조에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전해 수소수 생성장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 전해 수소수 생성장치의 단면도이고, 도 3은 도 2의 전해 수소수 생성장치의 전극 및 이온막유닛의 결합구조를 도시한 분해사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 전해 수소수 생성장치(1)는 내부에 물(W)을 수용하며 일측에 연통구(18)가 형성된 용기부(10)와, 연통구(18)를 밀폐하며 용기부(10) 내부에 수용된 물(W)과 접하며, 양이온을 투과시키는 복수 개의 이온교환막(20a, 20b)이 중첩 배치된 이온막유닛(20)과, 연통구(18)의 내측으로 노출되어 물(W)과 접하며 이온교환막(20a, 20b)의 일면에 밀착 배치된 제1 전극(30)과, 제1 전극(30)과 반대면인 이온교환막(20a, 20b)의 타면에 밀착 배치된 제2 전극(40)과, 제1 전극(30)과 제2 전극(40)에 전류를 공급하는 전원부(52)를 포함한다.
본 명세서에서, 전해 수소수 생성장치(1)는 휴대가 용이한 장치를 예로 들어 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다량의 수소수와 수소를 제조할 수 있는 대형 장치에도 그대로 적용될 수 있을 것이다.
용기부(10)는 중공관의 형상으로 형성되어 내부에 물(W)을 수용할 수 있다. 용기부(10)는 휴대용으로 사용할 수 있도록 소형화되어 제작될 수 있으며, 일측에는 연통구(18)가 형성될 수 있다. 연통구(18)는 제1 전극(30), 제2 전극(40) 및 이온막유닛(20)에 의해 밀폐하며, 용기부(10)에 수용된 물(W)은 연통구(18)를 통해 이온막유닛(20)과 접하고, 제1 전극(30), 제2 전극(40), 및 이온막유닛(20)에 의해 전해 및 이온분리된다.
이온막유닛(20)은 용기부(10)의 내부에 수용된 물(W)과 접하도록 연통구(18)의 일 측에 배치되고, 양이온을 투과시킬 수 있는 재질로 형성된다. 이온막유닛(20)은 일면이 용기부(10) 내부에 수용된 물(W)과 접하며 연통구(18)를 밀폐한다. 이온막유닛(20)은 복수 개의 이온교환막(20a, 20b)를 포함할 수 있으며, 복수 개의 이온교환막(20a, 20b)은 중첩되어 배치될 수 있다. 이온교환막(20a, 20b)은 양이온만을 선택적으로 투과시키는 것으로, 본체(17)의 내측에 배치될 수 있다. 이온교환막(20a, 20b)은 다수의 세공을 갖는 고분자 폴리머 매트릭스의 형상으로 이루어지며, 이온성교환기인 슬폰산기(-SO3H)가 고정 분포되어 작용기(Functional group)로 작용한다. 고분자 폴리머는 스틸렌과 디비닐벤젠의 공중합체에 이온교환기를 결합시킨 이온교환수지분말에 폴리프로필렌(polypropylene)을 혼합, 용융하여 박막성으로 압출성형한 불균질막(Heterogeneous membrane)으로 이루어진다. 이와 같은 이온교환막(20a, 20b)은 일반적으로 수소수 생성기에 많이 사용되는 나피온(Nafion®)과 같은 균질막(Homogeneous membrane)의 막 두께(0.183mm) 보다 80%이상 두꺼운 0.33mm이며, 인장, 파열 등에 대한 물리적 안정성이 높고, 열수 침지 처리시 함수율이 높게 되는 특징이 있다.
이온교환막(20a, 20b)은 본체(17)의 내측에 장착되기 전, 수온이 항시 정해져 있어 일정온도 범위 내로 유지되는 워터베스(water bath)를 이용하여 85~90℃ 증류수에 48시간 침지하여 수화 팽윤시키는 예비 전 처리를 하여 팽윤율이 15%이상, 함수율이 30% 내지 38%로 상승되도록 한다. 이온교환막(20a, 20b)은 열수 전 처리를 통해 물을 함유하고 있어 팽윤할 수 있으며, 두께가 두꺼워지고 연화될 수 있다.. 또한, 가스켓, 전극, 이온교환막(20a, 20b)의 적층 체결에 있어 충분한 볼륨을 가질 수 있어 용기부(10)와 체결이 용이하며, 누수방지의 효과가 있다. 아울러, 이온교환막(20a, 20b)은 전도도를 높이는 중요한 요소로 전처리에 의한 함수율의 증가로 전도도를 향상시켜, 단시간 내의 많은 수소를 발생시킬 수 있다.
이와 같이 전처리된 이온교환막(20a, 20b)은 전해 수소수 생성장치(1) 내측에 배치된 후, 물(W)이 담겨있지 않을 경우, 용기부(10) 내측에 이온교환막(20a, 20b)과 접하도록 이온교환막(20a, 20b)의 상부에 함수부재(60)가 배치될 수 있다. 이때, 함수부재(60)는 물이 베어 나오지 않을 정도의 물을 함유시킨 스폰지와 같은 부재일 수 있다. 이온교환막(20a, 20b)의 상부에 함수부재(60)가 배치되어 상대습도가 100%로인 포화상태를 유지함으로써 수분증발에 의한 이온교환막(20a, 20b)의 수축을 방지할 수 있다. 또한, 이온교환막(20a, 20b) 사이의 공극의 형성 및 전해효율 저하에 의한 수소 생성율의 감소와, 적층체결 상태의 불안정화에 의한 누수발생 등의 문제를 방지할 수 있다.
본 발명에서의 함수부재(60)의 공급수는 3~6%의 묽은 염산을 무격막 전해조에서 전기분해하여 생성되는 친환경 소독수인 미산성차아염소산수를 사용하는 것을 예로 들 수 있으며, 미산성차아염소산수를 사용함으로써 유통 중의 용기 내부의 오염을 방지할 수 있다.
한편, 이온교환막(20a, 20b)은 복수 개가 서로 중첩되어 배치되면서 그 사이에는 공극이 형성될 수 있다. 다시 말해, 복수 개의 이온교환막(20a, 20b) 사이에 빈틈 또는 작은 공간이 형성되고, 이러한 틈 사이로 수분이 흡수될 수 있어 이온막유닛(20)이 수분을 포함하는 함수율이 더 높아질 수 있다. 이온막유닛(20)의 함수율이 높아지면, 많은 물을 포함할 수 있어 전기분해에 의해 발생하는 수소의 양도 많아질 수 있다. 즉, 이온막유닛(20)을 이루는 이온교환막(20a, 20b)이 다중으로 중첩될수록 함수율은 높아질 수 있으며, 이온막유닛(20)을 통하여 발생되는 수소의 양이 증가하게 된다. 이온막유닛(20)에서 발생되는 수소의 양이 증가하면, 물에 용해되는 수소가 증가하여 높은 농도의 수소수를 제조할 수 있다. 이에 대해서는 구체적으로 후술하도록 한다. 본 발명에서의 이온막유닛(20)은 두 개의 이온교환막(20a, 20b)을 중첩하여 구성하였지만, 이에 한정되지 않고 더 많은 이온교환막을 중첩하여 배치할 수도 있다. 다만, 중첩 매수 증가에 따라 이온교환막의 선택 투과성 저하와 전기저항이 커지고 전해에 높은 전압이 요구되므로, 이온교환막은 2~3매 중첩이 바람직하다.
이온막유닛(20)을 통하여 물을 전기분해할 수 있도록, 이온막유닛(20)의 양측에는 전극이 배치될 수 있다.
제1 전극(30)은 연통구(18)의 내측으로 노출되어 물(W)과 접하여 이온막유닛(20)의 일면에 밀착 배치될 수 있으며, 제1 전극(30)과 반대면인 이온막유닛(20)의 타면에는 제2 전극(40)이 밀착 배치될 수 있다.
제1 전극(30)은 백금(Pt)과 팔라듐(Pd)이 코팅된 티타늄(Ti) 금속 또는 티타늄 합금으로 이루어져 (-)전극으로 작용한다. 구체적으로 설명하면, 제1 전극(30)의 외면에 백금용액(PtCl2, H2PtCl2)과 팔라듐용액(PdCl2)이 각각 40% 대 60% 중량의 비율로 혼합된 용액이 도포되어 음극촉매로서의 역할을 하며, 백금(Pt)과 팔라듐(Pd)의 혼합금속이 티타늄(Ti)금속 또는 티타늄합금으로 이루어질 수 있다. 제1 전극(30)은 수소 과전압이 낮은 백금과 팔라듐이 사용되어 수소발생 효율이 높은 장점이 있다. 특히, 팔라듐은 수소 흡수량이 실온에서 자기체적의 300~850배에 달하고, 투과율도 높으며, 수소함량을 장시간 유지시킬 수 있는 장점이 있다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 전류를 전극에 인가하여 전기분해가 일어나면 음전극판에 피복된 팔라듐은 적은 양이 백금과 같이 나노파티클(nanoparticle)화 하여 전해수에 분산되고, 물이 전해되어 생성된 원자상 수소(H, Hydrogen atom)와 분자상 수소(H2, Hydrogen molecule)를 더 많이 흡장(吸藏)하여 팔라듐 나노파티클 하이드라이드(Palladium nano-particle hydride)를 형성하고 수소를 서서히 방출함으로써 생성수의 수소함량을 장시간 유지시킬 수 있다. 백금은 팔라듐보다는 못하나 이와 같은 기능을 나타내며 전극수명을 길게 하는 특징이 있다. 인체 세포 내에서 생성된 활성산소종(ROS, Reactive oxygen species) 소거력은 원자상의 수소가 불활성가스에 가까운 분자상 수소보다 훨씬 높다. 그러나, 전극판상에서 생성된 원자상 수소는 전자를 잃고 프로톤으로 되거나 2개의 원자상 수소가 결합하여 분자상 수소로 되어 전체적으로 볼 때 활성산소종 소거력이 저하되지만, 원자상 수소가 팔라듐에 흡장되면 안정화되어 높은 활성산소종 소거력을 발휘하게 된다.
제2 전극(40)은 산화이리듐(IrO2)이 코팅된 티타늄(Ti) 금속 또는 티타늄 합금으로 이루어져 (+)전극으로 작용한다. 다시 말해, 제2 전극(40)은 이리듐용액(IrCl3, XH2O) 또는 이리듐용액과 티타늄용액(TaCl5)이 혼합된 용액이 양극촉매로서 도포되어 금속산화막이 열 증착된 티타늄(Ti)금속 또는 티타늄합금으로 이루어질 수 있다.
이와 같이 형성된 제1 전극(30)과 제2 전극(40)은 이온막유닛(20)의 상부와 하부에 각각 배치된다. 제1 전극(30)과 제2 전극(40)은 박판 형태의 원판으로 형성되며, 일측에는 결합부재(11)의 관통구(12)에 고정시킬 수 있도록 일부가 돌출되어 전류공급단자(30a, 30b)를 형성한다. 제1 전극(30)의 전류공급단자(30a)는 이온막유닛(20)의 외측을 지나 결합부재(11)에 결합되어 제1 전극(30)과 이온막유닛(20)을 고정시킨다. 한편, 제1 전극(30)과 제2 전극(40)의 전류공급단자(30a, 30b)는 결합부재(11)를 관통하여 돌출 고정되어 회로기판(PCB)(51)과 연결된다.
제1 전극(30)과 제2 전극(40)은 이온막유닛(20)과 접하는 면에 미세홀(31,41)이 형성된 타공판으로 이루어질 수 있어, 물(W)이 미세홀(31, 41)을 통하여 이온막유닛(20)과 접하며, 수소 기체가 미세홀(31, 41)을 통하여 물(W)로 용해될 수 있다.
미세홀(31, 41)은 제1 전극(30) 또는 제2 전극(40)에 형성되는 복수 개의 타공판으로, 제1 전극(30) 또는 제2 전극(40)을 관통하여 형성될 수 있다. 미세홀(31, 41)은 0.5mm 내지 1mm의 지름으로 형성되며, 미세홀 총 면적은 제1 전극(30) 또는 제2 전극(40) 면적의 45%이내로 차지하도록 형성될 수 있다. 제1 전극(30) 또는 제2 전극(40)의 면적 중 미세홀(31, 41)의 수 또는 미세홀(31, 41)의 직경만 변화시키고, 미세홀(31, 41)의 면적 45%, 나머지 면적이 55%를 유지할 수 있으며, 이에 대해서는 도 5에서 구체적으로 후술하도록 한다.
제1 전극(30)과 제2 전극(40)은 실링부재(16a, 16b)로 기밀이 유지될 수 있다.
실링부재(16a, 16b)는 연통구(18)와 제1 전극(30) 사이, 및 제2 전극(40)과 결합부재(11) 사이에 배치되어, 물(W)이 전해 수소수 생성장치(1)로부터 새는 것을 방지한다. 실링부재(16a, 16b)는 링 형상으로 형성되며 실리콘 등 탄력성을 갖는 플라스틱 재질로 형성된다. 또한, 물(W)의 누수를 방지함으로써 전원부(52)가 훼손되어 전해 수소수 생성장치(1) 작동이 중지되는 것을 방지할 수 있다. 실링부재(16)는 물(W)의 유입을 방지하기 위해 연통구(18)의 지름보다 크게 형성될 수 있다.
한편, 용기부(10)의 하부에는 전원부(52)를 포함하고 있는 본체(17)가 결합된다.
본체(17)는 상부가 개구 되어있는 원통형의 형상으로 형성되어 용기부(10)의 하부에 결합되며, 내부에 전원부(52)를 수용한다. 여기서, 전원부(52)는 전기 에너지를 축전 공급하는 전지(電池)뿐만 아니라 전원잭(53)을 통하여 외부 전원으로부터 전기 에너지를 공급받아 회로기판(51)에 단순 전달하는 커넥터 요소를 포함하는 개념이다. 즉, 제1 전극(30)과 제2 전극(40)에 전류를 공급할 수 있는 장치라면 전기에너지를 직접 생산하거나 단순 전달하는 것에 관계없이 전원부(52)라 칭한다 본체(17)의 측면에는 전원부(52)를 제어하는 전원스위치(50)가 돌출 형성되어, 전해 수소수 생성장치(1)를 제어할 수 있다. 전원부(52)는 제1 전극(30) 및 제2 전극(40)의 전류공급단자(30a, 40a)와 각각 연결되어 전류를 공급한다. 본체(17)의 측면에는 측면을 관통하는 산화물질배출구(19)가 형성되어, 제2 전극(40)에서 발생하는 산소를 포함하는 산화물질이 배출될 수 있다. 본체(17)의 내부에는 회로기판(PCB)(51)과 전원부(52)가 배치되고, 회로기판(PCB)(51)의 일단부와 타단부는 제1 전극(30) 및 제2 전극(40)과 연결될 수 있다. 한편, 용기부(10)의 상부에는 덮개부(13)가 형성된다.
덮개부(13)는 용기부(10)의 상부를 덮어 용기부(10) 내부에 수용되는 물(W)의 누수를 방지할 수 있다. 덮개부(13)는 도 2에 도시된 바와 같이 용기부(10)를 완전히 밀폐하는 덮개로 형성될 수도 있지만, 도 1에 도시된 바와 같이 중심부에 덮개부(13)를 관통하는 수소배출노즐(14)이 형성될 수도 있다. 수소배출노즐(14)은 덮개부(13)에 고정 또는 분리될 수 있으며, 전기분해로 발생된 용기부(10) 내측에 존재하는 수소를 배출할 수 있다. 수소배출노즐(14)은 스트로(straw)형상 또는 호스(hose) 형상으로 형성되어, 수소가스를 모아서 배출하여 흡입하기 쉽도록 배출할 수 있다. 본 발명에서는 도 1에 도시된 바와 같이 스트로 또는 호스 형상의 수소배출노즐(14)이 고정된 덮개부(13)를 예로 들어 설명하도록 하였으나, 수소배출노즐(14)은 다양한 형상으로 변형될 수 있으며, 선택적으로 사용할 수도 있다.
이하, 도 4를 참조하여 전해 수소수 생성장치를 이용하여 수소수 또는 수소가스를 발생시키는 전해(電解) 과정을 설명하도록 한다.
도 4는 전해 수소수 생성장치의 전해(電解)과정을 도시한 작동도이다.
도 4를 참조하면, 제1 전극(30)은 백금(Pt)과 팔라듐(Pd)이 코팅된 티타늄(Ti) 금속 또는 티타늄 합금으로 형성되고, 제2 전극(40)은 산화이리듐(IrO2)이 코팅된 티타늄(Ti) 금속 또는 티타늄 합금으로 형성된다. 제1 전극(30)은 전원부(52)의 (-)전원과 연결되고, 제2 전극(40)은 (+)전원과 연결된다. 용기부(10)의 내부에 물(W)이 수용된 상태에서 제1 전극(30)과 제2 전극(40)에 전류가 공급되면, 제2 전극(40)에서는 산화반응에 의해 수소이온(H+)과 산소(O2)가 발생하고, 제1 전극(30)에서는 수소(H2)와 수산화이온(OH-)이 발생하게 된다. 제2 전극(40)에서 발생한 수소이온(H+)은 양이온만 투과시키는 이온막유닛(20)을 통해 제1 전극(30)으로 이동하게 되며, 제1 전극(30)으로 이동한 수소이온(H+)은 제1 전극(30)에서 발생한 수산화이온(OH-)과 반응하여 물로 된다. 또한, 제1 전극에서 생성된 수소(H2)는 용기부(10) 내부에 수용된 물(W)에 용해되거나 수소가스 상태로 용기부(10)의 상부에 모이게 된다. 용기부(10) 상부에 모인 수소가스는 덮개부(13)에 형성된 수소배출노즐(14)을 통하여 외부로 배출된다.
이온막유닛(20)은 복수 개의 이온교환막(20a, 20b)이 서로 중첩된 구조로 함수율이 높아 전기분해로 인해 발생되는 수소(H2)의 발생량은 높으며, 적은 시간 동안 다량의 수소(H2)를 발생시킨다. 이온막유닛(20)을 통하여 수소의 발생량이 늘어나면 물(W)에 용해되는 수소의 양이 늘어나면서 수소수의 수소농도가 높아지게 된다. 이때, 물(W) 속의 수산화이온(OH-)의 양이 함께 증가할 수 있다. 그러나, 제2 전극(40)에서 발생된 수소이온(H+)이 이온막유닛(20)을 통과하여 물(W) 속으로 용해되면서 수산화이온(OH-)과 반응하여 물(W)을 생성한다. 따라서, 본 발명에 따른 전해 수소수 생성장치(1)는 물(W) 속에 포함된 수소의 농도는 높이면서, 물(W)이 알카리성으로 되는 것을 방지할 수 있다.
제2 전극(40)에서 발생한 산소(O2)는 산화물질배출구(19)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 전해 수소수 생성장치의 제1 전극의 미세홀의 수와 직경의 변화에 따른 비율과, 전해 수소수 생성장치에서 제조된 수소수가 시간에 따라 함유하는 용존수소의 농도와 잔량에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 5는 도 3의 전해 수소수 생성장치의 제1 전극을 도시한 평면도이고, 도 6은 도 3의 전해 수소수 생성장치에서 생성된 용존수소의 농도와 잔량을 도시한 그래프이다.
먼저, 도 5를 참조하면, 도 4는 제1 전극(30)의 미세홀(31)의 직경의 변화에 따라 변하는 미세홀(31)의 개수의 변화를 도시하고 있다. 제1 전극(30)에 형성되는 미세홀(31)은 0.5mm 내지 1mm의 지름으로 형성되며, 미세홀(31)의 천공 면적은 유효전극면적의 45%이내로 형성된다. 즉, 미세홀(31)의 총 면적은 제1 전극(30) 면적의 45%를 차지하도록 형성될 수 있다. 도 5의 (a)와 (b)는 제1 전극(30)의 전체 면적 중 미세홀(31)의 면적을 45%, 나머지 면적을 55%를 유지하고, 미세홀(31)의 수와 직경만 변화시킨 도면을 도시하고 있다. 도 5에서는 제1 전극(30)을 예로 들어 설명하지만, 이에 한정되지 않고 제1 전극(30)과 제2 전극(40) 모두 적용될 수 있다.
도 5의 (a)는 미세홀(31)의 직경을 0.6mm로 타공하고, 도 5의 (b)는 미세홀(31)의 직경을 1.0mm로 타공한 제1 전극(30)을 나타내며, 미세홀(31)의 직경을 작게하고 주어진 면적에 더 많은 타공수를 형성하였을 때 유효전해면적이 증가하였다.
이와 같이 고정된 조건에서 실험한 결과를 아래 표를 통해 살펴보면,
미세홀의 직경(mm) 미세홀의 면적(mm2) 미세홀의
개수(1)		 유효 전해면적(mm2)
비천공면적(2) 미세홀 내벽의 면적(3) 계 지수
전극상면 전극하면
1.0 0.785 490 470 470 769 1709 1.00
0.6 0.283 1360 470 470 1281 2221 1.30
0.5 0.196 1964 470 470 1542 2482 1.45
0.4 0.1256 3065 470 470 1925 2865 1.67
(1) 미세홀의면적/유효전극면적(855mm2)*0.45
(2) 유효전극면적*0.55
(3)미세홀의직경*(3.14)*전극두께(0.5mm)*미세홀 개수
이와 같은 결과값이 나타난다. 본 명세서 상 도 5에서의 미세홀(31)의 직경에 따른 미세홀(31)의 수는 대략적인 비율로 도시하고 있으며, 상기 표를 예로 들어 설명하도록 한다. 계속해서 설명하면, 위의 표와 도 6의 (a)그래프를 같이 참고하면, 미세홀(31, 41)의 직경이 1.0mm일 때와 0.6mm일 때를 비교하면, 유효전극면적 855mm2(전극직경 33mm)에 직경 1.0mm로 타공하여 미세홀(31)을 최대한으로 하였을 때 미세홀(31)의 수는 490개가 가능하였다. 미세홀(31)의 직경을 0.6mm로 하였을 때 생성할 수 있는 미세홀(31)의 수는 1360개이다. 이때 유효전해면적은 각각 1709mm2, 2221mm2로 미세홀(31)의 직경을 0.6mm로 하였을 때가 1.0mm로 하였을 때 보다 유효전해면적이 30% 증가한 효과를 나타내었다. 즉, 미세홀(31)의 직경이 작을수록 미세홀(31) 내벽의 면적이 커져 물이 전극과 접하는 유효전해면적이 커지면서 생성하는 수소량이 많아지게 되었다. 즉, 미세홀(31)의 직경을 작게하고 주어진 면적에 더 많은 타공수를 형성하였을 때 유효전해면적이 증가하였다. 실험 결과에 따라, 전극의 전체 면적 중 미세홀(31)의 면적은 45%를 유지하고 나머지 면적은 55%를 유지하여야 하며, 미세홀(31)의 총 면적은 전극면적의 45%이상을 초과할 수 없다. 계속해서 도 6을 참조하여 이와 같은 방식으로 미세홀(31)의 직경을 1.1mm, 1.2mm로 하는 경우 유효전해면적이 1.0mm에 비하여 각각 96~92% 수준이었고, 미세홀(31)의 직경을 0.4mm, 0.3mm로 하는 경우 유효전해면적이 1.0mm에 비하여 각각 67%, 100%증가하였다. 미세홀(31)이 없는 경우에는 전극 하면이 유효전해면적으로 작용할 수 없고, 미세홀(31) 내벽의 면적도 없게 되므로 그 유효전해면적은 평판면적인 855mm2에 지나지 않는다. 이는 직경 0.6mm로 타공하여 미세홀(31)을 1360개로 만든 것에 비하여 그 유효전해면적이 38.5%에 불과하여 단 시간 내에 높은 수소 용존율을 갖는 수소수를 생성하기 어렵게 된다.
도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 미세홀(31)의 직경을 0.6mm로 한 경우에는 통전 5분 이내에 용존수소량이 1,200ppb인 반면 1.0mm로 하였을 경우에는 통전 10분이 경과하여도 용존수소량이 1,000ppb에 머물러 0.6mm 미세홀(31)의 경우가 높은 수소용존율을 나타내었다.
실험 결과를 통해 미세홀(31)의 직경을 0.5mm 내지 1.0mm로 초경핀을 이용하여 천공하여, 제작이 용이할 뿐만 아니라 비용을 절약하고 수소수를 생성하는 최대의 효과를 나타낼 수 있는 장점이 있다.
한편, 도 6의 (b)는 전해 수소수 생성장치(1)에서 생성된 수소용존수를 500ml PET병에 옮겨 마개를 닫은 후 시간이 경과함에 따라 잔존 수소 농도를 측정한 그래프를 나타낸다. 제1 전극(30)은 백금용액(PtCl2, H2PtCl2)과 팔라듐용액(PdCl2)이 각각 40% 대 60% 중량의 비율로 혼합된 용액이 코팅되어 백금(Pt)과 팔라듐(Pd)의 혼합금속이 열분해 피폭된 티타늄(Ti)금속 또는 티타늄합금으로 이루어질 수 있다. 제1 전극(30)이 백금과 팔라듐으로 코팅되어 있어 전기분해시 백금과 팔라듐이 나노파티클화되어 물속에 분산되고, 팔라듐은 수소흡장율이 높아 분산 나노파티클에 흡장된 수소가 물속에서 서서히 방출되기 때문에 시간이 지나더라도 용존수소함량이 높게 지속될 수 있는 장점이 있다. 도 6의 (b)에서 보는 바와 같이 8시간 경과 후 백금, 팔라듐코팅 전극을 사용한 수소수 생성기는 초기 수소농도 1200ppb에서 60ppb로 50% 감소하였으나 백금 단독 코팅 전극을 사용한 수소생성기는 초기 수소농도 900ppb에서 100ppb로 88% 감소됨을 나타내었다.
이하, 도 7을 참조하여 다른 실시예의 전해 수소수 생성장치에 관하여 설명하도록 한다.
도 7은 도 1의 다른 실시예에 의한 전해 수소수 생성장치의 사시도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전해 수소수 생성장치(2)는 용기부(10a)를 제외한 나머지 구성은 이미 설명한 일 실시예와 사실상 동일하다. 따라서, 이미 설명한 구성요소와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙이고 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전해 수소수 생성장치(2)는 용기부(10a)가주름관으로 형성되어 길이방향으로 압축되거나 신장될 수 있다. 즉, 용기부(10a)의 형태가 접이식의 형태로 형성되어 보관 및 휴대가 간편해지는 장점이 있다. 도 7의 (a)를 참조하면, 용기부(10a)를 확장하여 내부에 물을 수용하고 전원스위치(50)를 동작시켜 수소수와 수소를 제조할 수 있다. 또한, 전해 수소수 생성장치(2)를 사용하지 않을 때에는 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 용기부(10a)를 압축하여 부피를 줄일 수 있다. 전해 수소수 생성장치(2)는 용기부(10a)를 원하는 높이로 신장할 수 있어 물의 양에 따라 크기를 조절할 수 있으며, 용기부(10a)를 대용량으로 제조하더라도 부피를 최소화할 수 있는 장점이 있다. 아울러, 전해 수소수 생성장치(2)는 용기부(10a) 및 본체(17)의 분리 및 결합이 간편할 뿐만 아니라, 결합부재(11)와 결합부재(11)에 결합되는 구성요소의 분리 및 결합이 용이하여, 관리 및 세척에 용이한 장점이 있다. 이와 같이 용기부(10a)는 주름관 형태로 형성되고 부드럽고 질긴 재질로 형성되어 압축 및 확장을 손쉽게 할 수 있으며, 주름관 형상의 용기부(10a)와 도 1의 중공관 형상의 용기부(10)는 상호 교환이 가능하도록 결합될 수 있다.
이하, 도 8을 참조하여 본 발명의 전해 수소수 생성장치의 작동과정에 관하여 상세히 설명하도록 한다.
도 8은 도 1의 전해 수소수 생성장치의 작동과정을 도시한 작동도이다.
전해 수소수 생성장치(1)는 전원스위치(50)를 작동시켜 제1 전극(30)과 제2 전극(40)에 전류를 공급하면, 제1 전극(30)의 상면에 접하는 용기부(10)에 수용된 물과 하면에 접하는 이온막유닛(20)의 함유수는 일부가 전기분해되어 수소(H2)와 수산화이온(OH-)이 생성되어 용기부(10)의 수용된 물에 용존된다. 또한, 제2전극(40)의 상면에 접하는 이온막유닛(20)의 함유수는 일부가 전기분해되어 산소(O2)와 수소이온(H+)이 생성되어 산소는 산화물질 배출구(19)를 통하여 전해소수 생성장치(1)의 외부로 배출되고 수소이온은 양이온 선택투과성을 갖는 이온막유닛(20)을 통과하여 용기부(10)의 수용된 물에 도달하여 수산이온과 결합하여 물로된다.
이와 같이 본 발명의 전해 수소수 생성장치(1)는 빠른 시간 내에 많은 수소를 발생시킬 수 있으며, 이렇게 발생된 수소를 물(W)에 용해시켜 수소수를 제조하거나 흡입 가능한 수소가스 형태로 배출할 수 있다. 수소수를 음용하거나 또는 수소가스를 흡입하면 질병과 노화의 주범이 되는 활성산소를 제거할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1, 2: 전해 수소수 생성장치 10, 10a: 용기부
11: 결합부재 12: 관통구
13: 덮개부 14: 수소배출노즐
16: 실링부재 17: 본체
18: 연통구 19: 산화물질배출구
20: 이온막유닛 20a, 20b: 이온교환막
30: 제1 전극 30a, 40a: 전류공급단자
40: 제2 전극 31, 41: 미세홀
50: 전원스위치 51: 회로기판(PCB)
52: 전원부 53: 전원잭
60: 함수부재

Claims (14)

  1. 내부에 물을 수용하며 일측에 연통구가 형성된 용기부;
    상기 연통구를 밀폐하여 상기 용기부 내부에 수용된 상기 물과 접하여, 양이온을 투과시키는 복수 개의 이온교환막이 중첩 배치된 이온막유닛;
    상기 연통구의 내측으로 노출되어 상기 물과 접하며 상기 이온교환막의 일면에 밀착 배치된 제1 전극;
    상기 제1 전극과 반대면인 상기 이온교환막의 타면에 밀착 배치된 제2 전극;
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 전류를 공급하는 전원부를 포함하되,
    상기 이온교환막은 이온교환기인 슬폰산기(-SO3H)가 막내에 고정 분포하는 다수의 세공을 갖는 고분자 폴리머로 양이온은 투과하고 음이온은 투과하지 않는 양이온교환막으로 이루어진 전해 수소수 생성장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이온교환막은 상기 고분자 폴리머가 스틸렌과 디비닐벤젠의 공중합체에 상기 이온교환기를 결합시킨 이온교환수지분말에 폴리프로필렌(polypropylene)을 혼합, 용융하여 박막상으로 압출성형한 불균질막(Heterogeneous membrane)인 전해 수소수 생성장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 이온교환막은 팽윤율이 15%이상이고, 함수율이 30~38%인 전해 수소수 생성장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 백금(Pt)과 팔라듐(Pd) 코팅된 티타늄(Ti) 금속 또는 티타늄 합금으로 이루어진 전해 수소수 생성장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 산화이리듐(IrO2)이 코팅된 티타늄(Ti) 금속 또는 티타늄 합금으로 이루어진 전해 수소수 생성장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 미세홀이 형성된 타공판으로 이루어진 전해 수소수 생성장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 미세홀의 직경은 1.0mm 이하 0.5mm 이상인 전해 수소수 생성장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 미세홀의 천공 면적은 유효전극면적의 45%이내로 형성되는 전해 수소수 생성장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 연통구의 내측면에 결합되며 관통구가 형성된 결합부재를 포함하며,
    상기 결합부재에 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 고정되되, 적어도 일부가 외부로 노출되는 전해 수소수 생성장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 연통구와 상기 제1 전극 사이 및 상기 제2 전극과 상기 결합부재의 사이에 형성되어, 상기 물의 유입을 방지하는 실링부재를 포함하는 전해 수소수 생성장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 용기부는 주름관으로 형성되어 길이방향으로 압축 가능한 전해 수소수 생성장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 용기부의 상부에 결합되는 덮개부; 및
    상기 덮개부를 관통하여 형성되어 상기 용기부 내측의 수소기체를 배출하는 수소배출노즐을 포함하는 전해 수소수 생성장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 용기부 내측에 상기 이온교환막과 접하도록 배치된 함수부재를 더 포함하는 전해 수소수 생성장치.
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