KR102242418B1 - 전해질 유체의 운동 기전력을 이용한 전해조 - Google Patents

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Abstract

시변 자속이 발생한 공간에 기전력이 발생하는 전자기 법칙을 이용하여 전해질 수용액을 횡단 자기장 아래에서 고속 유동시키면, 쇄교하는 자속이 시간에 따라 변함으로써 전해질 유체에 운동 기전력이 생성되고, 전하를 띤 음과 양의 이온은 각각 양과 음의 전극에서 전자를 주고받는 산화/환원 반응, 즉 전기분해가 진행되며 동시에 전하 이동의 결과로 전기를 생성할 수 있다. 본 발명의 전해질 유체의 운동 기전력을 이용한 전해조는, 전해질의 유동이 없는 종래 전기분해와 달리 전해질이 고속 유동하는 '속도' 변수의 특성을 활용하여 종래에 비해 더 빠른 속도로 더 많은 이온이 전극을 접촉하도록 하여 반응시간을 단축함으로써, 유체의 유동을 위한 에너지 투입에도, 종래의 전기분해에 비해 소모되는 시간과 에너지를 크게 절감할 수 있다. 또한, 전해질 유체가 고속으로 순환하는 특성 때문에, 모든 pH에서 장치의 작동을 허용하며, 분리막이 제거되어 복잡성과 장치 원가를 줄일 수 있고, 이온 저항과 스케일이 감소하는 등의 이점으로 인해 종래 전기분해 방식의 대안이 될 수 있을 것이다.

Description

전해질 유체의 운동 기전력을 이용한 전해조{ELECTROLYZER USING ELECTROMOTIVE FORCE OF ELECTROLYTIC FLUID}
본 발명은 횡단 자기장 아래에서 유동하는 전해질 유체에 발생하는 운동 기전력을 이용한 전해조에 관한 것이다.
전기분해는 전위차 즉 기전력을 생성시키는 에너지가 외부 원천으로부터 반응으로 유입되는 경우에만 발생하는 비자발적인 전기화학 반응이다.
종래 전해조의 전기분해는 외부에서 인가된 전기에너지로 주어진 기전력에 의해 전해질 이온이 전극에 전자를 주고받는 산화/환원 반응을 강제로 일으켜 물질을 분해한다.
한편, 시변 자속이 발생한 공간에 기전력이 발생하는 것은 전자기 근본 법칙의 하나이다. 이를 이용하여 전해질 수용액을 횡단 자기장 아래에서 고속 유동시킨다면, 쇄교하는 자속이 시간에 따라 변함으로써 전해질 유체에 운동 기전력이 생성되고, 전하를 띤 음과 양의 이온은 각각 양과 음의 전극에서 전자를 주고받는 산화/환원 반응이 발생하는 동시에 전하 이동의 결과로 전기를 생성할 수 있다.
따라서 전기 에너지의 전압을 반응에 유입시키는 종래의 전기분해와 전자기 법칙에 따른 전해질 유체의 운동 기전력에 의한 전기분해는 본질적으로 동일한 전기화학적 반응이며, 단지 그 반응을 추진하는 원동력인 기전력을 어떻게 인가할 것이냐의 차이가 있을 뿐이다.
그러나 더 큰 차이점은 양단의 전극 간에 발생한 기전력에 의해 전하를 수송하는 이온의 이동 '속도'의 차이라 할 수 있다. 전해질의 유동이 없는 종래의 전해조에서 이온이 전극 방향으로 이동하는 데에 외부에서 인가된 전기장이 미치는 영향은 아주 미미한 효과밖에 없다고 하며, 따라서 전하 전달자인 이온의 진행 속도가 약 10-7m/sec (10-4mm/sec)에 불과한 미시적인 분자운동에 의존할 수밖에 없는 방식이지만, 운동 기전력에 의한 전기분해 방식은 기전력을 생성할 수 있을 정도의 거시적인 운동 속도를 전제로 한다.
위와 같은 '속도' 변수의 특성을 활용할 수 있도록 적절하게 구성된 운동 기전력에 의한 전기분해 장치는 훨씬 더 빠른 속도로 더 많은 이온이 전극을 접촉하도록 하여 반응시간을 단축함으로써, 유체의 유동을 위한 에너지 투입에도, 종래의 전기분해에 비해 소모되는 시간과 에너지를 크게 절감할 수 있다.
또한, 전해질 유체가 고속으로 수송되는 특성 때문에, 모든 pH에서 장치의 작동을 허용하며, 분리막이 제거되어 복잡성과 장치 원가를 줄일 수 있고, 이온 저항과 스케일이 감소하는 등의 이점으로 인해 종래 전기분해 방식의 대안이 될 수 있을 것이다.
본 발명은 위와 같은 원리에 기반을 두어 전해질 유체의 운동 기전력을 이용한 전해조를 제공한다.
PCT/IB2015/058050, MEMBRANE-LESS ELECTROLYZER
De Luca, Roberto. (2011). Electromotive Force Generation with Hydrogen Release by Salt Water Flow under a Transverse Magnetic Field. Journal of Modern Physics, Vol.2 No.10, 2011. DOI : 10.4236/jmp.2011.210138 S. Mohammad H. Hashemi, Miguel A. Modestino and Demetri Psaltis. (2015). A membrane-less electrolyzer for hydrogen production across the pH scale. Article in Energy & Environmental Science, April 2015. DOI: 101039/C5EE00083A
본 발명은 횡단 자기장 아래에서 유동하는 전해질 유체에 발생하는 운동 기전력을 통해 종래의 방식에 비해 효율이 높은 전해조를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 전해질 유체의 운동 기전력을 이용한 전해조는, 사각 단면의 천장과 바닥 모두 또는 어느 한쪽에 양극 전극이 구비된 양극 유로와 음극 전극이 구비된 음극 유로가 좌우 또는 상하로 쌍을 이룬 채 소정 방식의 나선형으로 감긴 유로쌍;과 상기 유로쌍의 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극이 연결된 회로;와 자속이 상기 유로쌍을 수평 횡단하도록 나선형 몸체의 내측과 외측에 서로 대향하여 구비되며, 자속틀을 포함하는 복수의 자성체쌍;과 상기 양극 유로에서 배출된 전해질 유체 및 기체의 혼합물에서 상기 기체를 분리시켜 기체 압축 장치로 이송시키고 상기 전해질 유체는 침전시키는 양극 분리기 및 상기 음극 유로에서 배출된 전해질 유체 및 기체의 혼합물에서 상기 기체를 분리시켜 기체 압축 장치로 이송시키고 상기 전해질 유체는 침전시키는 음극 분리기를 포함하는 분리기;와 상기 양극 유로 및 상기 음극 유로와 상기 분리기를 연결하되, 상기 양극 유로에서 배출된 전해질은 상기 음극 유로로 재주입되고, 상기 음극 유로에서 배출된 전해질은 상기 양극 유로로 재주입되는 방식으로, 상기 분리기 내의 잔류 전해질 유체가 상기 양극 유로와 상기 음극 유로를 번갈아 순환할 수 있도록 서로 엇갈리게 연결된 주입관과 배출관;과 상기 주입관에 구비되며, 공급관으로부터 연속적으로 보충되는 전해질 유체와 상기 분리기로부터 흡입한 잔류 전해질 유체를 상기 양극 유로 및 상기 음극 유로에 고속 토출시키는 펌프;와 상기 유로쌍과 상기 자성체쌍을 내측에 수용하고, 지지체와 접속구를 포함하며, 냉각장치가 구비된 하우징; 및 기체 생성량, 상기 분리기 내의 유량, 온도 및 압력, 상기 회로 내의 출력 전압과 전류를 감지하여 전해질 유체의 주입량과 속도의 자동 제어 및 상기 양극 유로 및 상기 음극 유로의 운전 성능을 표시하는 운전 시 시스템;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전해질 유체의 운동 기전력을 이용한 전해조가 제공될 수 있다.
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본 발명은 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
첫째, 종래의 방식에 비해 시간과 에너지 소모를 크게 절감하여 수소 생산의 패러다임을 그레이(Grey)에서 그린(Green)으로 전환하는 데 기여할 수 있다.
둘째, 장치가 간단하고 예산 부담이 적으므로 운송부담이 없는 거점별 분산형 수소 생산은 물론 수요처 또는 판매처의 개별 현지생산(on-site) 방식에 적합하다.
셋째, 태양광이나 풍력과 같이 밤낮에 따라 변하는 간헐적인 재생 에너지원과 결합하여 수소를 생산하는 에너지 저장방법(PtoG)으로의 적용성이 높다.
넷째, 소형에서 대용량에 이르는 다양한 규모에 적용 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수전해를 예로 든 시스템 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전해조의 유로가 좌우 쌍을 이루어 나선형으로 감긴 전해조의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전해조의 유로가 좌우 쌍을 이루어 나선형으로 감긴 전해조의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전해조의 나선형 유로가 상하 쌍을 이루어 나선형으로 감긴 유로쌍의 전개도이다.
도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있으며, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 판단되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전해질 유체의 운동 기전력을 이용한 전해조를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시 예에 따른 수전해를 예로 든 시스템 다이어그램이며, 도 2, 도 3 및 도 4는 각각 시스템의 핵심을 이루는 전해조의 사시도, 평면도 및 전개도를 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 각 장치의 구성과 장치 간의 연결 관계는 아래와 같다.
사각 단면의 천장과 바닥 모두 또는 어느 한쪽에 양극 전극(+120)이 구비된 양극 유로(+110)와 음극 전극(-120)이 구비된 음극 유로 (-110)가 상하 또는 좌우 쌍을 이룬 채 소정 방식의 나선형으로 감긴 유로쌍(100)이 제공된다.
상기 유로쌍의 두 전극이 연결된 회로(200)가 구비되어 있다.
자속이 상기 유로쌍(100)을 수평 횡단하도록 나선형 몸체의 내측과 외측에 서로 대향하여 일체형으로 성형된 자속틀을 포함하는 복수의 소정 자성체쌍(300)이 제공된다.
상기 유로(110)에서 배출되는 전해질 유체와 기체의 혼합물에서 기체를 분리시켜 기체 이송관(900)을 통해 기체 압축장치로 이송시키는 분리기(400)가 제공된다.
상기 각 유로(110)와 상기 각 분리기(400)를 연결하되 분리기 내의 잔류 전해질 유체가 상기 양극 유로(+110)와 음극 유로(-110)를 번갈아 순환할 수 있도록 서로 엇갈리게 구성된 전해질 유체의 주입관(500)과 배출관(600)이 제공된다.
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상기 유로쌍(100)과 상기 자성체쌍(300)을 내측에 수용하고 소정의 지지체와 접속구를 포함하며 소정의 냉각장치가 구비된 하우징이 제공된다.
또한, 기체 생성량, 상기 분리기 내의 유량, 온도 및 압력, 출력 전압과 전류를 감지하여 전해질 유체의 주입량과 속도의 자동 제어 및 유로별 운전 성능을 표시하는 운전 시스템을 포함한다.
위와 같이 제공된 장치의 작동과 세부적인 실시 예를 설명하면 아래와 같다.
상기 유로쌍(100)의 상기 각 유로(+110, -110) 상부의 주입구에서 고속 토출된 전해질 유체는 선형 유동하지만 유로가 나선형으로 감겨 있기 때문에 유로가 감긴 그 원의 둘레를 연속 회전하면서 중력에 의해 가속되어 하강하는데, 상기 자성체쌍(300)의 자속이 횡단하는 공간과 자속이 없는 공간을 반복적으로 통과함으로써 유체에 자속은 시변 자속으로 인식되어 자속의 크기와 유체의 유동 속도에 비례하는 다음과 같은 기전력이 생성된다.
Figure 112019056302796-pat00001
Figure 112019056302796-pat00002
위와 같은 장치는, 회전자인 전기자가 고정자인 계자의 내부 공간에서 회전하여 전기자에 기전력을 유기하는 기존의 발전기와 유사한 구성으로써, 도체인 전기자에 대응하는 전해질이 고체에 비해 형상이 일정하지 않아 변형이 쉽고 자유로이 흐를 수 있는 유체인 특성을 활용하여, 횡단하는 자기장 내에서 전해질 유체가 선형 유동하되 나선형으로 감겨 있는 유로를 통과함으로써 강체인 전기자의 회전과 같은 효과를 거두기 위한 구성이다.
본 발명에 의한 발전능력이 있는 전해조의 본체라 할 수 있는 상기 유로쌍의 몸체는 본 실시 예에서는 외관이 원통형인 장치를 제시하고 있으나, 실제로는 설치 장소의 특성에 맞춘 어떤 형태의 외관이어도 무방하다.
상기 자성체쌍에 부가된 자속틀은 자속이 대향하는 자성체로만 흐르도록 유도하여 누설자속을 방지하는 역할과 자성체를 고정시키는 틀의 기능이 있다.
양극 유로(+110)와 음극 유로(-110)로 분리된 유로에서 전해질 유체는 위의 기전력에 의하여 전해질 분리막 없이 각 전극에서 반쪽 반응을 한다. 각 전극 표면에 코팅되거나 전극에 함유되어 있는 소정의 촉매가 전기분해를 촉진한다. 수전해를 예로 들면 반응식은 다음과 같다.
Figure 112019056302796-pat00003
Figure 112019056302796-pat00004
양극 유로(+110)에서는 산화 반응에 의해 전자를 전극에 내어주고 산소 기체(O2)와 수소 이온(H+)이 생성되어 잔류 수용액과 함께 흐르고, 음극 유로(-110)에서는 환원반응에 의해 전극에서 전자를 받아 수소 기체(H2)와 수산화 이온(OH-)이 생성되어 잔류 수용액과 함께 흐른다.
상기 유로(110) 사각 단면의 천장과 바닥 또는 그 중 한 면에 구비되는 전극 표면은 유로를 횡단하는 상기 자성체쌍(300)의 자기장과 항상 수평을 유지하도록 설치되어야 한다. 상기 산화 환원 반응으로 전극에 흐르는 전류 또한 반작용 자계를 발생하게 되는데, 유체를 횡단하여야 하는 자성체쌍의 자속과 전극 표면이 마주하면 전극 표면의 반작용 자계가 자성체의 자속 진로를 방해할 것이기 때문이다.
또한, 분해되지 않고 유로를 통과한 유체를 유동시키는 에너지는 손실이므로, 전극과 대향하는 면과의 간극인 유로의 높이는 가능한 한 최소의 미세 간극으로 하되 폭은 최대로 구성하여 주입된 유체가 넓은 전극 표면에 접촉할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
삭제
각 유로에서 반쪽 반응으로 생성된 기체와 이온은 잔류 전해질 유체와 함께 유로를 통과하여 배출관(600)을 통해 유로별로 각각의 분리기(+400, -400)로 이송된다. 분리기는 상기 유로에서 배출된 기체 및 잔류 전해질 유체의 혼합물로부터 기체를 분리하는 기능을 하고 나머지 잔류 전해질 유체에는 다음 순환을 위한 경유지이다.
상기 분리기(400)에는 생산된 기체를 일차적으로 포집하고, 포집한 기체의 순도를 높이기 위해 냉각기를 설치하여 유체 및 이온을 분리시키는 수단이 구비되는 것이 바람직하다. 아울러 탈기기를 적용하는 것도 고려할 수 있다. 또한, 분리기에는 유량게이지 센서, 내부 온도 및 압력을 측정하는 센서를 설치하여 운전시스템에 활용할 필요가 있다.
상기 주입관(500)은 각 분리기에서 이온과 잔류 전해질 유체를 흡입하되, 배출되었던 유로와는 반대의 유로로 주입되도록, 양극 유로에서 배출된 양이온과 유체는 음극 유로를, 음극 유로에서 배출된 음이온과 유체는 양극 유로를 향하는 방식으로 배출관과 주입관이 서로 엇갈려서 유로와 연결되어 있다.
즉, 전해질 유체는 양극 유로(+110) -> 양극 분리기(+400) -> 음극 유로(-100) -> 음극 분리기(-400) -> 양극 유로(+100)와 같은 방식으로 다른 극성의 유로와 분리기를 번갈아가며 순환함으로써, 종래 전해조와 같은 분리막이 없이 독립된 공간에서 반쪽 반응을 일으키므로 각 전극에서 반응으로 생산된 기체는 서로 재결합될 여지가 없고, 이온은 상대 이온의 저항 없이 반응할 전극으로 고속으로 수송된다.
따라서, 산화 전극을 통과한 산성 용액을 환원 전극으로, 환원 전극을 통과한 염기성 용액을 산화 전극으로 엇갈려 순환시킴으로써, 멤브레인에 의한 음극액/양극액의 분리와 이온의 선택적 투과 없이, 또한 전극 주변 용액의 pH 변화와 상관없이 효율적인 전기분해를 할 수 있다.
상기 분리기(400) 내 유체 속에 인입되어 있는 상기 주입관(500)의 흡입구에는 유체 속에 잔류해 있을 수 있는 기체가 혼입되지 않도록 하는 장치를 마련함이 바람직하다.
상기 주입관의 펌프(800)는 상기 분리기(400)에서 흡입한 유체와 유량 조절기와 함께 연결된 공급관 결합부(700)로부터 연속적으로 보충받는 전해질 유체를 상기 유로(110) 주입구에 고속 토출하여 주입한다.
상기 각 유로에서 산화 환원 반응에 의해 연속적으로 생성되는 기체의 부력과 전해질 유체 공급관으로부터 유입되는 유체의 속도에 의해 유로-분리기-주입관 간에는 압력 차이가 발생하여 주입 펌프의 작동을 멈추어도 전해질 유체의 흡입-토출-배출의 순환과정이 연속 진행되는 사이펀의 원리가 작용할 수 있다. 따라서 펌프를 단속적으로 작동하여 에너지를 절감하고 펌프 과열을 방지할 수 있다.
상기 유로(110)에서 반응이 일어나고 전극에 전류가 흐르면 주울 열이 발생하여 특히 전극이 마주한 구성이었을 때 과열될 가능성이 있으므로, 하우징에는 소정의 냉각장치가 마련되고, 유로 또는 유로쌍의 사이 간극에 소정의 공극 또는 냉매 유로가 냉각장치와 결합하여 소정 온도를 유지하도록 하여야 한다.
또한, 상기 운전 시스템에는 각 유로의 성능을 운전시간 기준으로 데이터베이스화하여 유로 또는 유로쌍의 보수 및 교체 등의 판단에 활용할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
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100 유로쌍
110 유로
+110 양극 유로
-110 음극 유로
120 전극
+120 양극 전극
-120 음극 전극
200 회로
300 자성체쌍
310 자성체
320(
Figure 112019056302796-pat00010
) 자속방향 - 자속이 지면을 뚫고 들어가는 방향
330 자속이 미치는 범위-폭
400 분리기
+400 양극 유로에서 배출된 유체를 수용하는 분리기
-400 음극 유로에서 배출된 유체를 수용하는 분리기
500 주입관
600 배출관
700 전해질 유체 공급관이 주입관에 결합된 결합부
800 펌프
900 생성기체 이송관

Claims (9)

  1. 사각 단면의 천장과 바닥 모두 또는 어느 한쪽에 양극 전극(+120)이 구비된 양극 유로(+110)와 음극 전극(-120)이 구비된 음극 유로(-110)가 좌우 또는 상하로 쌍을 이룬 채 소정 방식의 나선형으로 감긴 유로쌍(100);
    상기 유로쌍(100)의 상기 양극 전극(+120) 및 상기 음극 전극(-120)이 연결된 회로(200);
    자속이 상기 유로쌍(100)을 수평 횡단하도록 나선형 몸체의 내측과 외측에 서로 대향하여 구비되며, 자속틀을 포함하는 복수의 자성체쌍(300);
    상기 양극 유로(+110)에서 배출된 전해질 유체 및 기체의 혼합물에서 상기 기체를 분리시켜 기체 압축 장치로 이송시키고 상기 전해질 유체는 침전시키는 양극 분리기(+400) 및 상기 음극 유로(-110)에서 배출된 전해질 유체 및 기체의 혼합물에서 상기 기체를 분리시켜 기체 압축 장치로 이송시키고 상기 전해질 유체는 침전시키는 음극 분리기(-400)를 포함하는 분리기(400);
    상기 양극 유로(+110) 및 상기 음극 유로(-110)와 상기 분리기(400)를 연결하되, 상기 양극 유로(+110)에서 배출된 전해질은 상기 음극 유로(-110)로 재주입되고, 상기 음극 유로(-110)에서 배출된 전해질은 상기 양극 유로(+110)로 재주입되는 방식으로, 상기 분리기(400) 내의 잔류 전해질 유체가 상기 양극 유로(+110)와 상기 음극 유로(-110)를 번갈아 순환할 수 있도록 서로 엇갈리게 연결된 주입관(500)과 배출관(600);
    상기 주입관(500)에 구비되며, 공급관으로부터 연속적으로 보충되는 전해질 유체와 상기 분리기(400)로부터 흡입한 잔류 전해질 유체를 상기 양극 유로(+110) 및 상기 음극 유로(-110)에 고속 토출시키는 펌프(800);
    상기 유로쌍(100)과 상기 자성체쌍(300)을 내측에 수용하고, 지지체와 접속구를 포함하며, 냉각장치가 구비된 하우징; 및
    기체 생성량, 상기 분리기(400) 내의 유량, 온도 및 압력, 상기 회로(200) 내의 출력 전압과 전류를 감지하여 전해질 유체의 주입량과 속도의 자동 제어 및 상기 양극 유로(+110) 및 상기 음극 유로(-110)의 운전 성능을 표시하는 운전 시스템;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전해질 유체의 운동 기전력을 이용한 전해조.
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