KR102401627B1 - 레독스 세퍼레이터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레독스 세퍼레이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기분해장치와 연료전지 장치를 결합시킴으로써, 높은 전력효율로 소음 없이 공기 중의 산소와 질소를 효율적으로 분리시킬 수 있는 레독스 세퍼레이터에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 전기분해장치와 연료전지를 결합시킨 가역 연료전지 방식으로 순수한 산소와 질소로 각각 분리되어 소음 없이 고순도의 산소를 제공할 수 있고, 질소발생부에서 발생된 물을 산소발생부에 공급함으로써 산소발생부의 주기적인 물 보충이 불필요하며, 질소발생부에서 발생된 전기를 재이용함으로써 소비전력 또한 줄여 에너지 효율성을 높일 수 있는 동시에, 부품의 단순성으로 장치를 소형화할 수 있어, 저렴한 가격으로 규격에 맞춰 설치와 설비가 용이하고, 다양한 응용분야에 적용할 수 있는 효과가 있다.

Description

레독스 세퍼레이터{Redox Separator}
본 발명은 레독스 세퍼레이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기분해장치와 연료전지 장치를 결합시킴으로써, 높은 전력효율로 소음 없이 공기 중의 산소와 질소를 효율적으로 분리시킬 수 있는 레독스 세퍼레이터에 관한 것이다.
현재 사용되고 있는 대부분의 산소발생기는 PSA(pressure swing adsorption) 방식과 막분리(membrane separation) 방식으로 산소를 발생하게 된다. 전자는 주로 병원 등 대용량의 산소공급을 위해 채용되는 방식이며, 후자는 주로 가정 등 중소용량의 산소공급을 위해 채택되는 방식이다.
이러한 방식 이외에 물을 전기분해하는 과정에서 산소를 발생시키는 수전해(water electrolysis)방식은 그 장치의 단순성과 편리성, 소음의 부재, 오랜 연구개발의 역사로 인한 제품의 확실성 등 많은 장점에도 불구하고 특별한 용도 이외에는 일반적인 산소발생기로 채택되지 못하고 있다.
한편, 이러한 수전해 방식에 의한 산소발생기가 많은 장점에도 불구하고 일반적 용도로서 많이 채택되지 않은 이유들은 여러 가지가 있겠지만 그 중 다음과 같은 문제점이 대표적이다.
먼저, 종래의 수전해 장치는 대부분 알칼리 수용액을 전해질로 사용하는 액체 전해질 방식을 채용하게 되는데, 이러한 액체 전해질 방식은 사용함에 따라 전해질의 보충 필요성, 누액 위험, 전극의 부식, 발생 산소와 수소의 분리 문제, 각 발생 기체의 순도 저하 등의 문제점이 있었다.
또한, 발생 산소량에 비해 비교적 높은 전력공급이 필요하여 에너지 소모가 비교적 많은 편이며, 부산물인 수소는 가연성 물질로서 특별한 관리가 필요하게 된다. 이러한 문제점들은 이후 등장한 고체 고분자 전해질의 개발로 액체 전해질 방식이 갖고 있던 많은 문제점들을 해소하였으나 높은 전력소모와 가연성 수소의 처리, 수전해에 따라 소모되는 물의 지속적인 보충 등의 문제는 편리하고 경제적인 제품을 요구하는 시대에 여전히 해결해야 할 과제로 남아 상용화하는데 커다란 문제점이 있었다.
이에, 한국등록특허 제0896900호에서는 수전해부, 저장부, 연료전지부 및 전원제어부를 포함하고, 상기 수전해부는 적어도 하나의 고분자 전해질막과, 그 양측에 각각 적층되는 산소전극부와 수소 전극부를 포함하고, 소수성 소재로 이루어진 산소 전극부는 산소라인과 연결되며, 친수성 소재로 이루어지는 수소 전극부는 상기 물저장탱크와 제1 물라인을 매개로 연결되고, 상기 수소저장탱크와 제1수소라인을 매개로 연결되며, 상기 물저장탱크는 제1물라인을 매개로 수전해부와 연결되고, 제2물라인을 매개로 연료전지부와 연결되어 일정량의 물이 저장되는 외부탱크이며, 상기 수소저장탱크는 제1수소라인을 매개로 수전해부와 연결되고, 제2수소라인을 매개로 연료전지부와 연결되어 상기 물저장탱크의 내부공간에 적어도 하나 이상 배치되는 내부탱크로 구비되고, 상기 수소저장탱크는 외부면 하단에 상기 물저장탱크내의 물과 상기 수소저장탱크 내의 물이 서로 자유롭게 출입하도록 상기 물저장탱크의 내부공간과 서로 연통되는 적어도 하나의 연결통로를 구비함을 특징으로 하는 연료전지와 수전해를 이용한 산소발생기를 개시한 바 있다.
그러나, 한국등록특허 제0896900호에서 개시하고 있는 산소 발생기 역시 연료전지와 수전해를 각각 이용함으로써 대용량 설계만 가능하므로 가정용과 같은 소형화에서는 제작이 불가능한 단점이 있었다.
한국등록특허 제0896900호(공고일: 2009.5.14)
본 발명의 주된 목적은 전기분해장치와 연료전지를 결합시켜 장치의 단순성과 편리성을 가지고, 높은 전력효율로 소음 없이 공기 중의 산소와 질소를 효율적으로 분리시킬 수 있는 레독스 반응을 이용한 레독스 세퍼레이터를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 또한 레독스 세퍼레이터를 이용하여 산소와 질소를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는 물이 저장된 수조; 상기 수조 내부에 설치되어 수조에 저장된 물을 전기분해하여 산소와 수소이온을 생성하고, 산소를 외부로 배출하는 산소발생부; 상기 산소발생부의 일측에 구비되어 상기 산소발생부에서 제공된 수소이온과 공기 중 산소와의 전기 화학반응에 의해서 전기를 발생시키는 동시에 질소와 물을 생성하고, 생성된 질소와 물을 각각 외부와 수조로 배출하는 질소발생부; 상기 산소발생부 및 질소발생부 사이에 구비되어, 산소발생부에서 생성된 수소이온을 질소발생부로 제공하는 전해질부; 및 상기 산소발생부와 질소발생부에 전기를 공급하는 전원공급부를 포함하는, 레독스 세퍼레이터를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 산소발생부는 물을 저장할 수 있는 일정크기의 내부공간을 가지고, 상단부에는 생성된 산소를 배출시키는 적어도 하나의 산소 배출구가 형성되어 있으며, 하단부에는 수조에 저장된 물을 유입시키는 물 유입구가 형성되어 있고, 일측에는 상기 전원공급부의 양극과 연결된 양전극이 장착되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 산소발생부는 전원공급부의 양극과 연결되는 양전극을 포함하고, 상기 양전극의 일측은 물에 접촉되며, 그 타측은 전해질부와 접촉되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 전해질부는 고분자 전해질막인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 레독스 세퍼레이터는 질소발생부에서 발생된 전기를 저장시킬 수 있는 저장매체를 추가로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 레독스 세퍼레이터는 질소발생부에서 발생된 전기를 전원공급부로 공급시켜 산소발생부와 질소발생부에 전기를 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 질소발생부는 전원공급부의 음극과 연결되는 음전극을 포함하고, 상기 음전극의 일측은 공기와 접촉되며, 그 타측은 전해질부와 접촉되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 질소발생부는 외부 공기를 저장할 수 있는 일정크기의 내부공간을 가지고, 상단부에는 외부 공기를 유입시키는 적어도 하나의 공기 유입구가 형성되어 있으며, 하단부에는 생성된 물과 질소를 배출시키는 적어도 하나의 물 배출구와 질소 배출구가 각각 형성되어 있고, 일측에는 전원공급부의 음극과 연결된 음전극이 장착되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 구현예는, 상기 레독스 세퍼레이터를 이용하는 것을 특징으로 하는 산소 및 질소를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 전기분해장치와 연료전지를 결합시킨 가역 연료전지 방식으로 순수한 산소와 질소로 각각 분리되어 소음 없이 고순도의 산소를 제공할 수 있고, 질소발생부에서 발생된 물을 수조에 공급함으로써 산소발생부의 주기적인 물 보충이 불필요하며, 질소발생부에서 발생된 전기를 재이용함으로써 소비전력 또한 줄여 에너지 효율성을 높일 수 있는 동시에, 부품의 단순성으로 장치를 소형화할 수 있어, 저렴한 가격으로 규격에 맞춰 설치와 설비가 용이하고, 다양한 응용분야에 적용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 레독스 세퍼레이터를 개략적으로 도시한 것이다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 '레독스 세퍼레이터'는 물의 전기분해장치와 연료전지를 결합시킨 가역 연료전지 시스템으로써, 산화/환원 반응에 의해 공기 중의 산소와 질소를 분리시켜 산소와 질소를 제조하는 장치를 의미한다.
본 발명은 일 관점에서, 물이 저장된 수조; 상기 수조 내부에 설치되어 수조에 저장된 물을 전기분해하여 산소와 수소이온을 생성하고, 산소를 외부로 배출하는 산소발생부; 상기 산소발생부의 일측에 구비되어 상기 산소발생부에서 제공된 수소이온과 공기 중 산소와의 전기 화학반응에 의해서 전기를 발생시키는 동시에 질소와 물을 생성하고, 생성된 질소와 물을 각각 외부와 수조로 배출하는 질소발생부; 상기 산소발생부 및 질소발생부 사이에 구비되어, 산소발생부에서 생성된 수소이온을 질소발생부로 제공하는 전해질부; 및 상기 산소발생부와 질소발생부에 전기를 공급하는 전원공급부를 포함하는, 레독스 세퍼레이터에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 레독스 세퍼레이터는 양/음 전극에서 발생되는 산화/환원반응에 의하여 질소발생부의 음전극에서 산소를 물로 환원시킨 다음, 산소발생부의 양전극으로 보내어 물을 다시 산소로 산화시키는 일련의 과정에 의해 산소와 질소를 제조하는 레독스 세퍼레이터에 관한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 레독스 세퍼레이터를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레독스 세퍼레이터의 개략적으로 도시한 것으로, 상기 레독스 세퍼레이터는 수조(10), 산소발생부(20), 전해질부(30), 질소발생부(40) 및 전원공급부(50)를 포함한다.
상기 수조(10)는 물이 일정량 저장되고, 후술되는 산소발생부(20), 전해질부(30) 및 질소발생부(40)가 설치될 수 있도록 일정 크기의 내부 공간을 갖는 외부 탱크부재로 이루어져 산소발생부(20)로 전기분해할 물을 유입시키고, 질소발생부(40)에서 수소와 산소와의 전기화학반응으로 생성된 물을 공급받는다. 이때 수조 재질은 음용수 처리에 적합한 재질이 바람직하며, 투명한 폴리카보네이트가 바람직하다.
한편, 상기 수조(10)는 질소발생부(40)에서 생성된 물을 공급시키는 것 이외에 보조 물공급부(미도시)를 추가로 구비하어 수조(10)의 물의 수위를 일정하게 유지시킬 수 있다. 이때, 상기 수조의 내부 공간은 대기압을 유지시켜 가압력 없이 자연스럽게 질소발생부로 물이 유입될 수 있도록 할 수 있고, 수조에 저장된 물의 수위는 질소발생부에 유입된 물의 수위와 동일하게 유지시킨다.
상기 산소발생부(20)는 수조(10)로부터 유입된 물(H2O)을 전기분해하여 산소(1/2O2)와 수소이온(2H+)을 생성하는 것으로, 전원공급부(50)를 통해 제공되는 전기의 양극과 연결되는 양전극(21)이 구비되어 있고, 양전극(21)의 일측이 물과 접촉되어 있으며, 그 타측은 후술되는 전해질부(30)와 접촉된다.
이때, 상기 산소발생부(20)는 전원공급부(50)에서 인가된 전기에 의해 하기 반응식 1과 같이 산화되어 산소와 수소이온을 발생시킨다.
[반응식 1]
H2O → 2H+ + 1/2O2 + 2e-
상기 산소발생부의 양전극(21)은 물을 전기 분해할 수 있는 양전극이면 제한 없이 사용 가능하고, 바람직하게는 탄소, 니켈, 코발트, 티타늄, 지르코늄, 니오븀, 텅스텐, 탄소, 하프늄, 철, 이들 2종 이상의 합금 및 이들의 산화물 중 어느 하나로 이루어지며, 상기 양전극 표면에는 백금족의 금속(백금, 루테늄, 로듐, 파라듐, 오스뮴, 이리듐), 금, 은, 크롬, 철, 티타늄, 망간, 코발트, 니켈, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 규소, 아연 등으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종, 1종 이상의 금속과의 합금, 또는 이들의 산화물의 촉매성분과, 퍼플루오로설포닉에시드이오노머 등을 혼합한 혼합물이 코팅된 촉매층(미도시)이 형성될 수 있다.
이때, 상기 양전극은 2차원 또는 3차원 상의 형태가 가능하다. 2차원 상의 형태로는 상기 가능한 재질의 판(plate)에 타공형(punched), 익스팬디드형(expanded), 메쉬(mesh)형, 다이아몬드형(diamond)의 구멍을 가질 수 있다. 3차원 상의 형태로는 2차원 전극을 적층시킨 형태나, 섬유형, 그래뉼형, 입자상 분말 등으로 구성된 일정한 두께를 가지는 것이 가능하다.
또한, 양전극은 반응에 관여하는 액체(물)나, 기체 상의 유체(수소, 산소)가 산소발생부 및 전해질부 양방향으로 흐름이 일어나게 하기 위해 적절한 기공율과 기공크기를 갖추어야 한다. 적정한 기공율은 물, 산소 및 수소의 혼합물이 이동 및 전류 부하량을 고려하여 결정된다. 기공율이 15 vol% 미만인 경우, 물과 산소, 물과 수소의 혼합물의 확산이 어려워 전기분해 효율이 감소하며, 기공율이 85 vol%를 초과할 경우에는 물과 산소, 물과 수소의 혼합물의 확산이 수월한 반면에, 인가할 수 있는 전류 값이 적어져, 전기분해에 필요한 면적이 커지고, 장치가 커지는 단점이 발생을 한다. 이에 바람직한 기공율은 15 내지 85 vol%이다.
또한, 적절한 전극의 기공의 크기는 바람직하게 15 ㎛ 내지 30 ㎛가 특히 바람직하다. 기공의 크기가 15 ㎛ 미만에서는 전해질이 통과하기 위해 많은 외부 동력(에너지)가 필요하고, 기공이 30 ㎛를 초과하는 경우에서는 전해질막이 기공 내로 함몰될 수 있다.
한편, 양전극에 촉매층을 형성하는 방법은 공지된 방법을 이용할 수 있고, 예를 들면, 촉매를 유기 용매 등과 혼합하여 슬러리를 만든 후, 이 슬러리를 전극에 페인팅, 분무, 침지, 흡수, 증착 등의 방법으로 코팅한 후 이들을 소결(incineration)하여 양전극을 형성시킬 수 있다. 또 다른 방법으로는 전기 도금 방법으로 전극 상에 촉매층을 형성하는 것도 가능하다.
또한, 상기 산소발생부(20)는 수조(10)로부터 유입된 물을 저장할 수 있는 일정크기의 내부공간을 가지고, 일측 상단부에는 생성된 산소를 배출시키는 적어도 하나의 산소 배출구(22)가 형성되어 있으며, 하단부에는 수조의 물을 유입시킬 수 있는 물 유입구(23)가 형성되어 있는 물저장부(24)를 포함하고, 상기 물저장부(24)의 일측은 격벽 없이 양전극(21)과 결합되어 상기 양전극(21)이 물저장부(24)에 저장된 물과 접촉될 수 있도록 한다.
이에 따라 본 발명에 따른 레독스 세퍼레이터는 수조(10)에 저장된 물이 산소발생부의 물저장부 바닥면으로부터 차올라 산소발생부의 물저장부 하부에는 물이 채워지게 되고, 그 상부에는 물(H2O)의 전기분해로 생성된 산소(1/2O2)가 채워져 산소 배출구(22)를 통해 배출되며, 물의 전기분해로 생성된 나머지 수소이온(2H+)은 전해질부(30)를 통하여 질소발생부(40)로 이동하게 된다. 이때, 산소 배출구(22)로 배출되는 산소는 외부로 공급되거나, 또는 산소를 필요로 하는 별도의 장소로 공급되기 위해 산소 저장매체에 저장될 수 있다.
상기 전해질부(30)는 산소발생부(20)와 질소발생부(40) 사이에 구비되어 산소발생부(20)에서 생성된 수소이온을 질소발생부(40)로 전달시키는 것으로, 고분자 전해질막으로 구성된다. 이때, 상기 고분자 전해질막은 두께가 10 ~ 500 ㎛로, 음이온의 이동이 불가능한 반면, 양이온 즉, 수소 이온을 이동시킬 수 있고, 온도에 대한 내열성과 전기 화학적 산화환원 분위기에서 내구성을 가지는 전해질막이면 제한 없이 사용 가능하고, 일 예로, 탄화 수소(hydrocarbon)계 재질 또는 탄화불소(fluorocarbon)계 재질의 고분자에 양이온(cation)이 선택적으로 이동 가능하게 하는 이온 전달 그룹인 설폰닉(sulfonic, -SO3), 카복실릭(carboxylic, -COO) 및 포스포릭(phosphoric)계 산성그룹(acidic groups)을 가지는 고분자 구조체로 구성하는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 내열성과 내 산화성이 우수한 탄화불소(fluorocarbon)계 재질의 고분자에 설폰닉의 강산성을 그룹을 가지는 막 구조를 갖는 이온 교환막일 수 있다. 이와 같은 계열의 대표적인 이온 교환막으로는 듀폰사(E. I. du Pont de Nemours and Company, Wilmington, Del.)의 상품명 'NAFION'이 있다.
본 발명에 따른 레독스 세퍼레이터는 전해질부(20)를 고분자 전해질막으로 사용함으로써, 전극의 부식을 방지할 수 있고 전해질을 순화시킬 필요가 없는 동시에 출력밀도가 높아 산소발생부에서 생성된 수소이온을 효과적으로 질소발생부로 전달할 수 있다.
상기 질소발생부(40)는 상기 전해질부(30)와 서로 연통되어 전해질부로부터 유입된 수소이온과 외부에서 공급되는 공기 중 산소가 전기화학 반응하여 전기에너지를 발생시키는 동시에 질소를 분리하고 물을 생성시키는 것으로, 전원공급부(50)를 통해 제공되는 전기의 음극과 연결되는 음전극(41)이 구비되어 있고, 상기 음전극(41)의 일측은 전술된 전해질부(30)와 접촉되어 있으며, 음전극(41)의 타측은 공기와 접촉된다.
또한, 상기 질소발생부(40)는 외부공기를 저장할 수 있는 일정크기의 내부공간을 가지고, 상단부에는 외부 공기를 유입하는 적어도 하나의 공기유입구(42)가 형성되어 있으며, 하단부에는 생성된 물과 질소를 배출시키는 적어도 하나의 물배출구(43) 및 질소 배출구(44)가 각각 형성되어 있는 공기저장부(45)를 포함하고, 상기 공기저장부(45)의 타측은 격벽 없이 음전극(41)과 결합되어 음전극이 공기저장부(45)의 공기와 접촉될 수 있도록 한다.
전술된 바와 같이, 상기 질소발생부(40)는 음전극의 일측을 공기와 접촉하기 위하여 음전극(41)과 결합되는 부분이 개구된 공기저장부(45)의 음전극 일측에 형성되어 있다. 상기 공기저장부(45)는 공기가 일정량 저장될 수 있도록 일정크기의 내부 공간을 가지며, 상단부에는 외부 공기를 유입시킬 수 있는 공기유입구(42)가 형성되어 있고, 하단부에는 전기화학 반응에 의해 생성된 물과 질소를 산소발생부 또는 외부로 공급할 수 있는 물배출구(43) 및 질소배출구(44)가 각각 형성되어 있다. 이때, 외부에서 유입된 공기와 반응에 의해 생성되는 질소 및 물은 비중 차이에 의해, 물은 공기저장부 하측에 채워지고, 질소와 공기는 물의 상측에 채워져 서로 혼합되지 않고 분리될 수 있으며, 분리된 질소는 질소배출구(44)를 통해 배출시킬 수 있다.
또한, 질소발생부(40)는 외부 공기를 공급하기 위하여 공기를 강제 공급하는 블로워(미도시)가 구비되며, 이물질 유입을 방지하는 필터부재(미도시)가 구비될 수 있다.
상기 질소발생부에 구비된 음전극(41)은 연료전지나 수전해에 사용될 수 있는 음전극이면 제한 없이 사용 가능하고, 바람직하게는 탄소, 니켈, 코발트, 티타늄, 지르코늄, 니오븀, 텅스텐, 탄소, 하프늄, 철, 이들 2종 이상의 합금 및 이들의 산화물 중 어느 하나로 이루어지며, 상기 음전극 표면에는 백금족의 금속(백금, 루테늄, 로듐, 파라듐, 오스뮴, 이리듐), 금, 은, 크롬, 철, 티타늄, 망간, 코발트, 니켈, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 규소, 아연 등으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종, 1종 이상의 금속과의 합금, 또는 이들의 산화물의 촉매성분과, 퍼플루오로설포닉에시드이오노머 등을 혼합한 혼합물이 코팅된 촉매층(미도시)이 형성될 수 있다.
이때, 상기 음전극은 2차원 또는 3차원 상의 형태가 가능하다. 2차원 상의 형태로는 상기 가능한 재질의 판(plate)에 타공형(punched), 익스팬디드형(expanded), 메쉬(mesh)형, 다이아몬드형(diamond)의 구멍을 가질 수 있다. 3차원 상의 형태로는 2차원 전극을 적층시킨 형태나, 섬유형, 그래뉼형, 입자상 분말 등으로 구성된 일정한 두께를 가지는 것이 가능하다.
또한, 음전극은 반응에 관여하는 액체(물)나, 기체상의 유체(수소, 산소)가 전해질부 및 질소발생부 양방향으로 흐름이 일어나게 하기 위해 적절한 기공율과 기공크기를 갖추어야 한다. 적정한 기공율은 산소, 수소 등의 이동 및 전류 부하량을 고려하여 결정된다. 기공율이 10 vol% 미만인 경우에는 산소, 수소 등의 확산이 어려워 전기분해 효율이 감소하며, 기공율이 85 vol% 초과할 경우에는 산소, 수소 등의 확산이 수월한 반면에, 인가할 수 있는 전류값이 적어져, 전기분해에 필요한 면적이 커지고, 장치가 커지는 단점이 발생을 한다. 이에 바람직한 기공율은 약 10 내지 약 85 vol%이다.
또한, 적절한 기공의 크기는 바람직하게 약 15 ㎛ 내지 약 30 ㎛가 특히 바람직하다. 기공의 크기가 15 ㎛ 미만에서는 전해질이 통과하기 위해 많은 외부 동력(에너지)가 필요하고, 기공이 30 ㎛ 초과에서는 전해질막이 기공 내로 함몰 될 수 있다.
한편, 음전극에 촉매층을 형성하는 방법은 공지된 방법을 이용할 수 있고, 예를 들면, 촉매를 유기 용매 등과 혼합하여 슬러리를 만든 후, 이 슬러리를 전극에 페인팅, 분무, 침지, 흡수, 증착 등의 방법으로 코팅한 후 이들을 소결(incineration)하여 전극을 형성시킬 수 있다. 또 다른 방법으로는 전기 도금 방법으로 전극 상에 촉매층을 형성하는 것도 가능하다.
이에, 질소발생부(40)는 전해질부(30)를 통하여 전달된 수소이온이 하기 화학식 2와 같이 공기 중에 포함된 산소와 만나 반응 생성물인 물을 생성하고, 공기중의 대부분을 차지하고 있는 질소를 산소로부터 분리한다.
[반응식 2]
2H+ + 1/2O2 + 2e- → H2O
이와 같이, 생성된 물은 상기 공기저장부(45)의 물배출구(43)를 따라 수조(10)에 저장되고, 상기 수조(10)에 저장된 물은 산소발생부(20)에 유입된다. 이때, 수조의 물 공급량은 산소발생부(20)에 포함된 물의 양에 따라 조절하여 유입시킨다.
한편, 전원공급부(50)는 산소발생부의 양전극(21)과 질소발생부의 음전극(41)에 각각 전기를 공급하는 것으로, 전기를 안정적으로 질소발생부와 산소발생부에 공급되도록 조절하는 전류제어부(미도시)가 추가로 구비되어 있다. 상기 전류제어부는 산소발생부의 양전극과 질소발생부의 음전극 사이에 구비된다. 이때, 양전극와 음전극에 공급되는 전기 공급량은 산소발생부와 질소발생부의 용량 등에 따라 적절하게 조절할 수 있으며, 전류밀도가 0.1 ~ 4 A/cm2에서 직류 전압 6 ~ 9 Volt의 운전이 바람직하다. 전류 밀도가 0.1 A/cm2 미만일 경우, 단위 면적당 공급되는 전류량이 작아서 장치가 커지게 되며, 전류밀도가 4.0 A/cm2 초과할 경우에는10 V 이상으로 전압이 상승되어 산소 외에 오존 발생량이 커지게 된다. 더 바람직하기로는 전류 밀도가 0.1 ~ 3 A/cm2이고, 직류 전압이 6 ~ 8 Volt이다.
상기 전류제어부는 질소발생부의 음전극으로부터 유입되는 전류와 전원공급부로부터 유입되는 전류를 측정하는 전류측정수단 및 상기 전류측정수단에서 측정된 전류신호를 근거로 하여 상기 양극판 및 음극판에 공급되는 전류의 양을 조절할 수 있도록 하는 전류공급수단으로 구성되어 있다.
상기 전류측정수단은 입력되는 전류를 측정한 후 측정값을 외부로 출력할 수 있는 장치라면 제한 없이 사용 가능하며, 당업계에서 통상적으로 사용되는 전류 측정장치라면 어느 것을 사용하여도 좋고, 상기 전류공급수단은 전류측정수단으로부터 입력된 전류량 데이터를 근거로 양극전극 및 음극전극에 공급되는 전류량을 일정하게 유지시켜 주는 것이라면 어느 것을 사용하여도 좋다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 레독스 세퍼레이터의 작동 기작을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 수조(10)에 물을 채워 산소발생부(20)에 물을 공급한 다음, 전원공급부(50)에 전원을 인가하여 물을 전기분해시키면, 산소발생부의 양전극(21)에서 산소와 수소이온이 생성되고, 생성된 산소는 산소발생부의 산소배출구(22)를 통하여 외부로 배출되고, 수소이온은 전해질부(30)를 통해 질소발생부(40)로 이동된다. 이동된 수소이온은 질소발생부(40)로 유입된 외부 공기 중의 산소와 전기화학반응으로 전류가 발생되는 동시에 물과 질소를 부산물로 생성하게 된다. 상기 생성된 질소는 질소배출구(44)를 통하여 외부로 배출되고, 물은 물배출구(43)를 통해 수조(10)에 저장된다. 이때 상기 수조(10)에 저장된 물은 공급되는 양을 조절하여 산소발생부(20)로 유입된다. 한편, 전류는 전원공급부에 저장됨으로써 상기 전원공급부를 축전지로 사용 가능하다.
본 발명은 다른 관점에서, 상기 레독스 세퍼레이터를 이용하여 산소 및 질소를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 레독스 세퍼레이터는 그 용량에 따라 산업용 또는 가정용 산소 공급장치로 사용될 수 있으며, 사용시 산소 및 질소를 모두 수득하여 이용할 수 있으며, 고순도 산소 및/또는 질소를 다량 필요로 하는 연구실 및 실험실에 설치하여 상기 연구실 및 실험실 자체에서 산소 및/또는 질소를 수득할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 레독스 세퍼레이터는 산소를 많이 필요로 하는 병원 등에 설치하여 사용할 수 있으며, 장치의 크기를 작게 설계하여 에어컨 또는 공기청정기, 공기정화기 등의 공조기에 설치하여 실내에 산소를 공급할 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다. 또한, 이상에서 본 발명의 레독스 세퍼레이터에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다.
10: 수조(10) 20: 산소발생부
21: 양전극 22: 산소 배출구
23: 물 유입구 24: 물저장부
30: 전해질부 40: 질소발생부
41: 음전극 42: 공기유입구
43: 물배출구 44: 질소 배출구
45: 공기저장부 50: 전원공급부

Claims (9)

  1. 물이 저장된 수조;
    상기 수조 내부에 설치되어 수조에 저장된 물을 전기분해하여 산소와 수소이온을 생성하고, 산소를 외부로 배출하는 산소발생부;
    상기 산소발생부 일측에 구비되어 상기 산소발생부에서 제공된 수소이온과 공기 중 산소와의 전기 화학반응에 의해서 전기를 발생시키는 동시에 질소와 물을 생성하고, 생성된 질소와 물을 각각 외부와 수조로 배출하는 질소발생부;
    상기 산소발생부 및 질소발생부 사이에 구비되어, 산소발생부에서 생성된 수소이온을 질소발생부로 제공하는 전해질부; 및
    상기 산소발생부와 질소발생부에 6 volt ~ 8 volt의 직류 전압을 공급하는 전원공급부를 포함하며,
    상기 산소발생부는 전원공급부의 양극과 연결된 기공율이 15 vol% 내지 85 vol%인 양전극을 포함하고, 상기 양전극의 일측은 물에 접촉되며, 그 타측은 전해질부와 접촉되어 있고,
    상기 질소발생부는 전원공급부의 음극과 연결된 기공율이 15 vol% 내지 85 vol%인 음전극을 포함하고, 상기 음전극의 일측은 공기와 접촉되며, 그 타측은 전해질부와 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는, 레독스 세퍼레이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산소발생부는 물을 저장할 수 있는 일정크기의 내부공간을 가지고, 상단부에는 생성된 산소를 배출시키는 적어도 하나의 산소 배출구가 형성되어 있으며, 하단부에는 수조에 저장된 물을 유입시키는 물 유입구가 형성되어 있고, 일측에는 상기 전원공급부의 양극과 연결된 양전극이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 레독스 세퍼레이터.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전해질부는 고분자 전해질막인 것을 특징으로 하는 레독스 세퍼레이터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레독스 세퍼레이터는 질소발생부에서 발생된 전기를 저장시킬 수 있는 저장매체를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 레독스 세퍼레이터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 레독스 세퍼레이터는 질소발생부에서 발생된 전기를 전원공급부로 공급시켜 산소발생부와 질소발생부에 전기를 공급하는 것을 특징으로 하는 레독스 세퍼레이터.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 질소발생부는 외부 공기를 저장할 수 있는 일정크기의 내부공간을 가지고, 상단부에는 외부 공기를 유입시키는 적어도 하나의 공기 유입구가 형성되어 있으며, 하단부에는 생성된 물과 질소를 배출시키는 적어도 하나의 물 배출구와 질소 배출구가 각각 형성되어 있고, 일측에는 전원공급부의 음극과 연결된 음전극이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 레독스 세퍼레이터.
  9. 제1항, 제2항, 제4항 내지 제6항 및 제8항 중 어느 한 항의 레독스 세퍼레이터를 이용하는 것을 특징으로 하는 산소 및 질소를 제조하는 방법.
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