KR20000069036A - 물전기분해 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물을 단시간에 대량으로 전기분해하여 수소와 산소가스를 얻을 수 있는 장치와 그 방법에 관한 것으로, 산소 및 수소 발생기를 내부에 설치하고 직류전원을 연결한 물 전기분해용 전해조와; 상기 전해조에 설치한 가스 압력조절용 안전변과; 상기 전해조에서 나온 혼합가스의 분순물을 여과하기 위한 디미스터와; 디미스터에서 나온 가스가 역류할 시에 불꽃차단을 위하여 상기 디미스터와 연결 설치한 수증기병과; 압력게이지가 구비되고, 말단의 토오치로 분출되는 가스량을 조절하기 위하여 상기 수증기병에 연결 설치한 레규레이터와; 가스의 역류를 방지하기 위하여 상기 레규레이터와 연결 설치한 플래쉬-백 어레스터와; 전해조 내부 압력에 따라 전류를 개폐하기 위하여 상기 전해조에 연결 설치된 프레스 스위치와; 교류전류를 직류로 변환시켜 직류전원을 상기 전해조에 연결하기 위한 다이오드 블록과; 로 이루어져 수소와 산소를 대량으로 얻을 수 있는 물 전기분해 장치 및 그 방법에 관한 발명이다.

Description

물 전기분해 장치 및 그 방법{Apparatus and method for electrolyzing water}

일반적으로 물 전기분해시에는 전기분해조의 한쪽에는 양극봉을 다른쪽에는 음극봉을 설치하고 물에 전해질을 첨가 혼합하여 이를 전해조에 채운 상태에서 직류전류를 통과시켜 전기분해하게 된다. 이때 전해질로는 묽은 황산이나, 수산화나트륨 또는 수산화 칼륨등을 사용하며, 이론적인 분해전압은 상온에서 1.255V 인 것으로 알려져 있으나 실제로 전기분해에 필요한 전압은 수소 및 산소에 대한 과전압 및 전해질의 저항을 고려하여 이론 전압보다 약간 높게 책정되고 있다.

그런데 상기와 같은 통상적인 물 전기분해방법 및 장치에 의하여는 일정시간에 소량의 수소 및 산소가스 밖에는 얻을 수 없고 많은 양의 기체를 얻기 위하여는 이와 같은 장치를 여러개 사용하여야 하든가 장시간에 걸쳐 전기분해를 실시해야만 한다. 따라서 상기와 같은 문 전기분해의 결점을 개량하기 위하여 고안된 것이 대한민국 특허 제116005호에 공개되어 있다.

상기 공개된 특허에 의하면, 단시간에 많은 양의 산소와 수소를 물로부터 전기분해하기 위하여 중앙에 양극봉을 세우고 주위에는 다수겹의 도체로된 원통형 원통을 세우되, 그 최외각에는 원통형 하우징을 구비하도록 하고, 상하 지지판을 절연체로 하여 상기 다수겹의 원통을 서로 접촉되지 않게 고정시킨 구조에 의하여 물과 전해질을 채워서 물을 전기분해하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

그러나 상기의 전기분해 장치를 이용하는데 있어서, 통상적으로 트랜스모머라는 감압수단을 반드시 이용하여야 하기 때문에 설치규모를 콤팩트하게 하는데 어려움이 있고, 또한 그 효율면에서 불리한 점이 발견되었다. 또한 상기 장치에서는 얻어지는 산소와 수소를 개별로 분리시켜 각각의 용도에 맞추어 공급시키기 위한 수단이 구비되어 있지 않다는 문제점이 있다.

또한 상기의 장치를 구비한 전해조내에서 물과 전해질에 함유된 부유물등을 1차적으로 침전하는 수단 또한 구비되어 있지 않아 그 효율면에서 또한 불리하다는 문제점을 갖고 있다.

본 발명은 물을 단시간에 대량으로 전기분해하여 수소와 산소가스를 얻을 수 있는 장치와 그 방법에 관한 것으로, 특히 물 전기분해 장치내에 양극전류와 음극전류를 복수개 형성시켜 동시에 산소와 수소를 대량으로 전기분해에 의하여 얻을 수 있는 물 전기분해 장치 및 그 방법에 관한 것으로 가정용, 상업용, 농업용, 산업용 보일러등 다양한 분야에 이용할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 일실시예에서 산소 및 수소 발생기의 전체사시도.

도 2는 도 1에 관한 산소 및 수소 발생기의 일부 단면을 나타낸 전극표시도.

도 3은 본 발명에 관한 실시예에서 산소 및 수소 발생기를 이용한 설비의 블록 다이어 그램.

도 4는 본 발명에 관한 또 다른 실시예에서 산소 및 수소 발생기의 전체 사시도.

도 5는 본 발명에 관한 산소 및 수소 발생기를 장착한 전해조의 상세 확대도.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여, 상기의 장치를 더욱 더 개량시킨 것으로서, 그 용량을 크게 증가시키면서 또한 콤팩트화를 도모하고 효율을 증가시키기 위한 목적에서 고안되었다.

즉, 본 발명에서는 종래의 발명에서 원통의 개수를 크게 증가시켜 대용량화를 도모하는 한편, 트랜스포모의 감압수단을 제거할 수 있도록 하여 콤팩트화와 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명에서는 상기 원통형 하우징을 복수개 연결시키고 각각의 원통형 하우징에서 산소와 수소가스를 별도로 분리하여 추출시키는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명에서는 상기 장치를 내재한 전해조내에서 물과 전해질에 함유된 부유물을 침전시키기 위한 수단을 구비하도록 하여 그 효율을 증가시키는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예를 먼저 살펴보면, 산소 및 수소가스 발생기를 내부에 설치하고 직류전원을 연결한 물 전기분해용 전해조와; 상기 전해조에 설치한 가스 압력조절용 안전변과; 상기 전해조에서 나온 혼합가스의 분순물을 여과하기 위한 디미스터와; 디미스터에서 나온 가스가 역류할 시에 불꽃차단을 위하여 상기 디미스터와 연결 설치한 수증기병과; 압력게이지가 구비되고, 말단의 토오치로 분출되는 가스량을 조절하기 위하여 상기 수증기병에 연결 설치한 레규레이터와; 가스의 역류를 방지하기 위하여 상기 레규레이터와 연결 설치한 플래쉬-백 어레스터와; 전해조 내부 압력에 따라 전류를 개폐하기 위하여 상기 전해조에 연결 설치된 프레스 스위치와; 교류전류를 직류로 변환시켜 직류전원을 상기 전해조에 연결하기 위한 다이오드 블록과로 이루어진 산소와 수소를 대량으로 얻을 수 있는 물 전기분해 장치에 관한 것이다.

또한, 상기와 같은 본 발명에서 상기 산소 및 수소발생기는, 도체성 물질로 이루어지고 음극전원이 연결된 최외각의 원통형 하우징과; 상기 원통형 본체내의 도체로된 다수개의 원통들과; 상기 원통들의 중앙에 고정되고 양극전원이 연결된 양극용 고정봉과; 상기 원통형 하우징, 다수개의 원통들 과 양극용 고정봉을 상하에서 고정시키기 위한 절연성 물질로 이루어진 상하 고정판과; 로 이루어져 있다. 여기에서 바람직하기로는 상기 다수개의 원통들의 개수는 20 - 22개의 범위로 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 산소 및 수소 발생기에서 원통형 하우징을 복수개 연결하고, 연결부위에는 절연막과 분리막을 차례로 장치한 후, 각 원통형 하우징에서 산소 및 수소가스가 분리되어 나올 수 있도록 하는 분리기를 설치하였다.

그리고 상기 분리기는 각각의 원통형 하우징에 설치된 산소를 추출하기 위한 산소 추출 수단과, 수소를 추출하기 위한 수소 추출 수단과; 상기 산소 추출 수단에서 나온 가스 및 수분을 중간에서 분리하기 위한 1차 산소 저장실과; 상기 수소 추출 수단에서 나온 가스 및 수분을 중간에서 분리하기 위한 1차 수소 저장실과; 상기 1차 산소 및 수소 저장실에서 분리된 수분을 재차 각각의 원통형 본체에 복귀시키기 위한 수분 복귀 수단과; 상기 1차 산소 및 수소 저장실에서 분리된 산소 및 수소를 별도로 저장하는 2차 가스 저장실과; 로 이루어져 있다.

본 발명에서는 또한, 전해조내에 산소 및 수소가스 발생기를 전해조 상부에 고정봉을 이용하여 설치하고 전해조 하부에 드레인트랩을 완비함으로서 이물질이 전해조 내측면을 거쳐 드레인트랩으로 배수되도록 함으로서 효율을 증가시켰다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 관한 도 3에 의하면 산소 및 수소발생기를 이용한 설비를 개략적으로 도시하고 있는데 주요 구성요소는 전해조(1), 안전변(2), 디미스터(3), 수증기병(4), 레규레이터(5), 플래시 백 어레스터(6)등으로 구성된다.

먼저, 산소 및 수소가스 발생기를 전해조(1) 내부에 설치하여 직류전원을 연결하도록 한다. 바람직하기로는 상기 전해조(1)에 가스 압력 조절용 안전변(2)을 구비하여 전해조(1) 내부 압력이 일정수준 이상이 되면 이 안전변(2)을 통하여 가스가 방출되도록 조정한다. 그리고 이 전해조(1)에는 순수한 물을 넣고 전기분해의 촉매제로 수산화칼륨 수용액을 첨가하여 직류전류를 가하여 전기분해에 의한 H2 와 O2 가스를 발생시킨다.

이후 상기 상기 전해조(1)에서 나온 수소와 산소의 혼합가스 중에서 불순물을 여과하기 위한 목적에서 디미스터(3)를 연결 설치한다. 디미스터(3)는 전기분해된 H2, O2 가스에 H2O 및 KOH, 불순물이 함께 나오므로 이들을 걸러주는 역할을 한다. 그 다음 상기 디미스터(3)에서 나온 가스가 역류할 시에 불꽃차단을 위하여 수증기병(4)을 상기 디미스터(3)와 연결 설치한다. 이 수증기병(4)은 가스 분출압력을 일정하게 유지시키며 역류현상이 발생할 경우 불꽃을 차단해주는 역할을 한다. 또한 용액을 바꿈으로서 불꽃의 온도 및 특성을 변화시켜 여러 형태의 용도로 사용할 수 있도록 한다.

그리고 이어서 말단의 토오치(12)로 분출되는 가스량을 조절하기 위하여 레규레이터(5)를 연결 설치하고. 압력게이지(7)를 구비하여 전해조(1) 내부의 압력과 토오치(12)를 통하여 나가는 사용가스이 압력이 항상 항상 측정되어지도록 한다. 또한 가스의 역류를 방지하기 위한 목적의 플래쉬-백 어레스터(FLASH-BACK ARRESTOR, 6)가 상기 레규레이터(5)에 연이어 구비되도록 한다. 그리고 상기 플레쉬-백 어레스터(6) 다음에 토오치(12)를 연결한다.

또한 상기 전해조(1)에는 전해조(1) 내부 압력에 따라 전류를 개폐하기 위하여 프레스 스위치(8)를 설치하는 것이 바람직하다.

도 3에서 미설명부호 9는 팬으로서 기체를 냉각시키기 위한 것이고, 11은 다이오드 블록으로서 교류를 직류로 변환시키기 위한 것이며, 14는 회로 차단기이고 13은 토오치의 팁을 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 본 발명에 있어서의 산소 및 수소 발생기는 최외각의 원통형 하우징(30)과, 다수개의 원통들(20, 20', 20'', 20'''...)과, 고정봉(10)과 상하 고정판(40, 40')으로 구성되어 있다.

원통형 하우징(30)은 도체성 물질로 이루어지고 음극전원이 연결된다. 그리고 상기 원통형 하우징(30)내에서 도체로된 20 - 22개의 원통들(20, 20', 20'', 20'''...)이 중심축으로부터 방사장으로 계속해서 배치된다. 그리고 상기 원통들의 중앙에는 고정봉(10)이 구비되어 이 고정봉(10)에 양극전원이 연결된다. 또한 상하 고정판(40, 40')은 상기 원통형 하우징(30), 다수개의 원통들(20, 20', 20'', 20'''...) 과 양극용 고정봉(10)을 상하에서 고정시키도록 되어 있다.

상기 원통의 개수를 20 -22개의 범위로 함으로서 대용량화가 가능하고 또한 트랜스포머의 구성이 필요없게 되어 트랜스포머에서 감압으로 인한 손실을 배제할 수 있고 코스트의 저감이 가능하며 무게의 경량화와 설비의 콤팩트화를 도모할 수 있다.

본 발명에 있어서 양극용 고정봉(10)과 원통들의 양극으로 대전되는 부위에는 스테인레스 스틸에 니켈을 도금하여 양극에서 발생하는 산소에 의한 부식을 막을 수 있다.

도 4는 본 발명에 관한 또 다른 실시예에서 산소 및 수소 발생기의 전체 사시도를 나타낸 도면이다.

도 4에 의하면, 원통형 하우징(30, 30', 30''...)이 연이어 복수개 연결되고 연결부위에는 절연막(50)과 분리막(60)이 장착된다. 그리고 각 원통형 하우징(30, 30', 30''...)에서 산소 및 수소가스를 별도로 분리할 수 있도록 하는 분리기를 설치한다.

상기 분리기는 산소추출수단(70), 수소추출수단(80), 1차 가스 저장실(90, 90'), 수분 복귀 수단(100, 100'), 2차 가스 저장실(110)로 이루어져 있다. 산소 추출 수단(70) 및 수소 추출 수단(80)은 각각의 원통형 하우징(30, 30', 30''...)에 각각 장착되고, 이 곳에서 나온 산소 및 수소와 수분등을 별도로 분리하여 임시 저장한 후 수분만을 다시 원통형 하우징에 복귀시키기 위한 수분 복귀 수단(100, 100')을 구비한 1차 산소 저장실(90) 및 1차 수소 저장실(90')이 각각 구비된다. 그리고 상기 1차 산소 및 수소 저장실(90, 90')에서 분리된 산소 및 수소를 별도로 저장하는 2차 가스 저장실(110)이 또한 구비된다.

또한, 전해조(1) 내에서 물 및 전해질에 포함된 부유물을 먼저 여과시키기 위한 구조가 도 5에 도시되어 있다. 즉, 전해조(1) 상부에 고정부재(120)를 이용하여 산소 및 수소 발생기를 매달아 설치하고 하부에는 드레인트랩(130)을 구비하도록 하여 부유물이 전해조 내측면을 거쳐 드레인트랩으로 배수되도록 한다. 이렇게 함으로서 전해조 내부에서 전기분해하는 과정중에서의 전해질 저항을 최소화하여 발생효율을 증가시킬 뿐 아니라 양, 음이온의 저항에 의한 발생열 손실을 저감시킴으로서 전해조에 인입되는 보충수가 충분한 순수조건이 되지 않아도 전해조 효율이 크게 향상되어질 수 있다.

본 발명에서 물을 전기분해하여 산소 및 수소를 대량으로 생산하는 방법을 살펴본다. 즉 도체성 물질로 이루어지고 그 개수가 20 - 22개로 된 원통(20, 20', 20''...)이 환상으로 연속 배치되고, 상기 원통들이 절연성 물질로 이루어진 상하 고정판(40, 40') 또는 하고정판(40')에 의하여 상하 또는 하면을 고정되고, 그 외곽이 음극용 원통형 하우징(30)으로 둘러쌓이며, 상기 원통들의 중앙에 양극용 고정봉(10)이 상기 상하 고정판(40, 40') 또는 하고정판(40')에 의하여 고정된 것으로 구성된 전해장치에 통상의 순수물과 전해질을 채우고, 상기 원통형 하우징(30)에는 음극전원을 연결하고 상기 고정봉(10)에는 양극전원을 연결시켜, 양극의 고정봉(10)과 최외곽의 원통형 하우징(30)사이의 도체로된 원통들에 다수개의 양극과 음극전류를 동시 다발적으로 발생시켜 물을 전기분해하여 산소 및 수소가스를 대량으로 생산하는 것이 가능하다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 보다 다양한 변형이 가능하며 이와 같은 변형된 모델로 본 발명사상을 벗어나지 않는 한 본 발명의 범위에 포함되어질 것이다.

Claims (8)

1. 산소 및 수소 발생기를 내부에 설치하고 직류전원을 연결한 물 전기분해용 전해조와; 상기 전해조에 설치한 가스 압력조절용 안전변과; 상기 전해조에서 나온 혼합가스의 분순물을 여과하기 위한 디미스터와; 디미스터에서 나온 가스가 역류할 시에 불꽃차단을 위하여 상기 디미스터와 연결 설치한 수증기병과; 압력게이지가 구비되고, 말단의 토오치로 분출되는 가스량을 조절하기 위하여 상기 수증기병에 연결 설치한 레규레이터와; 가스의 역류를 방지하기 위하여 상기 레규레이터와 연결 설치한 플래쉬-백 어레스터와; 전해조 내부 압력에 따라 전류를 개폐하기 위하여 상기 전해조에 연결 설치된 프레스 스위치와; 교류전류를 직류로 변환시켜 직류전원을 상기 전해조에 연결하기 위한 다이오드 블록과; 로 이루어진 것을 특징으로 하는 산소와 수소를 대량으로 얻을 수 있는 물 전기분해 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 산소 및 수소 발생기는,

   도체성 물질로 이루어지고 음극전원이 연결된 최외각의 원통형 하우징과; 상기 원통형 본체내의 도체로된 다수개의 원통들과; 상기 원통들의 중앙에 고정되고 양극전원이 연결된 양극용 고정봉과; 상기 원통형 하우징, 다수개의 원통들 과 양극용 고정봉을 상하에서 고정시키기 위한 절연성 물질로 이루어진 상하 고정판과; 로 이루어진 것을 특징으로 하는 산소와 수소를 대량으로 얻을 수 있는 물 전기분해 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 원통의 개수는 20 - 22의 범위로 이루어진 것을 특징으로 하는 산소와 수소를 대량으로 얻을 수 있는 물 전기분해 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 원통형 하우징을 복수개 연결하고, 연결부위에는 절연막과 분리막을 차례로 장치한 후, 각 원통형 하우징에서 산소 및 수소가스가 분리되어 나올 수 있도록 하는 분리기를 설치한 것을 특징으로 하는 산소와 수소를 대량으로 얻을 수 있는 물 전기분해 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 분리기는, 각각의 원통형 하우징에 설치된 산소를 추출하기 위한 산소 추출 수단과, 수소를 추출하기 위한 수소 추출 수단과; 상기 산소 추출 수단에서 나온 가스 및 수분을 중간에서 분리하기 위한 1차 산소 저장실과; 상기 수소 추출 수단에서 나온 가스 및 수분을 중간에서 분리하기 위한 1차 수소 저장실과; 상기 1차 산소 및 수소 저장실에서 분리된 수분을 재차 각각의 원통형 본체에 복귀시키기 위한 수분 복귀 수단과; 상기 1차 산소 및 수소 저장실에서 분리된 산소 및 수소를 별도로 저장하는 2차 가스 저장실과; 로 이루어진 것을 특징으로 하는 산소와 수소를 대량으로 얻을 수 있는 물 전기분해 장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,

   전해조내에 산소 및 수소 발생기를 전해조 상부에 고정부재를 이용하여 설치하고 전해조 하부에 드레인 트랩을 완비함으로서 이물질이 전해조 내측면을 거쳐 드레인 트랩으로 배수되도록 하는 것을 특징으로 하는 산소와 수소를 대량으로 얻을 수 있는 물 전기분해 장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,

   양극용 고정봉과 원통들의 양극으로 대전되는 부위에는 스테인레스 스틸 또는 스틸에 니켈을 도금한 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 산소와 수소를 대량으로 얻을 수 있는 물 전기분해 장치.
8. 도체성 물질로 이루어지고 그 개수가 20 - 22개로 된 원통이 환상으로 연속 배치되고, 상기 원통들이 절연성 물질로 이루어진 상하 고정판 또는 하고정판에 의하여 상하 또는 하면을 고정되고, 그 외곽이 음극용 원통형 하우징으로 둘러쌓이며, 상기 원통들의 중앙에 양극용 고정봉이 상기 상하 고정판 또는 하고정판에 의하여 고정된 것으로 구성된 전해장치에 통상의 순수물과 전해질을 채우고, 상기 원통형 하우징에는 음극전원을 연결하고 상기 고정봉에는 양극전원을 연결시켜, 양극의 고정봉과 최외곽의 원통형 하우징사이의 도체로된 원통들에 다수개의 양극과 음극전류를 동시 다발적으로 발생시켜 산소와 수소를 대량으로 얻을 수 있는 물 전기분해 방법.