KR20010103422A

KR20010103422A - 재생에너지의 효율적 활용을 위한 분리형 물의전기분해장치 및 이를 이용한 연소장치

Info

Publication number: KR20010103422A
Application number: KR1020000024955A
Authority: KR
Inventors: 이강운
Original assignee: 이강운
Priority date: 2000-05-10
Filing date: 2000-05-10
Publication date: 2001-11-23

Abstract

본 발명은 물의 전기분해시 발생하는 수소 및 산소를 효율적으로 분리하여 포집하는 전기분해장치 및 이를 이용한 연소장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 물을 전기분해하여 수소 및 산소를 발생시키는 전기분해장치에 있어서, 전해조의 양극과 음극 사이에 금속판을 설치하여 대량의 산소 및 수소를 발생시키고, 양극과 금속판, 금속판과 금속판 및 금속판과 음극 사이에 분리막을 설치하여 산소와 수소가 서로 혼합되지 아니하도록 하고, 수소 배출 통로 및 산소 배출 통로를 각각 설치하여 분리막에 의해 서로 격리된 수소 및 산소 가스가 분리되어 배출되도록 함을 특징으로 하는 분리형 전기분해장치 및 이를 이용한 연소장치에 관한 것이다.

본 발명의 전기분해장치는 효율적으로 물을 전기분해하여 수소 및 산소를 얻을 수 있는 방안을 제시할 뿐만 아니라 재생에너지를 효율적으로 이용할 수 있는 대안을 제시한다.

Description

재생에너지의 효율적 활용을 위한 분리형 물의 전기분해장치 및 이를 이용한 연소장치{ELECTROLYSIS SYSTEM FOR ELECTROLYSING WATER FOR THE SAKE OF EFFECTIVE UTILIZATION OF ENERGY, AND CUMBUSTION SYSTEM COMPRISING IT}

본 발명은 재생에너지의 효율적 활용을 위한 분리형 물의 전기분해장치 및 이를 이용한 연소장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 물의 전기분해시 발생하는 수소 및 산소를 효율적으로 분리하여 포집하는 전기분해장치 및 이를 이용한 연소장치에 관한 것이다.

물의 전기분해는 전해조의 한쪽에는 양극봉을 다른 한쪽에는 음극봉을 장치하고 전도도를 향상시키기 위해 통상 황산, 수산화나트륨 또는 수산화칼륨과 같은전해질을 물에 첨가하여 전해조에 채운 상태에서 직류 전류를 통과시켜 전기분해를 수행하게 되는데, 음극봉에서 발생하는 수소 및 양극봉에서 발생하는 산소는 통상 혼합가스 상태로 배출되어 토오치 등을 포함하는 여러 연소장치의 에너지원으로 사용되게 된다.

그러나, 에너지원으로 혼합가스를 이용할 경우, 그 혼합비가 일정하지 않아 에너지의 효율저하 및 에너지의 손실을 야기한다. 그리고 배출된 혼합가스는 통상 여과장치가 배치되지 아니하는 관계로 가스에 일정량의 수분 또는 전해액이 포함되어, 혼합가스를 에너지원으로 연소장치에 사용할 때 배관상에 막대한 지장을 주어 고장의 원인을 제공한다.

따라서 본 발명의 목적은 재생에너지의 효율저하를 방지하기 위하여 물의 전기분해에 의해 발생하는 수소와 산소를 분리하여 포집하는 분리형 전기분해장치를 제공하는 것이다..

본 발명의 또 다른 목적은 수소 또는 산소 가스에 물리적으로 포함되는 일정량의 수분 또는 전해액을 제거하기 위해 배출된 가스가 여과 수단을 통과하게 함으로써 수분 또는 전해액에 의해 발생되는 여러 부작용을 미연에 방지하는 전기분해장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 분리된 혼합가스를 에너지원으로 효율적으로 이용하기 위해 각각의 가스를 일정한 압력으로 공급하는 균압 조정기를 포함하는 전기분해장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 전기분해장치에 의해 발생한 수소 및 산소를 이용한 연소장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 전기 분해 장치의 개략도,

도 2는 물의 전기분해가 일어나는 전해조의 개략도,

도 3은 절연링과 분리막 사이를 결합시키는 방법,

도 4는 본 발명의 전기분해장치의 전기분해 원리,

도 5는 본 발명의 전기분해장치를 이용한 연소장치의 일예를 도시한 것이다.

본 발명의 전기분해장치는 물의 전기분해시 발생하는 수소와 산소가스가 혼합되어 발생하는 수소/산소의 혼합가스 발생 장치와는 달리, 전해조의 양극과 음극 사이에 금속판을 설치하여 대량의 산소 및 수소를 발생시키고, 양극과 금속판, 금속판과 금속판 및 금속판과 음극 사이에 분리막을 설치하여 산소와 수소가 서로 혼합되지 아니하도록 하고, 수소 배출 통로 및 산소 배출 통로를 각각 설치하여 서로 격리된 수소 및 산소 가스가 분리되어 배출되도록 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명의 전기분해장치는 또한 전기분해 효율을 일정하게 유지하기 위해 종래의 외부송풍에 의한 냉각방법을 탈피하여 전해조 내의 용액을 순환시키는 펌프를 배치하고 전해액이 순환되는 과정에서 적절한 온도가 유지되도록 냉각핀이 설치된 방열기를 통과하면서 냉각팬에 의하여 자동 또는 수동으로 동작되므로 항상 균일한 온도조건에서 전해조가 가동되도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 전기분해장치는 또한 전해조에 인가하는 전원에 음극/양극의 교번 조정이 가능한 전환스위치를 배치하여 전해조에 인가하는 전해조의 음극에 환원피막의 형성에 의해 발생되는 이물질을 일정 주기로 제거하여 전해밀도가 균일하게 유지될 수 있도록 함을 특징으로 한다.

본 발명의 전기분해장치는 또한 수소 및 산소 배출 통로를 통해 배출된 수소 및 산소가 여과 장치를 통과하도록 함으로써 최종단의 가스에는 순수한 가스만이배출되어 종래 가스에 일정량의 수분 또는 전해액이 포함되어 발생하는 여러 가지 부작용을 미연에 방지하고자 함을 특징으로 한다.

본 발명은 또한 상기 전기분해장치와 수소 및 산소를 에너지원으로 이용하는 연소 장치의 사이에 균압조정기를 배치하여 분리된 수소 및/또는 산소를 일정한 압력으로 배출되도록 함으로써 에너지를 효율적 이용을 도모하고자 함을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 통해 본 발명을 보다 구체적으로 살펴보고자 한다.

도 1은 본 발명의 전기 분해 장치(100)를 개략적으로 표현한 것이다.

먼저 전해조(101)에는 음극/양극의 교번조정이 가능한 전환스위치(102)가 설치되어 음극 및 양극을 일정 주기로 교번시켜 줌으로써 음극에서 발생하는 환원물질을 주기적으로 제거한다. 그리고 상기 전해조(101)에는 펌프(104)가 연결되어 전해액이 순환되고, 이물질(또는 물속에 용존해 있는 이온들의 전기/화학적인 반응에 의해 석출된 석출물)에 의한 펌프(104)의 손상을 방지하기 위해 펌프의 입구단에는 열융착공법에 의해 구성된 프리필터(pre-filter)(105)가 설치된다. 펌프를 통과한 전해액은 냉각팬(미도시)이 부착된 방열기(106)를 경유하게 되며, 방열기에 의해 전해액의 온도가 적정한 범위(통상 40 -60℃)에서 자동 또는 수동으로 조절된다.

전해조에 의해 분리되어 배출되는 산소 및 수소는 각각 별도의 급수탱크(107a, 107b)를 통과하게 된다. 급수탱크(107a, 107b)는 가스의 버블 효과를 증대시키기 위해 다수개의 구멍을 갖는 구조를 가지고 있으며, 이것에 의해 버블링 효과가 증대되고 대부분의 전해액이 제거된다.

전해액이 제거된 수소 및 산소 가스는 1차 기수분리기(108a, 108b) 및 2차 기수분리기(109a, 109b)를 통과하게 되고, 여기서 대부분의 수분이 제거되며, 제거된 수분은 다시 급수탱크(107a, 107b)로 공급되고, 순수하게 정제된 수소 및 산소 가스는 수소 저장조 및 산소 저장조에 각각 저장된다. 필요한 경우 수소 및 산소를 직접 에너지원으로 이용할 수 있다. 저장조에 저장된 수소 및/또는 산소를 에너지원으로 이용할 경우, 또는 수소 및 산소를 직접 에너지원으로 사용할 경우, 이들을 균압조정기(110)를 통과하게 함으로써 일정한 압력으로 배출되게 하여 에너지 효율을 증가시킬 수 있다.

한편, 전해조(101)와 급수탱크(107a, 107b)의 사이에 강제 급수펌프(111a, 111b)를 설치하여 전해액의 양을 일정한 수준으로 유지시켜 원활한 전기분해를 유도한다.

본 발명의 전기분해장치는 전해조(101)의 하단부에 진동기(vibrator)(미도시)를 추가로 설치하여 전극 표면에 형성되는 기포를 빨리 제거함으로써 과전압을 억제하여 에너지 변환효율을 증대시킬 수 있으며, 필요한 경우 수위 조절기를 설치하여 강제 급수 펌프(111a, 111b)와 전해조(101) 사이에 설치하여 수위를 적절한 범위내에서 자동으로 조절할 수 있다.

도 2는 물의 전기분해가 일어나는 전해조(200)의 개략도를 도시한 것이다. 전해조(200)에는 음극(201), 복수의 금속판(202a, 202b, 202c, 이하 "202"라 함) 및 양극(203)이 배치되어 있으며, 이들은 각각 분리막(204a, 204b, 204c, 204d, 이하 "204"라 함)에 의해 서로 분리되어 있다. 음극(201), 금속판(202), 양극(203)및 분리막(204)에는 절연링(205a, 205b, 205c, 205d)이 부착되고, 음극(201), 금속판(202), 양극(203) 및 분리막(204)과 절연링(205a, 205b, 205c, 205d) 사이는 실링(sealing)(미도시)에 의해 각각 밀봉된다. 절연링(205d)이 부착된 분리막(204)은 물의 전기분해에 의해 발생한 수소 및 산소가 서로 혼합되지 아니하도록 한다. 그리고 음극(201), 금속판(202), 양극(203) 및 분리막(204)의 하단에는 전해질 배출구(206)가 있으며, 이들은 전해질 이동관(미도시)으로 서로 연결되어 전해질이 이동하게 된다. 그리고 음극(201), 금속판(202), 양극(203) 및 분리막(204)의 상단에는 수소 배출구(207) 및 산소 배출구(208)가 설치되어 있으며, 이들은 서로 절연재에 의해 코팅되어 있는 수소배출관(미도시) 및 산소배출관(미도시)에 의해 연결된다. 음극(201) 또는 금속판(202)의 (-)부분에서 발생하는 수소 가스의 배출통로를 제공하는 수소배출관은 수소배출홈(미도시)이 음극 가스층에만 존재하여 전기분해에 의해 발생하는 수소를 산소와 분리하여 이동할 수 있도록 하고, 양극에서 발생하는 산소 가스의 배출통로를 제공하는 산소배출관(미도시)은 산소배출홈(미도시)이 양극 가스층에만 존재하여 전기분해에 의해 발생하는 산소를 수소와 분리하여 이동할 수 있도록 구성되어 있다. 따라서, 분리막(204)에 의해 서로 격리된 수소 및 산소가 서로 혼합되지 아니하고 수소배출관 및 산소배출관을 통해 이동할 수 있게 된다.

도 3은 절연링(205d)과 분리막(204) 사이를 결합시키는 방법을을 도시한 것이다. 절연링(205d)은 절연성 물질로 구성되어 있으며, 절연링(205d)의 상단에는 수소배출구(207) 및 산소배출구(208)가 형성되어 있으며, 절연링(205d)의 하단에는전해질 배출구(206)가 형성되어 있다. 절연링(205d)과 분리막(204)은 절연링의 내경(209)과 각각의 배출구를 통해 서로 결합하게 된다.

상기 도 3은 절연링과 분리막 사이의 결합을 도시한 것이나, 절연링과 금속판 및 절연링과 전극판 사이의 결합도 도 3과 동일한 방식으로 성취된다.

도 4는 음극(201)과 양극(203) 사이에 배치되는 금속판(202a, 202b, 202c)에 의해 물이 전기분해되어 대량의 수소 및 산소가 발생하는 원리와 발생된 수소 및 산소가 분리되는 원리를 도시한 것이다. 전극에 전류가 흐르게 되면 금속판의 전자가 양극쪽으로 이동하게 되어 금속의 표면에서 전자밀도가 서로 달라지게 되고, 따라서 금속판에서 양극(+)과 음극(-)이 교차로 유도된다. 결국 음극과 양극 전원이 다수개 동시에 발생하게 됨으로써 물의 전기분해가 다수개의 음극과 양극이 형성된 전해조 내에서 동시다발적으로 발생하게 되어 많은 양의 수소와 산소가 동시에 발생하게 되어 단시간에 수소 및 산소 가스를 대량으로 얻을 수 있게 된다. 그리고 이들은 분리막(204a, 204b, 204c, 204d)에 의해 서로 분리되어 있어 산소와 수소가 서로 분리되어 이동할 수 있도록 되어 있다.

본 발명의 전기분해장치는 다양한 연소 장치에 부착되어 사용할 수 있다. 연소 장치의 예로는 수소 및 산소의 혼합가스를 이용하는 버너, 납땜 장치 등을 들 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 도 5는 연소장치의 일예를 도시하고 있다. 연소장치(400)는 버너(401) 부에서 와류환통(402)을 통해 유입되는 가스를 송풍기(403)를 통하여 배출하는 구조로 되어 있으며, 버너(401)에는 수소 및 산소 가스의 이동을 제공하는 수소 가스 연결구(404a) 및 산소 가스 연결구(404b)를갖는 와류환통(402), 혼합기용 노즐(405), 금속 소결제와 체크밸브를 포함하고 있어 혼합연소시 빠른 연소를 지속 유지할 수 있도록 하는 금속 소결형 화염 역화방지기(flame arrestor)(406) 및 화염이 닿는 노즐(407)의 냉각과 가열공기 유입을 위하여 노즐 냉각용 송풍기(408) 등이 장착되어 있다. 따라서 본 발명의 전기분해장치에 의해 분리 배출되는 수소 및 산소를 균압 조정기를 사용하여 일정한 압력으로 버너의 수소 가스 연결구(404a) 및 산소 가스 연결구(404b)를 통해 가스를 공급함으로써 상기 연소 장치(400)을 효율적으로 이용할 수 있게 된다.

종래와 같이 물을 전기분해하여 수소 및 산소를 혼합가스의 상태로 배출하는 것이 아니라 수소 및 산소를 각자 분리하여 배출하는 본 발명의 전기분해장치는 에너지의 효율적 이용을 도모하게 할 수 있을 뿐만 아니라 수소 및 산소가 가지는 독자적 이용분야에 다양하게 이용될 수 있다. 또한, 전기분해장치에 프리필터, 펌프, 방열기를 설치함에 의해 펌프의 손상을 방지하고 일정한 온도에서 전해조를 가동할 수 있어 전지분해 장치의 효율을 향상시킬 수 있다.

그리고, 본 발명의 전기분해장치에 전해조에 인가하는 전원에 음극/양극의 교번 조정이 가능한 전환스위치를 배치함에 의해 전해조의 음극에서 발생하는 환원피막을 일정 주기로 제거하여 전해밀도가 균일하게 유지될 수 있을 뿐만 아니라 전기분해장치의 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 전기분해장치는 또한 수소 및 산소 배출 통로를 통해 배출된 수소 및 산소가 여분의 여과 장치를 통과하도록 함으로써 최종단의 가스에는 순수한 가스만이 배출되어 종래 가스에 일정량의 수분 또는 전해액이 포함되어 발생하는 여러 가지 부작용을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims

물을 전기분해하여 수소 및 산소를 발생시키는 전기분해장치에 있어서, 전해조의 양극과 음극 사이에 금속판을 설치하여 대량의 산소 및 수소를 발생시키고, 양극과 금속판, 금속판과 금속판 및 금속판과 음극 사이에 분리막을 설치하여 산소와 수소가 서로 혼합되지 아니하도록 하고, 수소 배출 통로 및 산소 배출 통로를 각각 설치하여 서로 격리된 수소 및 산소 가스가 분리되어 배출되도록 함을 특징으로 하는 분리형 전기분해장치.
제1항에 있어서, 상기 전기분해장치가 이물질을 제거하는 프리필터, 전해조 내의 용액을 순환시키는 펌프, 및 전해액이 순환되는 과정에서 적절한 온도가 유지되도록 하는 방열기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해장치.
제2항에 있어서, 상기 전기분해장치가 음극에서 발생하는 환원피막을 일정 주기로 제거하기 위해 음극/양극의 교번조정이 가능한 전환스위치가 추가로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전기분해장치.
제3항에 있어서, 상기 전기분해장치가 수소 및 산소를 순수하게 배출하기 위해 급수탱크 및 기수분리기를 포함하는 여과장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해장치.
제4항에 있어서, 상기 전기분해장치가 별도로 배출되는 수소 및/또는 산소를 일정한 압력으로 균일하게 공급하기 위해 균압 조정기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해장치.
제5항에 따른 전기분해장치를 포함하는 연소장치.