KR20020060827A - Apparatus for generating oxygen and hydrogen gas using electrolysis - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전기분해를 이용한 산소 및 수소 발생장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다수의 양극판 및 음극판 사이에 바이폴러 이온교환수지막을 설치하여 적은 전압으로 효과적으로 산소와 수소를 발생시킬 수 있는 전기분해를 이용한 산소 및 수소 발생장치에 관한 것이다.The present invention relates to a device for generating oxygen and hydrogen using electrolysis, and more particularly, by installing a bipolar ion exchange resin film between a plurality of anode plates and cathode plates, electrolysis that can effectively generate oxygen and hydrogen at a low voltage. It relates to the oxygen and hydrogen generator used.
환경친화적인 새로운 에너지원들 가운데 수소는 21세기 산업의 동력원으로서 가장 각광받고 있다는 사실은 널리 알려져 있다. 수소가 새로운 청정에너지원으로 가장 각광받고 있는 이유는 수소가 연료전지의 에너지원으로 사용되고, 에너지 생성반응 부산물로 오직 물만이 생성되어지기 때문이다.It is well known that hydrogen is one of the most environmentally friendly new energy sources as the driving force of the 21st century industry. Hydrogen is in the spotlight as a new clean energy source because hydrogen is used as the energy source of fuel cells, and only water is produced as an energy generation by-product.
수소는 자연계에 물과 같은 화합물 형태로 방대한 양이 존재하고, 언제 어디서나 쉽게 구할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 수소를 운송하는 방법 또한 많이 발전해 있는 실정이다. 이러한 관점에서 볼 때, 수소에너지는 연소시 이산화탄소를 배출하는 탄화수소계 알코올류의 대체에너지와는 분명히 차별된다. 또한, 지역적 계절적 편차가 크고 에너지의 수송이 제한된 지열이라든가 풍력 등과 같은 다른 대체에너지보다도 우수하다.Hydrogen is present in nature in a huge amount in the form of a compound such as water, and has the advantage that it can be easily obtained anytime and anywhere. In addition, a method of transporting hydrogen has also been developed a lot. In this respect, hydrogen energy is clearly distinguished from alternative energy of hydrocarbon alcohols that emit carbon dioxide upon combustion. In addition, it is superior to other alternative energy such as geothermal heat and wind power, where regional seasonal variation is large and energy transportation is limited.
또한, 수소가스는 기존의 탄화수소계 연료인 가솔린, 등유, 경유 등의 보조연료로서 사용되어 연료절감 효과를 제공할 수도 있다.In addition, hydrogen gas may be used as an auxiliary fuel such as gasoline, kerosene, diesel, and the like, which is a conventional hydrocarbon fuel, to provide a fuel saving effect.
수소가스는 또한, 에너지원으로서 뿐만 아니라 화학공업의 중요한 원료로도 많이 사용되어지며 앞으로 그 수요는 늘어날 전망이다. 예를 들면, 일본에서는 공해물질인 산업체에서 나오는 이산화탄소를 분리하여 폐기 처분하는 대신에, 이산화탄소를 수소와 반응시켜 메탄올을 생산하는 이산화탄소의 화학적 고정화기술을 국가적 연구과제로 추진하고 있다.Hydrogen gas is also used not only as an energy source but also as an important raw material for the chemical industry, and its demand is expected to increase in the future. For example, in Japan, instead of separating and discarding carbon dioxide from a pollutant industry, Japan is pursuing a national research project on chemical immobilization of carbon dioxide, which reacts with hydrogen to produce methanol.
미래에 심화되어질 유기탄소 자원의 부족을 고려하고 이산화탄소가 환경에 미치는 악영향을 고려할 때, 수소는 유기합성공정의 매력적인 자원이 되고 있다. 그 중에, 포믹산(Formic Acid)은 유기화학 산업의 원천적인 원료들 중의 하나이며, 이의 생산을 위해서 이산화탄소의 수소화 공정에 의한 포믹산 제조공정이 연구되어지고 있다. 이러한 공정에서 수소의 공급은 핵심역할을 수행할 것으로 보인다.Hydrogen is an attractive resource for organic synthesis, given the lack of organic carbon resources in the future and the adverse effects of carbon dioxide on the environment. Among them, formic acid (Formic Acid) is one of the raw materials of the organic chemical industry, and the production process of the formic acid by the hydrogenation process of carbon dioxide has been studied for its production. The hydrogen supply in these processes is likely to play a key role.
그러나, 수소가스는 다양한 화학공업분야에서 사용될 전망이지만, 수소가스가 가지는 폭발성으로 인해서 수송과 보관에 커다란 어려움이 존재한다. 따라서, 최종 소비지 현장에서 직접 수소를 생산하여 공급하는 수소생산장치에 대한 산업적 요구가 증대하고 있다.However, although hydrogen gas is expected to be used in various chemical industries, there are great difficulties in transportation and storage due to the explosive nature of hydrogen gas. Therefore, the industrial demand for a hydrogen production apparatus for producing and supplying hydrogen directly at the final consumer site is increasing.
수소가스 생산을 위해서 다양한 방법들이 시도되고 있으나, 현시점까지 알려진 기술에서는 물의 전기분해를 통한 수소생산이 가장 효율적인 것으로 알려져 있다. 따라서, 고기능의 전기분해장치 개발은 충분한 산업적 가치를 가질 것으로 보인다.Various methods have been tried to produce hydrogen gas, but in the known technology, hydrogen production through electrolysis of water is known to be the most efficient. Therefore, the development of high performance electrolysis device is expected to have sufficient industrial value.
또한, 물의 전기분해를 통해서는 수소가스뿐만 아니라 동시에 산소가스가 생산되므로 부가가치는 더욱 높아질 것으로 보인다. 게다가, 이 장치의 개발은 산업자원부에서 고시한 '99년 국산화 대상 핵심자본재 품목 고시' 중의 산소발생기(99-11-0025), 습식 가스 발생기(99-11-0026) 및 산소 발생기 부분품(99-11-0027) 항목에 해당한다.In addition, the added value is expected to be higher because not only hydrogen gas but also oxygen gas is produced through the electrolysis of water. In addition, the development of the device was carried out by the Ministry of Commerce, Industry and Energy, the 'Oxygen Generator (99-11-0025), the wet gas generator (99-11-0026) and the oxygen generator parts (99- 11-0027).
전기분해에 의해 생산된 산소 및 수소가스 생산장치는 태양열, 풍력, 조력 등의 무공해 에너지원들과 연결되어 사용될 수도 있다.Oxygen and hydrogen gas production equipment produced by electrolysis may be used in conjunction with non-polluting energy sources such as solar, wind and tidal power.
일반적으로, 물을 전기분해하는 방법은 널리 알려져 있으며, 이를 설명하기 위한 개략적인 도면이 도 1에 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 종래기술에 따른 물의 전기분해 장치(1)는 기본적으로 하우징(2) 내에 분리막(3)으로 분리된 양극챔버(4) 및 음극챔버(5)를 구비한다. 양극챔버(4) 내에는 양극판(6)이 설치되고, 음극챔버(5) 내에는 음극판(7)이 설치된다. 양극판(6)과 음극판(7)은 각각 외부전원의 양극 및 음극에 연결된다. 또한, 양극챔버(4) 내에는 KOH 또는 NaOH 등을 함유하는 염기성 전해질용액이 채워지며, 음극챔버(5) 내에는 마찬가지로 HCl 등을 함유하는 산성 전해질용액이 채워진다.In general, a method of electrolyzing water is well known, and a schematic drawing for explaining it is shown in FIG. 1. Referring to FIG. 1, the electrolysis device 1 of water according to the prior art basically includes an anode chamber 4 and a cathode chamber 5 separated by a separator 3 in the housing 2. The positive electrode plate 6 is provided in the positive electrode chamber 4, and the negative electrode plate 7 is provided in the negative electrode chamber 5. The positive electrode plate 6 and the negative electrode plate 7 are connected to the positive electrode and the negative electrode of the external power supply, respectively. In addition, a basic electrolyte solution containing KOH or NaOH or the like is filled in the positive electrode chamber 4, and an acidic electrolyte solution containing HCl or the like is filled in the negative electrode chamber 5.
분리막(3)으로는 무기질 격막(Inorganic Membrane), 석면(Asbestos) 또는 특수 다공성 격막(Special Porous Diaphragm) 등이 사용된다.As the separator 3, an inorganic membrane (Inorganic Membrane), asbestos (Asbestos) or a special porous membrane (Special Porous Diaphragm) is used.
종래의 전기분해 장치들에서 산소와 수소가스를 생산하는 전기화학반응 메커니즘은 근본적으로 차이가 없으며 다음과 같은 반응에 의존한다.In conventional electrolysis devices, the electrochemical reaction mechanism for producing oxygen and hydrogen gas is essentially different and depends on the following reaction.
음극: 2 H2O + 2 e-→ 2 OH-+ H2E = -0.83V Cathode: 2 H 2 O + 2 e - → 2 OH - + H 2 E = -0.83V
위의 반응식에서 보여진 바와 같이, 염기성 전해질용액에서 전기분해가 일어나려면 최소한 1.23V 이상의 표준 전위차가 필요하다. 더구나, 전해질에서의 전위강하, 분리막(3)에서의 전위강하, 전극판(5, 6) 표면에서의 전기저항에 의한 전위강하, 산소와 수소가스의 분압에 의한 영향 등을 고려한다면, 실제 전기분해에 필요한 전위차는 1.23V 보다 훨씬 높다. 또한, 산소와 수소가스의 발생속도는 전극전위에 의존하므로, 산소와 수소가스의 생산량을 원하는 만큼 획득하기 위해서는 추가적인 전위차가 더 가해져야 한다.As shown in the above scheme, a standard potential difference of at least 1.23 V is required for electrolysis to occur in the basic electrolyte solution. Furthermore, if the potential drop in the electrolyte, the potential drop in the separator 3, the potential drop due to the electrical resistance on the surface of the electrode plates 5, 6, and the influence of the partial pressure of oxygen and hydrogen gas are considered, The potential difference required for decomposition is much higher than 1.23V. In addition, since the rate of generation of oxygen and hydrogen gas depends on the electrode potential, an additional potential difference must be added to obtain the desired amount of oxygen and hydrogen gas production.
종래 기술에서는 전해질에서 전위강하 등에 의해 에너지가 손실되는 것을 방지하기 위해서 가급적 전극 사이의 간격을 좁히는 제로갭 구조를 사용해왔다. 그러나, 제로갭 구조에서는 산소와 수소가 매우 인접한 위치에서 발생되기 때문에, 서로 결합하여 물로 환원되는 비율이 높아지게 된다.In the prior art, in order to prevent energy loss due to potential drop or the like in the electrolyte, a zero-gap structure that narrows the gap between the electrodes is preferably used. However, in the zero-gap structure, since oxygen and hydrogen are generated at very close positions, the ratio of bonding to each other and reducing to water increases.
따라서, 물을 전기분해하는데 필요한 전위차를 줄이고, 제로갭 구조에 의한 전기분해의 효율성 저하를 극복하기 위한 신기술에 대한 필요성이 대두되고 있다.Therefore, there is a need for a new technology for reducing the potential difference required for electrolysis of water and overcoming a decrease in the efficiency of electrolysis due to the zero gap structure.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 적은 전위차에 의해서도 효율적으로 물을 전기분해하여 산소 및 수소가스를 생성할 수 있는 산소 및 수소 발생장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an oxygen and hydrogen generating apparatus capable of generating oxygen and hydrogen gas by electrolyzing water efficiently even with a small potential difference.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.The following drawings attached to this specification are illustrative of preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention to serve to further understand the technical spirit of the present invention, the present invention is a matter described in such drawings It should not be construed as limited to
도 1은 종래 기술에 따른 물의 전기분해장치를 도시하는 개략도.1 is a schematic diagram showing an electrolysis device of water according to the prior art.
도 2는 본 발명에 따른 전기분해를 이용한 산소 및 수소 발생장치를 도시하는 개략도.Figure 2 is a schematic diagram showing an oxygen and hydrogen generator using the electrolysis according to the present invention.
도 3은 도 2에 도시된 극판의 한 예를 도시하는 도면.FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the electrode plate shown in FIG. 2. FIG.
도 4는 도 2에 도시된 극판의 다른 예를 도시하는 도면.FIG. 4 is a diagram showing another example of the electrode plate shown in FIG. 2. FIG.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10..산소 및 수소 발생장치 12..하우징 14..이동통로10. Oxygen and hydrogen generator 12. Housing 14. Mobile passage
18, 18', 18"..양극판 20, 20', 20"..음극판 22..양극챔버18, 18 ', 18 "anode plate 20, 20', 20" anode plate 22 anode chamber
24..음극챔버24. Cathode chamber
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전기분해를 이용한 산소 및 수소 발생장치는 하우징, 상기 하우징 내에 설치되어 전원이 공급될 때 전기분해에 의해 산소를 발생시키는 다수의 양극판, 상기 하우징 내에서 상기 양극판과교대로 설치되어 전원이 공급될 때 전기분해에 의해 수소를 발생시키는 다수의 음극판, 및 상기 각각의 양극판 및 음극판 사이에 설치되어 전기분해 대상이 되는 물이 이동하는 통로를 제공하는 이동통로를 포함하는데, 상기 이동통로는 상기 양극판을 향하는 측면이 음이온만을 선택적으로 투과시키고, 상기 음극판을 향하는 측면이 양이온만을 선택적으로 투과시키도록 구성된다.In order to achieve the above object, the oxygen and hydrogen generator using the electrolysis according to the present invention is installed in the housing, the housing, a plurality of positive electrode plates for generating oxygen by electrolysis when the power is supplied, in the housing Moving passages provided alternately with the positive electrode plate to provide a plurality of negative electrode plates generating hydrogen by electrolysis when the power is supplied, and a passage between the positive electrode plates and the negative electrode plates to move water to be subjected to electrolysis. It includes, wherein the movement passage is configured such that the side facing the positive plate selectively transmits only anions, and the side facing the negative plate selectively transmits only cations.
바람직하게는, 상기 이동통로의 상기 양극판 및 음극판을 향한 측면은 구멍 크기가 미세한 유기질 바이폴러 이온교환수지막이다.Preferably, the side surfaces of the moving passage facing the positive electrode plate and the negative electrode plate are organic bipolar ion exchange resin membranes having a fine pore size.
또한, 상기 양극판 및 상기 음극판은 그물구조로 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, the positive electrode plate and the negative electrode plate is preferably made of a net structure.
상기 그물구조의 양극판 및 음극판은 상기 이동통로를 따라서 연장된 판 형상을 가질 수 있으며, 또한 상기 이동통로를 따라서 연장된 사각기둥 형상을 가질 수도 있다.The positive electrode plate and the negative electrode plate of the mesh structure may have a plate shape extending along the moving passage, and may also have a square pillar shape extending along the moving passage.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
도 2는 본 발명에 따른 전기분해를 이용한 산소 및 수소 발생장치의 구성을 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 산소 및 수소 발생장치(10)는 대체로 상기 장치의 전체적인 외형을 구성하는 하우징(12)을 구비한다. 하우징(12) 내에는 각각 하나 이상의 양극판(18)과 음극판(20)이 서로 교대로 배치된다. 도면에는 일례로서 각각 두 개씩의 양극판(18) 및 음극판(20)을 사용하였다. 여기서, 양극판(18)과 음극판(20)은 전원이 공급될 때 각각 산소 및 수소를 발생시키는 역할을 한다.2 is a view showing the configuration of the oxygen and hydrogen generator using the electrolysis according to the present invention. 2, the oxygen and hydrogen generator 10 of the present invention has a housing 12 that generally constitutes the overall appearance of the apparatus. In the housing 12, one or more positive electrode plates 18 and negative electrode plates 20 are alternately arranged. As an example, two positive electrode plates 18 and a negative electrode plate 20 were used as examples. Here, the positive electrode plate 18 and the negative electrode plate 20 serves to generate oxygen and hydrogen, respectively, when power is supplied.
여기서, 양극판(18)과 음극판(20)은 각각 도선(19, 21)에 의해서 외부전원의 양극 및 음극에 연결된다.Here, the positive electrode plate 18 and the negative electrode plate 20 are connected to the positive electrode and the negative electrode of the external power by the conductive wires 19 and 21, respectively.
각 극판(18, 20) 사이에는 전기분해 대상이 되는 물이 이동하는 통로를 제공하는 이동통로(14)가 형성된다. 양극판(18)과 음극판(20)이 위치하는 영역은 하우징(12) 내에서 이동통로(14)에 의해서 분리되어 각각 양극챔버(22) 및 음극챔버(24)를 형성한다. 이때, 양극챔버(22)에는 NaOH 또는 KOH 등을 함유한 염기성 전해질용액이 수용되고, 음극챔버(24)에는 HCl 등을 함유한 산성 전해질용액이 수용된다.A moving passage 14 is provided between each of the pole plates 18 and 20 to provide a passage through which water to be electrolyzed moves. The region where the positive electrode plate 18 and the negative electrode plate 20 are located is separated by the moving passage 14 in the housing 12 to form the positive electrode chamber 22 and the negative electrode chamber 24, respectively. At this time, the positive electrode chamber 22 contains a basic electrolyte solution containing NaOH or KOH, and the negative electrode chamber 24 contains an acid electrolyte solution containing HCl or the like.
전기화학 반응에서 양극판(18)에서는 수산화이온의 산화에 의해 물과 산소가스가 발생한다. 염기성 전해질용액이 수용된 양극챔버(22) 내에 설치된 양극판(18)은 주로 니켈옥사이드 전극이 사용된다. 이때, 양극판(18)의 구조는 니켈옥사이드가 코팅된 금속판의 형태를 가진다.In the electrochemical reaction, water and oxygen gas are generated in the positive electrode plate 18 by oxidation of hydroxide ions. Nickel oxide electrodes are mainly used for the positive electrode plate 18 installed in the positive electrode chamber 22 containing the basic electrolyte solution. At this time, the structure of the positive electrode plate 18 is in the form of a metal plate coated with nickel oxide.
또한, 전기화학 반응에서 음극판(20)에서는 수소이온의 환원에 의해 수소가스가 발생한다. 음극판(20)은 백금이나 이의 합금 또는 탄소전극 등이 사용될 수 있으며 금속판 형태를 가진다.In addition, in the electrochemical reaction, the negative electrode plate 20 generates hydrogen gas by reduction of hydrogen ions. The negative electrode plate 20 may be platinum, an alloy thereof, a carbon electrode, or the like, and have a metal plate shape.
이동통로(14)는 양극판(18)을 향하는 측면(15)이 음이온만을 선택적으로 투과시키고, 음극판(20)을 향하는 측면(16)이 양이온만을 선택적으로 투과시킬 수 있도록 구성된다. 바람직하게는, 이동통로(14)의 양극판(18)을 향하는 측면(15)은 음이온 교환수지이고 음극판(20)을 향한 측면(16)은 양이온 교환수지이다. 보다 바람직하게는, 이동통로(14)의 양극판(18) 및 음극판(20)을 향한 측면(15, 16)은 구멍 크기가 미세한 유기질 바이폴러 이온교환수지막이다.The movement path 14 is configured such that the side surface 15 facing the positive electrode plate 18 selectively transmits only negative ions, and the side surface 16 facing the negative electrode plate 20 selectively transmits only positive ions. Preferably, the side surface 15 facing the positive electrode plate 18 of the moving passage 14 is an anion exchange resin and the side surface 16 facing the negative electrode plate 20 is a cation exchange resin. More preferably, the side surfaces 15 and 16 of the moving passage 14 facing the positive electrode plate 18 and the negative electrode plate 20 are organic bipolar ion exchange resin films having a fine pore size.
바이폴러 이온교환수지막은 한쪽 면이 양이온 교환특성을 가지고 반대쪽이 음이온 교환특성을 가진다. 양극판(18)과 음극판(20)에 전원이 공급되어 전기분해를 시작하게 되면, 양극챔버(22)에서는 산소가스 발생에 의해 수산화이온이 부족하게 되고 음극챔버(24)에서는 수소가스 발생에 의해 수소이온이 부족하게 된다. 그러면, 전해질의 전기적 중성을 유지하려는 성질에 의해 이동통로(14)에 공급된 물은 수소이온과 수산화이온으로 분리되고, 분리된 수소이온과 수산화이온은 양이온 교환수지막과 음이온 교환수지막을 통해서 음극챔버(24)와 양극챔버(22)로 각각 이동하게 된다. 수소이온과 수산화이온의 이동은 반대 극성을 가지는 음극판(20)과 양극판(18)의 전기적 인력에 의해 이루어진다.The bipolar ion exchange resin membrane has a cation exchange characteristic on one side and an anion exchange characteristic on the opposite side. When power is supplied to the positive electrode plate 18 and the negative electrode plate 20 to start electrolysis, the positive ion chamber 22 is deficient in hydroxide ions due to the generation of oxygen gas, and the negative electrode chamber 24 generates hydrogen by hydrogen gas. Ions are short. Then, the water supplied to the mobile passage 14 is separated into hydrogen ions and hydroxide ions due to the nature of maintaining the electrical neutrality of the electrolyte, and the separated hydrogen ions and hydroxide ions are cathodic exchange resin membranes and anion exchange resin membranes. The chamber 24 and the anode chamber 22 are respectively moved. The movement of hydrogen ions and hydroxide ions is made by the electrical attraction of the negative electrode plate 20 and the positive electrode plate 18 having opposite polarities.
만약 이동통로(14)의 측면(15, 16)에 바이폴러 이온교환수지막 대신 양이온 교환수지와 음이온 교환수지를 사용할 경우에는 분리막을 통한 전위강하가 바이폴러 이온교환수지막의 경우보다 커질 수 있다.If the cation exchange resin and the anion exchange resin are used instead of the bipolar ion exchange resin membrane on the side surfaces 15 and 16 of the moving passage 14, the potential drop through the separator may be larger than that of the bipolar ion exchange resin membrane.
양극챔버(22)와 음극챔버(24)에는 각각 전기분해에 의해서 생성된 산소가스 및 수소가스를 배출하기 위한 배출관(26, 28)이 형성된다. 전기분해에 의해 생성되어 배출관(26, 28)을 통해 배출된 산소 및 수소가스는 외부의 특정한 장소에 수집되어 다른 목적으로 사용되거나 운반되게 된다.Discharge pipes 26 and 28 for discharging oxygen gas and hydrogen gas generated by electrolysis are formed in the anode chamber 22 and the cathode chamber 24, respectively. Oxygen and hydrogen gas produced by electrolysis and discharged through the discharge pipes 26 and 28 are collected at a specific place outside and used or transported for other purposes.
지금까지 본 실시예에서는 두 개씩의 양극판과 음극판을 사용한 것으로 예시하여 설명하였다. 하지만 이에만 국한되는 것은 아니며, 본 발명의 산소 및 수소 발생장치는 하나의 양극판과 하나의 음극판만을 사용할 수도 있고, 또한 세 개 이상의 양극판 및 음극판을 교대로 설치하여 사용할 수도 있음은 물론이다.Thus far, the present embodiment has been described by using two positive plates and one negative plate. However, the present invention is not limited thereto, and the oxygen and hydrogen generator of the present invention may use only one positive electrode plate and one negative electrode plate, and three or more positive electrode plates and negative electrode plates may be alternately installed.
도 3은 본 발명의 산소 및 수소 발생장치에 사용된 양극판과 음극판의 다른 변형예를 도시한다. 도 3에 도시된 양극판 또는 음극판(18', 20')은 그물구조로 이루어진다는 특징이 있다.Figure 3 shows another modification of the positive electrode plate and the negative electrode plate used in the oxygen and hydrogen generator of the present invention. The positive or negative electrode plates 18 'and 20' shown in FIG. 3 have a net structure.
본 변형예에서 그물구조로 이루어진 양극판 또는 음극판(18', 20')은 이동통로(14)를 따라서 연장된 판 형상을 가지고 있다. 이러한 그물구조는 전극의 표면적이 커지기 때문에 보다 활발한 전기분해를 얻을 수 있으며, 그물구조 사이로 산소 및 수소가스가 빠져나갈 수 있기 때문에 물질전달 능력이 향상된다. 뿐만 아니라, 그물구조의 양극판 또는 음극판(18', 20')은 전극에서의 전류밀도가 감소하기 때문에 전극의 수면 연장에도 도움이 된다.In the present modification, the positive electrode plates or negative electrode plates 18 'and 20' having a mesh structure have a plate shape extending along the moving passage 14. Such a net structure can obtain more active electrolysis because the surface area of the electrode is increased, and the material transfer ability is improved because oxygen and hydrogen gas can escape between the net structures. In addition, the net positive electrode plate or the negative electrode plate 18 ', 20' is helpful in extending the surface of the electrode because the current density in the electrode is reduced.
도 4는 도 3에 도시된 그물구조 양극판 또는 음극판의 또 다른 변형예이다. 도 4의 변형예에 따른 양극판 또는 음극판(18", 20")은 그물구조라는 점에서는 도3의 변형예와 동일하나, 이동통로(14)를 따라서 연장된 사각기둥 형상을 가진다는 점에서 다르다. 이러한 사각기둥 형상의 양극판 또는 음극판(18", 20")은 전극의 표면적이 더욱 넓어진다는 장점이 있다. 또한, 사각기둥 형상의 양극판 및 음극판(18", 20")을 이용할 경우, 양극챔버와 음극챔버를 바둑판 모양으로 배열하여 최소한의 면적으로 다량의 물을 동시에 전기분해하는 구조를 만들 수 있다. 실제로, 도 3에 도시된 판 형상의 극판은 양극챔버와 음극챔버를 한 열로 배치할 때 가장 효과적이며, 도 4에 도시된 사각기둥 형상의 극판은 양극챔버와 음극챔버를 바둑판 모양으로 배치할 때 가장 효과적이다.4 is another modified example of the net positive electrode plate or negative electrode plate shown in FIG. The positive or negative plates 18 "and 20" according to the modified example of FIG. 4 are the same as the modified example of FIG. 3 in that they have a net structure, but differ in that they have a rectangular pillar shape extending along the moving passage 14. . The square plate-shaped positive electrode plates or negative electrode plates 18 "and 20" have an advantage that the surface area of the electrode is further widened. In addition, when using the positive pole plate and the negative electrode plate (18 ", 20") of the square pillar shape, the positive electrode chamber and the negative electrode chamber can be arranged in a checkerboard shape to make a structure for simultaneously electrolyzing a large amount of water with a minimum area. In fact, the plate-shaped pole plate shown in FIG. 3 is most effective when the anode and cathode chambers are arranged in one row, and the square-pole electrode plate shown in FIG. 4 is arranged when the anode chamber and the cathode chamber are arranged in a checkerboard shape. Most effective.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 산소 및 수소 발생장치의 전기분해 과정을 설명하면 다음과 같다.Referring to the electrolysis process of the oxygen and hydrogen generator according to the present invention configured as described above are as follows.
먼저, 양극판(18)이 설치된 양극챔버(22) 내에는 NaOH 수용액이 채워지고, 음극판(20)이 설치된 음극챔버(24) 내에는 HCl 수용액이 채워지는 것으로 가정한다. 또한, 이동통로(14) 내로는 전기분해 대상이 되는 물(H2O)이 지속적으로 이동하며, 양극판(18)과 음극판(20)에는 외부전원으로부터 각각 양극 및 음극 전원이 연결된다.First, it is assumed that the NaOH aqueous solution is filled in the positive electrode chamber 22 in which the positive electrode plate 18 is installed, and the HCl aqueous solution is filled in the negative electrode chamber 24 in which the negative electrode plate 20 is installed. In addition, the water (H 2 O) to be subjected to the electrolysis is continuously moved into the moving passage 14, and the positive electrode and the negative electrode are connected to the positive electrode plate 18 and the negative electrode plate 20 from an external power source, respectively.
양극판(18)과 음극판(20)에 전원이 연결되면, 이동통로(14) 내의 물은 전기분해되어 OH-이온은 양극판(18)쪽으로, H+이온은 음극판 쪽으로 이동하게 된다. 양극챔버(22) 내로 이동한 OH-이온은 양극판(18)을 통해서 전하를 잃고 산소를 발생시키게 된다. 또한 마찬가지로, 음극챔버(22) 내로 이동한 H+이온은 음극판(20)을 통해서 전하를 얻어 수소를 발생시키게 된다.When the power source is connected to the positive electrode plate 18 and the negative electrode plate 20, the water in the moving passage 14 is electrolyzed to move OH − ions toward the positive electrode plate 18 and H + ions toward the negative electrode plate. The OH − ions moved into the anode chamber 22 lose charge through the anode plate 18 and generate oxygen. Likewise, H + ions moved into the cathode chamber 22 generate charge through the cathode plate 20 to generate hydrogen.
이를 보다 자세히 설명하면, 일단 전원이 연결되면 양극판(18)에서는 전기분해 원리에 의해 수용액에 존재하는 OH-이온이 반응하여 산소를 발생시키게 되는데, 이때 부족한 OH-이온은 물의 전기분해에 의해서 생성된 OH-이온에 의해서 채워지게 된다. 마찬가지로 음극판(20)에서는 수용액에 존재하는 H+이온이 반응하여 수소를 발생시키면서 부족한 H+이온이 이동통로(14)에서 물의 전기분해로 생성된 H+이온으로 보충된다.In more detail, once the power is connected, the positive electrode plate 18 generates oxygen by reacting OH - ions present in the aqueous solution based on the electrolysis principle, wherein the insufficient OH - ions are generated by electrolysis of water. Filled by OH - ions. Similarly, in the negative electrode plate 20, H + ions present in the aqueous solution react with each other to generate hydrogen, and insufficient H + ions are replenished with H + ions generated by electrolysis of water in the mobile passage 14.
이때, 양극챔버(22) 내에 존재하는 Na+이온은 극성에 의해서 음극판(20) 쪽으로 이동하게 되지만, 이동통로(14)에 설치된 음이온 투과성 이온교환수지막(15)에 막혀서 양극챔버(22)를 벗어날 수 없다. 마찬가지로, 음극챔버(24) 내에 존재하는 Cl-이온도 극성에 의해 양극판(18) 쪽으로 이동하게 되지만, 양이온 투과성 이온교환수지막(16)에 의해서 음극챔버(24) 내에 잔류하게 된다.At this time, Na + ions present in the anode chamber 22 is moved toward the cathode plate 20 by polarity, but is blocked by the anion permeable ion exchange resin film 15 provided in the movement passage 14 to close the anode chamber 22. Can't escape Similarly, Cl − ions present in the cathode chamber 24 also move toward the positive electrode plate 18 by polarity, but remain in the negative electrode chamber 24 by the cation-permeable ion exchange resin film 16.
따라서, 양극판(18)과 음극판(20)에서는 OH-이온과 H+이온에 의한 순수한 반응만이 발생하게 되며, 이러한 전기화학 반응 메커니즘이 다음의 반응식 2에 잘 나타나 있다.Therefore, only the pure reaction by the OH − ions and the H + ions occurs in the positive electrode plate 18 and the negative electrode plate 20, and this electrochemical reaction mechanism is well shown in the following Equation 2.
음극: 2 H++ 2 e-→ H2E = 0.00V Cathode: 2 H + + 2 e - → H 2 E = 0.00V
위의 반응식에서 보여진 바와 같이, 본 발명의 산소 및 수소 발생장치에서 전기분해가 일어나는 최소한의 전위차는 0.40V이다. 이는 종래의 염기성 전해질을 이용한 전기분해장치에서 필요한 1.23V의 전위차보다 현격하게 낮은 것으로, 전기분해에 필요한 전력량이 대폭 절감됨을 알 수 있다. 이는, 본 발명의 산소 및 수소 발생장치가 바이폴러 이온교환수지막의 특성을 이용하여, 양극챔버(22)에는 염기성 전해질용액을 사용하고 음극챔버(24)에는 산성 전해질용액을 사용하기 때문에 가능하다.As shown in the above scheme, the minimum potential difference at which electrolysis occurs in the oxygen and hydrogen generator of the present invention is 0.40V. This is significantly lower than the potential difference of 1.23V required in the conventional electrolytic apparatus using a basic electrolyte, it can be seen that the amount of power required for electrolysis is greatly reduced. This is possible because the oxygen and hydrogen generator of the present invention uses a basic electrolyte solution for the anode chamber 22 and an acidic electrolyte solution for the cathode chamber 24 by utilizing the characteristics of the bipolar ion exchange resin membrane.
따라서, 산성 전해질을 가지는 음극판(20)에서의 전기화학반응은 수소이온의 환원에 의한 수소가스 발생이 일어나며, 이때의 전극전위는 전기화학 이론에 의해서 0.00V로 정의되어진다.Therefore, in the electrochemical reaction in the negative electrode plate 20 having an acidic electrolyte, hydrogen gas is generated by reduction of hydrogen ions, and the electrode potential at this time is defined as 0.00V by electrochemical theory.
다공성 분리막을 사용하는 기존의 전기분해 장치에서는 전극과 분리막 사이에 일정한 간격이 유지되어야 한다. 왜냐하면, 전극과 분리막 사이의 간격이 너무 좁은 경우 기포 크기가 작은 수소가스가 다공성 분리막을 통해서 양극챔버로 이동할 수 있기 때문이다. 수소가스가 양극챔버로 이동하게 되면 산소와 수소가스가 혼합하여 산소가스를 오염시키게 된다. 또한 기포로 인해 분리막에서의 전해질 전도도가 저하되어 분리막에서의 전위강하가 증대되며, 이는 전기분해장치의 효율저하를 일으킨다.In a conventional electrolysis apparatus using a porous separator, a constant gap must be maintained between the electrode and the separator. This is because, when the distance between the electrode and the separator is too narrow, hydrogen gas having a small bubble size may move to the anode chamber through the porous separator. When hydrogen gas moves to the anode chamber, oxygen and hydrogen gas are mixed to contaminate the oxygen gas. In addition, the bubble lowers the conductivity of the electrolyte in the membrane, thereby increasing the potential drop in the membrane, which causes the efficiency of the electrolysis device to decrease.
이에 반하여, 본 발명에 따른 산소 및 수소 발생장치는 구멍의 크기가 미세한 유기질 바이폴러 이온교환수지막을 사용함으로써, 수소가스가 양극챔버(22)로 이동하는 것을 차단하게 된다. 따라서, 전극간의 간격이 기존의 전기분해장치에 비해 좁혀질 수 있고, 이로 인한 에너지 효율증대가 이루어질 수 있다.In contrast, the oxygen and hydrogen generating apparatus according to the present invention blocks the movement of hydrogen gas to the anode chamber 22 by using an organic bipolar ion exchange resin film having a small pore size. Therefore, the spacing between the electrodes can be narrowed compared to the existing electrolysis device, thereby increasing energy efficiency.
이와 같이 생성된 산소 및 수소가스는 배출관(26, 28)을 통해 외부로 배출되어 특정한 용기에 보관되거나 다른 장소로 수송된다.The oxygen and hydrogen gas thus produced are discharged to the outside through the discharge pipes 26 and 28 and stored in a specific container or transported to another place.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As described above, although the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and is intended by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims to be described.
이상에서 설명된 본 발명에 따른 전기분해를 이용한 산소 및 수소 발생장치는 바이폴라 이온교환수지막을 이용하여 적은 전위로도 물을 전기분해할 수 있으므로, 산소 및 수소 발생효율을 높일 수 있다는 장점이 있다.Oxygen and hydrogen generating apparatus using the electrolysis according to the present invention described above has the advantage that it is possible to electrolyze the water at a small potential by using a bipolar ion exchange resin membrane, it is possible to increase the efficiency of oxygen and hydrogen generation.
또한, 그물구조의 전극판을 사용하여 산소 및 수소가스가 용이하게 빠져나갈 수 있으며, 전극에서의 전류밀도를 감소시켜 전극 수명을 연장할 수 있다는 장점이 있다.In addition, using the electrode plate of the mesh structure oxygen and hydrogen gas can be easily escaped, there is an advantage that can extend the life of the electrode by reducing the current density in the electrode.
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|---|---|---|---|---|
| KR100697681B1 (en) * | 2001-02-07 | 2007-03-22 | 황성길 | Electrodialysis unit for removing carbon dioxide and carbon dioxide removal system using the same |
| KR100510093B1 (en) * | 2003-04-23 | 2005-08-24 | 한창용 | An anode for electrolysis of water and an electrolytic cell comprising the same |
| KR20190017475A (en) * | 2017-08-11 | 2019-02-20 | 한국과학기술원 | Method for Simultaneous Treating Nitrogen Oxides and Sulfur Oxides using Iron Ethylene diamine tetraacetic acid |
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