KR200389368Y1 - 고체 고분자 전해질을 이용한 고순도 수소／산소발생장치 - Google Patents

고체 고분자 전해질을 이용한 고순도 수소／산소발생장치 Download PDF

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KR200389368Y1
KR200389368Y1 KR20-2005-0009387U KR20050009387U KR200389368Y1 KR 200389368 Y1 KR200389368 Y1 KR 200389368Y1 KR 20050009387 U KR20050009387 U KR 20050009387U KR 200389368 Y1 KR200389368 Y1 KR 200389368Y1
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Abstract

본 고안은 수소와 산소가 필요한 장치 및 장소에 부착하여 사용할 수 있는 고체 고분자 전해질을 이용하여 고압운전이 가능하면서도 소형 경량으로 제작될 수 있는 고순도 수소/산소발생장치에 관한 것으로, 물로부터 수소와 산소를 선택적으로 분리할 수 있는 고체 고분자 전해질을 이용하여 수전해 하는 장치로 그 효율을 증대시키기 위해 스택(stack) 형태로 제작한 수소/산소발생기를 사용하여, 고순도의 수소를 필요로 하는 곳에 수소를 공급하고 고순도 산소를 필요로 하는 곳에는 산소를 공급할 수 있는 장치로 정밀 분석기 등에 적용할 수 있다.

Description

고체 고분자 전해질을 이용한 고순도 수소／산소발생장치{High quality hydrogen and oxygen generating device using solid polymer electrolyte electrolysis}
본 고안은 수소/산소발생장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수소와 산소가 필요한 장치 및 장소에 부착하여 사용할 수 있는 고체 고분자 전해질을 이용하여 고압운전이 가능하면서도 소형 경량으로 제작될 수 있는 고순도 수소/산소발생장치에 관한 것이다.
일반적으로 수소와 산소를 발생시키는 장치는 알칼리 수전해를 이용하는 방식으로 수소와 산소를 분리하지 않고 발생시키는 방법과 수소와 산소를 분리하기 위해 격막을 설치하여 제조하는 방식으로 나눌 수 있다.
따라서, 상기의 방법들은 낮은 전해 효율과 알칼리 수용액 안에 전극이 담겨져 있어 부식의 문제가 발생하며 수용액이 누출될 경우 수질 환경 등에 많은 영향을 미칠 수 있다.
또한, 수소/산소발생장치의 크기가 커져서 일반 가정 또는 건물에서 사용하기가 용이하지 않으며, 그 설치비용도 컸다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 고안의 목적은, 수소와 산소가 필요한 장치 및 장소에 부착하여 사용할 수 있는 고체 고분자 전해질을 이용하여 고압운전이 가능하면서도 소형 경량으로 제작될 수 있는 고순도 수소/산소발생장치를 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 고안은, 물로부터 수소를 분리할 수 있는 수소/산소발생기; 상기 수소/산소발생기에 물을 공급하고 상기 수소/산소발생기의 산소발생부와 연결된 물탱크; 발생된 수소 또는 산소를 임시로 저장하는 저장버퍼; 발생된 산소 또는 발생된 수소의 연소가스를 외부로 배출하는 연소배출단; 상기 물탱크를 통과한 산소와 상기 수소/산소발생기의 수소발생부의 수소를 상기 저장버퍼 또는 연소배출단으로 선택적으로 연결하여 공급하는 4포트밸브; 상기 저장버퍼와 연결되어 수소 또는 산소의 수분을 제거하는 습기제거부; 상기 습기제거부를 통과한 수소 또는 산소를 최종적으로 가스공급구로 공급 또는 차단하는 차단밸브; 상기 저장버퍼와 상기 연소배출단 사이에 설치되어 저장버퍼 내의 수소 또는 산소를 상기 연소배출단으로 배출 또는 차단을 선택하는 안전밸브; 상기 수소/산소발생기에 전원을 공급하는 전원; 상기 전원을 온/오프하는 메인스위치; 상기 전원을 위험신호에 의해 차단하는 안전차단스위치; 상기 저장버퍼에 설치되어 저장버퍼 내의 압력이 안전압력에 도달하면, 상기 전원을 차단하도록 안전차단스위치를 작동시키고, 상기 안전밸브를 개방하는 신호를 발생하는 압력센서1; 및 상기 저장버퍼에 설치되어 저장버퍼 내의 압력이 사용압력에 도달하면, 상기 차단밸브를 개방하고, 사용압력을 초과하면 상기 전원을 차단하도록 안전차단스위치를 작동시키는 신호를 발생하는 압력센서2를 포함하는 수소/산소발생장치이다.
상기 수소/산소발생기는 케이싱 내부에 수개의 PEM과 급전체를 교대로 적층하여 스택(stack) 형태로 형성하고, 최외측 양단에 절연체를 설치한 것을 특징으로 한다.
또, 상기 급전체는 발생되는 수소 또는 산소의 유로를 확보하기 위해 플레이트의 표면에 설치된 전극구조물에 홈을 형성한 것을 특징으로 한다.
또, 상기 4포트밸브와 상기 연소배출단 사이에 차단밸브가 설치되고, 상기 차단밸브와 상기 4포트밸브 사이에 설치되어 수소 또는 산소의 압력을 측정하여 상기 압력센서 2의 설정된 사용압력보다 작으면 상기 차단밸브를 작동시켜 수소 또는 산소의 흐름을 차단하는 신호를 발생하는 상기 압력센서3이 설치되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 습기제거부는 물방울을 응결시켜 분리하는 모이스처트랩과, 상기 모이스처트랩을 지난 수소 또는 산소의 작은 물분자를 제거하는 모이스처필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 모이스처트랩은 상기 물탱크와 연결되어, 응결시켜 분리한 물방울을 상기 물탱크에 제공하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 고안을 실시예 및 도면을 통하여 상세히 설명한다.
본 고안은 수소 만을 선택적으로 분리할 수 있는 고체 고분자 전해질 분리막 소재를 이용하여 고순도의 수소와 산소를 분리 공급할 수 있는 수전해 장치로 발생 수소와 산소를 필요한 곳에 공급할 수 있는 소형이며 이동성과 운전이 매우 용이하고 안전한 장치이다.
본 고안은 고체고분자전해질막으로 수소를 선택적으로 투과시키는 분리막에 전극을 붙여 수전해 기능을 극대화시킨 수소발생 시스템으로 전해된 수소, 산소를 발생 공급하는 수소/산소발생기와, 상기 발생한 수소, 산소를 외부로 배출시킬 수 있는 유닛을 포함하여 구성된 수소/산소발생장치에 관한 것이다.
도 1은 본 고안의 수소/산소발생장치를 도해 적으로 도시한 배관도이며, 크게 저장 버퍼(10), 수소/산소발생기(40), 물탱크(20), 및 수개의 압력센서 및 밸브로 구성된다.
상기 물탱크(20)는 순수한 물(D.I. water)을 저장하고 있으며, 상기 순수한 물을 수소/산소발생기(40)에 공급한다.
도 2에 도시된 바와 같이 상기 수소/산소발생기(40)는 케이싱(도시생략) 내부에 수개의 PEM(Polymer Electrolysis Membrane)(41)과 급전체(45)를 교대로 적층하고, 최외측 양단에 절연체(44)를 설치하여, 물로부터 수소와 산소를 분리할 수 있도록 설계된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 PEM(41)의 양측에는 수소와 산소를 전기분해할 수 있도록 전극(42,43)이 설치된다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 급전체(45)에는 상기 PEM(41)에서 발생되는 수소 또는 산소의 유로를 확보하기 위해 플레이트의 표면에 설치된 전극구조물에 홈이 형성된다.
또한, 상기 전극구조물에는 발생된 수소와 산소의 유로를 확보하기 위한 홈의 단부에 산소와 수소를 한곳으로 공급하기 위한 포집그루브(46,47,48,49)가 형성된다.
따라서, 도 2에 도시된 바와 같이 수소/산소발생기(40)에 물(H2O)이 공급되면, 수소(H2) 및 수분을 포함하는 산소(O2+H2O)가 배출된다.
상기 물의 공급은 상술한 바와 같이 물탱크(20)에 의해 이루어지며, 상기 수소발생부는 4포트밸브(50)에 직접 연결되고, 상기 수분을 포함하는 산소는 상기 물탱크를 통과시켜 수분을 어느 정도 물탱크(20)에 제공한 산소를 공급하기 위해 상기 4포트밸브(50)와 물탱크(20)가 연결된다.
상기 4포트밸브(50)는 상기 수소/산소발생기(40)의 수소발생부와 물탱크(20) 외에, 저장버퍼(10) 및 연소배출단(55)과 연결된다.
따라서, 상기 4포트밸브(50)는 수소와 산소를 선택적으로 저장버퍼(10) 및 연소배출단(55)과 연결하는 역할을 한다.
상기 연소배출단(firing vent)(55)은 산소가 선택되면 산소는 그대로 방출하고, 수소가 선택될 경우 수소를 연소시켜 배출하도록 한 장치이다.
상기 저장버퍼(10)는 수소 또는 산소를 필요한 압력수준까지 임시로 저장하는 장치이다.
상기 저장버퍼(10)에는 2 개의 배출구가 형성되며, 하나는 상기 연소배출단(55)과 연결되고, 다른 하나는 목적으로 하는 산소 또는 수소를 제공하는 가스공급구(17)로 연결된다.
상기 연소배출단(55)과 상기 저장버퍼(10) 사이에는 안전밸브(54)가 형성되어 하기(下記)하는 압력센서1에 의해 작동된다.
상기 가스공급구(17)와 상기 저장버퍼(10) 사이에는 습기제거부 및 차단밸브(16)가 설치된다.
상기 습기제거부는 수소 또는 산소의 수분을 제거하는 역할을 하며, 물방울을 응결시켜 분리하는 모이스처트랩(13)과, 상기 모이스처트랩(13)을 지난 수소 또는 산소의 작은 물분자를 제거하는 모이스처필터(15)를 포함하여 구성된다.
또, 상기 모이스처트랩(13)은 상기 물탱크(20)와 연결되어, 응결시켜 분리한 물방울을 모아서 상기 물탱크(20)에 제공한다.
상기 차단밸브(16)는 하기(下記)하는 압력센서2에 의해 작동되며, 가스공급구(17)로 배출되는 수소 또는 산소의 흐름을 개폐하는 역할을 한다.
또한, 수소 또는 산소의 방출량을 제한하기 위해 상기 차단밸브(16)의 전후에 가스레귤레이터(15)를 설치할 수 있다.
그리고, 상기 수소/산소발생기(40)에 전원을 공급하기 위하여, 외부의 교류 전원(32)으로부터 정류하는 정류기(30)가 설치된다.
상기 전원(32)에는 메인스위치(31)가 설치되어 전원(32)의 공급을 온/오프한다.
또한, 상기 전원(32)에는 안전차단스위치(33)가 설치되어 상기 전원(32)과 정류기(30) 사이를 단속할 수 있다.
본 고안에서는 3개의 압력센서를 이용하여, 안정적인 수소 또는 산소의 공급과 안전사고를 방지하고 있다.
상기 저장버퍼에는 압력센서1(12) 및 압력센서2(11)이 설치되고, 상기 연소배출단(55)과 상기 4포트밸브(50) 사이에 압력센서3(51)이 설치된다.
상기 압력센서1(12)은 상기 저장버퍼(10) 벽체에 설치되어 저장버퍼 내의 압력이 미리 설정하여둔 안전압력에 도달하면, 상기 전원(32)을 차단하도록 안전차단스위치(33)를 작동시키고, 상기 안전밸브(54)를 개방하는 신호를 발생시킨다.
따라서, 더 이상의 수소 및 산소의 발생은 없으며, 상기 저장버퍼(10) 내의 수소 또는 산소는 상기 연소배출단(55)으로 배출된다. 이 때, 수소의 경우는 연소배출단(55)에서 연소되어 배출된다.
상기 압력센서2(11)는 상기 저장버퍼(10)에 설치되어 저장버퍼 내의 압력이 미리 설정한 사용압력에 도달하면, 전기적으로 상기 차단밸브(16)를 개방한다.
그러므로, 상기 차단밸브(16)는 솔레노이드 밸브로 구성되는 것이 바람직하다.
따라서, 이 때 목적하는 수소 또는 산소를 사용할 수 있게 되며, 사용가능을 표시하는 사용램프(22)가 켜지도록 한다.
또한, 상기 압력센서2(11)는 사용압력을 초과하면 상기 전원(32)을 차단하도록 안전차단스위치(33)를 작동시키는 신호를 발생한다.
이 때, 과도하게 수소 또는 산소가 저장버퍼(10) 내에 충진됐음을 알리는 과충전램프(21)가 켜지도록 한다.
나머지 하나의 램프는 전원램프(23)로써, 전원(32)의 온/오프상태와 맞추어 점멸되도록 한다.
그리고, 상기 압력센서3(51)은 상기 연소배출단(55)와 4포트밸브(50) 사이에 설치되며, 상기 압력센서3(51)에 연이어 가스레귤레이터(52)와 차단밸브(53)가 설치된다.
따라서, 상기 압력센서3(51)은 상기 연소배출단(55)을 향하여 배출되는 수소 또는 산소의 압력을 측정하여 상기 압력센서 2(11)의 설정된 사용압력보다 작으면 상기 차단밸브(53)를 작동시켜 수소 또는 산소의 흐름을 차단하는 신호를 발생한다.
상기 차단밸브(53)는 솔레노이드 밸브인 것이 바람직하다.
따라서, 압력센서3(51)은 수소 및 산소의 제조되는 압력을 서로 균등하게 하는 역할을 한다.
또한, 상기 차단밸브(53)의 주위에 설치된 가스레귤레이터(52)는 배출되는 수소 또는 산소의 양을 제한하는 역할을 한다.
이상에서 설명한 본 고안은, 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 고안의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
본 고안의 수소/산소발생장치는 물로부터 수소와 산소를 선택적으로 분리할 수 있는 고체 고분자 전해질을 이용하여 수전해하는 장치로 그 효율을 증대시키기 위해 스택형태로 제작한 수소/산소발생기를 사용하여, 고순도의 수소를 필요로 하는 곳에 수소를 공급하고 고순도 산소를 필요로 하는 곳에는 산소를 공급할 수 있는 장치로 정밀 분석기 등에 적용할 수 있다.
또한, 공기 조화기 등에 적용하여 실내의 공기를 별도의 환기 없이 사용할 수 있으며 더욱더 확대를 한다면 순산소 연소기에 적용할 수 있으며 정밀 용접기 등 그외 다양한 수소와 산소 공급기로도 사용할 수 있어 그 적용범위를 확대할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 본 고안의 수소/산소발생장치는 기존의 알칼리 수전해 방식에 비해 부식성이 없어 내구성이 뛰어나 기업화가 용이할 것이다.
또한, 본 고안의 수소/산소발생장치는 순수(純水)를 사용함으로 누출이 되어도 수질 환경 등에 영향을 미치지 않는 장점이 있다.
또한, 이 장치는 운전과 이동이 용이한 소형 시스템으로 전원이 갖추어져 있으면 언제든지 고압의 수소와 산소를 얻을 수 있는 이점이 있다.
또한, 특징적으로 산소를 필요로 하는 곳에 어떠한 방식의 공기 조화기에도 쉽게 접목 부착할 수 있으며 또한 단독적으로 설치 가능하다.
도 1은 본 고안의 일실시예인 수소/산소발생장치의 모식도
도 2는 본 고안의 일실시예의 수소/산소발생기의 조립 모식도
도 3은 본 고안의 일실시 예에서 사용된 고체고분자전해질전해막(PEN)의 도면
도 4는 본 고안의 일실예에서 사용된 급전체(support and current collector)의 도면
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 저장버퍼 11: 압력센서2
12: 압력센서1 13: 모이스처트랩(moisture trap)
14: 모이스처필터(moisture filter) 15: 가스레귤레이터
16: 차단밸브 17: 가스공급구
20: 물탱크 21: 과충전램프
22: 사용램프 23: 전원램프
30: 정류기 31: 메인스위치
32: 전원 33: 안전차단스위치
40: 수소/산소발생기 41: PEM
42,43: 전극 44: 절연체
45: 집전체 46,47,48,49: 포집그루브
50: 4포트밸브 51: 압력센서3
52: 가스레귤레이터 53: 차단밸브
54: 안전밸브 55: 연소배출단

Claims (6)

  1. 물로부터 수소와 산소를 분리할 수 있는 수소/산소발생기;
    상기 수소/산소발생기에 물을 공급하고 상기 수소/산소발생기의 산소발생부와 연결된 물탱크;
    발생된 수소 또는 산소를 임시로 저장하는 저장버퍼;
    발생된 산소 또는 발생된 수소의 연소가스를 외부로 배출하는 연소배출단;
    상기 물탱크를 통과한 산소와 상기 수소/산소발생기의 수소발생부의 수소를 상기 저장버퍼 또는 연소배출단으로 선택적으로 연결하여 공급하는 4포트밸브;
    상기 저장버퍼와 연결되어 수소 또는 산소의 수분을 제거하는 습기제거부;
    상기 습기제거부를 통과한 수소 또는 산소를 최종적으로 가스공급구로 공급 또는 차단하는 차단밸브;
    상기 저장버퍼와 상기 연소배출단 사이에 설치되어 저장버퍼 내의 수소 또는 산소를 상기 연소배출단으로 배출 또는 차단을 선택하는 안전밸브;
    상기 수소/산소발생기에 전원을 공급하는 전원;
    상기 전원을 온/오프하는 메인스위치;
    상기 전원을 위험신호에 의해 차단하는 안전차단스위치;
    상기 저장버퍼에 설치되어 저장버퍼 내의 압력이 안전압력에 도달하면, 상기 전원을 차단하도록 안전차단스위치를 작동시키고, 상기 안전밸브를 개방하는 신호를 발생하는 압력센서1; 및
    상기 저장버퍼에 설치되어 저장버퍼 내의 압력이 사용압력에 도달하면, 상기 차단밸브를 개방하고, 사용압력을 초과하면 상기 전원을 차단하도록 안전차단스위치를 작동시키는 신호를 발생하는 압력센서2를 포함하는 수소/산소발생장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수소/산소발생기는 케이싱 내부에 수개의 PEM과 급전체를 교대로 적층하고, 최외측 양단에 절연체를 설치한 것을 특징으로 하는 수소/산소발생장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 급전체는 발생되는 수소 또는 산소의 유로를 확보하기 위해 플레이트의 표면에 설치된 전극구조물에 홈을 형성한 것을 특징으로 하는 수소/산소발생장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 4포트밸브와 상기 연소배출단 사이에 차단밸브가 설치되고, 상기 차단밸브와 상기 4포트밸브 사이에 설치되어 수소 또는 산소의 압력을 측정하여 상기 압력센서 2의 설정된 사용압력보다 작으면 상기 차단밸브를 작동시켜 수소 또는 산소의 흐름을 차단하는 신호를 발생하는 상기 압력센서3이 설치되는 것을 특징으로 하는 수소/산소발생장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 습기제거부는 물방울을 응결시켜 분리하는 모이스처트랩과, 상기 모이스처트랩을 지난 수소 또는 산소의 작은 물분자를 제거하는 모이스처필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소/산소발생장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 모이스처트랩은 상기 물탱크와 연결되어, 응결시켜 분리한 물방울을 상기 물탱크에 제공하는 것을 특징으로 하는 수소/산소발생장치.
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KR20-2005-0009387U KR200389368Y1 (ko) 2005-04-06 2005-04-06 고체 고분자 전해질을 이용한 고순도 수소／산소발생장치

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KR100660176B1 (ko) 2005-12-09 2006-12-21 주식회사 미즈이엔지 물 전해 수소 발생장치
KR101069532B1 (ko) * 2009-12-22 2011-09-30 한국수력원자력 주식회사 열회수 방식을 적용한 고온전기분해 수소 생산 장치
KR20190135274A (ko) * 2018-05-28 2019-12-06 한국에너지기술연구원 수전해용 복합 전극 일체형 분리판 및 수전해 스택

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