KR20040055411A

KR20040055411A - 고효율 브라운가스발생기

Info

Publication number: KR20040055411A
Application number: KR1020020082075A
Authority: KR
Inventors: 김상남; 김성곤
Original assignee: 김상남; 김성곤
Priority date: 2002-12-21
Filing date: 2002-12-21
Publication date: 2004-06-26
Also published as: CN1308490C; JP2004204347A; CN1510172A; KR100503886B1; JP4571386B2

Abstract

본 발명은 전해효율 증대방법에 의한 고효율 브라운가스발생기에 관한 것으로서 좀 더 구체적으로는, 전해효율을 높이기 위한 방법으로 전극판의 면적설정에 대한 기준치를 제시하고 이를 적용하여 적정 전극판의 개수와 단위 전극판의 유효면적을 설정하여 전기저항을 줄임으로써 근본적으로 열이 덜나는 전해조를 구성하고 전해조 형태와 크기에 알맞는 크로스 플로우 팬을 사용하여 전해액 온도를 일정하게 유지시켜 과열을 방지하고 또한 O-링의 단면형상을 산과 골이 형성되도록 하여 내구성을 증대시킴으로써 24시간 연속가동 하여도 문제가 없는 전해액 자연순환방식 브라운가스발생기에 관한 것이다.

본 발명에 의한 고효율 브라운가스발생기에서 생산되는 브라운가스는 21세기의 준비된 대체에너지로서 산업용 가열장치의 자동화 또는 보일러 등의 난방연료로 쓰이게 된다.

Description

고효율 브라운가스발생기 { High Efficiency Brown Gas Generator }

본 발명은 전해효율을 증대시킨 브라운가스발생기에 관한 것으로서, 가장 적절한 전극판 면적을 설정하여 전기저항을 줄이는 방법과 냉각 효율을 높여 전해액 온도를 일정하게 유지시키는 방법을 제안하고 전해액 자연순환방식을 채택하여 경제적일 뿐만 아니라 최고의 효율을 자랑할 수 있는 브라운가스발생기를 제공하기 위한 것이다.

물을 전기분해하면 ( -)극에 수소, (+)극에 산소가 생성되면서 수소와 산소가 화학당량비 2: 1로 혼합된 혼합가스 형태로 나오는 것을 브라운가스라고 한다. 브라운가스는 완전 무공해 연료이며 자체산소에 의해 완전연소 되면서 수증기로 환원하기 때문에 아주 이상적인 연로로서 21세기 대체에너지로 각광받게 되었다.

이러한 브라운가스를 연료로 쓰기 위해서는 고효율의 브라운가스발생기가 필요하다. 더구나 보일러, 가열로 또는 공장자동화에 의한 가열장치 등에 쓰기 위해서는 24시간 연속가동해도 문제가 없는 가스발생기 즉, 완벽한 내구성을 갖춘 가스발생기가 필요하다.

그러나 종전의 가스발생기는 조금만 가동해도 전해조 온도가 상승하므로 내부에서 수증기가 발생하여 가스의 질을 떨어뜨리고 과열되면 전해조를 쓸 수 없게 만들어 버린다. 따라서 전해액 온도를 일정하게 유지할 수 있는 방법을 강구하지 않으면 안 된다.

물론 전해액 순환펌프와 방열기를 갖추고 강제순환에 의한 수냉식 방법을 채택하면 온도를 낮출 수는 있다. 그러나 이것은 비경제적이므로 본 발명은 전해액 자연순환방식에 의한 공냉식을 채택하여 가장 경제적이면서도 또한 근본적으로 열이 덜 나게 하여 전해효율을 높일 수 있는 방법을 제안하므로써 고효율의 브라운가스발생기를 제공하기 위한 것이다.

상기 전해액 자연순환방식에 의한 공랭식 냉각방법을 채택한 전해조 중 가장 효율적인 전해조는 본 출원자가 1995년 출원하여 1998년 등록한 실용신안등록 제117445호 "산수가스전해조구조"(이하 "인용특허"라 칭한다)에서 상세히 설명하는 바와 같이 전극판을 외부로 돌출시켜 팬에 의해 직접 공냉시키는 방법이다. 상기 인용특허의 요약서를 인용하면 다음과 같다.

『본 고안에서는 종래방법과는 달리 판상의 전극판을 비롯한 스페이셔와 0-링을 각각 형성한 다음 전극판을 수직으로 결합하여 방열기 형태로 형성하기 때문에 열이 발생되는 전해조의 열을 효과적으로 냉각시킬 수 있을 뿐만 아니라 분해정비가 용이하고 특히 그 내부에 전해액 충전실을 형성하게 되므로 양질의 산수가스를 생성시킬 수 있게 한다.

다시 말해서, 본 고안의 전해조는 전극판과 스페이셔를 스테이볼트로 결합하여 라지에터 형식으로 수직 형성하는 한편 그 내부에 전해액충전실을 형성하고, 상.하부에 가스탱크와 저수탱크를 배치하여 효율적으로 전해액이 전해조충전실에 충전되도록 안출하게 된 것으로 이와 같은 본 고안은 전해액이 충전된 전해조가 방열기 형식으로 구성되므로 외부의 공기가 전극판 사이로 통과되면서 전해조를 효과적으로 냉각시킬 수 있게 된다.』

참고로, 상기 인용특허에서 말하는 전극판과 스페이셔는 본 출원자가 선출원하여 등록한 의장등록 제191184호의 "전해조 전극판"과 의장등록 제191183호의 "전해조 스페이스링"을 각각 말한다.

상기 인용특허와 같은 전해액 자연순환방식에 의한 전극판 돌출식 전해조는 전극판이 서로 마주보며 각각 전해액 충진실을 사이에 두고 여러 개의 전극판들이 수직으로 결합하여 전해조 양쪽 마감판에 형성된 아래쪽 닛블에 연결된 호스를 통해 저수탱크로부터 전해액이 공급되고, 전해조에서 발생하는 브라운가스는 위쪽 닛블에 연결된 호를 통해 가스탱크로 올라감으로써 전해액이 자연순환 되도록 되어 있다.

이러한 전해액 자연순환방식 전해조에 있어서 중요한 점은 브라운가스가 전해조 내부에서 생성되자마자 곧바로 위로 빠져나가고 그만큼 바로바로 전해액이 충진되어야 하는 것이다. 그렇지 않으면 가스가 차있는 부분만큼 전해액을 배제시킨 공간이 형성되어 그 부분은 전기분해가 일어날 수 없으므로 전해효율을 떨어뜨리고 결국 과열되는 현상이 나타난다.

전해조가 과열되면 수증기가 발생하므로 가스의 질을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 전극판 사이의 O-링이 손상되어 전해액이 누출되고 스파크가 일어나면서 전해조를 못쓰게 만들어 버린다. 이것은 전해액의 흐름이 얼마나 중요한 것인가를 보여주는 것이다.

이러한 문제점을 근본적으로 해결하고 전해액 흐름이 좋게 하기 위해서는 전극판 개수를 적게 하여 전해액 통로를 짧게 하는 것이다. 그러나 무조건 짧게 할 수는 없는 것이므로 적정 개수를 정하는 것이 문제해결의 관건이다. 전극판 개수를 줄이면 그만큼 단위전극판의 유효전해면적을 크게 하여 주어야 하므로 이러한 상관관게를 고려하여 문제를 해결하여야 한다.

또한 제일 먼저 손상되는 것이 O-링이므로 내구성을 높이기 위해서는 O-링 단면이 단순한 원형이 아닌 산과 골을 갖는 특수형태의 O-링이 필요하다.

따라서 본 발명은 전해조의 O-링을 개선하여 내구성을 높이고 또한 전해액 흐름이 좋은 전해조를 구성하기 위해 전극판 개수를 줄이면서 그에 상응하는 전극판 유효면적을 최적으로 설정하여 전기저항을 줄여줌으로써 근본적으로 열이 덜 나는 고효율의 전해조를 제안하기 위한 것이다.

또한 전해조 형태에 알맞는 모양과 크기를 가지고 바람출구가 횡으로 길게 생성되어 있는 크로스플로우팬(Crossflow Fan)을 사용하여 더욱 효과적으로 공냉시켜 전해액 온도를 일정하게 유지시키고 또한 전해액 탱크를 원통형으로 키가 크게 구성하여 전해액 자연순환을 원활하게 하여 전체적으로 고효율의 브라운가스발생기를 제공하기 위한 것이다.

상기 여러 가지 사정을 감안하여 고효율의 브라운가스발생기를 안출하기 위해서는 무엇보다 전극판의 적정유효면적을 설정하여 근본적으로 열이 덜나게 하는 방법이다.

전극판의 면적을 얼마로 설정하느냐가 문제해결의 관건이므로 본 발명은 지금까지 개발된 전해조 중에 실제로 사용하고 있는 고효율의 전해조를 찾아서 실증된 것을 본 발명에 적용하기로 한다.

따라서 본 발명은 전기에너지 투입대비 수소산소의 발생량을 계산하여 제시하고 전해효율 100%의 경우와 비교하여 전해조 효율향상을 위한 방법을 다음과 같이 제안한다.

파라데이 법칙에 의하면

1) 전기분해에 의해 전극에 석출되는 물질의 총량은 전극을 통과하는 전하의 총량에 비례한다.

2) 전극에 생성되는 물질의 총량은 그 물질의 화학당량에 비례한다. (파라데이 상수에 해당하는 전하량은 분해되는 물질의 화학당량을 석출한다.)

3) 파라데이 상수 = 9.648670 × 10⁴(C/mol)

위에서 정의한 대로 파라데이 법칙은 전기분해시 전하량과 화학당량 사이의 관계를 보여준다.

물의 화학당량은 수소의 화학당량과 산소의 화학당량 수의 합이므로 9(g)이 된다. 따라서 물의 전기분해 방정식을 물의 화학당량인 9(g)에 대응시켜서 계수를 수정하면 다음 방정식으로 나타난다.

상기 방정식에서 물의 화학당량 9(g)에 해당하는 수소산소의 기체부피는 16.8(L)임을 알 수 있다.

다음으로 16.8(L)의 기체를 얻기 위하여 1시간 동안 9.648670 × 10⁴C/mol의 전하량이 공급되기 때문에 필요한 전류는 다음 식으로 계산한다.

다음으로 1시간 동안 26.80(A)를 공급하고 이 때 발생하는 기체부피 16.8(L)을 얻기 위한 전력량은 다음 식으로 구한다. 이 때 전해액이 KOH일 때 전극 사이의 전압은 일반적으로 2.1(V)을 적용한다.

P = V × I × h

= 2.1 × 26.8 × 1 = 56.28(W)

결론적으로 전기에너지 56.28(W) 투입하여 발생하는 수소산소의 기체부피가 16.8(L)이면 효율은 100%를 의미한다.

즉, 16.8 / 56.28 = 298.5 (ℓ/W) 또는 56.28 / 16.8 = 3.35 (W/ℓ)이다.

따라서 새로 개발한 전해조가 있다면 전력량계와 가스부피측정계를 사용하여 측정하면 298.5(ℓ/kW)와 비교하여 효율을 계산할 수 있다.

다음으로 전극판의 적정면적 산출방법에 대해 설명하기로 한다.

본 출원자가 선 출원하여 등록한 특허 제0275504호, 일본특허 제3130014호 "횡렬식 전해조에 의한 브라운가스 대량발생장치"에 의해 개발한 모델 BK-6000의 브라운가스 발생장치는 23kW를 투입하여 브라운가스 6600ℓ를 생산한다.

따라서 6600 / 23 = 286.9 (ℓ/kW)이고,

286.9 / 298.5 = 0.96 이므로 효율은 96% 이다.

BK-6000의 전극판 총면적은 94,080cm²이므로 94,080 / 6,600 = 14.25 cm²/ℓ임을 알 수 있다. 앞으로 전극판 면적의 기준치는 효율이 좋은 상기 횡렬식 전해조에 의한 단위 면적 14.25 cm²/ℓ를 기준치로 적용하기로 한다.

따라서 본 발명에 의한 고효율의 브라운가스발생기는 가스생산량(ℓ)당 전극판 단위면적 14.25cm²를 적용하여 전극판의 개수와 단위 전극판면적을 설정하는 방법을 구사하여 전해조를 구성함으로써 근본적으로 전해효율을 높이기 위한 목적을 달성한다.

결과적으로 전극판 면적의 산출공식을 정의하면 다음과 같다.

전극판면적(cm²) = 14.25× 가스발생량(ℓ)

도1은 본 발명의 전체구성상태를 예시한 개략적인 조립도

도2는 도1의 횡단면도

도3은 본 발명의 일구성요소인 전해조 조립단면도

도4는 본 발명의 일구성요소인 전해조 부품의 분해사시도

도5는 본 발명의 일구성요소인 O-링 단면도 및 상세도

도6은 본 발명의 일구성요소인 보조탱크를 포함한 전해액탱크의 조립사시도

도7은 본 발명의 전체적인 시스템도

<도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 브라운가스발생기케이스 11: 케스터 12: 절연브라켓트

20: 전해조 21: 전극판 21a: 스테이볼트공

21b: 전해액유통공 21c: 가스유통공 22: 스페이셔

23: O-링 24: 마감판 25: 전해액유입 닛블

26: 가스배출 닛블 27: 스테이 볼트낫트 28: 전원단자

29: 전해액충진실 30: 크로스플로우팬(Crossflow Fan)

31: 바람안내박스 41: 전해액탱크 42: 보조탱크

43: 전해액수위계 50: 주수구 60: 수위센서

70: 압력스위치 80: 전원인가장치 90: 제어장치

이하 본 발명의 일실시예에 따른 전해효율향상방법과 고효율 브라운가스발생기에 대하여 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도1 내지 도7에서 도시한 바와 같이 본 발명의 전체적인 구성은 케스터(11)를 장착한 브라운가스발생기 몸체에 해당하는 케이스(10)와 케이스(10)내부에 설치되며 절연브라켓트(12)에 의해 고정되는 전극판 돌출식 전해조(20)와 전해조(20)에 연결되어 전해액을 공급하고 브라운가스를 포집하는 전해액탱크(41)와 상기 전해조(20)를 냉각시키기 위한 크로스플로우팬(30)과 또한 DC전원을 인가하기 위한 전원인가장치(80) 및 제어장치(90) 등으로 구성되어 있다.

상기 전극판 돌출식 전해조(20)는 도3 내지 도5에 도시한 바와 같이 4방에 스테이볼트공(21a)가 형성되고 또한 전해액유통공(21b) 및 가스유통공(21c)가 형성된 전극판(21)과, 4방에 스테이볼트공(22a)이 형성되도록 절연재로 사출성형한 스페이셔(22)와, 전해액 누설을 방지하기 위한 내알카리성 고무재질의 O-링(23)과, 그리고 마감판(24,24a)으로 구성된 것으로, 전극판과 전극판(21) 사이에 스페이셔(22)와 O-링(23)을 상호교합하여 전해액충진실(29)가 형성되도록 하여 일정 개수의 전극판(21)을 배열하고 양단에 전해조마감판(24,24a)을 일체로 구성하여 스테이볼트낫트(27)로 체결조립하여 구성한 것이다.

특히, 본 발명에 의한 전해조(20)의 구성은 전극판면적=14.25× 가스생산량 이라는 공식을 적용하여 브라운가스발생기의 가스생산량에 따른 전극판 면적을 산정한 후 적정 전극판(21) 개수와 단위 전극판(21)의 유효면적을 설정하여 실제 전해액이 충진되는 O-링(23)의 내경을 산정하고 그에 따른 스페이셔(22)의 크기와 전극판(21)의 크기를 정하여 구성한 것이다.

또한 전해조 외곽을 바람안내박스(31)로 씌워서 크로스플로우팬(30)에 의해 냉각효과를 최대로 하였다.

또한 상기 O-링(23)은 도5에 도시한 바와 같이 단면형상이 단순히 원형을 이루지 않고 산(23a)과 골(23b)을 형성하여 전극판(21)과 전극판(21) 사이에 압착고정되어 장시간 사용하여도 전해액 누출이 생기지 않도록 내구성을 강화한 것이다.

도6과 도7에 도시한 바와 같이 전해액 탱크(41,41a)는 원통으로 키가 700mm이상되게 형성하여 전해액 수위계(43)와 수위센서(60) 그리고 주수구(50)을 구비하고 있고 특히 전해액을 풍부하게 저장하여 냉각효율을 높이기 위해 보조탱크(42,42a)을 구비하고 있는 것이 특징이고, 전해액 탱크(41,41a)의 상부닛블(44,44a)과 전해조 마감판(24,24a)에 형성된 가스배출닛블(26,26a)이 연결호스(46,46a)로 연결되고 하부닛블(45,45a)은 전해액 유입닛블(25,25a)와 연결호스(45,45a)로 연결되어 전해조(20)에서 생성되는 브라운가스는 연결호스(46,46a)를 따라 위로 올라가 전해액탱크(41,41a)의 상부에 포집되고 가스라인(49)를 따라 역화방지기(도시하지 않음)를 거쳐 버너에 공급된다.

본 발명의 전체적인 시스템은 도7에 도시한 바와 같이 전해조(20)와 보조탱크(42,42a)를 포함한 전해액탱크(41,41a)를 각각 좌우동형으로 구성하여 (+)전원측과 (-)전원측을 확실하게 구분하여 누설전류가 없도록 구성한 것이다.

전해조 마감판(24, 24a) 에 형성된 (+)전원단자(28)과 (-)전원단자(28a)에 DC전원인가장치(80)로부터 전원이 인가되면 즉시 브라운가스가 발생되면서 연결호스(46,46a)을 따라 전해액탱크(41,41a)로 올라가고 전해액은 곧바로 연결호스(45,45a)로 따라 보충되면서 원활하게 자연순환이 이루어진다.

또한 본 발명의 브라운가스발생기는 가스사용량의 증감에 따라 압력스위치(70)의 "ON", "OFF" 작동에 의해 자동적으로 가스생산과 중단을 반복하는 콘트롤 루프 시스템에 의해 가동된다. 예를 들면 개폐발브(75)를 닫으면 가스생산을 중단한다. 또한 오버프레셔 경고장치와 수위센서(60)에 의한 물부족 경고장치 등이 제어장치(90)에 의해 자동제어된다.

<실시예>

본 발명자가 실제 생산하고 있었던 기존 모델 BS-600(가스생산량 600ℓ/h)와 새로 개발한 신형모델 BN-600을 비교 검토한다.

본 발명에 의하여 BN-600을 설계하면 전극판면적은 14.25cm²/ℓ× 600ℓ/h = 8550cm²이다. 전극판 개수를 80EA로 정하면 단위전극판의 유효면적은 8550cm²/80EA = 106.8cm²이고 O-링 내경은 116Ø 이다.

여기에 O-링 크기와 스페이셔 크기 그리고 방열면적을 감안하여 전극판의 실제 크기는 W155× H180으로 정하였다.

본 전해조는 양단에 160V× 13A를 걸어 가스생산량 600ℓ/h를 생산하므로 소비전력은 3.7 W/ℓ이고 효율은 96%이다.

이것을 기존 BS-600(소비전력 4.2 W/ℓ, 전극판 개수 105EA)과 비교하면 효율이 12% 증가한 것이다.

더구나 전극판 수량이 25개나 줄었으므로 확실하게 코스트 다운이 되었고 또한 냉각팬을 기존의 원심형의 축류팬(Axial Fan)대신에 크로스플로우팬(Crossflow Fan)을 장착하여 냉각효율을 높였으므로 풍량을 1/3로 줄일 수 있었다. 이것은 기존모델 경우 방열을 위해 높은 풍압과 풍량을 요구하는 축류팬의 소음문제를 해결한 것이다.

본 발명은 전극판 면적 설정을 위한 기준치 14.25cm²/ℓ을 제시함으로써 근본적으로 발열이 덜 나게 하여 고효율이 전해조를 설계할 수 있게 하였고 전해조와 길이가 같은 크로스플로우팬을 구성함으로써 냉각효율을 높이고 소음문제를 해결하였고 전해조탱크를 원통형으로 키가 크게 구성하여 전해액 흐름을 좋게 함으로써 자연순환방식인 전극판 돌출식 전해조의 가스발생을 원활하게 하였고 가장 취약점이었던 O-링의 단면형상을 산과 골이 형성되도록 성형하여 장시간 가동하여도 전해액이 누출되는 일이 없도록 내구성을 강화하였으므로 전체적으로는 전해효율을 크게 향상시키고 24시간 연속 사용하여도 문제가 없는 브라운가스발생기를 제공한 것으로 브라운가스를 명실상부하게 연료로 쓸 수 있게 하였다.

본 발명에 의해 브라운가스발생기를 공장자동화에 의한 가열장치에 쓰이게 하였을 뿐만 아니라 보일러 등의 난방연료 공급장치로 광범위하게 사용할 수 있게 하여 이제 브라운가스는 21세기의 준비된 대체에너지로 각광받게 되었다.

Claims

몸체에 케스터(11)을 장착한 케이스(10)와, 케이스(10) 내부에 설치되며 절연브라켓트(12)에 의해 고정되는 전극판돌출식전해조(20)와, 전해조(20)에 연결호스로 연결되어 전해액을 공급하고 브라운가스를 포집하는 전해액탱크(41,41a)와, 전해조(20)을 냉각시키기 위해 바람안내박스(31)을 구비한 크로스플로우팬(30)과, DC전원을 인가하기 위한 전원인가장치(80) 및 제어장치(90) 등으로 구성한 것을 특징으로 하는 고효율 브라운가스발생기.
제 1항에 있어서 전극판돌출식전해조(20)는 전극판(21) 각각의 사이에 스페이셔(22)와 O-링(23)을 상호교합하여 전해액충진실(29)이 형성되도록 배열한 후 양단에 전해조마감판(24)을 조립하고 스테이볼트낫트(27)로 체결하여 일체로 구성하고, 특별히 전극판(21)의 크기와 수량을 공식[전극판면적=14.25× 가스발생량]에 의해 산정한 것을 특징으로 하는 고효율 브라운가스발생기.
제2항에 있어서 전해액충진실(29)을 형성하는 O-링(23)은 단면형상이 단순히 원형을 이루지 않고 산(23a)과 골(23b)을 형성하여 전극판(21) 사이에 고정압착되어 전해액 누출이 생기지 않도록 내구성을 강화한 것을 특징으로 하는 고효율 브라운가스발생기.
제1항에 있어서, 보조탱크(42,42a)를 포함한 전해액탱크(41,41a)는 원통형으로 키가 700mm이상 되게 형성하여 전해액수위계(43)와 수위센서(60) 그리고 주수구(50)을 구비하고 있고 전해조마감판(24,24a)에 형성된 가스배출닛블(26,26a)과 연결호스(46,46a)로 연결하여 브라운가스는 위로 올라가도록 하고, 또한 전해액유입닛블(25,25a)과 연결호스(47,47a)로 연결하여, 전해액이 곧바로 유입되도록 하여 전해액자연순환이 원활하게 이루어지게 구성한 것을 특징으로 하는 고효율 브라운가스발생기.