KR200439134Y1 - 산소발생장치 - Google Patents

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KR200439134Y1 KR2020070005192U KR20070005192U KR200439134Y1 KR 200439134 Y1 KR200439134 Y1 KR 200439134Y1 KR 2020070005192 U KR2020070005192 U KR 2020070005192U KR 20070005192 U KR20070005192 U KR 20070005192U KR 200439134 Y1 KR200439134 Y1 KR 200439134Y1
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Abstract

전해질 촉매를 사용하지 않고서 물을 전기분해하여 산소를 발생할 수 있고, 장치 및 물의 온도 상승을 방지할 수 있으며, 물의 전도성 물질의 변화에도 일정한 전류값과 산소 발생량을 안정적으로 유지할 수 있고, 특히 소규모 전류값과 저온 저압에서 분해가 이뤄질 수 있어서. 음용 목적용도에 효과적으로 사용할 수 있는 산소발생장치. 양극 분해조에는 전기분해할 물을 받아들이기 위한 물 유입구와, 전기분해에 의해 발생되는 산소를 배출하기 위한 산소 배출구가 마련되어 있다. 음극 분해조는 냉각수를 받아들이기 위한 냉각수 유입구와, 전기분해에 의해 발생되는 수소를 배출하기 위한 수소 배출구가 마련되어 있다. 전극결합체는 양극 분해조와 음극 분해조 사이에 설치되며, 다공질의 양극판 및 음극판과, 상기 양극판 및 상기 음극판 사이에 삽입되어 양 전극의 직접 접촉을 방지하면서 기체를 통과시키고 물의 통과를 억제하는 기체분리막을 구비한다. 정전류 전원회로는 양극판 및 음극판 사이에 정전류 전력을 공급한다. 이에 따라, 양극판 및 상기 음극판 사이에 전기가 도통하여 물이 전기분해될 때 발생되는 열은 상기 음극 분해조의 냉각수 유입구를 통해 공급되는 냉각수에 의해 냉각될 수 있게 된다.
산소, 산소발생, 전기분해, 냉각, 정수기, 냉온수기

Description

산소발생장치{Apparatus for Generating Oxygen Gas}
도 1은 본 고안에 의한 산소수 정수기의 일 실시예의 블록도.
도 2는 도 1에 도시된 산소발생기의 바람직한 실시예를 개략적으로 보여주는 도면.
도 3은 도 2에 도시된 전해조/전극 어셈블리의 일 실시예의 사시도.
도 4는 도 3의 전해조/전극 어셈블리에서 전극결합체의 구조를 보여주는 분해사시도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
12: 집수조, 20: 산소발생기, 30: 전해조/전극 어셈블리
40: 오존제거필터, 50, 52, 54, 60: 체크밸브, 56: 솔레노이드밸브
58: 유량조절밸브, 72: 산소배출관, 74: 수소배출관
80: 정전류회로, 100: 양극 분해조, 102: 하부 케이스
104: 상부 케이스, 106: 물 유입구, 108: 산소 배출구
109, 119: 연결통로, 109a, 119a: 플랜지
110: 음극 분해조, 112: 하부 케이스, 114: 냉각수 유입구
116: 덮개, 118: 수소 배출구
120: 전극결합체, 130: 기체분리막, 140: 양극판, 150: 음극판
144, 154: 급전단자, 160, 170: 백금전극판, 180, 190: 밀봉부재
본 고안은 산소 발생 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물을 전기분해하여 산소를 발생하는 장치에 관한 것이다.
수소는 배출하고 산소를 활용하는 수전해장치의 효율적 운용에 관한 응용분야로서 보다 상세하게는 가정용 정수기와 결합 연계하여 정수 처리된 물속에 산소를 용해시키는 산소수정수기에 적용되는 수전해 발생장치에 관한 것이다.
용존산소가 풍부한 물을 마시는 것은 호흡에서 부족한 산소를 체내에 공급할 수 있는 유일한 방법으로서 건강에 유익한 것으로 인식되어 있으며, 이에 따라 병입된 생수에 산소를 용존시킨 산소수나, 정수된 물에 산소를 용존시키는 산소수 정수기가 등장하게 되었다.
일반적으로 산소수 생산시 산소 공급원으로는 산소탱크나 산소발생장치가 사용된다. 그런데, 산소탱크를 산소원으로 사용하는 경우에는 한정된 용량 때문에 탱크를 빈번하게 교체해야만 하는 번거로움이 있고 고압탱크의 안전성에 대한 불안감이 존재할 수 있다. 한편, 산소발생장치는 제올라이트를 흡착제로 사용하는 PSA 방식, 멤브레인이나 평막 등의 분리막을 사용하는 방식, 전기분해방식 등이 이용되고 있다. 그런데, 제올라이트나 분리막을 이용하는 산소발생장치는 수분에 민감하여 일정기간이 경과하면 산소 순도가 저하되어 목적하는 용존산소 농도를 충족하기 가 어려운 단점이 있다.
전기분해방식 산소발생장치는 이러한 문제점을 해결할 수 있기는 하지만, 기존의 수전해장치는 수소를 얻고자 하는 용도로 발전되어 왔기 때문에 산소 포집 및 이용에 적합하지 않으며, 전해질 촉매를 사용하기 때문에 인체에 유해한 성분이 산소 기체에 혼입될 수 있다. 또한, 기존의 전기분해방식 산소발생장치는 장치 자체와 물의 온도가 상승하여 전기분해 동작이 불안정해질 수 있고, 특히, 전기분해 과정에서 발생되는 기체의 압력이 누적됨에 따라 전극이 변형될 수 있기 때문에, 고온 및 고압에 견딜 수 있는 구조가 요구된다는 문제점이 있다.
따라서, 기존에 산소 공급원으로 사용되는 산소탱크나 산소발생장치는 모두 가정용 정수기와 같은 소형 시스템에 적용하기가 제한적이거나 곤란하다는 문제점이 있었다.
본 고안은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전해질 촉매를 사용하지 않고서 물을 전기분해하여 산소를 발생할 수 있고, 장치 및 물의 온도 상승을 방지할 수 있으며, 물의 전도성 물질의 변화에도 일정한 전류값과 산소 발생량을 안정적으로 유지할 수 있고, 특히 소규모 전류값과 저온 저압에서 분해가 이뤄질 수 있어서 음용 목적용도에 효과적으로 사용할 수 있는 산소발생장치를 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 고안의 산소발생장치는 양극 분해조, 음극 분해조, 전극결합체, 및 정전류 전원회로를 구비한다. 양극 분해조에는 전기분해할 물을 받아들이기 위한 물 유입구와, 전기분해에 의해 발생되는 산소를 배출하기 위한 산소 배출구가 마련되어 있다. 음극 분해조는 냉각수를 받아들이기 위한 냉각수 유입구와, 전기분해에 의해 발생되는 수소를 배출하기 위한 수소 배출구가 마련되어 있다. 전극결합체는 양극 분해조와 음극 분해조 사이에 설치되며, 다공질의 양극판 및 음극판과, 상기 양극판 및 상기 음극판 사이에 삽입되어 양 전극의 직접 접촉을 방지하면서 기체를 통과시키고 물의 통과를 억제하는 기체분리막을 구비한다. 정전류 전원회로는 양극판 및 음극판 사이에 정전류 전력을 공급한다. 이에 따라, 양극판 및 상기 음극판 사이에 전기가 도통하여 물이 전기분해될 때 발생되는 열은 상기 음극 분해조의 냉각수 유입구를 통해 공급되는 냉각수에 의해 냉각될 수 있게 된다.
바람직한 실시예에 있어서, 양극판과 음극판간의 전기 도통을 촉진하기 위하여, 양극판과 기체분리막 사이에는 백금 박막으로 된 제1 백금전극판이 삽입되고, 마찬가지로 음극판과 기체분리막 사이에 제2 백금전극판이 삽입된다. 이러한 경우, 양극 분해조의 외주면에는 제1 연결통로가 일체로서 형성되고 제1 연결통로의 단부에 제1 플랜지가 형성되며, 마찬가지로 음극 분해조의 외주면에는 제2 연결통로가 일체로서 형성되고 제2 연결통로의 단부에 제2 플랜지가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 양극판, 제1 백금전극판, 기체분리막, 제2 백금전극판, 음극판은 서로 밀착된 상태로 제1 및 제2 플랜지 사이에 삽입되어 나사 및 너트에 의해 체결될 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 산소 배출구에는 발생되는 산소 기체에서 오존 성분을 제거하기 위한 오존제거필터가 접속된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 보다 자세하게 설명한다.
도 1은 본 고안에 의한 산소수 정수기의 일 실시예의 블록도이다. 도시된 산소수 정수기에서, 필터 어셈블리(10)는 투입되는 원수 즉, 수돗물을 정화한다. 집수조(12)는 정수된 물을 임시 저장하고, 산소용해기(14)는 집수조(12)로부터 공급된 물에 산소를 용해시킨다. 산소용해기(14)가 물에 용해시키는 산소는 산소발생기(20)에 의해 공급되는데, 산소발생기(20)는 집수조(12)에 저장된 물을 받아들여 전기분해함으로써 산소를 발생한다. 산소용해기(14)에 의해 물에 산소가 포화 또는 과포화농도로 용존된 산소수는 출수코크(16)를 통해 사용자에게 제공된다.
도 2는 도 1에 도시된 산소발생기(20)의 바람직한 실시예를 개략적으로 보여준다. 산소발생기(20)는 실제 전기분해가 이루어져 산소가 발생하는 전해조/전극 어셈블리(30)와, 산소 중에 함유될 수 있는 오존을 제거하기 위한 오존제거필터(40)와, 물과 기체의 흐름을 단속하기 위한 다수의 밸브(50~60)와, 정전류회로(80)를 구비한다.
도 3은 전해조/전극 어셈블리(30)의 일 실시예를 보여준다.
전해조/전극 어셈블리(30)의 하우징은 플래스틱과 같은 절연성 소재로 제작되며, 양극 분해조(100) 및 음극 분해조(110)를 구비한다. 도시된 실시예에 있어서, 양극 분해조(100) 및 음극 분해조(110)는 단면이 원형으로 되어 있는데, 본 고 안이 이에 한정되는 것은 아니며, 사각형이나 다른 형태의 단면을 가질 수도 있다. 양극 분해조(100)는 컵 형상으로 되어 있는 하부 케이스(102)와, 뒤집어진 컵 형상으로 되어 있으며 상기 하부 케이스(102)에 나사 및 너트에 의해 체결되는 상부 케이스(104)를 구비한다. 상부 케이스(104)의 상부면에는 전기분해할 물을 받아들이기 위한 물 유입구(106)와, 전기분해에 의해 발생된 산소를 배출하기 위한 산소 배출구(108)가 마련되어 있다. 한편, 음극 분해조(110)는 컵 형상으로 되어 있는 하부 케이스(112)와, 상기 하부 케이스(112)에 나사 및 너트에 의해 체결되는 덮개(116)를 구비한다. 하부 케이스(112)의 측면에는 냉각수를 받아들이기 위한 냉각수 유입구(114)가 마련되어 있고, 상부면에는 전기분해에 의해 발생된 수소와 물의 혼합물을 배출하기 위한 수소 배출구(118)가 마련되어 있다.
양극 분해조(100) 및 음극 분해조(110) 각각의 일 측면에는 연결통로(109, 119)가 일체로서 형성되어 있고, 각 연결통로(109, 119)의 단부에는 플랜지(109a, 119a)가 형성되어 있다. 양극 분해조(100) 및 음극 분해조(110)의 플랜지들(109a, 119a)은 전극결합체(120)를 사이에 두고 나사 및 너트에 의해 체결되어 결합된다.
도 4는 도 3에 도시된 전극결합체(120)의 분해사시도이다. 전극결합체(120)에서, 기체분리막(130)을 사이에 두고 양극판(140)과 음극판(150)이 배치되어 있다. 기체분리막(130)은 양극 및 음극 전극판들이 직접 접촉하는 것을 방지하면서, 산소나 수소 기체는 통과시키면서 물의 통과를 억제하는 기능을 수행하는 것으로서, 듀폰사의 나피온(Nafion)과 같은 소재를 절단하여 사용할 수 있다. 양극판(140)과 음극판(150)의 중앙에는 기체가 통과할 수 있도록 다수의 관통공(142, 152)이 형성되어 있으며, 각각의 일 모서리에는 급전을 위한 단자(144, 154)가 마련되어 있다. 일 실시예에 있어서, 양극판(140)과 음극판(150)은 산화 현상을 방지하기 위하여 비산화물질인 티타늄 소재로 구성된다. 변형된 실시예에 있어서는, 양극판(140)과 음극판(150)을 전체적으로 티타늄 소재로 제작하는 대신에 표면을 티타늄 소재로 도금할 수도 있다. 전기전도도를 더욱 높이기 위하여, 바람직한 실시예에 있어서는, 양극판(140) 및 음극판(150) 각각과 기체분리막(130) 사이에는 백금 박막으로 가공되는 백금전극판(160, 170)이 삽입되는데, 백금전극판(160, 170)에는 양극판(140) 및 음극판(150)과 유사한 패턴으로 다수의 관통공(82, 92)이 형성되어 있다.
한편, 양극판(140) 및 음극판(150)의 외곽에는 플래스틱 또는 러버 재질로 되어 있는 밀봉부재(180, 190)가 설치된다. 밀봉부재(180, 190)의 중앙에는 물과 기체가 원활하게 소통할 수 있도록 큰 관통공이 형성되어 있으며, 테두리를 따라 양극 분해조(100) 및 음극 분해조(110)의 플랜지들(109a, 119a)을 체결하기 위한 나사가 관통할 수 있도록 다수의 나사공(182, 192)이 형성되어 있다. 이와 같은 전극결합체(120)는 밀봉부재(180)와, 양극판(140)과, 백금전극판(160)과, 기체분리막(130)과, 음극판(150)과, 백금전극판(170)과, 밀봉부재(190)를 밀착시킨 상태에서, 양극 분해조(100) 및 음극 분해조(110)의 플랜지들(109a, 119a) 사이에 삽입하고 나사를 체결함으로써 조립된다.
다시 도 2를 참조하면, 양극 분해조(100)의 물 유입구(106)는 체크밸브(50)를 경유하여 급수관(60)을 통해 집수조(12)의 토출구(12a)에 접속된다. 그리고, 양극 분해조(100)의 산소 배출구(108)는 오존제거필터(40) 및 체크밸브(52)를 경유하여 산소배출관(72)을 통해 산소용해기(도 1의 16)에 접속된다. 음극 분해조(110)의 수소 배출구(118)는 체크밸브(54)를 경유하여 수소배출관(74)을 통해 외부로 배출된다. 한편, 전기분해 과정에서 전극결합체(120)에서 발생되는 열을 적절히 배출하기 위하여 전해조/전극 어셈블리(30)에는 위에서 언급한 바와 같이 냉각수 유입구(114)가 마련되는데, 이 냉각수 유입구(114)는 솔레노이드밸브(56), 유량조절밸브(58) 및 체크밸브(60)를 경유하여 냉각수공급관(76)을 통해 집수조(12)의 토출구(12b)가 접속된다.
한편, 도면에는 표시되지 않았지만, 양극 분해조(100) 내에는 수위를 조절하기 위한 수위조절밸브가 추가적으로 마련될 수 있다.
이와 같은 산소발생장치는 다음과 같이 동작한다.
정수기의 필터어셈블리(10)에 의해 정수 공정을 거친 물은 1차적으로 정수기 상부의 정수기의 정수필터 공정을 거친 물은 1차적으로 정수기 상부의 집수조(12)에 모이게 된다. 집수조(12)의 물은 급수관(60)을 통하여 양극 분해조(100)로 유입된다. 체크밸브(50)는 전기분해 시 발생되는 산소압에 의해 물이 역류되지 않도록 하는 기능을 수행한다. 그리고, 양극 분해조(100) 내에 있는 수위조절밸브는 전기분해에 의해 소비되는 만큼의 물이 연속적으로 보충되되, 가동중이나 중지시에도 일정 수위가 유지되도록 하는 기능을 수행한다.
정전류회로(80)는 제어회로(미도시됨)의 제어 하에 전극결합체(120) 내에 있는 양극판(140)을 통해 예컨대 8 암페어(A)의 정전류를 공급하게 된다. 전류 공급 에 따라 양극판(140)과 음극판(150) 주위에서 물이 산소와 수소로 전기분해된다. 전기분해 결과 생성되는 산소 분자 및 수소 분자는 양극 분해조(100) 및 음극 분해조(110)에 포집된다. 정전류 방식을 채택함으로 인하여, 물의 전도도 변화에 관계없이 양극판(140)과 음극판(150) 사이에는 일정한 크기의 전류만이 흐르게 되고, 전기분해가 안정되게 이루어질 수 있게 된다. 전기분해 과정에서 기체분리막(130)은 산소나 수소 기체는 통과시키면서 물의 통과를 억제하는 기능을 수행하는데, 이때 미량의 물이 양극 분해조(100)로부터 음극 분해조(110)로 스며나올 수 있다.
양극 분해조(100)에 포집되는 산소 기체는 내부에서 상방으로 부상하여 산소 배출구(108) 및 산소배출관(72)을 통하여 산소용해기(도 1의 16)에 공급된다. 이 과정에서, 오존제거필터(40)는 산소 중에 함유되어 있을 수 있는 오존을 제거하여 순수한 산소만이 산소용해기에 공급되도록 하고, 체크밸브(52)는 산소용해기로부터 물이 역류하여 양극 분해조(100)로 유입되는 것을 방지한다. 음극 분해조(110)에 포집되는 수소 기체는 내부에서 상방으로 부상하여 수소 배출구(118) 및 수소배출관(74)을 통하여 외부로 배출된다.
한편, 전기분해 과정에서 적지 않은 열을 발생하게 되는데, 양극 분해조(100) 내에 있는 물이나 양극 분해조(100)로부터 음극 분해조(110)로 스며나오는 미량의 물만으로는 방열이 원활히 이루어지지 않을 수 있으므로, 바람직한 실시예에 있어서는 냉각수 유입구(114)를 통하여 집수조(12)로부터 전해조/전극 어셈블리(30)에 별도의 냉각수가 공급된다. 냉각수공급관(76) 상에 설치되는 솔레노이드밸브(56)는 냉각수의 공급을 선택적으로 차단하고, 유량조절밸브(58)는 냉각수 양 을 조절한다. 그리고, 체크밸브(60)는 냉각수가 역류하는 것을 방지하게 된다. 동작 과정에서, 냉각수와, 기체분리막을 통해 양극 분해조(100)로부터 배어나온 미량의 물은 수소 기체와 함께 수소배출관(74)을 통하여 외부로 서서히 배출되고, 새로운 냉각수가 보충된다.
본 고안에 의한 산소발생장치는 전해질 촉매를 사용하지 않고서 물을 전기분해하여 산소를 발생한다. 특히, 본 고안에 의한 산소발생장치는 정전류 전력을 토대로 전기분해를 행하기 때문에, 물의 전도성 물질의 변화에 관계없이 일정한 전류값을 유지할 수 있게 되어 안정적이고 효과적으로 전기분해를 수행할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 바람직한 실시예에 있어서와 같이 백금전극 박막을 사용하는 경우, 소규모 전류값과 저온 저압에서 전기분해가 이뤄질 수 있고, 냉각수 공급을 통해 수온의 상승을 방지할 수 있는 효과가 있다. 아울러, 전극결합체(120)가 상하방향으로 설치되고, 그 양측에 양극 분해조와 음극 분해조가 마련되어 있기 때문에, 전기분해에 의해 발생되는 산소와 수소가 각각 양극 분해조와 음극 분해조 내에서 급부상하여 원활하게 외부로 배출되기 때문에, 전기분해에 대한 방해물로 작용하지 않는다는 이점이 있다.
이와 같은 산소발생장치는 수소보다는 산소를 필요로 하는 응용분야에 널리 사용할 수 있고, 특히 소형으로 제작할 수 있기 때문에 정수기나 냉온수기와 같은 음용수 처리장치에서 고순도 청정 산소를 발생하여 활용할 수 있게 된다.

Claims (4)

  1. 전기분해할 물을 받아들이기 위한 물 유입구와, 전기분해에 의해 발생되는 산소를 배출하기 위한 산소 배출구가 마련되어 있는 양극 분해조;
    냉각수를 받아들이기 위한 냉각수 유입구와, 전기분해에 의해 발생되는 수소를 배출하기 위한 수소 배출구가 마련되어 있는 음극 분해조;
    상기 양극 분해조와 상기 음극 분해조 사이에 설치되며, 다공질의 양극판 및 음극판과, 상기 양극판 및 상기 음극판 사이에 삽입되어 양 전극의 직접 접촉을 방지하면서 기체를 통과시키고 물의 통과를 억제하는 기체분리막을 구비하는 전극결합체; 및
    상기 양극판 및 상기 음극판 사이에 정전류 전력을 공급하기 위한 정전류 전원회로;
    를 구비하여, 양극판 및 상기 음극판 사이에 전기가 도통하여 물이 전기분해될 때 발생되는 열이 상기 냉각수 유입구를 통해 공급되는 냉각수에 의해 냉각될 수 있는 산소발생장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양극판과 상기 음극판간의 전기 도통을 촉진하기 위하여, 상기 양극판과 상기 기체분리막 사이에 백금 박막으로 된 제1 백금전극판이 삽입되고, 상기 음극판과 상기 기체분리막 사이에 제2 백금전극판이 삽입되는 산소발생장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 양극 분해조의 외주면에 제1 연결통로가 일체로서 형성되어 있고 상기 제1 연결통로의 단부에 제1 플랜지가 형성되어 있으며, 상기 음극 분해조의 외주면에 제2 연결통로가 일체로서 형성되어 있고 상기 제2 연결통로의 단부에 제2 플랜지가 형성되어 있으며,
    상기 양극판, 상기 제1 백금전극판, 상기 기체분리막, 상기 제2 백금전극판, 상기 음극판이 서로 밀착된 상태로 상기 제1 및 제2 플랜지 사이에 삽입되어 나사 및 너트에 의해 체결되는 산소발생장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산소 배출구에 유체적으로 접속되는 오존제거필터;
    를 더 구비하는 산소발생장치.
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