KR20060114334A - 하나 이상의 가스 생산 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

하나 이상의 가스, 특히 산수소의 생산을 위한 방법이다. 어떤 액체(9), 바람직하게는 물(9)이 전해질로서 다루어진다. 이러한 형태의 방법의 효율을 개선하기 위해, 생산되는 가스가 흡착되는 물질, 특히 이온 교환자(10)가 액체(9) 안에 존재한다.
Figure 112006034817160-PCT00004
가스 제조(producing gas), 산수소(oxyhydrogen)

Description

하나 이상의 가스 생산 방법 및 장치{Method and Device for Producing One or Several Gases}
본 발명은 하나 또는 그 이상의 가스 생산 방법 및 이러한 형태의 방법을 수행하는 장치에 관련한 것이다.
본 발명은 하나 또는 그 이상의 가스 생산 방법 및 이러한 형태의 방법을 수행하는 장치에 관련한 것이다.
본 방법에서, 생산되는 가스를 포함하는 액체가 전해질로(electrolytically) 취급된다. 하나 이상의 가스가 전기 분해에 의해 형성된다. 상기 방법은 특히 수소 또는 수소와 산소를, 특히 혼합물(산수소(oxyhyrogen))로서, 생산하는데 도움이 된다.
수소, 수소와 산소 또는 산수소의 제조 방법은 이미 알려져 있다. 이를 위해 전형적인 전해(electrolytic) 방법에서 물이 사용된다. 물 분자는 수소와 산소를 포함한다. 하지만, 이미 알려진 방법들은 효율과 반응 속도에 있어 개선을 요한다.
전기적 도체인 초미세전극(ultramicroelectrode) 입자가 존재하는 산화전극 챔버(anode chamber)와 환원전극 챔버(cathode chamber)로 구성되고, 각각의 경우에 환원전극 및 전극과 접촉하며 전도성의 개선과 및 과전위의 최소화에 도움이 되 는 US-A 5,879,522로부터 수소와 산소의 전해적 생산 장치가 알려져 있다.
미세한 보석 분말(powder) 또는 바위 분말 또는 다른 형태의 무기물(minerals) 또는 금속의 미세 분말에 의해 반응이 이루어지는 JP 2002-322584에 물의 전기분해 방법이 알려져 있다. 미세한 분말들은 전도성을 개선하기 위해 사용된다.
DE 100 16 591 C2는 1차 전해액이 중공(hollow) 미세섬유(microfiber)의 내부 공간에서 제공되고 2차 전해액이 중공 미세섬유의 외부에서 제공되는 수소 발생 방법을 개시한다. 상기 속이 빈 미세섬유는 그 벽면상에 산화전극과 환원전극을 분리하여 지닌다(bear).
US 2001/0050234 A1은 1차 전극과 2차 전극으로 구성되고 그 사이에 전해 막(membrane)이 배치된 전해 셀(cell)을 개시한다. 전자-교환 합성수지가 전해 막으로서 사용될 수 있다.
본 발명의 목적은 처음에 기술했던 형식의 개선 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1의 특징(feature)에 의한 발명에 따라 해결된다. 액체 내에 전기 분해에 의해 생산되는 가스가 흡착되는(adhere) 물질(substance)이 존재한다. 상기 가스는 바람직하게는 이온 결합에 의해 상기 물질에 흡착된다.
본 발명의 좀더 유익한 개량(advantageous further development)이 종속항에서 기술된다.
바람직하게 이온 결합으로 액체 내에 존재하는 물질에 흡착된 수소라면 유익하다.
생산되는 가스는 수소인 것이 바람직하다.
생산되는 가스들은 수소 또는 산소가 될 수 있다. 상기 과정에서 수소와 산소를 분리하여 생산할 수 있다. 하지만, 혼합물(산수소)로서 수소와 산소를 생산할 수도 있다. 산수소의 원천적인 생산(native production)은 특히 유익하다. 본 발명의 방법에 따라, 산수소가 정확한(화학량적인(stoichiometric)) 혼합비로 생산될 수 있다. 특히 에너지의 생산을 위해 이러한 형태로 사용될 수 있다. 생산되는 가스를 포함하는 액체는 물이 바람직하다.
좀더 유익한 개량은 생산되는 가스가 흡착되는 물질이 이온 교환자(ion exchanger)인 것이 특징이며, 이 물질은 특히 이온-교환 합성수지가 될 수 있다.
상기 이온 교환자는 산성 이온, 특별히 강한 산성 교환자인 것이 바람직하다.
생산되는 가스가 흡착되는 물질 또는 이온 교환자는 겔-형태(gel-like)일 수 있다.
이온 교환자는 매트릭스(matrix), 활성 작용기(active group) 그리고 교환될 이온을 포함하거나 이들로 구성되는 것이 바람직하다. 매트릭스는 가교(crosslinked) 플라스틱, 특히 가교 폴리스티렌인 것이 바람직하다. 활성 작용기는 황산 작용기(SO3)가 바람직하다. 교환될 이온은 수소 이온(H)이 바람직하며, 이온 교환자는 특히 일반적인 화학식 R-SO3-H를 가질 수 있다.
좀더 유익한 개량은 생산되는 가스가 흡착되는 물질 또는 이온 교환자, 특히 기본 이온 교환자 물질이 촉매작용물질(catalytically acting substances)을 포함하는 것으로 특징으로 한다. 촉매작용물질은 도전 물질, 특히 도전 필름일 수 있다. 촉매작용물질은 이온 교환자 또는 기본이온교환물질(base ion exchanger material)에 혼합될 수 있다.
좀더 유익한 전개에 따르면, 생산되는 가스가 흡착되는 물질 또는 이온 교환자 또는 기본이온교환물질은 촉매 작용을 하는 효소 및/또는 가스를 운반하는 효소를 포함한다. 유기산, 특히 주석산(tartaric acid)이 그러한 효소로서 사용된다. 이러한 효소가 상기 물질, 상기 이온 교환자, 이온-교환 합성 수지 또는 기본 이온 교환 물질에 첨가될 수 있다.
본 발명에 따른 상기 방법을 수행하기 위한 본 발명에 따른 장치는 청구항 15의 특징에 의해 구현된다. 이것은 전원이 될 수 있거나 전원에 연결되는 양극과 음극은 물론 액체를 포함하는 용기(container)를 포함한다. 액체 안에 전기 분해로 생산되는 가스가 부착될 물질이 존재한다.
전극은 설계상 관 모양(tubular)이 바람직하다.
생산되는 가스 및 생산되는 가스가 흡착되는 물질을 포함하는 액체 안에 충전재(filler material)가 구비될 수 있는데, 이 충전재는 솜(wad)인 것이 바람직하다.
충전재 안에는 산이 존재하는 것이 바람직하며, 바람직하게는 충전재는 산으로 적셔진다. 상기 산은 염산인 것이 바람직하다.
US 2001/0050234와 달리, 본 발명에 따르면 양자전도막(proton conductive membrane)이 요구되지 않는다. 본 발명에서는 생산되는 가스가 흡착되는 물질, 특히 이온 교환자를 막에 일체화시키지 않아도 된다. 상기 물질이나 이온 교환자를 산화전극, 환원전극 및 액체와 통신(communication)할 수 있도록 배치할 수 있다. 더 나아가 생산되는 가스가 부착될 물질로서 전기적 부도체, 특히 전기적 부도체 이온 교환자를 사용할 수 있다. 본 발명에 의해 생산되는 가스가 부착될 물질로서, 특히 이온 교환자를 사용할 수 있다. 전기 분해 시 이온 교환자에 흡착하는 경계 작용기(marginal group)가 이온 결합 및/또는 반 데르 발스 힘에 의해 방출되는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 아래에 자세하게 설명될 것이다.
도 1은 산수소 생산 장치를 개략적으로 나타낸다.
도 1에 나타난 장치는 중심 축(center axis)(2) 주위에 축 대칭으로 설계된 용기(1)를 포함하며 상부 덮개(upper cover)(4) 및 하부 덮개(lower cover)(5)로 막힌(closed) 관 모양 하우징(tubular housing)(3)으로 구성된다. 전체 장치는 나타난 것보다 길게 만들어지는 것이 바람직하다.
환형 외부 전극(annular outer electrode)(6)은 하우징(3)의 내벽에 제공된다. 관 모양 내부 전극(tubular inner electrode)(7)이 하우징(3)의 내부에 위치한다. 용기는 수위(the water level)(8)까지 물(9)로 채워져 있다.
높이(the level)(11)까지 겔-형태의 이온 교환자(10)가 전극(6)과 전극(7) 사이에 존재한다.
예를 들어 12 V 자동차 배터리인 전원(13)의 양극(plus pole)에 외부 전극(6)이 스위치(12)를 경유하여 결합된다. 전원(13)의 음극은 내부 전극(7)에 결합되지만, 극성은 바뀌어도 된다.
예시된 실시예에서 수위(8)는 겔-형태의 이온 교환자(10)의 높이(11)보다 위에 있고 내부 전극(7)의 열린 관보다 위에 있다. 하지만, 상기 전극(7)은 막혀도 된다. 수위(8) 위에 있는(beyond) 전극(7)으로 구성될 수도 있다. 더 나아가, 보이는 실시예에서, 겔-형태 이온 교환자(10)의 높이(11)는 외부 전극(6)의 상부 말단 바로 아래에 위치한다. 하지만, 본 장치는 상기 높이(11)가 전극(6)의 상부 말단보다 높게 설계될 수도 있다. 내부 전극(7)은 아래로 닫혀있거나 열려있을 수 있다. 더 나아가 이것은 하부 말단이 열려있거나 하부 덮개(5)에 밀폐되게(sealingly) 연결될 수 있다.
스위치(12)가 닫힐 때, 음으로 충전된 전자와 이온이 양의 외부 전극(6)으로 이동함으로서 용기(1) 내에서 전해 반응이 일어난다. 양이온은 음의 내부 전극(7)으로 이동한다. 이러한 방식으로, 수위(8)와 상부 덮개(4) 사이의 공간(14)에서 산수소가 생산되는데, 이에 의해 산수소 원천적인 생산이 문제(question)가 되며, 상 기 반응은 이온 교환자(10)에 의해 상당히 촉진된다. 산수소는 화학량적인 비율로 존재한며, 이것은 상기 공간(14)에서 뽑아낼 수 있다(도면에서 개시되지 않음). 이는 불연속적으로(배치 공정) 또는 연속적으로 일어날 수 있다. 더 나아가 알맞은 용기(1)의 설계에 의해 생산된 수소와 산소를 각각 모으고 빼낼 수 있다.
이온 교환자(10)는 강한 산성이고, 활성 작용기으로서 술폰산(sulfonic acid)과의 겔-형태 이온 교환자이다. 이 이온 교환자는 일반적으로 화학식 R-SO3-H를 가지는데, 여기서 R은 매트릭스, 특히 가교된 폴리스티렌 매트릭스이고, SO3는 술폰기 활성 작용기 그리고 H는 수소이다.
이온 교환자(10)는 계속 움직이는 것이 바람직한데, 이것은 이온 교환자(10)가 가라앉지 않도록 하기 위함이다. 이 이온 교환자는 유체화한 베드 공정(fluidized bed process)에 의해 계속 움직일 수 있다. 이온 교환자가 계속 움직인다면 가스 생산과 전자 흐름이 개선된다.
좀더 유익한 개량에 따르면, 이온 교환자는 액체 안에서 계속 부유한다(in suspension). 이것은 액체 안에서 계속 부유하도록 이온 교환자 또는 기본 이온 교환 물질이 생산된다는 점에서 물(9) 속에서 일어나는 것이 바람직하다.
본 방법은 연속적으로 수행될 수 있다. 이 목적을 위해 이온 교환자(10)는 연속적으로 공급되고 배출될(drained off) 수 있다(도면에서 개시되지 않음). 배출된 이온 교환자는 재생산되고 다시 공급될 수 있다.
본 방법은 여러 단계로 수행될 수도 있다.
생성된 가스는 공간(14)으로부터 흡출될 수 있다. 이 목적을 위해 상기 공간(14)에 진공을 생성할 수 있다. 여기서 더 나아가 본 방법에 의해 가스가 이온 교환자(10)를 따라 위로 빠져나가고 이에 의해 이온 교환자가 혼합되고 분산된다.
이상적인 효율로 공정이 진행되도록 압력과 온도가 설정될 수 있다.
아래에 측정된 값은 실제 실험에서 정해졌다:
실시예 1:
표 1
Figure 112006034817160-PCT00001
실험 1은 이온 교환자 없이 물에서 수행된 비교 실험이다. 실험 2에서는 적은 양의 이온 교환자가 사용되었다. 실험 3은 많은 양의 이온 교환자를 사용하여 수행되었다. 실험 4에서는 적은 양의 염산이 부가되었다.
실험 1에서 공급 전력이 10.2 W가 되도록 1.0 A의 전류가 10.2 V의 전압에서 공급되었다. 이 공정에서, 10 ml/min의 산수소가 생산되었고, 이는 1.8 W의 시간당 에너지 양과 일치한다. 효율은 (1.8:10.2=)0.176이다.
이온 교환자의 첨가에 의해, 첨가된 양만큼의 전류가 3.0에서 7.5 A로 증가하는 반면, 전압은 이에 대응하여 9.2 V에서 6.5 V로 하강한다. 생산된 산수소의 양은 40 ml/min에서 100 ml/min으로 증가한다. 효율은 0.260에서 0.370으로 증가한다.
실험 4에서 작은 양의 염산의 부가로 인해, 전류는 8.1 A까지 증가하고 전압은 5.7 V까지 떨어진다. 생산된 산수소의 양은 115 ml/min까지 증가하고, 그에 따라 효율은 0.448까지 증가한다.
실시예 2:
도 1에서 예시된 실험 장치가 사용되었지만, 극성이 바뀌었다. 음의 전극을 형성하는 하우징(3)은 길이 166 mm, 내경 26 mm 및 외경 28 mm의 관으로 설계된다. 양의 전극을 형성하는 내부 전극(7)는 길이 166 mm, 내경 14 mm 및 외경 16 mm의 관으로 설계된다. 배터리 충전기(13)는 12 V의 전압으로 DC 전류를 방출한다. 검은 호박 공(dark amber balls)을 형성하는데 유용한 이온 교환자로서 Amberlit 사의 스티렌-DVB가 사용된다. 이 이온 교환자의 기능적인 작용기는 술폰산에 의해 형성된다. 내부 전극(7)의 내부는 솜으로 충전되어 있다(다른 부가물 없이).
상기 실험을 수행하기 위해, 전극은 2.75 mol만큼에 해당하는 식수 50 ml로 채워진다. 내부 전극(7)의 사이 및 내부 전극(7)과 하우징(3) 사이의 환형 공간에서, 그리고 내부 전극(7)의 상부 말단 위 및 하부 말단에 걸쳐, 즉 내부 전극(7)의 하부 말단과 하부 덮개(5) 사이의 중간 공간에서 액체 교환이 일어날 수 있도록, 전체 장치는 완전히 "물 아래(under water)" 놓인다. 식수는 pH 7.0, 전기 전도도 266 μS/cm (25°에서) 그리고 물 경도(water hardness) 5.4 dH°를 가진다. DC 전압이 인가될 때, 아래 결과에 보이는 값들은 전류, 전압, 전력 그리고 앞서 기술한 이온 교환자와 함께 기준 부피로서 주어지는 시간당 형성되는 산수소(KG)를 위한 이온 교환자의 첨가량에 의해 결정된다.
표 2
Figure 112006034817160-PCT00002
첫 번째 실험에서는 이온 교환자가 첨가되지 않았고, 5.0 ml/min의 산수소가 생산되었다. 산수소의 양은 1 ml/min 이온 교환자의 첨가에 의해 두 배가 된다. 시간당 생산되는 산수소의 양은 이온 교환자의 양이 증가함에 따라 증가한다.
실시예 3:
실시예 2의 실험 장치와 같은 것이 사용되었으나, 하우징(3) 및 내부 전극(7)의 길이는 116 mm에서 270 mm로 길어졌을 뿐 다른 실험 장치는 바뀌지 않았다. 측정된 값이 아래에 있다:
표 3
Figure 112006034817160-PCT00003
본 발명에 따른 방법은 생산된 가스가 부착되는 물질, 특히 이온 결합자, 즉 산성 양이온 교환자가 촉매로서 첨가되고, 산, 베이스, 이온 교환 막이 아닌 첨가물과 함께 여러 요소에 의해 물의 분해가 촉진되도록 전기 분해 도중에 공여자가 액체, 특히 물에 첨가되는 방법에 의해 수행된다. 특별한 관점에서, 이온 교환자, 특히 양이온 교환 합성수지 및/또는 음이온 교환 합성수지가 전기 분해 과정에 첨가되어, 수소와 산소 또는 산수소의 생산을 위한 물의 전기 분해 도중에 전류를 증가시키는 촉매로서 작용하고 수소 및/또는 산소의 공여자로서 공정의 수행에 동시에(simultaneously) 기여할 수 있다. 상기 방법에서, 예를 들어 3,900C/min의 전류밀도로 실시할 때 0.6에서 0.85에 이르는 효율이 달성된다. 상응하는 장치는 14.6l/h 만큼의 산수소를 생산할 수 있다.
충전재, 특히 솜은 관 모양 전극(7)의 내부에 위치할 수 있다. 상기 재료 또는 솜은 산, 특히 염산에 의해 적셔질 수 있다. 산출량은 실시예 1의 실험 4에서 기술된 것처럼 상당히 증가될 수 있다.
전해질로 다루어진 액체는 물이 될 수 있다. 그러나 생산된 가스, 즉 수소 또는 다른 물질을 함유하는 다른 액체도 될 수 있다.
산수소 생산용 장치는 엔진의 구성요소가 될 수 있어 엔진에 요구되는 산수소를 원천적으로 생산할 수 있다. 이러한 방법으로, 요구되는 양만큼 계속해서 산수소가 생산될 수 있기 때문에 산수소로의 용해와 저장이 충분할 수 있다. 하지만 수소 및 산소를 각각 생산하고 사용하는 것도 또한 가능하다.

Claims (18)

  1. 어떤 액체(9)가 전해질로 취급되는 하나 이상의 가스 생산 방법에 있어서,
    생산되는 가스가 흡착되는 어떤 물질(10)이 상기 액체(9) 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 하나 이상의 가스 생산 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    생산되는 가스는 수소인 것을 특징으로 하는 가스 생산 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    생산되는 가스는 수소와 산소인 것을 특징으로 하는 가스 생산 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    생산되는 가스를 함유하는 액체(9)는 물인 것을 특징으로 하는 가스 생산 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    생산되는 가스가 흡착되는 물질(10)은 이온 교환자인 것을 특징으로 하는 가스 생산 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    이온 교환자(10)는 산성 이온 교환자인 것을 특징으로 하는 가스 생산 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    생산되는 가스가 흡착되는 물질 또는 이온 교환자(10)는 겔-형태인 것을 특징으로 하는 가스 생산 방법.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    이온 교환자(10)는 매트릭스, 활성 작용기 및 교환될 이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 생산 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    생산되는 가스가 흡착되는 물질 또는 이온 교환자(10)는 촉매 작용 물질을 함유하는 것을 특징으로 하는 가스 생산 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    생산되는 가스가 흡착되는 물질 또는 이온 교환자(10)는 촉매 작용을 하는 효소 및/또는 가스를 운반하는 효소를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 생산 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    생산되는 가스가 흡착되는 물질 또는 이온 교환자(10)가 계속 움직이는 것을 특징으로 하는 가스 생산 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    생산되는 가스가 흡착되는 물질 또는 이온 교환자(10)가 상기 액체(9) 안에서 계속 부유하는 것을 특징으로 하는 가스 생산 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    생산되는 가스가 흡착되는 물질 또는 이온 교환자(10)가 계속 공급되는 것을 특징으로 하는 가스 생산 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 여러 단계로 수행되는 것을 특징으로 하는 가스 생산 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치로서,
    생산되는 가스가 흡착되는 물질을 함유하는 액체(9);
    및 전원(13)이 될 수 있거나 전원에 연결되는 양극(6) 및 음극(7)을 포함하는 용기(1)인 것을 특징으로 하는 가스 생산 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    전극(7)은 관 모양으로 설계된 것을 특징으로 하는 가스 생산 장치.
  17. 제15항 또는 16항에 있어서,
    생산되는 가스 및 생산되는 가스가 흡착되는 물질(10)을 담는 액체(9) 내, 특히 관 모양 전극(7) 내에 충전재가 구비된 것을 특징으로 하는 가스 생산 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    충전재 내에 산이 공급된 것을 특징으로 하는 가스 생산 장치.
KR1020067009723A 2003-11-28 2004-11-26 하나 이상의 가스 생산 방법 및 장치 KR101218952B1 (ko)

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