KR20120024531A - 전기분해 방법, 장치 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소, 특히 연소 엔진, 예를 들어 피스톤 또는 터빈 엔진을 위한 전기분해 가스의 사용을 위한 전기분해 방법, 전기분해 전극, 전기분해 용기, 전기분해 장치, 및 시스템에 관한 것으로서, 전기분해 전극이 진동 주파수로 인위적으로 진동되고, 전기분해 전극의 상기 전기 전압이 상기 진동 주파수의 저 고조파로 진동된다.

Description

전기분해 방법, 장치 및 시스템{ELECTROLYSIS METHOD, DEVICE AND SYSTEM}

본 발명은 연소, 특히 연소 엔진, 예를 들어 피스톤 또는 터빈 엔진을 위한 전기분해 가스의 사용을 위한 전기분해 방법, 전기분해 장치 및 시스템에 관한 것이다.

전기분해에 의해 물로부터 수소와 산소 또는 이들의 화학량론적 혼합물(이하에서는 브라운 가스 또는 폭명 가스라고 한다)을 얻는다는 것이 알려져 있다. 또한, 이런 전기분해 과정에서의 재생가능한 에너지원으로부터 전기를 이용할 수 있다는 것이 제안되었고, 이로써 재생가능한 연료로서 전기분해에 의해 얻어진 수소를 사용할 수 있게 된다. 지금까지 이러한 제안은 주로 기존 전기분해 장치의 낮은 효율로 인해서 그 성공이 제한적이었다.

중국 특허 CN 1 363 726 A는 전기 전압 하에서 적어도 하나의 전기분해 전극 위의 액체 전해질로부터 생기는 가스의 분리를 위한 전기분해 방법의 효율을 증가시키기 위해 진동 주파수로 상기 전기분해 전극을 인위적으로 진동시키는 것을 제안했다.

전기분해 전극의 표면에서 형성되는 기포들은 이런 인위적인 진동에 의해서 더욱 빠르게 사라진다. 이로써 전극의 유효 표면이 기포들에 의해 너무 많이 줄어들지 않게 되고, 전극 표면과 액체 전해질 사이에서 최적의 전자 교환이 유지될 수 있다.

본 발명의 목적은 상기 효율을 더 증가시키는 것이다. 본 발명의 적어도 한 구체예에 따라, 이것은 전기분해 전극의 상기 전기 전압이 상기 공명 주파수의 저 고조파로 진동한다는 점에서 달성된다.

전극 전압의 고조파 진동은 진동과 상호작용하여 전기분해 효율을 더 증가시킬 수 있다. 또한, 진동은 액체 분자에도 효과를 가진 것으로 나타나며, 분자들의 충돌에 의해서 전기분해의 효율을 예상외로 증가시킨다.

바람직하게, 상기 전기분해 전극은 공명 주파수에서 진동된다. 결과적으로, 두 가지 효과가 더 증폭되고, 전기분해의 효율이 더욱 높아진다.

바람직하게, 상기 액체 전해질은 물을 함유하며, 따라서 상기 분리된 가스는 연소가능한 수소-함유 가스이다. 결과적으로, 높은 효율로 물로부터 유효 연료가 얻어질 수 있다.

바람직하게, 연소가능한 수소-함유 가스가 연소되고, 이 연소로부터 생긴 뜨거운 배기 가스가 액체 물 및/또는 연소가능한 수소-함유 가스를 예열한다. 이러한 복열의 사용에 의해서 전기분해와 연소의 효율이 모두 증가될 수 있다.

또한, 본 발명은

a) 전기분해 회로와의 연결을 위한 전기 접촉점을 가진 전기 전도성 물질을 각각 포함하는 적어도 한 쌍의 실질적으로 유사한 전극, 및 별도의 진동 회로와의 연결을 위한 2개의 전기 접촉점을 가진 압전 요소를 구비한 전기분해 용기,

b) 상기 전극들에 연결된 전기분해 회로, 여기서 전극 쌍의 2개의 전극은 각각 반대 극성을 가진 회로에 연결되며, 및

c) 상기 압전 요소에 연결된 진동 회로

를 포함하는 전기분해 장치에 관한 것으로서, 여기서 상기 진동 회로는 진동 주파수로 출력 전압을 제어하기 위한 조절장치를 구비하고, 상기 전기분해 회로가 또한 상기 조절장치에 연결되어 상기 진동 주파수의 저 고조파로 전기분해 회로의 출력 전압을 제어할 수 있다.

바람직하게, 상기 조절장치는 펄스 폭 진동장치일 수 있다.

바람직하게, 상기 진동 주파수는 공명 주파수일 수 있다.

바람직하게, 상기 전기분해 장치는 재생가능한 에너지원으로부터의 전기 공급장치를 구비하며, 이로써 화석 연료의 연소 및 관련된 온실 효과를 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 전기분해 장치, 연소 장치, 및 연소 장치에 연소가능한 전기분해 가스를 급송하기 위한 전기분해 장치와 연소 장치 사이의 가스관을 함유하는 연소 시스템에 관한 것이다. 결과적으로, 일부 환경에서는 전기가 유용한 방식으로 열 에너지로 전환될 수 있다. 바람직하게, 상기 가스관은 안전 버블러를 함유한다. 이것은 연소 장치로부터의 역류에 의해서 전기분해 용기가 손상되는 것을 방지한다.

바람직하게, 상기 가스관은 또한 안전 버블러 앞에서 연결된 비-반송 밸브를 함유한다. 이것은, 전기분해 용기 안에 음압이 발생한 경우에, 유체가 안전 버블러로부터 전기분해 용기로 되돌아가는 것을 방지한다.

바람직하게, 연소 시스템은 또한 상기 가스관에 연결된 전기분해 가스 저장 탱크를 구비한다. 결과적으로, 전기분해 가스가 저장될 수 있고, 이로써 연소 장치에 대한 부하가 높은 동안에도 사용될 수 있다.

바람직하게, 연소 시스템은 또한 연소 시스템에 연결된 배기관을 구비하고, 적어도 하나의 열 교환기가 가스관 및/또는 전기분해 탱크에 연결된다. 결과적으로, 연소가능한 전기분해 가스 및/또는 전기분해 용기가 연소 가스들에 의해서 복열식으로 예열될 수 있다.

바람직하게, 상기 연소 장치는 연소 엔진, 바람직하게 피스톤 또는 터빈 엔진이다. 결과적으로, 일부 환경에서는 전기가 유용한 방식으로 기계 에너지로 전환될 수 있다.

다음 도면을 참조하여 본 발명에 관한 상세한 내용이 이후 설명된다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 전기분해 전극의 도식도이다.
도 2는 도 1에 도시된 것들과 같은 한 쌍의 전기분해 전극을 가진 본 발명의 한 구체예에 따른 전기분해 장치의 도식도이다.
도 3은 도 1에 도시된 것과 같은 전기분해 장치와 연소 엔진을 포함하는 본 발명의 한 구체예에 따른 연소 시스템의 도식도이다.

도 1에 도시된 전기분해 전극(1)은 스테인리스 스틸 박판형 전극으로서, 전기 접촉점(2)을 가지며, 압전 요소(3)가 절연 접착제에 의해서 전극 표면에 부착된다. 이 압전 요소(3)는 제1 전기 접촉점(5)이 중앙에 위치된 압전 세라믹 원반(4)과 제2 전기 접촉점(7)을 가진 세라믹 원반(4) 둘레의 황동 외부 고리(6)를 함유한다. 따라서, 접촉점(5)와 접촉점(7) 사이의 교호 전압으로 압전 요소(3)의 진동을 일으키는 것이 가능하며, 이 진동은, 특히 전압의 주파수가 전극의 공명 주파수인 경우, 전체 전극(1)에 대해 작용한다.

도 2에 도시된 전기분해 장치에서, 액체 전해질(9), 이 경우에는 염수를 함유하는 폐쇄된 전기분해 용기(8)는 도 1에 도시된 타입의 한 쌍 이상의 본질적으로 유사한 전극(1)들을 가진다. 따라서, 각 전극(1)은 전극에 부착된 압전 요소(3)를 구비한다.

압전 요소(3)의 접촉점(5 및 7)은 제어 모듈(11) 내의 진동 회로(10)에 내화학성 케이블을 통해서 연결되며, 이로써 공명 주파수로 상기 압전 요소(3)를 활성화시킬 수 있다. 본 발명의 바람직한 구체예에서, 이 진동 회로(10)는 주파수 설정을 위한 광석, 수동 조정 없이 최적 공명 주파수를 유지하기 위한 PLL 회로, 및 펄스식 출력 전압을 유도하기 위한 자기-유도 코일을 함유한다.

다음에, 전극(1)의 접촉점(2)은 제어 모듈(11)의 전기분해 회로(12)에 연결된다. 전기분해 회로(12)는 진동 회로(10)에도 연결되며, 이로써 각 전극 쌍의 전극(1)들 사이에 펄스 폭 조절된 전압이 적용될 수 있고, 여기서 이 펄스 폭 조절된 전압의 주파수는 진동 회로의 공명 주파수와 동조된 저 고조파이다.

사용시에, 압전 요소(3)를 통해서 전극(1)에 대한 공명 주파수가 설정되고, 이로써 이들 전극(1)을 통해서 이 주파수가 물 분자에 전달될 수 있다. 물의 전기분해는 전극(1)에 펄스 폭 조절된 전압이 적용됨으로써 지원된다.

표 1은 직경 130mm 두께 1mm의 원반형 전극을 구비한 이 전기분해 장치의 시험예의 변수들을 나타낸다.

전기분해 변수

진동 회로(10)		전기분해 회로(11)
주파수 [MHz]	출력 전압 [V]	주파수 [kHz]	출력 전압 [V]
2.24	70-120	22.4	2.2

도 3은 전기분해 용기(8)에 보유된 전기분해 가스가 연소 장치, 이 경우에는 연소 엔진(13)의 연료로서 사용될 수 있는 연소 시스템을 도시한다. 또한, 본 발명의 이 구체예의 전기분해 용기(8)는 안전상의 이유로 압력 센서(14), 과 압력 밸브(15), 및 전해질 레벨 센서(16)를 함유한다. 압력 센서(14)는 전해질 용기(8)의 내부 압력을 모니터하며, 모터 제어 모듈(26)을 통해 제어 모듈(12)과 연결되어 내부 압력이 너무 높아졌을 경우에 전기분해가 중단되도록 할 수 있다. 과 압력 밸브(15)도 또한 내부 압력이 위험한 수준 이상으로 상승되는 것을 방지하도록 설정된다. 전해질 수준 센서(16)도 또한 모터 제어 모듈(26)과 연결되며, 이로써 전해질 수준이 특정 수준 이하로 떨어졌을 경우에 공급관(17)을 통해 전해질의 공급을 활성화할 수 있다. 도시된 대로, 공급관(17)은 전해질 용기(8)와 전해질 탱크(18)를 연결할 수 있고, 제어 모듈(26)과 연결된 펌프(19), 및 비-반송 밸브를 구비하며, 이로써 사용시에 전해질 용기(8) 내의 전해질 레벨이 전극(1)보다 높게 유지되게 된다.

전기분해 용기(8)는 가스관(20)을 통해서 연소 엔진(13)과 연결되고, 이로써 전기분해 가스가 연소 엔진(13)에 공급될 수 있다. 비-반송 밸브(21), 전자 제어식 밸브(22), 탄소-브러시-프리 모터에 의해 구동되는 안전 버블러(23) 및 진공 펌프(24), 및 물 분리장치(25)가 가스관(20)에 연결된다. 안전 버블러(23)는 연소로부터의 어떤 역류를 보유함으로써 전기분해 용기(8)가 손상되지 않도록 하기 위해서 포함된다. 진공 펌프(24)의 모터가 또한 모터 제어 모듈(26)과 연결되고, 이로써 그것의 회전 속도가 모터 제어 모듈(26)에 의해서 조절될 수 있다. 물 분리장치(25)의 하류에서 가스관(20)이 3개의 라인(20a, 20b 및 20c)으로 분기된다. 라인(20a)에서는 제어 밸브(27)가 모터 제어 모듈(26)과 연결되어 이 가스관(20a)을 통해 지나가는 가스 흐름이 조절될 수 있다. 라인(20b)은 모터 제어 모듈(26) 및 가스 저장 탱크(29)와 연결된 3-방향 밸브(28)를 함유한다. 가스 저장 탱크(29)는 탄성 격막(30)에 의해 3-방향 밸브(28)와 연결된 가스 부분(29a)과 엔진(13)의 입구(32)가 있는 감압관(31)을 통해 연결된 진공 부분(29b)으로 분할되고, 또한 솔레노이드 밸브(34)를 통해서 모터 제어 모듈(26)에 의해 조절되는 공기 유입구(33)를 구비한다. 갑압관(31)은 1-방향 밸브(41)를 구비한다. 1-방향 밸브(35)를 구비한 라인(20c)은 라인(20b)과 브릿지된다. 3개의 라인(20a, 20b 및 20c)은 엔진(13)의 입구(32)를 향해 열리며, 여기서 공기 및 연료 공급이 모터 제어 모듈(26)과 연결된 가스 페달(36)에 의해 조절된다. 엔진 배기관(37)은 2개의 열 교환기(38,39)를 지나간다. 제1 열 교환기(38)는 라인(20a)과 연결되어 연소가능한 전기분해 가스를 예열할 수 있다. 제2 열 교환기(39)는 모터 제어 모듈(26)에 의해 제어되는 제어 밸브(40)에 의해서 조절되며, 전기분해 용기(8)를 예열한다.

사용시에, 전기분해 용기(8) 내에 생성된 연소가능한 전기분해 가스는 가스관(20)과 비-반송 밸브(21)와 전기 솔레노이드 밸브(22)를 통해서 안전 버블러(23) 쪽으로 보내진다. 연소가능한 전기분해 가스는 진공 펌프(24)에 의해서 안전 버블러(23)로부터 펌핑된다. 다음에, 연소가능한 전기분해 가스는 물 분리장치(25)를 통과하여 임의의 물 소적들을 분리해 내며, 이들은 연소가능한 전기분해 가스가 엔진(13)으로 들어가기 전에 가스관(20)(자동차 진동 또는 유사한 것)으로 보내진다. 라인(20a)과 라인(20b)을 통해서 각각 연소가능한 전기분해 가스가 모터 방식 제어 밸브(27)와 전기 제어 방식 3-방향 밸브(28)로 보내진다. 이들 밸브는 엔진(13)에 대한 부하에 따라 모터 제어 모듈(26)에 의해 제어된다. 밸브(27)의 하류에서 연소가능한 전기분해 가스가 엔진(13)에 공급되기 전에 열 교환기(38)에 의해 예열된다. 라인(20b)의 브릿지는 일정한 엔진 부하에서 활성이다. 다음에, 연소가능한 전기분해 가스가 라인(20c)을 통해 엔진(13)에 공급된다.

엔진(13)의 가속이 요구될 경우, 3-방향 밸브(28)를 전환하여 연소가능한 전기분해 가스의 흐름이 가스 저장 탱크(29)로부터 라인(20b)을 통해서 엔진(13)으로 흘러가도록 할 수 있다. 가스 저장 탱크(29)는 엔진(13)이 감속을 행할 때 자동으로 신속히 재충전되며, 입구(32)에 만들어진 진공 때문에 격막(30)이 감압관(31)을 통해 끌어 당겨지고, 이로써 가스 저장 탱크(29)가 연소가능한 전기분해 가스를 소량씩 받아들이게 되며, 엔진(13)은 감속이 필요 없게 된다.

본 발명은 상기 개략된 예들에 제한되지 않으며, 이후의 청구범위 내에 들어가는 한에서 변형이 가능하다. 예를 들어, 예시된 구체예에서는 압전 요소가 절연 접착제를 사용하여 전극에 부착되지만, 대안으로서 전도성 접착제도 사용될 수 있다. 이런 이유로 인해서 본 출원의 설명 및 도면은 단순히 그리고 오로지 예시로서만 소용된다.

Claims (14)

1. 전기 전압 하에 적어도 하나의 전기분해 전극을 통해 액체 전해질로부터 전기분해 가스를 분리하기 위한 전기분해 방법으로서, 상기 전기분해 전극이 진동 주파수로 인위적으로 진동되고, 전기분해 전극의 상기 전기 전압이 상기 진동 주파수의 저 고조파로 진동하는 것을 특징으로 하는 전기분해 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 진동 주파수가 공명 주파수인 것을 특징으로 하는 전기분해 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 액체 전해질이 물을 함유하며, 이로써 상기 분리된 전기분해 가스가 연소가능한 수소-함유 기체를 함유하게 되는 것을 특징으로 하는 전기분해 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 연소가능한 수소-함유 가스가 연소되고, 연소로부터 생긴 뜨거운 배기 가스가 액체 물 및/또는 연소가능한 수소-함유 가스를 예열하는 것을 특징으로 하는 전기분해 방법.
5. a) 전기분해 회로와의 연결을 위한 전기 접촉점을 가진 전기 전도성 물질을 각각 포함하는 적어도 한 쌍의 실질적으로 유사한 전극, 및 별도의 진동 회로와의 연결을 위한 2개의 전기 접촉점을 가진 압전 요소를 구비한 전기분해 용기,
   b) 상기 전극들에 연결된 전기분해 회로, 여기서 전극 쌍의 2개의 전극은 각각 반대 극성을 가진 회로에 연결되며, 및
   c) 상기 압전 요소에 연결된 진동 회로
   를 포함하는 전기분해 장치로서, 상기 진동 회로는 진동 주파수로 출력 전압을 제어하기 위한 조절장치를 구비하고, 상기 전기분해 회로가 또한 상기 조절장치에 연결되어 상기 진동 주파수의 저 고조파로 전기분해 회로의 출력 전압을 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 조절장치는 펄스 폭 조절장치인 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 진동 주파수는 전극의 공명 주파수인 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 재생가능한 에너지원으로부터의 전기 공급장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
9. 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 전기분해 장치, 연소 장치, 및 연소 장치에 연소가능한 전기분해 가스를 공급하기 위한 전기분해 장치와 연소 장치 사이의 가스관을 포함하는 연소 시스템.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 가스관이 안전 버블러를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 시스템.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 가스관이 또한 안전 버블러 앞에서 연결된 비-반송 밸브를 함유하는 것을 특징으로 하는 연소 시스템.
12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 전기분해 가스 저장 탱크가 또한 상기 가스관에 연결되는 것을 특징으로 하는 연소 시스템.
13. 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 배기관이 또한 연소 장치에 연결되며, 적어도 하나의 열 교환기가 가스관 및/또는 전기분해 탱크에 연결되는 것을 특징으로 하는 연소 시스템.
14. 제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소 장치는 연소 엔진인 것을 특징으로 하는 연소 시스템.
    
    

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