KR20130024109A - 정수기용 알카리 이온수 발생장치 - Google Patents

정수기용 알카리 이온수 발생장치 Download PDF

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Abstract

이 발명의 음용수 제조 장치는, 정수기에 부착되어 물을 공급하거나 배출하기 위한 통로와, 전기분해 반응에 의해 생성된 가스가 외부로 배출되는 배출구를 용기와, 물을 저장하는 제1 챔버와 상기 가스가 체류하는 제2 챔버를 갖도록 상기 용기의 내부공간을 상하로 구획하며, 양극촉매층과 음극촉매층이 이온교환막과 일체화된 형태를 갖는 전기분해셀과, 상기 전기분해셀의 상단 및 하단에 각각 밀착되어 전류를 공급하는 제1 전류 급전판과 제2 전류 급전판, 및 상기 제1 전류 급전판과 상기 제2 전류 급전판에 직류를 공급하기 위한 직류전원 공급수단으로 구성된다.

Description

정수기용 알카리 이온수 발생장치{Electrolytically Ionized Water Generator}
이 발명은 정수기용 알카리 이온수 발생장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단지 알카리수 이온수만을 생성하는 구조를 갖는 정수기 및 이에 적용 가능한 이온수 발생장치에 관한 것이다.
물을 단순하게 냉수와 온수로 분리시켜서 공급하는 냉온수기와 이온수를 제조하는 방법에 대해서는 이미 공지되어 있다.
일반 정수기는 정수기 본체 케이스 내에 원수 유입라인을 통하여 침전필터, 선카본필터, 멤브레인필터, 후카본필터 등에서 정수처리 된 물이 정수 저장수조에 저장되고, 저장수조의 물은 중력낙하 흐름에 따라 냉수 유입구를 경유하여 냉수탱크 및 온수탱크로 유입되는 일반 정수처리 공정을 갖는다. 일반 정수기는 급수통으로 부터 공급되는 물이나 수도 배관에 연결시켜 공급되는 수돗물에 섞인 이물질만을 필터를 통해 제거하여 정화된 수돗물만을 공급시켜주도록 구성되며, 이는 정수된 물을 바로 사용하지만 기능화 된 음용수를 얻지 못하는 단점이 있다.
일반 산성수와 알카리수를 제조하는 방법에 관한 선행기술들은 다수 존재하며, 이들의 원리는 다음과 같다. 산성수와 알카리수는 양극과 음극이 격막으로 나누어진 2실형 전해조를 통해 제조된다. 즉, 공급하는 물에 전해질로 염화물(염소이온)이 존재하는 경우, 양극실 내의 양극에서는 염소이온(Cℓ-)이 산화되어 염소(Cℓ2) 가스가 발생되고(반응식1), 또한 동시에 물이 산화되어 산소(O2)가 발생된다(반응식 2). 이때, 염소와 산소의 발생 비율은 양극 전극의 전기화학 촉매에 의해 결정되며, 물 내에 2,000ppm NaCl의 농도를 가지는 경우 염소 기준 발생 효율은 약 20~30% 수준이다. 생산된 산소는 물에 용해되지 않고(용해도 8ppm) 기체화 되어 전기분해셀의 외부로 배출된다. 그런데, 염소는 물에 용해되어(용해도 약 10,000ppm) 물과 반응하여 차아염소산(HClO 또는 HOCl)과 염산(HCl)이 된다(반응식 3~5). 그 결과, 양극실 내의 물은 산성화하고, 용존산소(DO)와 산화환원 전위(ORP)가 상승하며, 유효 염소농도가 20 ~ 10,000에 달하게 된다. 상기와 같은 전해조의 양극실에서의 반응형태를 아래의 반응식으로 각각 나타내었다.
[반응식 1]
Figure pat00001
[반응식 2]
Figure pat00002
[반응식 3]
Figure pat00003
[반응식 4]
Figure pat00004
[반응식 5]
Figure pat00005
또한, 음극실 내의 음극에서는 물(H2O)이 환원되어 수소(H2)와 수산이온(OH-)이 발생하고(반응식 6), 발생 수소가 용존산소와 반응하여 DO(용존산소)와 ORP(산화환원 전위)가 감소하게 된다. 그로 인해, 음극실 내의 음극에서는 높은 알칼리성(pH11 ~ 13)을 나타내는 강알칼리성 전해수가 생성된다. 음극에서의 반응은 아래의 반응식 6과 같다.
[반응식 6]
Figure pat00006
결국, 상기와 같은 전해조의 양극실에서는 염소 및 염소화합물을 함유하는 산성수가 얻어지고, 음극실에서는 알카리수가 얻어진다.
이 같은 이온수 발생용 전기분해장치는 다음과 같은 문제점이 있다. 즉, 물의 전기분해과정에서 필연적으로 산성수와 알카리수가 동시에 생성된다는 것이다. 이렇게 알카리수와 산성수가 항상 동시에 생성되기 때문에, 알카리수와 산성수를 동시에 원하는 경우가 아니면, 한쪽의 생성수가 폐수로 발생하는 문제점을 가지고 있다. 즉, 산성수만 필요한 경우에는 동시에 발생하는 알카리수가 폐수가 되고, 알카리수만 필요한 경우에는 동시에 발생하는 산성수가 폐수가 되는 문제점을 가지고 있다.
최근에는 냉온수기와 이온수기를 일체화한 장치가 판매되고 있지만 정수기의 가격 상승 및 또는 기존의 설치된 정수기를 활용하지 못하는 문제를 가지고 있다.
따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같이 종래기술의 아래와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것이다.
첫째, 기존 정수기의 온수 및 냉수를 전기분해하여 알카리 이온수를 생성한다.
둘째, 기존 설치된 정수기에 쉽게 부착 및 탈착이 가능하다.
셋째, 기존 이온수기는 알카리수와 산성수가 동시에 생성되나, 본 발명은 한 개의 알카리수만을 생성한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 이 발명의 알카리 이온수 제조 장치는, 물을 공급하거나 배출하기 위한 통로와, 전기분해 반응에 의해 생성된 가스가 외부로 배출되는 배출구를 용기와; 물을 저장하는 제1 챔버와 가스가 체류하는 제2 챔버를 갖도록 용기의 내부공간을 상하로 구획하며, 양극촉매층과 음극촉매층이 이온교환막과 일체화된 형태(막내로 전극촉매층이 0.01 ㎛ 이상 침투된 구조)를 갖는 전기분해셀과; 전기분해셀의 상단 및 하단에 각각 밀착되어 전류를 공급하는 제1 전류 급전판과 제2 전류 급전판; 및 제1 전류 급전판과 제2 전류 급전판에 직류를 공급하기 위한 직류전원 공급수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 발명은 제1 챔버가 외부와 연통하도록 용기에 형성된 연통구와, 연통구에 접속되는 가스 배출라인과, 가스 배출라인에 설치되어 제1 챔버 내의 압력과 가스의 이동을 조정하는 압력조절부, 및 가스 배출라인의 단부에 설치되어 발생 가스를 물에 녹이기 위한 디퓨져를 더 포함할 수 있다.
이 발명의 용기는 일정 용량의 물을 저장할 수 있는 제1 챔버를 가지며 상부 및 하부가 개방된 본체와, 통로의 역할을 하며 용기의 상부를 덮는 상부 덮개, 및 제2 챔버와 배출구를 갖는 하부 덮개를 포함할 수 있다.
이 발명은 본체와 제1 전류 급전판의 사이와 하부 덮개와 제2 전류 급전판의 사이에 각각 설치되어 물의 기밀을 막는 한 쌍의 가스켓과, 하부 덮개를 본체에 고정하되 전기분해셀, 제1 전류 급전판, 제2 전류 급전판 및 한 쌍의 가스켓을 동시에 고정하기 위한 다수개의 고정 볼트를 더 포함할 수 있다.
이 발명의 제1 전극촉매층과 제2 전극촉매층은 동일한 전극촉매로 구성될 수 있다.
이 발명의 제1 전극촉매층과 제2 전극촉매층은 이온교환막의 계면에서 0.01㎛ ~ 10㎛ 침투되는 것이 바람직하다.
이 발명의 전극촉매는 백금족의 금속인 백금, 루테늄, 로듐, 파라듐, 오스뮴 또는 이리듐 군에서 선택되는 1종 또는 1종 이상의 금속이 혼합된 합금인 것이 바람직하다.
이 발명의 이온교환막은 그 두께가 50㎛ ~ 200㎛인 것이 바람직하다.
또한, 이 발명의 이온교환막은 탄화수소(hydrocarbon)계 재질 또는 탄화불소(fluorocarbon)계 재질의 고분자에 양이온(cation)이 선택적으로 이동가능 하도록 이온 전달 그룹인 설폰닉(sulfonic), 카복실릭(carboxylic) 및 포스포릭(phosphoric)계 산성그룹(acidic groups)을 가지는 고분자 구조체로 구성하거나, 탄화수소(hydrocarbon)계 재질 또는 탄화불소(fluorocarbon)계 재질의 고분자에 ~SO3 형태의 강산성 그룹을 가지는 막 구조를 갖는 것이 바람직하다.
이 발명의 직류전원 공급수단은 용기의 일측에 부착해 일체로 구성하거나 별도로 분리하여 구성할 수 있다. 한편, 이 발명의 직류전원 공급수단은 1차 배터리 또는 2차 배터리이거나, AC 전원으로부터 DC 전력을 공급할 수 있는 어댑터를 구비하여 구성할 수 있다.
이 발명은 전기분해가 수행되고 있음을 나타내기 위한 표시수단을 더 포함할 수 있다.
또한, 이 발명은 정수기의 온수 및 냉수 출구에 설치되는 것을 더 포함할 수 있다.
이 발명은 전기분해셀의 구조를 최적함으로써, 소형화가 가능하고 기존의 정수기에 알카리 이온수를 만족스러운 수준으로 제조할 수 있는 효과가 있다. 즉, 이 발명은 별도의 정수기 장치를 구매하지 않고, 기존의 장치에 손쉽게 적용 가능하게 알카리 이온수를 제조하여 음용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 휴대용 음용수 제조 장치의 구성관계를 도시한 개념도이고,
도 2는 도 1에 도시된 전기분해셀의 구성관계를 촬영한 사진이고,
도 3은 이 발명의 다른 실시예에 따른 휴대용 음용수 제조 장치의 구성관계를 도시한 개념도이고,
도 4는 이 발명에 따른 휴대용 음용수 제조 장치를 제작하여 촬영한 사진이며,
도 5는 도 4의 장치를 이용하여 실험한 데이터이다.
아래에서는 이 발명에 따른 알카리 이온수 제조 장치에 대해 양호한 실시예들을 통해 상세하게 설명될 것이다. 그러나 이 발명의 구성이 아래에서 설명된 내용으로 제한되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 이 발명의 한 실시예에 알카리 이온수 제조 장치의 구성관계를 도시한 개념도이고, 도 2는 도 1에 도시된 전기분해셀의 구성관계를 촬영한 사진이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 따른 알카리 이온수 제조 장치(100)는 일정 용량의 물을 저장할 수 있는 제1 챔버(111)를 가지며 상부 및 하부가 개방된 본체(110)와, 본체(110)의 하부에 위치하며 양극촉매층과 음극촉매층이 이온교환막과 일체화된 형태로 제작된 전기분해셀(120)과, 본체(110)의 상부를 덮는 상부 덮개(130)와, 전기분해셀(120)의 하부에 위치하며 전기분해 반응에 의해 생성된 가스가 채워질 수 있는 제2 챔버(141)와 가스가 외부로 배출되는 배출구(142)를 갖는 하부 덮개(140)와, 전기분해셀(120)의 상단 및 하단에 각각 밀착되어 전류를 공급하는 제1 전류 급전판(150) 및 제2 전류 급전판(160)과, 제1 전류 급전판(150)과 제2 전류 급전판(160)에 직류를 공급하기 위한 직류전원 공급수단(170)과, 본체(110)와 제1 전류 급전판(150)의 사이와 하부 덮개(140)와 제2 전류 급전판(160)의 사이에 각각 설치되어 물의 기밀을 막는 한 쌍의 가스켓(180)과, 하부 덮개(140)를 본체(110)에 고정하되 전기분해셀(120), 제1, 제2 전류 급전판(150, 160) 및 한 쌍의 가스켓(180)을 동시에 고정하기 위한 다수개의 고정 볼트(190)로 구성된다. 이 실시예의 용기는 상기와 같이 구성된 본체(110)와, 상부 덮개(130), 및 하부 덮개(140)로 구성된다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 전기분해셀(120)은 제1 전극촉매층(121), 제2 전극촉매층(122) 및 이온교환막(123)으로 구성된 것으로서, 제1 전극촉매층(121)과 제2 전극촉매층(122)이 이온교환막(123)과 일체화된 형태를 갖는다.
제1 전류 급전판(150) 및 제2 전류 급전판(160)은 가운데 부분은 액체 및 가스가 통과할 수 있는 구조의 망, 메쉬 등이 적합하며, 외측 부분은 본체(110) 등에 보다 원활하게 고정할 수 있는 판 형태로 구성하는 것이 바람직하다. 제1, 제2 전류 급전판(150, 160)의 재질로는 티타늄(titanium), 탄탈륨(tantalum) 등이 적합하며, 전도성을 부여하기 위해 백금(platinum)을 열분해 방법이나 전기도금 등의 방법으로 코팅하는 것이 바람직하다.
한편, 본체(110), 상부 덮개(130) 및 하부 덮개(140)는 휴대가 용이하도록 아크릴수지, 아세탈수지, PVC(polyvinylchloride)수지, CPVC(chlorinated PVC)수지, PVDF(polyvinylidene difluoride)수지, Teflon(또는 PTFE, polytetrafluoroethylene)수지, 불소계(fluoropolymer)수지, 또는 ABS (acrylonitrile-butadiene-styrene)수지 등의 고분자 재질을 이용해 제작하되, 인체 무독성 및 가격 등을 고려할 때 ABS수지를 이용해 제작하는 것이 바람직하다.
직류전원 공급수단(170)은 휴대용 음용수 제조 장치(100)의 일측에 부착해 일체로 구성하거나 별도로 분리하여 구성할 수 있다. 여기서, 직류전원 공급수단(170)으로는 배터리를 이용할 수 있는데, 배터리를 이용할 경우에는 충전이 가능한 2차 배터리가 적합하다. 한편, 직류전원 공급수단(170)은 AC 전원으로부터 DC 전력을 공급할 수 있는 어댑터를 사용해 휴대용 음용수 제조 장치(100)를 작동시키도록 구성할 수도 있다. 또한, 직류전원 공급수단(170)은 전극으로의 전압(또는 전류) 인가 방향을 역전시키는 디바이스가 일체로 결합된 구성관계를 갖거나 상기 디바이스가 별도로 분리 배치되는 구성관계를 가질 수도 있다.
이 실시예의 알카리 이온수 제조 장치(100)를 이용해 물을 환원시켜 알카리수를 제조하는 방법은 다음과 같다.
제1 전류 급전판(150)에 직류전원 공급수단(170)의 (-)전원을 전선(e1)으로 연결하고, 제2 전류 급전판(160)에 직류전원 공급수단(170)의 (+)전원을 전선(e2)로 연결한다. 그런 다음, 전선(e1, e2)을 통해 전류를 공급하면, 전류는 제2 전류 급전판(160), 제2 전극촉매층(122), 이온교환막(123), 제1 전극촉매층(121)을 거쳐 제1 전류 급전판(150)을 통과하여 이동한다. 한편, 본체(110) 내의 제1 챔버(111) 내에 있는 물은 전기분해셀(120) 내 이온교환막(123)의 확산(Diffusion)현상에 의해 제2 전극촉매층(122)으로 이동하며, 제2 전극촉매층(122)에서의 산화반응(반응식 7)에 의해 산소(O2), 수소이온(H+), 전자(e)가 발생한다. 수소이온(H+)은 전기장에 의해 이온교환막(123), 제1 전극촉매층(121)으로 이동하여 환원 반응(반응식 8)에 의해 수소가스(H2)가 생산된다.
[반응식 7]
Figure pat00007
[반응식 8]
H2O + e --> 1/2H2 + OH- (환원반응)
한편, 생산된 수소가스(H2)와 OH- 이온은 제1 챔버(111) 내에 있는 물에 용해 또는 확산된다.
그리고 제2 전극촉매층(122)에서의 산화반응(반응식 7)에 의해 발생한 산소(O2)는 하부 덮개(140)의 배출구(142)를 통해 외부로 배출된다. 이렇게 배출되는 산소는 수분을 포함하지 않으며, 순도는 99% 이상이 된다.
이 실시예의 전기분해셀의 운전 전류밀도는 0.01 ~ 2.0A/cm2 에서 직류전압 2 ~ 6Volt의 운전이 바람직하다. 전류밀도가 0.01A/cm2 이하에서는 단위면적당 공급되는 전류량이 작아서 장치가 커지게 되며, 전류밀도가 2.0A/cm2 이상에서는 10V 이상으로 전압이 상승하게 되어 산소 외에 오존 발생량이 커지게 되어 음용수로의 적합성이 떨어진다. 더 바람직하기로는 전류밀도가 0.1 ~ 1.0A/cm2이고, 직류전압이 2 ~ 6Volt이다.
아래에서는 이 실시예의 전기분해셀의 구성관계에 대해 좀 더 구체적으로 설명한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 이 실시예의 전기분해셀(120)은 제1 전극촉매층(121), 제2 전극촉매층(122) 및 이온교환막(123)으로 구성된다. 여기서, 제1 전극촉매층(121)과 제2 전극촉매층(122)은 앞서 설명한 바와 같이 물을 산화시켜 산소를 생산하거나, 물을 환원시켜 수소를 생산하는 역할을 한다. 따라서, 이 실시예의 제1 전극촉매층(121) 및 제2 전극촉매층(122)은 산화 및 환원의 기능을 동시에 가져야 한다.
한편, 전도성이 낮은 물(수돗물)을 전기분해하는 경우 제1, 제2 전극촉매층(121, 122)과 이온교환막(123) 사이의 계면(Interface)에서 접촉저항이 높게 발생하고, 그로 인해 원하는 양의 가스를 얻기 위해서는 과량의 전류를 공급해 주어야 한다. 따라서 이 실시예의 전기분해셀(120)은 제1, 제2 전극촉매층(121, 122)과 이온교환막(123) 사이의 계면이 없는 구조를 가져야 한다.
산화 촉매
산소 발생을 위한 촉매로는 금속촉매가 바람직하다. 금속촉매로는 백금족의 금속(백금, 루테늄, 로듐, 파라듐, 오스뮴, 이리듐), 주석으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 1종 이상의 금속이 혼합된 합금이 바람직하다.
환원 촉매
수소 발생을 위한 촉매로는 백금족의 금속(백금, 루테늄, 로듐, 파라듐, 오스뮴, 이리듐), 금, 은, 크롬, 철, 티타늄, 망간, 코발트, 니켈, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 규소, 아연 및 주석으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 1종 이상의 금속이 혼합된 합금이 바람직하다.
산화-환원 촉매(제1, 제2 전극촉매층(121, 122))
산화 촉매군과 환원 촉매군에서 공통으로 얻을 수 있는 촉매로는 백금족의 금속(백금, 루테늄, 로듐, 파라듐, 오스뮴, 이리듐)인데, 그 중 물의 전기분해시에 산소 과전압이 낮고 내구성이 우수한 백금-이리듐이 가장 바람직하다.
이온교환막(123)
이온교환막(123)은 고체 고분자 전해질로서 그 두께가 50 ~ 200㎛이다. 그 두께가 50㎛ 이하로 지나치게 얇으면 단락(short)을 일으킬 우려가 있고, 그 두께가 200㎛ 이상이면 저항이 커져 전압이 급상승하게 되므로, 50㎛ ~ 200㎛인 것이 바람직하다.
그리고 이온교환막(123)은 음이온(anions)은 이동이 불가능한 반면에, 양이온(cation), 즉 수소이온은 이동 가능해야 하며, 온도에 대한 내열성과 전기화학적 산화환원 분위기에서 내구성을 가져야 한다.
따라서 이온교환막(123)은 이와 같은 기능 및 요구사항을 만족시킬 수 있도록, 탄화수소(hydrocarbon)계 재질 또는 탄화불소(fluorocarbon)계 재질의 고분자에 양이온(cation)이 선택적으로 이동가능 하도록 이온 전달 그룹인 설폰닉(sulfonic), 카복실릭(carboxylic) 및 포스포릭(phosphoric)계 산성그룹(acidic groups)을 가지는 고분자 구조체로 구성하는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 내열성과 내산화성이 우수한 탄화수소(hydrocarbon)계 재질 또는 탄화불소(fluorocarbon)계 재질의 고분자에 ~SO3 형태의 강산성 그룹을 가지는 막 구조를 갖는 것이다. 이와 같은 계열의 대표적인 이온교환막(123)은 듀폰사(E. I. du Pont deNemours and Company, Wilmington, Del.)의 "상품명 NAFION"이 있다.
제1 전극촉매층(121), 제2 전극촉매층(122)과 이온교환막(123)의 형태
순수한 물은 전도도가 낮기 때문에(저항이 매우 크기 때문에) 많은 에너지를 공급해야만 일정량의 수소 또는 산소를 얻을 수 있다.
일반적으로 제1 전극촉매층(121), 제2 전극촉매층(122)이 형성된 위치에 따라 제로갭형(Zero-gap), 유한거리형(Finite Gap), 또는 고분자전극(Membrane Electrod, MC로 기술함)으로 제작할 수 있다.
제로갭형과 유한거리형은 전극촉매층이 전류 급전판(도 1의 150, 160)에 각각 형성되어, 이온교환막과 전극촉매층 사이의 간격이 0(제로갭) ~ 2mm(유한거리)인 구조이고, MC형은 도 2에 나타낸 바와 같이 이온교환막(123)과 제1, 제2 전극촉매층(121, 122)이 일체화된 구조이다. 따라서 에너지 소비량을 줄일 수 있는 관점에서 보면 MC형이 가장 바람직하다.
제1, 제2 전극촉매층(121, 122)은 이온교환막(123)을 사이에 두고 서로 간에 대면하는 형태로 위치하며, 또한 이온교환막(123) 내로 침투되는 형태를 갖는 것이 바람직하다. 이온교환막(123) 내로의 침투 두께는 0.01㎛에서 10㎛ 사이가 바람직하다. 0.01㎛ 이하에서는 전극촉매층과 이온교환막 사이에 접촉저항이 존재하며, 10㎛ 이상에서는 반응에 참여하는 전극촉매층의 양이 감소되어, 귀금속 촉매를 과잉 사용하게 되어 비경제적이다.
MC형으로 제작하기 위한 방법은 다음의 방법으로 국한되는 것은 아니지만, 구체적으로 예를 들면, 이온교환막 위에 촉매를 직접 석출시키는 방법과, 전극촉매층을 미리 만든 후 이온교환막의 양 측면에 전극촉매층을 각각 위치시킨 후 압착시켜 제작하는 방법 등이 있다.
제1, 제2 전극촉매층(121, 122)은 그 두께가 20㎛ 이상일 경우에는 과다한 촉매사용으로 촉매 손실의 문제점이 있고, 그 두께가 0.1㎛ 이하로 얇을 경우에는 단위면적당 존재하는 촉매량이 적어져 반응활성이 낮아질 수 있기 때문에, 제1, 제2 전극촉매층(121, 122)의 두께는 0.1 ～ 15㎛인 것이 바람직하다.
전기분해셀(120)의 제1, 제2 전극촉매층(121, 122)은 촉매 단독으로 구성할 수도 있으나, 촉매 이외에 고분자를 포함할 수도 있는데, 고분자를 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 촉매층에 포함되는 고분자는 이온교환막(123)을 구성하는 이온교환 수지와 같아도 좋고 달라도 무방하다.
도 3은 이 발명의 다른 실시예에 따른 정수기와 알카리수 제조 장치의 구성관계를 도시한 개념도이다.
아래에서는 이 발명에 따른 휴대용 음용수 제조 장치를 이용하여 수소수 또는 산소수, 수소가스 또는 산소가스를 생성하는 발명예 및 비교예에 대해 설명할 것이다. 그러나 이 발명이 이에 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다는 것을 이해해야 한다.
[발명예 1]
이 발명에 따른 휴대용 음용수 제조 장치를 제작하여 알카리수의 pH를 평가했다.
(1) 장치의 구조
가. 본체의 용량: 100ml
나. 본체, 상부 덮개 및 하부 덮개의 재질 : 아크릴
다. 전기분해셀의 전극촉매층 크기: 3cm2
라. 제1 전극촉매층 및 제2 전극촉매층: Pt:Ir(50:50 중량%)를 cm2 면적당 4mg 사용
마. 이온교환막: 나피온 117(Dupont, USA)
바. 제1 전극촉매층 및 제2 전극촉매층과 이온교환막을 이용한 고분자전극형 전기분해셀 제조
전극촉매, Nafion ionomer(Aldrich, USA) 및 PTFE binder(Aldrich, USA)를 iso-propyl-alcohol 용액과 혼합하여 촉매 슬러리를 만들었다. 혼합된 촉매 슬러리를 초음파 분위기에서 30분간 균일하게 교반시킨 다음, 전극촉매층 크기의 몰드에 부은 후 30℃의 오븐에서 4시간 동안 건조시켜 양극전극과 음극전극의 전극촉매층을 형성하였다. 이러한 전극촉매층을 이온교환막의 양측, 즉 제1 전극 촉매층과 제2 전극 촉매층을 이온교환막의 양측에 위치시킨 상태에서 7분간, 100kgfcm2의 압력하에서 120℃로 핫프레스(hot-press)하여 일체화하였다. 이와 같이 구성한 고분자전극형 전기분해셀은 도 2와 같이 이온교환막 내로 전극촉매층이 침투한 구조를 갖게 된다.
사. 제1 전류 급전판과 제2 전류 급전판
다공성 티타늄에 백금을 도금하여 각각 제작한 것으로서, 제1 전류 급전판에 배터리의 (-)전원을 연결하고, 제2 전류 급전판에 배터리의 (+)전원을 연결한다.
아. 인가전류: 3A (전류밀도 1A/cm2)
(2) 성능측정
가. 압력조절부를 오픈한 상태에서 시간에 따른 수소의 발생 유량을 치환법을 이용하여 측정하고, 이를 이용하여 수소발생 효율을 측정하였다.
나. 압력조절부를 차단하고 상부 덮개를 오픈한 상태에서 시간에 따른 제1 챔버 내의 물의 수소 농도를 휴대용 용존 수소 측정기(일본 TRUSTLEX사 ENH-1000)를 이용하여 측정하였다.
(3) 실험결과
본 실험을 통해 얻은 실험결과를 도 5의 발명예 1의 데이터로 표시하였으며, 시간에 따른 알카리수의 pH는 9 수준이다.
[발명예 2]
발명예 2는 이온교환막 위에 직접 촉매를 석출시키는 방법으로 제작한 고분자전극형 전기분해셀을 발명예 1의 장치에 설치하여 평가한 것이다.
(1) 장치의 구조
가. 본체의 용량: 100ml
나. 본체, 상부 덮개 및 하부 덮개의 재질 : 아크릴
다. 전기분해셀의 전극촉매층 크기: 3cm2
라. 제1 전극촉매층 및 제2 전극촉매층: Pt:Ir(50:50 중량%)를 cm2 면적당 4mg 사용
마. 이온교환막: 나피온 117(Dupont, USA)
바. 제1 전극촉매층 및 제2 전극촉매층과 이온교환막을 이용한 고분자전극형 전기분해셀 제조
이온교환막을 5mM의 pt(NH3)4Cl2(tetra-amineplatinum chloride hydrate, 98%), Iridium chloride를 함유한 메탄올(Methanol)과 물이 1:3의 부피비로 혼합된 혼합용액 내에 40분간 넣어 이온이 막의 내부로 확산 흡착되도록 한다. 그런 다음, 50℃로 예열된 PH13의 용액에 NaBH4를 넣어 1mM 환원 용액을 만든 후, 흡착과정의 백금족 용액을 제거한 후 60ml의 환원용액을 대신 채운다. 이런 과정을 통해 2시간의 환원과정이 끝나면 이온교환막을 0.5M의 H2SO4에 2시간, 초순수에 1시간 정도 함침한 후 보관한다. 환원과정이 끝나면 Pt-Ir 전극촉매층을 가지는 고분자전극형 전기분해셀이 제조된다. 이와 같이 구성한 고분자전극형 전기분해셀은 도 2와 같이 이온교환막 내로 전극촉매층이 침투한 구조(전체 고분자전극의 두께 180 ㎛, 전극층의 침투 두께 약 2 ㎛)를 갖는다.
사. 제1 전류 급전판과 제2 전류 급전판
다공성 티타늄에 백금을 도금하여 각각 제작한 것으로서, 제1 전류 급전판에 배터리의 (-)전원을 연결하고, 제2 전류 급전판에 배터리의 (+)전원을 연결한다.
아. 인가전류: 3A (전류밀도 1A/cm2)
(2) 성능측정은 발명예 1과 동일하게 수행하였다.
(3) 실험결과
본 실험을 통해 얻은 실험결과를 도 5의 발명예 2의 데이터로 표시하였다.
[발명예 3]
발명예 1의 장치를 이용하여 산소 발생량을 평가했다.
(1) 장치의 구조는 발명예 1과 동일하며, 제1 전류 급전판과 제2 전류 급전판에 직류전원 인가방식으로 제1 전류 급전판에 배터리의 (+)전원을 연결하고, 제2 전류 급전판에 배터리의 (-)전원을 연결하여, 제1 챔버 내의 물에 산소가 용해되도록 하였다.
(2) 성능측정
가. 압력조절부를 오픈한 상태에서 시간에 따른 산소의 발생 유량을 치환법을 이용하여 측정하고, 이를 이용하여 산소 발생 효율을 측정하였다.
나. 압력조절부를 차단하고 상부 덮개를 오픈한 상태에서 시간에 따른 제1 챔버 내의 물의 산소 농도를 휴대용 용존 산소 측정기를 이용하여 측정하였다.
(3) 실험결과
시간에 pH는 약 9.1 수준이다. 실험을 통해 얻은 실험결과를 도 5의 발명예 3의 데이터로 표시하였다.
[비교예 1]
비교예 1은 전극촉매층을 제1 전류 급전판과 제2 전류 급전판에 각각 형성한 전기분해셀을 이용하여 비교한 것이다. 즉, 상기와 같은 전기분해셀을 발명예 1의 장치에 적용하여 평가했다.
(1) 장치의 구조는 발명예 1과 같다. 단, 제1 전극촉매층 및 제2 전극촉매층과 이온교환막을 갖는 고분자전극형 전기분해셀 구조를 적용하지 않았다. 대신에 제1 전극촉매층을 제1 전류 급전판에 형성하고, 제2 전극촉매층을 제2 전류 급전판에 형성하여 구성하였다. 이때, 전극촉매층은 발명예 1과 동일한 것으로 구성하였으며, 화합물을 열분해하는 방법으로 제1, 제2 전류 급전판을 제작하였다. 그리고, 제1 전류 급전판에 배터리의 (-)전원을 연결하고, 제2 전류 급전판에 배터리의 (+)전원을 연결하였다.
(2) 성능측정은 발명예 1과 동일하다.
(3) 실험결과
실험을 통해 얻은 실험결과 산성수와 알카리수가 동시에 형성되었다. 실험을 통해 얻은 실험결과를 도 5의 비교예 1의 데이터로 표시하였다.
[결과]
발명예 1(고분자 전극을 핫프레스로 제작하는 경우)과 발명예 2(이온교환막에 직접 전극을 석출하는 경우)를 적용한 알카리수 제조 장치는 산성수의 생산없이 pH가 9 수준이나, 비교예 1(전극촉매층을 전류 급전판에 형성)는 산성수와 알카리수가 동시에 생성되었고, 전기분해 전압은 약 12V이며, 전기분해 효율은 약 40% 수준이었다.
[결론]
첫째, 수돗물을 전기분해하기 위한 수단으로 이 발명의 예처럼 고분자 내에 전극촉매층이 형성된 것이 바람직하며, 이와 같은 전기분해셀을 정수기에 쉽게 적용이 가능하다.
둘째, 이 발명의 예에서 알 수 있듯이, 전류효율이 약 99%로서, 매우 빠른 응답속도와 저전력 소모로 인해 소형화가 가능하다.
이상에서 이 발명의 휴대용 음용수 제조 장치에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 발명예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다.
또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 이 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
100 : 휴대용 음용수 제조 장치 110 : 본체
120 : 전기분해셀 130 : 상부 덮개
140 : 하부 덮개 150 : 제1 전류 급전판
160 : 제2 전류 급전판 170 : 직류전원 공급수단
180 : 가스켓 190 : 고정 볼트

Claims (15)

  1. 정수기 본체 케이스 내에 원수 유입라인을 통하여 침전필터, 선카본필터, 멤브레인 필터, 후카본필터 등에서 정수처리된 물이 정수 저장수조에 저장되고, 저장수조의 물을 중력낙하 흐름에 따라 냉수 유입구를 경유하여 냉수탱크 및 온수탱크로 유입되는 일반 정수처리 공정에서 냉수탱크 및 온수탱크 후단으로 공급하거나 배출하기 위한 통로를 가지며, 또한 전기분해 반응에 의해 생성된 가스가 외부로 배출되는 배출구를 갖는 물을 저장하는 제1 챔버와;
    이온교환막을 중심으로 제 1 챔버와 대향하는 측에 물을 저장하지 않고 가스만을 배출하는 구획된 제2 챔버와 이온교환막에 이온교환막과 일체화된 양극촉매층과 음극촉매층을 갖는 전기분해셀과;
    상기 전기분해셀의 상단 및 하단에 각각 밀착되어 전류를 공급하는 제1 전류 급전판과 제2 전류 급전판; 및
    상기 제1 전류 급전판과 상기 제2 전류 급전판에 직류를 공급하기 위한 직류전원 공급수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 음용수 제조 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 챔버가 외부와 연통하도록 상기 용기에 형성된 연통구와, 상기 연통구에 접속되는 가스 배출라인과, 상기 가스 배출라인에 설치되어 상기 제1 챔버 내의 압력과 가스의 이동을 조정하는 압력조절부, 및 상기 가스 배출라인의 단부에 설치되어 발생 가스를 물에 녹이기 위한 디퓨져를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음용수 제조 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 용기는 일정 용량의 물을 저장할 수 있는 상기 제1 챔버를 가지며 상부 및 하부가 개방된 본체와, 상기 통로의 역할을 하며 상기 용기의 상부를 덮는 상부 덮개, 및 상기 제2 챔버와 상기 배출구를 갖는 하부 덮개를 포함하는 것을 특징으로 하는 음용수 제조 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 본체와 상기 제1 전류 급전판의 사이와 상기 하부 덮개와 상기 제2 전류 급전판의 사이에 각각 설치되어 물의 기밀을 막는 한 쌍의 가스켓과, 상기 하부 덮개를 상기 본체에 고정하되 상기 전기분해셀, 상기 제1 전류 급전판, 상기 제2 전류 급전판 및 상기 한 쌍의 가스켓을 동시에 고정하기 위한 다수개의 고정 볼트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음용수 제조 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 상부 덮개에는 상기 제1 챔버 내의 가스를 배출하여 압력을 제어하는 안전밸브가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 음용수 제조 장치.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 전극촉매층과 상기 제2 전극촉매층은 동일한 전극촉매로 구성되는 것을 특징으로 하는 음용수 제조 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 전극촉매층과 상기 제2 전극촉매층은 상기 이온교환막의 계면에서 0.01㎛ ~ 10㎛ 침투된 것을 특징으로 하는 음용수 제조 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 전극촉매는 백금족의 금속인 백금, 루테늄, 로듐, 파라듐, 오스뮴 또는 이리듐 군에서 선택되는 1종 또는 1종 이상의 금속이 혼합된 합금인 것을 특징으로 하는 음용수 제조 장치.
  9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 이온교환막은 그 두께가 50㎛ ~ 200㎛인 것을 특징으로 하는 음용수 제조 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 이온교환막은 탄화수소(hydrocarbon)계 재질 또는 탄화불소(fluorocarbon)계 재질의 고분자에 양이온(cation)이 선택적으로 이동가능 하도록 이온 전달 그룹인 설폰닉(sulfonic), 카복실릭(carboxylic) 및 포스포릭(phosphoric)계 산성그룹(acidic groups)을 가지는 고분자 구조체로 구성된 것을 특징으로 하는 음용수 제조 장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 이온교환막은 탄화수소(hydrocarbon)계 재질 또는 탄화불소(fluorocarbon)계 재질의 고분자에 ~SO3 형태의 강산성 그룹을 가지는 막 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 음용수 제조 장치.
  12. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 직류전원 공급수단은 상기 용기의 일측에 부착해 일체로 구성하거나 별도로 분리하여 구성하는 것을 특징으로 하는 음용수 제조 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 직류전원 공급수단은 1차 배터리 또는 2차 배터리이거나, AC 전원으로부터 DC 전력을 공급할 수 있는 어댑터를 구비하는 것을 특징으로 하는 음용수 제조 장치.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 직류전원 공급수단은 전극으로의 전압(또는 전류) 인가 방향을 역전시키는 디바이스가 일체로 결합되도록 구성되거나 상기 디바이스가 별도로 분리 배치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 음용수 제조 장치.
  15. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전기분해가 수행되고 있음을 나타내기 위한 표시수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음용수 제조 장치.
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