KR20130108437A - 전해조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기분해 장치들에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 물 전해질의 전기 분해에 의해 수소와 산소를 생산하기 위한 기술의 다양한 분야에 사용될 수 있는 전해조(electrolytic cell)에 관한 것이다.

Description

전해조{Electrolytic}

본 발명은 전기분해 장치들에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 물 전해질의 전기 분해에 의해 수소와 산소를 생산하기 위한 기술의 다양한 분야에 사용될 수 있는 전해조(electrolytic cell)에 관한 것이다.

물의 전기분해를 위한 전해조가 알려져 있는데(러시아 특허 제2149921호), 이는 양극을 형성하는 무더기(pile) 형태의 다수 전극--각각의 양전극은 평판으로 이루어짐--, 음극을 형성하는 무더기 형태의 다수 전극--각각의 음전극은 평판으로 이루어짐--을 구비하며, 그리고 그 양전극들은 음전극들과 서로 교환한다(interchange). 나아가, 상기 전해조는 교환형(interchanging) 양극들을 통과하여 각각의 양전극과만 전기적 연결을 제공하는 적어도 하나의 제1 전도성 연결부와, 교환형 음극들을 통과하여 각각의 음전극과만 전기적 연결을 제공하는 적어도 하나의 제2 전도성 연결부를 구비한다.

용접에 사용하는 수소와 산소 가스를 생산하기 위한 종래의 전해조의 단점은 복잡한 디자인과 낮은 효율이다.

화력(heat power), 수소 및 산소 생산용 장치가 개시되어 있는데(러시아 특허 제2228390호), 이 장치는 유전 물질로 만든 케이스, 커버, 양극 및 음극 공동들, 양극 공동에 위치한 개구들을 가지며 전원의 양극(positive pole)에 연결된 평면 링형 양극, 외측에 나사산을 갖는 유전체 튜브 안으로 삽입되고 전원의 음극(negative pole)에 연결된 내화성 물질(refactory material)의 막대 형태의 음극, 그리고 상기 양극 공동의 중간 부분에 위치한 작업(사용) 용액 공급포트(supply port)를 구비한다. 상기 커버는 유전 물질로 만들어지고, 관통개구가 있고 상기 케이스와 조합하여 상기 양극 및 음극 공동들을 형성하는 실린더-콘형 연장부를 가진다. 상기 유전체 튜브는 자신의 외측 나사산을 써서 그 케이스 내 나사가공된 개구를 통하여 전극간(inter-electrode) 챔버 속으로 삽입되고 그리고 상기 상단 음극 공동을 형성하는 그 커버의 관통 개구에 중심이 맞춰진다. 상기 양극 공동은 상기 커버에 위치하는 수직부분과 수평부분으로 구성된 채널을 통해 상기 상단 음극 공동과 서로 연결된다. 또한, 상기 상단 및 상기 하단 음극 공동들 사이의 간격은 상기 유전체 튜브를 움직여 조절가능하게 설정된다. 상기 장치는 상기 커버의 측면에 위치한 작업 용액 배출포트와, 상기 상단 음극 공동과 동축선을 이루며 상기 커버의 상단에 위치한 기체 혼합물 출력포트를 더 구비한다. 그리고 그 음극과 양극은 펄스발생기와 제어회로로 이루어진 파워 유닛에 연결된다.

그 기존 장치의 단점은 복잡한 디자인과 낮은 효율이다.

여기서 제공하는 기술해법의 가장 근접한 카운터파트는 (러시아 특허 제2175027호) 화력, 수소 및 산소 생산을 위한 장치이며, 그 장치는 유전물질로 만들어지고 관통 개구를 갖는 케이스와, 전극간 챔버(an inter-electrode chamber), 작업(사용) 용액 공급 및 배출포트들, 전원의 양극에 연결된 양극, 그리고 전원의 음극에 연결된 음극을 구비한다. 축방향 개구를 지닌 상기 케이스는 실린더-콘형 바닥 연장부와, 상기 케이스와 협력하여 상기 전극간 챔버- 바닥 부분에서 서로 연결된 양극 공동과 음극 공동으로 이루어짐-를 형성하는 바닥 커버를 구비한다. 개구들이 있는 평면 링 양극이 상기 양극 공동에 위치한다. 음극은 내화성 재질(a refactory material)의 막대 형태이며 나사형성 유전체 튜브 안으로 삽입된다. 상기 유전체 튜브는 상기 바닥 커버 내 나사형성 개구를 통해 상기 전극간 챔버 속으로 삽입되고 그리고 상기 장치의 축선을 따라 수직방향으로 움직일 수 있다. 상기 음극 공동 내 자동 용액레벨 제어 시스템을 갖는 그 작업 용액 용기는 상기 양극 공동과 연결된다. 상기 장치는 또한 스팀 응결 및 수소 분리를 위한 냉각 챔버를 구비하는데, 그 냉각 챔버의 공동은 상기 양극 공동의 작업 용액 공급포트와 서로 연결된다. 상기 냉각 챔버의 증기/기체 혼합물 공급포트는 자체의 나사산에 의해 상기 케이스 개구 안으로 삽입되고, 그리고 산소 출력포트는 상기 양극 공동의 상단 부분 안으로 삽입된다.

기존의 장치는 다음과 같이 작동한다.

작업 용액은 용기 안으로 쏟아 부어지고, 그로부터 나오는 것은 배칭 장치(batching device)와 부유 챔버(float chamber)를 통과하여 상기 양극 공동 및 상기 음극 공동까지 간다. 반응기 내 필요한 용액 레벨에 도달한 후, 그 부유 챔버의 부유체(float)는 상기 배칭 장치의 유입개구를 닫는다. 그런 다음 파워가 공급되고, 음극 구역에서 안정된 플라즈마가 생성될 때가지 전압이 점진적으로 증가한다. 음국에서 생산된 증기/기체 혼합물은 냉각기에 공급된다. 냉각기 파이프의 차가운 표면에 노출된 스팀은 응결하며, 거기서 빠져나온 나머지 가스는 반사기 아래쪽에서부터 출력포트까지 방출된다. 스팀 응결물은 튜브와 유입포트를 통해 상기 양극 공동으로 공급된다. 그 양극에서 풀려난 산소는 상기 양극 공동의 상단 부분으로 공급되고 포트를 통해 내보내진다. 반응기 내의 용액 레벨이 자동으로 제어되므로, 이 수소 및 산소 생산 장치 또한 자동으로 작동한다. 작업 용액이 소모됨에 따라, 그것은 수납 용기에 다시 채워진다.

반응기 내에서 일어나는 이화학 공정의 본질은 음극과 앙극--음극 영역이 양극 영역에 비해 훨씬 더 작음-- 간의 전계가 그 전해액에 존재하는 알칼리 금속의 초기 음극-집중 이온속(initial cathode-focused ion flux)을 생산하는 것이다. 음극향(cathode-oriented) 이동 동안에 축적된 운동 에너지의 비축 때문에, 알칼리성 금속 이온들은 물 분자들로부터 나온 수소 원자들을 민다. 양자(protons)들은, 음극에 도달하고서, 전자들을 얻어 수소 원자들을 형성하고, 5,000-10,000℃에서 원자상태의 수소 플라즈마를 형성하는 광자(photons)들을 방출한다. 이 플라즈마의 에너지는 물을 수소와 산소로 열해리(thermal dissociation)되게 하고 그리고 가열된 용액, 증기화된 물과 수집된 기체들의 늘어난 에너지에 의해 쉽게 표시되는 추가 에너지의 내놓는다(release). 전기분해 된 수소가 나오는 것(release)은 양극에서 동시적으로 일어난다. 따라서, 음극에서의 수소 플라즈마는 수용액에 전달되는 열에너지의 원천인 동시에 원자 및 분자 상태의 수소와 산소의 원천이기도 한다.

이 종래 기술의 단점은 음극이 플라즈마 구역 내부에 영구히 있어 그것의 서비스 수명이 급격히 줄어든다는 점이다. 나아가, 그 장치는 꽤 복잡한 디자인을 갖는다.

본 발명의 목적은 물을 수소와 산소로 분해하기 위한 효율적인 전해조를 제공하는 것이다.

여기서 제공되는 디자인을 갖는 플라즈마 전해조를 사용하여 상기 목적을 달성하는 것을 제안하고자 한다. 그 플라즈마 전해조는 유전체 용기들 내에 위치하는 양극과 음극을 구비하며, 상기 용기들은 바닥부분에서 파이프를 통해 서로 연결되어 있다. 나선형의 상기 음극은 전기적으로 절연된 구리선으로 만들어지고, 상기 전기 절연물은 국부적인 틈(local breaks)을 가지며, 상기 양극은 평면형이고, 상기 음극 및 양극 용기들은 내장 기체 압력 조절 밸브들이 있는 커버들을 가지며, 상기 용기들의 상단 부분들은 기체 분기 장치들(gas offtake devices)에 연결되고, 그리고 상기 음극 및 양극 용기들은 더 많은 전해액의 추가를 허용한다. 본 발명의 몇몇 실시예에서는, 음극 전기 절연은 20-60mm 간격을 가지는 4-6mm 폭의 스트립들로 계단식 패턴을 형성하기 위해 제거된다. 그렇지만, 음극 표면으로부터 절연을 제거하는 다른 방안들이 존재한다. 상기 음극은 바람직하게는 상기 음극 용기를 채운다. 본 발명의 몇몇 실시예에서는, 상기 전해조는 상기 음극 및 양극 용기들의 바닥 부분에 더 많은 양의 전해액을 추가하는 것을 허용해준다.

본 발명에 따르면, 음극의 서비스 수명을 현저히 늘려주고 전기분해에 드는 전력 소모를 크게 줄여준다.

여기 제공되는 상기 장치의 작동 원리는 상기 가장 근접한 카운터파트로서 사용된 기술 해결책의 작동 원리와 같다. 여기 제시되는 기술 해결책은 플라즈마 전기분해 그리고 수소와 산소의 동시적 분리에 의해 물 전해질로부터 수소와 산소를 생산하도록 해준다. 플라즈마 전기분해는 상기 전해질로부터 절연되어 있지 않은 그 음극의 작업 영역들의 단지 일부 영역만 용액에 노출되는 음극을 사용함으로써 달성된다. 이것은 고온 플라즈마가 단일 영역에 집중하는 것을 없애주고 그리고 열 부하를 상기 음극의 더 큰 면적에 걸쳐 분산시켜준다.

이는 상기 음극 상의 열 부하를 급격하게 줄여주고 그것의 서비스 수명을 현저하게 늘려준다. 다른 음극 영역들에서의 펄스형(pulsed) 플라즈마 형성은 전류 펄스들을 만들어내고, 그 펄스들의 평균 크기는 직류 전압과 전류가 물 전기분해용으로 사용될 때 이르게 되는 평균 크기보다 훨씬 더 작다. 이는 전기분해의 전력 소모를 현저히 줄여준다.

나아가, 수소와 산소의 별도 생산은 음극과 양극을 다른 용기들에 위치시킴으로써 달성되고, 그 용기들의 용액들은 작은 지름의 파이프를 통해 그 용기들의 바닥 부분에서만 서로 연결되어 있다.

상기 음극 용기 내에 위치한 그 음극은 바람직하게는 래커(lacquer)로 절연된 나선형 구리선으로 만든다. 음극 상에 균질의(homogeneous) 열부하 분포는 바람직하게는 5mm 길이와 3-5cm 간격보다 더 작은 간격들(intervals)을 형성하는 음극 절연체의 불완전한 제거에 의해 달성된다.

상기 양극은 상기 양극 용기에 위치하며 판과 같은 형상을 갖는다.

그 음극에서 풀려난 수소는 그 음극 용기 내 압력을 조절하는 밸브를 통해 그 음극 용기를 빠져나가고, 산소는 그 밸브와 그 양극 용기의 상단 커버에 있는 포트를 통해 빠져나간다.

플라즈마 전해조의 기본적인 실시예는 다음과 같이 설계된다. 플라즈마 전해조는 두 개의 유전체 용기를 구비하고, 그 음극 용기와 양극 용기는 바닥 부분에서 유전체 파이프로 서로 연결되어 있다. 그 음극 및 양극 용기들은 파이프들을 통해 공통 용기에 연결되어 있으며, 그것을 통해 그 용기들은 전해질을 보충 받는다.

그 음극은 래커로 절연된 구리로 만들어지며, mm 길이까지와 3-5cm 이격된 간격들(intervals)을 형성하도록 그 음극으로부터 절연이 제거된다. 그 음극은 나선형이다. 양극은 판을 닮은 형상을 가지며 전기 전도성 금속으로 만들어진다. 음극 용기와 양극 용기는 커버들을 가지며, 거기에 음극 및 양극 용기들 내 압력을 조절하는 밸브들이 설치된다.

수소는 밸브 및 자신을 표준 건조기로 향하게 하는 파이프를 통해 그 음극 용기를 빠져나간다. 산소는 밸브와 자신을 표준 건조기로 향하게 하는 파이프를 통해 그 양극 용기를 빠져나간다.

용기 4와 용기들이 전해질로 채워진 후, 파워가 클램프들에 공급되고, 그리고 그 전해질이 가열되기 시작한다. 기체 방출률이 점진적으로 증가하고, 그리고 용액 온도가 임계적인 문턱값에 이르렀을 때, 플라즈마 펄스들이 비절연된 음극 표면 스트립들에서 발생하고, 그리고 기체 방출률이 급격하게, 몇 십 배 만큼, 증가하여 0.3-0.5 l/s 에 이른다. 그 음극 및 양극 용기들의 정확하게 조절된 밸브들은 그 용기들 각각에서 필요한 용액 레벨을 유지한다. 전류 진폭은 그 주기 동안에 임의적으로 변하지만, 그것의 평균값은 상대적으로 낮게 유지되고, 그리고 이것이 전기를 절약해준다. 그 음극의 서비스 수명은 결과적으로 수 십 배 증가한다.

Claims (4)

1. 바닥부분에서 파이프를 통해 서로 연결되어 있는 유전체 용기들 내에 위치하는 양극과 음극을 구비하며, 나선형의 상기 음극은 전기적으로 절연된 구리선으로 만들어지고, 상기 전기 절연물은 국부적인 틈(local breaks)을 가지며, 상기 양극은 평면형이고, 상기 음극 및 양극 용기들은 내장 기체 압력 조절 밸브들이 있는 커버들을 가지며, 상기 용기들의 상단 부분들은 기체 분기 장치들(gas offtake devices)에 연결되고, 그리고 상기 음극 및 양극 용기들은 더 많은 전해액의 추가를 허용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전해조.
2. 제1항에 있어서, 20-60mm 간격을 가지며 4-6mm 폭을 지닌 스트립들로 계단식 패턴을 형성하기 위해 음극 전기 절연이 제거된 것을 특징으로 하는 플라즈마 전해조.
3. 제1항에 있어서, 상기 음극은 바람직하게는 상기 음극 용기를 최대로 채우는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전해조.
4. 제1항에 있어서, 상기 전해조는 상기 음극 및 양극 용기들의 바닥 부분에 더 많은 양의 전해액을 추가하는 것을 허용해주는 것을 특징으로 하는 플라즈마 전해조.