KR20160119049A - 수소수의 제조장치 및 그 제조방법과 보관방법 - Google Patents

Abstract

간단한 장치로 효율적으로 단시간에 포화 농도의 수소수를 제조할 수 있는 수소수의 제조장치 및 그 제조방법을 제공하고, 또한, 이를 고농도로 유지하는 보관방법을 제공한다. 물을 수용하는 밀폐 가능한 용기와, 물과 함께 용기 내에 수용된 기체상태의 수소를 용기 내 수소 압력이 1기압 이상 10기압 미만이 되도록 가압하는 가압 수단을 가지며, 가압 수단은 수소 저장 용기에 수용된 수소의 압력이거나 또는 펌프로 수소를 압축한 기계적 압력이며, 수소 저장 용기와 용기를 서로 연결하여, 용기에 수소를 공급하는 연결관을 가지는 수소수의 제조장치로서, 용기 내에 물을 혼합하여 물과 수소를 접촉시키는 혼합 수단을 추가로 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

수소수의 제조장치 및 그 제조방법과 보관방법{Hydrogen water production device, and production method and storage method for hydrogen water}

본 발명은 수소수의 제조장치 및 그 제조방법과 보관방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 수소 기체를 가압 하에서 물과 혼합해 물에 수소를 용존시킨 수소수의 제조장치 및 그 제조방법과 보관방법에 관한 것이다.

건강에 관한 관심이 높아지는 추세에 맞추어, 수소를 용존시킨 수소수가 주목받고 있다. 수소수는 체내에 흡수되면 그 환원력에 의해 체내 활성 산소를 소멸시키고 안티에이징 효과가 있다고 하고 있다. 수소수에 용존하는 수소는 음료수로서 경구적으로 섭취되는 것 외에 세안이나 입욕, 또한 화장품을 통해 경피적으로도 섭취된다.

또한, 수소수는 환원력을 가지기 때문에 전자 부품의 세정제로서 사용되기도 한다. 전자 부품을 수소수로 세정함으로써, 전자 부품의 표면을 덮는 산화 피막을 제거할 수 있다.

본 발명의 대상으로 취급하는 수소수는 수소 분자를 물에 용해시킨 것으로서 원자상태의 수소(수소 래디컬이나 하이드라이드 이온 등)를 용해시킨 소위 「활성수소수」와는 구별된다.

수소 분자를 물에 용해시켜 수소수를 제조하는 방법으로서는 수소 가스를 다공질의 관을 통하고 수중에 취입해 버블링시켜 수소 가스를 용해시키는 수소 가스 주입법이 알려져 있다.(특허문헌 1,2 참조)

수소 분자는 상온 상압에서는 기체이며 물에 대한 용해도는 1기압(0.101㎫), 20℃일 때(상온 상압) 1.62ppm(순수 1리터에 대해 1.62㎎)이며 이것이 상온 상압의 포화 용해도이다.

헨리의 법칙에 의해 기체의 용해도는 압력에 비례하므로 압력이 높아지면 수소의 물에 대한 용해속도가 빨라져, 용해량도 증대한다. 그러나 상압으로 환원되면 물에 용해되어 있던 수소는 탈기하고, 상온 상압의 포화 용해도까지 돌아온다.

일반 가정에 설치되는 수소수 제조장치로서 다양한 제품이 시판되어 있지만, 모두 대형이며 가격도 높다. 음식점이나 미용실 등의 업무용으로 사용하고자 하면 여러 가지 부속품이 필요하게 되어 대대적인 설비가 필요하게 된다고 하는 문제가 있다.

간편하게 수소수를 만드는 방법으로서는 고체 세라믹법으로 불리는 방법이 있다. 이것은 이산화규소(석영)나 탄산칼슘(산호 칼슘) 등에 금속 마그네슘을 혼합한 분말을 스틱형으로 하여 이를 물을 넣은 용기에 넣어 두는 것만으로도 수소수가 제조될 수 있다. 그러나 이는 실증 데이터가 적고 재현성이 부족하다고 하는 문제가 있다.

수소를 발생시키는 입욕제에는 상기의 금속 마그네슘을 대신해 수소화 마그네슘이나 수소화 칼슘이 혼합된 것이 시판되고 있다.

상기한 방식은 모두 상온 상압 하에서 수행하는 것으로서 당연히 상온 상압 조건 하의 포화 농도를 밑돌게 되어, 방식에 따라서는 매우 저농도에 지나지 않게 된다.

또한, 수소수에 포함되는 수소 농도는 포화 농도에 있어서도 1.6ppm 정도로매우 미량이며 수소 자체는 큰 비용이 소요되지 않지만 상기 방식의 경우, 방식에 의해 다르지만, 전기나 일회용의 자재 등의 비용에 의해 수소 그 자체의 비용에 비해 수 배에서 수백 배의 경비가 소요되게 된다.

수소수를 둘러싼 문제점으로서는 또한 저장과 수송의 문제가 있다. 즉 물에 용해한 수소는 탈기하기 쉽고 포화 상태의 수소수를 개방된 상태에 두면 2시간에 1/10의 농도로 감소한다고 하고 있다.(특허문헌 3 참조)

어느 주간지의 조사에 의하면, 통신 판매로 구입한 패트병 내에 병입된 수소수의 용존 수소 농도를 검사했는데, 검사한 2종목 모두 수소 용존 농도는 0ppm였다. 동시에 측정을 행한 다른 알루미늄 병에 충전된 수소수 3종목의 용존 수소 농도는 0.1∼0.8ppm의 범위에 있었다. 이들의 수소수는 음료수 메이커 등이 공장 생산한 것이며 라벨 표기에 의하면 제조 시에는 수소의 물에 대한 포화 용존량에 가까운 것이었으나 수송 중 및 저장 중에 용해되어 있던 수소의 90% 이상이 사라진 것이다. 수소수는 슈퍼, 편의점, 약국 등에서도 구입할 수 있다. 그렇지만, 통신 판매를 포함한 이들의 입수 경로에서는 고농도의 수소수를 입수할 수 없다고 하는 문제가 있다.

일본 특허공개공보 특개2005-177724호 일본 특허공개공보 특개2007-283280호 세계 지적소유권 기구 국제 사무국 국제공개 제2008/015867호

본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은, 다양한 규모의 장소에서도 이용 가능한, 간단한 장치를 이용하여 효율적으로 단시간에 포화 농도의 수소수를 제조할 수 있는 수소수의 제조장치 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

또한, 다른 목적은 공장 내에서 생산된 수소수의 보관방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수소수의 제조장치는 물을 수용해 밀폐 가능한 용기와 물과 함께 용기 내에 수용된 기체상태의 수소를 용기 내 수소 압력으로서 1기압 이상 및 10기압 미만으로 가압하는 가압 수단을 가지며, 가압 수단은 수소 저장 용기에 수용된 수소의 압력 또는 펌프로 수소를 압축한 기계적 압력이며, 수소 저장 용기를 용기에 연결해, 용기에 수소를 공급하는 연결관을 가지는 수소수의 제조장치로서, 용기 내 물을 혼합해 물과 수소를 접촉시키는 혼합 수단을 추가로 가지는 것을 특징으로 한다.

상기의 혼합 수단은 진동 혼합식이거나 또는 물 내부로의 수소의 취입 방식인 것이 바람직하다.

본 발명의 일 예에 따르면, 물과 수소를 수용하는 용기는 패트병, 알루미늄 병 및 스틸 병에서 선택된 1종이며 혼합 수단은 진동 혼합방식이다.

본 발명의 다른 예에 따르면, 물과 수소를 수용하는 용기가 반응 탱크이며 혼합 수단이 물 내부로 수소를 취입하는 방식이다.

물과 수소를 수용하는 용기가 패트병, 알루미늄 병 및 스틸 병에서 선택된 1종일 때, 연결관은 내압성 플렉서블 튜브이며 용기와 연결관 사이에는 연결관을 착탈 가능하게 접속시키는 접속부를 마련하고, 용기를 밀폐할 수 있는 캡을 추가로 마련하는 것이 바람직하다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수소수의 제조방법은, 물을 수용하는 밀폐 가능한 용기와, 물과 함께 용기 내에 수용된 기체상태의 수소를 가압하는 가압 수단을 마련하고, 가압 수단은 수소 저장 용기에 수용된 수소의 압력 또는 펌프로 수소를 압축하는 기계적인 압력으로 하고, 수소 저장 용기와 용기를 연결하고 용기에 수소를 공급하는 연결관을 마련하고, 가압 수단에 의해 용기 내 수소 압력을 1기압 이상 10기압 미만으로 가압하고, 용기를 진동시켜 물과 수소를 혼합시키거나, 또는 물에 수소를 불어넣음으로써 물과 수소를 접촉시켜 물에 수소를 용존시키는 것을 특징으로 한다.

물과 수소를 수용하는 용기는 패트병, 알루미늄 병 및 스틸 병에서 선택된 1종이며 물과 수소를 접촉시키는 방법은 진동 혼합방법을 사용한다.

본 발명에 의하면 고압 하의 용해도가 높은 상태에서 상온 상압의 포화 농도 이상의 수소수를 만들어 감압에 의해 포화 농도까지 환원되도록 함으로써 포화 농도를 담보할 수 있게 된다. 매우 간단한 장치와 조작으로 단시간에 수소수를 제조할 수 있고 필요할 때에 즉시 수소수를 섭취할 수 있다. 또한, 대량으로 수소수를 제조할 경우에도 간단한 장치와 조작으로 제조할 수 있고 필요한 제조 경비도 용해시키는 수소 만으로 한정되기 때문에 저가의 수소수를 공급할 수 있다.

또한, 보관의 경우에도 감압 후 포화 농도로 돌아오는 동안에 신속하게 밀봉함으로써 수소 자체가 발포함으로써 다시 고압이 되어 보관 시 고압을 유지함으로써 고농도로 유지하는 것이 가능해진다.

도 1 은 본 발명의 실시예 1과 관련된 패트병을 이용한 수소수 제조설비의 측면도이다.
도 2 는 본 발명의 실시예 2와 관련된 반응 탱크를 이용한 수소수 제조설비의 측면도이다.

본 발명은 수소수를 제조하는 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.

도 1 및 도 2에 수소수를 제조하기 위한 수소수 제조설비의 측면도를 나타냈다.

본 발명은 물을 수용해 밀폐 가능한 용기와 물과 함께 용기 내에 수용된 기체상태의 수소를 용기 내 수소 압력으로서 1기압 이상 10기압 미만으로 가압하는 가압 수단을 가지며, 가압 수단은 수소 저장 용기에 수용된 수소의 압력 또는 펌프로 수소를 압축하는 기계적 가압 방법이며 수소 저장 용기와 용기를 연결해, 물을 넣은 용기에 수소를 공급하는 연결관을 가지는 수소수의 제조장치로서, 용기 내 물을 혼합해 물과 수소를 접촉시키는 혼합 수단을 추가로 가진다.

또한, 본 발명의 수소수의 제조방법은 물을 수용하는 밀폐 가능한 용기와 물과 함께 용기 내에 수용된 기체상태의 수소를 가압하는 가압 수단을 가지며, 가압 수단은 수소 저장 용기 내의 수소 압력 자체 또는 펌프로 수소를 압축하는 기계적 가압방법이며, 수소 저장 용기와 물을 넣은 용기를 연결하여 용기에 수소를 공급하는 연결관을 가지며, 가압 수단에 의해 용기 내 수소 압력을 1기압 이상 10기압 미만으로 유지하고 용기를 진동시킴으로써 물과 수소가 혼합되도록 한다, 또는 물에 수소를 불어넣음으로써 물과 수소를 접촉시켜 물에 수소를 용존시킨다.

본 발명에 사용되는 밀폐 용기로는 내부에 물을 수용할 수 있어 대기압 이상의 수소를 수용할 수 있는 것이면 그 형상, 크기, 재질에 특히 제한은 없으나, 손에 들고 용기 내 수소수를 마실 수 있는 크기의 용기이면 플라스틱 병이나 플라스틱 백, 유리병, 도자기 그릇, 금속제의 용기라도 가능하다.

그 중에서도 용기 내부를 고압으로 유지한 경우에도 기밀성을 유지할 수 있고 뒤틀림 방지가 가능한, 나사식 마개를 갖는 플라스틱병, 플라스틱 백, 유리병, 금속제의 병이 바람직하게 이용될 수 있다.

플라스틱병에 사용되는 플라스틱으로서는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리스티렌, 폴리초산비닐, 폴리테트라플루오로에틸렌, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 수지, 아크릴로니트릴 스틸렌 수지, 아크릴 수지, 폴리아미드, 나일론, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 변성 폴리페닐렌에테르, 폴리에스테르, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등의 열가소성 수지를 들 수 있다. 그 중에서도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리에틸렌 테레프탈레이트는 가격도 싸고 강도가 우수하여 바람직하게 이용할 수 있다. 특히 폴리에틸렌 테레프탈레이트의 병은 패트병의 애칭으로 넓게 보급되어 있어 바람직하게 이용할 수 있다.

플라스틱 백에 사용되는 플라스틱으로서는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리스티렌, 폴리초산비닐, 폴리테트라플루오로에틸렌, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌 수지, 아크릴로니트릴 스틸렌 수지, 아크릴 수지, 폴리아미드, 나일론, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 변성 폴리페닐렌에테르, 폴리에스테르, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등의 열가소성 수지를 들 수 있다.

그 중에서도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리에틸렌 테레프탈레이트는 가격도 싸고 강도가 우수하여 바람직하게 이용할 수 있다. 이들 플라스틱 백은 또한 알루미늄 필름을 적층한 다층 구조의 것인 것이 바람직하다. 알루미늄 필름을 적층함으로써 수소수에서 수소의 탈기를 늦출 수 있다.

수소수를 제조하는 유리병으로서는 그 입구를 나사식 마개로 밀폐할 수 있어 10㎫ 정도인 용기의 내압력을 견디는 것이면 형상이나 재질이나 색조에 제한은 없다. 와인이나 탄산수의 용기로 사용되고 있는 것을 바람직하게 이용할 수 있다.

금속제의 병에 사용되는 금속으로서는 알루미늄, 스틸 또는 티탄 등이 있다. 그 중에서도 알루미늄 및 스틸제의 병은 탄산음료나 커피 등의 음료 용기로서 유통되고 있으므로 이들을 바람직하게 사용할 수 있다.

한편, 음식점, 미용실, 목욕탕, 병원 등의 대용량의 수소수를 필요로 하는 시설에서 수소수를 제조할 경우에는 대형 밀폐 용기에서의 제조가 필요하다.

대형 밀폐 용기로서는 우유 수송관, 드럼통, 각종 크기의 반응용 탱크 등을 들 수 있다. 형상은 원통형인 것이 일반적이고 재질은 금속이 바람직하게 사용된다.

대형 용기에 사용되는 금속으로서는 철, 구리, 알루미늄 등이 있지만, 스테인레스 스틸이나 놋쇠 등의 합금이라도 좋다. 또한, 유리 라이닝가공, 또는 법랑 코팅을 실시한 것, 또한 도금 가공, 도장 등의 표면 처리가 된 것도 바람직하게 사용할 수 있다.

이들 용기는 시판되어 있는 기존 상품을 이용해 간단한 가공을 함으로써 수소수의 제조장치를 조립할 수 있다.

이들 용기에 수용되는 물은 음료로서 사용할 수 있는 것이면 특히 제한은 없고 경도가 0∼100의 연수, 100∼300의 중경수, 300 이상의 경수라도 좋다. 또한, 과즙이나 유성분 등의 첨가물을 포함하는 것이라도 좋다.

용기에 수용되는 물의 양은 물과 수소의 접촉 효율을 고려해 용기 용량의 50∼80%로 하는 것이 좋다. 50% 이하에서는 1회의 작업으로 완성되는 수소수의 양이 적고 비효율적이고 80% 이상에서는 혼합했을 때 물과 수소의 접촉 면적이 극단적으로 적게 되어, 수소수 제조에 시간이 많이 소요될 우려가 있다.

본 발명의 수소수에 용해되는 수소의 제조방법에는 다양한 방법이 있지만, 일례를 들면, (가)철을 시작으로 하는 금속에 황산 등의 산을 더해 수소를 발생시키는 방법, (나) 알루미늄(Al), 아연(Zn), 주석(Sn), 납(Pb) 등의 양성 금속에 알칼리성 물을 더하는 방법, (다) 수소화 칼슘, 수소화 마그네슘, 수소화 붕소 나트륨 등의 환원제에 물을 가하는 방법, (라) 물을 전기 분해하는 방법 등을 들 수 있다.

이들 어느 방법으로 제조된 수소도 수소수의 원료로 사용할 수 있지만, 공업적으로 제작되는 금속과 산의 반응에 의해 얻어진 수소를 압축하거나, 또는 수소 흡장 합금에 흡수시키고 수소 저장 용기에 충전한 것이 입수도 간단하고 사용하기 쉽다.

수소 저장 용기로서는 1∼35㎫의 수소를 압축해 저장하는 압축수소저장 봄베, 초저온의 단열 용기를 사용하는 액체 수소 저장탱크, 상온 상압으로 수소를 저장할 수 있는 수소흡장합금봄베, 고압 용기와 수소 흡장 합금에 의한 저장을 조합한 하이브리드 봄베가 있다. 어느 수소 저장 용기도 본원 발명의 수소 공급원으로 사용이 가능하지만, 그중에서도 가격면에서는 압축수소저장 봄베에 의한 저장이 유리하고 안전성 면에서는 상온 상압으로 취급이 가능한 수소흡장합금봄베가 유리하다.

수소 저장 용기와 밀폐 용기 사이는 내압성 연결관으로 연결함으로써, 수소 저장 용기의 수소를 밀폐 용기 내의 물에 공급할 수 있다.

압축수소저장 봄베를 사용할 경우에는 수소 봄베에는 압력계와 압력 조정기가 설치된 레귤레이터를 사용하는 것이 좋다. 밀폐 용기가 예를 들면 패트병일 경우 수소를 감압해 공급할 수 있기 때문에, 수소 봄베와 밀폐 용기를 연결하는 연결관에는 플라스틱제 또는 고무제의 내압성 가요성 파이프를 이용할 수 있고 수소 봄베와 밀폐 용기를 연결관으로 연결한 상태 그대로 흔들어, 물과 수소를 혼합하여 수소수를 제조할 수 있다.

수소 저장 용기로서 수소흡장합금봄베를 사용할 경우에는 수소를 안정적으로 취출하기 위해, 수소 흡장 봄베에 가온 장치가 설치되어도 좋다. 또한 수소 저장 용기와 밀폐 용기 사이를 연결하는 연결관에는 수소를 압축하는 압축기가 설치되어도 괜찮다. 압축기를 설치함으로써, 압축수소저장 봄베의 압력이 저하되었을 때 및 수소흡장합금봄베로부터의 수소의 공급이 늦을 때에도 1기압에서 10기압의 수소를 공급할 수 있다.

수소 흡장 합금은 다양한 것이 개발되어 있다. 대표적인 것으로서 AB₅형의 LaNi₅, AB형의 TiFe, Mg계의 Mg₂Ni 등이 알려져 있다. 본 발명에는 수소를 흡장해, 필요에 따라 수소를 방출하는 것이면 어느 흡장 합금도 사용이 가능하다.

수소 봄베를 사용할 경우에는 수소 봄베와 밀폐 용기를 내압의 연결관으로 연결하면 좋다. 예를 들면 반응 탱크로 수소수를 제조할 경우에는 연결관에는 스테인레스 스틸이나 놋쇠제의 금속제의 관이 이용되는 것이 좋다. 또한 금속제의 연결관을 대신해 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 합성수지의 관을 이용해도 좋다.

수소 저장 용기와 연결관, 반응 탱크와 연결관을 견고하게 연결하기 위해, 연결관의 양단부에는 단부 커넥터가 부설된다.

한편, 예를 들면 밀폐 용기가 패트병일 경우 연결관은 분리가 용이한 유연한 연결관을 사용하는 것이 편리하다. 유연한 연결관을 이용한 경우, 연결관을 결합한 상태에서 흔들어 물과 수소를 섞을 수도 있기 때문에 수소를 공급하면서 수소수를 제조할 수 있다.

예를 들면 패트병을 밀폐 용기로 이용할 경우, 수소 봄베에서 연결되는 가요성 파이프와 패트병을 결합하는 접속부가 필요하다. 접속부는 패트병의 뚜껑의 중앙에서 밖으로 연장된 원통형 돌기이며 그 선단이 삽입구가 되고 내압 파이프의 일단에 삽입되어 수소 봄베와 연통된다.

연결관의 단부에는 상기 접속부에 연결하기 위한 단부 커넥터가 부설된다. 가요성 파이프의 말단에 부설된 단부 커넥터와 접속부에 부설된 단부 커넥터의 접속은 나사결합 또는 끼워맞춤에 의해 행해지는 것이 좋다. 가요성 파이프의 말단에 부설된 단부 커넥터와 접속부에 부설된 단부 커넥터가 결합됨으로써 수소 가스의 압력에 견디는 견고한 연결이 이루어 진다.

상기 접속부에는 체크밸브가 설치되는 것이 바람직하다. 체크밸브를 설치함으로써, 접속부에서 연결관을 분리해도 용기 내 압력을 유지할 수 있다. 용기 내 수소 압력을 높은 상태로 유지해 흔들어 줌으로써 물에 수소가 용해된 수소수를 제조할 수 있다.

체크밸브의 종류로서는 밸브의 일단을 경첩 형식으로 구성하여 개폐하는 스윙 체크 밸브, 유로가 S자 상태가 되는 리프트 체크 밸브, 스프링의 힘을 이용해 개폐하는 디스크식 체크 밸브 등이 있지만 이들 밸브 모두 접속부의 체크밸브로 사용하는 것이 가능하다. 또한, 디스크식 체크 밸브의 개폐를 실리콘 고무의 힘으로 수행하는 슈퍼 밸브는 콤팩트한 점 때문에 바람직하게 이용할 수 있다.

체크밸브 대신에 접속부의 선단과 덮개부 사이에 양방향 코크를 설치해도 좋다. 수소를 충전한 후에 코크를 닫고 가요성 파이프를 분리한 상태에서 병을 흔들어 물과 수소를 섞을 수 있다.

예를 들면 패트병을 밀폐 용기로 이용할 경우, 용기를 밀폐할 수 있는 뚜껑을 마련한다. 뚜껑은 용기가 되는 패트병과 세트로 되어 있던 것을 이용하여 본 발명의 캡으로 가공할 수 있다. 캡의 정상부(또는 바닥부)의 중앙에 접속부가 삽입되는 구멍을 뚫어, 그 구멍에 체크밸브의 일부인 접속부를 관입시켜 접착제 등으로 고정하면 좋다. 밀폐성을 향상시킬 목적으로 접속부의 외주부에 캡 측면부와 접촉하는 플랜지를 설치해도 좋다. 물론 캡을 별도로 제작할 수도 있다.

체크밸브가 부착된 접속부를 가지는 캡 및 양방향 코크를 포함한 접속부를 가지는 캡은 암나사의 홈을 가지는 덮개부와 함께 압출성형에 의해 일체로 성형할 수도 있다.

예를 들면 밀폐 용기가 유리병 또는 알루미늄 병인 경우, 용기를 밀폐하는 캡은 알루미늄제인 것이 일반적이다. 이 경우에도 캡의 정상부( 또는 바닥부)의 중앙에 접속부가 삽입되는 구멍을 뚫어 그 구멍에 체크밸브를 가지는 접속부를 관입시켜 고정하면 좋다. 밀폐성을 향상시키기 때문에 접속부의 외주부에 캡 측부와 접착하는 플랜지를 설치해도 좋다. 또한, 캡과 용기의 밀폐성을 확보하기 위해 캡의 바닥부에 패킹을 설치해도 괜찮다.

예를 들면 밀폐 용기가 스틸 병인 경우도 알루미늄 병과 같이 캡을 준비하여도 좋다.

밀폐 용기에 수납되는 수소의 충전량은 고압으로 하는 것이 수소의 용해 속도가 빨라져 단시간에 수소수를 제조할 수 있지만, 예를 들면 패트병을 사용한 경우, 용기가 지탱할 수 있는 내부 압력의 한계가 10 기압 정도인 것을 감안하여 수소의 충전 기압은 1∼10기압(0.1∼1㎫)정도로 하며 바람직하게는 2∼8기압(0.2∼0.8㎫), 보다 바람직하게는 3∼5기압(0.3∼0.5㎫)으로 한다.

물과 수소를 접촉시키는 방법으로서는 (가)물과 수소가 채워진 밀봉된 용기를 손에 들어, 팔의 상하 또는 좌우의 운동에 의해 흔들어 섞는 방법, (나) 밀폐 용기를 수평으로 반복 운동하는 쉐이커에 고정해, 흔들어 섞는 방법, (다) 밀폐 용기를 초음파 진동기에 넣어 초음파 진동을 부여하는 방법, (라) 물을 교반 장치를 이용해 교반하는 방법, (마) 물속에 노즐을 삽입해 고압의 수소 가스를 불어넣는 방법, (바) 용기 내에 충전된 고압의 수소에 안개형태로 물을 분사하여 주입하는 방법 등 많은 방법이 가능하다.

용기를 손에 들고 물과 수소를 접촉시킬 경우에는 상기 (가)에서 설명한 바와 같이 팔의 상하 또는 좌우 운동에 의해 병을 흔들어 물과 수소를 혼합하는 것이 가장 간편한 방법이다. 수소 저장 용기 및 내압성 연결관과 접속부를 가지는 전용 병 뚜껑이 있으면, 언제라도 어디에서도 수소수를 만들 수 있다.

용기 내부 압력이 높은 상태에서 물과 수소를 혼합함으로써 1기압하에서의 포화 용존 농도 이상으로 수소를 용존시키는 것이 가능하며, 상압으로 되돌아 왔을 때, 과잉의 용존 수소는 미세한 거품이 되어 탈기하여, 대기압 상태에서의 포화 용존 농도가 된다.

수소를 용존한 수소수를 저장할 경우에는 용기 내부 압력이 높은 상태 그대로 저장함으로써, 어느 정도의 장기간 동안 수소를 고농도 하에 용존시킨 상태를 유지할 수 있기 때문에, 이 기간 동안에는 포화 용존 농도의 수소수를 공급할 수 있다.

한편, 중형으로 부터 대형 밀폐 용기로 수소수를 만들 경우에도 (나) 밀폐 용기를 수평으로 반복 운동하는 쉐이커에 고정해 흔들어 섞는 방법, (다) 밀폐 용기를 초음파 진동기에 넣어 초음파 진동을 부여하는 방법, (라) 물을 교반 장치를 이용해 교반하는 방법, (마) 물속에 노즐을 삽입해 고압의 수소 가스를 불어넣는 방법, (사) 용기 내에 충전된 고압의 수소에 물을 분무하는 방식 등 많은 방법이 생각된다.

중형으로부터 대형 밀폐 용기로 수소수를 제조할 경우에는 밀폐 용기 내에 수용된 물의 바닥에 가까운 부분에서 수소를 고압으로 취입하면 좋다. 이 경우, 취입하는 수소의 기포는 미세할수록 또한 기포의 수가 많을수록 수소와 물과의 접촉 면적이 넓어져, 수소가 물에 용해되는 속도가 빨라진다. 또한, 기포에 의해 물이 교반됨으로써 수소수의 제조 효율이 상승된다.

다른 예로써 예를 들면 중형 우유캔으로 수소수를 제조할 경우에는 캔의 내부에 봉형 자석을 테트라플루오로에틸렌에 봉입한 회전자를 넣어 용기 밖에서 다른 자석이 회전하는 장치를 접근시킴으로써 우유캔 내부의 물을 교반하여 수소와 물을 접촉시키는 것도 가능하다.

또한, 다른 양태로 예를 들면 대형 반응 용기로 수소수를 제조할 경우에는 교반기를 용기의 상부에 설치해 물을 교반하면 좋다. 이때, 교반날개를 회전시키는 모터는 용기의 외측 상부에 설치되거나, 또는 용기 내부의 공간에 설치되어도 괜찮다.

본 발명의 실시 형태에 대하여 실시예를 참조하여 상세하게 설명한다. 산화 환원 전위의 측정은 동아디케이케이 주식회사제 휴대용 ORP계 RM-30P로 수행하였다.

도 1에 본 발명의 실시예 1인 패트병으로 수소수를 만들기 위한 장치를 나타냈다. 부호 10은 500㎖용 패트병이다. 녹차 음료수용 용기로 시판되어 있던 것을 사용했다. 부호 20은 수소흡장합금봄베(FC-R＆D사제품, 고충전 밀도 수소 흡장 봄베, 제품번호:FCMH-20)이다. 수소흡장합금봄베(20)에는 마이크로 레귤레이터(FC-R＆D사제품, 제품번호:FCMR-S, 22)를 설치했다. 수소흡장합금봄베(20)의 마이크로 레귤레이터(22)와 패트병(10)은 내압 튜브(주식회사 일본 피스코 사제품, 상품명;폴리올레핀 튜브: 외형 4㎜, 내경 2.5㎜, 30)으로 연결하고 내압 튜브의 중간에는 버튼을 누름으로써 통로를 개폐할 수 있는 수동 밸브(주식회사 일본 피스코 사제품, 상품명;스툽피팅, 제품번호:PSC4-M5M; 도면 중 흰색 화살표)와 메카니컬 밸브(주식회사 일본 피스코 사제품, 핀식, 제품번호: MVP42, 50)를 설치하였다. 패트병(10)에는 내압 튜브와 접속되는 접합부(42)를 가지는 캡(스테인리스제, 40)을 설치하였다. 캡(40)은 선반 가공된 암나사를 가지는 나사 체결식 병 뚜껑(40)으로서, 상부 중앙을 관통하는 구멍이 형성되고 여기에 폴리프로필렌제의 체크밸브(주식회사 일본 피스코 사제품, 상품명:체크바르브스트레이트피팅, 모델 번호 :CVC4-M5B)의 입구측 파이프를 관통시켜 접합부(42)를 구성하는데, 그 상단부는 내압 튜브(30)와 원터치로 착탈 가능하도록 하였다. 접합부(42)의 하부는 체크밸브로 구성하여 내압 튜브(30)를 탈착했을 때에도 용기 내의 압력을 유지할 수 있도록 했다.

실시예 1에서는 패트병(10)에 수도꼭지에 설치한 정수기로 정수한 수돗물을 250 mL 넣고 체크밸브를 구비한 접합부(42)를 가지는 캡(40)을 장착하였다. 접합부(42)와 수소흡장합금봄베(20)를 내압 튜브(30)로 연결하였다. 마이크로 레귤레이터(22)에 의해 수소압을 0.3㎫로 조정한 후, 수동 밸브를 눌러 메카니칼밸브(50)를 개방하여 패트병(10)과 수소흡장합금봄베(20)를 연통시켰다. 패트병이 팽창해 내부의 수소 분압이 높은 상태에 있는 것을 확인한 후, 접합부(42)에서 내압 튜브(30)를 분리하였다.

패트병(30)을 상하 좌우로 1분간 격렬하게 진동시킨 후, 진동을 멈추고 캡을 느슨하게 해 감압하면, 병 안 물에서 미세한 거품이 발생되고, 수중의 수소 농도는 상기압에서의 포화 수소 농도인 1.6ppm이 되었다.

도 2에 본 발명의 실시예 2의 수소수의 제조 설비의 측면도를 도시하였다.

본 발명의 수소수 제조 설비(100)는 내경 34㎝, 높이 150㎝의 바닥을 갖는 원통 형상의 반응 탱크(하이드로후에르데베롭먼트 사제 스테인리스제품, 110)를 가지며, 바닥의 반대 측의 개방된 부분에는 뚜껑(140)을 설치하기 위한 플랜지를 설치하였다. 반응 탱크(110)는 바닥을 접지시킨 상태에서 수직으로 설치되었다. 바닥에서 부터 7.5㎝의 위치에, 서로 마주보도록 급수구와 수소의 송풍구를 설치하고, 급수구에는 스테인리스제의 급수관(160)을, 수소의 송풍구에는 스테인리스제의 연결관(130)을 접속하였다. 급수관(160)의 타단은 급수원에 접속되어 있지만, 급수원과 반응 탱크(1100 사이에 급수 펌프(주식회사 에바라 제작소제품, 40×32EHM42G353. OA 200V, 162)를 설치하였다. 한편, 연결관(130)의 일단에 결합된 수소의 송풍구에는 수소의 거품을 미세하게 하기 위한 폴리우레탄제의 다공질 소재로 제조된 노즐이 결합되고 연결관(130)의 다단에는 레귤레이터(야마토산업 주식회사제, 소형 압력 조정기, (형식) YR-90F, 122)를 통해 압축수소봄베(40L형, 120)를 연결하였다. 레귤레이터(122)와 반응 탱크(110) 사이의 연결관(130)에는 연결관(130)의 개폐를 위한 전자 밸브(SMC 사제, VDW10, 124)를 설치하였다.

반응 탱크(110)의 바닥으로부터 92㎝의 위치에는 반응 탱크(110)에서 제조된 수소수를 취출하는 수소수 취출구를 설치하고 스테인리스제의 배수관(170)을 연결하였다. 반응 탱크(110)의 개방된 상부는 뚜껑(140)에 의해 밀폐되고 플랜지로 고정하였다. 뚜껑(140)에는 압력 게이지(주식회사 타카시마 계기제, 밀폐형 압력계, WT75)와 수소를 순환시키기 위한 수소 순환 파이프(132)를 설치하였다. 수소 순환 파이프(132)는 수소 순환 펌프(공립정교주식회사제, 다이어프램 펌프, (형식) E100V형, 150)를 통해 연결관(130)에 접속하였다.

급수 펌프(162)를 작동시키고 반응 탱크(110)에 급수를 하였다. 수면이 수소 취출구에 도달된 것을 확인한 후, 배수관(170)에 설치된 코크를 조여 연결관(130)에 설치한 전자 밸브(124)를 개방하였다. 수소흡장합금봄베(120)에 결합된 레귤레이터(122)를 사용하여 봄베 압력을 0.8㎫로 조절하였는데, 반응 탱크 내 압력이 0.5㎫가 되었다. 배수관(170)의 코크를 개방하여 수소수를 취출함과 동시에 수소 순환 펌프(150)를 작동시켜 흡수되지 않은 수소를 수소 송풍구에서 반응 탱크(110)로 회수하였다.

그 결과, 산화환원 전위가 +400∼+745㎷의 원수에서 산화환원 전위가 ―220∼-253㎷의 수소수를 시간당 2500리터 채취할 수 있었다.

본 발명의 실시예 1과 관련된 수소수의 제조장치는 간단한 장치이면서 언제 어디서나 1.6ppm의 수소가 용존된 수소수를 제조할 수 있기 때문에 수소수의 제조장치로서 적합하다.

본 발명의 실시예 2와 관련된 수소수의 제조장치는 간단한 장치이면서 수소가 포화 상태로 용존된 수소수를 대량으로 제조할 수 있기 때문에, 대량의 수소수를 제조하는 장치로서 적합하다.

1, 100: 수소수 제조장치 10: 용기
20,120: 수소 저장 용기(수소흡장합금봄베)
22: 122 레귤레이터 30,130: 연결관, 내압 튜브
40: 캡 42: 접합부
50: 메카니컬 밸브 110: 반응 탱크
124: 전자 밸브 132: 수소 순환 파이프
140: 뚜껑 142: 압력계
150: 수소 순환 펌프(다이어프램 펌프) 160 : 급수관
162 : 급수 펌프 170 : 배수관

Claims (3)

1. 물을 수용하는 밀폐 가능한 용기와,
   상기 용기를 밀폐하는 캡과,
   수소를 수용하는 수소저장용기와,
   상기 수소저장용기와 상기 물을 수용하는 용기를 연결하여, 상기 용기에 수소를 공급하는 연결관을 갖는 수소수의 제조장치에 있어서,
   상기 용기는 페트병, 알루미늄 병 및 스틸 병 중 선택되는 1종이며,
   상기 수소저장용기 내에 수용된 수소는 물과 함께 상기 용기 내에 수용된 기체상태의 수소를 상기 용기 내에 수소 압력으로서 1기압 이상 및 10기압 미만으로 가압하는 가압하고,
   상기 용기를 진동시켜 상기 용기 내의 물과 수소를 접촉시켜 수소수를 제조하는 것을 특징으로 하는 수소수의 제조장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 연결관은 내압성의 플렉시블한 튜브로 구성되고, 상기 수소저장용기와 접촉된 상태에서 상기 용기를 진동 혼합시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 수단은 흔들어 섞어 또는 물로의 수소의 블로우인 것 특징으로 하는 수소수의 제조장치.
   
3. 청구항 1 에 기재된 수소수의 제조장치를 이용하여 수소수를 제조하는 방법에 있어서,
   상기 수소저장용기와 상기 용기를 연결하여, 상기 용기 내의 수소압력을 1기압 이상 10기압 미만으로 가압하는 단계와,
   상기 수소저장용기와 상기 용기를 연결한 상태에서 상기용기를 진동 혼합시켜 수소와 물을 접촉시킴으로써 수소가 물에 용존된 상태로 혼합되도록 하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 수소수의 제조방법.

Images