KR20180032111A - 전기분해용 전극셀 및 기능수 생성모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 살균수 또는 수소수를 분리하여 생성할 수 있고, 필요에 따라 전극셀을 scale-up하여, 고농도의 살균수 또는 수소수를 생산하는 것을 목적으로 하고, 유로가 형성된 하우징; 상기 유로에 위치하는 전극 모듈을 포함하고, 상기 전극 모듈은, 제1전극; 상기 제1전극의 상측에 위치하는 제2전극을 포함하고, 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에는, 상기 유로를 나누는 분리막이 위치하는 전기분해용 전극셀과 이를 포함하는 기능수 생성 모듈에 관한 것이다.

Description

전기분해용 전극셀 및 기능수 생성모듈{ELECTRODE CELL FOR ELECTROLYSIS AND MODULE FOR MANUFACTURING IONIC WATER}
본 발명은 전기분해용 전극셀 및 기능수 생성모듈에 관한 것이다.
물(H2O) 또는 수용액을 전기분해하는 경우, 양극 전극에서는 산소(O2), 오존(O3) 등이 발생하고, 음극전극에서는 수소(H2) 등이 발생하게 된다. 그 결과, 양극전극으로부터 산소 또는 오존 등이 용존된 살균수가 생성되며, 음극전극으로부터 수소 등이 용존된 수소수가 생성된다. 살균수는 세정 또는 살균용으로 사용될 수 있고, 수소수는 음용으로 체내의 활성산소 등을 제거할 수 있다.
물 또는 수용액을 전기분해하여 기능수를 생성하고, 모터 및 펌프 등을 통해 기능수를 공급하는 장치를 기능수 생성장치라고 한다. 또, 기능수 생성장치에서 기능수가 생성되는 모듈을 기능수 생성모듈이라 한다. 일반적으로 물 또는 수용액이 저장된 챔버와 챔버의 내부공간에 수용되는 전극 모듈로 구성되어 있다.
대한민국 등록특허 제10-1120942호(이하, 종래기술)에서는, 기능성을 가지는 수소수를 제조하는 장치를 개시하고 있다.
종래기술에서는, 물 또는 수용액을 저장하는 냉온수 저장용기(101)에, 서로 이격된 전극(107, 108)으로 이루어진 전기분해기(106, 전기분해용 전극셀에 해당)가 내장된 형태이다.
그 결과, 살균수와 수소수는 기능이 다름에도, 양극과 음극에서 살균수와 수소수가 동시에 생성되어 혼합되는 문제가 있다. 나아가 종래기술은, 필요에 따라 전극셀을 scale-up하여 기능수의 생성률을 높일 수 있는 수단을 구비하지 않고 있다.
상술한 문제점을 해결하고자, 살균수 또는 수소수가 분리되어 생성될 수 있는 전기분해용 전극셀을 제공하고자 한다.
나아가 필요에 따라 전극셀을 scale-up하여, 고농도 살균수 또는 고농도 수소수를 생산할 수 있는 전기분해용 전극셀을 제공하고자 한다.
나아가 상기 전기분해용 전극셀을 포함하는 기능수 생성모듈을 제공하고자 한다.
본 제1실시예의 전기분해용 전극셀은, 유로가 형성된 하우징; 상기 유로에 위치하는 전극 모듈을 포함하고, 상기 전극 모듈은, 제1전극; 상기 제1전극의 상측에 위치하는 제2전극을 포함하고, 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에는, 상기 유로를 나누는 분리막이 위치할 수 있다.
상기 제1전극과 상기 제2전극은, 외부 전원과 전기적으로 연결되고, 상기 제1전극과 상기 제2전극의 극성은 가변할 수 있다.
제1 및 제2전극에는, 여러 개의 홀이 형성되어 있을 수 있다.
상기 분리막은, 이온교환막 또는 고분자 전해질막일 수 있다.
본 제2실시예의 전기분해용 전극셀은, 본 제1실시예의 전극 모듈에서, 제2전극과 상측으로 이격된 제3전극을 더 포함할 수 있다.
상기 제1전극과 상기 제2전극과 상기 제3전극은, 외부 전원과 전기적으로 연결되고, 상기 제1전극과 상기 제2전극과 상기 제3전극의 극성은 가변될 수 있다.
상기 제2전극과 상기 제3전극 사이에는, 스페이서가 위치할 수 있다.
제1 내지 제3전극에는, 여러 개의 홀이 형성되어 있을 수 있다.
본 제1 또는 제2실시예의 전극셀을 포함하는 기능수 생성 모듈은, 내부에 물 또는 수용액이 위치하는 챔버; 상기 챔버에 격벽형태로 위치하는 전기분해용 전극셀을 포함하고, 상기 전기분해용 전극셀은, 유로가 형성된 하우징; 상기 유로에 위치하는 전극 모듈을 포함하고, 상기 전극 모듈은, 제1전극; 및 상기 제1전극의 상측에 위치하는 제2전극을 포함하고, 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에는, 상기 유로를 나누는 분리막이 위치할 수 있다.
상기 전극 모듈은, 상기 제2전극과 상측으로 이격되어 위치하는 제3전극을 더 포함할 수 있다.
본 발명에서는, 분리막에 의해 제1전극과 제2전극이 분리되어 있으므로 살균수와 수소수가 각각 생성될 수 있다.
나아가 제3전극에 의해, 필요에 따라 복합기능수(오존과 수소가 혼합되어 용존된 기능수)를 생성할 수 있고, 전기분해용 전극셀이 scale up되어 고농도 살균수 또는 고농도 수소수를 생성할 수 있다.
나아가 상술한 효과를 가지는 전기분해용 전극셀을 포함하는 기능수 생성모듈을 제공할 수 있다.
도 1은, 본 제1실시예의 전기분해용 전극셀을 나타낸 사시도이다.
도 2는, 본 제1실시예의 전기분해용 전극셀을 나타낸 분해사시도이다.
도 3은, 본 제1실시예의 전기분해용 전극셀을 나타낸 단면도이다.
도 4는, 본 제2실시예의 전기분해용 전극셀을 나타낸 사시도이다.
도 5는, 본 제2실시예의 전기분해용 전극셀을 나타낸 분해사시도이다.
도 6은, 본 제2실시예의 전기분해용 전극셀을 나타낸 단면도이다.
도 7은, 본 제1실시예의 전기분해용 전극셀을 포함한 기능수 생성 모듈을 나타낸 개념사시도이다.
도 8은, 본 제2실시예의 전기분해용 전극셀을 포함한 기능수 생성 모듈을 나타낸 개념사시도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 기재함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표시한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속될 수 있지만, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 제1실시예의 전기분해용 전극셀(1000)의 구조를 설명한다. 도 1은, 본 제1실시예의 전기분해용 전극셀을 나타낸 사시도이고, 도 2는, 본 제1실시예의 전기분해용 전극셀을 나타낸 분해사시도이고, 도 3은, 본 제1실시예의 전기분해용 전극셀을 나타낸 단면도이다.
본 제1실시예의 전기분해용 전극셀(1000)은, 하우징(100)과 전극모듈(200)을 포함할 수 있고, 전원(미도시)과 전기적으로 연결될 수 있다.
하우징(100)은, 전기분해용 전극셀(1000)의 외장재로 플라스틱 사출물일 수 있다. 하우징(100)은, 플라스틱과 금속이 결합된 재질로 구성될 수 있다. 하우징(100)은, 유로(110)가 형성된 블럭 형태일 수 있다. 하우징(100)에는, 전극모듈(200)이 위치할 수 있다. 하우징(100)의 내부에는, 전극모듈(200)이 위치할 수 있다. 하우징(100)의 유로(110)에는, 전극모듈(200)이 위치할 수 있다. 이 경우, 하우징(100)에 형성된 유로(110)에 전극모듈(200)이 격벽형태로 위치할 수 있다. 하우징(100)과 전극모듈(200)은 어셈블리 형태로 결합할 수 있다.
유로(110)는, 하우징(100)의 중앙에 형성될 수 있다. 유로(110)는, 하우징(100)의 상하 방향을 관통하여 형성될 수 있다. 유로(110)에는, 전극모듈(200)이 위치할 수 있다. 유로(110)에는, 전극모듈(200)이 격벽형태로 위치할 수 있다. 이 경우, 제1,2전극(20,40)에는, 여러개의 홀(22,42)이 형성될 수 있다, 따라서 유로(110)가 폐쇄되지 않는다. 유로(110)에는, 분리막(30)이 격벽형태로 위치할 수 있다. 따라서 유로(110)는 분리막(30)을 기준으로 상부와 하부로 분리될 수 있다.
하우징(100)은, 하부 하우징(10)과 상부 하우징(70)을 포함할 수 있다.
하부 하우징(10)은, 상부 하우징(70)의 하부에 위치할 수 있다. 하부 하우징(10)은, 중앙에 하부 유로(110)가 형성된 블럭 형태 또는 플레이트 형태일 수 있다. 하부 하우징(10)과 상부 하우징(70)은 결합할 수 있다. 하부 하우징(10)과 상부 하우징(70)은 나사결합 또는 리벳이음될 수 있다. 이 경우, 하부 하우징(10)의 가장자리에 형성된 여러개의 하부결합홀(11)에 나사(미도시)또는 핀(미도시)이 수용될 수 있다. 하부 하우징(10)의 유로(110)에는 내측면을 따라 단차부(13)가 형성되어 있을 수 있다. 이 경우, 단차부(13)의 단턱에 전극 모듈(200)이 지지될 수 있다. 그 결과, 전극 모듈(200)이 유로(110)에 대해 격벽형태로 위치할 수 있다. 이 경우, 제1,2전극(20, 40)에는, 여러개의 홀(22,42)이 형성될 수 있다. 그 결과, 물 또는 수용액은 여러개의 홀(22,42)을 통해 이동할 수 있다. 따라서 격벽형태의 제1,2전극(20,40)에 의해 유로(110)가 폐쇄되지 않는다. 변형례(미도시)에서는, 제1,2전극(20,40)이 격벽형태로 위치하지 않을 수 있다. 이 경우, 제1,2 전극(20,40)에 여러개의 홀(22,42)이 형성되어 있지 않아도 제1,2전극(20,40)에 의해 유로(110)가 폐쇄되지 않는다.
상부 하우징(70)은, 하부 하우징(10)의 상부에 위치할 수 있다. 상부 하우징(70)은 중앙에 상부 유로(110)가 형성된 블럭 형태 또는 플레이트 형태일 수 있다. 상부 하우징(70)과 하부 하우징(10)은 결합할 수 있다. 상부 하우징(70)과 하부 하우징(10)은 나사결합 또는 리벳이음될 수 있다. 이 경우, 상부 하우징(70)의 가장자리에 형성된 여러개의 상부결합홀(71)에 나사(미도시) 또는 핀(미도시)이 수용될 수 있다. 상부 하우징(70)에는, 여러개의 단자홀(72)이 형성될 수 있다. 상부 하우징(10)의, 4개의 변 각각에 단자홀(72)이 형성될 수 있다. 따라서 단자홀(72)은 총 4개일 수 있다. 이 경우, 2개의 단자(23,43)는, 4개의 단자홀(72) 중 2개의 단자홀(72)을 통하여 돌출되고, 후술하는 전원과 전기적으로 연결될 수 있다. 다만, 2개의 단자(23,43)가 1개의 단자홀(72)에 수용되어 돌출되는 것은, 전기적 단락(Short Circuit)이 발생할 수 있기 때문에 바람직하지 않다.
전극 모듈(200)은, 유로(110)에 위치할 수 있다. 전극 모듈(200)은 하우징(100)에 수용되어 유로(110)에 위치할 수 있다. 전극 모듈(200)의 아랫면의 가장자리 부분은 하부 하우징(10)의 단차부(13)의 단턱에 의해 지지되고, 전극 모듈(200)의 윗면의 가장자리 부분은 상부 하우징(70)에 접하여 위치할 수 있다. 이 경우, 상부 하우징(70)과 하부 하우징(10)의 결합에 의한 압축력에 의해, 전극 모듈(200)이 고정될 수 있다. 전극 모듈(200)은, 유로(110)에 대해 격벽형태로 위치할 수 있다.
전극 모듈(200)은, 제1전극(20), 분리막(30), 제2전극(40)을 포함할 수 있다.
제1전극(20)은, 전극 모듈(200)의 하측에 위치할 수 있다. 제1전극(20)은, 분리막(30)의 하측에 위치할 수 있다. 제1전극(20)은, 아랫면의 가장자리가 하부 하우징(10)의 단차부(13)의 단턱에 지지될 수 있다. 제1전극(20)은, 유로(110)에 대해 격벽형태로 위치할 수 있다. 제1전극(20)은, 여러개의 홀(22)이 형성되어 있는 평판 플레이트 형태일 수 있다. 제1전극(20)의 여러개의 홀(22)을 통해 유로(110) 내의 물 또는 수용액이 이동할 수 있다. 제1전극(20)은, 전원과 전기적으로 연결될 수 있다.
제1전극(20)의 일측 변에는, 제1전극단자(23)가 위치할 수 있다. 제1전극단자(23)는, 상측으로 연장되어 상부 하우징(70)의 4개의 단자홀(72) 중 하나를 관통하여 돌출될 수 있다. 제1전극단자(23)는, 제1전극(20)과 일체로 형성될 수 있다. 제1전극단자(23)는 전원과 도전라인(미도시), 커넥터(미도시), PCB(Printed circuit board)(미도시) 등에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 그 결과, 제1전극(20)에 전원이 공급될 수 있다.
제1전극(20)에 공급되는 전류의 세기, 방향, 파장은 가변할 수 있다. 특히, 제1전극(20)의 극성은 가변할 수 있다. 즉, 사용자는 제1전극(20)의 극성을 제어할 수 있다. 따라서 상황에 따라 제1전극(20)은 양극(anode) 또는 음극(cathode)일 수 있다. 제1전극(20)이 양극일 때는, 음이온(예를 들면, OH-)이 전자를 잃고 산화될 수 있다. 즉, 제1전극(20)은 전자를 얻고 음이온은 전자를 잃는다. 그 결과, 제1전극(20)에서는 산소 또는 오존 등이 발생하여 살균수가 생성될 수 있다. 제1전극(20)이 음극일 때는, 양이온(예를 들면, H+)이 전자를 얻어 환원될 수 있다. 즉, 제1전극(20)은 전자를 잃고, 양이온은 전자를 얻는다. 그 결과, 제1전극(20)에서는 수소 등이 발생하여 수소수가 생성될 수 있다.
분리막(30)은, 제1전극(20)과 제2전극(40) 사이에 위치할 수 있다. 즉, 분리막(30)은, 제1전극(20)의 상측과 제2전극(40)의 하측에 위치할 수 있다. 분리막(30)은, 사각형의 막 형태일 수 있다. 분리막(30)은 절연재질을 포함할 수 있다. 그 결과, 제1전극(20)과 제2전극(40) 간에 전기적 단락이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 분리막(30)은, 유로(110)에 대해 격벽형태로 위치할 수 있다. 그 결과, 분리막(30)을 투과한 물질만이 유로(110)의 상부에서 하부로 이동하거나 유로(110)의 하부에서 상부로 이동할 수 있다. 즉, 분리막(30)은, 전극(20,40)과 달리 유로(110)를 선택적으로 폐쇄할 수 있다. 그 결과, 유로(110)는 분리막(30)을 기준으로 상부와 하부로 나뉘게 된다.
분리막(30)은, 선택적 투과막일 수 있다. 분리막(30)은, 이온교환막일 수 있다. 분리막(30)은, 양이온 교환막일 수 있다. 양이온 교환막은, 막근간(membrane backbone)에 음이온 군이 있어서 양이온(예를 들면, 수소 양이온(H+))을 통과시킬 수 있다. 분리막(30)은, 음이온 교환막일 수 있다. 음이온 교환막은, 막근간(membrane backbone)에 양이온 군이 있어서 음이온(예를 들면, 수산화 음이온(OH-))을 통과시킬 수 있다. 분리막은, 고분자 전해질막일 수 있다. 예를 들면, 본 제1실시예에서는, Nafion 분리막이 사용될 수 있다. 고분자 전해질막은 수소 이온을 선택적으로 투과시킨다. 수소 이온은 막 내에서 SO3-이온을 징검다리 삼아 고분자물 사이를 Hopping하며 이동하게 된다. 그 결과, 전기분해 시간과 효율을 높일 수 있다.
제2전극(40)은, 전극 모듈(200)의 상측에 위치할 수 있다. 제2전극(40)은, 분리막(30)의 상측에 위치할 수 있다. 제2전극(40)에서 윗면의 가장자리는 상부 하우징(70)의 밑면과 접할 수 있다. 제2전극(40)은, 유로(110)에 대해 격벽형태로 위치할 수 있다. 제2전극(40)은, 여러개의 홀(42)이 형성되어 있는 평판 플레이트 형태일 수 있다. 제2전극(40)의 여러개의 홀(42)을 통해 유로(110) 내의 물 또는 수용액은 이동할 수 있다. 제2전극(40)은, 전원과 전기적으로 연결될 수 있다.
제2전극(40)의 일측 변에는, 제2전극단자(43)가 위치할 수 있다. 제2전극단자(43)는, 상측으로 연장되어 상부 하우징(70)의 4개의 단자홀(72) 중 하나를 관통할 수 있다. 제2전극단자(43)는, 제2전극(40)과 일체로 형성될 수 있다. 제2전극단자(43)는 전원과 도전라인(미도시), 커넥터(미도시), PCB(Printed circuit board)(미도시) 등에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 그 결과, 제2전극(40)에 전원이 공급될 수 있다.
제2전극(40)에 공급되는 전류의 세기, 방향, 파장은 가변할 수 있다. 특히, 제2전극(40)의 극성은 가변할 수 있다. 즉, 사용자는 제2전극(40)의 극성을 제어할 수 있다. 따라서 상황에 따라 제2전극(40)은 양극(anode) 또는 음극(cathode)일 수 있다. 제2전극(40)이 양극일 때는, 음이온(예를 들면, OH-)이 전자를 잃고 산화될 수 있다. 즉, 제2전극(40)은 전자를 얻고 음이온은 전자를 잃는다. 그 결과, 제2전극(40)에서는 산소 또는 오존 등이 발생하여 산화수가 생성될 수 있다. 제2전극(40)이 음극일 때는, 양이온(예를 들면, H+)이 전자를 얻어 환원될 수 있다. 즉, 제2전극(40)은 전자를 잃고, 양이온은 전자를 얻는다. 그 결과, 제2전극(40)에는 수소 등이 발생하여 수소수가 생성될 수 있다.
전원은, 전기분해용 전극셀(1000)의 외부에 위치할 수 있다. 전원은, 제1,2전극(20,40)과 전기적으로 연결될 수 있다. 전원은, 제1,2전극(20,40)에 전원(전압)을 인가하여 전류를 공급할 수 있다. 이 경우, 제1,2전극(20,40)에 공급되는 전류의 세기, 방향, 파장은 제어되어 가변할 수 있다. 특히, 제1,2전극(20,40)의 극성은 제어되어 가변할 수 있다. 전원은, 제1,2전극(20,40)의 제1,2전극단자(23,43)와 전기적으로 연결될 수 있다. 전원은 제1,2전극단자(23,43)와 도전라인(미도시), 커넥터(미도시), PCB(Printed circuit board)(미도시) 등에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
이하, 본 제1실시예의 전기분해용 전극셀(1000)의 작동, 기능과 효과를 설명한다.
본 제1실시예의 전기분해용 전극셀(1000)은, 유로(110) 내의 물 또는 수용액을 전기분해한다. 전기분해시, 양극(anode)에서는, 음이온(예를 들면, 수산화 이온)이 전자를 잃고 산화되어 산소 또는 오존 등이 발생한다. 그 결과, 산소 또는 오존 등이 용해된 살균수가 생성된다. 음극(cathode)에서는, 양이온(예를 들면, 수소 이온)이 전자를 얻고 환원되어 수소 등이 발생한다. 그 결과, 수소 등이 용해된 수소수가 생성된다.
본 제1실시예의 전기분해용 전극셀(1000)은 제1,2전극(20,40)이 분리막(30)에 의해 분리되어 있으므로 살균수 또는 수소수가 분리되어 생성될 수 있다.
(1) 제1전극(20)이 음극이고, 제2전극(40)이 양극인 조건
유로(110) 내의 물 또는 수용액 중 선택적 투과성을 가지는 이온은 분리막(30)을 투과하여 유로(110) 내를 자유롭게 이동할 수 있다. 유로(110)는 분리막(30)을 기준으로, 제1전극(20, 음극)이 위치하는 하부와 제2전극(40, 양극)이 위치하는 상부로 분리된다.
전원이 인가되면, 제1전극(20, 음극)에서는 수소 이온이 환원되어 수소수가 생성되고, 제2전극(40, 양극)에서는 수산화 이온이 산화되어 살균수가 생성된다. 제1전극(20, 음극)에서 생성된 수소와 제2전극(40, 양극)에서 생성된 산소 또는 오존은 분리막(30)을 투과하지 못하므로, 제1전극(20, 음극)이 위치하는 유로(110)의 하부에서는 수소수가 제2전극(40, 양극)이 위치하는 유로(110)의 상부에서는 살균수가 각각 생성된다.
분리막(30)이 양이온 분리막인 경우, 유로(110)의 상부의 양이온(특히, 수소 이온)은 제1전극(20)의 전자기적 인력에 이끌려 분리막(30)을 투과하여 유로(110)의 하부로 이동할 수 있다. 이 경우, 분리막(30)을 투과한 양이온은, 제1전극(20)에 의해, 수소 등으로 환원될 수 있다. 그러나 유로(110)의 하부에 있는 음이온(특히, 수산화 이온)은, 제2전극(40)의 전자기적 인력에 이끌린다고 하더라도 분리막(30)을 투과하지 못한다. 그 결과, 유로(110)의 하부에 있는 음이온(특히, 수산화 이온)은, 유로(110)의 상부에서 제2전극(40)에 의해 산화될 수 없다. 나아가 고분자 전해질막(예를 들면, Nafion 분리막)을 사용하는 경우, 수소 이온이 선택적으로 투과될 수 있다. 상술한 바와 같이 수소 이온은 고분자 전해질막의 SO3-이온을 징검다리 삼아 hopping하며 이동하기 때문에 제1전극(20)(하부 유로(110))에서의 수소 발생 효율을 높일 수 있다.
분리막(30)이 음이온 분리막인 경우, 유로(110)의 하부의 음이온(특히, 수산화 이온)은 제2전극(40, 양극)의 전자기적 인력에 이끌려 분리막(30)을 투과하여 유로(110)의 상부로 이동할 수 있다. 이 경우, 분리막(30)을 투과한 음이온은, 제2전극(40, 양극)에 의해 산소 또는 오존 등으로 산화될 수 있다. 그러나 유로(110)의 상부에 있는 양이온(특히, 수소 이온)은, 제1전극(20)의 전자기적 인력에 이끌린다고 하더라도 분리막(30)을 투과하지 못한다. 그 결과, 유로(110)의 상부에 있는 양이온(특히, 수소 이온)은, 유로(110)의 하부에서 제1전극(20)에 의해 환원될 수 없다.
(2) 제1전극(20)이 양극이고, 제2전극(40)이 음극인 조건
상술한 (1) 조건과 제1,2전극(20,40)의 극성이 반대인 경우이다. (1) 조건과 역으로 작동, 기능 및 효과가 발생한다. 그 결과, 제1전극이 위치하는 유로(110)의 하부에서는 살균수가 생산되고, 제2전극이 위치하는 유로(110)의 상부에서는 수소수가 생산된다.
(3) 제1,2전극(20,40)의 역전시 발생하는 효과 - scale제거 모드
제1,2전극(20,40)의 극성이 주기적으로 바뀌는 경우, 각각의 전극에서 산화, 환원 반응이 교번하여 나타날 수 있다. 이 경우, 수소, 수산화 이온뿐만 아니라 물 또는 수용액에 포함되어 있는 각종 양이온 또는 음이온 등에 의해 생성된 scale(특히, 석회질)은 제1,2전극(20,40)의 극성이 교번하는 과정에서 제거될 수 있다.
이하, 본 제2실시예의 전기분해용 전극셀(2000)의 구성을 설명한다. 도 4는, 본 제2실시예의 전기분해용 전극셀을 나타낸 사시도이고, 도 5는, 본 제2실시예의 전기분해용 전극셀을 나타낸 분해사시도이고, 도 6은, 본 제2실시예의 전기분해용 전극셀을 나타낸 단면도이다.
본 제2실시예의 전기분해용 전극셀(2000)은 스페이서(50)와 제3전극(60)을 더 포함하는 것 외에 본 제1실시예의 전기분해용 전극셀(1000)과 동일한 기술적 사상을 가진다. 따라서 이하, 본 제1실시예의 전기분해용 전극셀(1000)과 동일한 기술적 사상을 가지는 부분에 대해서는 설명을 생략한다.
스페이서(50)는 절연고무 재질로, 제3전극(60)의 아랫면과 제2전극(40)의 윗면과 각각 접하여 위치할 수 있다. 스페이서(50)는, 제3전극(60) 및 제2전극(40) 플레이트의 4개의 변을 따라 형성된 중공의 직사각형 플레이트 형태일 수 있다. 따라서 스페이서(50)에 의해 유로(110)가 폐쇄되지 않는다. 나아가 스페이서(50)에 의해 제3전극(60)과 제2전극(40)은 전기적 단락이 방지된 상태로 이격된다.
제3전극(60)은, 전극 모듈(200)의 상측에 위치할 수 있다. 제3전극(60)은, 제2전극(40)의 상측에 위치할 수 있다. 제3전극(60)과 제2전극(40)의 사이에는 스페이서(50)가 위치할 수 있다. 제3전극(60)은, 윗면의 가장자리가 상부 하우징(70)의 밑면에 접할 수 있다. 제3전극(60)은, 유로(110)에 대해 격벽형태로 위치할 수 있다. 제3전극(60)은, 여러개의 홀(62)이 형성되어 있는 평판 플레이트 형태일 수 있다. 제3전극(60)의 여러개의 홀(62)을 통해 유로(110) 내의 물 또는 수용액은 이동할 수 있다. 제3전극(60)은, 전원과 전기적으로 연결될 수 있다.
제3전극(60)의 일측 변에는, 제3전극단자(63)가 위치할 수 있다. 제3전극단자(63)는, 상측으로 연장되어 상부 하우징(70)의 4개의 단자홀(72) 중 하나를 관통할 수 있다. 제3전극단자(63)는, 제3전극(60)과 일체로 형성될 수 있다. 제3전극단자(63)는 전원과 도전라인(미도시), 커넥터(미도시), PCB(Printed circuit board)(미도시) 등에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 그 결과, 제3전극(60)에 전원이 공급될 수 있다.
제3전극(60)에 공급되는 전류의 세기, 방향, 파장은 가변될 수 있다. 특히, 제3전극(60)의 극성은 가변할 수 있다. 즉, 사용자는 제3전극(60)의 극성을 제어할 수 있다. 따라서 상황에 따라 제3전극(60)은 양극(anode) 또는 음극(cathode)일 수 있다. 제3전극(60)이 양극일 때는, 음이온(특히, OH-)이 전자를 잃고 산화될 수 있다. 즉, 제3전극(60)은 전자를 얻고 음이온은 전자를 잃는다. 그 결과, 제3전극(60)에는 산소 또는 오존 등이 발생하여 살균수가 생성될 수 있다. 제3전극(60)이 음극일 때는, 양이온(특히, H+)이 전자를 얻어 환원될 수 있다. 즉, 제3전극(60)은 전자를 잃고, 양이온은 전자를 얻는다. 그 결과, 제3전극(60)에는 수소 등이 발생하여 수소수가 생성될 수 있다.
이하, 본 제2실시예의 전기분해용 전극셀(2000)의 작동, 기능과 효과를 설명한다.
본 제2실시예의 전기분해용 전극셀(2000)은, 본 제1실시예의 전기분해용 전극셀(1000)이 수행할 수 있는 기능을 모두 수행할 수 있다. 이러한 기능은, 제3전극셀(60)에 전원을 인가하지 않고, 제1,2전극셀(20,40)에만 전원을 인가하는 방식으로 수행될 수 있다. 따라서 이하, 본 제1실시예와 동일한 작동, 기능과 효과에 대해서는 생략한다.
상술한 바와 같이 일반적으로, 전기분해시, 양극(anode)에서는, 음이온(특히, 수산화 이온)이 전자를 잃고 산화되어 산소 또는 오존 등이 발생한다. 그 결과, 산소 또는 오존 등이 용해된 살균수가 생성된다. 음극(cathode)에서는, 양이온(특히, 수소 이온)이 전자를 얻고 환원되어 수소 등이 발생한다. 그 결과, 수소 등이 용해된 수소수가 생성된다.
본 제2실시예의 전기분해용 전극셀(2000)은 사용조건에 따라 살균수와 수소수를 분리하여 제조(본 제1실시예의 전기분해용 전극셀(1000)의 기능)할 수 있을 뿐만 아니라 복합기능수도 생성할 수 있다. 나아가 유로(110)의 상부에 위치하는 제2,3전극(40,60)이 동일한 극성을 가지는 경우, 고농도 살균수 또는 고농도 수소수를 생성할 수 있다.
(1) 제2전극(40)과 제3전극(60)의 극성이 반대인 조건
유로(110) 내의 물 또는 수용액 중 선택적 투과성을 가지는 이온은 분리막(30)을 투과하여 유로(110) 내를 자유롭게 이동할 수 있다. 유로(110)는 분리막(30)을 기준으로, 제1전극(20)이 위치하는 하부와 제2,3전극(40,60)이 위치하는 상부로 분리된다.
제2전극(40)이 양극이고 제3전극(60)이 음극이거나, 제2전극(40)이 음극이고 제3전극(60)이 양극인 경우, 즉, 제2전극(40)과 제3전극(60)의 극성이 반대인 경우, 양극에서는 산소 또는 오존 등이 발생하여 살균수가 생성되고, 음극에서는 수소 등이 발생하여 수소수가 생성된다. 그 결과, 제2,3전극(40,60)이 위치하는 유로(110)의 상부에서는 산소 또는 오존 및 수소가 동시에 발생하여 복합기능수(살균수와 수소수의 혼합수)가 생성된다. 이 경우, 제1전극(20)은 전원이 인가되지 않는 잉여 전극일 수 있다.
(2) 제1전극(20)이 음극이고, 제2,3전극(40, 60)이 양극인 조건
전원이 인가되면, 제1전극(20, 음극)에서는 수소 이온이 환원되어 수소수가 생성되고, 제2,3전극(40,60, 양극)에서는 수산화 이온이 산화되어 살균수가 생성된다. 제1전극(20, 음극)에서 생성된 수소와 제2,3전극(40,60, 양극)에서 생성된 산소 또는 오존은 분리막(30)을 투과하지 못하므로, 제1전극(20, 음극)이 위치하는 유로(110)의 하부에서는 수소수가 제2전극(40, 양극)이 위치하는 유로(110)의 상부에서는 살균수가 분리된 상태로 각각 생성된다. 나아가 유로(110)의 상부에서는 제1실시예와 비교하여 제3전극(60)이 더 존재하는바, 높아진 전위차 또는 출력량에 의해 고농도 살균수가 제조될 수 있다.
분리막(30)이 음이온 분리막인 경우, 유로(110)의 하부의 음이온(특히, 수산화 이온)은 제2,3전극(40,60, 양극)의 전자기적 인력에 이끌려 분리막(30)을 투과하여 유로(110)의 상부로 이동할 수 있다. 이 경우, 분리막(30)을 투과한 음이온은, 제2,3전극(40,60, 양극)에 의해 산소 또는 오존 등으로 산화될 수 있다. 그러나 유로(110)의 상부에 있는 양이온(특히, 수소 이온)은, 제1전극(20, 음극)의 전자기적 인력에 이끌린다고 하더라도 분리막(30)을 투과하지 못하므로 유로(110)의 하부에서 제1전극(20)에 의해 환원될 수 없다. 따라서 고농도 살균수를 생성하기 위해서는 음이온 분리막을 사용하는 것이 바람직하다.
(3) 제1전극(20)이 양극이고, 제2,3전극(40,60)이 음극인 조건
전원이 인가되면, 제1전극(20, 양극)에서는 수산화 이온이 산화되어 살균수가 생성되고, 제2,3전극(40,60, 음극)에서는 산소 이온이 환원되어 수소수가 생성된다. 제1전극(20)에서 생성된 산소 또는 오존과 제2,3전극(40,60)에서 생성된 수소는 분리막(30)을 통과하지 못하므로 제1전극(20, 양극)이 위치하는 유로(110)의 하부에서는 살균수가 제2,3전극(40,60, 음극)이 위치하는 유로(110)의 상부에서는 수소수가 각각 생성된다. 나아가 유로(110)의 상부에서는 제1실시예와 비교하여 제3전극(60)이 더 존재하는바, 높아진 전위차 또는 출력량에 의해 고농도 수소수가 제조될 수 있다.
분리막(30)이 양이온 분리막인 경우, 유로(110)의 하부의 양이온(특히, 수소 이온)은 제2,3전극(40,60, 음극)의 전자기적 인력에 이끌려 분리막(30)을 투과하여 유로(110)의 상부로 이동할 수 있다. 이 경우, 분리막(30)을 투과한 양이온은, 제2,3전극(20,60, 음극)에 의해 수소 등으로 환원될 수 있다. 그러나 유로(110)의 상부의 음이온(특히, 수산화 이온)은, 제1전극(20, 양극)의 전자기적 인력에 이끌린다고 하더라도 분리막(30)을 투과하지 못한다. 그 결과, 유로(110)의 상부에 있는 음이온(특히, 수산화 이온)은, 유로의 하부에서 제1전극(20, 양극)에 의해 산화될 수 없다. 따라서 고농도 수소수를 생성하기 위해서는 양이온 분리막을 사용하는 것이 바람직하다. 나아가 고분자 전해질막(예를 들면, Nafion분리막)을 사용하는 경우, 수소 이온이 선택적으로 투과될 수 있다. 상술한 바와 같이 수소 이온은 고분자 전해질막의 SO3-이온을 징검다리 삼아 hopping하며 이동하기 때문에 제2,3전극(40,60)이 위치하는 상부 유로(110))에서의 수소 발생 효율을 높일 수 있다.
이하, 도면을 참조하여, 본 제1,2실시예의 전극셀을 이용한 기능수 생성모듈(3000)의 구조, 작동, 기능 및 효과에 대해서 설명한다. 도 7은, 본 제1실시예의 전기분해용 전극셀을 포함한 기능수 생성 모듈을 나타낸 개념사시도이고, 도 8은, 본 제2실시예의 전기분해용 전극셀을 포함한 기능수 생성 모듈을 나타낸 개념사시도이다.
기능수 생성모듈(3000)은, 챔버(300)와 본 제1실시예의 전극셀(1000) 또는 본 제2실시예의 전극셀(2000)을 포함할 수 있다.
챔버(300)는 중공형태일 수 있다. 챔버(300)는, 내부에 물 또는 수용액이 수용되어 있을 수 있다. 챔버(300)는 기능수 생성모듈(3000)의 외장재일 수 있다. 챔버(300)의 내부에는 본 제1실시예의 전극셀(1000) 또는 본 제2실시예의 전극셀(2000)이 위치할 수 있다. 챔버(300)의 내부에는, 본 제1실시예의 전극셀(1000) 또는 본 제2실시예의 전극셀(2000)이 격벽 형태로 위치할 수 있다. 그 결과, 상측에 제2전극(40) 또는 제2,3전극(40,60)이 위치하고, 하측에 제1전극(20)이 위치하여 분리막(30)을 기준으로 분리될 수 있다. 즉, 챔버(300)는, 분리막(30)을 기준으로 하부챔버(80)와 상부챔버(90)로 나뉠 수 있다.
기능수 생성모듈(3000)은, 여러 기계, 기구, 장치, 시스템 등에서 기능수를 생성하는 모듈(3000)로서 포함될 수 있다. 예를 들면, 기능수 생성모듈(3000)은, 피부 노화 방지 및 영양 보급을 위한 일회용 미스트 용기(미도시)의 일부분을 구성할 수 있다. 이 경우, 기능수 생성모듈(3000)의 상부챔버(90)의 물 또는 수용액은, 펌프 또는 모터 등의 원동부(미도시)에 의해서, 노즐(미도시)을 통해 외부로 분사될 수 있고, 하부챔버(80)의 물 또는 수용액은, 분리막(30)과 하부챔버(80)의 측벽 및 밑면에 의해 구획된 공간에 저장되어 있을 수 있다. 본 제1,2실시예의 분리막(30)은 양이온 또는 음이온 또는 특정이온만을 통과시키기 때문이다.
제1실시예의 전극셀(1000)을 포함하는 경우, 상부챔버(80)에서는 상술한 바와 같이, 1) 살균수가 생성되거나 2) 수소수가 생성될 수 있다. 또, 전극의 극성을 교번하여 3) 스케일을 제거할 수 있다. 한편, 제2실시예의 전극셀(2000)을 포함하는 경우, 상부챔버(80)에서는 상술한 기능 외에 1) 복합기능수가 생성되거나 2) 고농도 살균수가 생성되거나 3) 고농도 수소수가 생성될 수 있다.
그 결과, 사용자는, 1) 살균수, 2)수소수를 자유롭게 취사선택하여 분사하거나(제1실시예의 전극셀(1000)을 포함하는 경우) 나아가 1) 복합기능수, 2) 고농도 살균수, 3)고농도 수소수를 자유롭게 취사선택하여 분사할 수 있다.(제2실시예의 전극셀(2000)을 포함하는 경우)
이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 하부 하우징
11: 하부결합홀 13: 단차부
20: 제1전극
22: 제1홀 23: 제1단자
30: 분리막
40: 제2전극
42: 제2홀 43: 제2단자
50: 스페이서
60: 제3전극
62: 제3홀 63: 제3단자
70: 상부 하우징
71: 상부결합홀 72: 단자홀
80: 하부 챔버 90: 상부 챔버
100: 하우징 110: 유로
200: 전극 모듈 300: 챔버
1000,2000: 전극셀 3000: 기능수 생성 모듈

Claims (10)

  1. 유로가 형성된 하우징; 및
    상기 유로에 위치하는 전극 모듈을 포함하고,
    상기 전극 모듈은,
    제1전극; 및
    상기 제1전극의 상측에 위치하는 제2전극을 포함하고,
    상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에는, 상기 유로를 나누는 분리막이 위치하는 전기분해용 전극셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극과 상기 제2전극은, 외부 전원과 전기적으로 연결되고, 상기 제1전극과 상기 제2전극의 극성은 가변하는 전기분해용 전극셀.
  3. 제1항에 있어서,
    제1 및 제2전극에는, 여러 개의 홀이 형성되어 있는 전기분해용 전극셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분리막은, 이온분리막 또는 고분자 전해질막인 전기분해용 전극셀.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극 모듈은,
    상기 제2전극과 상측으로 이격되어 위치하는 제3전극을 더 포함하는 전기분해용 전극셀.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1전극과 상기 제2전극과 상기 제3전극은, 외부 전원과 전기적으로 연결되고, 상기 제1전극과 상기 제2전극과 상기 제3전극의 극성은 가변하는 전기분해용 전극셀.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2전극과 상기 제3전극 사이에는, 스페이서가 위치하는 전기분해용 전극셀.
  8. 제5항에 있어서,
    제1 내지 제3전극에는, 여러 개의 홀이 형성되어 있는 전기분해용 전극셀.
  9. 내부에 물 또는 수용액이 위치하는 챔버; 및
    상기 챔버에 격벽형태로 위치하는 전기분해용 전극셀을 포함하고,
    상기 전기분해용 전극셀은,
    유로가 형성된 하우징; 및
    상기 유로에 위치하는 전극 모듈을 포함하고,
    상기 전극 모듈은,
    제1전극; 및
    상기 제1전극의 상측에 위치하는 제2전극을 포함하고,
    상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에는, 상기 유로를 나누는 분리막이 위치하는 기능수 생성 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전극 모듈은,
    상기 제2전극과 상측으로 이격되어 위치하는 제3전극을 더 포함하는 기능수 생성 모듈.
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