KR20180032113A - 전극셀 - Google Patents

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KR20180032113A
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김성태
이준희
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주식회사 파이노
김성태
주식회사 더보탬
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Abstract

본 발명은, 물 또는 수용액의 전기분해에 사용되는 전극셀로서, N 개의 평면 나선과 일대일 대응되고, 상기 평면 나선을 따라 형성된 제1 내지 제N전극을 포함하고, 상기 제1 내지 제N전극은 이격되어 인터리빙(inter leave)하고, N은 2 이상의 자연수인 전극셀.에 관한 것이다.

Description

전극셀{ELECTRODE CELL}
본 발명은 전극셀에 관한 것으로, 특히, 물 또는 수용액을 전기분해하는 전극셀에 관한 것이다.
물(H2O)을 전기분해하는 경우, 양극 전극에서는 오존(O3) 등이 발생하고, 음극전극에서는 수소(H2) 등이 발생하게 된다. 그 결과, 양극전극으로부터 오존이 용존된 오존수가 생성되며, 음극전극으로부터 수소가 용존된 수소수가 생성된다. 오존수는 세정 또는 살균용으로 사용될 수 있고, 수소수는 음용으로 체내의 활성산소 등을 제거할 수 있다.
이렇게 물 또는 수용액을 전기분해하는 전극셀을 전기분해용 전극셀이라 한다.
대한민국 등록특허 제10-1120942호(이하, 종래기술)는, 물을 전기분해하여 수소수를 제조하는 장치에 관한 것이다. 물의 전기분해 효율을 높이기 위해서는, 대응되는 양극전극과 음극전극의 면적과 간격이 동일한 것이 가장 좋다. 전기 에너지가 균형을 이루어 전기-화학적 반응이 원활하게 이루어지기 때문이다. 그러나 종래기술의 전기분해기(106, 전극셀에 해당)는 동심(homocentricity)이지만 반경이 다른 링과 원통형의 전극(107, 108)으로 이루어져 있다. 그 결과, 양극전극의 면적과 이에 대응하는 음극전극의 면적에 차이가 발생하여 기능수(오존수, 수소수)의 생성효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
상술한 문제점을 해결하고자, 양극 전극과 음극 전극의 단면적과 간격이 동일하게 적용되는 전극셀을 제공하고자 한다.
나아가 설계조건에 따라 자유롭게 scale-up할 수 있는 전극셀을 제공하고자 한다.
나아가 물 또는 수용액을 교반시켜 오존과 수소가 균일하게 분포할 수 있는 전극셀을 제공하고자 한다.
본 실시예에 따른 전극셀은, 물 또는 수용액의 전기분해에 사용되는 전극셀로서, N 개의 평면 나선과 일대일 대응되고, 상기 평면 나선을 따라 형성된 제1 내지 제N전극을 포함하고, 상기 제1 내지 제N전극은 이격되어 인터리빙(inter leave)하고, N은 2 이상의 자연수일 수 있다.
상기 평면 나선은 아르키메데스(archimedes) 나선일 수 있다.
상기 평면 나선은 나선중심과 회전방향이 동일할 수 있다.
상기 평면 나선은 회전시작각도가 서로 다를 수 있다.
상기 평면 나선에서 이웃하는 나선의 회전시작각도의 차이는 2π(360°)를 N으로 나눈 각도일 수 있다.
상기 제1 내지 제N전극은 상기 평면 나선이 기설정된 각도만큼 회전성장한 지점에서부터 시작될 수 있다.
상기 제1 내지 제N전극은 합동(合同)일 수 있다.
상기 제1 내지 제N전극의 극성은 차례대로 음극과 양극이 교번할 수 있다.
상기 제1 내지 제N전극을 고정하는 케이스를 더 포함할 수 있다.
도 1은 아르키메데스 나선을 나타낸 도면이다.
도 2는 회전시작각도가 π(180°)만큼 차이나는 2개의 전극을 포함하는 전극셀을 나타낸 사시도이다.
도 3은 회전시작각도가 π(180°)만큼 차이나는 2개의 전극을 나타낸 평면도이다.
도 4는 회전시작각도가 π(90°)만큼 차이나는 4개의 전극을 나타낸 평면도이다.
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.
이하, 본 실시예의 전극셀에 대하여 설명한다.
본 실시예의 전극셀은 N개의 전극과 N개의 전극을 고정하는 케이스(900)를 포함할 수 있다. 여기서 N은 2 이상의 자연수일 수 있다. 전극셀은 물 또는 수용액에 부유하여 물 또는 수용액을 전기분해시킬 수 있다. 전극은 도전성의 금속일 수 있으며 특히, 탄소 전극이 사용될 수 있다. 전극은 길이가 충분히 긴 전극 플레이트가 평면 나선을 이루도록 감겨있는 형태일 수 있다. 즉, 복수 개의 전극 각각은 이와 일대일 대응되는 복수 개의 평면 나선을 따라 형성될 수 있다. 나아가 전극은 평면 아르키메데스(archimedes) 나선을 따라 형성될 수 있다. 또, 여러 개의 전극은 서로 이격되어 인터리빙(inter leave)될 수 있다. 즉, 나선 형태의 전극에 의해 형성되는 나선 형태의 수용공간에 다른 나선 형태의 전극이 수용되어 배치될 수 있다. 이러한 방식으로 복수 개의 전극은 겹겹이 배치될 수 있다. 전극셀을 이루는 복수 개의 전극은 나선중심과 회전방향이 동일할 수 있다. 나아가 복수 개의 전극은 서로 합동(合同)일 수 있다. 다만, 복수 개의 전극은 후술하는 회전시작각도가 달라 서로 이격되어 겹쳐질 수 있다. 케이스(900)는 원형 플레이트 형태로 일면에 복수 개의 전극이 결합하여 고정될 수 있다. 케이스(900)와 전극은 접착, 끼임결합에 의해 결합할 수 있다. 또, 케이스(900)의 일면에 전극을 고정하는 브라켓(910)이 형성될 수 있다. 본 변형례(미도시)에서는, 케이스에 여러개의 투과홀이 형성될 수 있다. 투과홀을 통해 전극이 배치되지 않은 면 측에서도 물 또는 수용액이 유입될 수 있다. 즉, 타측면의 물 또는 수용액도 투과홀을 통해 전극 인근에 위치할 수 있어 전기분해효율을 높일 수 있다.
아르키메데스 나선은 일정한 간격으로 감겨 있는 나선을 의미한다. 도 1은 아르키메데스 나선(1)을 나타낸 도면이다. 도 1에서 나타내는 바와 같이, 아르키메데스 나선(1)은 나선중심으로부터의 거리(r, 이하 반경)가 회전각(θ)에 비례하여 증가하는 나선이다. 즉, 나선의 폭(w)이 일정한 것이 특징이고 아래와 같은 극좌표 식으로 표현될 수 있다.
r = aθ
위 식에서 a는 매개 변수로 나선의 폭(w)을 조정한다.
후술하지만 회전시작각도는 나선중심(10)에서 나선의 성장이 최초로 시작되는 각도이다. 예를 들어, 도 1에서 아르키메데스 나선(1)의 회전시작각도는 O(0°)이다.
이하, 전극이 2개(N = 2)인 전극셀에 대하여 설명한다. 도 2는 회전시작각도가 π(180°)만큼 차이나는 2개의 전극을 포함하는 전극셀을 나타낸 사시도이고, 도 3은 회전시작각도가 π(180°)만큼 차이나는 2개의 전극을 나타낸 평면도이다. 전극이 2개인 전극셀(1000)은 제1전극(100)과 제2전극(200)과 하우징(900)을 포함할 수 있다.
제1,2전극(100,200)은 길이 방향으로 긴 전극 플레이트가 제1,2나선(110,210)을 따라 형성된 형태일 수 있다. 제1전극(100)과 제2전극(200)은 합동일 수 있다. 제1나선(110)과 제2나선(210)은 나선중심(10)이 동일할 수 있다. 또, 제1나선(110)과 제2나선(210)의 회전방향은 동일할 수 있다. 즉, 제1전극(100)과 제2전극(200)의 나선팔의 성장방향은 모두 반시계방향일 수 있다.
제1전극(100)과 제2전극(200)은 이격되어 인터리빙될 수 있다. 즉, 제1전극(100)에 의해 형성되는 나선형태의 수용공간에 제2전극(200)이 끼워질 수 있다. 즉, 제1전극(100)의 나선의 폭에 제2전극(200)이 위치하고, 제2전극(200)의 나선의 폭에 제1전극(100)이 위치하여 나선구조체를 형성할 수 있다. 이 경우, 제1전극(100)과 제2전극(200)의 나선팔은 이격되어 있다.
제1나선(110)과 제2나선(210)의 회전시작각도는 다를 수 있다. 제1전극(100)과 제2전극(200)은 합동이고, 제1나선(110)과 제2나선(210)은 나선중심(10)이 동일하나, 제1나선(110)과 제2나선(210)은 회전시작각도가 다르므로, 제1전극(100)과 제2전극(200)은 서로 이격된 상태로 나선구조체를 형성할 수 있다. 회전시작각도는 나선중심(10)에서 나선의 성장이 최초로 시작되는 각도이다.
도 3을 참조하여 좀 더 상세하게 설명하면, 제1나선(110)은 회전각(θ)이 0서부터 증가하면서 성장한다. 이에 반해, 제2나선(210)은 회전각(θ)이 π서부터 증가하면서 성장한다. 이 경우, 제1전극(100)의 회전시작각도는 0이고, 제2전극(200)의 회전시작각도는 π이다.
나아가 만약 전극의 개수가 N 개라면, 이웃하는 제1 내지 제N나선의 회전시작각도는 2π(한바퀴)를 N으로 나눈 각도만큼 차이를 보인다. 예를 들어, 전극셀이 3개의 전극을 포함하는 경우에는 이웃하는 나선의 회전시작각도의 차이는 2/3π일 수 있다. 좀 더 상세하게, 제1나선의 회전시작각도는 0이고, 제2나선의 회전시작각도는 2/3π이고, 제3나선의 회전시작각도는 4/3π이다. 즉 N의 값이 증가할수록 차례대로 회전시작각도가 증가한다.
이 경우, 나선은 폭이 회전각도에 비례하여 증가하는 아르키메데스 나선이고, 제1 내지 제N나선의 회전시작각도가 2π를 N으로 나눈 각도의 차이로 차례로 증가하므로, 이를 따라 형성된 제1전극부터 제N전극은 일정한 간격으로 배치된다. 즉, 본 실시예에 따른 전극셀은 동일한 회전각을 가지는 특정 지점에서 이웃하는 전극의 간격은 일정하다. 나아가 회전각이 증가함에 따라 전극구조체의 나선은 성장하지만 이웃하는 전극은 일정 간격을 유지한다. 또, 모든 전극은 서로 합동이므로 대향하는 전극의 면적이 항상 동일하다. 즉, 본 실시예의 전극셀은 전극간의 간격과 대향하는 면적이 항상 동일할 수 있다. 그 결과, 물 또는 수용액을 분해하는 전력이 편향되지 않아 기능수 생성 효율을 높일 수 있고, 전극셀에서 발생하는 전력량을 산출하기 쉬워 설계하기 편리하고, 설계적 요청에 따라 나선을 성장시켜 자유롭게 스케일 업(Scale-up)할 수 있다.
나선중심(10)은 제1나선(110)과 제2나선(210)이 시작되는 중심으로 r = 0인 점이다. 다만, 제1,2전극(100,200)이 나선중심(10)에서부터 형성되는 것은 아니다. 제1,2전극(100,200)은 제1,2나선(110,210)이 기설정된 각도만큼 회전성장한 지점에서부터 시작될 수 있다. 기설정된 각도는 설계조건에 따라 변경될 수 있다. 다만, 제1전극(100)과 제2전극(200)은 서로 연속적으로 대향하여야 하므로, 기설정된 각도는 제1나선(100)과 제2전극(200)에서 동일하여야 한다. 도 3을 참조하여 설명하면, 제1나선(110)은 나선중심(10)에서 회전시작각도가 0으로 시작하지만, 제1전극(100)은 제1나선(110)이 나선중심(10)에서부터 2πn(n은 자연수, n바퀴)만큼 회전성장한 제1전극시작점(120)에서부터 시작될 수 있다. 또, 제2나선(210)은 나선중심(10)에서 회전시작각도가 π로 시작하지만 제2전극(200)은 제2나선(210)이 나선중심(10)에서부터 2πn(n은 자연수, n바퀴)만큼 회전성장한 제1전극시작점(120)에서부터 시작된다. 만약, 제1전극(100)과 제2전극(200)이 나선중심(10)에서부터 형성된다면, 제1전극(100)과 제2전극(200)이 접촉하므로 전기적 단락(Short Circuit)이 일어날 수 있으므로 유의하여야 한다.
제1,2전극(100,200)은 외부 전원(미도시)과 전기적으로 연결되어 전원이 인가될 수 있다. 또, 외부 전원은 전극에 인가하는 전류의 세기, 방향, 파장 등을 제어할 수 있다. 제1,2전극(100,200)에 전원이 인가되면 물 또는 수용액을 전기분해할 수 있다. 양극에서는, 음이온(예를 들면, OH-)이 전자를 잃고 산화될 수 있다. 그 결과, 산소 또는 오존 등이 용존된 살균수가 생성될 수 있다. 음극에서는, 양이온(예를 들면, H+)이 전자를 얻어 환원될 수 있다. 그 결과, 수소 등이 용존된 수소수가 생성될 수 있다. 살균수와 수소수는 혼합되어 복합기능수가 생성될 수 있다.
제1전극(100)은 양극이고, 제2전극(200)은 음극일 수 있다. 제1전극(100)은 음극이고, 제2전극(100)은 양극일 수 있다. 나아가 전극이 N 개인 전극셀에서 전극의 극성은 차례대로 양극과 음극이 교번할 수 있다. 즉, 제1,3,5,7...전극의 극성은 양극이고, 제2,4,6,8...전극의 극성은 음극일 수 있다. 이와 반대로 제1,3,5,7...전극의 극성이 음극이고, 제2,4,6,8,...전극의 극성이 양극일 수 있다. 즉, 제1전극과 제N전극의 사이에 양극전극과 음극전극이 교번하며 위치할 수 있다. 상술한 바에 따르면, 양극전극과 음극전극의 대응면적과 간격은 동일하다. 따라서 기능수의 생성율이 높아진다.
나아가 제1전극부터 제N전극까지 순차적으로 전원을 인가하면, 수소, 산소, 및 오존이 소용돌이 형태로 발생할 수 있다. 예를 들면, 제1전극에 양전압을 인가하면, 제1전극을 따라 수소가 평면 나선형태로 발생하여 상승하게 된다. 이 후, 제2전극에 음전압을 인가하면, 제2전극을 따라 산소 및 오존이 평면 나선형태로 발생하여 상승하게 된다. 이 후, 제3전극에 양전압을 인가하면, 제3전극을 따라 수소가 평면 나선형태로 발생하여 상승하게 된다. 이렇게 시간차를 두고, 제1전극서부터 제N전극까지 양전압과 음전압을 교번하여 인가하면, N개의 평면 나선기둥이 겹쳐져 소용돌이(마치, 입체나선과 같은 형태)를 발생하게 된다. 따라서 물 또는 수용액은 소용돌이에 의해 교번될 수 있다. 이러한 소용돌이 효과는 나선전극이 4개 이상일 때부터 커진다. 그 결과, 용존된 수소, 산소 및 오존이 골고루 섞여 균등한 농도의 복합기능수가 생성될 수 있다.
이하, 전극이 4개(N=4)가 배치되는 것을 설명한다. 도 4는 회전시작각도가 π(90°)만큼 차이나는 4개의 전극을 나타낸 평면도이다. 제1전극(100)은 제1나선(110)을 따라 제1전극시작점(120)에서부터 형성되고, 제2전극(200)은 제2나선(210)을 따라 제2전극시작점(220)에서부터 형성되고, 제3전극(300)은 제3나선(310)을 따라 제3전극시작점(320)에서부터 형성되고, 제4전극(400)은 제4나선(410)을 따라 제4전극시작점(420)에서부터 형성될 수 있다.
제1나선(110), 제2나선(210), 제3나선(310) 및 제4나선(410)의 나선중심(10)과 회전방향(시계방향)은 동일할 수 있다.
제1나선(110), 제2나선(210), 제3나선(310) 및 제4나선(410)에서 이웃하는 나선의 회전시작각도의 차이는 2π를 4로 나눈 π/2이다. 즉, 제1나선(110)의 회전시작각도는 0이고, 제2나선(210)의 회전시작각도는 π/2이고, 제3나선(310)의 회전시작각도는 π이고, 제4나선(410)의 회전시작각도는 3π/2일 수 있다. 즉, 제1,2,3,4나선(110,210,310,410)의 회전시작각도는 순차적으로 π/2(2π/N)씩 증가할 수 있다. 제1,2,3,4나선(110,210,310,410)은 아르키메데스 나선이고, 제1,2,3,4전극(100,200,300,400)은 제1,2,3,4나선(110,210,310,410)을 따르므로 제1,2,3,4전극(100,200,300,400)에서 이웃하는 전극간의 간격은 항상 일정할 수 있다. 나아가 제1,2,3,4전극(100.200.300.400)은 합동일 수 있으므로, 대향하는 전극간의 면적은 동일할 수 있다.
제1,2,3,4전극(100.200.300.400)은 제1,2,3,4나선(110,210,310,410)이 기설정된 각도만큼 회전성장한 제1,2,3,4전극시작점(120,220,320,420)에서부터 형성될 수 있다. 제1,2,3,4전극(100,200,300,400)에서 기설정된 각도는 동일하고, 특히, 기설정된 각도는 2πn(n은 자연수)일 수 있다. 따라서 제1전극(100)은 제1전극시작점(120)에서 회전각(θ)이 0에서부터 시계방향으로 회전하여 회전성장하고, 제2전극(200)은 제2전극시작점(220)에서 회전각(θ)이 nπ/2에서부터 시계방향으로 회전하여 회전성장하고, 제3전극(300)은 제3전극시작점(320)에서 회전각(θ)이 nπ에서부터 시계방향으로 회전하여 회전성장하고, 제4전극(400)은 제4전극시작점(420)에서 회전각(θ)이 3nπ/2에서부터 시계방향으로 회전하여 회전성장한다.
제1,2,3,4전극(100,200,300,400)은 케이스(900)에 고정되어 전극셀을 형성할 수 있다.
본 실시예에서는 전극이 2와 4개인 경우의 전극셀을 예를 들어 설명하였으나 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이와 같은 방식으로 N 개의 전극을 가지는 전극셀을 유추할 수 있다. 나아가 본 실시예의 전극은 특히, 회전각(θ)이 1/2π 또는 π만큼만 성장한 나선전극일 수 있다. 즉, 충분히 회전성장하지 않은 나선전극도 본 실시예에 속한다. 회전각(θ)이 π만큼만 성장한 나선전극의 경우, 전극셀을 구성하는 나선전극의 개수가 최소한 4 이상이어야 하고, 회전각(θ)이 1/2π만큼만 성장한 나선전극의 경우, 전극셀을 구성하는 나선전극의 개수가 최소한 8 이상이어야 한다. 이와 같은 경우, 전극셀을 구성하는 모든 전극의 면은 겹쳐지지 않지만, 각 전극간의 간격과 대향면은 일정하다. 따라서 본 발명의 효과를 그대로 발휘할 수 있다. 그 결과, 본 실시예의 전극셀은 공간이 협소한 곳에서도 사용될 수 있다.
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.
1: 아르키메데스 나선
10: 나선중심
100: 제1전극
110: 제1나선 120: 제1전극시작점
200: 제2전극
210: 제2나선 220: 제2전극시작점
300: 제3전극
310: 제3나선 320: 제3전극시작점
400: 제4전극
410: 제4나선 420: 제4전극시작점
900: 케이스
910: 브라켓
1000: 전극셀

Claims (9)

  1. 물 또는 수용액의 전기분해에 사용되는 전극셀로서,
    N 개의 평면 나선과 일대일 대응되고, 상기 평면 나선을 따라 형성된 제1 내지 제N전극을 포함하고,
    상기 제1 내지 제N전극은 이격되어 인터리빙(inter leave)하고, N은 2 이상의 자연수인 전극셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 평면 나선은 아르키메데스(archimedes) 나선인 전극셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 평면 나선은 나선중심과 회전방향이 동일한 전극셀.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 평면 나선은 회전시작각도가 서로 다른 전극셀.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 평면 나선에서 이웃하는 나선의 회전시작각도의 차이는 2π(360°)를 N으로 나눈 각도인 전극셀.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제N전극은 상기 평면 나선이 기설정된 각도만큼 회전성장한 지점에서부터 시작되는 전극셀.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제N전극은 합동(合同)인 전극셀.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제N전극의 극성은 차례대로 음극과 양극이 교번하는 전극셀.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제N전극을 고정하는 케이스를 더 포함하는 전극셀.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110644015A (zh) * 2019-10-18 2020-01-03 浙江工业大学 一种楔形螺旋曲面电极及其制备方法
WO2022002335A1 (en) * 2020-07-01 2022-01-06 Draganov Bozhidar Dimitrov An electrolyser for producing hydrogen from water by electrolysis comprising at least one electrode shaped as a 3-dimensional logarithmic spiral

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