KR20180077750A - 수소수 제조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소수 제조장치에 관한 것으로써, 본 발명의 수소수 제조장치는 원수가 유입되어 전기분해를 통해서 생성된 수소를 용존시켜 수소수로 출수할 수 있는 유로를 갖춘 전해통(100)과, 상기 전해통(100) 내로 유입되는 원수를 전기분해하여 수소를 생성할 수 있도록 적어도 하나의 이온교환막(111)을 중심으로 산화반응이 일어나는 제1전극부(210)와 이 제1전극부(210)과 다른 극성을 갖으면서 환원반응이 일어나는 제2전극부(220)를 포함하는 전기분해부(200)와, 상기 전해통(100)내에서 전기분해부(200)의 제2전극부(220)와 일정 간격을 두고 배치되어 제2전극부(220)와의 사이에서 전기분해가 일어나지 않는 범위 내로 제2전극부(220)에 비해 상대적으로 낮은 전위를 걸어주는 EDLC형성전극부(300)를 포함하는 구성을 갖는다.

Description

수소수 제조장치{Manufacturing apparatus of hydrogen water}
본 발명은 수소수 제조장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 전기분해시 전기분해 효율을 저하시키는 이온성 물질이나 스케일 및 침전물이 전극부에 축적되는 것을 방지하여 전극부의 내구성을 향상시킬 수 있도록 함과 아울러, 원수를 전기분해하여 물에 용존되는 활성수소의 농도를 높일 수 있도록 유체의 베르누이효과를 최대로 활용할 수 있는 유로구조를 갖는 수소수 제조장치를 제공함 물론, 이러한 수소수 제조장치를 응용한 텀블러형 수소수 제조장치에 관한 것이다.
건강에 대한 관심이 높아지면서 최근에는 수돗물을 직접 마시기보다는 생수를 구매하여 마시거나, 원수를 필터링하여 음용수를 생성하는 정수기를 사용하는 비율이 급격하게 증가하고 있다.
지금까지 정수기는 원수에 포함된 이물질 등을 제거하여 사용자가 마실 수 있는 물로 정수하는 장치로 인식되어 왔으나, 최근에는 단순히 오염물질을 다양한 종류의 필터를 이용하여 여과하는 것에 그치지 않고, 이온수나 알칼리수 등과 같은 기능성 용수를 생성할 수 있는 정수기에 대한 관심이 증가하면서 이에 대한 다양한 개발이 진행되고 있다.
이처럼, 최근 건강에 대한 관심이 많아지면서 기능수에 대한 기대 및 가치가 높아지고 있고, 원수에 임의로 건강에 좋은 물질을 첨가하여 기능수로서의 역할을 극대화시키는 작업이 활발히 진행되고 있는 실정이다.
특히, 수소가 활성산소 제거 및 환원력을 갖는다는 특성이 알려지면서 학계나 산업 전반에 걸쳐 많은 자료와 정보가 넘치고 있다.
즉, 체내의 유해한 활성산소를 제거하기 위하여 음용수에 수소를 용존시킬 경우, 음용수에 용존된 수소분자가 유해한 활성산소와 체내에서 반응하여 물로 변하게 되어 유해한 활성산소로 인해 발생될 수 있는 인체의 각종 질환의 발생빈도를 줄일 수 있다는 주장들이 제기되고 있는 것이다.
이에 따라 물에 활성수소를 포함시킬 수 있는 다양한 형태의 수소수 제조장치에 대한 연구들이 진행 중에 있다.
예를 들어, 대한민국 등록실용신안공보 제0398253호(2005.10.12. 공고), 대한민국 등록특허공보 제0995713호(2010.11.19. 공고), 대한민국 등록특허공보 제1076631호(2011.10.19. 공고), 대한민국 등록특허공보 제1171302호(2012.8.6. 공고), 대한민국 공개특허공보 제2014-60738호(2014.5.21. 공개), 대한민국 등록특허공보 제1448577호(2014.10.13. 공고) 등에는 수소수 제조장치와 관련된 기술이 개시되어 있다.
즉, 상기 선행문헌들에 기술된 바와 같이 다양한 방식 및 다양한 형태로 응용된 수소수 제조장치에 대한 기술이 개시되어 있고, 이처럼 음용 가능한 물속에 수소를 용존시켜 환원력을 갖는 물을 생산함으로 건강에 유익한 기능수로서의 시장이 점차 확대되어 가고 있다.
그러나, 음용수에 수소를 용존시키는 작업은 다른 기체에 비해 상대적으로 용해도가 낮은 관계(상온 약 20℃에서 약 1.6ppm)로, 그렇게 간단한 일이 아니어서 저마다 새로운 방법들이 제시되고 있는 실정이지만, 수소를 물에 용존시키는 것에 어려움을 겪고 있는 것이 사실이다.
이런 수소 용존의 어려움으로 인해 요즘은 음용 가능한 원수에 직접 전기를 인가하여 전기분해를 하는 방법으로 수소수를 만들어 내는 방법이 보편화 되고 있는 상황이다.
그러나, 원수에 직접 전기를 인가할 때 전압이 물을 해리시키는 전압보다 크고 효율을 높이기 위해 필요 이상으로 높은 전압을 인가할 경우 여러 가지 오염물질이나 물속에 녹아있는 다른 물질들이 환원이나 산화를 하게 되어 새로운 화합물이 생성되거나 침착 및 축적될 경우가 있는 것이 사실이다.
이러한 사실은 원수를 직접 전기 분해하는 방식의 단점이며 이를 보완하는 작업이 있어야 하는 것이 현실이다.
한편, 통상의 전기분해장치는 공급된 원수에 대하여 전원공급기로부터 전류가 공급되면, 상기 전기분해장치 내의 일측의 전극봉이나 전극판은 양극이 연결되고, 다른 일측의 전극봉이나 전극판에 음극이 연결되어 전류가 흐르면, 양극에서는 H2O → 1/2O2 + 2H+ + 2e- 의 반응이 일어나고, 한편 음극에서는 2H2O + 2e- → H2 + 2OH- 의 반응이 일어나게 된다.
따라서 양극이 연결된 전극봉이나 전극판에서는 산소(O2)가 발생하고, 음극이 연결된 전극봉이나 전극판에서는 수소(H2)가 발생하여 0.1ppm 이상의 용존수소가 함유된 수소수를 얻을 수 있고, 부가적으로 양극에서는 수소이온(H+)이 음극에서는 수산화이온(OH-)이 발생한다.
상기 수소이온(H+)은 물을 산성으로, 상기 수산화이온(OH-)은 물을 알카리성으로 변화시키지만 이들은 동일한 양으로 존재하므로 물의 수소이온농도(pH)는 전체적으로 변화하지 않는다.
상기의 전기분해과정에서 일정한 시간이 경과되면 음극이 연결된 전극봉이나 전극판의 표면에 생성된 수산화이온(OH-)과 Mg2 + 성분이 결합한 Mg(OH)2 성분의 스케일이 급속하게 발생함으로써 저항값이 증가되어 전기분해의 효율이 급속히 감소한다. 이외에도 Ca(HCO3)2는 물에 약간 녹지만 만약 CO2가 제거되면 불용성이 되어 CaCO3 라는 스케일을 형성하게 된다.
따라서, 상기 전원공급기로부터 일측의 전극봉이나 전극판에 양극이, 다른 일측의 전극봉이나 전극판에 음극이 공급될 때 스케일이 발생되지 않는 최대시간의 범위 내에서 반복적으로 교차하여 공급하여 상기 스케일의 발생을 예방하고 있다.
이처럼, 종래 수소수 제조장치의 전기분해 과정에서 전극부에 스케일이 형성되어 전기분해 효율이 떨어짐은 물론, 전극부의 내구성을 저해하는 문제점들이 제시되고 있어 이를 개선할 수 있는 기술 개발의 필요성이 대두되고 있는 실정이다.
또한, 전기분해를 통해서 생성된 수소를 최대한 물속에 용존시킬 수 있는 기술 개발에 대한 필요성도 대두되고 있는 것이다.
대한민국 등록실용신안공보 제0398253호(2005.10.12. 공고, 명칭: 카트리지형 수소환원수 생성장치) 대한민국 등록특허공보 제0995713호(2010.11.19. 공고, 명칭: 전기 분해용 전극 조립체, 이를 구비한 산소 수소 발생기 및 이를 구비한 산소수 수소수 제조 장치) 대한민국 등록특허공보 제1076631호(2011.10.19. 공고, 명칭: 수소수 제조장치) 대한민국 등록특허공보 제1171302호(2012.8.6. 공고, 명칭: 수소수 생성장치) 대한민국 공개특허공보 제2014-60738호(2014.5.21. 공개, 명칭: 수소수 제조장치) 대한민국 등록특허공보 제1448577호(2014.10.13. 공고, 명칭: 수소수 제조장치)
이에 본 발명은 상기와 같은 수소 용존율을 높여주고, 전기분해 과정에서 발생하는 전극부의 내구성이 떨어지는 문제점과 같은 종래 기술에 따른 수소수 제조장치들이 가지고 있는 문제점들에 대해서 보완 개선하기 위한 새로운 형태의 수소수 제조장치를 제공하고자 연구 개발된 것이다.
즉, 본 발명의 목적은 전기분해시 전기분해 효율을 저하시키는 이온성 물질이나 스케일 및 침전물이 전극부에 축적되는 것을 방지하여 전극부의 내구성을 향상시킬 수 있도록 함과 아울러, 원수를 전기분해하여 물에 용존되는 활성수소의 농도를 높일 수 있도록 유체의 베르누이효과를 최대로 활용할 수 있는 유로구조를 갖는 수소수 제조장치를 제공하고자 하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 수소수 제조장치를 정수기 등에 모듈 형태로 쉽게 장착하여 사용 가능한 카트리지 타입의 수소수 발생모듈 형태로 제공하거나, 휴대 및 이동이 용이하면서 사용자가 필요로 할 때 수소수를 용이하게 음용할 수 있는 텀블러형 수소수 제조장치를 제공하고자 하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 원수가 유입되어 전기분해를 통해서 생성된 수소를 용존시켜 수소수로 출수할 수 있는 유로를 갖춘 전해통과, 상기 전해통 내로 유입되는 원수를 전기분해하여 수소를 생성할 수 있도록 적어도 하나의 이온교환막을 중심으로 산화반응이 일어나는 제1전극부와 이 제1전극부와 다른 극성을 갖으면서 환원반응이 일어나는 제2전극부를 포함하는 전기분해부와, 상기 전해통 내에서 전기분해부의 제2전극부와 일정 간격을 두고 배치되어 제2전극부와의 사이에서 전기분해가 일어나지 않는 범위 내로 제2전극부에 비해 상대적으로 낮은 전위를 인가받는 EDLC형성전극부를 포함하는 수소수 제조장치를 제공하는 데 그 특징을 갖는다.
여기서, 본 발명의 제1실시예에 따르면, 상기 전해통은 내부가 중공된 원통형 구조를 가지면서 그 양단에 각각 원수유입통과 출수배출통이 체결 조립되고, 상기 원수유입통과 출수배출통 사이의 전해통 외주면 상에는 다수의 유로공이 형성되며, 이 다수의 유로공을 감싸고 전기분해부가 내측부터 제2전극부, 이온교환막, 제1전극부 순으로 하여 원통형 구조로 조립 배치되며, 상기 전해통의 최외곽면 쪽에는 배출관이 외주면에 돌출 형성된 지지커플링이 전기분해부 전체를 감싸고 조립 체결되고, 상기 EDLC형성전극부는 전해통 내부의 유로를 따라 삽입되는 제3전극봉과, 이 제3전극봉의 하단면에 일체로 체결되면서 전원과 연결되는 제3전극연결단자 및 다수의 미세유로홀이 형성된 제3전극단자판으로 구성되고, 상기 제3전극단자판이 출수배출통의 출수구와 맞닿은 상태로 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제1실시예에 따르면, 상기 전해통의 내부에는 유입되는 원수를 회전시키면서 유속을 점차적으로 빠르게 유도할 수 있게 가압하는 유로를 제공하는 별도의 스크류부재가 삽입 조립되고, 상기 스크류부재의 내부에는 원수유입통 쪽에서부터 출수 방향으로 직경이 점점 커지는 원뿔 형상의 제3전극봉이 삽입됨과 아울러 제3전극단자판이 스크류부재의 일단면에 접촉 배치되며, 이 제3전극단자판의 제3전극연결단자가 출수배출통 외주면을 관통하여 외부로 노출되게 배치되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 전해통의 내주면에는 회전하는 유로를 형성하는 스크류가 일체로 형성되고, 상기 스크류를 따라 그 내부에 원수유입통쪽에서부터 출수방향으로 직경이 점점 커지는 원뿔 형상의 제3전극봉이 삽입됨과 아울러 제3전극단자판이 전해통의 일단면과 접촉한 상태에서 이 제3전극단자판의 제3전극연결단자가 출수배출통 외주면을 관통하여 외부로 노출되게 배치되는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따르면, 상기 스크류부재에 의한 유로와, 전해통 내주면에 형성된 스크류에 의한 유로는 나선형으로 형성됨과 동시에, 물의 출수 방향으로 나선형 유로의 피치 간격이 점점 짧아지도록 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2실시예에 따르면, 물을 담는 공간을 제공하면서 저면에 다수의 물통체결부를 갖춘 조립플랜지면이 개구된 바닥면의 가장자리면을 따라 형성된 물통부와, 상기 물통부의 조립플랜지면에 맞물리는 조립몸통부를 갖추고, 이 조립몸통부를 따라 물통체결부와 맞물려 체결되는 체결보스부를 갖춘 제2하우징, 이 제2하우징에 대향되게 맞물려 체결 조립되면서 바닥에 안착면이 형성됨과 아울러 이 안착면 일측에 가스배출공이 마련된 제1하우징, 상기 제1하우징의 안착면과 제2하우징의 조립몸통부 내주면에 돌출 형성된 플랜지부 사이에 배치되어 물을 전기분해하여 수소를 생성할 수 있도록 중앙의 이온교환막을 중심으로 산화반응이 일어나는 제1전극연결단자를 갖춘 제1전극부와 이 제1전극부과 다른 극성을 갖으면서 환원반응이 일어나는 제2전극연결단자를 갖춘 제2전극부를 포함하는 전기분해부와, 상기 제2하우징의 플랜지부를 따라 제2전극부와 일정 간격을 두고 안착 배치되어 제2전극부와의 사이에서 전기분해가 일어나지 않는 범위 내로 제2전극부에 비해 상대적으로 낮은 전위를 걸어주는 제3전극연결단자를 갖춘 EDLC형성전극부를 더 포함하는 구성을 갖춘 텀블러 형태로 이루어진 수소수 제조장치를 제공하는 데 그 특징을 갖는다.
이때, 본 발명의 제2실시예에 따르면, 상기 EDLC형성전극부는 판상구조를 가지면서 다수의 홀이 형성됨과 아울러 일측에 연결단자고정부를 갖춘 제3전극판과, 상기 제3전극판의 연결단자고정부에 착탈 가능하게 조립되고 제2하우징의 조립몸통부를 관통하여 전원과 연결될 수 있게 조립되는 제3전극연결단자로 이루어는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 전기분해부의 제2전극부와 일정 간격을 두고 배치되어 제2전극부와의 사이에서 전기분해가 일어나지 않는 범위 내로 제2전극부에 비해 상대적으로 낮은 전위를 인가받는 EDLC형성전극부를 포함하는 수소수 제조장치를 제공함으로써, 전기분해시 전기분해 효율을 저하시키는 이온성 물질이나 스케일 및 침전물이 제2전극부에 축적되는 것을 방지하여 제2전극부의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 원뿔 형상의 제3전극봉을 통해 유로 단면적을 가변시켜 베르누이효과를 보다 효과적으로 구현함과 아울러 전해통 내부의 유로에 스크류부재를 삽입하여 유로구조를 변경함으로써, 원수가 회전하면서 유속을 빠르게 증가할 수 있게 유도함은 물론 전기분해부와 원수가 접촉할 수 있는 시간을 늘려 줌에 따라 전기분해를 통해 생성된 수소를 마이크로-나노화(즉, 수소의 버블화)될 수 있게 하여 원수와 접촉하는 기포의 표면적이 늘어나면서 수소의 원수에 대한 용존량을 극대화 시킬 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명에 따르면, 카트리지형 수소수 제조장치는 정수기 등에 용이하게 장착하여 사용할 수 있는 수소수 발생모듈 형태로 제공 가능하고, 텀블러형 수소수 제조장치는 휴대 및 이동은 물론 보관 등이 용이하여 가정, 사무실, 업소 등과 같은 어느 장소(혹은, 공간)에서든지 수소수를 쉽게 제조하여 사용자의 수소수 음용 편의를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 카트리지형 수소수 제조장치를 보여주는 사시도.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 카트리지형 수소수 제조장치에서 지지커플링이 분리된 상태를 보여주는 사시도.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 카트리지형 수소수 제조장치의 구성을 보여주는 분해 사시도.
도 4(A)(B)는 본 발명의 제1실시예에 따른 수소수 제조장치를 보여주는 도 1의 A-A선 및 B-B선을 따라 절단하여 바라본 도면.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 수소수 제조장치 중 전기분해부의 구성을 보여주는 분해 구성도.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 수소수 제조장치를 보여주는 도 2의 C-C선을 따라 절단하여 바라본 도면.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 수소수 제조장치를 보여주는 도 2의 D-D선 단면도.
도 8은 본 발명의 제1실시예의 변형된 실시예로써, 수소수 제조장치 중 전해통 내주면에 스크류를 일체로 형성한 상태를 개략적으로 보여주는 단면도.
도 9는 본 발명에 따른 수소수 제조장치를 정수기와 같은 음용수기에 적용하는 상태를 개략적으로 보여주는 블록구성도.
도 10은 본 발명에 따른 수소수 제조장치에서 전기전해부의 제1전극과 제2전극 및 EDLC형성전극부에 전압이 인가되는 상태를 보여주는 개략적인 그래프 도면.
도 11은 본 발명의 제2실시예로써, 텀블러형 수소수 제조장치를 보여주는 사시도.
도 12는 본 발명의 제2실시예로써, 텀블러형 수소수 제조장치의 물통부와 전기분해부가 분리된 상태를 보여주는 분해 사시도.
도 13은 본 발명의 제2실시예로써, 텀블러형 수소수 제조장치의 구성을 보여주는 절단면도.
도 14는 본 발명의 제2실시예로써, 텀블러형 수소수 제조장치의 전기분해부 및 EDLLC형성전극부의 체결된 상태를 보여주는 절단면도.
도 15는 본 발명의 제2실시예로써, 텀블러형 수소수 제조장치에서 전기분해부의 구성을 보여주는 분해 사시도.
도 16은 본 발명의 제2실시예로써, 도 15에 도시된 전기분해부의 구성을 좀 더 이해하기 쉽도록 절단하여 보여주는 절단면도.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소수 제조장치에 대해서 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
이때, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해 첨부된 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의성을 위해 과장되거나 생략될 수 있으며, 도면에 병기된 도면부호에 따라 부여되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.
본 발명의 제1실시예에 따른 수소수 제조장치는, 본 발명의 제1실시예에 따른 수소수 제조장치는, 도 9에 도시된 바와 같이 물을 정수하여 음용할 수 있는 정수기 내에 장착하여 물을 정수 공급하는 과정에서 수소수를 용존시켜 음용할 수 있도록 카트리지 타입의 수소수 발생모듈 형태로 제공될 수 있다.
이를 위해 본 발명의 제1실시예에 따른 수소수 제조장치는, 도 1 내지 도 4(A)(B)에 도시된 바와 같이, 크게 전해통(100), 원수유입통(110), 출수배출통(120), 지지커플링(130), 스크류부재(140), 전기분해부(200), EDLC형성전극부(300)로 구분되는 카트리지 타입의 수소수 발생모듈로 구현될 수 있다.
이때, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 수소수 제조장치는, 원수유입통(110)과 출수배출통(120)이 전해통(100)의 양단에 각각 체결 조립되고, 상기 원수유입통(110)과 출수배출통(120) 사이에 위치한 전해통(100)의 중앙 외주면에는 전기분해부(200)가 전해통(100)을 감싸고 조립 배치되며, 상기 전기분해부(200)의 외주면을 원통형 지지커플링(130)이 감싸고 조립되어 전기분해부(200)를 전해통(100)에 견고하게 지지 고정하게 되고, 전해통(100)의 내부 중앙에는 스크류부재(140)가 삽입 조립되며, 상기 스크류부재(140)의 중앙에 EDLC형성전극부(300)가 조립 배치되는 구조를 가지고 있다.
여기서, 상기 전해통(100)은 원수가 유입되어 출수되는 과정에서 전기분해가 이루어져 수소수가 용존되는 통로로써, 통상의 전기분해가 일어나는 전해조 역할을 수행하는 부위이다.
이때, 상기 전해통(100)은 내부가 길이방향으로 관통 중공된 원통형 구조를 갖고 있고, 전해통(100)의 일단에 형성된 나사체결부(101)를 통해서 원수유입통(110)이 체결 조립됨과 아울러 전해통(100)의 타단에 형성된 나사체결부(102)를 통해서 출수배출통(120)이 체결 조립되는 구조를 갖는다.
특히, 상기 전해통(100)의 내주면에는 유로(105)를 구획 형성하는 스크류부재(140)가 삽입 조립될 수 있도록 형성되어 있고, 전해통(100)의 외주면에는 원수유입통(110)을 통해 유입된 원수가 전기분해부(200)쪽으로 유입 제공되어 전기분해가 구현될 수 있도록 다수의 미세한 유로공(103)이 전해통(100)을 감싸는 전기분해부(200)의 전체적인 크기에 맞춰 일정한 면적 범위를 갖고 형성되어 있다.
상기 원수유입통(110)은 원수가 유입되는 통로로써, 전해통(100)의 일측 나사체결부(101)에 체결 조립되어 원수를 공급받을 수 있는 배관이 연결될 수 있는 원수유입구(110a)를 갖추고 있다.
이때, 상기 원수유입통(110)과 전해통(100)의 체결부위에는 밀폐를 위한 실링부재(111)가 삽입 조립되는 것이 바람직하다.
상기 출수배출통(120)은 전기분해 과정을 거쳐 수소가 용존된 수소수가 출수되는 통로로써, 전해통(100)의 일측 나사체결부(101)에 체결 조립되어 출수용 배관과 연결될 수 있는 구조를 가지고 있고, 후술하는 제3전극봉(310)의 하단면에 위치한 제3전극단자판(320)의 미세유로홀(321)에 연결되는 작은 직경을 갖은 다수의 출수구(120a)를 갖추고 있으며, 출수배출통(120)의 외주면상에는 제3전극단자판(320)의 제3전극연결단자(322)를 관통시켜 외부로 노출시킬 수 있는 연결단자공(121)이 형성되어 있다.
상기 전기분해부(200)는 전원을 공급받아 전기분해를 이용하여 수소를 생성하는 부위로써, 상기 전해통(100)을 감싸면서 이온교환막(230)을 중심으로 양측에 설치되어 전기분해에 필요한 전압을 걸어주기 위해 서로 다른 극성을 갖는 제1전극부(210)와 제2전극부(220)를 갖추고 있다.
도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 전기분해부(200)는, 크게 전기분해에 필요한 제1전극부(210), 이온교환막(230), 제2전극부(220)를 기본적으로 포함하고 있고, 여기에 부가하여 제1전극부(210), 이온교환막(230), 제2전극부(220)를 구성하거나 그 사이에 배치되어 제1전극부(210), 제2전극부(220)를 각각 지지하면서 실링함은 물론 전기분해 효율을 높여 주고, 상기 이온교환막(230)에 작용하는 압력을 분산시켜 이온교환막(230)을 보호하기 위한 다양한 실링판들 및 촉매층을 갖는 금속전극부가 구비되어 있다.
즉, 상기 제1전극부(210)와 제2전극부(220)는 서로 다른 극성을 가지며, 전원 공급에 위한 전위차가 발생하여 전기분해가 일어나게 된다.
상기 전해통(100)을 중심으로 제1전극부(210)가 최외곽면 쪽에 위치하고, 제2전극부(220)가 전해통(100)과 인접하여 내측에 위치하게 된다.
예를 들어, 상기 제2전극부(220)는 전해통(100)의 외주면에 인접하게 감싸는 구조로 배치되어 전기분해 과정에서 환원반응이 일어나는 부위로써, 일측에 전원과 연결을 위한 제2전극연결단자(222)를 구비하고 홀의 직경이 평균 300㎛이하의 다공성을 갖는 두께 1㎜이하를 갖는 소결성 티타늄 전극판을 사용하고 있는바, 제2전극판(221)에는 백금족이나 이에 부합하는 전극층을 10㎎/㎠이하로 코팅이나 도금한 것을 사용하는 것이 바람직하다.
특히, 상기 제2전극판(221)은 다공성을 갖는 티타늄 전극판의 외각을 둘러싸고 2㎜이하의 원형홀(220a)을 갖는 두께 0.5㎜이하의 티타늄이나 스테인레스 전극판이 일체화된 구성을 갖는 것이 바람직하다.
이때, 상기 전해통(100)과 제2전극부(220)사이인 제2전극판(221)의 내주면에는 두께 1㎜이하의 제1실링판(223)이 배치되고, 상기 제2전극판(221)의 외주면에는 제2전극판(221)을 감싸며 내부 원수의 리크(leak)를 방지하는 두께 0.5㎜이하의 제2실링판(224)이 배치된다.
그리고, 상기 이온교환막(230)은 이온 교환체가 막 모양으로 형성된 것으로 양이온 또는 음이온 중 한쪽만을 통과시키는 막으로써, 이온교환막(230)은 선택 투과성이 있으므로 선택 투과막이라고도 한다.
본 발명에 따른 이온교환막(230)은 고분자막으로 이루어져, 전극층 영역의 고분자막 위에 백금족과 산화니켈 및 산화그래핀, 그 외에 카본블랙의 혼합 분산체를 활성 촉매층으로 코팅 및 함침시킨 촉매 전극층(231)을 갖추고 있고, 상하 양 가장자리 부위를 보조실링판(242)으로 지지 고정하는 구조를 갖고 있다.
또한, 본 발명에서 전기분해에 필요한 이온교환막(230)으로는 양이온 교환막과 음이온 교환막을 모두 사용할 수 있으며, 특히, 최근에 개발된 양성자 교환막을 사용할 수 있는바, 양성자 교환막으로는 단일상 불소계, 불소 복합형, 일부 불소치환형, 비불소계, 주쇄결형의 비불소계, 주쇄간 결합이 가능한 측쇄형 방형족등 실시자가 응용하여 선택 사용할 수 있음은 물론이다.
상기 제1전극부(210)는 이온교환막(230)을 중심으로 제2전극부(220)의 외측 부위에 일정간격을 두고 배치되어 전기분해 과정에서 산화반응이 일어나는 부위로써, 일측에 전원과 연결을 위한 제1전극연결단자(212)를 구비하고 홀(211a)의 직경이 1㎜이하의 다공성을 갖으면서 두께 1㎜이하를 갖는 스테인레스나 티타늄으로 이루어진 원통형 제1전극판(211)과 다공질성 소결티타늄 전극판(213)가 일체화되는 구조를 갖고 있다.
즉, 상기 제1전극부(210)는 홀(211a)의 직경이 1㎜이하의 다공성을 갖는 두께 1㎜이하를 갖는 스테인레스나 티타늄 제1전극판(211)이 다공질성 소결티타늄 전극판(213)의 지름보다 큰 지름을 갖고 다공질성 소결티타늄 전극판(213)의 외각을 둘러싸는 구조를 가지고 있다.
상기 다공질성 소결티타늄 전극판(213)은 제1전극부(210)를 구성하는 것으로써, 50㎛이하의 다공성을 갖는 두께 1mm이하의 소결티타늄 전극판이 사용되는 바, 소결티타늄 전극판의 표면 및 내주면 모두 백금족이나 산화니켈 및 산화그래핀이나 그 외에 카본블랙의 혼합된 촉매 분산체를 활성층으로 하는 촉매층으로 10mg/㎠이하로 코팅하거나 도금한 소결티타늄 전극판을 사용하거나, 두께 1mm 이하의 스테인레스 원통형 전극판을 사용할 수도 있다.
이때, 상기 제1전극부(210)의 내주면 및 외주면 가장자리 부위에는, 제2전극부(220)와 마찬가지로, 도면에 도시된 바와 같은 제3,4실링판(214,215)이 밀폐 및 지지를 위해서 각각 배치된다.
이처럼, 상기 이온교환막(230)과 두 개의 제1,2전극부(210,220)에는 각각 백금을 포함하는 촉매층이 배치되는 것이 바람직하고, 상기 촉매층은 각각의 제1,2전극부(210,220)가 이온교환막(230)과 접하는 부분에 도금된 형태로 배치될 수도 있고, 별도의 박판으로 제작되어 이온교환막(230)과 각각의 제1,2전극부(210,220)사이에 배치될 수도 있다.
또한, 상기 촉매층은 백금만으로 이루어질 수도 있고 백금과 다른 촉매 금속의 합금, 또는 백금 화합물로 이루어질 수도 있다. 상기 촉매층이 박판의 형태로 만들어진 경우에는, 상기 두 개의 제1,2전극부(210,220)에 다수의 홀(211a, 220a)이 형성된 것과 실질적으로 동일하게 다수의 홀이 촉매층을 이루는 박판에 형성되어 있어서 촉매층이 있더라도 이온교환막(230)이 물과 접하고 수소이온이 제2전극부(220) 내측으로 이동하는 데 방해가 되지 않도록 할 수 있다.
상기 전기분해부(200)에서 두 개의 제1,2전극부(210,220), 이온교환막(230) 및 촉매층은 실링판들에 의해 밀폐 지지된 상태에서 서로 공극없이 긴밀하게 접하도록 배치되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성을 갖는 전기분해부(200)에서 전기분해 과정을 살펴보면, 상기 두 개의 제1,2전극부(210, 220) 중 제1전극부(210)에는 일체로 형성된 제1전극연결단자(212)를 통해 (+) 전압이 인가된다.
그리고, 상기 두 개의 제1,2전극부(210, 220) 중 제2전극부(220)는 전해통의 유로공을 통해서 유입되는 전기분해의 대상인 원수와 직접 접하는 것으로, 일체로 형성된 제2전극연결단자(222)를 통해 (-) 전압이 인가된다.
이때, 상기 제1,2전극부(210, 220)의 사이에 배치된 이온교환막(230)은 제2전극부(220)에 형성된 다수의 홀(220a)을 통해서 원수와 직접 접한다.
이렇게 전기분해가 진행되면, 상기 제2전극부(220)에 접촉하고 있는 물의 극히 일부가 이온교환막(230)을 통해 제1전극부(210)로 유입되며, 제1전극부(210)에서 H+이온이 발생하여 H+이온은 제2전극부(220) 내측으로 이동하고, 제1전극부(210)측에는 산소(O2)가 발생하게 되며, 상기 제2전극부(220)로 둘러싸인 공간에서는 수소(H2)가 발생한다.
이와 같이 제1전극부(210)측에 생성된 산소(O2)는 후술하는 지지커플링(130)의 배출관(131)을 통해 배출되게 되고, 상기 제2전극부(220)측에 생성된 수소(H2)는 전해통(100)의 유로(105)를 따라 흐르는 원수 속에 용존되어 수소수로 출수되게 된다.
여기서, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 제2전극부(220)측에 생성된 수소(H2)가 원수 내에 보다 많이 용존될 수 있도록 하기 위하여 즉, 수소 용존율을 극대화시킬 수 있도록 베르누이효과를 보다 효과적으로 구현하기 위한 방안으로 후술하는 원뿔 형상의 제3전극봉(310)을 통해 유로 단면적을 가변시키거나, 수소를 마이크로-나노화(즉, 수소의 버블화)될 수 있게 하여 원수와 접촉하는 기포의 표면적이 늘어나면서 수소의 원수에 대한 용존량을 극대화 시킬 수 있도록 원수가 회전하면서 유속을 빠르게 유도하기 위해서 전해통(100) 내부의 유로(105)에 스크류부재(140)를 삽입하여 유로구조를 변경하는 등 다양한 방안을 제시하고 있는바, 이에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.
한편, 상기 지지커플링(130)은 도면에 도시된 바와 같이 일측에 형성된 좌우 분할 나사조임부(132)를 통해서 체결 가압력을 조절할 수 있는 통상의 원통형 체결부재이며, 그 외주면에는 전기분해부(200)에서 발생하는 산소 가스나 압력을 배출할 수 있는 배출관(131)을 갖추고 있다.
즉, 상기 지지커플링(130)은 전기분해부(200)를 고정하거나 압력을 유지하여 전극부를 보호하는 역할을 하는 것으로써, 상기 배출관(131)은 지지커플링(130)의 압력에 의해 제1전극부(210)의 산화반응을 통해 발생하는 산소와 같은 가스를 유출시켜 압력을 조절하거나 기타 유출 물질의 통로로 활용되게 된다.
이때, 도면에 도시되지 않았지만, 상기 배출관(131)에는 압력을 조절할 수 있는 릴리이프밸브(미도시)가 구비되는 것이 바람직하다.
즉, 상기 배출관(131)상의 릴리이프밸브(미도시)는 제1전극부(210) 및 지지커플링(130)의 압력에 의해 유출되는 가스나 기타 유출 물질의 통로인 관로에 연결되어 특정한 압력이 제1전극부(210)와 지지커플링(130)속으로 인가될 때, 자동으로 내부의 압력이 특정압력 이하를 유지될 때까지 유출하는 역할을 수행하게 된다.
이처럼, 상기 전기분해부(200)를 통해 전기분해 시 배출관(131)에 별도의 배관을 연결하여 특정 압력이상으로 내부압이 상승할 때 릴리이프밸브를 이용하여 압력을 조절하거나 가스를 외부로 유출할 수 있게 구성하는 것이 바람직하다 할 것이다.
한편, 배경기술에서 언급한 바와 같이 통상적으로 전기분해 시 음극에 전기분해 효율을 저하시키는 이온성 물질이나 스케일 및 침전물이 전극에 축적되어 전극의 내구성을 저해하는 문제가 발생하고 있는바, 본 발명은 전기분해를 이용하는 수소수 제조장치(10)를 제공함에 있어 상기와 같은 전극의 내구성 문제를 개선하고자 하는 것이다.
즉, 본 발명은 상기와 같은 원통형의 전해통(100)과, 이 전해통(100)을 감싸는 전기분해부(200) 및 지지커플링(130)을 포함하는 카트리지 타입의 수소수 발생모듈 형태로 수소수 제조장치(10)를 구성함에 있어서, 상기 전기분해부(200)의 제1전극부(210) 및 제2전극부(220)사이에서 전기분해에 의한 산화반응 및 환원반응이 일어나 수소를 생성하는 과정에서 원수에 포함된 다양한 이물질 혹은 금속이온 등에 의해 제2전극부(220)에 스케일이 축적되는 것을 방지하여 전극의 내구성을 향상시키고자 하는 데 그 일차적인 특징을 가지고 있다.
이를 위해, 본 발명의 제1실시예에서는 전기분해부(200)의 제1전극부(210) 및 제2전극부(220) 외에 전해통(100) 내부의 유로(105)를 따라 배치되는 제3전극봉(310) 및 제3전극단자판(320)으로 구성된 EDLC형성전극부(300)를 구비하는 데 그 특징을 두고 있다.
상기 EDLC형성전극부(300)란 전기이중층 캐피시터(Electric Double Layer Capacitor, 이하 "EDLC"라 한다.) 원리를 이용한 전극부로써, 상기 EDLC는 이온 전도체인 전해질과 전기 전도체인 전극사이의 계면에 생기는 전기이중층에 전하를 축적시켜 에너지를 저장하는 장치(일명, 슈퍼캐패시터(Super capacitor)라 불림)인바, 활성탄소와 같이 전기 전도성이 좋으며 이온과 맞닿게 되는 비표면적(Specific Surface Area)이 매우 큰 다공성 물질을 양극과 음극의 소재로 사용하여 전기이중층 원리에 따라 축전되는 전하의 양을 극대화하는 것으로써, 높은 충방전 효율을 가지며 대전류의 신속한 충방전이 가능하고, 짧은 시간 동안에 큰 전기에너지를 충전하거나 방전하는 용도로 사용하는 데 적합한 것으로 알려져 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 EDLC의 원리를 이용하기 위하여 전기분해 과정에서 산화반응이 일어나는 제1전극부(210)와 환원반응이 일어나는 제2전극부(220) 외에 EDLC와 같이 이온의 흡착(충전) 및 탈착(방전) 원리를 이용한 방식으로 이온의 흡착 및 탈착을 수행하는 별도의 제3전극인 EDLC형성전극부(300)를 구비하는 것을 특징으로 두고 있는 것이다.
즉, 본 발명은 제2전극부(220)에 비해서 상대적으로 낮은 전위를 갖는 제3전극인 EDLC형성전극부(300)를 제2전극부(220)에 인접하게 일정 간격을 두고 배치함으로써, 원수의 전기분해 시 환원반응에 의해 제2전극부(220)에 축적되는 이온성 물질이나 스케일이 상대적으로 전위가 낮은 제3전극인 EDLC형성전극부(300)로 이동하여 흡착(충전)될 수 있도록 한 다음, 전기분해를 종료한 이후 순간적으로 역전위를 걸어서 EDLC형성전극부(300)에 축적된 이온성 물질이나 스케일을 탈착(방전)시켜 출수시킬 수 있도록 한 것이다.
이처럼, 본 발명은 제1전극부(210)와 제2전극부(220)에 의한 전기분해 시 발생하는 이온성 물질이나 스케일이 제2전극부(220)에 흡착되지 않고 제3전극인 EDLC형성전극부(300)쪽으로 이동하여 흡착(충전)되도록 하여 종래 기술의 문제점으로 제시되고 있는 이온성 물질이나 스케일이 제2전극부(220)에 흡착되는 것을 방지하여 제2전극부(220)의 내구성을 크게 향상시킴에 따라 결과적으로 전기분해부(200)의 내구성을 향상시킬 수 있도록 하고 있는 것이다.
이를 위해, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 EDLC형성전극부(300)는 전해통(100) 내부의 유로(105)를 따라 삽입되어 원수유입통(110)쪽에서부터 출수방향으로 직경이 점점 커지는 원뿔 형상의 제3전극봉(310)과, 이 제3전극봉(310)의 하단에 맞닿아 연결되어 외부 전원과 연결되는 다수의 미세유로홀(321)이 형성된 제3전극단자판(320)으로 구성되어 있다.
여기서, 상기 제3전극봉(310)은 전해통(100)의 중앙 유로(105)를 따라 삽입 배치되게 되는바, 제3전극봉(310)은 탄소나노튜브(CNT), 그래파이트, 스테인레스, 다공질성의 소결 티타늄이나, 티타늄 등에 백금족 10mg/㎠이하로 코팅이나 도금을 한 재질을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제3전극봉(310)은 원뿔 형상을 가지고 있는바, 이는 원수가 유입되어 출수되는 과정에서 제3전극봉(310)에 의해 전해통(100) 내부의 유로 단면적이 점차적으로 축소되도록 유도함으로써, 축소된 유로(105)를 따라 흐르는 유체는 유로 단면적 축소로 인해 압력은 낮아지고 유체의 속도는 증가하게 됨에 따라 일반적인 유체의 베르누이효과를 극대화 시킬 수 있도록 하고 있다.
이처럼, 유체의 흐름에 따른 베르누이효과를 극대화시키게 되면, 전기분해를 통해서 생성된 수소가 흐르는 유체 내에서 보다 많이 용존될 수 있는 조건을 부여하여 수소 용존율을 극대화 시키는데 도움을 줄 수 있게 된다.
상기 제3전극단자판(320)은 원판형 구조로 형성되어 제3전극봉(310)의 일단에 고정나사(330)를 통해 일체로 체결 조립됨으로써 EDLC형성전극부(300)를 구성하게 되는바, 제3전극단자판(320)의 원판형 구조 일측으로 외부 전원과 연결할 수 있는 제3전극연결단자(322)가 구비되고, 제3전극단자판(320)상에는 제3전극봉(310)이 체결된 주위로 다수의 미세유로홀(321)이 일정간격을 두고 형성되어 있다.
상기 미세유로홀(321)은 수소가 용존된 물이 출수되는 통로로써, 출수배출통(120)의 출수구(120a)와 연계되어 전해통(100) 외부로 수소수를 출수할 수 있도록 되어 있다.
이때, 상기 전해통(100)과 제3전극단자판(320)사이에는 원형 실링부재(112)가 삽입되어 밀폐력을 높여주고 있고, 제3전극단자판(320)과 출수배출통(120)사이에도 출수구(120a)외에 다른 곳으로 수소수가 유출되는 것을 방지하기 위한 유출 방지용 실링부재(113)가 삽입되어 있다.
이때, 이온성 물질이나 스케일의 흡착(충전) 혹은 축적을 위한 EDLC형성전극부(300)의 전극은 상기와 같은 원뿔 형상으로 한정하는 것은 아니며, 전해통(100)의 형상 변경에 따라 원통형 혹은 평판형 등과 같이 실시자의 필요에 따라 사용하고자 하는 다양한 형태로 응용될 수 있다.
그리고, 상기 제3전극봉(310)과 같은 전극의 재질은 다공성을 구비한 탄소봉(AC) 혹은 탄소나노튜브(CNT), 크래핀, 크래핀-옥사이드의 소결체, 그라파이트(graphite), 티타늄 파우더를 소결하여 표면에 10㎛ 이하의 두께로 백금족의 촉매를 코팅하여 만든 것들 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.
특히, 상기 EDLC형성전극부(300)의 전극의 재질 중 소결성 재질의 홀 크기(hole size)는 50㎛ 이내인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 EDLC형성전극부(300)에서 이온성 물질이나 스케일의 흡착 및 탈착에 따른 충방전 효과를 구현하기 위해서는 EDLC형성전극부(300)와 제2전극부(220) 사이의 전위차는 물이나 전해질이 전기분해가 이루어지지 않는 범위 내(실질적으로, 낮은 전위차가 존재할 경우에도 전하의 이동이 가능한 상태이기 때문에 완벽하게 전기분해가 일어나지 않는다고는 할 수 없는바, 이를 최소화하는 범위 개념을 포함하고 있는 것임)의 전위차(즉, 전압)를 인가하는 것이 바람직하다.
이처럼, 상기 제2전극부(220)와 EDLC형성전극부(300)사이에서는 전위차가 물이나 전해질의 해리를 일으키지 못해 전기분해가 일어나지 않은 범위를 갖도록 설정하는 것이 바람직한바, 특히, 상기 전극부들 간의 전위차는 전극 사이의 간격에 따라 전위차가 변화하고, 공급되는 원수의 다양한 특성이 있는바, 적절한 간격을 유지하는 것도 매우 중요한 설계요소 중 하나이다.
이렇게, 상기 제2전극부(220)와 EDLC형성전극부(300)사이에서는 물이나 전해질의 전기분해가 일어나지 않은 전위차(즉, 전압)를 걸어주는 것이 매우 중요한 이유는, 제2전극부(220)와 EDLC형성전극부(300)사이는 무격막 상태이고, 이와 같은 무격막 상태에서 제2전극부(220)와 EDLC형성전극부(300)에 걸어주는 전압에 의해 전기분해가 일어나면, 출수되는 물속에 인체에 해로운 물질이 포함될 위험성이 높기 때문이다.
예를 들어, 본 발명의 제1실시예에 따르면, 상기 전기분해부(200)의 제1전극부(210)와 제2전극부(220)에 전압을 걸어주어 전기분해가 일어날 때, 상대적으로 높은 전위를 갖게 되는 제1전극부(210)에서 산화반응이 일어나고, 제1전극부(210)에 비해 상대적으로 낮은 전위를 갖게 되는 제2전극부(220)에서 환원반응이 일어나면서 이온성 물질이나 스케일이 제2전극부(220)쪽으로 이동하여 흡착되어 축적되는 과정을 거치게 된다.
그런데, 본 발명에 따라 제2전극부(220)에 비해 상대적으로 낮은 전위를 갖는 EDLC형성전극부(300)가 제2전극부(220)에 인접한 위치에 배치됨으로써, 이온성 물질이나 스케일이 제2전극부(220)에 흡착되지 않고, 제2전극부(220)에 비해 상대적으로 더 낮은 전위를 갖고 있는 EDLC형성전극부(300)쪽으로 이동하여 제3전극봉(310)상에 이온의 흡착(충전) 과정이 일어나게 되는 것이다.
이때 만약, 상기 제2전극부(220)와 EDLC형성전극부(300)에 전기분해가 가능한 높은 전압을 걸어주어 원수 내에서 전기분해가 일어난다면, 상기 제2전극부(220)와 EDLC형성전극부(300) 사이에서는 무격막 방식에 의해 전기분해가 발생하게 되는 것이 되고, 이러한 전기분해를 통해서 제2전극부(220)에서의 산화반응에 의해 생성되는 물질이 전기화학적 반응을 일으켜 인체에 유해한 물질(예를 들어, 오존(O3), 잔류염소(Cl2) 등)이 물속에 그대로 용존될 수 있다. 따라서, 유해물질 제거를 위한 별도의 수단이 구비되지 않는다면, 수소수 음용시 발암 물질이나 독성 물질에 노출될 위험성을 내포하게 되는 문제점이 있기 때문에, 제2전극부(220)와 EDLC형성전극부(300) 사이에서는 전기분해가 발생하지 않거나 최소로 하는 전위차를 유지하는 것이 바람직하다 할 수 있다.
더욱이, 상기 제2전극부(220)와 EDLC형성전극부(300)사이에서 전기분해 없이 EDLC층이 형성될 수 있는 조건을 부여함으로써, 상기 제2전극부(220)에 흡착될 이온성 물질이나 스케일이 EDLC형성전극부(300)쪽으로 이동하여 제3전극봉(310)상에 이온의 흡착(충전) 과정이 일어나도록 설계하는 것이 바람직하다 할 것이다.
이처럼, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 제2전극부(220)와 EDLC형성전극부(300)사이에는 무격막 방식을 가지면서 충분한 간격을 두고 배치함과 동시에, 제2전극부(220)와 EDLC형성전극부(300)사이에서 전기분해가 발생하지 않을 정도의 전위차를 유지할 수 있는 전압을 인가하게 되는바, 이때, 통상적으로 물이나 전해질의 해리전압(예를 들어, 원수의 전도도에 따라 달라질 수 있으나 대략 2V 이하의 전압이다. 통상적으로 PH(산도) 0일 때 산화전위는 약 +1.229V, 환원전위는 0.0V, PH(산도) 14일 때 산화전위는 약 +0.401V, 환원전위는 약 -0.828V이다.) 이하를 인가하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 제1실시예에 따른 전기분해부(200)의 제1전극부(210)와 제2전극부(220)사이에 전기분해를 위한 전압을 걸어주는 방식 및 제2전극부(220)와 EDLC형성전극부(300)사이에서 EDLC층을 형성하기 위한 전압을 걸어주는 방식에 대해 개략적인 전압 및 시간 변화 그래프가 도 10에 도시되어 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제1전극부(210)쪽 전압을 V1, 제2전극부(220)쪽 전압을 V2, EDLC형성전극부(300)쪽 전압을 V3이라 할 때, 본 발명에서는 V1 ＞ V2 ＞ V3의 관계를 갖도록 설계된다.
여기서, 상기 전해통(100)에 원수를 유입시켜 전기분해부(200)에서 전기분해를 실시하기 전에 먼저 짧은 시간(T1) 동안 제2전극부(220)와 EDLC형성전극부(300) 사이에 낮은 전압(예를 들어, 대략 2V 이하의 원수나 기타 물질의 해리전압 이하)을 걸어주면, 상대적으로 전위가 낮은 EDLC형성전극부(300)쪽에서 이온성 물질이나 스케일이 흡착(즉, 충전)될 수 있는 EDLC층이 형성되도록 유도된다. 이때, 상기 제1전극부(210)는 단락(오픈 상태) 상태로 전원이 공급되지 않는 상태이다.
이렇게 전기분해하기 전 EDLC층 형성을 위해서 먼저 제2전극부(220)와 EDLC형성전극부(300) 사이에 낮은 전위차(즉, 전압)를 걸어주는 시간(T1)은 원수와 전기분해 장치의 특성을 고려하여 얼마든지 조절할 수 있다.
그리고, 전기분해하기 전 EDLC형성전극부(300)쪽에 EDLC층을 형성하는 이유는, 상기 전해통(100)으로 유입된 원수 내에 포함된 미네랄이나 기타 이온성 물질이 EDLC형성전극부(300)쪽으로 이동하여 전기분해 과정에서 일어나는 전기화학적 반응에 관여하거나 영향을 받는 것을 최소화하기 위함이다.
이렇게 제2전극부(220)와 EDLC형성전극부(300) 사이에 EDLC층 형성하기 위한 전압을 걸어주어 짧은 시간(T1) 동안 원수 내 미네랄이나 기타 이온성 물질이 EDLC형성전극부(300)쪽으로 배열 흡착되도록 한 다음, 전기분해부(200)의 제1전극부(210)에는 제2전극부(220)에 비해 상대적으로 높은 전압을 걸어 줌으로써, 상대적으로 긴 진행시간(T2) 동안 전기분해가 일어나 수소를 생성하고, 이 수소가 전해통(100) 내 원수에 용존되어 수소수로 출수 될 수 있도록 제어하게 된다.
물론, 이때에도 제2전극부(220)와 EDLC형성전극부(300) 사이에는 상대적으로 낮은 전압이 걸려 있어 EDLC형성전극부(300)쪽에 EDLC층이 지속적으로 형성됨으로써, 상기 전기분해 과정에서 제2전극부(220)쪽으로 이동 배열하게 되는 이온성 물질이나 스케일이 제2전극부(220)쪽에 그대로 흡착되는 것이 아니라 좀 더 낮은 전위를 갖고 있는 EDLC형성전극부(300)쪽의 EDLC층으로 자연스럽게 이동하여 흡착되게 되는 것이다.
그런 다음, 상기 전기분해부(200)에서 전기분해가 끝나면, 곧바로 짧은 역전위 시간(T3) 동안 스위칭 변경을 통해 제2전극부(220)와 EDLC형성전극부(300) 사이에 역전위를 걸어주어 EDLC형성전극부(300)의 EDLC층이 형성된 제3전극봉(310)에 흡착되어 축적된 이온성 물질을 탈착(방전)시켜 최종적으로 원수 속으로 제거하는 과정을 거치는 것이 바람직하다.
이때, 상기 제2전극부(220)와 EDLC형성전극부(300) 사이에 역전위가 걸려 제3전극봉(310)에 흡착되어 축적된 이온성 물질을 탈착(방전)되는 동안 제1전극부(210)은 단락되어 오픈 상태를 유지하게 된다.
물론, 상기 제2전극부(220)와 EDLC형성전극부(300) 사이에 역전위를 걸어주지 않더라도 제2전극부(220)에는 이온성 물질이나 스케일이 흡착되지 않기 때문에 전기분해부(200)의 내구성이 크게 향상됨은 당연하다.
특히, 종래 기술에서도 언급한 바와 같이 전기분해 시 전극 상에 흡착된 이온성 물질이나 스케일을 제거하기 위해서 역전위를 주는 것이 보편적이나, 일부 이온교환막에 촉매층과 전극층을 함께 함침하는 경우, 전기분해 장치의 음극 쪽에는 탄소층을 가스확산층 및 친수성 소재로 사용하게 된다. 이때, 역전위를 인가했을 경우 탄소층의 산화현상이 가중되어 전극의 저항값이 상승하게 되고, 이로 인하여 전기분해의 효율이 급격히 떨어지는 현상이 있다.
그러므로, 이러한 경우 전기분해 후 동일 전극에 역전위를 인가할 수 없으므로, 본 발명에서는 제2전극부(220)에 비해서 상대적으로 낮은 전위를 갖는 EDLC형성전극부(300)를 이용하여 EDLC층을 유도함으로써, EDLC층이 유도된 EDLC형성전극부(300)의 전극에 역전위를 인가하므로서 전기분해부(200)에서는 역전위를 인가할 필요가 없어 전기분해를 위한 촉매층의 보호 및 손상을 줄일 수 있는 장점을 갖는다.
특히, 본 발명의 제1실시예에 따르면, 상기 제3전극봉(310)에 의한 출수 방향으로 유로 단면적을 점차적으로 축소시켜 베르누이효과를 극대화시키는 방안을 제시함으로써, 상기 전해통(100) 내부의 유로(105)를 따라 흐르는 원수 내에 수소 용존율을 극대화시킬 수 있는 장점도 갖는다.
이와 더불어, 후술하는 스크류부재(140)를 통해서 원수가 스크류부재(140)에 형성된 나선방향의 유로(105)를 따라 회전하면서 흐르도록 유도함으로써, 원수가 전기분해부(200) 주변으로 회전하면서 흘러 내려가기 때문에 원수와 전기분해부(200)의 접촉시간을 최대한 늘릴 수 있고 빠른 속도로 회전하면서 압력을 받아 유출됨으로서 전기분해로 생성된 수소 기체가 마이크로-나노화(즉, 수소의 버블화)되어 원수와 접촉하는 기포의 표면적이 늘어나면서 수소의 물에 대한 용존량을 극대화 시킬 수 있는 방안을 채택하고 있다.
즉, 본 발명의 제1실시예에 따르면, 상기 전해통(100)의 유로(105)를 따라 흐르는 원수 내에 전기분해로 통해 생성된 수소가 보다 많이 용존될 수 있는 조건을 구현할 수 있는 유로구조를 제공하는 데 그 특징을 두고 있다.
도 3 및 도 4(A)(B)에 도시된 바와 같이, 상기 전해통(100)의 내부에는 유입되는 원수를 회전시키면서 유속을 점차적으로 빠르게 유도할 수 있게 가압하는 유로(105)를 제공하는 별도의 스크류부재(140)가 삽입 조립되는 것을 특징으로 한다.
상기 스크류부재(140)는 나선형 스크류를 구비하여 이 나선형 스크류를 따라 나선형 유로(105)가 형성되고, 이 스크류부재(140)의 내부에는 원뿔 형상의 제3전극봉(310)이 삽입되어 유로 단면적을 출수 방향으로 점차적으로 축소시키는 유로 구조를 제공하고 있는 것이다.
이때, 상기 스크류부재(140)에 의해 형성되는 나선형 유로(105)는 원수의 출수 방향으로 나선형 유로의 피치수가 단위 길이당 점점 증가(즉, 피치 간격이 점점 짧아지는 구조)하도록 함으로써, 원뿔 형태의 제3전극봉(310) 구조로 인하여 나선형의 스크류에 흐르는 유체의 수직인 방향으로 단면적이 작아지는 것을 특징으로 한다.
한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 스크류부재(140)를 별도로 제작하여 전해통(100) 내부에 삽입 조립하는 방식 외에도, 전해통(100) 내주면에 스크류(104)를 일체로 형성하여 나선형 유로(105) 구조를 제공할 수 있는바, 이와 같이 전해통(100) 내주면에 스크류(104)를 일체로 형성하는 구조도 스크류부재(140)를 삽입하는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
다만, 이와 같이 전해통(100)의 내주면에 스크류(104)를 일체로 형성하면서 스크류(104)의 피치 간격을 균일하게 형성하는 방식은 용이하게 구현할 수 있으나, 스크류(104)의 피치 간격을 점점 짧아지게 구성하는 것은 금형 제조상 다소 복잡하고 정밀성을 요구하는 측면이 있어 가공상의 어려운 점이 있다.
그러나, 상기 스크류(104)의 피치 간격을 점점 짧아지게 구성하는 것 역시 현재의 금형 기술로 구현하는 데 있어서 충분히 실현 가능하다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 제1실시예에 따른 수소수 제조장치(10)는 카트리지 타입으로 제작되어 있는 관계로, 도 9에 개략적으로 도시되어 있는 정수기 등에 장착하여 수소수를 음용할 수 있도록 할 수 있다.
즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 수소수 제조장치(10)가 장착되는 통상의 정수기는 원수공급부(20)를 통해 원수를 저장 혹은 공급받아 필터부(30)로 보내 정수 과정을 거치고, 이렇게 정수된 원수가 수소수 제조장치(10) 내로 공급됨에 따라 전술한 바와 같은 전기분해 과정을 통해서 수소가 생성된 후 이 수소가 출수되는 원수 내 용존됨으로써, 출수제어부(60)의 온/오프 제어를 통해서 출수부(61)를 거쳐 배출됨에 따라 이를 음용할 수 있게 되는 것이다.
이때, 상기 수소수 제조장치(10)에 전원 공급 제어를 하거나 수소수 제조장치(10) 내의 압력 상태를 제어하기 위하여 전원제어부(40) 및 압력제어부(50)를 각각 별도로 마련하는 것은 보편적인 기술인 바, 이러한 전원공급 제어 및 압력 제어를 정수기 내에 갖추는 것은 실시자의 필요에 따라 선택할 수 있는 주지의 기술이라 할 수 있다.
또한, 원수를 이동 공급하는 유로 상에서 원수가 일 방향으로 흐르도록 제어하는 체크밸브(21,31)를 구비하는 것 역시 매우 보편적인 기술임은 당연하다.
한편, 도 11 내지 도 16에는 본 발명의 제2실시예에 따른 텀블러형 수소수 제조장치에 대한 구성이 도시되어 있다.
즉, 도 11 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따르면, 상기 제1실시예에 따른 카트리지 타입의 수소수 제조장치(10)에 적용되고 있는 EDLC형성전극부(300)와 관련된 기술을 텀블러와 같은 물을 담아 음용할 수 있는 휴대용 물품이나 가정 및 업소용 소형 제품에 적용함으로써, 휴대 및 이동이 용이한 텀블러 형 제품을 통해 언제든지 수소수를 음용할 수 있도록 할 수도 있다.
도 11 내지 도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 텀블러형 수소수 제조장치(400)는, 기존의 텀블러형 제품에 전기분해를 할 수 있는 전기분해부(420)를 부착하여 수소를 생성하여 물에 용존시킴으로써 수소수를 음용할 수 있도록 한 것이다.
이를 위해, 텀블러형 수소수 제조장치(400)는 크게 물을 담아 음용할 수 있는 몸통부(410)와, 상기 몸통부(410)에 담긴 물을 전기분해하여 수소를 생성한 후 이렇게 생성된 수소를 물 속에 용존시켜 수소수를 제조할 수 있는 전기분해부(420)를 갖추고 있다.
여기서, 상기 물통부(410)는 통상의 텀블러 등에서 보여주는 바와 같이 원통형 구조를 가지고 있고, 이 물통부(410)의 저면에 전기분해부(420)를 탈부착할 수 있도록 되어 있으며, 전기분해부(420)로 물이 접촉할 수 있게 저면에 관통된 구조를 가지고 있다.
물론, 상기 몸통부(410)의 형상은 원통형으로 한정되는 것은 아니며, 물을 담아 음용할 수 있는 다양한 형상 구조를 변형 가능함은 물론이다.
즉, 도 11 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 물통부(410)는 저면에 다수의 물통체결부(412)를 갖춘 조립플랜지면(411)이 개구된 바닥면의 가장자리면을 따라 형성되어 있다.
상기 조립플랜지면(411)은 물통부(410)와 전기분해부(420)가 서로 연통될 수 있는 통로 역할을 함과 동시에 물통부(410)에 전기분해부(420)를 밀착되게 연결 조립할 수 있는 연결부위를 제공하는 역할을 하게 된다.
상기 전기분해부(420)는 물통부(410)에 수용된 물에 대해서 전원을 공급받아 전기분해를 이용하여 수소를 생성하는 부위로써, 상기 물통부(410)의 하부에 배치되어 이온교환막(440)을 중심으로 상하로 설치되어 전기분해에 필요한 전압을 걸어주기 위해 서로 다른 극성을 갖는 제1전극부(430)와 제2전극부(450)를 갖추고 있다.
즉, 도 12 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 전기분해부(420)는, 크게 제1하우징(421), 제2하우징(422), 제1전극부(430), 이온교환막(440), 제2전극부(450), EDLC형성전극부(460)를 포함하는 구성을 갖고 있다.
여기서, 상기 제1하우징(421)과 제2하우징(422)를 전기분해에 필요한 전극부를 지지 보호하는 케이스로써, 전기분해부(420)의 외관을 형성하게 된다.
상기 제2하우징(422)은 물통부(410)의 조립플랜지면(411)에 맞물리는 원통형의 조립몸통부(423)를 갖추고, 이 조립몸통부(423)를 따라 물통체결부(412)와 맞물려 체결되는 체결보스부(425)를 갖추고 있다.
따라서, 상기 제2하우징(422)은 물통부(410)의 물통체결부(412)와 체결보스부(425)가 서로 대향되게 맞물리고, 여기에 나사와 같은 체결구(도시 안됨)를 통해서 서로 체결 조립되게 된다.
이때, 상기 제2하우징(422)의 조립몸통부(423) 상단 테두리면과 물통부(410)의 조립플랜지면(423) 사이에는 기밀을 유지하기 위한 오링(O링) 형태의 실링부재(426)가 삽입되어 밀폐력을 높일 수 있도록 되어 있다.
그리고, 상기 조립몸통부(423)의 내주면 상에는 플랜지 형태로 돌출된 플랜지부(423a)가 형성되어 있는 바, 상기 플랜지부(423a)의 상단면에는 후술하는 EDLC형성전극부(460)의 제3전극판(461)이 안착 조립되고, 상기 플랜지부(423a)의 저면쪽에는 전기분해에 필요한 제2전극부(450), 이온교환막(440), 제1전극부(430)가 위에서부터 아래로 순차적으로 배치 조립되게 된다.
특히, 상기 플랜지부(423a)의 상단면에 안착 조립되는 EDLC형성전극부(460)의 제3전극판(461)과, 플랜지부(423a)의 저면쪽에 배치되는 제2전극부(450)는 플랜지부(423a)의 두께(혹은 상하폭)만큼 일정 간격을 두고 이격 배치되는바, 상기 플랜지부(423a)의 두께는 EDLC형성전극부(460)와 제2전극부(450) 사이에 필요로 하는 간격(이 간격은 상하로 배치된 양 전극부의 전위차에 영향을 미친다)이 어떻게 설정되느냐에 따라 그 설계사양이 결정되게 됨은 물론이다.
상기 제1하우징(421)은 제2하우징(422)의 저면에 동일 직경을 갖고 대향되게 맞물려 체결공(424)을 통해 서로 체결 조립되고, 제1하우징(421)의 바닥면이 텀블러형 수소수 제조장치(400)의 바닥면으로 형성된다.
이때, 상기 제1하우징(421)의 내주면에는 단차진 안착면(421b)이 형성되고, 이 안착면(421b)에 제1전극부(430)가 밀착되게 안착 조립되게 된다.
그리고, 상기 제1하우징(421)의 안착면(421b)의 일측에는 제1전극부(430)에서 산화반응으로 생성되는 산소와 같은 가스나 유출 물질이 빠져나갈 수 있는 가스배출공(421a)이 형성되게 된다.
상기 제1전극부(430), 이온교환막(440), 제2전극부(450)는 전기분해를 위해 필요한 구성요소들로써, 제1실시예에 따른 전기분해부(200)에서 설명하고 있는 제1전극부(210), 이온교환막(430), 제2전극부(420)의 구성적 특징과 유사 혹은 동일한 특성을 가지고 있다.
다만, 전기분해를 위한 제1전극부(430), 이온교환막(440), 제2전극부(450)는 그 구체적인 실시예가 매우 다양하게 변형될 수 있는바, 본 발명의 바람직한 제2실시예에서는 텀블러형 수소수 제조장치(400)에 적용하기 위하여 부득이 평판형 전극부로 구성하고 있는 관계로, 제1실시예에 나타난 원통형을 갖는 제1전극부(210), 이온교환막(230), 제2전극부(220)와 형상적으로 다소 차이가 있을 뿐 그 배치관계 및 작용관계은 동일하다 할 수 있다.
즉, 상기 제2전극부(450)는 전술한 바와 같이 제1하우징과 제2하우징 사이에 안착 배치되어 전기분해 과정에서 환원반응이 일어나는 부위이다.
도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 제2전극부(450)는 홀의 직경이 평균 300㎛이하의 다공성을 갖는 두께 1㎜이하를 갖는 소결성 티타늄 전극판(451)과, 박판 형태의 카본 소재로 제조된 카본 전극판(452)과, 일측에 전원과 연결을 위한 제2전극연결단자(454a)를 구비하고 백금족이나 이에 부합하는 전극층을 10㎎/㎠이하로 코팅이나 도금한 도우넛 형태의 제2전극판(454)을 순차적으로 적층 배치하여 사용하고 있다.
이때, 상기 제2전극판(454)의 상면에는 물의 리크(leak)를 방지하는 두께 1㎜이하를 가지면서 제2전극판(454)과 동일한 직경 및 폭을 갖는 도우넛 형태의 제2전극실링판(453)을 배치함으로써, 제2전극부(450)의 지지 및 밀폐를 담당하도록 하고 있다.
그리고, 상기 이온교환막(440)은 이온 교환체가 막 모양으로 형성된 것으로 양이온 또는 음이온 중 한쪽만을 통과시키는 막으로써, 이 이온교환막(440)은 고분자막으로 이루어져, 전극층 영역의 고분자막 위에 백금족과 산화니켈 및 산화그래핀이나 카본블랙의 혼합 분산체를 활성 촉매층으로 코팅 및 함침시킨 촉매코팅막(441)을 갖추고 있고, 가장자리 부위를 막지지실링판(442)으로 지지 고정하는 구조를 갖고 있다.
상기 제1전극부(430)는 이온교환막(440)을 중심으로 제2전극부(450)과 상하로 긴밀하게 인접 배치되어 전기분해 과정에서 산화반응이 일어나는 부위로써, 일측에 전원과 연결을 위한 제1전극연결단자(431a)를 구비하고 다수의 홀(431b)이 직경이 1㎜이하의 다공성을 갖으면서 두께 1㎜이하를 갖는 원판형 제1전극판(431)과 다공질성 소결티타늄 전극판(433)이 상하로 적층 배치되는 구조를 갖고 있다.
상기 다공질성 소결티타늄 전극판(433)은 제1전극부(430)를 구성하는 것으로써, 50㎛이하의 다공성을 갖는 두께 1mm이하의 소결티타늄 전극판이 사용되는 바, 소결티타늄 전극판의 표면 및 내주면 모두 백금족이나 산화니켈 및 산화그래핀의 혼합된 촉매 분산체를 활성층으로 하는 촉매층으로 10mg/㎠이하로 코팅하거나 도금한 소결티타늄 전극판을 사용할 수도 있다.
이때, 상기 제1전극부(430)의 가장자리 부위에는, 제2전극부(450)와 마찬가지로, 도면에 도시된 바와 같은 제1전극실링판(432)이 밀폐 및 지지를 위해서 배치된다.
이처럼, 상기 전기분해부(420)에서 두 개의 제1,2전극부(430,450), 이온교환막(440)은 실링판들에 의해 밀폐 지지된 상태에서 서로 공극없이 긴밀하게 접하도록 배치되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 EDLC형성전극부(460)는, 제1실시예에 따른 EDLC형성전극부(300)와 마찬가지로, 전기이중층 캐피시터(Electric Double Layer Capacitor,EDLC) 원리를 이용한 전극부로써, 물의 전기분해 시 환원반응에 의해 제2전극부(450)에 축적되는 이온성 물질이나 스케일이 상대적으로 전위가 낮은 제3전극인 EDLC형성전극부(460)로 이동하여 축적될 수 있도록 EDLC층이 형성될 수 있는 간격 및 전위차를 갖게 설계 배치되는 것이다.
이를 위해, 상기 EDLC형성전극부(460)는 제2하우징(422)의 플랜지부(423a)를 따라 제2전극부(450)와 일정 간격을 두고 안착 배치됨으로써, 제2전극부(450)와의 사이에서 전기분해가 일어나지 않는 범위 내로 제2전극부(450)에 비해 상대적으로 낮은 전위를 걸어주도록 설계되어 있다.
여기서, 본 발명의 제2실시예에 따른 EDLC형성전극부(460)는, 판상구조를 가지면서 다수의 홀(461a)이 형성됨과 아울러 일측에 연결단자고정부(463)를 갖춘 제3전극판(461)과, 상기 제3전극판(461)의 연결단자고정부(463)에 착탈 가능하게 조립되고 제2하우징(422)의 조립몸통부(423)를 관통하여 전원과 연결될 수 있게 조립되는 제3전극연결단자(462)로 구성되어 있다.
이때, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제3전극판(461)은 사용자에 의해 자유스럽게 물통부(410) 내부에서 착탈 가능하도록 하기 위해서 도면에 도시된 바와 같이 판상 구조를 가지고 제2하우징(422)의 플랜지부(423a) 상단면에 안착 배치되어 있다.
특히, 상기 제3전극판(461)의 일측에 형성된 연결단자고정부(463)를 통해서 제3전극연결단자(462)와 분리 가능하게 체결되는 구조를 가지고 있는 관계로, 연결단자고정부(463)와 제3전극연결단자(462)의 체결 상태를 해제하면, 제3전극판(461)은 물통부(410) 내에서 손쉽게 분리할 수 있다.
이처럼, 상기 제3전극판(461)이 물통부(410)내에서 탈부착이 용이하게 되면, 수소수 생성을 위해 장시간 전기분해 과정을 거치면서 제3전극판(461)이 스케일이 축적된 경우, 텀블러형 수소수 제조장치(400)에서 제3전극판(461)을 분리하여 스케일을 깨끗하게 세척한 후 재사용할 수 있는 장점을 갖게 된다.
물론, 제1실시예의 EDLC형성전극부(300)에서와 마찬가지로, 제2실시예에 따른 EDLC형성전극부(460)에서도 제2전극부(450)와의 사이에서 전기분해 이후 역전위를 걸어주어 EDLC형성전극부(460)의 제3전극판(461)상에 이온성 물질이나 스케일이 축적되는 것을 미리미리 방지할 수도 있음은 당연하다.
이상에서 설명하고 있는 본 발명의 제2실시예에 따른 텀블러형 수소수 제조장치(400)는, 별도의 전원공급이 가능한 장비에 연결하여 사용하게 되고, 경우에 따라서는 사용자가 휴대하고 다니면서 쉽게 수소수를 음용할 수 있도록 할 수 있다.
즉, 텀블러 수소수 제조장치(400)는 휴대 및 이동이 용이하다는 장점이 있고, 가정, 사무실, 음식점 등에서 쉽게 구비하여 사용할 수 있다.
특히, 본 발명의 제2실시예에 따른 텀블러형 수소수 제조장치(400)를 이용하여 수소수를 생성한 다음, 음용하기 위해서는 사전에 전원 공급이 가능한 장비를 통해서 텀블러형 수소수 제조장치(400)의 제1,2,3전극연결단자(431a,454a,462)와 전원을 연결하여 기설정된 전위차(즉, 전압)를 걸어주어 물통부(410)에 수용된 물에 대해서 전기분해를 실시하여 수소를 생성하고, 이렇게 생성된 수소가 물속에 용존되도록 함으로써 수소수를 생성하여 음용 가능하게 됨은 당연하다 할 것이다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개략적으로 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.
10 : 수소수 제조장치 20 : 원수공급부
21,31 : 체크밸브 30 : 필터부
40 : 전원제어부 50 : 압력제어부
60 : 출수제어부 61 : 출수부
100 : 전해통 101, 102 : 나사체결부
103 : 유로공 104 : 스크류
105 : 유로 111, 112, 113 : 실링부재
110 : 원수유입통 110a : 원수유입구
120 : 출수배출통 120a : 출수구
121 : 연결단자노출공 130 : 지지커플링
131 : 배출관 132 : 나사조임부
140 : 스크류부재 200 : 전기분해부
210 : 제1전극부 211 : 제1전극판
212 : 제1전극연결단자 213 : 소결티타늄 전극판
214 : 제3실링판 215 : 제4실링판
220 : 제2전극부 221 : 제2전극판
222 : 제2전극연결단자 223 : 제1실링판
224 : 제2실링판 230 : 이온교환막
231 : 촉매 전극층 232 : 보조실링판
300 : EDLC형성전극부 310 : 제3전극봉
320 : 제3전극단자판 321 : 미세유로홀
322 : 제3전극연결단자 330 : 고정나사
400 : 텀블러형 수소수 제조장치 410 : 물통부
411 : 조립플랜지면 412 : 물통체결부
420 : 전기분해부 421 : 제1하우징
421a : 가스배출공 421b : 안착요홈면
422 : 제2하우징 423 : 조립몸통부
423a : 플랜지부 424 : 체결공
425 : 체결보스부 430 : 제1전극부
431 : 제1전극판 431a : 제1전극연결단자
432 : 제1전극실링판 433 : 소결티타늄 전극판
440 : 이온교환막 441 : 촉매코팅막
442 : 막지지실링판 450 : 제2전극부
451 : 소결티타늄 전극판 452 : 카본 전극판
453 : 제2전극실링판 454 : 제2전극판
454a : 제2전극연결단자 460 : EDLC형성전극부
461 : 제3전극판 462 : 제3전극연결단자
463 : 연결단자고정부

Claims (7)

  1. 원수가 유입되어 전기분해를 통해서 생성된 수소를 용존시켜 수소수로 출수할 수 있는 유로를 갖춘 전해통(100)과,
    상기 전해통(100) 내로 유입되는 원수를 전기분해하여 수소를 생성할 수 있도록 이온교환막(230)을 중심으로 산화반응이 일어나는 제1전극부(210)와 이 제1전극부(210)과 다른 극성을 갖으면서 환원반응이 일어나는 제2전극부(220)를 포함하는 전기분해부(200)와,
    상기 전해통(100)내에서 전기분해부(200)의 제2전극부(220)와 일정 간격을 두고 배치되어 제2전극부(220)와의 사이에서 전기분해가 일어나지 않는 범위 내로 제2전극부(220)에 비해 상대적으로 낮은 전위를 걸어주는 EDLC형성전극부(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소수 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전해통(100)은 내부가 중공된 원통형 구조를 가지면서 그 양단에 각각 원수유입통(110)과 출수배출통(120)이 체결 조립되고, 상기 원수유입통(110)과 출수배출통(120)사이의 전해통(100) 외주면상에는 다수의 유로공(103)이 형성되며, 이 다수의 유로공(103)을 감싸고 전기분해부(200)가 내측부터 제2전극부(220), 이온교환막(230), 제1전극부(210)순으로 하여 원통형 구조로 조립 배치되며, 상기 전해통(100)의 최외곽면쪽에는 배출관(131)이 외주면에 돌출 형성된 지지커플링(130)이 전기분해부(200) 전체를 감싸고 조립 체결되고, 상기 EDLC형성전극부(300)는 전해통(100) 내부의 유로(105)를 따라 삽입되는 제3전극봉(310)과, 이 제3전극봉(310)의 하단면에 일체로 체결되면서 전원과 연결되는 제3전극연결단자(322) 및 다수의 미세유로홀(321)이 형성된 제3전극단자판(320)으로 구성되고, 상기 제3전극단자판(320)이 출수배출통(120)의 출수구(120a)와 맞닿은 상태로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 수소수 제조장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전해통(100)의 내부에는 유입되는 원수를 회전시키면서 유속을 점차적으로 빠르게 유도할 수 있게 가압하는 유로(105)를 제공하는 별도의 스크류부재(140)가 삽입 조립되고, 상기 스크류부재(140)의 내부에는 원수유입통(110)쪽에서부터 출수방향으로 직경이 점점 커지는 원뿔 형상의 제3전극봉(310)이 삽입됨과 아울러 제3전극단자판(320)이 스크류부재(140)의 일단면에 접촉 배치되며, 이 제3전극단자판(320)의 제3전극연결단자(322)가 출수배출통(120) 외주면을 관통하여 외부로 노출되게 배치되는 것을 특징으로 하는 수소수 제조장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전해통(100)의 내주면에는 회전하는 유로(105)를 형성하는 스크류(104)가 일체로 형성되고, 상기 스크류(104)를 따라 그 내부에 원수유입통(110)쪽에서부터 출수방향으로 직경이 점점 커지는 원뿔 형상의 제3전극봉(310)이 삽입됨과 아울러 제3전극단자판(320)이 전해통(100)의 일단면과 접촉한 상태에서 이 제3전극단자판(320)의 제3전극연결단자(322)가 출수배출통(120) 외주면을 관통하여 외부로 노출되게 배치되는 것을 특징으로 하는 수소수 제조장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 스크류부재(140)에 의한 유로(105)와, 전해통(100) 내주면에 형성된 스크류(104)에 의한 유로(105)는 나선형으로 형성됨과 동시에, 물의 출수 방향으로 나선형 유로(105)의 피치 간격이 점점 짧아지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수소수 제조장치.
  6. 물을 담는 공간을 제공하면서 저면에 다수의 물통체결부(412)를 갖춘 조립플랜지면(411)이 개구된 바닥면의 가장자리면을 따라 형성된 물통부(410)와,
    상기 물통부(410)의 조립플랜지면(411)에 맞물리는 조립몸통부(423)를 갖추고 이 조립몸통부(423)를 따라 물통체결부(412)와 맞물려 체결되는 체결보스부(425)를 갖춘 제2하우징(422), 이 제2하우징(422)에 대향되게 맞물려 체결 조립되면서 안착면(421b)이 형성됨과 아울러 이 안착면(421b) 일측에 가스배출공(421a)이 마련된 제1하우징(421), 상기 제1하우징(421)의 안착면(421b)과 제2하우징(422)의 조립몸통부(423) 내주면에 돌출 형성된 플랜지부(423a)사이에 배치되어 물을 전기분해하여 수소를 생성할 수 있도록 중앙의 이온교환막(440)을 중심으로 산화반응이 일어나는 제1전극연결단자(431a)를 갖춘 제1전극부(430)와 이 제1전극부(430)과 다른 극성을 갖으면서 환원반응이 일어나는 제2전극연결단자(454a)를 갖춘 제2전극부(450)를 포함하는 전기분해부(420)와,
    상기 제2하우징(422)의 플랜지부(423a)를 따라 제2전극부(450)와 일정 간격을 두고 안착 배치되어 제2전극부(450)와의 사이에서 전기분해가 일어나지 않는 범위 내로 제2전극부(450)에 비해 상대적으로 낮은 전위를 걸어주는 제3전극연결단자(462)를 갖춘 EDLC형성전극부(460)를 더 포함하는 구성을 갖춘 텀블러 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 수소수 제조장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 EDLC형성전극부(460)는 판상구조를 가지면서 다수의 홀(461a)이 형성됨과 아울러 일측에 연결단자고정부(463)를 갖춘 제3전극판(461)과, 상기 제3전극판(461)의 연결단자고정부(463)에 착탈 가능하게 조립되고 제2하우징(422)의 조립몸통부(423)를 관통하여 전원과 연결될 수 있게 조립되는 제3전극연결단자(462)로 이루어진 것을 특징으로 하는 수소수 제조장치.
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