KR20180117418A - 멤브레인 전극 어셈블리 및 이를 이용한 수소수 제조 장치 - Google Patents

멤브레인 전극 어셈블리 및 이를 이용한 수소수 제조 장치 Download PDF

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Abstract

본 개시에 따른 멤브레인 전극 어셈블리는 양극 전극, 양극 전극과 접하는 제1 면 및 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 이온 교환 멤브레인, 이온 교환 멤브레인의 제2 면에 접하고, 양극 전극과 이온 교환 멤브레인이 밀착되도록 이온 교환 멤브레인을 지지하는 지지체, 이온 교환 멤브레인과의 사이에 지지체를 두고, 이온 교환 멤브레인의 제2 면에 비접촉적으로 대향하는 음극 전극을 포함하고, 지지체는 이온 교환 멤브레인의 제2 면의 일부와 음극 전극 사이에 이격 공간을 제공하는 개방부를 포함하도록 성형된다.

Description

멤브레인 전극 어셈블리 및 이를 이용한 수소수 제조 장치{MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY AND HYDROGEN ENRICHED WATER PRODUCING APPARATUS USING SAME}
본 발명의 기술적 사상은 멤브레인 전극 어셈블리 및 이를 이용한 소수 제조 장치에 관한 것이다.
물에 용해된 수소 분자는 강력한 환원력을 가지고 있어서 물 속의 활성 산소를 제거할 수 있는데, 이러한 메카니즘은 물 분자만 생성할 뿐이어서 다른 부산물이 생성되지 않는다. 한편, 세포 내에서 대사 과정 중에 생기는 활성 산소가 단백질이나 유전자의 변성을 초래하고 노화에 기여한다는 점도 널리 알려져 있는데, 만약 수소 분자가 풍부하게 용해된 물, 즉 수소풍부수 내지 수소수를 이용하여 세포 내에 활성 산소를 제거할 수 있다면 세포를 좀더 오래 건강하게 유지할 수 있을 것이다. 학계에서는 물에 다량 용해된 수소 분자가 세포 내에서 항산화 작용, 항염증 작용, 알레르기 감소, 대사 촉진 등의 효과를 보인다는 연구가 다양하게 보고되고 있다.
일반적으로 실온에서 용존 수소 농도는 이론적으로 최대 약 1.6 ppm 정도까지 이를 수 있지만, 아무런 수소 강화 처리를 하지 않은 보통의 수돗물이나 생수에서는 0.1 ppm 이하의 농도를 보인다. 이렇듯 자연적으로는 담수나 수돗물 속의 용존 수소 농도가 매우 낮기 때문에 용존 수소 농도를 인위적으로 강화하여 수소수를 제조하기 위해 여러 방법이 이용되고 있다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하려는 과제는 수소 발생 성능 및 효율을 향상시킬 수 있는 멤브레인 전극 어셈블리 및 이를 이용한 수소수 제조 장치를 제공하는 데에 있다.
본 개시의 기술적 사상에 따른 멤브레인 전극 어셈블리는 양극 전극, 상기 양극 전극과 접하는 제1 면 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 이온 교환 멤브레인, 상기 이온 교환 멤브레인의 상기 제2 면에 접하고, 상기 양극 전극과 상기 이온 교환 멤브레인이 밀착되도록 상기 이온 교환 멤브레인을 지지하는 지지체, 및 상기 이온 교환 멤브레인과의 사이에 상기 지지체를 두고, 상기 이온 교환 멤브레인의 상기 제2 면에 비접촉적으로 대향하는 음극 전극을 포함하고, 상기 지지체는, 상기 이온 교환 멤브레인의 상기 제2 면의 일부와 상기 음극 전극 사이에 이격 공간을 제공하는 개방부를 포함하도록 성형된다.
일 실시예에서, 상기 멤브레인 전극 어셈블리는 상기 지지체와 상기 음극 전극 사이에 배치되어, 제1 간격을 제공하는 갭퍼(gapper)를 더 포함하고, 상기 음극 전극은 상기 지지체로부터 상기 제1 간격만큼 이격될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 지지체의 두께 또는 상기 제1 간격은 1 cm 이내일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 지지체의 두께 또는 상기 제1 간격은, 상기 이온 교환 멤브레인이 이온을 전달할 수 있는 전기 화학적 상태인 동안에도, 상기 이온 교환 멤브레인과 상기 음극 전극의 사이에 이격 공간이 확보되도록 결정될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 이온 교환 멤브레인이 상기 이온을 전달하지 못하는 전기 화학적 상태인 동안에, 상기 이온 교환 멤브레인의 상기 제2 면 중에서 상기 이격 공간을 사이에 두고 상기 음극 전극과 비접촉적으로 대향하는 제1 면적은, 상기 이온 교환 멤브레인의 상기 제2 면 중에서 상기 지지체에 직접 접촉하는 제2 면적에 비해 클 수 있다.
일 실시예에서, 상기 갭퍼는, 물이 유입되는 입수구 및 상기 물이 배출되는 출수구를 포함하고, 상기 입수구를 통해 유입된 물은 상기 이격 공간으로 흐를 수 있다. 일 실시예에서, 상기 지지체는, 물이 유입되는 입수구 및 상기 물이 배출되는 출수구를 포함하고, 상기 입수구를 통해 유입된 물은 상기 이격 공간으로 흐를 수 있다.
일 실시예에서, 상기 지지체는, 타공 방식에 의해 형성되는 다공성 구조 또는 메탈라스 방식으로 형성된 망형 구조를 갖고, 상기 지지체는, 상기 이온 교환 멤브레인의 변형을 방지할 수 있는 강성을 가진 금속, 세라믹 또는 플라스틱 소재로 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 상기 지지체의 두께는, 상기 멤브레인 전극 어셈블리의 침수로 인해 상기 이온 교환 멤브레인이 팽윤된 두께보다 클 수 있다. 일 실시예에서, 상기 양극 전극은 백금 소재 또는 백금 코팅된 전도성 소재이고, 상기 음극 전극은 백금 소재, 백금 코팅된 전도성 소재, 또는 티타늄 소재일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 양극 전극 및 상기 음극 전극 중 적어도 하나는, 타공 방식에 의해 형성되는 다공성 구조 또는 메탈라스 방식으로 형성된 망형 구조를 가질 수 있다.
또한, 본 개시의 기술적 사상에 따른 수소수 제조 장치는 상술된 실시예들에 따라 제조된 멤브레인 전극 어셈블리, 및 상기 멤브레인 전극 어셈블리의 양극 전극과 음극 전극 사이에 전기에너지를 공급하는 구동 회로부를 포함하고, 상기 음극 전극에서 발생하는 수소가, 물의 유동에 따라 상기 물에 희석됨으로써 수소수를 제조할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 수소수 제조 장치는 상기 멤브레인 전극 어셈블리와 연결되어, 상기 물이 수용된 저수 공간에서 상기 물의 유동을 강제적으로 일으키는 유동 발생부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 멤브레인 전극 어셈블리 및 이를 이용한 수소수 제조 장치는 수소 발생 성능 및 효율을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 기술적 사상에 따른 멤브레인 전극 어셈블리는 음극 표면에서 생성된 수소가 생성 직후 다른 구조물의 방해 없이 확산될 수 있고, 물이 바로 전극 주위를 채워 수소 기체막 형성에 의한 전기 분해 효율의 저하 없이 전기 분해가 지속적으로 발생하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 따른 멤브레인 전극 어셈블리는, 종래의 멤브레인 전극 어셈블리가 전극들 사이에 멤브레인을 놓고 섭씨 140도 이상의 고열과 50기압 정도의 압력을 가하며 밀착시켜 제조되는 것과 달리, 멤브레인과 전극들을 단순히 기계적으로 밀착시키는 체결 구조로도 제조될 수 있어, 제조 공정이 단순해지고 제조 비용이 절감될 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 멤브레인 전극 어셈블리를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 멤브레인 전극 어셈블리를 나타내는 분해도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따라, 멤브레인 전극 어셈블리가 건조된 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따라, 멤브레인 전극 어셈블리가 수용액에 침지된 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 개시의 다른 실시예에 따라, 멤브레인 전극 어셈블리가 건조된 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 개시의 다른 실시예에 따라, 멤브레인 전극 어셈블리가 수용액에 침지된 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 지지체를 나타내는 단면도이고, 도 8은 도 7의 지지체를 나타내는 사시도이다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 멤브레인 전극 어셈블리를 나타내는 사시도이다.
도 10은 도 9의 멤브레인 전극 어셈블리를 나타내는 분해도이다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따라, 멤브레인 전극 어셈블리가 건조된 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따라, 멤브레인 전극 어셈블리가 수용액에 침지된 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 13은 본 개시의 일 실시예에 따른 갭퍼를 나타내는 단면도이고, 도 14는 도 13의 갭퍼를 나타내는 사시도이다.
도 15는 본 개시의 실시예들에 따른 멤브레인 전극 어셈블리를 이용한 수소수 제조 장치를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 16은 본 개시의 다른 실시예에 따른 수소수 제조 장치를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 멤브레인 전극 어셈블리(10)를 나타내는 사시도이다. 도 2는 도 1의 멤브레인 전극 어셈블리(10)를 나타내는 분해도이다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 멤브레인 전극 어셈블리(10)는 양극 전극(11), 이온 교환 멤브레인(12), 지지체(13) 및 음극 전극(14)을 포함할 수 있다. 이온 교환 멤브레인(12)은 건조한 상태에서는 평판 필름의 형태를 가질 수 있다. 도시되지는 않았지만, 일부 실시예들에서, 멤브레인 전극 어셈블리(10)는, 측면을 통해 액체나 기체가 유입 내지 유출되지 않도록 이온 교환 멤브레인(12)과 지지체(13) 사이, 또는 지지체(13)과 음극 전극(14) 사이를 밀폐하는 개스킷, 또는 멤브레인 전극 어셈블리(10)의 측면을 폐쇄하면서 이온 교환 멤브레인(12)의 팽윤 또는 수축 시에도 전체적인 형태를 유지할 수 있는 하우징을 더 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 이러한 하우징은 멤브레인 전극 어셈블리(10)의 측면 중에서, 특히 지지체(13)와 음극 전극(14) 사이에 해당하는 부분에, 외부로부터 물을 주입하는 입수구와 외부로 물을 배출하는 배출구를 포함할 수 있다. 이러한 하우징에 의해, 지지체(13)와 음극 전극(14) 사이의 이격 공간에서 물의 흐름은 입수구에서 배출구로 향하는 특정한 경로 내지 방향을 갖도록 통제될 수 있다.
양극 전극(11)은 양극 전극(11)과 이온 교환 멤브레인(12) 사이에서, 즉 양극 전극(11)과 이온 교환 멤브레인(12)의 제1 면(121)의 경계면에서, 소위 산소 발생 반응(Oxygen Evolution Reaction)을 일으키는 애노드 전극일 수 있다. 산소 발생 반응은 다음과 같다.
2H2O(l) → 4H+(aq) + O2(g) + 4e-
일 실시예에서, 양극 전극(11)은, 예를 들어, 백금 소재 또는 백금 코팅된 전도성 소재로 구현될 수 있다. 다른 실시예에서, 양극 전극(11)은 이온 교환 멤브레인(12)에 접하는 면만, 예를 들어, 백금 코팅된 전도성 소재로 구현될 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 양극 전극(11)과 이온 교환 멤브레인(12) 사이에, 예를 들어, 백금 소재의 촉매층(catalyst layer)이 개재될 수 있다. 이때, 이러한 백금 소재 촉매층은 양극 전극(11)의 일부일 수도 있고, 이온 교환 멤브레인(12)의 일부일 수 도 있다.
양극 전극(11)은 용매인 물이 양극 전극(11)을 통과하여 양극 전극(11)과 이온 교환 멤브레인(12)의 제1 면(121)에 쉽게 도달할 수 있도록, 또는 발생한 산소 가스가 이온 교환 멤브레인(12)의 제1 면(121)에서 양극 전극(11)을 통과하여 배출될 수 있도록, 예를 들어, 가스 확산성 소재, 투과성 소재, 또는 다수의 공극이나 통공을 가진 다공성 소재로 구현될 수 있다. 실시예에 따라, 양극 전극(11)은 메시(mesh) 구조 또는 메탈라스(metal lath) 구조로 구현될 수 있다.
한편, 양극 전극(11)은 산소 발생 반응에 의해 생성된 수소 이온(H+)이 이온 교환 멤브레인(12)의 제1 면(121)을 통해 이온 교환 멤브레인(12) 내부로 잘 주입되도록 이온 교환 멤브레인(12)의 제1 면(121)에 밀착될 수 있다. 이하에서는, 양극 전극(11)과 이온 교환 멤브레인(12)의 제1 면(121) 사이의 밀착 결합에 대한 다양한 실시예들에 대해 상술하기로 한다.
일 실시예에서, 양극 전극(11)과 이온 교환 멤브레인(12)의 제1 면(121) 사이의 밀착 결합은, 양극 전극(11)과 이온 교환 멤브레인(12)의 제1 면(121) 사이가 박리되지 않을 정도의 체결 강도를 보장하는 물리적 결합에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 양극 전극(11)과 이온 교환 멤브레인(12)의 제1 면(121) 사이의 밀착 결합은, 이온 교환 멤브레인(12)을 사이에 둔 양극 전극(11)과 지지체(13)의 기구적 체결 또는 양극 전극(11)과 음극 전극(14)의 기구적 체결에 의해 달성될 수 있다.
일 실시예에서, 양극 전극(11)과 이온 교환 멤브레인(12)의 제1 면(121) 사이의 밀착 결합은 멤브레인 전극 어셈블리(10)를 내부에 고정적으로 장착할 수 있는 별도의 강체(rigid) 하우징에 의해 달성될 수 있다. 일 실시예에서, 양극 전극(11)과 이온 교환 멤브레인(12)의 제1 면(121) 사이의 밀착 결합은 열압착에 의해서도 달성될 수 있다.
이온 교환 멤브레인(12)은, 예를 들어, 고분자 전해질 멤브레인(Polymer Electrolyte Membrane)일 수 있고, 양극 전극(11)과 음극 전극(14) 사이에, 좀더 구체적으로는 양극 전극(11)과 지지체(13) 사이에 개재한다. 이온 교환 멤브레인(12)은 제1 면(121)과 제2 면(122)을 가지는 평판 필름의 형태로 구현되어, 양극 전극(11)과 경계면에서 산소 발생 반응에 따라 발생한 수소 이온을 제1 면(121)에서 받아들이고, 이온 교환 멤브레인(12)을 통과한 수소 이온을 제2 면(122)에서 수용액 내에 배출함으로써, 수소 이온을 선택적으로 전달할 수 있다.
이온 교환 멤브레인(12)은 높은 양성자 교환 성능을 가지면서, 양극 전극(11)에서 생성되는 산화제들을 효과적으로 차단할 수 있고, 내화학성 및 내구성을 갖는 막으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 이온 교환 멤브레인(12)은 듀폰사에서 제조 판매하고 있는 나피온막을 이용할 수 있다.
지지체(13)는 이온 교환 멤브레인(12)의 제2 면(122)과 음극 전극(14) 사이에 개재될 수 있다. 지지체(13)에 의해 이온 교환 멤브레인(12)의 제2 면(122)의 일부와 음극 전극(14) 사이에 소정의 이격 공간이 확보될 수 있고, 또한 이러한 소정의 이격 공간의 적어도 일부를 통해, 음극 전극(14)은 이온 교환 멤브레인(12)의 제2 면(122)의 일부와 비접촉적으로 대향할 수 있다. 이를 위해, 지지체(13)는 두께 방향으로 지지체(13)을 관통하는 하나 또는 그 이상의 개방부(131)를 구비할 수 있다. 실시예에 따라, 지지체(13)의 하나 또는 그 이상의 개방부(131)가 제공하는 빈 공간은 상술한 이격 공간의 일부 또는 전부를 구성할 수 있다.
일 실시예에서, 지지체(13)는 두께 방향으로 크게 둘 이상의 부분으로 나뉠 수 있고, 각 부분에서 개방부(131)의 단면 크기가 달라지도록 설계된 하나 또는 그 이상의 개방부(131)를 구비할 수 있다. 예를 들어, 지지체(13)의 개방부(131)는 이온 교환 멤브레인(12)의 제2 면(122)과 가까운 부분에서는 상대적으로 작은 단면적으로 형성되고, 음극 전극(14)과 가까운 부분에서는 상대적으로 큰 단면적으로 형성될 수 있다. 이에 대해, 도 5 및 도 6을 참조하여 자세하게 설명하기로 한다.
실시예에 따라, 지지체(13)는 소정 두께의 격벽 구조 또는 타공 구조에 의해 형성되는 다공성 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 지지체(13)는 적어도 하나의 통공을 포함하는 개방부(131)를 구비할 수 있다. 격벽 구조는, 예를 들어, 허니콤(honeycomb) 구조일 수 있다. 타공 구조는 복수의 타공을 포함할 수 있지만, 예를 들어, 네잎 클로버와 같은 모양을 가진 하나의 큰 타공을 포함할 수도 있다.
실시예에 따라, 지지체(13)는 메탈라스 방식으로 형성된 망형 구조를 가질수 있다. 구체적으로, 지지체(13)는 메탈라스 방식에 의해 형성되는 복수의 개방부들(131)을 포함할 수 있다. 이 경우, 이온 교환 멤브레인(12)의 제2 면(122)과 음극 전극(14)은 지지체(13)의 세부 구조에 의해 부분적으로 가려져 서로 직접 대면(face-to-face)하지 못할 수도 있지만, 본질적으로 이온 교환 멤브레인(12)의 제2 면(122)과 음극 전극(14)이 이격 공간을 사이에 두고 서로 비접촉적으로 대향한다는 점은 일관된다. 실시예에 따라, 지지체(13)는 상대적으로 얇은 2차원 메시 구조 또는 타공 구조에 의해 형성되는 적어도 하나의 공극을 포함하는 개방부(131)와 상대적으로 두꺼운 적어도 하나의 기둥을 구비할 수 있다.
이온 교환 멤브레인(12)의 제2 면(122)의 일부와 음극 전극(14) 사이에서 지지체(13)과 음극 전극(14)에 의해 확보되는 이격 공간은, 음극 전극(14)의 표면 근처에서 수소 이온과 전자가 결합하여 수소 기체가 발생할 환경을 조성하고, 나아가 발생한 수소 기체가 모여 기포화할 수 있는 공간을 제공할 수 있다. 이렇듯 이격 공간에서 수소 기체가 원활하게 발생하면서 전기 분해가 이루어지는 것은 외부의 전원에서 양극 전극(11), 이온 교환 멤브레인(12)과 음극 전극(14)을 포함하는 전류 회로가 형성됨을 의미한다.
지지체(13)는 이온 교환 멤브레인(12)의 제2 면(122)을 눌러서 양극 전극(11)에 밀착시킬 수 있는 기계적 강성을 갖추면서, 이온 교환 멤브레인(12)의 제2 면(122)과 음극 전극(14)의 상호 비접촉적 대향과 수소 기체의 기포화를 위한 이격 공간을 효과적으로 제공할 수 있다. 예를 들어, 지지체(13)는 이온 교환 멤브레인(12)의 변형을 방지할 수 있는 강성을 가진 금속, 세라믹 또는 플라스틱 소재로 이루어질 수 있다. 실시예에 따라, 지지체(13)는 절연을 유지하면서 동시에 전계를 강화하여 이온 교환 멤브레인(12)의 제2 면(122)에서 음극 전극(14)으로 수소 이온이 좀더 효율적으로 전달될 수 있도록, 유전체 소재로 구현될 수 있다.
또한, 지지체(13)는 이온 교환 멤브레인(12)이 양극 전극(11)과 밀착할 수 있도록 양극 전극(11)과 기계적으로 체결되거나, 또는 외부의 강체 하우징과 기계적으로 체결될 수 있다. 실시예에 따라, 멤브레인 전극 어셈블리(10)의 측면을 폐쇄하는 개스킷에 의해 지지체(13), 이온 교환 멤브레인(12) 및 양극 전극(11)이 함께 기계적으로 일체화될 수 있다.
실시예에 따라, 지지체(13)는 개방부(131)의 이격 공간이 상술한 하우징의 입수구부터 출수구까지 이어지는 유동 경로의 일부 또는 전부를 구성하도록 매니폴드(manifold) 구조를 가지고 형성될 수 있다.
실시예에 따라, 지지체(13)과 음극 전극(14)도 일정 거리 이격되어, 지지체(13)과 음극 전극(14) 사이에도 빈 공간이 제공될 수 있다. 이 경우에, 이온 교환 멤브레인(12)이 이온을 전달하지 못하는 전기화학적 상태인 동안에, 다시 말해, 탈수 건조된 상태일 때에, 지지체(13)의 두께는 서로 대향하는 이온 교환 멤브레인(12)의 제2 면(122)과 음극 전극(14) 사이의 거리보다 작도록 결정될 수 있다.
한편, 음극 전극(14)은 지지체(13)에 의해 이온 교환 멤브레인(12)과 이격되어 있고, 음극 전극(14)의 표면 근처의 이격 공간 내에서 소위 수소 발생 반응(Hydrogen Evolution Reaction)을 일으키는 캐소드 전극일 수 있다. 수소 발생 반응은 다음과 같다.
4H+(aq) + 4e- → 2H2(g)
일 실시예에서, 음극 전극(14)은 예를 들어 티타늄 소재, 또는 티타늄 모재에 백금 코팅한 소재, 또는 백금 소재로 구현될 수 있다. 다른 실시예에서, 음극 전극(14)은 음극 전극(14)이 이온 교환 멤브레인(12)에 대향하는 면만, 예를 들어, 백금 코팅된 전도성 소재로 구현될 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 음극 전극(14)이 이온 교환 멤브레인(12)에 대향하는 면에 예를 들어 백금 소재의 촉매층이 부착될 수 있다.
음극 전극(14)은 발생한 수소 기체 내지 기포가 이격 공간으로부터 음극 전극(14)을 통과하여 멤브레인 전극 어셈블리(10)의 외부로 쉽게 배출될 수 있도록, 예를 들어 메시 구조 또는 메탈라스 구조로 구현될 수 있다. 실시예에 따라, 음극 전극(14)은 가스확산성 소재, 투과성 소재, 또는 다수의 공극이나 통공을 가진 다공성 소재로 구현될 수도 있다.
한편, 음극 전극(14)의 표면 부근의 이격 공간 내에서 발생한 수소 기체 분자들은 기체 상태로 멤브레인 전극 어셈블리(10)의 바깥으로 방출되어야 한다. 종래의 멤브레인 전극 어셈블리는 캐소드 전극이 이온 교환 멤브레인과 강하게 밀착되어 일체화된 구조이므로, 캐소드 전극과 이온 교환 멤브레인 사이에 공간이 거의 없으며, 이에 따라 캐소드 전극과 이온 교환 멤브레인의 접합부에서 발생한 수소 기체 분자들은 확산 또는 압력에 의해 캐소드 전극 곳곳에 형성된 타공부까지 개별적으로 이동하고, 타공부에서 기포를 형성할 수 있다.
통상적으로, 수소 기체 분자들이 포집하면서 발생한 기포는 전극의 표면에 부착되어 점점 커지다가, 기포의 무게와 전극 표면에 대한 점착력보다 기포의 부피에 의한 부력이나 외력이 더 커져야 전극의 표면에서 이탈하고 유동한다. 타공부에서 포집되는 수소 기포는 타공부에서 잘 이탈하지 않고 붙어있으면서 멤브레인 전극 어셈블리의 바깥쪽으로 상당한 크기까지 성장할 것이다. 수소수 내에 포획된 수소 기포가 크면 수소 기체는 머지 않아 대기 중으로 비산해 버리므로 수소 농도는 오래 유지될 수 없다.
본 개시의 실시예들에서는, 이격 공간 내에서 수소 분자들이 서로 모여 작은 기포를 형성할 수 있다. 생성된 작은 수소 기포들은 더 성장하기 전에 수용액의 유동에 의해 음극 전극(14)의 공극을 통해 멤브레인 전극 어셈블리(10) 바깥의 수용액으로 배출될 수 있다. 음극 전극(14)의 표면에서 생성되는 수소 기체 분자의 경우에도, 메시 구조 또는 메탈라스 구조의 음극 전극(14)은 표면적이 작기 때문에 음극 전극(14)의 표면에 부착되었다가 이탈하는 수소 기포가 크기나 양에 있어서 미미할 수 있다. 이에 따라, 본 개시의 실시예들에 의해 생성된 수소수의 내에서 수소 클러스터는 좀더 잘게 분포할 수 있고, 수소 농도가 좀더 오래 유지될 수 있다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 멤브레인 전극 어셈블리(10)가 건조된 상태를 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 멤브레인 전극 어셈블리(10)가 수용액에 침지된 상태를 나타낸 단면도이다. 예를 들어, 도 3 및 도 4는 도 1의 III-III' 선에 따른 단면도에 대응할 수 있다.
도 3을 참조하면, 고분자 전해질로써 구현되는 이온 교환 멤브레인(12)은 건조한 상태에서는 평판 필름의 형태를 가질 수 있다. 지지체(13)는 두께 방향으로 관통되는 하나 또는 그 이상의 개방부(131)를 가질 수 있다. 지지체(13)는 제1 두께(D1)를 가질 수 있고, 예를 들어, 제1 두께(D1)는 1 cm 이내일 수 있다. 개방부(131)의 외벽은 이온 교환 멤브레인(12)의 이탈을 방지하고 이온 교환 멤브레인(12)을 양극 전극(11)에 골고루 밀착시키는 역할도 함께 수행할 수 있다.
실시예에 따라, 지지체(13)는, 이온 교환 멤브레인(12)이 건조한 상태일 때에, 이온 교환 멤브레인(12)의 제2 면(122) 중 단지 일부와 직접 접촉하면서 이온 교환 멤브레인(12)을 양극 전극(11)에 밀착시키고, 이온 교환 멤브레인(12)의 제2 면(122) 중 다른 일부를 이격 공간을 사이에 두고 음극 전극(14)과 비접촉적으로 대향시킬 수 있다. 이 경우에, 이온 교환 멤브레인(12)의 제2 면(122) 중에서 이격 공간을 사이에 두고 음극 전극(14)과 비접촉적으로 대향하는 제1 면적은, 이온 교환 멤브레인(12)의 제2 면(122) 중에서 지지체(13)에 직접 접촉하는 제2 면적에 비해 클 수 있다.
한편, 수용액 속의 이온을 선택적으로 교환하기 위해서는 이온 교환 멤브레인(12)이 수용액 속에 침지되어야 하는데, 도 4를 참조하면, 멤브레인 전극 어셈블리(10)가 수용액 속에 침지되었을 때에 고분자 전해질이 용매, 예를 들어 물을 흡수하면서 팽윤된(swollen) 상태가 예시된다.
종래의 멤브레인 전극 어셈블리들은 수용액 속에서 기능 시에 이온 교환 멤브레인의 팽윤에 따른 기계적인 변형을 억제하기 위해 양 전극들 사이에 이온 교환 멤브레인을 개재한 상태로 열압착되어 일체화된다. 이렇게 열압착을 통해 일체화된 전극-멤브레인-전극 구조물은 비록 고분자 전해질의 팽윤과 수축을 견딜 수 있어서 내구성을 확보할 수 있겠지만, 캐소드 전극과 이온 교환 멤브레인 사이에서 생성된 수소 분자를 외부로 배출시키려면 전도성의 가스 확산 소재로 캐소드 전극을 만들어야 하는 등의 제약을 감수해야 한다.
반면에 본 개시에 따른 실시예들의 멤브레인 전극 어셈블리는 팽윤에 따른 외형 변화를 억제하지 않고, 지지체(13)의 개방부(131) 내부로 팽윤된 이온 교환 멤브레인(12)의 일부를 수용할 수 있다. 이때, 이온 교환 멤브레인(12)이 팽윤되었음에도, 지지체(13)의 두께가 적절히 선택된다면, 이온 교환 멤브레인(12)의 제2 면(122)과 음극 전극(14)이 여전히 비접촉적으로 대향할 수 있다는 것을 알 수 있다.
이에 따라, 지지체(13)의 제1 두께(D1)는, 이온 교환 멤브레인(12)이 소정의 전하를 띤 이온을 전달할 수 있는 전기 화학적 상태인 동안에, 다시 말해, 이온 교환 멤브레인(12)의 고분자 전해질이 충분한 양의 용매를 흡수하고 이온화되어 선택적으로 소정의 이온을 전달할 수 있는 상태가 되면서 부피가 증가한 때에, 지지체(13)의 개방부(131) 내부로 팽윤된 이온 교환 멤브레인(12)의 일부가 수용되어 개방부(131) 내부의 빈 공간을 잠식한 후에도, 이온 교환 멤브레인(12)의 제2 면(122)과 음극 전극(14) 사이에 여전히 충분한 소정의 이격 공간을 확보할 수 있도록 결정될 수 있다.
달리 표현하면, 지지체(13)의 제1 두께(D1)는 이온 교환 멤브레인(12)의 제2 면(122)이 팽윤하여 지지체(13)의 개방부(131) 내부로 침투하더라도 이온 교환 멤브레인(12)의 팽윤된 제2 면(122)에 대해 음극 전극(14)이 비접촉을 유지할 수 있도록 결정될 수 있다.
하나의 큰 개방부(131) 중 일부분 또는 복수의 작은 개방부들(131) 중 일부에서 이온 교환 멤브레인(12)의 팽윤된 제2 면(122)과 음극 전극(14)이 접촉할 경우에는 수소 발생 성능의 저하가 예상되나, 본 개시의 범위에서 벗어나는 것은 아니다. 다시 말해, 지지체(13)의 제1 두께(D1)는, 이온 교환 멤브레인(12)이 소정의 전하를 띤 이온을 전달할 수 있는 전기 화학적 상태인 동안에도, 이온 교환 멤브레인(12)의 제2 면(122)의 일부와 음극 전극(14)의 일부가 지지체(13)의 개방부(131) 중 적어도 일부를 사이에 두고 비접촉적으로 대향할 수 있도록 결정될 수 있다.
한편, 만약 지지체(13)가 소정 두께의 골조 구조 또는 3차원 메쉬 구조를 가질 경우에, 개방부(131)의 이격 공간은 정형적인 또는 비정형적인 공극으로써 구성될 수 있다. 이러한 경우에, 이온 교환 멤브레인(12)의 제2 면(122)이 팽윤하여 공극의 내부로 일부 수용되더라도, 지지체(13)의 두께는 이온 교환 멤브레인(12)의 팽윤된 제2 면(122)에 대해 음극 전극(144)이 비접촉을 유지할 수 있도록 적절히 결정될 수 있다.
도 5는 본 개시의 다른 실시예에 따른 멤브레인 전극 어셈블리(10a)가 건조된 상태를 나타낸 단면도이고, 도 6은 본 개시의 다른 실시예에 따른 멤브레인 전극 어셈블리(10a)가 수용액에 침지된 상태를 나타낸 단면도이다.
도 5를 참조하면, 도 3과 마찬가지로, 고분자 전해질로써 구현되는 이온 교환 멤브레인(12)은 건조한 상태에서는 평판 필름의 형태를 가질 수 있다. 지지체(13a)는 두께 방향으로 두 부분으로 나뉘어, 소정 단면을 가지는 제1 두께의 하나 또는 그 이상의 제1 개방부(131a)와, 소정 단면을 가지는 제2 두께의 하나 또는 그 이상의 제2 개방부(132)를 가질 수 있다.
도 6을 참조하면, 이온 교환 멤브레인(12)의 팽윤된 제2 면(122)이 제1 두께의 제1 개방부(131a)의 내부 공간을 모두 잠식하였지만, 제2 두께의 제2 개방부(132)가 여전히 적절한 이격 공간을 제공하고 있고, 이온 교환 멤브레인(12)의 제2 면(122)과 음극 전극(14)이 여전히 비접촉적으로 대향할 수 있다는 것을 알 수 있다. 상술한 실시예에 따라, 지지체(13a)의 두께는 이온 교환 멤브레인(12)이 용매를 흡수하여 팽윤된 상태에서도, 이온 교환 멤브레인(12)의 제2 면(122)과 음극 전극(14)이 비접촉을 유지할 수 있도록 결정될 수 있다.
또한, 이온 교환 멤브레인(12)이 팽윤된 상태에서 이온이 이온 교환 멤브레인(12)의 제2 면(122)으로부터 방출되어 이격 공간을 거쳐 음극 전극(14)으로 전달되는 동안에 이격 공간에서 기체화되도록 이격 공간을 확보할 수 있는 한, 지지체(13a)의 세부 구조는 격벽 구조, 타공 구조, 골조 구조, 3차원 메시 구조 등 다양한 구조로 설계될 수 있음을 알 수 있다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 지지체(13')를 나타내는 단면도이고, 도 8은 도 7의 지지체(13')를 나타내는 사시도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 지지체(13')는 입수구(133) 및 출수구(134)를 포함하도록 형성될 수 있다. 입수구(133)를 통해 유입된 물은 출수구(134)를 통해 유출될 수 있고, 입수구(133)와 출수구(134) 사이의 공간은 유동 경로를 구성할 수 있다. 이와 같이, 지지체(13')는 매니폴드(manifold) 구조를 가지고 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 입수구(133)는 펌프와 연결될 수 있고, 펌프는 강제로 물의 유동을 유발할 수 있다. 펌프에 의해 입수구(133)를 통해 유입된 물은 지지체(13')와 음극 전극 사이의 이격 공간으로 흐를 수 있고, 이에 따라, 수소 분자들이 더욱 활발하게 생성될 수 있다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 멤브레인 전극 어셈블리(20)를 나타내는 사시도이다. 도 10은 도 9의 멤브레인 전극 어셈블리(20)를 나타내는 분해도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 멤브레인 전극 어셈블리(20)는 양극 전극(21), 이온 교환 멤브레인(22), 지지체(23), 음극 전극(24) 및 갭퍼(25)를 포함한다. 이온 교환 멤브레인(12)은 건조한 상태에서는 평판 필름의 형태를 가질 수 있다. 본 실시예에 따른 멤브레인 전극 어셈블리(20)는 도 1의 멤브레인 전극 어셈블리(10)의 변형 실시예에 대응하며, 도 1 내지 도 8을 참조하여 상술된 내용은 본 실시예에 적용될 수 있고, 중복된 설명은 생략한다.
본 실시예에 따르면, 양극 전극(21), 이온 교환 멤브레인(22) 및 음극 전극(24)은 도 1의 양극 전극(11), 이온 교환 멤브레인(12) 및 음극 전극(14)과 실질적으로 유사하게 구현될 수 있다. 양극 전극(21)은 타공 방식에 의해 형성되는 다공성 구조 또는 메탈라스 방식으로 형성된 망형 구조를 가질 수 있고, 백금 소재 또는 백금 코팅된 전도성 소재일 수 있다. 이온 교환 멤브레인(22)은 양극 전극(21)과 접하는 제1 면(221) 및 지지체(23)와 접하는 제2 면을 가질 수 있다. 음극 전극(24)은 지지체(23)로부터 일정 간격만큼 이격되고, 이온 교환 멤브레인(22)의 제2 면(222)에 비접촉적으로 대향할 수 있다. 음극 전극(24)은 타공 방식에 의해 형성되는 다공성 구조 또는 메탈라스 방식으로 형성된 망형 구조를 가질 수 있고, 백금 소재, 백금 코팅된 전도성 소재, 또는 티타늄 소재일 수 있다.
본 실시예에 따르면, 멤브레인 전극 어셈블리(20)는 도 1의 멤브레인 전극 어셈블리(10)에 비해 갭퍼(25)를 더 포함할 수 있고, 지지체(23)의 두께는 도 1의 지지체(13)의 두께보다 작을 수 있다. 갭퍼(25)는 지지체(23)와 음극 전극(24) 사이에 배치되어, 일정 간격을 제공할 수 있다. 예를 들어, 일정 간격은 1 cm 이내일 수 있다.
일정 간격은 이온 교환 멤브레인(22)이 이온을 전달할 수 있는 전기 화학적 상태인 동안에도, 이온 교환 멤브레인(22)과 음극 전극(24)의 사이에 이격 공간이 확보되도록 결정될 수 있다. 이온 교환 멤브레인(22)이 이온을 전달하지 못하는 전기 화학적 상태인 동안에, 이온 교환 멤브레인(22)의 제2 면(222) 중에서 이격 공간을 사이에 두고 음극 전극(24)과 비접촉적으로 대향하는 제1 면적은, 이온 교환 멤브레인(22)의 제2 면(222) 중에서 지지체(23)에 직접 접촉하는 제2 면적에 비해 클 수 있다.
실시예에 따라, 갭퍼(25)의 측면에, 외부로부터 물을 주입하는 입수구와 외부로 물을 배출하는 배출구를 포함할 수 있다. 이러한 갭퍼(25)의 구성에 의해, 지지체(23)와 음극 전극(24) 사이의 이격 공간에서 물의 흐름은 입수구에서 배출구로 향하는 특정한 경로 내지 방향을 갖도록 통제될 수 있다.
지지체(23)는 이격 공간의 적어도 일부를 구성하는 개방부를 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 지지체(23)는 타공 방식에 의해 형성되는 다공성 구조 또는 메탈라스 방식으로 형성된 망형 구조를 가질 수 있다. 지지체(23)는 이온 교환 멤브레인(22)의 변형을 방지할 수 있는 강성을 가진 금속, 세라믹 또는 플라스틱 소재로 이루어질 수 있다. 지지체(23)의 두께는 멤브레인 전극 어셈블리(20)가 침수로 인해 이온 교환 멤브레인(22)이 팽윤된 두께보다 클 수 있다.
실시예에 따라, 지지체(23)는 개방부의 이격 공간이 상술한 갭퍼(25)의 입수구부터 출수구까지 이어지는 유동 경로의 일부 또는 전부를 구성하도록 매니폴드(manifold) 구조를 가지고 형성될 수 있다. 예를 들어, 지지체(23)는 도 7 및 8의 지지체(13')와 실질적으로 유사하게 형성될 수 있다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따라, 멤브레인 전극 어셈블리(20)가 건조된 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 12는 본 개시의 일 실시예에 따라, 멤브레인 전극 어셈블리(20)가 수용액에 침지된 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 예를 들어, 도 11 및 도 12는 도 9의 XI-XI' 선에 따른 단면도에 대응할 수 있다.
도 11을 참조하면, 고분자 전해질로써 구현되는 이온 교환 멤브레인(22)은 건조한 상태에서는 평판 필름의 형태를 가질 수 있다. 갭퍼(25)는 지지체(23)와 음극 전극(24) 사이에 이격 공간(251)을 제공할 수 있도록 제2 두께(D2)를 갖는다. 예를 들어, 제2 두께(D2)는 1 cm 이내일 수 있다. 지지체(23)는 제3 두께(23)를 가질 수 있고, 두께 방향으로 관통되는 하나 또는 그 이상의 개방부를 가질 수 있다.
도 12를 참조하면, 멤브레인 전극 어셈블리(20)가 수용액 속에 침지되면, 이온 교환 멤브레인(22)은 용매, 예를 들어, 물을 흡수하면서 팽윤된 상태를 가질 수 있다. 갭퍼(25)의 제2 두께(D2)는, 이온 교환 멤브레인(22)이 소정의 전하를 띤 이온을 전달할 수 있는 전기 화학적 상태인 동안에, 다시 말해, 이온 교환 멤브레인(22)의 고분자 전해질이 충분한 양의 용매를 흡수하고 이온화되어 선택적으로 소정의 이온을 전달할 수 있는 상태가 되면서 부피가 증가한 때에, 지지체(23)의 개방부 내부로 팽윤된 이온 교환 멤브레인(22)의 일부가 수용되어 개방부 내부의 빈 공간을 잠식한 후에도, 이온 교환 멤브레인(22)의 제2 면(222)과 음극 전극(24) 사이에 여전히 충분한 소정의 이격 공간을 확보할 수 있도록 결정될 수 있다.
달리 표현하면, 갭퍼(25)의 제2 두께(D2)는 이온 교환 멤브레인(22)의 제2 면(222)이 팽윤하여 지지체(23)의 개방부 내부로 침투하더라도 이온 교환 멤브레인(22)의 팽윤된 제2 면(222)에 대해 음극 전극(24)이 비접촉을 유지할 수 있도록 결정될 수 있다.
도 13은 본 개시의 일 실시예에 따른 갭퍼(25')를 나타내는 단면도이고, 도 14는 도 13의 갭퍼(25')를 나타내는 사시도이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 갭퍼(25')는 입수구(251) 및 출수구(252)를 포함하도록 형성될 수 있다. 입수구(251)를 통해 유입된 물은 출수구(252)를 통해 배출될 수 있고, 입수구(251)와 출수구(252) 사이의 공간은 유동 경로를 구성할 수 있다. 이와 같이, 갭퍼(25')는 매니폴드(manifold) 구조를 가지고 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 입수구(251)는 펌프와 연결될 수 있고, 펌프는 강제로 물의 유동을 유발할 수 있다. 펌프에 의해 입수구(251)를 통해 유입된 물은 지지체(예를 들어, 도 10의 25)와 음극 전극(예를 들어, 도 10의 24) 사이의 이격 공간으로 흐를 수 있고, 이에 따라, 수소 분자들이 더욱 활발하게 생성될 수 있다.
도 15는 본 개시의 실시예들에 따른 멤브레인 전극 어셈블리를 이용한 수소수 제조 장치(110)를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 15를 참조하면, 수소수 제조 장치(110)는 수조(111), 멤브레인 전극 어셈블리(112), 구동 회로부 케이스(113) 및 구동 회로부(114)를 포함할 수 있다. 일 실시예예서, 수조(111)와 구동 회로부 케이스(113)는 일체식으로 구현될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 일부 실시예들에서, 수조(111)와 구동 회로부 케이스(113)는 분리식으로 구현될 수도 있다.
멤브레인 전극 어셈블리(112)는 도 1 내지 도 14에 예시된 멤브레인 전극 어셈블리(10, 10a, 20)와 같이 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 멤브레인 전극 어셈블리(112)의 캐소드 전극은 수조(111)에 저수된 담수 또는 수돗물과 접하고, 멤브레인 전극 어셈블리(112)의 나머지 구성은 구동 회로부 케이스(113)에 포함되도록 구현될 수 있다. 멤브레인 전극 어셈블리(112)는 구동 회로부(114)에서 공급되는 전기에너지에 의해 물을 전기 분해하면서 캐소드 전극 쪽에서 수소를 발생시킬 수 있다. 수소수 제조 장치(110)는, 멤브레인 전극 어셈블리(112)가 이온 교환 멤브레인과 캐소드 전극 사이의 이격 공간에서 수소 분자를 발생시키고 기포화시킬 수 있어서, 수소 발생 효율을 극대화할 수 있다. 또한, 수소수 제조 장치(110)는, 멤브레인 전극 어셈블리(112)가 수소 분자 클러스터를 작고 고르게 생성할 수 있으므로, 생성된 수소수의 수소 농도를 오랫동안 유지할 수 있다.
아래의 표 1은 다양한 멤브레인 전극 어셈블리를 이용하여 전기 분해를 수행한 결과를 나타낸다. 케이스1은 백금 코팅된 양극 전극과 음극 전극 사이에 고가의 개질된 이온 교환막이 개재된, 일반적인 양극-막-음극의 조합으로 구성된 멤브레인 전극 어셈블리를 이용하여 수소수를 생성한 경우이고, 케이스2는 양극 전극과 음극 전극 사이에 나피온막이 개재된, 일반적인 양극-막-음극의 조합으로 구성된 멤브레인 전극 어셈블리를 이용하여 수소수를 생성한 경우이며, 케이스3은 본 실시예에 따른 멤브레인 전극 어셈블리(112)를 이용하여 수소수를 생성한 경우이다.
케이스 전압(V) 전기분해시간(min) 용존수소 농도(ppb)
1 12 5 175
2 12 5 77
3 12 5 220
표 1을 참조하면, 동일한 전압을 인가하여 동일한 전기 분해 시간 동안 전기 분해를 수행한 경우, 케이스3은 케이스1에 비해 훨씬 저 비용으로 구현됨에도 불구하고, 수소수 제조 장치 내의 용존 수소 농도가 가장 높은 것을 알 수 있다.
도 16은 본 개시의 다른 실시예에 따른 수소수 제조 장치(110')를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 16을 참조하면, 수소수 제조 장치(110')는 수조(111'), 멤브레인 전극 어셈블리(112'), 구동 회로부 케이스(113'), 구동 회로부(114') 및 유동 발생부(115)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 수소수 제조 장치(110')는 도 15의 수소수 제조 장치(110)의 변형 실시예에 대응할 수 있고, 도 15을 참조하여 상술된 내용은 본 실시예에도 적용될 수 있다.
본 실시예에서, 멤브레인 전극 어셈블리(112'), 구동 회로부(114') 및 유동 발생부(115)는 구동 회로부 케이스(113') 내에 배치될 수 있다. 다시 말해, 멤브레인 전극 어셈블리(112'), 구동 회로부(114') 및 유동 발생부(115)는 수조(111') 외부에 배치될 수 있다. 유동 발생부(115)는 저수 공간을 통한 물의 유동을 강제적으로 일으킬 수 있다. 유동 발생부(115)는 예를 들어, 펌프 또는 모터로 구현될 수 있다. 유동 발생부(115)는 멤브레인 전극 어셈블리(112')의 입수구에 연결될 수 있고, 상기 입수구에 물을 강제로 공급할 수 있다. 이에 따라, 멤브레인 전극 어셈블리(112')의 출수구에서 수소 분자가 활발하게 발생할 수 있다.
일부 실시예에서, 멤브레인 전극 어셈블리(112')와 구동 회로부(114')는 유수식 모듈로 구현될 수 있다. 예를 들어, 유수식 모듈의 입수구는 물이 공급되는 임의의 장치, 예를 들어, 수도꼭지 또는 배수관과 연결될 수 있고, 유수식 모듈의 출수구는 수조(111')에 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 유동 발생부(115)는 유수식 모듈과 이격되도록 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 멤브레인 전극 어셈블리(112'), 구동 회로부(114') 및 유동 발생부(115)는 서로 이격되도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 멤브레인 전극 어셈블리(112'), 구동 회로부(114') 및 유동 발생부(115) 중 적어도 하나는 구동 회로부 케이스(113') 외부에 배치될 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 예시적인 실시예들이 개시되었다. 본 명세서에서 특정한 용어를 사용하여 실시예들을 설명되었으나, 이는 단지 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 양극 전극;
    상기 양극 전극과 접하는 제1 면 및 상기 제1 면에 대향하는 제2 면을 갖는 이온 교환 멤브레인;
    상기 이온 교환 멤브레인의 상기 제2 면에 접하고, 상기 양극 전극과 상기 이온 교환 멤브레인이 밀착되도록 상기 이온 교환 멤브레인을 지지하는 지지체; 및
    상기 이온 교환 멤브레인과의 사이에 상기 지지체를 두고, 상기 이온 교환 멤브레인의 상기 제2 면에 비접촉적으로 대향하는 음극 전극을 포함하고,
    상기 지지체는, 상기 이온 교환 멤브레인의 상기 제2 면의 일부와 상기 음극 전극 사이에 이격 공간을 제공하는 개방부를 포함하도록 성형되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 어셈블리.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지체와 상기 음극 전극 사이에 배치되어, 제1 간격을 제공하는 갭퍼(gapper)를 더 포함하고,
    상기 음극 전극은 상기 지지체로부터 상기 제1 간격만큼 이격된 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 어셈블리.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 지지체의 두께 또는 상기 제1 간격은 1 cm 이내인 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 어셈블리.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 지지체의 두께 또는 상기 제1 간격은, 상기 이온 교환 멤브레인이 이온을 전달할 수 있는 전기 화학적 상태인 동안에도, 상기 이온 교환 멤브레인과 상기 음극 전극의 사이에 이격 공간이 확보되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 어셈블리.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 이온 교환 멤브레인이 상기 이온을 전달하지 못하는 전기 화학적 상태인 동안에, 상기 이온 교환 멤브레인의 상기 제2 면 중에서 상기 이격 공간을 사이에 두고 상기 음극 전극과 비접촉적으로 대향하는 제1 면적은, 상기 이온 교환 멤브레인의 상기 제2 면 중에서 상기 지지체에 직접 접촉하는 제2 면적에 비해 큰 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 어셈블리.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 갭퍼는, 물이 유입되는 입수구 및 상기 물이 배출되는 출수구를 포함하고, 상기 입수구를 통해 유입된 물은 상기 이격 공간으로 흐르는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 어셈블리.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지체는, 물이 유입되는 입수구 및 상기 물이 배출되는 출수구를 포함하고, 상기 입수구를 통해 유입된 물은 상기 이격 공간으로 흐르는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 어셈블리.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지체는, 타공 방식에 의해 형성되는 다공성 구조 또는 메탈라스 방식으로 형성된 망형 구조를 갖고,
    상기 지지체는, 상기 이온 교환 멤브레인의 변형을 방지할 수 있는 강성을 가진 금속, 세라믹 또는 플라스틱 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 어셈블리.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지체의 두께는, 상기 멤브레인 전극 어셈블리의 침수로 인해 상기 이온 교환 멤브레인이 팽윤된 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 어셈블리.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극 전극은 백금 소재 또는 백금 코팅된 전도성 소재이고,
    상기 음극 전극은 백금 소재, 백금 코팅된 전도성 소재, 또는 티타늄 소재인 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 어셈블리.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 양극 전극 및 상기 음극 전극 중 적어도 하나는, 타공 방식에 의해 형성되는 다공성 구조 또는 메탈라스 방식으로 형성된 망형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 어셈블리.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 청구항의 멤브레인 전극 어셈블리; 및
    상기 멤브레인 전극 어셈블리의 양극 전극과 음극 전극 사이에 전기에너지를 공급하는 구동 회로부를 포함하고,
    상기 음극 전극에서 발생하는 수소가, 물의 유동에 따라 상기 물에 희석됨으로써 수소수를 제조하는 것을 특징으로 하는 수소수 제조 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 멤브레인 전극 어셈블리와 연결되어, 상기 물이 수용된 저수 공간에서 상기 물의 유동을 강제적으로 일으키는 유동 발생부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소수 제조 장치.
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