KR20190051348A - 방사 유동형 구조를 구비한 전극모듈 최적화 장치와 전기화학 반응시스템 - Google Patents

방사 유동형 구조를 구비한 전극모듈 최적화 장치와 전기화학 반응시스템 Download PDF

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Abstract

방사형 유동로를 포함하는 전극모듈 최적화 장치가 제시된다. 본 발명의 실시예에 따른 전극모듈 최적화 장치는, 통전 가능한 액상물질에 전류를 공급하여 액상물질을 개질시키는 전극모듈 최적화 장치로서, 양측에 액상물질 주입구 및 액상물질 배출구가 형성되고, 내부에 전극모듈을 수납할 수 있는 수납공간이 형성된 하우징; 및 상기 하우징 내부에 장착되고, 둘 이상의 전극 조립체가 적층된 구조이며, 액상물질 주입구를 통해 공급된 액상물질이 전극 조립체의 표면을 지나 액상물질 배출구로 유동할 수 있도록, 적층면을 따라 방사형 유동로가 형성된 전극모듈;을 포함하는 것을 구성의 요지로 한다.
본 발명에 따르면, 특정 구조의 하우징 및 전극모듈을 구비함으로써, 통전 가능한 액상물질에 전류를 공급하여 차아염소산수를 효과적으로 발생시킬 수 있고, 액상물질의 개질화 역할을 효과적으로 수행할 수 있는 전극모듈 최적화 장치를 제공할 수 있다.

Description

방사 유동형 구조를 구비한 전극모듈 최적화 장치와 전기화학 반응시스템{Electrolysis Reactor Having Radial Flow Structure, And Generating System Having The Same}
본 발명은 전극모듈 최적화 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액상물질을 가압하여 유입시킨 유체의 가속, 충돌, 분산 및 혼합 작용과 이들 작용이 이루어지는 전극에서 전기 분해가 동시에 일어나도록 하여, 액상물질을 개질시키는 전극모듈 최적화 장치에 관한 것이다.
본 발명의 전극모듈 최적화 장치는 특히 액상물질로 물과 액상촉매물질로 염화나트륨이 공급되는 경우에는 차아염소산수를 생성할 수 있는 것이다.
일반적으로 전기분해 장치는 물질에 전기 에너지를 가하여, 산화, 환원 반응이 일어나도록 하는 것으로서, 전해질이 담긴 전해조(electrolytic bath) 내에 전극을 침지시켜, 음극에서는 (+)이온이 환원되고, 양극에서는 (-)이온이 산화됨으로서 물질을 개질화(개질(reforming)이란 협의로는 가솔린의 탄화수소 조성을 열 또는 촉매의 힘을 이용하여 바꿈으로서 그 성상을 개선하는 조작을 말하나, 본 발명에서는 전기분해 및 유체의 작용으로 투입된 유체를 변화시킨다는 광의의 의미로 사용한다)시킬 수 있다.
전기분해를 이용한 물질 분리 또는 개질의 극단적인 예로서 염화나트륨을 분해하게 되면, 인류에게 치명적 독가스인 염소 기체와 물에 넣는 경우 폭발이 일어나는 나트륨이 얻어진다.
다른 한편, 전기분해는 인류에게 다양한 분야에서 매우 유익하게 이용되고 있다. 특히 물과 미량의 염화나트륨을 전해조에 투입시켜 전기분해시키면, 차아염소산이 생성되며, 차아염소산은 바로 인체 내의 호중성 백혈구에서 생성되는 물질로서 인체에 무해하면서도, 세균을 1000분의 1초만에 사멸시켜 침투한 세균을 제거하는 기능을 갖는 것이다.
따라서 공기청정 내지 의료기기를 소독하기 위하여 사용되는 살균수로 차아염소산과 물을 혼합시킨 차아염소산수를 사용하고, 공기중의 세균을 제거하기 위하여 차아염소산을 이용하기도 한다.
도 1에는 전해액에 전류를 공급하여 차아염소산수를 포함한 여러 종류의 가스(수소, 산소, 염소, OH-)를 발생시키는 원리를 나타내는 모식도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1에 도시된 원리를 이용한 종래 기술에 따른 차아염소산수 생성장치가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상온의 전해액(포화소금물과 희석수를 약 1:10(최대 1:12)으로 희석한 용액)에 직류 전기를 통과시키면 희석된 소금물이(NaCl) 전기분해 되면서 약 0.8 ％의 차아염소산나트륨(NaOCl)과 수소가스(H2)가 생성된다. 이때, 염소 계열인 차아염소산나트륨의 부식성 때문에 전극 판을 티타늄(Ti) 소재로 한 일정 크기의 전극 판을 2 등분하여 양극 측은 분해력이 좋고, 경제성 및 수명성이 좋은 루테늄(Ru) 또는 이리듐(Ir) 등으로 코팅한 전극 판을 이용하여 차아염소산수를 생성할 수 있다.
이러한 원리를 이용한 종래 기술에 따른 차아염소산수 생성장치는, 물과 염화나트륨이 혼합된 용액을 수용하는 혼합탱크(100)와, 혼합탱크(100) 내부의 용액을 순환시키는 순환관(120, 130)과, 순환관(120, 130) 상에 설치되어 혼합탱크(100)로부터 유출된 용액을 펌핑하여 상부로 강제 순환토록 하는 순환펌프(140)와, 순환관(120, 130) 상에 설치되어 혼합탱크(100)로부터 유출되어 순환되는 용액을 전기분해하여 3 내지 200ppm의 농도를 갖는 차아염소산수를 생성하는 반응기(150)와, 반응기(150)에 전원을 공급하는 전원공급부(201)와, 혼합 탱크(100) 내부의 용액을 혼합하는 교반부(180)와, 전원공급부(210)와 교반부(180)의 동작 유무를 결정하는 컨트롤러(200)로 구성되어 있다.
그런데, 이러한 구조는 혼합탱크(100)와 반응기(150)에 계속 용액을 순환시켜 원하는 농도의 차아염소산수가 생성되면 비로소 외부로 배출하도록 되어 있는 구조로서, 차아염소산수가 원하는 농도가 될 때까지 다소 긴 시간이 소요된다. 또한, 생성된 차아염소산수를 오랜 시간 저장하고 있을 경우, 차아염소산이 환원되는 문제가 발생할 수 있다. 이로 인해, 종래 기술에 따른 차아염소산수 생성장치는, 지속적으로 차아염소산수가 필요하거나 특정 시점에 바로 특정량의 차아염소산수가 필요한 용도에는 사용할 수 없는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 도 3에 도시된 바와 같이, 연수기(15), 제어판넬(16), 전기분해기(17), 차아염소산저장탱크(18), 소금물저장탱크(20)를 포함하는 농도계량장치조(100)를 이용하기도 한다. 도 3에 도시된 농도계량장치조(100)의 경우, 차아염소산저장탱크(18)를 구비하고 있어 특정 시점에 바로 특정량의 차아염소산수를 제공할 수 있다.
그러나, 도 3에 도시된 종래 기술에 따른 농도계량장치조(100)는 전해액과 전극과의 접촉이 효율적으로 이루어지지 않아 차아염소산수 생성 효율이 낮다는 문제점을 가지고 있으며, 저장 탱크에 수납된 상태의 소금물을 이용하여 차아염소산수를 생성하고 있어, 발생된 가스가 전극에 달라붙어 가스 생성 효율을 현저히 저하시키는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 상기 언급한 종래 기술에 따른 문제점을 해결할 수 있는 차아염소산 생성장치에 대한 기술이 필요한 실정이다.
대한민국등록실용신안 20-0462705 (2012년 09월 18일 등록)
본 발명의 목적은, 통전 가능한 액상물질에 전류를 공급하여 액상물질을 효과적으로 개질시킬 수 있고, 액상물질로 물과 액상촉매물질로 염화나트륨이 공급될 경우 차아염소산수를 효과적으로 발생시킬 수 있는 전극모듈 최적화 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 전극모듈 최적화 장치는, 통전 가능한 액상물질에 전류를 공급하여 차아염소산수를 생성하는 전극모듈 최적화 장치로서, 양측에 액상물질 주입구 및 액상물질 배출구가 형성되고, 내부에 전극모듈을 수납할 수 있는 수납공간이 형성된 하우징; 및 상기 하우징 내부에 장착되고, 둘 이상의 전극 조립체가 적층된 구조이며, 액상물질 주입구를 통해 공급된 액상물질이 전극 조립체의 표면을 지나 액상물질 배출구로 유동할 수 있도록, 적층면을 따라 방사형 유동로가 형성된 전극모듈;을 포함하는 구성일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하우징의 수납공간은 전극모듈의 외부형상과 대응되는 구조로 형성되고, 상기 전극모듈과 마주하는 하우징 내부면에는 방사형 유동로가 형성된 구조일 수 있다.
이 경우, 상기 전극모듈은 원판구조의 전극 조립체가 둘 이상 적층된 구조이며, 상기 하우징의 수납공간은 전극모듈의 외주면과 대응되는 원통형 구조일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하우징의 일측부에는 수납공간 내부에 장착된 전극모듈에 전원을 공급하는 단자 홀더가 장착될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전극모듈은, 하우징의 수납공간과 대응되는 외경을 갖는 원판구조의 전극 조립체와 이보다 소정 길이만큼 작은 크기의 외경을 갖는 원판구조의 또 다른 전극 조립체가 둘 이상 적층된 구조이고, 상기 서로 다른 외경을 갖는 전극 조립체가 적층되어 형성되는 단차 부위에는, 전극 조립체 사이로 액상물질이 주입 또는 배출될 수 있는 출입유로가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전극모듈은, 액상물질 주입구와 대향하는 최외곽에 배치되고, 액상물질 주입구로부터 공급된 액상물질과 대향하는 면에 전극판이 장착되고, 타측면에 중심 방향으로 유동로가 형성된 제 1 전극 조립체; 상기 제 1 전극 조립체와 인접하여 적층되고, 제 1 전극 조립체와 대향하는 면에 전극판이 장착되고, 타측면에 중심 방향으로 유동로가 형성되어 있으며, 중심에 타측면으로 관통된 유동로가 형성된 제 2 전극 조립체; 상기 제 2 전극 조립체와 인접하여 적층되고, 제 2 전극 조립체와 대향하는 면에 전극판이 장착되고, 중심으로부터 방사형 유동로가 형성되며, 타측면에 전극판이 장착된 제 3 전극 조립체; 및 상기 제 3 전극 조립체와 인접하여 적층되고, 제 3 전극 조립체와 대향하는 면에 방사형 유동로가 형성되며, 타측면에 전극판이 장착된 제 4 전극 조립체;을 포함하는 구성일 수 있다.
이 경우, 상기 제 1 전극 조립체, 제 2 전극 조립체, 제 3 전극 조립체 및 제 4 전극 조립체에 장착되는 전극판에서, 서로 인접하여 배치되는 전극판은 서로 다른 극성일 수 있다.
또한, 상기 제 2 전극 조립체 및 제 4 전극 조립체의 외주면은 하우징의 수납공간과 대응되는 크기의 외경으로 형성되고, 상기 제 1 전극 조립체 및 제 3 전극 조립체의 외주면은, 제 2 전극 조립체 또는 제 4 전극 조립체의 외경보다 소정 길이만큼 작은 크기의 외경으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 서로 다른 외경을 갖는 전극 조립체가 적층되어 형성되는 단차 부위에는, 전극 조립체 사이로 액상물질이 주입 또는 배출될 수 있는 출입유로가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제 3 전극 조립체 및 제 4 전극 조립체에는 각각 서로 다른 극성의 전원공급단자가 하우징의 일측 외부로 소정 길이만큼 돌출되도록 장착되고, 상기 제 1 전극 조립체는 제 4 전극 조립체에 장착된 전원공급단자로부터 전원을 공급받으며, 상기 제 2 전극 조립체는 제 3 전극 조립체에 장착된 전원공급단자로부터 전원을 공급받을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전극 조립체는, 소정 크기의 외경으로 형성된 원판형 구조이고, 중심 부분에 소정 크기의 외경으로 만입되어 전극판 장착홈이 형성된 전극 장착몸체; 및 상기 전극판 장착홈에 장착되는 전극판;을 포함하는 구성일 수 있다.
이 경우, 상기 전극 장착몸체에는 중심으로부터 방사형 유동로가 형성되고, 상기 방사형 유동로는 전극판이 장착된 전극 장착몸체의 일측과 타측을 관통시켜 연결하는 관통구조일 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 전극모듈 최적화 장치를 포함하는 전기화학 반응시스템을 제공할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 전극모듈 최적화 장치에 따르면, 특정 구조의 하우징 및 전극모듈을 구비함으로써, 통전 가능한 액상물질에 전류를 공급하여 액상물질을 효과적으로 개질시킬 수 있고, 액상물질로 물과 액상촉매물질로 염화나트륨이 공급될 경우 차아염소산수를 효과적으로 발생시킬 수 있는 전극모듈 최적화 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 전극모듈 최적화 장치에 따르면, 하우징의 수납공간을 전극모듈의 외부형상과 대응되는 구조로 형성하고, 전극모듈과 마주하는 하우징 내부면에는 방사형 유동로를 형성함으로써, 하우징 내부를 유동하는 액상물질에 효과적으로 전류를 공급하여 반응을 일으킬 수 있으며, 결과적으로 액상물질을 효과적으로 개질시킬 수 있으며, 액상물질로 물과 액상촉매물질로 염화나트륨이 공급될 경우 차아염소산수를 효과적으로 발생시킬 수 있는 전극모듈 최적화 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 전극모듈 최적화 장치에 따르면, 하우징의 수납공간과 대응되는 외경을 갖는 원판구조의 전극판과 이보다 소정 길이만큼 작은 크기의 외경을 갖는 원판구조의 또 다른 전극판이 둘 이상 적층된 구조의 전극모듈을 구비하고, 서로 다른 외경을 갖는 전극판이 적층되어 형성되는 단차 부위에 전극판 사이로 액상물질이 주입 또는 배출될 수 있는 출입유로를 형성함으로써, 액상물질의 유동 방향을 다양한 방향으로 유도할 수 있고, 이에 따라 액상물질에 효과적으로 전류를 공급하여 반응을 일으킬 수 있으며, 결과적으로 액상물질을 효과적으로 개질시킬 수 있으며, 액상물질로 물과 액상촉매물질로 염화나트륨이 공급될 경우 차아염소산수를 효과적으로 발생시킬 수 있는 전극모듈 최적화 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 전극모듈 최적화 장치에 따르면, 특정 구조의 제 1 전극 조립체, 제 2 전극 조립체, 제 3 전극 조립체 및 제 4 전극 조립체를 구비함으로써, 액상물질의 유동 방향을 다양한 방향으로 유도할 수 있고, 이에 따라 액상물질에 효과적으로 전류를 공급하여 반응을 일으킬 수 있으며, 결과적으로 액상물질을 효과적으로 개질시킬 수 있으며, 액상물질로 물과 액상촉매물질로 염화나트륨이 공급될 경우 차아염소산수를 효과적으로 발생시킬 수 있는 전극모듈 최적화 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 전극모듈 최적화 장치에 따르면, 특정 구조의 방사형 유동로가 형성된 전극 장착몸체 및 전극판을 포함하는 전극 조립체를 구비함으로써, 액상물질에 효과적으로 전류를 공급하여 반응을 일으킬 수 있으며, 결과적으로 액상물질을 효과적으로 개질시킬 수 있으며, 액상물질로 물과 액상촉매물질로 염화나트륨이 공급될 경우 차아염소산수를 효과적으로 발생시킬 수 있는 전극모듈 최적화 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 차아염소산 생성 원리를 나타내는 모식도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 차아염소산 생성장치를 나타내는 구성도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 차아염소산 생성장치를 나타내는 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극모듈 최적화 장치를 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 전극모듈 최적화 장치에서 하우징을 분해한 상태를 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 4에 도시된 전극모듈 최적화 장치에서 하우징을 분해한 상태를 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 전극모듈을 분해한 모습을 나타낸 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극모듈 최적화 장치를 분해하여 나타낸 사시도이다.
도 9는 도 8에 도시된 전극모듈 최적화 장치를 또 다른 방향에서 바라본 상태를 나타낸 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 전극 조립체와 제 2 전극 조립체를 분해하여 나타낸 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 제 3 전극 조립체와 제 4 전극 조립체를 분해하여 나타낸 사시도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 전극 조립체를 나타낸 정면도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 전극 조립체를 나타낸 정면도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극모듈에 형성된 유동로를 따라 유동하는 액상물질의 유동흐름을 나타내는 모식도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극모듈 최적화 장치를 포함하는 전기화학 반응시스템을 나타내는 구성도이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극모듈 최적화 장치를 나타내는 사시도가 도시되어 있고, 도 5에는 도 4에 도시된 전극모듈 최적화 장치에서 하우징을 분해한 상태를 나타내는 사시도가 도시되어 있다. 또한, 도 6에는 도 4에 도시된 전극모듈 최적화 장치에서 하우징을 분해한 상태를 나타내는 사시도가 도시되어 있으며, 도 7에는 도 6에 도시된 전극모듈을 분해한 모습을 나타낸 사시도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 전극모듈 최적화 장치(100)는, 통전 가능한 액상물질에 전류를 공급하여 전기분해된 가스를 생성하는 장치로서, 특정 구조의 하우징(110), 둘 이상의 전극 조립체(130)가 적층된 구조의 전극모듈(120)을 구비함으로써, 통전 가능한 액상물질에 전류를 공급하여 액상물질을 효과적으로 개질시킬 수 있고, 액상물질로 물을 사용하고 액상물질에 전해질 예를 들어 염화나트륨을 용해시킬 경우 차아염소산수를 효과적으로 발생시킬 수 있는 전극모듈 최적화 장치를 제공할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 실시예에 따른 전극모듈 최적화 장치(100)를 구성하는 각 구성에 대해 상세히 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 하우징(110)은, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 양측에 액상물질 주입구(113) 및 액상물질 배출구(114)가 형성된 구조로서, 내부에 전극모듈(120)을 수납할 수 있는 수납공간이 형성된 구조이다.
이때, 하우징(110)의 수납공간은 전극모듈(120)의 외부형상과 대응되는 구조로 형성됨이 바람직하며, 전극모듈(120)과 마주하는 하우징(110) 내부면에는 방사형 유동로(141)가 형성될 수 있다. 보다 상세하게는, 하우징 내부면에 형성된 방사형 유동로에 전극 모듈(120)의 평면부가 맞닿아 유동로가 형성된다.
이 경우, 하우징(110)의 수납공간은 전극모듈(120)의 외주면과 대응되는 원통형 구조임이 바람직하다.
또한, 하우징(110)의 일측부에는, 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 수납공간 내부에 장착된 전극모듈(120)에 전원을 공급하는 전원공급 단자(150)와 전기적으로 결속되는 단자 홀더(153)가 소정 길이만큼 돌출되어 장착될 수 있다. 단자 홀더(153)는 하우징(110)의 일측부에 두 개가 각각 독립적으로 장착되며, 전극모듈(120) 측에 형성된 어노드 단자(151)와 캐소드 단자(152)로 구성된 전원공급 단자(150)와 각각 독립적으로 전기적 결속을 이룰 수 있다.
본 실시예에 따른 전극모듈(120)은, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 둘 이상의 전극 조립체(130)가 적층된 구조로서, 원판구조의 전극 조립체(130)가 둘 이상 적층된 구조임이 바람직하다.
이러한 구조의 전극모듈(120)은, 하우징(110)의 수납공간에 장착될 수 있다. 이때, 전극모듈(120)은, 액상물질 주입구(113)를 통해 공급된 액상물질이 전극 조립체(130)의 표면을 지나 액상물질 배출구(114)로 유동할 수 있도록, 적층면을 따라 방사형 유동로(140)를 포함하는 구조일 수 있다.
또 다른 실시예로서, 평면상으로 보았을 때 다각형 구조의 전극 조립체(130)를 구성할 경우, 하우징(110)의 수납공간 역시 이와 대응되는 구조로 형성함이 바람직하다.
도 8에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극모듈 최적화 장치를 분해하여 나타낸 사시도가 도시되어 있고, 도 9에는 도 8에 도시된 전극모듈 최적화 장치를 또 다른 방향에서 바라본 상태를 나타낸 사시도가 도시되어 있다. 또한, 도 10에는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 전극 조립체와 제 2 전극 조립체를 분해하여 나타낸 사시도가 도시되어 있으며, 도 11에는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 3 전극 조립체와 제 4 전극 조립체를 분해하여 나타낸 사시도가 도시되어 있다.
도 12에는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 전극 조립체를 나타낸 정면도가 도시되어 있고, 도 13에는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 전극 조립체를 나타낸 정면도가 도시되어 있다. 또한, 도 14에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극모듈에 형성된 유동로를 따라 유동하는 액상물질의 유동흐름을 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 전극모듈(120)은, 도 14에 도시된 바와 같이, 하우징(110)의 수납공간과 대응되는 외경을 갖는 원판구조의 전극 조립체(130)와 이보다 소정 길이만큼 작은 크기의 외경을 갖는 원판구조의 또 다른 전극 조립체(130)가 둘 이상 적층된 구조일 수 있다.
이때, 서로 다른 외경을 갖는 전극 조립체(130)가 적층되어 형성되는 단차 부위에는, 전극 조립체(130) 사이로 액상물질이 주입 또는 배출될 수 있는 출입유로(142)가 형성됨이 바람직하다.
본 실시예에 따른 전극모듈(120)은, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 특정 구조의 제 1 전극 조립체(131), 제 2 전극 조립체(132), 제 3 전극 조립체(133) 및 제 4 전극 조립체(134)를 포함하는 구성일 수 있다.
구체적으로, 제 1 전극 조립체(131)는, 액상물질 주입구(113)와 대향하는 최외곽에 배치되고, 액상물질 주입구(113)로부터 공급된 액상물질과 대향하는 면에 전극판(161)이 장착되고, 타측면에 중심 방향으로 유동로(140)가 형성된 구조일 수 있다.
제 1 전극 조립체(131)는, 측면에서 보았을 때 방사형 스포크 구조가 형성된 원판형 구조의 전극 장착몸체(135-1)의 일측에 전극판(161)을 장착한 구조일 수 있다.
전극 장착몸체(135-1)에 중심에는 관통구(D1)이 형성될 수 있다. 이때, 제 2 전극 조립체(132)에 장착되는 전극판(162)의 중심에도 관통구(D2)가 형성될 수 있으며, 이 경우, 전극판(162)에 형성된 관통구(D2)의 내경은 전극 장착몸체(135-1)에 형성된 관통구(D1)의 내경보다 소정 크기만큼 크게 형성됨이 바람직하다. 이러한 구조의 관통구(D1, D2)를 통해 액상물질이 유동할 수 있다.
또한, 제 2 전극 장착몸체(135-2)에 형성된 출입유로(142-2)는 제 1 전극 조립체(131)의 전극 장착몸체(135-1)에 형성된 관통구(137)와 대응되는 위치에 형성됨이 바람직하다.
경우에 따라서, 도 10에 도시된 바와 같이, 통전 가능한 소재로 구성된 메쉬부재(161-1)를 전극판(161) 일측에 부착하여 유입된 액상물질에 전류를 더욱 효과적으로 공급할 수 있다.
제 2 전극 조립체(132)는, 제 1 전극 조립체(131)와 인접하여 적층되고, 제 1 전극 조립체(131)와 대향하는 면에 전극판(162)이 장착되고, 타측면에 중심 방향으로 유동로(140)가 형성되어 있으며, 중심에 타측면으로 관통된 유동로(143)가 형성된 구조일 수 있다.
제 3 전극 조립체(133)는, 제 2 전극 조립체(132)와 인접하여 적층되고, 제 2 전극 조립체(132)와 대향하는 면에 전극판(163)이 장착되고, 중심으로부터 방사형 유동로(140)가 형성되며, 타측면에 전극판(164)이 장착된 구조일 수 있다.
제 4 전극 조립체(134)는, 제 3 전극 조립체(133)와 인접하여 적층되고, 제 3 전극 조립체(133)와 대향하는 면에 방사형 유동로(140)가 형성되며, 타측면에 전극판(165)이 장착된 구조일 수 있다.
또한, 서로 다른 외경을 갖는 전극 조립체(130)가 적층되어 형성되는 단차 부위에는, 전극 조립체(130) 사이로 액상물질이 주입 또는 배출될 수 있는 출입유로(142)가 형성됨이 바람직하다.
이러한 구조를 포함하는 본 실시예에 따른 전극모듈(120)은, 도 14에 도시된 바와 같이, 액상물질의 유동 방향을 다양한 방향으로 유도할 수 있다.
구체적으로, 도 14에 도시된 바와 같이, 전극모듈(120)에 형성된 방사형 유동로(140)를 따라 유동하는 액상물질은, 전극 조립체(130)의 중심을 향해 수렴되거나 확산되는 유동을 반복함으로써, 액상물질에 효과적으로 전류가 공급되어 효과적인 전기분해작용을 일으킬 수 있다.
이때, 각각의 전극 조립체(131, 132, 133, 134)에는 특정 위치에 전극판(161, 162, 163, 164)을 배치함으로써, 다양한 방향으로 유동하는 액상물질에 효과적으로 전류를 공급하여 전기분해작용을 일으킬 수 있으며, 액상물질로 염화나트륨이 용해된 물을 공급하는 경우, 차아염소산수를 효과적으로 발생시킬 수 있고, 액상물질의 개질화 역할을 효과적으로 수행할 수 있는 전극모듈 최적화 장치를 제공할 수 있다.
구체적으로, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 제 1 전극 조립체(131), 제 2 전극 조립체(132), 제 3 전극 조립체(133) 및 제 4 전극 조립체(134)에 장착되는 전극판(161, 162, 163, 164)에서, 서로 인접하여 배치되는 전극판(161-162, 162-163, 163-164, 164-165)은 서로 다른 극성임이 바람직하다.
이때, 도 14에 도시된 바와 같이, 제 2 전극 조립체(132) 및 제 4 전극 조립체(134)의 외주면은 하우징(110)의 수납공간과 대응되는 크기의 외경으로 형성됨이 바람직하다. 이와 동시에, 제 1 전극 조립체(131) 및 제 3 전극 조립체(133)의 외주면은, 제 2 전극 조립체(132) 또는 제 4 전극 조립체(134)의 외경보다 소정 길이만큼 작은 크기의 외경으로 형성됨이 바람직하다.
한편, 제 3 전극 조립체(133) 및 제 4 전극 조립체(134)에는 각각 서로 다른 극성의 전원공급단자(150)가 하우징(110)의 일측 외부로 소정 길이만큼 돌출되도록 장착될 수 있다. 이때, 제 1 전극 조립체(131)는 제 4 전극 조립체(134)에 장착된 전원공급단자(151)로부터 전원을 공급받을 수 있으며, 제 2 전극 조립체(132)는 제 3 전극 조립체(133)에 장착된 전원공급단자(152)로부터 전원을 공급받을 수 있다.
이때, 너트(154)는 전원공급단다(151, 152)와 쳬결되어 전극모듈(120)를 일체로 결합시킬 수 있다.
이하에서는 각각의 전극 조립체(131, 132, 133, 134)의 구조에 대해 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 각각의 전극 조립체(130: 131, 132, 133, 134)는, 특정 구조의 전극 장착몸체(135: 135-1, 135-2, 135-3, 135-4) 및 전극판(160: 161, 161-1, 162, 163, 164)을 포함하는 구성일 수 있다.
구체적으로, 전극 장착몸체(135: 135-1, 135-2, 135-3, 135-4)는, 소정 크기의 외경으로 형성된 원판형 구조이고, 중심 부분에 소정 크기의 외경으로 만입되어 전극판 장착홈(136)이 형성된 구조임이 바람직하다. 이때, 전극판 장착홈(136)에 전극판(160: 161, 161-1, 162, 163, 164)이 안정적으로 장착될 수 있다.
또한, 전극 장착몸체(135)에 형성된 방사형 유동로(140)는, 도 12 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 전극판(160)이 장착된 전극 장착몸체(135)의 일측과 타측을 관통시켜 연결하는 관통구조임이 바람직하다. 이 경우, 방사형 유동로(140)를 따라 유동하는 액상물질에 전류를 효과적으로 공급할 수 있어, 전기분해된 가스의 생성 효율을 현저히 향상시킬 수 있다.
이때, 본 실시예에 따른 방사형 유동로(140)는, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 방사형 구조 및 절곡된 구조를 동시에 포함하는 구조일 수 있다. 이 경우, 액상물질의 유동에 많은 와류를 형성시킬 수 있어, 액상물질에 전류를 효과적으로 공급할 수 있어 결과적으로 전기분해 작용을 극대화 시킬 수 있다.
도 15에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극모듈 최적화 장치를 포함하는 전기화학 반응시스템을 나타내는 구성도가 도시되어 있다.
도 15를 참조하면, 본원 발명은 상기 전극모듈 최적화 장치(100)를 포함하는 전기화학 반응시스템을 제공할 수 있는 바, 본 실시예에 따른 전기화학 반응시스템은, 중합반응, 에멀젼 등 다른 재료의 개질화 분야에도 적절히 활용될 수 있다.
특히 전기화학 반응시스템에 활용되는 통전 가능한 액상물질은, 식염수, 연료, 살충제, 살균제, 제약, 화장품 코팅제, 음료수, 기능수 및 오폐수를 예로 들 수 있다.
전기화학 반응시스템에 장착된 전극모듈 최적화 장치(100)는, 제어부, 압축기, 펌프, 농도센서, 액상촉매물질 공급부 및 액상물질 공급부를 포함하는 구성일 수 있다.
구체적으로, 압축기는, 전극모듈 최적화 장치(100)에 기체촉매물질을 제공하는 구성으로서, 유량밸브의 개폐동작에 의해 제공량이 제어된다. 상기 언급한 기체촉매물질로서 산화기체(공기, 수소, 산소, 오존), 케이러 가스(질소, 이산화탄소, 아르곤, 헬륨)를 예로 들 수 있다.
액상촉매물질 공급부는, 유화제, 염화나트륨, 수산화나트륨과 같은 액상 촉매물질을 펌프를 통해 전극모듈 최적화 장치(100)에 제공할 수 있다.
액상물질 공급부는, 전극모듈 최적화 장치(100) 내부로 유동하게 되는 통전 가능한 액상물질을 공급하는 구성이다.
제어부는 농도센서로부터 검출된 데이터를 바탕으로 정량펌프, 유량밸브, 솔레노이드 펌프 및 전극모듈 최적화 장치(100)의 출력을 제어할 수 있다.
제어부는 농도센서로부터 실시간으로 검출된 데이터를 바탕으로 액상물질의 공급량, 액상 촉매물질의 공급량, 기체촉매물질의 공급량 및 전극모듈 최적화 장치에 제공되는 전력량을 제어함으로써, 생성되는 차아염소산 가스의 농도를 기설정된 범위 내로 손쉽고 안정적으로 제어할 수 있다.
경우에 따라서, 본 실시예에 따른 전기화학 반응시스템은 특정 작용기전을 통해 다양한 유체물질을 의도하는 특성으로 개질시킬 수 있다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 전기화학 반응시스템의 작용기전은, 개질화하고자 하는 액상물질을 소정 크기의 압력으로 가압한 상태에서 전기분해 또는 플라즈마를 가하는 조건을 가진다. 이때, 전기분해 또는 플라즈마를 가하는 과정에서 기체가 발생하면서 발생환경을 조성한다. 다음 조건으로서, 개질화하고자 하는 액상물질을 소정 크기의 압력으로 가압한 상태에서 특정 기체를 주입한 후 전기분해 또는 플라즈마를 가하는 조건이다. 상기 언급한 특정 기체는, 플라즈마 발생환경을 조성하기 위한 기체로서, 수소, 산소, 오존, 질소, 이산화탄소, 알곤, 유기물가스, 메탄가스 등을 예로 들 수 있다.
이때, 상기 언급한 액상물질을 소정 크기의 압력을 가압할 겨우, 액상물질은 유기물질이 될 수 있고, 경우에 따라서, 유기물질과 무기물질을 혼합한 유체일 수 있다. 또한, 상기 언급한 액상물질은 점도에 따라 유동성을 원활하게 유지하기 위해 가열될 수 있으며, 반응환경에 따라 유기물질 또는 유기물질과 무기물질을 혼합한 유체가 가열될 수 있다.
본 실시예에 따른 전기화학 반응시스템을 이용하여 생성하거나 합성하거나 분해할 수 있는 물질을 다음 [표 1]에 정리하였다.
[표 1]
Figure pat00001
따라서, 본 실시예에 따른 전기화학 반응시스템은, 전기화학적 고도산화공정에 활용될 수 있다. 구체적으로, 전기화학적 산화반응에 기초한 오염물질의 분해는 불용성 전극 표면에 흡착된 수산화 라디칼과 오염물질 사이의 전자 전달에 의해 분해되는 직접 양극산화와 전해반응에 의해 생성될 수 있는 차아염소산, 오존, 과산화수소 또는 산화된 금속 이온과 같은 강한 산화제에 의해서 분해되는 간접산화에 의해 일어나는 것으로서, 본 실시예에 따른 전기화학 반응시스템을 적절히 활용할 수 있다.
이에 더하여, 본 실시예에 따른 전기화학 반응시스템은, 더욱 더 다양한 분야에서 활용될 수 있는 바, 물정화를 위한 수중방전 장치(대한민국특허 공개번호 제10-2012-136884호), 저온플라즈마 방전을 이용한 난분해성 유기물 처리 장치 및 방법, 플라즈마 수중 방전 기법을 이용한 난분해성 유기물 처리 장치 및 방법(대한민국특허 공개번호 제10-2015-0062407호), 하수처리를 위한 전기화학 반응의 적용, 최적처리조건의 결정, 강원대학교 환경생물공학부/한림대학교 환경생명과학연구소/현대정공기술연구소, 플라즈마 전기화학적 나노물질 합성 및 응용(주관부처 : 산업통상자원부, 사업관리기관: 국가핵융합연구소 연구사업), 유기 전기분해 합성을 이용한 신규 생물활성물질 제조, 저온플라즈마를 이용한 화학반응공정 기술개발, 수중방전을 이용한 구리나노 입자와 나노잉크의 제조방법(대한민국특허 공개번호 제10-2015-0090262호), 수중방전을 통한 희귀금속 분리 방법 (대한민국특허 공개번호 제10-2014-0084550호), 담수수질의 조류제거를 위한 전극 및 전극모듈 최적화 기술개발(주관부처 : 환경부, 테크로스/경희대학교) 등의 기술문헌에 게시된 목적을 달성할 수 있다.
이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
즉, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
100: 전극모듈 최적화 장치
110: 하우징
111: 제 1 하우징
112: 제 2 하우징
113: 액상물질 주입구
114: 액상물질 배출구
120: 전극모듈
130: 전극조립체(131, 132, 133, 134)
131: 제 1 전극 조립체
132: 제 2 전극 조립체
133: 제 3 전극 조립체
134: 제 4 전극 조립체
135: 전극 장착몸체(135-1, 2, 3, 4)
135-1: 전극 장착몸체(제 1 전극 조립체의 구성)
135-2: 전극 장착몸체(제 2 전극 조립체의 구성)
135-3: 전극 장착몸체(제 3 전극 조립체의 구성)
135-4: 전극 장착몸체(제 4 전극 조립체의 구성)
136: 전극판 장착홈
137: 관통구
138: 단자인입구
140: 방사형 유동로(전극 조립체 적층면에 형성)
141: 방사형 유동로(하우징 내부면에 형성)
142: 출입유로
142-1: 출입유로(제 1 전극 조립체에 형성)
142-2: 출입유로(제 2 전극 조립체에 형성)
142-3: 출입유로(제 3 전극 조립체에 형성)
142-4: 출입유로(제 4 전극 조립체에 형성)
143: 유동로(제 2 전극 조립체의 중심에 관통되어 형성)
144: 유동로(제 3 전극 조립체의 중심에 관통되어 형성)
145: 유동로(제 4 전극 조립체의 중심에 관통되어 형성)
150: 전원공급 단자
151: 어노드 단자(anode terminal)
152: 캐소드 단자(cathode terminal)
153: 단자 홀더(terminal holder)
154: 너트
160: 전극판(161, 161-1, 162, 163, 164의 통칭)
161: 전극판(제 1 전극 조립체의 구성)
161-1: 매쉬부재(제 1 전극 조립체의 구성)
162: 전극판(제 2 전극 조립체의 구성)
163: 전극판(제 3 전극 조립체의 구성)
164: 전극판(제 3 전극 조립체의 구성)
165: 전극판(제 4 전극 조립체의 구성)
170: 실링부재

Claims (14)

  1. 통전 가능한 액상물질에 전류를 공급하여 액상물질을 개질시키는 전극모듈 최적화 장치(100)로서,
    양측에 액상물질 주입구(113) 및 액상물질 배출구(114)가 형성되고, 내부에 전극모듈(120)을 수납할 수 있는 수납공간이 형성된 하우징(110); 및
    상기 하우징(110) 내부에 장착되고, 둘 이상의 전극 조립체(130)가 적층된 구조이며, 액상물질 주입구(113)를 통해 공급된 액상물질이 전극 조립체(130)의 표면을 지나 액상물질 배출구(114)로 유동할 수 있도록, 적층면을 따라 방사형 유동로(140)가 형성된 전극모듈(120);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극모듈 최적화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극모듈(120)에 형성된 유동로(140)는, 측면에서 보았을 때 중심으로부터 외주 방향으로 방사되는 구조인 것을 특징으로 하는 전극모듈 최적화 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징(110)의 수납공간은 전극모듈(120)의 외부형상과 대응되는 구조로 형성되고,
    상기 전극모듈(120)과 마주하는 하우징(110) 내부면에는 방사형 유동로(141)가 형성된 것을 특징으로 하는 전극모듈 최적화 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전극모듈(120)은 원판구조의 전극 조립체(130)가 둘 이상 적층된 구조이며,
    상기 하우징(110)의 수납공간은 전극모듈(120)의 외주면과 대응되는 원통형 구조인 것을 특징으로 하는 전극모듈 최적화 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징(110)의 일측부에는 수납공간 내부에 장착된 전극모듈(120)에 전원을 공급하는 단자 홀더(150)가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 전극모듈 최적화 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극모듈(120)은, 하우징(110)의 수납공간과 대응되는 외경을 갖는 원판구조의 전극 조립체(130)와 이보다 소정 길이만큼 작은 크기의 외경을 갖는 원판구조의 또 다른 전극 조립체(130)가 둘 이상 적층된 구조이고,
    상기 서로 다른 외경을 갖는 전극 조립체(130)가 적층되어 형성되는 단차 부위에는, 전극 조립체(130) 사이로 액상물질이 주입 또는 배출될 수 있는 출입유로(142)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극모듈 최적화 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극모듈(120)은,
    액상물질 주입구(113)와 대향하는 최외곽에 배치되고, 액상물질 주입구(113)로부터 공급된 액상물질과 대향하는 면에 전극판(161)이 장착되고, 타측면에 중심 방향으로 유동로(140)가 형성된 제 1 전극 조립체(131);
    상기 제 1 전극 조립체(131)와 인접하여 적층되고, 제 1 전극 조립체(131)와 대향하는 면에 전극판(162)이 장착되고, 타측면에 중심 방향으로 유동로(140)가 형성되어 있으며, 중심에 타측면으로 관통된 유동로(143)가 형성된 제 2 전극 조립체(132);
    상기 제 2 전극 조립체(132)와 인접하여 적층되고, 제 2 전극 조립체(132)와 대향하는 면에 전극판(163)이 장착되고, 중심으로부터 방사형 유동로(140)가 형성되며, 타측면에 전극판(164)이 장착된 제 3 전극 조립체(133); 및
    상기 제 3 전극 조립체(133)와 인접하여 적층되고, 제 3 전극 조립체(133)와 대향하는 면에 방사형 유동로(140)가 형성되며, 타측면에 전극판(165)이 장착된 제 4 전극 조립체(134);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극모듈 최적화 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 조립체(131), 제 2 전극 조립체(132), 제 3 전극 조립체(133) 및 제 4 전극 조립체(134)에 장착되는 전극판(161, 162, 163, 164)에서, 서로 인접하여 배치되는 전극판(161-162, 162-163, 163-164, 164-165)은 서로 다른 극성인 것을 특징으로 하는 전극모듈 최적화 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 전극 조립체(132) 및 제 4 전극 조립체(134)의 외주면은 하우징(110)의 수납공간과 대응되는 크기의 외경으로 형성되고,
    상기 제 1 전극 조립체(131) 및 제 3 전극 조립체(133)의 외주면은, 제 2 전극 조립체(132) 또는 제 4 전극 조립체(134)의 외경보다 소정 길이만큼 작은 크기의 외경으로 형성된 것을 특징으로 하는 전극모듈 최적화 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 서로 다른 외경을 갖는 전극 조립체(130)가 적층되어 형성되는 단차 부위에는, 전극 조립체(130) 사이로 액상물질이 주입 또는 배출될 수 있는 출입유로(142)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극모듈 최적화 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 3 전극 조립체(133) 및 제 4 전극 조립체(134)에는 각각 서로 다른 극성의 전원공급단자(150)가 하우징(110)의 일측 외부로 소정 길이만큼 돌출되도록 장착되고,
    상기 제 1 전극 조립체(131)는 제 4 전극 조립체(134)에 장착된 전원공급단자(151)로부터 전원을 공급받으며,
    상기 제 2 전극 조립체(132)는 제 3 전극 조립체(133)에 장착된 전원공급단자(152)로부터 전원을 공급받는 것을 특징으로 하는 전극모듈 최적화 장치.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 전극 조립체(130)는,
    소정 크기의 외경으로 형성된 원판형 구조이고, 중심 부분에 소정 크기의 외경으로 만입되어 전극판 장착홈(136)이 형성된 전극 장착몸체(135); 및
    상기 전극판 장착홈(136)에 장착되는 전극판(160);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극모듈 최적화 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전극 장착몸체(135)에는 중심으로부터 방사형 유동로(140)가 형성되고,
    상기 방사형 유동로(140)는 전극판(160)이 장착된 전극 장착몸체(135)의 일측과 타측을 관통시켜 연결하는 관통구조인 것을 특징으로 하는 전극모듈 최적화 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 전극모듈 최적화 장치(100)를 포함하는 전기화학 반응시스템.
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