KR20210114806A - 분리막의 내구성을 증진시키는 전기분해 모듈 및 이를 이용한 수소수 생성기 - Google Patents

Abstract

본원발명은 수소수(水素水) 생성기 또는 수소수 발생기 및 이에 사용되는 물의 전기분해 모듈에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 관리가 용이하고, 사용에 따른 분리막의 변형을 방지하며, 분해·분리된 산소를 원활하게 배출할 수 있는 물의 전기분해 모듈의 구조와 이를 이용한 수소수 생성기에 관한 것이다.
본원발명은 전기분해 모듈 상부 덮개, 상기 전기분해 모듈 상부 덮개의 저면에 방수가 되도록 견고하게 부착되는 상부 전극판, 상기 상부 전극판 아래에 위치하는 분리막, 상기 분리막의 저면에 위치하는 하부 전극판을 포함하는 개량된 전기분해 모듈을 제시한다.
본원발명에 따르면 수소수 생성 효율이 증대되고, 산소가 기체 상태로 포집되어 배출되도록 하므로 기기의 유지 관리를 용이하다. 본원발명의 분리막 접촉 돌기와 분리막 지지 돌기는 분리막의 변형을 방지하여 수소수 생성기의 성능을 지속적으로 유지될 수 있도록 하며, 분리막의 내구성을 증대시킨다. 본원발명의 전기분해 모듈 바닥 덮개 구조는 최소한의 높이로 수소수 생성기를 설계할 수 있도록 하면서도, 산소 가이드 홈으로 산소를 원활하게 밖으로 배출할 수 있도록 한다.

Description

분리막의 내구성을 증진시키는 전기분해 모듈 및 이를 이용한 수소수 생성기{ELECTROLYSIS MODULE TO IMPROVE THE DURABILITY OF THE MEMBRANE AND HYDROGEN WATER GENERATOR USING THE SAME}

본원발명은 수소수(水素水) 생성기 또는 수소수 발생기 및 이에 사용되는 물의 전기분해 모듈에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 관리가 용이하고, 사용에 따른 분리막의 변형을 방지하며, 분해·분리된 산소를 원활하게 배출할 수 있는 물의 전기분해 모듈의 구조와 이를 이용한 수소수 생성기에 관한 것이다.

수소수가 활성산소를 제거하는 수단으로 각광을 받고 있다. 일반적으로 활성산소(活性酸素)는 체내 대사 과정에서 발생되는 산화력이 높은 산소로서, 공격력이 강한 산소이며 각종 질병과 노화의 원인이 된다. 따라서 체내의 활성산소를 제거해 줄 필요가 있다.

통상적으로 수소(H)는 수소 원자 2개가 결합한 분자 상태(H₂)로 존재하나, 드물게 수소 원자 간의 분자 결합이 와해하여 수소 원자가 단독으로 존재하는 경우가 발생하게 되는데, 이렇게 단독으로 존재하는 수소 원자를 활성수소(活性水素)라고 지칭한다. 이러한 활성수소는 체내의 활성산소와 결합하여 물을 생성하므로 체내의 활성산소를 제거할 수 있다.

활성수소로 활성산소를 제거하는 것이 바람직한 이유는 다음과 같다. 모든 활성산소가 인체에 해로운 것은 아니며, 활성산소에는 슈퍼옥시드, 과산화수소, 히드로키즈, 라디칼 등의 종류가 있는데, 슈퍼옥시드나 과산화수소 등 산화력이 약한 활성산소는 인체에 필요한 활동을 하여, 혈관의 확장, 신경 전달, 정자의 형성, 암의 방어, 면역력의 증강 등에 역할을 한다. 따라서 활성산소를 모두 제거하면 오히려 인체에 여러 가지 지장을 주게 되므로, 산화력이 강한 활성산소만을 선택적으로 제거할 필요가 있다. 수소는 인체에 필요한 산화력이 약한 활성산소와는 반응하지 않고 세포나 유전자를 공격하는 산화력이 강한 히드로키즈, 라디칼을 선택적으로 환원할 수 있기 때문에 해로운 활성산소를 제거하는 데에 적합하다. 또한, 활성산소 이외에도 활성탄소가 호흡 스트레스, 식품 첨가물, 음주, 흡연, 격렬한 운동, 자외선 등으로 체내에서 불가결하게 축적되는데, 다량이 축적되는 경우 산화작용이 특히 강하여 체내를 산화시킬 수 있으며, 이는 노화 및 질병의 원인이 될 수 있다. 수소수는 이러한 활성탄소도 제거할 수도 있다. 수소가 체내에 들어가면 탄소의 작용으로 수소로 분해되고 원자수소는 과잉탄소와 결합하여 물로 변환시킴으로써 과잉탄소를 체외로 배출할 수 있다.

이와 같이 체내에서 활성산소를 제거할 수 있는 활성수소의 농도를 높인 물을 '수소수'(水素水, hydrogen water)라 칭하며(즉, 수소가 높은 용존량으로 용해된 물), '생명수'라고도 불리는 이런 수소수를 생성하는 장치를 '수소수 생성기' 또는 '수소수 발생기'라 한다. 즉, 수소수 생성기는 원수의 산화환원전위(ORP, Oxidation Reduction Potential)를 낮추는 기능을 하는 장치라고 할 수 있다.

일반적으로, 수소수는 물의 전기분해를 이용하는 전해 방식과, 수소보다 이온화 경향이 큰 금속을 이용하는 무전해 방식으로 제조되고 있으며, 음용 목적의 수소수 생성기는 전해 방식으로 제조되는 것이 일반적이다. 본원발명은 물의 전기분해를 이용한 수소수 생성기에 관한 것이다. 이하 본 명세서에서 수소수 생성기는 물의 전기분해를 이용한 것을 지칭한다.

수소수 생성기는 전해조의 원수를 전기 분해하여 수소와 산소로 분리한다. 일반적으로, 물의 전기분해는 전기에너지를 이용하여 비자발적인 반응을 일으키는 것으로서, 전기분해 시 (-)극에서는 (+)이온이 환원되고, (+)극에서는 (-)이온이 산화된다. 즉, (+)극은 산화반응이 일어나 산소를 얻을 수 있고(anode), (-)극에서는 환원반응이 일어나 수소를 얻을 수 있다(cathode).

공개특허공보 제2011-0052404호 (출원번호 제2009-0119757호) "수소수 냉온수기 및 수소수 정수기"는 미리 정해진 농도에 따라 수소수를 생성할 수 있으며, 낭비되는 물이 없이 필요한 양만큼 필요한 농도로 수소수를 생성할 수 있는 수소수 정수기를 제공한다. 수소수를 생성한다는 점에서 본원발명과 공통점이 있지만, 본원발명은 내구성을 확보하기 위하여 구체적인 산소분해 모듈을 제시한다는 점에서 차이가 있다.

등록특허공보 제2051556호 (출원번호 제2019-0084035호) "수소수 생성용 보틀"은 음전극, 양전극, 이온교환막 등을 이용하여 수소수를 생성한다는 점에서 본원발명과 공통점이 있다. 하지만 본 선행발명은 이온 교환막이 노출 구멍이 형성된 양전극이나 음전극에 그대로 노출되므로 사용에 따라 이온 교환막의 변형이 발생하는 문제가 있다.

공개특허공보 제2011-0052404호 (출원번호 제2009-0119757호) 등록특허공보 제2051556호 (출원번호 제2019-0084035호)

본원발명은 물의 전기분해를 통한 수소수 생성에 있어서, 수소수 생성 효율을 높이고, 쉬운 유지 관리가 가능한 수소수 생성기 구조를 제시하고자 한다.

본원발명은 사용에 따른 분리막의 변형을 방지하는 구조를 제안하고자 한다.

본원발명은 공간 효율을 높이기 위하여 전극판을 밀착시켜 덮는 전기분해 모듈 바닥 덮개의 구조를 개시하고, 상기 전기분해 모듈 바닥 덮개가 있어도 전기분해로 발생하는 산소가 원활하게 배출될 수 있는 구조를 제안하고자 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본원발명은 원수를 넣을 수 있는 개방부; 상기 원수를 수소분해하여 수소수를 생성하는 전해조; 상기 원수를 분해하여 수소를 생성하여, 상기 수소가 상기 원수에 용해되도록 함으로써 상기 수소수가 생성되도록 하는 전기분해 모듈을 포함하는 수소수 생성기를 제공하는데, 상기 전기분해 모듈은 전해조의 원수가 통과하는 원수 유입부가 형성된 전기분해 모듈 상부 덮개, 상기 전기분해 모듈 상부 덮개의 저면에 방수가 되도록 견고하게 부착되는 상부 전극판, 상기 상부 전극판 아래에 위치하는 분리막, 상기 분리막의 저면에 위치하는 하부 전극판을 포함한다. 또한, 상기 하부 전극판은 상기 분리막의 저면에 밀착되고, 상기 하부 전극판에는 분해되어 유도되는 산소를 배출하는 다수의 통공이 형성되어 있으며, 상기 상부 전극판에는 분해된 산소가 상기 분리막을 통하여 하부 전극판으로 유도될 수 있도록 위아래로 통하는 다수의 구멍인 상부 전극판 접촉공이 형성되어 있고; 상기 상부 전극판과 상기 분리막을 이격시키는 띄움재를 더 포함하여 상기 상부 전극판과 상기 분리막 사이에 원수층을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 수소수 생성기의 상기 원수 유입부에는 안전 그릴이 형성되어 있고, 상기 안전 그릴 저면에는 분리막 접촉 돌기가 형성되며, 상기 분리막 접촉 돌기는 상기 상부 전극판 접촉공에 대응하여 돌출되며, 상기 분리막 접촉 돌기의 아랫면이 상기 상부 전극판 접촉공을 지나 상기 분리막의 위에 위치하여 상기 분리막의 변형을 막되, 상기 분리막 접촉 돌기의 외주는 상기 상부 전극판 접촉공의 내측면과 이격되어 상기 원수가 그 간격으로 유입될 수 있도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 수소수 생성기의 상기 산소분해 모듈 바닥 덮개에는 분리막 지지 돌기가 형성되고, 상기 분리막 지지 돌기는 상기 하부 전극판 통공에 대응하여 돌출되며, 상기 분리막 지지 돌기의 윗면이 상기 하부 전극판 통공을 지나 상기 분리막을 지지하여 상기 분리막의 변형을 막되, 상기 분리막 지지 돌기의 외주는 상기 하부 전극판 통공의 내측면과 이격되어 산소가 그 간격으로 배출될 수 있도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 수소수 생성기는 상기 하부 전극판으로 분해, 분리되어 상기 하부 전극판 통공에 있는 산소를 배출하는 산소 배출공이 상기 모듈 바닥 덮개에 형성되며, 전기분해 모듈 바닥 덮개에는 상기 하부 전극판 통공의 산소를 배출하기 위해서 상기 산소를 상기 산소 배출공으로 유도하는 것으로서, 상기 하부 전극판 통공에 대응하여 상기 전기분해 바닥 덮개의 윗면이 함돌되어 상기 산소 배출공으로 연결되는 산소 가이드 홈이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.

한편, 본원발명은 원수를 넣을 수 있는 개방부, 원수를 수소분해하여 수소수를 생성하는 전해조를 포함하는 수소수 생성기에 사용되는 것으로서, 상기 원수를 분해하여 수소를 생성하여 상기 수소가 상기 원수에 용해되도록 함으로써 상기 수소수가 생성되도록 하는 수소수 생성기용 전기분해 모듈도 새롭게 제공한다. 상기 수소수 생성기용 전기분해 모듈은; 전해조의 원수가 통과하는 유입구가 형성된 전기분해 모듈 상부 덮개; 상기 전기분해 모듈 상부 덮개의 저면에 방수가 되도록 견고하게 부착되는 상부 전극판; 상기 상부 전극판 아래에 위치하는 분리막; 상기 분리막의 저면에 위치하는 하부 전극판을 포함하되, 상기 하부 전극판은 상기 분리막의 저면에 밀착되고, 상기 하부 전극판에는 분해되어 유도되는 산소를 배출하는 다수의 통공이 형성되어 있으며, 상기 상부 전극판에는 분해된 산소가 상기 분리막을 통하여 하부 전극판으로 유도될 수 있도록, 위아래로 통하는 다수의 구멍인 상부 전극판 접촉공이 형성되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.

본원발명에 따르면 띄움재 등의 구성에 의하여 수소수 생성 효율이 증대된다. 본원발명에 따르면 산소가 발생되는 부분을 전해조와 별도로 구분하여 산소가 기체 상태로 포집되어 배출되도록 하므로 기기의 유지 관리를 용이하게 한다.

본원발명의 분리막 접촉 돌기와 분리막 지지 돌기는 분리막의 변형을 방지하여 수소수 생성기의 성능을 지속적으로 유지될 수 있도록 하며, 분리막의 내구성을 증대시킨다.

본원발명의 전기분해 모듈 바닥 덮개 구조는 최소한의 높이로 수소수 생성기를 설계할 수 있도록 하면서도, 산소 가이드 홈으로 산소를 원활하게 밖으로 배출할 수 있도록 한다.

도 1은 본원발명에 따른 수소수 생성기의 일 실시 예의 외관을 비스듬하게 보인 것이다. 도 2는 본원발명에 따른 수소수 생성기의 상부를 뚜껑 없이 위에서 보인 것이다.
도 3은 본원발명에 따른 수소수 생성기를 아래에서 비스듬하게 보인 것이다. 도 4는 본원발명에 따른 수소수 생성기의 하부 하우징을 분리해서 그 내부의 전기분해 모듈을 보인 것이다. 도 5는 본원발명에 따른 일 실시 예인 수소수 생성기의 전기분해 모듈 바닥 덮개를 분리한 것을 개념적으로 보인 것이다.
도 6은 본원발명에 따른 일 실시 예인 수소수 생성기의 전기분해 모듈을 분해하여 보인 개념도이다. 도 7은 도 6을 비스듬하게 보인 것이고, 도 8은 도 7에 도시된 것 중 전기분해 모듈 부분만을 확대한 것이다.
도 9는 본원발명에 따른 일 실시 예인 수소수 생성기의 분리막 접촉 돌기를 보인 것이다.
도 10 내지 도 11은 본원발명에 따른 일 실시 예인 수소수 생성기의 전기분해 모듈 바닥 덮개를 설명하기 위한 것이다. 보다 구체적으로 도 10은 본원발명에 따른 일 실시 예인 수소수 생성기의 분해 개념도를 위에서 비스듬하게 보인 것이고, 도 11은 도 10 중 본원발명에 따른 일 실시 예인 분리막, 하부 전극판 및 전기분해 모듈 바닥 덮개만을 보인 것이고, 도 12는 도 11의 원 안을 확대하여 보인 것이다.
도 13 내지 도 15는 본원발명에 따른 일 실시 예의 전기분해 모듈 상부 덮개, 띄움재, 분리막, 전기분해 모듈 바닥 덮개의 구성을 직관적으로 보이기 위한 것으로, 도 13은 분리막 병형 방지 수단이 없는 전기분해 모듈 상부 덮개와 전기분해 모듈 바닥 덮개가 설치된 상태를 보인 것이다. 도 14 및 도 15는 분리막 접촉 돌기, 분리막 지지 돌기 및 산소 가이드 홈이 형성된 전기분해 모듈 상부 덮개와 전기분해 모듈 바닥 덮개가 설치된 것으로, 도 13은 분리된 상태를, 도 14는 결합된 상태를 보인 것이다.

이하, 본원발명의 일 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본원발명은 이하에서 개시되는 일 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본원발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

1.

우선, 도 1은 본원발명에 따른 수소수 생성기의 일 실시 예의 일반적 외관을 비스듬하게 보인 것이다. 그리고 도 2는 도 1로 도시한 본원발명에 따른 수소수 생성기의 상부를 뚜껑 없이 위에서 보인 것이다. 도 2는 본 일 실시 예인 수소수 생성기의 수조(21) 내에 형성된 원수 유입부(40)를 보이기 위한 것이다.

본원발명에 따른 본 실시 예인 수소수 생성기는 크게 보아 상부(10)와 용기부(20) 및 하부(30)로 이루어진다. 상기 상부(10)는 물을 넣을 수 있는 개방부(11), 상기 개방부를 덮을 수 있는 뚜껑(12) 및 담긴 물을 배출시킬 수 있는 토출구(13) 등을 포함하는 구조로 되어 있다. 본 실시 예의 상부 구조는 다양한 디자인을 적용할 수 있으며, 그런 다양한 디자인이 본원발명의 기술적 사상을 제한하는 것은 아니다. 상기 용기부(20)는 그 내측에 원수(原水)를 담는 수조(21)가 형성되어 있다. 상기 용기부(20)의 측면에는 손잡이(22)가 형성되어 있고, 상기 손잡이(22)에는 전원 버튼(23)이 구비되어 있다. 상기 수조(21)에 물을 담고 상기 전원 버튼(23)을 누르거나 터치하면 후술하는 전기분해 모듈에 전기가 인가되어 상기 수조(21)의 원수는 전기분해되며, 상기 수조(21) 내의 원수는 수소의 농도가 높아져 수소수가 된다. 상기 전기분해에 의하여 발생되는 산소는 상기 하부(30)를 통하여 별도 형성된 산소 배출공(미도시)으로 외기로 내보내진다.

수조 아랫면(24)은 후술하는 전기분해 모듈 상부 덮개(도 5의 도면부호 60)의 윗면에 해당한다. 상기 수조 아랫면(24)의 중앙 부분은 일정 부분 위로 돌출되어 있는데, 그 돌출된 부분의 아랫면에 전기분해 모듈이 안착된다. 상기 수조 아랫면(24) 중앙 부분에는 상기 수조(21) 안의 원수가 상기 수조(21)의 아래에 설치된 전기분해 모듈과 접촉할 수 있도록 운수 유입부(40)가 형성되어 있다. 도 2의 원 안을 확대하여 도시한 것이 상기 원수 유입부(40)를 표현한 것이다. 상기 수조 아랫면(23)에는 다수 개의 돌출 원 형태가 상기 원수 유입부(40)를 둘러싸고 있는데, 이는 후술하는 전기분해 모듈을 상기 용기부(20)의 아랫면에 밀착 결합시키는 고정구(도 5의 도면부호 51)가 결합되는 고정구 결합부(25)가 위로 돌출된 것이다.

본원발명에 따라 상기 용기부(20) 내측에 물을 담을 수 있는 공간인 상기 수조(21)는 정수조와 전해조 또는 냉수조와 온수조 등 다양한 형태로 구성될 수 있다. 또한, '수소'를 생성하는 전해조(電解槽)와 '수소수'를 생성하는 용해조를 나누어 구획할 수도 있다. 이러한 다양한 구성이나 디자인이 본원발명의 기술적 사상을 제한하는 것은 아니다. 다만, 본 실시 예는 본원발명의 기술적 사상을 보다 명확하게 전달하기 위하여 상기 수조(21)가 원수를 담을 뿐만 아니라 전해조 및 용해조의 기능을 구현하는 간단한 구성으로 하였다. 따라서 본 실시 예의 수조(21)는 전기분해로 '수소'를 분리함과 동시에 수소를 물에 용해시켜 '수소수'를 생성한다. 전기분해로 분리된 산소는 상기 수조(21)의 외부로 배출하고, 분리된 수소는 상기 원수에 용해되도록 하여 상기 원수의 수소 농도를 높임으로써 상기 원수가 수소수가 될 수 있도록 한다. 따라서 이하 본 명세서에서 '전해조'는 상기 수조(21)를 지칭하며, 전해조도 상기 수조와 같은 도면부호 21을 사용하였다.

상기 수조 아랫면(24)에 형성된 상기 원수 유입부(40)에는 안전 그릴(grille)이 형성되어 있다. 상기 안전 그릴(41)은 여러 개의 바(bar)로 이루어진 형태이거나 매쉬(mesh) 형태일 수 있다. 또한, 여러 개의 동심원 형태일 수도 있다. 이러한 다양한 인전 그릴 디자인은 본원 디자인의 기술적 사상을 제한하지 않는다. 상기 안전 그릴(41)은 원수 유입부의 아래에 위치하는 전극판, 분리막 등을 보호하기 위한 것이다. 본 실시 예의 경우 상기 안전 그릴(41)은 여러 개의 가로 및 세로로 형성되는 횡단 바(42)로 이루어지며, 상기 횡단 바(41)들 사이로 원수 유입구(43)가 형성된다.

상기 원수 유입구(42)로 유입된 원수는 상기 하부(30) 내측에 설치되는 전기분해 모듈에서 반응하여 수소를 발생시키고, 상기 발생된 수소는 상기 원수 유입구(42)를 통하여 다시 상기 원수로 유입되어 용해됨으로써 상기 원수는 점차 수소 농도가 높아지고 결과적으로 수소수가 된다.

이하, 상기 하부(30) 내의 전기분해 모듈을 설명한다. 도 3은 본원발명에 따른 수소수 생성기를 아래에서 비스듬하게 보인 것이다. 도 4는 본원발명에 따른 수소수 생성기의 하부 하우징을 분리해서 그 내부의 전기분해 모듈을 보인 것이다. 도 5는 본원발명에 따른 일 실시 예인 수소수 생성기의 전기분해 모듈 바닥 덮개를 분리한 것을 개념적으로 보인 것이다.

수소수 생성기의 하부(30)는 하부 하우징(31)과 상기 하부 하우징(31) 내측에 구비되는 전기분해 모듈(50), 제어부(미도시) 및 전원 공급부(미도시) 등으로 이루어진다. 상기 제어부(미도시)는 인쇄 회로 기판(PCB) 등을 포함하며, 전원 공급부(미도시)에서 공급되는 전기를 전기분해 모듈(50)에 인가시키고 필요에 따라 상기 수조 내의 산화환원전위를 측정하여 표시하는 등 본원발명에 따른 수소수 생성기를 적절하게 컨트롤하는 부분이다. 상기 전기분해 모듈(50)은 상기 원수 유입부(40)가 형성된 상기 용기부(20)의 아랫면에 밀착 고정된다. 상기 전기분해 모듈(50)은 고정구(51)에 의하여 상기 용기부(20)의 아랫면에 고정된다.

상기 전기분해 모듈(50)을 구성하는 전극판과 분리막 등은 판형의 전기분해 모듈 바닥 덮개(bottom cover)로 덮어지는데, 상기 전기분해 모듈 바닥 덮개(70)에는 고정구 체결공(71) 이 형성되어 있고, 상기 고정구(51)는 상기 고정구 체결공(71)에 체결되고, 상기 용기부(20)의 아랫면에 형성된 고정부 끼움부(61)에 고정된다. 상기 용기부(20)의 아랫면은 전기분해 모듈 상부 덮개(60)가 되는 것이다. 이와 같은 판형의 전기분해 모듈 바닥 덮개(70)를 이용하여 전기분해 모듈의 전체 높이를 낮게 할 수 있고, 이는 결국 수소수 생성기의 하부 높이를 낮출 수 있어 다양한 디자인의 수소수 생성기를 설계하는 데 도움이 된다. (제어부나 전원 공급부 등의 배치도 효과적으로 할 수 있다.)

상기 고정부 끼움부(61)의 위쪽은 전술한 상기 수조 아랫면(24)에 형성된 고정구 결합부(25)에 해당한다. 한편, 전기분해 모듈은 전기 에너지가 인가되어 물을 전기분해하는데, 수소를 발생시키는 상부 전극판(cathode)과 산소를 발생시키는 하부 전극판(anode)을 포함하고, 상부 전극판 단자(91)과 하부 전극판 단자(81)는 상기 전기분해 모듈 바닥 덮개(70)의 아래로 노출되어 전술한 하부 하우징(31)의 제어부(미도시) 및 전원 공급부(미도시)와 연결된다. 상기 상부 전극판 단자(91)는 상기 모듈 바닥 덮개(70)에 형성된 상부 전극판 단자 통공(72)을, 상기 하부 전극판 단자(81)는 상기 모듈 바닥 덮개(70)에 형성된 하부 전극판 단자 통공(73)을 통해 상기 전기분해 모듈 바닥 덮개(70) 아래로 노출되어 상기 제어부(미도시)에 연결된다.

상기 전기분해 모듈 바닥 덮개(70)와 상기 전기분해 모듈 상부 덮개(60) 사이에는 위에서부터 아래로 상부 전극판, 분리막 및 하부 전극판 등이 개재된다. 상기 전기분해 모듈 바닥 덮개(60)에는 전극판에서 분해, 분리되어 상기 하부 전극판(80) 통공(82)에 있는 산소를 배출하는 다수의 산소 배출공(74)이 형성되어 있다. 상기 전기분해 모듈(50)에서 물의 전기분해로 발생하는 산소는 상기 산소 배출공(74)을 통해 상기 전기분해 모듈(50) 밖인 상기 하부 하우징(31) 내로 나오게 되고, 상기 하부 하우징(31)에 형성된 통공 등 산소 배출 수단(미도시)을 통하여 바깥 공기로 내보내진다.

2.

물의 전기분해 모듈(50)을 구성하는 전기분해 모듈 상부 덮개(60)와 전기분해 모듈 바닥 덮개(70) 사이의 구성을 보다 구체적으로 설명한다. 도 6은 본원발명에 따른 일 실시 예인 수소수 생성기를 분해하여 보인 개념도이다. 도 7은 도 6을 비스듬하게 보인 것이고, 도 8은 도 7에 도시된 것 중 전기분해 모듈 부분만을 확대한 것이다.

전기분해 모듈(50)은 위에서 아래로 ①전기분해 모듈 상부 덮개(top cover), ②밀착 방수 고정 시트, ③상부 전극판, ④띄움재, ⑤분리막, ⑥하부 전극판, ⑦전기분해 모듈 바닥 덮개(bottom cover)로 구성된다. 상기 밀착 방수 고정 시트(62), 상부 전극판(90), 띄움재(92), 분리막(100), 하부 전극판(80)은 상기 모듈 상부 덮개(60)에 순차적으로 적층되어 밀착되고, 그것들을 상기 전기분해 모듈 바닥 덮개(70)로 덮고 상술한 바와 같이 상기 고정구(51)에 의하여 상기 전기분해 모듈 바닥 덮개(70)가 상기 전기분해 모듈 상부 덮개(60)에 고정된다.

상기 전기분해 모듈 상부 덮개(60)의 윗면은 수조 아랫면(24)에 해당한다. 상기 전기분해 모듈 상부 덮개(60)에는 상기 수조(21)에 담긴 원수가 전극판에 닿을 수 있도록 원수 유입부(40)가 형성되어 있고, 상기 원수 유입부(40)에는 이물질 등이 전극판에 닿는 것을 차단하는 등 전기분해 모듈(50)을 보호하기 위한 안전 그릴(41)이 형성되어 있다. 본 실시 예의 경우 상기 안전 그릴(41)은 여러 개의 횡단 바(42)로 구성된다. 또한, 상기 안전 그릴(41)의 상기 횡단 바(41) 사이로 물이 유입되는 원수 유입구(43)가 형성되어 있다. 상기 수조(21)에 담긴 원수는 상기 원소 유입부(40)를 통과하여 그 아래에 위치하는 전극판에 접함으로써 전기분해되어 수소와 산소를 생성한다.

상기 상부 전극판(90)은, 밀착 방수 고정 시트(62)로써 상기 전기분해 모듈 상부 덮개(60)의 저면에 방수가 되도록 견고하게 부착된다. 상기 상부 전극판(90)은 전기분해 모듈 상부 덮개(60)의 원수 유입부(40)를 통해 상기 수조(21)에 담긴 원수에 노출된다. 상기 원수 유입부(40)를 통하여 유입된 원수는 전극판에 의하여 산소와 수소로 분리된다. 상기 상부 전극판은 통상적으로 판형의 스테인리스 또는 티타늄에 백금을 도금한 형태를 많이 사용하나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 전기분해 모듈 상부 덮개(60)와 상기 상부 전극판(90)이 방수가 되도록 견고하게 부착되어 외부로 상기 원수가 새지 않도록, 본 실시 예는 밀착 방수 고정 시트(62)로써 방수용 테프론 시트를 상기 전기분해 모듈 상부 덮개(60)와 상기 상부 전극판(90) 사이에 개재하여 상기 전기분해 모듈 상부 덮개(60)와 상기 상부 전극판(90)을 맞대어 부착한다.

상기 상부 전극판(90) 아래에는 분리막(100)이 위치한다. 상기 분리막은 이온 교환막 또는 이온 교환막을 포함하는 막·전극 접합체일 수 있다. 막·전극 접합체는 이온 교환막의 일면과 타면에 백금 등의 촉매재가 코팅되어 이루어질 수 있으나, 막·전극 접합체의 구성은 특별히 한정되지 않고 이온 교환막을 포함하는 구성이라면 주지의 것 중 적합한 것을 사용하면 된다. 한편, 상기 분리막(100)에 포함되는 이온 교환막은 상부 전극판(90)에 의하여 전기분해에 의해 발생한 산소를 하부 전극판으로 이동시키고, 수소는 상기 원수에 용해될 수 있도록 하는 것이다. 이온 교환막도 주지의 것 중 적합한 것을 선택하여 사용하면 된다. 상기 분리막(100)은 '격막'으로서 '전해조'인 수조(21)와 상기 하부(30)의 산소 배출조(32)를 구획한다. 상기 분리막(100)의 상부인 상기 수조(21)에는 원수가 담겨 있으며, 상기 분리막(100)의 하부에는 물의 전기분해로 분리된 산소가 포집된다. 상기 산소가 포집된 공간은 상기 하부 하우징(31) 내의 산소 배출조(32)이며, 포집된 산소는 상기 하부 하우징(31)에 형성된 산소 배출공(미도시)으로 외기로 내보내진다. 상기 산소의 원활한 배출을 위하여 상기 산소를 강제로 배출하는 펌프(미도시)를 상기 산소 배출조(32)에 설치할 수 있다.

상기 상부 전극판(90)에는, 상기 수조(21)의 원수가 상기 상부 전극판(90) 및 상기 분리막(100)에 접할 수 있으며, 분해된 산소가 상기 분리막을 통하여 하부 전극판(80)으로 유도될 수 있도록, 위아래로 통하는 다수의 구멍인 상부 전극판 접촉공(93)이 형성되어 있다. 본 실시 예에서 상기 상부 전극판 접촉공은 다수의 원형 홀(hole)이다.

상기 하부 전극판(80)은 상기 분리막(100) 저면에 밀착된다. 상기 하부 전극판(80)은 상기 상부 전극판(90)에 대응한 전극으로 원수를 전기분해하기 위하여 상기 분리막(100)의 저면에 밀착시키는 것이다. 상기 하부 전극판(80)은 상기 상부 전극판(90)과 마찬가지로 백금이 도금된 티타늄판으로 형성할 수 있으며, 주지의 것 중 적합한 것을 선택하여 적용하면 된다. 상기 하부 전극판(80)에는 분해되어 유도되는 산소를 상기 분리막(100)의 반대쪽으로 배출하기 위하여 다수의 통공인 하부 전극판 통공(82)이 형성되어 있다.

상기 띄움재(92)는 상기 상부 전극판(90)과 상기 분리막(100)을 일정하게 이격시키는 기능을 한다. 상기 띄움재(92)는 간격재 또는 스페이서(spacer)라고 할 수도 있다. 상기 상부 전극판 접촉공(93)을 통하여 상기 분리막에 닿는 원수만을 전기분해하여 상기 분리막으로 수소와 산소를 분리하는 것보다, 상기 상부 전극판(90)과 상기 분리막(100) 사이에 원수층을 형성하는 것이 전기분해 효율을 높인다. 따라서 본 실시 예는 상기 띄움재(92)로써 상기 상부 전극판(90)과 상기 분리막(100)을 밀착시키지 않고 이격시켜, 상기 상부 전극판(90)과 상기 분리막(100) 사이에 얇은 원수층을 형성하여 상기 원수가 상기 상부 전극판 접촉공(93)에 대응하는 분리막 부위뿐만 아니라 상기 분리막 전면(全面)에서 분해되고 분리될 수 있도록 한다. 중요한 점은 상기 띄움재로 상기 분리막과 상기 상부 전극판의 간격을 너무 벌리면 상기 상부 전극판에 의한 물 분해의 효과가 떨어진다는 것이다. 여러 차례 반복 실험을 통항 상기 간격은 0.1mm 정도가 바람직하다는 것을 도출하였다. 본 실시 예의 경우 상기 띄움재(92)는 0.1mm 두께의 테프론 필름을 사용하였다.

3.

상기 분리막(100)은 상기 수소수 생성기의 핵심 부품이고 일반적으로 고가인데, 수소수를 반복하여 생성함에 따라 상기 분리막의 변형(부풀음 또는 비틀림 등)으로 상기 분리막(100)이 상기 상부 전극판(90)에 닿게 되는 현상이 발생하게 된다. 따라서 상기 분리막(100)의 형상이 유지될 수 있도록 하는 원형 유지 수단이 필요하다.

상기 분리막(100)의 원형 유지 수단으로 본원발명은 상기 안전 그릴 저면에 형성되는 분리막 접촉 돌기(44)를 제공한다. 도 9는 본원발명에 따른 일 실시 예인 수소수 생성기의 분리막 접촉 돌기(44)를 보인 것이다. 상기 안전 그릴(41)의 저면에 형성된 분리막 접촉 돌기(44)는 상기 상부 전극판 접촉공(93)에 대응하여 돌출된다. 상기 분리막 접촉 돌기(44)의 아랫면은 상기 상부 전극판 접촉공(93)을 지나 상기 분리막(100)의 위에 위치한다. '접촉'이라는 표현을 사용하였으나, 상기 분리막 접촉 돌기(44)는 상기 분리막(100)의 대응 부분을 눌러주거나, 닿지 않더라도 바로 위에 인접해 상기 분리막의 변형을 막을 수 있다. 상기 분리막 접촉 돌기(44)의 외주는 상기 상부 전극판 접촉공(93)의 내측면과 이격되어 상기 원수가 그 간격으로 여전히 유입될 수 있도록 하되, 사용에 따른 분리막(100)의 변형으로 상기 띄움재(92)에도 불구하고 상기 상부 전극판(90)과 상기 분리막(100)이 맞닿아 상기 원수층이 형성되지 못하는 문제를 해결한다.

상기 분리막 접촉 돌기(44)에 의하여 상기 분리막(100)이 상기 상부 전극판 접촉공(93)에서 위 방향으로 변형이 될 수 없더라도, 상기 하부 전극판 통공(82)에서 아래 방향으로 변형되는 경우, 상기 분리막 접촉 돌기(44)로 눌러 주는 부분 이외의 부분이 위 방향으로 변형이 발생할 수 있는바, 상기 분리막(100)의 하부 전극판 통공(82)에 대응하는 부분의 아랫면도 아래 방향으로 변형되지 않도록 지지해 줄 필요가 있다. 이를 위하여 상기 전기분해 모듈 바닥 덮개에는 분리막 지지 돌기가 형성되어 있다. 도 10 내지 도 11은 본원발명에 따른 일 실시 예인 수소수 생성기의 전기분해 모듈 바닥 덮개(70)를 설명하기 위한 것이다. 보다 구체적으로 도 10은 본원발명에 따른 일 실시 예인 수소수 생성기의 분해 개념도를 위에서 비스듬하게 보인 것이고, 도 11은 도 10 중 본원발명에 따른 일 실시 예인 분리막, 하부 전극판 및 전기분해 모듈 바닥 덮개만을 보인 것이고, 도 12는 도 11의 원 안을 확대하여 보인 것이다.

상기 분리막 지지 돌기(75)는 상기 하부 전극판 통공(82)에 대응하여 돌출된다. 상기 분리막 지지 돌기(75)의 윗면은 상기 하부 전극판 통공(82)을 지나 상기 분리막(100)을 지지해 준다. 상기 분리막 지지 돌기(75)는 상기 분리막(100)을 아래에서 위로 눌러주거나 상기 분리막(100)의 아랫면에 인접하여 상기 분리막(100)이 아래로 변형되지 못하도록 한다. 상기 분리막 지지 돌기(75)의 외주는 상기 하부 전극판 통공(82)의 내측면과 이격되어 상기 분해, 분리되 산소가 그 간격으로 여전히 배출될 수 있도록 하되, 상기 분리막(100)을 지지해 줌으로써 사용에 따른 분리막(100)의 변형으로 그 성능이 저하되는 문제를 해결할 수 있다.

4.

또한, 상기 하부 전극판(80)에서 유도된 산소가 원활하게 상기 전기분해 모듈 바닥 덮개(70)의 산소 배출공(74)으로 내보내질 수 있도록 상기 산소를 상기 산소 배출공(74)으로 유도하는 수단이 필요하다. 상기 전기분해 모듈 바닥 덮개(70)는 상기 하부 전극판(80)의 저면에 전면(全面) 밀착되는데, 이는 충분한 지지력을 확보하면서 상기 전기분해 모듈(50)의 높이를 낮춤으로써, 본원발명에 따른 수소수 생성기의 하부(30) 높이를 낮출 수 있기 때문이다. 상기 전기분해 모듈 바닥 덮개(70)에는 상기 하부 전극판 통공(82)의 산소를 효율적으로 밖으로 배출하기 위해서 상기 산소를 상기 산소 배출공(74)으로 유도하는 산소 가이드 홈(76)이 형성되어 있다. 상기 산소 가이드 홈(76)은 상기 전기분해 모듈 바닥 덮개(70)의 윗면 중 일정 부분이 함몰되어 형성되는 것으로서, 상기 하부 전극판 통공(82)에 대응하여 위치하되, 상기 산소 배출공(74)과 연결된다.

도 13 내지 도 15는 상술한 본원발명에 따른 일 실시 예의 전기분해 모듈 상부 덮개(60), 띄움재(92), 분리막(100), 전기분해 모듈 바닥 덮개(70)의 구성을 직관적으로 보이기 위한 것이다. 도 13은 분리막의 형태 변형 방지 수단이 없는 전기분해 모듈 상부 덮개(60)와 전기분해 모듈 바닥 덮개(70)가 설치된 상태를 보인 것이다. 상기 띄움재(92)에 의하여 상기 전기분해 모듈 상부 덮개(60)와 상기 분리막(100) 사이에 사이에 얇은 원수층이 형성되어 있다. 도 14 및 도 15는 상기 분리막 접촉 돌기(44), 분리막 지지 돌기(75) 및 산소 가이드 홈(76)이 형성된 전기분해 모듈 상부 덮개(60)와 전기분해 모듈 바닥 덮개(70)가 설치된 것으로, 도 13은 분리된 상태를, 도 14는 결합된 상태를 보인 것이다. 상기 분리막 접촉 돌기(44)가 상부 전극판 접촉공(93)을 통과하여 상기 분리막(100)을 눌러주고, 상기 분리막 지지 돌기(75)가 상기 하부 전극판 통공(82)을 통과하여 상기 분리막(100)을 지지해 주는 것을 확인할 수 있으며, 상기 산소 가이드 홈(76)이 형성되어 상기 분리막 지지 돌기(75)와 상기 하부 전극판 통공(82) 사이로 유도되는 산소가 상기 분리막(100)과 반대 방향인 아래 방향으로 원활하게 포집될 수 있다.

본 발명은 특정한 실시 예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정하는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서는 얼마든지 수정 및 변형 실시가 가능함은 물론이다.

10 상부
11 개방부
12 뚜껑
13 토출구
20 용기부
21 수조
22 손잡이
23 전원 버튼
24 수조 아랫면
25 고정구 결합부
30 하부
31 하부 하우징
32 산소 배출조
40 원수 유입부
41 안전 그릴
42 횡단 바
43 원수 유입구
44 분리막 접촉 돌기
50 전기분해 모듈
51 고정구
60 전기분해 모듈 상부 덮개
61 고정구 끼움부
62 밀착 방수 고정 시트
70 전기분해 모듈 바닥 덮개
71 고정구 체결공
72 상부 전극판 단자 통공
73 하부 전극판 단자 통공
74 산소 배출공
75 분리막 지지 돌기
76 산소 가이드 홈
80 하부 전극판
81 하부 전극판 단자
82 하부 전극판 통공
90 상부 전극판
91 상부 전극판 단자
92 띄움재
93 상부 전극판 접촉공
100 분리막

Claims (5)

1. 원수를 넣을 수 있는 개방부; 상기 원수를 수소분해하여 수소수를 생성하는 전해조; 상기 원수를 분해하여 수소를 생성하여, 상기 수소가 상기 원수에 용해되도록 함으로써 상기 수소수가 생성되도록 하는 전기분해 모듈을 포함하는 수소수 생성기에 있어서;
   상기 전기분해 모듈은;
   전해조의 원수가 통과하는 원수 유입부가 형성된 전기분해 모듈 상부 덮개,
   상기 전기분해 모듈 상부 덮개의 저면에 방수가 되도록 견고하게 부착되는 상부 전극판,
   상기 상부 전극판 아래에 위치하는 분리막,
   상기 분리막의 저면에 위치하는 하부 전극판을 포함하되;
   상기 하부 전극판은 상기 분리막의 저면에 밀착되고, 상기 하부 전극판에는 분해되어 유도되는 산소를 배출하는 다수의 통공이 형성되어 있으며, 상기 상부 전극판에는 분해된 산소가 상기 분리막을 통하여 하부 전극판으로 유도될 수 있도록 위아래로 통하는 다수의 구멍인 상부 전극판 접촉공이 형성되어 있고;
   상기 상부 전극판과 상기 분리막을 이격시키는 띄움재를 더 포함하여 상기 상부 전극판과 상기 분리막 사이에 원수층을 형성하는 것을 특징으로 하는
   수소수 생성기.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 원수 유입부에는 안전 그릴이 형성되어 있고,
   상기 안전 그릴 저면에는 분리막 접촉 돌기가 형성되며,
   상기 분리막 접촉 돌기는 상기 상부 전극판 접촉공에 대응하여 돌출되며, 상기 분리막 접촉 돌기의 아랫면이 상기 상부 전극판 접촉공을 지나 상기 분리막의 위에 위치하여 상기 분리막의 변형을 막되,
   상기 분리막 접촉 돌기의 외주는 상기 상부 전극판 접촉공의 내측면과 이격되어 상기 원수가 그 간격으로 유입될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는
   수소수 생성기.
   
3. 제1 항에 있어서,
   상기 산소분해 모듈 바닥 덮개에는 분리막 지지 돌기가 형성되고,
   상기 분리막 지지 돌기는 상기 하부 전극판 통공에 대응하여 돌출되며, 상기 분리막 지지 돌기의 윗면이 상기 하부 전극판 통공을 지나 상기 분리막을 지지하여 상기 분리막의 변형을 막되,
   상기 분리막 지지 돌기의 외주는 상기 하부 전극판 통공의 내측면과 이격되어 산소가 그 간격으로 배출될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는
   수소수 생성기.
   
4. 제1 항에 있어서,
   상기 하부 전극판으로 분해, 분리되어 상기 하부 전극판 통공에 있는 산소를 배출하는 산소 배출공이 상기 모듈 바닥 덮개에 형성되며,
   전기분해 모듈 바닥 덮개에는 상기 하부 전극판 통공의 산소를 배출하기 위해서 상기 산소를 상기 산소 배출공으로 유도하는 것으로서, 상기 하부 전극판 통공에 대응하여 상기 전기분해 바닥 덮개의 윗면이 함돌되어 상기 산소 배출공으로 연결되는 산소 가이드 홈이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는
   수소수 생성기.
   
5. 원수를 넣을 수 있는 개방부, 원수를 수소분해하여 수소수를 생성하는 전해조를 포함하는 수소수 생성기에 사용되는 것으로서,
   상기 원수를 분해하여 수소를 생성하여 상기 수소가 상기 원수에 용해되도록 함으로써 상기 수소수가 생성되도록 하는 수소수 생성기용 전기분해 모듈에 있어서,
   상기 수소수 생성기용 전기분해 모듈은;
   전해조의 원수가 통과하는 유입구가 형성된 전기분해 모듈 상부 덮개;
   상기 전기분해 모듈 상부 덮개의 저면에 방수가 되도록 견고하게 부착되는 상부 전극판;
   상기 상부 전극판 아래에 위치하는 분리막;
   상기 분리막의 저면에 위치하는 하부 전극판을 포함하되,
   상기 하부 전극판은 상기 분리막의 저면에 밀착되고, 상기 하부 전극판에는 분해되어 유도되는 산소를 배출하는 다수의 통공이 형성되어 있으며,
   상기 상부 전극판에는 분해된 산소가 상기 분리막을 통하여 하부 전극판(80)으로 유도될 수 있도록, 위아래로 통하는 다수의 구멍인 상부 전극판 접촉공(93)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는
   수소수 생성기용 전기분해 모듈.
   

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