KR20190141452A - 수소 발생 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치는, 내부에 물이 흐르는 경로가 형성된 제1 및 제2 양극 수용부가 각각 형성되며, 양전극이 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 양극 플레이트; 상기 제1 및 제2 양극 플레이트 사이에 배치되며, 양면에 음극 수용부가 형성되고, 음전극이 전기적으로 연결되는 음극 플레이트; 상기 제1 양극 플레이트 및 음극 플레이트 사이에 배치되고, 상기 제1 양극 플레이트와 음극 플레이트를 절연시키는 제1 절연 플레이트; 상기 제2 양극 플레이트 및 음극 플레이트 사이에 배치되며, 상기 제2 양극 플레이트와 음극 플레이트를 절연시키는 제2 절연 플레이트; 상기 제1 양극 수용부 및 음극 수용부가 분리되도록 상기 제1 양극 수용부 및 상기 음극 플레이트의 일면에 형성된 음극 수용부 사이에 배치된 제1 격막; 및 상기 제2 양극 수용부 및 음극 수용부가 분리되도록 상기 제2 양극 수용부 및 상기 음극 플레이트의 타면에 형성된 음극 수용부 사이에 배치된 제2 격막을 포함하고, 상기 제1 및 제2 양극 플레이트에는 각각 상기 제1 및 제2 양극 수용부로 물이 공급되는 제1 및 제2 유입구와 상기 제1 및 제2 양극 수용부에서 물이 배출되는 제1 및 제2 배출구가 형성되며, 상기 음극 플레이트는 플레이트 형상의 양면에 각각 상기 음극 수용부가 형성되고, 상기 음극 수용부에서 수소 가스가 배출되는 배기구가 형성될 수 있다.
Description
본 발명은 수소 발생 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 물을 전기분해하여 수소를 발생시키는 수소 발생 장치에 관한 것이다.
전기 분해를 이용한 수소 발생 장치는, 전해질 등이 함유된 물에 전기에너지를 가하여, 물 분자가 분해됨에 따라 양극 측에 산소 기체가 발생하고, 음극 측에 수소 기체가 발생하는 장치이다.
이러한 수소 발생 장치는, 다양한 종류의 장치들이 개발되어 사용된다. 대체로, 한 쌍으로 이루어진 케이스에 물이 유입되고 배출되는 유입구와 배출구가 구비되고, 케이스 내에 양극판 및 음극판이 배치되고, 양극판 및 음극판의 사이에 이온막이 배치된 구조를 가진다. 그리고 이온막, 양극판 및 음극판을 기준으로 케이스의 양측에 형성된 공간에 물이 통과하면서 전기에너지에 의해 물 분자가 분해되어 수소 및 산소가 발생할 수 있다.
상기와 같은 종래의 수소 발생 장치는, 합성수지 등과 같은 절연체로 제조된 케이스를 이용하고, 절연체로 형성된 케이스 내부에 이온막, 양극판 및 음극판을 밀착한 상태로 배치한다.
이때, 대체로 수소 발생 장치에서 물이 이온막, 양극판 및 음극판과의 접촉시간을 연장하기 위한 다양한 연구들이 이루어진고 있다. 종래에는 대체로, 케이스의 내측에 물이 특정 경로를 따라 진행할 수 있도록 수로를 형성하고, 케이스 내로 유입된 물의 경로를 복잡하게 하여 물의 흐름을 늦추는 방법이 이용되고 있다.
상기와 같은 종래의 수소 발생 장치는, 케이스에 물이 흐르는 경로를 형성하여 물이 흐르는 속도를 지연시키더라도 물이 양극판 및 음극판과 접촉되는 시간만 제어하기 때문에 물을 분해하여 수소를 발생시키는 효율에 한계가 있는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 수소를 발생시키는 효율을 극대화할 수 있는 수소 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치는, 내부에 물이 흐르는 경로가 형성된 제1 및 제2 양극 수용부가 각각 형성되며, 양전극이 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 양극 플레이트; 상기 제1 및 제2 양극 플레이트 사이에 배치되며, 양면에 음극 수용부가 형성되고, 음전극이 전기적으로 연결되는 음극 플레이트; 상기 제1 양극 플레이트 및 음극 플레이트 사이에 배치되고, 상기 제1 양극 플레이트와 음극 플레이트를 절연시키는 제1 절연 플레이트; 상기 제2 양극 플레이트 및 음극 플레이트 사이에 배치되며, 상기 제2 양극 플레이트와 음극 플레이트를 절연시키는 제2 절연 플레이트; 상기 제1 양극 수용부 및 음극 수용부가 분리되도록 상기 제1 양극 수용부 및 상기 음극 플레이트의 일면에 형성된 음극 수용부 사이에 배치된 제1 격막; 및 상기 제2 양극 수용부 및 음극 수용부가 분리되도록 상기 제2 양극 수용부 및 상기 음극 플레이트의 타면에 형성된 음극 수용부 사이에 배치된 제2 격막을 포함하고, 상기 제1 및 제2 양극 플레이트에는 각각 상기 제1 및 제2 양극 수용부로 물이 공급되는 제1 및 제2 유입구와 상기 제1 및 제2 양극 수용부에서 물이 배출되는 제1 및 제2 배출구가 형성되며, 상기 음극 플레이트는 플레이트 형상의 양면에 각각 상기 음극 수용부가 형성되고, 상기 음극 수용부에서 수소 가스가 배출되는 배기구가 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1 및 제2 양극 플레이트에 형성된 제1 및 제2 양극 수용부에는 제1 내지 제3 양극 경로부가 각각 형성되고, 상기 제1 양극 경로부는, 상기 제1 및 제2 유입구에서 일 방향으로 연장되어 각각 형성되고, 상기 제2 양극 경로부는, 상기 제1 및 제2 배출구에서 타 방향으로 연장되어 각각 형성되며, 상기 제3 양극 경로부는, 상기 제1 및 제2 양극 경로부가 서로 연결되도록 상기 제1 및 제2 양극 경로부의 사이에 하나 이상 형성될 수 이다.
그리고 상기 음극 플레이트에 형성된 음극 수용부에는 제1 내지 제3 음극 경로부가 형성되고, 상기 제1 음극 경로부는 일 방향으로 연장되어 형성되고, 상기 제2 음극 경로부는 상기 제1 음극 경로부와 나란한 위치에 이격되어 형성되며, 상기 제3 음극 경로부는 상기 제1 및 제2 음극 경로부가 연결되도록 상기 제1 및 제2 음극 경로부의 사이에 하나 이상 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 양극 플레이트는 각각 상부에 외부에서 공급되는 직류 전원의 양전극이 연결되는 제1 및 제2 양전극 연결부를 더 포함하고, 상기 음극 플레이트는 상단부에 외부에서 공급되는 직류 전원의 음전극이 연결되는 음전극 연결구가 형성될 수 있다.
여기서, 상기 음극 플레이트에는, 상기 양면에 형성된 음극 수용부를 연결하는 하나 이상의 경로홀이 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 절연성을 가지는 절연체인 케이스의 내부에 별도의 양극판 및 음극판을 이용하지 않고, 양극 플레이트 및 음극 플레이트의 내부에 물이 흐를 수 있는 경로를 형성함으로써, 물과 양극 플레이트와 접촉되는 면적을 극대화할 수 있어, 동일 시간에 발생할 수 있는 수소의 양을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
양극 플레이트에 형성된 양극 수용부에 물이 유입되는 유입구에서 물이 배출되는 배출구까지 제1 내지 제3 양극 경로부가 지그재그의 형상으로 복잡한 경로가 형성됨에 따라 물이 양극 수용부에 머무는 시간을 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 양극 플레이트 및 음극 플레이트에 각각 양극 수용부 및 음극 수용부가 형성됨에 따라, 양극 플레이트 및 음극 플레이트에 전원이 연결되면서 물이 양극 수용부로 유입되기 때문에 격막이 물과 접촉되는 속도 빨라, 물이 없는 상태에서 격막에 전원이 걸려 격막이 손상되는 것을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치를 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 제1 양극 플레이트를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 음극 플레이트를 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4의 절취선 AA'를 따라 취한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치를 이용한 수소 포집 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치를 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 제1 양극 플레이트를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 음극 플레이트를 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4의 절취선 AA'를 따라 취한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치를 이용한 수소 포집 장치를 도시한 개략도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치를 도시한 분해 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 제1 양극 플레이트를 도시한 사시도이다. 그리고 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치의 음극 플레이트를 도시한 사시도이며, 도 5는 도 4의 절취선 AA'를 따라 취한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치(100)는, 제1 양극 플레이트(110), 제2 양극 플레이트(120), 음극 플레이트(130), 제1 절연 플레이트(140), 제2 절연 플레이트(150), 제1 격막(160) 및 제2 격막(170)을 포함한다.
제1 양극 플레이트(110)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 직사각형 또는 정사각형 형상으로 형성될 수 있다. 그리고 상부 방향으로 전극을 연결하기 위한 양전극 연결부(118)가 돌출되어 형성될 수 있다.
이러한 제1 양극 플레이트(110)는, 제1 양극 몸체(111), 제1 유입부(112), 제1 배출부(114), 제1 양극 수용부(116) 및 제1 양전극 연결부(118)를 포함한다.
제1 양극 몸체(111)는, 도시된 바와 같이, 직사각형 또는 정사각형 형상으로 형성된다. 그리고 제1 양극 몸체(111)는, 금속이 이용될 수 있으며, 본 실시예에서, 티타늄(titanium)을 이용하여 제조될 수 있으며, 티타늄에 백금(platinum)이 도금되어 제조될 수 있다. 그에 따라 제1 양극 몸체(111)는 내식성 및 내화학성을 높일 수 있으며, 물이 이온화되더라도 전해액인 물의 오염을 방지할 수 있다. 이때, 필요에 따라 제1 양극 몸체(111)에 이용되는 금속 및 도금되는 물질은 필요에 따라 다른 종류의 재질이 이용될 수 있다.
또한, 제1 양극 몸체(111)에는 다수의 결합구(C1)가 형성될 수 있다. 다수의 결합구(C1)는 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 양극 몸체(111)의 테두리를 따라 형성될 수 있으며, 본 실시예에서, 제1 양극 수용부(116)를 둘러싸도록 열두 개가 형성될 수 있다.
제1 유입부(112)는 물이 제1 양극 몸체(111)의 내부에 공급되기 위해 구비되며, 제1 양극 몸체(111)의 외측에 배치될 수 있다. 본 실시예에서, 후술하겠지만, 제1 양극 몸체(111)에 제1 양전극 연결부(118)가 형성된 위치를 상부로 정의하면, 제1 유입부(112)는 제1 양극 몸체(111)의 외측 상부에 치우친 위치에 배치될 수 있다. 그에 따라 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 유입부(112)의 내부에 제1 유입구(112a)가 형성될 수 있다.
제1 배출부(114)는 물이 제1 양극 몸체(111)의 내부에 공급된 물이 배출되기 위해 구비되고, 제1 양극 몸체(111)의 외측에 배치될 수 있다. 그리고 제1 유입부(112)가 양극 모체의 외측 하부에 치우친 위치에 배치될 수 있다. 그에 따라 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 배출부(114)의 내부에 제1 배출구(114a)가 형성될 수 있다.
본 실시예에서, 제1 유입부(112)와 제1 배출부(114)가 배치되는 위치는 도 2를 통해 확인할 수 있듯이, 직사각형 또는 정사각형 형상의 제1 양극 몸체(111)에서 모서리 측으로 대각 방향에 배치될 수 있다. 여기서, 제1 배출부(114)를 통해 배출되는 물에는 전기 분해에 의해 생성된 산소가 포함될 수 있다.
제1 양극 수용부(116)는 제1 양극 몸체(111)의 내측에 형성될 수 있으며, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 내측면에 소정의 홈 형상으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 제1 양극 수용부(116)는 제1 유입구(112a)를 통해 유입된 물이 채워질 수 있는 공간이며, 제1 양극 수용부(116) 전체에 물이 채워질 수 있도록 제1 양극 경로부(116a), 제2 양극 경로부(116b) 및 제3 양극 경로부(161c)가 형성될 수 있다.
제1 양극 경로부(116a)는 제1 유입구(112a)에서 하부 방향으로 소정의 길이를 가지는 직선의 형상으로 형성될 수 있고, 소정의 폭 및 소정의 깊이를 가지도록 형성될 수 있다. 그리고 제2 양극 경로부(116b)는 제1 배출구(114a)에서 상부 방향으로 소정의 길이를 가지는 직선의 형상으로 형성될 수 있으며, 소정의 폭 및 소정의 깊이를 가지도록 형성될 수 있다. 이때, 제1 양극 경로부(116a) 및 제2 양극 경로부(116b)의 길이, 폭 및 깊이는 서로 동일할 수 있으며, 서로 이격된 위치에 나란하게 배치될 수 있다.
제3 양극 경로부(116c)는 제1 양극 경로부(116a) 및 제2 양극 경로부(116b)를 서로 연결하도록 다수 개가 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 제3 양극 경로부(116c)는 제1 양극 경로부(116a) 및 제2 양극 경로부(116b)와 수직한 방향으로 형성되어, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 수평 방향으로 형성될 수 있다. 그리고 제3 양극 경로부(116c)는 소정의 폭 및 소정의 깊이를 가지도록 형성될 수 있는데, 제3 양극 경로부(116c)의 폭 및 깊이는 제1 양극 경로부(116a) 및 제2 양극 경로부(116b)의 폭 및 깊이보다 각각 작을 수 있다.
제1 양전극 연결부(118)는, 제1 양극 몸체(111)의 상부 일 측에 배치된다. 제1 양전극 연결부(118)는 제1 양극 플레이트(110)에 외부 전원을 연결하기 위해 구비되며, 외부 전원을 연결하기 위해 제1 양전극 연결구(E1)가 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 제1 양전극 연결부(118)는 외부 전원의 양극 전원이 연결되기 위해 구비된다.
제2 양극 플레이트(120)는, 제2 양극 몸체(121), 제2 유입부(122), 제2 배출부(124), 제2 양극 수용부 및 제2 양극 연결부(128)를 포함한다. 이때, 제2 양극 플레이트(120)는, 제1 양극 플레이트(110)와 동일한 구조를 가지며, 제1 양극 플레이트(110)의 중심을 지나는 세로축을 기준으로 180도 회전된 구조이다. 즉, 도면에 도시되지 않았지만, 제2 양극 플레이트(120)의 내측에는 제2 양극 수용부가 형성되며, 제2 양극 수용부는 제1 양극 수용부(116)와 동일한 형상으로 형성된다. 이때, 제2 양전극 연결부(128)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 양전극 연결부(118)와 동일한 위치인 상부 일 측에 배치될 수 있다.
그리고 제2 양극 연결부(128)에는 제2 양전극 연결구(E2)가 형성될 수 있으며, 도시된 바와 같이, 제1 양극 몸체(111)에 형성된 다수의 결합구(C1)에 대응되는 위치에 제2 양극 몸체(121)에도 다수의 결합구(C2)가 형성될 수 있다.
음극 플레이트(130)는, 도 1, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 직사각형 또는 정사각형 형상으로 형성될 수 있다. 이러한 음극 플레이트(130)는, 음극 몸체(131), 배기부(132) 및 음극 수용부(136)를 포함한다.
그리고 상부 방향으로 전극을 연결하기 위한 음전극 연결구(E3)가 형성될 수 있다. 음전극 연결구(E3)는 음극 몸체(131)의 상단면에 홈의 형상으로 형성된다. 그에 따라 외부 전원의 음 전극이 음전극 연결구(E3)를 통해 연결될 수 있다.
음극 몸체(131)는, 도시된 바와 같이, 직사각형 또는 정사각형 형상으로 형성된다. 그리고 음극 몸체(131)는, 제1 양극 몸체(111)와 같이, 금속이 이용될 수 있고, 본 실시예에서, 티타늄을 이용하여 제조될 수 있고, 티타늄에 백금이 도금되어 제조될 수 있다. 그에 따라 음극 몸체(131)는 내식성 및 내화학성을 높일 수 있고, 물이 이온화되더라도 전해액인 물의 오염을 방지할 수 있다. 그리고 필요에 따라 음극 몸체(131)에도 이용되는 금속 및 도금되는 물질은 필요에 따라 다른 종류의 재질이 이용될 수 있다.
또한, 음극 몸체(131)에도 다수의 결합구(C3)가 형성될 수 있다. 다수의 결합구(C3)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 음극 몸체(131)의 테두리를 따라 형성될 수 있고, 제1 양극 몸체(111)에 형성된 다수의 결합구(C1)에 대응되는 위치에 배치될 수 있다. 본 실시예에서, 다수의 결합구(C3)는 음극 수용부(136)를 둘러싸도록 열두 개가 형성될 수 있다.
배기부(132)는 음극 몸체(131)의 내부에 형성된 음극 수용부(136)에서 발생된 기체인 수소 가스가 외부로 배기되기 위해 구비되며, 음극 몸체(131)의 상단부에 배치될 수 있다. 본 실시예에서, 배기부(132)는 음극 몸체(131)의 상단부에 치우친 위치에 배치될 수 있다. 그에 따라 도 3에 도시된 바와 같이, 배기부(132)의 내부에 배기구(132a)가 형성될 수 있다.
본 실시예에서, 배기부(132)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 직사각형 또는 정사각형 형상의 음극 몸체(131)에서 상단부에 배치될 수 있다. 이렇게 배기부(132)가 상단부에 배치되는 것은, 도 4를 참조하면, 음극 몸체(131)에 형성된 음극 수용부(136)를 통해 수소 가스가 상부로 이동되기 때문에 되도록 상부에 배치되는 것이 좋다.
음극 수용부(136)는 음극 몸체(131)의 내측에 형성될 수 있고, 도 4에 도시된 바와 같이, 내측면에 소정의 홈 형상으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 음극 수용부(136)는 제1 양극 수용부(116)와 대응되는 위치에 형성될 수 있으며, 제1 음극 경로부(136a), 제2 음극 경로부(136b) 및 제3 음극 경로부(136c)가 형성될 수 있다. 여기서, 음극 수용부(136)는 음극 몸체(131)의 양면에 형성될 수 있으며, 음극 몸체의 양면에 형성된 음극 수용부(136)는 서로 동일한 형상으로 형성될 수 있다.
제1 음극 경로부(136a)는 본 실시예에서, 제1 음극 경로부(136a)는 수평 방향으로 소정의 길이를 가지는 직선의 형상으로 형성될 수 있고, 소정의 폭 및 소정의 깊이를 가지도록 형성될 수 있다. 이때, 제1 음극 경로부(136a)의 중앙에 배기부(132)가 배치될 수 있다.
그리고 제2 음극 경로부(136b)는 제1 음극 경로부(136a)와 이격된 위치에 나란하게 형성될 수 있으며, 소정의 폭 및 소정의 깊이를 가지도록 형성될 수 있다. 이때, 제1 음극 경로부(136a) 및 제2 음극 경로부(136b)는 길이, 폭 및 깊이가 서로 동일할 수 있다.
제3 음극 경로부(136c)는 제1 음극 경로부(136a) 및 제2 음극 경로부(136b)를 서로 연결하도록 다수 개가 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 제3 음극 경로부(136c)는 제1 음극 경로부(136a) 및 제2 음극 경로부(136b)를 연결하기 위해 형성되어, 도 2에 도시된 바와 같이, 수직 방향으로 형성될 수 있다. 그리고 제3 음극 경로부(136c)는 소정의 폭 및 소정의 깊이를 가지도록 형성될 수 있으며, 제3 음극 경로부(136c)의 폭 및 깊이는 제1 음극 경로부(136a) 및 제2 음극 경로부(136b)의 폭 및 깊이보다 각각 작을 수 있다.
제1 절연 플레이트(140)는, 제1 양극 몸체(111) 및 음극 몸체(131)의 형상과 마찬가지로 직사각형 또는 정사각형 형상을 가질 수 있고, 내측에 격막 삽입공(142)이 형성될 수 있다. 제1 절연 플레이트(140)는 제1 양극 몸체(111) 및 음극 몸체(131)의 사이에 배치되며, 제1 양극 몸체(111) 및 음극 몸체(131)가 서로 절연되도록 절연 물질로 제조될 수 있다. 본 실시예에서, 제1 절연 플레이트(140)는 실리콘이나 합성수지 등으로 제조될 수 있으며, 제1 양극 몸체(111) 및 음극 몸체(131) 사이에서 절연할 수 있는 물질이면 어떤 물질로 제조되어도 무관하다.
그리고 제1 절연 플레이트(140)는 도시된 바와 같이, 제1 양극 몸체(111) 및 음극 몸체(131)에 비해 상대적으로 얇게 형성될 수 있으며, 제1 양극 플레이트(110) 및 음극 플레이트(130)에 걸리는 전력에 따라 달라질 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
제1 절연 플레이트(140)는 제1 양극 몸체(111) 및 음극 몸체(131)의 사이에 배치되어, 제1 양극 몸체(111) 및 음극 몸체(131)가 서로 볼트(B) 등에 의해 결합된 상태에서 제1 양극 몸체(111)와 음극 몸체(131)의 사이를 통해 제1 양극 수용부(116)에 유입된 물이나 음극 수용부(136)에 생성된 수소 가스가 외부로 배출되는 것을 방지할 수 있다. 그에 따라 제1 절연 플레이트(140)에는 도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 결합구(C4)가 형성될 수 있으며, 다수의 결합구(C4)는 제1 양극 몸체(111) 및 음극 몸체(131)에 각각 형성된 결합구(C1, C3)에 대응되는 위치에 형성될 수 있다.
제2 절연 플레이트(150)는 제2 양극 몸체(121) 및 음극 몸체(131)의 사이에 배치되며, 제1 절연 플레이트(140)와 동일한 구조로 형성된다.
그리고 제1 절연 플레이트(140)가 사이에 개재된 상태에서, 제1 양극 플레이트(110) 및 음극 플레이트(130)가 배치되고, 제2 절연 플레이트(150)가 제2 양극 플레이트(120) 및 음극 플레이트(130)가 배치되는데, 본 실시예에서, 제1 양극 플레이트(110), 제1 절연 플레이트(140), 음극 플레이트(130), 제2 절연 플레이트(150) 및 제2 양극 플레이트(120)는 차례로 배치되어, 볼트(B) 등의 결합수단을 이용하여 결합될 수 있다.
이때, 볼트(B)에 의해 제1 양극 플레이트(110) 및 음극 플레이트(130)가 서로 단락되는 것을 방지하고, 제2 양극 플레이트(120) 및 음극 플레이트(130)가 서로 단락되는 것을 방지하기 위해 제1 양극 플레이트(110), 제1 절연 플레이트(140) 음극 플레이트(130), 제2 절연 플레이트(150) 및 제2 양극 플레이트(120)에 형성된 각각의 결합구(C1, C2, C3, C4, C5)에 절연관(S)이 관통하여 배치될 수 있다. 절연관(S)은 제1 양극 플레이트(110), 음극 플레이트(130) 및 제2 양극 플레이트(120)를 전기적으로 절연하기 위한 구성으로, 실리콘이나 고무 또는 합성수지 재질 등으로 제조될 수 있다.
또한, 제1 절연 플레이트(140) 및 제2 절연 플레이트(150) 각각에는 제1 격막 삽입공(142) 및 제2 격막 삽입공(152)이 형성되는데, 제1 격막 삽입공(142) 및 제2 격막 삽입공(152)의 크기는 제1 양극 수용부(116), 제2 양극 수용부 및 음극 수용부(136)의 크기에 대응되는 크기로 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 제1 양극 수용부(116), 제2 양극 수용부 및 음극 수용부(136)의 전체적인 형상이 직사각형 또는 정사각형 형상으로 형성됨에 따라 제1 격막 삽입공(142) 및 제2 격막 삽입공(152)의 형상도 직사각형 또는 정사각형 형상으로 형성될 수 있다.
제1 격막(160) 및 제2 격막(170)은 각각 제1 절연 플레이트(140)의 제1 격막 삽입공(142) 및 제2 절연 플레이트(150)의 제2 격막 삽입공(152)에 끼워져 삽입되는데, 제1 격막 삽입공(142) 및 제2 격막 삽입공(152)이 완전히 덮이도록 삽입된다. 그에 따라 제1 격막(160)에 의해 제1 양극 몸체(111)에 형성된 제1 양극 수용부(116)와 음극 몸체(131)에 형성된 음극 수용부(136)가 서로 다른 공간으로 분리될 수 있고, 제2 격막(170)에 의해 제2 양극 몸체(121)에 형성된 제2 양극 수용부와 음극 몸체(131)에 형성된 음극 수용부(136)가 서로 다른 공간으로 분리될 수 있다.
제1 격막(150) 및 제2 격막(170)은, 본 실시예에서, 전기분해를 통해 발생된 수소와 산소를 분리하기 위핸 것으로, 나피온(nafion) 계열의 얇은 막(membrane)을 이용할 수 있다. 또는 나피온 계열의 얇은 막에 백금을 코팅하여 이용할 수도 있다. 이때, 나피온 계열의 얇은 막에 백금을 코팅하는 것은, 전기를 이용하여 백금을 분해하여 코팅할 수 있으며, 필요에 따라 무전해로 나피온 계열의 얇은 막은 백금을 코팅할 수 있다. 여기서, 무전해로 나피온 계열의 얇은 막에 백금을 코팅하는 것은, 백금이 포함된 액체에 나피온 계열의 얇은 막을 담근 상태에서 교반하여 나피온 계열의 얇은 막에 백금을 증착시키는 방법을 이용할 수 있다.
본 실시예에서, 제1 격막(150) 및 제2 격막(170)의 저항은 약 400Ω 내지 500Ω일 수 있다.
본 실시예에 따른 수소 발생 장치(100)의 작동되는 것을 설명하면, 제1 양극 플레이트(110)의 제1 양전극 연결부(118) 및 제2 양극 플레이트(120)의 제2 양전극 연결부(128)에 직류 전원의 (+)극이 연결되고, 음극 플레이트(130)의 음전극 연결구(E3)에 직류 전원의 (-)극이 연결된다. 그리고 제1 양극 플레이트(110)에 형성된 제1 유입부(112)를 통해 물이 공급되면, 제1 유입구(112a)를 통해 제1 양극 수용부(116)에 물이 채워지면서 물과 제1 양극 플레이트(110)가 접촉하여 물이 전기 분해되면서 수소 가스와 산소 가스가 생성된다. 또한, 제2 양극 플레이트(120)에 형성된 제2 유입부(122)를 통해 물이 공급되면, 제2 유입구(122a)를 통해 제2 양극 수용부에 물이 채워지면서 물과 제2 양극 플레이트(120)가 접촉하여 물이 전기 분해되면서 수소 가스와 산소 가스가 생성된다.
이렇게 전기 분해된 수소 가스는 (-)극인 음극 수용부(136) 측에 모이고, 산소 가스는 (+)극인 제1 양극 수용부(116) 및 제2 양극 수용부 측에 모인다. 이때, 제1 유입구(112a)를 통해 제1 양극 수용부(116)로 유입된 물은 제1 양극 경로부(116a), 제2 양극 경로부(116b) 및 제3 양극 경로부(116c)를 통해 제1 양극 수용부(116) 전체에 걸쳐 퍼지고, 생성된 산소 가스와 함께 제1 배출구(114a)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 그리고 제2 유입부(122)를 통해 제2 양극 수용부에 유입된 물은 제2 배출부(124)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 또한, 음극 몸체(131)의 양면에 형성된 음극 수용부(136) 측에 모인 수소 가스는 상부에 형성된 배기구(132a)를 통해 배출될 수 있다.
여기서, 제1 유입구(112a)를 통해 제1 양극 수용부(116)에 유입된 물은 제1 격막(160)에 의해 음극 수용부(136)로 넘어가지 못하고, 제1 배출구(114a)를 통해 외부로 배출되므로, 음극 수용부(136) 측에는 수소 가스만 모일 수 있다. 마찬가지로, 제2 양극 몸체(121)에 형성된 제2 유입구를 통해 제2 양극 수용부에 유입된 물은 제2 격막(170)에 의해 음극 수용부(136) 측으로 넘어가지 못하고, 제2 양극 몸체(121)에 형성된 제2 배출구를 통해 외부로 배출될 수 있어, 음극 수용부(136) 측에는 수소 가스만 모일 수 있다.
본 실시예에서 직류 전원을 제1 양극 플레이트(110), 제2 양극 플레이트(20) 및 음극 플레이트(130)에 인가하는데, 12V의 전압과 20A의 전류를 갖는 직류 전원을 공급한다. 그에 따라 20A의 전류가 공급됨에 따라 배기부(132)를 통해 약 320㎖의 수소 가스가 배출될 수 있다.
또한, 제1 양극 플레이트(110) 및 제2 양극 플레이트(120)를 통해 물이 빠르게 유입되므로, 종래에 양극판이나 음극판과 별도로 구비된 케이스에 물이 수용되는 공간이 형성된 경우에 비해, 제1 양극 플레이트(110) 및 제2 양극 플레이트(120)에 각각 형성된 제1 양극 수용부(116) 및 제2 양극 수용부로 물이 빠르게 유입될 수 있다. 그에 따라 제1 격막(160) 및 제2 격막(170)이 물과 접촉하기 전에 전원이 걸리는 경우에, 제1 격막(160) 및 제2 격막(170)이 손상될 수 있는데, 본 실시예에서는, 제1 양극 수용부(116) 및 제2 양극 수용부에 물이 직접 수용됨에 따라 제1 격막(160) 및 제2 격막(170)이 물과 빠르게 접촉할 수 있어, 제1 격막(160) 및 제2 격막(170)이 물과 접촉하는 시간을 줄일 수 있어, 제1 격막(160) 및 제2 격막(170)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하여, 음극 플레이트(130)에 형성된 음극 수용부(136)에 대해 보다 상세하게 설명한다. 앞서 설명한 바와 같이, 음극 수용부(136)는 음극 몸체(131)의 양면에 각각 형성될 수 있다.
음극 수용부(136)는 앞서 설명한 바와 같이, 제1 음극 경로부(136a), 제2 음극 경로부(136b) 및 제3 음극 경로부(136c)를 포함한다. 제1 음극 경로부(136a), 제2 음극 경로부(136b) 및 제3 음극 경로부(136c)는 각각 음극 몸체(131)의 내측면에 형성된 홈의 형상으로 형성될 수 있다.
제1 음극 경로부(136a) 및 제2 음극 경로부(136b)는 수직 방향으로, 도시된 바와 같이, 서로 나란하게 이격된 위치에 형성된다. 그리고 제1 음극 경로부(136a) 및 제2 음극 경로부(136b)의 사이에 수평 방향으로 다수 개의 제3 음극 경로부(136c)가 구비될 수 있다. 제3 음극 경로부(136c)는 서로 일정 간격으로 이격된 상태로 형성되며, 다수의 제3 음극 경로부(136c)의 사이는 음극 몸체(131)의 내측면과 동일한 평면상에 배치된다.
그리고 다수의 제3 음극 경로부(136c)는 도 4에 도시된 바와 같이, 인접한 제3 음극 경로부(136c) 사이를 연결하기 위한 각각 홀이 형성될 수 있다. 이러한 홀은 수평 방향으로 형성된 인접한 제3 음극 경로부(136c)를 서로 연결하기 위해 수직 방향으로 형성될 수 있다. 이러한 다수의 홀은 도시된 바와 같이, 소정의 룰을 따라 규칙적으로 배치될 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 불규칙적으로 배치될 수도 있다.
이때, 제1 음극 경로부(136a) 및 제2 음극 경로부(136b)의 폭은 제3 음극 경로부(136c)의 폭보다 클 수 있으며, 본 실시예에서, 제3 음극 경로부(136c)의 폭은 제1 음극 경로부(136a) 및 제2 음극 경로부(136b)의 폭의 약 60%(오차 범위 10%)일 수 있다. 또한, 제1 음극 경로부(136a) 및 제2 음극 경로부(136b)의 깊이는 제3 음극 경로부(136c)의 깊이보다 깊을 수 있다.
음극 수용부(136)에 제1 음극 경로부(136a), 제2 음극 경로부(136b) 및 제3 음극 경로부(136c)가 상기에서 설명한 바와 같이 형성됨에 따라 전기 분해되어 형성된 수소는 제1 음극 경로부(136a), 제2 음극 경로부(136b) 및 제3 음극 경로부(136c)를 따라 이동하여 배기구(132a)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
여기서, 배기구(132a)는 도 4에 도시된 바와 같이, 최상단에 배치된 제3 음극 경로부(136c)의 중앙에 배치될 수 있고, 음극 몸체(131)를 관통하여 형성될 수 있다. 그리고 음극 몸체(131)를 관통하는 배기구(132a)의 중앙에서 상부로 연결되어 배기부(132)로 연결되도록 형성될 수 있다.
그에 따라 음극 몸체(131)의 양면에 각각 형성된 음극 수용부(136)에서 모인 수소 가스가 배기구(132a)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
그리고 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 음극 경로부(136a) 및 제2 음극 경로부(136b)에는 다수의 경로 홀(136d)이 형성될 수 있다. 다수의 경로 홀(136d)은 음극 몸체(131)의 양면에 형성된 음극 수용부(136)를 연결하기 위해 구비되며, 각 음극 수용부(136)에 모인 수소 가스가 서로 이동할 수 있도록 형성된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치를 이용한 수소 포집 장치를 도시한 개략도이다.
도 6을 참조하여 본 실시예에 따른 수소 발생 장치(100)에서 발생된 수소를 포집하기 위한 수소 포집 장치(200)에 대해 설명한다.
수소 포집 장치(200)는, 도시된 바와 같이, 수소 발생 장치(100), 물 저장부(210) 및 수소 가스 정제부(220)를 포함한다. 물 저장부(210)는 물 공급관(212)을 통해 수소 발생 장치(100)의 제1 유입부(112) 및 제2 유입부(122)와 연결된다. 그리고 수소 발생 장치(100)의 제1 배출부(114) 및 제2 배출부(124)는 물 배출관(214)과 연결되며, 물 배출관(214)을 통해 배출된 물은 별도의 저장부에 저장될 수 있으며, 필요에 따라 물 저장부(210)로 회수될 수도 있다. 여기서, 물 배출관(214)을 통해 배출되는 물은 산소 가스가 포함된 물이다.
수소 발생 장치(100)의 배기부(132)는 수소 가스 배기관(222)과 연결되며, 배기부(132)를 통해 배기되는 수소 가스는 수소 가스 배기관(222)을 통해 수소 가스 정제부(220)에 공급된다. 수소 가스 정제부(220)는 내부에 물이 일부 채워질 수 있으며, 수소 가스 배기관(222)을 통해 공급된 수소 가스가 수소 가스 정제부(220)에 채워진 물속으로 공급되어 물에 의해 정제된 수소 가스가 정제 가스 배기관(224)을 통해 배출될 수 있다. 정제 가스 배기관(224)으로 배출된 수소 가스는 외부 장치에 공급될 수 있다.
양전극 단자(232)는 제1 양전극 연결부(118) 및 제2 양전극 연결부(128)에 전기적으로 연결되고, 음전극 단자(234)는 음전극 연결구(E3)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 양전극 단자(232) 및 음전극 단자(234)를 통해 수소 발생 장치(100)에 공급되는 전력은 직류 전력이다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.
100: 수소 발생 장치
110: 제1 양극 플레이트 111: 제1 양극 몸체
112: 제1 유입부 112a: 제1 유입구
114: 제1 배출부 114a: 제1 배출구
116: 제1 양극 수용부 116a: 제1 양극 경로부
116b: 제2 양극 경로부 116c: 제3 양극 경로부
118: 제1 양전극 연결부
120: 제2 양극 플레이트 121: 제2 양극 몸체
122: 제2 유입부 124: 제2 배출부
128: 제2 양전극 연결부
130: 음극 플레이트 131: 음극 몸체
132: 배기부 132a: 배기구
136: 음극 수용부 136a: 제1 음극 경로부
136b: 제2 음극 경로부 136c: 제3 음극 경로부
136d: 경로 홀
140: 제1 절연 플레이트 142: 제1 격막 삽입공
150: 제2 절연 플레이트 152: 제2 격막 삽입공
160: 제1 격막 170: 제2 격막
E1: 제1 양전극 연결구 E2: 제2 양전극 연결구
E3: 음전극 연결구
C1~C5: 결합구
B: 볼트 S: 절연관
110: 제1 양극 플레이트 111: 제1 양극 몸체
112: 제1 유입부 112a: 제1 유입구
114: 제1 배출부 114a: 제1 배출구
116: 제1 양극 수용부 116a: 제1 양극 경로부
116b: 제2 양극 경로부 116c: 제3 양극 경로부
118: 제1 양전극 연결부
120: 제2 양극 플레이트 121: 제2 양극 몸체
122: 제2 유입부 124: 제2 배출부
128: 제2 양전극 연결부
130: 음극 플레이트 131: 음극 몸체
132: 배기부 132a: 배기구
136: 음극 수용부 136a: 제1 음극 경로부
136b: 제2 음극 경로부 136c: 제3 음극 경로부
136d: 경로 홀
140: 제1 절연 플레이트 142: 제1 격막 삽입공
150: 제2 절연 플레이트 152: 제2 격막 삽입공
160: 제1 격막 170: 제2 격막
E1: 제1 양전극 연결구 E2: 제2 양전극 연결구
E3: 음전극 연결구
C1~C5: 결합구
B: 볼트 S: 절연관
Claims (5)
- 내부에 물이 흐르는 경로가 형성된 제1 및 제2 양극 수용부가 각각 형성되며, 양전극이 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 양극 플레이트;
상기 제1 및 제2 양극 플레이트 사이에 배치되며, 양면에 음극 수용부가 형성되고, 음전극이 전기적으로 연결되는 음극 플레이트;
상기 제1 양극 플레이트 및 음극 플레이트 사이에 배치되고, 상기 제1 양극 플레이트와 음극 플레이트를 절연시키는 제1 절연 플레이트;
상기 제2 양극 플레이트 및 음극 플레이트 사이에 배치되며, 상기 제2 양극 플레이트와 음극 플레이트를 절연시키는 제2 절연 플레이트;
상기 제1 양극 수용부 및 음극 수용부가 분리되도록 상기 제1 양극 수용부 및 상기 음극 플레이트의 일면에 형성된 음극 수용부 사이에 배치된 제1 격막; 및
상기 제2 양극 수용부 및 음극 수용부가 분리되도록 상기 제2 양극 수용부 및 상기 음극 플레이트의 타면에 형성된 음극 수용부 사이에 배치된 제2 격막을 포함하고,
상기 제1 및 제2 양극 플레이트에는 각각 상기 제1 및 제2 양극 수용부로 물이 공급되는 제1 및 제2 유입구와 상기 제1 및 제2 양극 수용부에서 물이 배출되는 제1 및 제2 배출구가 형성되며,
상기 음극 플레이트는 플레이트 형상의 양면에 각각 상기 음극 수용부가 형성되고, 상기 음극 수용부에서 수소 가스가 배출되는 배기구가 형성된 수소 발생 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 및 제2 양극 플레이트에 형성된 제1 및 제2 양극 수용부에는 제1 내지 제3 양극 경로부가 각각 형성되고,
상기 제1 양극 경로부는, 상기 제1 및 제2 유입구에서 일 방향으로 연장되어 각각 형성되고,
상기 제2 양극 경로부는, 상기 제1 및 제2 배출구에서 타 방향으로 연장되어 각각 형성되며,
상기 제3 양극 경로부는, 상기 제1 및 제2 양극 경로부가 서로 연결되도록 상기 제1 및 제2 양극 경로부의 사이에 하나 이상 형성된 수소 발생 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 음극 플레이트에 형성된 음극 수용부에는 제1 내지 제3 음극 경로부가 형성되고,
상기 제1 음극 경로부는 일 방향으로 연장되어 형성되고,
상기 제2 음극 경로부는 상기 제1 음극 경로부와 나란한 위치에 이격되어 형성되며,
상기 제3 음극 경로부는 상기 제1 및 제2 음극 경로부가 연결되도록 상기 제1 및 제2 음극 경로부의 사이에 하나 이상 형성된 수소 발생 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 및 제2 양극 플레이트는 각각 상부에 외부에서 공급되는 직류 전원의 양전극이 연결되는 제1 및 제2 양전극 연결부를 더 포함하고,
상기 음극 플레이트는 상단부에 외부에서 공급되는 직류 전원의 음전극이 연결되는 음전극 연결구가 형성된 수소 발생 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 음극 플레이트에는, 상기 양면에 형성된 음극 수용부를 연결하는 하나 이상의 경로홀이 형성된 수소 발생 장치.
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