KR101065742B1

KR101065742B1 - 전해식 수소수 생성장치

Info

Publication number: KR101065742B1
Application number: KR1020040110271A
Authority: KR
Inventors: 요시카즈 하라타; 다케시 가와시마; 히로아키 에가시라
Original assignee: 타카오카 케미컬 코포레이션 리미티드
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2011-09-19
Also published as: JP4420667B2; TW200528399A; JP2005186034A; TWI346089B; KR20050067021A

Abstract

고농도의 수소수를 장시간 안정공급할 수 있고, 활성탄 다공질체에의 탄산칼슘의 부착이 거의 없어지는 전해식 수소수 생성장치를 제공한다.

저수용기(5)와, 전해용 전극(11)과, 동전극에 전해 전압을 인가하는 전해 전원(14)과, 전해용 전극(11)과는 이간하여 전해용 전극(11)의 상단으로부터 상방까지 연장되도록 수납된 상기 전해 전압이 인가되지 않은 활성탄 다공질체(12)와, 급수부(6)와, 취수부(8)를 포함한다. 전해용 전극(11)과 활성탄 다공질체(12)와의 이간 거리가 최단부에서 좌우 방향으로는 100mm을 초과하지 않도록 또한 상하 방향으로는 100mm을 초과하지 않도록 양자를 접근시킨다. 취수부(8)에 저수용기(5)의 내부를 가압상태로 유지하는 압력밸브(20)를 설치한다. 전해 전원(14)을 전해용 전극(11)에 10^-4∼10^-1Hz의 구형파 교류전압을 출력하는 전해용 정전류 전원으로 한다.

전해식 수소수 생성장치, 수소수, 활성탄 다공질체.

Description

전해식 수소수 생성장치{ELECTROLYTIC HYDROGEN WATER GENERATOR}

도 1은 본 발명에 관계되는 실시예 1의 전해식 수소수 생성장치를 도시한 개략도이다.

도 2는 본 발명에 관계되는 실시예 2의 전해식 수소수 생성장치를 도시한 개략도이다.

도 3은 본 발명에 관계되는 실시예 3의 전해식 수소수 생성장치를 도시한 개략도이다.

도 4는 종래의 전해식 수소수 생성장치를 도시한 개략도이다.

도 5는 활성탄 다공질체의 조성을 도시한 개략도이다.

(부호의설명)

1 전해식 수소수 생성장치 4 원수

5 저수용기 6 급수부

7 수소수 8 취수부

9 전해실 10 정수실

11 전해용 전극 12 활성탄 다공질체

14 급전부로서의 전해 전원

15 직류 전원 20 압력밸브

23 연통구 24 원주 외주면

30 전치 정수장치

본 발명은 전기분해에 의해 발생한 수소 가스를 원수에 용해시켜서 수소수를 생성하는 전해식 수소수 생성장치에 관한 것이다.

종래, 도 4에 도시하는 바와 같은 전해식 수소수 생성장치가 알려져 있다. 이 종래 장치(51)는 수전해부(52)와 급전부(53)로 구성되어 있다. 수전해부(52)는 원수(50)를 저장하는 전해 용기(54)를 구비하고 있다. 전해 용기(54)의 내부에는, 원통 형상의 금속전극(55)과 원주 형상의 활성탄 다공질체(56)가 수mm의 고리형상 간극(57)을 통하여 동축에 수납되어 있다. 그리고 금속전극(55)을 음극으로 하고, 도전성의 활성탄 다공질체(56)를 양극으로 하거나, 또는, 양자의 극성을 반대로 하여, 양 전극에 급전부(53)로부터 직류의 전해 전압이 인가 된다.

이 전해 전압에 의해, 고리형상 간극(57)의 원수(50)가 전기분해 되어, 양극에 산소 가스(58)가 발생하고, 음극에 수소 가스(59)가 발생하고, 이것들의 전해 가스가 전해 용기(54)의 상부에 체류한다. 전해 가스의 압력에 의해 전해 용기(54)의 내압이 상승하면, 원수(50) 및 전해 가스가 활성탄 다공질체(56)의 밖으로부터 안으로 침투하고, 중심부의 관통구멍(60)으로 스며나온다. 이때, 잉여의 원수(50) 및 전해 가스가 토출구(69)로부터 기외로 토출되어, 전해 용기(54)의 내부 가 거의 대기압으로 유지된다.

활성탄 다공질체(56)는 도 5에 도시하는 바와 같이 활성탄 입자(61)를 바인더(62)로 결합함으로써 중공 원주형상으로 성형되어 있다. 이 다공질체(56)에는, 활성탄 입자(61)의 미세구멍(마이크로 구멍)(63)이나 인접하는 활성탄 입자(61)의 간극(64)으로 이루어지는 무수한 작은 공간이 존재한다. 전기분해를 계속하면, 전해 용기(54)의 내부에 전해 가스가 충만하고, 이 가스압에 의해 전해 가스가 활성탄 다공질체(56)의 내부에 충전되어, 무수한 작은 공간에 저장된다.

이 상태에서, 급수용 밸브(65)를 개방하면, 원수(50)가 전해 용기(54)의 내부에 도입되고, 활성탄 다공질체(56)의 수로(66)를 흐르는 과정에서, 전해 가스의 기포(67)를 빨아들이고, 수소 가스를 혼합·용해하여, 수소수(68)를 생성한다. 이 수소수(68)는 원수(50)의 급수압에 의해 토출구(69)로부터 전해 용기(54)의 외부로 꺼내져, 음료수 또는 스킨케어수 등으로서 사용된다.

종래의 전해식 수소수 생성장치의 대부분은 상기의 종래 장치(51)의 기본 기술을 답습하고 있고, 예를 들면 특허문헌 1에는 도전성의 통 형상체의 내측에 활성탄 다공질체를 고리형상 간극을 통하여 수납하고, 통 형상체를 음극으로 하고 다공질체를 양극으로 해서, 양 전극간에 직류전압을 인가하여 고리형상 간극의 원수를 전기분해 하는 기술이 기재되어 있다. 특허문헌 2에는, 내외 1쌍의 활성탄 다공질체 사이에 고리형상 간극을 형성하고, 양 다공질체에 50∼60Hz의 교류전압을 인가하고, 고리형상 간극의 원수를 전기분해 하는 기술이 기재되어 있다.

(특허문헌 1) 일본 특개 2001-187382 공보

(특허문헌 2) 일본 특개 2003-113488 공보

그런데, 종래 장치(51)에 의하면, 다음과 같은 문제점이 있었다.

(1) 전해 용기(54)의 내부는 금속전극(55) 및 활성탄 다공질체(56)를 전극으로 하는 전해실과, 활성탄 다공질체(56)에 의한 정화실을 겸하고 있고, 또한 특히 활성탄 다공질체(56)를 전극으로 하고 있는 것으로 인해, 다음 문제가 있었다.

·전극에 표면적이 큰 금속전극(55)과 활성탄 다공질체(56)를 사용하고 있으므로, 원수(50)의 저항에 의한 전압강하가 커, 전해 효율이 나쁘다.

·전해 효율을 올리기 위해서, 전류밀도를 상승시키면, 활성탄 다공질체(56)의 표면에 개질이 발생하여 전기 특성이 변화되기 쉬워진다.

·전해 전압에 직류전압을 사용하고 있으므로, 원수(50)중에 용해되어 있는 칼슘으로부터 탄산칼슘이 생성되고, 음극의 표면에 석출하여, 전해 효율에 악영향을 미치거나, 활성탄 다공질체(56)에 부착되어서 여과성능에 악영향을 미치거나 한다.

·이 때문에, 정기적으로 산성약제(예를 들면 구연산 등)를 사용하여, 전극을 세정하고, 탄산칼슘을 제거하는 보수작업이 필요하다.

·또, 전해전류값을 올리면, 탄산칼슘이 생성되기 쉬워지기 때문에, 200mA 이하의 약한 전류로 장시간에 걸쳐서 전기분해를 행할 필요가 있어, 단시간에 다량의 수소 가스를 생성하는 것은 어렵다.

(2) 전극에의 전압의 인가방법을 연구한 예에서도, 다음 문제가 있었다.

·원수공급시만 전기분해를 행하는 방식의 수소수 생성 장치에서는, 원수를 공급할 때마다 전극의 극성을 바꾸는 대책을 강구할 수도 있지만, 이 경우, 공급시간이 매회 상이하기 때문에, 어느쪽인가의 전극에 극성이 치우쳐, 탄산칼슘의 생성을 면할 수 없다.

·특허문헌 2의 기술에 의하면, 한쌍의 활성탄 다공질체에 교류전압을 인가하므로, 전극의 극성을 주기적으로 변화시켜, 탄산칼슘의 생성을 억제할 수 있다. 그러나, 50∼60Hz의 상용주파수에서는, 극성이 단시간에 변하기 때문에, 직류전압에 비해, 전해 효율이 저하된다(동문헌 단락 0032 참조).

·직류에도 교류에도 정전압 전원을 채용했기 때문에, 원수의 수질, 예를 들면 경도, 염소농도, 염분 등의 변화로 전해전류가 대폭 변동하여, 전기분해의 안정성에 문제가 있었다.

(3) 전해 용기(54)의 내부가 거의 상압(대기압)에 유지되어 있으므로, 활성탄 다공질체(56)에의 전해 가스의 저장량이 적고, 수소수의 용존 수소농도가 낮아, 수소수(68)로서 공급할 수 있는 시간이 짧다.

(4) 원수 정화기능의 점에서는, 일반적으로, 미생물의 크기는 수㎛ 이하인 것에 반해, 활성탄 다공질체(56)의 미세구멍 직경은 수10㎛ 이기 때문에, 종래 장치(51)에 의해서는 충분한 미생물 제거성능이 얻어지지 않는다. 또한 활성탄 다공질체(56)에 흡착된 유기물이 미생물의 번식을 촉진하여, 수소수(68)속에 다량의 미생물이 혼입될 우려도 있다.

본 발명의 주요한 목적은, 상기 과제를 해결하고, 고농도의 수소수를 장시간 안정 공급할 수 있고, 활성탄 다공질체에의 탄산칼슘의 부착이 거의 없게 되는 전해식 수소수 생성장치를 제공하는 것에 있다.

상기의 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 전해식 수소수 생성장치는, 전기분해에 의해 발생한 수소 가스를 원수중에 용해시켜서 수소수를 생성하는 장치로서, 저수용기와, 상기 저수용기에 수납된 전해용 전극과, 상기 전해용 전극에 전해 전압을 인가하는 급전부와, 상기 저수용기에 상기 전해용 전극과는 이간하고 상기 전해용 전극의 상단으로부터 상방까지 연장되도록 수납되고 상기 전해 전압이 인가되지 않은 활성탄 다공질체로서, 활성탄 다공질체(12)의 상단 레벨이 전해용 전극(11)의 상단 레벨보다 높은 활성탄 다공질체와, 상기 저수용기에 소정의 수압의 원수를 공급하는 급수부와, 상기 저수용기로부터 수소수를 취출하는 취수부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 전해용 전극과 활성탄 다공질체(보다 상세하게는 흡착·흡장에 유효한 표면)와의 이간 거리가 최단부에서 좌우 방향으로는 100mm를 초과하지 않도록(더욱 바람직하게는 50mm를 초과하지 않도록) 또한 상하 방향으로는 100mm를 초과하지 않도록(더욱 바람직하게는 50mm를 초과하지 않도록) 양자를 접근시키고, 전해용 전극에서 발생한 수소 가스가 부상하기 시작하고 즉시 활성탄 다공질체의 표면에 접하도록 하는 것이 바람직하다. 또, 이간 거리가 최단부에서 좌우 방향으로 10∼100mm가 될 때는, 수소 가스를 전해용 전극으로부터 활성탄 다공질체에 비스듬하게 위쪽방향으로 가이드하는 경사형상 가이드판을 설치하는 것이 바람직하다.

전해용 전극에서 발생한 수소 가스는 부상하기 시작할 때에는 매우 미세하기 때문에 활성탄 다공질체에 흡착되기 쉬운데, 그것이 부상 도중에 합체하여 큰 기포가 되면 활성탄 다공질체에 흡착되기 어렵게 된다. 그래서, 전해용 전극과 활성탄 다공질체를 상기 이간 거리가 되도록 접근시키면, 부상 초기의 매우 미세한 수소 가스를 활성탄 다공질체에 대부분 흡착시킬 수 있다.

또한 저수용기에 전해용 전극이 수납되는 전해실을 하측에, 활성탄 다공질체가 수납되는 정수실을 상측에, 각각 구분하여 설치할 수 있다. 이 경우, 전해용 전극의 대략 바로위에 활성탄 다공질체의 표면을 종방향으로 위치시킴으로써, 부상하는 수소 가스가 활성탄 다공질체의 표면에 접하기 쉬워진다. 또는, 전해용 전극이 수납되는 전해실을 활성탄 다공질체가 수납되는 정수실의 하부에 중복해서 배치하여, 전해용 전극과 활성탄 다공질체를 상기와 같이 접근시킬 수도 있다.

전해실에 쌍(정부의 쌍(후술하는 바와 같이 극히 저주파수로 전환하는 경우도 포함함))의 전해용 전극을 수납하여, 저수용기를 일방의 전극으로도 사용하지 않을 경우에는, 저수용기의 재질은 특별히 한정되지 않고, 스테인리스강계 또는 알루미늄계 등의 금속이어도 좋고, 합성 수지이어도 좋다. 저수용기의 구조는, 특별히 한정되지 않지만, 원수의 급수압에 충분히 견딜 수 있는 내압 구조가 바람직하다.

전해용 전극에는, 예를 들면 백금계의 내식성이 우수한 금속 도금을 행한 전극을 사용할 수 있다. 본 발명에서는, 활성탄 다공질체를 전해용 전극으로서 사용하지 않고, 전해실에서 전용의 전해용 전극에 의해 원수의 전기분해를 행한다. 이 때문에, 활성탄 다공질체에 비해 표면적이 작은 전해용 전극을 사용하여 전류밀도 를 높여, 단시간에 다량의 수소 가스를 발생시킬 수 있다. 따라서 종래에 비해, 수소 가스의 저장에 요하는 시간이 대폭 단축되어, 고농도의 수소수를 장시간 안정 공급할 수 있다. 또, 활성탄 다공질체의 표면에 탄산칼슘이 거의 부착되지 않게 되어, 미세구멍의 폐색을 방지해서 안정한 여과성능을 확보할 수 있다.

다음에, 취수부에 저수용기의 내부를 가압상태에 유지하는 압력밸브를 설치하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 저수용기의 내부가 압력밸브의 설정압과 동일한 압력에 유지된다. 이 때문에, 전기분해에 의해 발생한 전해 가스는 용기의 내부에서 가압되고, 활성탄 다공질체의 내부에 강제 충전되어, 무수한 작은 공간에 저장된다. 이 상태에서, 급수를 개시하면, 저수용기의 내부에 원수의 급수압과 압력밸브의 설정압의 차압에 의해 수류가 발생하고, 활성탄 다공질체중에 저장된 전해 가스가 수류에 빨려들어, 가압 조건하에서 수소 가스의 기포가 원수중에 강제 용해된다. 따라서 상압 조건하에서 전해 가스를 저장·용해하고 있었던 종래에 비해, 보다 다량의 전해 가스를 활성탄 다공질체에 저장하여, 보다 고농도의 수소수를 장시간에 걸쳐 안정적으로 공급할 수 있다.

즉, 하기의 수식 1로 나타내는 바와 같이, 가스의 용해도는 기액(氣液) 접촉압력에 비례하기 때문에, 저수용기의 내압을 압력밸브로 가압상태로 유지함으로써, 원수중에의 수소 가스의 용해도를 높여서 수소수의 용존수소 농도를 향상시킬 수 있다.

C=kP

여기에서, C: 가스의 용해도

k: 헨리 정수

P: 압력

또, 수소 가스의 기포를 가압 축소함으로써 기포의 부상속도가 저하되어, 기포를 장기간 수중에 체류시킬 수 있기 때문에, 단위면적당 물에 포함되는 수소 가스의 기포가 비약적으로 증가하고, 즉, 하기의 수식 2에 나타내는 a의 증가에 의해, 원수중에의 수소 가스의 용해속도를 가속화 할 수 있다.

dCAL/dt=Ka(CA-CAL)

여기에서, CAL: 용존가스 농도

t: 시간

K: 액측 총괄 물질 이동계수

a: 단위부피당의 기액 접촉면적

CA: 포화 용존가스 농도

압력밸브의 종류는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 설정압을 일정값으로 고정한 정압밸브, 설정압을 조정할 수 있는 압력조정 밸브, 릴리프압을 조정할 수 있는 릴리프밸브 등을 사용할 수 있다. 또한, 압력밸브의 설정압은 급수압이 0.3MPa·G(G: 게이지압) 정도의 수도물을 원수로 하는 경우, 0.2MPa·G 전후가 바람직하다.

다음에, 전해용 전극에의 탄산칼슘의 부착을 방지하기 위해서는, 전해 전압 에 극저주파수의 교류전압을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 전해 효율이 높고, 전해 반응이 안정되는 점에서, 급전부는 전해용 전극에 10^-4∼10^-1Hz의 구형파 교류전압을 출력하는 전해 전원인 것이 바람직하다. 전해 전압의 주파수가 10^-1Hz를 초과하면, 전기분해 반응의 효율이 저하되어, 수소 가스의 발생율이 감소된다. 또, 주파수가 10^-4Hz를 하회하는 영역에서는, 음극에 탄산칼슘이 석출하기 쉽고, 이것을 역전위로 소실시킬 수는 있어도, 석출·소실의 반복으로 전기분해 반응이 불안정하게 된다.

또한 급전부는 전해전류를 일정하게 유지하도록 구형파 교류전압을 자동 가변하는 전해용 정전류 전원인 것이 바람직하다. 원수의 수질에 관계없이, 전해전류가 일정하게 유지되어, 수소 가스의 발생을 안정화하는 것이 가능하게 되기 때문이다. 이 구형파 교류전압은 특별히 한정되지 않지만 1∼40V가 바람직하다.

활성탄 다공질체는 예를 들면 활성탄 입자를 바인더로 결합하여 이루어지는 도전성의 성형체로서, 원수중의 염소성분이나 트리할로메탄 등의 유기물을 제거하는 정수기능과, 전해 가스를 저장하는 스페이스 기능을 갖고 있다. 정수기능에 관해서는, pH가 중성영역인 수중에서 미생물의 세포가 부극성으로 대전하고 있으므로, 활성탄 다공질체를 정극성으로 대전시킴으로써 다공질체의 표면에 탄산칼슘을 석출시키지 않고, 미생물의 포집 성능을 높일 수 있다. 구체적으로는, 활성탄 다공질체에 1V 이상이고 또한 전해가 발생하지 않는 전압범위의 정전압을 인가하는 직류전원을 구비하는 것이 바람직하다. 또, 수소 가스도 부극성으로 대전되어 있 는 경우도 있어, 수소의 흡착·흡장에도 효과가 있다. 또한, 인가전압이 1V미만이 되면, 미생물의 포집 성능이 불충분하게 된다.

또한, 급수부의 구성은, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 수도관의 수도 꼭지나 우물물의 급수원에 호스를 통하여 접속되는 급수구를 구비한 구성을 채용할 수 있다. 취수부의 구성도, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 수소수를 토출하는 토출구의 전단(상류측)에 압력밸브를 설치한 구성을 채용할 수 있다.

또한, 급수부로부터 상류에, 전치(前置) 정수실을 구비한 전치 저수용기와, 전치 정수실에 수납된 전치 활성탄부재와, 전치 정수실에 소정의 수압의 원수를 공급하는 전치 급수부와, 전치 정수실로부터 전치 정화된 물을 취출하여 급수부에 보내는 전치 취수부로 이루어지는 전치 정수장치를 형성할 수도 있다. 활성탄부재로서는, 특별히 한정되지 않지만, 다공질체, 분말 형상, 과립 형상 등을 예시할 수 있다. 전치 정수실에서는, 전치 정화로서 수도원수 등의 여과(유리염소, 티끌, 유기물, 납 등)를 주로 행함으로써, 후의 전해실에서의 전기분해를 안정화시키는 동시에, 전해에 의한 유해 물질(주로 유기염소계 화합물)의 생성을 억제하고, 또, 후의 정수실의 활성탄 다공질체의 부하를 경감하여 정화흡착의 수명을 연장시킬 수 있어, 보다 청정하고 안전한 수소수를 대량으로 성형시킬 수 있다. 즉, 뒤의 정수실의 활성탄 다공질체는 수소 가스의 흡장을 주로 행할 수 있다.

(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)

전기분해에 의해 발생한 수소 가스를 원수중에 용해시켜서 수소수를 생성하는 장치로서, 저수용기와, 상기 저수용기에 수납된 전해용 전극과, 상기 전해용 전극에 전해 전압을 인가하는 급전부와, 상기 저수용기에 상기 전해용 전극과는 이간하고 상기 전해용 전극의 상단으로부터 상방까지 연장되도록 수납되고 상기 전해 전압이 인가되지 않은 활성탄 다공질체로서, 활성탄 다공질체(12)의 상단 레벨이 전해용 전극(11)의 상단 레벨보다 높은 활성탄 다공질체와, 상기 저수용기에 소정의 수압의 원수를 공급하는 급수부와, 상기 저수용기로부터 수소수를 취출하는 취수부를 포함한다. 전해용 전극과 활성탄 다공질체와의 이간 거리가 최단부에서 좌우 방향으로는 100mm를 초과하지 않도록 또한 상하 방향으로는 100mm를 초과하지 않도록 양자를 접근시켜, 전해용 전극에서 발생한 수소 가스가 부상하기 시작하고 즉시 활성탄 다공질체의 표면에 접할 수 있도록 한다. 취수부에 저수용기의 내부를 가압상태로 유지하는 압력밸브를 설치한다. 급전부를 전해용 전극에 10^-4∼10^-1Hz의 구형파 교류전압을 출력하고, 또한, 전해전류를 일정하게 유지하도록 구형파 교류전압을 자동 가변하는 전해용 정전류 전원으로 한다.

(실시예 1)

도 1에 도시하는 실시예 1의 전해식 수소수 생성장치(1)는, 수전해부(2)와 급전 장치(3)로 구성되어 있다. 수전해부(2)에는, 수도물을 원수(4)로 하여 저장하는 저수용기(5)와, 원수(4)를 저수용기(5)에 공급하는 급수부(6)와, 저수용기(5)로부터 수소수(7)를 취출하는 취수부(8)가 설치되어 있다. 저수용기(5)는 수지계 재료에 의해 상하 2실 구조로 일체 성형되고, 상류측인 소용적의 전해실(9)을 하측으로, 하류측인 대용적의 정수실(10)을 상측으로, 구분하여 각각 구비하고 있다. 양 실(9, 10)은 연통구(23)를 통하여 연통되어 있다.

전해실(9)에는 원수(4)를 전기분해하는 한쌍(또는 복수쌍)의 전해용 전극(11)이 수납되어 있다. 전해용 전극(11)은 백금계의 금속재료에 의해 소형으로 형성되고, 소정의 간극을 통하여 전해실(9)내에 대향 배치되어 있다. 정수실(10)에는 전해후의 원수(4)를 정화하는 활성탄 다공질체(12)가, 전해용 전극(11)과는 이간하고, 또, (상기 정수실(10)의 배치로 보아 당연한 것이지만) 전해용 전극(11)의 상단으로부터 상방까지 연장되고, 활성탄 다공질체(12)의 상단 레벨이 전해용 전극(11)의 상단 레벨보다 높도록 수납되어 있다. 활성탄 다공질체(12)는 원주 형상으로 성형되고, 중심부에 종방향으로 긴 관통구멍(13)을 가지고 있다. 또, 활성탄 다공질체(12)의 원주 외주면(24)은 전해용 전극(11)의 대략 바로위에 위치되어 있지만, 전해용 전극(11)의 대략 바로 위보다 약간 안쪽 또는 바깥쪽에 위치해 있어도 좋다.

전해용 전극(11)과 활성탄 다공질체(12)와 원주 외주면(24)과의 이간 거리는 최단부에서 좌우 방향으로는 실질적으로 0(또한, 도 1에서 좌측 방향(원주 외주면(24)의 외측 방향) 또는 우측 방향(원주 외주면(24)의 내측방향)에 30∼50mm 정도 이간해 있어도 좋다.), 또한 상하 방향으로는 15mm이다. 이와 같이 양자를 접근시킴으로써 전해용 전극(11)에서 발생한 수소 가스가 부상하기 시작하고 즉시 활성탄 다공질체(11)의 원주 외주면(24)에 접할 수 있다. 그리고 급전 장치(3)에는, 전해용 전극(11)에 예를 들면 약 10^-3Hz의 극저주파수의 구형파 교류전압을 연속적으로 공급하는 급전부로서의 전해전원(14)과, 활성탄 다공질체(12)에 1V 이상이고 또한 전해가 발생하지 않는 전압범위의 정전압을 인가하는 직류전원(15)이 설치되어 있다. 전해 전원(14)은 전해전류를 일정하게 유지하도록 구형파 교류전압을 자동 가변하는 전해용 정전류 전원이며, 구형파 교류전압은 1∼40V의 범위내에서 가변된다.

급수부(6)는 급수원에 접속되는 급수 밸브(16)와, 전해실(9)의 바닥에 개구하는 급수구(17)를 구비하고, 원수(4)를 0.3MPa·G 정도의 수압으로 전해실(9)에 공급하도록 구성되어 있다. 취수부(8)는 활성탄 다공질체(12)의 관통구멍(13)에 접속된 취수 파이프(18)와, 수소수(7)를 토출하는 토출구(19)와, 저수용기(5)의 내부를 가압상태로 유지하는 압력밸브(20)를 구비하고, 압력밸브(20)가 토출구(19)보다 상류측에 설치되어 있다. 압력밸브(20)에는 설정압을 0.05∼0.2MPa·G의 범위에서 조정할 수 있는 압력조정 밸브가 사용되어 있다.

이 실시예의 전해식 수소수 생성장치(1)에 있어서, 전해용 전극(11)에 구형파 교류전압을 인가하면, 전해실(9)의 원수(4)가 예를 들면 200∼500mA의 범위내로부터 정해지는 정전류로 전기분해 되고, 구형파 교류전압은 12V 전후에서 자동 가변되어, 양극에 산소가스(21)가 발생하고, 음극에 수소가스(22)가 발생한다. 전해용 전극(11)의 극성은 비교적 긴 시간(예를 들면 10분)을 두고 주기적으로 변화되어, 산소 가스(21) 및 수소 가스(22)가 양쪽의 전해용 전극(11)으로부터 번갈아 발생한다. 그리고, 이들 전해 가스는 연통구(23)로부터 정수실(10)내를 부상하는데, 상기와 같이 전해용 전극(11)과 활성탄 다공질체(12)와 원주 외주면(24)이 접근해 있기 때문에, 부상 초기의 매우 미세한 수소 가스를 활성탄 다공질체(12)에 대부분 흡착시킬 수 있다.

또, 이때, 저수용기(5)의 내부는 압력밸브(20)에 의해 예를 들면 0.2MPa·G 의 가압상태에 유지되어 있다. 이 때문에, 전해 가스는 용기(5)의 내압에 의해 가압되어, 활성탄 다공질체(12)의 내부에 강제 충전되어, 무수한 작은 공간(도 5 참조)에 저장된다. 이 상태에서, 급수 밸브(16)를 열어서 0.3MPa·G의 원수(4)를 급수하면, 저수용기(5)의 내부에 급수압과 압력밸브 설정압과의 차압(0.1MPa.G)에 의한 수류가 생겨, 활성탄 다공질체(12)중에 저장된 전해 가스가 수류에 빨려들어간다. 그리고 0.2MPa·G의 가압조건하에서, 수소 가스의 기포가 종래에 비해 기포 직경 약 1/3, 표면적 약 1/9, 체적 약 1/27로 압축된 상태에서 원수(4)중에 강제 용해된다.

따라서 이 실시예의 전해식 수소수 생성장치(1)에 의하면, 다음과 같은 작용효과가 얻어진다.

(1) 활성탄 다공질체(12)를 전해용 전극으로서 사용하지 않고, 정수실(10)과는 구분한 전해실(9)에 있어서 전용의 전해용 전극(11)에 의해 원수의 전기분해를 행하므로, 다공질체(12)의 표면에 탄산칼슘이 석출될 우려가 거의 없고, 활성탄의 여과기능을 장기간 양호하게 유지할 수 있다. 또, 전해 전극(11)에 표면적이 작은 금속전극을 사용할 수 있으므로, 원수(4)의 저항에 의한 전압 강하가 작아지고, 또한 전해 전류값을 200∼500mA 정도에까지 올려서 전류밀도를 높이는 것도 가능하고, 전해 효율을 좋게 하여 단시간에 다량의 수소 가스를 발생할 수 있다.

(2) 활성탄 다공질체(12)가 전해용 전극(11)의 상단으로부터 상방까지 연장되어 있고, 또, 전해용 전극(11)과 활성탄 다공질체(12)와 원주 외주면(24)이 접근해 있기 때문에, 부상 초기의 매우 미세한 수소 가스를 활성탄 다공질체(12)에 대 부분 흡착시킬 수 있다.

(3) 저수용기(5)의 내부를 압력밸브(20)로 가압상태에 유지했으므로, 활성탄 다공질체(12)에의 전해 가스의 저장량 및 수소수(7)의 용존 수소농도를 모두 종래의 약 3배로 늘릴 수 있어, 고농도의 수소수(7)를 장시간에 걸쳐 안정적으로 공급할 수 있다.

(4) 전해 전극(11)에 극저주파수의 구형파 교류전압을 인가하므로, 전극(11)에의 탄산칼슘의 부착을 방지하고, 전해 효율을 높여, 전해 반응을 안정화할 수 있는 동시에, 보수작업을 생략하는 것이 가능하게 된다.

(5) 활성탄 다공질체(12)에 1V 이상의 정전압을 항상 인가하므로, 부극성으로 대전한 원수(4)중의 미생물을 효율적으로 포집하고, 미생물의 누설을 억제할 수 있어, 수소수(7)의 위생도를 향상할 수 있다. 정전압을 인가하므로, 활성탄 다공질체(12)의 표면에 탄산칼슘이 석출할 우려가 없다.

(실시예 2)

도 2에 도시하는 실시예 2의 전해식 수소수 생성장치(1)는 전해실(9)을 정수실(10)의 하부에 중복하여 배치하는 동시에, 전해용 전극(11)을 활성탄 다공질체(12)의 하부에 나란하게 배치하고, 그것에 의하여 활성탄 다공질체(12)가 전해용 전극(11)의 상단으로부터 상방까지 연장되어 있도록 한 점에서, 실시예 1과 상이한 것이다. 전해용 전극(11)과 활성탄 다공질체(12)와 원주 외주면(24)과의 이간 거리는 최단부에서 좌우 방향으로는 5mm, 또한 상하 방향으로는 실질적으로 0이며, 이와 같이 양자를 접근시킴으로써 전해용 전극(11)에서 발생한 수소 가스가 부상하 기 시작하고 즉시 활성탄 다공질체(11)의 원주 외주면(24)에 접할 수 있다. 따라서, 이 실시예 2에 의해서도 실시예 1과 동일한 작용 효과가 얻어진다.

(실시예 3)

도 3에 도시하는 실시예 3의 전해식 수소수 생성장치(1)는 급수부(6)로부터 상류에, 전치 정수실(32)을 구비한 전치 저수용기(31)와, 전치 정수실(32)에 수납된 전치 활성탄 다공질체(33)와, 전치 정수실(32)에 소정의 수압의 원수를 공급하는 전치 급수부(34)와, 전치 정수실(32)로부터 전치 정화된 물을 취출하여 급수부(6)로 보내는 전치 취수부(35)로 이루어지는 전치 정수장치(30)를 설치한 점에서만, 실시예 1과 상이한 것이다.

전치 활성탄 다공질체(33)의 형상은 활성탄 다공질체(12)와 유사한 것이며, 전압은 인가되지 않지만, 활성탄 다공질체(12)와 마찬가지로 1V 이상이고 또한 전해가 발생하지 않는 전압범위의 정전압이 인가되어도 좋다. 전치 급수부(34)는 전치 활성탄 다공질체(33)의 외주측에 설치되고, 상기 취수부(35)는 상기 활성탄 다공질체(33)의 관통구멍측에 설치된다.

전치 정수실(32)에서는, 전치 정화로서 수도원수 등의 여과(유리 염소, 티끌, 유기물, 납 등)를 주로 행함으로써, 후의 전해실(9)에서의 전기분해를 안정화시킴과 동시에, 전해에 의한 유해 물질(주로 유기염소계 화합물)의 생성을 억제하고, 또, 후의 정수실(10)의 활성탄 다공질체(12)의 부하를 경감하여 정화흡착의 수명을 연장시킬 수 있어, 보다 청정하고 안전한 수소수를 대량으로 성형시킬 수 있다. 즉, 후의 정수실(10)의 활성탄 다공질체(12)는 수소 가스의 흡장을 주로 행할 수 있다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 관계되는 전해식 수소수 생성장치에 의하면, 고농도의 수소수를 장시간 안정 공급할 수 있고, 활성탄 다공질체에의 탄산칼슘의 부착이 거의 없어진다는 우수한 효과를 얻을 수 있다. 또한 전해용 전극에 10^-4∼10^-1Hz의 구형파 교류전압을 공급함으로써, 전극에의 탄산칼슘의 부착을 방지하고, 전해 효율을 높여, 전해 반응을 안정화할 수 있는 효과가 있다. 또한, 활성탄 다공질체에 1V 이상이고 또한 전해가 발생하지 않는 전압범위의 정전압을 인가함으로써, 다공질체의 표면에 탄산칼슘을 석출시키지 않아, 미생물의 포집 성능을 향상할 수 있는 효과가 있다.

Claims

전기분해에 의해 발생한 수소 가스를 원수중에 용해시켜서 수소수를 생성하는 장치로서, 하기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해식 수소수 생성장치:

저수용기,

상기 저수용기에 수납된 전해용 전극,

상기 전해용 전극에 전해 전압을 인가하는 급전부,

상기 저수용기에 상기 전해용 전극과는 이간하고, 상기 전해용 전극의 상단으로부터 상방까지 연장되도록 수납되고, 상기 전해 전압이 인가되지 않은 활성탄 다공질체로서, 이때 활성탄 다공질체(12)의 상단 레벨이 전해용 전극(11)의 상단 레벨보다 높고,

상기 저수용기에 소정의 수압의 원수를 공급하는 급수부, 및

상기 저수용기로부터 수소수를 취출하는 취수부.
제 1 항에 있어서, 상기 전해용 전극과 상기 활성탄 다공질체와의 이간 거리가 최단부에서 좌우 방향으로는 100mm를 초과하지 않도록 또한 상하 방향으로는 100mm를 초과하지 않도록 양자를 접근시키고, 상기 전해용 전극에서 발생한 수소 가스가 부상하기 시작하고 즉시 상기 활성탄 다공질체의 표면에 접하도록 한 것을 특징으로 하는 전해식 수소수 생성장치.
제 1 항에 있어서, 상기 저수용기에, 상기 전해용 전극이 수납되는 전해실을 하측에, 상기 활성탄 다공질체가 수납되는 정수실을 상측에, 각각 구분하여 설치한 것을 특징으로 하는 전해식 수소수 생성장치.
제 1 항에 있어서, 상기 취수부에 상기 저수용기의 내부를 가압상태로 유지하는 압력밸브를 설치한 것을 특징으로 하는 전해식 수소수 생성장치.
제 1 항에 있어서, 상기 급전부가 상기 전해용 전극에 10^-4∼10^-1Hz의 구형파 교류전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 전해식 수소수 생성장치.
제 5 항에 있어서, 상기 급전부가 전해전류를 일정하게 유지하도록 상기 구형파 교류전압을 자동 가변하는 전해용 정전류 전원인 것을 특징으로 하는 전해식 수소수 생성장치.
제 6 항에 있어서, 상기 구형파 교류전압이 1∼40V인 것을 특징으로 하는 전해식 수소수 생성장치.
제 1 항에 있어서, 상기 활성탄 다공질체에 1V 이상이고 또한 전해가 발생하지 않는 전압범위의 정전압을 인가하는 직류원을 구비하는 것을 특징으로 하는 전해식 수소수 생성장치.
제 1 항에 있어서, 상기 급수부로부터 상류에, 전치 정수실을 구비한 전치 저수용기와, 상기 전치 정수실에 수납된 전치 활성탄 부재와, 상기 전치 정수실에 소정의 수압의 원수를 공급하는 전치 급수부와, 상기 전치 정수실로부터 전치 정화된 물을 취출하여 상기 급수부에 보내는 전치 취수부로 이루어지는 전치 정수장치를 설치한 것을 특징으로 하는 전해식 수소수 생성장치.