KR101272295B1

KR101272295B1 - 선박 밸러스트 수 살균용 전극 모듈

Info

Publication number: KR101272295B1
Application number: KR1020110130831A
Authority: KR
Inventors: 박규원; 김성태; 이해돈; 박용석; 김대원; 이호동; 구자훈
Original assignee: (주) 테크로스
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2013-06-07

Abstract

본 발명은 선박 밸러스트 수 살균용 전극 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극판을 보호하는 하우징(housing)인 사이드 커버(side-cover)와, 상기 사이드 커버 상부에 위치하며, 상부에 단자 및 하부에 단자와 연결 형성되는 베이스 부스바를 포함하는 탑 커버(top-cover)와, 상기 탑 커버 하부면과 수직하게 결합되며 다수의 전극판을 고정하는 고정바와, 상기 베이스 부스바와 수직하게 결합되는 전산볼트와, 상기 전산볼트 측면에 형성되는 보조 부스바로 구성하되, 상기 고정바는 전극판 사이에 위치하는 절연성 스페이서를 더 포함하며, 상기 전산볼트는 전극판 사이에 위치하는 메인 부스바 또는 브랜치 부스바를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 밸러스트 수 살균용 전극 모듈에 관한 것이다.

Description

선박 밸러스트 수 살균용 전극 모듈{Ship ballast water disinfection electrolysis electrode module}

본 발명은 선박 밸러스트 수 살균용 전극 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박 밸러스트 전해살균에 적용되는 전기분해 모듈로써 밸러스트수 배관에 직접 탑재되는 전수통과형 또는 밸러스트 배관에서 일부의 밸러스트 수를 분취하여 전기분해하는 적층형 전극 모듈에 관한 것이다.

관련된 종래의 기술은 등록특허공보(제10-0950415호)의 복수의 음극판을 구비한 전극모듈로 양극 1장당 2장 이상의 음극판을 구비함으로써 전기분해 과정에서 음극판에 석출되는 수산화 칼슘(Ca(OH)₂), 수산화 마그네슘(Mg(OH)₂)을 교대로 세척하는 방법 및 등록특허공보(제10-1044256호)의 교차배열된 양극과 음극을 절연된 스페이서를 사이로 해서 개개의 양극 또는 음극을 용접 등에 의해 접합하는 전극모듈이 있다. 상기의 특허와 같이 기존의 방법은 스케일을 제거하기 위한 방법으로 스페어 음극전극을 추가적으로 설치하거나 일반적으로 사용하는 양극과 음극의 극성전환(Electrode switching), 염산 또는 황산, 선박용 스케일제거제 등을 이용하는 산세정 방법 등을 채택하고 있으며, 전극의 체결방법으로는 양극과 음극을 분리하여 각각의 전극에 전력선을 체결하는 방법이 있다.

하지만, 종래의 기술들은 음극판에서 석출되어 축적되는 수산화 칼슘(Ca(OH)₂), 수산화 마그네슘(Mg(OH)₂)을 제거하기 위해 추가적인 음극전극의 설치 및 산세정, 극성전환 등이 필요하여 선박 선원의 번거러움 및 추가적인 음극판의 설치에 따른 비용이 상승되는 문제점이 있었으며, 전극의 체결방법에 있어 개개의 전극에 대하여 전력선을 체결함으로써 구조의 복잡함이 발생되어 결국 밸러스트 수 배관에서 발생되는 압력 최대 7.5bar에 대한 누수의 문제점 또는 개별 전극의 용접 등에 의한 양극의 코팅면의 손상으로 제작의 어려움이 발생되었다.

상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 전류의 흐름이 원활하며, 양극 또는 음극의 전극판 사이에 전도성 부스바를 사용함으로써 전극 간격을 일정하게 유지시키고, 전극판 체결이 매우 간단한 선박 밸러스트 수 살균용 전극 모듈을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전산볼트를 통해 전극판에 전력을 공급함으로써, 구조를 단순화 할 수 있는 선박 밸러스트 수 살균용 전극 모듈을 제공하는데 있다.

상기한 종래 문제점을 해결하고 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 에에 따른 선박 밸러스트 수 살균용 전극 모듈은 전극판을 보호하는 하우징(housing)인 사이드 커버(side-cover)와; 상기 사이드 커버 상부에 위치하며, 상부에 단자 및 하부에 단자와 연결 형성되는 베이스 부스바를 포함하는 탑 커버(top-cover)와; 상기 탑 커버 하부면과 수직하게 결합되며 다수의 전극판을 고정하는 고정바와; 상기 베이스 부스바와 수직하게 결합되는 전산볼트와; 상기 전산볼트 측면에 형성되는 보조 부스바;로 구성하되, 상기 고정바는 전극판 사이에 위치하는 절연성 스페이서를 더 포함하며, 상기 전산볼트는 전극판 사이에 위치하는 메인 부스바 또는 브랜치 부스바를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 전극판은 전산볼트, 보조 부스바와 양극/음극으로 교차배열한 후 양극판과 음극판 모두를 분리하여 적층 결선하는 모노폴라(Monopolar)형, 또는 양극과 음극의 구별이 없이 전이금속으로 코팅한 불용성 전극을 양극, 음극 모두 적용하거나 전극의 한면만 불용성 전극으로 코팅하여 적용하고 메인 구리 부스바 대신에 절연성 스페이서로 간격을 유지하여 양끝단의 전극에만 결선하는 바이폴라(Bipolar)형으로 결선하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전극판에서 양극과 음극의 간격은 염분도 1PSU 이상의 처리조건에서 6mm 이하의 간격으로 유지하고, 해수 조건을 설계할 경우 최대 10mm 이하로 형성하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 전극판에서 양극 및 음극의 형상은 사각형, 원형, 다각형이 가능하고 음극은 0.5 ~ 20mm의 두께로 물리적으로 가공하지 않은 판형을 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 메인, 보조 또는 브랜치 부스바와, 양극 및 음극 단자는 구리, 니켈, 주석, 납, SS 또는 SUS 중 어느 하나의 재질로 구현하거나 구리에 니켈 및 주석 도금하는 형태로 구현하며, 절연성 스페이서는 PVC, PE, 아세탈 중 어느 하나의 재질로 구현하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 메인 부스바는 원형, 삼각형, 사각형, 다각형 중 어느 하나의 형상 및 2 ~ 20mm 범위 내의 두께로 형성하여 전극간격의 유지시키는 역할을 하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 에에 따른 선박 밸러스트 수 살균용 전극 모듈은 전극판의 체결에 있어 같은 극성을 갖는 전극판에 대하여 모노폴라(Monopolar)로 체결할 경우 극판 사이에 전도성이 높은 구리 즉, 일정 간격의 사각형 또는 원형, 기타 여러모양의 원형 관통된 구리 메인 부스바를 사용하여 전극간격을 조절하고, 같은 전극판에 전류를 인가하는 적층형으로써 최종적으로 관통부위에 3mm 이상의 전산볼트를 이용하여 일정 토크 이상으로 결속시켜 전류의 흐름을 원활하도록하는 효과가 있다.

본 발명은 교차배열된 양극과 음극(전극판) 사이에 전도성의 다양한 부스바를 사용함으로써 전극판 간격을 일정하게 유지할 수 있고, 체결이 매우 간단하여 최종적으로 양극 및 음극 단자를 한 방향으로 돌출시킬 수 있기 때문에 누수에 대한 문제점이 낮아지는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 모듈을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극판을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탑 커버를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극판 체결 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 음극에서 발생되는 수산화 칼슘(Ca(OH)₂), 수산화 마그네슘(Mg(OH)₂) 스케일의 생성과정을 나타낸 도면이다.
도 6은 다양한 샘플 전극판을 나타낸 도면이다.
도 7은 D2 기준표를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극 모듈을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극판을 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탑 커버를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전극판 체결 구조를 나타낸 도면이다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 누수방지 가스켓(10)의 전극 모듈 탑재부(20)에 탑재되는 선박 밸러스트 수 살균용 전극 모듈(100)은 전극판(110)을 보호하는 하우징(housing)인 사이드 커버(side-cover, 120)와, 사이드 커버(120) 상부에 위치하며, 상부에 단자(210) 및 하부에 단자(210)와 연결 형성되는 베이스 부스바(220)를 포함하는 탑 커버(top-cover, 200)와, 탑 커버(200) 하부면과 수직하게 결합되며 다수의 전극판(110)을 고정하는 고정바(300)와, 베이스 부스바(220)와 수직하게 결합되는 전산볼트(400)와, 전산볼트(400) 측면에 형성되는 보조 부스바(500)로 구성된다.

여기서, 고정바(300)는 전극판(110) 사이에 위치하는 절연성 스페이서(310)를 더 포함하며, 상기 전산볼트(400)는 전극판(110) 사이에 위치하는 메인 부스바(410) 또는 브랜치 부스바(420)를 더 포함한다.

상기 전극판(110)은 전산볼트(400), 보조 부스바(500)와 양극/음극으로 교차배열한 후 양극판과 음극판 모두를 분리하여 적층 결선하는 모노폴라(Monopolar)형, 또는 양극과 음극의 구별이 없이 전이금속으로 코팅한 불용성 전극을 양극, 음극 모두 적용하거나 전극의 한면만 불용성 전극으로 코팅하여 적용하고 메인 구리 부스바 대신에 절연성 스페이서(310)로 간격을 유지하여 양끝단의 전극에만 결선하는 바이폴라(Bipolar)형으로 결선한다.

또한, 전극판(110)에서 양극과 음극의 간격은 염분도 1PSU 이상의 처리조건에서 6mm 이하의 간격으로 유지하고, 해수 조건을 설계할 경우 최대 10mm 이하로 형성한다.

그리고, 전극판(110)에서 양극 및 음극의 형상은 사각형, 원형, 다각형이 가능하고 음극은 0.5 ~ 20mm의 두께로 물리적으로 가공하지 않은 판형을 사용한다.

또한, 메인(410), 보조(500) 또는 브랜치 부스바(420)와, 양극 및 음극 단자(210)는 구리, 니켈, 주석, 납, SS 또는 SUS 중 어느 하나의 재질로 구현하거나 구리에 니켈 및 주석 도금하는 형태로 구현되며, 절연성 스페이서(310)는 PVC, PE, 아세탈 중 어느 하나의 재질로 구현된다.

그리고, 메인 부스바(410)는 원형, 삼각형, 사각형, 다각형 중 어느 하나의 형상 및 2 ~ 20mm 범위 내의 두께로 형성하여 전극간격의 유지시키는 역할을 한다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 선박 밸러스트 수 살균용 전극 모듈을 실시 예를 통해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 사용한 전극판(110)의 양극은 기수 및 해수에 적합한 전극으로 염소발생이 우수한 루테늄(Ruthenium) 및 팔라듐(Palladium)을 혼합한 전극으로 기타 전이금속을 이용한 불용성 전극이 이에 속한다.

여기서, 양극 재질은 티타늄(Titanium) G1 ~ 4종 까지 사용이 가능하고 판형 또는 망형의 형태로 두께는 0.5 ~ 10mm 사이로 적용이 가능하다.

특히 탑재량 및 전극판(110)에서 양극 및 음극의 간격을 결정함에 있어 염분도(Salinity)와 전기전도도(Conductivity)를 목표로 하는 염소 발생량(TRO as Cl₂)과, 수온(^oC)에 따라서 전극판의 면적 및 탑재량이 결정되어지며, 선박에서 여유 전력량 이내에서 살균목표(D2) 기준을 만족해야 한다.

<관계식>

Apply current(A) ∝ f(Target TRO(mg/L as Cl₂), Q(m³/hr), 1/Current efficiency)

Voltage(V) ∝ f(Apply current(A), Rc(Ω), Ed, Eo)

Rc(Ω) = Electrode distance(cm) x Specific conductivity(Ωcm) / Anode area(cm²)

이에 따라서 상기의 관계식과 같이 인가되는 전류(Apply current, A)는 목표로 하는 TRO(mg/L as Cl₂)와 밸러스트 수 유량(Q, m³/hr)에 비례하며, 염소발생 능력이 우수한 전극은 인가되는 전류대비 Cl₂ 발생량이 높기 때문에 전류효율(Current efficiency)이 높은 전극이다. 이때 전류효율과 반비례하는 상관관계를 가지게 된다.

<양극 반응>

2Cl^- → Cl₂＋ 2e^-

H₂O → 0.5O₂＋ 2H⁺ ＋ 2e^-

<음극 반응>

2H₂O + 2e^- → H₂ + 2OH^-

상기 양극과 음극의 반응에서 전자는 2개가 산화, 환원 반응에 관여하게 된다. 이때 살균에 관여하는 전류효율은 양극반응에 관련되어 있으며, 양극에서 산소(Oxygen, O₂) 발생량보다 염소(Chlorine, Cl₂) 발생량이 높을수록 전류효율이 높은 살균전극이다.

인가되는 전압(Voltage, V)은 목표로하는 TRO에 따라 전류값과 처리 대상인 밸러스트 수의 비저항(Specific conductivity), 양극과 음극의 간격(cm), 전극의 면적(cm²)으로 결정되어 지며, 상수 값인 Ed는 물 분해전압(Decomposition potential, V), Eo는 과전압(Over potential, V)로 Ed와 Eo의 합은 약 3V 이다. 이에 따라서 선박에서의 여유 전력량인 이내에서 염분도 1PSU에 적용이 가능한 양극과 음극의 간격과 양극의 면적을 하기의 표 1과 같이 산출할 수 있다.

<표 1>

염분도 1PSU에서 목표 TRO를 최대 10mg/L를 유지하기 위한 전극판 양극과 음극의 간격은 3~6mm 이며, 양극의 면적은 50,000~125,000cm²을 탑재해야 만이 선박의 한정적인 소비전력량 이내에서 효과적인 살균이 가능하다. 또한 유량 300m³/hr 뿐만 아니라 그 이하인 150m³/hr 에서 그 이상인 1,000m³/hr 까지 전극간격은 3~6mm 이지만 양극의 면적은 비례적으로 증가하거나 줄어들 수 있다. 이러한 결과를 이용하여 양극의 사이즈(가로 x 세로)를 결정하게 되면 양극의 탑재량이 결정되어지고 적층형 전극 모듈에서 양극과 음극이 교차배열 되기 때문에 음극의 탑재량 또한 양극의 탑재량과 같거나 한장이 많거나 적어질 수 있다.

도 5는 음극에서 발생되어지는 수산화 칼슘(Ca(OH)₂), 수산화 마그네슘(Mg(OH)₂) 스케일의 생성과정이며, 스케일의 축적을 방지하기 위해서는 음극 재질을 Sanding 등 물리적인 가공을 실시하지 않은 Titanium을 판형 원판을 사용해는 것이 유리하고 Sanding 등에 의한 물리적인 조도를 만들거나 망형을 사용하면 스케일의 축적속도가 빨라질 수 있다.

하기 표 2는 다양한 조건의 샘플에 따른 스케일의 축적속도를 나타낸다.

<표 2>

도 6의 결과와 같이 본 발명의 적층형 전극 모듈의 음극은 가공되지Titanium 판형 원판을 사용하였으며, 두께는 0.5mm~10mm가 적합하다. 또한 SUS(304, 316, 316L) 등 Sanding 등에 의한 물리적인 가공을 하지 않은 원판도 가능하며, 스케일 제거 방법인 약품에 의한 세정 또는 본 발명자가 출원한(특허출원번호 제10-2011-0113526호)의 공기(Air) 전단력을 이용한 스케일 제거장치를 추가적으로 장착하였을 경우 Titanium, SUS(304, 316, 316L)등의 망형 원판 또는 물리적으로 가공한 판을 사용해도 무방하다.

상기에서와 같이 살균하는 밸러스트 수의 염분도에 따라 결정되는 전극판의 사이즈 및 탑재량과 스케일 세정방법이 구비되어 있지 않을 경우 가공되지 않은 Titanium 판형 원판을 사용하여 양극과 음극을 상호 교차배열시키고, 메인 부스바를 사이에 두고 적층된 양극 부분과 음극부분을 3mm 이상의 전산볼트를 사용하여 압착 결속시킨다. 이때, 결속되는 전산볼트, 메인 부스바, 보조 부스파, 브랜치 부스바는 전기가 통하는 동재질로 통전되기 때문에 양극쪽 상기 부품들은 쉽게 산화되어지며, 음극쪽 부품들 또한 밸러스트 수 중의 Cl^- 또는 전기분해에서 발생되는 HOCl, OCl^- 등 TRO에 의해 그 형태를 지속적으로 유지할 수 없다. 이에 따라서 상기의 부품들은 에폭시 또는 실리콘, 파라핀, Rubber, 테프론 코팅 등 전도성이 없는 마감제로 전체를 몰딩하거나 부품들을 각각 상기의 재질로 코팅하여 그 형태를 장기적으로 유지할 수 있다.

본 발명의 적층형 전극 모듈은 양극과 음극의 메인 부스바와의 적층형 조립방법과 및 Voltage drop을 최소화 할 수 있는 보조 부스바, 브랜치 부스바 등의 결속 그리고 최종적으로 일정한 결속 압력을 줄 수 있는 3mm 이상의 전산볼트의 사용함으로써 양극 및 음극 단자에 결속되는 것이 특징이며, 정류기와 모듈의 양극 및 음극 단자와의 부스바 체결이 매우 단순화 된다. 기존 방법인 전극 각각을 정류기와 결선하거나 전극 각각을 부스바와 용접하는 형태에 비해 구조적으로 단순화될 수 있으며, 전극의 용접에 의한 양극표면의 코팅면의 손상을 피할 수 있는 최선의 방법이다.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 효과로 상기와 같이 설계된 전극 모듈을 이용하여 기수 조건에서 테스트를 수행한 결과 다음과 같은 성능을 확인할 수 있었다. 시험조건은 유량 300m³/hr, 염분도 1PSU(Conductivity 2.2ms/cm), 인가전류 2,000A, 수온 20^oC에서 평균 TRO 7.2mg/L as Cl₂, 평균 소비전력량 7.08Kw/100m³ 이었으며, 도 7과 같이 D2 기준을 만족할 수 있었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10 : 누수방지 가스켓 20 : 전극 모듈 탑재부
100 : 전극 모듈 110 : 전극판
111 : 홀 120 : 사이드 커버
200 : 탑 커버 210 : 단자
220 : 베이스 부스바 300 : 고정바
310 : 전열성 스페이서 400 : 전산볼트
410 : 메인 부스바 420 : 브랜치 부스바
500 : 보조 부스바

Claims

선박 밸러스트 수 살균용 전극 모듈에 있어서,
전극판을 보호하는 하우징(housing)인 사이드 커버(side-cover)와;
상기 사이드 커버 상부에 위치하며, 상부에 단자 및 하부에 단자와 연결 형성되는 베이스 부스바를 포함하는 탑 커버(top-cover)와;
상기 탑 커버 하부면과 수직하게 결합되며 다수의 전극판을 고정하는 고정바와;
상기 베이스 부스바와 수직하게 결합되는 전산볼트와;
상기 전산볼트 측면에 형성되는 보조 부스바;로 구성하되,
상기 고정바는 전극판 사이에 위치하는 절연성 스페이서를 더 포함하며, 상기 전산볼트는 전극판 사이에 위치하는 메인 부스바 또는 브랜치 부스바를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 밸러스트 수 살균용 전극 모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 전극판은 전산볼트, 보조 부스바와 양극/음극으로 교차배열한 후 양극판과 음극판 모두를 분리하여 적층 결선하는 모노폴라(Monopolar)형, 또는 양극과 음극의 구별이 없이 전이금속으로 코팅한 불용성 전극을 양극, 음극 모두 적용하거나 전극의 한면만 불용성 전극으로 코팅하여 적용하고 메인 구리 부스바 대신에 절연성 스페이서로 간격을 유지하여 양끝단의 전극에만 결선하는 바이폴라(Bipolar)형으로 결선하는 것을 특징으로 하는 선박 밸러스트 수 살균용 전극 모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 전극판에서 양극과 음극의 간격은 염분도 1PSU 이상의 처리조건에서 6mm 이하의 간격으로 유지하고, 해수 조건을 설계할 경우 최대 10mm 이하로 형성하는 것을 특징으로 하는 선박 밸러스트 수 살균용 전극 모듈.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전극판에서 양극 및 음극의 형상은 사각형, 원형, 다각형이 가능하고 음극은 0.5 ~ 20mm의 두께로 물리적으로 가공하지 않은 판형을 사용하는 것을 특징으로 하는 선박 밸러스트 수 살균용 전극 모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 메인, 보조 또는 브랜치 부스바와, 양극 및 음극 단자는 구리, 니켈, 주석, 납, SS 또는 SUS 중 어느 하나의 재질로 구현하거나 구리에 니켈 및 주석 도금하는 형태로 구현하며, 절연성 스페이서는 PVC, PE, 아세탈 중 어느 하나의 재질로 구현하는 것을 특징으로 하는 선박 밸러스트 수 살균용 전극 모듈.
청구항 5에 있어서,
상기 메인 부스바는 원형, 삼각형, 사각형, 다각형 중 어느 하나의 형상 및 2 ~ 20mm 범위 내의 두께로 형성하여 전극간격의 유지시키는 역할을 하는 것을 특징으로 하는 선박 밸러스트 수 살균용 전극 모듈.