KR101347317B1 - Apparatus For Producting Hydrogen From The Electrolysis Of Water By Electrical Superposition Circuit - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수전해 수소 제조 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 일면에 따른 수전해 수소 제조 장치는 외부로부터 인가되는 교류 전원을 반파 정류하는 다이오드 어레이와, 일단이 다이오드 어레이에 연결되는 부하 저항의 타단에서 출력되는 직류 전류 및 다이오드 어레이에서 반파 정류된 전류를 미리 정해진 시정수에 따라 충방전하여 생성된 펄스 전류를 중첩한 전류를 출력하는 전기 분해 전류 생성부와, 일단이 전기 분해 전류 생성부의 출력과 연결되는 부하저항 및 일단이 부하저항의 타단과 직렬로 연결되고 타단이 접지와 연결되는 부하저항을 포함하는 전압 분배부와, 전기 분해를 일으키기 위해 전해질에 삽입되며 전기 분해 전류 생성부의 출력과 연결되는 양극과, 전해질에 삽입되며 전압 분배부의 부하저항의 타단 및 부하저항의 일단에 연결되는 음극을 포함한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for producing electrolytic hydrogen, wherein the apparatus for producing electrolytic hydrogen according to one aspect of the present invention includes a diode array for half-wave rectifying AC power applied from the outside, and one end of a load resistor connected to the diode array. An electrolysis current generator for outputting a current superimposed on a pulse current generated by charging and discharging the output DC current and the half-wave rectified current in the diode array according to a predetermined time constant, and one end of which is connected to the output of the electrolysis current generator A voltage divider including a load resistor, one end of which is connected in series with the other end of the load resistor and the other end of which is connected to ground, and an anode inserted into the electrolyte to cause electrolysis and connected to the output of the electrolysis current generator. And inserted into the electrolyte and connected to the other end of the load resistance of the voltage distribution unit and one end of the load resistance. And a negative electrode to be formed.

Description

전기 중첩에 의한 수전해 수소 제조 장치{Apparatus For Producting Hydrogen From The Electrolysis Of Water By Electrical Superposition Circuit}Apparatus For Producting Hydrogen From The Electrolysis Of Water By Electrical Superposition Circuit}

본 발명은 전기 중첩에 의한 수소 제조 효율성의 향상 및 전기 에너지 절약을 이룰 수 있는 수전해 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기중첩의 원리에 의하여 직류와 펄스전류를 중첩한 전력을 전기 분해를 하는 전극에 공급하여 수소 발생 효율성을 향상시키고 전기 에너지 절약을 이룰 수 있는 수전해 수소 제조장치에 관한 것이다.The present invention relates to an electrolytic device capable of improving hydrogen production efficiency and electric energy saving by electric overlap, and more particularly, electrolysis of a power superimposed on a direct current and a pulse current by the principle of electric overlap. The present invention relates to an electrolytic hydrogen production apparatus capable of supplying an electrode to improve hydrogen generation efficiency and achieve electrical energy saving.

물의 전기분해는 양극으로부터 전자가 외부 전기회로로 들어오고, 음극으로부터 전자가 나가는 전극반응에 수반하여 전해액 중의 수소 이온인 양이온과 수산 이온인 음이온이 대전 입자로서 전하를 운반함으로써 일어나는 전기화학적 전하이동반응에 의하여 일어난다. 이때 전극, 전해액, 외부 전기회로, 전극과 전해액의 계면 어느 것이나 똑같은 전기량이 이동한다.The electrolysis of water is an electrochemical charge transfer reaction caused by the transport of charge as charged particles by the cations, which are hydrogen ions, and the anions, which are hydroxyl ions, in the electrolyte, accompanied by an electrode reaction in which electrons enter the external electric circuit from the anode and electrons exit the cathode. Happens. At this time, the same amount of electricity moves at the electrode, the electrolyte, the external electric circuit, and the interface between the electrode and the electrolyte.

물의 전기분해 반응의 기본 원리는 다음 반응식 1과 같이 나타낼 수 있다.The basic principle of the electrolysis of water can be expressed as in Scheme 1 below.

(반응식 1)(Scheme 1)

HO H +OH :물의 해리HO H + OH: dissociation of water

2H +2e H : 수소이온이 전자와 결합하는 음극반응2H + 2e H: Cathode reaction in which hydrogen ions combine with electrons

2OH O +HO + 2e : 수산이온이 방전하는 양극반응2OH O + HO + 2e: Anode Reaction of Discharged Hydroxide

반응식 1에서 순수한 수소발생 반응만 나타낼 경우는 반응식 2와 같이 나타낼 수 있다.In the case of pure hydrogen evolution reaction in Scheme 1, it may be represented as in Scheme 2.

(반응식 2)(Scheme 2)

2HO + 2e H + 2HO2HO + 2e H + 2HO

수용액 중에서의 HO의 방전에 의한 수소 발생 반응의 전체반응은 반응식 2와 같으나 이 반응은 반응식 3의 5단계로 나누어진다.The overall reaction of the hydrogen evolution reaction by discharging HO in aqueous solution is the same as in Scheme 2, but this reaction is divided into five stages of Scheme 3.

(반응식 3)(Scheme 3)

1단계: HO의 전해질 내부로부터 전극전해액 계면으로의 이동Step 1: Transfer from HO Inside to Electrolyte Interface

2단계: HO의 방전Step 2: discharge of HO

①전극 표면 격자점에서의 수소 원자의 흡착(Volmer 반응)     ① Adsorption of hydrogen atoms at the electrode surface lattice points (Volmer reaction)

HO +M +e M-H +HO      HO + M + e M-H + HO

(여기서 M은 금속 전극이다)      Where M is a metal electrode

②전극 표면에 흡착한 수소 원자와의 반응(Heyrovsky 반응)     ② Reaction with hydrogen atoms adsorbed on the electrode surface (Heyrovsky reaction)

HO + M-H +e H + M + HO      HO + M-H + e H + M + HO

3단계: 흡착된 2개의 수소 원자 결합에 의한 수소 분자의 생성(Tafel 반응)Step 3: Production of Hydrogen Molecules by Bonding Two Adsorbed Hydrogen Atoms (Tafel Reaction)

2M-H H +2M       2M-H H + 2M

4단계: 전극 표면으로부터 전해액으로 수소 분자의 탈착Step 4: Desorption of Hydrogen Molecules from Electrode Surface into Electrolyte

5단계: 확산 또는 기체 발생에 의한 수소 분자의 전극 근방부터 멀리로의 이동Step 5: Movement of hydrogen molecules from near to far by diffusion or gas evolution

여기에서 수소 발생 속도결정단계를 고려하여야 되는데, 산성용액에서는 전극상에서의 Heyrovsky 반응이 수소발생 속도결정단계이나, 알카리 용액중에서는 Volmer 반응 및 Tafel 반응이 속도결정단계가 된다.Here, the hydrogen generation rate determination step should be considered. In acidic solution, the Heyrovsky reaction on the electrode is the hydrogen evolution rate determination step, but in the alkaline solution, the Volmer reaction and Tafel reaction are the rate determination step.

이상의 수소 발생 반응을 살펴본 바와 같이 전기분해에 필요한 외부 전원, 수소 발생반응에 따른 전극의 전류교환밀도 및 전자 이동도 그리고 이온 물질의 전극 계면으로의 이동도인 전해질의 전기전도도가 매우 중요한 3대 요소임을 알 수 있다.As discussed above, the three major components of the external power source required for electrolysis, the current exchange density and electron mobility of the electrode according to the hydrogen generation reaction, and the electrical conductivity of the electrolyte, which is the mobility of the ionic material to the electrode interface, are very important factors. It can be seen that.

전기분해에 필요한 외부 전원종류로써 패러데이가 제출한 전기분해에 대한 법칙에 의하여 직류전원을 주로 사용하여 왔다(대한민국 등록특허 공보 제10-00116005호, 제10-0961893호, 대한민국 특허출원 제10-2010-0026813호). 아울러 펄스전원에 의한 수소제조 방법에 대하여서도 특허출원된 바가 있다(대한민국 특허출원 제10-2009-0099558).DC power has been mainly used in accordance with the law of electrolysis submitted by Faraday as a kind of external power required for electrolysis (Korean Patent Publication Nos. 10-00116005, 10-0961893, and Korea Patent Application No. 10-2010 -0026813). In addition, there has been a patent application for a hydrogen production method using a pulse power supply (Korean Patent Application No. 10-2009-0099558).

그러나 직류전원만을 사용할 경우는 일정한 전압을 유지할 수 있는 장점이 있으나, 양극과 음극사이의 작용하는 힘이 적으며, 전류밀도가 낮은 단점이 수반된다. 그리고 펄스전류만를 사용할 경우는 짧은 펄스주기에 의하여 방전하게 되므로 양극과 음극사이의 작용하는 힘은 세나 펄스 방전주기의 정점(peak) 사이의 힘의 공백부분이 발생하는 단점이 있다.However, the use of DC power only has the advantage of maintaining a constant voltage, but the force between the anode and the cathode has a small force, accompanied by the disadvantage of low current density. In the case of using only a pulse current, since the discharge is performed by a short pulse period, the force between the anode and the cathode has a disadvantage in that a gap between the peaks of the three or pulse discharge cycles occurs.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 삼상 교류 전원을 반파정류한 전류로 부터 직류 전류 및 펄스 전류를 생성하고 이를 중첩하여 전기분해 효율을 향상시킬 수 있는 수전해 수소 제조 장치를 제공하는 데 있다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention for solving the above-mentioned problems is to provide a hydroelectric hydrogen production apparatus that can generate a DC current and a pulse current from the half-wave rectified current of the three-phase AC power source and overlap them to improve electrolysis efficiency. There is.

또한, 수소가 발생되는 음극 전극은 전기 전도도 및 교환전류밀도가 높은 그래핀을 코팅하고 알카리 전해질에는 전기적 촉매기능을 가진 다중벽 탄소 나노 튜브를 균일하게 혼합하여 사용하여 전기 전도도가 향상된 수전해 수소 제조 장치를 제공하는데 있다. In addition, the cathode electrode in which hydrogen is generated is coated with graphene having high electrical conductivity and density of exchange current, and the electrolytic hydrogen is improved in electrical conductivity by uniformly mixing multi-walled carbon nanotubes having an electrical catalyst function in the alkaline electrolyte. To provide a device.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood from the following description.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일면에 따른 수전해 수소 제조 장치는 외부로부터 인가되는 교류 전원을 반파 정류하는 다이오드 어레이와, 일단이 다이오드 어레이에 연결되는 부하 저항의 타단에서 출력되는 직류 전류 및 다이오드 어레이에서 반파 정류된 전류를 미리 정해진 시정수에 따라 충방전하여 생성된 펄스 전류를 중첩한 전류를 출력하는 전기 분해 전류 생성부와, 일단이 전기 분해 전류 생성부의 출력과 연결되는 부하저항 및 일단이 부하저항의 타단과 직렬로 연결되고 타단이 접지와 연결되는 부하저항을 포함하는 전압 분배부와, 전기 분해를 일으키기 위해 전해질에 삽입되며 전기 분해 전류 생성부의 출력과 연결되는 양극과, 전해질에 삽입되며 전압 분배부의 부하저항의 타단 및 부하저항의 일단에 연결되는 음극을 포함하여 수소 발생 효율성을 높이는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the apparatus for producing hydrophilic hydrogen according to an aspect of the present invention includes a diode array for half-wave rectifying AC power applied from the outside, and a direct current output from the other end of a load resistor connected to the diode array. And an electrolysis current generation unit configured to output a current superimposed on a pulse current generated by charging and discharging the half-wave rectified current in the diode array according to a predetermined time constant, and a load resistor having one end connected to an output of the electrolysis current generation unit. A voltage divider comprising a load resistor, one end of which is connected in series with the other end of the load resistor and the other end of which is connected to ground, an anode inserted into the electrolyte for causing electrolysis and connected to the output of the electrolysis current generator, The negative electrode connected to the other end of the load resistance of the voltage It is characterized in that to increase the hydrogen generation efficiency.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 수소가 발생되는 음극 전극은 전기 전도도 및 교환전류밀도가 높은 그래핀을 코팅하고 알카리 전해질에는 전기적 촉매기능을 가진 다중벽 탄소 나노 튜브를 균일하게 혼합하여 사용함을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the cathode electrode in which hydrogen is generated is coated with graphene having high electrical conductivity and high exchange current density, and an alkali electrolyte is used by uniformly mixing multi-walled carbon nanotubes having an electrical catalytic function. do.

첫째, 삼상 변압기에서 출력되는 대전류를 삼상 반파 정류하여 전극에 공급하므로 희망하는 전극 교환전류밀도의 공급이 용이하다.First, since the large current output from the three-phase transformer is three-phase half-wave rectified and supplied to the electrode, it is easy to supply the desired electrode exchange current density.

둘째, 음극에 그래핀을 코팅함에 따라 전자 이동도가 높으며, 전극 교환전류밀도가 높기 때문에 수소발생 음극 과전압이 낮아진다.Second, as the graphene is coated on the cathode, the electron mobility is high, and the hydrogen exchange cathode overvoltage is lowered because the electrode exchange current density is high.

셋째, 알카리 전해질에 전기 전도성 촉매기능을 가진 다중벽 탄소 나노 튜브를 혼합하여 전기 전도성을 높혀줌으로써 전기 에너지를 절약할 수 있다.Third, it is possible to save electrical energy by increasing the electrical conductivity by mixing the multi-walled carbon nanotubes having an electrically conductive catalyst function in the alkaline electrolyte.

넷째, 전기 전도성 촉매인 다중벽 탄소 나노 튜브는 전기분해에 의하여 물질의 변형이 없기 때문에 지속적 사용이 가능하다.Fourth, the electrically conductive catalyst multi-walled carbon nanotubes can be used continuously because there is no deformation of the material by electrolysis.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 수소 제조 장치의 회로도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 수소 제조 장치에 있어서 부하저항(302)에 의해 생성되는 직류 전류의 파형을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 수소 제조 장치에 있어서 부하저항(301) 및 콘덴서(303)에 의해 생성되는 펄스 전류의 파형을 나타내는 도면.
도 4는 직류 전류 및 펄스 전류가 중첩된 전류 파형을 나타내는 도면.
도 5는 음극에 코팅되는 그래핀의 SEM 촬영 도면.
도 6은 전해질에 혼합되는 전기적 촉매인 다중벽 탄소 나노 튜브의 SEM 촬영 도면.1 is a circuit diagram of an apparatus for producing hydrogen for hydrolysis according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing waveforms of direct current generated by the load resistor 302 in the apparatus for producing hydrogen in electrolysis according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing waveforms of pulse currents generated by the load resistor 301 and the condenser 303 in the apparatus for producing hydroelectrolyte hydrogen according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing a current waveform in which a direct current and a pulse current are superimposed.
5 is a SEM photograph of graphene coated on the cathode.
FIG. 6 is an SEM photograph of a multi-walled carbon nanotube that is an electrical catalyst mixed in an electrolyte.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and the manner of achieving them, will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described hereinafter in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in various different forms, and these embodiments are not intended to be exhaustive or to limit the scope of the present invention to the precise form disclosed, It is provided to inform the person completely of the scope of the invention. It is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 수소 제조 장치를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 수소 제조 장치의 회로도이다.Hereinafter, an apparatus for producing a hydroelectrolyte according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 6. 1 is a circuit diagram of an apparatus for producing hydroelectrolyte according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 수소 제조 장치(10)는 외부로부터 인가되는 교류 전원(201)을 반파 정류하는 다이오드 어레이(203)와, 일단이 다이오드 어레이(203)에 연결되는 부하 저항(301)의 타단에서 출력되는 직류 전류 및 다이오드 어레이(203)에서 반파 정류된 전류를 미리 정해진 시정수에 따라 충방전하여 생성된 펄스 전류를 중첩한 전류를 출력하는 전기 분해 전류 생성부(300)와, 일단이 전기 분해 전류 생성부의 출력과 연결되는 부하저항(401) 및 일단이 부하저항(401)의 타단과 직렬로 연결되고 타단이 접지와 연결되는 부하저항(402)을 포함하는 전압 분배부(400)와, 전기 분해를 일으키기 위해 전해질에 삽입되며 전기 분해 전류 생성부의 출력과 연결되는 양극(501)과, 전해질에 삽입되며 전압 분배부의 부하저항(401)의 타단 및 부하저항(402)의 일단에 연결되는 음극(502)을 포함한다.Referring to FIG. 1, the apparatus 10 for manufacturing electrolytic hydrogen according to an embodiment of the present invention includes a diode array 203 for half-wave rectifying an AC power source 201 applied from the outside, and one end of the diode array 203. Electrolysis current outputting a current superimposed on the pulse current generated by charging and discharging the DC current output from the other end of the load resistor 301 connected to the diode and the half-wave rectified current in the diode array 203 according to a predetermined time constant. A load resistor 401 having one end connected to the output of the electrolysis current generator and one end connected in series with the other end of the load resistor 401 and the other end connected to the ground; A voltage divider 400 including an anode, a positive electrode 501 inserted into the electrolyte to cause electrolysis, and connected to an output of the electrolysis current generator, and the other end and the negative portion of the load resistor 401 inserted into the electrolyte; It includes a cathode 502 coupled to one end of the resistor 402. The

구체적으로, 외부로 부터 인가되는 삼상교류 전원(201)의 입력 전압, 전류가 변압기(202)에서 미리 정해진 값에 따라 조정되고 조정된 전압, 전류를 정류 다이오드 어레이(203)에 의하여 반파 정류하면 삼상교류의 R, S, T상의 전압, 전류가 출력되어 진다. 이때 각상의 전원 선을 연결하여 접지저항과 연결한다. Specifically, when the input voltage and current of the three-phase AC power source 201 applied from the outside are adjusted in accordance with a predetermined value in the transformer 202, and the voltage and current are half-wave rectified by the rectifying diode array 203, three-phase The voltage and current of the R, S, and T phases of the alternating current are output. At this time, connect power line of each phase and ground resistance.

도 1에 도시된 201 내지 204에 의한 회로는 삼상 교류를 반파 정류할 경우 적용된 논리회로로써 이러한 논리회로는 반도체 집적회로에서 다양하게 적용되고 있다. 삼상교류의 각상을 R, S, T라고 하였을 때 R에 전류가 흐를 때 “1”이라 하면, S, T는 “0”이 된다. 이와 같이 “1”과 “0”이 입력될 때 출력은 “1”이 되어 R의 전류는 반파 정류되어 “1”로 출력된다는 회로이다. 즉 입력이 “1” 또는(or) "0"일 때 출력이 "1"이 된다는 것이 OR회로이다. 동일하게 S, T에서도 입력 신호인 전압, 전류에 의하여 출력이 결정된다. 이와 같은 논리회로인 OR회로를 적용하면 삼상교류의 반파 정류회로를 단순화할 수 있는 장점이 있다. The circuits of 201 to 204 shown in FIG. 1 are logic circuits applied when half-wave rectification of three-phase alternating current is applied to various semiconductor integrated circuits. When each phase of the three-phase exchange is called R, S, and T, if the current flows in R, it is “1”, and S and T are “0”. As such, when “1” and “0” are input, the output becomes “1” and the current of R is half-wave rectified and output as “1”. That is, the OR circuit is that the output becomes "1" when the input is "1" or (or) "0". Similarly, the output is determined by the voltage and current which are input signals in S and T. The application of the OR circuit, which is such a logic circuit, has the advantage of simplifying the half-wave rectification circuit of three-phase exchange.

전기 분해 전류 생성부(300)는 일단이 다이오드 어레이(203)에서 반파 정류된 전류를 입력받도록 다이오드 어레이(203)에 연결되는 부하저항(301)과, 일단이 부하저항(301)의 타단과 직렬연결되는 콘덴서(303) 및 일단이 부하저항(301)의 일단과 연결되되, 타단이 콘덴서(303)의 타단과 연결되는 부하저항(302)을 포함한다.The electrolysis current generating unit 300 has a load resistor 301 connected to the diode array 203 so that one end receives a half-wave rectified current from the diode array 203, and one end is in series with the other end of the load resistor 301. The condenser 303 and one end connected to each other are connected to one end of the load resistor 301, and the other end thereof includes a load resistor 302 connected to the other end of the capacitor 303.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 수소 제조 장치(10)에 있어서 부하저항(302)에 의해 생성되는 직류 전류의 파형을 나타내며, 도 3은 부하저항(301) 및 콘덴서(303)에 의해 생성되는 펄스 전류의 파형을 나타낸다.FIG. 2 shows waveforms of direct current generated by the load resistor 302 in the apparatus 10 for producing hydrophilic hydrogen according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 shows the load resistor 301 and the capacitor 303. The waveform of the pulse current produced | generated by this is shown.

한편, 콘덴서(303)와 상기 부하저항(302)이 연결된 노드에서 직류 전류 및 펄스 전류를 중첩한 전류를 출력하게 되는데 도 4는 직류 전류 및 펄스 전류가 중첩된 전류 파형을 나타낸다.On the other hand, at the node where the condenser 303 and the load resistor 302 is connected, a current overlapping the DC current and the pulse current is output. FIG. 4 shows a current waveform in which the DC current and the pulse current overlap.

본 발명에서는 직류전류와 펄스전류의 파형을 중첩하여 전기분해하는 양극(501)과 음극(502)에 공급한다. 이와 같이 전기 중첩하여 전원을 공급할 시에 직류전류가 가지고 있는 단점 및 펄스전류가 가지고 있는 단점을 상호 보완할 수 있는 장점을 가지게 된다.In the present invention, the waveforms of the DC current and the pulse current are superimposed and supplied to the anode 501 and the cathode 502 which are electrolyzed. As described above, when supplying power by overlapping with electricity, the disadvantages of the DC current and the disadvantages of the pulse current are complemented.

한편, 전술한 전기 분해 전류 생성부(300) 및 전기 분해 전류 생성부(300)와 연결되는 전압 분배부(400)의 회로는 본 발명의 목적을 구현하기 위한 회로로써 반파 정류된 전류 중 일정 부분의 전류를 부하저항(302)에 의하여 분류하여 직류 전류로 인가하고, 잔류 부분의 전류를 부하저항(301)에 의하여 분류하여 직류 콘덴서(303)에 공급한다. 이 때, 미리 정해진 시정수(RxC)에 의하여 콘덴서에 충 방전이 이루어진다. 이때 충 방전시간은 60Hz 삼상교류이므로 초로써 5.5ms로 결정되어 진다. 방전된 전압, 전류는 양극(501)으로 공급되고 한 점에 공급된 전류의 합은 출력되는 전류의 합과 같다는 키르히호프의 법칙에 의하여 전압강하 부하저항(401)으로 직류 전류성분과 펄스전류 성분이 중첩되어 흐르게 된다. 이때 전압강하 부하저항(401)에 의하여 정전압, 정전류는 부전압, 부전류로 전환되어 음극(502)으로 인가된다. 전류 흐름의 총합은 일정하여야 되므로 음극(502)에 인가된 전류는 최종 접지저항(402)으로 흘러서 대지로 방출되게 된다.On the other hand, the circuit of the above-mentioned electrolysis current generator 300 and the voltage divider 400 connected to the electrolysis current generator 300 is a circuit for realizing the object of the present invention a portion of the half-wave rectified current Current is classified by the load resistor 302 and applied as a direct current, and the current in the remaining portion is classified by the load resistor 301 and supplied to the DC capacitor 303. At this time, charge and discharge are performed to the capacitor by a predetermined time constant (RxC). At this time, since the charge-discharge time is 60Hz three-phase alternating current, it is determined as 5.5ms. According to Kirchhoff's law that the discharged voltage and current are supplied to the anode 501 and the sum of the currents supplied at one point is equal to the sum of the output currents. This flows overlapping. At this time, the constant voltage and the constant current are converted to the negative voltage and the negative current by the voltage drop load resistor 401 and applied to the cathode 502. Since the sum of the current flows must be constant, the current applied to the cathode 502 flows to the final ground resistance 402 to be discharged to the ground.

한편, 음극(502)에서 발생되는 수소 생성의 효율성을 높이기 위하여 음극(502)은 그래핀(Graphene)으로 코팅될 수 있는데, 그래핀은 에너지 밴드갭이 0eV에 달하며, 전극 교환전류밀도가 약10 A/cm2가지며, 전자 이동도는 15,000cm2/Vs을 나타내며, 전기 저항은 10cm를 나타내는 매우 우수한 전극 소재이다. 따라서 음극에서 수소 이온과의 전자 교환 반응이 높게 나타나므로 수소 발생 효율성이 향상된다. 도 5는 음극(502)에 코팅되는 그래핀의 SEM(전자현미경) 촬영 도면을 나타낸다.Meanwhile, in order to increase the efficiency of hydrogen generation generated from the cathode 502, the cathode 502 may be coated with graphene. Graphene has an energy band gap of 0 eV and an electrode exchange current density of about 10. a / cm 2 has electron mobility indicates a 15,000cm 2 / Vs, electric resistance are high quality electrode material showing a 10cm. Therefore, since the electron exchange reaction with the hydrogen ions at the cathode is high, the hydrogen generation efficiency is improved. FIG. 5 shows an SEM (electron microscope) photographic drawing of graphene coated on the cathode 502.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 수소 제조 장치(10)에 있어서, 전해질로써 25~35% KOH 수용액을 사용할 수 있다. 또한, 수용액의 전기 전도도를 높이기 위하여 전기적인 촉매로써 그래핀 또는 탄소 나노 튜브를 전해질에 포함함할 수 있다. 도 6은 전해질에 혼합되는 전기적 촉매인 다중벽 탄소 나노 튜브의 SEM 촬영 도면이다.On the other hand, in the hydroelectrolyte hydrogen production apparatus 10 according to an embodiment of the present invention, 25 ~ 35% KOH aqueous solution can be used as the electrolyte. In addition, graphene or carbon nanotubes may be included in the electrolyte as an electrical catalyst in order to increase the electrical conductivity of the aqueous solution. FIG. 6 is a SEM photograph of a multi-walled carbon nanotube that is an electrical catalyst mixed in an electrolyte.

본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 수소 제조 장치(10)에 적용되는 전해질에 있어서 25% KOH 수용액에 다중벽 탄소 나노 튜브를 2.5 wt %를 균일하게 혼합하는 경우의 전해질의 전기 전도도의 측정값은 아래 표 1과 같다.Measurement value of the electrical conductivity of the electrolyte when 2.5 wt% of the multi-walled carbon nanotubes were uniformly mixed with a 25% KOH aqueous solution in the electrolyte applied to the hydroelectrolyte hydrogen production apparatus 10 according to an embodiment of the present invention Is shown in Table 1 below.

항 목Item 25% KOH 수용액25% KOH aqueous solution 25% KOH 수용액+2.5 wt % MWNTs25% aqueous KOH solution + 2.5 wt% MWNTs 전기 전도도Electrical conductivity 822,200s/cm822,200 s / cm 850,000s/cm850,000 s / cm

위의 측정값에서 보는 바와 같이 다중벽 탄소나노 튜브를 혼합함으로써 전기 촉매적 상승효과에 의하여 27,800s/cm가 증가함을 알 수 있다. As shown in the above measurement, by mixing the multi-walled carbon nanotubes, it can be seen that the increase of 27,800 s / cm due to the electrocatalytic synergy.

전술한 바와 같이, 그래핀을 코팅한 음극(502) 및 2.5 wt % 다중벽 탄소 나노 튜브를 혼합한 25% KOH 전해질을 적용한 실시 예는 아래와 같다.As described above, an example in which a 25% KOH electrolyte including a graphene-coated anode 502 and a 2.5 wt% multi-walled carbon nanotube is applied is as follows.

(실시 예)(Example)

공급 전원으로써 380V 삼상 교류(201)를 사용하였으며, 이를 변압기(202)에 의하여 10V/100A/1.7kVA로 조정하고 OR회로에 의하여 삼상 반파정류하였다. 이때 접지저항(204)으로는 100W/100Ω을 사용하였다. 그리고 부하저항(302)에는 200W/0.12Ω을 사용하여 40A를 직류 전류로 공급하고 부하저항(301)에는 300W/0.08Ω을 사용하여 펄스 전류로 전환하기 위하여 직류 콘덴서(303)는 16WV/680,000㎌를 사용하여 양극(501)에 직류 전류와 펄스 전류를 중첩하여 인가하고 전압강하 부하저항(401)에는 100kW/0.1Ω을 사용하여 음극(502)에 공급하여 양극 전압과 음극 전압간의 퍼텐셜 차이를 10V로 양극(501)는 +5V, 음극(502)은 -5V로 하여 전기분해를 실시하였다. 이때 접지저항(402)은 500W/0.05Ω을 사용하였다. 이상의 실시 예에 의하여 최종 결과는 수소 발생에서 178.7Lt/kWh로 나왔으며 이는 수소 발생 에너지 효율에서 71.5%로 산출되어 진다.A 380V three-phase AC 201 was used as the power supply, which was adjusted to 10V / 100A / 1.7kVA by a transformer 202 and three-phase half-wave rectified by an OR circuit. At this time, 100W / 100Ω was used as the ground resistance 204. The DC capacitor 303 is 16 WV / 680,000 kW to supply 40 A to DC current using 200 W / 0.12 Ω to the load resistor 302 and 300 W / 0.08 Ω to the load resistor 301. DC current and pulse current are superimposed on the positive electrode 501 by using and the voltage drop load resistor 401 is applied to the negative electrode 502 by using 100 kW / 0.1 Ω to reduce the potential difference between the positive and negative voltages by 10V. The furnace 501 was electrolyzed at + 5V and the cathode 502 at -5V. At this time, the ground resistance 402 was used 500W / 0.05Ω. According to the above example, the final result is 178.7 Lt / kWh in hydrogen generation, which is calculated as 71.5% in hydrogen generation energy efficiency.

위와 같이 본 발명에 따른 전원 공급 방법의 변경, 전극의 형태를 변경 및 전해질의 변경과 같은 3대 핵심요소를 모두 변경하면 수소 발생 효율성이 대폭적으로 향상됨을 알 수 있다. 이는 역설적으로 수소 발생 효율성을 향상시키기 위하여서는 어느 한 가지만 변경하여서는 충분한 결과를 얻을 수 없다는 것을 나타낸다.
As described above, it can be seen that the hydrogen generation efficiency is greatly improved by changing all three key elements, such as the change of the power supply method, the shape of the electrode, and the change of the electrolyte according to the present invention. Paradoxically, this indicates that only one change is not enough to improve the hydrogen generation efficiency.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
It will be understood by those skilled in the art that the present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention.

201: 삼상 교류 전원
202: 변압기
203: 다이오드 어레이 (Diode array)
204: 접지저항
300: 전기 분해 전류 생성부
301: 부하저항
302: 부하저항
303: 콘덴서
400: 전압분배부
401: 전압강하 부하저항
402: 접지저항
501: 양극
502: 음극201: three phase AC power
202: transformer
203: diode array
204: earth resistance
300: electrolysis current generator
301: load resistance
302: load resistance
303: condenser
400: voltage distribution
401: voltage drop load resistance
402: grounding resistance
501: anode
502: cathode

Claims (4)

외부로부터 인가되는 교류 전원(201)을 반파 정류하는 다이오드 어레이(203);
일단이 상기 다이오드 어레이(203)에 연결되는 부하 저항(301)의 타단에서 출력되는 직류 전류 및 상기 다이오드 어레이(203)에서 반파 정류된 전류를 미리 정해진 시정수에 따라 충방전하여 생성된 펄스 전류를 중첩한 전류를 출력하는 전기 분해 전류 생성부(300);
일단이 전기 분해 전류 생성부의 출력과 연결되는 부하저항(401) 및 일단이 상기 부하저항(401)의 타단과 직렬로 연결되고 타단이 접지와 연결되는 부하저항(402)을 포함하는 전압 분배부(400);
전기 분해를 일으키기 위해 전해질에 삽입되며 상기 전기 분해 전류 생성부의 출력과 연결되는 양극(501); 및
상기 전해질에 삽입되며 상기 전압 분배부의 상기 부하저항(401)의 타단 및 상기 부하저항(402)의 일단에 연결되는 음극(502);
을 포함하는 수전해 수소 제조 장치.A diode array 203 for half-wave rectifying the AC power source 201 applied from the outside;
The pulse current generated by charging and discharging the DC current output from the other end of the load resistor 301 connected to the diode array 203 and the half-wave rectified current in the diode array 203 according to a predetermined time constant An electrolysis current generator 300 for outputting superimposed currents;
A voltage divider including a load resistor 401 having one end connected to the output of the electrolytic current generating unit and a load resistor 402 having one end connected in series with the other end of the load resistor 401 and the other end connected with the ground ( 400);
An anode 501 inserted into the electrolyte to cause electrolysis and connected to an output of the electrolysis current generator; And
A negative electrode 502 inserted into the electrolyte and connected to the other end of the load resistor 401 and one end of the load resistor 402;
Hydrophilic hydrogen production apparatus comprising a. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 분해 전류 생성부는,
일단이 상기 다이오드 어레이에서 반파 정류된 전류를 입력받도록 상기 다이오드 어레이(203)에 연결되는 부하저항(301)과, 일단이 상기 부하저항(301)의 타단과 직렬연결되는 콘덴서(303); 및
일단이 상기 부하저항(301)의 일단과 연결되되, 타단이 상기 콘덴서(303)의 타단과 연결되는 부하저항(302)을 포함하되, 상기 콘덴서(303)와 상기 부하저항(302)이 연결된 노드에서 상기 직류 전류 및 상기 펄스 전류를 중첩한 전류를 출력하는 것
인 수전해 수소 제조 장치.The method of claim 1, wherein the electrolysis current generating unit,
A load resistor 301 connected to the diode array 203 so that one end receives the half-wave rectified current from the diode array, and a capacitor 303 connected to the other end of the load resistor 301 in series; And
A node having one end connected to one end of the load resistor 301, the other end connected to the other end of the capacitor 303, and having a node connected to the capacitor 303 and the load resistor 302. Outputting a current superimposed on the direct current and the pulse current at
Phosphorus Electrolytic Hydrogen Manufacturing Equipment. 제 1 항에 있어서, 상기 음극(502)은,
그래핀(Graphin)으로 코팅된 것
인 수전해 수소 제조 장치.The method of claim 1, wherein the cathode 502,
Coated with graphene
Phosphorus Electrolytic Hydrogen Manufacturing Equipment. 제 1 항에 있어서, 상기 전해질은,
그래핀, 단일벽 탄소 나노 튜브 또는 다중벽 탄소 나노 튜브를 25% 내지 35% KOH 수용액에 2 내지 5 wt% 혼합하여 이루어지는 것
인 수전해 수소 제조 장치.The method according to claim 1,
2 to 5 wt% of graphene, single-walled carbon nanotubes or multi-walled carbon nanotubes in 25% to 35% KOH aqueous solution
Phosphorus Electrolytic Hydrogen Manufacturing Equipment.
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