KR101934222B1 - 전기분해수 생성장치 - Google Patents

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이재용
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Abstract

본 발명은 수소 분자를 고농도로 함유하는 수소수를 생성하는 전기분해수 생성장치에 관한 것이다. 이온 교환막이 표면에 형성된 다공질의 2장의 음극판을, 양극판을 사이에 끼고 이온 교환막이 양극판 측을 향해, 양극판과 이온 교환막 사이에 물이 흐르는 공간이 형성되도록 설치하여 4개의 전해실을 형성한다. 양극판과 음극판 사이에 형성되는 제 1 전해실 및 제 2 전해실에 물을 공급하는 제 1 수로 및 제 2 수로, 그리고 음극판의 양극판과 반대측에 형성되는 제 3 전해실 및 제 4 전해실 중 어느 한쪽의 전해실에 물을 공급하고, 상기 전해실 내부를 통해 배출된 처리수를 다른 쪽 전해실로 공급하는 제 3 수로가 형성된 전기분해수 생성장치이다.

Description

전기분해수 생성장치{APPARATUS FOR PRODUCING ELECTROLYZED WATER}
본 발명은 수소 분자를 고농도로 함유하는 수소수를 생성하는 전기분해수 생성장치에 관한 것이다.
최근, 수소 분자를 많이 함유한 물(수소수)의 건강에 대한 효능이나 의학적 효능이 주목받고 있다. 수소수의 제조방법으로는 물의 전기분해에 의한 방법, 수소 가스를 물에 용해시키는 방법 등이 알려져 있으며, 전기분해에 의해 수소수를 제조하는 장치로서 여러 가지 전기분해수 생성장치가 제안되어 있다. 예를 들어, 다공성 격막을 갖는 전해조를 이용하여 전해질 수용액 중에 양극 및 음극의 전극을 삽입하고 직류 전류를 통해 이온을 이동시켜, 수소 가스(H2) 및 환원성 이온을 함유한 전해 음극수를 생성하는 전해장치가 제안되어 있다(특허문헌 1 참조). 또한, 전해조 안에 양극과 음극을 대향 배치하여 양 전극 사이에서 원수(식염수 또는 탈염처리수)를 전기분해함으로써 전해수를 생성하는 전해수 생성장치에 있어서, 원수의 전기분해에 의해 발생하는 전해이온이 통과하는 미세공을 높은 공극율로 구비하여 전해 이온과 높은 빈도로 접촉하는 다공질 티타늄을 기재로 하고, 이 기재 표면에 백금 또는 백금계 귀금속을 금속체로 도금하여 이루어진 전극을 양극으로 한 전해수 생성장치가 제안되어 있다(특허문헌 2 참조).
그러나, 특허문헌 1에 개시된 장치는 순수에 전해질을 첨가하여 전기분해하는 것으로, 역삼투막 등으로 여과된 물을 전기분해하여 수소수를 생성하는 것은 어려웠다. 특허문헌 2에는 다공질의 양극, 음극 및 격막의 배열을 다양하게 바꾼 전기분해수 생성장치가 기재되어 있으며, 식염수 또는 탈염처리수를 양 전극 사이에서 전기분해하는 것이 기재되어 있다. 그러나, 이들 장치는 다공질의 양극을 이용하여 차아염소산을 포함한 전해수나 오존을 포함한 전해수를 얻는 것에 주목적이 있으며, 고농도의 수소수를 얻는 것을 목적으로 한 것이 아니다. 또한, 최근, 가정이나 사무실 등에 수소수 공급기를 설치하여 수소수를 음용하는 것이 이루어지고 있으며, 공급기 내의 한정된 공간에 집어넣을 수 있는 전기분해수 생성장치가 요구되고 있다. 그러나, 한정된 공간에 집어넣기 위해 전극의 면적을 작게 하면, 고농도의 수소수를 얻을 수 없다는 문제가 생긴다. 또한, 작은 공간에 전극이나 이온교환막를 집어넣으면, 장치의 작동시에 전극이나 이온 교환막, 장치 내를 흐르는 물 등의 온도가 상승하기 때문에, 수소의 가스화로 인한 용존산소량의 감소나 이온 교환막의 파손 등의 문제가 생긴다. 또한, 전기분해수 생성장치에서는 전극판의 면적이나 개수를 줄이는 것이나, 온도 상승에 따른 영향을 억제하는 것은 공급기 내에 설치하는 경우에 한하지 않고 중요하다. 상기의 장치를 비롯한 종래의 전기분해수 생성장치는 모두 이러한 문제를 해결하는 것은 아니었다.
특허문헌 1 : 일본 특허공개 평10-296262호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허공개 평11-138171호 공보
본 발명의 과제는 상기 문제를 해결하고, 수소수의 생성효율이 높아 고농도의 수소수를 생성할 수 있으며, 안정적으로 작동할 수 있는 전기분해수 생성장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명자는 상기 과제를 해결하기 위해, 어떻게 수소를 수중에 용해시킬까라는 점, 그리고 어떻게 수중에 용해된 수소를 가스화시키지 않을까라는 점에 주목하여, 전기분해수 생성장치를 검토하기 시작하였다. 그리고, 검토를 진행한 결과, 의외로, 전해조에서, 이온 교환막이 표면에 형성된 다공질의 2장의 음극판을, 양극판을 사이에 끼고 이온 교환막이 양극판측을 향하도록 반대측에 설치하여 4개의 전해실을 형성한 후, 각각의 전해실을 특정 수로로 연결함으로써, 전극을 효율적으로 이용하여 수소수의 생성효율을 높일 수 있으며, 전극의 면적이나 개수의 증가를 억제하여 고농도의 수소수를 얻을 수 있는 점, 및 온도 상승으로 인한 수소의 가스화나 이온 교환막의 노후화 등의 영향을 억제할 수 있는 점을 발견하였다.
즉, 본 발명은 다음과 같다.
(1) 양극판, 다공질의 제 1 음극판 및 제 2 음극판을 구비하고,
상기 제 1 음극판 및 제 2 음극판은 상기 양극판을 사이에 끼고 반대측에 설치되며,
상기 양극판과 상기 제 1 음극판 사이에 제 1 전해실이, 상기 양극판과 상기 제 2 음극판 사이에 제 2 전해실이, 상기 제 1 음극판의 상기 양극판과 반대측에는 제 3 전해실이, 그리고 상기 제 2 음극판의 상기 양극판과 반대측에는 제 4 전해실이 형성되고,
상기 제 1 전해실 및 상기 제 2 전해실의 내부에는, 음극판에 접하며 상기 양극판과의 사이에는 물이 흐르는 공간이 형성되도록 이온 교환막이 배치되고,
제 1 수로는 물이 상기 제 1 전해실에 공급되어 상기 제 1 전해실 내부를 통해 배출되도록 형성되며,
제 2 수로는 물이 상기 제 2 전해실에 공급되어 상기 제 2 전해실 내부를 통해 배출되도록 형성되고,
제 3 수로는 물이 상기 제 3 전해실 및 상기 제 4 전해실 중 어느 한쪽의 전해실에 공급되며, 상기 전해실 내부를 통해서 배출된 처리수가 다른 쪽 전해실로 공급되고, 상기 다른 쪽 전해실 내부를 통해 배출되도록 형성된 것을 특징으로 하는, 전기분해수 생성장치.
(2) 제 1 전해실, 제 2 전해실, 제 3 전해실 및 제 4 전해실의 내부에 형성되는 수로가 사행하고 있는 것을 특징으로 하는, 상기 (1)에 기재된 전기분해수 생성장치.
(3) 제 3 전해실 내의 물이 흐르는 방향과 제 4 전해실 내의 물이 흐르는 방향이 서로 반대방향이 되도록 제 3 수로가 형성된 것을 특징으로 하는, 상기 (1) 또는 (2) 에 기재된 전기분해수 생성장치.
(4) 제 1 전해실 내의 물이 흐르는 방향과 제 3 전해실 내의 물이 흐르는 방향이 서로 반대방향이 되고, 제 2 전해실 내의 물이 흐르는 방향과 제 4 전해실 내의 물이 흐르는 방향이 서로 반대방향이 되도록 제 1 수로 및 제 2 수로가 형성된 것을 특징으로 하는, 상기 (3)에 기재된 전기분해수 생성장치.
(5) 양극판과 이온 교환막간 간격이 0.1 내지 2mm인 것을 특징으로 하는, 상기 (1)~(4) 중 어느 하나에 기재된 전기분해수 생성장치.
본 발명의 전기분해수 생성장치는 수소수의 생성효율이 높아 고농도의 수소수를 생성할 수 있다. 본 발명의 전기분해수 생성장치는 전극판의 면적이나 개수에 대한 수소수의 생성효율이 높기 때문에, 소형이라 할지라도 고농도의 수소수를 생산할 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 전기분해수 생성장치는 작동시의 온도 상승을 억제할 수 있으므로, 수소의 가스화로 인한 용존 수소량의 감소나 이온 교환막의 열에 의한 손상을 막을 수 있으며, 작동시의 안정성을 높이고, 안정된 고농도의 수소수를 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 전기분해수 생성장치의 제 1 실시형태를 나타낸 모식도.
도 2는 본 발명의 전기분해수 생성장치의 제 2 실시형태를 나타낸 모식도.
도 3은 본 발명의 전기분해수 생성장치의 제 3 실시형태를 나타낸 모식도.
도 4는 본 발명의 전기분해수 생성장치의 제 4 실시형태를 나타낸 모식도.
도 5는 비교예에서 이용한 전기분해수 생성장치의 모식도.
본 발명의 전기분해수 생성장치는 양극판, 다공질의 제 1 음극판 및 제 2 음극판을 구비하고, 상기 제 1 음극판 및 제 2 음극판은 상기 양극판을 사이에 끼고 반대측에 설치되며, 상기 양극판과 상기 제 1 음극판 사이에 제 1 전해실이, 상기 양극판과 상기 제 2 음극판 사이에 제 2 전해실이, 상기 제 1 음극판의 상기 양극판과 반대측에는 제 3 전해실이, 그리고 상기 제 2 음극판의 상기 양극판과 반대측에는 제 4 전해실이 형성되고, 상기 제 1 전해실 및 상기 제 2 전해실의 내부에는, 음극판에 접하며 상기 양극판과의 사이에는 물이 흐르는 공간이 형성되도록 이온 교환막이 배치되고, 제 1 수로는 물이 상기 제 1 전해실에 공급되어 상기 제 1 전해실 내부를 통해 배출되도록 형성되고, 제 2 수로는 물이 상기 제 2 전해실에 공급되어 상기 제 2 전해실 내부를 통해 배출되도록 형성되고, 제 3 수로는 물이 상기 제 3 전해실 및 상기 제 4 전해실 중 어느 한쪽의 전해실에 공급되며, 상기 전해실 내부를 통해서 배출된 처리수는 다른 쪽 전해실로 공급되어 상기 다른 쪽 전해실 내부를 통해 배출되도록 형성된 것을 특징으로 한다. 본 발명에서의 양극판은 제 1 전해실과 제 2 전해실 사이에서의 물의 출입을 차단할 수 있으며 전극으로서 작용하는 것이라면, 재질은 특별히 제한되지 않으며, 전기분해수 생성장치에 통상 사용하는 전극판을 사용할 수 있다. 예를 들어, 티타늄판, 백금판, 티타늄제 백금 도금판 등을 들 수 있다. 양극판의 두께는 특별히 제한되지 않지만, 0.05~2mm가 바람직하고, 0.5~1mm가 보다 바람직하다. 본 발명에서의 제 1 음극판 및 제 2 음극판은 다공질이어서 전극으로서 작용하는 것이라면 재질은 특별히 제한되지 않는다. 여기서, 다공질이란, 제 1 음극판 및 제 2 음극판이 제 1 전해실과 제 3 전해실 사이 및 제 2 전해실과 제 4 전해실 사이에서, 이온의 출입이 가능한 물 유로가 형성되는 구멍을 복수개 가지고 있으면 되며, 전기분해수 생성장치에 통상 사용하는 다공질 전극을 사용할 수 있다. 예를 들어, 펀칭 형태의 다수의 구멍이 뚫린 금속판, 익스팬디드 메탈(expanded metal) 등의 메쉬 형태 금속판, 격자 형태 금속판, 가로 또는 세로의 슬릿 형상 금속판, 금속 섬유에 의해 형성된 금속판 등을 사용할 수 있으며, 재질은 양극판과 동일할 수도 다를 수도 있다. 구멍의 지름으로는 5mm 이하인 것이 바람직하며, 2mm 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.05~0.5mm인 것이 더욱 바람직하다. 본 발명에서의 이온 교환막은 특별히 제한되지 않고, 전기분해수 생성장치에 통상 사용하는 이온 교환막을 사용할 수 있다.
본 발명의 전기분해수 생성장치에서는 제 1 음극판 및 제 2 음극판은 양극판을 사이에 끼고 반대측에 설치된다. 이로써, 양극판과 제 1 음극판 사이, 양극판과 제 2 음극판 사이, 제 1 음극판의 양극판과 반대측, 및 제 2 음극판의 양극판과 반대측에 각각 제 1 전해실, 제 2 전해실, 제 3 전해실 및 제 4 전해실이 형성된다. 또한, 본 발명에서는 이온 교환막이, 상기 제 1 전해실 내에서는 상기 제 1 음극판에 접하도록, 상기 제 2 전해실 내에서는 상기 제 2 음극판에 접하도록 배치된다. 또한, 각 이온 교환막은 양극판과의 사이에 물이 흐르는 공간이 형성되도록 배치된다.
본 발명의 전기분해수 생성장치에서는 제 1 수로에 의해 물이 제 1 전해실에 공급되어 제 1 전해실 내부를 통해 제 1 전해실로부터 배출된다. 또한, 제 2 수로에 의해 물이 제 2 전해실에 공급되어 제 2 전해실 내부를 통해 제 2 전해실로부터 배출된다. 게다가, 본 발명의 전기분해수 생성장치에서는 제 3 수로에 의해 물이 제 3 전해실 및 제 4 전해실 중 어느 한쪽의 전해실에 공급되며, 상기 전해실 내부를 통해 배출된 처리수가 다른 쪽 전해실로 공급되어 상기 다른 쪽 전해실 내부를 통해 배출된다. 즉, 제 3 전해실에 처리 전의 물을 공급한 경우에는, 제 3 전해실 내부를 통해 제 3 전해실로부터 배출된 처리수가 제 4 전해실에 공급되어 제 4 전해실 내부를 통해 제 4 전해실로부터 배출된다. 또한, 제 4 전해실에 처리 전의 물을 공급한 경우에는, 제 4 전해실 내부를 통해 제 4 전해실로부터 배출된 처리수가 제 3 전해실에 공급되어 제 3 전해실 내부를 통해 제 3 전해실로부터 배출된다.
본 발명의 전기분해수 생성장치는 상기 구조를 갖기 때문에, 처리 전의 물이 제 1 수로에 의해 제 1 전해실에, 제 2 수로에 의해 제 2 전해실에, 제 3 수로에 의해 제 3 전해실 및 제 4 전해실 중 어느 한쪽의 전해실에, 예를 들어 제 3 전해실에 공급되면, 다음과 같이 수소수를 생성한다. 제 1 전해실에 공급된 처리 전의 물은 제 1 전해실 내에서 전기분해되며, 전기분해에 의해 발생한 수소 이온은 이온 교환막을 통해 제 1 음극판에 도달하여 전자를 받아 수소 분자가 되고, 생성된 수소 분자는 제 3 전해실 내를 흐르는 물에 용해된다. 또한, 제 2 전해실에 공급된 처리 전의 물은 제 2 전해실 내에서 전기분해되며, 전기분해에 의해 발생한 수소 이온은 이온 교환막을 통해서 제 2 음극판에 도달하여 전자를 받아 수소 분자가 되고, 생성된 수소 분자는 제 4 전해실 내를 흐르는 물, 즉 제 3 전해실 내의 처리에 의해 용존 수소를 포함한 상태로 되어 있는 처리수에 다시 용해된다. 이 때문에, 제 4 전해실로부터 배출되는 물은 고농도의 수소 분자를 포함한다. 본 발명의 전기분해수 생성장치는 이와 같이 하여 고농도의 수소수를 생성할 수 있다. 또한, 전해질을 포함한 수돗물이 아닌, 수돗물을 역삼투막 등으로 여과한 물일지라도 고농도의 수소수를 생성할 수 있다. 또한, 제 1 전해실 내부 및 제 2 전해실 내부에서 발생한 수산 이온은 이온 교환막 때문에 제 3 전해실이나 제 4 전해실로 이동할 수 없어, 제 1 전해실 및 제 2 전해실로부터는 산소나 오존을 포함한 물이 배출된다. 제 4 전해실에 처리 전의 물을 공급하는 경우에도, 제 4 전해실로부터 배출된 처리수가 제 3 전해실에 공급되는 점이 다를 뿐으로, 상기와 마찬가지로 수소 분자가 제 4 전해실 및 제 3 전해실을 흐르는 물에 용해되어, 제 3 전해실로부터 고농도의 수소 분자를 포함하는 수소수가 배출된다. 본 발명에서는 상기와 같은 작용을 하는 이온 교환막으로서, 통상적으로 사용되는 양이온 교환막를 사용할 수 있다. 본 발명의 전기분해수 생성장치에서는 양극판과 이온 교환막 사이에 공간이 형성되어 있다. 이 때문에, 양극판의 양측에 수로가 형성되기 때문에, 한 개의 양극판의 양측에서 효율적으로 전기분해를 할 수 있다. 또한, 양극판의 양쪽에서의 이온 이동이 용이하게 되어, 이온 교환막 및 다공질 음극판을 통해, 제 3 전해실 및 제 4 전해실로 이동하는 수소 이온을 증가시킬 수 있다. 이와 같이 본 발명의 전기분해수 생성장치에서는 전극을 효과적으로 이용할 수 있으며, 전극판의 면적이나 개수의 증가를 억제하면서 고농도의 수소수를 생성할 수 있다. 또한, 전기분해시에는 전기분해부의 온도가 상승하여, 특히 본 발명의 전기분해수 생성장치와 같이 전극이 집적된 구조인 경우, 전기분해부의 온도 상승이 문제가 된다. 그러나, 본 발명의 전기분해수 생성장치에서는 양극판, 제 1 음극판 및 제 2 음극판에 있어서, 각각의 전극판의 양측을 물이 흐르고 음극판이 다공질이며 방열 효율이 좋기 때문에, 전기분해부의 온도 상승을 억제하고, 수온 상승이나 이온 교환막 손상을 막을 수 있다. 양극판과 이온 교환막간의 간격은 물의 흐름을 확보하면서 전극과의 접촉부분을 증가시키는 관점에서 0.1~2mm가 바람직하고, 0.1~1mm이 보다 바람직하다.
본 발명의 전기분해수 생성장치는 제 1 전해실, 제 2 전해실, 제 3 전해실 및 제 4 전해실의 내부에 형성되는 수로가 사행하고 있는 것이 바람직하다. 제 1 전해실 및 제 2 전해실 내에 사행하는 수로를 형성함으로써, 제 1 전해실 및 제 2 전해실내를 흐르는 물의 전극판과의 접촉시간을 길게 할 수 있다. 이 때문에, 제 1 전해실 및 제 2 전해실 내에서의 전기분해를 효율적으로 할 수 있으며, 보다 많은 수소 이온을 발생시킬 수 있다. 또한, 제 3 전해실 및 제 4 전해실 내부에 사행하는 수로를 형성함으로써, 제 3 전해실 및 제 4 전해실 내부를 흐르는 물의 음극판과의 접촉시간을 길게 할 수 있으며, 보다 많은 수소 분자를 수중에 용해시킬 수 있다. 또한, 안정된 전기분해를 실시하기 위해서는 각 전극판의 양측에서 물이 동일하게 안정적으로 흐르는 것이 바람직하며, 각 전해실 내에 사행하는 수로를 형성하면 물의 흐름이 안정적이기 때문에, 이 점에서도 사행하는 수로를 형성하는 것이 바람직하다. 각 전해실 내에 형성되는 사행 수로는 안정적으로 전기분해를 실시하는 관점에서, 동일한 형상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 판상의 전극 사이에 물이 흐르게 하여 전기분해를 실시할 경우, 온도는 물 공급측이 낮고 배출측이 높아지는데, 각 전해실 내의 수로를 사행하게 함으로써, 수온을 평균화하여 수온의 상승을 억제할 수 있다. 또한, 각 전해실 내의 수로를 사행하게 하면, 각 전해실에서, 물 공급구와 배출구를 동일한 측의 면에 마련할 수 있다. 이 경우, 온도가 낮아지는 공급구측과 온도가 높아지는 배출구측이 동일한 측의 면이 되기 때문에, 전기분해부에서의 온도 치우침이나 온도 상승을 더욱 억제하고, 수온 상승이나 이온 교환막 파손을 방지할 수 있다.
본 발명의 전기분해수 생성장치는 제 3 전해실 내의 물이 흐르는 방향과 제 4 전해실 내의 물이 흐르는 방향이 서로 반대방향이 되도록 제 3 수로가 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제 3 전해실의 한쪽 면에 물 공급구를 마련하고, 공급구에 대향하는 면에 배출구를 마련한 경우, 제 4 전해실에서는 제 3 전해실의 배출구에 대응하는 면에 공급구를 마련하고, 제 3 전해실의 공급구에 대응하는 면에 배출구를 마련한다. 이렇게 하면, 제 3 전해실 내부를 공급구로부터 배출구를 향해 흐르는 물의 방향과, 제 4 전해실 내부를 공급구로부터 배출구를 향해 흐르는 물의 방향이 서로 반대방향이 된다. 제 3 전해실 내의 물이 흐르는 방향과 제 4 전해실 내의 물이 흐르는 방향을 서로 반대방향으로 하면, 4개의 전해실의 공급구 모두가 동일한 측에 가지런히 늘어서는 일이 없어지기 때문에, 전기분해부에서의 온도 치우침 및 온도 상승을 보다 감소시킬 수 있다. 또한, 제 3 전해실 및 제 4 전해실은 수소 분자가 물에 용해되는 전해실이기 때문에, 수소수를 생성하는 경로인 제 3 수로 내의 수온을 평균화하여 수온 상승을 보다 억제할 수 있다.
본 발명의 전기분해수 생성장치에서는 제 3 전해실 내의 물이 흐르는 방향과 제 4 전해실 내의 물이 흐르는 방향이 반대방향이 되도록 제 3 수로를 형성한 후, 제 1 전해실 내의 물이 흐르는 방향과 제 3 전해실 내의 물이 흐르는 방향이 반대방향이 되고, 제 2 전해실 내의 물이 흐르는 방향과 제 4 전해실 내의 물이 흐르는 방향이 반대방향이 되도록 제 1 수로 및 제 2 수로를 형성하여도 좋다. 이로써, 인접한 전해실에서 물 공급측과 배출측이 반대가 되기 때문에, 전기분해부의 온도 상승을 더욱 억제할 수 있으며, 수온 상승을 더욱 억제할 수 있다. 또한, 본 발명의 전기분해수 생성장치에서는 제 1 전해실 및 제 2 전해실 중 어느 한쪽의 전해실에 공급되며 상기 전해실 내에서 처리되어 배출된 처리수가 다른 쪽 전해실로 공급되고 다른 쪽 전해실 내에서 재차 처리되어 배출되도록, 제 1 수로 및 제 2 수로를 형성하여도 좋다. 이 경우, 양극판의 단부 근처에 구멍을 형성하고, 상기 구멍을 통해 한쪽 전해실로부터 다른 쪽 전해실로 처리수가 공급되도록 하여도 좋다. 제 1 전해실 및 제 2 전해실 중 어느 한쪽으로부터 배출된 처리수를 다른 쪽 전해실로 공급함으로써, 제 1 전해실 및 제 2 전해실에 공급하는 물을 낭비하지 않고 효율적으로 전기분해할 수 있다. 또한, 고농도의 산소나 오존을 포함한 물을 생성할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 따른 전기분해수 생성장치를 보다 상세히 설명한다. 본 발명의 전기분해수 생성장치는 이들 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 전기분해수 생성장치의 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 1의 전기분해수 생성장치(A)에서는 양극판(11)을 사이에 끼고 반대측에 다공질의 제 1 음극판(21) 및 다공질의 제 2 음극판(22)이 설치되며, 양극판(11)과 제 1 음극판(21) 사이에 제 1 전해실(101)이, 양극판(11)과 제 2 음극판(22) 사이에 제 2 전해실(102)이, 제 1 음극판(21)의 양극판(11)과 반대측, 즉 제 1 음극판(21)과 하우징 벽(40) 사이에 제 3 전해실(103)이, 그리고 제 2 음극판(22)의 양극판(11)과 반대측, 즉 제 2 음극판(22)과 하우징 벽(40) 사이에는 제 4 전해실(104)이 각각 형성되어 있다. 제 1 전해실(101) 내에는 이온 교환막(31)이 제 1 음극판(21)과 접하는데, 양극판(11)과는 접하지 않도록 마련되며, 양극판(11)과 이온 교환막(31) 사이에는 물이 흐르는 공간이 형성되어 있다. 마찬가지로, 제 2 전해실(102) 내에는 이온 교환막(32)이 제 2 음극판(22)과 접하는데, 양극판(11)과는 접하지 않도록 마련되며, 양극판(11)과 이온 교환막(32) 사이에는 물이 흐르는 공간이 형성되어 있다. 제 1 수로는 처리 전의 물이 제 1 전해실(101)의 공급구(1a)에 공급되어 제 1 전해실(101) 내부를 통해 배출구(1b)로부터 배출되도록 형성되며, 제 2 수로는 처리 전의 물이 제 2 전해실(102)의 공급구(2a)에 공급되어 제 2 전해실(102) 내부를 통해 배출구(2b)로부터 배출되도록 형성되어 있다. 또한, 제 3 수로는 처리 전의 물이 제 3 전해실(103)의 공급구(3a)에 공급되어 제 3 전해실(103) 내부를 통해 배출구(3b)로부터 배출되며, 배출구(3b)에서 배출된 처리수가 제 4 전해실(104)의 공급구(4b)에 공급되어 제 4 전해실(104) 내부를 통해 배출구(4a)로부터 배출되도록 형성되어 있다.
제 1 전해실(101)에 공급된 처리 전의 물은 제 1 전해실(101) 내에서 전기분해되며, 전기분해에 의해 발생한 수소 이온은 이온 교환막(31)을 통해서 제 1 음극판(21)에 도달하여 전자를 받아 수소 분자가 되고, 제 1 음극판(21)은 다공질이기 때문에, 생성된 수소 분자는 제 3 전해실(103) 내부를 흐르는 물에 용해된다. 제 2 전해실(102)에 공급된 처리 전의 물은 제 2 전해실(102) 내에서 전기분해되며, 전기분해에 의해 발생한 수소 이온은 이온 교환막(32)을 통해 제 2 음극판(22)에 도달하여 전자를 받아 수소 분자가 되고, 제 2 음극판(22)은 다공질이기 때문에, 생성된 수소 분자는 제 4 전해실(104) 내부를 흐르는 물, 즉 제 3 전해실(103) 내에서 처리된 용존 수소를 포함하는 물에 다시 용해된다. 이 때문에, 제 4 전해실(104)로부터 배출되는 물은 고농도의 수소 분자를 포함한다. 전기분해수 생성장치(A)는 이와 같이 하여 고농도의 수소수를 생성할 수 있다. 또한, 전기분해수 생성장치(A)는 제 3 전해실(103) 내에서는 물은 공급구(3a)로부터 배출구(3b)를 향해 흐르며, 제 4 전해실(104) 내에서는 물은 공급구(4b)로부터 배출구(4a)를 향해 흐르기 때문에, 제 3 전해실(103) 내의 물이 흐르는 방향과 제 4 전해실(104) 내의 물이 흐르는 방향은 서로 반대방향이 된다. 이 때문에, 제 4 전해실(104)은 다른 전해실과는 공급측과 배출측이 반대가 된다. 즉, 다른 전해실(101~103)에서는 a측이 공급측, b측이 배출측인 것에 반해, 제 4 전해실(104)에서는 a측이 배출측, b측이 공급측이 되기 때문에, 전기분해부의 온도 치우침 및 온도 상승을 억제하는 효과가 보다 높아진다. 또한, 물의 흐름이 4a→4b→3b→3a, 3b→3a→4a→4b 또는 4b→4a→3a→3b가 되도록 제 3 수로를 형성하여도 좋다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 전기분해수 생성장치(B)의 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 2의 전기분해수 생성장치(B)는 양극판(11), 다공질의 제 1 음극판(21) 및 제 2 음극판(22), 그리고 이온 교환막(31 및 32)의 배치는 도 1의 전기분해수 생성장치(A)와 마찬가지인데, 제 1 전해실(101), 제 2 전해실(102), 제 3 전해실(103) 및 제 4 전해실(104)의 각 전해실 내에 사행하는 수로를 형성한 것이다. 101', 102', 103' 및 104'는 도 2의 상측의 도면을 정면으로 하고, 상기 도면의 우측을 우측면으로 한 경우에, 우측면에서 본 각 전해실 내의 수로 형상을 도시한 것이다. 101'은 제 1 전해실(101) 내부, 102'은 제 2 전해실(102) 내부, 103'은 제 3 전해실(103) 내부, 그리고 104'은 제 4 전해실(104) 내부의 사행 수로를 각각 나타내고 있다. 1a, 2a, 3a 및 4a는 전기분해수 생성장치(B)를 우측면에서 본 경우, 하부의 왼쪽에 위치하고, 1b, 2b, 3b 및 4b는 전기분해수 생성장치(B)를 우측면에서 본 경우, 하부의 오른쪽에 위치한다. 각 전해실에서는 공급구와 배출구가 전해실의 동일면측에 마련되어 있다. 전기분해수 생성장치(B)에서는, 처리 전의 물이 공급구(1a)로부터 제 1 전해실(101)에 공급되어 제 1 전해실(101) 내의 사행 수로를 통해 배출구(1b)로부터 배출되도록 제 1 수로가 형성되며, 처리 전의 물이 공급구(2a)로부터 제 2 전해실(102)에 공급되어 제 2 전해실(102) 내의 사행 수로를 통해 배출구(2b)로부터 배출되도록 제 2 수로가 형성된다. 또한, 처리 전의 물이 공급구(3a)로부터 제 3 전해실(103)에 공급되어 제 3 전해실(103) 내의 사행 수로를 통해 배출구(3b)로부터 배출되며, 배출된 처리수는 공급구(4b)로부터 제 4 전해실(104)에 공급되어 제 4 전해실(104) 내의 사행 수로를 통해 배출구(4a)로부터 배출되도록 제 3 수로가 형성된다.
각 전해실의 사행 수로는 예를 들면 사행(蛇行) 형태의 수로가 형성된 패킹, 사행 형태의 수로를 형성하는 물 안내판 등을, 양극판(11)과 이온 교환막(31) 사이, 양극판(11)과 이온 교환막(32) 사이, 제 1 음극판(21)과 하우징 벽(40) 사이, 및 제 2 음극판(22)과 하우징 벽(40) 사이에 설치함으로써 형성될 수 있다. 양극판(11)과 이온 교환막(31 및 32) 사이에 0.1~2mm, 바람직하게는 0.1~1.0mm라는 수로 높이가 낮은 수로를 형성하기 위해서는 폐쇄루프 형상이며, 공급구 및 배출구에 대응하여 관통공이 형성되고, 전극판에 대향하는 면이 사행 형태의 수로 형상으로 관통된 부분을 갖는 패킹을 사용하는 것이 바람직하다. 패킹의 재질은 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 유기 수지제, 고무제, 금속제 등을 들 수 있다. 또한, 하우징 벽(40)의 재질은 특별히 제한되지 않지만, 방열성을 좋게 하기 위해 알루미늄 등의 금속제가 바람직하다. 하우징 벽(40)은 보다 방열성을 좋게 하기 위해 돌기를 형성하는 것이 바람직하며, 예를 들면, 방열용 돌기를 다수 형성한 알루미늄 다이캐스팅품 등을 들 수 있다. 제 3 전해실(103) 내에서는 3a에서 3b를 향해 물이 흐르는 것에 비해, 제 4 전해실(104) 내에서는 4b에서 4a를 향해 물이 흐르기 때문에, 제 3 전해실 내의 물이 흐르는 방향과 제 4 전해실 내의 물이 흐르는 방향은 서로 반대 방향이 된다. 이 때문에, 제 4 전해실(104)에서는 다른 전해실과는 공급측과 배출측이 반대가 된다. 즉, 다른 전해실(101~103)에서는 a측이 공급측, b측이 배출측인 것에 반해, 제 4 전해실(104)에서는 a측이 배출측, b측이 공급측이 되기 때문에, 전기분해부의 온도 치우침 및 온도 상승을 억제하는 효과가 보다 높아진다. 각 전해실의 공급구와 배출구는 각 전해실의 동일면 측이 아니라, 대향하는 면측에 있어도 좋지만, 동일한 면측에 있으면, 보다 전기분해부의 온도 치우침을 억제할 수 있으며, 전해실 내를 흐르는 물의 수온을 평균화하여 온도 상승을 억제할 수 있다. 전기분해수 생성장치(B)에서도 물의 흐름이 4a→4b→3b→3a, 3b→3a→4a→4b 또는 4b→4a→3a→3b가 되도록 제 3 수로를 형성할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 전기분해수 생성장치의 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 3의 전기분해수 생성장치(C)는 제 1 수로가 도 1의 전기분해수 생성장치(A)와 다르다. 전기분해수 생성장치(C)에서는 제 1 전해실(101)에서, 1b를 물의 공급구로 하고, 1a를 배출구로 하였다. 이로써, 제 1 전해실(101) 내의 물이 흐르는 방향과 제 3 전해실(103) 내의 물이 흐르는 방향이 서로 반대방향이 되고, 4개의 전해실에 있어서 이웃하는 전해실의 물 공급측과 배출측이 반대가 된다. 즉, 제 4 전해실(104)과 제 2 전해실(102) 사이, 제 2 전해실(102)과 제 1 전해실(101) 사이, 및 제 1 전해실(101)과 제 3 전해실(103) 사이에서 물 공급측과 배출측이 반대가 되기 때문에, 전기분해부의 온도 치우침 및 온도 상승을 더욱 억제할 수 있다. 또한, 제 2 전해실의 2a로부터 처리 전의 물을 공급하고, 2b로부터 배출된 처리수를 제 1 전해실의 1b에 재차 공급하여, 1a로부터 배출하도록 제 1 및 제 2 수로를 형성함으로써, 제 1 전해실 및 제 2 전해실에 공급되는 물을 효율적으로 사용할 수 있다. 이 경우, 배출구(2b) 및 공급구(1b)를 막고, 그 대신에 양극판의 2b 근방에 양극판의 양측을 관통하는 구멍을 형성하여, 제 2 전해실(102)에서의 처리수가 제 1 전해실(101)로 공급되도록 하여도 좋다.
도 4는 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 전기분해수 생성장치의 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 4의 전기분해수 생성장치(D)는 제 1 수로가 도 2의 전기분해수 생성장치(A)와 다르다. 전기분해수 생성장치(D)에서는 제 1 전해실(101)에서, 1b를 물 공급구로 하고, 1a를 배출구로 하였다. 이로써, 제 1 전해실(101) 내의 물이 흐르는 방향과 제 3 전해실(103) 내의 물이 흐르는 방향이 반대 방향이 되고, 4개의 전해실에 있어서 이웃하는 전해실의 물 공급측과 배출측이 반대가 된다. 즉, 제 4 전해실(104)과 제 2 전해실(102) 사이, 제 2 전해실(102)과 제 1 전해실(101) 사이, 및 제 1 전해실(101)과 제 3 전해실(103) 사이에서 물 공급측과 배출측이 반대가 되기 때문에, 전기분해부의 온도 치우침 및 온도 상승을 더욱 억제할 수 있다. 또한, 제 1 전해실의 1b로부터 처리 전의 물을 공급하고, 1a로부터 배출된 처리수를 제 2 전해실의 2a에 재차 공급하여, 2b로부터 배출하도록 제 1 및 제 2 수로를 형성함으로써, 제 1 전해실 및 제 2 전해실에 공급되는 물을 효율적으로 사용할 수 있다. 이 경우, 배출구(1a) 및 공급구(2a)를 막고, 그 대신에 양극판의 1a 근방에 양극판의 양측을 관통하는 구멍을 형성하여, 제 1 전해실(101)에서의 처리수가 제 2 전해실(102)로 공급되도록 하여도 좋다.
[실시예 1]
도 2에 나타낸 전기분해수 생성장치를 사용하여 전기분해수를 제조하였다. 공급구(1a, 2a 및 3a)에, 역삼투막으로 처리한 물(총 용해고형분(TDS)이 1mg/l, 수온 20℃)을, 1a 및 2a에는 각각 50cc/min, 3a에는 1000cc/min로 공급하였다. 배출구(4a)로부터 배출된 전기분해수의 용존수소농도(DH), 산화환원전위(ORP) 및 pH를 측정하였다. 결과를 표 1에 나타낸다. 전류값(1)은 양극판과 제 1 음극판 사이를 측정한 값이며, 전류값(2)은 양극판과 제 2 음극판 사이를 측정한 값이다. 용존수소농도는 용존수소계(쿄에이전자연구소 제품 KM2100DH)로 측정하고, 산화환원전위 및 pH는 pH 및 산화환원전위계(토아디케이케이사 제품 HM-31P)로 측정하였다. 또한, 양극판 및 음극판의 치수는 세로 120mm × 가로 70mm이며, 재질은 양자 모두 티타늄에 백금을 도금한 것을 사용하고, 이온 교환막으로서 양이온 교환막을 사용하였다. 전해실(101)과 전해실(102)에는 패킹에 의해 사행 형태의 수로를 형성하고, 전해실(103)과 전해실(104)은 사행 형태의 수로를 형성하는 물 안내판을 마련하였다. 양극판(11)과 이온 교환막(31)간의 간격 및 양극판(11)과 이온 교환막(32)간의 간격은 모두 1.0mm였다.
[비교예 1]
도 5에 나타낸 전기분해수 생성장치(E)를 사용하여 전기분해수를 제조하였다. 도면 중, 51은 양극판, 61은 음극판, 71은 이온 교환막, 105와 106은 전해실, 40은 하우징을 각각 나타낸다. 105' 및 106'은 도 5의 상측 도면을 정면으로 하고, 상기 도면의 우측을 우측면으로 한 경우에, 우측면에서 본 각 전해실 내의 수로의 형상을 도시한 것이다. 105'은 전해실(105) 내부, 106'은 전해실(106) 내부의 사행 수로를 각각 나타내고 있다. 전기분해수 생성장치(E)를 우측면에서 볼 때, 5a 및 6a는 하부의 좌측에 위치하며, 5b 및 6b는 하부의 우측에 위치한다. 양극판(51), 음극판(61) 및 이온 교환막(71)은 실시예에서 사용한 것과 동일한 것을 사용하고, 전해실(105 및 106) 내의 사행 수로도 실시예와 동일한 재질·형상으로 하였다. 역삼투막으로 처리한 물(총 용해고형분(TDS)이 1mg/l, 수온 20℃)을 공급구(5a)에 50cc/min, 공급구(6a)에 1000cc/min으로 공급하였다. 각각의 공급구로의 공급량은 1000cc/min으로 하였다. 배출구(6b)로부터 배출된 전기분해수에 대해, 실시예와 마찬가지로 용존수소농도(DH), 산화환원전위(ORP) 및 pH를 측정하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
[비교예 2]
비교예 1에서 사용한 전기분해수 생성장치를 2대 연결하여 전기분해수를 제조하였다. 첫 번째 전기분해수 생성장치에서 비교예 1과 마찬가지로 전기분해수를 제조하고, 첫 번째 전기분해수 생성장치의 배출구(6b)로부터 배출된 전기분해수를 두 번째 전기분해수 생성장치의 공급구(6a)에 공급하였다. 두 번째 전기분해수 생성장치의 공급구(5a)에는 첫 번째 전기분해수 생성장치와 마찬가지로 역삼투막으로 처리한 물을 공급하였다. 두 번째 전기분해수 생성장치의 배출구(6b)로부터 배출된 전기분해수에 대해, 실시예와 마찬가지로 용존수소농도(DH), 산화환원전위(ORP) 및 pH를 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다. 전류값(1)은 첫 번째 전기분해수 생성장치의 양극판과 음극판 사이를 측정한 값이며, 전류값(2)은 두 번째 전기분해수 생성장치의 양극판과 음극판 사이를 측정한 값이다.
수소 농도
(ppb)		 ORP
(mV)		 pH 전류
(A)		 DC 입력 전압
(V)
실시예 1 1189 -657 6.63 (1)3.6
(2)3.3		 24.03
비교예 1 719 -511 6.93 3.1 24.22
비교예 2 1133 -551 6.88 (1)3.1
(2)2.9		 24.16
표 1의 결과로부터, 실시예에서 사용한 본 발명의 전기분해수 생성장치는 양극판과 음극판을 하나씩 갖는 비교예 1의 전기분해수 생성장치에 비해 매우 수소 농도가 높고 산화환원전위가 낮은 전해수가 얻어지는 것을 알 수 있다. 또한, 양극판과 음극판을 하나씩 갖는 비교예 1의 전기분해수 생성장치를 2대 연결한 경우에 비해, 실시예에서는 수소 농도가 높고 산화환원전위가 낮은 전해수가 얻어졌다. 또한, 실시예와 비교예에서는 입력전압이 거의 동일함에도 불구하고, 실시예에서는 전극간에 흐르는 전류가 크고 효율적으로 전기분해가 이루어지고 있음을 알 수 있다.
본 발명의 전기분해수 생성장치는 전극판의 면적이나 개수에 대한 수소수의 생성효율이 높고, 고농도의 수소수를 생성할 수 있기 때문에, 특히 전기분해수 생성장치의 소형화에 유용하다. 또한, 작동시의 온도 상승으로 인한 영향을 억제할 수 있으므로, 작동시의 안정성을 높이고 고농도 수소수를 안정적으로 제조할 수 있다.
11 : 양극판
21 : 제 1 음극판
22 : 제 2 음극판
31 : 이온 교환막
32 : 이온 교환막
40 : 하우징
51 : 양극판
61 : 음극판
71 : 이온 교환막
101 : 제 1 전해실
102 : 제 2 전해실
103 : 제 3 전해실
104 : 제 4 전해실
105 : 전해실
106 : 전해실
1a : 제 1 전해실 공급구(배출구)
1b : 제 1 전해실 배출구(공급구)
2a : 제 2 전해실 공급구(배출구)
2b : 제 2 전해실 배출구(공급구)
3a : 제 3 전해실 공급구(배출구)
3b : 제 3 전해실 배출구(공급구)
4a : 제 4 전해실 배출구(공급구)
4b : 제 4 전해실 공급구(배출구)
5a : 전해실(105) 공급구
5b : 전해실(105) 배출구
6a : 전해실(106) 공급구
6b : 전해실(106) 배출구
101' : 제 1 전해실 내부의 사행 수로
102' : 제 2 전해실 내부의 사행 수로
103' : 제 3 전해실 내부의 사행 수로
104' : 제 4 전해실 내부의 사행 수로
105' : 전해실(105) 내부의 사행 수로
106' : 전해실(106) 내부의 사행 수로

Claims (5)

  1. 양극판, 다공질의 제 1 음극판 및 제 2 음극판을 구비하고,
    상기 제 1 음극판 및 제 2 음극판은 상기 양극판을 사이에 끼고 반대측에 설치되며,
    상기 양극판과 상기 제 1 음극판 사이에 제 1 전해실이, 상기 양극판과 상기 제 2 음극판 사이에 제 2 전해실이, 상기 제 1 음극판의 상기 양극판과 반대측에 는 제 3 전해실이, 그리고 상기 제 2 음극판의 상기 양극판과 반대측에는 제 4 전해실이 형성되고,
    상기 양극판은 상기 제 1 전해실과 제 2 전해실 사이에서 물의 출입을 차단할 수 있는 양극판이며,
    상기 제 1 전해실 및 상기 제 2 전해실의 내부에는, 음극판에 접하며 상기 양극판과의 사이에는 물이 흐르는 공간이 형성되도록 이온 교환막이 배치되고,
    제 1 수로는 물이 상기 제 1 전해실에 공급되어 상기 제 1 전해실 내부를 통해 배출되도록 형성되고,
    제 2 수로는 물이 상기 제 2 전해실에 공급되어 상기 제 2 전해실 내부를 통해 배출되도록 형성되고,
    제 3 수로는 물이 상기 제 3 전해실 및 상기 제 4 전해실 중 어느 한쪽의 전해실에 공급되며, 상기 전해실 내부를 통해서 배출된 처리수가 다른 쪽 전해실로 공급되어 상기 다른 쪽 전해실 내부를 통해 배출되도록 형성된 것을 특징으로 하는 전기분해수 생성장치.
  2. 제1항에 있어서,
    제 1 전해실, 제 2 전해실, 제 3 전해실 및 제 4 전해실의 내부에 형성되는 수로가 사행하고 있는 것을 특징으로 하는 전기분해수 생성장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제 3 전해실 내의 물이 흐르는 방향과 제 4 전해실 내의 물이 흐르는 방향이 서로 반대방향이 되도록 제 3 수로가 형성된 것을 특징으로 하는 전기분해수 생성장치.
  4. 제3항에 있어서,
    제 1 전해실 내의 물이 흐르는 방향과 제 3 전해실 내의 물이 흐르는 방향이 서로 반대방향이 되고, 제 2 전해실 내의 물이 흐르는 방향과 제 4 전해실 내의 물이 흐르는 방향이 서로 반대방향이 되도록 제 1 수로 및 제 2 수로가 형성된 것을 특징으로 하는 전기분해수 생성장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    양극판과 이온 교환막간의 간격이 0.1 내지 2mm인 것을 특징으로 하는 전기분해수 생성장치.
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