KR102616663B1 - 환원수의 제조 장치 및 환원수의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
[과제] 전해 환원에 의해 얻어지는 환원수에 있어서 용존수소분자농도의 저하를 억제할 수 있는 신규한 기술을 제공한다.
[해결 수단] 애노드 실과, 캐소드 실과, 애노드 실과 캐소드 실 사이에 배치되는 플루오린계 이온교환막인 격막과, 애노드 실에 있어서 격막에 접하도록 배치되는 다공성 애노드 전극과, 캐소드 실에 배치되는 캐소드 전극을 구비하는 전해조 내의 격막과 캐소드 전극 사이에 물을 공급하고, 캐소드 전극에 대해서, 10㎑ 이하의 전류 평균값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류를 부여해서 물의 전해 환원을 행하여 수소를 발생시키는 것, 및 캐소드 전극에 대해서 직류 성분을 갖는 전류를 부여해서 물의 전해 환원을 행하여 수소를 발생시키는 동시에, 캐소드 전극의 표면에 30㎑ 이상 10㎒ 이하의 초음파 영역에 있는 기계적 진동을 부여하는 것 중 적어도 어느 하나를 행하는 것을 포함하는, 수소를 함유하는, 환원수의 제조 방법.
[해결 수단] 애노드 실과, 캐소드 실과, 애노드 실과 캐소드 실 사이에 배치되는 플루오린계 이온교환막인 격막과, 애노드 실에 있어서 격막에 접하도록 배치되는 다공성 애노드 전극과, 캐소드 실에 배치되는 캐소드 전극을 구비하는 전해조 내의 격막과 캐소드 전극 사이에 물을 공급하고, 캐소드 전극에 대해서, 10㎑ 이하의 전류 평균값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류를 부여해서 물의 전해 환원을 행하여 수소를 발생시키는 것, 및 캐소드 전극에 대해서 직류 성분을 갖는 전류를 부여해서 물의 전해 환원을 행하여 수소를 발생시키는 동시에, 캐소드 전극의 표면에 30㎑ 이상 10㎒ 이하의 초음파 영역에 있는 기계적 진동을 부여하는 것 중 적어도 어느 하나를 행하는 것을 포함하는, 수소를 함유하는, 환원수의 제조 방법.
Description
본 발명은, 전해 환원에 의해 얻어지는 수소를 함유하는 환원수(수소수)에 관한 것으로, 특히, 해당 환원수에 있어서의 용존수소분자농도의 저하를 억제할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 수소수를 이용한 비즈니스가 활발해지고 있다. 수소수를 생성하는 방법으로서는, 예를 들면, 물을 전해 환원해서 수중에 용존수소분자를 직접적으로 생성하는 전해 환원법, 수중에 수소 가스를 버블링시켜, 수소분자를 용해시키는 방법, 수중에 수소 가스를 가압 용해시키는 수소 가스 가압 용해법 등이 알려져 있다.
대기압, 상온(20 내지 28도)의 조건 하에서, 수소 가스의 평형 이론적 용해도는 1.5 내지 1.6ppm이다.
전해 환원에 의해 생성된 환원수는 대기와 접촉하고 있으므로, 수중의 용존수소분자농도는 1.5ppm보다 상당히 내려간다. 예를 들면, 전해 환원시킨 환원수를 페트병 등에 보관한 경우, 수중의 용존수소분자농도는 일정 시간 경과 후 0.5ppm 이하가 된다. 이와 같이 수소수를 대기와 접촉시켜 보관한 경우, 일부의 용존수소분자는 대기 중에 휘산되어 가므로 용존수소분자농도가 저하한다.
그 때문에, 얻어진 수소수에 있어서의 용존수소분자농도의 저하를 억제하는 것을 목적으로 해서 예를 들면 특허문헌 1에 기재된 기술이 제안되어 있다.
용존수소분자농도의 저하를 억제하기 위한 새로운 기술이 요구되고 있다.
본 발명은 전해 환원에 의해 얻어지는 환원수에 있어서 용존수소분자농도의 저하를 억제할 수 있는 신규한 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는 예의 연구의 결과, 전기 분해시켜 수소를 발생시킬 때에, 환원 반응에 관여하는 전해조 중의 캐소드 전극에 대해서 소정의 전류를 부여해서 전해 환원을 진행시키거나, 혹은 전해 환원을 진행시켜서 캐소드 전극 근방에 있어서 수소를 생성시키는 동시에, 해당 캐소드 전극에 소정의 초음파에 의한 진동을 부여하는 것에 의해, 용존수소분자농도의 저하를 억제할 수 있는 것을 찾아내어, 본 발명을 완성시켰다.
즉, 본 발명의 요지는 이하와 같다.
[1] 애노드 실과, 캐소드 실과, 상기 애노드 실과 상기 캐소드 실 사이에 배치되는 플루오린계 이온교환막인 격막과, 상기 애노드 실에 있어서 상기 격막에 접하도록 배치되는 다공성 애노드 전극과, 상기 캐소드 실에 배치되는 캐소드 전극을 구비하는 전해조와,
상기 캐소드 전극에 대해서, 10㎑ 이하의 전류 평균값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류를 부여해서 상기 격막과 상기 캐소드 전극 사이에 공급된 물의 전해 환원을 행하여 수소를 발생시키는 것, 및 상기 캐소드 전극에 대해서 직류 성분을 갖는 전류를 부여해서 상기 격막과 상기 캐소드 전극 사이에 공급된 물의 전해 환원을 행하여 수소를 발생시키는 동시에, 상기 캐소드 전극의 표면에 30㎑ 이상 10㎒ 이하의 초음파 영역에 있는 기계적 진동을 부여하는 것 중 적어도 어느 하나를 실행하는 농도저하 억제부를 구비하는, 환원수 제조 장치.
[2] 상기 [1]에 기재된 장치에 있어서,
10㎑ 이하의 전류 평균값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류가, 전류 최저값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류인 환원수 제조 장치.
[3] 상기 [1] 또는 [2]에 기재된 장치에 있어서,
10㎑ 이하의 전류 평균값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류가, 반파정류 또는 전파정류된 교류 전류인 환원수 제조 장치.
[4] 상기 [1]로부터 [3] 중 어느 하나에 기재된 장치에 있어서,
상기 농도저하 억제부는, 상기 캐소드 전극에 대해서, 반파정류 또는 전파정류된 10㎑ 이하의 교류 전류를 부여해서 물의 전해 환원을 행하는 동시에, 상기 캐소드 전극의 표면에 30㎑ 이상 10㎒ 이하의 초음파 영역에 있는 기계적 진동을 부여하는, 환원수 제조 장치.
[5] 상기 [1] 내지 [4] 중 어느 하나에 기재된 장치에 있어서,
상기 격막과 상기 캐소드 전극 사이에 이온교환수지가 충전되어 있는, 환원수 제조 장치.
[6] 상기 [5]에 기재된 장치에 있어서,
상기 농도저하 억제부는, 상기 이온교환수지 속에 매립되어 있는 초음파 진동자를 구비하고 있고,
상기 농도저하 억제부는, 전기 초음파 진동자로부터의 상기 캐소드 전극의 표면에의 30㎑ 이상 10㎒ 이하의 초음파 영역에 있는 기계적 진동의 부여를 행하는, 환원수 제조 장치.
[7] 상기 [1] 내지 [4] 중 어느 하나에 기재된 장치에 있어서,
상기 캐소드 실이 격막과 대향하는 면에 있어서 복수의 돌출부를 갖고, 상기 캐소드 전극은 상기 돌출부의 선단에 있어서 상기 돌출부와 접촉하도록 배치되어 있어, 상기 캐소드 전극과 상기 격막 사이의 상기 격막과 직행하는 방향에 있어서의 거리가 1㎜ 이하인, 환원수 제조 장치.
[8] 상기 [7]에 기재된 장치에 있어서,
상기 캐소드 전극이 다공성 캐소드 전극이며,
상기 캐소드 실이, 상기 캐소드 실 내에 물을 유입시키는 복수의 원료수 공급부와, 전해 환원된 물을 상기 캐소드 실 내로부터 유출시키는 복수의 환원수 배출부를 구비하고, 상기 원료수 공급부와 상기 환원수 배출부는 상기 돌출부를 사이에 개재해서 배치되어 있는, 환원수 제조 장치.
[9] 상기 [1] 내지 [8] 중 어느 하나에 기재된 장치에 있어서,
상기 전해조가, 상기 애노드 실과, 상기 캐소드 실과, 상기 애노드 실과 상기 캐소드 실 사이에 배치되어, 상기 격막에 의해 상기 애노드 실과 상기 캐소드 실 사이를 가르는 중간실을 구비하는 3실형 전해조이며, 상기 중간실에 환원성 물질이 존재하고 있는, 환원수 제조 장치.
[10] 애노드 실과, 캐소드 실과, 상기 애노드 실과 상기 캐소드 실 사이에 배치되는 플루오린계 이온교환막인 격막과, 상기 애노드 실에 있어서 상기 격막에 접하도록 배치되는 다공성 애노드 전극과, 상기 캐소드 실에 배치되는 캐소드 전극을 구비하는 전해조 내의 상기 격막과 상기 캐소드 전극 사이에 물을 공급하고,
상기 캐소드 전극에 대해서, 10㎑ 이하의 전류 평균값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류를 부여해서 물의 전해 환원을 행하여 수소를 발생시키는 것, 및 상기 캐소드 전극에 대해서 직류 성분을 갖는 전류를 부여해서 물의 전해 환원을 행하여 수소를 발생시키는 동시에, 상기 캐소드 전극의 표면에 30㎑ 이상 10㎒ 이하의 초음파 영역에 있는 기계적 진동을 부여하는 것 중 적어도 어느 하나를 행하는 것을 포함하는, 수소를 함유하는 환원수의 제조 방법.
[11] 상기 [10]에 기재된 방법에 있어서,
10㎑ 이하의 전류 평균값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류가, 전류 최저값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류인, 환원수의 제조 방법.
[12] 상기 [10] 또는 [11]에 기재된 방법에 있어서,
10㎑ 이하의 전류 평균값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류가, 반파정류 또는 전파정류된 교류 전류인, 환원수의 제조 방법.
[13] 상기 [10] 내지 [12] 중 어느 하나에 기재된 방법에 있어서,
상기 캐소드 전극에 대해서, 반파정류 또는 전파정류된 10㎑ 이하의 교류 전류를 부여해서 물의 전해 환원을 행하는 동시에, 상기 캐소드 전극의 표면에 30㎑ 이상 10㎒ 이하의 초음파 영역에 있는 기계적 진동을 부여하는, 환원수의 제조 방법.
[14] 상기 [10]로부터 [13] 중 어느 하나에 기재된 방법에 있어서,
상기 격막과 상기 캐소드 전극 사이에 이온교환수지가 충전되어 있는, 환원수의 제조 방법.
[15] 상기 [14]에 기재된 방법에 있어서,
상기 캐소드 전극의 표면에의 30㎑ 이상 10㎒ 이하의 초음파 영역에 있는 기계적 진동의 부여가 행해지고, 해당 기계적 진동의 부여는 상기 이온교환수지 속에 매립되어 있는 초음파 진동자로부터 부여하는, 환원수의 제조 방법.
[16] 상기 [10] 내지 [13] 중 어느 하나에 기재된 방법에 있어서,
상기 캐소드 실이 격막과 대향하는 면에 있어서 복수의 돌출부를 갖고, 상기 캐소드 전극은 상기 돌출부의 선단에 있어서 상기 돌출부와 접촉하도록 배치되어 있으며, 상기 캐소드 전극과 상기 격막 사이의 상기 격막과 직행하는 방향에 있어서의 거리가 1㎜ 이하인 상기 전해조 내의 상기 격막과 상기 캐소드 전극 사이에 물을 공급하는, 환원수의 제조 방법.
[17] 상기 [16]에 기재된 방법에 있어서,
상기 캐소드 전극이 다공성 캐소드 전극이며,
상기 캐소드 실이, 상기 캐소드 실 내에 물을 유입시키는 복수의 원료수 공급부와, 전해 환원된 물을 상기 캐소드 실 내로부터 유출시키는 복수의 환원수 배출부를 구비하고, 상기 원료수 공급부와 상기 환원수 배출부는 상기 돌출부를 사이에 개재해서 배치되어 있는, 환원수의 제조 방법.
[18] 상기 [10] 내지 [17] 중 어느 하나에 기재된 방법에 있어서,
상기 전해조가, 상기 애노드 실과, 상기 캐소드 실과, 상기 애노드 실과 상기 캐소드 실 사이에 배치되어, 상기 격막에 의해 상기 애노드 실과 상기 캐소드 실 사이를 가르는 중간실을 구비하는 3실형 전해조이며, 상기 중간실에 환원성 물질이 존재하고 있는, 환원수의 제조 방법.
본 발명에 따르면, 전해 환원에 의해 얻어지는 환원수에 있어서 용존수소분자농도의 저하를 억제할 수 있는 신규한 기술을 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시형태에 따른 시스템의 개요를 나타낸 도면이다.
도 2는 제2 실시형태에 따른 전해조의 개요를 나타낸 도면이다.
도 3은 제2 실시형태에 따른 시스템의 개요를 나타낸 도면이다.
도 4는 제2 실시형태에 따른 전해조의 개요를 나타낸 도면이다.
도 5는 제3 실시형태에 따른 시스템의 개요를 나타낸 도면이다.
도 6은 제4 실시형태에 따른 전해조의 개요를 나타낸 도면이다.
도 7은 제4 실시형태에 따른 전해조의 개요를 나타낸 도면이다.
도 8은 제5 실시형태에 따른 시스템의 개요를 나타낸 도면이다.
도 9는 기타의 실시형태에 따른 전해조의 개요를 나타낸 도면이다.
도 10은 기타의 실시형태에 따른 시스템의 개요를 나타낸 도면이다.
도 11은 대기압 상온 하에 있어서의 수소분자의 용해량(평형값)에 관한 그래프이다.
도 12는 캐소드 전극 표면 근방을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 13은 반파정류 전해 전류에 의한 수소분자 기포 발생량과 그 크기를 나타내는 그래프이다.
도 2는 제2 실시형태에 따른 전해조의 개요를 나타낸 도면이다.
도 3은 제2 실시형태에 따른 시스템의 개요를 나타낸 도면이다.
도 4는 제2 실시형태에 따른 전해조의 개요를 나타낸 도면이다.
도 5는 제3 실시형태에 따른 시스템의 개요를 나타낸 도면이다.
도 6은 제4 실시형태에 따른 전해조의 개요를 나타낸 도면이다.
도 7은 제4 실시형태에 따른 전해조의 개요를 나타낸 도면이다.
도 8은 제5 실시형태에 따른 시스템의 개요를 나타낸 도면이다.
도 9는 기타의 실시형태에 따른 전해조의 개요를 나타낸 도면이다.
도 10은 기타의 실시형태에 따른 시스템의 개요를 나타낸 도면이다.
도 11은 대기압 상온 하에 있어서의 수소분자의 용해량(평형값)에 관한 그래프이다.
도 12는 캐소드 전극 표면 근방을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 13은 반파정류 전해 전류에 의한 수소분자 기포 발생량과 그 크기를 나타내는 그래프이다.
[제1 실시형태]
다음에, 본 발명의 하나의 실시형태에 대해서 설명한다.
제1 실시형태는, 애노드 실과, 캐소드 실과, 애노드 실과 캐소드 실 사이에 배치되는 플루오린계 이온교환막인 격막과, 애노드 실에 있어서 격막에 접하도록 배치되는 다공성 애노드 전극과, 캐소드 실에 배치되는 캐소드 전극을 구비하는 전해조와, 캐소드 전극에 대해서, 10㎑ 이하의 전류 평균값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류를 부여해서 격막과 캐소드 전극 사이에 공급된 물의 전해 환원을 행하여 수소를 발생시키는 농도저하 억제부를 구비하는 환원수 제조 장치에 관한 것이다.
우선, 제1 실시형태에 따른 시스템의 구성에 대해서 설명한다.
도 1은 해당 시스템의 구성의 개요를 나타낸 도면이다.
제1 실시형태에 따른 시스템은, 전해조(100)와, 해당 전해조(100)의 캐소드 실(3)에 원료가 되는 물을 공급하는 원료수 생성 송액부(200)를 구비한다. 또, 제조되는 환원수(수소수)를 음용으로 할 때에 보다 바람직하다는 관점에서, 이하의 설명에 있어서는, 전해조(100)에 전도도가 200 μS/cm 이하인 물을 공급할 경우를 예로 들어서 설명하고 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.
제1 실시형태에 있어서, 원료수 생성 송액부(200)는, 역침투막 필터(140)와 급수 펌프(130)로 구성할 수 있다. 역침투막 필터(140)는, 수돗물 라인(150)으로부터 송액되는 수돗물의 순도를 향상시키고, 전도도가 200 μS/cm 이하인 물(이하, 원료수라고도 칭함. 20 μS/cm 이하인 물로 하는 것이 보다 바람직함)이라고 한다. 급수 펌프(130)는, 역침투막 필터(140)에 있어서 생성된 원료수를 전해조(100)가 구비하는 캐소드 실(3)에 공급한다.
또, 급수 펌프(130), 역침투막 필터(140), 수도 라인(150)은 공지의 것을 이용할 수 있고, 특별히 한정되지 않는다. 또한, 해당 원료수 생성 송액부(200)의 구성은 일례이며, 다른 구성에 의해 원료수를 전해조(100)에 공급하도록 해도 된다.
전해조(100)는, 예를 들면 특허문헌 1에 기재되어 있는 2실형 전해조로 할 수 있다. 구체적으로는, 전해조(100)는, 애노드 실(1)과, 캐소드 실(3)을 구비하는 구성이다. 애노드 실(1)과 캐소드 실(3) 사이에는 플루오린계 이온교환막인 격막(5)이 배치되어 있어, 애노드 실(1)과 캐소드 실(3) 사이를 가르고 있다. 또한, 애노드 실(1)에는 다공성 애노드 전극(21)이 배치되고, 캐소드 실(3)에는 캐소드 전극(4)이 배치되어 있다. 다공성 애노드 전극(21)은, 애노드 실(1) 내에 있어서 격막(5)과 접하는 위치에 배치되어 있다. 또한, 캐소드 전극(4)은, 캐소드 실(3)의 격막(5)과 대향하는 벽부를 형성하도록 배치되어 있다. 또한, 제1 실시형태에 있어서는, 캐소드 실의 격막(5)과 캐소드 전극(4) 사이에는, 전도도가 200 μS/cm 이하인 물(바람직하게는 20 μS/cm 이하인 물)을 이용하는 환원에 있어서 바람직한 구성으로서, 이온교환수지(31)가 충전되어 있다.
또, 애노드 실(1) 및 캐소드 실(3)의 각 용량, 다공성 애노드 전극(21), 캐소드 전극(4)의 소재, 크기, 다공성 애노드 전극(21)에 있어서의 구멍의 크기나 개수 등에 대해서는 특별히 한정되지 않고, 당업자가 적당히 설정할 수 있다.
또한, 애노드 전극(21)과 캐소드 전극(4)에는 전원(110)으로부터 전류가 공급됨으로써 전압이 부여된다. 이것에 의해 전해조(100)에 있어서 물의 전기 분해가 행해지고, 캐소드 실(3)에 있어서는 환원 반응이 진행되어 수소가 생성된다. 한편, 애노드 실(1)에 있어서는, 산화 반응이 행해진다(공지의 구성을 이용할 수 있으므로, 상세한 설명 및 도시를 생략한다).
전해조(100)의 캐소드 실(3)에 있어서 생성된 수소를 포함하는 환원수는, 저수 탱크(120)에 보내져서 저류된다. 해당 저수 탱크(120)에의 유입은 밸브(160)에 의해 제어할 수 있다. 또한, 밸브(160)를 조작함으로써, 캐소드 실(3) 내에 있어서의 압력상태의 제어를 행하는 구성으로 하는 것도 가능하다.
제1 실시형태에 있어서는, 전원(110)(제1 실시형태에 있어서는 농도 저하 억제부에 상당)으로부터, 캐소드 전극(4)에 대하여, 10㎑ 이하의 전류 평균값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류를 부여해서 물의 전해 환원을 행하여 수소를 발생시킨다. 구체적으로는, 반파정류 또는 전파정류된 10㎑ 이하의 교류 전류를 캐소드 전극(4)에 대하여 부여해서 물의 전해 환원을 행하여 수소를 발생시킨다.
여기에서, 반파정류 및 전파정류란, 교류 전류/전압에 있어서 음의 방향의 전류/전압성분을 제로 또는 제로보다 큰 양의 측으로 변환하는 처리를 말한다.
또, 전류 평균값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류는 반파정류 또는 전파정류된 교류 전류만으로 한정되지 않고, 예를 들면 펄스 전류 등이어도 된다. 한편으로, 높은 비용으로 되므로, 반파정류 또는 전파정류된 10㎑ 이하의 교류 전류를 부여해서 물의 전해 환원을 행하여 수소를 발생시키는 것이 바람직하다.
이와 같이 제1 실시형태에 있어서는 캐소드 실에 공급되는 물을 캐소드 전극에 10㎑ 이하의 전류 평균값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류를 부여해서 전해 환원시킴으로써, 평형값보다 높은 용존수소분자농도로 할 수 있다. 그 결과, 용존수소분자농도의 저하를 억제하는 것이 가능해진다.
[제2 실시형태]
다음에, 제2 실시형태에 대해서 설명한다. 제1 실시형태와 공통되는 부분은 같은 부호를 붙이고 설명을 생략한다.
도 2는 제2실시형태에 따른 시스템의 구성을 나타낸 도면이다. 제2 실시형태에 따른 시스템은, 제1 실시형태와 마찬가지로 전해조(100), 원료수 생성 송액부(200), 전원(110), 저수 탱크(120)를 구비한다. 또한, 제2 실시형태에 따른 시스템은, 캐소드 실(3) 내의 캐소드 전극(4) 표면에 기계적 진동을 부여하는 기계적 진동 부여부(8)를 구비하고 있다. 제2 실시형태에 있어서는, 직류 성분을 갖는 전류를 캐소드 전극(4)에 부여해서 캐소드 실(3)의 물의 전해 환원을 행하여 수소를 발생시키는 동시에, 기계적 진동 부여부(8)에 의해, 캐소드 실(3) 내의 캐소드 전극(4) 표면에, 30㎑ 이상 10㎒ 이하의 초음파 영역에 있는 기계적 진동을 부여한다. 따라서, 제2 실시형태에 있어서는, 전원(110)과 기계적 진동 부여부(8)가 농도저하 억제부에 상당한다.
또, 캐소드 전극(4)에 부여되는 전류에 대해서는 직류 성분을 갖는 전류인 한 특별히 한정되지 않고, 제1 실시형태의 반파정류 또는 전파정류된 10㎑ 이하의 교류 전류 이외에, 직류 전류 등이어도 된다. 한편으로, 용존수소분자농도의 저하를 더욱 억제하는 관점에서, 캐소드 전극(4)에 부여되는 전류에 대해서는 반파정류 또는 전파정류된 10㎑ 이하의 교류 전류인 것이 바람직하다. 도 2에 있어서는 반파정류 또는 전파정류된 10㎑ 이하의 교류 전류를 부여할 경우를 예시하고 있다.
기계적 진동 부여부(8)는, 예를 들면 초음파 진동자를 이용할 수 있다. 기계적 진동 부여부(8)를 배치하는 위치는 특별히 한정되지 않고, 적당히 설정할 수 있지만, 예를 들면 도 3 및 도 4에 나타낸 위치에 배치할 수 있다.
도 3에 있어서는, 기계적 진동 부여부(8)는, 전해조(100) 외부에 있어서 캐소드 전극(4)과 접하는 위치에 배치되어 있다. 또한, 도 4에 있어서는, 기계적 진동 부여부(8)는, 캐소드 실(3) 내의 이온교환수지(31) 내에 매립되고, 캐소드 전극(4)의 표면 근방에 배치되어 있다. 또, 도 2에 있어서는 기계적 진동 부여부(8)가 캐소드 실(3) 내의 이온교환수지(31) 내에 매립되어 있을 경우를 예시하고 있다.
이 중, 캐소드 전극(4)의 표면에 직접 기계적 진동을 부여함으로써 보다 용존수소농도를 향상시킬 수 있으므로, 도 4에 예시되는 바와 같이 캐소드 실 내부에 기계적 진동 부여부(8)가 설치되는 것이 바람직하다.
이와 같이 제2 실시형태에 있어서는 캐소드 실의 물의 전해 환원을 행하여 수소를 발생시키는 동시에, 기계적 진동 부여부(8)에 의해, 캐소드 실(3) 내의 캐소드 전극(4) 표면에, 30㎑ 이상 10㎒ 이하의 초음파 영역에 있는 기계적 진동을 부여함으로써, 평형값보다 높은 용존수소분자농도로 할 수 있다. 그 결과, 환원수 중에 있어서의 용존수소분자농도의 저하를 억제하는 것이 가능해진다.
[제3 실시형태]
다음에, 제3 실시형태에 대해서 설명한다.
제1 실시형태와 공통되는 부분은 같은 부호를 붙이고 설명을 생략한다.
도 5에 제3 실시형태에 따른 시스템의 개요를 나타낸다.
제3 실시형태에 따른 시스템은, 제1 실시형태에 따른 2실형의 전해조(100) 대신에, 3실형 전해조(300)을 구비한다. 해당 3실형 전해조(300)은, 애노드 실(1), 캐소드 실(3)에 부가해서, 애노드 실(1)과 캐소드 실(3) 사이에 배치되어, 격막(51, 52)에 의해 애노드 실(1)과 캐소드 실(3) 사이를 가르는 중간실(6)을 구비한다. 또, 제1 실시형태의 경우와 마찬가지로, 제3 실시형태에 있어서, 전해조(300)은, 예를 들면, 특허문헌 1에 기재되어 있는 3실형 전해조로 할 수 있다. 중간실(6)에는 이온교환수지가 충전되어 있고, 칼슘 이온 등의 알칼리 토류 금속을 포함시킨 2가 이상의 금속 이온을 제거한 정화수가 공급되도록 할 수 있다(애노드 실(1)의 경우와 마찬가지로, 중간실(6)에 대해서도 공지의 구성을 이용할 수 있으므로, 상세한 설명 및 도시를 생략한다).
중간실(6)을 구비함으로써, 애노드 실(1)에서 생성된 산소 등의 산화성 물질이 캐소드 실(3)로 이행되는 것을 방지하는 것이 가능해진다.
[제4 실시형태]
다음에, 제4 실시형태에 대해서 설명한다. 제2 실시형태와 공통되는 부분은 같은 부호를 붙이고 설명을 생략한다.
도 6 및 도 7은, 제4실시형태에 따른 전해조(300)의 개요를 나타낸 도면이다. 제4 실시형태에 있어서도, 제2 실시형태와 마찬가지로, 기계적 진동 부여부(8)를 배치하는 위치는 특별히 한정되지 않고, 적당히 설정할 수 있으며, 예를 들면 도 6 및 도 7에 나타낸 위치에 배치할 수 있다.
도 6에 있어서는, 기계적 진동 부여부(8)는, 전해조(300) 외부에 있어서 캐소드 전극(4)과 접하는 위치에 배치되어 있다. 또한, 도 7에 있어서는, 기계적 진동 부여부(8)는, 캐소드 실(3) 내의 이온교환수지(31) 내에 매립되고, 캐소드 전극(4) 표면 근방에 배치되어 있다.
[제5 실시형태]
다음에, 제5 실시형태에 대해서 설명한다. 제3 및 제 4 실시형태와 공통되는 부분은 같은 부호를 붙이고 설명을 생략한다.
제5 실시형태에서는, 용존수소분자농도의 저하를 보다 억제하기 위해서, 3실형 전해조(300)의 중간실(6)에 유기산 환원성 물질을 존재시킨다. 이것에 의해 캐소드 수가 약산성이 되므로, 용존수소분자농도의 저하를 더욱 억제할 수 있다.
도 8에 제5 실시형태에 따른 시스템의 개요를 나타낸다.
제5 실시형태에 있어서는, 유기산 환원성 수용액을 중간실(6)에 통수시키고, 또한 중간실(6)의 출구로부터 배출된 환원성 수용액을 중간실(6)에 유도시켜서 환원성 수용액을 순환시킴으로써, 유기산 환원성 수용액을 중간실(6)에 충전하고 있다. 이것에 의해 환원성 물질이 중간실(6)에 존재하는 것이 된다.
제5 실시형태에서는, 유기산 환원성 수용액을 순환시키기 위해서 순환 라인(190)을 구비하고 있다. 이 순환 라인(190)에 중간실 액순환 펌프(180)와 중간실 액저수 탱크(170)를 설치하여, 환원성의 수용액을 순환시킨다.
유기산 환원성 물질로서는 예를 들면 아스코르브산, 락트산, 글루콘산 등을 들 수 있고, 본 실시형태에 있어서는 이들의 수용액을 순환시키도록 할 수 있다.
[그 밖의 실시형태]
이상과 같이 본 발명에 대해서 몇 가지 실시형태를 들어서 설명했지만 다른 실시형태로 하는 것도 가능하다.
예를 들면 제1 내지 제5 실시형태에 있어서, 전도도가 200 μS/cm 이하인 물을 이용해서 환원에 있어서 바람직한 구성으로서, 전해조는 캐소드 실에 있어서 캐소드 전극과 격막 사이에 이온교환수지가 충전되어 있는 구성을 구비한다. 이것 대신에 다른 구성이어도 된다.
예를 들면, 이온교환수지를 충전하지 않고, 통수와 저전압전해의 양자를 가능하게 하는 개량형 캐소드 전극을 이용할 수 있다. 구체적으로는, 캐소드 실이 격막과 대향하는 면에 있어서 복수의 돌출부를 갖고, 캐소드 전극은 돌출부의 선단에 있어서 돌출부와 접촉하도록 배치되어 있으며, 캐소드 전극과 격막 사이의 격막과 직행하는 방향에 있어서의 거리가 1㎜ 이하가 되도록 할 수 있다. 이러한 캐소드 실의 예로서, 구체적으로는, 특허문헌 1에 있어서 기재되는 파형의 표면을 갖는 캐소드 전극이나 빗살형의 캐소드 전극을 구비하는 캐소드 실을 들 수 있다.
또한, 캐소드 전극과 격막 사이의 격막과 직행하는 방향에 있어서의 거리가 1㎜ 이하인 전술한 환원수 제조 장치의 일례로서, 이하에 설명하는 바와 같은 캐소드 실 프레임을 갖는 환원수 제조 장치를 들 수 있다.
도 9는 해당 양상에 따른 전해조의 개요를 나타낸 도면이며, 도 10은 해당 양상에 따른 시스템의 개요를 나타낸 도면이다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 해당 양상의 환원수 제조 장치에 있어서는, 캐소드 실 프레임(400)에 복수의 개구부를 갖는 다공성 캐소드 전극(4)을 접촉시켜서 배치하고 있고, 다공성 캐소드 전극(4)과 격막(5) 사이의 격막(5)과 직행하는 방향에 있어서의 거리가 1㎜ 이하로 설정된다. 구체적으로는, 캐소드 실 프레임(400)은, 격막(5)과 대향하는 면에 있어서 각각 복수의 돌출부(320)를 갖고 있고, 다공성 캐소드 전극(4)은 돌출부(320)의 선단에 있어서 돌출부(320)와 접촉하고 있는 동시에 격막(5)과 대향하도록 배치된다.
또한, 캐소드 실 프레임(400)의 다공성 캐소드 전극(4)과 대향하는 면에 있어서의 캐소드 전극(4)과 접촉하지 않고 있는 비돌출 부분에는, 복수의 원료수 공급 라인(302)과 복수의 환원수 배출 라인(303)이 연결되어 있고, 원료수 공급 라인(302)과 환원수 배출 라인(303)은 다공성 캐소드 전극(4)에 접촉하고 있는 돌출부(320)를 사이에 개재해서 배치된다.
원료수 공급 라인(302)은, 원료수 공급용 매니폴드(304)와 연통시키고 있다. 원료수 공급용 매니폴드(304)에는, 연통하는 원료수 입구(306)로부터 원료수가 공급된다. 원료수는, 원료수 공급용 매니폴드(304)를 개재해서 원료수 공급 라인(302)으로부터 캐소드 실(3) 내에 유입되는 동시에, 다공성 캐소드 전극(4)의 돌출부(320)와의 비접촉 부분에 있어서의 개구부를 개재해서 다공성 캐소드 전극(4) 표면에 있어서의 전해면(301)에 공급된다.
또한, 환원수 배출 라인(303)은, 환원수 배출용 매니폴드(305)와 연통하고 있다. 전해면에서 생성된 환원수는 다공성 캐소드 전극(4)의 돌출부(320)와의 비접촉 부분에 있어서의 개구부, 환원수 배출 라인(303)을 개재해서, 환원수 배출용 매니폴드(305)에 유입된다. 환원수 배출용 매니폴드(305)에는 환원수 출구(307)가 연 통되어 있어, 해당 환원수 출구(307)로부터 생성된 환원수가 배출된다. 또, 예시하고 있는 실시형태에 있어서는, 원료수 공급 라인(302), 원료수 공급용 매니폴드(304)가 시인될 수 있는 단면에 있어서는 환원수 배출 라인(303), 환원수 배출용 매니폴드(305)를 시인할 수 없다. 그 때문에, 도 9, 도 10에서는 환원수 배출 라인(303), 환원수 배출용 매니폴드(305)를 파선으로 나타내고 있다.
즉, 해당 양상에 있어서는, 원료수 공급 라인(302)으로부터 캐소드 실 내로 유입된 원료수가 다공성 캐소드 전극(4)의 돌출부(320)와의 비접촉 부분에 있어서의 개구를 개재해서 전해면(301)에 공급된다. 또, 전해면(301)에 있어서 생성된 환원수는, 다공성 캐소드 전극(4)의 돌출부(320)와의 비접촉 부분에 있어서의 개구를 개재해서 환원수 배수 라인(303)으로부터 캐소드 실 외로 배출된다. 이러한 양상에 따르면, 전해면인 캐소드 전극 표면의 유속을 보다 크게 할 수 있다. 그 결과, 캐소드 전극 근방의 고용존수소분자농도수를 보다 효율적으로 벌크수로 이행시킬 수 있으므로, 용존수소분자농도의 저하를 더욱 억제할 수 있다.
[캐소드 전극에의 진동 부여]
도 11에 나타낸 바와 같이, 대기압에서 상온의 조건하에서, 수소 가스의 평형 이론적 용해도는 1.5 내지 1.6ppm이다.
본 발명자는 예의 연구의 결과, 전기분해되어서 수소를 발생시킬 때에, 환원 반응에 관여하는 전해조 중의 캐소드 전극에 대해서 전류 평균값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류를 부여해서 전해 환원을 진행시키거나, 혹은 직류 성분을 갖는 전류를 캐소드 전극에 부여해서 전해 환원을 진행시켜서 캐소드 전극 근방에 있어서 수소를 생성시키는 동시에, 해당 캐소드 전극에 소정의 초음파에 의한 진동을 부여함으로써, 용존수소분자농도의 저하를 억제할 수 있는 것을 찾아내고, 본 발명을 완성시켰다. 이하, 이 점에 대해서 상세히 설명한다.
전해조를 이용해서 전해시키면, 캐소드 전극 표면에 있어서의 수소발생 및 수소분자 기포에 관해서, 사이바라(才原) 등으로부터 캐소드 전극 표면에 있어서의 포화 수소의 존재 상태와 용해 과정이 해석되어 있다(사이바라 야스히로(才原康弘), 마츠시타덴코(松下電工) 주식회사, 트라이얼 유스 실시 보고서(トライアルユ-ス實施報告書), 2003년 8월12일).
벌크수 중에서, 용존수소농도는 평형 이론값 이하가 되지만, 전해 중인 캐소드 전극 표면의 용존수소농도는 평형값 이상이 된다. 또한, 수소 가스의 직경은 초기의 단계에서는 nm 치수이지만, 시간의 경과에 따라 미소한 수소 가스가 서로 합체를 해서, 수소 가스의 크기는 커진다.
캐소드 전극 표면에 있어서 생성되는 수소 가스의 상황을 도 12에 나타낸다. 일반적으로 수용액의 계면층은 헬름홀츠층(10)이 전기２중층(확산층)(9)으로 이루어진다. 헬름홀츠층(10)은 내부 헬름홀츠층과 외부 헬름홀츠층으로 나뉘어진다. 물을 공급한 시점에 있어서는 이온 등을 배제한 수용액을 이용한 경우, 헬름홀츠층(10)의 주된 분자는 용매분자인 물 분자이다. 용매분자인 물 분자 H2O가 이하의 반응식에 의해 환원 분해를 해서 수소분자가 생성된다. 그 결과, 수소분자가 헬름홀츠층(10)의 주된 분자가 된다.
애노드 전극: 2H2O → O2+4H++4e-
캐소드 전극: 2H++2e- → H2
예를 들면, 도 12에 있어서 예시된 바와 같이, 헬름홀츠층(10)에 있어서 생성한 수소분자 또는 극소 직경(㎚ 치수)의 수소분자 기포(11)는, 전기２중층(9)으로 이동해가는 과정에서 보다 큰 직경을 갖는 수소분자 기포(13)가 되고, 캐소드 전극(4)과의 거리가 더욱 멀어짐에 따라서 수소분자 기포(13)보다도 큰 수소분자기포(12)가 된다. 이러한 동적인 과정에서는, 용존수소농도는 평형 이론적 관점에서의 값보다 커질 것이 예측된다.
여기에서, 단순히 전류밀도 0.2 A/㎠로 전해시켰을 때의 수소 가스 발생량을 계산한다. 단위면적당 캐소드 전극 표면 1㎛ 중에서 이 조건으로 전해시킨다고 가정한다면, 캐소드 전극 표면층에는 약 800ppm의 수소분자가 생성되게 된다. 이 값의 농도로 수소분자가 용해되어 있다고 가정하고, A.H.Pray 등의 실험(H. A. PRAY et al., IN DUSRIAL AND ENGI NEERING CHEMISTRY Vol. 44, No. 5, 1146)에 의거하면, 캐소드 전극 표면에 있어서의 용존수소분자농도를 압력으로 환산했을 때의 값은 약 1000HPa 이상이라고 상정된다. 환언하면, 약 1000HPa 이상의 고압 하에 있어서의 수소 가스의 용해 현상으로 된다. 이와 같이 전해 반응 중의 캐소드 전극 표면은 비평형의 상태에 있으므로, 용존수소분자농도가 평형값으로부터 분해되고 있는 것이 명확하다. 본 발명에서는 이 비평형 상태에 있는 캐소드 전극 표면에 있어서의 용존수소분자를 유효적으로 이용하는 방법에 관한 것이다.
또한, 사이바라 등의 보고서는, 캐소드 전극 표면에서는, 200nm의 크기의 수소 가스가 관측된 것을 기술하고 있다. 수소 가스의 크기가 200nm 이하가 되면, 육안으로 균일 투명하게 되어, 수소 가스가 전해된 물 중에서의 안정성이 향상되는 것이 보고되어 있다. 이 안정성은 수소분자가 용해된 물의 비즈니스를 전개시키는데 있어서 수소 가스 잔류의 수명의 점에서 중요하다.
본 발명자는, 용존수소분자농도를 평형 농도값보다 크게 해서 환원수를 생성하고, 용존수소분자농도의 저하를 억제하기 위하여, 캐소드 전극 근방의 고용존수소분자농도수를 효율적으로 벌크수로 이행시키는 것을 착상하였다. 본 발명에서는, 캐소드 전극 표면에 동적인 작용을 부가해서, 캐소드 전극 근방의 고용존수소분자농도수를 효율적으로 벌크수로 이행시키는 방법에 관한 것이다.
구체적으로는, 이하의 (1), (2)로서 나타내는 방법 중 어느 하나에 의해 환원수에 있어서의 용존수소농도를 향상시킬 수 있다.
(1) 초음파 인가
헬름홀츠층 및 전기２중층(확산층)이 초음파 진동에 의해 교반되고, 이 교반에 의해 헬름홀츠층 내의 작은 직경의 수소 가스 기포가 전기２중층(확산층)으로 이동하고, 전기２중층에 있어서 작은 직경의 수소 가스 기포 농도가 향상된다. 이 결과로서 벌크수 중의 작은 직경의 수소 가스 농도가 높아지고, 얻어진 환원수에 있어서의 용존수소농도도 향상된다.
(2) 전기적 진동(변동 전해 전류)인가
해당 방법은, 전류 평균값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류를 캐소드 전극에 부여함으로써, 환원수에 있어서의 용존수소농도를 향상시킨다.
해당 방법에 있어서는, 일정한 전해 전류를 인가하는 것은 아니고, 전해 전류를 제로로 하는 기간을 둔다. 해당 방법에 따른 전류부여 및 발생하는 수소 가스에 관한 일례인 그래프를 도 13에 나타낸다. 도 13은, 후술하는 실험예 1에 있어서 반파정류 전류를 캐소드 전극에 부여했을 경우에 대응하는 그래프이며, 도 13에서는, 점선 전류값으로 나타낸 바와 같이 반파정류 전류를 캐소드 전극에 인가하고 있다. 이 전류의 변화에 대응해서 큰 기포의 수소 가스(1㎛보다 큼)가 생성된다. 통전되어 있을 때, 항상 작은 수소 가스 기포(1㎛ 이하)가 공급되므로, 큰 직경의 수소 가스 기포가 생성된다. 전극 표면에 통수하면, 큰 직경의 수소 가스가 제거된다. 그러나, 헬름홀츠층 및 전기２중층의 계면층은 유속이 대폭 저감되므로 작은 직경의 수소 가스는 부분적으로 잔류한다. 통전시키지 않을 때 가스의 성장은 멈추어 작은 직경의 수소 가스만을 제거하는 것이 가능해진다. 그 결과, 환원수 중에는, 통전시키지 않을 때에 제거되는 수소 가스보다도 더욱 작은 직경의 수소 가스가 보다 잔류하게 되어, 용존수소농도를 높일 수 있다. 또한, 더욱, 용존수소농도를 올리기 위해서는 캐소드 실 내의 압력을 올리는 것이 바람직하고, 구체적으로는 캐소드 실의 압력을 0.01 내지 0.1kg/㎠로 하는 것이 바람직하다.
이상의 설명은 용존수소농도를 올리기 위해서는 교류가 바람직한 것을 나타낸다. 그러나, 여기에서 주의하지 않으면 안되는 것은 캐소드 전해 반응을 대상으로 하고 있으므로, 교류 중에서, 통상의 교번 전류를 이용하면, 애노드 반응이 혼입되게 되어, 용존수소분자농도를 높이는 것이 곤란해진다. 따라서, 캐소드 전해 전류가 최저라도 큰 직경의 수소 가스 기포가 육안으로 관측되기 어려운 값까지 전해 전류의 값을 낮추는 것이 필요하다. 구체적으로는, 전류 평균값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류를 캐소드 전극에 부여하도록 할 수 있고, 바람직하게는 전류 최저값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류, 보다 바람직하게는 반파정류 또는 전파정류된 교류 전류를 캐소드 전극에 부여한다. 따라서, 예를 들면, 전류 평균값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류의 전원으로서, 정류화 교류 전원 또는 펄스 전원을 이용할 수 있다.
본 발명에서는 수소 가스 기포의 효율적 이동에 착안하고 있으므로, 주파수 상한에 관해서 한계가 있다. 일반적으로 물질이동을 수반하는 현상의 주파수 의존성을 측정하면, 약 10㎑ 이하의 영역에서 전해에 대해서 교류 또는 펄스 전류의 효과가 나타난다.
[실험예 1]
전술한 제1 실시형태에 의거하는 시스템을 구축하였다.
역침투막 필터(140)로서, Seemsbionics사 제품인 역침투막 필터를 이용하였다. 전원으로서 직류 전원, 또는 50Hz 교류 전원을 이용하였다. 교류는, 무정류, 전파정류 또는 반파정류로 하여, 비교를 행하였다. 또한, 전해조의 크기는, 애노드 실 및 캐소드 실 모두, 6×8×약 1cm로 하였다. 전극의 외부 치수는 8×6㎠(소재: 티타늄판에 백금 도금이 시행되어 있음)로 하였다. 애노드 전극은, 6mmφ의 구멍을 동일 간격으로 130개 뚫은 다공성 애노드 전극으로 하였다. 전해 전류를 4A로 설정하였다. 전류밀도는 0.83m A/㎠로 된다.
환원수 중의 용존수소분자농도는 메틸렌 블루 시약으로 측정하였다.
결과를 표 1에 나타낸다.
같은 전류값으로 전해시켰 때, 직류를 이용한 경우, 평형 이론적 관점에서의 용존수소농도값 약 1.5ppm을 초과하는 일은 없었다. 그러나, 전파정류 또는 반파정류한 전류를 인가했을 때, 용존수소분자농도는 평형값을 초과하는 측정값을 얻는 것이 가능해졌다. 이 결과는 본 발명의 전해조 및 전해 조건을 이용함으로써 평형값을 초과하는 농도의 용존수소분자농도수를 생성하는 것이 가능한 것을 나타낸다.
[실험예 2]
이 실험예 2에서는 용존수소분자농도에 대한 기계적 진동의 효과를 설명한다.
약 250Hz의 진동 장치(WILD ONE사 제품)와 약 2.1MHz의 초음파 진동자(혼다덴시(本多電子) 주식회사, HM2412(C))를 이용하였다. 기본적인 시스템의 구성은 실험예 1과 마찬가지이다. 캐소드 전극 표면에 기계적 진동을 부여하는 방법은 이하와 같이 하였다. 대조인 약 250Hz의 저주파 기계적 진동의 경우, 진동 장치를 전해조 외부에 있어서 캐소드 전극에 접하는 위치에 배치하고, 전해조 외측에서 진동을 부여하였다. 약 2. 4MHz의 초음파진동의 경우, 2실형 전해조에 있어서는 도 3과 도 4의 2가지의 구조를 검토하였다. 즉, 도 3에 나타낸 바와 같이 초음파 진동자를 전해조 외부에 있어서 캐소드 전극에 접하는 위치에 부착한 것과, 도 4에 나타낸 바와 같이, 초음파 진동자를 캐소드 실 내의 캐소드 전극 표면 근방에 있어서 이온교환수지 속에 매립시켜서 설치한 것을 준비하였다.
결과를 표 2 및 표 3에 나타낸다. 표 2 및 표 3에 나타낸 바와 같이, 저 주파기계적 진동(약 250Hz)은 용존수소농도를 올리는 효과는 없었다. 직류 전원과 초음파진동(약 2.4MHz)을 이용하면, 과도적으로 용존수소분자농도 1.8ppm이 측정되어, 평형값을 초과하는 결과가 얻어졌다. 또한, 초음파 조사와 정류화 교류를 조합시키면, 보다 용존수소농도가 과도적으로 높아지는 것을 알았다.
[실험예 3]
도 7에 나타낸 3실형 전해조를 구비하는 환원수 제조 시스템을 구성하였다. 애노드 실, 캐소드 실 및 중간실에 대해서, 크기를 6×8× 약 1㎝로 하였다. 중간실에는 정화수와 아스코르브산 50g을 첨가하였다(농도: 약 5%). 이 수용액을 상시 순환시켰다. 그 밖의 구성 등은 실험예 1과 마찬가지로 하였다.
이 상태에서 전파정류 50Hz, 4A를 캐소드 전극에 부여하고, 0.5 ℓ/분 통수를 하였다. 전해조의 출구의 밸브를 조정하고, 캐소드 실의 압력을 0.1kg/㎠로 조정하였다. 과도적 용존수소분자농도 측정값은, 중간실 액 순환 전의 2.3ppm에 비교해서 2.6ppm 상승하였다.
[실험예 4]
도 9에 나타낸 캐소드 실 프레임(6×8㎠)을 이용한 전해조에 있어서 환원수의 제조를 행하였다. 플루오린계 양이온 교환막과 다공성 캐소드 전극의 사이는 1㎜로 하였다. 역침투막 필터를 이용해서 수돗물을 처리한 원료수를 전해조 캐소드 실에 0.5 ℓ/분으로 공급하였다. 도 9에 나타낸 바와 같이 5개의 돌출부를 설치하였다. 전파정류 50Hz, 4A로 통전한 바, 용존수소농도는 2.7ppm이 되었다. 이와 같이 돌출부를 설치해서, 캐소드 전극 표면의 유량을 높이는 것에 의해, 더욱 용존수소농도를 올리는 것이 가능하다.
100: 전해조 1: 애노드 실
3: 캐소드 실 4: 캐소드 전극
5: 격막 51: 애노드 실측 격막
52: 캐소드 실측 격막 6: 중간실
8: 기계적 진동 부여부 21: 애노드 전극
31: 이온교환 수지 110: 전원
120: 저수 탱크 130: 급수 펌프
140: 역침투막 필터 150: 수돗물 라인
160: 밸브 200: 원료수 생성 송액부
301: 전해면 302: 원료수 공급 라인
303: 환원수 배출 라인 304: 원료수 공급용 매니폴드
305: 환원수 배출용 매니폴드 306: 원료수 입구
307: 환원수 출구 400: 캐소드 실 프레임
3: 캐소드 실 4: 캐소드 전극
5: 격막 51: 애노드 실측 격막
52: 캐소드 실측 격막 6: 중간실
8: 기계적 진동 부여부 21: 애노드 전극
31: 이온교환 수지 110: 전원
120: 저수 탱크 130: 급수 펌프
140: 역침투막 필터 150: 수돗물 라인
160: 밸브 200: 원료수 생성 송액부
301: 전해면 302: 원료수 공급 라인
303: 환원수 배출 라인 304: 원료수 공급용 매니폴드
305: 환원수 배출용 매니폴드 306: 원료수 입구
307: 환원수 출구 400: 캐소드 실 프레임
Claims (18)
- 애노드 실과, 캐소드 실과, 상기 애노드 실과 상기 캐소드 실 사이에 배치되는 플루오린계 이온교환막인 격막과, 상기 애노드 실에 있어서 상기 격막에 접하도록 배치되는 다공성 애노드 전극과, 상기 캐소드 실에 배치되는 다공성 캐소드 전극을 구비하는 전해조와,
상기 다공성 캐소드 전극에 대해서, 10㎑ 이하의 전류 평균값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류를 부여해서 상기 격막과 상기 다공성 캐소드 전극 사이에 공급된 물의 전해 환원을 행하여 수소를 발생시키는 것, 및 상기 다공성 캐소드 전극에 대해서 직류 성분을 갖는 전류를 부여해서 상기 격막과 상기 다공성 캐소드 전극 사이에 공급된 물의 전해 환원을 행하여 수소를 발생시키는 동시에, 상기 다공성 캐소드 전극의 표면에 30㎑ 이상 10㎒ 이하의 초음파 영역에 있는 기계적 진동을 부여하는 것 중 적어도 어느 하나를 실행하는 농도저하 억제부를 포함하고,
상기 캐소드 실은 상기 격막과 대향면에 있어서 복수의 돌출부를 가지며, 상기 다공성 캐소드 전극은 상기 돌출부의 선단에 있어서 상기 돌출부와 접촉하도록 배치되어 있으며,
상기 캐소드 실은 상기 대향면에 있어서 상기 다공성 캐소드 전극과 접촉하지 않는 비돌출 부분에 복수의 공급 개구 및 복수의 배출 개구를 구비하고,
물은 상기 공급 개구로부터 상기 캐소드 실에 유입되고, 상기 다공성 캐소드 전극을 통해 상기 다공성 캐소드 전극 및 상기 격막 사이에 공급되고,
상기 다공성 캐소드 전극 및 상기 격막의 사이에서 생성된 환원수는 상기 다공성 캐소드 전극을 통해 상기 다공성 캐소드 전극 및 상기 대향면 사이로 유입되어 상기 배출 개구로부터 배출되는, 환원수 제조 장치. - 제1항에 있어서,
10㎑ 이하의 전류 평균값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류가, 전류 최저값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류인, 환원수 제조 장치. - 제1항에 있어서,
10㎑ 이하의 전류 평균값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류가, 반파정류 또는 전파정류된 교류 전류인, 환원수 제조 장치. - 제1항에 있어서,
상기 농도저하 억제부는, 상기 다공성 캐소드 전극에 대해서, 반파정류 또는 전파정류된 10㎑ 이하의 교류 전류를 부여해서 물의 전해 환원을 행하는 동시에, 상기 다공성 캐소드 전극의 표면에 30㎑ 이상 10㎒ 이하의 초음파 영역에 있는 기계적 진동을 부여하는, 환원수 제조 장치. - 제1항에 있어서,
상기 격막과 상기 다공성 캐소드 전극 사이에 이온교환수지가 충전되어 있는, 환원수 제조 장치. - 제5항에 있어서,
상기 농도저하 억제부는, 상기 이온교환수지 속에 매립되어 있는 초음파 진동자를 구비하고 있고,
상기 농도저하 억제부는, 상기 초음파 진동자로부터의 상기 다공성 캐소드 전극의 표면에의 30㎑ 이상 10㎒ 이하의 초음파 영역에 있는 기계적 진동의 부여를 행하는, 환원수 제조 장치. - 제1항에 있어서,
상기 다공성 캐소드 전극과 상기 격막 사이의 상기 격막과 직행하는 방향에 있어서의 거리가 1㎜ 이하인, 환원수 제조 장치. - 제7항에 있어서,
상기 캐소드 실은 상기 공급 개구와 상기 배출 개구가 상기 돌출부를 사이에 개재해서 배치되어 있는, 환원수 제조 장치. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전해조가, 상기 애노드 실과, 상기 캐소드 실과, 상기 애노드 실과 상기 캐소드 실 사이에 배치되어, 상기 격막에 의해서 상기 애노드 실과 상기 캐소드 실 사이를 가르는 중간실을 구비하는 3실형 전해조이며, 상기 중간실에 환원성 물질이 존재하고 있는, 환원수 제조 장치. - 애노드 실과, 캐소드 실과, 상기 애노드 실과 상기 캐소드 실 사이에 배치되는 플루오린계 이온교환막인 격막과, 상기 애노드 실에 있어서 상기 격막에 접하도록 배치되는 다공성 애노드 전극과, 상기 캐소드 실에 배치되는 다공성 캐소드 전극을 구비하는 전해조 내의 상기 격막과 상기 다공성 캐소드 전극 사이에 물을 공급하는 단계; 및
상기 다공성 캐소드 전극에 대해서, 10㎑ 이하의 전류 평균값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류를 부여해서 물의 전해 환원을 행하여 수소를 발생시키는 것, 및 상기 다공성 캐소드 전극에 대해서 직류 성분을 갖는 전류를 부여해서 물의 전해 환원을 행하여 수소를 발생시키는 동시에, 상기 다공성 캐소드 전극의 표면에 30㎑ 이상 10㎒ 이하의 초음파 영역에 있는 기계적 진동을 부여하는 것 중 적어도 어느 하나를 행하는 단계를 포함하고,
상기 캐소드 실은 상기 격막과 대향면에 있어서 복수의 돌출부를 갖고, 상기 다공성 캐소드 전극은 상기 돌출부의 선단에 있어서 상기 돌출부와 접촉하도록 배치되어 있으며,
상기 캐소드 실은 상기 대향면에 있어서 상기 다공성 캐소드 전극과 접촉하지 않는 비돌출 부분에 복수의 공급 개구 및 복수의 배출 개구를 구비하고,
물을 상기 공급 개구로부터 상기 캐소드 실에 유입하고, 상기 다공성 캐소드 전극을 통해 상기 다공성 캐소드 전극 및 상기 격막의 사이에 공급하고,
상기 다공성 캐소드 전극 및 상기 격막의 사이에서 환원수를 생성하고,
환원수를 상기 다공성 캐소드 전극을 통해 상기 다공성 캐소드 전극 및 상기 대향면 사이로 유입시켜 상기 배출 개구로부터 배출하는, 수소를 함유하는 환원수의 제조 방법. - 제10항에 있어서,
10㎑ 이하의 전류 평균값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류가, 전류 최저값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류인, 환원수의 제조 방법. - 제10항에 있어서,
10㎑ 이하의 전류 평균값이 제로 이상인 교류 성분을 갖는 전류가, 반파정류 또는 전파정류된 교류 전류인, 환원수의 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 다공성 캐소드 전극에 대해서, 반파정류 또는 전파정류된 10㎑ 이하의 교류 전류를 부여해서 물의 전해 환원을 행하는 동시에, 상기 다공성 캐소드 전극의 표면에 30㎑ 이상 10㎒ 이하의 초음파 영역에 있는 기계적 진동을 부여하는, 환원수의 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 격막과 상기 다공성 캐소드 전극 사이에 이온교환수지가 충전되어 있는, 환원수의 제조 방법. - 제14항에 있어서,
상기 다공성 캐소드 전극의 표면에의 30㎑ 이상 10㎒ 이하의 초음파 영역에 있는 기계적 진동의 부여가 행해지고, 해당 기계적 진동의 부여는 상기 이온교환수지 속에 매립되어 있는 초음파 진동자로부터 부여하는, 환원수의 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 다공성 캐소드 전극과 상기 격막 사이의 상기 격막과 직행하는 방향에 있어서의 거리가 1㎜ 이하인 상기 전해조 내의 상기 격막과 상기 다공성 캐소드 전극 사이에 물을 공급하는, 환원수의 제조 방법. - 제16항에 있어서,
상기 공급 개구와 상기 배출 개구는 상기 돌출부를 사이에 개재해서 배치되어 있는, 환원수의 제조 방법. - 제10항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전해조가, 상기 애노드 실과, 상기 캐소드 실과, 상기 애노드 실과 상기 캐소드 실 사이에 배치되어, 상기 격막에 의해서 상기 애노드 실과 상기 캐소드 실 사이를 가르는 중간실을 구비하는 3실형 전해조이며, 상기 중간실에 환원성 물질이 존재하고 있는, 환원수의 제조 방법.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JPJP-P-2015-230038 | 2015-11-25 | ||
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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