KR101370129B1 - 용존 수소농도 조절기능을 갖는 수소환원수 제조장치 - Google Patents

Abstract

수소환원수 제조장치가 개시된다. 이 수소환원수 제조장치는, 고체고분자전해질을 분리막으로 포함하며, 정수수를 전기분해하여 수소를 발생시키는 수소발생유닛과; 정수수와 상기 수소발생유닛에서 발생된 수소를 혼합하여 수소환원수를 제조하는 기액혼합유닛과; 수소환원수 추출용 솔레노이드 밸브와 수소환원수 회수용 솔레노이드 밸브의 선택적인 개폐에 의해, 상기 수소환원수를 외부로 배출, 공급하는 수소환원수 공급 모드와 상기 수소발생유닛을 다시 거치도록 상기 수소환원수를 순환시키는 수소환원수 순환 모드 중 하나로 선택 가동되는 배관라인과; 수소환원수 추출용 솔레노이드 밸브와 수소환원수 회수용 솔레노이드 밸브를 제어하여 수소환원수의 수소 농도를 가변 조절하는 제어유닛을 포함한다.

Description

용존 수소농도 조절기능을 갖는 수소환원수 제조장치{HYDROGEN ABUNDANT WATER MAKING APPARATUS WITH FUNCTION TO ADJUST DISSOLVED HYDROGEN}

본 발명은 수소환원수 제조장치에 관한 것으로서, 수소발생유닛과 기액 혼합유닛을 구비하여 고농도의 수소가 함유된 수소환원수를 제조할 수 있고, 제조된 수소환원수의 용존 수소농도를 제어유닛을 이용하여 자유롭게 조절할 수 있도록 구성하여, 음용 및 음료 제조, 목욕 등의 용도에 필요한 농도의 수소수를 연속적으로 공급할 수 있는 수소환원수 제조장치에 관한 것이다.

건강하고 행복한 삶을 영위하기 위하여 많은 연구와 관련제품 개발이 이루어지고 있으며 특히, 노화방지 및 안티에이징에 관련된 욕구와 관심이 증대하면서 환원력이 뛰어난 수소를 활용하는 제품개발이 여러 방면에서 이루어지고 있다.

수소는 자연계에 존재하는 가장 가벼운 원소로 양성자 하나와 전자 하나로 이루어져 있으며, 지구상에 존재하는 수소의 대부분은 질량수가 1인 경수소지만 질량수가 2인 중수소와 질량수가 3인 삼중수소가 미량 존재하는 것으로 알려져 있다.

실생활과 관련해서, 수소는 무색, 무취, 무맛으로 강력한 환원력을 보유하고 있는 원소이기에, 생활습관병 등 현대질병의 근원물질이라고 알려져 있는 체내의 활성산소를 제거하는 용도로 널리 활용되고 있는데 물을 전기분해하여 전해환원수를 만드는 알칼리 이온수기가 일반적으로 알려져 있으며 수소를 고온, 고압의 플라즈마 상태에서 칼슘 등의 미네랄에 흡장시킨 분말제품, 마그네슘 등의 금속과 물과의 화학반응을 이용하여 수소를 생성하는 스틱제품, 용존 수소농도를 극대화시켜 제조된 고농도 수소환원수 음료 등 다양한 형태의 제품으로 출시되고 있으며, 최근에는 일본과 국내에서 수소수정수기와 수소수 제조기가 다수 출시되고 있다.

수소의 환원력을 인체의 건강과 관련해서 적용한 상기의 상품과 기술들은 대부분 물속에 용해된 용존 수소농도를 제품에 정확히 표기하지 않아 용존 수소의 포함여부가 불분명한 사례가 많고 가격 또한 매우 고가이기에 대중의 편의성과 실효성에 기반을 둔 합리적이고 우수한 제품을 찾아보기는 쉽지 않은 현실이다.

일반적으로 많이 알려진 알칼리 이온수기는 물의 전기분해를 통해 산성수와 알칼리수를 생성하는데 전기분해 시, 생성된 용존 수소의 환원 작용을 활용하기 위해서 알칼리 이온수를 사용할 때 산성수가 그대로 버려지는 문제점이 있으며, 낮은 수소농도로 인하여 수소환원수로서의 효과를 극대화하기 어렵고 음용을 위한 알칼리수의 pH가 9 내지 10 정도로 너무 높아 위장 등에 이상이 있는 경우나 과민성 질환이 있는 경우에는 사용할 수 없으며 강한 pH로 인하여 의료기기로 분류되므로 제조와 판매에도 제약을 받게 된다.

한편, 산화환원전위(ORP)가 음의 전위에 위치하고 용존수소를 다량으로 함유한 수소환원수가 강력한 환원작용으로 암을 비롯한 여러 질병에 효과가 있다는 연구발표가 많아지면서 수소환원수나 중성수소수를 만들어 내는 제품들이 등장하고 있는데, 이는 생체의 신진대사 과정에서 발생하는 활성산소를 제거하는 활성수소가 포함되어 있기 때문이며 활성수소는 인체 내에서 유해한 활성산소와 결합하여 안전한 물로서 배출시키는 작용을 하므로 세포의 산화를 방지하고 각종 난치병의 치료와 노화예방에 도움을 주는 것으로 알려져 있다.

이처럼, 건강을 위하여 수소환원수의 강력한 환원력을 제공하는 제품들이 다양하게 출시되고 있는 반면, 환원효과 극대화를 위해 용존수소의 농도를 높이기 위한 특수한 유닛을 부가하거나 연속적으로 사용할 수 있도록 설비용량을 대형화 할 경우, 설비가 대형화되고 제조원가가 상승하는 문제점이 있으므로 합리적인 수소환원수 제조장치 개발과 제어유닛 개선을 통해 고농도의 수소환원수를 용도에 맞춰 제공할 수 있는 수소환원수 제조장치가 요구된다.

등록번호 10-1222455(등록일자 2013년01월09일)

수소환원수 제조장치는 고농도의 수소가 함유된 수소수를 음용으로 제공하기 위한 것으로서, 이의 실현을 위해 고순도의 수소를 발생시키는 수소발생유닛과, 발생된 수소를 정수수와 기액 혼합하는 용해유닛과, 이들을 운용하기 위한 제어유닛이 필요하다.

수소수를 제조하는 다양한 기술이 알려져 있다. 이러한 기술로는 예컨대, 전기분해를 통해 발생된 수소를 정수기의 저장통에 유입시켜 물과 혼합시키는 기술, 대향된 전극판들(양극판과 음극판) 사이로 물을 통과시키고 전극판들에 가해지는 전기로 물을 전기분해 시켜 이온수기 형식으로 실시간 출수하는 기술과, 물이 지나가면서 소재와 반응하여 수소를 생성하고 그 생성된 수소와 물이 혼합되어 출수되는 필터 방식의 기술 등이 있다.

하지만 종래에 알려진 기술들은 발생하는 수소의 양이 너무 적거나 효과적인 기액 혼합기술의 미비로 고농도의 수소수를 제조하기가 어렵다. 게다가, 전극판들 사이로 지나는 물을 전기분해하는 기술은 물의 pH가 강알칼리로 변화하게 되므로 중성의 pH를 가지는 수소수를 제조하기에는 어려움이 있었다.

본 발명이 해결하고자 하는 하나의 과제는 정수수로부터 수소를 효과적으로 발생시키고, 발생된 수소와 정수수를 보다 효과적으로 혼합하여 질 좋은 고농도의 수소환원수를 만들 수 있으며 수소환원수 내 수소 농도 조절이 용이한 수소환원수 제조장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 수소환원수를 제조하기 위해 고체 고분자전해질막을 채용한 수소발생유닛(PEM-EC: Proton Exchange Membrane - Electrolysis Cell)와 정수수와 수소를 효과적으로 혼합하는 기액혼합유닛(HDU: Hydrogen Dissolving Unit)을 통해 수소환원수를 제조하고, 수소환원수가 지나는 유로 상에 물의 클러스터를 작게 만들기 위한 자기회로를 구비하며, 실시간으로 농도조절이 가능하도록 구비된 제어유닛을 포함하는 개선된 구조의 수소환원수 제조장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 해결 또 다른 과제는 대용량 정수기, 음료제조시설, SPA, 또는 SAUNA시설, 또는 수경 재배용으로 양질의 고농도 수소환원수를 대량으로 공급할 수 있는 수소환원수 제조장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 수소환원수 제조장치는, 고체고분자전해질을 분리막으로 포함하며, 정수수를 전기분해하여 수소를 발생시키는 수소발생유닛과; 정수수와 상기 수소발생유닛에서 발생된 수소를 혼합하여 수소환원수를 제조하는 기액혼합유닛과; 수소환원수 추출용 솔레노이드 밸브가 개방되고 수소환원수 회수용 솔레노이드 밸브가 폐쇄되어 상기 수소환원수를 외부로 공급하는 수소환원수 공급 모드와, 상기 수소환원수 추출용 솔레노이드 밸브가 폐쇄되고 상기 수소환원수 회수용 솔레노이드 밸브가 개방되어 상기 수소발생유닛을 다시 거치도록 상기 수소환원수를 순환시키는 수소환원수 순환 모드 중 하나로 선택 가동되는 배관라인과; 수소환원수 추출용 솔레노이드 밸브와 수소환원수 회수용 솔레노이드 밸브를 제어하여 수소환원수의 수소 농도를 가변 조절하는 제어유닛을 포함한다.

일 실시예에 따라, 상기 배관라인에 설치되는 정수 저장탱크 및 필터링 유닛을 더 포함하며, 상기 배관라인은 상기 정수 저장탱크 내 정수수를 상기 수소발생유닛으로 공급하고 상기 수소발생유닛에서 발생한 수소를 상기 기액혼합유닛에 공급하는 제1 라인과, 상기 정수 저장탱크 내 정수수를 기액혼합유닛에 공급하는 제2 라인을 포함하며, 상기 수소발생유닛은 상기 필터링 유닛을 거쳐 상기 제1 라인을 흐른 정수수를 전기 분해하여 수소를 발생시키고, 상기 기액혼합유닛은 상기 필터링 유닛을 거쳐 상기 제2 라인을 흐른 정수수를 상기 수소와 혼합하여 수소환원수를 제조한다.

일 실시예에 따라, 상기 수소환원수 제조장치는, 상기 기액혼합유닛에서 기액 혼합된 수소환원수에 자력을 공급하도록, 자력을 발생시키는 자기회로를 더 포함하는 포함한다.

일 실시예에 따라, 상기 수소환원수 제조장치는 정수수를 가압하여 상기 기액혼합유닛 측으로 보내는 부스터 펌프를 더 포함한다.

일 실시예에 따라, 상기 기액혼합유닛은 단면적이 감소된 목 부분과 단면적이 증가되는 기액 혼합 부분을 포함하는 베르누이 관 구조의 벤츄리관을 포함한다.

일 실시예에 따라, 상기 목 부분에 상기 수소발생유닛에서 발생한 수소가 유입되는 수소유입구가 형성된다.

일 실시예에 따라, 상기 기액혼합유닛은 복수개로 마련되고 상기 복수개의 기액혼합유닛은 수소환원수의 용존수소농도 조절 및 제조용량 증설이 용이하도록 직렬 또는 병렬로 연결된다.

일 실시예에 따라, 상기 기액혼합유닛은, 마이크로버블을 형성하도록 수소환원수의 공급 및 공기의 흡입을 위한 흡기펌프를 구비한다.

일 실시예에 따라, 상기 수소환원수 제조장치는 상기 배관라인에 설치되며, 내부의 정수수를 상기 수소발생유닛 또는 상기 기액혼합유닛으로 공급하는 정수 저장탱크를 더 포함하고, 상기 수소환원수 제조장치에는 상기 정수 저장탱크 내의 정수수에 질소를 투입하여 정수수 내 용존산소를 줄이는 질소챔버와 저수조의 온도를 낮추어 정수수의 용존수소농도를 높이는 냉각유닛 중 적어도 하나가 더 제공된다.

본 발명의 다른 측면에 따른 수소환원수 제조장치는, 필터링 유닛과; 상기 필터링 유닛에서 정수된 정수수를 전기분해하여 수소를 발생시키는 수소발생유닛과; 상기 필터링 유닛에서 정수된 정수수와 상기 수소발생유닛에서 발생된 수소를 혼합하여 수소환원수를 제조하는 기액혼합유닛과; 상기 기액혼합유닛에 결합된 자기회로와; 상기 정수수를 가압하여 상기 기액혼합유닛 측으로 보내는 부스터 펌프와; 수소환원수 추출용 솔레노이드 밸브가 개방되고 수소환원수 회수용 솔레노이드 밸브가 폐쇄되어 상기 수소환원수를 외부로 공급하는 수소환원수 공급 모드와, 상기 수소환원수 추출용 솔레노이드 밸브가 폐쇄되고 상기 수소환원수 회수용 솔레노이드 밸브가 개방되어 상기 수소발생유닛을 다시 거치도록 상기 수소환원수를 순환시키는 수소환원수 순환 모드 중 하나로 선택 가동되는 배관라인과; 수소환원수 추출용 솔레노이드 밸브와 수소환원수 회수용 솔레노이드 밸브를 제어하여 수소환원수의 수소 농도를 가변 조절하는 제어유닛을 포함한다.

본 발명에 따르면, 정수된 음용수에 수소가 풍부하게 함유되도록 하여 강력한 환원력을 보유한 수소환원수를 효율적으로 제조, 공급할 수 있는 수소환원수 제조장치가 구현된다. 본 발명에 따르면, 실시간으로 연속적, 지속적으로 수소환원수를 제조할 수 있도록 해주며, 효과적인 기액혼합유닛을 통하여 고농도의 수소수를 제조하므로 최소한의 수소만을 투입하여 효과적으로 활용함으로써 설비효율 증대와 대량의 수소환원수 공급이 가능하다는 장점 등을 갖는다. 또한, 본 발명은 고농도 수소환원수를 제조함과 동시에, 제어유닛에 의해 제조된 수소환원수와 저수조 내 원수 또는, 저농도 수소환원수를 효율적으로 교환하며 용존 수소농도를 조절하는 수소환원수 공급을 위한 가동이 자동으로 이루어져 보다 더 효율적으로 수소환원수를 제조하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명은 대형 정수시스템 및 대량의 수소환원수를 사용하는 음료제조시설, 목욕시설 등에 필요한 설비를 합리적으로 제공하며, 식물재배나 사우나시설 등에서 생성된 수소환원수를 효과적으로 순환시키면서 이용할 수 있도록 해준다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소환원수 제조장치를 설명하기 위한 구성도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 PEM형식 수소발생유닛의 구조를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 기액혼합유닛의 구조를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소환원수 제조장치의 수소환원수 공급 모드를 보여주는 작동 상태도.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소환원수 제조장치의 수소환원수 순환 모드를 보여주는 작동 상태도.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수소환원수 제조장치의 개략적인 구성도.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 수소환원수 제조장치의 개략적인 구성도

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위해 과장되어 표현될 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소환원수 제조장치를 설명하기 위한 구성도이고, 도 2 는 PEM형식의 수소발생유닛 구성도이며, 도 3은 기액혼합유닛 및 자기회로 구성도이며, 도 4 와 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소환원수 제조장치의 작동상태를 설명하기 위한 도면들이다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소환원수 제조장치는 수소환원수 공급 모드(도 4에 도시함)와 수소환원수 순환 모드(도 5에 도시함) 중 하나로 선택되어 활성화되는 배관라인과, 상기 배관라인에 설치되는 수소발생유닛(500), 기액혼합유닛(600), 정수저장탱크(200) 및 필터링유닛(100)을 포함한다. 또한 상기 수소환원수 제조장치는 상기 수소발생유닛(500), 상기 기액혼합유닛(600) 및/또는 상기 배관라인에 설치된 밸브 등을 제어하기 위한 제어유닛(800)을 더 포함한다. 또한 상기 수소환원수 제조장치는 상기 기액혼합유닛(600) 내에 설치된 자기회로(640, 650)을 더 포함한다.

본 실시예에 있어서, 상기 배관라인은 상기 기액혼합유닛(600)이 하류 측으로 두 개의 라인부, 수소환원수 공급라인부(10)와 수소환원수 회수 라인부(20)로 분기되며, 상기 수소환원수 공급라인부(10)에 설치된 수소환원수 추출용 솔레노이드 밸브(710)와 상기 수소환원수 회수라인부(20)에 설치된 수소환원수 회수용 솔레이드 밸브(700)의 선택적인 개폐(온/오프)에 의해 수소환원수 공급 모드와 수소환원수 순환 모드 중 하나로 작동된다.

상기 수소환원수 회수라인부(20)는 일단에서 상기 수소환원수 공급라인부(10)로부터 분기되어 나와 타단에서 상기 정수저장탱크(200)에 연결될 수 있다. 또한 상기 배관라인에는 냉,온수 선택 솔레노이드 밸브(300)와 부스터 펌프(400)가 추가로 설치될 수 있다.

상기 수소발생유닛(500)은, 상기 필터링유닛(100)에서 정수되어 공급되는 정수수를 전기분해하여 수소환원수의 제조에 필요한 수소를 생성하는 유닛으로서, 고체고분자전해질을 분리막으로 채용한 PEM방식의 전기분해유닛이다. 상기 제어유닛(800)이 상기 솔레노이드 밸브(710, 720)의 온/오프를 제어하여 상기 배관라인이 수소환원수 공급 모드 또는 수소환원수 순환 모드로 선택되어 가동될 때, 수소발생유닛(500)에서 발생한 수소는 수소 공급용 솔레노이드 밸브(590)를 통해 기액혼합유닛(600) 내로 공급된다. 한편, 상기 필터링유닛(100)은 역삼투압 방식의 멤브레인을 채용하여 Ca, Mg 등의 이온성분이 제거된 정수수를 공급하는 것이 바람직하다.

상기 정수저장탱크(200)는 상기 필터링유닛(100)에서 정화된 정수수를 받아 저장하도록 상기 필터링유닛(100)의 하류 측에 위치하며, 상온수통(210)과, 온수통(220)과 냉수통(230)을 포함할 수 있다. 또한 상기 냉,온수 선택 솔레노이드밸브(300)는 상기 제어유닛(800)로부터 선택신호를 받아 상기 정수 저장탱크(200) 내 온수통(220)과 냉수통(230)으로부터 정수수를 추출하여 부스터펌프(400)로 공급하게 되며, 상기 부스터펌프(400)는 강한 압력으로 정수수를 기액혼합유닛(600)으로 공급한다.

상기 기액혼합유닛(600)은 정수기 저장탱크(200) 내 온수통(220)과 냉수통(230)으로부터 냉,온수 선택 솔레노이드밸브(300)와 부스터펌프(400)를 연속적으로 거쳐 공급되는 정수수를 상기 수소발생유닛(500)로부터 공급되는 수소와 혼합하여 수소환원수를 생성한다.

도 3에 잘 도시된 바와 같이, 상기 기액혼합유닛(600)은 단면이 좁은 통로를 구비한 벤츄리 튜브의 구조를 이용하여 유체흐름의 압력과 속도변화를 통해 더욱 효율적으로 기액 혼합 기능을 수행한다. 또한, 상기 기액혼합유닛(600)은 자기회로(640, 650)를 내부에 구비한다. 자기회로(640, 650)에 의한 강력한 자속에 대하여 액체가 수직방향으로 통과하게 된다. 이에 따라, 수소환원수는 자력의 영향으로 인해 물의 분자구조가 구조화된 육각수로 이온활성화 되어 체내 흡수가 용이한 상태로 변화되며 그와 동시에 기액 혼합 효율을 높일 수 있는 클러스터가 작은 분자구조로 변화시키는 작용을 한다.

영구자석을 이용한 자화수는 물 분자의 수소원자(+)와 산소원자(-) 간에 자력에 의한 진동이 일어나서 수소원자가 순간적으로 자기장 방향으로 회전을 일으키게 됨으로써 결합각이 바뀌며 육각구조수로 재배열하는 것을 이용한 것으로 물속에 녹아있는 수소이온과 미네랄이 전하를 띄게 되며, 이때 미네랄의 양에 따라 자화상태 변화의 차이가 존재하는 것으로 알려져 있다.

도 1. 도 4 및 도 5에 잘 도시된 바와 같이, 수소환원수 추출용 솔레노이드 밸브(710)와 수소환원수 회수용 솔레이노이 밸브(700)는 상기 제어유닛(800)에 의해 선택적으로 개폐되어 배관라인을 수소환원수를 공급하는 모드 또는 수소환원수를 순환시키는 모드로 가변시킨다.

본 실시예에 따른 수소환원수 제조장치는 용도에 따라 용존수소농도(DH)를 조절하여 제공할 수 있는데, 상기 배관라인의 수소환원수 공급 모드로서의 작동 시간과 수소환원수 순환 모드로서의 작동시간을 상기 제어유닛(800)을 통한 프로그램 설정으로 제어함으로써 가능하다. 상기 제어유닛(800)에 미리 입력되어 설정된 프로그램에 따라 상기 배관라인을 수소환원수 공급 모드로 가동한 후, 휴식 시간이 길어지거나 고농도의 용존 수소농도가 필요할 경우에는, 상기 수소환원수 순환 모드의 가동시간과 가동주기를 설정하여 상기 정수 저장탱크(200)에 저류된 저농도의 정수수를 출수하여 상기 기액혼합유닛(600)에서 고농도의 수소수로 제조한 후, 수소환원수 회수용 솔레노이드밸브(700)를 거쳐 정수 저장탱크(200)로 순환시키는 과정을 반복하면서 정수 저장탱크(200) 내부의 수소환원수 내 수소 농도를 높여 저류상태를 유지하게 된다.

제어유닛(800)을 통해 수소환원수 추출 신호(또는, 공급 명령 신호)가 검지되면, 배관라인은 수소환원수 공급 모드로 변환 가동되어, 고농도의 수소수를 배출하게 된다. 이때, 상기 수소발생유닛(500)과 기액혼합유닛(600)의 작용이 다시 한 번 이루어짐으로써, 더욱 고농도의 수소환원수가 제조됨은 당연하다. 이와 같이 배관라인의 수소환원수 순환 모드의 가동 주기와 가동 시간을 조절함으로써 용도에 맞는 필요 농도의 수소수를 제공할 수 있게 된다.

상기 제어유닛(800)은 기액혼합유닛(600)과 연결된 수소환원수 공급라인부(10) 상의 수소환원수 추출용 솔레노이드 밸브(710)와, 기액혼합유닛(600)과 상기 정수 저장탱크(200) 사이를 연결하는 수소환원수 회수라인부(20) 상의 수소환원수 회수용 솔레노이드 밸브(700)를 제어하여 배관라인을 수소환원수 공급 모드와 수소환원수 순환 모드 중 하나로 선택 가능함과 동시에 수소발생유닛(500)의 동작 제어와 필터링유닛(100)의 동작을 제어한다.

한편, 배관라인을 구성하는 유로구성과 부품들은 본 발명에서 수소환원수를 제조하기 위한 방법을 설명하기 위한 예시로써 제시한 것이므로, 수소환원수 제조장치의 최적화를 위해, 유로구성의 일부 또는, 부품 등을 변경할 수 있다. 하지만 이러한 변경은 상기 수소발생유닛(500)과 기액혼합유닛(600)을 포함하고 수소환원수 제조를 위해 이와 유사한 유로 구성을 포함한다면, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 것으로 봐야 할 것이다.

이하, 본 실시예에 사용된 전술한 유닛들에 대하여 보다 상세히 설명한다.

먼저, 상기 수소발생유닛(500)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 전기 분해조의 외부를 구성하는 마감플레이트(540) 안쪽에 양극과 음극으로 구성된 두 개의 전극(530, 530)과, 상기 두 개의 전극들(530, 530) 사이에 배치된 고체 고분자전해질막(510)을 포함한다. 또한 상기 수소발생유닛(500)은 고체 고분자전해질막(510)에 결합된 촉매판(520)을 더 포함할 수 있다. 상기 마감 플레이트(540)에는 정수수(또는 전해용수)가 유입되는 유입구(570)과, 상기 수소발생유닛(500) 내에서 분해되어 발생된 수소 및 산소가 배출되는 수소출구(580) 및 산소출구(560)가 형성된다. 상기 수소출구(580)는 수소 공급 솔레노이드밸브(590)가 설치된 배관라인의 일부를 통해 상기 기액혼합유닛(600)과 연결된다. 또한 마감 플레이트(540)는 상기 두 개의 전극(530, 530)이 인출되는 부분을 밀봉하기 위한 가스켓(550)을 포함한다.

본 실시예에 따라, 상기 전기분해조 내에서 두 전극들(530, 530)간 거리를 최소화한 밀착 구성이 구현되어 전해 효율을 높일 수 있으며, 이러한 고체고분자전해질 전기분해 방식은 통상 약 0.2~4Kgf/㎠ 정도의 압력으로 수소를 지속적으로 생성할 수 있으므로, 기액 혼합을 위한 일정압력을 제공할 수 있게 해준다. 이러한 PEM형식의 전기분해조는 효율이 높고 높은 전류밀도에서의 작동과 빠른 응답성을 가지고 있으며 높은 수소발생압력을 제공함으로써 본 발명에서 제공하는 기액혼합유닛(600)의 효율을 증가시킨다. 이는, PEM형식의 전기분해 방식에서 얻을 수 있는 특징인 수소발생 압력을 활용하는 것이며 기체의 용해도는 압력에 비례한다는 헨리의 법칙에도 부합한다.

한편, 전술한 전기분해조가 복수개로 결합된 스택(Stack)을 구성하여 사용할 수도 있는데, 이는 상기 기액혼합유닛(600) 내부에서의 효과적인 기액 혼합에 필요한 대용량의 풍부한 수소와 압력을 제공함으로써 대용량의 수요에 대응할 수 있도록 해준다.

또한, 전기분해 시에 생성되는 수소와 더불어 동시에 생성되는 산소는 순수 산소 기체로서 공기 중에 방출하여 주변의 산소 농도를 높여주거나 또는 여타의 용도로 활용될 수 있을 것이다.

상기 기액혼합유닛(600)은, 정수수와 수소를 효과적으로 혼합하기 위한 것으로, 도3에 도시된 것과 같이, 베르누이관의 구조를 가지도록 벤츄리관을 포함한다. 이는, 관수로에서 좁아진 단면적(도3의 A)부분의 유로를 지날 때 유속은 빨라지면서 압력이 낮아지고 반대로 넓은 단면적에서는 유속이 늦어지면서 압력은 증가하는 베르누이의 원리를 이용한 것이다. 이 때, 에너지 보존법칙의 결과로서 베르누이관의 내부 임의의 지점에서 일정 시간 동안 흐르는 유량이 동일함은 주지의 사실이다.

도 3을 참조하여 자세히 설명하면, 정수수와 수소의 효율적인 기액 혼합을 위한 기액혼합유닛(600)의 정수수유입구(610)로 정수수가 유입되면 베르누이관의 목 부위 좁아진 부분, 즉 목 부분(A)에서는 유속이 빨라지게 되고 압력은 낮아지므로 수소유입구(620)로 수소의 유입이 보다 쉽게 이루어져 기액 혼합이 이루어진다. 수소유입구(620)는 상기 목 부분(A)과 연결된다. 수소발생유닛(500)에서 발생된 수소 기체는 상기 수소유입구(620)를 통해 상기 목 부분(A)으로 유입된다.

베르누이관의 내부 좁아진 목 부분을 빠르게 흐르는 유속과 낮아진 압력으로 인해 수소발생유닛(500)에서 생성된 수소기체는 미세한 기포형태로 기액혼합유닛(600) 내부로 혼입되어 최초 혼합이 이루어지고, 이어서 점차로 넓어지는 관 내부(630), 즉, 기액 혼합 구간의 넓어진 단면적으로 인해 유속이 늦어지면서 수소기포는 점차 가압이 이루어진다. 가압된 기체가 증가된 압력으로 인해 터질 때에는 더욱 미세한 마이크로 입자형태로 분산되므로 증가된 압력에 비례하여 수소기체의 용해도는 더욱 높아지게 된다.

이는, "기체의 용해도는 압력에 비례 한다"는 헨리의 법칙에도 부합하며 상기 기액혼합유닛(600)의 좁아진 단면적(도3의 A)에 따라 혼합효율의 차이가 존재함을 의미한다. 상기 좁아진 단면적 부분, 즉, 목 부분(A)은 0.5 ~ 5 밀리미터, 더 바람직하게는, 0.5~2.0 밀리미터로 구성하면, 기액 혼합효율을 더욱 높일 수 있다.

위와 같이, 상기 기액혼합유닛(600)은 효율을 높이기 위해 좁아진 단면적의 목 부분(A)을 갖는 구조를 포함하는데, 이와 같은 구조를 복수개로 하여 직렬로 구성하면 혼합효율을 더욱 높일 수가 있다. 또한, 대용량의 수소환원수가 필요할 경우에는, 복수의 기액혼합유닛(600)을 병렬로 설치함으로써, 자유로운 용량 증가가 가능하다.

상기 기액혼합유닛(600)의 넓어진 관 내부 기액 혼합구간(630)을 통과하여 제조된 수소환원수는, 이어서 강력한 영구자석(650)이 서로 대향하도록 배치되고 계철(640)과 연결되어 폐회로로 이루어진 자기회로로 둘러싸인 유로를 통과하며, 이에 의해, 물의 클러스터가 더욱 작아지게 된다. 상기 자기회로는 강력한 영구자석을 지근거리에서 대향시키고 자력의 외부누출을 방지하기 위해 계철(640)로 연결하여 폐회로를 구성함으로써 항구적으로 자화수를 생성하도록 하였다. 자기회로의 자력에 의해 물의 클러스터가 더욱 작아진 수소환원수는 수소환원수 출구(660)를 통해 상기 기액혼합유닛(600)의 외부로 흐른다.

상기 필터링유닛(100)은 일반적인 물 필터링에 사용되는 필터 구조를 포함할 수 있으며, 액체에 포함된 부유성 이물질과 유기물, 염소, 녹, 냄새, 바이러스등을 제거하기 위한 다단의 필터를 포함하고, 더욱 바람직하게는 역삼투압 방식의 필터를 포함한다. 더욱 바람직하게는 추가로 탈이온 기능을 가진 DI필터를 채용하여 Ca, Mg등 용존된 이온물질들을 최대한 제거한 초순수를 공급되도록 구성함으로써 상기 수소발생유닛(500) 내부의 전해용 전극에 생성될 수 있는 스케일을 최소화하고 전극사이에 위치한 고체 고분자 전해질 분리막 표면도 최적의 상태로 유지할 수 있도록 구성함이 바람직하다.

한편, 수소환원수를 공급하기 위한 본 발명의 또 다른 적용으로서 목욕시설이나 식물재배 등에 수소환원수를 공급하기 위한 제3 실시예에서는 수소발생유닛(500)으로 공급되는 초순수 전해용 물을 제외하고는 각각의 적용에 부합하는 정수유닛들을 별도로 구성하거나 또는, 정수유닛의 구성을 제외하고 별도의 물을 공급하여도 수소환원수 제조할 수 있으므로 제조비용과 유지비용을 절감할 수 있다.(도 7 참조).

다시 도 1을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소환원수 제조장치의 작용에 대해 설명한다.

먼저, 음용수질기준에 부합하는 수소환원수를 공급하기 위해서 상기 필터링유닛(100)으로 유입된 원수가 정수되고 이송되어 정수 저장탱크(200)에 공급된다. 이때, 정수 저장탱크(200)는 상온수통(210)과 온수통(220)과 냉수통(230)을 포함하여 용도에 적합한 물을 공급하도록 구성될 수 있다.

배관라인은 상기 필터링유닛(100)의 후단에서 분기되어 상기 기액혼합유닛(600)에서 만나는 2개의 라인, 즉, 수소 발생 및 공급 라인(또는, 제1 라인)과, 정수 공급용 라인(또는, 제2 라인)을 포함한다. 정수 공급용 라인에는 정수 저장탱크(200)가 설치되고 상기 수소 발생 및 공급 라인에는 수소발생유닛(500)이 설치된다. 수소 발생 및 공급 라인에는 탈이온 기능을 갖는 DI 필터가 추가로서 설치되는데, 정수수가 탈이온 기능을 하는 DI필터를 거치면서 잔여 이온이 제거된 후 별도의 전해용 저수조(미도시)에 저류되고 상기 수소발생유닛(500)로 공급될 수 있다.

상기 정수 저장탱크(200)에 공급된 물의 수위가 만수위에 도달하면, 상기 제어유닛(800)은 수소환원수의 제조를 위해 대기상태가 되며, 이후 냉,온수 추출신호가 검지되면, 배관라인은 도 4에 바와 같이 수소환원수 공급 모드로 활성화되어, 정수 저장탱크(200) 내부의 온수탱크(220) 또는 냉수탱크(230)의 물을 선택하여 냉,온수선택 솔레노이드 밸브(300)를 통해 출수하고 부스터펌프(400)를 통하며 가압되어 기액혼합유닛(600)으로 공급된다.

한편, 수소발생유닛(500)도 제어유닛(800)로부터 추출신호를 받음과 동시에 필터링유닛(100)으로부터 공급된 정수수로 전기분해를 실시하여 수소공급 솔레노이드 밸브(590)를 통해 기액혼합유닛(600)에 수소를 공급하게 된다.

이처럼, 상기 부스터펌프(400)를 통해 압력이 부여된 정수수와 상기 수소발생유닛(500)로부터 공급된 수소는 상기 기액혼합유닛(600)에서 서로 혼합되며 자기회로를 통과함으로써 자화된 수소환원수로 제조된다.

상기의 과정을 거쳐 제조된 수소환원수는 도 4의 수소환원수 공급라인부(10)에 설치된 수소환원수 추출용 솔레노이드밸브(710)를 거쳐 추출된다.

본 발명은, 효과적인 기액 혼합을 위해 수소발생 압력이 높은 PEM형 전기분해조를 채용하고 유체의 속도와 압력차를 수소용해에 이용하는 베르누이관의 구조를 포함하며 물 입자를 미세하게 형성하는 자기회로를 포함함으로써 수소의 용해도를 높이는 동시에 수소환원수 공급 모드 및 수소환원수 순환 모드의의 가동시간과 주기 제어를 통해 용존수소농도를 조절할 수 있는 매우 효과적인 조건을 제공한다.

아래의 [표 1]은 본 발명에 따라 일반 음용수를 대상으로 수소환원수를 제조하여 즉시 추출하는 경우와 제조 후, 수소환원수 순환 모드를 가동하여 1차 제조된 수소환원수를 정수 저장탱크 내부로 순환시켜 용존수소농도를 높인 상태로 대기하다가 추출 시, 2차 제조하여 추출하는 경우를 실험한 결과표이다.

순환 모드 가동시간(분)	저장탱크수 용존수소농도(DH)	추출 수소환원수 용존수소농도(DH)
0분	0 (ppb)	484 (ppb)
1분	210 (ppb)	620 (ppb)
2분	390 (ppb)	795 (ppb)
5분	480 (ppb)	926 (ppb)

[유닛구성: 역삼투압 방식, 저장탱크 용량: 10(ℓ), 가압펌프압력: 60(psi), 이송유량: 2.5(ℓ/min), 기액혼합유닛: 1조 사용, 용존수소측정: ENH-2000 일본]

상기 [표 1]의 결과로, 제조된 수소환원수를 즉시 추출하지 않고 다시금 정수 저장탱크(200) 내부로 순환시켜 용존수소농도를 가변할 수 있도록 구성한 순환 모드의 가동으로 인해 얻어지는 용해도 상승 변화추이를 확인할 수 있다.

아래의 [표 2]는 정수 저장탱크 내부의 음용수가 직렬로 설치된 복수의 기액혼합유닛(600)을 통과하며 수소환원수로 제조될 때 용존수소농도의 상승추이를 보여준다. 이는, 기액혼합유닛(600)의 효용성과 용도에 따른 합리적인 사용법을 제시하는 것이다.

기액혼합유닛 연결수	1조	2조	3조
용존수소농도(DH)	488 (ppb)	785 (ppb)	1016 (ppb)

위의 [표 2]를 참조하면, 기액혼합유닛을 통과함에 따라 용존수소농도가 비례해서 증가함을 확인할 수 있다.

상기의 [표 1]과 [표 2]를 통하여 용존수소농도를 높이기 위한 기액혼합유닛의 효용성과 배관라인의 수소환원수 공급 모드 및 수소환원수 순환 모드를 제어하는 제어유닛을 통한 용존수소농도 제어가 가능함을 알 수 있으며, 전술한 실시예는 본 발명의 구성을 바탕으로 가장 효율적으로 수소환원수를 제조할 수 있는 유닛과 방법을 제시하고 있다. 사용 목적 또는 적용 대상에 따라, 용존수소농도 가감과 대용량 유닛의 구성이 용이함을 잘 나타낸다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수소환원수 제조장치를 도시한 구성도이다.

도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 수소환원수 제조장치는, 대량의 수소환원수를 사용하고자 할 때, 일정 용량의 정수 저장탱크(200)를 구비하고 수소발생유닛(500)과 기액혼합유닛(600)으로 수소환원수를 제조한 뒤, 저류 상태를 유지하다가 필요에 의한 추출을 실행하는 것으로 단시간 내에 대용량의 수소수를 공급할 수 있다. 한편, 정수 저장탱크 내부에 질소를 투입하면 물속에 녹아있는 용존산소가 제거되어 용존수소농도를 더욱 높일 수 있으며, 냉각유닛을 추가하여 물의 온도를 낮추면 동일한 효과를 얻을 수 있다. 앞선 실시예와 달리, 수소환원수 공급라인부가 기액 혼합유닛(600)과 독립된 채 정수 저장탱크(200)와 직접 연결되고 그 수소환원수 공급라인부에는 냉,온수 선택 솔레노이드 밸브(300)가 설치된다.

도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 수소환원수 제조장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 수소환원수 제조장치는, 원수 공급원 하류 측에 폐루프 형태로 형성된 배관라인에 의해 순환라인이 형성되고 그 순환 라인에는 수소환원수 추출용 솔레노이드 밸브(710), 부스터 펌프(400), 기액혼합유닛(600), 수소환원수 회수용 솔레노이드 밸브(700), 수소발생유닛(500), 필터링 유닛(100), 그리고, 다시 수소환원수 추출용 솔레노이드 밸브(710)의 순으로 위의 요소들의 설치된다. 또한 기액혼합유닛(600)은 샤워기 등과 같은 수소환원수 공급부와 연결되어 있다. 또한 상기 수소환원수 제조장치는 상기 솔레노이드 밸브(700, 710) 등을 제어하기 위해 제어유닛(800)을 포함한다. 위와 같은 본 실시예에 따른 수소환원수 제조장치는, 고농도의 수소환원수를 대량으로 공급하기 위한 구성으로서, 목욕시설이나 식물재배시설 등에서 원수를 정수하지 않더라도 수소환원수를 제조할 수 있다. 이 경우, 이미 사용한 수소환원수를 회수하여 다시금 농도를 높이는 순환사이클을 구성할 수 있음은 물론이다.

한편, 목욕을 위한 수조 등에 적용할 수 있도록, 수소환원수 공급과 더불어 공기를 흡입하는 흡기펌프를 구비하고 마이크로버블을 형성하도록 기액혼합유닛(600)을 부가하면 버블기능을 추가하여 선택적으로 이용할 수 있다.

이상에서는 본 발명이 선호되는 실시예들에 의거하여 설명되었지만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 아니하고 청구항에 기재된 범위 내에서 변형이나 변경 실시가 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 첨부된 특허청구범위에 속한다 할 것이다.

100: 필터링유닛 200: 정수 저장탱크
300: 냉,온수선택 솔레노이드밸브 400: 부스터펌프
500: 수소발생유닛 510: 고분자전해질막
600: 기액혼합유닛

Claims (10)

1. 고체고분자전해질을 분리막으로 포함하며, 정수수를 전기분해하여 수소를 발생시키는 수소발생유닛;
   정수수와 상기 수소발생유닛에서 발생된 수소를 혼합하여 수소환원수를 제조하는 기액혼합유닛;
   수소환원수 추출용 솔레노이드 밸브가 개방되고 수소환원수 회수용 솔레노이드 밸브가 폐쇄되어 상기 수소환원수를 외부로 공급하는 수소환원수 공급 모드와, 상기 수소환원수 추출용 솔레노이드 밸브가 폐쇄되고 상기 수소환원수 회수용 솔레노이드 밸브가 개방되어 상기 수소발생유닛을 다시 거치도록 상기 수소환원수를 순환시키는 수소환원수 순환 모드로 가동되는 배관라인; 및
   상기 수소환원수 추출용 솔레노이드 밸브와 상기 수소환원수 회수용 솔레노이드 밸브를 제어하여 수소환원수의 수소 농도를 가변 조절하는 제어유닛을 포함하는 수소환원수 제조장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 배관라인에 설치되는 정수 저장탱크 및 필터링 유닛을 더 포함하며, 상기 배관라인은 상기 정수 저장탱크 내 정수수를 상기 수소발생유닛으로 공급하고 상기 수소발생유닛에서 발생한 수소를 상기 기액혼합유닛에 공급하는 제1 라인과, 상기 정수 저장탱크 내 정수수를 기액혼합유닛에 공급하는 제2 라인을 포함하며, 상기 수소발생유닛은 상기 필터링 유닛을 거쳐 상기 제1 라인을 흐른 정수수를 전기 분해하여 수소를 발생시키고, 상기 기액혼합유닛은 상기 필터링 유닛을 거쳐 상기 제2 라인을 흐른 정수수를 상기 수소와 혼합하여 수소환원수를 제조하는 것을 특징으로 하는 수소환원수 제조장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 기액혼합유닛에서 기액 혼합된 수소환원수에 자력을 공급하도록, 자력을 발생시키는 자기회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소환원수 제조장치.
4. 청구항 1에 있어서, 정수수를 가압하여 상기 기액혼합유닛 측으로 보내는 부스터 펌프를 더 함하는 것을 특징으로 하는 수소환원수 제조장치.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 기액혼합유닛은 단면적이 감소된 목 부분과 단면적이 증가되는 기액 혼합 부분을 포함하는 베루누이 관 구조의 벤츄리관을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소환원수 제조장치.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 목 부분에 상기 수소발생유닛에서 발생한 수소가 유입되는 수소유입구가 형성된 것을 특징으로 하는 수소환원수 제조장치.
7. 청구항 1에 있어서, 상기 기액혼합유닛은 복수개로 마련되고 상기 복수개의 기액혼합유닛은 수소환원수의 용존농도 조절 및 제조용량 증설이 용이하도록 직렬 또는 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 수소환원수 제조장치.
8. 청구항 1에 있어서, 상기 기액혼합유닛은, 마이크로버블을 형성하도록 수소환원수의 공급 및 공기의 흡입을 위한 흡기펌프를 구비하는 것을 특징으로 하는 수소환원수 제조장치.
9. 청구항 1에 있어서, 상기 배관라인에 설치되며, 내부의 정수수를 상기 수소발생유닛 또는 상기 기액혼합유닛으로 공급하는 정수 저장탱크를 더 포함하고, 상기 정수 저장탱크 내의 정수수에 질소를 투입하여 정수수 내 용존산소를 줄이는 질소챔버와 저수조의 온도를 낮추어 정수수의 용존수소농도를 높이는 냉각유닛 중 적어도 하나가 더 제공된 것을 특징으로 하는 수소환원수 제조장치.
10. 필터링 유닛;
    상기 필터링 유닛에서 정수된 정수수를 전기분해하여 수소를 발생시키는 수소발생유닛;
    상기 필터링 유닛에서 정수된 정수수와 상기 수소발생유닛에서 발생된 수소를 혼합하여 수소환원수를 제조하는 기액혼합유닛;
    상기 기액혼합유닛에 결합된 자기회로;
    상기 정수수를 가압하여 상기 기액혼합유닛 측으로 보내는 부스터 펌프;
    수소환원수 추출용 솔레노이드 밸브가 개방되고 수소환원수 회수용 솔레노이드 밸브가 폐쇄되어 상기 수소환원수를 외부로 공급하는 수소환원수 공급 모드와, 상기 수소환원수 추출용 솔레노이드 밸브가 폐쇄되고 상기 수소환원수 회수용 솔레노이드 밸브가 개방되어 상기 수소발생유닛을 다시 거치도록 상기 수소환원수를 순환시키는 수소환원수 순환 모드로 가동되는 배관라인; 및
    상기 수소환원수 추출용 솔레노이드 밸브와 상기 수소환원수 회수용 솔레노이드 밸브를 제어하여 수소환원수의 수소 농도를 가변 조절하는 제어유닛을 포함하는 수소환원수 제조장치.

Images