JP6384886B2 - 水素発生装置 - Google Patents

Description

本発明は水の電気分解を通じて水素を発生させる水素発生装置に関するもので、より詳細には、一つの水素発生装置で吸入、飲用水、洗浄水などの多様な使用用途に合わせて水素を活用できるオールインワン（Ａｌｌ−Ｉｎ−Ｏｎｅ）方式の水素発生装置を提供する。

水素は最近グリーンエネルギー源をはじめとする多様な使用により大きく注目を浴びており、このような水素を効率的に製造できる方法が韓国内はもちろん世界的にも多様かつ綿密に研究されている。

一般に水素を製造する方法には、メタンガスなどの化石燃料を水蒸気改質して得た後、これを精製して使う方法が主となっているが、最近では化石燃料の有限性と環境問題を克服するために、水を電気分解する水電解を利用する方式を積極的に開発して適用している。

すなわち、水を電気分解して水素を得る方法としては、アルカリ水溶液を電解質とするアルカリ水電解方式が代表的であるが、このような方法は水素の純度が低いため、精製工程、酸素と水素を分離する分離工程、水溶液の状態の電解質を持続的に補充しなければならない工程管理などが必要であるだけでなく、水溶液電解質による電極および構成部品の腐食、低い電流密度による水素生産効率の低下、高い電圧による過度の電力消耗などの多くの短所を有している。

これに比べ、最近脚光を浴びている高分子電解質水電解方式はアルカリ水電解方式の短所をほとんど補完しており、高分子電解質水電解方式で製造される水素は微量の水分以外に不純物が殆どないため別途の精製工程が不要であり、電解質が固体相であるため管理が不要であるだけでなく、純粋な水を供給源として使うため装置を腐食させる問題がほとんど発生しない一方、装置の運営時のエネルギー効率の面においてもアルカリ水電解方式に比べて電流密度が高く、電力消耗も低い方である。

従来高分子電解質水電解方式で水素を製造するために供給される水は、酸化反応が起きるアノード（Ａｎｏｄｅ）に供給されて酸素を発生させ、水素イオンは電解質膜を通過してカソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）に移動した後、還元反応を通じて水素を発生させる。

この時、高分子電解質膜を通過する水素イオンは水和した状態に移動するようになるが、その結果、カソード電極側に水分子を運搬する役割をするようになり、カソード電極側に水が増してくるにつれてカソード電極に次第に積もる水を周期的に排出しなければならない煩わしさがあり、これに伴い、装置が複雑となり、アノード電極側の供給水の消耗が多くなる短所がある。

特許文献１には、前記のようなカソード電極に次第に積もる水を周期的に排出しなければならない煩わしさとアノード電極側の供給水が多くなる問題点を解決できる装置が開示されており、さらに、特許文献２には、供給水をカソード電極側から供給することによって水素発生装置を構造的に非常に単純化させることができる装置が開示された。特に、特許文献２では、電気分解のために貯蔵される供給水が約１０ｃｃ〜５０ｃｃ以下に維持される大きさの水タンクを有する構造に水素発生装置を具現した場合、様々な利点が得られることを実証した。

しかし、特許文献２に提示されている水素発生装置の構造は、水素発生装置が駆動される過程において水の電気分解が進行するにつれて消尽する水を自動的に供給できる別途の外部装置が必要である。これは、水がない状態で水電解部に電源が供給されると故障の直接的な原因となるためである。

このように、従来の水素発生装置は水を追加して補充するための外部装置を別途に具備しなければならなかったため、水素発生装置の全体の構造が複雑となり、水素発生装置が大型化され、これに伴う製作費の上昇を招く問題点があった。

韓国登録特許第１０−０８９６９００号公報 韓国登録特許第１０−１６３０１６５号公報

本発明で解決しようとする技術的課題は、水素発生装置の構成を単純化させて製品をコンパクトに具現することができ、製作費用も節減させることができる水素発生装置を提供することにある。

本発明で解決しようとするさらに他の技術的課題は、水電解部に出力される電源の効果的な制御を通じて水素発生量を最大化させることができる水素発生装置を提供することにある。

本発明で解決しようとするさらに他の技術的課題は、安定した電源の制御を通じてエネルギー損失が最小化でき、水素の発生を安定して具現できるだけでなく、水電解部の性能と耐久性を向上させ得る水素発生装置を提供することにある。

本発明で解決しようとするさらに他の技術的課題は、水素が排出される部分に吸入、飲用水、洗浄水などのように使用目的に合う各種の機構物を選択的に連結させて使用可能にすることによって、一つの水素発生装置で多様な使用用途に合わせて水素を活用することができるようにするオールインワン（Ａｌｌ−Ｉｎ−Ｏｎｅ）方式の水素発生装置を提供することにある。

前記の技術的課題を解決するための本発明は、水の電気分解を通じて水素を発生させる水素発生装置において、水素発生モジュールと、前記水素発生モジュールに供給される水が貯蔵される貯蔵部と、前記水素発生モジュールに電気分解のための電源を常に一定に供給する電源供給部と、前記貯蔵部に貯蔵された水の水位と、前記水素発生装置の内部温度を検出するセンサ部と、前記センサ部を通じて検出された水の水位および水素発生装置の内部温度に応じて前記電源供給部の動作を制御する制御部と、を含むことを特徴とする。

ここで、前記電源供給部は定電流および定電圧の同時制御を通じて水素発生モジュール側に常に一定の電圧と電流が供給されるように制御することができる。

そして、前記制御部は、センサ部から検出された貯蔵部内の水の水位が特定の水位以下の場合、前記水素発生モジュールに供給される電源を遮断させるように制御することができる。

また、前記制御部はセンサ部から検出された水素発生装置の内部温度が特定温度以上の場合、前記水素発生モジュールに供給される電源を遮断させるように制御することができる。

また、前記制御部は電源供給部から出力する電源が設定値以上または以下と判断される場合、前記電源供給部の動作を停止させて水素発生モジュールに供給される電源を遮断するように制御することができる。

一方、本発明の一実施例に係る水素発生装置は、前記水素発生装置、貯蔵部、電源供給部および制御部が収容される内側フレームと、内側フレームの外部を包み込んで設置される外部ケースと、入力部と表示部が備えられ、内側フレームの上端に結合するトップケースと、内側フレームの下端に結合するボトムケースと、をさらに含んで構成され得る。

この場合、前記貯蔵部の上端には水素が排出される水素排出口が備えられ、前記水素排出口はトップケースを貫いて上部側に露出する形態で形成され得る。

そして、前記トップケースの外部に露出した前記水素排出口上には、チューブの連結のための連結口が形成されたアダプタキャップが着脱可能に結合され得る。

また、前記水素発生モジュールは貯蔵部の下端部内に収容された状態で前記貯蔵部と一体に組み立てられ得る。

併せて、前記内側フレームの内部には貯蔵部が収容される空間と電源供給部が収容される空間とを区画する隔壁が設置され得る。

一方、前記アダプタキャップの連結口には水の中に浸漬されて水素を微細な気泡の形態で射出する気泡発生器がチューブを介して連結され得る。

ここで、前記気泡発生器は、水素気体が流入する流入口が形成された圧力管と；圧力管の一側に結合する重量体と重量体と対向する前記圧力管の他側に固定される多孔性ノズル部とを含んで構成され得る。

この時、前記多孔性ノズル部は重量体の重量よりも小さい重量を有するように備えられることが好ましい。

前記アダプタキャップの連結口は、チューブを介して飲用水内に挿入されたストローと連結されて前記飲用水内に水素気体を放出させることができる。

または前記アダプタキャップの連結口にはチューブを介して吸入用マスクが連結されて水素を空気とともに体内に吸入することができる。

また、前記貯蔵部の側面には、内側フレームの内部面に支持されるように外部に突出した形態の膨張防止用リブが備えられ得る。

一方、前記水素発生モジュールは、水を電気分解する水電解部と、水電解部を固定するための固定部と、固定部を包み込むカバーを含んで構成され得る。

ここで、前記水素発生モジュールは、前記固定部とカバーの間をシーリングするガスケットをさらに含み、前記ガスケットは縦断面が十字状を有するように形成され得る。

また、前記カバーの縁には前記カバーと貯蔵部の間をシーリングするさらに他のガスケットが結合され得る。

そして、前記ガスケットの外周面には上下方向に一定間隔をおいて配置されて前記貯蔵部の内面と密着する複数の翼が備えられ得る。

この時、前記翼は一側面が傾斜したノコギリの刃の形状の断面構造に形成され得る。

前記の構成を有する本発明の水素発生装置によると、次のような多様な効果を得ることができる。

第１に、電源供給部を通じて定電流制御および定電圧制御が同時に行われて水電解部に常に一定の電源が安定的に供給されるため、水電解部に過電圧が印加されることによって発生する電極の破損を未然に防止することができ、これに伴い、水電解部の電気分解性能および耐久性を向上させることができる。

第２に、電源供給部を通じて水電解部に印加される電源を効果的に制御することによって水電解部に過電圧が印加されなくなるためエネルギー損失を最小化でき、水素の発生を安定して具現できるだけでなく、水素発生量も最大化させることができる。

第３に、水素発生装置の外部に追加の水補充のための別途の外部装置が不要であるため水素発生装置の全体構造を単純に具現することができ、製品の大きさも移動が容易な大きさにコンパクトに具現することができ、製品の製作費用も大幅に節減させることができる。

第４に、制御部が電源供給部から水電解部に印加する電流および電圧を検出して電源供給部の動作を制御することによって、水電解部の電極の状態に適合した最適化した電源を供給することができる。

第５に、電源供給部から水電解部に印加する電流および電圧の大きさをいくつかの定められたシナリオ形態で制御部に内蔵させて水電解部の電極の状況に合う電流および電圧の大きさで電源供給が行われるように制御することができる。

第６に、水素発生装置の上端に備えられたアダプタキャップの部分に吸入、飲用水、洗浄水などの使用目的に合う各種機構物を選択的に連結させて多様な使用用途に合わせて水素を活用することができる。

第７に、水素を吸入用として使う場合、水素発生装置から発生した微量の水蒸気だけを内包した水素を大気中の空気と混合して４％未満の水素濃度を含有した水素吸入が可能である。

第８に、水素が含まれた水（水素水）を製造する場合、水の中に気泡発生器を投入して水素を微細なバブル形態で水の中に射出させることによって、水素気体と水との接触面積および接触時間を増大させて水の中の水素溶存率を大幅に高めることができる。

第９に、気泡発生器を通じて水の中に水素気体が射出される過程において、射出圧による反発力によって気泡発生器が１ヶ所に固定されずに転々と揺れ動きながら水の中に水素気体を射出するため、水全体に水素の溶存率を最大化させることができる。

本発明の一実施例に係る水素発生装置を図示した斜視図。 図１に図示された水素発生装置の分解斜視図。 本発明の水素発生装置において貯蔵部および水素発生モジュールの細部構成を示す分解斜視図。 図３に図示された水素発生モジュールを構成する構成要素を示す分解斜視図。 下端部に水素発生モジュールが装着された貯蔵部の様子を示す斜視図。 内側フレームの内部に貯蔵部が装着された断面の様子を概略的に示す断面図。 水電解部による水の電気分解過程において、水素が発生してチューブを通じて排出される様子を示す概念図。 本発明の水素発生装置を構成する各構成部間の入力、出力関係を示すブロックダイアグラム。 電源供給部の回路構成およびその周辺構成部との入力、出力関係を示すブロックダイアグラム。 水電解部に印加される電流および電圧の上限が制限された場合、電流および電圧の変化を例示した例示図。 本発明の水素発生装置から発生した水素を飲用水として使う場合についての一つの例示を示す例示図。 本発明の水素発生装置から発生した水素を洗浄水として使う場合についての一つの例示を示す例示図。 図１２の気泡発生器を通じて水素気体が水の中に射出されることを概念的に図示した概念図。 本発明に係る水素発生装置から発生した水素を吸入用として使う場合についての一つの例示を示す例示図。

以下、本発明に係る水素発生装置の好ましい実施例を添付された図面を参照して詳細に説明する。

本発明の説明において、関連した公知の機能または構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不要に曖昧にする恐れがあると判断される場合には、その詳細な説明は省略する。

そして、後述される用語は本発明での機能を考慮して設定された用語であって、これは製品を生産する生産者の意図または慣例によって変更され得るため、その定義は本明細書の全般にわたった内容に基づいて下され得る。

本発明の一実施例に係る水素発生装置４００は、図１〜図２に図示された通り、水を電気分解して水素を発生させる水素発生モジュール１００と、電気分解に使われる水が貯蔵される貯蔵部２００と、定電圧および定電流制御を通じて前記水素発生モジュール１００に常に一定の電圧と電流を供給する電源供給部２１０と、貯蔵部２００に貯蔵された水の水位および水素発生装置４００の内部温度を検出するセンサ部と、センサ部から検出された水の水位と水素発生装置４００の内部温度に応じて前記電源供給部２１０の動作を制御する制御部２３０と、を含んで構成される。

また、本発明の水素発生装置４００には、前記水素発生モジュール１００、貯蔵部２００、電源供給部２１０および制御部２３０が収納される内側フレーム２４０と、内側フレーム２４０の外部を包み込んで結合する外部ケース２６０と、入力部と表示部を具備し前記内側フレーム２４０の上端に結合するトップケース２５０と、内側フレーム２４０の下端に結合するボトムケース２７０と、が備えられる。

貯蔵部２００の下端には水素発生モジュール１００が収容されて組み立てられ、前記貯蔵部２００と水素発生モジュール１００は一つの一体化した構造物を形成する。

具体的には、水素発生モジュール１００は水を電気分解する水電解部１１０と、水電解部１１０を固定するための固定部１２０と、前記固定部１２０と、を包み込んで結合するカバー１３０を含む。

図３および図４を参照すると、水電解部１１０は、下部面に酸素極触媒層（図示されず）が形成され、上部面に水素極触媒層１１３が形成されて上下の両側面に酸素極触媒層１１２と水素極触媒層１１３がそれぞれ備えられた高分子電解質膜１１１を含む。

高分子電解質膜１１１の下部には酸素極触媒層１１２を媒介としてアノード電極板１１４が積層配置され、前記アノード電極板１１４には水の電気分解時に発生する酸素が下向き通過され得るように貫通した一定の大きさの第１開口領域が形成される。

そして、高分子電解質膜１１１の上部には水素極触媒層１１３を媒介としてカソード電極板１１５が積層配置され、前記カソード電極板１１５には電気分解のための供給水である水が下向き通過するとともに水の電気分解時に発生する水素が上向き通過するように貫通した一定の大きさの第２開口領域が形成される。

ここで、前記第１開口領域および第２開口領域は四角または円形状を有し、金属板に貫通する複数個の貫通ホール１１４ａ、１１５ａによって形成される領域である。

このため、自重によって前記カソード電極板１１５側に下向き供給された水は高分子電解質膜１１１を通過してアノード電極板１１４と高分子電解質膜１１１との間に介在した酸素極触媒層の表面まで到達した後、酸化反応を通じて酸素と電子が生成されて放出され、水素イオンは高分子電解質膜１１１を通じてカソード電極板１１５側に移動するようになる。

そして、前記水素イオンも水和した状態に移動するようになり、前記水素極触媒層１１３の表面に到達した水素イオンと電子は還元反応を通じて水素が発生するようになり、このように発生した水素はカソード電極板１１５を通じて水と共に上部に放出される。

この時、前記カソード電極板１１５を通じて上部に放出される水は、本来カソード電極板１１５を通じて下向き供給された水であるので見かけ上には変化が現れず、前記カソード電極板１１５側に供給された水はただ水電解反応によってのみ消耗した量だけ消耗して減ることになる。

一方、アノード電極板１１４とカソード電極板１１５は外部電源の正極と負極がそれぞれ電気的に連結され得るように、外側に一定の長さ延びて固定部１２０の外側に突出する電源連結部１１４ｂ、１１５ｂをそれぞれ具備する。

固定部１２０は、カソード電極板１１５を通じて下向き供給される水の電気分解を遂行する水電解部１１０の位置を固定する第１プレート１２１と第２プレート１２５とを含む。

第１プレート１２１は、アノード電極板１１４に貫通した第１開口領域と対応する領域に水電解時に発生した酸素が下向き通過して排出されるように一定の大きさの第３開口領域１２２が貫通形成されて、前記アノード電極板１１４の下部に積層される四角板形態の板構造物である。

第２プレート１２５は、カソード電極板１１５に貫通した第２開口領域と対応する領域に水電解時に発生する水素が上向き通過するとともに下向き供給される供給水が自然に通過できるように、一定の大きさの第４開口領域１２６を備えて前記カソード電極板１１５の上部に積層される四角板形態の板構造物である。

これに伴い、カソード電極板１１５と高分子電解質膜１１１およびアノード電極板１１４が上下に積層された構造の水電解部１１０は、前記第１プレート１２１と第２プレート１２５との間に介在して位置が固定される。

ここで、前記第１プレート１２１の第３開口領域１２２は、四角板形態の高分子電解質膜１１１と対応する四角の貫通ホールで形成され、前記四角の貫通ホールの内部には開口通路を形成するように互いにすれ違う形態で配置されて、水電解部１１０のアノード電極板１１４と接しつつこれを支持する複数個の第１支持リブ１２２ａが形成される。

第２プレート１２５の第４開口領域１２６は四角板形態の高分子電解質膜１１１と対応する四角の貫通ホールで形成され、前記四角の貫通ホールの内部には開口通路を形成するように互いにすれ違う形態に配置されて、水電解部１１０のカソード電極板１１５と接しつつこれを支持する複数個の第２支持リブ１２６ａが形成される。

そして、第３開口領域１２２と第４開口領域１２６にそれぞれ備えられる第１支持リブ１２２ａと第２支持リブ１２６ａによって、前記四角の貫通ホールが貫通形成された第１、２プレート１２１、１２５の形態は安定して維持され得る。

また、アノード電極板１１４と向き合う第１プレート１２１には、上部面に前記アノード電極板１１４の外側縁と接し、かつ第２プレート１２５に陥没した形態で形成された組立溝（図示されず）と対応して結合され得るように突出形成された複数個の組立リブ１２４が備えられる。

これに伴い、前記第１、２プレート１２１、１２５の間に介在するアノード電極板１１４とカソード電極板１１５は、前記組立溝に対応して組み立てられる組立リブ１２４との干渉によって、前記アノード電極板１１４とカソード電極板１１５に形成された第１、２開口領域の中心と前記第３、４開口領域１２２、１２６の中心が一致するように位置が固定される。

ここで、前記第３開口領域１２２の外側に突出形成された複数個の組立リブ１２４のうちいずれか一つそして、前記第４開口領域１２６の外側に陥没形成された複数個の組立溝のうちいずれか一つは、前記第１、２プレート１２１、１２５間の上下結合が方向性を有して行われるように、残りの組立リブ１２４と組立溝の幅より相対的に小さい幅の大きさを有する位置決定用組立リブおよび位置決定用組立溝で備えられることが好ましい。

この時、前記の位置決定用組立リブおよび位置決定用組立溝は、アノード電極板とカソード電極板との各外側縁から一定の長さ延びる電源連結部と対応することが好ましい。

そして、第１、２プレート１２１、１２５は、固定用締結部材が締結されて結合するように、第１、２締結孔１２３ｂ、１２７ｂを各角に形成することによって、上下に積層される第１、２プレートは互いに一致する第１、２締結孔を通じて締結される固定用締結部材によって上下に結合する。

また、第２プレート１２５とカソード電極板１１５との間、前記カソード電極板１１５と高分子電解質膜１１１との間には、貯蔵部２００から下向き供給される水と水電解部１１０で生成されて上向き排出される水素の外部への流出を防止できるように、第１、２ガスケット１１６、１１７がそれぞれ備えられる。

一方、水電解部１１０を固定する固定部１２０の外側にはカバー１３０が被せられて結合する。前記カバー１３０は、水電解部１１０が内部に装着された前記固定部１２０を外部から包み込む形態で組み立てられて前記水電解部１１０をはじめとする前記固定部１２０を保護するようになる。

この場合、水電解部１１０を包み込んで固定する前記固定部１２０は、カバー１３０の開放された下端を通じて前記カバー１３０の内部空間に収容されるが、前記固定部１２０が内部に収容された前記カバー１３０は内側フレーム２４０の底面に組み立てられる。

そして、前記固定部１２０の第２プレート１２５とカバー１３０との間には、第４開口領域１２６とカバー１３０の中央に供給水が下向き供給されるように形成された前記第２プレート１２５とカバー１３０との間をシーリングする第３ガスケット１３２とが備えられる。

ここで、カバー１３０は貯蔵部２００の開放された下端を通じて前記貯蔵部２００の内部に挿入された状態で、前記カバー１３０の外側に形成された組立突起１３１と貯蔵部２００の下端に形成された組立溝２０２との間の締結によって組み立てられる。

一方、図５は水素発生モジュール１００が下端部に装着された貯蔵部２００の様子を示す斜視図であり、図６は内側フレーム２４０の内部に貯蔵部２００が装着された縦断面の様子を概略的に示す図面である。

図５および図６を参照すると、水素発生モジュール１００において、固定部１２０に備えられる第２プレート１２５とカバー１３０との間をシーリングする第３ガスケット１３２は、図６の断面図に示したように、縦断面が十字状の構造をなして形成される。そして、前記十字状の断面を有する第３ガスケット１３２はカバー１３０の上側開口部の周辺に位置した下向き突出した部分１３２ａに形成された環状の溝に差し込まれて装着される。

この時、前記第３ガスケット１３２は、貯蔵部２００内に満たされた水の圧力と前記カバー１３０と固定部１２０との間に作用する組み立て力によって、前記第３ガスケット１３２の下端部が第２プレート１２５の表面に圧密して接するようになることによって、前記カバー１３０と第２プレート１２５との間には密閉力が確保される。

さらに、十字状の断面を有する前記第３ガスケット１３２の左右の部分は、前記カバー１３０の上側開口部の周辺に位置した下向き突出した部分１３２ａの下端面に密着することによって、前記第３ガスケット１３２が第２プレート１２５の上部面に圧密された状態でも左右のいずれか一方に偏ることなく安定した支持力を確保することができ、また、前記第３ガスケット１３２の下端部が第２プレート１２５の上部面に強く圧密されることによって、前記第３ガスケット１３２の下端部の形状に変化が発生する場合にも、前記第３ガスケット１３２の左右の部分が前記第３ガスケット１３２の下端の部分と共にカバー１３０と第２プレート１２５の上部面の間に同時に密着することができるため、前記カバー１３０と第２プレート１２５との間は構造的に堅固であり、安定した密閉力が確保され得る。

一方、貯蔵部２００内に組み立てられるカバー１３０の外側縁面には、カバー１３０と貯蔵部２００との間をシーリングする第４ガスケット１３４が差し込まれて結合され得るように、陥没した形状を有する縁溝１３３が形成される。

これに伴い、前記カバー１３０の側面の周りと貯蔵部２００の内部面の周りとの間は、カバー１３０の縁溝１３３に差し込まれて結合する第４ガスケット１３４を通じて前記貯蔵部２００から下向き供給される水と前記水電解部１１０で生成されて上向き排出される水素気体の外部への流出が防止される。

この場合、前記第４ガスケット１３４は、その外周面に上下方向に一定の間隔をおいて配置された複数個の翼１３４ａが備えられ、前記翼１３４ａはノコギリの刃の形態のように一側面が傾斜した断面構造を形成している。

このように、前記翼１３４ａの一方の面をノコギリの刃の形態の傾斜面に形成する理由は、周面に第４ガスケット１３４が差し込まれて結合したカバー１３０を貯蔵部２００の下端に挿入して組み立てる場合、前記第４ガスケット１３４の外面に突出形成された前記翼１３４ａの傾斜した面が貯蔵部２００の内面と接触して弾性変形して、前記貯蔵部２００の内面に密着した状態で容易に挿入されて組み立てられるようにするためである。

また、前記のように、カバー１３０が貯蔵部２００内に挿入されて完全に組み立てられた状態では、前記第４ガスケット１３４の周面の上下部に設けられている複数個の翼１３４ａを通じて前記カバー１３０と貯蔵部２００との間の隙間が二重にシーリングされ得るので、これらの隙間を通じて水や水素気体が漏洩することを完全に遮断させることができる。

一方、図７は水電解部による水の電気分解過程で水素が発生してチューブを通じて排出される様子を概念的に示す図面である。

図７に示したように、貯蔵部２００内に貯蔵された水は、自重によって第２プレート１２５を通って水電解部１１０のカソード電極板１１５側に下向き供給され、前記下向き供給される水は下部に位置した高分子電解質膜１１１を通過してアノード電極板１１４と高分子電解質膜１１１との間に介在した酸素極触媒層の表面まで到達した後、酸化反応を通じて酸素（Ｏ_２）と電子が生成されて放出が行われ、水素イオンは高分子電解質膜１１１を通じてカソード電極板１１５側に移動するようになる。

この場合、水素イオンは水和した状態に移動するようになって、水素極触媒層の表面に到達した水素イオンと電子の還元反応を通じて水素（Ｈ_２）を発生させるようになり、このように発生した水素はカソード電極板１１５を通過して水と共に貯蔵部２００の上部に放出される。そして、前記貯蔵部２００の上端に設けられたアダプタキャップ２８０の連結口２８２部分にチューブ３１０を連結して、前記チューブ３１０を通じて排出される水素を使用者の使用目的に合うように使うことができる。

一方、前記のような水素発生装置４００の使用過程でチューブ３１０が詰まったりまたは浴槽の水に気泡発生器で水素を溶存させて洗浄水として使う場合（これについては後述する）、前記貯蔵部２００内の圧力は継続的に上昇して前記貯蔵部２００が膨張する状況が発生する可能性がある。

このように前記貯蔵部２００が膨張すると、前記第４ガスケット１３４を通じてシーリング状態に維持された前記カバー１３０と貯蔵部２００との間が広がって前記第４ガスケット１３４によるシーリング作用が完全に行われ得ず、このため、前記第４ガスケット１３４と前記貯蔵部２００の広がった隙間を通じて水や水素気体が外部に漏洩され得る。

このように、万一のときに前記貯蔵部２００内の圧力が増加して前記貯蔵部２００が膨張することによって、前記第４ガスケット１３４によるシーリングが有名無実となる状況を防止するために、前記貯蔵部２００の外部面には貯蔵部２００が膨張するのを強制的に抑制させ得る複数の膨張防止用リブ２０６が形成される。

すなわち、前記貯蔵部２００は、図５に示したように、前後面が丸く左右面が平たい外形で形成されており、前記平たい貯蔵部２００の左右面には、前記貯蔵部２００内の圧力が過度に形成されて前記貯蔵部２００が膨張および変形される場合、これを強制的に抑制できるように外部に突出した形態の複数個の膨張防止用リブ２０６が形成される。

この時、前記膨張防止用リブ２０６は水素発生モジュール１００が装着される貯蔵部２００の外部面の下部位置に上下方向に複数個が形成されるが、図６に示したように、前記貯蔵部２００が内側フレーム２４０の内部に完全に組み立てられた状態で前記貯蔵部２００の外面に形成された複数個の膨張防止用リブ２０６の終端が内側フレーム２４０の内部面に支持される。

これによって、貯蔵部２００内の圧力が上昇して貯蔵部２００が膨張しても前記内側フレーム２４０の内部面に支持された複数の膨張防止用リブ２０６を通じて前記貯蔵部２００の膨張が強制的に抑制され得る。また、前記複数の膨張防止用リブ２０６により貯蔵部２００の膨張が強制的に抑制されることによって、第４ガスケット１３４によりシーリング状態に維持されている前記カバー１３０の側面の周りと貯蔵部２００の内部面の間が広がらなくなり、前記第４ガスケット１３４は前記カバー１３０と貯蔵部２００の間をシーリングする役割をまともに遂行できるようになる。

一方、前記貯蔵部２００には水素発生モジュール１００に供給される電気分解用の水が貯蔵され、前記貯蔵部２００の上端には外部から電気分解用の水が投入され得るとともに水素発生モジュール１００で生成されて貯蔵部２００に流入した水素が外部に排出される水素排出口２０４が備えられる。

この時、水素排出口２０４は貯蔵部２００の上端面から上向き突出してトップケース２５０に形成された開口ホール２５４を貫いて、前記トップケース２５０の外部に露出するように備えられる。

そして、水素排出口２０４の上端には、水素排出口２０４を通じて排出される水素を吸入、飲用水の製造、洗浄水の製造などのように多様な用途で使用可能にするアダプタキャップ２８０が着脱可能に結合される。

この時、アダプタキャップ２８０の上端には、放出される水素を体内吸入、飲用水の製造、洗浄水の製造などのような多様な用途で使用できるように、各用途別に適合した形態で設けられる各種コネクター手段に備えられたチューブの連結のための連結口２８２が形成される。

このようなアダプタキャップ２８０は、水素排出口２０４の上端に螺合方式で着脱可能に結合されるが、この時、前記アダプタキャップ２８０と水素排出口２０４との結合部位には水素の外部への漏洩を防止するためのガスケット２８４が備えられる。

また、貯蔵部２００の外側には、前記貯蔵部２００内に貯蔵された水の水位が検出できる水位センサ２０７が備えられる。この時、前記水位センサ２０７は水位センサカバー２０８によって包み込まれた状態で締結部材を通じて貯蔵部２００の後面に締結固定される。そして、前記貯蔵部２００には外部から水の水位が容易に把握できるように水位を表示する目盛りが形成される。

併せて、ＰＣＢ基板からなる制御部２３０上には、水素発生装置４００の内部温度が検出できる温度センサが備えられる。前記温度センサは、水電解部１１０で水の電気分解時に発生する熱と電源供給部２１０および制御部２３０の動作時に発生する熱などを感知して制御部２３０に出力する。

前記貯蔵部２００には水素発生モジュール１００に供給される常温状態の蒸溜水が満たされ、この時、前記蒸溜水は貯蔵部２００の外部に表示された目盛りにおいて、ＭＩＮと表示された目盛り以上からＭＡＸと表示された目盛り以下の範囲内に満たされるようにする。

一方、前記貯蔵部２００は水素発生モジュール１００を包み込んで組み立てられるカバー１３０と結合して内側フレーム２４０の内部空間に収納された状態で組み立てられる。

そして、内側フレーム２４０の内部には、貯蔵部２００が収容される空間と電源供給部２１０および制御部２３０が収容される空間とを区画する隔壁２４２が設けられる。すなわち、電源供給部２１０および制御部２３０と前記貯蔵部２００との間は隔壁２４２を通じて互いに分離されることによって、前記電源供給部２１０および制御部２３０が前記貯蔵部２００の水による影響を受けないようになっており、水の浸透による装置の誤作動を防止することができる。

また、電源供給部２１０および制御部２３０が収容される空間に位置した内側フレーム２４０、および前記内側フレーム２４０を取り囲む外部ケース２６０上には電源供給部２１０および制御部２３０の作動時に発生する熱を外部に円滑に放出できるようにベントホール２４４、２６２が形成される。

また、貯蔵部２００が収容される内側フレーム２４０上には、外部から前記貯蔵部２００に貯蔵された水の水位をはじめ、水素気体の発生状況が肉眼で容易に把握できるように開口された領域である開口部２４５が形成される。

このような内側フレーム２４０の外側には、水素発生装置４００の外観の形を形成する外部ケース２６０が結合される。すなわち、内側フレーム２４０は外部ケース２６０の内部に収容されて前記外部ケース２６０を介して保護される。

一方、トップケース２５０は水素発生装置４００の最上端部の外観を形成するものであって、外部ケース２６０に包み込まれた内側フレーム２４０の上端と互いに組み立てられる。

前記トップケース２５０は図２に図示された通り、アダプタキャップ２８０が位置する部分２５１と水素発生装置４００の動作および停止を入力する入力部２２４、およびこれを表示する表示部２２６が位置する部分２５２が上下方向に一定距離離隔した階段式構造に段差を有する形状を有する。

すなわち、水素排出口２０４が位置するトップケース２５０の下部２５１と入力部２２４と表示部２２６が位置するトップケース２５０の上部２５２との間には傾斜部２５３が形成され、トップケース２５０の下部２５１は前記トップケース２５０の上部２５２から前方および下方側に一定距離離隔した構造で配置される。

そして、前記トップケース２５０の下部２５１の底面には、暗い環境でも貯蔵部２００内の水の水位が外部から容易に確認できるように、ＬＥＤランプが備えられているＬＥＤ基板２３２が設置される。

前記入力部２２４には、水素発生モジュール１００の水電解部１１０に供給される電源をオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）するボタン、押す回数により各種モードが選択できるモード選択ボタン、および時間設定ボタンなどが備えられ得る。

そして、前記表示部２２６はＬＥＤの点灯または点滅によって設定時間が表示され、貯蔵部２００に残っている水の残量を表示したり、作動中に現在残っている時間を分単位で表示したり、また、停止時には設定時間を表示したりする。

また、前記入力部２２４と表示部２２６は、ＰＣＢで構成された制御部２３０上に備えられてトップケース２５０の下部面に装着され、前記制御部２３０の部分を外部から保護できるようにトップケース２５０の上部側には薄い膜形態のカバー膜２５５が結合される。

さらに、前記内側フレーム２４０の下端にはコンセントに差し込まれる電源コード２７２が引き入れられるボトムケース２７０が組み立てられ、前記ボトムケース２７０の下端には水素発生装置４００の作動過程で振動を吸収する一方で、滑りを防止するための複数個のボトムラバー２７２が結合される。

前記のような機構的な構成を有する本発明の水素発生装置４００の組立方法は、まず、水素発生モジュール１００が結合されたカバー１３０を貯蔵部２００の下端に挿入して組立した後、前記カバー１３０が組み立てられた貯蔵部２００を内側フレーム２４０内に収納して固定し、前記水素発生モジュール１００の両側の電源連結部１１４ｂ、１１５ｂと連結されるように電源供給部２１０を前記内側フレーム２４０内に収納して固定した状態で、前記内側フレーム２４０の下端にボトムケース２７０を組み立てて前記ボトムケース２７０内の電源コードが電源供給部２１０および制御部２３０と電気的に連結されるようにする。

その後、前記内側フレーム２４０の外部に外部ケース２６０を組み立て、引き続き制御部２３０が結合されたトップケース２５０を前記内側フレーム２４０の上端に組み立てる。このように水素発生装置４００の組立が完了すると、前記トップケース２５０の外部に露出した水素排出口２０４の上端にアダプタキャップ２８０を締結した後、前記アダプタキャップ２８０の上端に形成された連結口２８２に吸入用、飲用水の製造、洗浄水の製造などの用途で使われ得るように、各用途に適合した形態の機構物をチューブ３１０を通じて連結することによって、発生した水素を各種必要な用途に合わせて使うことができる。

一方、図８は本発明の水素発生装置４００を構成している各構成部間の入力、出力関係を示すブロックダイアグラムである。

図８を参照すると、入力部２２４では、使用者からボタン（Ｂｕｔｔｏｎ）またはキー（Ｋｅｙ）の形態で入力を受けてその該当入力信号を制御部２３０に出力する。この時、前記入力部２２４を通じて、水素発生装置４００の動作／停止（Ｓｔａｔ／Ｓｔｏｐ）、動作時間の設定、作動モード（Ｍｏｄｅ）の設定などが入力され得る。

制御部２３０では、前記入力部２２４を通じて入力された動作／停止信号を電源供給部（ＳＭＰＳ；Ｓｗｉｔｃｉｎｇ Ｍｏｄｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ）に出力し、前記電源供給部２１０は水素発生モジュール１００内の水電解部１１０に３．３Ｖ、１２．５Ａを越えない電源値が印加できるように制御する。また、前記制御部２３０は水素発生装置４００の動作／停止、設定時間、残余時間などを表示部２２６に出力する。

また、前記制御部２３０は貯蔵部２００内の水の水位をセンサ部２２０を通じてリアルタイムに入力を受け、前記センサ部２２０で検出された水の水位が一定水位以下の「低水位」状態と判断される場合、前記電源供給部２１０を制御して水電解部１１０に出力される電源を遮断する。

これと共に、前記センサ部２２０を通じて水素発生装置４００の内部温度が一定温度（例えば、７５℃）以上の高温状態と判断されると、前記電源供給部２１０を制御して水電解部１１０に出力される電源を遮断する。

併せて、前記制御部２３０では、電源供給部２１０から水電解部１１０に印加される電源に対する異常の有無が感知されると、前記電源供給部２１０を制御して水電解部１１０に出力される電源を遮断する。

一方、図９は前記電源供給部２１０を構成している各構成部間の回路構成と、前記電源供給部２１０の周辺構成部間の入力、出力関係と、を示すブロックダイアグラムである。

図９に図示された通り、前記電源供給部２１０は、大きく電源が入力する入力パート（Ｉｎｐｕｔ Ｐａｒｔ）と電源が出力する出力パート（Ｏｕｔｐｕｔ Ｐａｒｔ）とで構成される。

前記入力パートは、ヒューズ（Ｆｕｓｅ；２１１）、ラインフィルタ（Ｌｉｎｅ ｆｉｌｔｅｒ；２１２）、整流回路および平滑回路を含む突入電流防止回路２１３、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１４を含む。

前記ヒューズ２１１は、電源供給部２１０の内部回路に備えられたブリッジダイオード（ｂｒｉｄｇｅ ｄｉｏｄｅ）等の半導体素子が破損して過電流が流れるようになる場合、溶断（ｆｕｓｉｎｇ）されることによって電源供給部２１０の内部回路を保護し火災の発生を防止する機能をする。

前記ラインフィルタ２１２は、電源供給部２１０の回路の内部で発生する伝導および放射高調波のノイズが外部に放出しないようにし、外部からノイズが流入しないように遮断する役割をする。

そして、前記電源供給部２１０内に外部電源が入力される場合、入力平滑コンデンサ（Ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ）には正常状態の入力電流に比べて数倍に達する充電ピーク（Ｐｅａｋ）電流が流れるようになるが、前記電源供給部２１０にサーミスタ（Ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）のような突入電流防止回路２１３を挿入して前記充電ピーク電流を抑制することができる。

前記整流回路は正弦波形態の電圧を脈流（ｐｕｌｓａｔｉｎｇ）形態の電圧に変換するための回路であって、このような整流回路としてはブリッジダイオードが用いられる。

また、前記平滑回路はブリッジダイオードで変換された脈流形態の電圧を完全な直流形態の電圧に変換する機能をし、このような平滑回路としては電解キャパシター（ｃａｐａｃｉｔｏｒ）が用いられる。

そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１４は電解キャパシターで平滑された直流電圧を出力電圧に合う巻線比で昇圧して２０ＫＨｚ以上の高周波パルスに変換する。

一方、前記出力パートは、２次整流回路２１５、２次平滑回路２１６、フィードバック（ＦｅｅｄＢａｃｋ）回路２１７、フォトカプラー（Ｐｈｏｔｏ Ｃｏｕｐｌｅｒ；２１８）を含む。

２次整流回路２１５は前記ＤＣ−ＤＣコンバータ２１４で変換された高周波パルスを高効率ダイオードを使って脈流形態の電圧に変換する。

２次平滑回路２１６としては電解キャパシターを用い、前記２次平滑回路２１６は前記高効率ダイオードで変換された脈流形態の高周波パルス電圧を完全な直流に変換する。

前記フィードバック回路２１７は定電圧（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）回路、および定電流（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）回路を含む。

前記定電圧回路は、比較器を用いてあらかじめ設定された比較器の基準電圧と出力電圧とを比較して出力電圧が常に一定に維持されるように、フォトカプラーを通じて制御信号を発生する。

また、前記定電流回路は、比較器を用いてあらかじめ設定された比較器の基準電圧に合わせて出力電流を、設定された値で常に一定に流れ得るようにフォトカプラーを通じて制御信号を発生させる。

そして、前記フォトカプラー２１８は前記フィードバック回路２１７で発生した制御信号を絶縁して１次側の入力パートに備えられたＤＣ−ＤＣコンバータ２１４に伝達する。

このような電源供給部２１０の回路構成を有する本発明の水素発生装置４００は、前記電源供給部２１０を通じて水電解部１１０に常に一定の電流が供給されるように制御することによって、前記水電解部１１０に過電流が印加されることを防止する。

すなわち、既存の定電圧制御方式を使う水素発生装置では水の電気分解時に発生する高温の熱によって水の温度が上昇するため、電流を増加させるにつれて水電解部の寿命（耐久性）を大きく低下させたが、本発明の水素発生装置４００では電気分解時に水の温度上昇により電流が増加しても定電流制御を通じて電圧を低くすることによって、水電解部１１０に常に一定の電流が供給されるようにすることができるため、水電解部１１０に過電流が供給されて寿命を短くする問題を改善することができる。

一方、本発明の水素発生装置４００において、水素発生モジュール１００内に備えられる水電解部１１０は水を電気分解して水素と酸素を発生させる装置である。このような水電解部１１０において、水の電気分解を通じて水素と酸素を得る過程は、下記の反応式１〜３に示した通りである。

＜反応式１＞
Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋１／２Ｏ_２ （全体反応式）

＜反応式２＞
Ｈ_２Ｏ→２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻（アノード側反応式）

＜反応式３＞
２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ^２（カソード側反応式）

このような水電解部１１０で発生する水素と酸素の量は、印加された電流量により決定される。すなわち、前記の反応式３のように、カソード（還元反応）側では２個の電子が２個の水素原子と結合して１個の水素分子を生成する。これは、各電極の面積が２５ｃｍ^２（横×縦；５ｃｍ×５ｃｍ）の水電解部に１０Ａの電流を印加する場合、カソード側には秒当たり６．２５×１０^１９（分当り３．７５×１０^２１）個の電子が流入し、これは分当り１．８７５×１０^２１個の水素分子を発生させる。そして、これは分当たりの水素分子が約３．１１３６×１０^−３モル（ｍｏｌｅ）が生成されることを意味し、同時に３．１１３６×１０^−３モル（ｍｏｌｅ）の水分子が電気分解されることを意味する。

もし、１０Ａの電流を水電解部１１０に印加し続けて一日２４時間を連続動作させて水素を発生させると、純粋に電気分解される総水分子は４．４８４モル（ｍｏｌｅ）であり、これは８０．７ｇ（約８０．７ｃｃ）の水が電気分解されることを意味する（例えば、１２．５Ａの電流を印加し続けて一日２４時間を連続動作させて水素を発生させる場合は、純粋に電気分解される総水分子は５．６０５モルであり、これは１００．９ｃｃの水が電気分解されるのである。）。

一方、従来の携帯および移動可能な形態で製作された水素発生装置の場合、電気分解のために貯蔵される供給水が約１０ｃｃ〜５０ｃｃ以下に維持される小型の水タンクを有する構造で具現される場合があった。しかし、このような小型の水タンクを具備する水素発生装置の場合には、装置を使う過程で消尽する水を自動に供給できるように、別途の水供給装置を共に具備しなければならない。その理由は、水がない状態で水電解部に電源が供給されると、これは故障の直接的な原因となるためである。

しかし、水素発生装置の外部に前記の供給水供給装置を追加して具備すると、水素発生装置を単純な構造で具現できない短所がある。このような短所を改善するために、本発明の水素発生装置４００では、水が貯蔵される貯蔵部２００の大きさを従来技術の水素発生装置に備えられる水タンクの大きさより大きく具現した。

すなわち、前記貯蔵部２００の大きさを１３００ｃｃ程度の水を貯蔵できる大きさに形成し、前記１３００ｃｃの水が貯蔵される貯蔵部２００の全体容量のうち貯蔵部２００の内部の水（供給水）の量を１０００ｃｃ以下（５００ｃｃ以上）に維持させるのであれば、水素発生装置４００を、２４時間連続動作を基準として、５日以上追加の水の供給がなくても安定して装置を稼動させることができる。

例えば、２５ｃｍ^２の電極面積を有する水電解部１１０に最大１２．５Ａ（電極の平均電流密度０．５Ａ／ｃｍ^２）の電流を印加して２４時間連続して電気分解した場合、５日間約５００ｃｃの水が電気分解されるのである。ここで、実際の状況においては、水素発生装置の使用は２４時間の間連続的に使用されないのがほとんどであるので、貯蔵部２００に貯蔵される水の量を５００ｃｃ以上から１０００ｃｃ以下の範囲の水の量に維持する時、より長い期間の間使用することができ、これは一般の消費者がさほど不便を感じずに装置を使用できる期間に該当する供給水の量であることを意味する。

水素発生装置の実際の使用において、エネルギー資源として活用される大容量の水素発生装置を除く中、小型の水素発生装置は、発生した水素を環境、吸入、水素水の製造などのための用途として使うのがほとんどであり、また、このような水素発生装置はいずれか一箇所に固定させて使う固定型ではなく、所望の場所に簡便に移動させながら使用できる移動可能な形態で構成されるのがほとんどである。

このような移動型水素発生装置において、電気分解に使われる水の供給は外部に追加して水供給装置を具備しても、結局、前記追加された外部の水供給装置にも水を供給しなければならないので、厳密な意味では自動水供給装置の構成とは言えず、このような追加としての外部の水供給装置は水素発生装置の全体の構造を複雑にし、その結果、水素発生装置の製品の大きさおよび製作費の上昇を招く要因として作用するので、追加としての外部の水供給装置をなくし貯蔵部（水タンク）の大きさを拡張させることが現実的に最適の方案と言える。

しかし、前記のように、貯蔵部（水タンク）の大きさの拡張に伴う水量（供給水）の増加は、水電解部１１０の作動に必要な最小エネルギー（エンタルピーと自由エネルギーの差）の供給源としての電気エネルギーが熱エネルギーに加えられることを相対的に多い水量によって分散（水タンク内のすべての水の温度が上昇しなければならないので上昇する水の温度が相対的に緩やかに上昇する）する結果をもたらしてしまい、これは水の電気分解に必要とされる電圧を早く低下させ得るという長所が相対的に多い水量によって長くなってしまう相対的な短所を引き起こすことになる。このような短所は水電解部１１０に印加される電源の制御を通じて補完することができる。

水素発生装置４００で水電解部１１０に印加される電源は、水素発生量を決定する電流が基本とならなければならない。これは電流に対応して水電解部１１０の状態に応じて電圧が変化するためである。実際的な例を挙げると、４ｃｍ^２、９ｃｍ^２、２５ｃｍ^２の電極面積を有するそれぞれの水電解部１１０に電流と電圧の上限が制限された電源（４ｃｍ^２の場合、２Ａ、３Ｖ；９ｃｍ^２の場合、４．５Ａ、３Ｖ；２５ｃｍ^２の場合、１２．５Ａ、３．３Ｖを制限する電源であり、三つの大きさの電極面積で電流の場合は０．５Ａ／ｃｍ^２の電流密度を有するように設定し、電圧は電極に無理がかからない範囲内の電圧に設定）を印加すると、図１０の（ｂ）に示したように、（ｉ）→（ｉｉ）→（ｉｉｉ）→（ｉｖ）の順に電源が変化する。これは最も一般的な変化であり、水電解部１１０の状態に応じて（ｉｉ）→（ｉｉｉ）→（ｉｖ）の順、または（ｉ）→（ｉｖ）の順に変化する場合も存在する。また、電流の上限を相当に高くする時または電圧の上限を低くする時は（ｉｉ）→（ｉｉｉ）に変化する場合もある。

このような水電解部１１０を利用して水素を発生させる水素発生装置の核心は水素発生量であり、これは水の電気分解装置であるので当然印加される電流の大きさにより決まる。したがって、電源の制御において電流を基本として電圧を制御するということは装置の水素発生量を能動的に制御するという意味となる。

水電解部１１０に印加される電源は電流に対応して多様な電圧の変化を起こす。水電解部１１０での水の電気分解過程において、約１．５Ｖ程度が実質的に電気分解に必要な電圧であり、それ以上の電圧はいずれも過電圧であって、エネルギー損失に該当する。実際にこのような過電圧の大きさは電流（正確には電流密度）が大きいほど大きくなる。水素発生装置４００において、電気分解に使われる水が貯蔵される貯蔵部（水タンク）の大きさを大きくした場合に、水の量が相対的に多くなるので電気分解過程で熱的平衡は相対的に遅く進行し、一定の電流に制限した電源で循環の時の電圧から無循環の時の電圧に変化するようになる（低くなる）。

４ｃｍ^２の電極面積を有する水電解部１１０が備えられた酸素発生装置でに２Ａ、３Ｖの制限を有する電源で連続的に印加した場合（下記の表１の実験１）と、同じ電源を図１０の（ｉｉ）→（ｉｉｉ）に変化する瞬間電源を遮断し１５分後に電源を再度印加した場合（表１の実験２）の結果において、下記の表１のような結果が通常的に示される。

前記の実験１、２に使われた水電解部は、製作されてから電源が一度も印加されたことがなく、供給水を同じ量で満たした状態で進めた。実験結果において、（ｉ）→（ｉｉ）→（ｉｉｉ）の順序に変化する時はほぼ同じ結果が出るが、（ｉｖ）の状態に進入する時にかかる時間はかなり大きな差を示すことが分かる。水電解部の状態は装置が許容する最大電流密度内では、（ｉ）または（ｉｖ）の状態になければ正常状態ではない。

前記の二つの実験において結果に差が出る理由は、多様なメカニズムの影響が作用するが、これは大きく二つに圧縮することができる。

第１には、過電圧による電気エネルギーの損失が熱エネルギーに変換する比率が、実験２が実験１に比べて高いということであり、第２には電極のすべての面積において同じ電流密度で反応が起きるのではなく、電極の特定の局部的な面積で反応が起きてから全面積に拡大するまでにかかる時間の差があるということである。

すなわち、前記実験１の場合は最初の電源の印加において、電極のすべての面積において非常に激しい電流密度の不均衡があるだけでなくその差も大きく、電極の全面積において均一な電流密度で反応するまでに多くの時間がかかるのである。そして、前記実験２の場合は最初の電源の印加においては類似しているが、電源の印加を中断した後再度電源を印加した時に全面積において均一な電流密度で反応するまでにかかる時間が実験１に比べて相対的に大きく減少することが分かる。

このような実験結果から推察すれば、電源の制御を通じてエネルギー損失を最小化できる方法を導き出すことができ、これと共に安定した水素の発生と水電解部装置の性能と耐久性とを向上させることができることが分かる。これは電極の全面積において非常に激しい電流密度の不均衡が特定の電極領域を破壊する確率が高くなり、その結果、全体の電極面積を減少させる原因として作用する。そして、これは全体として電流密度を上昇させる悪循環につながる可能性があるため、相対的に早い時間内に電極の全面積で均一な電流密度で反応するということが電極が破壊される確率を低下させ、その結果、水電解部装置の性能および耐久性が向上することを意味すると言える。

電源の制御範囲を確認するために前記実験２を非常に多様な方法で遂行したが、その結果は最初の電源印加時の電流限界は少なくとも０．２Ａ／ｃｍ^２以上で効果が確かに現れたのであり、電源を中断する時間は最初の印加電源の電流に応じて多様に変化するが、少なくとも１０分以上の時間を有さないと効果が確実でないことが分かった。合わせて、電源の遮断と印加を短い時間の間に繰り返して何度も行う場合も効果があることが分かった。

また、電源の制御において、初期の電源の制御だけでなく、前記図１０で制限された電圧、電流の大きさを変化させることによって、能動的に水電解部１１０の状態に最適化した電源の供給を通じて安定した水素発生量を確保することができ、水電解部の性能および耐久性を向上させることができ、水電解部の残余寿命の予測などをすることができる。

一方、水素発生装置、特に中、小型の水素発生装置においてこれを利用した製品は、特定の時間の間特定の量の水素を利用するかまたは長時間均一な発生量を要求する製品に大きく分けることができるであろう。前記二つの場合のいずれも、水素発生量は電流に対する時間の積分で容易にその量を時間区間や全体時間で確認することができるので、能動的な電源の制御は水素発生装置を利用して製造される各種製品の質を向上させるとともに耐久性を増加させる確実な手段となる。

このように水電解部１１０の状態に対応する電源と水素発生量とに基づいて多様な電源の制御シナリオを構成して、図８でのように制御部２３０にそのシナリオを貯蔵し検出部（図示されず）を通じて電源の状態をチェックして、前記制御部２３０でそのシナリオに適合した電源の制御を担当するようにすることができる。

一方、水素発生装置４００で発生した水素を利用して作られる製品のうち、いわゆる「水素水」と称される水素が含まれた水を製造する製品がある。この水素水は飲用水と洗浄水とに大別することができる。

飲用水は人または動物の服用のための、より広くは植物の栽培のための水素水と言え、洗浄水は物体を洗浄したり人または動物を洗ったりする意味としての水素水と言える。

一方、図１１は本発明の水素発生装置４００で発生した水素を飲用水として使う場合についての一つの例示を示している。

本発明の水素発生装置４００で発生する水素を飲用水として使う場合、まず、図１１に図示された通り、ストロー３２２をコップ３２０の内部に満たされている飲用水に挿入し、水素発生装置４００の上端に設けられたアダプタキャップ２８０の連結口２８２部分にチューブ３１０の一側を連結し、前記チューブ３１０の他側をストロー３２２に連結した後、水素発生装置４００を作動させてチューブ３１０を介してコップ３２０の内部に流入した水素が含まれた飲用水を飲用することができる。

また、図１２は本発明の水素発生装置４００で発生した水素を洗浄水として使う場合についての一つの例示を示す図面である。

図１２に図示された通り、水素発生装置４００で発生する水素を気泡発生器３４０を通じて浴槽３３０の中の水に微細な気泡の形態で噴射して、水の中に溶存されている水素を通じて皮膚を洗浄したりアトピーなどの皮膚治療をしたりする目的で使うことが可能である。

すなわち、前記気泡発生器３４０と連結されたチューブ３１０を水素発生装置４００の上端に設けられているアダプタキャップ２８０の上端の連結口２８２部分に連結した後、前記気泡発生器３４０を浴槽の水の中に投入し、水素発生装置４００を作動させて前記気泡発生器３４０から微細な気泡の形態で射出される水素バブルを水の中に溶存させることによって、前記水の中に溶存した水素を通じて皮膚の洗浄や皮膚の治療をすることができる。

ここで、前記気泡発生器３４０の構成を具体的に詳察すると、前記気泡発生器３４０は、チューブ３１０の一側と連結されて前記水素発生装置４００で発生した水素気体が流入する流入口３４１が形成された圧力管３４２と、前記圧力管３４２の一側端部に結合する重量体３４３と、前記圧力管３４２と重量体３４３の間をシーリングするシーリング部材３４５と、前記重量体３４３と対向する圧力管３４２の他側端部に結合する多孔性ノズル部３４４とを含んで構成される。

前記重量体３４３は気泡発生器３４０が浴槽の底に完全に沈み得るように所定の重量を有して備えられ、その一側端部には前記圧力管３４２の一側端部の内周面に形成された雌ねじ部３４２ａと螺合方式で着脱可能に結合され得るように雄ねじ部３４３ａが形成される。この時、前記重量体３４３と圧力管３４２の締結部位は、前記圧力管３４２の内部に流入した水素気体の外部への漏洩が防止できるように、オーリングのようなシーリング部材３４５が介在してシーリングされる。

そして、前記重量体３４３と向かい合う圧力管３４２の他側端部には、多数の微細気孔が形成された重量物である多孔性ノズル部３４４が固定される。前記多孔性ノズル部３４４は、圧力管３４２の内部に流入した水素気体を浴槽の水の中で微細なバブル（気泡）の形態で射出させることができるように設けられた構造物である。

すなわち、チューブ３１０を通じて前記圧力管３４２の内部に水素気体が流入し続けられて圧力管３４２の内部が一定の圧力に造成される場合、前記圧力管３４２の内部の水素気体は多孔性ノズル部３４４内に形成された微細気孔の間を通過して浴槽３３０の水の中に非常に小さいバブルの形態で射出されて、浴槽３３０の水と大きな表面積を有しつつ接触するとともにバブルの上昇速度を遅滞させて水の中の水素溶存率を高めることができる。

また、前記多孔性ノズル部３４４は、重量体３４３の反対側で前記重量体３４３とともに気泡発生器３４０を水の中の底面に沈める機能を遂行し、これと同時に前記重量体３４３の重量よりは軽い重量を有するように形成されて、前記多孔性ノズル部３４４を通じての水素気体の射出過程において前記重量体３４３を中心に気泡発生器３４０が水の中の底で転々と揺れ動きながら水素気体を水の中の多様な位置で射出するようにすることによって、水全体の水素溶存率を大幅に高めることができる。

一方、水素が含まれた水素水は、前記のような飲用水や洗浄水のいずれの場合においても、水の中に含まれている水素の量が最も重要な要素として作用する。すなわち、水素を含むすべての気体の水の中の溶存率は、基本的に溶質、溶媒、圧力、温度が最も大きな影響を及ぼす因子として作用するが、これは平衡状態において該当するのであり、溶質（水素）と溶媒（水）が決定されている状態で瞬間的なまたはその瞬間を持続する時間の中で過飽和される気体の溶存率を高める要素は、気体（水素）と溶液（水）が互いに接触する面積とその接触する時間に比例する。

例えば、同じ体積の水素を発生させる時、水の中で水素は完全な球体ではなくてもほぼ球体に近接した形態を有する。この場合、球体の体積（Ｖ）は下記の数式１、２に示した通り、球体の半径（ｒ）の三乗に比例し、球体の表面積（Ｓ）は球体の半径（ｒ）の二乗に比例する。

＜数式１＞
Ｖ＝４／３×π×ｒ^３、ここでＶは体積である

＜数式２＞
Ｓ＝４×π×ｒ^２、ここでＳは表面積である

一方、もし一つの大きい気体バブル（ｂｕｂｂｌｅ）を同じ大きさを有するｎ個の小さいバブルで割るとすると、一つの大きいバブル（半径ｒ_１、表面積Ｓ_１、体積Ｖ_１）を有するものとｎ個の小さいバブル（同じ大きさの小さいバブルｎ個に発生するという仮定下で、小さいバブルのそれぞれは、半径ｒ_２、表面積Ｓ_２２、ｎ個のバブル表面積の合計Ｓ_２、ｎ個の小さいバブルのそれぞれの体積はＶ_２、小さいバブルの体積の和は大きいバブル一つの体積と同じであるのでＶ）に分かれるとすれば、大きいバブル一つとｎ個の小さいバブルの体積は同じであるので、大きいバブルの半径（ｒ_１）とｎ個の小さいバブルのそれぞれの半径（ｒ_２）は下記の数式３のようになるであろう。

＜数式３＞
ｒ_１ ^３＝ｎ×ｒ_２ ^３（または ｒ_１＝ｎ^１／３×ｒ_２）

これから大きいバブル一つの表面積（Ｓ_１）とｎ個の小さいバブルの表面積の和（Ｓ_２）は、下記の数式４、５を通じて最終的にｎ個の小さいバブルが大きいバブル一つよりｎの２／３乗に比例して大きくなることが分かる。すなわち、同じ体積の水素気体が一つの大きいバブルに比べてｎ個の小さいバブルに分かれた時にその表面積はｎの２／３乗倍だけ増加する。例えば、一つの大きいバブルが、８個、６４個、５１２個の小さいバブルにそれぞれ分かれる時、表面積は４倍、１６倍、６４倍だけ増加するのであり、これは同じ体積の気体が一つの大きいバブルよりも小さいバブルに分かれる時にバブルが小さいほどその表面積が大きく増加することが分かる。

＜数式４＞
Ｓ１＝４×π×ｒ_１ ^３

＜数式５＞
Ｓ_２＝ｎ×Ｓ_２２＝ｎ×４×π×ｒ_２２＝ｎ×４×π×ｎ^−１／３×ｒ_１ ^２＝ｎ^２／３×４×π×ｒ_１ ^２＝ｎ^２／３×Ｓ_１

また、水の中で気体はアルキメデス（Ａｒｃｈｉｍｅｄｅｓ）の原理により浮力を受けるようになり、この浮力は体積が大きいほど大きくなる。動的状態での解析は、その動的状態の状況に応じて多様な多くの要素があるので、溶液（水）内で気体（水素）バブルが発生して浮き上がる時点での最初の浮力だけを比較してみても、一つの大きいバブルとｎ個の小さいバブルに分かれる場合の各浮力は体積に比例して浮力を受けるので、一つの大きいバブルが受ける浮力Ｆ_１とｎ個の小さいバブルのそれぞれが受ける浮力Ｆ_２は、下記の数式６、７を通じてＦ_２とＦ_１の関係はＦ_１がＦ_２よりｎ倍だけもっと大きい力（浮力）を受けることが分かる。すなわち、これは大きいバブルの上昇速度がｎ個の小さいバブルの上昇速度より非常に高いことを意味し、ｎが大きいほど、換言すると、より多くの小さいバブルに分かれるほど相対的に小さいバブルより大きいバブルの上昇速度がさらに速くなることを意味する。また、これは大きいバブルであるほど上昇速度が大きくなることを意味し、これは水素が水の中で接触する時間がｎによって大きな差があることを意味する。

＜数式６＞
Ｆ_１∝Ｖ_１

＜数式７＞
Ｆ_２∝Ｖ_２＝１／ｎ×Ｖ_１

したがって、一つの大きいバブルよりｎ個の小さいバブルに分かれる時、水素気体の溶存のために有する利点が表面積と接触時間の二つの大きな要素においてｎ個の小さいバブルが非常に有用であることを示す。

一方、既存の一般的な中、小型の水素発生装置を利用して水素水を製造する場合、水素の溶存率を高めるためにはポンプなどの追加としての装置の構成が必要となり、この場合、水素発生装置がこれら追加の装置によって大きさが大きくなり、製造費用が多く要され、騒音などの問題が発生する短所がある。

本発明の水素発生装置４００では前記のような水素発生装置に追加としての装着されるポンプのような外部装置を削除し、前述した図１２に図示された気泡発生器３４０のような簡単な機構物を水素を溶存させようとする水の中に入れて相対的に高い水素溶存率を確保することができるようにした。

図１３は本発明の気泡発生器３４０を経て微細なバブル形態の水素気体を外部に射出する様子を概念的に図示した模式図である。

図１３に示したように、本発明の気泡発生器３４０を利用する場合、大気状態では砥石と類似する材質的構成を有する多孔性ノズル部３４４を通過するだけの内部水素圧力ｐ_１で水素が外部に射出する。

前記のような気泡発生器３４０を水の中に入れる場合、水の中での水位に応じて水圧を異なって受けるようになるため、水素気体を射出するためには、下記の数式９のようにｐ_１に水圧（ｐ_ｗ）だけの圧力を足した圧力ｐ_２で水素気体が射出する。

＜数式８＞
ｐ_ｗ＝ρｇｈ ここで、ｐ_ｗは水圧、ρは液体（ここでは水）の密度、ｇは重力加速度、ｈは水位である。

＜数式９＞
ｐ_２≧ｐ_１＋ｐ_ｗ

そして、前記気泡発生器３４０を水の中の底に完全に浸すようにするためには、少なくとも前記気泡発生器３４０の浮力Ｆ_Ｂ以上の重さが要求され、少なくとも泡発生器３４０の浮力と同等な重さが必要である。浮力は流体（ここでは水）に浸った気泡発生器３４０の体積に該当する流体の重さだけの力である。したがって、気泡発生器３４０の全体積をＶ_ｍ、重さをＷ_ｍとし、体積Ｖ_ｍだけの水の重さをＷ_ｗとし、下記の数式１１のようにＷ_ｍを制限して決めると、気泡発生器３４０は水の中の底で揺れ動くようになる。

この場合、揺れの原因は水素気体が気泡発生器３４０から水の中に射出する時、射出する力だけの反作用を気泡発生器３４０に加えるためである。このような揺れは水の中で気泡発生器３４０が決まった一位置で水素を射出するのではなく多様な位置で射出することによって、水の中の全体の水素溶存率を高める役割をする。すなわち、前述した非常に小さいバブルが射出する際に固定されずに水の全体の底面を揺れ動きながら射出することによって、簡単な機構物で最大に水素を溶存させることができるようになるのである。

＜数式１０＞
Ｆ_ｐ２＝ｐ_２×Ｓここで、Ｆ_ｐ２は圧力ｐ_２によって水素が射出する機構物の断面積（Ｓ）に加える力である。

一方、本発明に係る水素発生装置４００は、前述した飲用水や洗浄水などのような水素水の製造以外にも、人または動物の呼吸から４％未満の水素が含まれた空気を吸入できるようにする呼吸用追加装置が適用され得る。

図１４は本発明に係る水素発生装置４００に吸引用マスク３５０を連結して使う様子を、一つの実施例の形態で示している。

図１４に示したように、本発明の水素発生装置４００で発生する水素を人または動物が吸入できる吸入用として使おうとする場合、吸引用マスク３５０と連結されたチューブ３１０を水素発生装置４００の上端に備えられたアダプタキャップ２８０上端の連結口２８２に連結してから前記吸引用マスク３５０を顔に着用した後、水素発生装置４００を作動させて吸引用マスク３５０に排出されて出る水素を空気と混合させて口や鼻で吸入することができる。

すなわち、前記のように、吸引用マスク３５０をチューブ３１０を通じて水素発生装置４００のアダプタキャップ２８０に連結すると、前記水素発生装置４００で発生する水素は大気中に飛散せずに吸引用マスク３５０で集まり、呼吸をする時に前記マスク上に開いた通路を通じて大気中の一般の空気と水素が混じりながら肺に進入させることができる。

公知にされている通り、水素分子はその構成比が一定比率において酸素と反応して非常に大きな爆発力を有した分子であるため、最小の一定比率より低い４％を限界点としてその組成比率を制御するようになると、すなわち４％未満の組成で一般の大気中の空気と混合するのであれば、安定した水素呼吸器として使うことができる。

上述した通り、本発明の水素発生装置４００の上端に備えられたアダプタキャップ２８０部分にチューブ３１０が備えられた簡単な各種機構物を選択的に連結することによって、飲用水、洗浄水などのような水素水の製造が可能であり、４％未満の水素の組成比で空気と混合させて安定した水素呼吸器として使用することができるため、一つの水素発生装置４００に簡単な外部機構物を連結させて多様な用途に合わせて使用することができる。

この時、本発明の水素発生装置４００を通じて水素が含まれた飲用水を製造する場合、前述した洗浄水に応用される場合のように、飲用水の中に水素を射出し得る別途の機構物を投入してもよいが、飲用水が入っているコップなどの密閉した容器内で大きいバブルで射出しても使用者が手で振る簡単な動作だけで飲用水の中の水素の溶存をより高くすることができるため、非常に簡単な水準の機構物の変更だけで呼吸器、飲用水の製造、洗浄水の製造が容易にできる効果を得ることができる。

以上では本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明の範囲はこのような特定の実施例にのみ限定されず、該当分野で通常の知識を有する者であれば本発明の特許請求の範囲内に記載された範疇内で適切に変更が可能であろう。

１００：水素発生モジュール
１１０：水電解部
１２０：固定部
１３０：カバー
２００：貯蔵部
２０６：膨張防止用リブ
２０７：水位センサ
２１０：電源供給部
２０４：水素排出口
２２０：センサ部
２２４：入力部
２２６：表示部
２３０：制御部
２３２：ＬＥＤ基板
２４０：内側フレーム
２４２：隔壁
２４４、２６２：ベントホール
２５０：トップケース
２６０：外部ケース
２７０：ボトムケース
２７２：電源コード
２８０：アダプタキャップ
２８２：連結口
３１０：チューブ
３４０：気泡発生器３
３４２：圧力管
３４３：重量体
３４４：多孔性ノズル部
３５０：吸引用マスク
４００：水素発生装置

Claims (18)

1. 水の電気分解を通じて水素を発生させる水素発生装置において、
   水を電気分解する水電解部と、前記水電解部を固定する固定部と、前記固定部を包み込むカバーと、前記カバーの縁に備えられて前記カバーと貯蔵部との間をシーリングするガスケットが備えられた水素発生モジュールと、
   前記水素発生モジュールに供給される水が貯蔵される貯蔵部と、
   前記水素発生モジュールに電気分解のための電源を常に一定に供給する電源供給部と、
   前記貯蔵部に貯蔵された水の水位と、前記電源供給部の温度を検出するセンサ部と、
   前記センサ部を通じて検出された水の水位および電源供給部の温度に応じて前記電源供給部の動作を制御する制御部と、を含み、
   前記水素発生モジュールは前記貯蔵部の下端に上下方向に沿って挿入する方式で組み立てられ、
   前記貯蔵部の内面は、前記ガスケットを加圧し、
   前記貯蔵部、電源供給部及び制御部は内側フレームに収容されるものの、
   前記貯蔵部の側面のうち前記ガスケットと接する位置に対応する部分には外部に突出する膨張防止用リブが形成され、
   前記膨張防止用リブは前記内側フレームの内部面によって支持されることを特徴とする、水素発生装置。
2. 前記電源供給部は、定電流および定電圧の同時制御を通じて前記水素発生モジュールに常に一定の電圧と電流を供給する、請求項１に記載の水素発生装置。
3. 前記制御部は、前記センサ部から検出された前記貯蔵部内の水の水位が特定の水位以下の場合、前記水素発生モジュールに供給される電源を遮断させるように制御する、請求項１に記載の水素発生装置。
4. 前記制御部は、前記センサ部から検出された前記電源供給部の温度が特定温度以上の場合、前記水素発生モジュールに供給される電源を遮断させるように制御する、請求項１に記載の水素発生装置。
5. 前記制御部は、前記電源供給部から出力する電力が設定値以上または以下と判断される場合、前記電源供給部の動作を停止させて前記水素発生モジュールに供給される電源を遮断させるように制御する、請求項１に記載の水素発生装置。
6. 前記内側フレームの外部を包み込んで設置される外部ケースと、
   入力部と表示部が備えられ、前記内側フレームの上端に結合するトップケースと、
   前記内側フレームの下端に結合するボトムケースと、をさらに含む、請求項１に記載の水素発生装置。
7. 前記貯蔵部の上端には水素が排出される水素排出口が備えられ、前記水素排出口は前記トップケースを貫いて上部側に露出する形態に形成された、請求項６に記載の水素発生装置。
8. 前記トップケースの外部に露出した前記水素排出口上には、チューブの連結のための連結口が形成されたアダプタキャップが着脱可能に結合する、請求項７に記載の水素発生装置。
9. 前記水素発生モジュールは、前記貯蔵部の下端部内に収容されて前記貯蔵部と一体に組み立てられる、請求項６に記載の水素発生装置。
10. 前記内側フレームの内部には、前記貯蔵部が収容される空間と前記電源供給部が収容される空間とを区画する隔壁が設置される、請求項６に記載の水素発生装置。
11. 前記アダプタキャップの連結口には、水の中に浸漬されて水素を微細な気泡の形態で射出する気泡発生器がチューブを介して連結される、請求項８に記載の水素発生装置。
12. 前記気泡発生器は、
    水素気体が流入する流入口が形成された圧力管と、
    前記圧力管の一側に結合する重量体と、
    前記重量体と対向する前記圧力管の他側に固定される多孔性ノズル部と、を含む、請求項１１に記載の水素発生装置。
13. 前記多孔性ノズル部は、前記重量体の重量よりも小さい重量を有する、請求項１２に記載の水素発生装置。
14. 前記アダプタキャップの連結口は、チューブを通じて飲用水内に挿入されたストローと連結されて前記飲用水内に水素気体を放出させる、請求項８に記載の水素発生装置。
15. 前記アダプタキャップの連結口は、チューブを介して吸入用マスクと連結される、請求項８に記載の水素発生装置。
16. 前記固定部と前記カバーとの間をシーリングするガスケットをさらに含み、
    前記ガスケットは縦断面が十字状を有するように形成された、請求項１に記載の水素発生装置。
17. 前記ガスケットの外周面には、上下方向に一定間隔をおいて配置されて前記貯蔵部の内面と密着する複数の翼が備えられた、請求項１に記載の水素発生装置。
18. 前記翼は、一側面が傾斜したノコギリの刃状の断面構造に形成された、請求項１７に記載の水素発生装置。

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