KR101630165B1 - 캐소드 피딩형 수소발생장치 - Google Patents

캐소드 피딩형 수소발생장치 Download PDF

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Abstract

캐소드 피딩형 수소발생장치를 제공한다.
본 발명은 산소극 촉매층과 수소극 촉매층을 양측면에 각각 구비하는 고분자 전해질막과, 상기 산소극촉매층을 매개로 고분자 전해질막의 하부에 적층되고, 산소가 통과하도록 관통형성된 제1개구영역을 구비하는 애노드전극판과, 상기 수소극촉매층을 매개로 고분자전해질막의 상부에 적층되고, 물이 통과하도록 관통형성된 제2개구영역을 구비하는 캐소드전극판을 포함하여 애노드전극판과 캐소드전극판을 통한 전원공급에 의한 물의 전기분해시 수소와 산소를 생성하는 수전해부 ; 상기 제1개구영역과 대응하는 영역에 산소가 통과하도록 관통형성된 제3개구영역을 갖추어 상기 애노드전극판의 하부에 적층되는 제1플레이트와, 상기 제2개구영역과 대응하는 영역에 물이 통과하도록 제4개구영역을 갖추어 상기 캐소드전극판의 상부에 적층되는 제2플레이트를 포함하여 상기 제1,2플레이트사이에 배치되는 수전해부를 위치고정하는 고정부 ; 및 상기 제4개구영역과 대응하는 하부면이 개방되고, 일정랑의 물이 채워져 상기 제2플레이트의 상부에 적층되는 물탱크를 갖추어 상기 수전해부측으로 전기분해용 물을 공급하는 물공급부 ;를 포함하여 상기 캐소드전극판측으로 공급된 물의 전기분해시 수전해부에서 생성되어 공급수와 반대방향으로 상류하는 수소를 수집한다.

Description

캐소드 피딩형 수소발생장치{Cathode Feeding Type Hydrogen Generation Device}
본 발명은 캐소드측으로 물을 공급하면서 수소를 발생시키는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세히는 순수한 물을 전기분해하는 수전해방식으로 수소와 산소를 발생시키는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세히는 공급수를 필요로 하는 애노드 측은 비워놓고 캐소드 측으로만 물을 공급하여 다양한 이점을 얻을 수 있고, 구성부품을 최적화시켜 에너지효율을 높일 수 있는 캐소드 피딩형 수소발생장치에 관한 것이다.
수소는 최근 청정 에너지원을 비롯한 다양한 사용으로 인해 크게 주목받고 있으며 이러한 수소를 효율적으로 제조할 수 있는 방법이 국내는 물론 세계적으로도 다양하고 심도있게 연구되고 있다.
일반적으로 수소를 제조하는 방법에는 메탄가스 등의 화석연료를 수증기 개질하여 얻은 후 이를 정제하여 사용하는 방식이 주종을 이루고 있으나, 최근에는 화석연료의 유한성과 환경문제를 극복하고자 물을 전기분해하는 수전해를 이용하는 방식을 적극적으로 개발하여 적용하고 있다.
즉, 물을 전기분해하여 수소를 얻는 방법으로는 알칼리 수용액을 전해질로 하는 알칼리 수전해 방식이 대표적이나 이러한 방법은 많은 단점을 가지고 있는데, 알칼리 수전해 방식으로 제조되는 수소는 순도가 낮기 때문에 정제공정을 추가로 필요로 하고, 산소와 수소를 분리하는 공정이 필요하고, 수용액 상태의 전해질을 지속적으로 보충해야만 하는 공정관리가 필요하고 수용액 전해질에 의해서 전극 및 구성부품을 부식시키는 주요원인으로 작용하여 장치관리를 엄격하게 관리해야만 하는 한편, 장치운영시 성능 면에서도 전류밀도가 높지 않아 장치의 크기에 비하여 수소생산 효율이 크게 떨어지는 편이며, 일정전류에서 전압도 비교적 높아 전력소모가 다른 방식에 비하여 상대적으로 많은 편이다.
이에 비해 최근 각광을 받고 있는 고분자 전해질 수전해 방식은 알칼리 수전해 방식의 단점을 대부분 보완하고 있으며, 고분자 전해질 수전해방식으로 제조되는 수소는 미량의 수분 이외에 불순물이 거의 없기 때문에 별도의 정제공정이 불필요하고 전해질이 고체상으로서 관리가 불필요할 뿐만 아니라 순수한 물을 공급원으로 사용하기 때문에 장치를 부식시키는 문제가 거의 발생하지 않는 한편, 장치 운영시 에너지 효율면에 있어서도 알카리 수전해 방식에 비하여 전류밀도가 높고 전력소모도 낮은 편이다.
이와 더불어, 높은 압력에서도 수전해가 잘 일어나 추가적인 압축장치 없이도 고압의 수소를 제조할 수 있는 장점이 있다.
종래 고분자 전해질 수전해 방식으로 수소를 제조하기 위해서 공급되는 물은 산화반응이 일어나는 애노드로 공급되어 산소를 발생시키고 수소이온은 전해질 막을 통과하여 캐소드로 이동한 후 환원반응을 통해 수소를 발생시킨다.
이때, 고분자 전해질 막을 통과하는 수소이온은 수화된 상태로 이동하게 되는데 결과적으로 캐소드전극 측에 물 분자를 운반하는 역할을 하게 되어 캐소드전극 측에 물이 차오르게 됨에 따라 캐소드전극에 점차 쌓이는 물을 주기적으로 배출해야하는 번거로움이 있으며 이에 따라 장치가 복잡해지고 애노드전극 측의 공급수 소모가 많아지는 단점이 있었다.
도 1은 종래 애노드 피딩 방식의 수전해방식에서 고분자 전해질막(11)의 양측면에 제1,2촉매층(12,13)을 매개로 하여 애노드전극(14)과 캐소드전극(15)이 각각 접합된 막-전극 접합체(10)의 단면을 통해 반응 및 이동하는 물질의 흐름을 나타낸 것이다.
즉, 애노드전극(14)으로 공급된 물은 제1촉매층(12) 표면에서 하기 반응식 1과 같이 산화되어 산소와 전자가 방출되고, 수소이온은 물과 더불어 고분자 전해질 막(11)을 통해 캐소드전극(15)측으로 이동한다.
이때, 수소이온은 수화된 상태로 이동하여 애노드전극(14)측으로부터 유입되는 물을 캐소드전극(15)으로 운반시키는 역할을 하게 되며, 상기 캐소드전극(15)으로 도달한 수소이온과 전자는 제2촉매층(13)의 표면에서 하기 반응식 2에 의하여 수소가 발생하고 함께 이동된 물을 방출한다.
따라서, 상기 캐소드 측에는 물의 전기분해시 끊임없이 발생하는 물이 점차 쌓이게 되어 이러한 물을 외부로 배출하는 장치가 반드시 필요하게 된다.
<반응식 1>
H2O → 2H+ + 1/2O2 + 2e- (산소극)
<반응식 2>
2H+ + 2e-→ H2 (수소극)
대한민국 등록특허 10-0896900호에는 캐소드전극에 점차 쌓이는 물을 주기적으로 배출해야하는 번거로움과 애노드전극 측의 공급수 소모가 많아지는 문제점들을 해결할 수 있는 장치가 개시되어 있다.
그러나, 이러한 장치는 부품설계의 최적화를 통해 캐소드 피딩 방식의 수전해 효율을 높이고, 에너지 효율, 성능 및 내구성을 향상시켜 장치의 가격을 낮추어 가격경쟁력을 높이는데 한계가 있을 뿐만 아니라 다양한 응용기기에 수소발생용 전용모듈로서 전용하여 사용하기 곤란하였다.
따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 고분자전해질 수전해 방식에서 애노드 전극을 통한 물공급을 위한 물공급 시스템과 캐소드전극에 설치되던 배출수 관리 시스템을 캐소드전극 측에서 물을 공급하는 시스템만으로 대체하여 전체적인 구성을 단순화하고, 구성부품의 설계를 최적화하여 에너지효율을 높일 수 있고, 제조원가를 절감할 수 있는 한편, 수소발생의 전용모듈로서 다양한 응용기기에 적용할 수 있는 캐소드 피딩방식 수소발생장치를 제공하고자 한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로서 본 발명은, 산소극 촉매층과 수소극 촉매층을 양측면에 각각 구비하는 고분자 전해질막과, 상기 산소극촉매층을 매개로 고분자 전해질막의 하부에 적층되고, 산소가 통과하도록 관통형성된 제1개구영역을 구비하는 애노드전극판과, 상기 수소극촉매층을 매개로 고분자전해질막의 상부에 적층되고, 물이 통과하도록 관통형성된 제2개구영역을 구비하는 캐소드전극판을 포함하여 애노드전극판과 캐소드전극판을 통한 전원공급에 의한 물의 전기분해시 수소와 산소를 생성하는 수전해부 ; 상기 제1개구영역과 대응하는 영역에 산소가 통과하도록 관통형성된 제3개구영역을 갖추어 상기 애노드전극판의 하부에 적층되는 제1플레이트와, 상기 제2개구영역과 대응하는 영역에 물이 통과하도록 제4개구영역을 갖추어 상기 캐소드전극판의 상부에 적층되는 제2플레이트를 포함하여 상기 제1,2플레이트사이에 배치되는 수전해부를 위치고정하는 고정부 ; 및 상기 제4개구영역과 대응하는 하부면이 개방되고, 일정랑의 물이 채워져 상기 제2플레이트의 상부에 적층되는 물탱크를 갖추어 상기 수전해부측으로 전기분해용 물을 공급하는 물공급부 ;를 포함하여 상기 캐소드전극판측으로 공급된 물의 전기분해시 수전해부에서 생성되어 공급수와 반대방향으로 상류하는 수소를 수집하는 것을 특징으로 하는 캐소드 피딩형 수소발생장치를 제공한다.
바람직하게, 상기 제1플레이트의 제3개구영역은 사각판상의 고분자전해질막과 대응하는 사각 관통홀로 형성되고, 상기 사각 관통홀의 내부에는 개구통로를 형성하도록 서로 엇갈리면서 상기 애노드전극판과 접하여 수전해부를 지지하는 복수개의 제1지지리브를 포함하고, 상기 제2플레이트의 제4개구영역은 사각판상의 고분자전해질막과 대응하는 사각 관통홀로 형성되고, 상기 사각 관통홀의 내부에는 개구통로를 형성하도록 서로 엇갈리면서 상기 캐소드전극판과 접하여 상기 수전해부를 지지하는 복수개의 제2지리리브를 포함한다.
바람직하게, 상기 애노드전극판과 마주하는 제1플레이트는 일측면에 상기 애노드전극판의 외측테두리와 접하면서 상기 제2플레이트에 함몰형성된 조립홈에 대응결합하도록 돌출형성되는 복수개의 조립리브를 구비하며, 상기 캐소드전극판과 마주하는 제2플레이트는 일측면에 상기 캐소드전극판의 외측테두리와 접하도록 상기 조립리브가 대응결합하도록 함몰형성되는 복수개의 조립홈을 구비한다.
바람직하게, 상기 복수개의 조립리브 중 어느 하나 그리고, 상기 복수개의 조립홈 중 어느 하나는 상기 제1,2플레이트간의 상하결합시 방향성을 갖도록 나머지 조립리브의 폭보다 상대적으로 작은 폭크기를 갖는 위치결정용 조립리브 및 위치결정용 조립홈으로 구비된다.
더욱 바람직하게, 상기 위치결정용 조립리브 및 위치결정용 조립홈은 상기 애노드전극판과 캐소드전극판의 각 외측테두리로부터 일정길이 연장되어 외부전원과 연결되는 전원연결부와 대응한다.
바람직하게, 상기 물탱크와 제2플레이트사이 그리고 상기 제2플레이트와 캐소드전극판사이 그리고 상기 캐소드전극판과 고분자전해질막사이에는 상기 수전해부측으로 하향공급되는 물과 상기 수전해부에서 생성되어 상향배출되는 수소의 외부유출을 방지할 수 있도록 제1,2 및 3가스켓을 각각 구비한다.
바람직하게, 상기 물탱크는 상기 수전해부의 전극면적과 같거나 상대적으로 작은 면적을 갖는 개구부를 구비하고, 상긱 개구부를 통해 상기 수전해부측으로 공급되는 공급수는 10cc 이상 50cc 이하 유지함으로써, 수전해시 발생하는 전기에너지의 손실 중 일부를 단시간에 열에너지로 회수하여 사용한다.
바람직하게, 상기 애노드전극판의 제1개구영역과, 상기 캐소드전극판의 제2개구영역은 티타늄소재의 전극판에 관통형성되는 복수개의 관통홀에 의해서 형성되고, 상기 관통홀의 내경크기와, 서로 인접하는 관통홀간의 폭크기의 비는 2:1 로 설정된다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 종래 애노드측에서 공급수를 공급하는 방식에서 필수적으로 해결해야만 했던 수소측 배출수에 대한 관리가 불필요하고, 배출수를 처리하기 위한 별도의 구조물이 불필요해지면서 전체적인 구조가 단순해지고, 소형화될 수 있는 한편, 공급수의 소모가 적어 관리유지가 용이한 효과가 얻어진다.
(2) 전극판에 개구영역을 형성하는 관통홀의 형상 및 크기 및 개구면적을 최적화하여 보다 높은 에너지 효율을 얻을 수 있고, 성능 및 내구성을 향상시켜 장치의 가격을 절감하여 가격경쟁력을 높일 수 있을 뿐만 아니라 다양한 시스템 내에 장착되는 수소발생모듈로서도 적용하여 응용 및 사용하기 편리해지는 효과가 얻어진다.
도 1은 종래기술에 따른 애노드피딩방식 고분자전해질막 수소발생장치에서의 전기분해시 반응상태를 도시한 개략도이다.
도 2은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캐소드 피딩형 수소발생장치에서의 전기분해시 반응상태를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캐소드 피딩형 수소발생장치를 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캐소드 피딩형 수소발생장치를 도시한 외관도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캐소드 피딩형 수소발생장치에 채용되는 전극판에 사각, 원형의 관통홀을 형성한 상태를 도시한 평면도이다.
도 6a 내지 도 6d 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캐소드 피딩형 수소발생장치에 채용되는 제1플레이트를 도시한 사시도, 평면도, 측면도 및 배면도이다.
도 7a 내지 도 7d 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캐소드 피딩형 수소발생장치에 채용되는 제2플레이트를 도시한 사시도, 평면도, 측면도 및 배면도이다.
도 8 내지 도 8d 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캐소드 피딩형 수소발생장치에 채용되는 물탱크를 도시한 사시도, 저면도, 측면도 및 정면도이다.
도 9a 와 도 9b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캐소드 피딩형 수소발생장치에서 물탱크를 통한 공급수 공급방식의 다양한 형태를 도시한 개략도이다.
도 10a 와 도 10b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캐소드 피딩형 수소발생장치에서 공급수의 부피에 따라 수전해 에너지효율이 변하는 것을 측정하기 위한 실험구조를 나타낸 것이다.
도 11a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캐소드 피딩형 수소발생장치에서 공급수의 부피에 따라 변하는 전류와 전압간 상관관계를 도시한 그래프이다.
도 11b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캐소드 피딩형 수소발생장치에서 공급수의 부피에 따라 변하는 전류와 온도간 상관관계를 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캐소드 피딩형 수소발생장치에서 전극판에 관통형성되는 관통홀의 형상에 따라 전류-전압간의 상관관계를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 구조 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캐소드 피딩형 수소발생장치(100)는 도 2 내지 도 8d 에 도시한 바와 같이, 캐소드전극판 측으로 하향 공급되는 물의 전기분해시 생성되는 수소를 하향공급되는 공급수의 방향과 반대방향으로 상향 배출한 다음 수집하여 재이용할 수 있도록 수전해부(110), 고정부(120) 및 물공급부(130)를 포함한다.
상기 수전해부(110)는 일측면인 하부면에 산소극촉매층(112)을 형성하고, 타측면인 상부면에 수소극촉매층(113)을 형성하여 상하 양측면에 산소극측매층(112)과 수소극촉매층(113)을 각각 구비하는 고분자전해질막(111)을 포함한다.
상기 고분자전해질막(111)의 하부에는 상기 산소극촉매층(112)을 매개로 하여 애노드전극판(114)을 적층배치하고, 이러한 애노드전극판(114)은 물의 전기분해시 발생하는 산소가 하향 통과하도록 관통형성된 일정크기의 제1개구영역을 구비한다.
상기 고분자전해질막(111)의 상부에는 상기 수소극촉매층(113)을 매개로 하여 캐소드전극판(115)을 적층배치하고, 이러한 캐소드전극판(115)은 전기분해를 위한 공급수인 물이 하향 통과함과 동시에 물의 전기분해시 발생하는 수소가 상향 통과하도록 관통형성된 일정크기의 제2개구영역을 구비한다.
여기서, 상기 제1개구영역 또는 제2개구영역은 사각 또는 원형의 형상으로 금속판에 관통되는 복수개의 관통홀(114a,115a)에 의해서 각각 형성되는 것이 바람직하다.
이에 따라, 도면상 상부층인 상기 캐소드전극판(115)측으로 자중에 의해서 하향 공급된 물은 고분자전해질막(111)을 통과하여 애노드전극판과 고분자전해질막사이에 개재된 산소극촉매층(112)의 표면까지 도달한 다음, 반응식 1과 같은 산화반응을 통하여 산소와 전자가 생성되어 방출되며, 수소이온은 고분자전해질막(111)을 통해 캐소드전극판(115)측으로 이동한다.
그리고, 상기 수소이온은 역시 수화된 상태로 이동하게 되며, 상기 캐소드전극판(115)과 고분자전해질막(111)사이에 개재된 수소극촉매층(113)의 표면에 도달한 수소이온과 전자는 반응식 2의 환원반응을 통하여 수소가 발생하게 되고, 발생된 수소는 캐소드전극판(115)을 통해 물과 더불어 방출한다.
이때, 상기 캐소드전극판(115)을 통해 상부로 방출되는 물은 본래 캐소드전극판을 통해 하향 공급된 물이기 때문에 겉보기에 변화가 나타나지 않으며 상기 캐소드전극판 측으로 공급된 공급수는 오직 수전해 반응에 의해 소모된 양만큼만 소모되어 줄어들게 된다.
한편, 상기 애노드전극판(114)과 캐소드전극판(115)은 외부전원의 양극과 음극이 각각 전기적으로 연결될 수 있도록 외측으로 일정길이 연장되어 상기 고정부의 외측으로 돌출되는 전원연결부(114b,115b)를 각각 구비한다.
상기 고정부(120)는 상기 캐소드전극판(115)을 통해 하향 공급되는 공급수에 대한 전기분해를 수행하는 수전해부(110)를 위치고정하는 제1플레이트(121)와 제2플레이트(125)를 포함한다.
상기 제1플레이트(121)는 상기 애노드전극판에 관통형성된 제1개구영역과 대응하는 영역에 수전해시 발생된 산소가 하향 통과하여 배출하도록 관통형성된 일정크기의 제3개구영역(122)을 몸체 중앙영역에 관통하여 상기 애노드전극판(114)의 하부에 적층되는 사각판상의 판구조물이다.
상기 제2플레이트(125)는 상기 캐소드전극판에 관통형성된 제2개구영역과 대응하는 영역에 수전해시 발생되는 수소가 상향통과함과 동시에 하향공급되는 공급수가 자연스럽게 통과될 수 있도록 일정크기의 제4개구영역(126)을 갖추어 상기 캐소드전극판(115)의 상부에 적층되는 사각판상의 판구조물이다.
이에 따라, 상기 캐소드전극판(115), 고분자전해질막(111) 및 애노드전극판(114)이 물의 공급방향인 수직방향으로 다층으로 적층된 수전해부(110)는 상기 제1플레이트(121)와 제2플레이트(125)사이에 개재되어 위치고정되는 것이다.
여기서, 상기 제1플레이트(121)의 제3개구영역(122)은 사각판상의 고분자전해질막과 대응하는 사각 관통홀로 형성되고, 상기 사각 관통홀의 내부에는 개구통로를 형성하도록 서로 엇갈리면서 상기 수전해부의 일측면인 애노드전극판과 접하여 지지하는 복수개의 제1지지리브(122a)를 포함한다.
상기 제2플레이트(125)의 제4개구영역(126)은 사각판상의 고분자전해질막과 대응하는 사각 관통홀로 형성되고, 상기 사각 관통홀의 내부에는 개구통로를 형성하도록 서로 엇갈리면서 상기 수전해부의 타측면인 캐소드전극판과 접하여 지지하는 복수개의 제2지리리브(126a)를 포함한다.
그리고, 상기 제3개구영역(122)과 제4개구영역(126)에 각각 구비되는 상기 제1지지리브(122a)와 제2지지리브(126a)에 의해서 상기 사각 관통홀을 관통형성한 제1,2플레이트의 형태를 안정적으로 유지할 수 있는 것이다.
또한, 상기 애노드전극판(114)과 마주하는 제1플레이트(121)는 일측면인 상부면에 상기 애노드전극판의 외측테두리와 접하면서 상기 제2플레이트(125)에 함몰형성된 조립홈(128)에 대응결합하도록 돌출형성되는 복수개의 조립리브(124)를 구비하며, 상기 캐소드전극판(115)과 마주하는 제2플레이트(125)는 일측면인 하부면에 상기 캐소드전극판의 외측테두리와 접하도록 상기 제1플레이트에 돌출형성된 조립리브(124)가 대응결합하도록 함몰형성되는 복수개의 조립홈(128)을 구비한다.
이에 따라, 상기 제1,2플레이트(121,125)사이에 개재되는 애노드전극판과 캐소드전극판은 상기 조립홈에 대응조립되는 조립리브와의 간섭에 의해서 상기 애노드전극판과 캐소드전극판에 형성된 제1,2개구영역의 중심과 상기 제3,4개구영역의 중심이 일치하도록 위치고정되는 것이다.
여기서, 상기 제3개구영역(122)의 외측에 돌출형성되는 복수개의 조립리브(124) 중 어느 하나 그리고, 상기 제4개구영역(126)의 외측에 함몰형성되는 복수개의 조립홈(128) 중 어느 하나는 상기 제1,2플레이트간의 상하결합이 방향성을 갖추어 이루어질 수 있도록 나머지 조립리브와 조립홈의 폭보다 상대적으로 작은 폭크기를 갖는 위치결정용 조립리브 및 위치결정용 조립홈으로 구비되는 것이 바람직하며, 이러한 위치결정용 조립리브 및 위치결정용 조립홈은 상기 애노드전극판과 캐소드전극판의 각 외측테두리로부터 일정길이 연장되는 전원연결부와 대응하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제1,2플레이트(121,125)는 고정용 체결부재가 체결되어 결합되도록 제1,2체결공(123b,127b)를 각 모서리에 형성함으로써 상하적층되는 제1,2플레이트는 서로 일치되는 제1,2체결공을 통해 체결되는 고정용 체결부재에 의해서 상하 결합되는 것이다.
상기 물공급부(130)는 상기 제2플레이트(125)의 일측면인 상부에 수직하게 적층배치되어 일정량의 물이 채워지는 물탱크(131)를 갖추고, 이러한 물탱크(131)는 제2플레이트(125)에 형성된 제4개구영역을 통해 공급수를 하향 공급하도록 상기 제4개구영역과 대응하는 하부면이 개방된 개구부(134)를 구비하여 상기 수전해부(110)측으로 전기분해용 물인 공급수를 공급하는 것이다.
상기 물탱크(131)는 외부로부터 수전해용 공급수인 물이 공급되는 물공급구(133)와 수전해시 발생하는 수소가 배출되는 수소배출구(132)를 일측면에 각각 구비하고, 상기 제4개구영역(126)과 대응하는 하부면에 일정크기의 개구부(134)를 개구형성한 박스형 탱크부재로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 물탱크(131)는 상기 제1,2플레이트(121,125)에 관통형성된 제3,4체결공(123a,127a)을 통해 체결되는 다른 고정용 체결부재에 의해서 상기 고정부(120)의 제2플레이트(125)의 상부면에 수직하게 조립되도록 외측테두리에 상기 제3,4체결공(123a,127a)과 일치하는 복수개의 제5체결공(137)을 구비한다.
그리고, 상기 물탱크(131)와 제2플레이트(125)사이 그리고 상기 제2플레이트(125)와 캐소드전극판(115)사이 그리고 상기 캐소드전극판(115)과 고분자전해질막(111)사이에는 상기 수전해부측으로 하향공급되는 물과 상기 수전해부에서 생성되어 상향배출되는 수소의 외부유출을 방지할 수 있도록 제1,2 및 3가스켓(116,117,138)을 각각 구비한다.
이에 따라, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캐소드 피딩형 수소발생장치는 종래의 애노드 피딩 방식에서 필수적으로 해결해야만 했던 수소측에서 발생하는 배출수 관리가 불필요하여 전체적인 구조를 단순화할 수 있으며, 상기 물탱크를 통해 수전해부측으로 공급되는 공급수의 소모가 적어 장치가 단순해지는 한편, 소형화될 수 있어 장치의 가격을 절감할 수 있을 뿐 아니라, 여러 가지 시스템 내에 장착되는 수소발생모듈로서도 사용하기 편리한 효과가 있다.
한편, 캐소드 피딩방식의 단점인 낮은 한계전류밀도를 극복하지 않으면 수소의 발생량을 증가시키기 위하여 전류밀도를 높여야 할 필요가 있을 때 캐소드전극판을 통해 고분자전해질막(111)을 통과하여 애노드전극판으로 이동하는 물의 이동속도가 느려지면서 상기 전원연결부를 통해 공급되는 전압이 급격히 증가하는 현상이 발생한다. 이러한 영역에서 가동을 하게 되면 에너지효율이 매우 낮아지고 안전에 이상이 생길 수도 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에서는 상기 물탱크(131)의 부피를 최소화하여 공급수의 부피를 줄임으로써, 상기 수전해부에서의 수전해시 전기에너지 손실에 의해 발생되는 열에너지의 대부분을 수전해 반응에 도움이 되는 열로 즉시 회수하여 사용함으로써 다시 전기에너지의 효율을 높이는 방안을 고안하였다.
즉, 상기 수전해부(110)측으로 공급수를 하향공급할 수 있도록 고정부(120)의 직상부에 설치되어 일정량의 물이 채워지는 물탱크(131)는 수전해시 필요로 하는 물의 용량을 감안하여 상당한 부피의 물을 채우게 된다.
예를 들어 공급수 자체를 수소수로 만들어 사용하고자 하는 경우, 제조하고자 하는 수소수의 양만큼의 물을 채우게 되며, 애노드 피딩이나 캐소드 피딩을 막론하고 시스템의 구조 등 여러 가지 이유로 물탱크의 부피가 커지면, 자연히 전극과 접촉되는 공급수의 부피가 커지게 된다.
본 발명의 실시예에서는 상기 물탱크의 개구부를 통하여 하향공급되는 물공급면적은 상기 수전해부의 캐소드, 애노드전극판에 형성된 제1,2개구영역 및 상기 고분자전해막의 양측면에 형성된 수소극,산소극촉매층의 면적이 같거나 상대적으로 작은 면적을 갖도록 형성하고, 상기 개구부를 통하여 하향공급되는 공급수의 양을 10cc 내지 50cc 이하 정도로 유지함으로서, 수전해 시 전기에너지의 손실 중 일부를 단시간에 열에너지로 회수할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이를 위해서, 상기 물탱크(131)는 도 9a 에 도시한 바와 같이, 내부에 채워지는 공급수를 수동으로 보충할 경우 밸브를 열고 약 50cc 이하의 공급수 부피가 되도록 채운 후 밸브를 닫고 사용하는 것이다.
또한, 도 9b 에 도시한 바와 같이, 상기 물탱크에 자동으로 공급수를 보충하고자 하는 경우, 상기 물탱크는 상기 물공급구(133)와 연통연결되고, 수위조절장치를 갖는 보충물탱크(139)와 별도로 연결된 다음 상기 보충물탱크의 수위와 상기 물탱크의 수위가 같아지도록 상기 수위조절장치에 의해서 수위를 일정하게 맞추어 놓으면, 상기 수전해부측으로 공급되어 수소발생을 위해서 소모되는 미소량의 물만큼만 별도의 보충물탱크에서 자동으로 보충이 되기 때문에 온도변화에는 그 영향이 거의 없게 된다.
그리고, 과전압에 의하여 손실되는 전기에너지는 대부분 열에너지로 변환되며, 이때 발생하는 열은 전극판과 접촉되는 공급수의 온도를 상승시킨다.
이러한 경우, 상기 물탱크를 통해 하향 공급되는 공급수의 부피 및 유량이 작기 때문에 단시간에 공급수의 온도가 올라가고 이는 다시 접촉되어 있는 캐소드전극판의 온도를 유지시키는 역할을 한다.
이에 따라, 높은 온도로 유지되는 막-전극접합체에 의하여 물의 이동속도가 빨라지고 에너지효율이 높아지게 되며, 이러한 에너지효율이 높아진다는 것은 일정 전류밀도에서 과전압이 감소하는 것이기 때문에 공급수의 온도가 계속 상승하지 않고 일정수준에서 멈추게 되는 것이다.
한편, 상기 수전해부에서 필요한 최소에너지는 표준상태에서 엔탈피가 286 kJ/mol(수전해시 1.48 V의 전압에 상당)이고, 자유에너지가 237 kJ/mol(수전해시 1.23 V의 전압에 상당)이므로 49 kJ/mol(수전해 시 0.25 V의 전압에 상당)의 차이가 있다. 이러한 차이는 엔트로피와 관계된 것으로서, 열에너지로 공급되는 편이 유리하다.
또한, 고분자전해질막으로 사용되는 나피온 멤브레인은 섭씨 약 80℃에서 이온전도도가 가장 좋아 상온에서 별도의 히터를 사용하지 않을 경우 옴저항에 의한 전력소모가 많아진다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 고안한 방식으로 전기에너지 손실을 열에너지로 사용할 경우 상기 설명한 메커니즘들의 복합작용에 의해 캐소드 피딩 방식에 따른 낮은 한계전류밀도의 문제를 해결할 수 있다.
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에서 도 10a 에 도시한 바와 같이, 상기 물탱크의 물공급구(133)는 물이 자동으로 공급되면서 수위를 일정하게 유지할 수 있도록 수위조절장치를 갖는 보충물탱크(139)와 연통연결하고, 상기 물탱크의 수위를 수소가 배출되는 수소배출구(132)와 물공급구(133)사이에 맞추어 물의 흐름 없이 수전해를 실시한 다음, 전압과 전류와 온도와의 관계를 도출하였다.
이와 동시에 실험의 비교예로서 도 10b에 도시한 바와 같이, 상기 물탱크의 수위가 수소배출구(132)와 대응하도록 보충물탱크(139)의 설치위치를 높여 별도의 물탱크의 수위를 높여 수소의 움직임에 따라 물의 순환이 이루어져 다량의 공급수를 사용하는 결과가 되어 본 발명의 효과가 없는 상태의 수전해 결과와 비교하였다.
이러한 실험을 위해서 막-전극 접합체(MEA)를 별도로 제작하였으며, 이러한 막-전극 접합체(MEA)는 가로,세로 각각 3cm의 전극(활성면적: 9 cm2)과 고분자전해질로 Nafion 115를 사용하였다.
애노드 전극인 산소극촉매층은 소결 압축된 티타늄 섬유위에 2.0 mg/cm2 의 이리듐 촉매를 나피온 용액과 혼합한 잉크를 만들어 스프레이 코팅하고, 캐소드 전극인 수소극촉매층은 카본페이퍼 위에 0.4 mg/cm2 의 백금 촉매를 나피온 용액과 혼합한 잉크를 만들어 스프레이 코팅하였다.
상기와 같이 애노드 전극인 산소극촉매층과 캐소드 전극인 수소극촉매층을 각각 제작한 후 전처리 된 Nafion 115인 고분자전해질막을 양전극의 사이에 두고 섭씨 140 도에서 50 기압의 압력으로 열압착하여 막-전극 접합체(MEA)를 제작하여 사용 하였다.
측정 결과 도 11a에 도시한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예인 물의 순환이 없어 전기에너지의 손실을 열에너지로 회수한 실험에서는 도 11a의 사각형으로 표시된 전압-전류 곡선과 같이 캐소드 피딩에서의 낮은 한계전류밀도를 극복하고 매우 안정적이고 에너지효율이 높은 특성을 나타내었다.
반면에, 물이 순환되어 전기에너지의 손실이 열에너지로 빨리 회수되지 못한 경우는 도 11a의 원으로 표시된 전압-전류 곡선과 같이 전류 3A를 넘으면서 전압이 급격하게 높아져 불안정하고 에너지효율이 낮은 특성을 나타냄을 알수 있었다.
이러한 차이는 도 11b에서 표시된 바와 같이 상기 물탱크에 구비된 온도계(138)로 측정되는 공급수의 온도변화와 연관이 됨을 알 수 있다.
즉, 본 실험에서 사용된 수소발생장치는 전류가 3A를 넘어서면서 캐소드 피딩에 따른 에너지효율 저하가 관찰되었으며, 이때 전기에너지 손실이 50cc 이하 부피의 공급수 사용으로 짧은 시간 내에 온도를 증가시켜 에너지효율을 극대화하는 효과를 보여 주었다.
공급수의 부피가 크거나 본 실험에서와 같이 순환을 통해 큰 부피의 공급수와 혼합이 되어 온도상승이 도 11b의 원으로 표시된 온도증가와 같이 그 증가량이 크지 않을 경우 에너지효율은 전류밀도가 높아질수록 더욱더 낮아짐을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예인 캐소드 피딩형 수소발생장치에서 공급수가 애노드전극인 산소극촉매층의 촉매 표면까지 원활하게 도달하기 위해서는 유체의 이동통로를 최적화해야 한다.
상기 물탱크를 통해 하향공급되는 공급수는 캐소드 측 제2플레이트(125)의 제4개구영역(126)을 통해 캐소드 측 캐소드전극판(115)의 제2개구영역을 지나 수소극촉매층을 갖는 고분자전해질막에 흡수된 후 산소극촉매층의 촉매 표면에서 반응하여 소모된다.
이러한 반응과정에서 문제가 될 수 있는 부분은 캐소드측에서 발생된 수소가 캐소드 측 캐소드전극판(115)의 개구영역을 상향 통과할때, 이를 통해 하향공급되는 공급수의 흐름을 방해할 수 있다.
상기 캐소드전극판(115)은 공급수의 하향공급과 수소의 상향배출뿐 아니라 캐소드 전극인 수소극촉매층에 전자를 균일하게 공급하는 역할을 해야 함에 따라, 캐소드판(115)은 이러한 세 가지 기능을 동시에 만족시킬 수 있는 최적화 된 개구영역에 구비된 관통홀(115a)의 형상과 치수의 결정이 필요하다.
즉, 티타늄소재로 이루어지는 캐소드, 애노드전극판(114,115)에 각각 관통형성된 관통홀(114a,115a)의 형상은 대체적으로 다수의 원형을 사용하고 치수는 다양한 범위의 직경을 채택하고 있다.
또한, 티타늄소재의 전극판 대신에 메쉬형태 전극을 선택하여 사용할 수 있지만 메쉬형태 전극은 공급수 및 수소와 같은 유체의 흐름에는 좋은 결과를 보이나 실링과 전원공급 부분에서 그 자체로 완전한 구조를 만들기 어려운 단점이 있기 때문에 복수개의 관통홀을 관통형성하여 개구영역을 형성하는 티타늄소재의 전극판을 채용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 공급수의 하향공급이 애노드 피딩에 비해 더욱 중요하기 때문에 개구영역의 면적이 상대적으로 넓어서 물의 공급과 수소의 배출이 원활하면서도 전자를 균일하게 공급할 수 있는 사각형의 관통홀 형상을 제작하여 원형의 관통홀 형상과 성능을 비교하였다.
또한, 관통홀에 의해서 형성되는 개구영역과, 비개구영역간의 상대적 치수가 성능에 미치는 영향을 실험을 통하여 확인한 후 최적의 치수를 결정하였다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 실험을 실시한 전극판에 관통형성된 관통홀의 종류는 하기의 표 1과 같으며 각각의 모양은 도 5과 같다.
하기 표 1에서 유효면적이란 물이 공급되어야할 전체 전극면적에서 전극판의 평탄한 지지를 위해 적용하는 제1,2플레이트의 골격에 의해 막힌 면적을 뺀 나머지 면적을 지칭한다.
관통홀의 형상 관통홀의 내경크기과, 인접하는 관통홀간의 폭크기간의 비 유효면적 내의 개구영역과 비개구영역간 면적의 비
실시예 1 정사각형 2:1 0.8000:1
실시예 2 원형 2:1 0.5358:1
실시예 3 정사각형 2:1.5 0.4848:1
상기와 같이 제작된 막-전극 접합체와 상기 표 1과 같이 제작된 전극판 중 한 쌍을 도 4와 같이 체결한 후 상기 물탱크에 증류수 20 cc를 채우고 물의 흐름이 없는 상태에서 전압-전류 실험을 상기 표 1에 있는 전극판의 종류에 따라 각각 실시하였다.
도 12에 나타난 결과를 보면 정사각형의 관통홀에 의해서 전극판의 개구영역을 형성한 경우, 사각형으로 표시된 실시예 1의 결과는 측정의 전 구간에서 매우 안정적인 성능을 보여주고 있으며 이는 충분히 넓은 개구영역의 면적과 특히 정사각형의 관통홀의 형태가 물의 공급, 발생수소의 배출, 전자의 균일한 공급을 동시에 만족시킨 결과로 볼 수 있다.
도 12에서 원으로 표시된 실시예 2와 삼각형으로 표시된 실시예 3은 낮은 전류밀도 조건에서는 실시예 1과 비슷한 결과를 보였으나 전류밀도가 증가하면서 전압이 상대적으로 높아지는 것을 볼 수 있었다.
이는 표 1에서 보이듯이 개구영역의 면적이 비개구영역에 비해 매우 작아 전류밀도에 비례하는 수소발생량이 어느 정도 커지면 개구영역을 통하여 올라가는 발생수소의 흐름이 역시 개구영역을 통하여 내려오는 물의 흐름을 방해함으로써 상호 유체의 흐름이 원활하지 못한 결과로 볼 수 있다.
전자의 공급은 비개구영역을 통하여 이루어지므로 실시예 2와 3이 실시예 1보다 유리한 조건이지만 전류밀도가 증가하면 반응을 제어하는 인자가 유체의 흐름이 되기 때문에 실시예 2와 3의 비개구영역 면적은 상기 실험 결과에 비추어 볼 때 불필요하게 큰 것으로 결론지을 수 있다.
그러나, 개구영역의 면적만으로 보았을 때 실시예 2와 실시예 3의 성능 측정 결과는 도 12에서 보이듯이 그 차이가 미미하고 오히려 개구영역의 면적이 약간 작은 실시예 3의 결과가 약간 우수 하였다.
이러한 결과는 개구영역의 면적뿐 아니라 형상도 성능에 영향을 미친다는 것을 보여주고 있으며, 원형의 형상보다는 정사각형의 형상이 유리하다고 결론지을 수 있다.
캐소드측에서 수소의 생성은 고분자전해질막을 건너온 수소이온이 비개구영역에서 공급된 전자에 의해 환원되는 과정이므로 비개구영역과 개구영역의 주변부가 수소발생이 원활한 반면에, 개구영역을 형성하는 관통홀의 중심부는 공급수의 통로 역할에 비중이 클 것으로 보인다.
상기 개구영역을 형성하는 원형의 관통홀은 전자공급이 원활한 주변부도 가상의 원형이 될 것이며 따라서 공급수의 통로역할을 할 것으로 보이는 중심부도 가상의 원형이 될 것이다.
정사각형의 관통홀 역시 공급수의 통로로서 가상의 중심부 정사각형이 될 것이며 전자가 원활히 공급되는 주변부는 형상에 관계없이 그 폭이 동일할 것이므로 가상의 공급수 통로는 정사각형의 관통홀 형태가 원형의 형태보다 유리할 것으로 보인다.
상기 실험 결과 바람직한 관통홀의 형태는 정사각형으로 결론지을 수 있으며 관통홀의 내경크기(A1,A2,A3)와, 인접하는 관통홀간의 폭크기(B1,B2,B3)의 비는 개구영역의 면적이 넓어지도록 비교적 큰 것이 유리하나 이러한 비가 너무 크면 전극판에 관통형성되는 관통홀의 크기와 관통수가 많아져 전극판의 기계적 물성이 약화될 수 있고, 금속판을 통해 전달되는 전자의 공급이 불완전해질 수도 있으며, 현실적으로 제작이 어려울 수도 있기 때문에 2:1 정도의 비를 적합한 치수로 한정하는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
110 : 수전해부
111 : 고분자 전해질막
112 : 산소극촉매층
113 : 수소극촉매층
114 : 애노드전극판
115 : 캐소드전극판
114a,115a : 관통홀
116,117,138 : 제1,2 및 3가스켓
120 : 고정부
121 : 제1플레이트
122 : 제3개구영역
124 : 조립리브
125 : 제2플레이트
126 : 제4개구영역
128 : 조립홈
130 : 물공급부
131 : 물탱크
132 : 수소배출구
133 : 물공급구
134 : 개구부

Claims (8)

  1. 산소극 촉매층과 수소극 촉매층을 양측면에 각각 구비하는 고분자 전해질막과, 상기 산소극촉매층을 매개로 고분자 전해질막의 하부에 적층되고, 산소가 통과하도록 관통형성된 제1개구영역을 구비하는 애노드전극판과, 상기 수소극촉매층을 매개로 고분자전해질막의 상부에 적층되고, 물이 통과하도록 관통형성된 제2개구영역을 구비하는 캐소드전극판을 포함하여 애노드전극판과 캐소드전극판을 통한 전원공급에 의한 물의 전기분해시 수소와 산소를 생성하는 수전해부 ;
    상기 제1개구영역과 대응하는 영역에 산소가 통과하도록 관통형성된 제3개구영역을 갖추어 상기 애노드전극판의 하부에 적층되는 제1플레이트와, 상기 제2개구영역과 대응하는 영역에 물이 통과하도록 제4개구영역을 갖추어 상기 캐소드전극판의 상부에 적층되는 제2플레이트를 포함하여 상기 제1,2플레이트사이에 배치되는 수전해부를 위치고정하는 고정부 ;
    상기 제4개구영역과 대응하는 하부면이 개방되고, 일정랑의 물이 채워져 상기 제2플레이트의 상부에 적층되는 물탱크를 갖추어 상기 수전해부측으로 전기분해용 물을 공급하는 물공급부 ;를 포함하여 상기 캐소드전극판측으로 공급된 물의 전기분해시 수전해부에서 생성되어 공급수와 반대방향으로 상류하는 수소를 수집하고,
    상기 물탱크는 상기 수전해부의 전극면적과 같거나 상대적으로 작은 면적을 갖는 개구부를 구비하고, 상기 개구부를 통해 상기 수전해부측으로 공급되는 공급수는 10cc 이상 50 cc 이하 유지함으로써, 수전해시 발생하는 전기에너지의 손실 중 일부를 단시간에 열에너지로 회수하여 사용하는 것을 특징으로 하는 캐소드 피딩형 수소발생 장치.
  2. 산소극 촉매층과 수소극 촉매층을 양측면에 각각 구비하는 고분자 전해질막과, 상기 산소극촉매층을 매개로 고분자 전해질막의 하부에 적층되고, 산소가 통과하도록 관통형성된 제1개구영역을 구비하는 애노드전극판과, 상기 수소극촉매층을 매개로 고분자전해질막의 상부에 적층되고, 물이 통과하도록 관통형성된 제2개구영역을 구비하는 캐소드전극판을 포함하여 애노드전극판과 캐소드전극판을 통한 전원공급에 의한 물의 전기분해시 수소와 산소를 생성하는 수전해부 ;
    상기 제1개구영역과 대응하는 영역에 산소가 통과하도록 관통형성된 제3개구영역을 갖추어 상기 애노드전극판의 하부에 적층되는 제1플레이트와, 상기 제2개구영역과 대응하는 영역에 물이 통과하도록 제4개구영역을 갖추어 상기 캐소드전극판의 상부에 적층되는 제2플레이트를 포함하여 상기 제1,2플레이트사이에 배치되는 수전해부를 위치고정하는 고정부 ;
    상기 제4개구영역과 대응하는 하부면이 개방되고, 일정랑의 물이 채워져 상기 제2플레이트의 상부에 적층되는 물탱크를 갖추어 상기 수전해부측으로 전기분해용 물을 공급하는 물공급부 ;를 포함하여 상기 캐소드전극판측으로 공급된 물의 전기분해시 수전해부에서 생성되어 공급수와 반대방향으로 상류하는 수소를 수집하고,
    상기 애노드전극판의 제1개구영역과, 상기 캐소드전극판의 제2개구영역은 티타늄소재의 전극판에 관통형성되는 복수개의 관통홀에 의해서 형성되고, 상기 관통홀의 내경크기와, 서로 인접하는 관통홀간의 폭크기의 비는 2:1 로 설정되는 것을 특징으로 하는 캐소드 피딩형 수소발생 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1플레이트의 제3개구영역은 사각판상의 고분자전해질막과 대응하는 사각 관통홀로 형성되고, 상기 사각 관통홀의 내부에는 개구통로를 형성하도록 서로 엇갈리면서 상기 애노드전극판과 접하여 수전해부를 지지하는 복수개의 제1지지리브를 포함하고,
    상기 제2플레이트의 제4개구영역은 사각판상의 고분자전해질막과 대응하는 사각 관통홀로 형성되고, 상기 사각 관통홀의 내부에는 개구통로를 형성하도록 서로 엇갈리면서 상기 캐소드전극판과 접하여 상기 수전해부를 지지하는 복수개의 제2지리리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐소드 피딩형 수소발생장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 애노드전극판과 마주하는 제1플레이트는 일측면에 상기 애노드전극판의 외측테두리와 접하면서 상기 제2플레이트에 함몰형성된 조립홈에 대응결합하도록 돌출형성되는 복수개의 조립리브를 구비하며, 상기 캐소드전극판과 마주하는 제2플레이트는 일측면에 상기 캐소드전극판의 외측테두리와 접하도록 상기 조립리브가 대응결합하도록 함몰형성되는 복수개의 조립홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 캐소드 피딩형 수소발생장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수개의 조립리브 중 어느 하나 그리고, 상기 복수개의 조립홈 중 어느 하나는 상기 제1,2플레이트간의 상하결합시 방향성을 갖도록 나머지 조립리브의 폭보다 상대적으로 작은 폭크기를 갖는 위치결정용 조립리브 및 위치결정용 조립홈으로 구비되는 것을 특징으로 하는 캐소드 피딩형 수소발생장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 위치결정용 조립리브 및 위치결정용 조립홈은 상기 애노드전극판과 캐소드전극판의 각 외측테두리로부터 일정길이 연장되어 외부전원과 연결되는 전원연결부와 대응하는 것을 특징으로 하는 캐소드 피딩형 수소발생장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 물탱크와 제2플레이트사이 그리고 상기 제2플레이트와 캐소드전극판사이 그리고 상기 캐소드전극판과 고분자전해질막사이에는 상기 수전해부측으로 하향공급되는 물과 상기 수전해부에서 생성되어 상향배출되는 수소의 외부유출을 방지할 수 있도록 제1,2 및 3가스켓을 각각 구비하는 것을 특징으로 하는 캐소드 피딩형 수소발생장치.
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