JP2022546530A - 電解システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

入力電圧を提供するように構成された電源と、入力電圧を受け、パルス幅変調電圧を出力するように構成されたコントローラであって、出力電圧は、１％～１０％の範囲の可変デューティサイクルを有する３０Ｖの方形波である、コントローラとを備える、電解システム。システムは、出力電圧を受けるように構成された少なくとも１つの電解セルを更に備え、各電解セルは、複数の金属プレートを備え、各電解セルは、電解質を含む水を受け、出力電圧を受けると水を分解するように構成される。

Description

関連出願の参照
本出願は、それらが完全に本明細書において説明されているかのように全体が参照により本明細書に援用された、２０１９年９月３日に出願された豪国特許仮出願第２０１９９０３２４４号からの条約による優先権を主張する。

本発明は、一般に、水素および酸素への水の電気分解に関し、特に、エネルギー効率的に電気分解を行うシステムおよび方法に関する。

電気分解は、電気を用いて水（Ｈ₂Ｏ）を水素（Ｈ₂）ガスおよび酸素（Ｏ₂）ガスに分解するプロセスである。環境問題により、従来の化石燃料以外のエネルギー源への関心が高まり、エネルギー効率がますます重要視されている。水素ガスは、最大で１４２．９２５ＭＪ／Ｋｇのエネルギーを蓄える。水素ガスは、電気エネルギーに変換することができるので、エネルギーを蓄える方法として水素を用いることへの関心が増している。

水を水素に分解する電気分解の方法が知られているが、これらは通常、結果として得られる水素ガスに蓄えられたエネルギー、または結果として得られる水素ガスの再電化によって得られる電気エネルギーと比べて比較的高いレベルのエネルギーを用いる。

本発明の目的は、現行の構成の少なくとも１つの欠点を概ね克服するかまたは少なくとも改善することである。

本発明の１つの態様は、電解システムを提供する。この電解システムは、入力電圧を提供するように構成された電源と、入力電圧を受け、パルス幅変調電圧を出力するように構成されたコントローラであって、出力電圧は、１％～１０％の範囲の可変デューティサイクルを有する３０Ｖの方形波である、コントローラと、出力電圧を受けるように構成された少なくとも１つの電解セルであって、各電解セルは、複数の金属プレートを備え、各電解セルは、電解質を含む水を受け、出力電圧を受けると水を分解するように構成される、電解セルとを備える。

別の態様によれば、入力電圧は７５Ｖｄｃ～２５０Ｖｄｃである。

別の態様によれば、方形波は、３０Ｈｚの周波数を有する。

別の態様によれば、少なくとも１つの電解セルは、並列に接続された４つの電解セルを含む。

別の態様によれば、水中の電解質の濃度は、リットルあたり１００ｇのＫＯＨである。

別の態様によれば、少なくとも１つの電解セルの各々は、１５個の中性プレートおよび２つの端子プレートを含み、端子プレートの各々は電解セルの端部を形成する。

別の態様によれば、入力電圧は、少なくとも１つの電解セルのプレートの各々の間の電圧が、１．２Ｖ～２Ｖの範囲内にあるように変わる。

別の態様によれば、デューティサイクルは、少なくとも１つの電解セルにわたって測定された電圧に基づいて変わる。

本発明の別の態様は、電気分解を行う方法を提供する。本方法は、コントローラにおいて、入力電圧を受けることと、コントローラによって、入力電圧を用いて、パルス幅変調出力電圧を生成することであって、出力電圧は、１％～１０％の範囲の可変デューティサイクルを有する３０Ｖの方形波であることと、少なくとも１つの電解セルによって、出力電圧を受けることであって、各電解セルは、複数の金属プレートを備え、各電解セルは、電解質を含む水を受け、出力電圧を受けると水を分解するように構成されることとを含む。

他の態様についても記載される。

ここで、本発明の少なくとも１つの例示的な実施形態が、図面および付録を参照して説明される。

水の電気分解を行うためのシステムを示す。

図１のシステムに対応する回路図を示す。

図１の電解セルの構造を示す。

水の電気分解を行うためのシステムの実施態様の動作結果の試験を示す。

図１のシステムによって実施される電気分解のためのデューティサイクルを設定する例示的な方法を示す。

付録Ａ

図４の生成において用いられる試験について測定されるデータを示す。

付録Ｂ

異なる濃度の電解質を用いた試験について測定されるデータを示す。

付録Ｃ

バッテリ再充電試験において測定されるデータを示す。

付録Ｄ

燃料電池動作試験において測定されるデータを示す。

添付の図面のうちの任意の１つまたは複数において、同じ参照符号を有するステップおよび／または特徴が参照される場合、これらのステップおよび／または特徴は、反対の意図が見られない限り、この説明のために同一の機能または動作を有する。

電気分解とは、電気を使用することで、水を水素ガスおよび酸素ガスに分解することであり、水素ガスを電気エネルギーに変換することができるため、ますます研究されている対象である。記載した構成は、従来の解決策から離れ、比較的低いデューティサイクルを用いることによって、より少ないエネルギーを用いて電気分解を行うための解決策を提供する。比較的低いデューティサイクルは、比較的高い入力電圧およびパルス幅変調を用いることによって達成される。

水素は、１４２．９２５ＭＪ／ｋｇを蓄えることが知られている（ＧｌａｓｓｔｏｎｅおよびＬｅｗｉｓ、Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ （Ｍａｃｍｉｌｌａｎ ２^ndｅｄ， ２００６）８２「Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ ｗａｔｅｒ ｆｒｏｍ ｉｔｓ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ａｔ ２５ ｄｅｇ Ｃ」を参照されたい）。水の電気分解は、液体の水を、その成分である水素ガスおよび酸素ガスに解離させるために、外部ソース（電気エネルギーの印加）からエンタルピーが得られることを意味する。水素ガスの密度は、０．０８９２８６ｇ／Ｌ（２グラム毎モル／２２．４Ｌ）である。以下の式（１）および式（２）は、重量の点で、水と、水素ガスおよび酸素ガスとの間の関係を示す。
１モル（２ｇ）のＨ２ガス＋１／２モル（１６ｇ）のＯ２ガス⇔１モル（１８ｇ）のＨ₂Ｏ（液体） （１）
５００モル（１Ｋｇ）のＨ２ガス＋２５０モル（８Ｋｇ）のＯ２ガス⇔５００モル（９Ｋｇ）のＨ₂Ｏ（液体） （２）

１モル（分子量）の水素ガスの重量は２グラムである。したがって、１キログラムの水素ガスにおいて５００モルが存在する。１モル（２グラムまたは２２．４Ｌ）の水素は、２８５．８５ＫＪのエネルギーを蓄える。したがって、１キログラムの水素により、５００×２８５．８５ＫＪ＝１４２．９２５ＭＪ（メガジュール）／ＫｇのＨ₂が得られる。

０．２８ＫＷｈは、１ＭＪのエネルギーに等しいため、燃焼または他の化学的使用のために直接用いられるとき、３．５７３Ｗｈ／Ｌ（１４２．９２５ＭＪ／Ｋｇ Ｈ２×０．２８＝４０．０１９ＫＷｈ／Ｋｇ＝４００１９／５００／２２．４＝３．５７３Ｗｈ／Ｌ Ｈ２）が、水素ガスから入手可能な最大エネルギーである。しかしながら、燃料電池から電気を生成するために用いられるとき、値は通常、大幅に低減する。

電気分解は、水および酸素も伴う。酸素および水のための対応する量および測定値が以下に提供される。
酸素ガス：
３２グラム毎モル
モル毎キログラム＝１０００／３２＝３１．２５
密度；摂氏０度、１気圧の標準温度および標準気圧（ＳＴＰ）において３２／２２．４１４＝１．４２８ｇ／Ｌ
水（液体状態）：
１８グラムのＨ₂Ｏ（液体）は１モルである
したがって、５００モルのＨ₂＋２５０のモルＯ₂⇔５００モルのＨ₂Ｏ
重量の点では、５００モル×１８ｇ／モルにより、１キログラムの水素ガスごとに９０００グラムのＨ₂Ｏが得られる。

上記で説明したように、３．５７３Ｗｈ／Ｌは、燃焼または他の化学的使用のために直接用いられるとき、水素ガスから入手可能な最大エネルギーである。しかしながら、例えば水素ガスが燃料電池から電気を生成するために用いられるとき、比較的大量のエネルギー損失が観測される。

５０％の効率の例で動作する燃料電池は、水素から電気として受けたエネルギーを３．５７３×０．５＝１．７８６５Ｗｈ／Ｌの水素に低減する。

水素の変換が、インバータを用いてＤＣ電源からＡＣ電源を得ることを伴う場合、インバータの効率も水素ガスから得られる電気エネルギーに影響を及ぼす。例えば、９０％の効率で動作しているインバータは、得られた電気エネルギーを１．７８６５×０．９＝１．６０７８Ｗｈ／Ｌの水素に低減する。

電気分解プロセスに戻ると、分解されている水を加熱することによる損失は、電解槽の効率に対して比較的大きな影響を有する。電解質溶液内の水が水蒸気を部分的に形成するのに十分加熱されることを許可されるとき、水を水素ガスおよび酸素ガスに分解するのに必要なエネルギーが不要に増大し、電解システムの効率が低減する。

コストの点で、および環境問題に起因したエネルギー動向において、電解システムによって消費される電力量を低減することがますます重要になっている。更に、電気分解の実行において消費される電力量を低減することによって、通常、送電線および発電施設等の電気設備における負担が低減する。

電解デバイスによって消費される電力量を低減する１つの方式は、電解デバイスに供給される電流を低減することである。電解槽は、通例、公称供給電圧未満とすることができる供給電圧範囲内で動作する。例えば、２３０Ｖａｃ（交流電圧）または２３０×√２＝３２５ＶＤＣ（直流電圧）の例において機能するように設計された電解槽は、通常、電解槽セル１０６内の２プレートコンパートメントあたり１９４ＶＤＣまたは１．２ＶＤＣの低さの電圧で動作する。しかしながら、水電解デバイスへの供給電圧を低減する結果として、多くの場合、ガス、水素および酸素の出力量が低減することになる。

例えば、変換器ベースの技術および平滑化回路を利用する様々な電圧制御システムが存在する。シリコン制御整流器（ＳＣＲ）等の電子切り替えデバイスを用いて、電解槽デバイスのサイズに合うように供給電圧を低減することができる一方で、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）または金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳｆｅｔ）を利用したパルス幅変調器を直流（ＤＣ）電源に対して用いることができる。ＤＣ電流は、交流電源および整流器システムによって、またはＤＣ電源から供給することができる。

知られている電解槽デバイスは通常、効率が限られている。格子整流された平滑化されていない電圧に基づく知られている電解槽デバイスは、通例、複数の金属プレートを含む電解セルを含む。電解槽デバイスは、固定のプレート数対電圧比を有する。したがって、電解槽設計において用いられる格子整流された平滑化されていない電圧は、エネルギー低減解決策における広範な用途に最終的に適していない。５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの入力ＡＣ周波数の平坦な完全に整流されたＡＣを用いて、各下側軸の半波がフルブリッジ整流器によって反転される際、１００Ｈｚまたは１２０Ｈｚの周波数において（平滑化されていないまたはフィルタリングされていない）ＤＣが生成される。

電圧制御に通常用いられる別のデバイスは可変変圧器（ｖａｒｉａｃ）である。可変変圧器は、広範囲の電圧（通常、０～２６０ＶＡＣ ｒｍｓ）における定格電流を可能にする。可変変圧器は、例えば、実験室の試験において用いることができるが、通常、分離した電圧範囲のみを必要とするいくつかの用途には、実用的でなく、非常に高価な解決策とみなされる。

可変変圧器は、一般的に、銅の巻線を有する鉄心から構築された高価なデバイスである。通常の無効エネルギーに起因して、可変変圧器は、通常、熱としてエネルギーを損失する。また、可変変圧器は、比較的重く嵩張るデバイスである。電圧調整が用いられない限り、変動グリッド電圧が電解およびガス生成率に影響を及ぼすことになる。

説明された構成は、整流器（ダイオード）、および必要に応じて整流後のリップル電圧を低減するための平滑コンデンサの追加によって、交流から直流に変換されたグリッドエネルギーを用いることができる。整流器は、比較軽量であり、サイズが小さく、可変変圧器よりもはるかに安価であり、無効エネルギーを損失して熱として浪費する傾向が少ない。

以下に説明するように、制御トランジスタが入力電圧のために正しく定格である、すなわち、指定されたＭＯＳｆｅｔ電圧が４００Ｖ超であるが、好ましくは約６５０Ｖ等よりも高いと仮定すると、約３０ＶＤＣ（ｓｅｌｖ、すなわち標準超低電圧であり、４０Ｖ未満の任意の電圧ＡＣまたはＤＣ）が電解槽セルに印加されることを可能にするように、任意のグリッド入力電圧がパルス幅変調を用いて制御される。

好ましい配置は、グリッドソースを用いる場合、絶縁されたグリッドエネルギーを用いる（１：１の絶縁変圧器）。絶縁変圧器は、ニュートラル／アースに連結した幹線（ＭＥＮ、すなわち多重接地ニュートラル幹線）から負荷エネルギーを誘導減結合する。

システム概観
図１は、水の電気分解のためのシステム１００を示す。システム１００は、電源１０２と、コントローラ１０４と、複数の電解セル１０６と、容器１０８とを備える。通常、１つ～５つのセルの垂直スタックが用いられる。水中の電解質の溶液は、ポンピングされるか、または電解槽セル１０６に静的に流れる。水の電気分解の結果として得られた水素ガスおよび酸素ガスは、いくつかの例では電解質溶液のうちのいくらかと共に容器１０８に提供される。

電源１０２は、約７５ＶＤＣ～２５０ＶＤＣの範囲の入力電圧（供給電圧とも呼ばれる）を生成するように構成される。電源１０２は、バッテリバンク、整流器システムを有するグリッド電源等のうちの１つとすることができる。説明される例示的な構成において、電源１０２はバッテリバンクである。

入力電圧は、約１％～１０％の範囲内のデューティサイクルが用いられることを可能にするのに十分高くなるように、ただし、溶液の電気分解を生じさせ、ガスを容器１８０に移送するのに十分な電圧が電解セル１０６のプレートにわたって生成されるように選択される。結果として得られる方形波は、比較的狭いピーク幅を有し、実験を通じて決定された周波数で印加される。

水は、比較的低い電圧において電気分解により分解することができる。しかしながら、生成されるガスの量も比較的少ない。任意の２つのプレート間の電圧が十分上昇するにつれ（約１．２Ｖ超）、電圧とガス生成との間の適切なトレードオフを決定することができる。セルにわたって過度に高い電圧（２つのプレートにわたって約２．５Ｖを超える過電圧）を用いる結果として、熱が生成され、水素ガス生成の効率が低下する。

好ましくは、電解システムは、水素ガスを生成する間の熱損失を制限するように実行される。試験により、ガス生成を増大させるために、セル電圧またはセル電流ではなくセル数を増大させ、比較的低いデューティサイクルを維持することが有利であることが示された。

コントローラ１０４は、電源１０２によって生成された入力電圧を受けるように構成される。コントローラ１０４は、パルス幅変調を用いて、約１％～約１０％のデューティサイクル、約３０ＶＤＣの振幅、および約３０Ｈｚの周波数を有する直流方形波出力電圧を生成するように構成される。約１％～１０％のデューティサイクル範囲、および約３０Ｈｚの周波数が実験を通じて決定された。例えば２％～９％、３％～８％、５％～１０％等のこれらの概算の境界内の他の範囲が特定の実施態様に適している場合がある。電解質濃度、入力電圧レベル等の要因に応じて他の周波数が用いられてもよい。

コントローラ１０４は、（ｉ）入力電圧の振幅を３０ＶＤＣに低減させ、（ｉｉ）入力電圧をパルス幅変調し、１％～１０％のデューティサイクルおよび３０Ｈｚの周波数を有する方形波を達成する、のに適した回路を備える。コントローラ１０４は、マイクロコントローラ、例えばＡＶＲマイクロコントローラ等の、入力ＤＣ電流を低減するための回路を備えることができる。代替的な構成は、入力キャプチャピン（ＩＣＰ）を介して接続されたマイクロコントローラを用いて、上昇および下降時間、したがってデューティサイクルを測定することができる。マイクロコントローラは、例えば、イーサネットを介したスクリーンおよびリモート転送のための更なる処理デバイスとして、Ｌｉｎｕｘを実行するビーグルボーンアームファミリーマイクロプロセッサに接続することができる。ビーグルボーンマイクロプロセッサは、デューティサイクルを制御するためにＰｙｔｈｏｎ（商標）でコード化された命令を実行することができる。代替的に、ＷｉＰｒｙ（商標）等のアプリケーションを実行するｉＰｈｏｎｅ（商標）を用いてデューティサイクルを測定および制御してもよい。

電源によって提供される入力電圧が交流である場合、コントローラ１０４は、交流（デューティ１００％）のための全波整流器（平滑化なし）、交流（公称デューティ３２％）のための半波整流器（平滑化なし）、コンデンサシステムを含む、交流のための全波整流器（平滑化あり）、平滑化コンデンサシステムを含む、交流のための半波整流器等を含むことができる。代替的に、交流は電源１０２において整流されてもよい。

コントローラ１０４は、パルス幅変調の実施に適した回路も備える。パルス幅変調回路は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、金属酸化物半導体電解効果トランジスタ（ＭＯＳｆｅｔ）等のトランジスタシステムを備えることができる。いくつかの実施態様において、コントローラは、各タイプのトランジスタの１つまたは複数のアセンブリを備える。コントローラ１０４は、５５５タイマ、または好ましくは、受けた入力電圧においてパルス幅変調を実施するように構成されたマイクロコントローラ等のデバイスを更に備えることができる。いくつかの構成において、コントローラ１０４は、データ制御およびデータ記憶を可能にするためにウェブクライアントに接続するためのイーサネットモジュールを備えたデジタルマイクロコントローラである。マイクロコントローラは、更に、ＲＳ４８５およびＩ２Ｃ通信機能、ディスプレイ接続等の機能を組み込むことができる。適切なタイプのマイクロコントローラの例は、Ａｔｍｅｌによって生成されたＡＶＲマイクロコントローラである。他は、Ｉｎｆｉｎｅｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、Ｒｅｎｅｓａｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓまたは他の半導体企業によるものである。マイクロコントローラは、Ｃ／Ｃ＋＋、アセンブラおよびＰｙｔｈｏｎ（商標）等の言語を用いてプログラムすることができる。

コントローラ１０４は、ヒートシンク等のトランジスタの温度制御のためのシステムも備えることができる。ヒートシンクは、ファンによる冷却、自然冷却、または静的熱還元等を達成することができる。

コントローラ１０４は、出力電圧が電解槽セル１０６の金属プレートの数に適するように入力電圧を低減させるように動作する。実際に、電気分解に適した電圧範囲は、単一のセルあたりまたはセル１０６の任意の２つの金属プレート間で１．２４Ｖ～２Ｖであることが知られている。しかしながら、実験を通じて決定されるように、約２Ｖが好ましい実施態様である。

図５に関連して以下で説明されるように、パルス幅変調に起因したデューティサイクル出力は、いくつかの実施態様において変わり得る。全サイクル時間に対するパルス幅の比が小さいほど（すなわち、デューティサイクルが低いほど）、エネルギーが低くなり、生成される水素ガス量が少なくなる。

デューティサイクルが可変である実施態様では、コントローラ１０４は、電解セル１０６において電圧を検出するための電圧センサ回路を備える。電圧センサは、セルモジュールのアレイを含む形態で電圧レベル検出（読み値）をパルス幅変調回路（例えば、イーサネット接続を有するマイクロコントローラ）に通信する。電圧センサを用いて、電解セルにわたるデューティサイクル（マーク／スペース比）を測定する。

加えて、コントローラ１０４は、電解セル１０６において電流を検出するための電流センサを備える。電流センサは、セルモジュールのアレイを含む形態で電流レベル検出（読み値）をパルス幅変調回路（例えば、イーサネット接続を有するマイクロコントローラ）に通信する。電流を用いた方法の動作が図５に関連して説明される。読み値は、実施態様に応じて無線でまたは有線通信によって送信することができ、パルス幅変調を調整するのに用いられる。

直流のための電流センサは、好ましくは、１つまたは複数の電解セル１０６に流れる電流を測定するホールデバイスである。変流器（ＣＴ）は、ＤＣベースの用途には用いることができない。直流のＰＷＭは、パルスを変圧器に提供することができる場合であっても、直流である。ホールデバイスによって得られる電流読み値は、電流を所望のレベルに維持するために、マイクロコントローラ１０４に戻される。

コントローラ１０４は、出力電圧を電解セル１０６に印加する。電解セル１０６の各々は、容器１０８内に配置されるように構成される。セル１０６の各々は、水平にまたは垂直に向けることができ、組み合わされたガスが適切な水素または酸素容器１０８に進む。水素および酸素容器は、別個のままでなくてはならず、そうでない場合、ガスが混合することになる。２つ以上の電解セル１０６が用いられる場合、セルは並列に接続される。好ましい配置において、４つ（以上）の電解セルが垂直配置において用いられる。

説明した配置において、電解セル１０６の各々は、中性プレートとも呼ばれる１５個の金属プレート配置、および端子プレートと呼ばれる２つの金属プレートを含む。中性プレートの数は、入力電圧、または電解質濃度、膜／メッシュ特性（膜については電解セルの構造に関係して以下で説明される）等の他の態様に基づいて変わり得る。より多くの中性プレートは、任意の２つのプレートにわたって約２Ｖを得るために、より高い電圧が用いられなくてはならないことを意味する。そうでない場合、ガス生成が影響を受けることになる。プレートにわたる過度に高いコンパートメント電圧の結果として加熱（浪費エネルギー）が生じる一方、過度に低いコンパートメント電圧の結果としてガス生成が少なくなり、これも非効率的である。過度に低い電解質濃度の結果として、内部抵抗および加熱が高くなる。必要とされる電解質濃度は、用いられている膜のメッシュ孔サイズに関係することができる。

各電解セルの詳細な構造については、図３Ａ～図３Ｇを参照して以下に説明される。本明細書に記載の好ましい電圧およびデューティサイクル範囲は、より大きなデューティサイクルおよび／またはより低い入力電圧と比べて熱損失を低減することができるように、水素ガスの生成に基づいて決定される。入力電圧は、いずれのデューティを生成することができるかに影響を与えるため、効率に影響を及ぼす。同様に、より低い電解質濃度は、結果として、生成される水素が少なくなり、更なる熱を生成し、より高い電解質濃度よりも高い入力電圧を必要とするため、効率に影響を及ぼす（付録Ｂを参照）。

電解セル１０６への変調された入力電圧の印加は、セル１０６の各々のプレート間に電圧を印加するように作用する。プレート間の電圧が適切なレベルであり（１．２４ＶＤＣ～２ＶＤＣ）、電解質が適切な水中濃度である場合、電気分解が生じ、水が水素ガスおよび酸素ガスに分解される。

セル１０６に提供される水中の電解質濃度は、イオン流に影響を及ぼし、したがって電解速度に影響を及ぼす。用いられる電解質は、通常、水酸化カリウム（ＫＯＨ）である。ＫＯＨは、好ましくは、産業蒸留水、太陽光蒸留水、脱イオン水、または非金属製の屋根から得られ、使用前に不純物について分析された、フィルタリング／加工された雨水のいずれかに溶解される。ＫＯＨ溶液の濃度は、非常に低い０．５％～３０％ＫＯＨで変わることができる。本発明者は、１０％ｗ／ｗのＫＯＨ溶液が適切であるが、より高い濃度も機能することを見出した。好ましい配置では、リットルあたり少なくとも１００ｇのＫＯＨの電解質濃度が用いられる。

２つ以上の電解セル１０６が用いられる場合、セル１０６の各々が並列に接続される。好ましい配置では、４つの電解セルが用いられる。並列な垂直構成の１つ～４つのセルを用いる試験が行われ、その結果が図４に示される。図４に示すように、セルの数を増大させることにより、生成される水素ガスの量が増大し、効率が改善することが観測された。

動作の効果
電解槽システム１００への電気エネルギー入力は、水素ガスの出力量に比例する。適切な数の個々のセルプレート対を含む複数の電解セル１０６を使用することにより、熱負荷の拡散が提供される。熱負荷の拡散により、電解質溶液への熱散逸を通じたエネルギー損失を減らすことになる。供給電力が１つまたは複数のセルに接続されるシステムは、複数のセルにわたる電気的負荷が、結果として、複数のセルにわたる負荷の共有をもたらし、熱の低減および電解質溶液への散逸の改善および全体効率の改善が生じるという効果を生じさせる。

３０ＶＤＣのレベルおよび低デューティサイクルの出力電圧の使用により、水分子が分離し、水素ガスおよび酸素ガスを形成するのに十分な電圧が可能になる。比較的低いデューティサイクルにより、金属プレートから電解質溶液への熱としてのエネルギーの転送を制限しながら、電気分解が生じることを可能にする。容器内の溶液が、水が蒸発を始める程度まで加熱を許可される場合、結果として、電気分解を行うために必要なエネルギー量が増大する。結果として、水素ガスの生成速度が望ましくない形で影響を及ぼされる。それに応じて、用いられる電気エネルギー対結果として得られる水素ガスに蓄えられる内在エネルギーの点で電解システムの効率が減少する。

更に、水が、蒸発を始める程度まで加熱を許可することにより、水蒸気によって生成されるガス（水素）が汚染される可能性がある。汚染の結果、乾燥材料が必要となるか、または少なくとも乾燥の増大が必要である。

セルに出力電圧を印加する結果として、水素ガスが生成され、水素ガスは貯蔵システムに提供される。貯蔵システムは、水素ガスに適した任意の貯蔵システムとすることができる。

図２Ａは、図１のシステム１００に対応する回路２００ａを示す。図２において、電源１０２は、バッテリのセットである。コントローラ１０４は、ＰＷＭデバイス１０４ａおよび光結合素子１０４ｂとして実施される。ＰＷＭデバイス１０４ａは、５５５タイマまたはマイクロコントローラとすることができる。ＰＷＭデバイス１０４ａは通常、周波数も制御する。例えば、コントローラ１０４ａが５５５タイマデバイスである場合、コントローラを９４０ｎＦタイミングコンデンサと関連付けて用いて、所望の動作周波数を達成することができる。

図２Ｂは、システム１００の代替的な回路図２００ｂを示す。回路２００ｂにおいて、コントローラ１０４のパルス幅変調は、５５５タイマ２０４ａ、光結合素子２０４ｂおよび並列に接続された５つのパワーｎ型ＭＯＳｆｅｔｓＱ１～Ｑ５を用いて達成される。例示的な回路２００ｂは、厳密にそれぞれ５０ＫＯｈｍの抵抗器を用い、抵抗器は並列に接続され、結果として、パワーＭＯＳｆｅｔＱ１～Ｑ５のそれぞれについて１０ＫＯｈｍの抵抗が得られる。適切なＭＯＳｆｅｔの例は、２００Ｖおよび１３０Ａが定格のＩＲＦ４６６８であり、８ｍＯｈｍの超低トランジスタドレイン－ソース抵抗を有する。いくつかの実施態様では、特に、入力電圧が７５Ｖ～２５０Ｖの範囲の上限にあるとき、例えばＳｅｍｉｋｒｏｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＧｍｂＨによって製造されたＳＫ１６５ＭＢＢＢ０６０、ＳＫ３００ＭＢ０８０、ＳＫ２８０ＭＢ１０およびＳＫＭ１８０Ａ０２０等の高パワー／精度ＭＯＳｆｅｔが好ましくは用いられる。

図２Ｃは、システム１００においてパルス幅変調を実行するための代替的な回路図２００ｃを示す。回路２００ｃにおいて、コントローラ１０４のパルス幅変調は、５５５タイマ２０４ｃおよび光結合素子２０４ｄを用いて達成される。回路２００ｃは、パルス幅変調制御回路のみを示し、参照を容易にするために、電解槽セル１６０またはトランジスタＱ１～Ｑ５への接続を示さない。

図２Ｄは、システム１００の代替的な回路図２００ｄを示す。回路２００ｄにおいて、回路２００ｄは回路２００ｂに類似しているが、図２Ｂにおける配置２２０ｂと比べて、異なる切り替え配置２２０ｄを用いる。図２Ｄにおいて、コントローラ１０４のパルス幅変調は、５５５タイマ２０４ａ、光結合素子２０４ｂおよび並列に接続された５つのパワーｎ型ＭＯＳｆｅｔｓＱ１～Ｑ５の配置２２０ｄを用いて達成される。回路２００ｂと対照的に、例示的な回路２００ｄは、パワーＭＯＳｆｅｔＱ１～Ｑ５の各々について並列に接続された抵抗器を用いない。回路２００ｄに適したＭＯＳｆｅｔの例は、２００Ｖおよび１３０Ａが定格のＩＲＦ４６６８であり、８ｍＯｈｍの超低トランジスタドレイン－ソース抵抗を有する。いくつかの実施態様では、特に、入力電圧が７５Ｖ～２５０Ｖの範囲の上限にあるとき、例えばＳｅｍｉｋｒｏｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＧｍｂＨによって製造されたＳＫ１６５ＭＢＢＢ０６０、ＳＫ３００ＭＢ０８０、ＳＫ２８０ＭＢ１０およびＳＫＭ１８０Ａ０２０等の高パワー／精度ＭＯＳｆｅｔが好ましくは用いられる。

オシロスコープ（例えば、１００ＭＨｚ型）、電流計（ホールクランプ型）等のようなデバイスを用いて、回路２００ａ、２００ｂおよび２００ｄのコンポーネントにわたって測定を行うことができる。

光結合素子１０４ｂまたは２０４ｂの例は、４Ｎ２５（３０Ｖ）またはＨ１１Ｄ１（３００Ｖ型）を含む。光結合素子は、好ましくは、パワーＭＯＳｆｅｔｓＱ１～Ｑ５への直接接続から切り離されている。図２Ａに示すように、共通グラウンドは回路のコンポーネントを接続する。

図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｄにおいて、入力電圧源１０２はバッテリバンクである。バッテリバンクヒューズは、例えば標準フェルール型サービスヒューズ１２５Ａとすることができるか、または５０Ａワイヤヒューズと置き換えることができる。適切なケーブルは、８ｓｑｍｍ～１２ｓｑｍｍ以上の直径範囲をとることができる。

図５は、電気分解が行われることを可能にするようにデューティサイクルを制御する例示的な方法５００を示す。方法５００は、コントローラ１０４が適切なマイクロコントローラ／マイクロプロセッサを備える場合、コントローラ１０４によって実施することができる。

方法５００は、システム１００がオンに切り替えられると開始する。例えば、スイッチ２０９（図２Ａを参照）を閉じて、回路２００を閉じることができる。

方法５００は、測定ステップ５０５において開始する。ステップ５０５において、電解セル１０６の各々にわたる電流およびデューティサイクルが測定される。電流は、コントローラ１０４とセル１０６との間に接続された電流計によって測定することができる。代替的に、ホール効果センサ（クランプ）が用いられてもよい。デューティサイクルは、マイクロコントローラ１０４によって設定することができる。スイッチ２０９が閉じられているとき、デューティサイクルがデフォルト値、例えば２％または０．０２デューティファクタで初期化される。代替的に、スイッチ２０９を閉じ、次に、ＭＯＳｆｅｔｓＱ１～Ｑ５へのゲート給電をオンに切り替え、デフォルト値までデューティを増大させるようにマーク／スペースを低速に増大させることによって回路をソフトスタートさせてもよい。

マイクロコントローラは、ステップ５０５から第１の電流チェックステップ５１０に進む。ステップ５１０において、マイクロコントローラは、測定電流が所定の設定可能な閾値未満であるか否かを判断する。閾値は図５の例にある。設定可能な閾値電流は、妥当な速度の電気分解が電解質溶液において行われることを可能にするのに十分な電流に関係し、したがって、電解質濃度、セル構造（プレート数または膜のタイプ）等のような要素に応じたものとすることができる。マイクロコントローラが、電流が閾値未満であると判断する場合（ステップ５１０におけるＹＥＳ）、マイクロコントローラは、マーク／スペース比増大ステップ５１５に進む。

ステップ５１５において、コントローラは、出力電圧のマーク／スペース比を増大させ、デューティサイクルを効果的に増大させることによって、入力電圧のパルス幅変調を調整する。増大は、必要な制御の粒度に応じて、現在のマーク／スペース比（デューティサイクル）の特定の比率、例えば、現在のデューティサイクルの５％～２０％の領域における増大に関係することができる。代替的に、マーク／スペース比は、固定量だけ、例えば１％だけ増大させてもよい。ステップ５１５の実施後、マイクロコントローラはステップ５０５に進む。最大許容可能デューティサイクルは、セルプレートエリアが過度の加熱の前の電流制限に影響を与えるため、セルプレートエリアに関係することができる。通常、ガイドとして、最大電流は、４つのセルのスタックにおいて、１５個全体の中性プレートセル（１０６）について、約０．３Ａ／６ｓｑｃｍに保持される。最大電流を決定する際、１５個以上のプレートではなく、１つの中性プレートのプレート表面について検討することができる。１つのプレート上の反応エリアを測定することができる。好ましくは、結果として加熱が生じる、高電流の点で強引な力（ｂｒｕｔｅ ｆｏｒｃｅ）を用いるのではなく、更なる電解セル１０６が用いられる。最大電流は、１つのプレートのみのプレートエリアに基づいて決定することができる。効率性の証拠となる１つの指標は、システム（電解槽、トランジスタ、ワイヤ）が加熱せず、能動的冷却を必要としないことである。マイクロコントローラを用いる場合、デューティ最大値を設定することができる。電解セルのプレートが加熱する場合、エネルギー損失の増大が生じる可能性がある。実際に、電流レベルを過度に増大させるのではなく、いくつかの実施態様では、更なるセル１０６を用いることができる。

ステップ５１０において、マイクロコントローラが、電流が閾値未満であると判断する場合（ステップ５１０におけるＮＯ）、マイクロコントローラは、第２のチェックステップ５２０に進む。ステップ５２０において、マイクロコントローラは、測定電流が閾値を超えているか否かを判断する。電流が閾値を超えている場合（ステップ５２０におけるＹＥＳ）、マイクロコントローラは、マーク／スペース比減少ステップ５２５に進む。

ステップ５２５において、コントローラは、出力電圧のマーク／スペース比を減少させ、デューティサイクルを効果的に減少させるように、入力電圧のパルス幅変調を調整する。減少は、必要な制御の粒度に応じて、現在のマーク／スペース比の特定の比率、例えば、現在のデューティサイクルの５％～２０％の領域における減少に関係することができる。代替的に、マーク／スペース比は、固定量だけ、例えば１％だけ減少させてもよい。ステップ５２５の実施後、マイクロコントローラはステップ５０５に進む。

ステップ５２０において、マイクロコントローラが、電流が閾値未満であると判断する場合（ステップ５１０におけるＮＯ）、マイクロコントローラは、ステップ５０５に進む。ステップ５０５は、周期的間隔で、例えば方形波の各パルスの立ち上がりエッジにおいて、または所定の周期的間隔において、好ましくはＩＳＲとしても知られる効果的なハードウェア中断サービスルーティンを用いて繰り返すことができる。ハードウェアＩＳＲは、メインプログラムの外側で実行され、プログラマによって設定されたコントローラタイマ設定によってトリガされるため、メインコードを用いた周期的データチェックが回避されることを可能にする。そのような実施態様は、コードを浪費し、コード量を増大させ、全体動作を低速化することを回避することができる。内在タイマハードウェア機能を用いることができる。

図３Ａ～図３Ｇは、例示的な電解セル３００の構造を示す。電解セル３００は、システム１００の電解セル１０６のうちの１つの例を提供する。

図３Ａは、セル３００の部分展開側面図の断面図を示す。展開断面図は、図３Ｂ～図３Ｇに対して縮尺が比例しておらず、例示のみを目的としている。

セル３００は、両端に２つのエンドプレート３５１および３５２のうちの１つを備える。エンドプレート３５１および３５２は、プラスチック、通常は高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）等の絶縁材料からなる。封止ガスケット材料は、好ましくは、ショア６０Ａの硬度の熱硬化性ポリマー（または代替的に熱可塑性型）であるシリコーンである。コストが最小限にされる場合、赤色または白色のシリコンを用いることができる。一般的な産業ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンモノマー、通常、シリコーンよりもコストが高い）は、分解により不純物を浸出させ、セル１０６に損傷を与える可能性があるため、一般的に用いられない。ＥＰＤＭは、水中でまたは１０％のＫＯＨ溶液内で穏やかに煮沸することによって試験することができる。色または分解が生じない場合、ＥＰＤＭを用いることができる。

封止ガスケット３６１は、プレート３５１の内側（プレート３５２に面する側）に配置され、封止ガスケット３６２は、プレート３５２の内側（プレート３５１に面する側）に配置される。電極プレート３９１は、封止ガスケット３６１の内側に配置される。同様に、電極プレート３９２は、封止ガスケット３６２の内側に配置される。ガスケットアセンブリ３８０は、ガスケット３６１の内側に配置され、中性プレート３４０がこれに続く。ガスケットアセンブリ３８０－中性プレート３４０－ガスケットアセンブリ３８０のシーケンスは、必要な数の中性プレート３４０が電極プレート３９１および３９２間に含まれるまで継続する。好ましい配置において、１５個の中性プレート３４０がセル３００に含まれる。図３Ａの例において、参照を容易にするために、３つのガスケットアセンブリ３８０および２つの中性プレート３４０のみが示される。ガスケットアセンブリは、最後の（例えば第１５の）中性プレートと電極プレート３９２との間に含まれる。

接続ロッド３２０および接続ロッド３３０（図３Ａに部分的に示される）を用いてセル３００をアセンブリする。ロッドは、エンドプレート３５１および３５２を通じてねじ込まれ、セル３００のコンポーネントを共に保持する圧縮スリーブを形成するのに用いられる。ロッド３２０および３３０は、セル３００の金属プレートに接触せず、通常、金属プレートから少なくとも１センチメートル離して配置される。

複数の電解セルを用いるいくつかの実施態様において、エンドプレート３５１および３５２は、セル３００の金属プレートおよびガスケットアセンブリの複数倍高い。したがって、更なる接続ロッド３２０および３３０を用いて、複数のセル３００をプレート３５１および３５２に沿って様々な高さでアセンブリすることができる。試験において用いられるプロトタイプエンドプレートは、２０ｍｍ厚および２０×２０平方ｃｍである。

図３Ｂは、それぞれガスケット３６１および３６２と接触したエンドプレート３５１および３５２の部分を含むセット３５０を示す。プレート３５１および３５２の各々において孔（例えば孔３５３）のセットが形成される。孔は、円形または楕円形または別の形状とすることができる。特に、３５４および３５４ｓとして示される４つの内側の比較的大きな孔が、３５１および３５２の各々において形成される。孔３５４または３５４ｓのいずれかの１つのセットの各々を用いて、流体／ガスコネクタを受けるねじ山が形成される。例えば、図３Ｂにおいて、孔３５４（それぞれ、対応するエンドプレートの同じ端部にある）の２つが、プレート３５１を通る流体／ガスコネクタを受けるために用いられ、反対端の孔３５４が、プレート３５２を通る流体／ガスコネクタを受けるために用いられる。図３Ｂの例において、プレート３５１の下端においてマーク付けされた孔３５４ｓが、例えば、斜線パターンで示されるねじを用いて封止される。代替的に、プレート３５１は、内部に形成された孔３５４ｓを有していなくてもよい。図３Ｂの例において、プレート３５２の上端においてマーク付けされた孔３５４ｓが、例えば、斜線パターンで示されるねじを用いて封止される。孔３５４ｓを封止するために、ねじ以外の方法が用いられてもよい。代替的に、プレート３５２は、内部に形成された孔３５４ｓを有していなくてもよい。コネクタは、通常、ガラス強化ポリアミド、ステンレス鋼、またはセル３００に電解質をポンピング／移送し、ガス（またはガス／電解質の混合物）を容器１０８にポンピング／移送するのに適した別の物質から形成される。電解質溶液は、セル３００へのコネクタを通じてポンピング／移送される。プレート３５１および３５２は対称であるため、単一の設計が必要とされる。図３Ｂに示すように、プレート３５１および３５２は互いに反対向きである。

１つのプレート、例えばプレート３５１は、セル３００の一端に位置決めされる。図３Ａに示すように、他のプレート３５２は、セル３００の反対端に位置決めされる。プレート３５１および３５２は、合わせて、電極およびガスケットのアセンブリを保持する圧縮スリーブを形成する。

図３Ｃは、封止ガスケットのセット３６０を示す。セット３６０は、ガスケット３６１およびガスケット３６２を含む。封止ガスケット３６１および３６２の各々が、エンドプレート３５１および３５２の各々のうちの１つに合わせられる。例えば、ガスケット３６１はプレート３５１の上に配置され、ガスケット３６２はプレート３５２の下に配置される。孔３６３は、ガスケット３６１および３６２の各々において形成される。孔３６３は、プレート３５１および３５２のうちの対応する１つにおける孔と整合する。ガスケットの上端または下端にある孔３６３は、エンドプレート３５１および３５２のうちの対応する１つと同様に封止し、電気分解に適した流体／ガスの流れを可能にすることができる。セル３００の反対端同士のガスケットは、対応するエンドプレートにおける封止されていない孔に合致するように互いに１８０度回転される。

図３Ｄは、単一のガス分離ガスケット３７１の複数の面の図のセット３７０を示す。２つの図３７１ａおよび３７１ｂは、同じガスケット３７１の反対側の面を示す。２つのチャネル３７３ａおよび３７３ｂは、側面３７１ａの一端で左上および底部に形成される。チャネルのうちの一方（例えば３７３ｂ、下側）が、コネクタから受けた流体のための入口を提供し、他方のチャネル（３７３ａ、上側）が流体出口を提供する。

アセンブリにおいて、側面３７１ａは、封止ガスケット３６１の反対側の金属プレート３５１に向く。側面３７１ａが適切に向けられていない場合、セル３００のエンドプレートと他のプレートとの間に形成されるコンパートメントに電解質が流れ込まない。ガスケット３７１の図３７１ｃは、垂直面を通じて１８０度回転されたガスケット面３７１ａの片側を示す。ガスケット３７１のうちの１つまたは複数を用いるアセンブリは、チャネル３７３ａおよび３７３ｂに基づいて、膜の各側でガスが分離されることを可能にする。

ガスケット３７１は、上記で３７１ａおよび３７１ｂとして示される２つの面を有する。ガスケット／膜アセンブリ３８０を作製するのに２つのガスケットが必要とされる。

ガスケット内のチャネル３７３ａおよび３７３ｂは、電極と膜との間のチャンバ内への電解質の自由な流れを可能にする。更に、チャネル３７３ａおよび３７３ｂは、電解質の自由な流れを可能にし、ガスが各チャネルを介してチャンバを出ることを可能にする。チャネル３７３ａおよび３７３ｂを有する側面３７１ａに対向するアセンブリ３００の面は、各ガスケット面に対する膜の緊密な封止を可能にするように平坦に接続することができる。切断により、スロットが封止を可能にしない場合がある。したがって、チャネルは、好ましくはガスケット幅の５０％の深さで用いられ、適切な熱可塑性材料を用いてルーティングまたは成形される。

チャネル３７３ａおよび３７３ｂの各々を、ガスケットの深さの概ね５０％までルーティング、切断または成形することができる。入口および出口の孔直径により、チャネル内の利用可能な量を制御する。孔サイズは、Ｓｗａｇｅｌｏｋによって製造された管継ぎ手等の適切な継ぎ手を、流体の入口および出口のためのガスケット３７１における４つの孔のそれぞれに合わせることができるように十分大きくなるように設計することができる。チャネル３７３ａおよび３７３ｂは、セル３００内の水素チャンバと酸素チャンバとの間の封止を効果的に促進する。

ゴム等の軟性材料をガスケット３７１のために用いることができる。ゴムはルーティングすることができないが、ガスケットを生成するように射出成形することができる。より硬いプラスチックもガスケット３７１のために用いることができるが、電極に対して封止するために、チャネル面上に薄く軟性のゴム封止部を必要とする。代替的に、特殊化された熱可塑性物質を試験射出圧で射出し、適切に硬く、依然として電極面に対して封止するガスケットを提供することができる。

図３Ｅは、２つのガスケット３８１および３８３ならびに膜３８２を備える構成部品に分解されたガスケットアセンブリ３８０を示す。膜は、通常、ガスケットに対する封止を可能にするために、長さおよび幅の点ではガスケットよりもわずかに小さい。ガスケット３８１および３８３は、それぞれガスケット３７１ならびに図３７１ｂおよび３７１ａに対応する。膜３８２は、示される側面（図３Ｄの側面３７１ｂ）においてガスケット３８２上に配置される。したがって、チャネル３７３ａおよび３７３ｂは、裏の右側にあるため、図３Ｅにおいて可視できない。

ガスケット３８３は、ガスケット３８１に対して反対の面にある膜３８２上に配置される。したがって、単一のガスケットおよび膜設計を用いてアセンブリ３８０を構築することができる。ガスケット３８１および３８３、ならびに同様にガスケット３６１および３６２は、通常、電解質溶液において用いるのに適したシリコンまたは別の材料から形成される。ガスケット３８１および３８３は、成形等のプロセスを用いて形成することができる。

膜３８２は、通常、プラスチック材料の比較的細かいメッシュである。例えば、メッシュタイプは、メッシュがどの程度細かいかに応じて、「５００」メッシュまたは最大で「１０，０００」メッシュとして知られている。膜は、通常、ポリアミドもしくはポリエステルまたは他のナノポリマー等の材料とすることができるが、他の材料であってもよい。適切な膜は、Ｆｕｍａｔｅｃｈ、ＺｉｒｆｏｎおよびＮａｆｉｏｎ等の企業によって製造されることがある。適切な膜の選択は、予期される電解質濃度、セルプレートを形成するのに用いられる金属、容器サイズ、コスト等を含む複数の要因に応じたものとすることができる。

膜３８２を有するガスケット３８１および３８３の対は、分離ガスケットアセンブリ（ＳＧＡ）とも呼ばれるアセンブリ３８０を形成する。アセンブリ３８０は、通常、３８１、３８２および３８３の順序で底部から上部へアセンブリされる。シリコーン接着剤（ｎｅｕｔｒａｌ ｃｕｒｅのｒｏｏｆ＆ｇｕｔｔｅｒ）等の封止剤を、２つのガスケット３８１および３８３（膜３８２ではない）の各嵌合面において用いることができ、封止剤はアセンブリ前に塗布される。商業的アセンブリは、いくつかの実施態様において、接着剤を使用することなく行うことができる。ガスケット（３８１および３８３等）の嵌合面および膜（３８２）は、アセンブリの圧縮の全封止を可能にするのに十分な空間を有するべきである。アセンブリは、例えば、コネクタを通じて穴あけされたエンドプレートにおける４つの孔にねじ込まれたガイドロッドを用いて達成される。アセンブリ３８０は、適切に構築されたジグまたは他の類似の産業用工具を用いて行われる。説明されたガスケット設計は、スロットではなくチャネルを有し、それによって、ガスケットの構築が容易になり、ガスケットと膜との間の適切な永久的封止が可能になる。

図３Ｆは、電極プレートのセット３９０を示す。セット３９０は２つの電極プレート３９１および３９２を含む。プレート３９１および３９２は、ステンレス鋼、チタンまたはニッケル等の金属から形成される。ニッケルは、いくつかの例において、耐久性に起因して好ましい可能性があるが、コストがより高い。金属端子プレート３９１は電力接続プレートである。プレート３９１は、封止ガスケット３６１の上に配置される。フルガスケットアセンブリ３８０は端子プレート３９１の上に配置される。複数のアセンブリ３８０が互いに積み重ねられ、封止ガスケット３６２がそれに続く。第２の電極プレート３９２は、封止ガスケット３６２上に積み重ねられる。電極プレート３９１は、突起または端子接続３９３を介してコントローラ１０４から電力を受けるように接続される。プレート３９２は、突起３９４によって接地される。プレート３９１および３９２は、通常同一であるが、セル３００がアセンブリされるとき、異なる接続を有する。図３Ｇは、中性プレート３４０を示す。中性プレート３４０は、セル３００に適用される電源への直接接続を有しない。中性プレート３４０は、ガスケット３８１および３８２のうちの１つに合うようなサイズおよび形状を有する。中性プレート３４０は、電極プレート３９１および３９２と同じ金属から作製される。

図３Ａ～図３Ｇに記載の孔、突起およびプレートの形状は変わることができる。試験のために展開されたプロトタイプにおいて、電極は１５×１５平方ｃｍであり、２つの端子接続プレートは、ケーブル接続のために提供された突起／端子接続（例えば、３９３）を有する。しかしながら、実際は、システム１００のスケールおよび使用に応じて、プレートのサイズは変わることができる。

図３Ｈは、使用のための接続を有するアセンブリされた電解セル３００ｈの例示的な側面図を示す。セル３００ｈは、例示の目的であり、そこに示す寸法は原寸に比例していない。セル３００ｈは、エンドプレート３５１および３５２によって境界を画され、ロッド３２０および３３０を用いて固定される。ロッド３２０および３３０は、エンドプレート３５１および３５２において形成された孔を通じてねじ込まれ、通常、ボルト（図示せず）等を用いて固定される。ブラケットシステム等の他の機構を用いてセル３００ｈを形成することもできる。

スリーブ３９９がプレート３５１および３５２間に保持される。スリーブ３９９は、図３Ａに示すのと同じ順序で配置された、ガスケット３６１と、左側の端子プレート３９１と、中央のアセンブリ３８０および中性プレート３４０と、右側の端子プレート３９２およびガスケット３６２とを含む。

水素コンパートメントおよび酸素コンパートメントごとにセル３００に電解質溶液を提供するために、導管／パイプ３９６（下端）がエンドプレート３５２の孔３５４のそれぞれに接続される。導管３９５（上端）は、各コンパートメントおよび任意の輸送された電解質溶液と別個に生成された水素ガスおよび酸素ガスを受けるために、エンドプレート３５１の孔３５４の各々に接続される。導管３９６（下端）は、別個の水素コンパートメントおよび酸素コンパートメントごとに電解質溶液をセル３００に送達する。プレート３５１および３５２の各々の他方の側は、図示されていないが類似の接続を有する。

端子プレート３９１および３９２の突起３９３および３９４は各々、電力入力およびグラウンドのうちの一方に接続される。接続は、複数の形で確立することができる。例えば、スロット付き銅片は、端子接続３９３および３９４の各々の上を摺動するように構成することができる。ボルトを用いてエンドプレート３５１および３５２の対応するものへの緊密な接続を保持することができる。

電解質溶液がセル３００ｈに提供されると、流体は導管３９５および３９６を介してスリーブ３９９に入り、３７１ａおよび３７１ｂ（３８１および３８３の各々の下側チャネル）の下側チャネル（３７３ｂ）まで、スリーブ３９９の長さに沿って流れる。コントローラ１０４からの電圧の印加により、水が分解し、結果として得られたガスが容器１０８に送達される。容器１８０が複数の容器を含む場合、各ガスは、水素のために１つ、および酸素のために１つの異なる容器から形成される。したがって、ガスの混合は、単一の容器を用いることと比べて防ぐことができる。特定のセルにおいて、または複数のセルが用いられる場合、全てのガスケットアセンブリ３８０がガスケットの混合を防ぐように同じように向けられる。隣接するアセンブリ３８０の回転によりガスの混合が増大する。

ガスケット３８１および３８２は知られている位置に向けられなくてはならない。負端子（プレート３９１および３９２のうちの一方）に面するガスチャネルが水素ガスを生成するのに対して、正端子に面するチャネルは酸素ガスを生成しない。ガスケットアセンブリのうちの１つが誤った向きに挿入される場合、生成されたガスは混合し、ＨＯＨを生成する可能性があり、ＨＯＨは、圧縮が試行されたときに爆発する可能性がある。

ガスケットおよびプレートコンポーネントは、ロッド３２０および３３０を用いて適所に保持される。ロッド３２０および３３０は、好ましくは亜鉛またはニッケルでめっきされた、高張力のねじ切りされたロッドであり、エッジ孔を通って２５０ｍｍの長さであり、ガスケットタイプ密度、例えばショア６０Ａに応じて、完全なアセンブリを１センチメートル締め付ける。セル３００のアセンブリは、通常、明るく清潔で乾燥した条件下で行われ、産業プロセスを表す。

説明された例示的な構成は１５個の中性プレートを用いる。しかしながら、プレートの数は、コントローラ１０４によって生成される出力電圧に基づいて変わる可能性があり、逆もまた同様である。

用いられる電気エネルギーに基づいて電気分解を通じた水素ガスの生成速度を決定するために、説明した構成を用いて試験が行われた。以下の式（４）を用いて、水素のリットルあたりのワット時間（Ｗｈ／Ｌ Ｈ₂）単位で水素生成のエネルギー率が求められた。
Ｗｈ／Ｌ Ｈ２＝Ｖｃｅｌｌ×Ｉｃｅｌｌ×ｄｕｔｙｆａｃｔｏｒ×発生した秒毎リットルＨ２／３６００ （４）

式（４）において、Ｖｃｅｌｌは、電解セル１６０のうちの１つにわたって測定された電圧であり、Ｉｃｅｌｌは、ａｍｐ単位の、全てのセル１６０を通って流れる電流である。式（４）における項「ｄｕｔｙｆａｃｔｏｒ」は、ｄｕｔｙｃｙｃｌｅ／１００であり、秒毎リットルＨ₂＝１リットルの水素ガスが生成されるのにかかる秒単位の時間である。除数３６００は、秒を１時間あたりの数に変換することに関する。

３０Ｈｚの周波数すなわち毎秒３０パルスを用いて３つの試験が行われた。
試験（Ａ）は、直流（パルス幅変調なし）を用いて、Ｖｓｕｐｐｌｙ＝３５．５Ｖｄｃ；Ｖｃｅｌｌ＝３５．５Ｖｄｃ；Ｉｃｅｌｌ＝１９．９Ａｄｃ；Ｄｕｔｙ＝１００％；Ｄｕｔｙｆａｃｔｏｒ＝１；秒毎リットルＨ２＝３３の測定値を提供した。
したがって、水素ガスのリットルあたりのエネルギーは、式（４）を用いて、３５．５×１９．９×１×６８．７５／３６００＝６．４８Ｗｈ／Ｌ Ｈ₂であると求められた。これは業界標準（４～６Ｗｈ／Ｌ）に妥当に近い。

パルス幅変調および異なるデューティファクタを用いて試験の２つのセットが行われた。
試験（Ｂ）は以下の測定値を提供した：Ｖｓｕｐｐｌｙ＝８５Ｖｄｃ；Ｖｃｅｌｌ＝２８．９；Ｉｃｅｌｌ＝１２；ｄｕｔｙ＝５．６％；Ｄｕｔｙｆａｃｔｏｒ＝０．０５６；秒毎リットルＨ２＝５３．２８。式（４）を用いて、０．２９Ｗｈ／Ｌ Ｈ₂率が求められた。
試験（Ｃ）は以下の測定値を提供した：Ｖｓｕｐｐｌｙ＝８５Ｖ；Ｖｃｅｌｌ＝２８．９Ｉｃｅｌｌ＝１９．３８；Ｄｕｔｙ＝９．０４；ｄｕｔｙｆａｃｔｏｒ＝０．０９０４；秒毎リットル＝３３。式（４）を用いて、０．４６Ｗｈ／Ｌ Ｈ₂率が求められた。
試験については以下の表１に要約されている。

表１によって示すように、１リットルの水素ガスを生成するために各セルにわたって用いられる電力量は、デューティサイクルの減少と共に減少した。

図４は、１つ～４つの電解セル１６０を用いて行われる試験の結果を示す。２つ以上の電解セル１６０が用いられた場合、セルは並列に接続された。図４はグラフ４００を示し、線４０２は水素ガスの流れを示し、線４０４は１リットルの水素ガスを生成するのに必要とされるエネルギーを示す。付録Ａは、グラフ４００の生成につながった、行われた試験において収集されたデータセットを示す。線４０２および付録Ａのデータによって示されるように、水素ガスの流れは、セル数の増大と共に増大する。線４０４および付録Ａのデータによって示されるように、１リットルの水素を生成するのに必要とされるエネルギーは、セル数の増大と共に減少する。セル数が１つのセルから２つのセルに増大するとき、最も大きな減少が明らかとなる。

付録Ｂは、異なる濃度のＫＯＨおよび電解質容器１０８内の電圧を用いて行われた試験を示す。効果的には、より高い電解質濃度のためにより低い電圧を用いることができる。上記で説明したように、システム１００の好ましい実施態様は、１００ｇのＫＯＨ／Ｌの濃度、９０Ｖの範囲の入力電圧、および１％～１０％またはその中の範囲のデューティサイクルを用いる。最大約２５％のより高いＫＯＨ濃度を用いることができる。

システム１００を用いて、本明細書において「バッテリ再充電試験」と呼ばれる指示試験も行われた。バッテリ再充電試験は、５つの異なる試験を行って、１キログラムの水を電気分解によって生成されたガスに置き換えることに関係した。５つの試験の前に、一連のバッテリが完全に充電され、充電なしで１日間整定され、次に入力電圧１０２として接続された。１キロの水が置き換えられるたびに電解システムがオフに切り替えられた。バッテリ１０２は、各試験間に約１５分休止された。５つの試験の最後に、バッテリは１時間休止して安定した静止電圧に達するようにされた。休止時間が終わると、バッテリバンクをフルに充電する（開始安定電圧に戻す）のに必要なエネルギー量が測定された。試験ごとに収集されたデータが付録Ｃに提供されている。

バッテリ再充電試験の５つの試験のために１リットルの水素ガスを生成するのに必要な平均エネルギーは、０．２５５Ｗｈ／Ｌであることがわかった。５つの試験のための水素ガスおよび酸素ガスを含む１リットルのガスを生成するのに必要な平均エネルギー量は０．１６６Ｗｈ／Ｌであることがわかった。

１時間の休止後にバッテリを再充電するための平均時間は６分であることがわかった。バッテリを開始電圧まで再充電するのに必要なエネルギーは、累積Ａｈを貯蔵するデジタル充電器を用いて測定され、０．０１６Ａｈであるとわかった。７６．３Ｖの測定再充電電圧を用いて、再充電要件により、合計５リットルの水素ガス、または０．２４４Ｗｈ／Ｌの水素ガス（１リットルの組み合わされた酸素ガスおよび水素ガスあたり０．１５９Ｗｈ／Ｌ）を生成するために１．２２０８Ｗｈが提供された。付録Ｃの試験において、Ｗｈ毎リットル単位で表されるバッテリを充電するのに必要なエネルギーは、１リットルの水素ガスを生成するのに必要な平均エネルギー未満であった。試験は、再充電エネルギーが、再充電を除いた測定から計算されたものよりも高いかまたは低いかを判断するのではなく、ガス生成のために用いられるエネルギーの近似を求めるメカニズムを提供した。バッテリ電圧は、充電状態およびエネルギー容量の指示を提供する。この試験は、好ましくは、良好な条件のバッテリを用いて行われ、各試験手順の前に最適に充電され、試験の前の少なくとも２４時間にわたって静止バッテリ充電状態（ＳＯＣ）に達するようにされる。５つの１リットル水素試験の各終了時に、電力がオフに切り替えられ、バッテリは、１５分間静止され安定化される。

システム１００を用いて行われる別の試験は、燃料電池試験と呼ばれる。燃料電池試験は、システム１００によって生成される水素ガスを、マイクロポンプのシステムを用いて燃料電池に提供することを伴った。圧力コントローラ中継器を用いて、圧力制御のみに従ってポンプおよび電解槽システム１００をオンおよびオフに自動的に切り替えた。電解システム１００は、特定の期間にわたってオンにされ、次にオフにされた。付録Ｄに示すように、燃料電池は、最大２４．２Ｗの最大負荷を提供した。混合分子ふるい５ａ（５オングストロームの孔サイズ）の再生された量を保持する／シリカゲルを示す１メートルの長さの１０ミリメートルの直径の管が乾燥機として用いられた。この試験または他の類似の試験において１時間の実行時間においてシリカゲルの色の変化を示すものはなかった。

試験により、電解システム１００がオフにされた後、燃料電池は、デジタル圧力コントローラ内の最小／最大圧力設定に応じて更に数時間動作を継続した。付録Ｄのサイクル時間は、サイクル測定値を提供する。電解槽のオンおよびオフの時間が付録Ｄに示される。システム１００の連続動作は、完全なサイクル時間にわたって燃料電池を動作させるのに必要とされなかった。したがって、システム１００は、このタイプの燃料電池を動作させるために連続して動作する必要がない。非連続動作により、コンポーネントの摩損を遅らせ、加熱に起因したエネルギー損失を減少させる等の利点をもたらすことができる。

付録Ｄの試験において、シリカゲルを用いて生成された水素ガスを乾燥させた。他の実施態様では、圧力スイング装置（ＰＳＡ）を用いて、燃料電池に提供するために水素ガスを乾燥させることができる。

図１の電解システム１００を用いて、コンテナ１１０内に貯蔵される水素ガスを生成することができる。生成された水素ガスを用いて、燃料電池を用いて発電することができる。例えば、Ｂａｌｌａｒｄ ＰｏｗｅｒおよびＨｏｒｉｚｏｎ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓによって製造されたもの等の燃料電池は、水素を電気に変換するのに適している。

説明された構成は、エネルギー生成産業、特に水素および電気を生成する産業に適用可能である。上記で説明したように、記載の構成は、減少したデューティサイクルのうちの１つまたは複数の使用、並列に接続された最大で４つの電解セルおよびＫＯＨ濃度の使用を通じて水素生成を達成する。

上記は本発明のいくつかの実施形態のみを記載しているが、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、変更および／または変形を加えることができ、実施形態は例示的なものであり、限定ではない。

本明細書の状況においては、用語「含む、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、「主として含んでいるが、必ずしも単独ではない」こと、または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、または「含む、包含する（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」を意味し、「のみからなる」を意味しない。「含む、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ、ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」などの用語「含む、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」の変更形態は、それに応じて異なる意味を有する。

付録Ａ－１つ～４つの電解セルを用いることに関係する試験
図４に関連付けられた試験の測定値が以下の表２に示される。

上記の測定は、２９Ｈｚの周波数を用いた１つ～４つの電解セル１０６での試験実行のためのものである。上記の測定において、セル数は、用いられる電解セルの数を示し、Ｖｉｎは電源１０２によって提供される電圧を示し、Ｖｃｅｌｌは電解セル１０６の各々にわたって測定された平均電圧である。Ｉｃｅｌｌは、各セルにわたって、またはより多くのセルが合計で４つのセルに接続された場合、複数のセルにわたって測定された総電流である。４つのセルが接続されたとき、各セルの電流が測定され、Ｉｃｅｌｌ １～４として含められた。

「デューティファクタ」は、コントローラ１０４によって出力される方形波のデューティファクタである。「総ガス流」は、秒毎リットル単位の生成される全体ガス流であり、「Ｈ２流」は、秒毎リットル単位の生成される水素ガス流である。列「Ｗｈ／Ｌ Ｈ２」は、生成される水素ガスのリットルあたりに必要とされるエネルギー（Ｗｈ単位）を示す。列「ＩＣｅｌｌ １～４」は、セル１６０の各々を通って流れる測定電流をａｍｐ単位で示す。試験は、１５個の中性プレート、１００ｇのＫＯＨ／Ｌを用い、６×１２Ｖのバッテリを電源１０２として用いて行われた。

他の試験は、以下に示すように、約５％（表３）および８％（表４）のデューティサイクルを用いて行われた。これらの２つの試験において４つのセルのみが用いられた。

表３に関連して行われた試験において、生成された水素ガスのリットルあたりに必要とされる４つのセルの平均エネルギー（Ｗｈ単位）が、０．２１３Ｗｈ／ｌであると求められ、１．５１１ＬＰＭ（リットル毎分）の平均水素ガス流が求められた。

表４に関連して行われた試験において、生成された水素ガスのリットルあたりに必要とされる４つのセルの平均エネルギー（Ｗｈ単位）が、０．３１９Ｗｈ／ｌであると求められ、２．５６４ＬＰＭの平均水素ガス流が求められた。

付録Ｂ－電解質溶液の異なる濃度を用いた試験
グラフ４１０～４４０を生成するために行われる測定が以下の表５～表７に示される。

付録Ｃ－バッテリ再充電試験のための測定値
１リットルの水素を５回生成するのに用いられるデータが以下で表８に示される。バッテリの再充電に関するデータが以下で表９に示される。

表８および表９におけるデータが以下のように提供される。
Ｖｂａｔｔ ｓｔａｒｔ＝任意の試験の開始前のバッテリ電圧
Ｖｗｏｒｋ＝試験中のバッテリ電圧
Ｖｅｎｄ＝試験の即時終了時のバッテリ電圧
ＶｃｅｌｌおよびＩｃｅｌｌ＝セルにおける電圧および電流（ａｍｐ）
ＣＲＯ＋幅＝オシロスコープが測定したミリ秒（ｍｓ）単位のピークまたはパルス幅
ＣＲＯ ＰＲＤ＝オシロスコープが測定したミリ秒（ｍｓ）単位の総サイクル時間
デューティファクタ＝ＣＲＯ＋幅／ＣＲＯ ＰＲＤ
ここで示す値は、４．３％の平均のデューティサイクルを記述する。
用いられるデューティワットは、Ｖｃｅｌｌ×Ｉｃｅｌｌ×デューティファクタとなる。
残りのＯ２グラム水＝試験の開始時に軽量された初期の１０００ｇから、酸素が水と置き換わった後に残っている水のミリリットルまたはグラム
１Ｌ Ｈ２ 秒＝１０００ｇまたは１０００ｍｌｓの水を置き換えて厳密に１ＬのＨ２を与えるのにかかる秒数
ＬＰＭ Ｈ２＝発生したリットル毎分Ｈ２
Ｗｈ／Ｌ Ｈ２＝発生したＨ２の１リットルあたりに用いられるワット時間

付録Ｄ－燃料電池動作試験のための測定
サイクル試験

サイクル試験は、水素の純度が高いことを示す。

Claims (9)

1. 入力電圧を提供するように構成された電源と、
   前記入力電圧を受け、パルス幅変調電圧を出力するように構成されたコントローラであって、前記出力電圧は、１％～１０％の範囲の可変デューティサイクルを有する３０Ｖの方形波である、コントローラと、
   前記出力電圧を受けるように構成された少なくとも１つの電解セルであって、各電解セルは、複数の金属プレートを備え、各電解セルは、電解質を含む水を受け、前記出力電圧を受けると前記水を分解するように構成される、電解セルと、
   を備える、電解システム。
2. 前記入力電圧は７５Ｖｄｃ～２５０Ｖｄｃである、請求項１に記載のシステム。
3. 前記方形波は、３０Ｈｚの周波数を有する、請求項１に記載のシステム。
4. 前記少なくとも１つの電解セルは、並列に接続された４つの電解セルを含む、請求項１に記載のシステム。
5. 前記水中の前記電解質の濃度は、リットルあたり１００ｇのＫＯＨである、請求項１～４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記少なくとも１つの電解セルの各々は、１５個の中性プレートおよび２つの端子プレートを含み、前記端子プレートの各々は前記電解セルの端部を形成する、請求項１～５のいずれか１項に記載のシステム。
7. 前記入力電圧は、前記少なくとも１つの電解セルの前記プレートの各々の間の電圧が、１．２Ｖ～２Ｖの範囲内にあるように変わる、請求項６に記載のシステム。
8. 前記デューティサイクルは、前記少なくとも１つの電解セルにわたって測定された電圧に基づいて変わる、請求項１～７のいずれか１項に記載のシステム。
9. 電気分解を行う方法であって、
   コントローラにおいて、入力電圧を受けることと、
   前記コントローラによって、前記入力電圧を用いて、パルス幅変調出力電圧を生成することであって、前記出力電圧は、１％～１０％の範囲の可変デューティサイクルを有する３０Ｖの方形波であることと、
   少なくとも１つの電解セルによって、前記出力電圧を受けることであって、各電解セルは、複数の金属プレートを備え、各電解セルは、電解質を含む水を受け、前記出力電圧を受けると前記水を分解するように構成されることと、
   を含む、方法。

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