JP3346777B2 - 直流水素発生器システムおよび方法 - Google Patents

直流水素発生器システムおよび方法

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Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の背景］ 超高純度水素（例えば99.999％純度）は、電気化学的
セル内においてパラジウムまたはパラジウム合金カソー
ドを賦活し、水素プロトンを供給することによって発生
される（米国特許第3,448,035号を参照されたい）。こ
の種の高純度発生器においては、水が電解され、ハイド
ロニウムイオンがパラジウムカソード管にて還元され、
そしてパラジウム管の内側で水素ガスとなる（99.999％
純度）。発生器出力、ガス流または圧力を監視し、AC電
源により電解セルに供給されるエネルギを調節すること
によって、水素出力圧力、したがって暗黙裡に水素の出
力流量が制御される。
水素を発生する他の方法は、イオン交換プロセスにお
いて固形重合体電解質を採用するか、イオン交換膜を使
用して酸素−水素を発生する（米国特許第5,037,518号
および米国特許第5,480,518号を参照されたい）。しか
しながら、これらのプロセスは、単一のステップで超高
純度の水素を発生しない。何故ならば、水素は水蒸気と
ともに発生され、これが、普通、シリカゲルまたはパラ
ジウム膜を含む下流の精製器で除去されねばならない。
それゆえ、水素純度および効率が増大された、水素電
解セル発生器システムのような、新規で改良された単一
ステップの閉鎖ループガス発生器システムおよび方法を
提供することが望まれる。
［発明の概要］ 本発明は、水素ガス発生器システムのような超高純度
ガス発生器システムおよび方法に関するもので、該シス
テムおよび方法は電解セル内のカソードに比例的電流を
供給するために直流電源を採用する。
システムは、水素ガス用の金属カソードガス発生器
と、金属カソードに対するDC電流源とを備え、出力DCラ
イン電流は、セルからの水素ガス圧または水素ガス流内
の変動に基づいてDC電源中へのパルスのパルス幅を変更
する制御回路によって連続的に変更される。
本発明のシステムおよび方法においては、電解セルの
パラジウムまたはパラジウム合金カソードに直流が供給
され、そしてこの直流が、圧力または流れトランスジュ
ーサによりセル内のガス流または圧力を監視し、出力電
圧を制御回路に供給することによって制御ないし切り替
えられる。制御回路は、高周波インバータのパルス幅を
変調し、その変調され濾波された出力が連続直線電流源
としてセルに供給される。
本発明は、下記の諸要素を含むシステムより成る。す
なわち、 （ａ）高純度ガス、例えば水素発生用水分解電解セル。
このセルは、直流電力が供給されるパラジウムまたは合
金のようなガス発生用カソードを備え、水素のような超
高純度ガスを回収するためのアウトレットを有する。
（ｂ）セルの水素ガス圧力および流れを監視し、比例的
電圧または流量出力を供給するためのガス圧力またはガ
ス流トランスジューサ手段。
（ｃ）AC電力を供給するためのAC電源。
（ｄ）AC電源のAC電流をDC電流に整流し、濾波するため
のAC入力整流およびフィルタ手段。
（ｅ）AC入力整流およびフィルタ手段からのDC電流を所
定の高周波出力、例えば20〜100KHzに変換するための高
周波インバータ手段。
（ｆ）選択された連続DC電流を前記セルのカソードに供
給するためのDC出力整流および手段。
（ｇ）パルス変調器を含む制御回路手段。制御回路手段
は、前記トランスジューサ手段から前記電圧出力を受け
取り、高周波インバータに送られる電気パルス信号の幅
を変えることによって前記トランスジューサ電圧出力に
応答して前記セルのカソードへの前記所与のDC電流を制
御し、それによりガス流量または圧力に応答してセルの
カソードへの直流電流を効率的に制御する。
システムおよび本方法は、改善された経済的な電解セル
発生器を提供する。何故ならば、システム内のセルに供
給される所与のDC電力曲線は、1/4"直径でなく例えば1/
8"のより小型のカソード管の使用を可能とし、同じセル
容量においてより効果的なセル表面積を提供し、高価パ
ラジウム金属の少量の使用するからである。
閉鎖ループＣ連続システムおよび方法は、電解セル内
における兆候純度水素の製造の特定の具体例と関連して
説明したが、本システムおよび方法は、固形重合体電解
質発生器およびその他の電気的に発生されるガス発生器
のような他の水素発生器の製造と関連して使用できよ
う。
［図面の簡単な説明］ 図１は本発明のシステムの例示的ブロック図である。
図２はアンペア／目盛対時間ミリ秒／目盛で表した電
気波形のグラフ表示で、本発明（Ａ）に対する従来のAC
電流の出力（ＢおよびＣ）の比較を示す図である。
［具体例の説明］ 本発明のシステム10は、図１に示してある。システム
10は、電源ラインからの50〜60Hz90v〜240vAC電源を、2
0〜100KHz、例として、20〜40KHz高周波インバータ14へ
の整流DC出力に変換するためAC入力整流およびフィルタ
装置12を含み、そして該インバータは、整流された直流
出力を、パルス幅変調（PWM）出力レベルでDC出力整流
器およびフィルタ16に対してユーザ回路により必要とさ
れる出力レベルに減ずる。ここで連続直流電流が電解セ
ル18に供給される。セル18は、金属ニッケルハウジング
を有し、複数のパラジウムカソード管を有し、電解質が
供給され、非常に高純度の水素ガスを提供する。システ
ムは、圧力トランスジューサ20を備えており、セル18の
水素ガス圧出力を監視し、比例的出力信号例えば電圧を
高周波インバータ14への電気的信号出力をもつ制御回路
22に供給する。
制御回路22は、その出力信号をインバータ14に供給し
てループを閉鎖する。制御回路22は、パルス幅変調器24
（PWM）、発振器26,電圧コンパレータ28および基準電圧
30を含む。制御回路22は、セル18への選択された高周波
インバータDC出力を調整し、インバータ14の出力からの
電気ループを閉じる。
制御回路22は、内部的に所与の周波数、例えば20〜10
0KHz、例として、20〜40KHzの信号を発生し、所望のDC
出力を得るためPWMを使用する。インバータ14の平方駆
動出力のオン時は、トランスジューサ20に対するガス圧
またはガス流の関数としてのガスプロセス出力電圧によ
り制御される。制御回路22に対する入力電圧（ガス流、
圧力）が増すにつれ、制御回路22への入力電圧の若干の
上昇は、制御回路に信号し、制御回路22の出力でより狭
いパルスをインバータ14に供給し、逆に、トランスジュ
ーサ20からの入力電圧（ガス流、圧力）が減ずるにつ
れ、より幅の広いパルスがインバータ14に供給され、セ
ル18に対するDC出力電流を変更する。一般的に、パルス
の継続時間は、約10〜25マイクロ秒（μｓ）の範囲にあ
る。システムはまた、任意的に、セルの漏洩、セルの水
使用だめ、セルの温度およびセルの過剰圧力のようなセ
ル18のその他の補助的機能をいずれかの電力で監視し、
制御してもよいことを示している。
図２は、水素カソードセル発生器に対して、従来一般
に使用される「位相角」（曲線Ｃ）または「振幅」調節
整流DC（曲線Ｂ）電力コントローラに包含される、アン
ペア／目盛対時間、ミリ秒、での電流の変化間の比較を
示す。オン電流の間隔は無電流の間隔と交番し、オフ／
オンの比は、２程度とし得る。この従来の動作は、高実
効電流値がセルに供給されることを要する結果となる。
所与の水素ガス流量に対して、この電流値は、電流線が
実質的に連続的である本発明の直流電源システム（図
２、Ａ参照）からの電流値の２倍である。従来技術の方
法およびシステム（例えば図２、ＢおよびＣ）は、より
高いセル温度をもたらし、カソードの酸化反応およびセ
ルへ応力がかかる期間が大きい。
流量の観点から、カソード電解セルを有する連続直流
電流サージ駆動システムは、カソードパラジウム管に電
気機械的応力を加えることなく水素ガス流量を倍化し、
より低い運転セル温度を可能とし、逆カソード反応が起
こるときの時間間隔の完全な除去を可能とする。

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ガス発生器セル（槽）内の電解質への直流
    の印加により選択されたガスを発生するためのガス発生
    器システムであって、 （ａ）50〜60HzのAC電力を受け入れて交流電力から直流
    電力出力に整流し濾波するための入力整流器およびフィ
    ルタと、 （ｂ）DC直流出力を受け入れて20〜100KHzの高周波DC電
    力出力を提供する高周波インバータと、 （ｃ）高周波DC電力出力を受け入れてガス発生器のカソ
    ードに連続的DC電力を供給するためのDC出力および整流
    器と、 （ｄ）カソードを具備し電解質を有するガス発生器であ
    って、そのセルが連続的出力DC電力を受け取って発生器
    出力から高純度ガスを発生するガス発生器と、 （ｅ）ガス発生器からのガス圧またはガス流を監視し
    て、電圧信号を発生するためのトランスジューサと、 （ｆ）制御回路とを備え、該制御回路が、 ｉ）電圧信号を受信し比較して、電圧制御信号を供給す
    るための電圧比較回路および基準回路と、 ii）制御信号を受信し、該制御信号に応答してPWM出力
    信号を供給するパルス幅変調器（PWM）とを備え、このP
    WM信号が高周波インバータにフィードバックされてDC出
    力および整流器に対する高周波DC電力出力のパルス幅を
    変更し、ガス発生器のカソードに制御されパルス変調さ
    れた連続DC電力を供給することを特徴とするガス発生器
    システム。
  2. 【請求項２】前記高周波インバータがDC電力を高周波数
    の20〜100KHzのDC電力出力に変換する請求項１記載のシ
    ステム。
  3. 【請求項３】変更されたパルス幅出力が10〜25マイクロ
    秒のパルス時間を有する請求項１記載のシステム。
  4. 【請求項４】電解質および高純度ガスの抜出し用のガス
    出口を有するDC電力駆動ガス発生器から高純度ガスを供
    給する方法であって、 （ａ）AC電力源を提供し、 （ｂ）AC電力をDC電力出力に整流し、 （ｃ）DC電力出力をインバーティングして、20〜100KHz
    の高周波数のDC電力出力を供給し、 （ｄ）ガス圧またはガス流についてガス出口を監視し、
    このガス圧またはガス流に応答して電圧信号を発生し、 （ｅ）電圧信号を基準信号に比較して、電圧制御信号を
    発生し、 （ｆ）パルス幅変調器からのパルス幅変調信号を発生
    し、電圧制御信号に応答してパルス幅を変更してPWM出
    力信号を供給し、 （ｇ）このPWM出力信号により高周波数のDC電力出力を
    変更して、高周波数PWM電力出力を供給し、 （ｈ）PWM電力出力を整流して、平坦な、連続的DC電力
    出力を供給し、そして （ｉ）この平坦な、連続的DC電力出力をガス発生器に供
    給することを特徴とする高純度ガス発生方法。
  5. 【請求項５】50〜60HzのAC電力を供給し、20〜100KHzの
    高周波数にインバーティングすることによって周波数を
    増す請求項４記載の高純度ガス発生方法。
  6. 【請求項６】DC電力出力をパラジウムカソードを有する
    超高純度水素ガス発生器に供給することを含む請求項４
    記載の高純度ガス発生方法。
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