JP5834135B2 - 水素ガス発生器 - Google Patents

Description

〔優先権〕
本願は、２０１１年５月３日に出願された米国出願第１３／０９９，７０７号の優先権を主張するものである。

〔技術分野〕
本発明は、水素ガスを発生するための水素ガス発生器に関する。

水素発生器は、水素（Ｈ₂）および酸素（Ｏ₂）ガスの混合物、典型的には、水と同じ比率のモル比２：１で発生される。

水素ガス発生器は４つの主要構成要素、陰極と、陽極と、該陽極および陰極を備えたキャビティ内に含まれる食塩水またはブライン溶液、を備える。この発生器は、通常、その間をブライン溶液が流れることができるように、間隔をあけて重ねられたステンレス鋼板から構成される。陰極および陽極板を交互に配する形態は、陽極板と陰極板との間に電圧差が置かれたとき、化学反応を生じて電流がブライン食塩溶液を通って流れることができる。

金属板の積層は水素発生器にとって最も慣用的な形態である。積層板に付随する１つの問題は、板間の流体が発生器のその他の部材からの新鮮な流体と容易に交換されず、発生器の効率を減少することである。

従来技術の問題点および欠陥に鑑み、本発明の目的は、水素ガス発生のための装置を提供することである。

本発明の別の目的は、積層板式発生器よりもより効果的に水素ガスを発生する円筒形の水素ガス発生器を提供することである。

本発明のその他の別の目的および利点は、本明細書から一部は明らかであり、一部は明らかとなる。

上述および当業者にとって自明なその他の目的は、本発明により達成され、それは、陽極と、陰極と、内部キャビティを有するハウジングと、その端部近傍に陽極または陰極を電気的に接続され、かつ、キャビティの主要部分からキャビティの端部分を分離するキャビティ内の有孔壁とを含む水素発生装置を指向するものである。本装置は、ハウジング内にキャビティの主要部分から有孔壁を通ってキャビティの端部分に連続的に続く水を備えている。

有孔壁に電気的に接続される陽極または陰極はキャビティの主要部分から有孔壁を通ってキャビティの端部分へ延びてハウジングを通過してもよい。ハウジングは２つの端部と、キャビティの各端部をキャビティの主要部分から分離する、各端部近傍のキャビティ内の有孔壁とを有することもできる。陽極または陰極は一方の有孔壁を通ってキャビティの主要部分へそしてハウジングの一方の端部を通り、他方の有孔壁を通ってキャビティの主要部分へそしてハウジングの他方の端部を通って延びる。ハウジング内の水はキャビティの主要用部分から有孔壁の各々を通ってキャビティの端部分に連続的に続く。

有孔壁は、その中に開孔を有する金属板或いはオープンセル形金属発泡体であってもよい。水素発生装置は、内部キャビティ内に滑動可能な状態で配設された円筒形金属スリーブを備え、該金属スリーブは端部と、金属スリーブの端部と有孔壁との間に配設された絶縁スペーサリングとを有することもできる。

陽極は円筒形状に螺旋状に巻かれた中空の金属管であってもよい。陽極は、互換的に、シリンダ壁を貫通する複数の陽極開孔を備えた中空の金属シリンダかまたは円筒形の金網であってもよい。

水素発生装置は、キャビティからハウジングの開孔を通って外へ延びる少なくとも１つの導電性ターミナルを備え、そこにおいて、少なくとも１つのターミナルは陽極と電気的に接触することもできる。

本発明の別の形態は、内部キャビティを有するハウジングと、内部キャビティ内の陽極と、内部キャビティ内の陰極とから構成された水素発生装置を指向するものである。この装置は、内部キャビティ内に配設され、陽極または陰極に電気的に接続されたオープンセル形金属発泡体を備える。装置は、ハウジング内に金属発泡体を通って連続的に続く水を備える。オープンセル形発泡体は、その中に溝を有する陽極であってもよく、陰極は発泡体陽極の溝を通って延びる。陽極溝は長さおよび溝付き壁を有し、陰極と溝壁の間の空間は溝付き壁の長さまで延び、この空間は実質的に水で満たすこともできる。

オープンセル形発泡体は互換的にその中に溝を有する陰極であってもよく、陽極は溝を通って発泡体陰極に延びる。水素発生装置は内部キャビティ内に滑動可能な状態で配設された円筒形金属スリーブを備えることもできる。金属スリーブは端部を有することもでき、そこにおいて絶縁スペーサリングが金属スリーブの端部と有孔壁の間に配設される。

金属発泡体は金被膜を備えることもできる。

本発明の別の形態は、水素発生装置の使用方法を指向するものである。この方法は、陽極と、陰極と、内部キャビティを有するハウジングと、キャビティの主要部分からキャビティの端部分を分離する、端部近傍のキャビティ内の有孔壁とを用意することを含む。陽極または陰極はキャビティの主要部分から有孔壁を通ってキャビティの端部分へ延びてハウジングを通過し、そして水はハウジング内でキャビティの主要部分から有孔壁を通ってキャビティの端部分に連続的に続く。本方法は、陽極と陰極の間に水素ガスの生産を可能にするのに十分な電圧差を適用することを含む。

本発明の新規な特徴および本発明を特徴付ける要素は特に添付の請求の範囲に述べられている。図面は例示の目的だけであり実物大では描かれてはいない。しかしながら、機構および操作方法の両者に関しては、本発明自体は、添付の図面を参照して後述する詳細な説明から最もよく理解されよう。

図１は、本発明による水素ガス発生器の分解図である。 図２は、本発明による陽極端子と端子絶縁体の断面図である。 図３Ａは、端部キャップを取り除かれた図１の水素ガス発生器の端面図である。 図３Ｂは、本発明による水素ガス発生器のハウジングを通って延びる端子およびポートの互換的な形態を示す端面図である。 図４は、図１の水素ガス発生器の陽極の斜視図である。 図５は、本発明による陽極の第２実施形態の斜視図である。 図６は、本発明による陽極の第３実施形態の斜視図である。 図７は、本発明による陽極の第４実施形態の斜視図である。 図８は、図７に示す陽極を備えた水素ガス発生器の切欠図である。 図９は、図８に示す水素ガス発生器の側面図である。 図１０は、図５に示す陽極への陽極端子の接続を示す水素ガス発生器の断面端面図である。 図１１は、本発明による貯留システムを備えた水素ガス発生器の側面図である。 図１２は、本発明によるガス出力を制御するためのバルブシステムのブロック図である。 図１３は、本発明による水素ガス発生器のための制御器のブロック図である。

本発明の好適な実施形態の説明において、参照符号は、図面の図１〜１３を通して、本発明の同様な機能に同様な符号が付されている。

図１に示された水素ガス発生器１０は、ハウジング開孔１６を有する、円筒形のセラミック被覆アルミニウムハウジング１４と、ハウジング１４の内側に滑動可能な状態で配設された円筒形の金属スリーブ２２とを備えており、金属スリーブ２２はハウジング１４の長さよりも短い長さである。ハウジング１４は相互に対向する端部と、該端部間のキャビティとを有しており、有孔壁３０が金属スリーブ２２の端部に隣接しかつハウジング端部の各々の近傍に該端部から離間している。金属スリーブ２２は非絶縁スリーブ開孔２６と絶縁スリーブ開孔２８とを備えている。非絶縁開孔２６は、ブライン溶液のための注入口１２と排出口１３、水素ガス取り出し口８０と空気抜きバルブ口８２とを繋ぐためにある。絶縁スリーブ開孔２８は、ハウジング１４の外側から円筒形金属スリーブ２２の内側の陽極に延びる陽極端子１１のためにある。端子絶縁体３２は、図２の断面図に示されるように、陽極端子１１と絶縁スリーブ開孔２８の間に配設されており、陽極端子１１と協働して金属スリーブ２２をハウジング１４に固定している。陽極端子１１の両端は、キャビティの内側の陽極１８とキャビティの外側の電源を電気的に接続できるように、端子絶縁体３２から突出している。金属スリーブ２２は、端子１１並びに排出口１３、注入口１２、水素ガス取り出し口８０および空気抜きバルブ口８２の各々が対応するハウジング開孔１６およびスリーブ開孔２６、２８を通って延びるように、ハウジング開孔１６と整合して孔開けされ、ハウジング１４を密閉的に接合し、そしてキャビティ内の液体および気体がハウジング開孔１６を通ってキャビティから漏出するのを防止する。水素ガス発生器の陽極は適当ないかなるタイプおよび形態のものであってもよいが、図１には円筒形の螺旋状の陽極１８として示されている。陽極は、装置内のスリーブ２２および陰極構造物から離間してその内部に陽極を支持する端子１１により接続される。

複数の陰極ロッド２０、ここでは４本の相互に離間したロッドによって取り囲まれた中央ロッドとして示される、は、ハウジング１４の一端の有孔壁３０からハウジングの他端の対向する有孔壁３０へ延び、各陰極ロッド２０は壁と電気的に接続される。ハウジング１４の各端部には、陰極端子２４が有孔壁３０の中央開孔５２に配設され、かつ、キャップ開孔７２を通って端部キャップ７０に延びる。陰極端子２４は、端子ナット７４が有孔壁３０に端部キャップ７０を固定するように、ねじ山を付けてもよい。陰極端子２４は有孔壁３０との接触を介して陰極ロッド２０のための共通の接続を提供する。

本水素ガス発生器はハウジング１４の各端部近傍に絶縁スペーサ６０を備え、有孔壁３０をスリーブに電気的接続を行うことなしに密閉し得るようにスリーブ２２の端部に着座させる。有孔壁は有孔壁を貫通する複数の開孔または穿孔５０を備える。いかなる数の開孔または穿孔もブライン溶液が通過する通路を可能にするように用いられ得る。

端部キャップ７０はハウジング１４の端部内に滑動可能な状態で係合し、そして、気体および液体が、水素取り出し口８０または空気抜きバルブ８２を通る場合を除いて、キャビティからシール６０に沿って出るのを阻止するように、シールを形成する有孔壁３０に接触する。

使用時、ハウジングキャビティ内に含まれる水は、電気をよく通すのに十分な塩（Ｎａ⁺Ｃｌ^-）またはその他の電解質のような電解質を含み、そしてそれはブライン溶液として参照される。陽極（＋）と陰極（−）の間に電位差が置かれたとき、結果として生じる電流はブライン溶液を電解させて、陰極に気体の形態の水素（Ｈ₂）を、陽極に気体の形態の酸素（Ｏ₂）を発生する。スリーブ２２の各端部の陰極壁３０は、ハウジング１４の各端部の有孔壁３０と端部キャップ７０の間に小さなチャンバを作る。正確な仕組みは知られていないが、主要キャビティと協働してブラインを保持するこれらのチャンバは、本発明による使用可能な水素の生成にとって大きな助けになると信じられている。

図３Ａは、端部キャップ７０を取り外した状態の水素ガス発生器の端面を示している。端子１１並びに排出口１３、注入口１２、水素ガス取り出し口８０および空気抜きバルブ口８２の各々は、図１に示されるように、放射方向に対向する方向へハウジング１４から延びている。図３Ｂは、ハウジング開孔がハウジングの対向側に直線状の列に整合されていない互換的な実施形態を示している。この配列は、水素ガス発生器の位置付けまたは水素ガス発生器の実現のためのその他の要因によって追加的に変更し得る。

図４〜６は陽極の種々の実施形態を示し、図４は図１に示す陽極の実施形態であり、そこにおいて陽極１８は円筒形状に螺旋状に巻かれた中空の金属管であり、クリンプされて閉鎖された端部を有する。別の実施形態において、図５に示す陽極１８’は、シリンダ壁を貫通する複数の陽極開孔４４を備えた中空の金属シリンダである。図６に示す陽極１８”は円筒形の金網である。陽極１８、１８’および１８”は陽極端子１１と接合することによってハウジング１４のキャビティ内に支持される。

図７〜９に示す本発明の別の実施形態において、水素発生器１０’は円筒形のオープンセル形金属発泡体の陽極８６を備え、陽極８６は該陽極の長さまで延びるボア開孔または溝８８を有する。陰極ロッド２０は開孔８８を通って配設され、該陰極ロッドの少なくとも一方の端部は円筒形陽極８６の対応する端部を越えて延びている。互換的に、陰極はオープンセル形金属発泡体の形態でもよく、陽極はその中の開孔を通って延びるロッドの形態でもよい。ボア開孔８８はロッドが金属発泡体８６に接触することのないように寸法付けられた直径を有する。金属発泡体のオープンセルはブラインまたは水９０が陽極の一方の側から他方へセルを通って自由に流れることができる。図８の切欠図は、ハウジング１４を示す部分Ａと、金属スリーブ２２を示すようにハウジングを切欠された部分Ｂと、金属発泡体８６の外面を示すように金属スリーブを切欠された部分Ｃと、金属発泡体８６’の内面と陰極ロッド２０とを示すように金属発泡体の外面を切欠された部分Ｄとを含む。金属発泡体は、好ましくは、アルミニウムの金属発泡体であり、腐食を防止するために金被膜を備える。アルミニウムの金属発泡体は、発泡体全体をアルミニウムでまたは発泡体の上にアルミニウム被膜を施されたポリフォームであってもよい。陽極１８、陰極２０およびスリーブ２２は、腐食を防止するために金被膜を備える。本発明の水素発生器の陽極、陰極およびその他の機械要素に適用し得るゴールドマリーン被膜の例は、ノースカロナイナ州バーリントンのｎＣｏａｔ ＬＬＣ社から商品名ＪＥＴ−ＨＯＴで販売されているコーティングである。このコーティングはシリカベースのナノセラミック有機ハイブリッドであり、吹き付け、ローリングまたは浸漬回転法によって水成または溶剤ベースの液体として適用され、１０分間または付着するのに十分な時間、１２０〜１８０℃の昇温で硬化されて所望の厚さ、例えば１〜２ミクロンまで被膜を硬化する。代表的な例は、台湾、高雄のＮａｎｍａｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社から入手可能なＮａｎｏＭａｔｅ（商品名）である。

図８および９は、ハウジング開孔１６とハウジング１４の内側に滑動可能な状態で配設された金属スリーブ２２とを有する円筒形のセラミック被覆アルミニウム製ハウジング１４を含む。ハウジング１４は相互に対抗する端部と該端部間のキャビティとを有し、有孔壁３０’がハウジング端部の各々の近傍に配設される。有孔壁３１’はオープンセル形金属発泡体から作成された平板のように示されている。端子絶縁体３２は陽極端子１１と金属スリーブ２２の間に配設される。陽極端子１１の端部は、キャビティ内で陽極１８に機械的および電気的に接続できるように、端子絶縁体３２から内方へ突出し、そしてキャビティの外の電源と接続するように外方へ突出する。水素ガス発生器１０’は、少なくともその一部がハウジング１４の端部の内側に滑動可能な状態で配設された端部キャップ７０と、端部キャップ７０の開孔７２を通って配設された陰極端子２４とを備えている。陰極端子２４はハウジングの内側で金属発泡体の有孔壁３０’およびハウジングの外側の電圧供給源に電気的に接触する。

図９は、キャビティ内のブラインまたは水９０がキャビティ内を漏れ出すことなく自由に流れるように、固定された端部キャップ７０を備える、組み立てられた水素ガス発生器１０’である。排出口１３は、排出口が開放位置にあるとき、ブラインまたは水をハウジングキャビティの外に流し出し、閉鎖載置にあるとき、流れを阻止することができる。注入口１２は、注入口が開放位置にあるとき、ブラインまたは水をハウジングキャビティに流し込み、閉鎖載置にあるとき、流れを阻止することができる。

図１０は、陽極端子１１と陽極ワッシャ３４によってハウジングキャビティ内に支持された陽極１８を示す。ワッシャ３４は陽極端子１１に取り付けられ、陽極１８’の外壁に接触して、陽極１８’がハウジング１４に対して移動するのを防止する。陽極端子１１は絶縁Ｏリング３２’を用いてハウジング１４に取り付けられる。

図１１は、ハウジングキャビティ内のブライン溶液を流し出すための貯留システムに結合された水素ガス発生器１０を示している。ハウジングは発生器内部の活動を視覚的に監視するための透明な窓４６を備えていてもよい。貯留システムは、貯留タンク５８と、タンク５８からバルブ６７を通って発生器に溶液をながすための供給ライン６２とを備えている。このシステムはまた、帰還ライン６４と、帰還バルブ６８と、ブライン溶液を発生器およびタンクを介して圧送するためのポンプ６６とを備えている。

図１２は、発生器取り出し口８０（図１参照）からのガスの生産量を制御し監視するために水素ガス発生器に取り付けられる構成要素を示している。この構成要素には、取り出し口８０から苛性バブラー３８へ流れる水素ガスを制御するためのバルブ１２４を含む。バブラー３８の取り出し口は排出バルブ１２６と、水素取り出しバルブ１２２と、ホブ（Hobb）スイッチ１２８とを含む。ホブスイッチ１２８は、圧力が所定の値を超えたときに作動するリレーを備えた感圧スイッチである。ホブスイッチは、水素ガス圧力が安全値を越えたときに、安全回路を閉じて水素ガス発生器の動作を止めるようにも使用できる。

図１３は、水素ガス発生器のための制御器のブロック図を示している。この制御器は、中央演算装置１００と、ガス発生器からの、またはホブスイッチからの入力１０２およびガス発生器ハウジングの圧力ゲージからの入力１０４を含む図１２に示す制御構成要素からの入力とを含む。制御器出力は、排出口を制御するように電気的出力を送る出力１１０と、陽極および陰極端子への電力を制御するための出力１１２と、ポンプ６６を制御するための出力１１６と、洗浄バルブ６７、６８を制御するための出力１１８とを含む。制御器出力はまた安全遮断１１４とバルブ１２４を制御するための水素ガス制御１２０を含むこともできる。

陽極はアルミニウムであるのが好ましいが、その他の金属も使用し得る。陰極ロッドはステンレス鋼であるのが好ましいが、その他の金属も使用し得る。陽極および陰極構造は、本発明の水素ガス発生器において交換および／または逆転させてもよい。

運転中、ブラインまたは水９０は水素ガス発生器１０のキャビティに注入され、陽極と陰極の間に電圧差が適用され、シリンダ内の水を分解して電解する。化学反応が水素および酸素ガスを生成して、水酸化物や塩素や苛性ソーダを生産し得る。生産された水素ガスは水素ガス取り出し口８０を出ることができる一方、空気抜きバルブ口８２はその他の気体および水をハウジング１４のキャビティから除去するために設けられている。

本発明の水素ガス発生器は、主要ハウジングキャビティを端部チャンバから十分に分離するが、キャビティから端部チャンバへそして端部チャンバからキャビティへブラインを流すことができる有孔壁を実装することにより従来技術の欠点を克服する。

本発明について特定の好適な実施形態と併せて具体的に述べたが、当業者にとって上述の説明を考慮して多くの互換、変形および変更が明らかであることは明白である。それ故、添付の請求の範囲は本発明の範囲および主旨内にあるそのようないかなる互換、変形および変更も包含するものであることは理解されよう。

Claims (14)

1. 陽極と、
   陰極と、
   内部キャビティを有するハウジングと、
   内部キャビティ内に滑動可能な状態で配設された金属スリーブと、
   その端部近傍を陽極および陰極の一方と電気的に接続されかつ内部キャビティの端部分を内部キャビティの主要部分から分離する内部キャビティ内の有孔壁と、
   内部キャビティの主要部分から有孔壁を通って内部キャビティの端部分へと連続的に続くハウジング内の水と、
   内部キャビティから金属スリーブおよびハウジングの開孔を通って外方へ延びる、陽極および陰極の他方と電気的に接続すると共に金属スリーブをハウジングに固定する少なくとも１つの端子と
   を含む、水素発生装置。
2. 有孔壁に電気的に接続される陽極または陰極は内部キャビティの主要部分から有孔壁を通って内部キャビティの端部分へ延びてハウジングを通過する、請求項１に記載の水素発生装置。
3. ハウジングは２つの端部を有し、内部キャビティ内の各端部近傍で有孔壁が内部キャビティの端部分を内部キャビティの主要部分から分離し、陽極または陰極は一方の有孔壁を通って内部キャビティの主要部分へハウジングの一方の端部を通って延び、他方の有孔壁を通って内部キャビティの他方の端部分へハウジングの他方の端部を通って延び、ハウジングの水は内部キャビティの主要部分から有孔壁の各々を通って内部キャビティの端部分へ連続的に続く、請求項１に記載の水素発生装置。
4. 有孔壁はその中に開孔を有する金属板である、請求項１に記載の水素発生装置。
5. 有孔壁はオープンセル形金属発泡体である、請求項１に記載の水素発生装置。
6. 金属スリーブは内部キャビティに滑動可能な状態で配設された円筒形の金属スリーブであり、該円筒形の金属スリーブは端部を有し、金属スリーブの端部と有孔壁との間に絶縁スペーサリングが配設される、請求項１に記載の水素発生装置。
7. 陽極は円筒形状に螺旋状に巻かれた中空の金属管である、請求項１に記載の水素発生装置。
8. 陽極はシリンダ壁を貫通する複数の陽極開孔を備えた中空の金属シリンダである、請求項１に記載の水素発生装置。
9. 陽極は円筒形の金網である、請求項１に記載の水素発生装置。
10. 内部キャビティを有する円筒形のハウジングと、
    内部キャビティ内の陽極と、
    内部キャビティ内の陰極と、
    内部キャビティ内に滑動可能な状態で配設された円筒形の金属スリーブと、
    陽極または陰極に電気的に接続される、内部キャビティ内に配設されたオープンセル形金属発泡体と、
    金属発泡体を通って連続的に続くハウジングの水と、
    内部キャビティから金属スリーブおよびハウジングの開孔を通って外方へ延びる、陽極または陰極と電気的に接続すると共に金属スリーブをハウジングに固定する少なくとも１つの端子と、
    を含み、
    オープンセル形金属発泡体はその中に溝を有する、陽極または陰極であり、
    オープンセル形金属発泡体が陽極の場合、陰極は発泡体陽極の溝を通って延び、オープンセル形金属発泡体が陰極の場合、陽極は発泡体陰極の溝を通って延び、該溝は長さを有しかつ陰極または陽極との間に空間を有する溝壁を含み、該溝壁は溝の長さに延び、前記空間は実質的に水で充満される、
    水素発生装置。
11. スリーブは内部キャビティに滑動可能な状態で配設された円筒形金属スリーブである、請求項１０に記載の水素発生装置。
12. 金属スリーブは端部を有し、金属スリーブ端部とオープンセル形金属発泡体の間に絶縁スペーサリングが配設される、請求項１１に記載の水素発生装置。
13. 金属発泡体は金金属の被膜を含む、請求項１０に記載の水素発生装置。
14. 陽極と、陰極と、内部キャビティを有するハウジングと、内部キャビティ内に滑動可能な状態で配設された金属スリーブと、その端部近傍を陽極および陰極の一方と電気的に接続されかつ内部キャビティの端部分を内部キャビティの主要部分から分離する内部キャビティ内の有孔壁と、陽極または陰極が内部キャビティの主要部分から有孔壁を通って内部キャビティの端部分へハウジングを通って延びることと、内部キャビティの主要部分から有孔壁を通って内部キャビティの端部分へと連続的に続くハウジング内の水と、内部キャビティから金属スリーブおよびハウジングの開孔を通って外方へ延びると共に金属スリーブをハウジングに固定する、陽極および陰極の他方と電気的に接続する少なくとも１つの端子とを準備することと、
    水素ガスを生産できるのに十分な電圧差を陽極と陰極の間に適用することと
    を含む、水素発生装置の使用方法。

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