JP6333259B2 - 電気分解装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気分解を行うための装置に関し、一例として、水素及び熱を生成するために、水の電気分解を行うための装置に関する。

本明細書における任意の従前の刊行物（または、それより由来する情報）または公知事項の引用は、本明細書に関連した技術の分野における通常の一般知識の一部を形成するという認定や視認または任意の形態の示唆ではなく、そのようなものと受け容れられてはならない。

例えば、水素および／または酸素を生成するために、水の電気分解を行うことが知られている。これは、再生可能ソースのような可変電源から利用可能なエネルギーを生成するためのもののように多数の異なるシナリオのために提案された。

例えば、特許文献１には、水から水素の供給を生成するように作動可能な水冷式電解槽を含む発電システムが記載されている。発電システムは、スチームタービン及びそのスチームタービンにスチームを供給するように作動可能なスチーム生成装置もまた含むことができる。発電システムは、液体−冷却式電解槽に冷却液を供給するように、そして液体−冷却式電解槽からの加熱された冷却液をスチーム生産デバイスに連結させるように作動可能なシステムもまた含むことができる。

特許文献２には、電解槽、水素ガス貯蔵部及びパワープラントを含むエネルギー貯蔵システムが開示されており、電解槽は、水素ガス貯蔵部に接続され、水素ガス貯蔵部は、パワープラントに接続される。また、エネルギーを貯蔵し、供給する方法が記載されている。この方法は、電解槽に電気エネルギーを伝達するステップ、電解槽により水を酸素と水素ガスとに分解するステップ、水素ガスを貯蔵するステップ、貯蔵された水素ガスをパワープラントに供給するステップ、及びパワープラントにより電気エネルギーを生成するステップを含む。

特許文献３には、電解加熱サブシステムを利用する発電システムが記載されている。電解加熱サブシステムは、電解加熱サブシステム及び少なくとも一つの熱交換器と熱的に連通する第１導管に含まれた熱伝達媒体を加熱するパルス型（ｐｕｌｓｅｄ）電気分解システムである。少なくとも一つの熱交換器に連結された第２導管は、作動流体を含む。作動流体が第２導管を通して、また熱交換器を通して循環するにつれ、沸点以上の温度に加熱され、これにより、作動流体の少なくとも一部が蒸気（例えば、スチーム）に変換される。蒸気は、スチームタービンを通して循環して、スチームタービンの回転を引き起こし、結局、スチームタービンに連結された発電機の回転を引き起こす。

特許文献４には、電気から熱を生成するために液体の電気分解を利用し、また熱交換器により電解液から熱を伝達するヒータが記載されている。一実施形態は、ニッケルと白金の電極及び炭酸カリウムの電解液を含み、熱交換器が電解液に浸漬され、電解液から熱を伝達する。

特許文献５には、溶液に伝導性塩を含有する水の過剰加熱のための電解システムとセルが記載されている。電解セルは、実質的に閉鎖された内部体積を形成する非伝導性ハウジングを含み、離隔された第１及び第２伝導性部材がハウジング内に位置する。金属水素化物を形成するように水素または水素の同位元素と容易に結合できる伝導性金属をそれぞれ有する複数の伝導性粒子が、前記第１伝導性部材と電気的に接触するように、また前記第２伝導性部材から電気的に離隔されるようにハウジング内に位置する。伝導性粒子は、任意の便利な規則的または不規則的な形状であってよい。システムの電源は、第１及び第２伝導性部材を横切って作動可能に接続され、電流がそれらの間に、また電解液内で伝導性粒子を通して流れる。

しかし、上述した配置は、熱回収メカニズムが制限される一方、水素及び熱生成に最適化された電気分解装置を説明していない。

特許文献６には、複数のエネルギー源から有用なエネルギー生成物を生成するための電解セル装置及び方法が記載されている。好ましい実施形態において、電解液構成成分の濃度及びカソードの表面材料の細かい制御により達成される電子流れに対する低電位障壁を介した電子伝達によりカソードで水素ガスが生成される。水素ガスに捕獲されたエネルギーの一部は、水を触媒反応で解離させてアノードからイオン及びセル電解液の他の構成成分に熱エネルギーを伝達する、アノードで水から解離されたイオンの熱伝達活動により提供される。熱エネルギーは、周囲環境からの熱の吸収によりアノードで取り替えられる。しかし、熱回収メカニズムは、制限される。

本発明は、従来の技術に係る１つまたは複数の問題を改善しようとするものである。

広範の一形態において、本発明は、電気分解を行い、熱を生成するための装置であって、
ａ）使用時に電解液を収容する電解液キャビティを形成するセルハウジングと、
ｂ）前記電解液キャビティ内に設けられる、実質的に平行に離間した複数の電極プレートであって、使用時に前記電解液に少なくとも部分的に浸る少なくとも一つのアノード及び少なくとも一つのカソードを規定する前記電極プレートと、
ｃ）使用時に電気電源に接続することで電解液に電流が供給されて、電気分解及び電解液の加熱が行われる、少なくとも二つのコネクタと、
ｄ）前記電解液キャビティと流体連通する少なくとも一つのセル出口であって、使用時に熱回収モジュールに連結される前記少なくとも一つのセル出口と、
ｅ）前記電解液キャビティへの電解液の供給を可能にする少なくとも一つのセル入口とを
備える電解セルを含む、装置を提供する。

一般的に、セル入口は、電解液キャビティと熱回収モジュールを通って電解液が再循環するように、熱回収モジュールに連結される。

一般的に、セル入口とセル出口は、電解液キャビティに供給された電解液が電極プレート間を流れるように配置される。

一般的に、セル入口とセル出口は、電極プレートの縁端部に対面する電解液キャビティの対向側に配置される。

一般的に、セル入口とセル出口は、セルハウジングの下端部と上端部にそれぞれ配置され、電極プレートは、使用時に電解液キャビティ内に実質的に垂直に整列され、また実質的に水平に離隔される。

一般的に、電極プレートは、
ａ）ラミナ状（ｌａｍｉｎａｒ）、
ｂ）曲線状、及び
ｃ）波状（ｕｎｄｕｌａｔｉｎｇ）
の少なくとも一つである。

一般的に、電極プレートは、
ａ）０．１ｍｍ〜１０ｍｍ、
ｂ）１ｍｍ〜２ｍｍ、及び
ｃ）２ｍｍ〜５ｍｍ
の少なくとも一つの距離だけ離間される。

一般的に、電極プレートは、
ａ）０．１ｍｍ〜１０ｍｍ、
ｂ）１ｍｍ〜２ｍｍ、及び
ｃ）２ｍｍ〜５ｍｍ
の少なくとも一つの厚さを有する。

一般的に、アノードは、カソードより厚い。

一般的に、少なくとも二つのコネクタは、隣接したプレートが使用時にアノード及びカソードとして作用するように電極プレートに電気接続される。

一般的に、各カソードは、二つのアノードの間に位置する。

一般的に、セルハウジングは、開口部、及び該開口部に取外し可能に取り付けられたカバーを含み、電極プレートの少なくとも幾つかを電解液キャビティから取り出すことができる。

一般的に、前記装置は、電極支持部を含み、電極は、その電極が使用時に電解液に少なくとも部分的に浸るように電極支持部に連結される。

一般的に、電極支持部は、電極を電解液キャビティから取出し可能にするカバーに連結される。

一般的に、セルハウジングは圧力容器を規定し、電解液キャビティ内の圧力は大気圧より大きい。

一般的に、前記装置は、使用時に
ａ）少なくとも４０℃、
ｂ）少なくとも６０℃、
ｃ）少なくとも８０℃、及び
ｄ）少なくとも１００℃
のうち少なくとも一つの温度で作動する。

一般的に、前記装置は、熱回収モジュールを備える。

一般的に、熱回収モジュールは、蒸発した電解液を凝縮させる凝縮器として作用する。

一般的に、熱回収モジュールは、蒸発した電解液を気体電解生成物から分離する分離器として作用する。

一般的に、熱回収モジュールは、使用時に気体電解生成物の抽出を可能にする出口を含む。

一般的に、熱回収モジュールは、
ａ）蒸発した電解液を凝縮させるために、および／または
ｂ）回収された熱を利用して作業を行うために、
電解液から熱を回収するための熱交換器を備える。

一般的に、熱回収モジュールは、電解液から回収された熱を利用して熱伝達媒体を加熱する。

一般的に、回収された熱は、
ａ）回収された熱を利用して使用時に加圧蒸気を生成するボイラー、及び
ｂ）該ボイラーからの加圧蒸気を利用して使用時に電気を生成する発電機に連結された熱機関
を含む熱機関により利用される。

一般的に、熱回収モジュールは、熱機関を含む。

一般的に、前記装置は、電流を供給するための電源を含む。

一般的に、電源は、熱機関を含む。

一般的に、電流は、
ａ）少なくとも２Ｖ、
ｂ）少なくとも５Ｖ、
ｃ）少なくとも１０Ｖ、
ｄ）１５〜２５Ｖ、
ｅ）３０Ｖ以下、
ｆ）４０Ｖ以下、及び
ｇ）６０Ｖ以下
の少なくとも一つの電位を有する直流である。

一般的に、電流は、
ａ）少なくとも３０００Ｖ／ｍ、
ｂ）少なくとも１２０００Ｖ／ｍ、及び
ｃ）少なくとも２４０００Ｖ／ｍ
の少なくとも一つの電界強度を有する電場を生成するように印加される。

一般的に、電流は、
ａ）少なくとも０．５Ａ、
ｂ）少なくとも１Ａ、
ｃ）少なくとも２Ａ、
ｄ）２Ａ〜１０Ａ、
ｅ）約５Ａ、
ｆ）１０Ａ以下、
ｇ）２０Ａ以下、及び
ｈ）５０Ａ以下
の少なくとも一つの電流を有する直流である。

一般的に、電流は、
ａ）少なくとも５００Ａ／ｍ^２、
ｂ）少なくとも１０００Ａ／ｍ^２、及び
ｃ）約３０００Ａ／ｍ^２以上
の少なくとも一つの電流密度を有する電場を生成するように印加される。

一般的に、前記装置は、
ａ）少なくとも二つのコネクタに連結されたトリガー回路、
ｂ）スイッチ、及び
ｃ）スイッチを介して少なくとも二つのコネクタに連結されたロード（ｌｏａｄ）
を含み、
使用時に、トリガー回路は、スイッチを選択的に活性化させて、少なくとも二つのコネクタをロードに連結させる。

一般的に、トリガー回路は、
ａ）i）コネクタでの電流流動、及びii）コネクタにわたる電位、の少なくとも一つを感知するセンサ、及び
ｂ）i）感知された電流、及びii）感知された電位の少なくとも一つによって、スイッチを制御する電子制御器、
を含む。

一般的に、使用時に、電子制御器は、
ａ）少なくとも一つの感知された電流及び感知された電位を閾値と比較し、
ｂ）該閾値を超える場合に、少なくとも一部の電流を、前記ロードを介して転換させるよう、スイッチを作動させる。

一般的に、ロードは、
ａ）電解セル、
ｂ）抵抗性ロード、
ｃ）電池、及び
ｄ）電気機械
の少なくとも一つである。

一般的に、使用時に、電解セルは、少なくとも６０℃の温度で、少なくとも大気圧の圧力で、少なくとも３０００Ｖ／ｍの印加電場及び少なくとも５００Ａ／ｍ^２の電流密度を有する直流で、作動するようになっている。

一般的に、前記装置は、使用時に前記装置内の温度変化に応じて電気エネルギーを生成する焦電材料を含む。

一般的に、焦電材料は、電解液キャビティ内に設けられ、また少なくとも二つのコネクタに電気接続される。

一般的に、焦電材料は、電気絶縁されるものと、電解液に電気接続されるものの少なくとも一つである。

一般的に、少なくとも一つの電極は、焦電材料からなる。

一般的に、電極は、焦電効果を強化するように不均一に離間される。

一般的に、前記装置は、使用時に装置内の温度変化に応じて電気エネルギーを生成する前記装置と電気的及び熱的に接触する二つの異種金属を含む。

他の広範の一形態において、本発明は、電気分解用の装置であって、
ａ）i）電解液キャビティを形成するセルハウジングであって、前記電解液キャビティは使用時に電解液を収容し加圧される、セルハウジングと、
ii）使用時に電解生成物が収集されるように前記電解液キャビティと流体連通する少なくとも一つのセル出口と、
iii）前記電解液キャビティ内に設けられる複数の電極であって、少なくとも一つのアノードと少なくとも一つのカソードを形成する、前記複数の電極と、
iv）使用時に電気電源に接続することで、電解液への電流供給を可能にする、少なくとも二つのコネクタ
とを備える電解セル、
ｂ）i）（１）内部に前記電解セルが取外し可能に取り付けられるセルキャビティと、
（２）前記セルキャビティと熱的に連通する媒体キャビティであって、使用時に熱回収媒体を収容する媒体キャビティ
とを形成するモジュールハウジング、
を備える熱回収モジュール、及び
ｃ）使用時に熱回収媒体が前記媒体キャビティを通過して前記電解セルから熱を回収することができるように、前記媒体キャビティと流体連通する入口と出口、
を含む、装置を提供する。

一般的に、前記装置の電解セルは、使用時に電解液を供給できるように電解液キャビティと流体連通するセル入口を含む。

一般的に、前記装置は、セル入口に加熱された電解液を供給する電解液供給部を含む。

一般的に、セルハウジングはベースとカバーを含み、カバーはベースに取外し可能に取り付けられ、カバーとベースは、使用時に密封係合する。

一般的に、セルハウジングは、圧力容器を形成する。

一般的に、電極は、複数の実質的にラミナ状の電極プレートを含む。

一般的に、電極プレートは、側方に離間される。

一般的に、電極プレートは、
ａ）等距離に離間されるもの、また
ｂ）不均一に離間されるもの
の少なくとも一つである。

一般的に、電極プレートは、第１及び第２直交方向に延び、第３直交方向に離間される。

一般的に、電極プレートは、０．１〜１０ｍｍの距離だけ離間される。

一般的に、電極プレートは、使用時に電解生成物がセル出口まで電極プレート間を通るように配置される。

一般的に、少なくとも二つのコネクタは、隣接したプレートが使用時にアノード及びカソードとして作用するように電極プレートに電気接続される。

一般的に、前記装置は電極支持部を含み、電極は、使用時に電極が電解液に少なくとも部分的に浸るように電極支持部に連結される。

一般的に、電極支持部は、電極を電解液キャビティから取出し可能にするカバーに連結される。

一般的に、熱回収モジュールは、電解セルの外側に位置する。

一般的に、媒体キャビティはチューブ形状であり、セルハウジングは、実質的にシリンダ形状である。

一般的に、モジュールハウジングは、シリンダ状セルキャビティ、及びセルキャビティの周囲に実質的に円周方向に延びる環状媒体キャビティを形成する細長型の実質的に環状の形状を有する。

一般的に、前記装置は絶縁ジャケットを含み、熱回収モジュールは、使用時に絶縁ジャケット内に設けられる。

一般的に、絶縁ジャケットはジャケットハウジングを含み、ジャケットハウジング及びモジュールハウジングは、使用時に熱的絶縁材料を収容する絶縁キャビティを形成するように協働する。

一般的に、入口と出口は、使用時に熱機関又は熱的ロードに連結される。

一般的に、熱機関は、
ａ）使用時に前記熱伝達媒体からの熱を利用してスチームを生成するボイラー、及び
ｂ）使用時に前記ボイラーからのスチームを利用して電気を生成する発電機に連結されたスチームタービン、
を含む。

一般的に、少なくとも二つのコネクタは、使用時に電源に連結される。

一般的に、前記装置は、
ａ）少なくとも二つのコネクタに連結されたトリガー回路、
ｂ）スイッチ、及び
ｃ）スイッチを通して少なくとも二つのコネクタに連結されたロード、
を含み、
使用時に、トリガー回路は、スイッチを選択的に活性化させて、少なくとも二つのコネクタをロードに連結させる。

一般的に、トリガー回路は、
ａ）i）前記コネクタでの電流流動とii）コネクタにわたった電位の少なくとも一つを感知するセンサ、及び
ｂ）i）感知された電流及びii）感知された電位の少なくとも一つによって前記スイッチを制御する電子制御器、
を含む。

一般的に、使用時に、電子制御器は、
ａ）前記少なくとも一つの感知された電流及び感知された電位を閾値と比較し、
ｂ）前記閾値を超える場合に、少なくとも一部の電流を、前記ロードを通して転換させるように前記スイッチを作動させる。

一般的に、ロードは、
ａ）電解セル、
ｂ）抵抗性ロード、
ｃ）電池、及び
ｄ）電気機械
の少なくとも一つである。

一般的に、前記装置は、使用時に前記装置内の温度変化に応じて電気エネルギーを生成する焦電材料を含む。

一般的に、焦電材料は、電解液キャビティ内に設けられ、また少なくとも二つのコネクタに電気接続される。

一般的に、装置は、使用時に前記装置内の温度変化に応じて電気エネルギーを生成する前記装置と電気的及び熱的に接触する二つの異種金属を含む。

一般的に、焦電材料は、電気絶縁されるものと、電解液に電気接続されるものの少なくとも一つである。

一般的に、少なくとも一つの電極は、焦電材料からなる。

一般的に、電極は、焦電効果を強化するように不均一に離隔される。

一般的に、前記装置は、熱回収モジュールの各セルキャビティに取出し可能に取り付けられる複数の電解セルを含む。

広範の第２形態において、本発明は、電気分解用の装置であって、
ａ）使用時に電気電源に接続することで、電解液への電流供給を可能にする、少なくとも二つのコネクタを含む電解セルと、
ｂ）前記少なくとも二つのコネクタに連結されたトリガー回路と、
ｃ）スイッチと、
ｄ）前記スイッチを通して前記少なくとも二つのコネクタに連結されたロードと、
を含み、
使用時に、前記トリガー回路は、前記スイッチを選択的に活性化させて、前記少なくとも二つのコネクタを前記ロードに連結させる、装置を提供する。

一般的に、トリガー回路は、
ａ）コネクタでの電流流動を感知するセンサ、及び
ｂ）感知された電流によってスイッチを制御する電子制御器、
を含む。

一般的に、使用時に、電子制御器は、
ａ）感知された電流を閾値と比較し、
ｂ）閾値を超える場合に、少なくとも一部の電流を、ロードを通して転換させるようにスイッチを作動させる。

一般的に、ロードは、
ａ）電解セル、
ｂ）抵抗性ロード、
ｃ）電池、及び
ｄ）電気機械
の少なくとも一つである。

本発明の広範の異なる形態及びこれらに依存する特徴は、所望通りに、相互交換可能にまたは共に用いることが可能であることが理解できるだろう。

以下、添付の図面を参照して、本発明の一例について説明する。

図１Ａは、電解セルが設けられた、電気分解を行い、熱を生成するための装置の第１例の概略側面図である。

図１Ｂは、電解セルが取り外された、図１Ａの装置の概略側面図である。

図２Ａは、水素と熱の生成に用いられる時の図１Ａの装置の連結の概略図である。

図２Ｂは、図２Ａに示されたような流体作動サイクルのための代案図である。

図３Ａは、熱回収モジュールから電解セルが取り外された、水素と熱を生成するための装置の一例の概略斜視図である。

図３Ｂは、図３Ａの装置の第１概略側面図である。

図３Ｃは、図３Ａの装置の第２側面図である。

図３Ｄは、熱回収モジュールに電解セルが設けられた、図３Ａの装置の概略平面図である。

図３Ｅは、図３Ｄの装置の概略斜視図である。

図３Ｆは、図３Ｄの装置の第１概略側面図である。

図３Ｇは、図３Ｄの装置の第２概略側面図である。

図４Ａは、図３Ｂの線Ａ−Ａ’に沿った概略断面図である。

図４Ｂは、図３Ｃの線Ｂ−Ｂ’に沿った概略断面図である。

図４Ｃは、図３Ｇの線Ｃ−Ｃ’に沿った概略断面図である。

図４Ｄは、図４Ｃの線Ｄ−Ｄ’に沿った概略断面図である。

図４Ｅは、図４Ｄの領域Ａの概略拡大図である。

図５Ａは、多数の電解セルを採用した装置の一例の概略側面図である。

図５Ｂは、図５Ａの装置の概略平面図である。

図５Ｃは、図５Ａの装置の第２概略側面図である。

図５Ｄは、図５Ａの装置の概略斜視図である。

図５Ｅは、図５Ａの線Ａ−Ａ’に沿った概略断面図である。

図６は、電気分解を行うための装置の他の例の概略断面図である。

図７は、熱回収モジュール及び貯蔵容器と共に用いられる図６の装置の概略図である。

図８Ａは、電解セルの具体的な例の概略斜視図である。

図８Ｂは、図８Ａの電解セルの概略側面図である。

図８Ｃは、図８Ａの電解セルの概略平面図である。

図８Ｄは、図８Ａの電解セルの概略端部図（ｅｎｄ ｖｉｅｗ）である。

図８Ｅは、図８Ａの電解セルの第２概略端部図である。

図８Ｆは、線Ａ−Ａ’に沿った図８Ｅの電解セルの概略断面図である。

図８Ｇは、線Ｂ−Ｂ’に沿った図８Ｅの電解セルの概略断面図である。

図８Ｈは、図８Ａの電解セルの電極支持部の概略側面図である。

図８Ｉは、図８Ｈの電極支持部の概略端部図である。

図８Ｊは、図８Ｈの電極支持部の概略平面図である。

図８Ｋは、図８Ｈの電極支持部の概略斜視図である。

図８Ｌは、カソードを取り外した図８Ｈの電極支持部の第１概略斜視図である。

図８Ｍは、カソードを取り外した図８Ｈの電極支持部の第２概略斜視図である。

図８Ｎは、図８Ａの電解セルのセルハウジングの概略側面図である。

図８Ｏは、図８Ｎのセルハウジングの第１概略端部図である。

図８Ｐは、線Ｃ−Ｃ’に沿った図８Ｎのセルハウジングの概略平面図である。

図８Ｑは、線Ｄ−Ｄ’に沿った図８Ｎのセルハウジングの第２概略端部図である。

図８Ｒは、図８Ｎのセルハウジングの概略斜視図である。

図８Ｓは、図８Ｈの電極支持部のアノード端部支持ブロックの概略端部図である。

図８Ｔは、線Ｅ−Ｅ’に沿った図８Ｓのアノード支持ブロックの概略側面図である。

図８Ｕは、図８Ｓのアノード支持ブロックの概略平面図である。

図８Ｖは、図８Ｓのアノード支持ブロックの概略斜視図である。

図８Ｗは、図８Ｓのアノード支持ブロックの概略背面図である。

図８Ｘは、図８Ｈの電極支持部のアノードリテーナブラケットの概略側面図である。

図８Ｙは、図８Ｘのアノードリテーナブラケットの概略端部図である。

図８Ｚは、図８Ｘのアノードリテーナブラケットの概略平面図である。

図８ＺＡは、図８Ｘのアノードリテーナブラケットの概略斜視図である。

図９Ａは、図８Ａの電解セルを備える発熱装置の具体的な第１例の斜視図である。

図９Ｂは、図９Ａの装置の概略側面図である。

図９Ｃは、図９Ａの装置の概略端部図である。

図９Ｄは、図９Ａの装置の概略平面図である。

図９Ｅは、図９Ｄの線Ａ−Ａ’に沿った概略断面図である。

図９Ｆは、図９Ａの凝縮器／分離器の内部構成要素の概略斜視図である。

図９Ｇは、図９Ｆの凝縮プレートの概略平面図である。

図１０Ａは、図８Ａの電解セルを備える発熱装置の第２例の概略斜視図である。

図１０Ｂは、図１０Ａの装置の概略端部図である。

図１０Ｃは、図１０Ａの装置の概略側面図である。

図１０Ｄは、図１０Ａの装置の第２概略端部図である。

図１０Ｅは、図１０Ａの装置の概略平面図である。

図１０Ｆは、図１０Ｄの線Ａ−Ａ’を通した概略断面図である。

図１０Ｇは、図１０Ｆの凝縮プレートの概略平面図である。

水素及び熱を生成するための装置の一例を、図１Ａ及び図１Ｂを参照して説明する。

この例において、装置１００は、電解セル１１０及び熱回収モジュール１２０を含む。電解セル１１０は、使用時に電解液１１３を収容する電解液キャビティ１１２を形成するセルハウジング１１１を含む。電気分解が標準大気圧より高い圧力で行われるように、電解液キャビティ１１２は、通常、使用時に加圧される。

電解セル１１０は、電解液キャビティ１１２と流体連通する少なくとも一つのセル出口１１４をさらに含み、使用時に電気分解を通して生成された電解生成物をそれより収集できる。電解液キャビティ１１２内に複数の電極１１５が設けられ、複数の電極１１５は、少なくとも一つのアノードと少なくとも一つのカソードを形成する。電極１１５は各コネクタ１１６に連結され、コネクタは、使用時に電源供給装置（図示しない）に接続されて、以下においてさらに詳細に説明するように、電流が電解液に供給され得る。

また、モジュール１２０は、セルハウジング１１１が着脱式で取り付けられ得るセルキャビティ１２２を形成するモジュールハウジング１２１を含む。また、モジュールハウジング１２１は、使用時に熱回収媒体を収容する媒体キャビティ１２３を形成する。媒体キャビティ１２３は、セルキャビティ１２２と熱的に連通し、電解セル１１０がセルキャビティ１２２内に位置する時に、電解セル１１０で生成された熱が熱回収媒体に伝達される。

熱回収モジュール１２０は、媒体キャビティ１２３と流体連通する入口１２４と出口１２５をさらに含み、熱回収媒体が媒体キャビティ１２３を通過することができるので、電解セル１１０から熱を回収することができる。熱回収媒体は、熱エネルギーを貯蔵できる任意の流体を含むことができ、代表的な例としては、熱油（ｔｈｅｒｍａｌ ｏｉｌ）、水などがある。熱伝達媒体は、熱回収モジュール１２０の作動温度及び熱伝達媒体の特性によって圧力下で供給されることもある。

一例において、電解液は、少なくとも水素を含む、生成された電解生成物、また、さらに一般的に、水素と酸素の組み合わせと共に、水を含む。しかし、これは必須ではなく、生成される電解生成物は、用いられる電解液に依存するということが理解できるだろう。

水素の発生によってエネルギーを貯蔵するメカニズムがもたらされ、これにより、発生中ではなく、要求時にエネルギーを使用できるようになる。これは、エネルギーを生成するにあたって周囲条件に依存するので、単に周期的にのみ動力を生成できる、太陽光や風力のような、再生エネルギー源の場合に特に重要である。しかし、発生した電気を水素に変換させることによって、必要に応じてエネルギーを貯蔵して用いることができ、例えば、熱機関などでの燃焼のために、燃料電池を用いて電気を生成できる一方、発生した熱は、温水の供給など、産業用または家庭用の流体の加熱のようなプロセスで直ちに用いられるか、または十分に加熱されると、蒸気に変換されるか、または熱エネルギーを機械的および／または電気的動力に変換させるプロセスで用いられ得る。

前述の構成により、従来の電気分解構成より、多くの利点がもたらされる。先ず、電解セル１１０は、熱回収モジュール１２０から取外し可能なので、メンテナンス時に電解セル１１０を取り外すことができる。これは、電極１１５が一般的に時間が経つにつれて低下するため、即ち、電極１１５が周期的な再調整を要するため、重要なことである。従って、電解セル１１０を熱回収モジュール１２０から容易に取り外せるので、電極を容易に交替または再調整することができる。このプロセスの一部として、熱回収モジュール内に予備電解セル１１０を設けることができ、これによって本来の電解セルを再調整しながら、電気分解を続けることができる。

前述した配置の他の利点は、セルハウジングが使用時に加圧された電解液キャビティを形成するということである。電解液キャビティ内の圧力を用いると、大気圧で電解液の沸点以上の温度で電気分解を行うことができる。これによって、例えば、２００℃まで、またそれ以上を含む１００℃以上の温度で水の電気分解を行うことができ、電気分解プロセスの効率を大きく増加させ、熱回収モジュールを通過する流体をさらに多く加熱することができる。

加圧されるにもかかわらず、配置は、水素と他の電解生成物（酸素など）が容易に収集され、適切な加圧貯蔵容器に伝達され得るようにして、水素が後続して用いられるか、または直接抽出され用いられ得るようにする出口１１４を含む。電解セルが加圧されるので、水素が圧力下で収集され得、従って、貯蔵のために水素をさらに圧縮する必要が少なくなるということもまた考えられる。

また、熱回収モジュール１２０を用いると、電解セル１１０から過剰熱を回収することができ、例えば、ボイラーと蒸気タービンなどの熱機関を用いて有用な熱に変換させるか、または類似するように電気を生成することができ、プロセスの効率をさらに増加させるか、または他のプロセスに熱として加えられ得る。

以下、図２Ａを参照して、電源から電気を用いて水素を生成するための装置１００の使用の一例をさらに詳細に説明する。

この例において、装置１００は、電源２００に連結される。電源２００は、任意の形態の電源であってよいが、一特定例においては、波力、風力または太陽熱動力式電気供給部、または電気グリッドに連結された供給部、または熱回収モジュール２２０を通過する流体により駆動する、熱を電力に変換させる熱機械に連結された供給部のような、可変量の電気を生成する電源である。

電源２００は、電気ケーブルなどの各連結部２０１、２０２を通してコネクタ１１６に電気接続される。トリガー回路２１０が連結部２０１、２０２に連結され、コネクタ１１６に連結される。このトリガー回路２１０は、スイッチ２１１に連結され、このスイッチは、連結部２０１、２０２をロード２１２に選択的に接続させるのに用いられる。トリガー回路２１０は、一般的に、連結部２０１、２０２に存在するか、または流入する電位および／または電流の流れを感知するためのセンサ２１０．１、及び感知された電流および／または電位によってスイッチ２１１を制御するためのマイクロコントローラなどの電子制御装置２１０．２を含む。

使用時に、このような配置によると、トリガー回路２１０が電解セル１１０を通した電流の流れおよび／または連結部１１６を通した電位を検出することができ、必要に応じてロード２１２を通して電流を転換させるようにスイッチ２１１を選択的に作動させることができる。これは、例えば、過電位シナリオが検出される場合に、電解セルの損傷を防止するために用いられ得る。これを達成するために、制御器２１０．２は、感知された電位および／または電流を、安全な電位および／または電流の流れを示す閾値と比較し、閾値を超える場合、ロード２１２を通して少なくとも一部の電流を転換させるようにスイッチ２１１を作動させる。これは、電源２００による動力出力の変化を収容する等、種々の理由のいずれか一つで要求され得る。

しかし、他の例において、さらなる電気エネルギーが焦電（ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）またはゼーベック（Ｓｅｅｂｅｃｋ）効果を通して生成され得る。これと関連して、温度の変化が、焦電結晶、焦電金属などのような焦電材料内に電位を生成する。そのような物質がコネクタ１１６に電気接続される場合、これは、連結部２０１、２０２にわたって使用可能なポテンシャルエネルギーを加え、さらなる利用可能な電流が得られる。

一例において、これは、電極がオーステナイト系ステンレス鋼のような焦電材料からなる場合に発生し得る。このような場合に、電流の流れは、電解液に加えられる実際の電位が電源または反対電荷の電位より大きいかまたは小さいかを意味する、セルが暖められるかまたは冷却されるか、あるいはある一つの電極を通して熱が流れる方向によって逆になるかまたは増加する。

しかし、例えば、電解液が暖められるかまたは冷却されるかに関係なく、印加された電流に電流が加えられることを保障するためにハウジング内に焦電結晶を設け、この焦電結晶をダイオードを通してコネクタ１１６に連結することで、さらなる焦電材料が電解セルに意図的に含まれ得る。これは、電流を発生させるさらなる電位を意図的に生成するのに用いられ得る。一例において、焦電材料は、電解液キャビティ内の任意の箇所に、例えば、電極を囲む環状領域に位置し得る。しかし、代案として、焦電材料は、選択された電極を代替することができ、前記装置に容易に統合され得、また、さらなる電位および／または電流を生成するために、電極近傍で発生する温度変化を最大限に利用できる。焦電材料が電解液から電気的に絶縁され得ると理解されるが、これは必須ではなく、焦電材料は、例えば、焦電材料が電極に用いられる場合、電解液に電気接続され得る。

焦電材料の使用の代案として、金属間の接合を通した熱勾配がゼーベック効果を通じて電流を発生させるように、二つの異種金属を熱的及び電気的に接触させて設けることができる。一例において、これは、電極への電気接続部が二つの異種金属を含むことによって達成され、セルから前記接続部に熱が伝導される時に、電解液に印加された実際の電位が電源または反対電荷の電位よりさらに大きくなるか、またはさらに小さくなる。

温度変化は、種々の理由で発生し得る。例えば、セルを活性化及び不活性化させることは、ウォーミング（ｗａｒｍｉｎｇ）及び冷却サイクルを引き起こし、熱回収モジュールを通した熱伝達媒体の流量を変化させることは、電解セルの作動温度に影響を及ぼす。また、温度変化は、例えば、セル内での異なる熱の発生や流動により、電解セルの正常動作の間に、またセルの活性化及び不活性化の間に意図せずに発生することもある。いずれの場合でも、ロード２１２は、過剰電位および／または電流が生成される場合にバッファとしての役割をすることができ、単に、過剰閾値未満で生成された任意のさらなる電流が電気分解プロセスに寄与する。

ロード２１２の特性は、好ましい実施例によって変わることがある。一例において、負荷２１２は、焦電またはゼーベック効果に起因する上昇した、または逆方向電流から発生する過電流を、放散する熱に変換させる抵抗性負荷の形態である。しかし、代案として、過電流は、有用な作業を行うのに用いられ得る。例えば、負荷２１２は、エネルギーを貯蔵するための化学電池、電気機械、電解液またはボイラーなどの水を加熱するための加熱要素の形態であってよい。

他の例において、ロード２１２は、前記装置１００と類似した他の電気分解装置を示す。この例において、２セットの装置１００が、連結部２０１、２０２を経て発生する過電位または逆電位によって十分な電流流動が利用可能な時にのみ利用される第２装置と並列に設けられる。このような特別な配構成により、さらに多くの利点がもたらされる。例えば、過電位の場合の間にさらなる電気分解を行うことができ、また水素及び熱を発生させる前記装置の能力を強化することができる。また、適切な構成により、前記２セットの装置１００は、相互交換可能に用いられ得る。これによって、各セットの装置１００の相対的な使用を制御することができ、従って、システムの作動寿命を延ばすことができ、作動効率および／またはシステム出力を増加させることができる。

また、前述した例から、トリガー回路及び負荷の使用が他の電気分解システムと共に用いられ得るということと、前記装置１００に関する説明は単に説明のためのものであり、制限的なものと意図されないということが理解できるだろう。

以下において、前記装置１００が電気分解システムとして用いられる時の他の特徴について説明する。

特に、この例において、入口１２４と出口１２５は、通常、熱機関に連結される。熱機関は、接続パイプ２２１を通して入口１２４と出口１２５に連結された、ボイラーまたは他のタイプの熱交換器であってよい過熱器２２０、及びポンプ２２２を含む。これによって、熱回収媒体がポンプ２２２を利用してパイプ２２１を通して循環でき、従って、熱が熱回収モジュール１２０から過熱器２２０に伝達され得る。

過熱器２２０は、水のような作動媒体を沸かしてスチームのような、圧力下で蒸気を生成するのに用いられる。スチームは、パイプ２３１を通して蒸気タービンと発電機２３０のような熱機関に伝達され、熱機関は、出力部２３４を通して電気を供給するのに用いられる。タービンと発電機２３０を通過したスチームは、凝縮器２３２で凝縮され、ポンプ２３３を利用してボイラーに復帰し、従って、水を再使用することができ、生成された熱の一部を再生することができる。本例において、水及び作動媒体としてのスチームが用いられるが、他の流体が用いられ得るということが理解できるだろう。別途の作動流体の代わりに、電解液が作動媒体として用いられ得る。

図２Ｂに示されたように、他の例において、装置１００からの加熱された熱伝達媒体が出口１２５を通して過熱器２２０に供給され、過熱器では、熱源２３５によりさらなる熱が加えられ、熱伝達媒体の温度及び圧力を増加させる。それから、熱伝達媒体は、パイプ２３１を通してタービンと発電機２３０に流動し、エネルギーが２３４で供給され得、熱伝達媒体は、凝縮器２３２で凝縮され、ポンプ２３６によって前記装置１００に復帰する。従って、この例において、熱伝達媒体がタービン２３０を駆動するための作動媒体として作用できるか、または加熱された電解液が用いられるか、または両者の組み合わせが可能であるということが理解できるだろう。

図２Ａに戻って、前記装置は、一般的に、以下においてさらに詳細に説明するように、電解液キャビティと流体連通するセル入口に接続パイプ２４１を通して電解液を供給するための貯蔵所２４０を含む。

セル出口１１４は、接続パイプ２５１を通して加圧貯蔵容器２５０及び選択的な圧縮機２５２に連結され得、従って、水素及び電気分解プロセスにより生成された他の気体生成物をその中に貯蔵することができる。これと関連し、前述した配置がアノードとカソードを分離しないことに留意すべきであり、これは、電解生成物が混合されることを意味する。従って、一例において、電解生成物は、必要に応じて後続して、例えば、燃焼機関、燃料電池などで用いられ得る酸水素（ｏｘｙｈｙｄｒｏｇｅｎ）の形態で共に貯蔵される水素と酸素の組み合わせを含む。代案として、酸素と水素は、公知の分離メカニズムを用いて分離でき、従って、酸素と水素は、必要に応じて独立的に使用および／または貯蔵され得る。例えば、電気分解メンブレンを用いてアノードとカソードの分離を不要とすることは、配置を非常に単純化させ、製造コストを顕著に減少させるということが理解できるだろう。

一例において、酸素と水素は、過熱器２２０または代案としては貯蔵所２４０を加熱するために、例えば、酸素と水素を燃焼させることで要求時に電気を生成するのに用いられ得る。このような構成において、前記装置は、電源により生成されたエネルギーを酸水素の形態で貯蔵した後、要求時にこれを電気に変換させる自立システムが提供されるということが理解できるだろう。

このような配置は、単に、周期的に電気を生成する太陽光発電システムなどの再生エネルギー源と共に用いるに特に適している。例えば、日中の間に、直ちに使用が要求されない過剰電気は、酸素と水素に変換され得、この酸素と水素は、夜のように需要が供給以上に上昇する時に電気にまた変換される。

これから、図３Ａ乃至図３Ｇを参照して、電気分解装置の第２例について説明するが、図３Ａ乃至図３Ｇは、外部構成を示し、図４Ａ乃至図４Ｅは、内部構成を示す。

本例において、装置３００は、それぞれカバーとベースとして作用する第１及び第２部分３１１．１、３１１．２からなるセルハウジングを有する電解セル３１０を含む。カバーとベース３１１．１、３１１．２は、セルハウジングが圧力容器として作用できるように密封係合し、協働するねじ山、またはさらなる接続ボルトなどの使用のような任意の適切な方式で互いに連結され得る。

カバーとベース３１１．１、３１１．２は、一般的に、典型的な作動圧力に耐えるに十分に強い熱伝導性物質で製造される。一例において、カバーとベース３１１．１、３１１．２は、ステンレス鋼で製造されるが、他の適切な材料が用いられ得るということが理解できるだろう。

ベース３１１．２は、使用時に電解液を収容する電解液キャビティ３１２（図示しない）を形成する。カバー３１１．１は、フランジ３１４．２で終わる出口パイプ３１４．１に連結された出口３１４を含み、従って、図２Ａについて前述した加圧貯蔵容器の配置と類似するように、加圧収集システムのような外部装備に出口３１４が接続され得る。出口３１４は、カバー３１１．１を通って延びる通路３１４．３を介して電解液キャビティ３１２と流体連通するように設けられる。

電解セル３１０は、電極支持部４１５により支持される、多数の側方に離隔された実質的にラミナ状電極プレート形態の複数の電極３１５をさらに含む。電極プレート３１５は、電気を伝導させることができ、また選択的には電気分解プロセスを促進する触媒効果をもたらすよう作用する任意の適切な材料で製造され得る。従って、電極は、ステンレス鋼、パラジウム、白金、金など、または白金、パラジウム、金などのような元素でメッキされた材料で製造され得る。

本例において、電極３１５は、側方外側に延びる個別ボルト４１５．１、４１５．２により電極支持部４１５に連結され、電極は、リテーニングナット４１５．３、４１５．４を利用して定位置に維持され、従って、電極は、必要に応じて、支持部から取出すことができる。支持部４１５は、支持プレートの形態であり、これは、カバー３１１．１に連結され、カバーから電気絶縁される。このような配置により、電極３１５は、電解液キャビティ３１２内に吊り下げられ、従って、使用時に電極は電解液中に少なくとも部分的に吊り下げられる。そして、支持部４１５をカバー３１１．１に連結することによって、カバー取り外した時に電解セルから電極を取出すことができ、これによって、電極を容易に交替または再調整することができる。しかし、他の適切な取り付けの配置が利用され得るということが理解できるだろう。

本例において、電極プレートは、第１及び第２直交方向に延び、サンドイッチ式配置を形成するように第３直交方向に分離される。この例において、交互プレートは、カバー３１１．１を通って延びる各コネクタ３１６．１、３１６．２に接続され、電極が電源に接続され得る。これと関連し、各コネクタ３１６．１、３１６．２は、接続部材３１６．３、３１６．４を通して他の電極３１５毎に連結され、隣接した電極３１５は、図４Ｅに示されたように、それぞれアノード３１５．１及びカソード３１５．２として作用する。従って、このようなプレート電極配置が互いに隣接した多数のアノード及びカソードをもたらし、それらの間に電気分解が起こり得るということが理解できるだろう。

一例において、電極は、約１０ｃｍ^３の表面積を有し、約０．１〜１０ｍｍの距離だけ分離され、さらに一般的には、電解液を通した電極の間の最適な電流の流れを保障しながら、電解液に露出する表面積の量を最大化するに理想的な距離である１．２ｍｍだけ分離され、電気分解プロセスの効率を最大化する。電極は、一般的に、０．２〜２０ｍｍの厚さであり、さらに一般的には、１．２ｍｍの厚さである。他の構成が利用され得るということが理解できるだろう。

例えば、電気分解プロセスの間に流れる電流が、部分的に電解液の伝導度及び特性により決定されるということが理解できるだろう。従って、電極間の最適な距離は、用いられた電解液の伝導度及び特性、印加電流の大きさなどに部分的に依存する。また、電解セルは、必要な出力と用途によって大きさ調整され得、従って、電極は小型化されるか、または広い個別表面積を有するように大型化され得る。従って、電解セルの大きさを小さくするか、または小型化する場合、電極間の間隔が潜在的に減少し、潜在的にミリメートルの一部だけ小さくなり得る。この間隔が、電極厚さの理由となる。電解セルをさらに大きく構成する場合、それによって、電極間の間隔及び個別電極の厚さが潜在的に増加し得る。従って、間隔は、０．１ｍｍ以下に小さくなり得、状況によって数センチメートルまで増加し得る。

他の例において、電極は、一部の電極間に含まれるか、または一部の電極の部分を覆う表面に塗布されたメンブレンまたは絶縁材料を有して、または有することなく焦電生成特性を最大化するか、または調整するために不均一に離隔され得る。一部の電極は、別途含有のボディの内部に含有され得、従って、この電極は、周囲の電解液と直接接触しないが、周囲の電解液に熱的に連結され、焦電受容体（ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｒｅｃｅｐｔｏｒ）として作用する。焦電受容体ボディは、電気的中性ガスまたは含有物質への電気放電を抑制する物質で充填されるか、または任意のガスや空気に疎開（ｅｖａｃｕａｔｅ）され得る。

焦電物質の一つ以上のボディ（焦電受容体）が、熱伝達媒体キャビティの内部または外部だけでなく、セルキャビティの内部または外部に、または過熱器２２０などの中に位置し得るということもまた理解できるだろう。複数の焦電受容体が含まれる場合、これらは、均一に離隔されたボディとして配置されるか、または無作為で離隔または分布され得る。不均一な間隔の活用は、焦電効果を向上させることに役立つ。それは、焦電受容体を電解液と熱的に連通するように電極近くまたは周囲に設けるか、または熱伝達媒体と熱的に連通するように熱伝達媒体キャビティ内または周囲に設けることができることが理解できるだろう。

焦電受容体は、並列または直列電気構成や、または任意の並列／直列電気構成で電極と同一の電気回路に接続されるか、または個別電気回路に接続され得、個別電気回路の目的は、電気作業を行うか、または電気エネルギーとして貯蔵されるために、焦電受容体から電位および／または電流を抽出および／または緩和することである。

また、本例において、電極プレート３１５は、使用時に、電解生成物が出口３１４まで電極プレートの間を通るように配置される。一例において、これは、電極プレートを実質的に垂直配向で配置することによって達成されるが、他の配置を用いることができるということが理解できるだろう。

本例において、カバー３１１．１は、断熱キャビティ４１１をまた形成することができ、断熱キャビティは、断熱材料を含有してカバー３１１．１を通した熱損失を減少させる。電解液レベルをモニタリングおよび／または制御できるようにするレベル制御ポート３１８が電解液キャビティ３１２内に設けることができ、サーモスタットまたは他の温度センサが電解セル内に位置するように感知ポート４１６を設け、これにより内部の温度をモニタリングすることができる。このことは、効率などをモニタリングすることだけでなく、装置の作動を制御することにも用いられ得る。

電解セルは、入口パイプフランジ３１７．１で終わる入口パイプを含む入口３１７をまた含み、入口３１７が電解液貯蔵所と流体連動するように設けられることによって、電解液が必要に応じて電解液キャビティ３１２に供給されるか、または、対流流動回路またはポンプを通して循環し得る。この例において、入口３１７は、セルハウジング３１１の下側に設けられ、圧力下でキャビティ３１２の底部に電解液が供給され得、これによって、電解液キャビティ３１２内の圧力を維持することができる。しかし、他の適切な配置を利用できるということが理解できるだろう。

一例において、電解液貯蔵所は、加熱された電解液を供給して電解セルの温度維持を助けるように設計され、選択的には電解液キャビティ内の熱変化を誘導して、上述した焦電効果を通じて電気エネルギーを生成するように設計される。一例において、電解液は、太陽熱温水システムなどのような太陽熱加熱システムから供給され得る。

電解セル３１０は、電解セル３１０を収容するためのセルキャビティ３２２を形成する、モジュールハウジング３２１を有する熱回収モジュール３２０に取り付けられる。熱回収モジュールは、熱回収媒体を収容する媒体キャビティ３２３をまた形成する。ハウジング３２１は、一般的に、一般的な作動圧力に耐えるに十分に強い熱伝導性材料で作製される。一例において、ハウジング３２１は、ステンレス鋼で製造されるが、他の適切な材料が用いられ得るということが理解できるだろう。

媒体キャビティ３２３は、一般的に、セルキャビティ３２２の外側に位置する。この例において、媒体キャビティ３２３は、チューブ形状を有し、セルハウジング３１１は、略シリンダ形状を有している。従って、前記モジュールハウジング３２１は、シリンダ状セルキャビティ３２２及びセルキャビティ３２２の周囲に実質的に円周方向に延びる環状媒体キャビティ３２３を形成する略長い環形状を有する。他の配置が用いられ得るということが理解できるが、このような配置は、電解セルが所望の作動温度を維持できるようにし、電解セルから熱伝達媒体への熱伝達の最大化を助ける。

この例において、前記装置は、熱回収モジュール３２０の周囲に延びる絶縁ジャケット３４０をまた含む。この例示的な配置において、絶縁ジャケットは、ジャケットハウジング３４１とモジュールハウジング３２１との間に絶縁キャビティ３４３を形成するジャケットハウジング３４１を含み、絶縁キャビティ３４２は断熱材料を含有して、熱回収モジュール３２０からの熱損失を減少させる。接続ボルトなどを通してジャケットハウジング３４１に蓋３４２が連結され、熱回収モジュールがその中に維持され得る。

熱伝達媒体から熱を回収できるように、熱回収モジュール３２０は、絶縁ジャケットを通って延びるそれぞれの入口、及び出口接続チューブ３２４．３、３２４．４、３２５．５、３２５．６、３２５．７、３２５．８を通して媒体キャビティ３２３と流体連通する二つの入口３２４．１、３２４．２、及び四つの出口３２５．１、３２５．２、３２５．３、３２５．４を含む。入口３２４．１、３２４．２は、媒体キャビティ３２３の底部に設けられ、出口３２５．１、３２５．２、３２５．３、３２５．４が媒体キャビティの上部に設けられる。これにより、確実に冷却媒体がキャビティ３２３の底部に供給されて上部３２３から除去され、結果、一般に対流過程によりさらに熱くなるか、または適用されたポンプを通して強制される。

複数の入口と出口の使用は、様々なおよび／または選択的な感知装置がプロセスを感知、測定および／または制御するために接続され得るようにするか、または電解セル３１０の過熱を防止するか、最大熱抽出を許容するように、キャビティを通した熱伝達媒体の十分な流動を保障するために接続するのに用いられ得るようにする。他の配置が用いられ得るということが理解できるだろう。これと関連し、媒体キャビティ３２３を通した熱伝達媒体の流量が、電解セルから熱が抽出される速度を制御するのに用いられ得るので、電解セル３１０の温度を制御できるということが理解できるだろう。

これから、電気分解装置の他の例を、図５Ａ乃至図５Ｅを参照して説明する。この例の目的のために、先の例と類似した特徴に２００だけ増加した類似した図面符号を使用する。

この例において、装置５００は、単一熱回収モジュール内に配置された複数の電解セル５１０を含む。各電解セル５１０は、一般的に、前述した電解セル３１０と類似した形態であり、従って、詳細に説明されない。しかし、各セルが、電解液を収容する電解液キャビティ５１２、電解生成物を除去するための出口５１４と出口パイプ５１４．１、及び代替電解液を供給するための入口５１７を形成するハウジング５１１を含むということが理解できるだろう。各電解セル５１０は、電解液キャビティ内に支持され、コネクタ５１６に接続された、多数の側方に離隔された実質的にラミナ状電極プレート５１５を含む。断熱材料、熱井戸（ｔｈｅｒｍａｌ ｗｅｌｌ）、感知ポートなどのようなさらなる特徴部が提供されるが、明確性のために表示していない。

各電解セル５１０は、電解セル５１０を収容するための複数のセルキャビティ５２２を形成するモジュールハウジング５２１を有する熱回収モジュール５２０に取り付けられる。熱回収モジュールは、熱回収媒体が循環できるようにする入口５２４及び出口５２５を含む媒体キャビティ５２３をまた形成する。媒体キャビティ５２３は、電解セルから熱伝達媒体への熱伝達を最大化するために電解セル５１０を実質的に囲む。熱回収モジュールの周囲に延びる絶縁ジャケットを設けることができるが、単に、明確性のためにこれを図示しない。

この例において、７個の電解セル５１０が図示されているが、これは、単に例示の目的であり、制限しようとする意図ではないことが理解できるだろう。従って、共通の熱回収モジュール５２０に設けられる電解セル５１０の任意の組み合わせが用いられ得る。

複数の電解セルを含むこのようなモジュール式構成を用いることで、多数の利点を提供することができる。例えば、電解セルの一部が電解生成物を生成するのに用いられる一方、そのセルの他の一部が必要に応じて過電位の場合を緩衝するロードとして作用できるので、利用可能な全ての電気が電気分解を行うのに用いられることを保障する。

そして、電解セルは、電源からの電流の大きさによって選択的に用いられ得る。これによって、利用可能な電流が増加するにつれ、さらなる電解セルが活性化できるので、各セルを最適な電流で作動させることができ、異なる大きさの供給電流を用いることができる。

他の利点は、電解セルが維持補修を必要とする場合に、例えば、電極が再調整を必要とするなら、個別セルを取り出して修理する一方、他のセルを作動させ続けることができるということである。

そして、異なる電解セルを順に活性化できるので、他の電解セルに温度変化を誘導することができ、従って、焦電効果の使用を通じてさらなる電気を生成することができる。

従って、前述したモジュール式配置が、多数のさらなる利点を提供できるということが理解できるだろう。

これから、電気分解を行い、熱を生成するための装置の一例を図６を参照して説明する。

この例において、装置は、使用時に電解液６１３を収容する電解液キャビティ６１２を形成するセルハウジング６１１を含む電解セル６１０を含む。複数の実質的に平行に離隔された電極プレート６１５．１、６１５．２が電解液キャビティ６１２内に設けられ、電極プレート６１５は、使用時に電解液６１３に少なくとも部分的に浸る少なくとも一つのアノード６１５．１及び少なくとも一つのカソード６１５．２を形成する。使用時に電源に接続され、電解液６１３への電流供給を可能にして電気分解を行い、電解液６１３を加熱する少なくとも二つのコネクタ６１６．１、６１６．２が設けられる。

電解セルは、電解液キャビティ６１２と流体連通する少なくとも一つのセル出口６１４、及び電解液キャビティ６１２と流体連通する少なくとも一つのセル入口６１７をまた含み、前記少なくとも一つのセル出口は、使用時に熱回収モジュールに連結され、前記少なくとも一つのセル入口は、電解液６１３が電解液キャビティに供給され得るようにする。

前述した電解セルは、水、または塩化ナトリウム、塩化カリウム、水酸化ナトリウムのような水性塩または水酸化物の溶液、または十分に強い電場が印加されれば、塩または水酸化物を含有しない標準海水（ｎｏｒｍａｌ ｗａｔｅｒ）のような電解液を電気分解するように作動し、電解生成物を生成する。生成された電解生成物が用いられた電解液に依存することが理解でき、従って、例えば、電解液が水である場合、電解生成物が水素と酸素を含む。

そして、電気分解モジュールは熱を生成し、この熱は、電解液を加熱する役割をする。電解液は熱回収モジュールに伝達され、生成された熱が回収され得、作業を行うのに用いられ得る。平行に離隔されたプレートの使用は、電気分解を経る電解液の体積を大きくし、相当な熱の発生につながり、これは、電気分解プロセスの効率または作業を行うために抽出され得る熱の量を増加させるように作動できる。

特に、電気分解装置は、例えば、蒸気タービンなどを用いて電気を生成するに十分な熱を生成することができ、また、さらなるエネルギーを生成するために、燃料電池などで要望通り用いられ得る水素と酸素を生成することができ、または、熱は、プロセスで変換なしに用いられ得る。従って、これは、太陽電池などのような様々な根源からのエネルギーが電解生成物に変換され得るようにし、電解生成物は、必要に応じて、例えば、さらに即刻の使用のために熱を発生させることだけではなく、要求時に電気を生成することにも用いられ得る。

均一に離隔され、交互式で接続された電極から構成された電解セルが、多数の因子によって具体的な特性を示すということをまた見出し、これは、適切な作動パラメータの選択がシステムの効率に影響を及ぼし得るということを意味する。

例えば、そのようなセルが電源から引き込む電流は、電解液比伝導率、電解液温度、及び組み合わせられた総電極表面積の関数である。従って、
・ＩＣ−セル電流、
・Ａ−電極表面積、
・Ｔ_Ｅ−電解液温度、
・Ｃ_Ｅ−電解液伝導度、
・Ｈ−電極高さ、
・Ｗ−電極幅、
・ｎ−電極の個数。

従って、セル電流は、次のとおりである。
ＩＣ＝ｆ（Ａ，Ｔ_Ｅ，Ｃ_Ｅ）
ここで、Ａは、電極高さ、電極の幅と個数の関数である（Ａ＝ｆ（Ｈ，Ｗ，ｎ））

電気分解の間に十分に大きな電場がアノードとカソードとの間に存在すれば、水分子から遊離された水素イオンのような正イオンがアノードとカソードとの間に生成された電場によりカソードに向かって輸送される。また、電位を増加させると、イオンが遊離され、輸送される速度を増加させることができる。

このような水素イオンの解離速度が、水素イオンがカソードからの電子または隣接した水素イオンと再結合してカソードで水素を形成する速度よりさらに速いと、百分率は、カソード結晶構造にロードし始めるか、および／または、カソードでポジティブスキン型（ｓｋｉｎ−ｌｉｋｅ）障壁を形成し始める。その結果、カソードの近傍に存在する水素イオンは、強いクーロン障壁を示し、これは、接近する正イオンが弾性衝突して反発し、この正イオンが近づいてくる他のイオンと衝突することとなることを意味する。このような衝突の結果として、電解液内のエネルギー放出が発生し、電解液の加熱が引き起こされる。

このような条件が発生するためには、電流密度だけでなく、電場の強度が十分高くなければならない。従って、低い電流密度では、正イオンが結合して水素分子を形成する速度が、カソード近傍で水素イオンが電解液から遊離されて電解液から除去される速度を超えるか、または平衡になり、クーロン障壁の形成を防止する。そして、小さな印加電場では、接近する水素イオンの速度が弾性衝突をするには低すぎる。その代わりに、近づいてくる陽子は、カソードに接近するにつれて単に遅くなり、結合して水素ガス分子を形成するに十分に低い速度に達する。

従って、印加された電場が十分に高ければ、水素イオンの場合に本質的に陽子であるそれぞれの加速されたイオンの運動量は、分子を形成するように近くの電子及び他のイオンと結合するために吸収され得るものよりさらに高く、説明されたように効果的に弾性衝突を経験し、それぞれの衝突は、運動エネルギーの一部を熱に変換させる。

水素イオン（陽子）の衝突は、特定の条件下で、陽子がアノードで正電荷障壁を克服してアノード表面の原子と実際に衝突するに十分な運動量でアノードに向かって加速されるようにするに十分高い。いくつかの場合には、水素イオンがアノードの格子構造を貫通してアノードの内部構造の原子と衝突するか、または、さらにアノードを通過して反対側に出て、その結果、運動エネルギーの相当の量が熱に変換される。このとき、高い局部的な熱の領域がアノード格子の表面および／または内部に形成され、アノードに物理的な損傷を引き起こす。このような損傷はアノードの分解につながり、電解液内に沈殿物が形成される。

アノード−カソード並列アレイで外部アノードの外部表面近くの開発された温度の行われた高速温度測定は、特定の高い電流密度及び高い印加電場の条件下で、また一般的に作動時間後に、またセルが十分に高い温度に達したら、外部アノード近くで発生する高周波温度変動を示す。

衝突とイオン輸送が、低エネルギー核反応のようなさらなる相互作用を招き、電解セルの加熱機能をさらに強化できるということもまた明らかである。

これと関連し、前述したように構成された電解セルの作動は、電極内および／または近傍のヒートスパイク（ｈｅａｔ ｓｐｉｋｅｓ）により例示される熱的イベント（ｔｈｅｒｍａｌ ｅｖｅｎｔｓ）につながり、従って、電解液温度につながる。このような熱的イベントの一部が、電解セルに由来する逆ＥＭＦの形態で電位の発生を引き起こすということもまた確認された。一例において、この逆ＥＭＦの効果を緩和するために、低インピーダンスサージアレスタが電解セル端子にわたって接続され得、開発された電気的サージを高容量低インピーダンスロードに転換させ、これは、図２の例で前述したものと類似したロード及びトリガー回路の形態であってよい。これは、電源だけでなく、電子測定及び制御装置の損傷を防止するのに用いられ得、および／または、作業を行うか、または後からの使用のために貯蔵するために開発された電気エネルギーを抽出するのに用いられ得る。

以上の内容に基づいて、適切な条件下でのセル作動で、電解セルの出力性能が、下記の結果として起こる過剰な熱及びガス開発で強化されるということが明らかである。
・他の陽子、分子及び電極原子との陽子衝突、
・印加された十分に高い電場による陽子加速、
・衝突が起こった時に熱に変換される運動エネルギー。

分析は、各セルにより生成された電力が電極の表面積、印加電流、電圧に比例し、電極間の距離に反比例して、セルの出力電力が下記のように与えられるということを示す。
［式１］

ここで、Ｐは、セルの出力電力、
Ａは、電極表面積、
Ｉは、セルを通した電流、
Ｖは、セルにわたった電位、また、
ｄは、電極間の間隔である。

また、それぞれの物理的セル構造が、セルとシステムの熱伝達効率と構成、正常状態作動温度（セル内部と伝達流体作業圧力及び特定の熱伝達係数、電極材料、電極厚さ、及びセルとシステム断熱効率に依存する）に依存する特定の性能係数を有するということが理解できるだろう。性能係数は、セル電流、印加されたセル電位、電極間隔のような特定の作動パラメータが変化する実験に対して確認された出力及び対照実験に基づいて、それぞれの構成に対して実験的に決定され得る。

いずれにしても、これより、印加された電流の電位が電解セルにより開発された出力電力に大きな影響を及ぼすということと、印加された電位を増加させると、作動効率を大きく増加させることができるということが明らかである。これと関連し、これは、印加された電位が電気分解を行うに十分で、かつ抵抗損失を避けるために最小化されなければならないと理解されてきた従来の技術と対比される。

その結果、従来、水の電気分解は、１．４５Ｖ以下より高い印加電圧で行われるのに対し、前記装置は、一般的にさらに高い電圧、例えば、少なくとも５Ｖ、少なくとも１０Ｖ、また、さらに一般的には１０〜２５Ｖ、さらには、より高い電圧で作動するようになっている。これは、例えば、加速されたイオンの他の原子やイオンとの衝突（これは、加熱及び作動効率の増加につながる）によって、強化された熱効果を引き起こすことができる。

いくつかの状況において、電位が電極間にアークを発生させて電極の短絡を招き得る電解液の電気的ブレークダウン電位を超えないことが好ましい。この最大作動電位は、一般的に、電解液の特性及び電極の大きさと間隔のような因子に依存する。従って、電位は、１００Ｖ未満、８０Ｖ未満、さらに一般的には６０Ｖ未満である。しかし、これは必須ではなく、好ましい具現に依存し、従って、例えば、いくつかの配置ではアーク発生が有利であることもある。

印加電位と隣接したアノードとカソードとの間の間隔の関数である印加電場強度は、有効イオン加速を起こす程に十分高くなければならない。一般的に、前記装置は、１メートル当たり少なくとも３０００ボルト、１メートル当たり少なくとも１２０００ボルト、さらに一般的に、１メートル当たり少なくとも２４０００ボルト以上の印加電場で作動する。

電解セルの作動電流密度は、電解液の伝導度及び特性に依存する電解セルの比抵抗だけでなく、電極の表面積と間隔及び作動温度に依存する。従って、セルと用いられた電解液の物理的構成は、電源の能力にふさわしく、また好ましい作動電位が達成されることを保障するように選択されるか、または、逆に、電源がセルに合わせられるか、または特定の出力のために設計される。しかし、一般的に、電解セルは、１平方メートル当たり少なくとも５００Ａ、１平方メートル当たり少なくとも１０００Ａ、さらに一般的には、１平方メートル当たり約３０００Ａ以上の電流密度で作動する。

一例において、電極プレート６１５は、０．１ｍｍと１０ｍｍとの間、１．８ｍｍと２ｍｍとの間、また２ｍｍと５ｍｍとの間の少なくとも一つの距離だけ分離される。また、アノード電極の厚さがカソード電極の厚さと同一または異なり、任意の適切な厚さが用いられ得るが、電極プレートは、一般的に、０．１ｍｍ〜１０ｍｍ、１ｍｍ〜２ｍｍ、２ｍｍ〜５ｍｍの厚さを有する。

一般的に、一部のアノード材料の場合、アノードは、電気分解プロセスの間に腐食および／または退化を経て、アノード体積が減少し得る。従って、一例において、アノードはカソードよりさらに厚く、以下においてさらに詳細に説明されるように、容易に交替可能に設計され得る。

電極は、好ましい具現によって任意の適切な材料で形成され得る。一例において、電極は、遷移金属を含み、さらに具体的には、２６−２８、４４−４６または７６−７８の原子番号を有する遷移金属（例：鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウムまたは白金）を含む。金属は、純粋であるか、または、代案としてはステンレス鋼などのような合金の形態で他の元素と結合され得る。

また、電解セルは、焦電物質だけでなく、異種金属を含み、焦電効果、ゼーベック効果などのような熱電効果を通じてさらなる電流を生成することができる。

また、一例において、電解セルの作動温度が高くなるほど、その作動がさらに効果的になり、特に、回収された熱で行えることがさらに多くなる。作動温度は、一般的に、セル作動圧力で電解液の沸点により制限され、セルが大気圧で作動できるようにすると、作動温度が制限される。従って、電解セルは、典型的に電解液の沸点、従って、作動温度を増加させることができるように圧力容器として作動する。それゆえ、一例において、作動温度は、少なくとも６０℃、少なくとも８０℃、さらに一般的には、少なくとも１００℃、好ましくは、少なくとも１２０℃またはそれ以上である。

しかし、前記値は、単に、例示の目的のためのものであり、制限しようとするものではないことが理解できるだろう。これと関連し、上記において既に議論したように、このような電解セルから出力される電力は、電極の物理的寸法、電極の個数、電極にわたって印加された電場及び電極間で得られた電流密度に比例する。そして、印加された電場は、電極間の距離及び印加された電位に依存し、得られた電流密度は、電解液の組成及び伝導度だけでなく、印加電流及び電極の総表面積に依存する。従って、このようなパラメータの比が、マイクロバージョンから非常に大きく極度に強力なセルまで、そのようなセルの効果的な大きさ調整（ｓｃａｌｉｎｇ）を可能にする。

セルの大きさ調整は、（拡大または縮小する時に）セルの特定の物理的な大きさで達成され得る電極の個数、電極の表面積、電極の厚さ、電極間の間隔のような特定の物理的な構成上の限界を受けるということが理解できるだろう。

一例として、数百メガワットで出力される電力を伝達できるセルを構成することができ、そのようにするにあたって、広い表面積の非常に厚い電極が要求されることもあり、これは、自立型になるように電極材料の機械的強度によって支配される。さらに、このような大型電極は、さらに離隔されなければならず、従って、最小の所望の電場強度を達成するために遥かに高い印加電位を必要とする。同様に、十分に高い電流密度を達成するために十分に高いセル電流が要求される。これは、所望の大きさのセルに対して所望の出力電力を達成するように全てのパラメータが合理的に大きさ調整できるナノサイクルまでの小型化にも適用される。

従って、上記において提供された例の値は、ベンチトップ（ｂｅｎｃｈ−ｔｏｐ）試験に適した１ｋＷデバイスを反映しようとするものであることが理解できるだろう。しかし、この値が、さらに大きな、またはさらに小さな規模のデバイスを生産する時にかなり大きさ調整されなければならず、従って、この値は、制限的なものと考えられてはならない。

一例において、入口６１７は、電解液が電解液キャビティ及び熱回収モジュールを通して再循環するように熱回収モジュールに連結される。しかし、これは、必須ではなく、貯蔵所などから電解液キャビティに新たな電解液を供給できるような他の配置が用いられ得る。

入口６１７と出口６１４は、電解液キャビティ６１２に供給された電解液が電極プレート６１５の間を流れるように配置されてもよい。一例において、これは、キャビティ内に流入する電解液が直接電極プレートの間を流れるように電極プレート６１５の縁端部に対面する電気分解キャビティ６１２の対向側に配置された入口と出口６１７、６１４を設けることで実施される。これは、電極プレートの間の電解液の流動を維持し、電極表面への腐食及び他の生成物のような汚染物質の蓄積を防止するのに役立ち、また電気分解プロセスの効率を向上させるのに役立つ。

一特定例において、入口６１７と出口６１４は、セルハウジングの上端部と下端部にそれぞれ配置され、電極プレート６１５は、電極キャビティ６１２内に実質的に垂直に整列され、実質的に水平に離隔される。この場合に、電解液は加熱されるとき、電解液キャビティに向かって上昇する傾向にあるので、電極システム内の対流が電極プレート６１５の間の電解液流動をさらに強化することができる。

電極プレート６１５は、一般的にラミナ状であるが、代案としては、曲線状、シリンダ状、波状であってよく、一般的に、電気分解が行われるように実質的に平行に離間した表面を提供する限り、任意の形状が用いられ得る。

一般的に、少なくとも二つのコネクタは、隣接プレートが使用時にアノードとカソードとして作用するように電極プレートに電気接続される。一特定例において、各カソードが二つのアノード間に位置するように奇数の電極が設けられ、これにより、電解生成物及び熱のいずれにおいてもセルの出力及び全体効率をさらに強化することができる。

一例において、セルハウジングは、開口部、及び電極プレートの少なくとも一部が電解液キャビティ６１２から取出せるように開口部に取外し可能に取り付けられるカバーを含む。一例において、前記装置は、電極支持部を含み、電極は、使用時に電極が少なくとも部分的に電解液に浸るように電極支持部に連結され、支持部は、アノードのような電極の少なくとも一部が電解液キャビティから取出せるようにカバーに連結される。

図７を参照して、さらに詳細に説明されるように、電解セルは、一般的に、熱回収モジュール、凝縮器、ガス貯蔵容器及び制御システムと共に作動する。

この例において、電解セル６１０は、出口導管７２１を通して熱回収モジュール７２０に接続される。熱回収モジュール７２０は、図２について前述したものと類似した方式で、一般的に、熱交換器に接続される熱交換器流出パイプ７３１を含む熱交換器を含む。

熱回収モジュール出口パイプ７２３は、電解液が熱回収モジュール７２０を通して循環できるように電解セル入口まで延びる。熱回収モジュール出口パイプ７２３は、強制された再循環のためのポンプ７２２を含むことができるが、代案としては、例えば、熱回収モジュール７２０と電解セル６１０の適切な相対位置による対流過程を通して起こることもある。ポンプ７２２が用いられる場合、ポンプは、例えば、電解液の温度に基づいて電解液の流量を制御できるようにする電子制御器（図示しない）を通して制御され得る。これより、制御器が、例えば、電解液キャビティ６１２内に電解液と熱的に連通するように設けられたポンプ及び温度センサに連結され得るので、電解液温度に基づいて流量を制御するか、またはポンプ前または後の制御されるバルブにより電解セル６１０を通過する流動を制限することができるということが理解できるだろう。

ポンプ７２２の使用は、電極６１５の間の電解液の流動をさらに向上させて電極６１５の表面を腐食生成物のような汚染物質なしに維持することを保障できる最小の流量を維持するのにまた用いられ得る。

熱回収モジュール７２０は、ガス出口パイプ７５１及び選択的な圧縮機７５２を通して少なくとも一つの貯蔵容器７５０にまた接続され、貯蔵容器は、水素及び酸素のような電解生成物を混合または予備分離された生成物として貯蔵する役割をすることができる。

電解セル６１０は、太陽電池板、風力タービンなどのような再生可能または可変エネルギー源または電気グリッドまたは熱機関と発電機の組み合わせのコンセントのような他の形態の従来の電気電源であってよい電源７００にまた連結される。コネクタ７１６及び電源７００に電気的に連結されたトリガー回路７１０が設けられ、トリガー回路７１０は、電源をロード７１２に選択的に接続させるのに用いられるスイッチ７１１に連結される。トリガー回路７１０は、一般的に、アノード−カソード連結部にわたった電流の流れおよび／または電位を感知するためのセンサ、及び感知された電流および／または電位によってスイッチ７１１を制御するためのマイクロコントローラのような電気制御器を含む。図２の例のように、配置は、トリガー回路７１０が必要に応じて電解セル６１０を通した電流流動または電位を検出し、ロード７１２を通して電流を転換させるスイッチ７１１を選択的に作動させることができるようにする。

この例において、電気分解により発生する熱は、電解液を沸騰させてスチームのような蒸発した電解液を生成するに十分である。スチームは、蒸発した電解液を凝縮させる凝縮器として作用する熱回収モジュール７２０に伝達され、これをまた電解セル６１０内にポンピングされ得るようにする。熱回収モジュール７２０は、水素と酸素のような気体電解生成物から蒸発した電解液を分離するための分離器としてまた作用できる。

一例において、熱回収モジュール７２０は、熱交換器を含み、熱交換器を通して、水のような熱伝達媒体が流れ、熱が電解液から回収され得る。これによって、蒸発した電解液が凝縮でき、回収された熱を用いて作業を行うことができる。従って、熱伝達媒体は、熱交換出口パイプ７３１を通して、電気を生成するか、または作業を行うことのできる熱機関、または他の類似したシステムに供給され得る一方、分離された気体電解生成物は、全部または一部の貯蔵のために回収モジュール７２０から除去されるか、または熱伝達媒体の熱を強化するように燃焼プロセスを通して直ちに用いられる。

熱伝達媒体を用いる場合、電解液キャビティ内の圧力が熱の回収を向上させるために、熱交換器の圧力より高くなければならない。代案としては、同じ圧力で電解液よりさらに低い沸点を有する熱伝達媒体が選択され得る。

代案としては、熱回収モジュール７２０は、電解液から熱を凝縮または抽出しながら動力を生成するための熱機関の形態であるため、熱が作業に変換される時に蒸発した電解液の冷却は、蒸発した電解液の凝縮が起こるに実質的に十分である。熱機関は、熱抽出／凝縮を補助するだけでなく、そのようにしながら作業を行うために熱回収ユニットの前に位置し得る。

これから、図８Ａ−８ＺＡを参照して、電解セルの具体的な例について説明する。

本例において、電解セル８００は、大体正方形断面を有する中空電解セルボディ８１１を含み、セルボディは、その対向開放端部にセルフランジ８１２、８１３を含む。ボディ８１１の下面と上面には、それぞれ入口８１７と出口８１４が設けられる。端部フランジ８１２には、スペーサ８１５を介して環状カバー取り付けプレート８１６が端部フランジから離隔されるように連結され、カバー取り付けプレート８１６は、開口部８１６．１に取り付けられるリテーニングネジ８１６．２を通して定位置に維持される。取り付けナット８１３．１が端部フランジ８１３に連結されるか、または８１６、８１５及び８１２の外部リムに溶接により機械的に取り付けられ得る。

電解セル８００は、平行な離隔配置でアノード８２１．１、８２１．２、８２１．３及びカソード８３１．１、８３１．２をそれぞれ支持するためのアノード及びカソードアセンブリ取り付け部８２０、８３０をさらに含む。

アノードアセンブリ取り付け部８２０は、大体Ｕ字形アノードリテーナブラケット８２２及びカバー８２７を支持するアノード取り付けボディ８２６を含む。使用時に、アノード取り付けボディ８２６は、フランジ８１２を通してキャビティボディ８１０の開放端部に挿入され、取り付けボディは、シール８４０を通してフランジ８１２またはボディ８１０と密封係合する。カバー８２７は、カバー８２７の細長型開口部８２７．３を通って延びるボルト８２７．２を通して取り付けボディに連結され、カバー８２７の相手回転運動を許容する。カバー８２７は、アノード取り付けボディ８２６から外側にはね８２９によりさらに偏向する。

カバー８２７は、ハンドル８２８、及びカバー８２７の外周部周囲に円周方向に離隔された多数の取り付けラグ８２７．１を含む。スペーサ８１５及びカバー取り付けプレート８１６は、使用時にカバー８２７のラグ８２７．１を収容する対応リセス８１５．１、８１６．１を含み、カバー８２７が回転でき、従って、ラグ８２７．１がカバー取り付けプレート８１６の内部表面に噛み合って、カバー８２７を定位置に維持し、アノード取り付けボディ８２６をキャビティ開口内に偏向させ、シール８４０を通して密封する。このプロセスの間、アノード取り付けボディ８２６のリセス８２６．１がセルボディ８１１の止めピン８１８．１と整列され、これによってアノード取り付けボディ８２６をボディへの挿入の間に所望の配向に維持する。

第１及び第２アノード端部スペーサ８２３、８２４がアノードリテーナブラケット８２２の対向端部に取り付けられ、端部スペーサ８２３は、互いに向かい合う実質的に平行な離隔リセス８２３．１、８２３．２、８２３．３、８２４．１、８２４．２、８２４．３を含み、アノード８２１．１、８２１．２、８２１．３がその中に取り付けられ得る。第２端部スペーサ８２４は、カソード８３１．１、８３１．２を摺動可能に収容することのできる開口部８２４．１１及び８２４．３１を含み、アノードリテーナブラケット８２２がアノード取り付けボディ８２６に連結され、アノードリテーナボディ８２６をセルボディ８１１から取り外すとき、カソード８３１．１、８３１．２をセルキャビティに維持しながら、アノードを容易に抽出及び交替することができる。

アノードリテーナブラケット８２２は、Ｕ字形部分から第１端部スペーサ８２３の開口部８２３．４を通って延びる切り欠き８２２．２１、８２２．２２、８２２．２３を含み、アノード８２１．１、８２１．２、８２１．３に噛み合い、このアノードをアノードリテーナブラケット８２２に電気的に連結させる。また、Ｕ字形部分から延びる取り付けリップ８２２．１が使用時にアノード８２１．１、８２１．２、８２１．３を支持するように作動する。

アノードリテーナブラケット８２２は、アノードコネクタ８２５．１を含み、アノードコネクタは、セルボディ８１１に挿入される時にカソード取り付けボディ８３４に取り付けられた対応アノードコネクタ８３５．１と係合して電気的に連結され、アノードに外部的に電気接続する。

カソード取り付けアセンブリ８３０は、カソード取り付けボディ８３４を含み、カソード取り付けボディは、使用時にセルフランジ８１３を通してセルボディ８１１の開放端部に挿入され、取り付けナット８１３．１を用いて、シール８５０を用いてフランジ８１３またはセルボディ８１１と密封噛み合いで固定される。カソード取り付けボディ８３４は、セルボディ８１１で止めピン８１８．２と噛み合うためのリセス８３４．１を含み、セルボディ８１１に対してカソード取り付けボディ８３４を整列させる。カソード取り付けボディ８３４は、カソード取り付けボディ８３４から平行に離隔されて突出するカソード８３１．１、８３１．２を支持する。カソード８３１．１、８３１．２は、カソードに電気接続されるようにコネクタボルト８３２．１、８３２．２に電気的に連結される。

使用時に、カバー８２７及びカバー取り付けプレート８１６の選択的な噛み合い及び噛み合い解除によりアノードアセンブリ取り付け部８２０がセルボディ８１１に挿入され、セルボディから取り外される間、カソードアセンブリ取り付け部８３０は、セルボディ８１１に固定され、これによってアノードを交替することができる。

これから、図９Ａ乃至図９Ｇを参照して、図８Ａの電解セルを含む発熱装置の一例について説明する。

この例において、装置９００は、使用時に電解セル８００を含む電解セルジャケット９１０を含む。蒸発した電解液を凝縮させ、これを水素及び酸素のような電解生成物から分離するために、組み合わせられた凝縮器／分離器９２０が設けられる。電解セル８００に供給される前の電解液を維持するために、電解液維持タンク９３０が設けられる。

さらに詳細には、電解セルジャケット９１０は、ジャケットキャビティ９１２を形成するシリンダ状ボディ９１１を含み、その中に電解セル８００が位置する。ジャケットキャビティ９１２は、熱伝達媒体を収容するのに用いられ、熱伝達媒体は、凝縮器／分離器９２０に供給される前に予熱され得る。

凝縮器／分離器９２０は、外側凝縮器／分離器ボディ９２１及び内側凝縮器／分離器ボディ９２２を含む。この例において、外側及び内側凝縮器／分離器ボディ９２１、９２２は、一般的にシリンダ状であり、同軸に位置して、シリンダ状内側凝縮器／分離器キャビティ９２４及びその周囲の延びる環状外側凝縮器／分離器キャビティ９２３を形成する。内側凝縮器／分離器キャビティ９２４は、多数の凝縮プレート９２６を支持するための凝縮プレート支持部９２５を含み、凝縮プレート支持部９２５は、支持フット（ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｆｏｏｔ）９２７により定位置に維持される。それぞれの凝縮プレート９２６は、以下においてさらに詳細に説明するように、支持部９２５を収容するための中央開口部９２６．１、及び外周縁部の下側及び上側ノッチ９２６．２、９２６．３を含む。凝縮器／分離器ボディ９２１は、以下においてさらに詳細に説明するように、電解生成物及び電解液パイプのための開口部９２１．３、９２１．４、９２１．５、９１２．６を含む端部プレート９２１．１、９２１．２を含む。

維持タンク９３０は、外側維持タンクボディ９３１及び内側維持タンクボディ９３２を含む。内側及び外側維持タンクボディ９３１、９３２は、大体シリンダ状であり、同軸をなして、内側及び外側キャビティ９３４、９３３を形成する。使用時に、熱伝達媒体は、予熱のために内側維持タンクキャビティ９３４に供給され、内側維持タンクキャビティは、内側キャビティ９３４を分割する分離プレート９３５を含み、熱伝達媒体は、開口部９３５．１を経由して内側維持タンクキャビティを通して流れる。電解液は、外側維持タンクキャビティ９３３に維持され、電解セルに供給されるに十分な電解液が利用可能であることを保障する。

前記装置９００は、第１、第２、第３、第４、及び第５電解液パイプ９４１、９４２、９４３、９４４、９４５を含む電解液回路、電解液入口及び出口バルブ９４６、９４７、及び電解液レベルセンサ９４８をまた含む。第１電解液パイプ９４１は、電解セル出口から凝縮器／分離器端部プレート９２１．１の開口部９２１．３まで延びる。第２電解液パイプ９４２は、凝縮器／分離器端部プレート９２１．２の開口部９２１．５から外側維持タンクキャビティ９３３まで延びる。第３電解液パイプ９４３は、外側維持タンクキャビティ９３３から電解セル入口まで延びる一方、第４及び第５電解液パイプ９４４、９４５は、外側維持タンクキャビティ９３３まで延びる。電気分解回路周囲に電解液を強制するために、電解液回路に、一般的に第３電解液パイプ９４３にポンプを設けることができるが、代案として、流動は、単に対流により達成されてもよい。

第１電解生成物パイプ９５１が、凝縮器／分離器端部プレート９２１．１の開口部９２１．４から圧力解除バルブ９５３を経由して第２電解生成物パイプ９５２まで延びる。

熱伝達媒体は、第１、第２、第３、第４、及び第５熱伝達媒体パイプ９６１、９６２、９６３、９６４、９６５及び圧力解除バルブ９６６を含む熱伝達媒体回路を通して循環する。第１熱伝達媒体パイプは、内側維持タンクキャビティ９３４の下側部分に進入し、第２熱伝達媒体パイプ９６２は、内側維持タンクキャビティ９３４の上側部分からジャケットボディ９１１の下側部分まで延びる。第３熱伝達媒体パイプ９６３は、ジャケットボディ９１１の上側部分から選択的に入口パイプ９６３が嵌合した９２１．１の開口部まで延び、第４熱伝達媒体パイプ９６４は、凝縮器／分離器端部プレート９２１．１の開口部９２１．４から圧力解除バルブ９６６を通して第５熱伝達媒体パイプ９６５まで延びる。

使用時に、電解セル８００は、実質的に、前述したように、電解液を加熱するように、よって電解液を沸騰させるように作動して、蒸発した電解液及び気体電解生成物を生成し、これらは、第１電解液パイプ９４１を通して内側凝縮器／分離器キャビティ９２４に供給される。蒸発した電解液は、凝縮プレート９２６で凝縮され、凝縮プレート９２６の下側部分のノッチ９２６．２により形成されるチャネルを通して第２電気分解パイプ９４２に伝達され、第２電気分解パイプは、凝縮された電解液を維持タンク９３０に伝達する。

一方、電解生成物は、ノッチ９２６．３を通して開口部９２１．６を経由し、第１電解生成物パイプ９５１に伝達される。これは、電解生成物が圧力解除バルブ９５３及び第２電解生成物パイプ９５２を経由して貯蔵できる、または、代案としては、電解生成物を直ちに用いるシステム（バーナー、燃料電池等）に連結された圧力容器などに供給され得るようにする。

電解液は、外側維持タンクキャビティ９３３に維持された後、必要に応じて、電解セル８００の入口に第３電解液パイプ９４３を通して供給される。外側維持タンクキャビティ９３３は、沈殿物が電解液で沈降できるように電解液を維持することができる。これと関連し、電解液を電解セル入口に伝達する電解液パイプ９４３が、外側維持タンクキャビティ９３３の上部領域から電解液を抽出し、この電解液は、沈殿物で汚染されないことを保障するということを言及する。

このプロセスの間、必要に応じて、第４電解液パイプ９４４及び入口バルブ９４６を通して他の電解液が供給されながら、電解液レベルセンサ９４８は、外側維持タンクキャビティ９３３の電解液のレベルを感知するのに用いられる。電解液レベルセンサ９４８は第４電解液パイプ９４４に連結されたものと図示されているが、これは必須ではなく、実際に、レベルセンサは、電解液回路の任意の適切な部分に設けられるということが理解できるだろう。

電解液はまた、例えば、電解セル８００内のアノードが交替されなければならない時に、または沈殿物が電解液回路から除去されなければならない場合に、第５電解液パイプ９４５及び出口バルブ９４７を通して電解液回路から放出され得る。これと関連し、システムから沈殿物が収集され、抽出され得るようにしながら、電解液が電解セル８００のために利用可能であることを維持タンク９３０が保障するということが理解できるだろう。

前記プロセスの間に、熱伝達媒体は、第１熱伝達媒体パイプ９６１を通して内側維持タンクキャビティ９３４に供給され、開口部９３５．１を通して第２熱伝達媒体パイプ９６２に伝達される。これは、第２熱伝達媒体パイプ９６２を通して電解セル８００を囲むジャケットキャビティ９１２に供給される熱伝達媒体を予熱する作用をし、第２熱伝達媒体パイプでさらに予熱される。それから、予熱された熱伝達媒体は、電解液から熱が抽出される第３熱伝達媒体パイプ９６３を通して外側凝縮器／分離器キャビティ９２４に供給される。それから、加熱された熱伝達媒体は、前述したように作業が行われ得るように、第４及び第５熱伝達媒体パイプ９６４、９６５及び圧力解除バルブ９６６を通して供給される。

図１０Ａ乃至図１０Ｇを参照して、電解セル８００を含む熱発生装置の第２例について説明する。

この例において、電解セル８００は、維持タンク１０３０及び凝縮器／分離器１０２０に物理的に連結される。維持タンク１０３０は、維持タンクキャビティ１０３２を形成する維持タンクボディ１０３１を含み、維持タンク１０３０が排水され得るように維持タンクドレイン１０３３が設けられる。

凝縮器／分離器１０２０は、内側及び外側凝縮器／分離器キャビティ１０２４、１０２３を形成する、凝縮器／分離器タンクボディ１０２１及び内側ボディ１０２２を含む。内側凝縮器／分離器キャビティ１０２４は、凝縮プレート開口部１０２６．１を通して内側凝縮器／分離器キャビティ１０２４と流体連通する電解生成物キャビティ１０２７を形成するように位置した凝縮プレート１０２６を含む。

この例において、第１、第２、第３、及び第４電解液パイプ１０４１、１０４２、１０４３、１０４４により電解液回路が形成される。第１電解液パイプ１０４１は、電解セル出口から内側凝縮器／分離器キャビティ１０２４まで延び、第２電解液パイプ１０４２は、内側凝縮器／分離器キャビティ１０２４から維持タンクキャビティ１０３２まで延びる。第３電解液パイプ１０４３は、維持タンクキャビティ１０３２及びポンプ（図示しない）と流体連通し、ポンプは、第４電解液パイプ１０４４を通して電解セル入口に連結される。第３電解液パイプ１０４３を電解セル入口に直接連結することで、または電解液が対流下で循環できるように第３及び第４電気分解パイプ１０４３、１０４４を省略することで、ポンプが省略できるということに留意すべきである。

凝縮器／分離器１０２０は、内側凝縮器／分離器キャビティ１０２４と流体連通する電解液レベル感知ポート１０４５とドレインポート１０４６、及び電解生成物キャビティ１０２７と流体連通する電解生成物ポート１０５１をまた含む。第１及び第２熱伝達媒体ポート１０６１、１０６２はそれぞれ、外側凝縮器／分離器キャビティ１０２４の下側及び上側部分と流体連通するように設けられる。

使用時に、電解セル出口から供給された電解液は、第１電解液パイプ１０４１を通して内側キャビティ１０２４に供給され、蒸発した電解液が凝縮プレート１０２６で凝縮する。それから、凝縮された電解液は、第２導管１０４２を通して維持タンクキャビティ１０３２に戻り、これは、ポンプを通して電解セルに再循環できる。熱伝達媒体は、熱伝達媒体ポート１０６１、１０６２を通して再循環できるため、熱を電解液から回収することができ、電解生成物は、開口部１０５１を通して抽出され得る。

その他の配置は、図９Ａ乃至図９Ｇの例と大体類似した方式で機能し、従って、これは、さらに詳細に説明されないことが理解できるだろう。

従って、前記例は、水素を生成するに適しており、エネルギーを貯蔵することができ、また熱回収を行うことができるためシステムの効率を向上させる電気分解装置を記述する。続いて、図６の例において、これは、電解セルから熱を抽出するのに電解液を用いることによって達成されるのに対し、図１乃至図５の例において、電解セルから熱を抽出するのに熱回収モジュールが用いられる。しかし、作動原理は大体類似しており、異なる配置で用いられた特徴が相互交換的に用いられ得るということが理解できるだろう。

この説明及び以下の請求項において、文脈によって別に解釈されない限り、「含む」という表現、及び「含んでいる」のようなその変形は、言及された整数や整数のグループまたはステップの包含を意味し、任意の他の整数や整数のグループの除外を意味するものではない。

この技術の分野における通常の技術者は、多数の変形及び修正が明らかであるという点が理解できるだろう。この技術の分野における通常の技術者にとって明らかになる全ての変形と修正が、以上の説明で大体現れた本発明の思想及び範囲内に含まれるものと見なされるべきである。

ＵＳ−７，１８８，４７８ ＥＰ−２，１３８，６７８ ＵＳ２００９／２２４５４６ ＵＳ−５，２７３，６３５ ＵＳ−５，６２８，８８７ ＵＳ−５，６３２，８７０

１００ 装置
１１０ 電解セル
１１１ セルハウジング
１１２ 電解液キャビティ
１１３ 電解液
１１４ セル出口
１１５ 電極
１１６ コネクタ
１２０ 熱回収モジュール
１２１ モジュールハウジング
１２２ セルキャビティ
１２３ 媒体キャビティ
１２４ 入口
１２５ 出口

Claims (12)

1. 電気分解を行い、熱を生成するための装置であって、
   ａ）使用時に電解液を収容する電解液キャビティを形成するセルハウジングと、
   ｂ）前記電解液キャビティ内に設けられる、実質的に平行に離間した複数の電極プレートであって、使用時に前記電解液に少なくとも部分的に浸る少なくとも一つのアノード及び少なくとも一つのカソードを規定する前記電極プレートと、
   ｃ）使用時に電気電源に接続することで、前記電解液に電流が供給されて、電気分解及び前記電解液の加熱が行われる、少なくとも二つのコネクタと、
   ｄ）前記電解液キャビティと流体連通する少なくとも一つのセル出口であって、使用時に熱回収モジュールに連結される前記少なくとも一つのセル出口と、
   ｅ）前記電解液キャビティへの電解液の供給を可能にする少なくとも一つのセル入口と
   を含み、さらに前記装置が、
   i）スイッチと、
   ii）前記スイッチを介して前記少なくとも二つのコネクタに連結されたロード（ｌｏａｄ）と、
   iii）前記少なくとも二つのコネクタに連結されたトリガー回路であって、
   （１）（ａ）前記コネクタでの電流流動及び
   （ｂ）前記コネクタにわたる電位
   の少なくとも一つを感知するセンサと、
   （２）（ａ）前記少なくとも一つの感知された電流及び感知された電位を閾値と比較し、
   （ｂ）前記スイッチを作動させて、前記少なくとも二つのコネクタと前記ロードを連結させ、前記閾値を超える場合に少なくとも一部の電流を、前記ロードを介して転換させることによって電解セルの損傷を防止する
   ことにより前記スイッチを選択的に活性化させる前記トリガー回路と
   を備える電解セルを含む、装置。
2. 前記電解液キャビティと前記熱回収モジュールを通過して電解液が再循環するように、前記セル入口が前記熱回収モジュールに連結され、
   前記セル入口とセル出口は、
   ａ）前記電解液キャビティに供給された電解液が前記電極プレート間を流れるように配置、
   ｂ）前記電極プレートの縁端部に対面する前記電解液キャビティの対向側に配置、及び
   ｃ）前記セルハウジングの下端部と上端部にそれぞれ配置され、前記電極プレートは、使用時に前記電解液キャビティ内に実質的に垂直に整列され、また実質的に水平に離隔されるように配置、
   のいずれか一つのように配置される、請求項１に記載の装置。
3. 前記電極プレートは、
   ａ）０．１ｍｍ〜１０ｍｍ、
   ｂ）１ｍｍ〜２ｍｍ、及び
   ｃ）２ｍｍ〜５ｍｍ
   の少なくとも一つの距離だけ分離される、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記少なくとも二つのコネクタは、隣接したプレートが使用時にアノード及びカソードとして作用するように電極プレートに電気接続される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
5. 各カソードは、二つのアノードの間に位置する、請求項４に記載の装置。
6. 前記セルハウジングは、
   開口部と、
   前記開口部に取外し可能に取付けられたカバーと
   を含み、前記カバーは、前記電極プレートの少なくとも数枚を前記電解液キャビティから取出すことが可能である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記セルハウジングは、圧力容器を形成し、
   前記電解液キャビティ内の圧力は大気圧より大きく、
   前記装置は、
   ａ）少なくとも４０℃、
   ｂ）少なくとも６０℃、
   ｃ）少なくとも８０℃、及び
   ｄ）少なくとも１００℃
   の少なくとも一つの温度で作動する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記装置は、熱回収モジュールを備え、
   前記熱回収モジュールは、
   ａ）蒸発した電解液を凝縮させる凝縮器として作用し、
   ｂ）蒸発した電解液を気体電解生成物から分離するための分離器として作用する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記熱回収モジュールは、
   ａ）使用時に気体電解生成物の抽出を可能にする出口、及び
   ｂ）i）蒸発した電解液を凝縮させるために、および／またはii）回収された熱を利用して作業を行うために、電解液から熱を回収する熱交換器
   を備える、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記電流は、
    ａ）以下の少なくとも一つの電界強度、
    i）少なくとも３０００Ｖ／ｍ、
    ii）少なくとも１２０００Ｖ／ｍ、及び
    iii）少なくとも２４０００Ｖ／ｍ、且つ
    ｂ）以下の少なくとも一つの電流密度、
    i）少なくとも５００Ａ／ｍ^２、
    ii）少なくとも１０００Ａ／ｍ^２、及び
    iii）約３０００Ａ／ｍ^２以上
    を有する電場を生成するように印加される、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の装置。
11. 使用時に、前記電解セルは、少なくとも６０℃の温度で、少なくとも大気圧の圧力で少なくとも３０００Ｖ／ｍの印加電場及び少なくとも５００Ａ／ｍ^２の電流密度を有する直流で作動するようになっている、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記装置は、使用時に前記装置内の温度変化に応じて電気エネルギーを生成する焦電材料を含む、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の装置。
    

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