JP2000510531A - 直流水素発生器システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、直流源を採用して、比例的電流を電解セル（１８）内のカソードに供給する水素ガス発生器のシステムのような超高純度ガス発生器システム（１０）および方法に関する。システム１０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用のＤＣ電流源を備え、出力ＤＣ直線電流が連続的に制御回路（２２）により連続的に変更され、そしてこの制御回路が、セル（１８）からの水素ガス圧またはガス流の変動に基づいてＤＣ源へのパルス幅を変更する。本システムおよび方法においては、直流が電解セル（１８）のパラジウムまたはパラジウム合金カソードに供給され、直流はガス圧またはガス流トランスジューサ（２０）によりセル（１８）内のガス流またはガス圧を監視し出力電圧を制御回路（２２）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（２２）は、高周波数インバータ（１４）のパルスの幅を変調し、その変更、濾波された出力が、比例的、連続的直線電流源としてセル（１８）に供給される。

Description

【発明の詳細な説明】 直流水素発生器システムおよび方法 ［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４０〜１００ＫＨｚ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、４０〜１００ｋＨｚ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（Ｐ ＷＭ）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、その信号出力をインバータ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４０〜１００kHz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に対するガス圧力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 (1)

1. 【特許請求の範囲】 （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ＰＷＭ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）前記高周波インバータがＤＣ電力を高周波数の約２０〜１００ｋＨｚのＤ Ｃ電力出力に変換する請求項１記載のシステム。 （３）変更されたパルス幅出力が約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）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、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）約５０〜６０ＨｚのＡＣ電力を供給し、約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）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。