(57)【要約】  電解セル（１０）は、交番するプラス電極（１８）およびマイナス電極（２０）にそれぞれ対するプラス端子（１４）およびマイナス端子（１６）を有する直流電圧源（１２）を備える。電源（１２）は、最低電圧Ｖｍｉｎと最高電圧Ｖｍａｘの間で循環する電圧を生成し、ここで、Ｖｍｉｎ≧０ボルト、Ｖｍａｘ＝Ｖｍｉｎ＋Δであり、Δ＞０ボルトである。したがって、直流電圧源（１２）によって供給される電圧は、周期Ｔおよび周波数ｆを有する周期的波動の形をしている。電圧源（１２）の電圧がＶｍｉｎからＶｍａｘまで循環するとき、ＶｍｉｎとＶｍａｘの間に中間のピークＶＰ１が存在する。電圧は、ＶＰ１に到達すると、期間ＴＰ１にわたって低下してから、再び電圧Ｖｍａｘまで上昇する。次いで、電圧は、Ｖｍｉｎまで比較的急速に低下して、周期Ｔの１つのサイクルを完成する。
2013501142.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラス端子およびマイナス端子を有する直流電圧源と、
前記プラス電極に電気的に接続された少なくとも１つの電極および前記マイナス電極に電気的に接続された少なくとも１つの電極とを備える電解セルであって、
前記直流電圧源が、最小電圧Ｖｍｉｎ≧０ボルトとＶｍａｘ＝Ｖｍｉｎ＋Δの間を周期Ｔで循環する電圧を送出することができ、この式でΔ＞０ボルトであり、前記電圧が、ＶｍｉｎからＶｍａｘまで上昇する間に少なくとも１つの中間ピークＶP１を有する、電解セル。
【請求項２】
前記直流電圧源が、３００Ｈｚと２０００Ｈｚの間の周波数で循環する、請求項１に記載の電解セル。
【請求項３】
前記直流電圧源が、５００Ｈｚと１５００Ｈｚの間の周波数で循環する、請求項２に記載の電解セル。
【請求項４】
前記直流電圧源が、９００Ｈｚと１１００Ｈｚの間の周波数で循環する、請求項２に記載の電解セル。
【請求項５】
前記直流電圧源が、０．６Ｔから０．９Ｔの時間でＶｍｉｎからＶｍａｘまで上昇する、請求項１から４のいずれか一項に記載の電解セル。
【請求項６】
前記直流電圧源が、約２Ｔ／３でＶｍｉｎからＶｍａｘまで上昇する、請求項５に記載の電解セル。
【請求項７】
Δが１０００ボルト未満である、請求項１から６のいずれか一項に記載の電解セル。
【請求項８】
Δが５００ボルト未満である、請求項１から６のいずれか一項に記載の電解セル。
【請求項９】
Δが３００ボルト未満である、請求項１から６のいずれか一項に記載の電解セル。
【請求項１０】
Δが約２５０ボルトである、請求項１から６のいずれか一項に記載の電解セル。
【請求項１１】
前記直流電源が、１００アンペアまで出力することができる、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電解セル。
【請求項１２】
前記直流電源が、５０アンペアまで出力することができる、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電解セル。
【請求項１３】
前記直流電源が、２アンペアから１２アンペアの間を出力することができる、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電解セル。
【請求項１４】
前記プラス端子に接続される前記電極が、（ａ）固体プレートまたは（ｂ）多孔板もしくはメッシュのいずれかの形態であり、前記マイナス端子に接続される前記電極が、その他の（ａ）固体プレートまたは（ｂ）多孔板もしくはメッシュのいずれかの形態である、請求項１から１３のいずれか一項に記載の電解セル。
【請求項１５】
前記電極が、それぞれの端子との電気接触を維持したまま回転することができるように、枢動可能に取り付けられる、請求項１から１４のいずれか一項に記載の電解セル。
【請求項１６】
０．０５Δ≦ＶＰ１≦０．２Δである、請求項１から１５のいずれか一項に記載の電解セル。
【請求項１７】
１つまたはそれぞれの断続的なピークＶＰ１が周期ＴＰ１を有し、０．１Ｔ≦ＴＰ１≦０．４Ｔである、請求項１から１６のいずれか一項に記載の電解セル。
【請求項１８】
請求項１から１７のいずれか一項に記載の電解セルと、
水素ガスを生成することができる前記電解セルの中の多量の水と、
前記水素ガスを燃焼させ、前記燃焼によって放出されるエネルギーを電気エネルギーに変換することができるエネルギー変換システムとを備える、電力ユニット。
【請求項１９】
前記直流電圧源が、前記循環する電圧を生成するために、蓄電池と波形成形システムとを備え、前記波形成形システムが、前記電池と前記プラス端子およびマイナス端子との間に結合される、請求項１８に記載の電力ユニット。
【請求項２０】
再生可能エネルギー源から電気を生成する、前記蓄電池と結合された再生可能エネルギートランスデューサをさらに備える、請求項１９に記載の電力ユニット。
【請求項２１】
前記エネルギー変換システムが前記蓄電池と結合される、請求項１８または１９に記載の電力ユニット。
【請求項２２】
前記エネルギー変換システムが、前記液体を蒸気に変換するために、前記燃焼する水素ガスから液体へ熱を移転するための熱交換器と、電気を生成するように前記蒸気で駆動される発電機とを備える、請求項１８から２１のいずれか一項に記載の電力ユニット。
【請求項２３】
前記熱交換器が、前記水素を燃焼するためのバーナと、多量の液体を保持するタンクと、前記バーナと前記タンクの間に置かれたセラミックの熱拡散器とを備える、請求項２０に記載の電力ユニット。
【請求項２４】
前記熱交換器が、前記タンクとともに密封された回路に結合された凝縮器を備え、前記タンク内で加熱された液体が、相転移して蒸気を形成し、前記タンクを出て前記凝縮器を通って流れ、相転移して液体に戻って前記タンクに戻される、請求項２２または２３に記載の電力ユニット。
【請求項２５】
前記蒸気で駆動されるように構成されて前記発電機に結合された１つまたは複数のタービンを備え、前記蒸気によって前記１つまたは複数のタービンを介して駆動される、請求項２２から２４のいずれか一項に記載の電力ユニット。
【請求項２６】
前記１つまたは複数のタービンが、前記密封された回路に結合され、前記ボイラと前記凝縮器の間に置かれる、請求項２４に従属するときの請求項２５に記載の電力ユニット。
【請求項２７】
前記エネルギー変換システムが、前記水素ガスによって燃料を供給される燃焼機関と、前記燃焼機関で駆動されて電気を生成する発電機とを備える、請求項１８から２１のいずれか一項に記載の電力ユニット。
【請求項２８】
請求項１から１８のいずれか一項に記載の電解セルと、
前記電解セルによって生成された水素を燃焼させることができるバーナ、および前記燃焼水素によって加熱された領域の中に水を流すことができる１つまたは複数のパイプを備える熱交換器であって、前記１つまたは複数のパイプを通って流れる前記水に熱が移転される熱交換器とを備える、水加熱器。
【請求項２９】
シャフトの長手方向軸のまわりに回転可能なシャフトと、
前記シャフトに固定されて、第１のチャンバに流入する流体の働きによって前記シャフトとともに前記長手方向軸のまわりに回転可能な少なくとも１つのロータが備わっている第１のチャンバと、
前記第１のチャンバに対して負圧の環境を維持することができる第２のチャンバと、
前記第１のチャンバと前記第２のチャンバの間の流体の流れを制御することができる弁システムとを備える、タービン。
【請求項３０】
前記第２のチャンバ内に配置されて前記シャフトに固定されたインペラであって、前記シャフトとともに回転したときに負圧環境を生じさせるように構成されるインペラを備える、請求項２９に記載のタービン。
【請求項３１】
前記弁システムが、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバの間の１つまたは複数の流体流路と、前記流体流路を徐々に開いたり収縮させたりすることができるアクチュエータとを備える、請求項２９または３０に記載のタービン。
【請求項３２】
前記アクチュエータが、前記タービンの流体圧力を示す入力信号に応答するように構成される、請求項３１に記載のタービン。
【請求項３３】
前記アクチュエータが、前記シャフトの回転速度を示す入力信号に応答するように構成される、請求項３１または３２に記載のタービン。
【請求項３４】
前記弁システムが、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバの間に配置された第１および第２の構造体を備え、前記第１および第２の構造体には、それぞれ第１および第２の穴の組が備わっており、前記第１および第２の構造体が、前記それぞれの構造体の前記穴が互いに重なり合うかまたは少なくとも部分的にオーバーラップする第１の位置と、前記第１および第２の構造体の前記穴が互いからオフセットされる第２の位置との間で、互いに対して移動可能である、請求項２９から３３のいずれか一項に記載のタービン。
【請求項３５】
前記第１および第２の部材が、前記インペラと前記少なくとも１つのロータの間で一方が他方の上に存在する第１および第２のプレートを備える、請求項３４に記載のタービン。
【請求項３６】
請求項３１または３３のいずれか一項に直接的または間接的に追加されたとき、前記アクチュエータが、前記第１および第２の構造体のうちの１つに結合され、前記第１および第２の構造体の一方を他方に対して移動させることができる、請求項３４または３５に記載のタービン。
【請求項３７】
前記１つまたはそれぞれのタービンが、請求項２９から３６のいずれか一項に記載のタービンである、請求項２５または２６に記載の電力ユニット。
【請求項３８】
請求項１から１７のいずれか一項に記載の電解セルと、
水素ガスを生成することができる前記電解セルの中の多量の水と、
前記水素ガスを燃焼させ、液体を沸騰させて前記液体の蒸気を生成することができる熱交換器と、
請求項２９から３６のいずれか一項に記載の１つまたは複数のタービンであって、前記蒸気の流れによって駆動される、１つまたはそれぞれのタービンと、
前記１つまたはそれぞれのタービンに結合され、前記１つまたはそれぞれのタービンによって駆動される発電機とを備える、電力ユニット。
【請求項３９】
水を電気分解して水素ガスを生成することができる電解セルと、
前記水素ガスを燃焼させ、液体を沸騰させて前記液体の蒸気を生成することができる熱交換器と、
請求項２９から３６のいずれか一項に記載の１つまたは複数のタービンであって、前記蒸気の流れによって駆動される、１つまたはそれぞれのタービンと、
前記１つまたはそれぞれのタービンに結合され、前記１つまたはそれぞれのタービンによって駆動される発電機とを備える、電力ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解セルおよび電解セルを組み込む電力ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
電解は化学反応を促進するのに直流を用いる周知のプロセスである。水の電気分解では、水を通って流れる電流の働きにより、液体の水が水素ガスと酸素ガスに分解される化学反応が生じる。マシンまたはエンジンに動力を供給するための燃料として水素を用いることができる。例えば、水素は、燃焼機関における燃焼に用いるか、または電気エネルギーを生成するためにボイラおよびタービンの機構を駆動するために燃焼させてもよい。
【０００３】
電解プロセスの効率は、電解セルに与えられる電圧および電流、電解セルに使用される電極の形状および構成、用いられる電解液の存在および／またはタイプ、および気泡を電極から放出する能力など、これらに限定されない様々なパラメータの影響を受ける。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
(課題を解決するための手段)
本発明の一態様によれば、
プラス端子およびマイナス端子を有する直流電圧源と、
プラス電極に電気的に接続された少なくとも１つの電極およびマイナス電極に電気的に接続された少なくとも１つの電極とを備える電解セルが提供され、
直流電圧源は、最小電圧Ｖｍｉｎ≧０ボルトとＶｍａｘ＝Ｖｍｉｎ＋Δの間を周期Ｔで循環する電圧を送出することができ、この式でΔ＞０ボルトであり、電圧は、ＶｍｉｎからＶｍａｘまで上昇する間に少なくとも１つの中間ピークを有する。
【０００５】
一実施形態では、直流電圧源は、３００Ｈｚと２０００Ｈｚの間の周波数で循環する。
【０００６】
代替実施形態では、直流電圧源は、５００Ｈｚと１５００Ｈｚの間の周波数で循環する。
【０００７】
さらなる実施形態では、直流電圧源は、９００Ｈｚと１１００Ｈｚの間の周波数で循環する。
【０００８】
一実施形態では、直流電圧源は、０．６Ｔから０．９Ｔの時間でＶｍｉｎからＶｍａｘまで上昇する。
【０００９】
代替実施形態では、直流電圧源は、約２Ｔ／３でＶｍｉｎからＶｍａｘまで上昇する。
【００１０】
一実施形態では、Δは１０００ボルト未満でよい。
【００１１】
同じ実施形態または代替実施形態では、Δは５００ボルト未満である。
【００１２】
同じ実施形態または代替実施形態では、Δは３００ボルト未満である。
【００１３】
同じ実施形態または代替実施形態では、Δは約２５０ボルトである。
【００１４】
直流電圧源は、１００アンペアまで出力することができる。
【００１５】
一実施形態では、直流電圧源は、５０アンペアまで出力することができる。
【００１６】
代替実施形態では、直流電圧源は、２アンペアから１２アンペアまで出力することができる。
【００１７】
プラス端子に接続される電極は、（ａ）固体プレートまたは（ｂ）多孔板もしくはメッシュのいずれかの形態でよく、マイナス端子に接続される電極は、その他の（ａ）固体プレートまたは（ｂ）多孔板もしくはメッシュのいずれかの形態でよい。
【００１８】
これらの電極は、それぞれの端子との電気接触を維持したまま回転することができるように、枢動可能に取り付けられてよい。
【００１９】
一実施形態では、直流電圧源は、０．０５Δ≦ＶＰ１≦０．２Δとなるように構成される。
【００２０】
同じ実施形態または代替実施形態では、１つまたはそれぞれの断続的ピークＶＰ１は、周期ＴＰ１を有してよく、０．１Ｔ≦ＴＰ１≦０．４Ｔである。
【００２１】
本発明の第２の態様によれば、
本発明の第１の態様による電解セルと、
水素ガスを生成することができるこの電解セルの中の多量の水と、
水素ガスを燃焼させ、燃焼によって放出されるエネルギーを電気エネルギーに変換することができるエネルギー変換システムとを備える電力ユニットが提供される。
【００２２】
本発明の第１または第２の態様では、直流電圧源は、循環する直流電圧を生成するために、蓄電池と、同電池とプラス端子およびマイナス端子の間に結合された波形成形システムとを備えてよい。
【００２３】
電力ユニットは、再生可能エネルギー源から電気を生成する、蓄電池と結合された再生可能エネルギートランスデューサを備えてよい。
【００２４】
このエネルギー変換システムは、蓄電池と結合されてよい。
【００２５】
このエネルギー変換システムは、液体を蒸気に変換するために、燃焼する水素ガスから液体へ熱を移転するための熱交換器と、電気を生成するように蒸気で駆動される発電機とを備えてよい。
【００２６】
熱交換器は、水素を燃焼するためのバーナ、多量の液体を保持するタンク、およびバーナとタンクの間に置かれたセラミックの熱拡散器を備えてよい。
【００２７】
熱交換器は、タンクとともに密封された回路に結合された凝縮器を備えてよく、タンク内で加熱された液体が、相転移して蒸気を形成し、タンクを出て凝縮器を通って流れ、相転移して液体に戻ってタンクに戻される。
【００２８】
電力ユニットは、蒸気で駆動されるように構成されて発電機に結合された１つまたは複数のタービンを備えてよく、発電機は、１つまたは複数のタービンを介して蒸気で駆動される。
【００２９】
１つまたは複数のタービンが、密封された回路に結合され、ボイラと凝縮器の間に置かれてよい。
【００３０】
電力ユニットの代替実施形態では、エネルギー変換システムは、水素ガスで燃料を供給される燃焼機関と、この燃焼機関で駆動されて電気を生成する発電機とを備えてよい。
【００３１】
本発明の第３の態様により、
本発明の第１の態様による電解セルと、
電解セルによって生成された水素を燃焼させることができるバーナ、および燃焼水素によって加熱された領域の中に水を流すことができる１つまたは複数のパイプを備える熱交換器であって、１つまたは複数のパイプを通って流れる水に熱が移転される熱交換器とを備える水加熱器が提供される。
【００３２】
Δが約２５０Ｖで周期Ｔ＝１／９８０秒、ＶＰ１＝１５０Ｖの一例では、Ｖｘ＝１３０ボルト、ＴＰ１＝０．３Ｔであり、したがって、ＶＰ１−Ｖｘ＝２０＝０．０８Δである。
【００３３】
本発明の第４の態様により、
シャフトの長手方向軸のまわりに回転可能なシャフトと、
シャフトに固定されて、第１のチャンバに流入する流体の働きによってシャフトとともに長手方向軸のまわりに回転可能な少なくとも１つのロータが備わっている第１のチャンバと、
第１のチャンバに対して負圧の環境を維持することができる第２のチャンバと、
第１のチャンバと第２のチャンバの間の流体の流れを制御することができる弁システムとを備えるタービンが提供される。
【００３４】
タービンは、第２のチャンバ内に配置されてシャフトに固定されたインペラを備えてよく、インペラは、シャフトとともに回転したときに負圧環境を生じさせるように構成される。
【００３５】
弁システムは、第１のチャンバと第２のチャンバの間の１つまたは複数の流体流路と、流体流路を徐々に開いたり収縮させたりすることができるアクチュエータを備えてよい。
【００３６】
アクチュエータは、タービンの流体圧力を示す入力信号に応答するように構成されてよい。
【００３７】
アクチュエータは、シャフトの回転速度を示す入力信号に応答するように構成されてもよい。
【００３８】
弁システムは、第１のチャンバと第２のチャンバの間に配置された第１および第２の構造体を備えてよく、第１および第２の構造体には、それぞれ第１および第２の穴の組が備わっており、第１および第２の構造体は、それぞれの構造体の穴が互いに重なり合うかまたは少なくとも部分的にオーバーラップする第１の位置と、第１および第２の構造体の穴が互いからオフセットされる第２の位置との間で、互いに対して移動可能である。
【００３９】
第１および第２の部材は、インペラと少なくとも１つのロータの間で一方が他方の上に存在する第１および第２のプレートを備えてよい。
【００４０】
アクチュエータは、第１および第２の構造体のうちの１つに結合されてよく、第１および第２の構造体の一方を他方に対して移動させることができる。
【００４１】
本発明の第５の態様により、
本発明の第１の態様による電解セルと、
水素ガスを生成することができる電解セルの中の多量の水と、
水素ガスを燃焼させ、液体を沸騰させて液体の蒸気を生成することができる熱交換器と、
本発明の第４の態様による１つまたは複数のタービンであって、１つまたはそれぞれのタービンが蒸気の流れによって駆動されるタービンと、
１つまたはそれぞれのタービンに結合され、タービンによって駆動される発電機とを備える電力ユニットが提供される。
【００４２】
本発明の第６の態様によれば、
水を電気分解して水素ガスを生成することができる電解セルと、
水素ガスを燃焼させ、液体を沸騰させて液体の蒸気を生成することができる熱交換器と、
本発明の第４の態様による１つまたは複数のタービンであって、１つまたはそれぞれのタービンが蒸気の流れによって駆動されるタービンと、
１つまたはそれぞれのタービンに結合され、タービンによって駆動される発電機とを備える電力ユニットが提供される。
【００４３】
次に、本発明の実施形態が、添付図面を参照しながら単なる一例として説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明による電解セルの実施形態の概略図である。
【図２】電池の直流電源によって生成された駆動電圧を示す図である。
【図３】電解セルを組み込む電力ユニットの実施形態を示すブロック図である。
【図４】電解セルの実施形態をさらに示す図である。
【図５】図３に示された電力ユニットに組み込まれ得る熱交換器の概略図である。
【図６】上記電力ユニットに組み込まれ得るさらなる熱交換器を示す図である。
【図７】上記電力ユニットに組み込まれ得る熱交換器のさらなる形態を示す図である。
【図８】上記電解セルの実施形態を組み込む水加熱器を示す図である。
【図９】上記電力ユニットに組み込まれ得るタービンの断面図である。
【図１０】上記タービンに組み込まれた弁システムの上面図である。
【図１１】電力ユニットおよび対応する制御システムの実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
添付図面、とりわけ図１および図２を参照すると、本発明の一実施形態による電解セル１０は、プラス端子１４およびマイナス端子１６を有する直流電圧源１２を備える。プラス端子１４は複数の電極１８に電気的に結合され、マイナス端子１６は複数の電極２０に電気的に結合されている。この実施形態の電極１８は、プレートの形をしており、電解セル１０のプラス電極すなわち陽極を構成する。電極２０は、メッシュのシートまたは多孔板の形をしており、マイナス電極すなわち陰極を形成する。電極１８および２０が水に浸漬され、電極１８および２０に直流電圧源１２が結合されると、水を通って電流が流れ、水が、マイナス電極２０に形成される水素ガスと電極１８に形成される酸素ガスとに分解される。
【００４６】
図２は、電圧源１２によって送出される電圧を示す。この電圧は、最低電圧Ｖｍｉｎと最高電圧Ｖｍａｘの間で循環し、Ｖｍｉｎ≧０ボルト、およびＶｍａｘ＝Ｖｍｉｎ＋Δであり、Δ＞０ボルトである。したがって、直流電圧源１２によって供給される電圧は、周期Ｔおよび周波数ｆを有する周期的波動の形をしている。この電圧波形は、プラス端子１４に与えられる。Ｖｍｉｎ＝０Ｖのとき、マイナス端子１６は、アース電位すなわちゼロ電位にあり得る。図２から明らかなように、電圧源１２の電圧がＶｍｉｎからＶｍａｘまで循環するとき、ＶｍｉｎとＶｍａｘの間に中間のピークＶＰ１が存在する。電圧は、ＶＰ１に到達すると、期間ＴＰ１にわたって低下してから、再び電圧Ｖｍａｘまで上昇する。次いで、電圧は、Ｖｍｉｎまで比較的急速に低下して、周期Ｔの１つのサイクルを完成する。
【００４７】
一実施形態では、任意の１サイクルにおいて、電圧がＶｍｉｎからＶｍａｘまで上昇するのにかかる時間は、約０．６Ｔから０．９Ｔであり得る。さらなる実施形態では、直流電圧源が１サイクルでＶｍｉｎからＶｍａｘまで上昇する時間は、約２Ｔ／３であり得る。
【００４８】
一実施形態では、周期ＴＰ１は約０．１Ｔから０．４Ｔである。この周期を通じての電圧降下は、約０．０５Δから０．２Δであり得る。すなわち、図２を参照して、電圧が中間のピークＶＰ１から電圧Ｖｘまで低下してから電圧Ｖｍａｘまで上昇するのであれば、ＶＰ１−Ｖｘは、０．０５Δと０．２Δの間に存在し得る。
【００４９】
理論は十分に理解されていないが、図２に示された、最低電圧Ｖｍｉｎと最高電圧Ｖｍａｘの間に少なくとも１つの中間のピークＶＰ１がある波形または形を有する直流電圧を有する電圧源１２を利用すると、電解セル１０における水素ガスの生成および放出が支援されることが判明している。電圧源１２が、周波数９５０Ｈｚで２５０Ｖ、４アンペアの電気的入力を電解セル１０に供給して、６つの電極１８、２０（すなわち３つの電極１８および３つの電極２０）を備える電解セル１０に対して行なわれたテストでは、毎時１ｍ３の水素ガスが生成された。電源１２が、周波数９５０Ｈｚで２５０Ｖ、１１アンペアの電気的入力を供給するように構成されていて、１３の電極（７つの電極１８および６つの電極２０）を備える電解セル１３に対して行なわれた別のテストでは、毎時２．５ｍ３の水素が生成された。
【００５０】
一実施形態では、直流電源１２は、３００Ｈｚから２０００Ｈｚの周波数ｆで循環するように構成される。しかし、代替実施形態では、この周波数は、５００Ｈｚと１５００Ｈｚの間でよい。さらに別の実施形態では、この周波数は、９００Ｈｚと１１００Ｈｚの間でよい。一実施形態では、ＶｍｉｎとＶｍａｘの間の差、すなわちΔは、１０００ボルト未満でよい。さらなる実施形態では、Δは５００ボルト未満でよい。さらなる実施形態では、Δは３００ボルト未満でよい。さらに別の実施形態では、Δは約２５０ボルトでよい。
【００５１】
一実施形態では、直流電源１２は、電流を１００アンペアまで送出することができる。しかし、代替実施形態では、この直流電源は、５０アンペアまでの出力を生成するかまたは送出することができる。さらに別の実施形態では、直流電源１２は、２アンペアと１２アンペアの間の出力を生成するかまたは送出することが可能であり得る。
【００５２】
図２に示された電圧信号または波動の形は、変調整流器の使用を含む既知の波形成形システムにより、または必要な電圧出力を生成するサーボモータを適切に駆動することによって生成され得る。
【００５３】
電極１８、２０を、水を通って回転させることにより、水素ガスの生成が増加され得ることがさらに発見されている。この作用は、何もしなければ電極に付着して電流の流れを中断することによりガス生産を低減させる可能性がある気泡を放出するのを支援すると考えられる。電極１８、２０の回転を容易にするために、電極１８および２０とそれぞれの端子１４および１６の間の電気的接続を維持するように複数のスリップリング２４および２６が備わっているシャフト２２に電極が取り付けられてよい。この回転は、従来型の電動機によって達成され得る。
【００５４】
図３は、電解セル１０を備える、あるいは電解セル１０によって駆動される、電力ユニット３０をブロック図形式で示す。電力ユニット３０は、電解セル１０によって生成された水素ガスを燃焼させて燃焼によって放出されるエネルギーを電気エネルギーに変換することができるエネルギー変換システム３２を備える。水素ガスを生成するために、電解セル１０には多量の水３６が含有されているかまたは保持されている。システム３２によって生成された電気エネルギーは、基底負荷（需要電力）３６（例えば家屋内の電気器具およびデバイスを含めてよい）と、グリッド３８と、直流電源１２とに結合され得る。直流電源１２は、蓄電池４０および波形成形システム４１を備え、図２に示される電圧波形を生成する。ケーブル４２は、直流電源１２を電解セル１０の電極１８および２０に接続する。システム３２から、基底負荷３６、グリッド３８および蓄電池４０までの電気の流れを制御するためにパワーマネージメントユニット（図示せず）が設けられる。電力ユニット３０は、電気を生成して導体４６を介して蓄電池４０に電気を送出する再生可能エネルギートランスデューサ４４をさらに備える。再生可能エネルギートランスデューサ４４は、例えば光電池、風力タービン、または両方の形式であってよい。
【００５５】
本実施形態では、エネルギー変換システム３２は、熱交換器４８、タービン５０、および交流発電機５２を備える。熱交換器４８は、電解セル１０によって生成された水素を燃やし、すなわち燃焼させて、熱交換器内の液体の水を水蒸気すなわち蒸気に変換し、その結果、蒸気がタービン５０を駆動する。タービン５０は、交流発電機５２を駆動して電気を生成する。タービン５０を通過する蒸気は、凝縮されて液体になり、コンジット５４および５６を備える、閉じた、または密封された回路内の熱交換器４８に戻される。液体に戻る蒸気を熱交換器４８に戻す前に凝縮するのを支援するために、タービン５０と熱交換器４８の間の密封された回路内に凝縮器５８が設置されてよい。
【００５６】
図４は、電解セル１０の構成要素を、さらに詳細に示す。電解セル１０は、水３４のボリュームを保持するためにケース６２を備え、ケース６２の中には電極１８および２０が配置されている。ケース６２は、金属あるいは炭素繊維複合材料などの非導電材料またはオレフィンで作製されてよい。ケース６２が金属から作製される場合、陰極反応および陽極反応を解消するためにケースを分極させてよい。交互に、金属から作製される場合、ケース６２の内面は非導電材料で裏打ちされてよい。バスまたはレールの６４は、電極１８を一緒に接続し、その結果としてプラス端子１４と結合される。別途のバスまたはレールの６６は、電極２０を一緒に接続し、マイナス端子１６と結合される。ケース６２には、電気分解によって生成された水素ガスおよび酸素ガスを熱交換器４８へ導くための２つのガス出口６８が備わっている。また、ケース６２は、電解セル１０内の水３４を所定のレベルに維持するために、弁７０を介して水道設備（図示せず）に配管される。弁７０は、例えば簡単なボール弁の形式でよい。交互に、ケース６２内で水３４のレベルを所定の範囲内に維持するために、弁７０を制御するように、ケース６２内に他の水位検知システムが組み込まれてよい。
【００５７】
本実施形態では、電気分解によって生成された水素ガスおよび酸素ガスの両方が、一緒に熱交換器４８に向けられて一緒に燃焼される。しかし、代替実施形態では、水素ガスと酸素ガスが別々に収集されて、水素が熱交換器４８に導かれ、酸素が他の目的のために放出されるかまたは収集されてよい。
【００５８】
図５は、熱交換器４８の可能な構成の１つを示す。この実施形態では、熱交換器４８は、電解セル１０によって生成された水素ガスを燃やす、すなわち燃焼させるための単一の火炎バーナ８０を備えるボイラの形態であり、タンク８２は、燃えている水素によって加熱されたとき蒸気に相転移する液体を搬送するコンジット８３を含む熱交換要素を含有しており、また、燃えている水素によって発生された熱がより均一に分散するのを支援し、タンク８２を燃えている水素による損傷から保護するために、バーナ８０とタンク８２の間にセラミックの熱拡散器８４が置かれる。拡散器８４は、平坦な円盤の形状でよく、または浅い円盤のような形状を有してもよい。
【００５９】
バーナ８０は、バーナ８０とタンク８２のベース８６との間の距離が変化され得るようなやり方で構成されてよい。これは、想像線で示された単一の火炎バーナ８０ａによって示される。この実施形態では、ベース８６は、ベース８６にわたって熱の収集および分布の均一化を支援するために、タンク８２の外部から見たときの形状が全体的に凹面であるようにドーム形である。タンク８２には、軸方向に延在するコンジット８８が形成され、その上端に制御可能な出口９０が備わっている。出口９０は、熱交換器４８を通る熱の流れを制御するために、徐々に開くかまたは閉じることができる。熱の捕捉をさらに支援するために、コンジット８８内に複数のバッフル９２が設けられる。コンジット９２は、コンジット８８のまわりで円形であり、図３に示されたコンジット５４および５６を含む密封された回路の一部分を形成する。コンジット８３は、入口９４および出口９６を有する。水が入口９４に流れ込み、燃えている水素から放出されるエネルギーによって加熱されて蒸気が生成され、これが出口９６から出る。次いで、コンジット５４を通って蒸気９６が流れ、タービン５０を駆動する。蒸気は、タービン５０を通って膨張し、出力シャフトを駆動する運動エネルギーに変換され、結果として出力シャフトが交流発電機５２を駆動する。蒸気は、タービン５０を通過することによって膨張し、したがって温度および圧力が低下する。この温度および圧力の低下は、あらゆる残りの蒸気と一緒にコンジット５６を通って流れて入口９４へ戻る凝縮液をタービン５０の出口で生成するのに十分なものであり得る。凝縮器５８は、あらゆる残りの蒸気を液体の水へと凝縮する。熱交換器４８、タービン５０および凝縮器５８（組み込まれている場合）が、閉じた、または密封された回路を形成するので、回路による液体の純消費はない。
【００６０】
図６は、電力ユニット３０に組み込まれ得る熱交換器４８’の代替形態を示す。熱交換器４８’は、軸が、図５に示されたタンク８２のような垂直ではなく、水平になるように配向された円筒状のタンク８２’を備える。タンク８２には、内部コンジット９２’が備わっており、これを通って水などの作動流体が入口９４’から出口９６’へ流れることができ、相転移して蒸気を形成し、この蒸気がタービン５０へ流れる。熱交換器４８’は、その配向のために、図５に示された中央のコンジット８８および出口９０を備えない。しかし、熱交換器４８は、タンク８２’の長手方向に沿って配置された複数のバーナ８０’を備える。各バーナ８０’の上に、セラミックの熱拡散器８４’が配置される。熱拡散器８４’が共通の支持梁１００に取り付けられ、バーナ８０’によって生成された熱が、コンジット９２’に含有されているかまたはコンジット９２’を通って流れる作動液体へと、より均一に広がるのを支援する。さらに、熱交換器４８’内で、各バーナ８０’には、燃焼する水素によって生成された火炎を内蔵するのを支援するバーナカップ１０２が備わっている。各バーナカップ１０２は、セラミック材料またはジルコニウムから形成されてよく、熱対流を支援するための複数の穴ならびに対応するセラミックの熱拡散器８４’に向けられた開口または頂部の１０４が備わっている。
【００６１】
図７は、支持梁１００上に取り付けられたセラミックの熱拡散器８４’を、タンク９２”の外面上に直接接合されたセラミックの熱拡散器８４”と交換することによって熱交換器４８’とは異なる熱交換器４８”のさらに別の形態を示す。
【００６２】
図８は、電解セル１０の、水加熱器としての用途を示す。これは、例えば家庭用または商用／工業用の水加熱器として使用され得る。ここで、電解セルは、水素および酸素を生成し、これが、梁１００”’上に支持された対応する熱拡散器８４”’がそれぞれに備わっている３つのバーナ８２”’を備えた熱交換器４８”’の中で燃やされる。熱交換器４８”’は、１つの終端１１２で入口マニホールド（図示せず）に接続され、終端１１４で出口マニホールド（図示せず）に接続された複数のチューブまたはパイプ１１０を備え、加熱された水を供給する。パイプ１１０は、部材１１６によって一緒に接続される。用途の１つでは、熱交換器４８”’は、急速給湯設備として動作するように配管される。もちろん、熱交換器４８”’は、単に熱交換器４８”’を通る水の流速およびバーナ８０”’によって生成される熱を制御することによって、出力として水蒸気（すなわち蒸気）を供給するように適合され得る。このような適合では、熱交換器４８”’は、電力ユニット３０内で熱交換器４８、４８’および４８”の代わりに使用され得る。
【００６３】
図９および図１０は、電力ユニット３０に組み込むことができるタービン５０の可能な形態の１つを示す。広義語では、タービン５０は、その長手方向軸１３２のまわりに回転可能なシャフト１３０と、１つまたは複数（この特定の実施形態では１つだけ）のロータ１３６が備わっている第１のチャンバ１３４と、第２のチャンバ１３８と、弁システム１４０とを備える。ロータ１３６は、シャフト１３０に固定されており、シャフト１３０とともに回転可能である。熱交換器４８によって生成された蒸気が、作動流体として用いられ、複数の入口１４２を通って第１のチャンバ１３４に供給される。第１のチャンバ１３４の中への蒸気の流れが、ロータ１３６を回転させ、したがってシャフト１３０が回転する。第２のチャンバ１３８は、第１のチャンバ１３４に対して負圧環境を維持することができる。この実施形態では、第２のチャンバ１３８内にインペラ１４４が配置され、シャフト１３０に固定されている。第１のチャンバ１３４内への蒸気の流れの働きによってシャフト１３０が回転するとき、インペラ１４４がチャンバ１３８内で回転して相対的負圧（すなわち真空）を生成する。第１のチャンバ１３４と第２のチャンバ１３８の間に複数の流体流路１４６が設けられ、これを通って、ロータ１３４を駆動するのに用いられる蒸気がチャンバ１３８内に流れ込むことができ、続いて排気口１４８を介して排出され得る。以下でより詳細に説明されるように、弁システム１４０は、第１のチャンバ１３４から第２のチャンバ１３８への蒸気の流れを制御するために、流体流路１４６を徐々に開いたり収縮させたりすることができる。
【００６４】
タービン５０は、第１のチャンバ１３４および第２のチャンバ１３８を含有する外側ケースまたはハウジング１５０も備え、シャフト１３０がこれを通る。ケース１５０は、アニュラリングまたは円周方向壁の１５２ならびにリング１５２の向かい合った軸方向の両端にボルト締めされた１対の平行な環状の外側プレート１５４および１５６によって形成される。
【００６５】
弁システム１４０は、ロータ１３６とインペラ１４４の間に配置されたプレート１５８および１６０の形態の第１および第２の構造体を備える。実際、プレート１５８および１６０は、ケース１５０内で一方が他方の頂部上にあって、ケース１５０を、第１のチャンバ１３４と第２のチャンバ１３８に分割する。プレート１５８には第１の組の穴１６２が備わっており、プレート１６０には第２の組の穴１６４が備わっている。プレート１５８はケース１５０に対して固定されおり、プレート１６０は、プレート１５８に対して移動、とりわけ回転することができる。さらに、プレート１５８および１６０は、図８に示されるようにそれぞれの穴１６２と１６４が重ね合わさるかまたは互いに少なくとも部分的にオーバーラップする第１の位置と、図９に示されるように穴１６２と１６４が互いからオフセットする第２の位置との間で、互いに対して移動することができる。穴１６２および１６４により、流体流路１４６が形成される。したがって、これらの経路は、プレート１５８と１６０の相対運動によって徐々に開いたり収縮したりすることができる。この運動には、ケース１５８とプレート１６０の間に接続されたソレノイド作動ラムの形式のアクチュエータ１６６が作用する。ラム１６６が伸縮することにより、プレート１６０がプレート１５８に対して回転し、穴１６２と１６４の間のオーバーラップまたはオフセットの度合いが変化して、流路１４６が開くかまたは収縮する。アクチュエータ１６６は、タービン５０内の（すなわち、ケース１５０あるいは第１および第２のチャンバ１３４、１３８の一方または両方の中の）流体圧力を示す入力信号およびシャフト１３０の回転速度に応答するように構成される。
【００６６】
熱交換器４８によって生成された蒸気が、入口１４２を通って第１のチャンバ１３４に流れ込み、ロータ１３４を回転させ、続いてシャフト１３０およびインペラ１４４を回転させる。この特定の実施形態では、３つの入口１４２が設けられ、それぞれが、蒸気をチャンバ１３４の中へ実質的に接線方向に向ける。蒸気は、流路１４６を通ってチャンバ１３４を出て、次に第２のチャンバ１３８に流れ込み、排気口１４８を通って排出され、次にコンジット５６および凝縮器５８を通って熱交換器４８へ戻るように導かれる。インペラ１４４によってチャンバ１３８内に生成された相対的負圧が、タービン５０を通して蒸気を引き寄せること、ならびに蒸気を凝縮して水に戻すことを支援する。アクチュエータ１６６の自動化によって穴１６２と１６４のオーバーラップの度合いを変化させて流路１４６を通る蒸気の流れを変化させることにより、タービンの速度を制御することができる。
【００６７】
図１１は、電力ユニット３０’の実施形態を示し、具体的にはユニット３０の様々な構成要素と中央処理装置またはプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）の形態であり得る中央コントローラ２００との間の接続を示す。電力ユニット３０’は、図３に示された電解セル１０に類似の４つの電解セルを備える。しかし、図１１では、各電解セル向けの直流供給電圧はコントローラ２００で実施され、対応するケース６６ａ、６６ｂ、６６ｃおよび６６ｄ（総体として「ケース６６」と称される）は、対応するスイッチｓ１、ｓ２、ｓ３およびｓ４を介してコントローラ２００と結合して表されている。したがって、各ケース６６は、関連する電解セルの電極１８および２０を備える。スイッチｓ１、ｓ２、ｓ３およびｓ４は、コントローラ２００からその電解セルの関連する電極への適切な駆動電流を割り当てるように働く。ケース６６ａ、６６ｂ、６６ｃおよび６６ｄのそれぞれが、コンジット２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃおよび２０２ｄを介してサージタンク２０４にも結合される。したがって、サージタンク２０４は、電解セルによって供給された水素ガスおよび酸素ガスを蓄積する。このガスは、コンジット２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃおよび２０６ｄ（総体として「コンジット２０６」と称される）を介して火炎の組または燃焼器の２０８および２１０に供給される。しかし、コンジット２０６とそれぞれの火炎の組２０８および２１０との間に弁２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃおよび２１２ｄが置かれる。これらの弁は、コントローラ２００からの信号によって制御され、火炎の組２０８および２１０へのガスの流れを制御する。火炎の組２０８および２１０は、本明細書で上記に説明されたバーナ８０に類似のバーナを備える。前述の実施形態に対するわずかな変形形態では、１つまたは複数のバーナが対応するボイラに関連づけられ、電力ユニット３０’では、火炎の組２０８および２１０が共通の熱ボックスに熱を供給して、この熱ボックスが３つのボイラ８２ａ、８２ｂおよび８２ｃに熱を供給する。ボイラ８２ａ、８２ｂおよび８２ｃが蒸気を生成し、これが、マニホールド２１４を介してそれぞれのタービン１５０ａおよび１５０ｂに向けられる。タービン１５０ａおよび１５０ｂは、機械的伝動装置（図示せず）を介して交流発電機５２を駆動する。使用済みの作動流体、すなわちタービン１５０ａおよび１５０ｂからの蒸気は、対応するコンジット２１６ａおよび２１６ｂを介して凝縮器５８ａおよび５８ｂに向けられる。タービン１５０ａのアクチュエータ１６６ａおよびタービン１５０ｂのアクチュエータ１６６ｂがコントローラ２００に結合され、タービンからそれぞれの凝縮器への排出蒸気を制御することが可能になる。
【００６８】
電力ユニット３０’は複数の熱電対ＴＣ１〜ＴＣ７も備え、これらは、温度を測定して、コントローラ２００によるユニット３０’の関連するデバイスまたはサブシステムのその後の制御を可能にするのに使用される。具体的には、熱電対ＴＣ１がタービン１０５ａに関連づけられ、コントローラ２００にタービン５０ａの温度読取り値を供給し、次いでアクチュエータ１６６ａのその後の制御を可能にする。同様に、熱電対ＴＣ２がタービン１５０ｂに関連づけられ、コントローラ２００にタービン温度を供給し、アクチュエータ１６６ｂのその後の制御を可能にする。熱電対ＴＣ３が凝縮器５０ａに関連づけられ、熱電対ＴＣ４が凝縮器５０ｂに関連づけられる。これらの熱電対は、タービンから対応する凝縮器へ排出される蒸気の温度の指標をもたらし、これは、アクチュエータ１６６ａおよび１６６ｂを制御するための入力として相対的に用いられる。熱電対ＴＣ５、ＴＣ６およびＴＣ７が、それぞれ対応するボイラ８２ａ、８２ｂおよび８２ｃに関連づけられる。これらの熱電対がコントローラ２００に温度信号を供給し、コントローラ２００は、対応するボイラの動作を安定化することができる。アクチュエータ２２０は、両方のタービン１５０ａ、１５０ｂおよびコントローラ２００に関連づけられる。アクチュエータ２２０は、発電機８２に対する要求または負荷に従って両方のタービンを安定化するように動作する。要求が閾値未満であることが検知された場合、コントローラ２００により、アクチュエータ２２０は、１台のタービンを運転停止するように操作され、制御弁２１２ａ〜２１２ｄも、熱生成を変更して１つのタービンを駆動するように操作される。この点に関して、要求が小さい状況では、２台のタービンを低速で駆動するのでなく、１台のタービンを高速で駆動することで、より大きな効率が得られる。コントローラ２００は、状況次第で、発電機５２による最も効率的な電気の生成を可能にするやり方で、電解セル、火炎の組２０８、２１０ならびにタービン１５０ａおよび１５０ｂを適切に制御することもできる。
【００６９】
本発明の実施形態が詳細に説明されたので、基本的な発明の概念から逸脱することなく多数の変更形態および変形形態が作製され得ることが、当業者には明らかであろう。例えば、エネルギー変換システム３２は、熱交換器４８と、交流発電機５２を駆動するタービン５０とを備えるものと説明されている。しかし、一変形形態では、熱交換器４８およびタービン５０を、水素を燃焼させ、すなわち燃やして駆動軸を回転させ、かつ／または交流発電機５２に結合されたフライホイール回転させる燃焼機関で置換することができる。さらに、交流発電機５２を直流発電機で置換することができる。その場合、交流電力が必要であれば、直流を交流に変換するためのインバータが必要になる。さらに、直流電源１２は、図２に示された直流波形の１サイクルにつき、電圧がＶｍｉｎおよびＶｍａｘから上昇するとき複数の断続的なピーク電圧を生成するように構成されてよい。また、エネルギー変換システムが熱交換器およびタービンを備えるとき、水以外の作動流体を用いることができる。
【００７０】
このような変更形態および変形形態は、すべて本発明の範囲内であると見なされ、その本質は上記の説明および添付の特許請求の範囲から判断されるべきである。
【符号の説明】
【００７１】
１０  電解セル
１２  直流電圧源
１４  プラス端子
１６  マイナス端子
１８  電極
２０  電極
２２  シャフト
２４  スリップリング
２６  スリップリング
３０  電力ユニット
３２  エネルギー変換システム
３４  水
３６  基底負荷
３８  グリッド
４０  蓄電池
４１  波形成形システム
４２  ケーブル
４４  再生可能エネルギートランスデューサ
４６  導体
４８  熱交換器
４８’  熱交換器
４８”  熱交換器
４８”’  熱交換器
５０  タービン
５２  交流発電機
５４  コンジット
５６  コンジット
５８  凝縮器
５８ａ  凝縮器１
５８ｂ  凝縮器２
６２  ケース
６４  レール
６６  レール
６６ａ  ケース
６６ｂ  ケース
６６ｃ  ケース
６６ｄ  ケース
６８  ガス出口
８０  バーナ
８０’  バーナ
８０ａ  バーナ
８０”’  バーナ
８２  タンク
８２'  タンク
８２”’  バーナ
８２ａ  ボイラ１
８２ｂ  ボイラ２
８２ｃ  ボイラ３
８３  コンジット
８４  熱拡散器
８４’  熱拡散器
８４”  熱拡散器
８４”’  熱拡散器
８６  ベース
８８  コンジット
９０  出口
９２’  コンジット
９２”  タンク
９４  入口
９４’  入口
９６  出口
９６’  出口
１００  梁
１００”’  梁
１０２  バーナカップ
１０４  開口
１１０  パイプ
１１２  パイプの終端
１１４  パイプの終端
１１６  部材
１３０  シャフト
１３２  長手方向軸
１３４  第１のチャンバ
１３６  ロータ
１３８  第２のチャンバ
１４０  弁システム
１４２  入口
１４４  インペラ
１４６  流体流路
１４８  排気口
１５０  ケース
１５０ａ  タービン１
１５０ｂ  タービン２
１５２  アニュラリング
１５４  プレート
１５６  プレート
１５８  プレート
１６０  プレート
１６２  第１の組の穴
１６４  第２の組の穴
１６６  アクチュエータ
１６６ａ  アクチュエータ
１６６ｂ  アクチュエータ
２００  中央コントローラ
２０２ａ  コンジット
２０２ｂ  コンジット
２０２ｃ  コンジット
２０２ｄ  コンジット
２０４  サージタンクの組
２０８  火炎の組１
２１０  火炎の組２
２１２ａ  弁
２１２ｂ  弁
２１２ｃ  弁
２１２ｄ  弁
２１６ａ  コンジット
２１６ｂ  コンジット
２２０  アクチュエータ
ｓ１  スイッチ
ｓ２  スイッチ
ｓ３  スイッチ
ｓ４  スイッチ
ＴＣ１  熱電対
ＴＣ２  熱電対
ＴＣ３  熱電対
ＴＣ４  熱電対
ＴＣ５  熱電対
ＴＣ６  熱電対
【図１】
2013501142.tif 000003
【図２】
2013501142.tif 000004
【図３】
2013501142.tif 000005
【図４】
2013501142.tif 000006
【図５】
2013501142.tif 000007
【図６】
2013501142.tif 000008
【図７】
2013501142.tif 000009
【図８】
2013501142.tif 000010
【図９】
2013501142.tif 000011
【図１０】
2013501142.tif 000012
【図１１】
2013501142.tif 000013
【国際調査報告】
2013501142.tif 000014
2013501142.tif 000015
2013501142.tif 000016
2013501142.tif 000017
2013501142.tif 000018