特開 2023-133262 ＳＯＥＣスタンプ及び圧縮のモジュール式拡縮性

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023133262

(43)【公開日】2023-09-22

(54)【発明の名称】ＳＯＥＣスタンプ及び圧縮のモジュール式拡縮性

(51)【国際特許分類】

   C25B 9/00 20210101AFI20230914BHJP

   H01M 8/0606 20160101ALI20230914BHJP

   H01M 8/10 20160101ALI20230914BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20230914BHJP

   C01B 3/00 20060101ALI20230914BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20230914BHJP

【ＦＩ】

C25B9/00 A

H01M8/0606

H01M8/10 101

C25B1/04

C01B3/00 Z

H01M8/12 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023037650

(22)【出願日】2023-03-10

(31)【優先権主張番号】63/318,730

(32)【優先日】2022-03-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】514116578

【氏名又は名称】ブルーム エネルギー コーポレイション

(74)【代理人】

【識別番号】110002354

【氏名又は名称】弁理士法人平和国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】マーメルスタイン，ジョシュア

【テーマコード（参考）】

4G140

4K021

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

4G140AB01

4K021AA01

4K021BA02

4K021BC04

4K021BC05

4K021BC09

4K021CA05

4K021CA08

4K021CA09

4K021CA11

4K021CA12

4K021CA15

5H126BB04

5H126BB05

5H126BB06

5H127AA03

5H127AA04

5H127AA06

5H127AA07

5H127BA02

5H127BA14

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB37

5H127EE02

5H127EE03

5H127EE29

(57)【要約】      （修正有）

【課題】ＳＯＥＣシステムおよびＳＯＥＣシステムを安全に動作させるための方法を提供する。
【解決手段】固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）システムは、水素供給を受け、湿潤水素を排出する１つ以上のスタンプと、湿潤水素を受け取り、湿潤水素の温度を低下させるとともに、湿潤水素中の飽和水蒸気の少なくとも一部を除去するように構成される、熱交換器又は凝縮器と、湿潤水素の圧力を増大させるように構成されるコンプレッサーと、湿潤水素の露点を低下させるように構成される乾燥器とを備える。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素供給を受け、湿潤水素を排出する１つ以上のスタンプと、
前記湿潤水素を受け取り、前記湿潤水素の温度を低下させるとともに、前記湿潤水素中の飽和水蒸気の少なくとも一部を除去するように構成される、熱交換器又は凝縮器と、
前記湿潤水素の圧力を増大させるように構成されるコンプレッサーと、
前記湿潤水素の露点を低下させるように構成される乾燥器と、
を備える、固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）システム。

【請求項2】

前記コンプレッサーは、可変数のスタンプをサポートするように構成される、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記コンプレッサーは、可変数の発電機モジュールをサポートするように構成される、請求項１に記載のシステム。

【請求項4】

複数のスタンプに対して１つのコンプレッサーがある、請求項１に記載のシステム。

【請求項5】

前記１つ以上のスタンプは、マニホールド又は再循環ループからの水素供給を受ける、請求項１に記載のシステム。

【請求項6】

前記１つ以上のスタンプ、前記熱交換器又は凝縮器、前記コンプレッサー、及び前記乾燥器のそれぞれは、フィードバックループ上に位置する、請求項１に記載のシステム。

【請求項7】

前記コンプレッサーが完全に動作する前及び前記１つ以上のスタンプが完全に動作する間、前記熱交換器又は凝縮器の排出物が、第１の移行弁を開放することによって放出される、請求項１に記載のシステム。

【請求項8】

前記コンプレッサーが動作状態になると、前記熱交換器又は凝縮器の排出物が、第２の移行弁を開放するとともに第１の移行弁を閉鎖することによって、吸引ノックアウトドラムに供給される、請求項１に記載のシステム。

【請求項9】

前記吸引ノックアウトドラムは、凝縮物放出ラインを介して凝縮物を収集及び廃棄するように構成される、請求項８に記載のシステム。

【請求項10】

ガス分析器が、前記乾燥器の排出物を監視及び制御する、請求項１に記載のシステム。

【請求項11】

１つ以上のスタンプにおいて、湿潤水素を排出することと、
熱交換器又は凝縮器において、前記湿潤水素の温度及び水飽和率を低下させることと、
コンプレッサーにおいて、前記湿潤水素の圧力を増大させることと、
乾燥器において、前記湿潤水素の露点を低下させることと、
を含む、固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）システムを動作させる方法。

【請求項12】

前記コンプレッサーは、可変数のスタンプをサポートするように構成される、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記コンプレッサーは、可変数の発電機モジュールをサポートするように構成される、請求項１１に記載の方法。

【請求項14】

複数のスタンプに対して１つのコンプレッサーがある、請求項１１に記載の方法。

【請求項15】

前記１つ以上のスタンプは、マニホールド又は再循環ループからの水素供給を受ける、請求項１１に記載の方法。

【請求項16】

前記１つ以上のスタンプ、前記熱交換器又は凝縮器、前記コンプレッサー、及び前記乾燥器のそれぞれは、フィードバックループ上に位置する、請求項１１に記載の方法。

【請求項17】

前記コンプレッサーが完全に動作する前及び前記１つ以上のスタンプが完全に動作する間、前記熱交換器又は凝縮器の排出物が、第１の移行弁を開放することによって放出される、請求項１１に記載の方法。

【請求項18】

前記コンプレッサーが動作状態になると、前記熱交換器又は凝縮器の排出物が、第２の移行弁を開放するとともに第１の移行弁を閉鎖することによって、吸引ノックアウトドラムに供給される、請求項１１に記載の方法。

【請求項19】

前記吸引ノックアウトドラムは、凝縮物放出ラインを介して凝縮物を収集及び廃棄するように構成される、請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

ガス分析器が、前記乾燥器の排出物を監視及び制御する、請求項１１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

［優先権情報］
本願は、２０２２年３月１０日に出願された米国仮特許出願第６３／３１８，７３０号の利益を主張し、その全体を参照により本明細書に援用する。

【0002】

［相互参照される関連出願］
本願は、２０２２年１月１８日に出願された米国仮特許出願第６３／３００，６１７号、及び２０２２年３月１０日に出願された米国仮特許出願第６３／３１８，６９５号の主題を援用し、上記米国仮特許出願の内容全体を参照により本明細書に援用する。

【0003】

本発明の実施形態は、包括的には、固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）を含む電解槽システム及びその動作方法に関する。特に、固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）スタンプ及び圧縮のモジュール式拡縮性に関する。

【背景技術】

【0004】

固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、水素及び酸素を生成するために電解槽として動作することができ、これは、固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）と呼ばれる。ＳＯＦＣモードでは、酸素イオンがカソード側（空気）からアノード側（燃料）に移送され、その駆動力となるのは、電解質にわたる酸素の分圧の化学勾配である。ＳＯＥＣモードでは、セルの空気側に正電位が印加されると、酸素イオンが燃料側から空気側に移送される。ＳＯＦＣとＳＯＥＣとの間でカソードとアノードとが逆転している（すなわち、ＳＯＦＣカソードがＳＯＥＣアノードとなり、ＳＯＦＣアノードがＳＯＥＣカソードとなる）ため、ＳＯＦＣカソード（ＳＯＥＣアノード）は空気電極と呼ぶことができ、ＳＯＦＣアノード（ＳＯＥＣカソード）は燃料電極と呼ぶことができる。ＳＯＥＣモードの間、燃料流中の水が還元され（Ｈ_２Ｏ＋２ｅ→Ｏ^２－＋Ｈ_２）、Ｈ_２ガス及びＯ^２－イオンを形成し、Ｏ^２－イオンは、固体電解質を通して移送された後、空気側において酸化され（Ｏ^２－からＯ_２）、分子状酸素を生成する。空気及び湿潤燃料（水素、改質天然ガス）を用いて動作するＳＯＦＣの開回路電圧は、０．９Ｖ～１Ｖ程度（含水量に応じる）であるため、ＳＯＥＣモードにおいて空気側電極に印加される正電圧により、セル電圧を、典型的な動作電圧である１．１Ｖ～１．３Ｖまで上昇させる。

【発明の概要】

【0005】

本発明は、関連技術の制限及び不都合点に起因する１つ以上の問題を実質的に排除する、ＳＯＥＣスタンプ及び圧縮のモジュール式拡縮性に関する。

【0006】

本発明の更なる特徴及び利点は、以下の説明において記載され、その説明から部分的に明らかになるか、又は本発明の実施によって習得することができる。本発明の目的及び他の利点は、特に、添付図面と合わせて記載の説明及び本件の特許請求の範囲に示される構造によって実現及び達成される。

【0007】

これらの利点及び他の利点を達成するために、本発明の目的に従って、具現化及び広範に記載されるように、ＳＯＥＣスタンプ及び圧縮のモジュール式拡縮性は、水素供給を受け、湿潤水素を排出する１つ以上のスタンプと、湿潤水素を受け取り、湿潤水素の温度を低下させるとともに、湿潤水素中の飽和水蒸気の少なくとも一部を除去するように構成される熱交換器又は凝縮器と、湿潤水素の圧力を増大させるように構成されるコンプレッサーと、湿潤水素の露点を低下させる（ｒｅｄｕｃｅ）ように構成される乾燥器とを備える、システム、装置、方法、及び命令を含む。

【0008】

以上の一般的な記載及び以下の詳細な記載はいずれも、例示的かつ説明的なものであり、特許請求の範囲に係る本発明の更なる説明を与えることを意図するものであることが理解される。

【0009】

本発明の更なる理解をもたらすために含まれ、本明細書に援用されるとともに本明細書の一部をなす添付図面は、本発明の実施形態を例示するとともに、明細書と合わせて本発明の原理を説明する役目を果たす。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本発明の一例示の実施形態に係るＳＯＦＣ／ＳＯＥＣモジュール式システムを示す図である。

【図2】図２は、本発明の一例示の実施形態に係る大規模電解槽システムを示す図である。

【図3】図３は、本発明の別の例示の実施形態に係る大規模電解槽システムを示す図である。

【図4】図４は、本発明の一例示の実施形態に係るコンプレッサーシステムを示す図である。

【図5】図５は、本発明の一例示の実施形態に係るＳＯＥＣシステムを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施形態について詳細に参照する。それらの例は、添付図面に示されている。前述の包括的な説明及び以下の詳細な説明はいずれも例であり、特許請求される本発明を限定するものではないことを理解されたい。

【0012】

図１は、本発明の一例示の実施形態に係るＳＯＦＣ／ＳＯＥＣモジュール式システム１０を示している。

【0013】

ＳＯＦＣ／ＳＯＥＣシステム１０のモジュール式設計は、柔軟なシステム設置及び動作を提供する。モジュールにより、単一の設計セットを用いて、設置された発電容量の拡縮、信頼性のある発電、燃料処理の柔軟性、並びに電力出力電圧及び周波数の柔軟性が可能になる。モジュール式設計により、非常に高い可用性及び信頼性を有する「常時オン」のユニットが得られ、メンテナンス及びスケールアップの手段も改善される。モジュール式設計は、利用可能な燃料、並びに顧客及び／又は地理的領域によって変動し得る必要な電圧及び周波数の使用も可能になる。

【0014】

ＳＯＦＣ／ＳＯＥＣモジュール式システム１０は、発電機モジュール１２（好ましくは複数の発電機モジュール１２、「ＳＧＭ」とも称する）、１つ以上の燃料処理モジュール１６（ＳＯＦＣシステム内）、及び１つ以上の電力調整モジュール１８（すなわち、電気出力、発電機モジュール又は「ＳＰＭ」とも称する）のうちの少なくとも１つが中に配置されるハウジング１４を備える。これらの例示の実施形態において、電力調整モジュール１８は、インバーター等の、ＤＣをＡＣに変換する又はＡＣをＤＣに変換する機構を含むことができる。例えば、システム１０は、２個～３０個の発電機モジュール、３個～１２個の発電機モジュール、６個～１２個のモジュール等の任意の所望の数のモジュール、又は発電機モジュールの他の大規模構成を含むことができる。

【0015】

図１の例示のシステム１０は、パッド２０上に、任意の数の発電機モジュール１２（横並びにされた６つのモジュールの１つの列）と、１つの燃料処理モジュール１６（ＳＯＦＣシステム内）と、１つの電力調整モジュール１８とを備える。ハウジング１４は、各モジュール１２、１６、１８を収容するキャビネットを備えることができる。代替的に、モジュール１６及び１８は、単一のキャビネット内に配置してもよい。１列の発電機モジュール１２が示されているが、システムは、２列以上のモジュール１２を備えてもよい。例えば、ＳＯＦＣ／ＳＯＥＣシステム１０は、背面対背面又は端面対端面で配置された２列の発電機モジュール１２を備えることもできる。

【0016】

各発電機モジュール１２は、１つ以上のホットボックス１３を収容するように構成される。各ホットボックスは、導電性インターコネクトプレートによって分離されるセラミック酸化物電解質を有する固体酸化物型燃料電池の１つ以上のスタック又はカラム等の、燃料電池／電解セル（明確にするために図示せず）の１つ以上のスタック又はカラムを収容する。高分子電解質膜（ＰＥＭ）、溶融炭酸塩、リン酸等の他のタイプの燃料電池を使用することもできる。

【0017】

燃料電池スタックは、外部及び／又は内部でマニホールド化されたスタックを含むことができる。例えば、スタックは、燃料電池層及び／又は燃料電池間のインターコネクトプレート内の開口部を通って延在する燃料及び空気ライザーを有して、燃料及び空気用に内部でマニホールド化することができる。

【0018】

燃料電池スタックは、燃料用に内部でマニホールド化し、空気用に外部でマニホールド化してもよく、その場合、燃料入口及び排気ライザーのみが、燃料電池層及び／又は燃料電池間のインターコネクトプレートの開口部を貫通する。燃料電池は、直交流構成（空気及び燃料が、各燃料電池内の電解質の対向する側において互いに対して略垂直に流れる）、向流並列構成（空気及び燃料が、各燃料電池内の電解質の対向する側において、互いに対して略平行であるが対向する方向に流れる）、又は並流並列構成（空気及び燃料が、各燃料電池内の電解質の対向する側において、同じ方向に互いに対して略平行に流れる）を有することができる。

【0019】

燃料処理モジュール１６及び電力調整モジュール１８は、ハウジング１４の１つのキャビネット内に収容してもよい。図１の例示の実施形態に示されているように、６つの（又は任意の数の）発電機モジュール１２の１列に対して１つのキャビネット１４が設けられ、６つの発電機モジュール１２は、入力／出力モジュール１４の片側に直線的に横並びで配置される。モジュールの列は、例えば、システムが電力を提供する建造物に隣接して（例えば、モジュールのキャビネットの背面が建造物の壁に面するように）位置決めすることができる。

【0020】

発電機モジュール１２の直線状の配列は容易に拡縮される。例えば、燃料電池／電解槽システム１０によってサービス提供される建造物又は他の施設の電力需要に応じて、より多数又は少数の発電機モジュール１２を設けてもよい。発電機モジュール１２及び入力／出力モジュール１４は、他の比率で設けることもできる。例えば、他の例示的な実施形態において、より多数又は少数の発電機モジュール１２を入力／出力モジュール１４に隣接して設けてもよい。さらに、２つ以上の入力／出力モジュール１４によって（例えば、別個の燃料処理モジュール１６及び電力調整モジュール１８キャビネットを用いて）サポート機能をサービス提供することができる。さらに、入力／出力モジュール１４が、発電機モジュール１２の列の端部にあるが、発電機モジュール１２の列の中央又は他の場所に位置することもできる。

【0021】

ＳＯＦＣ／ＳＯＥＣモジュール式システム１０は、システム１０の構成要素の整備を容易にするように構成することができる。例えば、日常的に又は高頻度で整備される構成要素（消耗部品等）は、単一のモジュール内に置いて、整備員が必要とする時間が低減されるようにしてもよい。例えば、パージガス（任意選択）を、単一のモジュール（例えば、燃料処理モジュール１６又は併合した入力／出力モジュール１４キャビネット）内に置くことができる。これは、日常的なメンテナンス中にアクセスされる唯一のモジュールキャビネットとなり得る。したがって、各モジュール１２、１４、１６、及び１８は、他のモジュールキャビネットを開けることなく、また、他のモジュールの整備、修理、又は取外しを行うことなく、整備、修理、又はシステムからの取外しを行うことができる。加えて、配管及び電気部品を、コンクリートパッドと発電機モジュール１２との間に配置される鋼製上敷きの上に配置することができる。

【0022】

例えば、上述したように、システム１０は複数の発電機モジュール１２を備えることができる。少なくとも１つの発電機モジュール１２がオフラインになる（すなわち、オフラインのモジュール１２内のホットボックス１３内のスタックによって電力が生成されない）とき、残りの発電機モジュール１２、燃料処理モジュール１６、及び電力調整モジュール１８（又は併合した入力／出力モジュール１４）はオフラインにならない。さらに、燃料電池／電解槽システム１０は、各タイプのモジュール１２、１４、１６、又は１８を２つ以上含むことができる。特定のタイプの少なくとも１つのモジュールがオフラインになるとき、同じタイプの残りのモジュールはオフラインにならない。

【0023】

したがって、複数のモジュールを備えるシステムにおいて、モジュール１２、１４、１６、又は１８のそれぞれは、システムにおける他のモジュールの動作を停止することなく、電気的に切断し、燃料電池／電解セルモジュール式システム１０から取り外し、及び／又は整備若しくは修理することができ、燃料電池システムは発電を継続することが可能になる。１つのホットボックス１３内の燃料電池／電解槽の１つのスタックが故障した又は整備のためにオフラインになった場合、ＳＯＦＣ／ＳＯＥＣモジュール式システム１０全体を停止する必要はない。

【0024】

図２は、本発明の一例示の実施形態に係る大規模電解槽システム２００を示している。

【0025】

大規模電解槽システム２００は、複数のモジュール式ブロック２１０、２２０、２３０、２４０に始動水素を供給するように構成されるガス分配モジュール（「ＧＤＭ」）２５０を備える。ＳＯＥＣ及びＳＯＦＣシステムは、通常、始動及び停止のために新たな水素ガスを必要とする。ガス分配モジュール２５０は、圧力検出器、熱検出器、ガス安全遮断器、及びパージガス分配器を更に備えることができる。

【0026】

上述したように、各モジュール式ブロックは、例えば、１つのパワーモジュール（「ＳＰＭ」）及び１つ以上の発電機モジュール（「ＳＧＭ」）を含む。モジュール式ブロックをシステムの集合体にグループ化したものを、スタンプと称する。したがって、大規模電解槽システム２００はスタンプである。水素は圧力下で各ＳＧＭに供給される可燃性ガスであるため、安全イベントが検出されると、発電機モジュールＳＧＭの群へのガスを遮断する安全な方法が必要となる。したがって、ＧＤＭ２５０は、安全イベントが検出されると、ＳＧＭに供給される水素を遮断するように構成される。圧力検出、過圧保護、及びガス安全遮断等の安全設計は、ＧＤＭ２５０及び／又は燃料処理モジュール（例えば、１６）によって電解槽システム２００内に容易に適用される。加えて、スタンプレベルコントローラーをＧＤＭ２５０において提供することができる。

【0027】

４つのモジュール式ブロック２１０、２２０、２３０、２４０のグループ化が一例示の構成となっているが、この構成は、ガスの安全性のための効率的なグループ化である。加えて、４つのモジュール式ブロック２１０、２２０、２３０、２４０のグループ化は、整備用通路２６０内の水素生成物の収集に効率的である。他の多くの構成も実現可能である。整備用通路２６０内の管路２６１は、下流の圧縮システムと統合される水素生成物を収集するように構成される。管路２６１は、発電機モジュールＳＧＭ内への凝縮物の逆流を防止するように構成される。また、凝縮物の管理は、様々な監視及び制御装置並びに管路を使用して、水出口（又はＢＯＰ１）に戻すことを可能にする。

【0028】

図３は、本発明の一例示の実施形態に係る大規模（例えば、１０メガワットシステム）電解槽システム３００を示している。図３に示されているように、電解槽システム３００は、複数のスタンプ３１０、３２０、３３０、３４０、３５０、３６０、及び３７０を備える。加えて、電解槽システム３００は、水源ＢＯＰ１、水素生成物収集部ＢＯＰ２（例えば、管路２６１を含む）、並びに水素圧縮及び処理部ＢＯＰ３等の追加のバランスオブプラント構成要素を更に備える。水素圧縮及び処理部ＢＯＰ３は、各それぞれのスタンプ３１０、３２０、３３０、３４０、３５０、３６０、及び３７０のガス分配モジュール（例えば、ＧＤＭ２５０）と、下流の顧客とに圧力下で水素を供給するように機能的に構成される。

【0029】

スタンプアーキテクチャは、大規模設置のために繰返しの要素を使用して組み上げることで、大規模設計において繰り返すことができる。様々な実施形態において、水素生成物収集部ＢＯＰ２（例えば、管路２６１及び他のＳＧＭ相互接続管路を含む）等の電解槽システム３００の構成要素のモジュール性及び拡縮性がもたらされる。加えて、水素圧縮及び処理部ＢＯＰ３（例えば、コンプレッサースキッドを含む）の拡縮性及びモジュール性がもたらされる。水素生成物収集部ＢＯＰ２及び水素圧縮を行う水素圧縮及び処理部ＢＯＰ３の拡縮性及びモジュール性は、複数サイズのシステムに対する可変数のスタンプ、スタンプサイズ、及びｎ＋１個のコンプレッサーの必要性に対応できるように構成される。

【0030】

本発明の実施形態は、スキッド形態におけるモジュール式スタンプに適応するバランスオブプラント設計の柔軟性、及びスタンプ（例えば、１０ＭＷのシステム又は１０ＭＷを超えるシステム）における処理ユニットの数の柔軟性を可能にする。加えて、本発明の実施形態は、コスト及び顧客要件に対処するように、コンプレッサー（例えば、コンプレッサー４２２）の圧縮及び数の拡張又は縮小を可能にする。

【0031】

水素生成物収集部ＢＯＰ２の設計は、それぞれのスタンプにおける発電機モジュールの数及び構成に基づいて変動するマニホールド化システムを含む。様々な構成において、マニホールドは、それぞれのスタンプにおける発電機モジュールの数に基づいて短縮又は延長することができる。一例として、１６個の発電機モジュールのスタンプは、８個の発電機モジュールを２列有することができる。この例において、２つの別個のマニホールド化システムを下流で組み合わせて１つのマニホールドにし、単一のコンプレッサーに供給を行うことができる。他の数多くの構成も実現可能である。

【0032】

同様に、水素圧縮及び処理部ＢＯＰ３及び様々な他の構成要素は、単一の発電機モジュールに使用され得る、１０ＭＷ又は１０ＭＷを超えるシステムまでの拡張設計を有する。この設計は、コンプレッサーの製造容量サイズによって制限される場合があり、複数のコンプレッサーが使用される場合がある。

【0033】

水素圧縮及び処理部ＢＯＰ３は、発電機モジュールの背圧を最終的に設定する圧力制御に基づく再循環システムを使用する。従来のＰＥＭ又は他のＳＯＥＣ製造者とは異なり、実施形態の発電機モジュールは、コンテナー内に配置する必要がない。プロセスガス用に発電機モジュールの後ろでマニホールド化することは、コンテナー化する解決策、野外設置、又は覆いのある産業建築物への設置を可能にするのに十分にコンパクトとなる。

【0034】

図４は、本発明の一例示の実施形態に係るコンプレッサーシステム４００を示している。

【0035】

図４に示されているように、コンプレッサーシステム４００は、マニホールド４３０（例えば、現場用の生成物マニホールド、又は貯蔵された水素に結合されるもの）によって水素が供給される１つ以上のスタンプ４１０を備える。例えば、水素は、１つ以上のスタンプ４１０のガス分配モジュール（例えば、図２のＧＤＭ２５０）に供給することができる。コンプレッサーシステム４００は、１つ以上のスタンプ４１０から、熱交換器又は凝縮器４１１と、移行弁（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｖａｌｖｅｓ）４１２と、隔離弁４１３と、吸引ノックアウトドラム４２１と、コンプレッサー４２２と、コンプレッサースキッド乾燥システム４２５（例えば、乾燥器）と、ガス分析器４２０とを通る閉フィードバックループを更に備える。様々な構成において、スタンプごとに１つのコンプレッサー４２２がある場合も、複数のスタンプ４１０に対して１つのコンプレッサー４２２がある場合もある。

【0036】

１つ以上のスタンプ４１０は、熱交換器又は凝縮器４１１に湿潤水素（例えば、蒸気と水素との組合せ）を供給する。熱交換器又は凝縮器４１１は、１つ以上のスタンプ４１０の排出物の温度を、コンプレッサー４２２の吸引に好適な温度に低下させる（例えば、４０℃～８０℃冷却することにより、スタンプの排出において１５０℃であるのを７０℃～１１０℃に冷却する）。いくつかの例において、コンプレッサー４２２に供給される生成物温度は、２３０℃まで上がり得る。したがって、熱交換器又は凝縮器４１１は、湿潤水素の温度を低下させ、また、湿潤水素中の飽和水蒸気の少なくとも一部を除去することができる。

【0037】

移行弁４１２を使用して、１つ以上のスタンプ４１０及びコンプレッサー４２２を完全な動作状態にする。コンプレッサー４２２が完全に動作する前及び１つ以上のスタンプ４１０が完全に動作する間、凝縮器４１１の排出物が、移行弁４１２Ａを開放することによって放出される。コンプレッサー４２２が１００％の再循環で完全な動作状態になると、凝縮器４１１の排出物が、移行弁４１２Ｂを開放するとともに移行弁４１２Ａを閉鎖することによって、吸引ノックアウトドラム４２１に供給される。

【0038】

障害イベントが生じた（例えば、過剰な圧力が検出された）場合、隔離弁４１３（例えば、高速作動空気式ボール弁）が使用される。例えば、隔離弁４１３Ａは、過剰な圧力が検出されると、開放することができる。隔離弁４１３Ｂは、コンプレッサー４２２の動作中に開放される。したがって、過剰な圧力は、過剰な圧力の蓄積に起因して損傷し得る１つ以上のスタンプ４１０に戻されない。

【0039】

吸引ノックアウトドラム４２１は、凝縮物放出ライン（図示せず）を介して形成された凝縮物を収集及び廃棄するように構成される。また、吸引ノックアウトドラム４２１は、圧力変動を調節するように構成される。

【0040】

コンプレッサー４２２の圧縮された（すなわち、増大した圧力の）排出物は、コンプレッサースキッド乾燥システム４２５によって更に乾燥される。ガス分析器４２０は、コンプレッサースキッド乾燥システム４２５の排出物（すなわち、乾燥ガス）を監視及び制御して、目標露点、目標窒素含有量、及び／又は目標酸素含有量を維持する。例えば、ガス分析器４２０は、露点センサー及び１つ以上のガスクロマトグラフを備えるように構成することができる。ガス分析器４２０は、コンプレッサースキッド乾燥システム４２５の排出物（すなわち、乾燥ガス）が、マニホールド４３０（例えば、顧客生成物ライン）に供給される前に、１つ以上の純度要件（例えば、水分及びガス含有量）を満たすことを確実にする。ガス分析器４２０は、コンプレッサースキッド乾燥システム４２５を制御することによって露点（すなわち、水分）を調整することができる。しかしながら、１つ以上の不純物（例えば、窒素又は酸素）がそれぞれの閾値を超過する場合、警告信号又は停止信号をシステムコントローラー（図示せず）に送信することができる。

【0041】

レギュレーター４２６は、背圧レギュレーターである。システム４００が始動するとき、コンプレッサー４２２及びコンプレッサースキッド乾燥システム４２５に対して最小圧力が必要である。そうでないと、コンプレッサー４２２及びコンプレッサースキッド乾燥システム４２５は、動作に十分な圧力を発生させるのが遅くなる場合がある。レギュレーター４１６は、前方圧力レギュレーターである。レギュレーター４１６において、圧縮生成物は、広範な圧力（例えば、５ＰＳＩ～１００００ＰＳＩ）を有し得る。レギュレーター４１６から排出される圧力は、圧力コントローラー４１５に供給される前に（例えば、１００ｍｂａｒ未満に）調整される。圧力コントローラー４１５は、吸引ノックアウトドラム４２１における圧力を測定するとともに、吸引ノックアウトドラム４２１への供給時の圧力を（例えば、１００ｍｂａｒ未満に）維持することによって、吸引ノックアウトドラム４２１における圧力を維持するように構成される。いくつかの実施形態において、吸引ノックアウトドラム４２１は任意選択のものである。

【0042】

したがって、本発明の様々な実施形態は、コンプレッサーシステムと水素を発生させるＳＯＥＣシステムとの統合、及びその始動の制御に関する。

【0043】

動作時、動作中のＳＯＥＣシステムは、非常に低い圧力で、例えば、大気圧において又は周囲条件を僅かに超える（例えば、およそ４０ｍｂａｒ）圧力で水素を生成する。圧力が低いため、コンプレッサーをオンにしたり、弁を切り替えたりする等の下流の処理における僅かな変動により、ＳＯＥＣスタックが故障するリスクがある即時の圧力／真空サージを引き起こすおそれがある。したがって、様々な実施形態は、そのようなサージを引き起こすことなくコンプレッサーをオンにすることを可能にし、コンプレッサーへのスムーズな移行を可能にし、停止条件下で圧縮から通気へと移行する安全な手段を提供する技法を提供する。

【0044】

コンプレッサーをオンにするように起動するために圧力スイッチを使用するものもある。ここでは、生成水素は、コンプレッサー吸引へと供給される。圧力閾値に達すると、コンプレッサーはオンになる。これは、コールドスタート状態から迅速に応答し、コンプレッサーの始動による圧力変動に素早く反応し得る、低温ＰＥＭ及びアルカリシステムにおいて使用されている。ＳＯＥＣシステムは、概して比較的遅く、実施形態は、始動時に未反応の蒸気を利用して、コンプレッサーにおける圧力スパイク又は真空を防止する。

【0045】

上記圧力切替え構想によって圧力を均衡させる手段として大型の倒立バケツを使用するものもある。これは、水素と空気とを混合することができる開放システムの可能性をもたらす。また、倒立バケツは、非常に大型であり、かなりのフットプリントを占めるものとなる。

【0046】

様々な実施形態において、既知の技法の欠点が解決される。第１に、圧力コントローラー４１５によって吸引が制御されるコンプレッサー４２２において１００％の再循環流を実装する。圧力コントローラー４１５は、電解水素流量とは独立して、コンプレッサー４２２への設定された吸引圧力を維持する。第２に、電解生成ガスのコンプレッサー４２２へのスムーズな移行を可能にする移行弁４１２（例えば、供給及び通気グローブ制御弁）をコンプレッサー４２２の上流に実装する。第３に、コンプレッサースキッド上の隔離弁４１３（例えば、高速作動ボール弁）を利用して、コンプレッサー４２２が停止されるか又は障害イベントが生じた場合に（即座に、例えば、２秒又は３秒未満の範囲で）吸引ラインの圧力を解放する。

【0047】

実施形態は、コンプレッサーがオンになる前にＳＯＥＣシステムの安定化を可能にすることで、既知の技法とは異なる。加えて、コンプレッサーユニットの始動又は停止により生じ得る圧力サージに対するスタックの感度の問題が防止される。

【0048】

図５は、本発明の一例示の実施形態に係るＳＯＥＣシステム５００である。

【0049】

図５に示されているように、ＳＯＥＣシステム５００は、空気導管１０５と、空気ブロワー１０６と、空気入口１０７と、蒸気導管１１０と、再循環蒸気入口１１１と、ホットボックス１５０と、任意選択の水素導管１３０と、濃縮空気出口１２３と、濃縮空気導管１２５と、濃縮空気ブロワー１２６と、蒸気及び水素生成物出口１２０と、スプリッター１６０と、ベンチュリ流量計１６５と、蒸気再循環ブロワー１７０と、熱センサー１７５とを備える。

【0050】

一例示の構成及び動作によれば、蒸気導管１１０において供給される蒸気（例えば、様々な圧力で現場又は施設蒸気を供給する）は、約１００℃～１１０℃（例えば、１０５℃）の温度と、約１ｐｓｉｇの圧力とを有することができる。様々な実施形態において、蒸気は、外部源からＳＯＥＣシステム５００に供給することができ、又は局所的に発生させることができる。いくつかの実施形態において、複数の蒸気入口が、外部蒸気及び局所蒸気をそれぞれ受け取るように構成することができる。代替的又は付加的に、水は、ＳＯＥＣシステム５００に供給し、気化させることができる。

【0051】

空気導管１０５における空気供給（例えば、周囲空気）は、局所大気圧における周囲温度とすることができ、その温度は約－２０℃～＋４５℃であり得る。空気導管１０５からの空気は、空気ブロワー１０６において受け取られ、空気ブロワー１０６によって排出される空気は、圧縮の熱によって周囲よりも僅かに高い温度となる。例えば、空気ブロワー１０６によって排出される空気の温度は、２０℃の周囲空気温度と比較して、１．０ｐｓｉｇにおいて約３０℃とすることができる。その後、空気導管１０５の空気供給は、ホットボックス１５０の空気入口１０７において受け取られる。

【0052】

任意選択の水素導管１３０からの水素は、水素がＳＯＥＣシステム５００によって他の方法で生成されていないときの始動及び過渡のためにのみ必要とされ得る。例えば、定常状態において別個の水素給送流又は水素再循環蒸気は必要なくなる。この水素流の圧力は、現場構築時に決定される設計オプションであり、約５ｐｓｉｇ～３０００ｐｓｉｇとすることができる。温度は、貯蔵部に由来し得るため、周囲温度付近であり得る。

【0053】

空気導管１０５における空気供給、蒸気導管１１０における蒸気供給、及び任意選択の水素導管１３０における水素供給は、ホットボックス１５０に供給される。さらに、ホットボックス１５０は、ホットボックス１５０の蒸気及び水素生成物出口１２０において蒸気及び水素生成物Ｈ_２－Ｈ_２Ｏ－Ｇを排出する。ここで、Ｇは総量（Ｇｒｏｓｓ）を表す。ホットボックス排出物Ｈ_２－Ｈ_２Ｏ－Ｇは、約１００℃～１８０℃（例えば、１３０℃）の温度、約０．１ｐｓｉｇ～０．５ｐｓｉｇの圧力を有することができる。

【0054】

加えて、ホットボックス排出物Ｈ_２－Ｈ_２Ｏ－Ｇは、スプリッター１６０に供給され、蒸気再循環流ＲＥＣＨ_２ＯＬＰ（ここで、ＬＰは低圧（ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を表す）と、純生成物Ｈ_２－Ｈ_２Ｏ－Ｎ（ここで、Ｎは純量（Ｎｅｔ）を表す）（例えば、商業使用又は貯蔵のための排出物）とに分割される。ここで、純生成物Ｈ_２－Ｈ_２Ｏ－Ｎは、約１００℃～１８０℃（例えば、１３０℃）の温度、約０．１ｐｓｉｇ～０．５ｐｓｉｇの圧力を有することができる。蒸気再循環流ＲＥＣＨ_２ＯＬＰは、約１００℃～１８０℃（例えば、１３０℃）の温度、約０．１ｐｓｉｇ～０．５ｐｓｉｇの圧力を有することができる。ホットボックス１５０は、濃縮空気出口１２３において濃縮空気導管１２５を介して、本質的に局所大気圧（例えば、０．５ｐｓｉｇ未満又は０．０５ｐｓｉｇ未満）において約１２０℃～３００℃の温度を有し得る濃縮空気を更に排出することができる。

【0055】

蒸気再循環流ＲＥＣＨ_２ＯＬＰは、蒸気再循環ブロワー１７０に供給される。結果として生じる再循環蒸気ＲＥＣ－ＳＴＭは、約１００℃～１８０℃（例えば、１４０℃、１５４℃）の温度、約０．５ｐｓｉｇ～１．５ｐｓｉｇ（例えば、約１ｐｓｉｇ）の圧力を有することができ、再循環蒸気入口１１１においてホットボックス１５０に供給される。いくつかの実施形態において、再循環水素供給物は、再循環蒸気とともに含まれない場合がある。

【0056】

図５から理解することができるように、蒸気導管１１０における流入蒸気温度（例えば、１０５℃）は、内部蒸気発生を伴うＳＯＥＣ構成と比較して低い。様々な構成において、複数の再循環ループは、内部蒸気発生及び外部蒸気発生の双方を使用するＳＯＥＣシステムに対して構成することができる。図示されているように、再循環蒸気入口１１１は、蒸気導管１１０からの蒸気を受け取るように構成される。ここで、実施形態は、任意選択で、内部蒸気発生コイル、１つ以上の気化器、及び／又は他の加熱素子を通して、典型的には飽和して約１０５℃の温度にある、蒸気導管１１０から施設に供給される蒸気を導き、濃縮空気導管１２５において任意選択のファン又は濃縮空気ブロワー１２６を通して熱が解放される前に、蒸気供給物を更に加熱（すなわち、過熱）するように、空気排気熱（例えば、約２８０℃）を使用する。

【0057】

いくつかの実施形態において、顧客（例えば、ユーザー、オペレーター、そのコンピューター）は、固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）システムを制御することが可能にされる。１つ以上のインターフェースは、異なる状態のＳＯＥＣを動作させる顧客コマンドを受信及び実行する、カスタム通信プロトコル（例えば、イーサネット、インターネット、ハードワイヤード等を介する）を提供する。したがって、実施形態は、ＳＯＥＣの安全な動作を保証しながら再生可能水素を利用するという顧客ニーズを満たすためのサポートを提供する。

【0058】

例えば、実施形態は、顧客又は他の第三者が、水素発生、電力制限、及び利用可能な蒸気等のパラメーターを使用して、ＳＯＥＣシステムを制御することを可能にする。いくつかの実施形態において、通信が失われた場合に安全なスタンバイ状態に移行することが可能なシステムが提供される。さらに、安全なスタンバイ状態は、顧客が同意する条件に基づいて定義することができる。

【0059】

付加的又は代替的に、実施形態は、顧客がＳＯＥＣシステムを動作させるための１つ以上の機構を提供し、動作の安全限界内に留まる安全ロジックを提供し、水素生成のランピング（ｒａｍｐｉｎｇ）を可能にすることによって水素発生が顧客ニーズを満たすことを保証する。いくつかの例において、顧客は、今後の現場制限（例えば、外部水素が利用可能でないこと、利用可能な電力スケジュール、電力貯蔵部に対する通信制限、水及び供給水素の貯蔵制限等）の事前通知を受信することができる。したがって、顧客は、そのような制限に合わせて調整を行う（例えば、現場における水素使用又は水素貯蔵制限に基づいて水素発生を調整する）ことができる。

【0060】

本発明の趣旨又は範囲から逸脱することなく、本発明のＳＯＥＣスタンプ及び圧縮のモジュール式拡縮性において様々な変更及び変形を行うことができることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、本発明の変更及び変形が添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内にあるならば、それらを包含することが意図される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【外国語明細書】