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(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】P2024081630
(43)【公開日】2024-06-18
(54)【発明の名称】不安定電力源に結合された電解槽の制御
(51)【国際特許分類】
C25B 15/025 20210101AFI20240611BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20240611BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20240611BHJP
【ＦＩ】
C25B15/025
C25B1/04
C25B9/00 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023206534
(22)【出願日】2023-12-06
(31)【優先権主張番号】63/430,393
(32)【優先日】2022-12-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】517094840
【氏名又は名称】ソーラーエッジ テクノロジーズ リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110001416
【氏名又は名称】弁理士法人信栄事務所
(72)【発明者】
【氏名】トマー ケステンベルグ
(72)【発明者】
【氏名】バルク シュヴァルツ
(72)【発明者】
【氏名】ラーナン セマー
(72)【発明者】
【氏名】オデット ナーオル
【テーマコード（参考）】
4K021
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021BA02
4K021CA05
4K021DC01
4K021DC03
(57)【要約】 （修正有）
【課題】不安定電力源（ｖａｒｉａｂｌｅ ｐｏｗｅｒ ｓｏｕｒｃｅ）と電解槽とを結合するためのシステム、デバイス、及び方法を提供する。
【解決手段】水素発生のための水電解システムが提供され、電解槽が制御デバイスを介して不安定電力源に結合される。制御デバイスは、電解槽の寿命を延ばすために電解槽の少なくとも１つの動作パラメータを制御するように構成される。少なくとも１つの動作パラメータは、電解槽の電気的動作点（状態）を含み、制御デバイスは、不安定電力源の出力電力を調節して、電気的動作点（例えば、電圧及び電流）及び電解槽への入力電力に整合させる。制御デバイスは、モジュール構成及びホットスワップ機能を有する制御ユニットを備えてもよい。制御デバイスは、電解槽をある状態から別の状態にするための動作パラメータ変更を生成する状態変化平滑化方法を含んでもよい。
【選択図】なし
【解決手段】水素発生のための水電解システムが提供され、電解槽が制御デバイスを介して不安定電力源に結合される。制御デバイスは、電解槽の寿命を延ばすために電解槽の少なくとも１つの動作パラメータを制御するように構成される。少なくとも１つの動作パラメータは、電解槽の電気的動作点（状態）を含み、制御デバイスは、不安定電力源の出力電力を調節して、電気的動作点（例えば、電圧及び電流）及び電解槽への入力電力に整合させる。制御デバイスは、モジュール構成及びホットスワップ機能を有する制御ユニットを備えてもよい。制御デバイスは、電解槽をある状態から別の状態にするための動作パラメータ変更を生成する状態変化平滑化方法を含んでもよい。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電解槽の動作パラメータの変更を実施する通知を受け取ることと、
前記電解槽の初期状態を取得して記憶することと、
前記変更を前記電解槽に適用することと、
前記電解槽の第２の動作パラメータを監視することと、
前記第２の動作パラメータの予想応答を反映する、監視対象の前記第２の動作パラメータの値を計算することと、
監視対象の前記第２の動作パラメータが前記予想応答に適合することを、前記値が示す場合に、前記初期状態及び前記変更を、許容変更テーブルに記憶することと、
監視対象の前記第２の動作パラメータが前記予想応答に適合しないことを、前記値が示す場合に、前記初期状態における第２の変更を減少させる通知を送信することと、を含む、方法。
前記電解槽の初期状態を取得して記憶することと、
前記変更を前記電解槽に適用することと、
前記電解槽の第２の動作パラメータを監視することと、
前記第２の動作パラメータの予想応答を反映する、監視対象の前記第２の動作パラメータの値を計算することと、
監視対象の前記第２の動作パラメータが前記予想応答に適合することを、前記値が示す場合に、前記初期状態及び前記変更を、許容変更テーブルに記憶することと、
監視対象の前記第２の動作パラメータが前記予想応答に適合しないことを、前記値が示す場合に、前記初期状態における第２の変更を減少させる通知を送信することと、を含む、方法。
【請求項2】
電解槽の動作パラメータの変更を実施する通知を受け取ることと、
前記電解槽の初期状態を取得することと、
前記変更及び前記初期状態に基づいて中間状態及び最終状態を推定することと、
前記中間状態及び前記最終状態の各状態について、
前記中間状態及び前記最終状態の各々について許容変更のテーブルを取得することと、
前の状態と次の状態との間の平滑化した変更を計算することと、
前記平滑化した変更を前記電解槽に適用することと、を含む、方法。
前記電解槽の初期状態を取得することと、
前記変更及び前記初期状態に基づいて中間状態及び最終状態を推定することと、
前記中間状態及び前記最終状態の各状態について、
前記中間状態及び前記最終状態の各々について許容変更のテーブルを取得することと、
前の状態と次の状態との間の平滑化した変更を計算することと、
前記平滑化した変更を前記電解槽に適用することと、を含む、方法。
【請求項3】
前記電解槽の第２の動作パラメータを監視し、
前記第２の動作パラメータの予想応答を反映する、監視対象の前記第２の動作パラメータの値を計算し、
監視対象の前記第２の動作パラメータが前記予想応答に適合することを、前記値が示す場合に、前記初期状態及び前記変更を、許容変更テーブルに記憶し、
監視対象の前記第２の動作パラメータが前記予想応答に適合しないことを、前記値が示す場合に、前記初期状態における第２の変更を減少させる通知を送信する、動作を更に含む、請求項２に記載の方法。
前記第２の動作パラメータの予想応答を反映する、監視対象の前記第２の動作パラメータの値を計算し、
監視対象の前記第２の動作パラメータが前記予想応答に適合することを、前記値が示す場合に、前記初期状態及び前記変更を、許容変更テーブルに記憶し、
監視対象の前記第２の動作パラメータが前記予想応答に適合しないことを、前記値が示す場合に、前記初期状態における第２の変更を減少させる通知を送信する、動作を更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項4】
不安定電力源に接続された電解槽を動作させるためのデバイスであって、前記デバイスは制御回路を備え、前記制御回路は、前記電解槽の動作パラメータに変更を適用するように構成され、前記変更は、動作パラメータ値の連続的な変更を含み、前記変更は、閾値変化率未満の変化率を含み、前記変更は、閾値二次変化率未満の二次変化率を含む、デバイス。
【請求項5】
前記変化率は連続的である、請求項４に記載のデバイス。
【請求項6】
前記制御回路は、コントローラ又はプロセッサと、前記制御回路に接続されたリポジトリとを備え、前記リポジトリは、前記電解槽に前記変更を適用するように構成されたコントローラ又はプロセッサ命令を含む、請求項４又は５に記載のデバイス。
【請求項7】
前記制御回路は、前記電解槽に前記変更を適用するように構成された能動素子及び受動素子を備える、請求項４～６のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項8】
前記制御回路は、前記電解槽に前記変更を適用するように構成された受動素子を備える、請求項４～７のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項9】
前記受動素子は、インダクタ又はコンデンサを含む、請求項８に記載のデバイス。
【請求項10】
前記受動素子は、前記不安定電力源と前記電解槽との間で直列である、請求項８に記載のデバイス。
【請求項11】
前記受動素子は、前記不安定電力源と前記電解槽との間で並列である、請求項８に記載のデバイス。
【請求項12】
前記変更は電圧制御変更を含む、請求項４～１１のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項13】
前記変更は電流制御変更を含む、請求項４～１２のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項14】
前記変更は、少なくとも部分的に、線形関数、放物線関数、円関数、楕円関数、シグモイド関数、ロジスティック関数、双曲線関数、指数関数、スプライン関数、多項式関数、又は二次関数の少なくとも一部に従う、請求項４～１３のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項15】
前記変更はステップを含み、前記ステップは、電力変換器のデジタルアナログ変換器及び増幅回路によって決定され、前記デバイスは、前記デジタルアナログ変換器と、前記増幅回路と、前記電力変換器とを備える、請求項４～１４のいずれか一項に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【0001】
本開示は、不安定電力源（ｖａｒｉａｂｌｅ ｐｏｗｅｒ ｓｏｕｒｃｅ）と電解槽とを結合するためのシステム、デバイス、及び方法に関する。「電解槽（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｅｒ）」の代替スペリングは、「電解槽（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒ）」であり得る。
【0002】
電気化学的水分解としても知られる水の電気分解は、電気を使用して、電気分解によって水を酸素と水素ガスに分解するプロセスである。このようにして放出された水素ガスは、水素燃料として使用することができる。酸性媒体中での水電解の半電池反応を以下の式（１）及び（２）に示し、アルカリ性媒体中での水電解の半電池反応を以下の式（３）及び（４）に示す。
【0003】
【化1】
【0004】
標準的な温度及び圧力での水の水素及び酸素への分解は、熱力学的な観点からは好ましくない場合がある。したがって、反応が起こるために電力の入力が必要とされる場合がある。水の電気分解は、分散された水素発生を可能にし、そのプロセスは、多数の既存の再生可能エネルギー技術（とりわけ、太陽光、風力、バイオマス、水力、潮力、波力、及び地熱技術）と適合し得る。水の電気分解は、酸性又はアルカリ性の液体電解質システム、並びに、水が固体の酸性又はアルカリ性媒体を通って流れる高分子電解質膜（ｐｏｌｙｍｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ、ＰＥＭ）を組み込んだ固体システムに基づくことができる。液体電解質電解槽の効率は、典型的には多くのタイプの再生可能エネルギー源の特性である非定常的な直流（ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ、ＤＣ）電圧又は電流による悪影響を受けるが、ＰＥＭ電解槽は、大きな電力入力変動を受け入れることができ、したがって光起電力（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ、ＰＶ）太陽光及び風力などの不安定な電力源との直接統合が可能になる。固体酸化物形電解セル（ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｅｒ ｃｅｌｌ、ＳＯＥＣ）は、再生可能エネルギー源と組み合わせることができる。ＳＯＥＣは、固体酸化物又はセラミック、電解質を使用し、再生モードで動作する、固体酸化物燃料電池に基づくことができる。
【発明の概要】
【0005】
以下に、開示される態様の簡略化された概要を、これらの態様の基本的な理解を提供するために提示する。本概要は、これらの態様の包括的な概説ではない。本概要は、鍵となる要素若しくは重要な要素を特定すること、又は本開示の範囲を叙述することを意図していない。
【0006】
本開示の態様は、不安定電力源と、不安定電力源に機能的に（ｏｐｅｒａｔｉｖｅｌｙ）接続された電解槽と、電解槽の動作パラメータを制御してその寿命を延ばすように構成された制御デバイスとを含む、水素発生のための水電解システムに関する。動作パラメータという語句は、電圧、電流、電力、温度、圧力、流量などの電解槽が動作する物理的又は電気的パラメータを指し、制御は、動作パラメータの値を変化させることにより実施される。制御デバイスは、とりわけ、不安定電力源の出力電力を調節して、それを電解槽の電気的動作点（状態）に整合させるように構成され、電気的動作点は、電解槽の寿命を延ばすように選択することができる。態様は更に、システムにとって有用なデバイス、及びシステムを動作させる方法に関する。本明細書で使用する場合、用語「整合」は、実質的に等しいことを意味する。
【0007】
電解槽は、カソードとアノードとの間に配置された膜を含む、少なくとも１つの電極－膜アセンブリ（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ－ｍｅｍｂｒａｎｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）を含む。カソード及びアノードは、適切な触媒、例えば、それぞれ水素発生触媒及び酸素発生触媒を含んでもよい。電極は、炭素ベースであってもよいガス拡散層（ｇａｓ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｌａｙｅｒ、ＧＤＬ）を含んでもよい。膜は、プロトン交換膜又はアニオン交換膜などのポリマー交換膜であってもよい。電解槽セルは、集電体及び／又はフロープレートを含む追加の構成要素を含んでもよい。
【0008】
電解槽の構成要素は、長期間にわたるサイクル中に劣化する場合がある。例えば、膜は化学的劣化を受ける場合があり、その劣化は、とりわけその厚さの減少において顕在化する場合がある。膜が薄くなると、カソード及びアノードでそれぞれ発生する水素及び酸素が膜を横断してＭＥＡの反対側に移動し、それにより水素発生効率を低下させる場合があり、爆発を生じさせる場合さえある。化学的劣化及び膜の薄化の結果として、膜に穿孔が生じる確率が増加し、短絡につながる場合がある。カソード及びアノード触媒はまた、特に、触媒充填が小さい場合、及び／又は電気分解が一定でない電流変動下で動作する場合、化学的劣化を被り、電圧損失につながる場合がある。バイポーラプレートはまた、例えば、界面接触抵抗を増加させる腐食に起因して、動作時間にわたって化学的変化を受ける場合がある。
【0009】
再生可能エネルギー発生システムは、遠隔地に位置する場合があり、その結果、そのようなシステムに結合される電解槽は、頻繁な交換を避けるために、十分な耐久性を有する場合がある。電解槽の構成要素の劣化は、水素発生及び水電解プロセスのエネルギー効率に悪影響を及ぼし、再生可能エネルギー水素システムの水素発生の全体的なコストを増加させる。
【0010】
電解槽セルの性能、並びにその劣化速度は、とりわけ、例えば、入力電圧、電流密度、温度、及び電解質又は水の流量を含む、電解槽の動作パラメータに依存する。電解槽寿命を延ばすための動作パラメータは、電解槽の性能を改善するために必要な動作パラメータとは異なる場合がある。例えば、水分解プロセスのより高いエネルギー効率を提供する、より高い電流密度では、ＯＥＲ触媒の分解は、より低い電流密度の場合よりも高くなる場合がある。例えば、膜への電気化学的ストレスを最小限に抑えるように電解槽を動作させることは、電解槽電流又は電圧の突然の変化を防止することにより行うことができる。例えば、セルを高温で動作させることにより、過電圧を低減させることによって生成される水素の量を増加させることができるが、膜の劣化に起因して、電解槽セルの寿命の低下を引き起こす場合がある。より高い温度で及び／又は一定でない電流値で動作させることも、触媒劣化を加速させる場合がある。
【0011】
したがって、電解槽のサイクル寿命を延ばすために、電気的動作点を含む、不安定電力源に結合され得る電解槽の動作パラメータを制御することができる。本開示の特徴による制御デバイスは、不安定電力源によって電解槽に供給される電流密度及び／又は電圧を調整することができる。制御デバイスは、電解槽の動作温度、電解質又は水の流量、並びに水素及び／又は酸素の圧力のうちの１つ以上を制御してもよい。前述の動作パラメータは、動作パラメータと電解槽セルの寿命との関連性を表す計算及び／又は経験的データ（例えば、履歴的に測定されたデータ）から導出され得る、所定の値に基づいて調整されてもよい。制御デバイスは、電解槽の健康状態（ｓｔａｔｅ－ｏｆ－ｈｅａｌｔｈ、ＳＯＨ）に関連する少なくとも１つのパラメータのリアルタイム監視を実施し、少なくとも１つのパラメータの測定に基づいて動作パラメータを選択してもよい。電解槽のＳＯＨを評価するために監視及び使用され得るパラメータは、とりわけ、定電流動作時のセル電圧、内部セル抵抗又はインピーダンス、電解質出口温度、入口と出口との間の電解質温度勾配、及び出口電解質の化学組成を含み得る。制御デバイスは、様々な動作パラメータに対して電解槽のパフォーマンスを分析し、複数のそのような電解槽の分析されたデータに基づいて動作パラメータを調整するように構成された、機械学習アルゴリズムを含んでもよい。制御デバイスは、不安定電力源の予測出力電力に基づいて電解槽の動作パラメータを選択してもよい。
【0012】
制御デバイスは、不安定電力源の出力電力を調節して、高速及び低速の電力変化を管理してもよい。電解槽の寿命を延ばすために、出力電力を調整して電解槽の電気的動作点に合わせるプロセスを簡略化するために、最初に、不安定電力源によって生成される電力を平滑化してベースライン電力を得てもよい。例えば、制御デバイスは、コンデンサ又は二次電池などのエネルギー貯蔵デバイスを使用して、高速電力変化（例えば、数秒にわたって生じる電力変化）を平滑化してもよい。例えば、急速な過剰電力を使用して貯蔵デバイスを充電してもよく、電力が目標ベースラインを下回る場合は、貯蔵デバイスを放電させて不足電力を補ってもよい。低速電力変化（例えば、数分にわたって生じる電力変化）もまた、適切なエネルギー貯蔵システムによって管理されてもよい。制御デバイスは、余剰電力がある場合に、出力電力をグリッドにエクスポートし、不安定電力源と貯蔵デバイスとを組み合わせた出力電力が十分ではない場合に、グリッドから電力をインポートして、電解槽に電気的動作点を提供する、ように構成されてもよい。
【0013】
複数の電解槽にわたってＳＯＨを揃えるプロセスは、「ＳＯＨバランシング」と呼ばれる場合がある。複数の電解槽間で電力のバランスをとって、所望の水素発生速度を得るプロセスは、「電力バランシング」と呼ばれる場合がある。制御デバイス及び制御ユニットは、ＳＯＨバランシング及び電力バランシングを提供するように構成されてもよい。電力バランシングは、寿命末期に複数の電解槽間で交換時間を揃えて、交換中における水素発生のまかれた時間（ｓｏｗｎ ｔｉｍｅ）を最小限に抑えるのに有益な場合がある。
【0014】
典型的には、複数の電解槽セルを一緒に積層して電解槽スタックを形成してもよい。制御デバイスは、スタック全体の動作パラメータを制御してもよい。システムは、複数の電解槽スタックを含んでもよい。このような場合、制御デバイスは、スタックの各々を個別に制御してもよい。制御デバイスは、例えば、予測電力出力が全てのスタックを動作させるには不十分な場合、又は１つ以上のスタックのＳＯＨが、それらが休止又は再生手順を経ることを示す場合、１つ以上のスタックをシャットダウンする一方で、他のスタックを動作させ続けてもよい。制御デバイスは、各スタックのＳＯＨを他のスタックのＳＯＨと比較し、比較に基づいて各スタックの好ましい動作パラメータを選択してもよい。例えば、より良好なＳＯＨを有するスタックは、より高い電流密度で動作させてもよい一方で、より劣ったＳＯＨを有するスタックは、より低い電流密度で動作させてもよく、又はシステム動作の特定の時間数にわたって全く動作させなくてもよい。
【0015】
電解槽を制御する場合、各電解槽は、異なる動作パラメータ、電気的動作点、又は状態で動作されてもよい。これらの用語は、用語の使用状況に応じて、交換可能に使用されてもよい。電解槽の状態は、電解槽の操作マニュアルで定義されてもよく、又は経験的に（試運転又は動作中に）決定されてもよい。例えば、電解槽が連続動作している場合、電解槽の状態は、試運転期間中に経験的に決定されてもよい。電解槽の各動作状態は、電解槽電流、電圧、温度、圧力、流量などの動作パラメータの許容範囲を含む。これら範囲は、これら範囲内での電解槽動作が連続的又は一貫したものとなるような、各動作パラメータに対して許容される上限及び下限を含む。ある状態から別の状態への電解槽の状態の遷移が実施される場合、電圧、電流、温度、圧力、流量などの電解槽の動作パラメータが制御されてもよい。電圧、電流、温度、圧力、又は流量などの制御されている動作パラメータにおける連続的な変更であって、第１の状態から第２の状態へと滑らかに変化する変更が、遷移を実施するために使用されてもよい。動作パラメータを第１の値から第２の値に滑らかに変化させるために、シグモイド関数を使用して、動作パラメータの時間的変化に追従するように動作パラメータをデジタル的に調整してもよい。動作パラメータを第１の値から第２の値に滑らかに変化させるために、区分的に滑らかな曲線のセットを使用してもよい。例えば、第１の期間は、ゼロからある所定の値への動作パラメータの増加するスルーレートを有し、第２の期間は、動作パラメータの線形増加を有し、次いで、減少してゼロに戻るスルーレートを有してもよい。区分的に滑らかな曲線のセットはまた、所定の閾値に適合する動作パラメータの加速度などの２次微分を有してもよい。
【0016】
電解槽の動作中、水素発生速度は、電解槽の動作パラメータを引き延ばすように選択されてもよい。例えば、水素発生速度は、寿命を延長させ、総水素発生を増加させるように選択されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0017】
本発明及びその利点のより完全な理解が、添付の図面を考慮して以下の説明を参照することにより得ることができるが、添付の図面では、同様の参照番号は同様の特徴を示している。
【図1A】本発明のいくつかの実施形態による、制御デバイスを介してＰＶアレイに接続された電解槽を含む水電解システムを示す。
【図1B】本発明のいくつかの実施形態による、制御デバイスを介してＰＶアレイに接続された電解槽を含む水電解システムを概略的に示し、ここでＰＶアレイは、電気グリッド及び負荷に接続されてもよい。
【図2A】本発明のいくつかの実施形態による、制御デバイスを介して複数のＰＶアレイに接続された複数の電解槽スタックを含む水電解システムを概略的に示す。
【図2B】本発明のいくつかの実施形態による、制御デバイスの直列に接続された複数の制御ユニットを介して、複数の電力源に直列に接続された複数の電解槽スタックを含む水電解システムを概略的に示す。
【図2C】本発明のいくつかの実施形態による、制御デバイスの直列に接続された複数の制御ユニットと、直列に接続された複数のオプティマイザとを介して、複数の電力源に直列に接続された複数の電解槽スタックを含む水電解システムを概略的に示す。
【図2D】本発明のいくつかの実施形態による、制御デバイスの並列に接続された複数の制御ユニットと、直列に接続された複数のオプティマイザとを介して、複数の電力源に接続された複数の電解槽スタックを含む水電解システムを概略的に示す。
【図2E】電解槽用の制御ユニットを概略的に示す。
【図2F】電解槽の動作パラメータ変更のための直列回路を概略的に示す。
【図2G】電解槽の動作パラメータ変更のための並列回路を概略的に示す。
【図3A】本発明のいくつかの実施形態による、不安定電力源に結合された電解槽を動作させる方法のステップを概略的に示す。
【図3B】本発明のいくつかの実施形態による、少なくとも１つのＳＯＨ関連パラメータを監視することを含む、不安定電力源に結合された電解槽を動作させる方法のステップを概略的に示す。
【図3C】本発明のいくつかの実施形態による、複数の不安定電力源に結合された複数の電解槽を動作させる方法のステップを概略的に示す。
【図4A】本発明のいくつかの実施形態による、不安定電力源に結合された電解槽の動作パラメータ変更を決定する方法のステップを概略的に示す。
【図4B】本発明のいくつかの実施形態による、不安定電力源に結合された電解槽の動作パラメータ変更を使用する方法のステップを概略的に示す。
【図4C】発明のいくつかの実施形態による、不安定電力源に結合された電解槽の動作状態遷移を実装する方法のステップを概略的に示す。
【図5A】本発明のいくつかの実施形態による、不安定電力源に結合された電解槽の２つの状態間において無遅延の動作パラメータ変更を適用するプロットを概略的に示す。
【図5B】本発明のいくつかの実施形態による、不安定電力源に結合された電解槽の複数の状態間において無遅延の動作パラメータ変更プロセスを適用するプロットを概略的に示す。
【図6A】本発明のいくつかの実施形態による、不安定電力源に結合された電解槽の第１の動作パラメータ変更の第１の遅延の測定のプロットを概略的に示す。
【図6B】本発明のいくつかの実施形態による、不安定電力源に結合された電解槽の第２の動作パラメータ変更の第２の遅延の測定のプロットを概略的に示す。
【図6C】本発明のいくつかの実施形態による、不安定電力源に結合された電解槽の第３の動作パラメータ変更の第３の遅延の測定のプロットを概略的に示す。
【図7】本発明のいくつかの実施形態による、ホットスタートからの不安定電力源に結合された電解槽の第４の動作パラメータ変更の遅延の測定のプロットを概略的に示す。
【図8】本発明のいくつかの実施形態による、不安定電力源に結合された電解槽の動作パラメータ変更減少（シャットオフ）の遅延の測定のプロットを概略的に示す。
【図9】本発明のいくつかの実施形態による、不安定電力源に結合された電解槽の動作パラメータ変更の遅延のプロットを、新品時及び長期使用後について概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【0018】
別途定義されない限り、本明細書で使用される全ての学術用語及び科学用語は、本開示が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。
【0019】
水素発生のための水電解システム、デバイス、及び方法が開示され、これは、不安定電力源と、電解槽と、制御デバイスとを備え、電解槽は、制御デバイスを介して不安定電力源に機能的に接続されてもよい。典型的には、電解槽を不安定電力源と組み合わせる場合、プロセス全体の経済効率が考慮される場合がある。例えば、不安定電力源からの最大出力が変動し得る場合であっても、そのような最大出力を利用することによって電解槽を高効率で動作させることができるように、費用効率の高い水素発生システムを設計することができる。
【0020】
水電解システムは、不安定電力源によって電力供給されてもよい。水電解システムは、水素発生の経済的効率又はプロセスのエネルギー効率に加えて、電解槽及びエネルギー源の動作のパラメータを制御する。電解槽の動作パラメータ、例えば、これらに限定されないが、電流密度又は電圧、温度、電解質又は水の流量、並びに水素及び／又は酸素圧力が、膜、電極、又はフロープレートなどの電解槽の異なる構成要素の耐久性に著しく影響を及ぼす場合があり、それにより、電解槽寿命を減少させ、又は安全上の問題を引き起こすことさえある。制御デバイスは、電解槽の寿命を延ばすために電解槽の少なくとも１つの動作パラメータを制御するように構成されてもよい。不安定電力源から直接電力を受け取る電解槽の動作電圧又は電流は、電力源の電力出力に直接依存する。例えば、不安定電力源によって供給される不十分な電力（移動する雲によって引き起こされる太陽電池アレイにおける部分的な遮光、又は風力タービンにおける悪天候パラメータの結果であり得る）に起因した、電圧の急激な低下、又は更には電解槽のシャットダウンが、膜に悪影響を及ぼす場合があり、膜の薄化又は更には穿孔につながる場合がある。電力の急激な減少から電解槽を保護することが重要な場合がある。これに対して、不安定電力源が最適な気象パラメータで動作し、電解槽に十分な電力を供給している場合であっても、過度に高い電流密度で電解槽を動作させることによって、膜を破壊する場合がある。制御デバイスは、電解槽の電気的動作点を制御するように構成されてもよい。具体的には、制御デバイスは、不安定電力源の出力電力を調節して、それを電解槽の所定の入力電流又は電圧に整合させるように構成されてもよい。所定の入力電流又は電圧は、電解槽の寿命を増加又は減少させるように選択される場合がある。
【0021】
例えば、ＳＯＨバランシング複数電解槽の場合、複数の電解槽の寿命のタイミングを揃えて、電解槽の交換中の水素発生のダウンタイムを最小限に抑えてもよい。複数の電解槽のＳＯＨバランシングはまた、古い電解槽を段階的に除去することを可能にし、したがって古い電解槽を新しいより効率的な電解槽と交換することができる。
【0022】
動作中の複数の電解槽間の電力バランシングは、修理及び交換のタイミングを揃えるのに役立つ場合がある。複数の電解槽間の電力バランシングにより、各電解槽への電力を、水素発生を最大化すること、寿命を最大化すること、修理タイミングを揃えること、又は交換タイミングを揃えることなどの所与の動作目標のために、各電解槽が受け入れることができる電力に揃えることが可能となり得る。
【0023】
本明細書で交換可能に使用される用語「電気的動作点」、「ターゲット電気的動作点」、及び「好ましい電気的動作点」は、電解槽の入力電圧及び電流（又は電流密度）のいずれか１つを指し、動作電圧とその結果としての電流との関係、又は動作電流（又は電流密度）と、その結果としての電圧との関係は、電解槽の分極（Ｉ－Ｖ）曲線によって定義できる。
【0024】
電流密度が電解槽セルの表面積によって正規化された電流であると理解されるので、用語「電流」及び「電流密度」は、本明細書では交換可能に使用される。
【0025】
用語「寿命」は、本明細書で使用される場合、電解槽を交換する必要性が生じるまで、又は閾値未満の劣化した性能を示すまでの動作時間数を指す場合がある。用語「寿命」は、電解槽がその公称電圧で動作することができる動作時間数を指す場合がある。用語「寿命」は、電解槽がその公称電流で動作することができる動作時間数を指す場合がある。
【0026】
用語「寿命を増加させる」は、本明細書で使用される場合、電解槽の動作時間を少なくとも約１％増加させることを指す場合があり、そのとき、電解槽は、その寿命の全体にわたって、少なくとも特定の時間数にわたって、公称電圧又は公称電流以外のパラメータで動作する。用語「寿命を増加させる」は、電解槽の動作時間を、少なくとも約２％、少なくとも約５％、少なくとも約７％、少なくとも約１０％、少なくとも約１５％、又は少なくとも約２０％増加させることを指す場合がある。
【0027】
用語「公称電圧」は、本明細書で使用される場合、電解槽が動作するように構成され得る電圧として電解槽の製造業者によって提供される電圧を指す。公称電圧は、典型的には、約７０～８０％の電圧効率に対応する。
【0028】
用語「公称電流」は、本明細書で使用される場合、電解槽が動作するように構成され得る電流密度として電解槽の製造業者によって提供される電流密度を指す。
【0029】
用語「不安定電力源」は、本明細書で使用される場合、例えば、その電力生産能力がその環境に依存するゆえに、電力発生が一定ではない場合があるエネルギー源を指す。不安定電力源は、再生可能エネルギー源であってもよい。水電解システムにおいて使用できる不安定電力源の非限定的な例としては、光起電力（ＰＶ）電力源、太陽熱エネルギー（ｓｏｌａｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｎｅｒｇｙ、ＳＴＥ）電力源、風力電力源、潮力電力源、不安定な電気グリッド、及び波力電力源が挙げられる。光起電力発電は、発電される電力が周囲光に比例するため間欠的な場合がある。風力発電は、一定ではない場合がある風力に依存する。潮力は、潮の満ち引きと共に変動し、波力は、広く変動し得る波の力に依存する。電気グリッドは、（主回路遮断器によって制限されるような）固定グリッド電力が電解槽と他の不安定な負荷との間で共有される場合に不安定であり得る。したがって、残りのグリッド電力は不安定であり、不安定電力源と見なすことができる。電解槽は、残りの不安定グリッド電力から動作されてもよい。本明細書の不安定電力源の例の多くは、例においてＰＶシステムを使用しているが、本明細書で説明されるデバイス、システム、及び方法は、任意の不安定電力源に適用されることを理解されたい。
【0030】
不安定電力源は、ＰＶ電力源であってもよい。用語「ＰＶ電力源」は、本明細書で使用される場合、単一のＰＶパネル又はＰＶパネルの組合せ（本明細書では、文脈が別段の指示をしない限り、「ＰＶアレイ」とも呼ばれる）を指す場合がある。用語「ＰＶ電力源」は、直流（ＤＣ）－ＤＣ変換器などの変換器モジュールに機能的に取り付けられたＰＶパネルを包含することができ、これは、本明細書では「オプティマイザ」又は「電力オプティマイザ」とも呼ばれる。用語「ＰＶパネル」は、本明細書で使用される場合、１つ以上の太陽電池、複数の半導体接合のセル、薄膜及び／又はバルク材料の、及び／又は異なる材料の、異なる方法（例えば、直列、並列、直列／並列）で接続された太陽電池、のいずれかを含む。複数のＰＶパネルが使用される場合、それらは、例えば変換器モジュールを使用することにより、それらの最大電力点（ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ、ＭＰＰ）で動作されてもよい。
【0031】
ここで図１Ａを参照すると、この図面は、本明細書の開示のいくつかの実施形態による、水電解システム１０１を概略的に示す。システム１０１は、不安定電力源（例えば、ＰＶアレイ１０３）と、電解槽１０５と、不安定電力源１０３と電解槽１０５との間を機能的に接続する制御デバイス１０７とを含む。制御デバイス１０７は、電解槽１０５の少なくとも１つの動作パラメータを制御して、その寿命を延ばすように構成されてもよく、少なくとも１つの動作パラメータは、電解槽１０５の電気的動作点を含む。制御デバイス１０７は、不安定電力源１０３の出力電力を調節して、電解槽１０５の電気的動作点に整合させる。
【0032】
水電解システムは、水から水素を生成するために太陽エネルギーを用いるオフグリッドシステムであってもよい。このようなシステムは、例えば、燃料電池ベースの車両用の燃料補給システムとして使用されてもよい。生成された水素は、異なる場所での使用のために収集及び輸送されてもよい。本明細書に記載される水電解システムは、電気グリッド及び電気負荷のうちの少なくとも１つに機能的に接続されてもよく、不安定電力源は、電解槽に電力を供給して水素を発生させることと並行して、住宅用又は商業用に電力を供給してもよい。グリッド接続システムは、必要に応じて、ユーティリティグリッドから電力を受け取って、不安定電力源により供給される電力を補ってもよい。不安定電力源は、グリッド及び負荷のうちの少なくとも１つに機能的に接続されてもよい。電解槽は、グリッドに機能的に接続されてもよい。接続は、制御デバイスによって実装されてもよい。
【0033】
本明細書で交換可能に使用される用語「電気グリッド」及び「グリッド」は、交流（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ、ＡＣ）電力源を指す。
【0034】
本明細書で交換可能に使用される用語「電気負荷」及び「負荷」は、不安定電力源から電力を吸収することが可能であり得る任意のデバイス又はデバイス群を指す。
【0035】
水電解システムは、限定はしないが、高分子電解質膜水電解槽（ｐｏｌｙｍｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｗａｔｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｅｒ）、液体電解質電解槽（ｌｉｑｕｉｄ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｅｒ）、及び固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）などの任意のタイプの電解槽を含むことができる。電解槽は、プロトン交換膜水電解槽及びアニオン交換膜水電解槽から選択することができる。
【0036】
電解槽の１つ以上の構成要素の劣化を抑制するために、好ましい電気的動作点レベルが選択されてもよい。電解槽は、典型的には、（使用される電解槽技術に応じて）膜又はセパレータによって分離されたカソード及びアノードを含む少なくとも１つの電解槽セルを含む。セパレータは、アルカリ水電解槽及び酸性水電解槽における、それぞれ液体アルカリ電解質又は液体酸性電解質と共に使用されてもよい。セパレータは、多孔質の薄膜であって、電解質イオンの通過を可能にする一方で、電気絶縁性であることにより、電極間の電気的短絡を回避するものであり得る。セパレータは、アノード及びカソードでそれぞれ生成された酸素及び水素のクロスオーバーを防止して、水素発生効率の低下を回避し、潜在的な安全性リスクを防止するように構成することができる。
【0037】
高分子電解質膜（ＰＥＭ）などの膜は、プロトンの伝導、生成物ガスの分離、及び電極の電気絶縁の役割を担い得る固体高分子電解質（solid polymer electrolyte、ＳＰＥ）を有する、固体システムにおいて使用することができる。例えば、プロトンを伝導するプロトン交換膜が、プロトン交換膜水電解槽において使用されてもよく、アニオンを伝導するアニオン交換膜が、アニオン交換膜水電解槽において用いられてもよい。高分子電解質膜の使用は、ラジカル攻撃並びにその後の膜の薄化及び官能基の喪失よって引き起こされる膜の化学的劣化により生じ得る水素及び酸素のクロスオーバーによって妨げられる場合がある。膜劣化の深刻度は、電解槽の動作時間、並びに電解槽の特定の動作パラメータ、例えば高電流密度での動作、に依存する場合がある。
【0038】
電解槽のカソード及びアノードは、金属電極の形態であってもよく、又はそれぞれ水素発生反応及び酸素発生反応に触媒作用を及ぼすように構成された触媒を含有してもよい。触媒及び適切な添加剤は、導電性支持体に、例えば、金属メッシュ、又はカーボン紙若しくは布を有するガス拡散層に、適用されてもよい。代わりに、触媒は膜上に直接適用されてもよい。電解槽の最適でない動作パラメータが、カソード及び／又はアノードの劣化を加速し、それにより電解槽寿命が減少する場合がある。例えば、低温アルカリ電気分解では、動作を最小セル電位に維持することにより、電極の劣化を低減させることができる。
【0039】
電解槽セルは、カソード及びアノードへ又はカソード及びアノードから電子を伝導するための集電体と、電解質及び／又は水の流れのためのフロープレートとを含んでもよい。これら追加の構成要素もまた、電解槽の動作パラメータに応じて劣化を受ける場合がある。
【0040】
水電解システムの制御デバイスが電解槽の動作パラメータを制御することによって、電解槽の様々な構成要素の劣化を軽減することができる。制御は、少なくとも１つのエネルギー貯蔵デバイスを備える制御デバイスを使用することによって実施されてもよい。エネルギー貯蔵デバイスは、コンデンサ、バッテリ、フローバッテリ、燃料電池、フライホイール、及びそれらの任意の組合せから選択されてもよい。好ましくは、制御デバイスは、コンデンサ及びバッテリのうちの少なくとも１つを含む。適切なコンデンサの非限定的な例としては、電気二重層コンデンサ、ファラッドコンデンサ（ｆａｒａｄ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）、表面実装コンデンサ、単層コンデンサ、セラミックコンデンサ、及びタンタルコンデンサが挙げられる。用語「電気二重層」は、本明細書で使用される場合、二重層コンデンサ、電気化学コンデンサ、スーパーキャパシタ、及びウルトラキャパシタのうちのいずれか１つを包含することを意図している。適切な電池の非限定的な例としては、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、リチウム硫黄電池、リチウム空気電池、ナトリウムイオン電池、マグネシウムイオン電池、ナトリウムイオン電池、カリウムイオン電池、アルミニウムイオン電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、及び鉛酸蓄電池が挙げられる。
【0041】
制御デバイスは、急速充電エネルギー貯蔵デバイスであってもよい少なくとも１つのエネルギー貯蔵デバイスを備えてもよい。用語「急速充電」は、本明細書で使用される場合、電池を参照する場合、３Ｃ以上の充電速度を有する電池を意味し、Ｃは１時間当たりの総電池容量である。急速充電デバイスは、電気二重層コンデンサ及びリチウムイオン電池から選択されてもよい。
【0042】
制御デバイスは、例えば、１Ａ／時間以上の容量を有するバッテリなどの大容量エネルギー貯蔵デバイスであってもよい、少なくとも１つのエネルギー貯蔵デバイスを備えてもよい。
【0043】
制御デバイスは、少なくとも１つの急速充電エネルギー貯蔵デバイス及び少なくとも１つの大容量エネルギー貯蔵デバイスを備えてもよい。急速充電エネルギー貯蔵デバイスは、不安定電力源の出力電力を調節することを支援して、電解槽の動作中の（数秒の範囲内の）高速出力変化を緩和して、例えば、電解槽寿命に悪影響を及ぼし得る電解槽の動作電圧又は電流の変動を防止するための、電気的動作点を提供することができる。大容量エネルギー貯蔵デバイスは、不安定電力源の出力電力を調節することを支援して、その（数分の範囲の）緩慢な変化を緩和して、電気的動作点を提供することができる。例えば、不安定電力源の出力電力が不十分になったときに、大容量エネルギー貯蔵デバイスは放電して、電圧又は電流を最適ではない値に減少させる又は電解槽をシャットダウンする必要なく、電解槽に電力を供給して、所望の動作電圧又は電流を維持することができる。大容量エネルギー貯蔵デバイスはまた、不安定電力源の過剰な出力電力を貯蔵するために充電されて、電解槽に提供される出力電力を電解槽の電気的動作点に整合させてもよい。
【0044】
システムの動作目標を最適化するのに十分な時間及び十分な電力のために、１つ以上のエネルギー貯蔵デバイスを使用して、１つ以上のエネルギー貯蔵デバイスの電力を用いて電解槽を動作させるのに十分なエネルギーが利用可能になるまで、不安定電力源から十分なエネルギーを貯蔵してもよい。例えば、低電力ＰＶシステム（例えば、毎日５時間にわたって電力を供給する５ｋＷのＰＶシステム）は、２０日間の期間にわたって大型エネルギー貯蔵デバイス（例えば、５００ｋＷｈのバッテリシステムなど）にエネルギーを供給することができ、その後、電解槽は、貯蔵期間よりも短い期間（例えば、２日間の連続動作時間）にわたって高電力レート（例えば１０ｋＷ）で動作される。
【0045】
電解槽の少なくとも１つの動作パラメータを効果的に制御するための、制御デバイスの１つ以上のエネルギー貯蔵デバイスの動作は、適切な回路、１つ以上のセンサ、及び／又は１つ以上の電力変換デバイスによって可能にすることができる。例えば、制御デバイスは、コントローラと、不安定電力源の出力電力に関連するパラメータ（例えば、電流及び電圧）を感知し、感知及び／又は計算された電力をコントローラに報告するように構成されたセンサと、不安定電力源の出力電力の少なくとも一部分を電解槽の好ましい電気的動作点に変換するように構成された電力変換器とを含んでもよい。コントローラは、好ましい電気的動作点及び出力電力の少なくとも一部分を設定することを含む、制御デバイスの動作における様々なステップを、自動的に実施するように構成されたアルゴリズムを実行してもよい。コントローラは、データ（パラメータ及び／又はコマンド、例えば、アルゴリズムを実装するためのコード等）を記憶するための可読メモリ、例えばデジタルメモリ、を含んでもよい。加えて、コントローラは、記憶されたデータを処理及び分析するように構成された機械学習アルゴリズムを含んでもよく及び／又は実行してもよい。
【0046】
可変貯蔵デバイスの出力電力は、第１の部分と第２の部分とに分割されてもよい。例えば、不安定電力源の出力電力が電解槽の電気的動作点よりも高い場合、電力の少なくとも一部分は、電気的動作点がコントローラによって設定された後に、電力変換器によって変換され、電解槽に供給され得る、第１の部分であってもよい。コントローラは、不安定電力源の出力電力の第２の部分を、エネルギー貯蔵デバイス、グリッド、及び負荷のうちの少なくとも１つに移行させることを可能にするように構成されてもよい。不安定電力源の出力電力が電解槽の電気的動作点よりも著しく高くない場合、電力変換器は、不安定電力源の全出力電力を電解槽の電気的動作点に変換するように構成されてもよい。コントローラは、例えば、出力電力が電解槽の電気的動作点に実質的に等しい又はそれよりも低い場合に、電力変換器を介して不安定電力源によって供給される電力に加えて、エネルギー貯蔵デバイス及びグリッドのうちの少なくとも１つから電解槽への電力の移行を可能にするように構成されてもよい。
【0047】
用語「電力変換器」は、本明細書で使用される場合、電圧制御又は電流制御の交流（ＡＣ）－ＤＣ又はＤＣ－ＤＣ変換器、例えば、バック変換器、ブースト変換器、バックブースト変換器、フルブリッジ変換器、フライバック変換器、ハーフブリッジ変換器、フルブリッジ変換器、又は当技術分野で公知の電力変換／逆変換のための任意の他の回路を指す。電力変換器は、電流制御モードと電圧制御モードとの間で切り替えることができるＤＣ－ＤＣ変換器を含んでもよい。電力変換器は、ＤＣ－ＤＣ変換器及びＡＣ－ＤＣ変換器を含んでもよい。
【0048】
制御デバイスは、例えば、不安定電力源をグリッド若しくは負荷に接続するための及び／又は電解槽をグリッドに接続するための１つ以上のＡＣ－ＤＣ変換器又はＤＣ－ＡＣインバータを含んでもよい。負荷がＤＣ動作負荷である場合、制御デバイスは、不安定電力源を負荷に接続するためのＤＣ－ＤＣ変換器を含んでもよい。電解槽は、グリッドに接続するためのＤＣ－ＡＣ接続を含んでもよい。制御デバイスは、ＰＶパネル温度及び放射照度値（ｉｒｒａｄｉａｎｃｅ ｖａｌｕｅ）に依存する最大電力点を連続的に追跡することによりＰＶアレイ出力電力を最大化するように構成された１つ以上の電力オプティマイザを含んでもよい。
【0049】
電解槽の動作、電力源、グリッドからの電力、負荷への電力、及びエネルギー貯蔵デバイスへの電力を監視することは、負荷及び電解槽の将来の電力需要を予測するためのパターンを提供し、電解槽及びエネルギー貯蔵デバイスを制御して、利用可能な電力源及び負荷要件に関する将来の予測される変化を考慮することを可能にできる。例えば、既知の負荷が将来必要となる場合、電力をエネルギー貯蔵デバイスに格納し、必要なときに負荷に供給することができ、それにより、電解槽が好ましい動作パラメータで動作し続けることが可能になる。
【0050】
ここで図１Ｂを参照すると、この図面は、本発明のいくつかの実施形態による、水電解システム２０１を概略的に示す。システム２０１は、不安定電力源（例えば、ＰＶアレイ２０３）、電解槽２０５、及び電解槽２０５を不安定電力源２０３に接続する制御デバイス２０７を含む。制御デバイス２０７は、エネルギー貯蔵デバイス２０９及び追加の電子構成要素を含む。制御デバイス２０７は、不安定電力源２０３を電気グリッド２１１及び電気負荷２１３に接続することができる。制御デバイス２０７は、不安定電力源２０３の出力電力が電解槽２０５の電気的動作点よりも大きい場合に、不安定電力源２０３の出力電力を、電解槽２０５と、エネルギー貯蔵デバイス２０９、電気グリッド２１１、及び負荷２１３のうちの少なくとも１つとの間で分割し、それにより出力電力を電解槽２０５の電気的動作点に整合させるように構成されてもよい。制御デバイス２０５は、不安定電力源２０３の出力電力が電解槽２０５の電気的動作点よりも小さい場合に、不安定電力源２０３の出力電力に加えて、エネルギー貯蔵デバイス２０９及び電気グリッド２１１のうちの少なくとも１つから電解槽２０５への電力の送達を促進し、それにより出力電力を電解槽２０５の電気的動作点に整合させるように構成されてもよい。制御デバイス２０７は、センサ２１５、例えば、電流センサ、電圧センサ、温度センサ、圧力センサ、及び電力センサを含んでもよい。制御デバイス２０７は、スイッチ及び電力バス２１６を含んで、必要に応じて複数の電解槽を直列又は並列に接続及び切断することを可能にしてもよい。制御デバイス２０７は、電解槽の動作パラメータ及び動作状態の管理を実施するコントローラ又は制御回路２１７を含んでもよい。制御デバイス２０７は、変換器２１９、例えばＤＣ電解槽によって使用されるＤＣ電力源を変換するためのＤＣ－ＤＣ変換器、又はＤＣ電解槽によって使用されるＡＣ電力源を変換するための交流（ＡＣ）－ＤＣ変換器を含んでもよい。
【0051】
上述したように、電解槽の電気的動作点を制御することは、電解槽の動作電圧及び動作電流のうちの少なくとも１つを制御することを含んでもよい。電解槽は、定常状態条件で（例えば、定電圧で又は定電流で）動作させてもよい。代わりに、電解槽は、パルス直流電流又は電圧を利用する交互電解モードで動作されてもよい。したがって、動作電流又は電圧の振幅を制御することに加えて、定常状態条件で動作する場合、電解槽の電気的動作点の追加の特徴が制御されてもよい。例えば、従来のパルス幅変調（ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、ＰＭＷ）を利用することによって、波形のタイプ、デューティサイクル、及び周波数を含む複数の従属変数が変更されてもよい。加えて、動作電流又は電圧を、周期的な位相で時間に対して線形に変化させてもよい。電解槽の動作電圧及び動作電流のうちの少なくとも１つを制御することは、動作電圧又は動作電流の振幅、動作電圧又は動作電流が変化される速度、動作電圧又は動作電流の波形のタイプ、波形のデューティサイクル、及び波形の周波数、のうちの少なくとも１つを制御することを含んでもよい。例えば、電流及び／又は電圧を制御して、電解槽膜への電気化学的ストレスを最小限に抑えてもよい。
【0052】
動作電流又は電圧の前述した特徴に対する制御は、コントローラ、電力変換器、及び任意選択でエネルギー貯蔵デバイスによって実施されてもよい。コントローラは、振幅、波形タイプ、デューティサイクル、及び周波数を設定してもよく、電力変換器は、コントローラによって提供される命令に基づいて、不安定な電力デバイスの出力電力の少なくとも一部分を受け取り、それを電解槽の電気的動作点に変換してもよい。エネルギー貯蔵デバイスは、動作電流又は電圧を減少させる必要がある場合に過剰な出力電力を貯蔵することによって、及び動作電流又は電圧を増加させる必要がある場合に追加電力を供給することによって、動作電圧又は動作電流が変化する速度を制御することを可能にし得る。
【0053】
水電解システムの制御デバイスは、不安定電力源の予測出力電力に基づいて、電解槽の少なくとも１つの動作パラメータを制御するように構成されてもよい。予測出力電力は、例えば、機械学習アルゴリズムと、エネルギー出力に影響を及ぼす検出可能パラメータとを使用することにより計算できる。例えば、ＰＶ電力源を使用する場合、予測出力電力は、とりわけ時刻及び気象条件に依存する照明強度に基づく場合がある。風力タービン効率もまた、気象データに基づいて予測できる。
【0054】
不安定電力源の現在の出力電力が、特定の動作パラメータにて、例えば比較的高い電流密度にて、電解槽を動作させることを可能にすることにより、水素発生効率が増加する場合であっても、その動作パラメータは、電解槽寿命を向上させるために予測出力電力に基づいて調整することができ、その結果、水素発生が減少する。例えば、ＰＶアレイの出力電力が夕方に低下することが予想される場合、電解槽の少なくとも１つの動作パラメータを制御することは、出力電力の実際の減少によって引き起こされる突然のシャットダウンの代わりに、日没前に電解槽を徐々にシャットダウンするための動作電流又は電圧の先制的な緩慢な減少を含んでもよい。制御デバイスは、夜間又は悪天候状況が予想される場合に、電解槽を最大で約１０％の電流効率で動作させるために、動作電流又は電圧を徐々に減少させてもよい。電解槽を動作させるための電力は、エネルギー貯蔵デバイスによって供給されてもよい。電解槽を非常に低い電流で動作させることは、水素発生に関しては非効率的であるが、電解槽の寿命を延ばすことができる。したがって、不安定電力源の予測出力電力を使用することにより、有利なことに、電解槽の動作パラメータの調整を、そのような変化が出力電力の実際の状態によって必要とされ得る前に行うことができ、それにより、電解槽がその耐久性に悪影響を及ぼす非最適条件で動作する状況を減少させる又は更には排除することができる。
【0055】
水電解システムの制御デバイスは、電解槽の動作温度、電解質又は水の流量、水素及び／又は酸素の圧力、並びにそれらの任意の組合せなどであるがこれらに限定されない、電解槽の追加の動作パラメータを制御してもよい。
【0056】
温度は、特にＰＥＭ電解槽にとって、電解槽の効率及び耐久性に影響を及ぼし得る重要な動作パラメータであり得る。ＰＥＭ電解槽内での高い動作温度及び電流密度が、膜及び電極の老化を加速させる場合がある。高温はまた、水素及び酸素のクロスオーバーの増加をもたらす場合がある。用語「電解槽の動作温度」は、本明細書で使用される場合、電解槽から流れ、電解槽内で行われるプロセスによって影響を受ける場合がある、電解質又は水の温度とは対照的に、制御できる温度、例えば電解槽セル内に流入する電解質又は水の温度を指す。
【0057】
電解質又は水の流量、並びにカソード及びアノードにおけるガス圧力又は組成もまた、電解槽の耐久性に影響を及ぼし得る。例えば、電解質又は水の流量が電解槽温度を制御できるので、耐久性に対するその影響は、温度の影響と同様であり得る。
【0058】
追加の動作パラメータは、電解槽の電気的動作点に影響を及ぼし得る。例えば、電解槽をより高い電流密度で動作させることにより、電解槽の温度が増加し、それにより、電解槽の様々な構成要素の劣化が加速される。電解槽をより高い温度で動作させることが指定される場合、電解槽の寿命への悪影響を低減させるため、電解槽の電流密度を低減させてもよい。したがって、制御デバイスは、前述した追加の動作パラメータを考慮して、不安定電力源の出力電力を調節して、それを電解槽の電気的動作点に整合させるように構成されてもよい。例えば、コントローラは、電解槽の動作電流又は電圧、及び動作温度を設定するように構成されてもよく、動作電流又は電圧は動作温度に依存し、したがって、不安定電力源の出力電力を調節することもまた、電解槽の動作温度に依存する場合がある。
【0059】
制御デバイスは、電解槽の動作温度、電解質又は水の流量、並びに水素及び／又は酸素の圧力を含む、少なくとも１つの追加の動作パラメータを測定するように構成されたセンサを含んでもよい。好適なセンサの非限定的な例としては、熱電対、赤外線センサ、薄膜熱センサ、流量計、圧力変換器、及びこれらの任意の組合せが挙げられる。センサを使用して、前述した追加の動作パラメータを制御してもよい。制御デバイスは、水サイクル及び／又は熱交換器などの前述した少なくとも１つの追加の動作パラメータを制御するための手段を含んでもよい。
【0060】
電解槽の電気的動作点及び上に列挙した追加の動作パラメータを含む、電解槽の寿命を増加させるための電解槽の少なくとも１つの動作パラメータに対する制御は、動作パラメータの所定の値に基づいてもよい。制御デバイス、具体的にはコントローラは、動作パラメータを設定するためにコントローラによって使用され得るルックアップテーブルを含んでもよい。
【0061】
所定の値は、少なくとも１つの動作パラメータと電解槽寿命との関連性を表すモデルから導出されてもよい。所定値は、異なる動作パラメータの組合せと電解槽寿命との関連性を表すモデルから導出されてもよい。例えば、モデルは、少なくとも１つの動作パラメータと、限定はしないが、膜、セパレータ、カソード、アノード、集電体、又はフロープレートなどの電解槽の１つ以上の構成要素の劣化との関連性を表してもよい。モデルは、動作電流又は電圧と、電解槽の動作温度と、膜の耐久性との関連性を表してもよい。
【0062】
加えて又は代わりに、所定の値は、少なくとも１つの動作パラメータと電解槽寿命との関連性を表す経験的／測定されたデータから導出されてもよい。例えば、経験的／測定されたデータは、少なくとも１つの動作パラメータと電解槽の１つ以上の構成要素の劣化との関連性を示し得る。電解槽の特定の動作条件と特定の構成要素の劣化との関係を確立するために、様々なタイプの試験を実施してもよい。適切な試験の非限定的な例としては、電解槽の劣化に対する様々な動作パラメータの長期効果を評価することを可能にする加速劣化試験が挙げられるが、この試験は比較的短い期間にわたって行ってもよい。
【0063】
加えて又は代わりに、所定の値は、水電解システムにおいて以前に使用された又は現在使用されているものと同じ種類の複数の電解槽から得られたデータから導出されてもよい。コントローラの機械学習アルゴリズムは、そのデータを分析して、少なくとも１つの動作パラメータと電解槽寿命との間の相関を評価し、この相関に基づいて少なくとも１つの動作パラメータの所定の値を提供するように構成されてもよい。
【0064】
複数の電解槽から得られたデータは、水電解システムの動作の全体を通して制御デバイスによって測定された、上で列挙したような１つ以上の動作パラメータを含んでもよい。
【0065】
所定の値は、公称電力の所定の割合にて、所定の時間数にわたって、電解槽を動作させることを可能にするように構成されてもよい。電解槽を交換する必要が生じるまでに、電解槽が一定の時間数にわたって動作することを確実にするために、電解槽の一定の動作パラメータがその動作寿命の一定の期間にわたって前述した所定の値に設定されてもよいことが、モデル、経験的／測定されたデータ又は機械学習アルゴリズムに基づいて確立されてもよい。例えば、特定のタイプの電解槽が、０時間の動作と１００時間の動作との間で動作される場合は、第１の電流密度及び／又は第１の電圧並びに第１の温度で動作されてもよく、１００時間の動作と３００時間の動作との間で動作される場合は、第２の電流密度及び／又は第２の電圧並びに第２の温度で動作されてもよいことが、予め決定されてもよい。
【0066】
制御デバイスは、電解槽の健康状態（ＳＯＨ）に関連する少なくとも１つのパラメータのリアルタイム監視を実施し、そのパラメータに基づいて少なくとも１つの動作パラメータを制御してもよい。
【0067】
用語「監視」、「感知」、「評価」、及び「測定」は、本明細書では交換可能に使用される。
【0068】
健康状態関連パラメータという用語は、本明細書で使用される場合、電解槽などの電気化学デバイス、又は電解槽スタックなどの電気化学デバイスの組合せの状態を、その理想的な状態、例えば、ユーザによる動作前の、製造業者によって提供されるその初期状態と比較した性能指数を指す。電気化学デバイスの健康状態は、抵抗値、インピーダンス、コンダクタンス、容量、電圧、電流、及び電力を受け入れる又は引き出す能力などであるが、これらに限定されない、様々な電気化学的パラメータに基づいて決定されてもよい。電解槽構成要素の物理的又は化学的状態に関連する追加のパラメータを使用して、そのＳＯＨを評価することもできる。制御デバイスによって監視され得る適切なＳＯＨ関連パラメータの非限定的例は、定電流動作時の電解槽電圧、定電位動作時の電解槽電流、内部セル抵抗又はインピーダンス、電解質の温度、電解質の導電率、電解質の化学組成、及びそれらの任意の組合せを含む。例えば、高動作電圧は、電解槽の劣化の兆候であり得る性能損失を示す場合がある。これに対して、低動作電圧は、膜の薄化により可能になり得る水素又は酸素のクロスオーバーから生じる場合がある。電解槽の過度に高い温度は、電解槽の劣化に起因する高い抵抗損の兆候であり得る。電解槽の出口から流れる電解質又は水に見られる膜成分、例えば、フルオロポリマーベースのＰＥＭからのフッ化物イオンが、膜又はセパレータの分解の指標として機能し得る。
【0069】
（電解槽の動作温度とは対照的に）電解槽の温度に言及する場合、それは、電解槽の出口から流れる電解質の温度、電解槽の入口と出口との間の電解槽の温度の勾配、及び膜又はセパレータ中の電解質の温度のうちのいずれか１つを含み得る。
【0070】
制御デバイスは、ＳＯＨ関連パラメータを測定するように構成された少なくとも１つのデバイスを含んでもよい。例えば、温度は、熱電対、赤外線センサ、及び薄膜熱センサのうちの１つ以上によって測定されてもよい。（定電流動作時の）電解槽電圧及び／又は（定電位動作時の）電解槽電流は、分極曲線（Ｉ－Ｖ曲線）、ＰＥＭストリップと組み合わされたダイナミック水素電極（ｄｙｎａｍｉｃ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ、ＤＨＥ）、水素基準電極（ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ、ＨＲＥ）、及び固体電解質接続（ｓｏｌｉｄ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）のうちの１つ以上により評価できる。内部セル抵抗又はインピーダンスは、分極曲線（Ｉ－Ｖ曲線）、ＰＥＭストリップと組み合わされたダイナミック水素電極（ＤＨＥ）、水素基準電極（ＨＲＥ）、固体電解質接続、及び電気化学的インピーダンス分光法（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、ＥＩＳ）のうちの１つ以上により評価できる。電解質の化学組成は、フッ化物選択電極を使用することにより評価できる。
【0071】
電解槽の少なくとも１つの動作パラメータを制御することは、動作パラメータの所定の値と電解槽のＳＯＨ関連パラメータとの間の相関に基づいてもよい。所定値は、少なくとも１つの動作パラメータとＳＯＨ関連パラメータとの関連性を表すモデルから導出されてもよい。所定の値は、少なくとも１つの動作パラメータとＳＯＨ関連パラメータとの関連性を表す経験的／測定されたデータから導出されてもよい。
【0072】
所定の値は、測定されたＳＯＨ関連パラメータに著しく影響を及ぼすことなく、電解槽を公称電力の所定の割合で動作させることを可能にするように構成されてもよい。用語「著しく影響を及ぼすことなく」は、本明細書で使用される場合、約１％未満であってもよいＳＯＨ関連パラメータの変化を指す場合がある。用語「著しく影響を及ぼすことなく」は、約５％未満であってもよいＳＯＨ関連パラメータの変化を指す場合がある。用語「著しく影響を及ぼすことなく」は、約１０％未満であってもよいＳＯＨ関連パラメータの変化を指す場合がある。測定されたＳＯＨ関連パラメータによって表されるその寿命に著しく影響を及ぼすことなく電解槽が動作することを確実にするために、電解槽の特定の動作パラメータが、測定されたＳＯＨ関連パラメータに関する前述の所定の値に設定されてもよいことが、モデル又は経験的／測定データに基づいて確立されてもよい。例えば、特定のタイプの電解槽を、測定されたＳＯＨ関連パラメータがＸである場合は、第１の電流密度及び／又は第１の電圧、並びに第１の温度で動作させてもよく、測定されたＳＯＨ関連パラメータがＸよりも１０％超大きい又は小さい場合は、第２の電流密度及び／又は第２の電圧、並びに第２の温度で動作させてもよいことが予め決定されてもよい。したがって、いつ少なくとも１つの動作パラメータを調整する必要があるかを確立するために、ＳＯＨ関連パラメータの絶え間ない監視が必要な場合がある。
【0073】
制御デバイスの機械学習アルゴリズムは、水電解システムにおいて以前に用いられたものと同じ種類の複数の電解槽から得られたデータを分析して、この複数の電解槽の少なくとも１つの動作パラメータとＳＯＨ関連パラメータとの間の相関を評価するように構成されてもよい。少なくとも１つの動作パラメータを制御することは、ＳＯＨ関連パラメータの測定値及び前述した相関の分析に基づいてもよい。機械学習アルゴリズムは、現在の電解槽の以前の動作データを分析して、この電解槽の少なくとも１つの動作パラメータとＳＯＨ関連パラメータとの間の相関を評価するように構成されてもよい。機械学習アルゴリズムは、フィードバックループを含んでもよく、ここで、少なくとも１つの動作パラメータは、ＳＯＨ関連パラメータに影響を及ぼし、少なくとも１つの動作パラメータは、ＳＯＨ関連パラメータの測定値に基づいて調整されてもよい。
【0074】
複数の電解槽から得られるデータは、水電解システムの動作の全体を通して制御デバイスによって測定された、上で列挙したような１つ以上の動作パラメータ及びＳＯＨ関連パラメータを含んでもよい。
【0075】
制御デバイスは、ＳＯＨ関連パラメータを繰り返し監視し、その後、少なくとも１つの動作パラメータを制御するように構成されてもよい。制御デバイスは、ＳＯＨ関連パラメータを連続的に監視するように構成されてもよい。
【0076】
例えば、電解槽を定電流モードで動作させてもよく、制御デバイスは、電解槽の電圧をその動作全体にわたって監視してもよく、電流は電解槽の少なくとも１つの動作パラメータであってもよく、電圧は電解槽のＳＯＨ関連パラメータであってもよい。したがって、制御デバイスは、測定された電圧に基づいて電流を繰り返し調整してもよい。代わりに、電解槽を定電位モードで動作させてもよく、制御デバイスは、電解槽の電流をその動作全体にわたって監視してもよい。別の例では、電解槽を定電位モードで動作させてもよく、制御デバイスは、電解槽の出口から流れる電解質又は水の温度をその動作全体にわたって監視してもよい。電圧は、電解槽の少なくとも１つの動作パラメータであってもよく、温度は、電解槽のＳＯＨ関連パラメータであってもよく、それにより、電圧は、測定された温度に基づいて繰り返し調整されてもよい。
【0077】
機械学習アルゴリズムは、ＳＯＨ関連パラメータを分析して、電解槽の１つ以上の構成要素のうちの特定の構成要素の劣化を検出するように構成されてもよい。制御デバイスは、少なくとも１つの動作パラメータを調整して、前述した１つ以上の構成要素のうちの特定の構成要素の寿命を延ばすように構成されてもよい。
【0078】
例えば、電解槽の電気的動作点は、膜の寿命を増加させるように選択されてもよい。電気的動作点は、最大約７５％の電流効率を供給する一定の電流又は電圧で電解槽を動作させることを可能にする動作電流又は電圧を含んでもよい。
【0079】
例えば、寿命は、電解槽を、ある間隔で、ある時間にわたって停止することにより増加できる。例えば、寿命は、電解槽の水素生成を、ある間隔で、ある時間にわたって減らすことにより増加できる。
【0080】
例えば、電気的動作点は、カソード及びアノードのうちの少なくとも１つの寿命を増加させるように選択できる。電気的動作点は、電解槽を約０％～約１０％の電流効率で動作させるように、動作電圧又は動作電流を小さくすることを含んでもよい。
【0081】
更に別の例では、電気的動作点は、不安定電力源の出力電力及びエネルギー貯蔵デバイスの電力が電気的動作点よりも低い場合、又はＳＯＨ関連パラメータが臨界値よりも低下又は上昇した場合、ゼロの動作電圧又は動作電流を含んでもよい。この臨界値は、膜の薄化に関連する場合がある。
【0082】
少なくとも１つの動作パラメータを制御することは、ＳＯＨ関連パラメータが臨界値よりも低下又は上昇したときに、動作電流を低下させること又は電解槽を一時的にシャットダウンすることを含んでもよい。ＳＯＨ関連パラメータは、臨界値よりも上昇する電解槽電圧であってもよい。臨界値は、カソード不活性化、アノード不活性化、及び膜又はセパレータのイオン伝導率の低下のうちの１つ以上に関連し得る。
【0083】
用語「臨界値」は、相対的スケールにおける値を指してもよく、ここで、より高い値がより良好なＳＯＨを意味する。電気的動作点は、ＳＯＨ関連パラメータが臨界値よりも低下したときに、ゼロの動作電圧又は動作電流を含んでもよい。
【0084】
水電解システムは、一緒に積層されて電解槽スタックを形成する複数の電解槽（又は電解槽セル）を含んでもよい。好ましくは、制御デバイスは、スタックの動作パラメータを全体的に制御する。
【0085】
水電解システムは、複数の電解槽スタックを含んでもよい。水素発生のための水電解システムが提供されてもよく、システムは、複数の不安定電力源と、複数の電解槽スタックと、制御デバイスとを含み、電解槽スタックの少なくとも一部が制御デバイスを介して不安定電力源に機能的に接続され、制御デバイスは、寿命を延ばすように、複数の電解槽スタックの少なくとも１つの動作パラメータを制御するように構成されてもよく、少なくとも１つの動作パラメータは電解槽スタックの電気的動作点を含み、制御デバイスは、複数の不安定電力源の出力電力を調節して、それを複数の電解槽スタックの電気的動作点に整合させる。
【0086】
各電解槽スタックは、制御デバイスを介して、対応する不安定電力源に機能的に接続されてもよい。制御デバイスは、各不安定電力源の出力電力を調節して、対応する電解槽スタックの電気的動作点に整合させることができる。
【0087】
複数の不安定電力源は、直列及び／又は並列の電気的接続で構成されて、複数の電解槽スタックに出力電力を供給してもよい。制御デバイスは、電気接続構成のタイプ（直列又は並列）を変化させて、複数の不安定電力源の出力電力を複数の電解槽の電気的動作点に整合させてもよい。
【0088】
制御デバイスは、上で詳述したように、エネルギー貯蔵デバイス、コントローラ、センサ、及び電力変換器を含んでもよい。各電解槽スタックを個別に制御するために、制御デバイスは複数の制御ユニットを含んでもよく、各制御ユニットはコントローラ、センサ及び電力変換器を含む。不安定電力源は、そのようなユニットを介して、対応する電解槽制御ユニットに個別に接続されてもよい。制御デバイスは、複数の不安定電力源の出力電力を個別に調節して、それを複数の対応する電解槽スタックの電気的動作点に整合させるように構成されてもよい。
【0089】
複数の制御ユニットを有する制御デバイスであって、各制御ユニットがコントローラ、センサ及び電力変換器を備える制御デバイスは、１つ以上のエネルギー貯蔵デバイスを含んでもよく、１つ以上のエネルギー貯蔵デバイスは、必要なときに複数の制御ユニットによって使用されて、電力を貯蔵及び放出してもよい。各制御ユニットは、個々のエネルギー貯蔵デバイスを含んでもよく、その結果、エネルギー貯蔵デバイスは、制御ユニット、及びその対応する不安定電力源と電解槽スタックとの対のみによって使用されてもよい。制御ユニットは、モジュール式であって、制御デバイス内においてホットスワップ機能を可能にして、保守によるダウンタイムを減らすこと及び水素発生を維持することが可能であってもよい。
【0090】
複数の不安定電力源は、電気グリッド及び負荷のうちの少なくとも１つに機能的に接続されてもよい。制御デバイスは、複数の不安定電力源を電気グリッド及び／又は負荷に接続してもよい。制御デバイスは、ＡＣ－ＤＣ変換器又はＤＣ－ＡＣインバータを含んでもよい。
【0091】
電解槽スタックの少なくとも１つの動作パラメータを制御することは、上で詳述したように、動作パラメータの所定値に基づいてもよい。好ましくは、複数の電解槽セルを含むスタックが関与する場合、前述した所定値は、単一セルに対してより好適なモデル又は経験的／測定データからではなく、同じシステムの以前に動作された電解槽スタックの機械学習分析から導出されてもよい。
【0092】
少なくとも１つの動作パラメータを制御することは、上で詳述したように、制御デバイスによる電解槽スタックの健康状態（ＳＯＨ）関連パラメータのリアルタイム監視に基づいてもよい。前述したＳＯＨ関連パラメータは、スタック内の異なる電解槽セル間で変動する場合があるが、ＳＯＨ関連パラメータの単一の値、例えば各セルのＳＯＨ関連パラメータの平均値が、スタックに割り当てられてもよい。
【0093】
制御デバイスは、例えば、予測電力出力が全てのスタックを動作させるには不十分であるかも知れない場合、又は１つ以上のスタックのＳＯＨが、それらが休止又は再生手順を経ることを示す場合、１つ以上のスタックをシャットダウンする一方で、他のスタックを動作させ続けてもよい。制御デバイスの機械学習アルゴリズムは、異なる電解槽スタックのＳＯＨを比較し、その比較に基づいて、各電解槽スタックの動作パラメータを選択するように構成されてもよい。異なる電解槽スタックのＳＯＨ間に著しい差がある場合、より良好なＳＯＨを有する電解槽スタックは、より高い電流密度で動作させてもよい一方で、劣ったＳＯＨを有するスタックは、特定の期間にわたって、又は異なるスタックのＳＯＨ間の差が著しくなくなるまで、より低い電流密度で動作させるか又は全く動作させなくてもよい。したがって、制御デバイスは、個々の電解槽スタックの寿命を延ばすことを手助けするだけでなく、その電解槽スタックの耐久性の観点で水電解システム全体の動作を調和させることもできる。
【0094】
ここで図２Ａを参照すると、この図面は、本発明のいくつかの実施形態による水電解システム３０１を概略的に示す。システム３０１は、複数の不安定電力源（ＰＶアレイ）３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ、３０３ｄ、及び３０３ｅを含む。不安定電力源３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ、３０３ｄ、及び３０３ｅは、それらの間で直列及び／又は並列に電気的に接続されてもよい。システム３０１は、複数の電解槽スタック３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃ、３０５ｄ、及び３０５ｅを含んでもよい。電解槽スタック３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃ、３０５ｄ、及び３０５ｅもまた、それらの間で直列及び／又は並列に電気的に接続されてもよい。電解槽スタックは、制御デバイス３０７を介して不安定電力源に機能的に接続されている。制御デバイス３０７は、不安定電力源（ＰＶアレイ）３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ、３０３ｄ、及び３０３ｅの出力電力を調節して、それを電解槽スタック３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃ、３０５ｄ、及び３０５ｅの電気的動作点に整合させてもよい。例えば、制御デバイス３０７は、不安定電力源３０３ａの出力電力を調節して、それを電解槽スタック３０５ａの電気的動作点に整合させ、不安定電力源３０３ｂの出力電力を調節して、それを電解槽スタック３０５ｂの電気的動作点に整合させ、不安定電力源３０３ｃの出力電力を調節して、それを電解槽スタック３０５ｃの電気的動作点に整合させ、不安定電力源３０３ｄの出力電力を調節して、それを電解槽スタック３０５ｄの電気的動作点に整合させ、不安定電力源３０３ｅの出力電力を調節して、それを電解槽スタック３０５ｅの電気的動作点に整合させてもよい。代わりに、制御デバイスは、直列及び／又は並列に接続された不安定電力源３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ、３０３ｄ、及び３０３ｅの出力電力を組み合わせ、次いでそれを分割して、電解槽スタック３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃ、３０５ｄ、及び３０５ｅの電気的動作点に整合させることにより、ＰＶアレイの出力電力を調節してもよい。
【0095】
制御デバイス３０７は、電解槽スタック３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃ、３０５ｄ、及び３０５ｅの各々の少なくとも１つの動作パラメータを独立に制御して、各電解槽スタックの寿命を延ばすことができる。制御デバイス３０７は、電解槽スタック３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃ、３０５ｄ、及び３０５ｅの各々のＳＯＨ関連パラメータを監視するように構成されてもよい。制御デバイス３０７は、コントローラ３０７ａ、スイッチ３０７ｂ、電力バス３０７ｃ、電力デバイス３０７ｄ、センサ３０７ｅ、及び電気エネルギー貯蔵デバイス３０７ｆを含んでもよい。
【0096】
不安定電力源３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ、３０３ｄ、及び３０３ｅの出力電力は、電解槽スタック３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃ、３０５ｄ、及び３０５ｅの間で均等に分割されてもよい。代わりに、不安定電力源３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ、３０３ｄ、及び３０３ｅの出力電力は、各スタックの電気的動作点に応じて、電解槽スタック３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃ、３０５ｄ、及び３０５ｅの間で不均等に分割されてもよい。例えば、いくつかの電解槽スタックは、より低い電流密度又はより低い電圧で動作されてもよく、他の電解槽スタックは、より高い電流密度又はより高い電圧で動作されてもよい。例えば、これらスタックの測定されたＳＯＨ関連パラメータを考慮したときに、残りのスタックがシャットダウンされ得る状況、及び／又は、不安定電力源３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ、３０３ｄ、及び３０３ｅの出力電力（又は予測出力電力）が複数の電解槽スタック３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃ、３０５ｄ、及び３０５ｅの電気的動作点よりも著しく低くなり得る場合に、出力電力は、電解槽スタック３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃ、３０５ｄ、及び３０５ｅの一部のみに供給されてもよい。
【0097】
ここで図２Ｂを参照すると、この図面は、本発明のいくつかの実施形態による水電解システム４０１を概略的に示す。システム４０１は、複数の不安定電力源４０３ａ、４０３ｂ、４０３ｃ、４０３ｄ、及び４０３ｅを含んでもよい。システム４０１は、複数の電解槽スタック４０５ａ、４０５ｂ、４０５ｃ、４０５ｄ、及び４０５ｅを含んでもよい。システム４０１は、複数の制御ユニット４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃ、４０７ｄ、及び４０７ｅを含む制御デバイス４０７を含んでもよい。不安定電力源４０３ａ、４０３ｂ、４０３ｃ、４０３ｄ、及び４０３ｅは、それらの間で直列に電気的に接続されてもよい。電解槽スタック４０５ａは、制御デバイス４０７の制御ユニット４０７ａを介して複数の不安定電力源に機能的に接続されてもよい。同様に、電解槽スタック４０５ｂは制御デバイス４０７の制御ユニット４０７ｂを介して複数の不安定電力源に機能的に接続されてもよく、電解槽スタック４０５ｃは制御ユニット４０７ｃを介して複数の不安定電力源に機能的に接続されてもよく、電解槽スタック４０５ｄは制御ユニット４０７ｄを介して複数の不安定電力源に機能的に接続されてもよく、電解槽スタック４０５ｅは制御ユニット４０７ｅを介して複数の不安定電力源に機能的に接続されてもよい。電解槽スタック４０５ａ、４０５ｂ、４０５ｃ、４０５ｄ、及び４０５ｅは、制御ユニット４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃ、４０７ｄ、及び４０７ｅを介して、それらの間で直列に電気的に接続されてもよい。各制御ユニットは、複数の不安定電力源の出力電力を個別に制御して、その対応する電解槽スタックの電気的動作点に整合させてもよい。
【0098】
ここで図２Ｃを参照すると、この図面は、本発明のいくつかの実施形態による水電解システム５０１を概略的に示す。システム５０１は、複数の不安定電力源５０３ａ、５０３ｂ、５０３ｃ、５０３ｄ、及び５０３ｅを含む。システム５０１は、複数の電解槽スタック５０５ａ、５０５ｂ、５０５ｃ、５０５ｄ、及び５０５ｅを含んでもよい。システム５０１は、複数の制御ユニット５０７ａ、５０７ｂ、５０７ｃ、５０７ｄ、及び５０７ｅと、複数のオプティマイザ５０９ａ、５０９ｂ、５０９ｃ、５０９ｄ、及び５０９ｅとを含む、制御デバイス５０７を含んでもよい。不安定電力源５０３ａは、電力源５０３ａの出力電力を最大化するように構成されてもよい、制御デバイス５０７のオプティマイザ５０９ａに機能的に接続されてもよい。同様に、不安定電力源５０３ｂはオプティマイザ５０９ｂに機能的に接続されてもよく、不安定電力源５０３ｃはオプティマイザ５０９ｃに機能的に接続されてもよく、不安定電力源５０３ｄはオプティマイザ５０９ｄに機能的に接続されてもよく、不安定電力源５０３ｅはオプティマイザ５０９ｅに機能的に接続されてもよい。オプティマイザ５０９ａ、５０９ｂ、５０９ｃ、５０９ｄ、及び５０９ｅは、それらの間で直列に電気的に接続されてもよい。電解槽スタック５０５ａは、制御デバイス５０７の制御ユニット５０７ａを介して複数の不安定電力源に機能的に接続されてもよい。同様に、電解槽スタック５０５ｂは制御デバイス５０７の制御ユニット５０７ｂを介して複数の不安定電力源に機能的に接続されてもよく、電解槽スタック５０５ｃは制御ユニット５０７ｃを介して複数の不安定電力源に機能的に接続されてもよく、電解槽スタック５０５ｄは制御ユニット５０７ｄを介して複数の不安定電力源に機能的に接続されてもよく、電解槽スタック５０５ｅは制御ユニット５０７ｅを介して複数の不安定電力源に機能的に接続されてもよい。制御ユニット５０７ａ、５０７ｂ、５０７ｃ、５０７ｄ、及び５０７ｅは、それらの間で直列に電気的に接続されてもよい。各オプティマイザは、その対応する不安定電力源を個別に制御して最大出力電力を提供してもよく、各制御ユニットは、その対応する電解槽スタックの電気的動作点を個別に制御して、複数の不安定電力源の出力電力を調節して、それを特定の電解槽スタックの電気的動作点に整合させてもよい。
【0099】
ここで図２Ｄを参照すると、この図面は、本発明のいくつかの実施形態による水電解システム５１１を概略的に示す。システム５１１は、複数の不安定電力源５０３ａ、５０３ｂ、５０３ｃ、５０３ｄ、及び５０３ｅを含む。システム５１１は、複数の電解槽スタック５０５ａ、５０５ｂ、５０５ｃ、５０５ｄ、及び５０５ｅを含んでもよい。システム５１１は、制御デバイス５１９と、複数の制御ユニット５１７ａ、５１７ｂ、５１７ｃ、５１７ｄ、及び５１７ｅと、複数のオプティマイザ５０９ａ、５０９ｂ、５０９ｃ、５０９ｄ、及び５０９ｅと、を含んでもよい。不安定電力源５０３ａは、電力源５０３ａの出力電力を最大化するように構成されてもよい、制御デバイス５０７のオプティマイザ５０９ａに機能的に接続されてもよい。同様に、不安定電力源５０３ｂはオプティマイザ５０９ｂに機能的に接続されてもよく、不安定電力源５０３ｃはオプティマイザ５０９ｃに機能的に接続されてもよく、不安定電力源５０３ｄはオプティマイザ５０９ｄに機能的に接続されてもよく、不安定電力源５０３ｅはオプティマイザ５０９ｅに機能的に接続されてもよい。オプティマイザ５０９ａ、５０９ｂ、５０９ｃ、５０９ｄ、及び５０９ｅは、それらの間で直列に制御デバイス５１９の入力に電気的に接続されてもよい。電解槽スタック５０５ａは、制御デバイス５１９の制御ユニット５１７ａを介して複数の不安定電力源に機能的に接続されてもよい。同様に、電解槽スタック５０５ｂは制御デバイス５１９の制御ユニット５１７ｂを介して複数の不安定電力源に機能的に接続されてもよく、電解槽スタック５０５ｃは制御ユニット５１７ｃを介して複数の不安定電力源に機能的に接続されてもよく、電解槽スタック５０５ｄは制御ユニット５１７ｄを介して複数の不安定電力源に機能的に接続されてもよく、電解槽スタック５０５ｅは制御デバイス５１９の制御ユニット５１７ｅを介して複数の不安定電力源に機能的に接続されてもよい。制御ユニット５１７ａ、５１７ｂ、５１７ｃ、５１７ｄ、及び５１７ｅは、それらの間で並列に制御デバイス５１９の出力に電気的に接続されてもよい。各オプティマイザは、その対応する不安定電力源を個別に制御して最大出力電力を提供してもよく、各制御ユニットは、その対応する電解槽スタックの電気的動作点を個別に制御して、複数の不安定電力源の出力電力を調節して、それを特定の電解槽スタックの電気的動作点に整合させてもよい。制御デバイス５１９は、コントローラ５１９ａ、スイッチ５１９ｂ、電力バス５１９ｃ、電力デバイス５１９ｄ、センサ５１９ｅ、急速電気エネルギー貯蔵デバイス５１９ｆ、及び大容量電気エネルギー貯蔵デバイス５１９ｇを含んでもよい。
【0100】
ここで図２Ｅを参照すると、この図面は、本発明のいくつかの実施形態による水電解システム５２１を概略的に示す。制御デバイスは、１つ以上の制御ユニット５２７を含んでもよい。制御ユニット５２７は、電解槽５２５を不安定電力源５２３に機能的に接続するように構成される。制御ユニット５２７は、制御回路５３１、スイッチング回路５３２、データ記憶リポジトリ５３３、１つ以上のエネルギー貯蔵デバイス５３４、センサ５３５、電力変換器５３６、及び通信回路５３７を備えてもよい。電力変換器５３６は、不安定電力源の出力電力の第１の部分を電解槽スタックの電気的動作点に変換するように構成されてもよい。制御回路５３１は、電気的動作点と、出力電力の第１の部分とを設定するように構成されてもよい。制御ユニット５２７は、電解槽の少なくとも１つの動作パラメータを制御して、電解槽の寿命を延ばすように構成されてもよく、少なくとも１つの動作パラメータは、電解槽スタックの電気的動作点を含む。センサ５３５は、不安定電力源の出力電力を感知し、感知された電力を制御回路５３１のコントローラに報告するように構成されてもよい。センサ５３５は、温度、気圧、流量、電流、電圧、及び補助機器（ポンプ、熱交換器、コンプレッサなど）への電力を感知するように構成されてもよい。
【0101】
制御デバイスは、電解槽の動作温度、電解質又は水の流量、並びに水素及び／又は酸素の圧力などの電解槽の動作パラメータを測定するように構成された１つ以上のセンサを含んでもよい。好適なセンサの非限定的な例としては、熱電対、赤外線センサ、薄膜熱センサ、流量計、圧力変換器、及びこれらの任意の組合せが挙げられる。センサを使用して、前述した追加の動作パラメータを制御してもよい。制御デバイスは、水サイクル及び／又は熱交換器などの動作パラメータを制御するための手段を含んでもよい。
【0102】
制御デバイスは、限定はしないが、電圧、電流、内部セル抵抗又はインピーダンス、電解質の温度、電解質の導電率、電解質の化学組成、及びそれらの任意の組合せなどの電解槽のＳＯＨ関連パラメータを測定するように構成された少なくとも１つのデバイスを含んでもよい。好適なデバイスの非限定的な例としては、熱電対、赤外線センサ、薄膜熱センサ、ポテンシオスタット、電流計、ＰＥＭストリップと組み合わせたダイナミック水素電極（ＤＨＥ）、水素基準電極（ＨＲＥ）、固体電解質接続、フッ化物選択電極、及びこれらの任意の組合せが挙げられる。
【0103】
ここで図２Ｆを参照すると、この図面は、本発明のいくつかの実施形態による水電解システム５４０を概略的に示す。水電解システム５４０は、電力源５４１の出力５４１ａ及び５４１ｂと、電解槽スタック５４２の入力５４２ａ及び５４２ｂとの間に直列にインピーダンス回路５４３を含んでもよい。インピーダンス回路５４３は、比較器、オペアンプ、インダクタ、抵抗器、コンデンサなどの能動及び受動素子を含んでもよい。インピーダンス回路５４３は、例えば、スイッチに対して直列に接続された１つ以上のインダクタを使用することなどにより、電解槽スタック５４２が受け取る電流の変化に制限を設けるように構成されてもよく、この場合、電解槽の電圧に基づいて異なるインピーダンスが接続される。
【0104】
ここで図２Ｇを参照すると、この図面は、本発明のいくつかの実施形態による水電解システム５５０を概略的に示す。水電解システム５５０は、電力源５５１の出力５５１ａ及び５５１ｂと、電解槽スタック５５２の入力５５２ａ及び５５２ｂとの間に直列にインピーダンス回路５５３を含んでもよい。インピーダンス回路５５３は、比較器、オペアンプ、インダクタ、抵抗器、コンデンサなどの能動及び受動素子を含んでもよい。インピーダンス回路５５３は、例えば、スイッチに対して直列に接続された１つ以上のインダクタを使用することなどにより、電解槽スタック５５２が受け取る電流の変化に制限を設けるように構成されてもよく、この場合、電解槽の電圧に基づいて異なるインピーダンスが接続される。
【0105】
不安定電力源に結合された電解槽を動作させる方法が開示される。本方法は、電解槽の少なくとも１つの動作パラメータを制御して、電解槽の寿命を延ばすことを含み、少なくとも１つの動作パラメータは電解槽の電気的動作点を含み、本方法は、不安定電力源の出力電力を調節して、それを電解槽の電気的動作点に整合させることを含む。
【0106】
ここで図３Ａを参照すると、この図面は、本発明のいくつかの実施形態による、不安定電力源に結合された電解槽を動作させるための例示的な方法６００のステップを概略的に示す。ステップ６０１は、不安定電力源の出力電力を電解槽の電気的動作点と比較することを含む。出力電力は、実際に測定された電力又は予測された電力であり得る。電気的動作点は、所定の値に基づいてもよい。
【0107】
ステップ６０１において不安定電力源の出力電力が電気的動作点よりも高い場合、出力電力が電気的動作点よりも大幅に高いかどうかを評価することを含むステップ６０３が実施されてもよい。ステップ６０３において出力電力が電気的動作点よりも大幅に高くない場合、ステップ６０５及び／又は６０７が実施されてもよい。ステップ６０５は、ＤＣ－ＤＣ変換器を使用して、不安定電力源の出力電力を電解槽の電気的動作点に整合させることを含む。ステップ６０７は、余剰電力を貯蔵するために急速充電エネルギー貯蔵デバイスを充電して、不安定電力源の出力電力を電解槽の電気的動作点に整合させることを含む。ステップ６０３において出力電力が電気的動作点よりも大幅に高い場合、大容量エネルギー貯蔵デバイスを使用して余剰電力を貯蔵して、不安定電力源の出力電力を電解槽の電気的動作点に整合させてもよい（ステップ６０９ａ）。余剰出力電力は、電気グリッド（ステップ６０９ｂ）及び負荷（ステップ６０９ｃ）のうちの少なくとも１つに供給されてもよい。余剰電力の量以外のパラメータも使用して、ＤＣ－ＤＣ変換器、急速充電エネルギー貯蔵デバイス、大容量エネルギー貯蔵デバイス、電気グリッド、及び負荷のうちの１つ以上の中から選択してもよい。
【0108】
ステップ６０１において不安定電力源の出力電力が電気的動作点よりも低い場合、ステップ６１１又は６１３が実施されてもよい。ステップ６１１は、電解槽をシャットダウンすることを含む。電解槽は、特定の期間にわたってシャットダウンされてもよい。ステップ６１３は、追加電力を引き出して、出力電力を電気的動作点に整合させることを含む。不安定電力源及び電解槽のオングリッド／オフグリッド場所（ｏｎ－ｇｒｉｄ／ｏｆｆ－ｇｒｉｄ ｌｏｃａｔｉｏｎ）、並びに／又は容量及びグリッド電力コストに応じて、追加電力が、大容量エネルギー貯蔵デバイスによって供給されてもよく（ステップ６１５ａ）、又は電気グリッドから引き出されてもよい（ステップ６１５ｂ）。ステップ６１１又はステップ６１３の選択も、同じ考慮事項に基づいて行われてもよい。例えば、追加電力の量が多く、グリッド電力が高価な場合、ステップ６１１（例えば、電解槽を一定期間にわたってシャットダウンすること）が実施されてもよい。追加電力の量が少なく、グリッド電力が高価な場合、ステップ６１３及び６１５ａが選択されてもよく、追加電力は大容量エネルギー貯蔵デバイスによって供給される。追加電力の量が多く、グリッド電力が安価な場合、ステップ６１３及び６１５ｂが実施されてもよく、追加電力は電気グリッドから引き出される。
【0109】
出力電力を電気的動作点に整合させることは、電解槽の動作電流又は電圧、動作電圧又は動作電流を変更する速度、動作電圧又は動作電流の波形のタイプ、波形のデューティサイクル、及び波形の周波数のうちの１つ以上を制御することを含んでもよいことが強調されるべきである。したがって、ステップ６０１は、不安定電力源の出力電力を評価して、上記の動作パラメータのうちの１つ以上が満たされ得るかどうかをチェックすることを含んでもよい。
【0110】
ここで図３Ｂを参照すると、この図面は、本発明のいくつかの実施形態による、不安定電力源に結合された電解槽を動作させるための例示的な方法７００のステップを概略的に示す。ステップ７０１は、電解槽のＳＯＨパラメータを測定して、その電気的動作点を確立することを含む。ステップ７０２は、不安定電力源の出力電力を電解槽の電気的動作点と比較することを含む。出力電力は、実際に測定された電力又は予測された電力であり得る。
【0111】
ステップ７０２において不安定電力源の出力電力が電気的動作点よりも高い場合、出力電力が電気的動作点よりも大幅に高いかどうかを評価することを含むステップ７０３が実施されてもよい。ステップ７０３において出力電力が電気的動作点よりも大幅に高くない場合、ステップ７０５及び／又は７０７が実施されてもよい。ステップ７０５は、ＤＣ－ＤＣ変換器を使用して、不安定電力源の出力電力を電解槽の電気的動作点に整合させることを含む。ステップ７０７は、余剰電力を貯蔵するために急速充電エネルギー貯蔵デバイスを充電して、不安定電力源の出力電力を電解槽の電気的動作点に整合させることを含む。ステップ７０３において出力電力が電気的動作点よりも大幅に高い場合、大容量エネルギー貯蔵デバイスを使用して余剰電力を貯蔵して、不安定電力源の出力電力を電解槽の電気的動作点に整合させてもよい（ステップ７０９ａ）。余剰出力電力は、電気グリッド（ステップ７０９ｂ）及び負荷（ステップ７０９ｃ）のうちの少なくとも１つに供給されてもよい。
【0112】
ステップ７０２において不安定電力源の出力電力が電気的動作点よりも低い場合、ＳＯＨ関連パラメータを評価することを含むステップ７１０が実施される。電解槽のＳＯＨが悪いと見なされる場合、電解槽をシャットダウンすることを含むステップ７１１が実施されてもよい。電解槽のＳＯＨが良好であると見なされる場合、ステップ７１３が実施されてもよく、これは追加電力を引き出して出力電力を電気的動作点に整合させることを含む。追加電力は、大容量エネルギー貯蔵デバイスにより供給されてもよく（ステップ７１５ａ）、又は電気グリッドから引き出されてもよい（ステップ７１５ｂ）。
【0113】
ここで図３Ｃを参照すると、この図面は、本発明のいくつかの実施形態による、複数の不安定電力源に結合された複数の電解槽スタックを動作させるための例示的な方法８００のステップを概略的に示す。ステップ８０１は、各電解槽スタックのＳＯＨパラメータを測定して、その電気的動作点を確立することを含む。いくつかのスタックの測定されたＳＯＨ関連パラメータが、ステップ８０２における臨界値を下回る場合、これらのスタックをシャットダウンすることを含むステップ８０２ａが実施される。ＳＯＨが臨界値を下回るスタックは、０ワット（又は０アンペア／ｃｍ２の電流密度）の電気的動作点を有すると見なすことができる。
【0114】
ステップ８０３は、複数の不安定電力源の出力電力を電解槽の電気的動作点と比較することを含む。複数の不安定電力源は、直列及び／又は並列に電気的に接続されてもよい。出力電力は、複数の不安定電力源の実際に測定した電力であってもよく、又は予測された電力であってもよい。
【0115】
ステップ８０３において、複数の不安定電力源の出力電力が（ＳＯＨ関連パラメータが臨界値を上回るスタックについての）総電気的動作点よりも高い場合、複数の不安定電力源の出力電力が複数の電解槽スタックの総電気的動作点よりも大幅に高いかどうかを評価することを含むステップ８０４が実施されてもよい。ステップ８０４において出力電力が電気的動作点よりも大幅に高くない場合、ステップ８０５及び／又は８０７が実施されてもよい。ステップ８０５は、ＤＣ－ＤＣ変換器を使用して、不安定電力源の出力電力を電解槽の電気的動作点に整合させることを含む。ステップ８０７は、余剰電力を貯蔵するために急速充電エネルギー貯蔵デバイスを充電して、複数の不安定電力源の出力電力を複数の電解槽スタックの総電気的動作点に整合させることを含む。ステップ８０４において、出力電力が電気的動作点よりも大幅に高い場合、１つ以上の大容量エネルギー貯蔵デバイスを使用して余剰電力を貯蔵し、複数の不安定電力源の出力電力を複数の電解槽スタックの総電気的動作点に整合させてもよい（ステップ８０９ａ）。余剰出力電力は、電気グリッド（ステップ８０９ｂ）及び負荷（ステップ８０９ｃ）のうちの少なくとも１つに供給されてもよい。
【0116】
ステップ８０３において、複数の不安定電力源の出力電力が総電気的動作点よりも低い場合、異なる電解槽スタックのＳＯＨ関連パラメータを比較することを含むステップ８１０が実施される。この比較に応じて、ステップ８１１又は８１３が実施されてもよい。ステップ８１１は、劣ったＳＯＨを有する１つ以上の電解槽スタックをシャットダウンすることを含む。例えば、ある電解槽スタックのＳＯＨが臨界値を上回り、出力電力が総電気的動作点よりも高い場合、本方法は、調整された出力パウダーを不安定電力源から当該スタックに送達すること（例えば、電解槽スタックを動作させること）を含む。しかしながら、出力電力が総電気的動作点よりも低い場合、本方法は、劣ったＳＯＨを有する電解槽スタックをシャットダウンし、調整された出力電力をより良好なＳＯＨを有するスタックのみに供給することを含んでもよい（ステップ８１３）。不十分な出力電力は、大容量エネルギー貯蔵デバイスから追加電力を引き出すことによって補われてもよく（ステップ８１５ａ）、又は電気グリッドから引き出されてもよい（ステップ８１５ｂ）。出力電力調整に続いて、ステップ８１７にて、電力が残りの電解槽スタック間で分割されてもよく、各電解槽の動作パラメータ、例えば、動作電圧若しくは電流、動作電圧若しくは動作電流の変化率 動作電圧若しくは動作電流の波形のタイプ、波形のデューティサイクル、又は波形の周波数が、測定されたＳＯＨ関連パラメータに基づいて設定される。本明細書で使用される場合、動作パラメータの変化率は、その動作パラメータの時間に対する一次導関数であり、一次変化率と称される場合がある。本明細書で使用される場合、動作パラメータの二次変化率は、その動作パラメータの時間に対する二次導関数であり、動作パラメータの加速度と称される場合がある。
【0117】
電解槽の動作の制御中に、動作パラメータが変更されてもよい。一般に、例えば始動、シャットダウン、又は生産レベル変更の際など、電解槽の動作パラメータが第１の状態から第２の状態に変更される場合、電圧又は電流などの動作パラメータが変更される。例えば、水素発生速度の増加、ライフタイム水素発生量の増加、耐用寿命の増加、保守間隔の減少、平均故障間隔の減少、及び信頼性の増加のために、電解槽の動作を改善するために、センサを使用して電解槽の動作パラメータを監視して、性能を低下させ得る電解槽への電気化学的ストレスを防止してもよい。電気化学的ストレスは、動作パラメータの変更に応答した遅れ又は時間遅延と相関することがあり、動作パラメータを監視し、遅延に関連する値を計算することにより、遅延を減少させる遷移を記録し、電解槽を動作させることができる。例えば、電流制御変換器が、電解槽の１つの状態から別の状態への遷移に電流変更を適用する場合、電流変更を制御して、寿命を延長すること又は水素発生を最大化することなどの動作目標に到達することができる。これらは「許容変更（ｐｅｒｍｉｔｔｅｄ ｃｈａｎｇｅ）」と称される場合があり、電解槽の寿命にわたって動作を改善するために使用できる。本明細書で使用される場合、用語「ＩＶ値」は、電解槽の動作パラメータ又は状態の変化を制御するために使用される電流値又は電圧値を指す。用語「ＩＶ値」、「動作パラメータ」、「動作条件」、「電気的動作点」、及び「動作点」は、所与の時間における電解槽の動作制御の少なくともいくつかの値を指す場合があり、「ＩＶ値変更」、「許容変更」は、ある期間にわたる電解槽の動作制御の値の時間発展を指す場合がある。電解槽の動作制御は、電解槽電圧、電解槽電流（電圧及び電流が電力を定義する）、補助機器の動作（電圧、電流、又は電力）、圧力、温度、流量などを含んでもよい。本明細書に記載されるデバイス、方法、及びシステムは、電解槽を動作させるために使用されるこれら動作制御のいずれに適用されてもよいが、電解槽電圧及び電流が特に注目される。これら技術及びデバイスは、他の動作制御（例えば、補助機器の動作、つまり電圧、電流、又は電力、圧力、温度、流量など）のいずれにも使用できることが理解される。
【0118】
本明細書で使用される場合、電解槽動作「状態」は、特定の電気的動作点設定又は設定点を意味する。電解槽動作状態は、全定格電力又は電圧の５パーセントから全定格電力又は電圧までの生産率を伴う水素生産状態の範囲を含んでもよい。場合によっては、過電力範囲は、保守、動作、又は最適な寿命管理のために有益であり得る。コールドスタートは、コールド状態から動作状態への遷移を記述する。ホットスタートは、補助機器（例えば、ヒータ、コンプレッサ）を使用して電解槽を予熱及び加圧する、動作状態への最適なターンオン遷移を記述する。開回路電圧（ｏｐｅｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ、ＯＣＶ）状態は、低発熱量（ｌｏｗｅｒ ｈｅａｔｉｎｇ ｖａｌｕｅ、ＬＨＶ）－ＯＣＶ状態及び高発熱量（ｈｉｇｈｅｒ ｈｅａｔｉｎｇ ｖａｌｕｅ、ＨＨＶ）状態に基づき得る。
【0119】
これら状態間の遷移、又は動作状態の範囲内での遷移は、最小の電気化学的劣化で各遷移を実施するために、いくつかの部分を含んでもよい。例えば、供給電流のスルーレートを加速して、電流に対する電圧遅延が最小となるようにすることにより、電流制御電解槽は、僅かな劣化で第１の状態から第２の状態に遷移できる。次いで、スルーレートは、電解槽の許容変更の較正を行うなど、動作に入る前に実施される試運転期間中に決定された閾値未満に留めることにより、劣化を最小限に抑えるように選択できる。いったん電流及び電圧が遷移の目標状態に揃うと、電気的動作点に達する前に電流の減速が実施されてもよい。加速度、スルーレート、及び減速度は、滑らかで連続的な遷移を可能にする値及び数式を使用して定義できる。ある状態から別の状態への滑らかな遷移を確実にするためには、制御パラメータ（例えば、電圧、電流、又は電力）の遷移は連続的であり、１次微分は連続的である。加えて、スルーレート閾値（第１微分）及び加速度閾値（第２微分）は、動作パラメータ遅延を最小限に抑えるため、試運転中に決定されてもよい。例えば、遷移中、動作パラメータ遅延は、式（５）の数式などの指数的関係に従う、電流に対する電圧の遅延としてモデル化できる：
【0120】
【数1】
【0121】
以下の図面は、本明細書で説明される滑らかな状態遷移の方法を実装できるデバイス及び方法の例示的な開示を示す。
【0122】
ここで図４Ａを参照すると、この図面は、本発明のいくつかの実施形態による、不安定電力源に結合された電解槽の動作パラメータ変更を試験するための方法９００のステップを概略的に示す。ステップ９０１のように、電流又は電圧（ＩＶ）変更などの動作パラメータ変更、例えばプロセッサから送信されたコマンド又はメッセージが受け取られる。ステップ９０２のように、電解槽の初期状態が取得され記録される。ステップ９０３のように、ＩＶ変更は電解槽に適用され、結果として生じる電解槽の応答は、センサを使用して監視される。センサは、電解槽の第２のパラメータ、例えば、電圧、電流、温度、電力、補助デバイス（例えば、電解槽を加熱又は冷却するために使用されるデバイス）への電力、圧力、水流、及び水素発生、を監視してもよい。ステップ９０４のように、監視される第２のパラメータを使用して、時間に対する、例えば数秒又は数分にわたる、第２のパラメータの応答の形で、遅延が計算される。例えば、第２のパラメータは、１秒～６０分間にわたって、又はその間の任意の部分範囲にわたって監視される。監視は、第２のパラメータの応答が線形になるまで継続される。ステップ９０５のように、第２のパラメータの遅延が閾値と比較され、遅延が許容範囲内である場合、ステップ９０６のように、初期状態及び遷移が許容変更として記憶される。遅延が許容範囲内にない場合、ステップ９０７のように、初期状態及び減少された変更が記憶され、方法９００の将来の反復において試験される。
【0123】
方法９００の繰り返し反復は、複数の初期状態に対して実施され、許容変更が、本明細書で説明されるように遅延を計算することにより見つけられ、許容変更。許容される動作パラメータ変更の記録を使用して、電解槽を制御することができ、許容される動作パラメータ変更は、試運転中の較正と同様に、必要に応じて監視及び更新されてもよい。
【0124】
ここで図４Ｂを参照すると、この図面は、本発明のいくつかの実施形態による、不安定電力源に結合された電解槽の無遅延の動作パラメータ変更を使用するための方法９２０のステップを概略的に示す。ステップ９２１のように、第１の状態から第２の状態への遷移のコマンド又は要求が受け取られる。９２２のように、動作パラメータを監視するように構成されたセンサから値を受け取ることにより、電解槽の初期状態が取得され、初期状態及び要求された遷移に基づいて最終状態が推定される。ステップ９２３のように、初期状態と最終状態との間の範囲における許容変更が取得される。ステップ９２４のように、許容変更に基づいて、区分的に平滑化されたＩＶ変更が計算される。ステップ９２５のように、より滑らかなＩＶ変更が電解槽に適用され、センサを使用して動作パラメータが監視される。ステップ９２６のように、遅延が計算され、ステップ９２７のように、遅延は閾値と比較される。ステップ９２８のように、遅延が閾値に適合する場合、成功した遷移がログに記憶される。遅延が閾値に適合しない場合、ステップ９２９のように、許容ＩＶ変更は減少され、初期状態、及び減少されたＩＶ変更が閾値への適合性について試験されていないというフラグと共に、許容変更に記憶される。この初期状態から、この遷移が次に要求された場合、減少された変更が適用されてもよく、図４Ａの方法９００のように遅延が再び計算されてもよい。
【0125】
ここで図４Ｃを参照すると、この図面は、本発明のいくつかの実施形態による、不安定電力源に結合された電解槽の動作状態遷移を実装するための方法９４０のステップを概略的に示す。ステップ９４１のように、例えば、所与の予測された電力利用可能性の制約下で複数の電解槽の動作を変化させるために、制御デバイスの高位論理関数（ｈｉｇｈｅｒ ｌｏｇｉｃａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）により、初期状態から最終状態への遷移の要求が決定されてもよい。ステップ９４２のように、制御されている特定の電解槽の状態機械に従って、初期状態と最終状態との間の中間状態がチェックされる。中間状態が存在しない場合、ステップ９４３ｂのように、単一ステップ遷移が実施される。中間状態が存在する場合、各中間状態について、ステップ９４３ａのように、許容変更がデータ記憶リポジトリから取得され、ステップ９４４のように、遷移にわたる各状態変化の間で平滑化されたＩＶ変更が計算される。ステップ９４５のように、全てのステップについての平滑化されたＩＶ変更が組み合わされて、完全な変更プロセスになり、ステップ９４６のように、完全な変更プロセスが電解槽に適用される。
【0126】
ここで図５Ａを参照すると、この図面は、本発明のいくつかの実施形態による、不安定電力源に結合された電解槽の２つの状態Ｓ１とＳ２との間における動作パラメータ変更の時間に対するプロット１００４を概略的に示す。例えば、プロット１００４は、方法９００及び９２０に従って決定されてもよい。電解槽の初期動作状態Ｓ１と最終動作状態Ｓ２との間の遷移中に、電流又は電圧制御における平滑化された変更は、３つの期間、すなわち期間１００１、期間１００２、及び期間１００３を有し得る。期間１００１中（時間１００１ａまで）に、ＩＶ曲線１００４のスルーレート１００６は、変更の開始時のゼロから期間１００１の終了時のスルーレート値１００６ｖまで増加し得る。スルーレート値１００６ｖは、閾値スルーレート値１００６ｔよりも低く、電解槽の劣化減少の恩恵を受けることができる。例えば、スルーレート１００６は、領域１００１の間に線形に増加してもよい。例えば、スルーレート１００６は、領域１００１の間に放物線関数に従って増加してもよい。例えば、スルーレート１００６は、領域１００１の間に円関数に従って増加してもよい。例えば、スルーレート１００６は、領域１００１の間に楕円関数に従って増加してもよい。例えば、スルーレート１００６は、領域１００１の間にシグモイド関数に従って増加してもよい。例えば、スルーレート１００６は、領域１００１の間にロジスティック関数に従って増加してもよい。例えば、スルーレート１００６は、領域１００１の間にスプライン関数に従って増加してもよい。例えば、スルーレート１００６は、領域１００１の間に双曲線関数に従って増加してもよい。例えば、スルーレート１００６は、領域１００１の間に多項式関数に従って増加してもよい。例えば、スルーレート１００６は、領域１００１の間に指数関数的に増加してもよい。例えば、スルーレート１００６は、領域１００１の間に二次関数的に増加してもよい。例えば、スルーレート１００６は、単調増加に従って増加してもよい。これは、状態Ｓ１からスルーレート値１００６ｖへの滑らかな遷移を確実にし、これが期間１００２全体にわたって（時間１００２ａまで）維持され得る。第３の期間１００３の間、スルーレートは再びゼロに向かって低下し、その結果、電解槽は時間１００３ａにおいて新しいＩＶパラメータ値１００８を有する状態Ｓ２になる。
【0127】
動作パラメータ曲線を平滑化して３次スプライン関数などのスプライン関数にする場合、本明細書で説明するように、連続的な値変化、変化率閾値、及び２次微分閾値を伴う、最初の状態から最後の状態への変化を提供する、値変化の開始及び終了に関する速度、並びに制御点に関する制約が使用されてもよい。
【0128】
時間に対する加速度（２次微分）の絶対値のプロット１００７が、加速度の閾値１００７ｔを下回る１００７ｖの値に達し得る。加速度を１００７ｔ未満に制限することにより、電解槽の劣化を更に減少させることができる。
【0129】
ここで図５Ｂを参照すると、この図面は、本発明のいくつかの実施形態による、不安定電力源に結合された電解槽の状態Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３及びＳ１４の間における動作パラメータ変更プロセス適用のプロット１０１０を概略的に示す。例えば、プロット１００４は、方法９００、９２０、及び９４０に従って決定されてもよい。状態Ｓ１１から状態Ｓ１４への遷移の要求が、許容変更においてチェックされ、その間に中間ステップＳ１２及びＳ１３があると判定された場合、ＩＶ変更は、７つの期間１０１１、１０１２、１０１３、１０１４、１０１５、１０１６、及び１０１７を含み得る。期間１００１の間、スルーレートは、ゼロから、時間Ｔ１及びＩＶ値Ｐ１で開始する期間１０１２の許容されるスルーレートまで増加し得る。期間１０１２の間、ＩＶ値は、時間Ｔ２においてＰ２に増加し、状態Ｓ２は、期間１０１３中に通過し、スルーレートは、時間Ｔ３においてＩＶ値Ｐ３で開始する期間１０１４の間に、許容されるスルーレートに減少する。この例では、期間１０１４中の許容されるスルーレートは、期間１０１２中よりも低いが、他の例では、他の例示的な状態間で、異なる許容されたスルーレート及び許容された加速度値を示してもよく、いくつかの変更はスルーレートを増加させ、いくつかは減少させる。時間Ｔ４において、ＩＶ値はＰ４であり、スルーレートは、期間１０１５中に時間Ｔ５におけるＩＶ値Ｐ５までに増加する。状態Ｓ１３は、期間１０１５中に通過する。他の例では、遅れは、許容変更によって決定される場合、特定の状態で実装されてもよい。スルーレートが期間１０１６中に許容されるスルーレートに達すると、ＩＶ値は増加して時間Ｔ６においてＰ６になる。期間１０１７中、スルーレートは減少して時間Ｔ７及びＩＶ値Ｐ７においてゼロになり、電解槽は状態Ｓ１４になる。上述したように、スルーレートの変更は、連続的かつ単調に増加する異なる関数に従ってもよい。ＩＶ値又はスルーレートにおける不連続性は、電解槽の劣化を増加させ得る。
【0130】
ここで図６Ａを参照すると、この図面は、本発明のいくつかの実施形態による、不安定電力源に結合された電解槽の、時間に対する第１の動作パラメータ変更１１０１の第１の遅延の計算を概略的に示す。この例では、プロット１１０１の終了部分に対して線形相関が実施される。遅延は、相関の外挿されたトレンドライン１１０２とプロット１１０１の値との間の面積として測定され、１１０２の値から１１０１の値を減算することにより測定できる。この例では、この面積１１０３の値は０．１３０ボルト秒（ｖｏｌｔ－ｓｅｃｏｎｄｓ）である。遅延を示すためにステップ関数を用いて電流を増加させたとき、電解槽の初期状態は、標準的な動作パラメータ（例えば、圧力、温度など）、及び１．４ボルトの開始電圧であった。
【0131】
ここで図６Ｂを参照すると、この図面は、本発明のいくつかの実施形態による、不安定電力源に結合された電解槽の第２の動作パラメータ変更１１１１の第２の遅延の計算を概略的に示す。この例では、プロット１１１１の終了部分に対して線形相関が実施される。遅延は、相関の外挿されたトレンドライン１１１２とプロット１１１１の値との間の面積として測定され、１１１２の値から１１１１の値を減算することにより測定できる。この例では、この面積１１１３の値は０．０２２４ボルト秒である。遅延を示すためにステップ関数を用いて電流を増加させたとき、電解槽の初期状態は、標準的な動作パラメータ（例えば、圧力、温度など）、及び１．５５ボルトの開始電圧であった。
【0132】
ここで図６Ｃを参照すると、この図面は、本発明のいくつかの実施形態による、不安定電力源に結合された電解槽の第３の動作パラメータ変更１１２１の第３の遅延の計算を概略的に示す。この例では、プロット１１２１の終了部分に対して線形相関が実施される。遅延は、相関の外挿されたトレンドライン１１２２とプロット１１２１の値との間の面積として測定され、１１２２の値から１１２１の値を減算することにより測定できる。この例では、この面積１１２３の値は０．０１４０ボルト秒である。遅延を示すためにステップ関数を用いて電流を増加させたとき電解槽の初期状態は、標準的な動作パラメータ（例えば、圧力、温度など）、及び１．６８ボルトの開始電圧であった。
【0133】
ここで図７を参照すると、この図面は、本発明のいくつかの実施形態による、ホットスタートからの不安定電力源に結合された電解槽の第４の動作パラメータ変更１１３０の遅延の計算を概略的に示す。この例では、電解槽は、期間１１３１、１１３２、及び１１３３中に、いくつかの異なる動作パラメータを経る。期間１１３１の間、プロット１１３０は時間１１３１ａまで漸近的に増加する。期間１１３２の間、プロット１１３０は、時間１１３２ａまで指数関数的に増加する。期間１１３３の間、プロット１１３０は、遷移が完了するまで漸近的に増加する。図６Ａ～図６Ｃの例のように、プロット１１３０の終了部分に対して線形相関が実施される。遅延は、相関の外挿されたトレンドライン１１３２とプロット１１３０の値との間の面積として測定され、１１３２の値から１１３０の値を減算することにより測定できる。この例では、この面積１１３３の値は１３．５ボルト秒である。遅延を示すためにステップ関数を用いて電流を増加させたとき、電解槽の初期状態は、標準的な動作パラメータ（例えば、圧力、温度なと）、及びゼロボルトの開始電圧（ホットスタート）であった。例えば、（ステップ関数の代わりに）図５Ｂのプロットが電流波形として電解槽に適用された場合、電解槽の電圧の応答は同様の形状を有し、非常に小さい遅延を示すことになる。電圧を電流に揃え、フィッティングし、それらの間の距離を測定することにより、遅延を２つの曲線間の面積として計算することができる。電圧を電流に対してプロットすることにより、線形相関は遅延がないことを示すが、プロットが線形性から離れるほど遅延は大きくなる。ＩＶプロットの線形性の測定値を使用して、遅延を計算することができ、より線形性の強い電流変更プロファイルが、電解槽に、より小さいストレスを生成することになる。
【0134】
ここで図８を参照すると、この図面は、本発明のいくつかの実施形態による、不安定電力源に結合された電解槽の、動作パラメータ変更減少（シャットオフ）１１４１の遅延の計算を概略的に示す。図６Ａ～図７の例のように、プロット１１４１の終了部分に対して線形相関が実施される。遅延は、相関の外挿されたトレンドライン１１４３とプロット１１４１の値との間の面積１１４２として測定され、１１４３の値から１１４１の値を減算することにより測定できる。遅延を示すためにステップ関数を用いて電流を増加させたとき、電解槽の初期状態は、標準的な動作パラメータ（例えば、圧力、温度など）、及び１．８４５ボルトの開始電圧であった。
【0135】
ここで図９を参照すると、この図面は、本発明のいくつかの実施形態による、不安定電力源に結合された電解槽の動作パラメータ変更の遅延の計算を、新品時１１５１及び長期使用後１１６１について概略的に示す。図６Ａ～図８の例のように、プロット１１５１又は１１６１の終了部分に対して線形相関が実施される。遅延は、相関の外挿されたトレンドライン１１５３又は１１６３と、プロット１１４１又は１１６１の値との間の面積１１５２又は１１６２として測定され、１１５３又は１１６３の値から１１５１又は１１６１の値を減算することにより測定できる。遅延を示すためにステップ関数を用いて電流を増加させたとき、電解槽の初期状態は、標準的な動作パラメータ（例えば、圧力、温度など）であり、開始電圧は、１１５１については１．４８ボルト、１１６１については１．７２ボルトであった。プロット１１５１及び１１６１を、以下の双指数（ｂｉｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ）関数にフィッティングさせ：
【0136】
【数2】
【0137】
【表1】
【0138】
同様に、遅延を計算する他の例が、指数をプロット１１０１、１１１１、１１２１、又は１１３１のいずれかにフィッティングし、時定数をメトリックとして使用することにより実施できる。同様に、遅延を計算する別の例が、２つの指数の和をプロット１１０１、１１１１、１１２１、又は１１３１のいずれかにフィッティングし、遅延の値として２つの時定数のうちのより速い方（より低い値）を使用することによるものであってもよい。同様に、遅延を計算する別の例が、初期サブ期間後から始めて（例えば、総ＩＶ変更時間の１～１０パーセント後に始めて）プロット１１０１、１１１１、１１２１、又は１１３１のいずれかに線をフィッティングすることと、遅延の値としての線形フィッティングの最良部分（ｇｏｏｄｎｅｓｓ）とによるものであってもよい。同様に、遅延を計算する別の例が、初期サブ期間後から始めて（例えば、総ＩＶ変更時間の１～１０パーセント後に始めて）プロット１１０１、１１１１、１１２１、又は１１３１のいずれかにｎ次多項式関数をフィッティングすることと、遅延の値としての線形フィッティングの最良部分とによるものであってもよい。遅延の値が電解槽ストレスの増加と共に増加する場合、許容されるＩＶ変更の遅延値は閾値を下回るであろう。遅延の値が電解槽ストレスの増加と共に減少する場合、許容されるＩＶ変更の遅延値は閾値を上回るであろう。
【0139】
本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される場合、別段の明確な指示がない限り、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は複数の指示対象を含む。したがって、例えば、「エネルギー貯蔵デバイス」への言及は、複数のそのようなエネルギー貯蔵デバイス及び当業者に知られているその等価物などを含む。用語「及び」又は用語「又は」は、別段の明確な指示がない限り、一般に「及び／又は」を含む意味で使用されることに留意され得る。
【0140】
本明細書で使用される場合、用語「複数」は、２つ以上を意味する。
【0141】
本明細書で使用される場合、用語「約」は、量、持続時間などの測定可能な値を指す場合、指定された値から±１０％、より好ましくは±５％、更により好ましくは±１％、更により好ましくは±０．１％の変動を包含することを意図しているが、その理由は、開示される方法を実施するにはそのような変動が適切だからである。
【0142】
以下は、本開示の条項である。
条項１．
不安定電力源と、
電解槽と、
制御デバイスと、を備えるシステムであって、
電解槽は、制御デバイスを介して不安定電力源に機能的に接続され、
制御デバイスは、電解槽の少なくとも１つの動作パラメータを制御するように構成され、少なくとも１つの動作パラメータは、電解槽に供給される電流、電圧、及び入力電力のうちの少なくとも１つを含み、電流、電圧、及び入力電力の各々は、電解槽の動作状態に対するそれぞれの許容範囲内にあり、制御デバイスは、不安定電力源の出力電力を調節して、電解槽に供給される入力電力に整合させる、システム。
条項２．制御デバイスは、
コントローラと、
不安定電力源の出力電力の第１の部分を変換し、第１の部分を電解槽に供給するように構成された電力変換器と、
不安定電力源の出力電力を感知するように構成されたセンサと、を更に備え、
コントローラは、
センサのセンサ値を監視し、
センサ値及び許容範囲に従って、第１の部分の電圧又は電流を設定するように構成される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項３．システムは、電気グリッド及び負荷のうちの少なくとも１つに機能的に接続される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項４．制御デバイスは、エネルギー貯蔵デバイスを備える、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項５．エネルギー貯蔵デバイスは、少なくとも１つの急速充電エネルギー貯蔵デバイス及び少なくとも１つの大容量エネルギー貯蔵デバイスを備える、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項６．制御デバイスは、不安定電力源の出力電力が、電解槽への入力電力の許容範囲よりも高い場合に、不安定電力源の出力電力を、電解槽と、エネルギー貯蔵デバイス、電気グリッド、及び負荷のうちの少なくとも１つとの間で分割し、それにより出力電力を電解槽への入力電力に整合させるように構成される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項７．制御デバイスは、不安定電力源の出力電力が電解槽への入力電力よりも低い場合に、不安定電力源の出力電力に加えて、エネルギー貯蔵デバイス及び電気グリッドのうちの少なくとも１つからの電解槽への電力の送達を促進し、それにより出力電力を電解槽への入力電力に整合させるように構成される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項８．電解槽は、カソード、アノード、及びカソードとアノードとの間に配置された膜又はセパレータを備え、膜及びセパレータは、カソードをアノードから電気的に絶縁するように構成され、電解質又は水イオンが膜及びセパレータを通過することを可能にするように構成される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項９．少なくとも１つの動作パラメータは更に、電解槽の動作温度、電解質又は水の流量、水素及び／又は酸素の圧力、並びにそれらの任意の組合せからなる群から選択される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項１０．少なくとも１つの動作パラメータを制御することは、動作パラメータの所定の値に基づく、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項１１．所定の値は、少なくとも１つの動作パラメータと電解槽寿命との関連性を表すモデルから導出される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項１２．所定の値は、少なくとも１つの動作パラメータと電解槽寿命との関連性を表す測定データから導出される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項１３．制御デバイスは、少なくとも１つの動作パラメータと電解槽寿命との間の相関を分析するように構成された機械学習アルゴリズムを含み、所定の値は、複数の電解槽の分析データから導出される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項１４．少なくとも１つの動作パラメータを制御することは、制御デバイスによる、電解槽の健康状態（ＳＯＨ）関連パラメータのリアルタイム監視に基づく、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項１５．ＳＯＨ関連パラメータは、定電流動作時の電解槽電圧、定電位動作時の電解槽電流、内部セル抵抗又はインピーダンス、電解質の温度、電解質の導電率、電解質の化学組成、及びそれらの任意の組合せからなる群から選択される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項１６．機械学習アルゴリズムは、少なくとも１つの動作パラメータと、複数の以前に動作させた電解槽のＳＯＨ関連パラメータとの間の相関を分析するように構成され、少なくとも１つの動作パラメータを制御することは、ＳＯＨ関連パラメータの現在の値と、前述した相関の分析とに基づく、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項１７．電解槽は、高分子電解質膜水電解槽、液体電解質電解槽、及び固体酸化物形電解セルからなる群から選択される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項１８．電解槽は、プロトン交換膜水電解槽及びアニオン交換膜水電解槽から選択される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項１９．不安定電力源は、光起電力（ＰＶ）電力源、太陽熱エネルギー（ＳＴＥ）電力源、風力電力源、潮力電力源、不安定な電気グリッド、及び波力電力源からなる群から選択される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項２０．不安定電力源に結合された電解槽を動作させる方法であって、方法は、電解槽の少なくとも１つの動作パラメータを制御して電解槽の寿命を延ばすことを含み、少なくとも１つの動作パラメータは電解槽の動作状態を含み、方法は、不安定電力源の出力電力を調節して、電解槽への入力電力に整合させることを含む、方法。
条項２１．
複数の不安定電力源と、
複数の電解槽スタックと、
制御デバイスと、を備えるシステムであって、
電解槽スタックの少なくとも一部は、制御デバイスを介して、対応する不安定電力源に機能的に接続され、制御デバイスは、複数の電解槽スタックの少なくとも１つの動作パラメータを制御するように構成され、少なくとも１つの動作パラメータは、複数の電解槽スタックに供給される電流、電圧、及び入力電力のうちの少なくとも１つを含み、電流、電圧、及び入力電力の各々が、複数の電解槽スタックの動作状態に対するそれぞれの許容範囲内にあり、制御デバイスは、複数の不安定電力源の出力電力を調節して、複数の電解槽スタックへの入力電力に整合させる、システム。
条項２２．複数の電解槽スタック間で、複数の電解槽スタックへの入力電力のバランスをとって、複数の電解槽スタックが交換又は寿命状態に達することを可能にする、関連するいずれかの条項に記載のシステム。
条項２３．複数の電解槽スタック間で、複数の電解槽スタックへの入力電力のバランスをとって、複数の電解槽スタックの総水素発生速度を増加させる、関連するいずれかの条項に記載のシステム。
条項２４．複数の電解槽スタック間で、複数の電解槽スタックへの入力電力のバランスをとって、複数の電解槽スタックを増加された効率で動作させる、関連するいずれかの条項に記載のシステム。
条項２５．複数の電解槽スタック間で、複数の電解槽スタックへの入力電力のバランスをとって、複数の電解槽スタックを増加された寿命で動作させる、関連するいずれかの条項に記載のシステム。
条項２６．複数の電解槽スタックへの入力電力は、将来の出力電力の予測される利用可能性に基づいて制御される、関連するいずれかの条項に記載のシステム。
条項２７．電解槽を不安定電力源に機能的に接続するための制御デバイスであって、制御デバイスは、
１つ以上のエネルギー貯蔵デバイスと、
コントローラと、
不安定電力源の出力電力を感知し、感知された電力をコントローラに報告するように構成されたセンサと、
不安定電力源の出力電力の第１の部分を電解槽スタックへの入力電力に変換するように構成された電力変換器であって、コントローラは、電解槽スタックの動作状態及び出力電力の第１の部分を設定するように構成された、電力変換器と、を備え、
制御デバイスは、電解槽スタックの少なくとも１つの動作パラメータ変更を制御するように構成される、制御デバイス。
条項２８．コントローラは、電解槽の動作パラメータを連続的に変化させるように構成される、関連する条項のいずれかに記載の制御デバイス。
条項２９．コントローラは、電解槽の動作パラメータを、閾値変化率未満の変化率で変化させるように構成される、関連する条項のいずれかに記載の制御デバイス。
条項３０．コントローラは、電解槽の動作パラメータを、閾値二次変化率未満の二次変化率で変化させるように構成される、関連する条項のいずれかに記載の制御デバイス。
条項３１．コントローラは、電解槽の動作パラメータを滑らかに変化させるように構成される、関連する条項のいずれかに記載の制御デバイス。
条項３２．
電解槽の動作パラメータの変更を実施する通知を受け取ることと、
電解槽の初期状態を取得して記憶することと、
変更を電解槽に適用することと、
電解槽の第２の動作パラメータを監視することと、
第２の動作パラメータの予想応答を反映する、監視対象の第２の動作パラメータの値を計算することと、
監視対象の第２の動作パラメータが予想応答に適合することを、値が示す場合に、初期状態及び変更を、許容変更テーブルに記憶することと、
監視対象の第２の動作パラメータが予想応答に適合しないことを、値が示す場合に、初期状態における第２の変更を減少させる通知を送信することと、を含む、方法。
条項３３．
電解槽の動作パラメータの変更を実施する通知を受け取ることと、
電解槽の初期状態を取得することと、
変更及び初期状態に基づいて中間状態及び最終状態を推定することと、
中間状態及び最終状態の各状態について、
中間状態及び最終状態の各々について許容変更のテーブルを取得することと、
前の状態と次の状態との間の平滑化した変更を計算することと、
平滑化した変更を電解槽に適用することと、を含む、方法。
条項３４．
電解槽の第２の動作パラメータを監視し、
第２の動作パラメータの予想応答を反映する、監視対象の第２の動作パラメータの値を計算し、
監視対象の第２の動作パラメータが予想応答に適合することを、値が示す場合に、初期状態及び変更を、許容変更テーブルに記憶し、
監視対象の第２の動作パラメータが予想応答に適合しないことを、値が示す場合に、初期状態における第２の変更を減少させる通知を送信する、動作を更に含む、関連する条項のいずれかに記載の方法。
条項３５．不安定電力源に接続された電解槽を動作させるためのデバイスであって、デバイスは制御回路を備え、制御回路は、電解槽の動作パラメータに変更を適用するように構成され、変更は、動作パラメータ値の連続的な変更を含み、変更は、閾値変化率未満の変化率を含み、変更は、閾値二次変化率未満の二次変化率を含む、デバイス。
条項３６．変化率は連続的である、関連する条項のいずれかに記載のデバイス。
条項３７．制御回路は、コントローラ又はプロセッサと、制御回路に接続されたリポジトリとを備え、リポジトリは、電解槽に変更を適用するように構成されたコントローラ又はプロセッサ命令を含む、関連する条項のいずれかに記載のデバイス。
条項３８．制御回路は、電解槽に変更を適用するように構成された能動素子及び受動素子を備える、関連する条項のいずれかに記載のデバイス。
条項３９．制御回路は、電解槽に変更を適用するように構成された受動素子を含む、関連する条項のいずれかに記載のデバイス。
条項４０．受動素子は、インダクタ又はコンデンサを含む、関連する条項のいずれかに記載のデバイス。
条項４１．受動素子は、不安定電力源と電解槽との間で直列である、関連する条項のいずれかに記載のデバイス。
条項４２．受動素子は、不安定電力源と電解槽との間で並列である、関連する条項のいずれかに記載のデバイス。
条項４３．変更は電圧制御変更を含む、関連する条項のいずれかに記載のデバイス。
条項４４．変更は電流制御変更を含む、関連する条項のいずれかに記載のデバイス。
条項４５．変更は、少なくとも部分的に、線形関数、放物線関数、円関数、楕円関数、シグモイド関数、ロジスティック関数、双曲線関数、指数関数、スプライン関数、多項式関数、又は二次関数の少なくとも一部に従う、関連する条項のいずれかに記載のデバイス。
条項４６．変更はステップを含み、ステップは、電力変換器のデジタルアナログ変換器及び増幅回路によって決定され、デバイスは、デジタルアナログ変換器と、増幅回路と、電力変換器とを備える、請求項３５～４５のいずれか一項に記載のデバイス。
条項１．
不安定電力源と、
電解槽と、
制御デバイスと、を備えるシステムであって、
電解槽は、制御デバイスを介して不安定電力源に機能的に接続され、
制御デバイスは、電解槽の少なくとも１つの動作パラメータを制御するように構成され、少なくとも１つの動作パラメータは、電解槽に供給される電流、電圧、及び入力電力のうちの少なくとも１つを含み、電流、電圧、及び入力電力の各々は、電解槽の動作状態に対するそれぞれの許容範囲内にあり、制御デバイスは、不安定電力源の出力電力を調節して、電解槽に供給される入力電力に整合させる、システム。
条項２．制御デバイスは、
コントローラと、
不安定電力源の出力電力の第１の部分を変換し、第１の部分を電解槽に供給するように構成された電力変換器と、
不安定電力源の出力電力を感知するように構成されたセンサと、を更に備え、
コントローラは、
センサのセンサ値を監視し、
センサ値及び許容範囲に従って、第１の部分の電圧又は電流を設定するように構成される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項３．システムは、電気グリッド及び負荷のうちの少なくとも１つに機能的に接続される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項４．制御デバイスは、エネルギー貯蔵デバイスを備える、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項５．エネルギー貯蔵デバイスは、少なくとも１つの急速充電エネルギー貯蔵デバイス及び少なくとも１つの大容量エネルギー貯蔵デバイスを備える、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項６．制御デバイスは、不安定電力源の出力電力が、電解槽への入力電力の許容範囲よりも高い場合に、不安定電力源の出力電力を、電解槽と、エネルギー貯蔵デバイス、電気グリッド、及び負荷のうちの少なくとも１つとの間で分割し、それにより出力電力を電解槽への入力電力に整合させるように構成される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項７．制御デバイスは、不安定電力源の出力電力が電解槽への入力電力よりも低い場合に、不安定電力源の出力電力に加えて、エネルギー貯蔵デバイス及び電気グリッドのうちの少なくとも１つからの電解槽への電力の送達を促進し、それにより出力電力を電解槽への入力電力に整合させるように構成される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項８．電解槽は、カソード、アノード、及びカソードとアノードとの間に配置された膜又はセパレータを備え、膜及びセパレータは、カソードをアノードから電気的に絶縁するように構成され、電解質又は水イオンが膜及びセパレータを通過することを可能にするように構成される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項９．少なくとも１つの動作パラメータは更に、電解槽の動作温度、電解質又は水の流量、水素及び／又は酸素の圧力、並びにそれらの任意の組合せからなる群から選択される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項１０．少なくとも１つの動作パラメータを制御することは、動作パラメータの所定の値に基づく、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項１１．所定の値は、少なくとも１つの動作パラメータと電解槽寿命との関連性を表すモデルから導出される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項１２．所定の値は、少なくとも１つの動作パラメータと電解槽寿命との関連性を表す測定データから導出される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項１３．制御デバイスは、少なくとも１つの動作パラメータと電解槽寿命との間の相関を分析するように構成された機械学習アルゴリズムを含み、所定の値は、複数の電解槽の分析データから導出される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項１４．少なくとも１つの動作パラメータを制御することは、制御デバイスによる、電解槽の健康状態（ＳＯＨ）関連パラメータのリアルタイム監視に基づく、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項１５．ＳＯＨ関連パラメータは、定電流動作時の電解槽電圧、定電位動作時の電解槽電流、内部セル抵抗又はインピーダンス、電解質の温度、電解質の導電率、電解質の化学組成、及びそれらの任意の組合せからなる群から選択される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項１６．機械学習アルゴリズムは、少なくとも１つの動作パラメータと、複数の以前に動作させた電解槽のＳＯＨ関連パラメータとの間の相関を分析するように構成され、少なくとも１つの動作パラメータを制御することは、ＳＯＨ関連パラメータの現在の値と、前述した相関の分析とに基づく、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項１７．電解槽は、高分子電解質膜水電解槽、液体電解質電解槽、及び固体酸化物形電解セルからなる群から選択される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項１８．電解槽は、プロトン交換膜水電解槽及びアニオン交換膜水電解槽から選択される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項１９．不安定電力源は、光起電力（ＰＶ）電力源、太陽熱エネルギー（ＳＴＥ）電力源、風力電力源、潮力電力源、不安定な電気グリッド、及び波力電力源からなる群から選択される、関連する条項のいずれかに記載のシステム。
条項２０．不安定電力源に結合された電解槽を動作させる方法であって、方法は、電解槽の少なくとも１つの動作パラメータを制御して電解槽の寿命を延ばすことを含み、少なくとも１つの動作パラメータは電解槽の動作状態を含み、方法は、不安定電力源の出力電力を調節して、電解槽への入力電力に整合させることを含む、方法。
条項２１．
複数の不安定電力源と、
複数の電解槽スタックと、
制御デバイスと、を備えるシステムであって、
電解槽スタックの少なくとも一部は、制御デバイスを介して、対応する不安定電力源に機能的に接続され、制御デバイスは、複数の電解槽スタックの少なくとも１つの動作パラメータを制御するように構成され、少なくとも１つの動作パラメータは、複数の電解槽スタックに供給される電流、電圧、及び入力電力のうちの少なくとも１つを含み、電流、電圧、及び入力電力の各々が、複数の電解槽スタックの動作状態に対するそれぞれの許容範囲内にあり、制御デバイスは、複数の不安定電力源の出力電力を調節して、複数の電解槽スタックへの入力電力に整合させる、システム。
条項２２．複数の電解槽スタック間で、複数の電解槽スタックへの入力電力のバランスをとって、複数の電解槽スタックが交換又は寿命状態に達することを可能にする、関連するいずれかの条項に記載のシステム。
条項２３．複数の電解槽スタック間で、複数の電解槽スタックへの入力電力のバランスをとって、複数の電解槽スタックの総水素発生速度を増加させる、関連するいずれかの条項に記載のシステム。
条項２４．複数の電解槽スタック間で、複数の電解槽スタックへの入力電力のバランスをとって、複数の電解槽スタックを増加された効率で動作させる、関連するいずれかの条項に記載のシステム。
条項２５．複数の電解槽スタック間で、複数の電解槽スタックへの入力電力のバランスをとって、複数の電解槽スタックを増加された寿命で動作させる、関連するいずれかの条項に記載のシステム。
条項２６．複数の電解槽スタックへの入力電力は、将来の出力電力の予測される利用可能性に基づいて制御される、関連するいずれかの条項に記載のシステム。
条項２７．電解槽を不安定電力源に機能的に接続するための制御デバイスであって、制御デバイスは、
１つ以上のエネルギー貯蔵デバイスと、
コントローラと、
不安定電力源の出力電力を感知し、感知された電力をコントローラに報告するように構成されたセンサと、
不安定電力源の出力電力の第１の部分を電解槽スタックへの入力電力に変換するように構成された電力変換器であって、コントローラは、電解槽スタックの動作状態及び出力電力の第１の部分を設定するように構成された、電力変換器と、を備え、
制御デバイスは、電解槽スタックの少なくとも１つの動作パラメータ変更を制御するように構成される、制御デバイス。
条項２８．コントローラは、電解槽の動作パラメータを連続的に変化させるように構成される、関連する条項のいずれかに記載の制御デバイス。
条項２９．コントローラは、電解槽の動作パラメータを、閾値変化率未満の変化率で変化させるように構成される、関連する条項のいずれかに記載の制御デバイス。
条項３０．コントローラは、電解槽の動作パラメータを、閾値二次変化率未満の二次変化率で変化させるように構成される、関連する条項のいずれかに記載の制御デバイス。
条項３１．コントローラは、電解槽の動作パラメータを滑らかに変化させるように構成される、関連する条項のいずれかに記載の制御デバイス。
条項３２．
電解槽の動作パラメータの変更を実施する通知を受け取ることと、
電解槽の初期状態を取得して記憶することと、
変更を電解槽に適用することと、
電解槽の第２の動作パラメータを監視することと、
第２の動作パラメータの予想応答を反映する、監視対象の第２の動作パラメータの値を計算することと、
監視対象の第２の動作パラメータが予想応答に適合することを、値が示す場合に、初期状態及び変更を、許容変更テーブルに記憶することと、
監視対象の第２の動作パラメータが予想応答に適合しないことを、値が示す場合に、初期状態における第２の変更を減少させる通知を送信することと、を含む、方法。
条項３３．
電解槽の動作パラメータの変更を実施する通知を受け取ることと、
電解槽の初期状態を取得することと、
変更及び初期状態に基づいて中間状態及び最終状態を推定することと、
中間状態及び最終状態の各状態について、
中間状態及び最終状態の各々について許容変更のテーブルを取得することと、
前の状態と次の状態との間の平滑化した変更を計算することと、
平滑化した変更を電解槽に適用することと、を含む、方法。
条項３４．
電解槽の第２の動作パラメータを監視し、
第２の動作パラメータの予想応答を反映する、監視対象の第２の動作パラメータの値を計算し、
監視対象の第２の動作パラメータが予想応答に適合することを、値が示す場合に、初期状態及び変更を、許容変更テーブルに記憶し、
監視対象の第２の動作パラメータが予想応答に適合しないことを、値が示す場合に、初期状態における第２の変更を減少させる通知を送信する、動作を更に含む、関連する条項のいずれかに記載の方法。
条項３５．不安定電力源に接続された電解槽を動作させるためのデバイスであって、デバイスは制御回路を備え、制御回路は、電解槽の動作パラメータに変更を適用するように構成され、変更は、動作パラメータ値の連続的な変更を含み、変更は、閾値変化率未満の変化率を含み、変更は、閾値二次変化率未満の二次変化率を含む、デバイス。
条項３６．変化率は連続的である、関連する条項のいずれかに記載のデバイス。
条項３７．制御回路は、コントローラ又はプロセッサと、制御回路に接続されたリポジトリとを備え、リポジトリは、電解槽に変更を適用するように構成されたコントローラ又はプロセッサ命令を含む、関連する条項のいずれかに記載のデバイス。
条項３８．制御回路は、電解槽に変更を適用するように構成された能動素子及び受動素子を備える、関連する条項のいずれかに記載のデバイス。
条項３９．制御回路は、電解槽に変更を適用するように構成された受動素子を含む、関連する条項のいずれかに記載のデバイス。
条項４０．受動素子は、インダクタ又はコンデンサを含む、関連する条項のいずれかに記載のデバイス。
条項４１．受動素子は、不安定電力源と電解槽との間で直列である、関連する条項のいずれかに記載のデバイス。
条項４２．受動素子は、不安定電力源と電解槽との間で並列である、関連する条項のいずれかに記載のデバイス。
条項４３．変更は電圧制御変更を含む、関連する条項のいずれかに記載のデバイス。
条項４４．変更は電流制御変更を含む、関連する条項のいずれかに記載のデバイス。
条項４５．変更は、少なくとも部分的に、線形関数、放物線関数、円関数、楕円関数、シグモイド関数、ロジスティック関数、双曲線関数、指数関数、スプライン関数、多項式関数、又は二次関数の少なくとも一部に従う、関連する条項のいずれかに記載のデバイス。
条項４６．変更はステップを含み、ステップは、電力変換器のデジタルアナログ変換器及び増幅回路によって決定され、デバイスは、デジタルアナログ変換器と、増幅回路と、電力変換器とを備える、請求項３５～４５のいずれか一項に記載のデバイス。
【0143】
本発明を具体的に説明してきたが、当業者であれば、多くの変更及び修正を行うことができることを理解するであろう。したがって、本発明は、具体的に説明される例及び図面に限定されるものと解釈されるべきではなく、本発明の範囲及び概念は、以下の特許請求の範囲を参照することによって、より容易に理解され得る。
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図2F】
【図2G】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7】
【図8】
【図9】
【外国語明細書】