特表 2024-505958 電解装置の動作方法及び電解装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-02-08

(54)【発明の名称】電解装置の動作方法及び電解装置

(51)【国際特許分類】

   C25B 15/023 20210101AFI20240201BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20240201BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20240201BHJP

   C25B 9/70 20210101ALI20240201BHJP

【ＦＩ】

C25B15/023

C25B9/00 A

C25B1/04

C25B9/70

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023546414

(86)(22)【出願日】2022-02-02

(85)【翻訳文提出日】2023-09-26

(86)【国際出願番号】 EP2022052426

(87)【国際公開番号】W WO2022167461

(87)【国際公開日】2022-08-11

(31)【優先権主張番号】21154837.5

(32)【優先日】2021-02-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】516042103

【氏名又は名称】ヒタチ ゾウセン イノバ アクチェンゲゼルシャフト

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】弁理士法人有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ドール， ミヒャエル

(72)【発明者】

【氏名】ヘリング， アルフレッド

(72)【発明者】

【氏名】ヘゲレ， クリスティアン

【テーマコード（参考）】

4K021

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021BA02

4K021BA17

4K021BC09

4K021CA15

(57)【要約】

本発明は、セルスタック内に積み重ねられた一つ以上のセルを含む電解槽を動作させる方法に関するものであり、電解槽の動作中、セルスタック内の一つ以上の位置の温度が間接的または直接的に、特にセルスタック内に挿入された感応素子を有する一つ以上のセンサによって直接的に測定される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

セルスタック内に積み重ねられた一つ以上のセル（３）を含む電解槽（１０）を動作させる方法であって、
電解槽の動作中、セルスタック内の一つ以上の位置の温度が間接的または直接的に、特にセルスタック内に挿入された感応素子（８ａ、８ｂ）を有する一つ以上のセンサによって直接的に、測定されることを特徴とする、方法。

【請求項2】

感応素子が、セルフレーム（４）内、特に前記フレームの内部との境界、及び/又は前記フレーム内の軸方向に延びる収集チャネル（５）に前記内部を接続するチャネル（６）に近接して挿入される、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記測定は、測温抵抗体（ＲＴＤ）に基づく、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記ＲＴＤの配線（９ａ、９ｂ）が前記セルフレームの外殻の外側に引き出されており、特に４線構成となっている、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

少なくとも１つの感応素子がｎ個のセルごとに存在し、ｎは好ましくはＮ以下であり、Ｎは前記ステープル内のセルの総数である、請求項１から４のいずれかに記載の方法。

【請求項6】

少なくとも１つのセンサが、電解質入口及び／又は出口を有するエンドプレート（２）とは反対側のエンドプレート（１）の近くに配置される、請求項１から５のいずれかに記載の方法。

【請求項7】

前記測定された温度が所定の基準と比較され、前記基準が満たされない場合、前記電解槽の少なくとも一つの動作条件が変更され、前記電解槽の動作状態が停止され、及び／又は、特にメンテナンスのための次の停止までの将来の動作期間が決定される、請求項１から６のいずれかに記載の方法。

【請求項8】

前記測定が、一つ以上のサーマルカメラ（３０）によって前記セルスタックの外側から行われる、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項9】

一つのカメラの視野（３１）が、前記電解槽の前記ステープル軸に直交する投影において、前記セルフレーム表面の８％を超える大きさ、好ましくは１２％を超える大きさ、特に１６％を超える大きさ、さらには２０％を超える大きさを包含する、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記ステープル軸は本質的に水平であり、前記投影における前記視野の中心線は、重力に対して角度α小さく、αは、好ましくは１０°よりも大きく及び／又は９０°よりも小さい、請求項８又は９に記載の方法。

【請求項11】

前記カメラによって提供されるデータ／画像（３２）が、前記データ内の温度不均一性を前記セルスタックの一つのセルへ割り当てることを可能にする空間分解能に基づいて分析される、請求項８から１０のいずれかに記載の方法。

【請求項12】

セルスタック内に積み重ねられた一つ以上のセルを有する電解槽（１０）を備え、前記請求項１から１１のいずれかに記載の方法による前記電解槽の動作中の間接的又は直接的な温度測定のためのデバイスを特徴とする、電解装置。

【請求項13】

前記セルスタック内に感応素子を有する少なくとも一つのセンサを備える、請求項１２に記載の装置。

【請求項14】

前記セルスタックの外側に配置され、前記セルスタックを少なくとも部分的にその視野内に有する少なくとも一つのサーマルカメラを有する、請求項１２又は１３に記載の装置。

【請求項15】

前記電解槽のセルのフレームの形態であって、前記フレームの材料に、温度センサの感応素子及び／又は配線を受容するための凹部及び／又はキャビティ構造を有する、請求項１２から１４のいずれかに記載の装置の部品。

【請求項16】

前記凹部及び／又はキャビティ構造内に受容された感応素子及び／又はその配線を含む、請求項１５に記載の部品。

【請求項17】

請求項１６に記載の部品を形成する方法であって、
特に鋳造又は射出成形によってフレーム部品を形成するステップと、
材料除去プロセス、特に切削及び／又はフライス加工プロセスによって、前記のように形成されたフレーム部品に凹部及び／又はキャビティ構造を形成するステップと、
前記のように形成された前記凹部及び／又はキャビティ構造内に感応素子及びその配線を挿入するステップであって、特に前記感応要素の前に前記配線を位置決めし取り付けること、特に前記感応要素を前記配線上に半田付けすることを含む、ステップと、
特に接着剤を充填することによって、前記凹部及び／又はキャビティ構造を閉じるステップと
を含む方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、セルスタック内に積み重ねられた一つ以上のセルを備える電解槽を動作させる方法、及びそのような種類の電解槽／電解装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特に、本発明は一態様において、水素（及び酸素）を生成するために水の電気分解を行うように構成された電解槽に関する。さらに、さらなる態様において、本発明は、特にアルカリ電解を行う電解槽に関する。

【0003】

このようなセルスタックタイプの電気分解は周知であり、ＤＥ１０２０１４０１０８１３Ａ１又はＥＰ０２１２２４０Ｂ１に開示されている。

【0004】

アルカリ電解を行う電気分解の動作中、電解質、例えばＫＯＨ溶液は、マニホールド又はセルフレームの穴及び開口部によって形成されたマニホールドを通って流れる。時々単セルのセル電圧が測定され、これは、電解槽がもはや最大性能で稼動していないことを示す最初の指標となり得るセル電圧の低下を検出するためである。一方では水の消費によって、他方では電解質の損失によって変化するアルカリ溶液の濃度を時々チェックすることが、一方で知られている。

【発明の概要】

【0005】

このような対策にも拘わらず、このような電解システムで使用される電解技術は動作原理に関しては非常に古くから知られているが、物理的に実装された電解槽システムの効率及び性能を改善するための開発の余地は、依然として残されている。これにより、当初は非常に良好な性能を有していた電解槽システムが、時間の経過とともに性能が低下し、予想よりも低い耐久性又は寿命を有することが判明することがある。

【0006】

したがって、本発明の目的は、そのような電解槽システムの耐久性及び／又は長期性能を改善することである。

【0007】

この目的は、方法の観点から、電解槽の動作中に、セルスタック内の一つ以上の位置の温度が、間接的に又は直接的に、特にセルスタック内に挿入された感応素子を有する一つ以上のセンサによって直接的に、測定されることを本質的に特徴とする、さらなる発展形態によって解決される。

【0008】

この更なる発展形態により、プロセスに対する悪影響をタイムリーに検出することができ、システムの動作状況により近い精度で対処することができるため、動作中のシステムの高い耐久性が可能になるだけでなく、システムの耐久性の向上も可能になる。例えば、温度条件が理想的な動作条件から外れた状態で長時間維持されると、これは電解槽システムの長期性能に関連する影響を及ぼすことが判明している。さらに、合理的に最適化された動作条件からの逸脱は、前記測定によって、好ましくはさらに（直接的又は間接的に）測定温度のモニタリング、特に経時的な温度変化及び／又は所定の基準との比較、特に温度プロファイル（特に分解された温度分布）の経時的な及び／又は所定の参照プロファイルと比較した場合の偏差により、予測的に認識できることが判明した。さらに、メンテナンス、動作停止又は他の手段等の、所定の閾値を超える変化を検知した場合に採るべき対応を、より正確に提供することができ、特に、具体的なメンテナンススケジュールをたてることができる。

【0009】

好ましい実施形態では、感応素子は、セルフレーム内、特にフレームの内部との境界及び／又は前記内部をフレーム内の軸方向に延びる収集チャネルに前記内部を接続するチャネルに近接して挿入される。これにより、非常に有意義な温度値をスタックの内部から測定することができ、さらに化学的攻撃から敏感な素子を保護することができる。感応素子の位置決めは、電解質がフレームの内部（活性領域）から出る側にあることが好ましい。これにより、過熱のリスクが最も高いと予想される領域でも、温度情報が得られる。

【0010】

さらに、位置決めに関して、セルフレームの内部からの感応素子の距離は、セルフレームの外側からの距離の８０％未満、好ましくは６０％未満、特に４０％未満であることが好ましい。また、電解質出口からの感応素子の円周方向距離は４０°未満、好ましくは３０°未満、特に２０°未満であることが好ましい。上で述べたように、さらに一例として図２に示されるように、セルフレーム材料に埋め込まれた感応素子は、前記チャネルを通って流れる流体と直接接触することなく（前記チャネルとの感応素子の流体連通がない）、上記近接による化学的攻撃から保護される。

【0011】

さらに好ましい実施形態では、測定は、測温抵抗体（ＲＴＤ）に基づく。しかしながら他の実施形態では、熱電対を利用することも想定される。ＲＴＤに関しては、プラチナベースの抵抗器が好ましく、及び／又は室温で８０オーム以上の抵抗を有する抵抗器が好ましい。例えば、ＰＴ１００、より好ましくはＰＴ１０００素子を使用することができる。工業用ＲＴＤ素子それぞれのセンサが、さらに好ましい。

【0012】

いくつかの実施形態では、監視は、温度の絶対値よりも温度勾配に合理的に基づくことができるため、ＲＴＤへの接続のための２線構成で十分であると考えられる。しかし、精度を向上させるために、３線構成、又はより好ましくは４線構成が想定される。

【0013】

配線は、セルフレームの外殻の外側に引き出すことができる。これは、配置された電解槽の位置から、電解槽の近くに又は電解槽とは別に配置された制御装置に、導かれる。トランスデューサは、制御装置の側又は電解槽の側に、設けることができる。いずれの場合も、電解槽から制御部へのあらゆる配線は例えばＮＳＧＡＦＯＵレベルで保護され、また、接続は、電解槽の位置決めのためのＥＸ－領域に関する安全レベルに悪影響を及ぼさないように構成されることが好ましい。

【0014】

可能な一実施形態では、スタック全体に対して一つのセンサのみが設けられ、これはＮ個のセルごとに設けられ、ステープル内のセルの総数である。Ｎについては、少なくとも４０、より好ましくは少なくとも7０、特に少なくとも１００のセルを有することが好ましい。しかしながら、１２０以上のセル、１３０以上のセル、又は１４０以上のセルを有することも想定される。

【0015】

特に、電解槽が大きいほど、より多くの温度センサを組み込むことができる。例えば、６０セルごと、又は４０セルごと、又は３０セルごとに、少なくとも一つの温度センサを実装することができる。また、例えば、少なくとも一つの温度センサを１０個以下のセルごとに、８個のセルごとに、さらには６個のセルごとに実装するなど、より薄いメッシュを想定することができる。最外監視のために、各セルに対して少なくとも一つの温度センサを有することを提供することもできる。これにより、電解槽の他のセルとは無関係に、単一セルの故障を適切に検出することができる。

【0016】

さらに好ましい実施形態では、二つ以上の温度センサを有する少なくとも一つのセルが存在することができる。これらは、監視に高い冗長性を与えるように、互いにかなり近接して配置することができる。一方では、電解質入口に対する電解質出口の範囲の温度プロファイルを確立するなど、特にセルの円周範囲のより広い部分をカバーするために、これらを離間させることもできる。

【0017】

センサはまた、交換可能な方法で、特に、少なくとも挿入チャネルのカバーを取り外した後に外部からアクセス可能なセルフレーム内の挿入チャネルを有することによって、取り付けることができる。

【0018】

さらなる好ましい実施形態では、少なくとも一つのセンサが、電解質入口及び／又は出口を有するエンドプレートとは反対側のエンドプレートの近くに配置され、この入口及び／又は出口が、アルカリ水を循環させるための配管に接続されることが想定される。例えば、カソード側エンドプレートが、電解質の流れのための入口及び出口を有していてもよい。さらに、追加的に又は代替的に、電解槽を通る電解質流の最大圧力損失を有するセル内に、全てのセルの中で圧力損失が最も高い２０％以内のセルに属するセル内のそれぞれに、少なくとも一つの温度センサを有することが好ましい。

【0019】

さらに好ましい実施形態では、測定された温度は、所定の基準と比較され、基準を満たさない場合、電解槽の少なくとも一つの動作条件が変更され、電解槽の動作状態が停止され、及び／又は特にメンテナンスのための次の停止までの将来の動作期間が決定される。

【0020】

測定は、定期的又は選択可能な繰り返しで行うことができる。好ましくは、前記測定は、少なくとも毎週、より好ましくは少なくとも２日ごとに、さらには少なくとも１日に１回繰り返される。もちろん、特に、特異的事象に対して迅速に対応することができ、及び／又は細かい網の目監視ができるように、前記測定は、少なくとも８時間に１回、少なくとも４時間に１回、又は少なくとも２時間に１回であってもよい。もちろん、時間的に連続的な測定、又は時間的に準連続的な測定を行うこともできる。

【0021】

観測された温度の変化に応じて、温度が過熱の危険のような重大な危険状態に対応する所定の閾値を超えた場合には、運転を停止することができる。第２の閾値を導入することができ、閾値を超えると、メンテナンスの実行を示す対応する信号を発することによって、メンテナンスが実行される。さらに、第３レベルの閾値を導入することができ、この閾値の通過は、例えば電解質の体積流量を増加させるために、場合によっては電解槽システムの通常動作中にも、取られるべき措置を示す。このような体積流量の増加は、電解質循環中で起こる脱気のための最小脱気閾値によって、カウンターコントロールすることができる。

【0022】

好ましい実施形態では、測定及び／又はモニタリングの評価は、推奨される残りの動作時間、又は次のメンテナンスまでの残り時間、又は継続動作中に取られるべき他のアクションを示す信号を、提供することを含んでもよい。これにより、予測を行うことができ、予測に従って電解槽の実際の状態に合わせたより正確な取扱いを採用することができ、運転状態の改善及び、長期的にはより良好な長時間性能及び／又は耐久性をもたらす。

【0023】

さらなる代替の又は追加の実装形態では、測定は、一つ以上のサーマルカメラによって、セルスタックの外側から行うことができる。

【0024】

取られるべきアクション、メンテナンス、予測に関する上記のさらなるモニタリング及び／又は評価はすべて、前記一つ以上のサーマルカメラによって提供される画像の評価にもすべて同様に適用される。前記画像から温度プロファイルを導出するための画像認識ソフトウェアが提供されうる。さらに、温度勾配又はそれを示す量などのパラメータを、特にあるセルを他のセルから識別するのに有効な特別な分解能を用いて導き出すことができる。データの評価及び／又はデータの比較は、人工知能によって支援することができる。

【0025】

好ましい一実施形態では、一つのカメラの視野は、電解槽のステープル軸に直交する投影において、セルフレーム表面の８％を超える大きさ、好ましくは１２％を超える大きさ、特に１６％を超える大きさ、さらには２０％を超える大きさを包含する。さらに、視野は、電解槽のある円周方向から見て、セル内の活性領域からセルフレーム内への電解質の出口が設けられる場所を包含することが好ましい。

【0026】

これに関連して、電解槽のステープル軸が水平に配置され、前記投影における視野の中心線が重力に対して角度α小さいことが好ましく、αは好ましくは１０°よりも大きくかつ／又は９０°よりも小さい。これにより、限られた数のサーマルカメラを使用することが可能になり、有意義な監視のために一つのサーマルカメラで十分とすることができる。より好ましくは、角度αは、８２°より小さく、特に7６°より小さく、及び／又は２０°より大きく、特に３０°より大きい。

【0027】

デバイスに関して、本発明は、セルスタック内に一つ以上のセルスタックを有する電解槽を含む電解装置を提供し、この電解装置は、本質的に、上記態様のうちの一つ以上の方法による電解槽の動作中の間接的又は直接的な温度測定のためのデバイスによって特徴付けられる。

【0028】

前記装置による利点は、本方法の上述の利点から明らかになる。

【0029】

この点に関して、装置は、セルスタックの内部にその感応素子を有する少なくとも一つのセンサを備えることが好ましい。代替的に又は追加的に、装置は、セルスタックの外側に配置され、セルスタックを少なくとも部分的にその視野内に有する少なくとも一つのサーマルカメラを有してもよい。

【0030】

さらに、本発明は、温度センサの感応素子及び／又は配線を受容するために、フレームの材料に凹部及び／又はキャビティの構成を有する、電解槽のセルのフレームも提供する。また、感応素子及び／又はその配線を既に含むセルフレームを提供することも想定される。

【0031】

さらに、本発明は、特に鋳造又は射出成形によってフレーム部品を形成するステップ、材料除去プロセス、特に、切削及び／又はミリングプロセスによってそのように形成されたフレーム部品に凹部及び／又はキャビティ構成を形成するステップ、そのように形成された凹部及び／又はキャビティ構成に感応素子及びその配線を挿入するステップであって、特に感応要素の前に配線を位置決めし取り付けること、特に前記感応要素を配線上に半田付けすることを含むステップ、及び接着剤を充填することによって凹部及び／又はキャビティ構成を閉じるステップを含む方法を提供する。

【0032】

本発明のさらなる特徴、詳細及び利点は、添付の図面を参照して以下に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】図１は、ステープルタイプの電解槽の概略構造を示す。

【図2】図２は、電解槽のセルフレームの部分図を示す。

【図3】図３は、カメラの視野における電解槽の説明図である。

【0034】

図１には、ステープルタイプの電解槽１０の概略図が示されている。電解槽１０は、アノード側エンドプレート１とカソード側エンドプレート２とを備え、それらの間にセルフレーム４を有するＮ個のセル３を有する。セルの数Ｎは、特に、上記の好ましい指標の中から選択できる。使用される電解槽技術は特に限定されず、例えばアルカリ電解であってもよい。図１には配管の接続は示されていないが、当業者に知られている任意の通常の方法で実装でき、同様に電気接点及び整流器の組み込みなども図示されていないが、当業者によって容易に適用され得る。

【0035】

図２には、セルフレーム４の上部が示されている。セルフレームは、電解質をセルフレーム４の内部に案内し電解槽１０のセルフレーム４を通って軸方向に延びる導管５を有するマニホールドと、活性領域有するセルの内部を軸方向の導管５に接続する導管６とを備える。このような構造は、システム内を流れる電解質を有する電解槽では一般的であり、したがって、これ以上詳細には説明しない。

【0036】

フレーム４には、温度センサの感応素子８ａ及び８ｂが、フレームに形成された対応する凹部に埋め込まれている。図２に示されるように、内部及び導管５、６の境界にごく近接しているが、流体連通していないフレーム材料に埋め込まれることによって、感応素子８ａ及び８ｂは、電解質の化学的攻撃から保護される。これらの感応素子は、ＰＴ１００又はＰＴ１０００素子のような、プラチナベースの抵抗器であってもよい。その配線は、図２に参照符号９ａ及び９ｂで示されており、所望の測定精度、特に配線９の選択された長さに応じて、２線、３線、又は４線によって実装することができる。

【0037】

このような改良されたフレーム、すなわち温度感知が可能なフレームを得るために、第１のステップで、フレーム本体は、従来の方法で、例えば鋳造又は射出成形によって、形成することができる。その後に、配線９用のチャネルとともに、フレームに凹部か形成されうる。次に、配線がチャネルに挿入され、本実施形態では、ＰＴ１０００がその受け入れ位置で配線にはんだ付けされる。続いて凹部及びチャネルは、例えば接着剤を充填することによって閉じることができる。接着剤の材料パラメータは、少なくともフレーム材料のものと同程度であるように選択することができる。その後、表面を平坦化して、フレームの元の平坦な表面を再構成する。

【0038】

前記温度測定の構成によって、感応素子８ａ、８ｂの位置において温度及び温度の変化を測定することができる。特に前記温度は電解槽の通常の動作中に測定することができ、この電解槽の動作とは、特に水素（及び酸素）を生成するための水の電気分解である。

【0039】

温度は、特に連続的に、特に上述の態様においてモニタリングすることもできる。温度及びその変化のモニタリング及び監視は、メンテナンスの適切なスケジューリングのために使用することができ、その結果、電解槽の適切な機能を保護するためにセキュリティウィンドウ内でタイムリーなメンテナンスをスケジュールすることができ、また、性能を高い状態で維持し、早すぎる又は頻繁に実行されるメンテナンスによっても影響を受けないように、必要なメンテナンスに近くあまりに事前にならないように、タイムリーなメンテナンスを選択することもできる。

【0040】

図３には、本発明の別の実施形態が説明図で示されている。ここで、電解槽１０は、側面図（紙面に直交するステープル軸方向）で示されており、ホルダ２０に取り付けられた電解槽１０の陰極側エンドプレート２を見ることができる。電解槽１０はサーマルカメラ３０の視野３１内にある。サーマルカメラ３０は画像（３２によって例示される）を撮影し、前記画像３２は熱分布を示し、従って、電解槽１０内の温度プロファイルを示す。図３に示す分布は誇張されたものであり、温度プロフィールの存在を示すものであり、電解槽全体に均一な熱分布ではないことを意味することに留意されたい。

【0041】

サーマルカメラ３０によって定期的又は不定期な間隔で撮影された画像３２を分析し、温度プロファイルの変化を観察し、特に適切に作動している電解槽に対して確立された温度プロファイルと比較して、この場合にも第１の実施形態のものと同様のモニタリング及び監視を間接的な測定のみで提供することができ、メンテナンスを最適な方法で計画することができる。

【0042】

さらに、監視を連続的又は効果的に連続的に行うことによって、すなわち、上記でより詳細に説明したタイムフレーム内で、電解槽システムの故障及び／又は危険を早期に認識することができ、電解槽の緊急停止又は制御さされたシャットダウン等のそれぞれの措置を講じることができる。

【0043】

本発明は、上記でより詳細に示された実施形態に限定されるものではなく、むしろ、前述の説明及び後続の特許請求の範囲の特徴は、単独で、又は組み合わせて、その様々な態様において本発明に本質的なものであり得る。

【図1】

【図2】

【図3】

【国際調査報告】