特表 2024-528869 電解システム

(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】2024-08-01

(54)【発明の名称】電解システム

(51)【国際特許分類】

   C25B 9/67 20210101AFI20240725BHJP

   C25B 1/042 20210101ALI20240725BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20240725BHJP

   C25B 13/07 20210101ALI20240725BHJP

   C25B 13/04 20210101ALI20240725BHJP

【ＦＩ】

C25B9/67

C25B1/042

C25B9/00 A

C25B13/07

C25B13/04 301

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024504229

(86)(22)【出願日】2022-07-27

(85)【翻訳文提出日】2024-02-15

(86)【国際出願番号】 GB2022051965

(87)【国際公開番号】W WO2023012456

(87)【国際公開日】2023-02-09

(31)【優先権主張番号】2111411.1

(32)【優先日】2021-08-06

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】508359550

【氏名又は名称】セレス インテレクチュアル プロパティー カンパニー リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100114775

【弁理士】

【氏名又は名称】高岡 亮一

(74)【代理人】

【識別番号】100121511

【弁理士】

【氏名又は名称】小田 直

(74)【代理人】

【識別番号】100202751

【弁理士】

【氏名又は名称】岩堀 明代

(74)【代理人】

【識別番号】100208580

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 玲奈

(74)【代理人】

【識別番号】100191086

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 香元

(72)【発明者】

【氏名】ライリー，ジョシュア

(72)【発明者】

【氏名】ヴィアナ，ジョアン クラウディオ ブザティ

【テーマコード（参考）】

4K021

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021BA02

4K021BC05

4K021CA12

4K021DB48

(57)【要約】

本発明は、アノード、カソード、および固体酸化物電解質を備える電解スタック（１２）を備える固体酸化物電解槽セルシステム（１０）に関する。アノードは、アノード入口（１４）を備える。システム（１０）は、アノード入口（１４）を介してアノードにスイープガスを供給するためのスイープガス供給源（１６）と、スイープガス供給源（１６）とアノード入口（１４）との間の流路を画定するスイープガス供給流路（１８）とをさらに備える。システム（１０）は、スイープガス供給流路（１８）と流体連通している第１の熱交換器（３０）をさらに備える。第１の熱交換器（３０）は、固体酸化物形電解槽セルシステム（１０）の外部にある供給源を有し、外部流路（２８）を画定する流体流（２６）とも流体連通している。第１の熱交換器（３０）は、スイープガス供給流路（１８）と外部流路（２８）との間で熱交換するように構成される。本発明はさらに、第１の熱交換器（３０）を介して外部流路（２８）とスイープガス供給流路（１８）との間で熱交換することによって、そのような固体酸化物電解槽セルシステム（１０）を操作する方法に関する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

固体酸化物電解槽セルシステムであって、
アノード、カソード、および固体酸化物電解質を備える電解スタックであって、前記アノードがアノード入口を備える、電解スタックと、
前記アノード入口を介して前記アノードにスイープガスを供給するためのスイープガス供給源と、
前記スイープガス供給源と前記アノード入口との間の流路を画定するスイープガス供給流路と、
前記スイープガス供給流路と流体連通する第１の熱交換器とを備え、
前記第１の熱交換器は、前記固体酸化物形電解槽セルシステムの外部にある供給源を有し、外部流路を画定する流体流とも流体連通しており、
前記第１の熱交換器は、前記スイープガス供給流路と前記外部流路との間で熱交換するように構成される、固体酸化物電解槽セルシステム。

【請求項2】

前記スイープガス供給流路に接続されたバイパス流路であって、その第１の端部において前記第１の熱交換器の上流側の位置に接続され、その第２の端部において前記第１の熱交換器の下流側の位置に接続されるバイパス流路をさらに備える、請求項１に記載の固体酸化物電解槽セルシステム。

【請求項3】

前記スイープガス供給流路内に位置決めされ、前記第１の熱交換器の下流側に接続された第１のヒータをさらに備える、請求項１または請求項２に記載の固体酸化物電解槽セルシステム。

【請求項4】

前記電解スタックの前記アノードのためのアノード出口であって、前記アノード出口と第１の排出口との間の流路を画定するアノード出口流路を備える、アノード出口と、
前記スイープガス供給流路と流体連通し、前記スイープガス供給流路内の前記第１の熱交換器の下流側に位置決めされた第２の熱交換器であって、前記アノード出口流路とも流体連通し、前記スイープガス供給流路と前記アノード出口流路との間で熱交換するように構成された第２の熱交換器と
をさらに備える、請求項１～請求項３のいずれかに記載の固体酸化物電解槽セルシステム。

【請求項5】

前記電解スタックの前記カソードのためのカソード入口と、
前記カソード入口を介して前記カソードに燃料を供給するための燃料供給源と、
前記燃料供給源と前記カソード入口との間の流路を画定する燃料供給流路と、
前記電解スタックの前記カソードのためのカソード出口と、
前記カソード出口と第２の排出口との間の流路を画定するカソード出口流路と、
前記燃料供給流路の下流側と流体連通している第３の熱交換器であって、前記カソード出口流路とも流体連通し、前記燃料供給流路と前記カソード出口流路との間で熱交換するように構成された第３の熱交換器と
をさらに備える、請求項４に記載の固体酸化物電解槽セルシステム。

【請求項6】

前記カソード出口流路と前記アノード出口流路とを接続して、それらを流体連通させるカソード出口分岐流路をさらに備える、請求項５に記載の固体酸化物電解槽セルシステム。

【請求項7】

前記カソード出口分岐流路内に配置された弁をさらに備える、請求項６に記載の固体酸化物電解槽セルシステム。

【請求項8】

前記燃料供給流路と流体連通し、前記外部流路とも流体連通し、前記流路間で熱交換するように構成された第４の熱交換器をさらに備える、請求項４～請求項７のいずれか一項に記載の固体酸化物電解槽セルシステム。

【請求項9】

前記第３の熱交換器は、前記第４の熱交換器の下流側で前記燃料供給流路と流体連通している、請求項８に記載の固体酸化物電解槽セルシステム。

【請求項10】

前記第３の熱交換器の下流側に配置された前記燃料供給流路内に位置決めされた第２のヒータをさらに備える、請求項５～請求項９のいずれか一項に記載の固体酸化物電解槽セルシステム。

【請求項11】

前記アノード出口と前記第２の熱交換器との間の前記アノード出口流路内に位置決めされた第３のヒータをさらに備える、請求項４に記載の固体酸化物電解槽セルシステム。

【請求項12】

前記アノード出口と前記第２の熱交換器との間の位置で前記アノード出口流路に接続された切換弁をさらに備え、前記切換弁はまた、前記外部流路および第３の排出口に接続され、前記切換弁は、前記アノード出口と前記第２の熱交換器、前記外部流路または前記第３の排出口の少なくとも１つとの間で流れを方向付けるように構成される、請求項４～請求項１１のいずれか一項に記載の固体酸化物電解槽セルシステム。

【請求項13】

固体酸化物電解槽セルシステムの操作方法であって、
アノード入口を介して電解スタックのアノードにスイープガスを供給するためのスイープガス供給源を設けて、前記スイープガス供給源と前記アノード入口との間にスイープガス供給流路を画定することと、
前記固体酸化物電解槽セルシステムの外部に供給源を有する流体流を形成し、前記流体流から外部流路を画定することと、
第１の熱交換器を介して前記外部流路と前記スイープガス供給流路との間で熱交換することと
を含む操作方法。

【請求項14】

前記電解槽の前記アノードのアノード出口と前記システムへの第１の排出口との間のアノード出口流路が画定される、請求項１３に記載の固体酸化物電解槽セルシステムの操作方法。

【請求項15】

前記第１の熱交換器の下流側の位置で前記スイープガス供給流路内に配置された第２の熱交換器によって、前記アノード出口流路と前記スイープガス供給流路との間で熱交換することを含む、請求項１４に記載の固体酸化物電解槽セルシステムの操作方法。

【請求項16】

前記第１の熱交換器の上流側および前記第２の熱交換器の下流側の前記スイープガス供給流路内に配置されたバイパス流路によって前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器をバイパスすることを含む、請求項１５に記載の固体酸化物電解槽セルシステムの操作方法。

【請求項17】

前記アノード出口と前記第２の熱交換器との間の前記アノード出口流路内に配置された第３のヒータから前記アノード出口流路に熱を供給することを含む、請求項１５または請求項１６に記載の固体酸化物電解槽セルシステムの操作方法。

【請求項18】

前記アノード出口とバーナとの間の前記流路内に配置された切換弁によって、前記外部流体流路または前記第３のヒータから前記アノード出口流路に熱を供給することを含む、請求項１７に記載の固体酸化物電解槽セルシステムの操作方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電解質を備えたセル内での水（および二酸化炭素）の電解によって水素（または合成ガス）を生成するための電解システムまたは電解槽システムに関する。このようなセルの形態の１つは、固体酸化物電解槽セル、すなわちＳＯＥＣである。

【背景技術】

【0002】

電解システムは、一般に、電解質、アノードおよびカソードを有する１つまたは複数のセルを備え、それらは、水の電解によって水素を、または水および二酸化炭素の電解によって合成ガスを生成するように動作する。

【0003】

水素を生成するために、セルには、カソードにおいて水が（蒸気の形態で）供給され、アノードには還元ガスまたは燃料が供給される。次いで、ＤＣ電流がアノードとカソードとの間に供給される。その後、水（蒸気）は、蒸気が水素ガスと酸素に還元されるように還元を受け、酸素は、アノード側で排ガスを供給するために電解質を横切って燃料を電気化学的に変換し、水素は、カソード側でガスとして出力される。

【0004】

電解槽システムの特徴は、エネルギー効率が悪い傾向があることである。この多くは、それらが室温よりも十分に高い温度、通常は５００～８００℃で最も効果的に動作するという事実によるものである。始動時にこれらの温度を達成するために、電解槽システムは、一般に、典型的には入力流体流（高温蒸気および高温燃料）を加熱することによって、システムを動作温度まで暖めるためにヒータを使用する。また、電解槽システムは、電解質の効率的な運転を維持するために、システムの運転中に高温で流体供給を維持する必要がある。さらに、電解槽システムは、高温でオフガス（排ガスおよび水素）を排出するが、このこともまたエネルギーを浪費する。

【0005】

排ガスの熱を利用して、蒸気をカソード側に投入する前にその蒸気を加熱するために熱交換器を使用する従来技術のシステムが周知である。例えば、米国特許出願公開第２００７２１７９９５（Ａ１）号および米国特許出願公開第２００９２３５５８７号を参照されたい。しかしながら、これは、システムが動作しているときにしか排ガスが生成されないという欠点を有する。そのため、始動中に利用可能な熱が不足する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

したがって、本発明は、始動中、運転中、および冷却中などに、熱流路をより効率的に利用すること目的とする。本発明はさらに、電解槽システムの運転効率を高めることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明によれば、固体酸化物電解槽セルシステムであって、
アノード、カソード、および固体酸化物電解質を備える電解スタックであって、アノードがアノード入口を備える、電解スタックと、
アノード入口を介してアノードにスイープガスを供給するためのスイープガス供給源と、
スイープガス供給源とアノード入口との間の流路を画定するスイープガス供給流路と、
スイープガス供給流路と流体連通する第１の熱交換器とを備え、
第１の熱交換器は、固体酸化物形電解槽セルシステムの外部にある供給源を有し、外部流路を画定する流体流とも流体連通しており、
第１の熱交換器は、スイープガス供給流路と外部流路との間で熱交換するように構成される、固体酸化物電解槽セルシステムが提供される。

【0008】

外部流路は、様々な供給源から入手可能であり得る。外部流路は、固体酸化物電解槽セルシステムの運転の外側にある。したがって、それは別個のプロセスである。この熱は、そうでなければ、浪費されるか、または利用されない場合がある。スイープガス供給流路を加熱するために蒸気を使用することによって、電解スタックの効率を高める。外部流からの熱は、任意の品位であり得る。例えば２００℃未満の低品位熱を使用することができる。

【0009】

外部流の使用は、電解スタックが熱を全く生成しないまたはほとんど生成しない電解槽システムの始動中に特に有用であり得る。したがって、外部流は、スイープガス供給流路、ひいてはアノード入口に、あるレベルの熱を供給して始動効率を高め、他の供給源（例えば、ヒータ）から供給される熱を低減する。

【0010】

好ましくは、システムは、スイープガス供給流路に接続されたバイパス流路を備え、バイパス流路は、その第１の端部において第１の熱交換器の上流側の位置に接続され、バイパス流路は、その第２の端部において第１の熱交換器の下流側の位置に接続される。

【0011】

バイパス流路は、第１の熱交換器に接続された外部流路の周りにスイープガス供給流路を迂回させることを可能にする。したがって、その流れは、熱交換なしにアノード入口に向かって方向付けられ得る。これは、外部流体流からの熱の伝達がスイープガス供給流路を加熱するのに不十分である場合に有用であり得る。場合によっては、外部熱源は動作していないことがあり、したがって、外部流との熱交換は、スイープガス供給流路の温度を下げることになるので、回避されることが望ましい場合がある。

【0012】

さらに、例えば熱交換器において、部品の限界に対する最大可能熱回収を超える場合には、バイパス流路を利用することができる。したがって、バイパス流路を使用して、システムの損傷を回避することができる。

【0013】

好ましくは、システムは、スイープガス供給流路内に位置決めされ、第１の熱交換器の下流側に接続された第１のヒータを備える。そのような第１のヒータは、スイープガス入口流路内のスイープガス供給源の加熱のための微調整を行うことができる。特に、外部流体流との熱交換後、アノード入口にとって望ましい追加の熱量は変化する。第１のヒータは、供給される熱を調整し得る。第１のヒータによって供給される熱エネルギーの量は、他の熱源を考慮して必要に応じて低減され、したがって、システムの全体効率を高めることができる。

【0014】

好ましくは、第１のヒータは、電気ヒータまたは燃焼式ヒータである。このヒータは、トリムヒータと呼ばれる場合もある。第１のヒータは、入口ヒータまたはスイープガスヒータと呼ばれ得る。

【0015】

好ましくは、第１のヒータは、バイパス流路の後に位置決めされる。このことにより、第１のヒータは、必要な場合にスイープガス供給流路を加熱することができ、バイパスされない。その代わりに、第１のヒータは、必要なレベルの熱エネルギーを供給するように制御され、必要でない場合には、熱の供給を停止するように制御される。供給される熱の程度もまた、変化させることができる。

【0016】

スイープガスは、ＣＯ_２、Ｏ_２、Ｎ_２、Ａｒなどの任意の数のガスであり得る。スイープガスは空気であってもよい。一般に、酸素と反応しない任意のガスをスイープガスとして使用することができる。スイープガスは、還元ガスと呼ばれ得る。

【0017】

好ましくは、システムは、
電解スタックのアノードのためのアノード出口であって、
アノード出口と第１の排出口との間の流路を画定するアノード出口流路を備えるアノード出口と、
スイープガス供給流路と流体連通し、スイープガス供給流路内の第１の熱交換器の下流側に位置決めされた第２の熱交換器であって、アノード出口流路とも流体連通し、スイープガス供給流路とアノード出口流路との間で熱交換するように構成された第２の熱交換器とを備える。

【0018】

スタック内の電解反応の結果として、排ガスが生成され、アノード出口を通して出力される。この排ガスは、その後、排出口、すなわち第１の排出口から排出される。しかしながら、排ガスは、熱の形態のエネルギーを含む。排ガスは、５００℃～６５０℃の範囲の温度を有し得る。したがって、この熱を使用することも有益である。第２の熱交換器は、スイープガス供給流路を加熱するさらなる手段となる。

【0019】

第２の熱交換器は、第１の熱交換器の下流側にある。暖機後のフル運転中のように排ガスが外部供給源の流れよりも高い温度を有する場合、スイープガス供給流路の温度をアノード入口に到達する前に上昇する必要がある。熱交換器を介した逐次加熱は、システム効率を高める。

【0020】

好ましくは、いくつかの実施形態では、第１の熱交換器は、第２の熱交換器の下流側に配置される。これは、外部流が特に高品位熱であり、したがって熱交換の次数の増加が好ましい場合に有利であり得る。

【0021】

バイパス流路は、第２の熱交換器をバイパスすることもできる。したがって、スイープガス供給流路は、第１の熱交換器および第２の熱交換器を通過しない。これは、アノード排ガス温度がスイープガス供給源温度よりも低くなり得る始動中に有用であり得る。上述したように、部品の限界を超える可能性のある構成要素を保護するためにも有用である。

【0022】

低品位熱および高品位熱という用語は、流路内の熱の質またはレベルを説明するために使用される。プロセスが副産物として熱を生成する場合、これは廃熱と呼ばれ、温度に応じて低品位、中品位、および高品位に分類されることが多い。廃熱または二次熱などの他の用語も使用される。本発明の説明のために、低品位熱は１５０℃～３００℃の範囲であると考えられるが、より低い温度が利用されてもよい。高品位熱という用語も使用され、５００℃以上の範囲の温度を意味する。しかしながら、この説明のために、３５０℃を超える温度もまた、高品位と考えられ得る。

【0023】

いくつかの実施形態では、バイパス流路は、第１または第２の熱交換器のみをバイパスすることが好ましい。

【0024】

好ましくは、システムは、
電解スタックのカソードのためのカソード入口と、
カソード入口を介してカソードに燃料を供給するための燃料供給源と、
燃料供給源とカソード入口との間の流路を画定する燃料供給流路と、
電解スタックのカソードのためのカソード出口と、
カソード出口と第２の排出口との間の流路を画定するカソード出口流路と、
燃料供給流路の下流側と流体連通している第３の熱交換器であって、カソード出口流路とも流体連通し、燃料供給流路とカソード出口流路との間で熱交換するように構成された第３の熱交換器とをさらに備える。

【0025】

スタック内の電解反応により、水素ガス（または場合によっては合成ガス）が生成され、カソード出口を通って出力される。これは、生成物、生成ガスまたは燃料と呼ばれ得る。次いで、生成物は、排出口に送られ、種々の他のプロセスに使用される。カソード出口における生成物は、５００℃～６５０℃の範囲の高品位熱エネルギーを有する。したがって、ここからの熱は、スイープガス入口流路を加熱するためにも使用され得る。このことにより、カソード入口に高温の蒸気が確実に供給される。

【0026】

好ましくは、システムは、カソード出口流路とアノード出口流路とを接続して、それらを流体連通させるカソード出口分岐流路を備える。

【0027】

第２の熱交換器内での伝達のための熱エネルギーを供給するためにも、アノード出口流路に接続するカソード出口分岐流路を有することが有利である。この分岐流路は、カソード出口流路から、第１の排出口につながるアノード出口流路への生成物の部分的な流れを可能にする。

【0028】

好ましくは、システムは、カソード出口分岐流路内に配置された弁を備える。弁は、アノード排出口への生成ガスの流れの制御を可能にする。特に、スイープガス供給流路の温度の上昇が必要とされる始動中に分岐流路を使用することのみが有利であり得る。

【0029】

好ましくは、システムは、燃料供給流路と流体連通し、外部流路とも流体連通し、流路間で熱交換するように構成された第４の熱交換器を備える。

【0030】

燃料供給源は、スタック内の電解反応のためにカソード入口に接続される。燃料供給源は、通常、水である、より正確には蒸気である。スタック内のより効率的な電解反応のために燃料供給流路を加熱することが有利である。さらに、このことにより、確実に水が蒸気を供給するレベルまで加熱される。したがって、外部流路を使用して燃料供給源も加熱することによって、アノード入口およびカソード入口への両方の流路のために低品位熱を利用することができる。外部流路は、この目的のために、第１の熱交換器のための１つの経路と、第４の熱交換器のための１つの経路とを有するように分割され得る。

【0031】

好ましくは、第４の熱交換器のための外部流路は、第１の熱交換器に供給する流路とは異なる、第４の熱交換器に供給するための第２の流路である。

【0032】

好ましくは、燃料供給流路と流体連通している第３の熱交換器は、この流路内の第４の熱交換器の下流側にある。第３の熱交換器は、カソード出口流路と流体連通し、燃料供給流路とカソード出口流路との間で熱交換するように構成される。

【0033】

上述したように、スタックがフル運転しているときに、カソード出口からの出力は、高品位熱を有する。この熱は、燃料供給流路を加熱するためにも使用され得る。このことにより、カソード入口に高温の蒸気が確実に供給される。第４の熱交換器は、第３の熱交換器に追加され得る。あるいは、第３および第４の熱交換器は、別個の実施形態を形成し得る。同様に、第３および第４の熱交換器は、カソード出口流路をアノード出口流路に接続する分岐流路を含まないシステム内にあってもよい。

【0034】

好ましくは、いくつかの実施形態では、第４の熱交換器は、燃料供給流路内で第３の熱交換器の下流側にある。これは、外部流路が高品位熱の流路である場合に有利であり得る。

【0035】

好ましくは、システムは、燃料供給流路内に位置決めされ、この流路内の第３の熱交換器の下流側に配置された第２のヒータを備える。好ましくは、第２のヒータは、第４の熱交換器の下流側に配置される。このような第２のヒータは、燃料供給流路内の燃料供給源の加熱のための微調整を行うことができる。特に、第３および第４の熱交換器のいずれかまたは両方との熱交換の後、カソード入口に必要な熱量は変化する。第２のヒータは、供給される熱を調整することができる。さらに、このことは、第２のヒータによって供給される熱が必要とされない場合に低減され得るため、エネルギー効率を高め得る。第２のヒータは、（さらなる）入口ヒータまたは燃料供給ヒータと呼ばれ得る。

【0036】

好ましくは、第２のヒータは、電気ヒータまたは燃焼式ヒータである。

【0037】

好ましくは、システムは、アノード出口と第２の熱交換器との間のアノード出口流路内に位置決めされた第３のヒータを備える。第３のヒータは、アノード出口流路の加熱を可能にして、スイープガス供給流路と交換される熱を増加させる。この流路内の第３のヒータは、アノード排ガスがより低いレベルの熱エネルギーを有する始動中に、特に有用であり得る。

【0038】

バーナは、燃焼式ヒータまたは電気ヒータである。これは、スタック出口ヒータ、アノード排ガスヒータ、またはバーナとも呼ばれ得る。好ましくは、第３のヒータが燃焼式ヒータである場合、第３のヒータに対して燃料供給源が設けられる。

【0039】

好ましくは、第３のヒータは、外部燃料供給源によって燃料供給される。アノード排ガスは、燃焼可能でなくてもよい。したがって、アノード排ガスを加熱するためにバーナに対して外部燃料供給源が設けられ、スイープガス供給流路との熱交換を可能にし得る。これは、スタックの始動中または加熱中に特に有利である。

【0040】

分岐流路が設けられる場合には、分岐流路を第３のヒータに接続することが好ましい。カソード出口ガスは、可燃性ガス（例えば、水素または合成ガス）であり、これはバーナ内で燃焼され得る。このことにより、アノード出口流路が加熱され、第２の熱交換器においてスイープガス供給流路が加熱される。これは、始動時に使用され得る。この場合、分岐流路内に配置された弁を開いて、生成ガスをカソード出口からバーナへ流すことができる。これは、スタックの始動中または加熱中など、アノード出口からの排ガスが低品位である場合に有用であり得る。

【0041】

好ましくは、システムは、アノード出口と第２の熱交換器との間の位置でアノード出口流路に接続された切換弁を備え、切換弁はまた、外部流路および第３の排出口に接続され、切換弁は、アノード出口と第２の熱交換器、外部流路または第３の排出口との間で流れを方向付けるように構成される。

【0042】

切換弁は、第２の熱交換器へのアノード出口流路の上記経路ではなく、熱交換器を通過しない第３の排出口へとアノード出口からの排ガスが迂回するのを可能にする。これは、システムの冷却に有用であり得る。このような状況では、復熱（例えば、第２の熱交換器を介する）は必要とされない。したがって、切換弁は、高温ガスが他の場所に、すなわち、第３の排出口を通して排出されるのを可能にする。これは、排気ガスの温度が熱交換器の熱限界を超える場合にも有用である。したがって、ガスは第２の熱交換器の前に排出される。

【0043】

切換弁はまた、外部流路に接続することができる。外部流路は、この目的のために分岐流路を有し得る。このことにより、外部供給源からアノード出口流路への低品位熱の流れが可能になる。これは、外部流を加熱して外部流へのエネルギー入力を低減するために、始動中に有用であり得る。
これは、特に、外部流がアノード出口流路よりも暖かい状況である。これは、外部供給源が可燃性ガスを供給し、第３のヒータ内でのこのガスの燃焼がスイープガス供給流路のための熱を発生させることを可能にする場合にも有益であり得る。その流れは、必要に応じて、例えばアノード出口に向かう方向、または第２の熱交換器に向かう方向のいずれかの方向であり得る。

【0044】

好ましくは、第３のヒータは、切換弁が存在する場合には、切換弁に接続され得る。第３のヒータは、第２の熱交換器と切換弁との間に位置決めされる。

【0045】

好ましくは、分岐流路が存在する場合、これは、切換弁に接続されたアノード出口流路に接続され得る。

【0046】

このような構成は、システムの周りの流れおよび熱の移動に対する大きな適応性を可能にする。特に、始動中に、熱を様々な供給源からスイープガス供給流路に供給することができる。同様に、冷却中に、第３の排出口を通して熱を排出するための選択肢もある。

【0047】

本発明によれば、固体酸化物電解槽セルシステムの操作方法であって、
アノード入口を介して電解スタックのアノードにスイープガスを供給するためのスイープガス供給源を設けて、スイープガス供給源と前記アノード入口との間にスイープガス供給流路を画定することと、
固体酸化物電解槽セルシステムの外部に供給源を有する流体流を形成し、流体流から外部流路を画定することと、
第１の熱交換器を介して外部流路とスイープガス供給流路との間で熱交換することとを含む操作方法がさらに提供される。

【0048】

スイープガス供給流路を加熱するために外部流体流を使用することによって、電解スタックの効率が向上する。これは、システム温度が低く、熱エネルギーを内部手段から回復させることができない始動中に特に有用であり得る。

【0049】

好ましくは、固体酸化物電解槽セルシステムの操作方法は、電解槽のアノードのアノード出口とシステムへの第１の排出口との間のアノード出口流路を画定する。

【0050】

好ましくは、固体酸化物電解槽セルシステムの操作方法は、第１の熱交換器の下流側の位置でスイープガス供給流路内に配置された第２の熱交換器によって、アノード出口流路とスイープガス供給流路との間で熱交換することを含む。

【0051】

そうするのに十分な熱がある場合、スタックからの排ガスは、スイープガス供給流路を加熱するためにも使用され得る。この復熱式熱交換器は、スタックから利用可能な熱の品位に依存する。これは、他の供給源からスイープガス供給流路に熱を供給する必要性を低減する。

【0052】

好ましくは、固体酸化物電解槽セルシステムの操作方法は、第１の熱交換器の上流側および第２の熱交換器の下流側のスイープガス供給流路内に配置されたバイパス流路によって第１の熱交換器および第２の熱交換器をバイパスすることを含む。このことにより、外部流路からまたはアノード出口流路からなど、交換するのに十分な熱がない場合に、熱交換器をバイパスすることが可能になる。

【0053】

好ましくは、固体酸化物電解槽セルシステムの操作方法は、アノード出口と第２の熱交換器との間のアノード出口流路内に配置された第３のヒータからアノード出口流路に熱を供給することを含む。これは、アノード出口から生成された熱がスイープガス供給流路と交換するために追加の熱を必要とする場合に有益であり得る。これが起こり得る状況は、スタックが高品位熱を生成していない始動を含み得る。

【0054】

好ましくは、固体酸化物電解槽セルシステムの操作方法は、アノード出口とバーナとの間の流路内に配置された切換弁によって、外部流体流路または第３のヒータからアノード出口流路に熱を供給することを含む。クールダウン中のように、スイープガス供給流路との熱交換が望ましくない状況がある。したがって、切換弁は、アノード出口からの熱を、排出口などの別の経路に方向付けることができる。このことは、システムの冷却速度を増加させることになる。

【0055】

次に、本発明のこれらの特徴および他の特徴について、添付図面を参照しながら、単なる例として、さらに詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0056】

【図1】スタックのアノード側のための外部流路を有する電解槽システムの概略図である。

【図2】アノード排ガス流路内に第３のヒータを含む、図１の概略図である。

【図3】外部流路が異なる位置に設けられている、図１の概略図である。

【図4】外部流路がスタックのカソード側に設けられている、図１の概略図である。

【図5】外部流路が異なる位置に設けられている、図４の概略図である。

【図6】切換弁を含む、図２の概略図である。

【図7】カソード側およびアノード側の外部流の流れが同じである、図１と同様の電解槽システムの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0057】

次に、本発明の実施形態を詳細に説明するが、その１つまたは複数の実施例を以下に示す。各々の実施例は、本発明の説明のために示されており、本発明を限定するものではない。

【0058】

本明細書で使用される参照符号のリストは、詳細な実施形態の説明の終わりに記載されている。

【0059】

図１を参照すると、電解槽システム１０が示されている。電解槽システム１０は、一般に、電解スタック１２を備える。電解スタック１２は、一般に、生成物を生成するための還元反応のためのアノードおよびカソードを備える。

【0060】

スタック１２は、アノード入口１４を有し、アノード入口１４を通してスタック１２のアノードに供給される。スイープガス供給源１６が設けられ、これは、スイープガス供給流路１８によってアノード入口１４に接続される。

【0061】

流路について説明するが、一般に、流路は、ある位置から別の位置へパイプまたはラインを通過する流れである。したがって、流路は、点間の流体接続または流体連通を画定する。スイープガス供給流路１８について説明するが、これはスイープガス供給パイプまたはライン１８でもあり、流体連通を形成する。整合性のために、可能な場合には流路について言及する。

【0062】

一般に、スイープガスは、スイープガス供給源１６を通して供給され、スイープガス供給流路１８を通ってアノード入口１４に至る。

【0063】

スタック１２は、アノード出口２０を備え、排出生成物はアノード出口２０を通って排出される。これは、一般に、排ガスである。アノード出口２０は、アノード出口流路２４によって第１の排出口２２に接続される。その結果、スタック１２で生成された排ガスは、アノード出口２０で排出され、アノード出口流路２４を通って第１の排出口２２に至る。

【0064】

排ガスは、システム１０の外部で様々な目的のために利用され得る。

【0065】

電解槽システム１０へ、外部流体流２６が流入する。外部流体流２６は、電解槽システム１０のプロセスとは別に生成される外部流である。外部流体流２６は、流体またはガスの高温流であり得る。

【0066】

外部流体流２６は、別のプロセスからの排ガスであり、低品位熱（例えば、約２００℃）の流体流であることが予想されるが、より高いまたはより低い品位の熱を外部流体流２６に与えるために、異なる供給源を利用することができる。

【0067】

外部流体流２６は、外部流路２８を形成する。外部流路２８は、第１の熱交換器３０を通過する。第１の熱交換器３０はまた、スイープガス供給源１６とアノード入口１４との間のスイープガス供給流路１８内に配置される。したがって、外部流路２８とスイープガス供給路１８とは、いずれも第１の熱交換器３０を通過し、第１の熱交換器３０内で熱交換する。

【0068】

上述したように、外部流体流２６、ひいては外部流路２８は、熱エネルギーを含むことが予想される。したがって、スイープガス供給流路１８の熱量が少ない場合には、スタック１２に流入する前に第１の熱交換器３０内で熱がスイープガス供給流路１８に伝達される。これは、アノード入口１４における高温スイープガス供給源１６が電解スタック１２における電解槽反応にとって好ましいので、有益であり得る。

【0069】

いくつかの状況において、スイープガス供給流路１８は、外部流路２８よりも高い温度を有する。したがって、第１の熱交換器３０における熱伝達は、スイープガス供給流路１８から外部流路２８へと行われる。これは、例えば、スタック１２およびシステム１０を冷却するためにスイープガス供給流路１８の温度を低下させない限り、一般的に望ましくないことが予想される。

【0070】

システム１０、より具体的にはスイープガス供給流路１８に熱を供給するために外部流体流２６を使用することは、スイープガス供給流路１８またはシステム１０の他の部品に熱を供給するためにシステム１０内のいかなるプロセスにも依存しないので有益である。
特に、システム１０が始動中であるとき、電解スタック１２内の電解槽反応は、熱を全く／あまり発生させない。したがって、外部流体流２６は、独立してシステム１０に熱エネルギーを供給することができ、システム１０の運転状態に依存しない。

【0071】

図１には、アノード出口流路２４が、第１の排出口２２に進む前に第２の熱交換器３２を通過することも示されている。この第２の熱交換器３２も、スイープガス供給流路１８内に配置される。第２の熱交換器３２は、第１の熱交換器３０とアノード入口１４との間のスイープガス供給流路１８内に配置される。したがって、アノード出口流路２４とスイープガス供給流路１８とが、第２の熱交換器３２において熱交換する。

【0072】

アノード出口流路２４は、アノード出口２０から排ガスを運ぶことができる。アノード出口２０からの排ガスは、熱エネルギーを含み得る。特に、システム１０の運転中、排ガスは、高品位熱（例えば、約５５０℃）を含み得る。したがって、排ガスからの熱を第２の熱交換器３２内のスイープガス供給流路１８の加熱に利用することができる。これは、スタック１２内の電解反応の効率を高めるために、高温のアノード入口１４にスイープガスを供給するのに有益である。

【0073】

スイープガス供給流路１８には、第１のヒータ３４が設けられる。これは、第２の熱交換器３２とアノード入口１４との間に位置決めされる。第１のヒータ３４は、スイープガス供給流路１８内のスイープガス供給源１６の温度を高くするために使用される。第１のヒータ３４は、必要に応じて、電気ヒータまたは燃焼式ヒータであり得る。第１のヒータ３４は、必要に応じてスイープガス供給流路１８をさらに加熱する。これは、入口ヒータまたはスイープガスヒータと呼ばれ得る。

【0074】

第１および第２の熱交換器３０、３２における熱伝達能力が高い状況では、第１のヒータ３４において供給される熱エネルギーの量を少なくすることができる。一方、第１および第２の熱交換器３０、３２における熱伝達能力が低い場合、第１のヒータ３４において供給される熱エネルギーの量は多くなる。これは、システム１０が電解スタック１２内の電解反応においてあまり熱エネルギーを生成しない始動中に有益であり得る。

【0075】

第１のヒータ３４は、スタック１２内の一貫した効率的な電解槽反応を確実にするために、アノード入口１４における温度を微調整するための少量の熱を供給するので、トリムヒータとも呼ばれる。

【0076】

バイパス流路３６は、スイープガス供給流路１８に接続した形で示されている。バイパス流路３６は、その第１の端部３８において、スイープガス供給源１６と第１の熱交換器３０との間のスイープガス供給流路１８上の点に接続される。したがって、第１の端部３８は、第１の熱交換器３０の上流側にある。バイパス流路３６は、その第２の端部４０において、第２の熱交換器３２と第１のヒータ３４との間の点に接続される。したがって、第２の端部は、第２の熱交換器３２の下流側にある。

【0077】

バイパス流路３６は、第１および第２の熱交換器３０、３２をバイパスする。このことにより、スイープガス供給流路１８は、熱交換器との熱交換を回避することができる。これは、外部流路２８および／またはアノード出口流路２４内の熱エネルギーがスイープガス供給流路１８に必要とされないレベルである場合に有益であり得る。このような状況は、流路が低温であるかもしれない始動時、またはスイープガス供給流路１８への熱の伝達がもはや必要ではなく、スイープガス供給源１６がシステム１０を冷却するために使用されているクールダウン中を含み得る。

【0078】

バイパス流路３６は、制御弁などによって操作可能である。制御弁は、開閉するための特定の設定に設定された機械的または電気的制御弁であってもよいし、または手動で操作されてもよい。コントローラ、すなわちプロセッサおよびメモリを含むコントローラは、必要に応じて特定の状況で制御弁を動作させるようにプログラム可能である。

【0079】

上記は図１に示されるように提示されるが、特定の変形形態が可能であることが強調される。特に、第１の熱交換器３０、第２の熱交換器３２、第１のヒータ３４、およびバイパス流路３６の有無は、システム１０の機能に対して必要に応じて変更可能である。例えば、外部流体流２６が高品位熱である場合など、状況によっては、第２の熱交換器３２が必要とされない場合がある。

【0080】

燃料供給源４２が設けられ、電解スタック１２に設けられたカソード入口４４に接続される。カソード入口４４は、電解スタック１２のカソードへの入口である。それらの間の接続は、燃料供給流路５６であり、燃料供給源４２においてシステム１０内に入り、カソード入口５６に至る燃料の流れ、パイプ、またはラインを形成する。

【0081】

電解スタック１２はさらに、電解スタック１２のカソードからの出口であるカソード出口４８を備える。カソード出口４８は、カソード出口流路５４によって第２の排出口４６に接続される。

【0082】

スタック１２内の電解槽反応は、燃料供給源４２に供給され、カソード入口４４において電解スタック１２に送られる燃料を必要とする。燃料は、一般に水または蒸気であり、反応の生成物、すなわち一般に水素が生成されるのはカソードの位置である。したがって、カソード出口４８で出力され、カソード出口流路５４を介して第２の排出口４６に送られるのは水素である。第２の排出口４６の出力は、必要なプロセスで使用するために捕捉される。

【0083】

図１では、燃料供給源４２とカソード入口４４との間の燃料供給流路５６内に第３の熱交換器５０が設けられる。さらに、カソード出口流路５４が、カソード出口４８とカソード出口流路５４の第２の排出口４６との間で第３の熱交換器５０に接続される。したがって、カソード出口流路５４と燃料供給流路４２との間で熱交換が行われる。

【0084】

その結果、この熱エネルギーを利用して燃料供給流路５６を加熱することができる。これは、電解槽反応に蒸気を使用することが好ましく、したがって燃料が高い熱エネルギーを有することが好ましいので、有益であり得る。したがって、第３の熱交換器５０では、カソード出口流路５４から燃料供給流路５６に熱エネルギーを伝達することができる。この熱交換器５０は、復熱式熱交換器と呼ばれ得る。

【0085】

また、これは、第２の排出口４６における生成物（例えば、水素）が、他のプロセスに送出するために、より低い熱エネルギーを有することが好ましいので、有益であり得る。したがって、生成物からの熱の伝達は有益である。

【0086】

燃料供給流路５６には、流路を加熱するための第２ヒータ５２が設けられる。第２のヒータ５２は、第３の熱交換器５０とカソード入口４４との間に位置決めされる。したがって、第２のヒータ５２は、燃料入口４２の下流側にある。第２のヒータ５２は、必要に応じて、電気ヒータまたは燃焼式ヒータであり得るという点で、第１のヒータ３４と同様である。第２のヒータ５２は、必要に応じて燃料供給流路５６をさらに加熱する。

【0087】

第３の熱交換器５０における熱伝達能力が高い状況では、第２のヒータ５２において供給される熱エネルギーの量を少なくすることができる。一方、第３の熱交換器５０における熱伝達能力が低い場合、第２のヒータ５２において供給される熱エネルギー量を多くすることができる。これは、システム１０が電解スタック１２内の電解槽反応においてあまり熱エネルギーを生成しない始動中に有益であり得る。

【0088】

第２のヒータ５２は、スタック１２内の一貫した効率的な電解槽反応を確実にするために、カソード入口４４における温度を微調整するための少量の熱を供給するので、第１のヒータ３４と同じ理由で、トリムヒータとも呼ばれる。

【0089】

第３の熱交換器５０および第２のヒータ５２の追加は任意であり、これらの各々は、システム１０の所望の機能および効率のために必要に応じて、第１の熱交換器３０、第２の熱交換器３２、第１のヒータ３４、およびバイパス流路３６などの他の構成要素によって異なり得る。

【0090】

図２を参照すると、図１に示されるような電解槽システム１０が示されている。ただし、アノード出口流路２４には、第３のヒータ５８が設けられている。第３のヒータ５８は、アノード出口２０と第２の熱交換器３２との間のアノード出口流路２４内に位置決めされる。

【0091】

第３のヒータ５８は、アノード出口流路２４内のアノード排ガスを加熱するために設けられた電気ヒータまたは燃焼式ヒータである。これは、アノード排ガスが低品位熱を有するとき（例えば、始動中または暖機中）など、スイープガス供給流路１８のためのさらなる加熱を行うのに有益であり得る。

【0092】

第３のヒータ５８はさらに、アノード出口２０と第３のヒータ５８との間のアノード出口流路２４を加熱することができる。これは、アノード出口流路２４を通過する逆流によって実現され得る。逆流は、例えば、外部流体流２６から供給され得る。したがって、外部流路２８は第３のヒータ５８によって加熱され得る。アノード出口２０への逆流を使用するアノード出口流路２４の加熱は、始動中および運転前にシステム１０およびスタック１２を加熱するのに有用であり得る。

【0093】

フル運転中、アノード出口２０におけるアノード排ガスが高温である場合、第３のヒータ５８は必要とされないことがある。その結果、第３のヒータ５８によってアノード出口流路２４を加熱する必要性が低減される。第３のヒータ５８はさらに、必要に応じて、アノード出口流路２４に様々な加熱をもたらすように制御され得る。

【0094】

図３を参照すると、図１に示されるような電解槽システム１０が示されている。ただし、図３では、第１の熱交換器３０の位置は、第２の熱交換器３２の位置と逆になっている。すなわち、第２の熱交換器３２は第１の熱交換器３０の上流側に位置決めされ、第２の熱交換器はスイープガス入口１６と第１の熱交換器３０との間に位置決めされ、第１の熱交換器は第２の熱交換器３２とアノード入口１４との間に位置決めされる。それぞれの熱交換器への接続は同じままであり、すなわち、外部流体流２６からの外部流路２８は、第１の熱交換器３０と流体接続された状態のままである。同様に、アノード出口２０から第１の排出口２２へのアノード出口流路２４は、第２の熱交換器３２と流体連通している。

【0095】

第１および第２の熱交換器３０、３２の順番の変更は、アノード排ガスおよびスイープガス供給源１６との熱交換の後に、外部流体流２６およびスイープガス供給源１６との熱交換が好ましい状況を可能にする。これは、外部流体流２６が、例えば高品位熱である場合に有益であり得る。

【0096】

図４を参照すると、図１に示されるような電解槽システム１０が示されている。図４では、第４の熱交換器６０が燃料供給流路５６内に設けられている。第４の熱交換器６０は、第３の熱交換器５０の下流側、すなわち第３の熱交換器５０とカソード入口４４との間に、または第２のヒータ５２が設けられる場合には第３の熱交換器５０と第２のヒータ５２との間に位置決めされる。

【0097】

第４の熱交換器６０はさらに、第２の外部流路６４と流体接触している。第２の外部流路６４は、電解槽システム１０のプロセスとは別に生成される流路である。第２の外部流路６４は、システム１０の外部にある供給源からの第２の外部流体流６２から形成される。外部流体流２６と第２の外部流体流６２は別々に示されているが、これらの流れは同じであってもよい。このような場合、流れの分割は、電解槽システム１０内で、またはシステム１０の外側で行うことができる。

【0098】

第２の外部流路６４は、第４の熱交換器６０を介して燃料供給流路５６との間で熱交換を行う。第２の外部流体流６２が熱エネルギーを含む場合、これは、第４の熱交換器６０内に伝達されて、カソード入口４４を通って電解スタック１２内に供給するための燃料供給流路５６に熱を供給することができる。より高温の燃料は、電解槽反応を補助することができる。これは、カソード出口流路５４内の生成物が熱エネルギーを全く有していないか、または低い熱エネルギーを有しており、したがって、第３の熱交換器５０を通して熱を回復するために使用されるほど効果的ではない場合の始動中に有益であり得る。

【0099】

図５を参照すると、図４に示されるような電解槽システム１０が示されている。ただし、図５では、第４の熱交換器６０の位置は、第３の熱交換器５０と逆になっている。したがって、第４の熱交換器６０は、燃料供給流路５６において第３の熱交換器５０の上流側にあり、第４の熱交換器６０は、燃料供給源４２と第３の熱交換器５０との間にある。同様に、第３の熱交換器は、第４の熱交換器６０と燃料供給流路５６内のカソード入口４４（または、第２のヒータ５２が設けられている場合には第２のヒータ５２）との間にある。

【0100】

熱交換器の流体接続は同じままである、すなわち、第４の熱交換器６０は、第２の外部流路６４と燃料供給流路５６との間で熱交換するために第２の外部流路６４に接続されている。同様に、第３の熱交換器５０は、カソード出口流路５４に接続され、カソード出口流路５４と燃料供給流路５６との間で熱交換を行う。

【0101】

第３および第４の熱交換器５０、６０の逆転により、第２の外部流体流６２を、カソード出口流路５４からの熱の前に燃料供給流路５６に供給することが可能になる。これは、第２の外部流体流６２がより低品位の熱を有し、熱交換器の各々における温度交換を低減するために、カソード出口４８からのより高品位の熱の前にこの熱を交換することが望ましい場合に有益であり得る。

【0102】

図６を参照すると、図２に示されるような電解槽システム１０が示されている。ここでは、アノード出口流路２４内の第３のヒータ５８が設けられている。

【0103】

加えて、図６では、アノード出口流路２４内に位置決めされ、様々なポートを通る流れを切り換えるように構成された切換弁６６が設けられている。切換弁６６は、アノード出口２０と第２の熱交換器３２との間に位置決めされる。より具体的には、第３のヒータ５８が存在する場合、切換弁６６は、アノード出口２０と第３のヒータ５８との間のアノード出口流路２４内に位置決めされる。

【0104】

切換弁６６は、外部流路２８へのさらなる接続を有する。したがって、切換弁６６は、アノード出口流路２４のスタック部７２と、アノード出口流路２４のバーナ部７４と、外部流路２８との間で流れを切り換えることができる。

【0105】

外部流路２８を切換弁６６に接続するために多くの手段を使用することができるが、一実施例では、分岐ライン７０（分岐流路）を使用することができる。分岐ライン７０は、外部流路７０から直接切換弁６６に接続する。分岐ライン７０は、外部流路、分岐パイプ、延長線、またはダクトとも呼ばれ得る。

【0106】

切換弁６６はさらに、別の接続部に接続され得る。別の接続部は、第３の排出口６８である。このことにより、切換弁６６を通る流れは、第３の排出口６８にも向けられ得、第３の排出口６８は、一般に、他の構成要素から離れた位置にあり、システム１０の外部にあり得る。

【0107】

切換弁６６は、必要な運転に応じて、以下のような多くの方法で利用され得る。
（ｉ）スタック１２が暖機され、ベース負荷で動作しているときなどのシステム１０の通常運転において、切換弁６６は、アノード出口流路２４のスタック部７２とバーナ部７４とを接続して、アノード出口２０と第２の熱交換器３２との間の接続を形成する。これは、高温アノード排ガスを使用して第２の熱交換器３２においてスイープガス供給源を加熱することができ、したがって、復熱器として機能する通常運転中に有益である。

【0108】

この構成における第３のヒータ５８はさらに、暖機段階中などに第２の熱交換器で使用するために、またはアノード出口２０への逆流を加熱してスタック１２を暖めるために、アノード出口流路２４に追加の熱エネルギーを供給するのに使用され得る。

【0109】

（ｉｉ）暖機運転において、切換弁６６は、分岐ライン７０をアノード出口流路２４のスタック部７２に接続することができる。これは、外部流体流２６からの熱を使用して、スタック１２を含むアノード出口２０およびアノード出口流路２４を加熱することができる。

【0110】

加えて、または代替として、切換弁６６は、分岐ライン７０をアノード出口流路２４のバーナ部７４に接続することができる。このことにより、外部流体流２６からの高温流が両方の熱交換器を通過し、始動中または暖機運転中などにスイープガス供給流路１８を暖めることが可能になる。このモードはまた、第３のヒータ５８からの熱を使用して外部流体流２６を加熱し、アノード出口流路２４のスタック部７２を加熱するための逆流を形成することができる。

【0111】

（ｉｉｉ）クールダウン運転において、切換弁６６は、アノード出口流路２４のスタック部７２を第３の排出口６８に接続することができる。このことにより、第２の熱交換器３２内で熱交換を行わずに、アノード出口２０からのアノード排ガスを第３の排気口６８を通して排出することができる。

【0112】

このような運転モードは、電解スタック１２がクールダウンされ、その結果、第２の熱交換器３２における熱の回復がもはや必要とされない場合に有益であり得る。このモードはさらに、フル運転中など、アノード出口２０からの排ガスの温度が構成要素の熱限界を超えるときにも運転可能である。

【0113】

切換弁６６は４つの接続ポートを有する形で示されているが、切換弁６６は、必要に応じて１つまたは複数の接続を可能にするために、多くの方法で構成され得ることが理解されよう。切換弁６６は、流れを必要な方向に切り換えるために特定の値に設定された機械的または電気的制御弁であり得る、または手動で操作され得る。いくつかの状況では、コントローラ、すなわちプロセッサおよびメモリを含むコントローラは、必要に応じて切換弁６６を動作させるようにプログラム可能である。

【0114】

図７を参照すると、図１に示され、他の図の特徴を組み合わせた、上記で説明したような電解槽システム１０が示されている。例えば、上述したように、外部流体流２６および第２の外部流体流６２は、同じ供給源からのものであってもよい。ここでは、外部流体流２６、６２が同じ供給源から供給され、その後、第１の熱交換器３０に接続するための外部流路２８と、第４の熱交換器６０に接続するための第２の外部流路６４とに分割されることが示されている。したがって、第１および第４の熱交換器３０、６０は、スイープガス供給源および燃料供給源のそれぞれとの熱伝達のために同じ熱供給源を使用する。

【0115】

第３のヒータ５８も図７に示されている。しかしながら、燃焼バーナなどを用いて第３のヒータ５８に燃料を供給することができるバーナ燃料供給ライン８０が設けられる。
第３のヒータ５８は、アノード排ガスが低温であるときの運転中にバーナ燃料供給ライン８０を動作させるだけでよいことが理解されよう。供給ラインは、バーナ燃料供給流路とも呼ばれ得る。

【0116】

カソード出口流路５４には、アノード出口４８と第２の排出口４６との間にカソード出口分岐流路７６（分岐流路７６）が設けられている。分岐流路７６は、アノード出口２０と第３のヒータ５８との間のアノード出口流路２４に接続される。したがって、分岐流路７６は、アノード出口流路２４に生成物（例えば、水素ガス）を供給することができる。この分岐流路７６は、カソード出口４８からの生成物を第３のヒータ５８に供給することを可能にする。そのため、第３のヒータ５８には、バーナ燃料供給ライン８０を使用せずに、電解スタック１２の直接生成物を使用することができる。

【0117】

スタック１２の下流側に第３のヒータ５８を含むことにより、生成物（例えば、水素）をカソード出口流路５４からブリードオフして、電気加熱を必要とせずに第２の熱交換器３２におけるスイープガス供給温度を上昇させることが可能になる。システム１０の始動中、専用の水素流または他の可燃燃料流をバーナ燃料供給ライン８０から供給することができる。

【0118】

システム１０の要件に応じてカソード出口流路５４から第３のヒータ５８への生成物の流れを制御するために、ブリード弁７８が分岐流路７６に設けられる。ブリード弁７８は、流れを必要な方向に切り換えるために特定の値に設定された機械的または電気的制御弁であり得る、または手動で操作され得る。いくつかの状況では、コントローラ、すなわちプロセッサおよびメモリを含むコントローラは、必要に応じてブリード弁７８を動作させるようにプログラム可能である。

【0119】

分岐流路７６は、カソード出口流路５４に沿った任意の場所に位置決めされ得、第３の熱交換器５０の前、すなわち上流側、または第３の熱交換器５０と第２の排出口４６との間、すなわち第３の熱交換器５０の下流側のいずれかに位置決めされ得る。生成物は、第３のヒータ５８内で燃焼される場合、高温である必要はない。したがって、分岐流路の前で熱交換することが好ましい場合がある。

【0120】

全体として、電解槽システムの設計は、始動中、標準運転中、およびクールダウン中の熱回収および熱交換の使用を改善して、電解スタック内のより効率的な反応、およびプロセスからの他の未利用の熱の効率的な使用を可能にする。

【0121】

本発明は、上記の実施形態のみに限定されず、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が当業者に容易に明らかになるであろう。

【符号の説明】

【0122】

１０ 電解槽システム
１２ 電解スタック
１４ アノード入口
１６ スイープガス供給源
１８ スイープガス供給流路
２０ アノード出口
２２ 第１の排出口
２４ アノード出口流路
２６ 外部流体流
２８ 外部流路
３０ 第１の熱交換器
３２ 第２の熱交換器
３４ 第１のヒータ
３６ バイパス流路
３８ バイパス流路の第１の端部
４０ バイパス流路の第２の端部
４２ 燃料供給源
４４ カソード入口
４６ 第２の排出口
４８ カソード出口
５０ 第３の熱交換器
５２ 第２のヒータ
５４ カソード出口流路
５６ 燃料供給流路
５８ 第３のヒータ
６０ 第４の熱交換器
６２ 第２の外部流体流
６４ 第２の外部流路
６６ 切換弁
６８ 第３の排出口
７０ 分岐ライン
７２ （アノード出口流路の）スタック部
７４ （アノード出口流路の）バーナ部
７６ カソード出口分岐流路
７８ ブリード弁
８０ バーナ燃料供給ライン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【国際調査報告】