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特表2024-532142ＣＯＸ電解反応器の自動最適化のための方法およびシステム
(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】2024-09-05
(54)【発明の名称】ＣＯＸ電解反応器の自動最適化のための方法およびシステム
(51)【国際特許分類】
C25B 15/023 20210101AFI20240829BHJP
C25B 3/26 20210101ALI20240829BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20240829BHJP
C25B 1/23 20210101ALI20240829BHJP
C25B 15/00 20060101ALI20240829BHJP
【ＦＩ】
C25B15/023
C25B3/26
C25B9/00 G
C25B1/23
C25B15/00 302
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024509145
(86)(22)【出願日】2022-08-12
(85)【翻訳文提出日】2024-02-14
(86)【国際出願番号】 IB2022057568
(87)【国際公開番号】W WO2023021387
(87)【国際公開日】2023-02-23
(31)【優先権主張番号】17/403,453
(32)【優先日】2021-08-16
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】524059179
【氏名又は名称】ディオキシクル
【氏名又は名称原語表記】ＤＩＯＸＹＣＬＥ
(74)【代理人】
【識別番号】110001195
【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】フォーレ，バスティアン
(72)【発明者】
【氏名】ラメゾン，サラ
(72)【発明者】
【氏名】ワカーリー，ダビド
【テーマコード（参考）】
4K021
【Ｆターム（参考）】
4K021AB25
4K021AC02
4K021AC05
4K021AC07
4K021BC06
(57)【要約】
炭素の捕捉および利用の分野に関連する方法およびシステムが開示される。複数の電解セルを用いて電解システムを制御するための開示された方法は、いくつかのステップを含む。電解システムは、COxを含有する流体流を少なくとも１つの化学物質に変換する。本方法は、少なくとも１つのセンサを使用して、複数の電解セルを監視することを含む。本方法はまた、監視によって、複数の電解セル内の劣化セルを識別することを含む。本方法はまた、劣化セルを識別すると、複数の電解セル内の少なくとも１つの他のセルを動作させ続けながら、複数の電解セルの動作状態を修正することを含む。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の電解セルを有する電解システム（１００）を制御するための方法（１０００）であって、前記電解システム（１００）がCOxを含有する流体流を少なくとも一つの化学物質に変換し、前記方法が、少なくとも１つのセンサ（１２０）を使用して、前記複数の電解セルを監視すること（１００１）と、
前記監視を介して、前記複数の電解セル内の劣化セルを識別すること（１００２）と、
前記劣化セルの前記識別を受けて、前記複数の電解セル内の少なくとも１つの他のセルを動作させ続けながら、前記複数の電解セルの動作状態を修正すること（１００３）と
を含む、方法（１０００）。
【請求項2】
前記劣化セルは、その電気抵抗が基準値とは異なるセルである、請求項１に記載の方法（１０００）。
【請求項3】
前記劣化セルの前記電気抵抗の前記基準値が、前記複数の電解セル内のセルグループの平均電気抵抗として定義される、請求項２に記載の方法（１０００）。
【請求項4】
前記複数の電解セルの前記動作状態を修正することが、（i）前記劣化セルの動作を延長するために前記劣化セルの動作パラメータを修正すること（１００３）、（ii）前記劣化セルを無効にすること（１００５）、および（iii）前記劣化セルを交換すること（１００６）のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法（１０００）。
【請求項5】
前記劣化セルを前記無効にすることが、前記劣化セルを電気的に無効化すること（１００５）を含む、請求項４に記載の方法（１０００）。
【請求項6】
前記劣化セルが前記電解システム（１００）の電力回路内の少なくとも１つの他のセルと並列であり、前記劣化セルを前記無効にすることは、前記劣化セルを前記電解システム（１００）の前記電力回路から接続切断することを含む、請求項４に記載の方法（１０００）。
【請求項7】
前記監視すること（１００１）を介して、前記劣化セルを識別する前に、前記複数の電解セル内の劣化セルセットを識別すること（１００２）をさらに含み、前記劣化セルおよび前記劣化セルセットは、電解セルのスタック内にあり（１００２d）、
前記無効にすることが、前記電解セルのスタックを無効にすること（１００５）を含む、請求項４に記載の方法（１０００）。
【請求項8】
前記劣化セルは電解セルのスタック内にあり（１１０２b）、少なくとも１つの他のセルは前記電解セルのスタック内にある（１００５）、請求項１に記載の方法（１０００）。
【請求項9】
前記劣化セルを前記識別することが、前記劣化セルのセル抵抗を基準値と比較すること（４０６）、および
前記セル抵抗および前記複数の電解セルの動作パラメータの複数の過去の測定値に基づいて、前記劣化セルのセル抵抗の進展を予測すること（４０８a）
のうちの一方を含む、請求項１に記載の方法（４００，１０００）。
【請求項10】
前記予測することは、人工知能モデルを使用する、請求項９に記載の方法（４００，１０００）。
【請求項11】
前記劣化セルを識別する警告信号を生成すること（４０８c）をさらに含む、請求項１に記載の方法（４００，１０００）。
【請求項12】
前記劣化セルを、電解セルのスタックの第１のスタックケーシングと共に、前記劣化セルのプレートを移動させること（４０８e）によって交換することをさらに含み、
前記複数の電解セルは、前記電解セルのスタック内にあり、
前記複数の電解セルのうちの少なくとも１つの他のセルは、前記劣化セルの前記プレートと前記第１のスタックケーシングとの間で前記電解セルのスタック内にある、請求項１に記載の方法（４００，１０００）。
【請求項13】
電解システム（１００）であって、COxを含有する流体流を受け取り、前記COxを少なくとも１つの化学物質に変換するように構成された複数の電解セルと、
前記複数の電解セルを監視するように構成された少なくとも１つのセンサ（１２０）と、
少なくとも１つのプロセッサと、
前記少なくとも１つのプロセッサにとってアクセス可能であり、前記少なくとも１つのプロセッサによって実行されると、前記システムに、
前記少なくとも１つのセンサ（１２０）を使用して、前記複数の電解セルを監視すること（１００１）と、
前記監視することを介して、前記複数の電解セル内の劣化セルを識別すること（１００２）と、
前記劣化セルの前記識別を受けて、前記複数の電解セル内の少なくとも１つの他のセルを動作させ続けながら、前記複数の電解セルの動作状態を修正すること（１００３）と
を行わせる命令を格納する非一時的コンピュータ可読媒体と
を備える、システム（１００）。
【請求項14】
前記劣化セルは、その電気抵抗が基準値とは異なるセルである、請求項１３に記載のシステム。
【請求項15】
前記劣化セルの前記電気抵抗の前記基準値が、前記複数の電解セル内のセルグループの平均電気抵抗として定義される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項16】
前記複数の電解セルの前記動作状態を修正することが、（i）前記劣化セルの動作を延長するために前記劣化セルの動作パラメータを修正すること（４０８b）、（ii）前記劣化セルを無効にすること（１００５）、および（iii）前記劣化セルを交換すること（１００６）のうちの少なくとも１つを含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項17】
前記劣化セルを前記無効にすることが、前記劣化セルを電気的に無効化すること（１００５）を含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項18】
前記劣化セルが前記電解システム（１００）の電力回路内の少なくとも１つの他のセルと並列であり、前記劣化セルを前記無効にすることは、前記劣化セルを前記電解システム（１００）の前記電力回路から接続切断することを含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項19】
前記監視すること（１００１）を介して、前記劣化セルを識別する前に、前記複数の電解セル内の劣化セルセットを識別すること（１００２）をさらに含み、前記劣化セルおよび前記劣化セルセットは、電解セルのスタック内にあり、
前記無効にすることが、前記電解セルのスタックを無効にすること（１００５）を含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項20】
前記劣化セルを前記識別することが、前記劣化セルのセル抵抗を基準値と比較すること（４０６）、および
前記セル抵抗および前記複数の電解セルの動作パラメータの複数の過去の測定値に基づいて、前記劣化セルのセル抵抗の進展を予測すること（４０８a）
のうちの一方を含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項21】
前記予測することは、人工知能モデルを使用する、請求項２０に記載のシステム。
【請求項22】
前記劣化セルを、電解セルのスタックの第１のスタックケーシングと共に、前記劣化セルのプレートを移動させること（４０８e）によって交換することをさらに含み、前記複数の電解セルは、前記電解セルのスタック（３００）内にあり、
前記複数の電解セルのうちの少なくとも１つの他のセルは、前記劣化セルの前記プレートと前記第１のスタックケーシングとの間で前記電解セルのスタック（３００）内にある、請求項１３に記載のシステム。
【請求項23】
電解システム（１００，３００，７００，８００，９００）であって、電解セルのスタック（３００）であって、前記電解セルのスタック（３００）のセルがプレート（８１０，９０１）を含む、電解セルのスタック（３００）と、
前記電解セルのスタック（３００）の第１の端部に位置する第１のスタックケーシング（９０４）と、
前記プレート（８１０，９０１）および前記第１のスタックケーシングが、一定程度の圧縮下で、前記電解セルのスタック（３００）の第２の端部（９０５）から外方に移動するための少なくとも１つのロック機構（７０３，８０８，９０８）と
を備える、電解システム（１００，３００，７００，８００，９００）。
【請求項24】
前記プレート（９０１）が前記セルの第１のプレート（９０１）であり、前記セルの第２のプレート（９０２）と、
前記第１のプレート（９０１）が前記電解セルのスタック（３００）の前記第２の端部（９０５）から外方に移動するときに、一定程度の圧縮下で前記電解セルのスタック（３００）の前記第２の端部（９０５）に対して前記第２のプレートを固定するための第２のロック機構と
をさらに備える、請求項２３に記載の電解システム（１００，３００，７００，８００，９００）。
【請求項25】
前記第１のスタックケーシング（９０４）は、前記電解セルのスタック（３００）のエンドプレート（９０４）である、請求項２３に記載の電解システム（１００，３００，７００，８００，９００）。
【請求項26】
前記プレート上の横方向にアクセス可能なインターフェースと、前記横方向にアクセス可能なインターフェースと嵌合するように構成された、前記少なくとも１つのロック機構の取り外し可能なコネクタ（８００a，８００b，８００c，８００d，８００e，８００f）と、
前記一定程度の圧縮を付与するために前記取り外し可能なコネクタに接続されている、前記少なくとも１つのロック機構のアクチュエータと
をさらに備える、請求項２３に記載の電解システム（８００）。
【請求項27】
前記横方向にアクセス可能なインターフェースは、前記プレート（８１０）内のソケットであり、前記取り外し可能なコネクタは、パドル（８００a，８００b，８００c，８００d，８００e，８００f）である、請求項２６に記載の電解システム（８００）。
【請求項28】
前記第１のスタックケーシングは、第１の圧入部（９０６）および第２の圧入部（９０６）を含み、前記取り外し可能なコネクタ（９０７）は、前記横方向にアクセス可能なインターフェースに嵌合されたときに、前記第１の圧入部（９０６）と前記第２の圧入部（９０６）の両方に挿入されるように構成されている、請求項２６に記載の電解システム（９００）。
【請求項29】
前記電解セルのスタック（３００）に接続された圧力センサと、前記少なくとも１つのロック機構（７０３，７０７，８０８，９０８）のための制御ループであって、前記圧力センサからのデータを前記制御ループのフィードバック信号の少なくとも一部として使用する、制御ループと
をさらに備える、請求項２３に記載の電解システム（１００，３００，７００，８００，９００）。
【請求項30】
前記少なくとも１つのロック機構が、アクチュエータ（７０３a，７０３b，７０３c，７０７）と、
前記第１のスタックケーシング（７０５）を貫通して延在するねじ付きポストと
をさらに備え、
前記アクチュエータは、前記ねじ付きポストを回転させて前記一定程度の圧縮を付与する、請求項２３に記載の電解システム（７００）。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、２０２１年８月１６日に出願された米国特許出願第１７／４０３，４５３号の優先権を主張する。
本出願は、２０２１年８月１６日に出願された米国特許出願第１７／４０３，４５３号の優先権を主張する。
【0002】
背景
大気中の二酸化炭素（CO２）蓄積は、地球温暖化の主な原因である。それを放出点源でまたは空気から直接（直接空気捕捉によって）捕捉し、脱炭素化された電気源を使用してそれを有益な化学物質および燃料に変換することは、その大気濃度を低減し、現在の化石燃料由来原料に対する持続可能な代替物を提供するための有望な方法である。想定される変換技術の中でも、ポリマー電解質膜ベースの電解還元技術は、その汎用性（広範囲の温度および圧力での可能な使用、可能な断続的な使用）および広範囲の製品を生成するための従順性によって際立っている。
大気中の二酸化炭素（CO２）蓄積は、地球温暖化の主な原因である。それを放出点源でまたは空気から直接（直接空気捕捉によって）捕捉し、脱炭素化された電気源を使用してそれを有益な化学物質および燃料に変換することは、その大気濃度を低減し、現在の化石燃料由来原料に対する持続可能な代替物を提供するための有望な方法である。想定される変換技術の中でも、ポリマー電解質膜ベースの電解還元技術は、その汎用性（広範囲の温度および圧力での可能な使用、可能な断続的な使用）および広範囲の製品を生成するための従順性によって際立っている。
【0003】
CO２の電解還元は、他の生成物の中でも一酸化炭素，CO、ギ酸、エチレン、エタノール、エタン、プロパノール、プロピレン、アセトアルデヒドを発生させることが報告されている。この技術の可能性は、いくつかのレビューによってカバーされている。CO２が低（または高）アルカリ度水溶液中で有利に発生する、重炭酸イオンおよび炭酸イオン（HCO３
－およびCO３
２－）の電解還元も研究されている。これは、主要なCO２捕捉技術が、CO２をアルカリ性水溶液と接触させて、そのような付加価値が限られているそのような重炭酸塩および炭酸塩含有化合物を形成することを含むため、特に興味深い。最後に、CO電解還元にますます注目が集まっている。CO２のCOへの変換を確実にする第１のステップ（限定ではないが、電解還元、CO２の水素化、または限定ではないが廃棄物、バイオマスなどの炭素含有原料のガス化などの任意の手段によって）と組み合わせて、CO電解還元は、エチレンなどの特定の商品を生産するための経済的に実行可能な潜在的手段として報告されている。限定ではないがNH３、NO２およびNO３
－などのCOおよびN含有反応物の共電解還元もまた、C－N結合の生成を含む工業化学プロセスを再発明するために重要である。
【0004】
以下の開示では、CO２、COおよびオキソカーボンファミリの他のメンバを合わせてCOxと呼ぶ。COx電解反応器は、典型的には、各々が互いに積み重ねられた少なくとも１つまたは複数のセルを含む、１つまたは複数のスタックからなる。スタックにおいて、各個々のセルは、限定ではないがポリマー電解質膜などのイオン伝導媒体によってインターフェース接続された２つのハーフセル、すなわち、水または代替反応物の酸化が起こるアノード区画と、少なくともCOxの標的生成物への還元が起こるカソード区画とを含む。各ハーフセルは、電気的接触と、多孔質かつ導電性支持体（ガス拡散層（GDL）または多孔質金属支持体など）への反応物の供給との両方を確実にする流れ場からなり、後者はその表面で反応が起こる触媒と直接接触している。２つの多孔質支持体およびそれぞれの触媒によって中央の１つまたは複数の膜と共に形成される接合体は、膜電極接合体（MEA）と呼ばれる。スタックにおいて、個々のセルは、導電性極性プレート（バイポーラまたはモノポーラのいずれか）によって両側で物理的に支持されている。バイポーラプレートは、その両側で１つのセルおよび次のセルの流れ場を支持し、２つの隣接するセル間の直列接続を確実にする。スタックの各端部において、末端極性プレートは、その側面の一方で流れ場および隣接セルのみを支持するため、モノポーラと呼ばれる。以下での簡潔さのために、セルは、２つの流れ場および支持極性プレートを含む中央触媒接合体（限定ではないがイオン伝導媒体が膜ベースである場合のMEAなど）をともに指す。
【0005】
複数の他の電解反応器構成が可能である。いくつかの先行技術の研究は、高圧および高い変換率で二酸化炭素を気体生成物に変換するための円形モジュール式電解槽およびプロセスを報告しているか、または気体二酸化炭素変換のための矩形電解槽の例を提供している。すべての場合において、焦点はセルのアーキテクチャを中心とする。
【0006】
多種多様な膜電極接合体も可能である。それらの化学的性質（例えば、金属合金、単一金属サイト触媒、分子種、添加剤の使用）および構造（例えば、ナノ粒子、デンドライト、フィルム）の両方に変化をもたせた触媒候補の探索に多大な労力が注がれてきた。すべての場合において、それらの性能および安定性を高めるために電極触媒系を化学的に修飾することに集中的に労力が割かれてきた。
【0007】
COx電解反応器は複雑であり、したがって頻繁な故障および性能劣化を受ける。それらは維持するのが困難な場合があり、メンテナンスを担当する人間のオペレータにとってアクセスが困難である。上記のこれらの理由により、運用コストが高くなる可能性がある。工業化への道において、現在、反応器性能測定基準ならびに容量係数（すなわち、工場生産が運営される実際の速度と最大生産速度との比）を最大化することが必要とされている。複数の電解セルを備える電解反応器のメンテナンスコストを制限し、メンテナンス時間を短縮することも望ましい。解決策は、メンテナンス作業のためにシステムを停止する前にスタックの性能を可能な限り長く維持し、そのようなメンテナンス作業の持続時間を最小限に抑える方法を見つけることであり得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
概要
炭素の捕捉および利用の分野に関連する方法およびシステムが開示される。本開示に記載される方法およびシステムは、電気化学的還元によって大気中に蓄積されたCOxを他の化学物質、例えば有益で持続可能な化学物質および／または燃料に変換するため、ならびに電解スタックを含む電解システムまたは電解槽の効率を自動的に制御および最適化するために、環境上有益であり得る。
炭素の捕捉および利用の分野に関連する方法およびシステムが開示される。本開示に記載される方法およびシステムは、電気化学的還元によって大気中に蓄積されたCOxを他の化学物質、例えば有益で持続可能な化学物質および／または燃料に変換するため、ならびに電解スタックを含む電解システムまたは電解槽の効率を自動的に制御および最適化するために、環境上有益であり得る。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の特定の実施形態は、所与の性能レベルで電解システムの利用時間を増大させる方法およびシステムに関する。電解システムの性能レベルは、劣化セルおよび／または劣化スタックの影響により低下する可能性がある。本明細書で使用される場合、「劣化セル」という用語は、セルの検出された動作状態に起因して性能が低下すると予測されるセル、性能が測定可能に低下したセル、および実質的にもはや機能しないほど性能が低下した故障セルを含む。同様に、「劣化スタック」という用語は、スタックの検出された動作状態に起因して性能が低下すると予測されるスタック、性能が測定可能に低下したスタック、および実質的にもはや機能しないほど性能が低下した故障スタックを含む。劣化／故障スタックは、許容可能な数を超える劣化／故障セルを含むスタックを含むことができる。本明細書に記載の方法のいくつかは、電解システムの性能の監視、劣化および／または故障状態の識別、ならびに劣化を最小限に抑え、故障を回避し、および／または故障を解決するための措置のトリガに関する。これに関して、劣化および／または故障セルおよび／またはスタックの識別、ならびにさらなる劣化および最終的な故障を遅らせるためのそのようなセルおよび／またはスタックの動作状態の修正を含む方法が開示される。そのような方法は、例えば、セルおよび／またはスタック動作を延長するためにシステム内の動作パラメータを変更することを含む。本方法は、劣化セルの中の故障セル（例えば、劣化が特定の限界を超えたセルまたはまったく作用していないセル）の識別をさらに含む。これらの場合、動作状態の修正は、システム内のセルおよび／またはスタックの実際の無効化を含むことができる。故障セルの数が許容可能な値を超え、結果、変換されるCOxの総量が低すぎる場合（例えば、多すぎるセルが無効化されているため）、本開示で例示されているものなどであるがこれに限定されない機械的ヘルパーを介して、故障セルを可能な限り迅速かつ効率的に変更するための交換ステップを実行することができる。
【0010】
本開示において、劣化セルという用語は、電気抵抗などの動作特性が基準値と異なるセルを含む。本開示では電気抵抗の例が一般的に使用されるが、当業者は、電気抵抗から直接的または間接的に依存するもの（例えば、電圧および電流）などの他の動作特性を使用して、劣化または故障セルを識別することができることを認識するであろう。セルの電気抵抗は、セル電圧（セルの２つの電極間の電位差）とセルにわたって流れる電流との間の比として定義される。セルの電気抵抗は、限定ではないが、インピーダンス分光技法を使用するなどの異なる手段によって得ることができ、または電流およびセル電圧の測定値から推測することができる。あるいは、セルの電気抵抗は、セル電圧測定値および第１のセルと直列に接続された１つまたは複数のセルの電流から直接推測することができる。
【0011】
基準値は、限定ではないが、システムの幾何学的形状、反応の性質、標的とする生成物の種類、および動作条件などの複数の要因に依存し得る。セルの電気抵抗の基準値は、システムまたはシステム構成要素の予想される挙動の知識に基づいて確立することができる。これはまた、例えば、セルの電気抵抗を複数のセル内のセルグループの平均電気抵抗と比較することによって、他のセルの電気抵抗に関して定義することもできる。基準値は、固定値とすることができ、またはセル間の温度差などのシステムの動作条件を考慮するために補正係数を統合することもできる。その場合、異なる動作条件の異なるセルに対して異なる基準値を使用することができる。上記の定義に基づいて、劣化セルは、相対的にその基準値とは異なる電気抵抗によって定義することができる。本発明の特定の実施形態では、電気抵抗は、その基準値と少なくとも０．１％異なる。本発明の特定の実施形態では、電気抵抗は、その基準値と少なくとも０．５％異なる。本発明の特定の実施形態では、電気抵抗は、その基準値と少なくとも１％異なる。本発明の特定の実施形態では、電気抵抗は、その基準値と少なくとも１．５％異なる。本発明の特定の実施形態では、電気抵抗は、その基準値と少なくとも３％異なる。本発明の特定の実施形態では、電気抵抗は、その基準値と少なくとも５％異なる。本発明の特定の実施形態では、電気抵抗は、その基準値と少なくとも１０％異なる。これらの差は、正または負のいずれかであり得る。本発明の特定の実施形態では、劣化セルを定義するために使用される閾値は、所望の性能レベルに従ってシステムオペレータによって調整することができる。
【0012】
本発明の特定の実施形態では、劣化セルは故障セルであり、これは、基準値に対する特定の動作特性（例えば、電気抵抗）の差が特定の閾値を超えるセルである。したがって、故障セルは、相対的にその基準値とは異なる電気抵抗によって定義することができる。本発明の特定の実施形態では、電気抵抗は、その基準値と少なくとも３％異なる。本発明の特定の実施形態では、電気抵抗は、その基準値と少なくとも５％異なる。本発明の特定の実施形態では、電気抵抗は、その基準値と少なくとも１０％異なる。本発明の特定の実施形態では、電気抵抗は、その基準値と少なくとも２０％異なる。本発明の特定の実施形態では、電気抵抗は、その基準値と少なくとも３０％異なる。本発明の特定の実施形態では、電気抵抗は、その基準値と少なくとも５０％異なる。これらの差は、正または負のいずれかであり得る。本発明の特定の実施形態では、故障セルを定義するために使用される閾値は、所望の性能レベルに従ってシステムオペレータによって調整することができる。
【0013】
劣化セル／スタックを識別し、次いでそれに応じて（例えば、さらなる劣化を回避するために動作パラメータを変更することによって）システムの動作状態を修正することによって、システムの寿命を延ばすことが可能であり得る。故障セル／スタックを識別し、次いでそれに応じてシステムの動作状態を変更することによって（例えば、そのようなセル／スタックを無効にすることによって）、故障後であってもシステムの寿命を延ばすことも可能であり得る。さらに、無効にされるセル／スタックが多すぎる場合、本発明は、システムの全体的な性能に大きな影響を与えることなくセルの迅速な交換を可能にするシステムおよび機構をさらに提案する。
【0014】
したがって、本発明の特定の実施形態は、電解システムの寿命を延ばす手段、ならびにセルおよびスタックの劣化、故障および交換に迅速に対処する方法を提供する。これは、電極がより安定している他の用途とは対照的に、本明細書に開示されている特定の用途の電解システムの電極をより頻繁に交換する必要があるため、本発明の分野で大きな利点をもたらすことができる。同様に、バイパスまたは無効化は、１つのセルが可能であるほど多くの電力を生成していない場合、例えば発電システムへの害が少ない可能性があるため、他のシステムでは重要ではない可能性がある。
【0015】
本発明の特定の実施形態では、複数の電解セルを有する電解システムを制御する方法が提供され、電解システムがCOxを含む流体流を少なくとも１つの化学物質に変換する。本方法は、少なくとも１つのセンサを使用して、複数の電解セルを監視することを含む。本方法はまた、監視によって、複数の電解セル内の劣化セルを識別することを含む。本方法はまた、劣化セルを識別すると、複数の電解セル内の少なくとも１つの他のセルを動作させ続けながら、複数の電解セルの動作状態を修正することを含む。
【0016】
本発明の特定の実施形態では、電解システムが提供される。システムは、COxを含む流体流を受け取り、COxを少なくとも１つの化学物質に変換するように構成された複数の電解セルを含む。システムはまた、複数の電解セルを監視するように構成された少なくとも１つのセンサを含む。システムはまた、少なくとも１つのプロセッサと、少なくとも１つのプロセッサにとってアクセス可能であり、少なくとも１つのプロセッサによって実行されると、システムに、少なくとも１つのセンサを使用して、複数の電解セルを監視することと、監視を介して、複数の電解セル内の劣化セルを識別することと、劣化セルを識別すると、複数の電解セル内の少なくとも１つの他のセルを動作させ続けながら、複数の電解セルの動作状態を修正することとを行わせる命令を格納する非一時的コンピュータ可読媒体とを備える。
【0017】
本発明の特定の実施形態では、電解システムが提供される。システムは、電解セルのスタックを備える。電解セルのスタックのセルは、限定ではないが、極性プレートなどのプレートを含む。システムはまた、電解セルのスタックの第１の端部に位置する第１のスタックケーシングを含む。システムはまた、プレートおよび第１のスタックケーシングが、ある程度の圧縮下でスタックの第２の端部から離れるように移動するための少なくとも１つのロック機構を備える。スタックの一部、例えばセルグループは、さらに個別に「サブスタック」と呼ばれる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本明細書に開示される本発明の特定の実施形態による、電解システムのブロック図である。
【図2】本明細書に開示される本発明の特定の実施形態による、複数のスタックに配置構成された複数のセルを備える電解反応器の一例を含む図である。
【図3】本明細書に開示される本発明の特定の実施形態による、電解スタックの図解および１つのセルの開放ビューを含む図である。
【図4】本明細書に開示される本発明の特定の実施形態による、COxを化学物質に変換するための電解システムの性能最適化を自動化する方法の概略図である。
【図5】本明細書に開示される本発明の特定の実施形態による、電解スタックに対する劣化セルの影響を軽減する方法のブロック図およびフローチャートである。
【図6】本明細書に開示される本発明の特定の実施形態による、電解反応器に対する劣化スタックの影響を軽減する方法のブロック図およびフローチャートである。
【図7】本明細書に開示される本発明の特定の実施形態によるヘルパーシステムの一例を含む図である。
【図9】スタック全体の減圧中に交換される中央MEAを取り囲む２つのサブスタックの圧縮を維持するためのヘルパーシステムおよびスタック内へのその統合の別の例を含む図である。
【図10】本明細書に開示される本発明の特定の実施形態による、本明細書に記載される方法のいくつかおよびそれらの間の関係を要約するフローチャートを含む図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
詳細な説明
本発明の特定の実施形態は、電解システムに関する。電解システムは、COx、またはCOxを含む流体流を少なくとも１つの化学物質に変換するため、例えば二酸化炭素（CO２）または一酸化炭素（CO）を炭素系商品などの所望の生成物に変換するためのものであり得る。図１は、本発明の特定の実施形態による電解システム１００のブロック図を含む。電解システム１００は、CO２またはCO電解反応器などのCOx電解反応器１１０と、１つまたは複数のセンサ１２０と、１つまたは複数のアクチュエータ１３０と、電力源１４０と、制御システム１５０とを備える。
本発明の特定の実施形態は、電解システムに関する。電解システムは、COx、またはCOxを含む流体流を少なくとも１つの化学物質に変換するため、例えば二酸化炭素（CO２）または一酸化炭素（CO）を炭素系商品などの所望の生成物に変換するためのものであり得る。図１は、本発明の特定の実施形態による電解システム１００のブロック図を含む。電解システム１００は、CO２またはCO電解反応器などのCOx電解反応器１１０と、１つまたは複数のセンサ１２０と、１つまたは複数のアクチュエータ１３０と、電力源１４０と、制御システム１５０とを備える。
【0020】
本発明の特定の実施形態では、図１の電解システム１００のCOx電解反応器１１０などの電解システムのCOx電解反応器は、流体流（例えば、液体または／および気体）を受け取り、電力が印加されると、流体流からのCOx（CO２またはCOなど）を、所望および／または有益な生成物（例えば、限定されないが、CO、アルカン、アルコール、カルボン酸）であり得る代替生成物などの少なくとも１つの化学物質に変換するように構成された複数の電解セルから構成することができる。
【0021】
図２は、複数のスタックに配置構成された複数のセルを備える電解反応器の一例を含む。この例では、電解反応器は、図示のように、セル１、セルn、およびセルM１を含むM１電解セルを備える第１の電解スタック２０２を含む。電解反応器は、反応器内の電解スタックjおよびNを表し、それぞれMj個およびMN個の電解セルを含む、電解スタック２０４および２０６などの追加の電解スタックを含む。反応器は、任意の他の数のスタックを反応器内に設けることができるという事実を表すプレースホルダ２０３および２０５によって表されるように、任意の数のスタックおよび／またはセルを含むことができる。
【0022】
電解反応器内の複数の電解セルは、図２に示すように異なる構成に配置構成することができる。例えば、１つまたはいくつかの電解セルを直列に配置構成することができる。その場合、セルのアノードを後続のセルのカソードに電気的に接続することができ、以下同様にすることができる。このような配置構成は電解スタックと呼ばれる。次いで、１つまたはいくつかのスタックを並列に配置構成することができる。その場合、各電解スタックの端子電極に電圧差を印加することができる。
【0023】
セルは、限定ではないが円形、または、限定ではないが長方形、正方形、五角形、六角形、八角形などのような多角形を含む様々な形状を有してもよい。セルが電解スタック内に配置構成される場合、スタックの他の要素に同様または異なる形状を採用してもよい。
【0024】
図３は、本明細書に開示される本発明の特定の実施形態による、電解スタック３００の図解を含む。スタック３００は、３０２などのエンドプレート、３０４などのモノポーラプレート、３０６などの剛性バー、３０８などの膜電極接合体（MEA）、３１０などの流れ場、および３１２などのバイポーラプレートを含む。付加的に、スタック３００は、アノード流のための入口３１４および出口３１６、ならびにCOx含有カソード流のための入口３１８およびカソード流のための出口３２０を含む。モノポーラプレート３０４およびバイポーラプレート３１２などの極性プレートは、スタック内のセルの一部とすることができる。
【0025】
電解スタックにおいて、後続のセルは、図３のバイポーラプレート３１２などのバイポーラプレート（BPP）によって物理的に分離することができ、BPPの両側の電解セルのそれぞれに対する機械的支持を確実にすることができる。BPPはまた、後続の電解セル間の電気的直列接続を確実にし、反応物／生成物をそれぞれ導入／除去することができる。スタックの端部では、プレートの片側のみが末端セルと接触することができる。これは、図３のモノポーラプレート３０４などのモノポーラプレートと呼ばれる。スタックの端部において、集電体が、他の要素の中でもスタックの電気的監視のために使用することができる外部電源への接続を可能にすることができる。スタックは、スタックケーシング内に組み立てることができ、その機械的支持および圧縮、ならびにスタックへのおよびスタックからの反応物および生成物の流れの供給および輸送を可能にする。スタックケーシングは、スタックの電気的絶縁を確実にし、反応物および生成物の流れのための入口および出口を提供するエンドプレートを備えることができる。
【0026】
本発明の特定の実施形態では、プレート（バイポーラまたはモノポーラ）は、様々な材料および／または表面コーティングを含むことができる。例えば、プレートは、ステンレス鋼（例えば、限定ではないが、３１６L）、チタン、グラファイト、またはそれらの混合物を含むことができる。プレートは、接触抵抗を最小にし、耐化学性（特に腐食に対する）を改善するために、１つまたは複数の電気化学セルと接触する極性プレートの１つまたは複数の面上に１つまたは複数の表面コーティング（例えば、Ti、Cr、Nb、Ni、Feを含む）を備えることができる。
【0027】
本発明の特定の実施形態では、入力流体流は、CO２、CO、HCO３
－、CO３
２－、H２O、N２、Ar、および／またはイオン含有水溶液、例えば溶解塩の存在下での電解質水（またはそれらの混合物）を含むことができる。入力流体流はまた、SOxまたはNOxなどの汚染物質を含み得る。本発明の特定の実施形態では、アノード液とも呼ばれるアノード流は、溶解塩（例えば、CsOH、KOH、CsHCO３、Cs２CO３、KHCO３、K２CO３、NaHCO３、Na２CO３）の存在下で、液体形態の水を含むことができる。本発明の特定の実施形態では、カソード流は、特に加湿CO２および／またはCOを含んでもよい。例えば、加湿CO２または加湿COをカソードにおいて使用することができ、イオン含有水溶液をアノードにおいて使用することができる。別の例として、カソード流は、N２およびArなどの不活性ガスで希釈することができる。HCO３
－およびCO３
２－は、アルカリ性媒体中のCO２の可溶化形態であるため、HCO３
－またはCO３
２－（CO２の代わりに）を使用することも可能であり得る。本発明の特定の実施形態では、カソード流は、CO２、CO、HCO３
－、CO３
２－、H２O、N２、Arを含むことができる。アノード流は、水、H２、イオン含有水溶液を含むことができる。本発明の特定の実施形態では、入力カソード流体流はまた、例えば（産業用煙道ガスからの）産業用CO２を価値評価するために煙道ガスから構成されてもよい。この場合、カソード流体は、CO２および／またはCOに加えて、SOxおよびNOxなどの汚染物質を含んでもよい。本発明の特定の実施形態では、入力アノード流体流は廃水を含み得る。
【0028】
電解セルは、電力源を使用することによって非自発的な反応を可能にする電気化学セルである。電解セルは、流れ場（例えば、電気的接触および反応物および／または生成物の輸送を確実にするための）、多孔質電極支持体、電極（カソード、アノードなど）、触媒（例えば、電極と一体化および／または接触している）、イオン伝導媒体（例えば、限定されないが、１つまたは複数の膜、イオン伝導性電解質、隔膜または酸化物伝導性材料、例えばセラミック）のうちの少なくとも１つを含むことができる。本発明の特定の実施形態では、流れ場は、ラダー、単一または複数の蛇行、交互嵌合パターン、ピラー、バイオインスパイアされた葉状形状、またはそれらの混合物を含むことができる。電解セルはまた、本開示でさらに論じるように極性プレートを含むことができる。
【0029】
本発明の特定の実施形態では、多孔質電極は、炭素系多孔質支持体または金属系多孔質材料から選択することができる。炭素系多孔質支持体は、炭素繊維、カーボンクロス、カーボンフェルトなどまたはそれらの混合物に基づくことができる。炭素系多孔質支持体は、マイクロポーラス層を有するまたは有しないガス拡散層（例えば、限定されないが、Sigracet ３９BC，Sigracet ３５BC，Sigracet ２８BB，Sigracet ２８BC，Toray paper，Freudenberg H２３C６）とすることができる。金属系多孔質支持体は、チタン、ステンレス鋼、Niから選択することができ、メッシュ、フリット、フォームまたはプレートの形態であり得る。
【0030】
本発明の特定の実施形態では、隣接するカソードとアノードとの間のイオン伝導を確実にする２つのカソードとアノードとの間のイオン伝導媒体は、アノードとカソードとの間に押圧されて膜電極接合体（MEA）を形成する１つまたは複数のポリマー電解質膜から作製することができる。
【0031】
本発明の特定の実施形態では、ポリマー電解質膜は、限定ではないが、アニオン交換膜、カチオン交換膜、および／またはバイポーラ膜を含むことができる。アニオン交換膜は、ピリジニウム、イミダゾリウム、ピペリジニウムなどの正に帯電した有機N含有種、ならびにスチレンまたは他の芳香族もしくは架橋ポリマーなどの機械的／電子的安定性を改善するための追加の官能基を含有することができる。これは、市販のSustainion、Piperion、Fumasepまたは同様の構造であり得る構造を含むことができる。カチオン交換膜は、スルホン酸基、ホスホン酸基またはカルボキシレート基などのアニオン官能基を含有することができる。これは、ポリマー含有芳香族、脂肪族またはフッ素化炭素鎖に担持することができる。これは、市販のAquivion、Nafion、または同様の構造に存在し得る構造を含み得る。バイポーラ交換膜は、アニオン交換膜に加えてカチオン交換膜を含むことができ、Fumasep FBM、Xionから選択することができ、または上記で言及したカチオン交換膜およびアニオン交換膜において説明した構造の組み合わせを含むことができる。これらの膜はまた、TiO２、IrOxまたはNiOxなどの金属酸化物粒子を有する中央水解離層を含むことができる。
【0032】
本発明の特定の実施形態では、触媒は、１つまたは複数の分子種、単一金属サイト不均一化合物、金属化合物、炭素系化合物、ポリマー電解質（イオノマーとも呼ばれる）、金属有機構造体、または任意の他の添加剤を含むことができる。分子種は、金属ポルフィリン、金属フタロシアニンまたは金属ビピリジン錯体から選択することができる。金属化合物は、金属ナノ粒子、ナノワイヤ、ナノ粉末、ナノアレイ、ナノフレーク、ナノチューブ、デンドライト、フィルム、層またはメソポーラス構造の形態であり得る。単一金属サイト化合物は、金属ドープ炭素系材料または金属－N－C系化合物を含むことができる。金属化合物は、Ag、Au、Zn、Cu、Ir、Pt、Fe、Ni、Co、Mn、Sn、Bi、Pd、Pb、Cd、Ru、Re、Rh、そのような金属の合金またはそれらの混合物を含むことができる。ポリマー電解質は、記載された膜に使用されるものと同じ材料から選択することができる。炭素系化合物は、カーボンナノファイバ、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、グラファイト、ホウ素ドープダイヤモンド粉末、ダイヤモンドナノ粉末、窒化ホウ素またはそれらの組み合わせを含むことができる。添加剤は、F、Br、I、Clを含むハロゲン化物系化合物であり得る。添加剤は、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）またはカーボンブラックによる処理などの疎水性の改変に特に特化することができる。
【0033】
本発明の特定の実施形態では、電極に電位差を印加することにより、アノードからカソードへの電流を生成して、カソードでのCOx（CO２またはCOなど）の化学物質への還元およびアノードでの反応物の酸化（例えば、限定ではないが、水の酸素への酸化または炭化水素もしくはアルコールの部分酸化、有機廃棄物の酸化、水素の酸化など）を促進することができる。アノード反応は、酸性／中性環境（左列）または中性／アルカリ性環境（右列）で行うことができる以下の反応の１つまたは複数を含むことができる。
【0034】
【表1】
【0035】
カソード反応は、酸性／中性環境（左列）または中性／アルカリ性環境（右列）で行うことができる以下の反応の１つまたは複数を含むことができる。
【0036】
【表2】
【0037】
結果として、アノード流は、O２および／またはCO２および／またはH２O（またはそれらの混合物）を含むことができる。カソード流は、COおよび／またはCO２および／または水素（H２）および／または水（H２O）および／またはギ酸（HCOOH）および／またはエチレン（C２H４）および／またはエタン（C２H６）および／またはエタノール（CH３CH２OH）および／またはメタン（CH４）および／またはシュウ酸（COOH－COOH）および／またはグリオキシル酸（COH－COOH）および／またはプロパン（C３H８）および／またはプロペン（C３H６）および／またはプロパノール（C３H７OH）を含むことができる。
【0038】
図１に戻って参照すると、電解システム１００はまた、各電解スタックの端子電極（モノポーラプレート）に電圧を印加する役割を果たすことができる電力源１４０を含む。異なるスタックに印加される電圧は、スタック内の電解セルの数および動作条件に応じて異なり得る。
【0039】
図１の電解システムはまた、電解システムの特定の動作パラメータの監視を確実にするように構成することができるセンサ１２０を含む。動作パラメータは、センサによって測定することができる電解システムの物理的パラメータとして定義することができ、限定ではないが、電解反応器を構成する少なくとも１つの電解セルの少なくとも１つの電位差、電解反応器を構成する少なくとも１つのセルまたはスタックを流れる少なくとも１つの電流、限定ではないが、CO、CO２、H２、C２H４、CH３CH２OH、および、他の生成物の濃度または割合を含む、化学物質の出力流の分子組成（例えば、限定ではないが、COおよび／またはCO２および／または水素（H２）および／または水（H２O）および／またはギ酸（HCOOH）および／またはエチレン（C２H４）および／またはエタン（C２H６）および／またはエタノール（CH３CH２OH）および／またはメタン（CH４）および／またはシュウ酸（COOH－COOH）および／またはグリオキシル酸（COH－COOH）および／またはプロパン（C３H８）および／またはプロペン（C３H６）および／またはプロパノール（C３H７OH）の濃度または割合を含む化学物質のカソード出力流の分子組成、および／または限定ではないが、O２および／またはCO２および／またはH２Oおよび／またはH２の濃度または割合を含む化学物質のアノード出力流の分子組成）を含むことができる。限定ではないが、カソードにおけるCOx含有流れの温度、湿度、圧力および流速、またはアノードにおいて供給される水などの流体の温度、湿度、圧力および流速、アノード液のpHなどの他の動作パラメータも考慮することができる。
【0040】
図１の電解システムはまた、電解システムの動作パラメータ（限定ではないが、カソードおよび／またはアノードにおける入力流れの温度／圧力／湿度、カソードおよび／またはアノードにおける流速を含む）または電解システム構成自体のいずれかを修正するように構成することができるアクチュエータ１３０を含む。これらは、例えば、以下に記載される制御システムによって提供される命令に従って達成することができる。このようにして、電解システムの動作状態を修正することができる。アクチュエータの非限定的な例は、ポンプ、流量調節器、二方弁、三方弁などの弁、気体または液体加熱システム、熱交換器、電気接触器などである。
【0041】
図１の電解システムはまた、少なくとも１つのメモリおよび１つのプロセッサ、または複数のメモリ、プロセッサおよびマイクロコントローラを備えることができる制御システム１５０を含む。メモリおよびプロセッサは、ローカルに分散させることができ、またはクラウドもしくは外部サーバなどの上で遠隔でホストすることができ、そのような分散は、電解システムの最適な調節のために、または特定のシステムの要件／制約に従って決定される。制御システムは、例えばメモリに格納された命令を実行することによって、１つまたは複数のプログラムを実行するように構成することができ、命令は、実行されると、システムに特定の措置を実施させることができる。例えば、システムは、センサ１２０などの動作パラメータセンサによって送信されたデータを受信することができる。データは、セル抵抗などの性能測定基準を含むことができる。データは、その後の措置のためにシステムによってさらに使用することができ、例えば、データは、電解システム構成のライブ監視のために表示することができ、および／またはさらなる分析のために（例えば、時系列の形態で）格納することができる。別の例として、システムは、アクチュエータ１３０などのアクチュエータを制御して、動作パラメータ（温度、流速、圧力など）の調節を実施することができる。別の例として、システムは、動作パラメータセンサによって送信されたデータを分析することができる。データは、電解システムの１つまたはいくつかの性能測定基準のライブ推定値を提供するなど、様々な目的で分析することができる。制御システムメモリに格納された時系列または他のデータはまた、例えば、１つまたはいくつかの動作パラメータおよび／または性能測定基準の予測機能を提供するために、ローカルにまたはクラウドもしくは外部サーバ内で分析することもできる。別の例として、システムは、限定ではないが、電解システムの状態をオペレータに通知するためまたはメンテナンスを計画するために警告を発すること、オペレータ指示または前述のデータ分析の結果に従って動作パラメータ設定点を適合させること、例えば１つまたはいくつかの電解セルおよび／またはスタックを無効にすることなどによって電解システム構成を修正することなどのような措置をトリガすることができる。
【0042】
このようにして、下記の例でより詳細に説明するように、図１のシステム１００などのシステムは、例えばセンサ１２０を使用して、複数の電解セルを監視し、例えば監視を介して、複数の電解セル内の特定の挙動を有するセル（例えば、劣化セルの場合のように、予想外の電気抵抗を有するセルなどのセル）を識別するように構成することができる。次いで、制御システムは、上述の措置のいずれかまたは他の措置を行うことによって、複数の電解セルの動作状態を修正する（例えば、劣化セルの動作状態を修正することによって）ように構成することができる。本発明の特定の実施形態では、動作状態の修正は、複数の電解セル内の少なくとも１つの他のセルを動作させ続けながら実施することができる。
【0043】
COxを化学物質に変換するための電解システムは、頻繁な故障および性能劣化を受ける複雑なシステムであり得る。また、電解システムのメンテナンスは複雑であり（例えば、多数の機械的部品、バイポーラ／モノポーラプレートの高い圧縮などに起因して）、時間がかかり、したがって費用がかかる可能性がある。したがって、電解システムの性能を維持し、例えばメンテナンス作業の持続時間を最小限に抑えることによってその容量係数（すなわち、工場生産が運営される実際の速度と最大生産速度との比）を最大にする方法を見出すことが望ましい場合がある。
【0044】
本発明の特定の実施形態は、図１を参照して説明した電解システム１００などの電解システムを制御し、そのような電解システムの性能最適化を自動化する方法に関する。特定の実施形態では、記載された方法は、代替的にまたは組み合わせて、中でも、長期間にわたって複数のセルを含むCOxを伴う電解反応器の性能を改善し、電解セルの起こり得る故障を最小限に抑え、個々のセルまたはセルグループの故障がシステム全体の性能に及ぼす影響を最小限に抑え、故障セルまたは故障セルグループを修復／交換するためのメンテナンス時間を最小限に抑える方法を提供することができる。
【0045】
本明細書において使用される場合、故障を含むセル／セルグループ／スタックまたは電解反応器の劣化は、少なくとも１つの基準値または閾値と比較した、その電気抵抗などの少なくとも１つの性能測定基準の劣化として理解することができる。基準値は、制御システムがそれにアクセスし、センサからのデータを分析する際にそれを使用するためにメモリに格納することができる。使用することができる性能測定基準には、セル／セルグループ／スタックまたは電解反応器がどのように機能するかの測定または計算された指標が含まれる。代替的な性能測定基準の例（非網羅的リスト）は、とりわけ電解セルの２つの電極間の電位差（電圧）、スタックのモノポーラプレートに印加される電位差、セルグループ、異なるスタック、または電解反応器の電位差の合計、直列またはスタックに組み立てられた電解セルまたはセルグループにわたって流れる電流、少なくとも１つの有益な生成物を発生させるための電解セルの過電位であって、セルの２つの電極にわたる測定された電位差と、電解セルにおいて生じる全反応の熱力学的電位（アノードおよびカソード反応の合計）との差として定義される、過電位、セルグループ、スタックまたは電解反応器の過電圧、セルグループ、スタックまたは電解反応器の電気抵抗、出口流体流中の有益な生成物の測定されたモル量と、この有益な生成物のみが電解セル／セルグループ／スタック／反応器内で形成された場合に達成され得る理論モル量との比として定義される、少なくとも１つの有益な生成物の生成の選択性またはファラデー効率、ファラデー効率に、電解セルの２つの電極にわたる測定電位差と電解セルで発生する反応全体の熱力学的ポテンシャルとの比を乗算した値として定義される、少なくとも１つの所望の生成化学物質を生成するための電解セルのエネルギー効率、セルグループ、スタックまたは電解反応器のエネルギー効率、所望の化学物質に変換されるCOxの量、形成される所望の化学物質の量、電解反応器の運転コストである。
【0046】
性能測定基準の前述のリストに基づいて、故障などの望ましくない挙動のいくつかの非網羅的な例を挙げることができる。例えば、アノードにおける過剰な水の存在またはCOx含有カソード流の不適切な加湿に起因するセルのカソードのフラッディングは、カソードにおけるH２への水還元の増大に起因して、セルの有益な生成物へのCOx還元に対する選択性の喪失をもたらし得る。この状況は、セルの抵抗を減少させ、例えば、劣化モードを定義した閾値を超えることを引き起こす可能性がある。反応器レベルでは、フラッディング状況における所望の生成物の生成を低減することができる。別の例として、電解セルの一方または他方の電極における不純物の蓄積は、セルにわたって流れる電流の減少、セルの電圧／過電圧の増大、したがってセルの抵抗の増大をもたらし得る。別の例として、電解スタックの過剰な冷却は、スタックにわたって流れる電流の減少／その電気抵抗の増大をもたらし得る。
【0047】
図４は、COx（CO２およびCOなど）を化学物質に変換するための、図１の電解システム１００などの電解システムの性能最適化を自動化する方法４００の概略図を含む。図示のように、方法４００は、制御システム１５０によって、例えば、メモリに格納された命令を実行する１つまたは複数のプロセッサによって実施することができる。
【0048】
方法４００は、場合によってはセル電圧および電流、ならびに／または１つもしくはいくつかの動作パラメータを監視することによって、異なるセルのセル抵抗などの少なくとも１つの性能測定基準を監視するステップ４０２を含む。説明したように、動作パラメータは、センサによって測定することができる電解システムの物理的パラメータとして定義することができる。
【0049】
方法４００は、劣化を検出するステップ４０４をさらに含み、これは、特に、電解セル、セルグループまたはスタックの故障を検出すること４０６を含むことができる。検出４０４および／または４０６は、セル抵抗などの少なくとも１つの性能測定基準をその基準値と比較することによって実施することができる。劣化４０４または故障４０６を検出すると、本方法は、限定ではないが、例えば、以下に説明するように、過去の動作パラメータの時系列を使用することによって、少なくとも１つのセルの将来の性能の数値シミュレーションを開始すること４０８a、劣化識別を受けて動作パラメータを変更すること４０８b、例えば、閾値を超えたこと（故障状態を含む劣化状態を示すことができる）、または数値シミュレーション４０８aの結果に基づいて、セル抵抗などの少なくとも１つの性能測定基準について閾値を超えたことを電解反応器のオペレータに通知するために警告を発すること４０８c、故障が識別された場合に、故障セル／セルグループまたはスタックを電気的にバイパスすること４０８d、および／または、例えば故障識別の場合のセルメンテナンスを容易にするために、ヘルプメカニズムを使用すること４０８eなどの、１つまたは複数の措置をトリガするステップ４０８を含むことができる。言及された措置は非網羅的であり、プレースホルダ４０８fによって示されるように他の複数の措置をとることができる。これらの措置は、セルまたはセルグループなどのシステムまたはシステムの一部の動作状態を修正するために行うことができる。方法４００は、所望の結果に応じて行うことができるステップの概要を表す。図５に概説した電解システムの性能最適化を自動化する方法の詳細および実現例を以下に示す。
【0050】
本発明の特定の実施形態では、図１の制御システム１５０などの制御システムは、電解故障を軽減するように構成される。電解システムでは、劣化または故障セル、セルグループまたはスタックの影響の軽減を自動化することが望ましい場合がある。これは、人間の介入またはメンテナンスなしにシステムがより長期間にわたって効率的に動作することができることを確実にすることができる。これに関して、本発明の特定の実施形態は、電解スタックに対する劣化セルの影響を軽減するための方法、および電解反応器に対する劣化スタックの影響を軽減するための方法に関する。
【0051】
図５は、電解スタックに対する劣化（例えば、故障）セルの影響を軽減する方法５００のブロック図およびフローチャートを含む。方法５００は、少なくとも１つのセルの抵抗を推測するために、少なくとも１つのセル電圧および／またはスタック電流を監視するステップ５０２を含む。このステップは、電解セルのアノードとカソードとの間の少なくとも１つの電位差（電圧）を測定すること、および／またはスタックにわたって流れる電流を測定することを含むことができる。任意選択的に、このステップはまた、インピーダンス分光技法を使用してセル抵抗を直接測定することも含むことができる。方法５００は、図４を参照して本開示で前述したように、故障を検出するステップ５０４、例えば、少なくとも１つのセル抵抗を基準値、任意選択的に、（例えば、警報を発するために）１つまたは複数の他の閾値と比較することに基づいて少なくとも１つのセルの故障モードを検出するステップをさらに含む。故障の検出は、劣化および／または故障セルの検出を含むことができる。図５に示すように、また図４を参照して示すように、このステップは、制御システム１５０によって実施することができる。
【0052】
方法５００は、故障モードの検出を受けて措置を（例えば自動的に）実施するステップをさらに含む。図４を参照して説明したように、システムによって様々な措置を実行することができ、それらの措置は個別にまたは互いに組み合わせて実施することができる。例えば、セルが故障閾値を超えたことが識別されると、ステップ５０６によって表されるように、セルを電気的に短絡することができる。セルの電気的短絡は、アクチュエータの作動を受けて閉じることができる、セルの２つの電極間に位置する常開電気回路の動作によって行うことができる。アクチュエータは、限定ではないが、トランジスタ、サイリスタ、光カプラ、コイルベースの電気接触器などを含む機械的リレーまたはソリッドステートリレーなどの電子デバイスとすることができる。任意選択的に、モータベースの機械装置を使用して、常開電気短絡回路を閉じることができる。
【0053】
システムによって実行することができる措置の別の例として、ステップ５０８によって表されるように、劣化セルを含むスタックの端子電極に印加される電圧を修正することができる。電圧は、セル短絡（エネルギー効率最適化）に続くスタックの電気抵抗の降下に追従するように低下させるか、または化学物質への一定のCOx変換率を確保するように増大させることができる。入力COx流速は、ステップ５１０によって表されるように、それに応じて修正することができる。ステップ５１２によって表されるように、オペレータに対して警告を生成することができる。本開示でより詳細に説明するように、他の閾値を定義して、セルが劣化していることをオペレータに警告し、場合によっては、シミュレーションを開始するか、またはセル故障を防ぐための是正措置をとることができる。
【0054】
図５を参照して説明した方法５００など、電解スタックに対する劣化（例えば、故障）セルの影響を軽減する方法は、図１の電解システム１００などの電解システムが、人間の介入またはメンテナンスなしに、より長期間にわたって効率的に動作することを確実にすることができる。故障セルを短絡することによって達成することができる利点の一例は、故障セルにおけるジュール効果（抵抗器を通って流れる電流が熱の形態のエネルギーを散逸させ、散逸されるエネルギーの量は、抵抗器の抵抗に比例する）による熱の形態のエネルギー損失を回避することができることである。この利点は、劣化がセルの抵抗の増大である場合に重要であり得る。故障セルを短絡することによって達成することができる利点の別の例は、劣化が選択性の喪失を引き起こす場合に有益な生成物の出力流中に望ましくない生成物が生成されることを回避することができることである。これらおよび他のシナリオは、本開示において下記により詳細に説明される。
【0055】
図５を参照して説明した電解スタックに対する劣化（例えば、故障）セルの影響を軽減する方法は、スタック内のセルグループの影響を軽減するために簡単な様式で順次適用することができる。
【0056】
図６は、電解反応器に対する劣化（例えば、故障）スタックの影響を軽減する方法６００のブロック図およびフローチャートを含む。方法６００は、複数のセルを含む複数のスタックに同時にまたは順次適用することができる。図６は、セル６５０a、６５０b、６５０c、６６０a、６６０b、６６０cなどの複数のセルを含むスタック６５０および６６０を含む例を示すが、本発明はそのような構成に限定されない。スタック内で相当の割合のセルが故障した場合、スタック自体が故障スタックと見なされ得る。その場合、電解システムに対する劣化スタックの影響を最小限に抑えることが望ましい場合がある。電解反応器に対する劣化スタックの影響を軽減する方法６００は、電解スタックに対する劣化セルの影響を軽減する方法を、電解反応器を構成するすべてのスタックに適用するステップ６０２を含む。そのようなステップは、図５を参照して説明した方法５００の実行を含むことができる。
【0057】
方法６００は、故障を検出するステップ６０４、例えば、スタック内で短縮されたセルの数または他の性能測定基準と、１つの閾値（例えば、スタック内のセルの２０％超がバイパスされる）、または２つ以上の閾値との比較に基づいて、少なくとも１つのスタックの故障モードを検出することをさらに含むことができる。例えば、スタック内の故障セルの割合が５％、１０％、２０％、３０％、４０％、および／または５０％を超える場合、スタックは故障していると見なすことができる。電解スタックに対する劣化セルの影響を軽減する方法によって劣化セルが短絡されない実施形態では、最適でないセルを回路上に電気的に接続したままにすることができる。その場合、スタックの総電気抵抗などの他の性能測定基準を使用して、スタックの故障モードを識別することができる。その場合、故障スタックは、例えば３％、５％、１０％、２０％および／または３０％を超えて相対的にその基準値と異なる電気抵抗によって定義される。この差は、正または負のいずれかであり得る。限定ではないがスタックのエネルギー効率および選択性などの他の性能測定基準を使用することができる。
【0058】
方法６００は、本開示で前述したように、故障の検出を受けて、例えば閾値依存故障モードの検出を受けて、１つまたは複数の措置を実施する（例えば、自動的に実施する）ことをさらに含む。本発明の特定の実施形態では、ステップ６０６によって表されるように、スタックを電気的にバイパスするように１つの閾値を設定することができる。電気的バイパスは、スタックの端子電極（モノポーラプレート）における電圧の印加および入力COx流れの両方を停止することによって行うことができる。本発明の特定の実施形態では、他のスタックの端子電極に印加される電圧、ならびに入力COx流速を自動的に増大させて、化学物質への一定のCOx変換速度を確実にすることができる。本開示で前述したように、故障の検出を受けた他の措置が可能であり、例えば、ステップ６０８によって表されるように、故障または潜在的な故障をオペレータに警告するために、例えばスタックが漸進的に劣化していることを警告するために、他の閾値が定義されてもよい。
【0059】
多数の電解スタックを含む電解システムでは、電解反応器に対する劣化スタックの影響を軽減する方法を実施することにより、システム全体の動作に対する故障スタックの影響を最小限に抑えることができ、電解システムの性能を最大化することができる。また、例えば、低電力消費または高二酸化炭素変換率の点で性能レベルを維持するために必要なシステムのメンテナンスまたは修正を最小限に抑えることができる。故障していないスタックの電圧および入力COx流速の自動修正を可能にする実施形態では、所望の製品の一定の生産を達成することができる。
【0060】
本発明の特定の実施形態は、劣化セルまたはスタックの故障回避および／または動作パラメータの自動調整のための予測モデルに関する。モデルは、人工知能モデルを含むことができる。電解システムでは、実際の故障が発生する前にセルまたはスタックの故障を防止または遅延させるために動作パラメータを自動的に調整することが望ましい場合がある。これにより、電解システムの寿命および全体的な効率を高めることができる。特に、予測機能を使用して可能性のあるセルまたはスタック故障を識別することができ、分類機能を使用して可能性のあるセルまたはスタック故障の原因を識別することができる。次いで、図４を参照して前述したように、起こり得るセルまたはスタックの故障の識別に対する条件付きの電解システムの動作パラメータの自動調整を使用して、セルまたはスタック故障を防止または遅延させることができる。
【0061】
セルまたはスタック故障を防止するために電解スタックの動作パラメータを調整する方法は、一般に、電解セルのアノードとカソードとの間の少なくとも１つの電位差（電圧）を測定するステップおよび／またはスタックにわたって流れる電流を測定するステップなどの様々なステップを含むことができる。本方法はまた、限定ではないが、カソードのCOx流れの温度、湿度、圧力および流速、またはイオン含有水溶液などのアノードにおいて供給される流体の温度、湿度、圧力および流速、アノード液のpH、限定ではないがCO、CO２、H２、C２H４、C２H５OH、CH４、および本開示で前述したような他の生成物の濃度または割合を含む化学物質の出力流の分子組成を含む少なくとも１つの動作パラメータを測定するステップを含むことができる。本方法はまた、上述の測定値を、例えば、少なくとも２つの時間ステップを含む時系列（または他のデータ系列）の形態で制御システムメモリに格納するステップを含むことができる。本方法はまた、例えば、前述の格納された測定値（例えば、時系列）の分析に基づく回帰モデルなどの少なくとも１つのモデルを使用して、少なくとも１つの性能測定基準（例えば、セル抵抗、セル電圧、スタック電流、または前に開示された任意の他の性能測定基準）の将来の時系列を予測するステップを含むことができる。本方法はまた、予測された将来の時系列に基づいてスタック内の１つまたは複数のセルの可能な故障モードを予測するために、少なくとも１つの分類モデルを使用するステップを含むことができる。本方法はまた、実際の故障が発生する前に劣化セルを緩和するために、１つまたはいくつかのセルの起こり得る故障の予測を受けて、スタックの動作に関連する少なくとも１つの動作パラメータを変更するステップを含むことができる。そのような方法および実施態様の様々な例が本開示に与えられる。
【0062】
セルまたはスタック故障を防止するために電解スタックの動作パラメータを調整する方法において、限定ではないが、線形回帰、多項式回帰、カーネルベースの回帰、ニューラルネットワーク、ディープニューラルネットワーク、決定木、ランダムフォレスト回帰、または任意の他の機械学習着想回帰モデル、またはこれらのモデルの組み合わせなどの、異なるモデル（例えば、回帰モデル）を使用することができる。これらのモデルは、出力パラメータ（セル抵抗および／または他の性能測定基準）の唯一の測定時系列、または異なる動作パラメータおよび／または出力パラメータのいくつかの測定時系列のいずれかを入力としてとることができる。これらのモデルの出力は、セル抵抗とすることができるが、セル電圧、スタック電流、または任意の他の性能測定基準とすることもできる。例えば、１つのセル抵抗測定時系列のみをとる指数平滑化モデルを使用して、他の動作パラメータ（温度、圧力、湿度など）の影響を明示的に考慮せずにセル抵抗を予測することができる。このようなモデルを改良して、セル抵抗を入力COx流れのセル温度および湿度と線形的または多項式的に相関させることができる。本発明の特定の実施形態では、ニューラルネットワークを使用して、セル抵抗、入力COx流れの湿度および圧力、ならびにスタックの平均温度の過去の時系列に基づいてスタック電流を出力することができる。
【0063】
種々の分類モデルを使用して、限定ではないが、閾値モデル、決定木、k平均クラスタリングモデル、サポートベクタマシンモデル、任意の機械学習着想分類モデル、またはこれらの組み合わせなどの予測された将来の時系列に基づいて、スタック内の１つまたは複数のセルの起こり得る故障を予測することができる。これらのモデルを使用して、故障モードの原因を分析し、故障が発生する前に劣化セルを緩和するために制御システムが動作パラメータを自動的に修正するのを助け、したがってそれらの寿命を延ばすことができる。例えば、電解セルの故障モードは、セル抵抗の劣化速度を入力とするk平均クラスタリングモデルによって分類することができる。予測されたセル抵抗の急激な減少は、膜の形成における可能性のある穴に起因する可能性があるが、予測されたセル抵抗の低速の増大は、COxの所望の生成物への触媒還元を阻止する、電極上の不純物の蓄積を示す可能性がある。生成化学物質の出力流中の少なくとも１つの生成物の追加の濃度または割合測定値を使用することにより、フラッディングイベント（すなわち、カソードにおける大量の水の望ましくない存在）は、水がカソードにおいて電気化学的に還元され、生成化学物質の出力流中のより高い割合の二水素H２に変換される確率を高めることができるため、フラッディングイベントを識別することができる。
【0064】
故障モードの分類を受けて、故障原因の知的理解に基づいて制御システムによって動作パラメータを修正することができる。例えば、カソード触媒部位への不純物の可能性のある蓄積が、セルまたはスタックの故障を防止するために電解スタックの動作パラメータを調整する方法によって予測される場合、制御システムは、入力COx流れを一時的に迂回させ、水から構成されるリンス流を注入することによってカソードのリンス手順をトリガすることができる。同様に、膜の穴の形成が予測される場合、電解スタックに対する劣化セルの影響を軽減する方法を使用して、セルを一時的に電気的に短絡し、カソードまたはアノード流れの中に膜修復生成物を注入することができる。スタックの端子電極に印加される電圧を低減して、セルに対する負荷を低減することもできる。動作パラメータの他の修正は、とりわけ、スタックを冷却するためにアノードにおけるアノード流の流れを増大させること、圧力を増大または減少させながら入力ガスの流れを減少または増大させることを含むことができる。別の例は、例えば、有益な生成物の出力流れ中のH２の濃度または割合を測定することによるフラッディングイベントの検出を含み、これを使用して、カソードで利用可能な水の量を減らすために、入力CO２またはCO流れの湿度などの電解システムの動作パラメータを調整（例えば、自動的に）することができる。
【0065】
本発明の特定の実施形態は、セルを修復するための機構、例えば、完全に分解することなくセルを修復するための機構に関する。図１のシステム１００などの電解システムにおいて、例えばメンテナンス作業の持続時間を最小限に抑えることによって容量係数（すなわち、工場生産が運営される実際の速度と最大生産速度との比）を最大にする方法を見出すことが望ましい場合がある。手動で操作されるかまたは自動化されるかにかかわらず、ヘルパー機構は、このタスクを達成する方法を提供することができる。この節は、２つのそのようなヘルパー機構を記載する。
【0066】
電解スタックは、スタックのメンテナンスを容易にするためにヘルパーシステムと組み合わせることができる。このヘルパー機械システムは、スタックと組み合わせると、故障セルを分解および交換／再生している間に、１つまたは複数のセルの周りのスタックの部分（例えば、先に定義したサブスタック）の圧縮を維持することができる。特定の実施形態において、スタックの良好に機能する部分の圧縮を維持することは、そのようなメンテナンス作業後に非修正セルの高い性能を維持しながら、標的化された局所的な分解による容易で迅速なメンテナンスを可能にするために重要であり得る。
【0067】
特定の状況では、他のスタック構成要素の修正後に電解システムが再起動されるとき、セルがそれらの性能（メンテナンス前に得られたものと同様の）を保持するために非劣化セルの圧縮および整合を維持することが重要であり得る。本発明の特定の実施形態では、ヘルパーシステムは、制御システム１５０、独立した制御システムを含む任意の手段によって自動的に制御されてもよく、またはオペレータによって手動で制御されてもよい。記載された特性を保証するために、ヘルパーシステムおよびその電解スタックとの相互作用のための様々な設計が想定され得る。２つの非限定的な例を下記に提供する。
【0068】
第１の例は、滑走周辺サブスタックロックシステムに基づくヘルパーシステムを指す。図７は、ヘルパーシステムの例７００を含み、図８は、ヘルパーシステムの周辺滑走ロックシステムの例を含む。図７および図８は、エンドプレート（７０５，７０６）と、中央電解スタックを囲み（明確にするために本明細書には示されていない）、任意の種類の外部締結システム７０７によって決定されるその機械的保持および圧縮を確実にするレール（７０１a，７０１b，７０１c，７０１d）とを備えるスタック外側ケーシングの例を示す。図８は、中央プレート８１０の厚さに機械加工されたインデントに入ることによって側方窪み（８００a，８００b，８００c，８００d，８００f，８００e）を通じてそれ自体を機械的に取り付ける極性プレート８１０（バイポーラまたはモノポーラ）を取り囲む周辺滑走ロックシステム８０８を提示する。周辺滑走ロックシステム８０８は、その四隅に配置されたレール（７０１a，７０１b，７０１c，７０１d）によって形成されたフレーム内に入り込み、スタックの厚さに沿ってその動きを案内する。これは、このエンドプレートとそれが取り付けられているスタックプレートとの間に位置するサブスタックに（くぼみを通じて）圧力を加えることを可能にするために、剛性バー（限定ではないが、ねじ付きロッド、ボールねじベースのシステムなど）を介してエンドプレートの１つに取り付けられている。このサブスタックの圧縮は、本明細書に示されていない任意の種類の圧力センサによって監視されるように、剛性バーを目標圧縮レベルに締め付けることによって確実にすることができる。そのような締め付けは、限定ではないが、７０３a、７０３b、７０３cに例示されるようなエンドプレート上に位置するモータなどのシステムによって操作することができる。ポート７０４a、７０４b、７０４c、７０４dは、電解スタック内で流体を循環させるためのマニホールドを表す。それらは、例として同じエンドプレート上に表されているが、異なるエンドプレート上および／またはプレートの異なるロケーションに位置することもできる。
【0069】
表されている周辺滑走ロックシステムの孔８１１a、８１１b、８１１cは、第２の周辺滑走ロックシステム専用の剛性バーの通過を可能にするように設計することができる。このようにして、故障セルまたは一連のセルの各側の極性プレート上に周辺滑走ロックシステムを位置付けることによって、故障セルまたは一連のセルの各側のサブスタック上の圧縮を維持することが可能である。７０７に作用するスタック全体の圧縮を緩めることによって、スタックの残りを無傷に保ちながら、故障セルのうちの１つまたは一連のセルにアクセスしてメンテナンス作業を実現することが可能であり得る。メンテナンス作業が実施されると、スタック全体を標的圧縮レベルに再び圧縮して、任意の種類の圧力センサによって監視することができ、プレートインデントから側方窪み（８００a，８００b，８００c，８００d，８００f，８００e）を引き出すことによって、周辺滑走ロックシステムをプレートから分離することができる。
【0070】
図９は、スタック全体の減圧中に交換される中央MEAを取り囲む２つのサブスタックの圧縮を維持するための、ヘルパーシステムおよびスタック内へのその統合の別の例を含む。単純にするために、交換されるMEA９０３に直接隣接する２つのバイポーラプレート９０１，９０２のみがビュー９００に示されている。さらに、システムは、それぞれi）バイポーラプレート９０１とエンドプレート９０４との間のすべての極性プレート（バイポーラまたはモノポーラ）およびii）バイポーラプレート９０２とエンドプレート９０５との間のすべてのプレート（バイポーラまたはモノポーラ）を含む、両方のサブスタックの圧縮を維持するように設計することができる。
【0071】
上記のようなシステムの例は、セルを含む電解セルのスタックを含み、これは、上記のプレート（１つのセルの一部であるモノポーラプレート、両側の２つのセルの一部であるバイポーラプレート）を含むことができる。電解スタックはまた、スタックの残りの部分から外方に移動しているかまたは移動されている間に、プレートおよびスタックケーシングの少なくとも一部が一定の程度の圧縮下でともに維持されるためのケーシングおよびロック機構（上述のような）を含むことができる。スタックは、例えばプレートおよびスタックケーシングが移動するためのガイドを含むことができる。ガイドは、別個のガイドまたは一体型ガイドとすることができる。１つまたは複数の追加のロック機構をスタックに含めることもできる。例えば、セルの第２のプレート（移動しているプレートではない）を、第１のプレートがスタックのその部分から外方に移動するかまたは移動されているときに、一定程度の圧縮の下でスタックの一部に対して固定するためのロック機構を設けることができる。スタックケーシングは、電解セルのスタックのエンドプレートを含むことができる。
【0072】
プレートは、横方向にアクセス可能なインターフェースなどのアクセス可能なインターフェースと、横方向にアクセス可能なインターフェースと嵌合するように構成することができるロック機構の取り外し可能なコネクタなどのコネクタとを含むことができる。ロック機構のアクチュエータは、図７の要素７０７を参照して説明および図示されるように、一定程度の圧縮を付与するためにコネクタに接続することができる。例えば、横方向にアクセス可能なインターフェースは、プレート内のソケットとすることができ、一方、取り外し可能な接続部は、パドルとすることができる。別の例として、取り外し可能なコネクタは、横方向にアクセス可能なインターフェースに嵌合されるときにスタックケーシングの１つまたは複数の圧入部に挿入されるように構成することができる。上述のロック機構は、例えば制御ループのフィードバック信号の少なくとも一部として圧力センサからのデータを使用することができる制御ループによって動作することができる。本発明の特定の実施形態では、上述のように、ロック機構は、アクチュエータと、第１のスタックケーシングを通って延在するねじ付きポストとを含むことができる。アクチュエータは、一定程度の圧縮を付与するためにねじ付きポストを回転させることができる。
【0073】
本発明の特定の実施形態において、上述のヘルパーシステムを使用して、劣化セルは、例えば、劣化セルのプレートを、電解セルを備えるスタックケーシングと共に移動させることによって置き換えることができる。他のセルは、プレートとスタックケーシングとの間に位置することができ、それらは、交換が行われた後も期待通りに機能し続けることができる。特定の実施形態では、セルは、交換プロセス中に機能し続けるように構成することさえできる。
【0074】
図９に示されているヘルパーシステムにおいて、各バイポーラプレートは、本明細書に例示されているように、限定ではないがタペット９０６などの１つまたは複数の突起を含む。これらは、ビュー９１０により詳細に示されるように、サブスタック（９０１）のエンドプレート（例えば、９０４）および最終プレートを結合することによってそれらのそれぞれの圧縮を維持するために、U字形機構９０７をサブスタックの各側に挿入することを可能にすることができる。サブスタックの圧縮は、ロックシステム９０８によって調整可能であり得る。各サブスタックが圧縮されると、スタック全体は圧縮されず、MEAの迅速かつ容易な抽出９０９を可能にし得る。
【0075】
図１０は、本明細書に記載の方法のいくつかおよびそれらの間の関係を要約したフローチャート１０００を含む。フローチャート１０００は、電解システムを監視するステップ１００１から始まる。監視ステップは、上述の方法のいずれかに記載されているように実行することができ、セル、セルグループおよび／またはスタックグループを個別に監視することを含むことができる。監視は、少なくとも１つのセンサを介して行うことができる。本開示で前述したように、性能測定基準および動作パラメータを含む動作特性を監視することができる。
【0076】
フローチャート１０００は、望ましくない状態を識別するステップ１００２に続く。識別することは、本開示で前述したように、測定値を基準値または閾値と比較することを含むことができる。例えば、ステップ１００２は、劣化セル１００２a（例えば、性能測定基準が故障閾値に近づいているか、または期待通りに機能していないセル）を識別することを含むことができる。ステップ１００２はまた、故障セル１１０２b（例えば、作動していないセルまたは性能測定基準が故障閾値を超えたセル）を識別することを含むことができる。ステップ１００２はまた、劣化スタック１００２c（例えば、許容可能な数を超える劣化および／または故障セルを有するスタック）を識別することを含むことができる。ステップ１００２はまた、故障スタック１００２d（例えば、作動していないか、または許容可能な数を超える故障セルを有するスタック）を識別するステップを含むことができる。これらは、ステップ１００２が伴い得ることの非網羅的な例である。その着想は、システムが潜在的な故障と実際の故障の両方を認識し、それに応じて動作することができるということである。
【0077】
フローチャート１０００は、システムの動作状態（例えば、セル、セルグループ、スタックの動作状態）を修正するステップ１００３に続く。修正は、ステップ１００２における識別を受けて、かつ、システム内の少なくとも１つの他のセルを動作させ続けながら行うことができる。修正ステップ１００３の様々な非限定的な例がフローチャート１０００に示されており、アラーム１００３cをトリガするなど、本開示に記載された他の方法について説明したようなシステムによって行われる措置を含む。本方法は、潜在的な故障と実際の故障の両方を識別するように意図されているため、修正ステップは、所望の救済策に応じて分割することができる。例えば、ステップ１００２の結果が、故障する可能性があるがまだ故障していないセルの形態の劣化セルまたは劣化スタックがあるというものである場合、修正ステップ１００３は、劣化を防止するステップ１００３aを含むことができる。このようにして、劣化セル／スタックの寿命を延ばすことができ、実際の故障を回避するか、または少なくとも遅延させることができる。ステップ１００２の結果が、故障セルまたはスタックの形態の劣化セルまたはスタックが検出されたということである場合、修正ステップ１００３は、故障を解決するステップ１００３bを含むことができる。
【0078】
システムまたはその一部の動作状態を修正するための様々な例が本明細書全体を通して与えられ、例えば、システムの動作パラメータ１００４を調整して、劣化セル／スタックの寿命を延ばすことが可能であり得る。他方、故障の場合１００５、セル、セルグループ、またはスタックを無効にすることが可能であり得る。このようにして、システムは、いくつかのセル／スタックが故障しているという事実にかかわらず、作動し続けることができる。これは、電気的バイパスなどを介してこれらのセル／スタックをバイパスすることによって行うことができる。例えば、劣化セルが電解システムの電力回路内の別のセルと並列である場合、劣化セルを無効にすることは、劣化セルを電解システムの電力回路から接続切断することを含むことができる。無効化は、エネルギーを消費していない状態、生成していない状態、非アクティブ状態、COxを低減していない状態、流れを異なる流れに置き換える状態にセル／スタックを構成することなどの任意の数の動作を含むことができる。セルが直列である場合、セルは、例えば導体を使用することによってバイパスすることができる。セルが並列である場合、セルは開いている可能性があり、流れは停止する。このようにして、例えば、スタックを無効化するためにスタックを通じて電気が流れないように回路を開くこと、セルを無効にするためにセルを（例えば、導電性金属片を用いて）短絡すること、セルグループを無効にするために個々のセルを次々に無効にすることなど、様々な措置を無効化ステップの一部として行うことができる。
【0079】
次のステップは、セル／スタックの実際の交換１００６を含むことができる。このステップは、システム内に無効にされたセルが多すぎる場合、またはオペレータが所望する場合に達成することができる。次いで、セルの交換は、メンテナンス時間を短縮するために、本開示に記載のヘルパー機構１００７の使用を含むことができる。このようにして、本明細書に開示される方法およびシステムの組み合わせは、劣化を識別するために監視するためだけでなく、例えばまた、そのような劣化の検出を受けて自動的にシステムの変化を実行して劣化および故障を遅らせるための手段を提供することによって、電解システムの寿命を延ばすのに役立つ。さらに、システムおよび方法は、故障が検出された場合であってもシステムを動作させ続ける手段と、それらの故障を迅速かつ効果的に修復する手段とを提供する。
【0080】
本明細書は、本発明の特定の実施形態に関して詳細に説明されてきたが、当業者は、前述の理解を得ると、これらの実施形態の変更、変形、および同等物を容易に想起することができることが理解されよう。上述した方法ステップのいずれも、それらの方法ステップのための命令を格納するコンピュータ可読非一時的媒体によって動作するプロセッサによって行うことができる。コンピュータ可読媒体は、パーソナルユーザデバイス内のメモリまたはネットワークアクセス可能メモリであってもよい。本発明に対するこれらおよび他の修正および変形は、添付の特許請求の範囲により詳細に記載されている本発明の範囲から逸脱することなく、当業者によって実施され得る。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【国際調査報告】