特表 2024-540557 ２つのタイプの電解システムを備える水素製造プラント

(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】2024-10-31

(54)【発明の名称】２つのタイプの電解システムを備える水素製造プラント

(51)【国際特許分類】

   C25B 1/04 20210101AFI20241024BHJP

   C25B 15/023 20210101ALI20241024BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20241024BHJP

   C25B 9/23 20210101ALI20241024BHJP

   C25B 9/70 20210101ALI20241024BHJP

【ＦＩ】

C25B1/04

C25B15/023

C25B9/00 A

C25B9/23

C25B9/70

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024529657

(86)(22)【出願日】2022-11-08

(85)【翻訳文提出日】2024-06-14

(86)【国際出願番号】 EP2022081059

(87)【国際公開番号】W WO2023088723

(87)【国際公開日】2023-05-25

(31)【優先権主張番号】21209367.8

(32)【優先日】2021-11-19

(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】505056845

【氏名又は名称】アーベーベー・シュバイツ・アーゲー

【氏名又は名称原語表記】ＡＢＢ Ｓｃｈｗｅｉｚ ＡＧ

【住所又は居所原語表記】Ｂｒｕｇｇｅｒｓｔｒａｓｓｅ ６６， ５４００ Ｂａｄｅｎ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(72)【発明者】

【氏名】ビスコピン、マティアス

(72)【発明者】

【氏名】グタームート、ゲオルグ

(72)【発明者】

【氏名】レンダース、フェリクス

(72)【発明者】

【氏名】プリマス、ベルンハルト

(72)【発明者】

【氏名】ケーニッヒ、カイ

【テーマコード（参考）】

4K021

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021BA02

4K021DB04

4K021DB53

(57)【要約】

本発明は、水素製造プラントの分野に関し、具体的には、２つのタイプの電解システムを使用することによって水素製造プラントにおいて水素を製造するための方法に関する。第１の電解システム（ＥＳ１）は、能動ＤＣモジュール（Ｍａ）と、能動ＤＣモジュール（Ｍａ）からの第１の電力を使用することによって第１の水素出力（ＨＯ１）を生成するように構成された少なくとも１つの第１のタイプの電解槽（Ｅ１）とを備え、第２の電解システム（ＥＳ２）は、受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）と、受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）からの第２の電力を使用することによって第２の水素出力（ＨＯ２）を生成するように構成された少なくとも１つの第２のタイプの電解槽（Ｅ２）とを備える。本方法は、ランプアップ段階において、第１の電解システム（ＥＳ１）の第１の水素出力（ＨＯ１）を増加させることと、第１の電解システム（ＥＳ１）の第１の水素出力（ＨＯ１）が第１の既定の水素出力閾値（ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ１}）を越えたときに、第２の電解システム（ＥＳ２）をスイッチオンすることと、第１の電解システム（ＥＳ１）の第１の水素出力（ＨＯ１）を、第１の既定の水素出力閾値（ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ１}）から第２の水素出力（ＨＯ２）を引いたところまで減少させることと、を行うステップを備え、これにより、水素製造プラント（ＨＰＰ）の全体的な水素出力（ＨＯ_{ｔｏｔａｌ}）が、第１の水素出力（ＨＯ１）と第２の水素出力（ＨＯ２）との合計になる。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素製造プラント（ＨＰＰ）において水素を製造するための方法であって、前記水素製造プラント（ＨＰＰ）は、
能動ＤＣモジュール（Ｍａ）、及び前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）からの第１の電力を使用することによって第１の水素出力（ＨＯ１）を生成するように構成された少なくとも１つの第１のタイプの電解槽（Ｅ１）を備える第１の電解システム（ＥＳ１）と、
受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）、及び前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）からの第２の電力を使用することによって第２の水素出力（ＨＯ２）を生成するように構成された少なくとも１つの第２のタイプの電解槽（Ｅ２）を備える第２の電解システム（ＥＳ２）と、
を備え、
前記方法は、
ランプアップ段階において、前記第１の電解システム（ＥＳ１）の前記第１の水素出力（ＨＯ１）を増加させることと、
前記第１の電解システム（ＥＳ１）の前記第１の水素出力（ＨＯ１）が第１の既定の水素出力閾値（ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ１}）を越えたときに、
前記第２の電解システム（ＥＳ２）をスイッチオンすることと、
前記第１の電解システム（ＥＳ１）の前記第１の水素出力（ＨＯ１）を、前記第１の既定の水素出力閾値（ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ１}）から前記第２の水素出力（ＨＯ２）を引いたところまで減少させることと、
を行うステップを備え、
これにより、前記水素製造プラント（ＨＰＰ）の全体的な水素出力（ＨＯ_{ｔｏｔａｌ}）が、前記第１の水素出力（ＨＯ１）と前記第２の水素出力（ＨＯ２）との合計になる、方法。

【請求項2】

ランプダウン段階において、前記第１のタイプの電解槽（Ｅ１）の前記第１の水素出力（ＨＯ１）を減少させることと、
前記第１の電解システム（ＥＳ１）の前記第１の水素出力（ＨＯ１）が第２の既定の水素出力閾値（ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ２}）を越えたときに、
前記第２の電解システム（ＥＳ２）をスイッチオフすることと、
前記第１の電解システム（ＥＳ１）の前記第１の水素出力（ＨＯ１）を、前記第２の既定の水素出力閾値（ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ２}）に前記第２の水素出力（ＨＯ２）を足したところまで増加させることと、
を行うステップを更に備える、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第１の既定の水素出力閾値（ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ１}）は、前記第２の水素出力（ＨＯ２）以上であり、及び／又は、
前記第１の既定の水素出力閾値（ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ１}）から前記第２の水素出力（ＨＯ２）を引いたものは、第２の既定の水素出力閾値（ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ２}）以上である、
請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記水素製造プラント（ＨＰＰ）は、複数（Ｎ２個）の第２の電解システム（ＥＳ２）を備え、
これにより、前記水素製造プラント（ＨＰＰ）の前記全体的な水素出力（ＨＯ_{ｔｏｔａｌ}）が、前記第１の水素出力（ＨＯ１）に前記Ｎ２個の第２の最大水素出力（ＨＯ２_ｍａｘ）の合計を足した合計になる、
請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記水素製造プラント（ＨＰＰ）は、複数（Ｎ１個）の第１の電解システム（ＥＳ１）を備える、
請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記第１の既定の水素出力閾値（ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ１}）は、前記第２の水素出力（ＨＯ２）よりも高く、例えば１０％高く、２０％高く、３０％高く、５０％高く、７０％高く、１００％高く、１５０％高く、２００％高く、並びに／又は、
第２の既定の水素出力閾値（ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ２}）は、ゼロよりも高く、及び／若しくは前記第２の水素出力（ＨＯ２）よりも低い、
請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

前記第１のタイプの電解槽（Ｅ１）は、高分子電解質膜（ＰＥＭ）電解システムとして設計され、及び／又は、
前記第２のタイプの電解槽（Ｅ２）は、アルカリ水電解システムとして設計される、
請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項8】

前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）は、ゼロ電力若しくは最大電力（Ｐｐ_ｍａｘ）で動作されることができ、及び／又は、
前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）は、ゼロ電力、前記最大電力（Ｐｐ_ｍａｘ）、若しくは低電力（Ｐｐ_ｌｏｗ）で動作されることができ、及び／又は、
前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）は、特にタップ切換器によって、３つ以上の電力レベルで動作されることができ、
前記第２の水素出力（ＨＯ２）は、ゼロを除く上記電力レベルのうちのいずれか１つにおける前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）からの前記第２の電力を使用することによって生成されることができる、
請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

前記第１の水素出力（ＨＯ１）は、前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）からの前記第１の電力の関数、及び前記少なくとも１つの第１のタイプの電解槽（Ｅ１）の温度及び／若しくは圧力の関数であり、並びに／又は、
前記第２の水素出力（ＨＯ２）は、前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）からの前記第２の電力の関数、及び前記少なくとも１つの第２のタイプの電解槽（Ｅ２）の温度及び／若しくは圧力の関数である、
請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

前記第１の水素出力（ＨＯ１）は、前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）の劣化の関数であり、及び／又は、
前記第２の水素出力（ＨＯ２）は、前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）の劣化の関数である、
請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項11】

能動ＤＣモジュール（Ｍａ）、及び前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）からの第１の電力を使用することによって第１の水素出力（ＨＯ１）を生成するように構成された少なくとも１つの第１のタイプの電解槽（Ｅ１）を備える第１の電解システム（ＥＳ１）と、
受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）、及び前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）からの第２の電力を使用することによって第２の水素出力（ＨＯ２）を生成するように構成された少なくとも１つの第２のタイプの電解槽（Ｅ２）を備える第２の電解システム（ＥＳ２）と、ここにおいて、前記第２の水素出力の最大値（ＨＯ２_ｍａｘ）が、前記第１の水素出力の最大値（ＨＯ１_ｍａｘ）以下であり、
請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法にしたがって前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）及び前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）を制御するように構成された制御モジュールと、
を備える、水素製造プラント（ＨＰＰ）。

【請求項12】

前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）及び前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）を制御することは、前記水素製造プラント（ＨＰＰ）の要求された全体的な水素出力（ＨＯ_{ｔｏｔａｌ，ｒｅｑ}）に依存し、及び／又は、
前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）及び前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）を制御することは、前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）のための前記第１の電力と前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）のための前記第２の電力との合計を送達する電源からの利用可能な電力に依存する、
請求項１１に記載の水素製造プラント（ＨＰＰ）。

【請求項13】

前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）は、非制御整流器を備え、及び／又は前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）は、制御整流器を備える、請求項１１又は１２に記載の水素製造プラント（ＨＰＰ）。

【請求項14】

水素製造プラント（ＨＰＰ）の制御モジュール及び／又は別の処理ユニット上で走るプログラム要素であって、請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法を実行するためのプログラム要素。

【請求項15】

請求項１４に記載のプログラムが記憶されたコンピュータ可読記憶媒体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水素製造プラントの分野に関し、具体的には、２つの異なるタイプの電解システムを使用することによって水素製造プラントにおいて水素を製造するための方法に関する。本発明は更に、水素製造プラント、プログラム要素、及びコンピュータ可読記憶媒体に関する。

【背景技術】

【0002】

水素製造プラントは、水素を製造するように構成されている。少なくともいくつかの場合には、水素製造プラント（ＨＰＰ）は、例えば、Ｎｅｌ Ｈｙｄｒｏｇｅｎによる、いわゆる「スタック」を複数備える。製造中、「スタック」と、したがって「スタック」に電力を送達する整流器モジュールとは、例えば、製造要件及び／又はプラントの現在利用可能なエネルギーに依存して、ランプアップ及び／又はランプダウンされる必要がある。よって、この用途のために完全に制御可能な整流器モジュール（「能動」整流器）を使用することは理にかなっているが、能動整流器モジュールは非常に高価である場合がある。他方では、「受動」整流器モジュールを使用すると、コスト効率はよくなるが、それらの電力出力は非制御であり、製造プラントの望ましくない挙動につながる場合がある。

【発明の概要】

【0003】

本発明の目的は、水素製造プラントにおいて水素を製造するための方法を提供することである。本目的は、独立請求項の主題によって達成される。更なる実施形態が、従属請求項及び以下の説明から明らかである。

【0004】

１つの態様は、水素製造プラントにおいて水素を製造するための方法に関する。プラントは、能動ＤＣモジュール、及び能動ＤＣモジュールからの第１の電力を使用することによって第１の水素出力を生成するように構成された少なくとも１つの第１のタイプの電解槽を備える第１の電解システムと、受動ＤＣモジュール、及び受動ＤＣモジュールからの第２の電力を使用することによって第２の水素出力を生成するように構成された少なくとも１つの第２のタイプの電解槽を備える第２の電解システムと、を備える。本方法は、
ランプアップ段階において、第１の電解システムの第１の水素出力を増加させることと、
第１の電解システムの第１の水素出力が第１の既定の水素出力閾値を越えたときに、
第２の電解システムをスイッチオンすることと、
第１の電解システムの第１の水素出力を、第１の既定の水素出力閾値から第２の水素出力を引いたところまで減少させることと、を行うステップを備え、
これにより、水素製造プラントの全体的な水素出力が、第１の水素出力と第２の水素出力との合計になる。

【0005】

以下で詳述するように、第１の電解システム及び第２の電解システムは、いくつかの態様及び／又は特徴において異なる。第１の電解システム及び第２の電解システムは、同じタイプの電解槽を使用してよいが、少なくともいくつかの実施形態では、第１のタイプの電解槽は、第２のタイプの電解槽とは異なるタイプのものであってもよい。電解システムの各々は、１つ又は複数の電解槽を備え得る。第１のタイプの電解槽は、その電力をいわゆる能動ＤＣモジュールから得ることができ、第２のタイプの電解槽は、その電力をいわゆる受動ＤＣモジュールから得ることができる。受動ＤＣモジュールが、ダイオード、例えば、高性能ダイオードを使用し得る一方で、能動ＤＣモジュールは、制御可能な整流器を使用し得る。水素製造プラントの１つの実施形態が、１つのみの第１の電解システムといくつかの第２の電解システムを有し得るが、代替の実施形態は、異なる数の第１及び第２の電解システムを有してよく、例えば、１つのみの第１の電解システムと１つのみの第２の電解システム、又はいくつかの第１の電解システムといくつかの第２の電解システムなどである。

【0006】

いわゆる受動ＤＣモジュールは、ＡＣ入力を整流するためにダイオード、例えば高性能ダイオードを使用する整流器を備え得る。能動ＤＣモジュールは、ＡＣ入力を整流するためにＳＣＲ（シリコン制御整流器、又はサイリスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、及び／又は他のタイプの制御可能な整流器を使用し得る。したがって、能動ＤＣモジュールのコストは、例えば、より高価な（例えば、整流器用の）構成要素、及びＳＣＲを制御するための追加の労力が原因となって、より高くなり得る。そのため、２つのタイプの電解システムが使用される上記及び／又は下記に記載の方法は、水素製造プラントの全体的な水素出力を十分に制御可能にするが、その構成要素のコストを著しく削減することができる。

【0007】

プラントの電力送達システムは、１つ又は複数の電解槽スタック（例えば、図３のＥ１_１ａ及びＥ１_１ｂ）に各々が接続されたいくつかのＤＣモジュールを備える。少なくとも１つの能動ＤＣモジュール（Ｍａ）及び少なくとも１つの受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）が使用されて電力送達システムを形成する。プラントの全体的な水素製造量及び／又は全体的な電力消費量は、ＤＣモジュールに接続された電解槽の個々の水素出力の合計及び／又はすべてのＤＣモジュールによって消費されるすべての電力の合計のいずれかである。能動ＤＣモジュールは、その制御可能な整流器を介して制御され、したがってスイッチオン／オフもされることができるが、保護のためのスイッチギア（図３のＳｇ_１）が能動ＤＣモジュールの前で使用される。受動ＤＣモジュールのスイッチオン／オフは、スイッチギア（図３のＳｇ_２及びＳｇ_３）をオン／オフにすることによってのみ可能である。しかし、受動整流器のグリッド入力電圧を修正し、したがって受動ＤＣモジュールの電気入力電力の制御の制限を可能にするするために、追加のタップ切換器が使用される場合があり得る。

【0008】

電解システムは、その電力を、その指定された電力出力に依存して、例えば、典型的には約１ｋＶ～約５０ｋＶの電圧を有するいわゆる「中電圧グリッド」（ＭＶグリッド）から得ることができる。代替として、例えば、非常に大型の水素製造プラントのために、「高電圧グリッド」（ＨＶグリッド）が使用されてもよい。上記及び／又は下記に記載の方法が、１ｋＶ未満の電圧でも機能することに留意されたい。したがって、上記及び／又は下記に記載の方法の少なくともいくつかは、例えば、一相、三相、又は任意の他のＡＣ源を有する、広範囲のＡＣ源に適用され得る。

【0009】

水素製造プラントを稼働するとき、例えば、全体的な水素出力に対するより高い需要が原因となって、及び／又はプラントのより多くの現在利用可能なエネルギーが原因となって、水素製造をランプアップする必要がある場合がある。これは、特に、例えばソーラーパネル及び／又は風力発電機からエネルギーを得ることができる、いわゆる「グリーン水素製造プラント」の場合に当てはまり得る。そのため、「スタック」と、したがって「スタック」に電力を送達する整流器モジュールとをランプアップする必要がある。水素製造をランプダウンすること、及び／又は水素製造プラントをランプアップ及びランプダウンモードで稼働する必要がある場合もある。したがって、製造中、水素製造プラントは、一定段階、ランプアップ段階、又はランプダウン段階にあり得る。一定段階では、制御介入は必要なくてよい。一定段階中も、制御システムは、例えば、受動ＤＣモジュールによって供給される電力に影響を及ぼし得るグリッド電圧変動に対して、及び／又は、例えば、スタック内の温度又は他の変動値によって生じる水素出力変化に対して、依然として反応することができる。

【0010】

ランプアップ段階では、全体的な水素出力を増加させる必要がある。このために、第１の電解システムの第１の水素出力が、第１の既定の水素出力閾値まで増加される。第１の水素出力が第１の既定の水素出力閾値を越えると、第２の電解システムがスイッチオンされ得る。この移行段階において、全体的な水素出力を同じレベルに保つために、第１の電解システムの第１の水素出力は、第１の既定の水素出力閾値から第２の水素出力を引いたところまで減少される。これは、「第１の既定の水素出力閾値」及び「第２の水素出力」の定義に依存して、（少なくともこのレベルでは）第１の電解システムのゼロ水素出力を含み得る。少なくともいくつかの場合には、第２の電解システムは、例えば、ダイオードが制御可能ではないので、２つのレベルのみ、すなわち、ゼロ電力又は最大電力で動作され得る。少なくともいくつかの場合には、第２の電解システムは、第２のタイプの電解槽のための電力入力である受動ＤＣモジュールの第２の電力を変更し、したがって第２の水素出力を変更するように構成されたデバイス、例えば、タップ切換器を備え得る。

【0011】

（第１及び第２の）既定の水素出力閾値が、必ずしも固定閾値でなくてもよく、プラントの入力電力の電力レベル、モジュールの劣化、及び／又は更なる要因などのいくつかの影響要因に依存して変えられてもよいことに留意されたい。

【0012】

現実世界の電解システムでは、第２の電解システムのスイッチオン、及び／又は第１の電解システムの第１の水素出力の減少は、例えば、電解システムの内部時定数（又は「慣性」）によって生じ、しばらく、例えば、１分以上、５分以上、１０分以上かかる場合がある。水素製造プラントの制御モジュールにおいてこれらの時定数を考慮することは理にかなっていてよい。

【0013】

上記及び／又は下記に記載の方法は、能動ＤＣモジュール及び受動ＤＣモジュールの利点を組み合わせることができることが有利であり得る。一般に、受動整流器構成、すなわち、説明される整流器のダイオードベースの構成を有することの利点は、ダイオード整流器が、ＤＣ側及びＡＣ側の両方で作り出す高調波がかなり少なく、したがって、特定の電圧及び／又は電流品質を達成するために必要な高調波フィルタ及び／又は制御労力がより少なく済むことである。更に、受動整流器は、入力電圧を単に整流するだけであり、したがって半導体のためのドライバを必要としないので、制御ユニットを必要とせず、これは、平均故障間隔（ＭＴＢＦ）が高くなるとともに、構成要素の故障が少なくなり得る。更に、いくつかの構成要素、すなわち、制御システム、高調波フィルタ、半導体ドライバなどはあまり高価でないか、又は単に受動ＤＣモジュールには必要ないので、更なるコスト節約を達成することができる。更に、ほとんどの場合、受動構成要素のほうが安価である。他方では、能動ＤＣモジュールは、完全に制御可能であるが、更なる構成要素が必要になる場合があり、非常に高価である場合がある。したがって、上記及び／又は下記に記載の方法は、それらの利点の少なくともいくつかを組み合わせることができ、十分に制御可能かつコスト効率のよい水素製造プラントをもたらす。

【0014】

様々な実施形態では、本方法は、
ランプダウン段階において、第１の電解システムの第１の水素出力を減少させることと、
第１のタイプの電解槽の第１の水素出力が第２の既定の水素出力閾値を越えたときに、第２の電解システムをスイッチオフすることと、第１の電解システムの第１の水素出力を、第２の既定の水素出力閾値に第２の水素出力を足したところまで増加させることと、を行うステップを更に備える。

【0015】

ランプダウン段階は、ランプアップ段階と全く同様の方法で制御されてよく、したがって、水素製造の一貫した全体制御をもたらし、制御可能性及び／又はメンテナンスに対してプラスの効果がある。更に、ランプダウン段階を制御する同様の方法は、例えば、ヒステリシスを備える制御機構といった更なる可能性を広げることができる。

【0016】

様々な実施形態では、第１及び／又は第２の既定の水素出力閾値は、第２の水素出力以上である。これは、全体的なシステムのより良好な制御可能性に寄与し得る。

【0017】

様々な実施形態では、第１の既定の水素出力閾値は、第２の水素出力よりも高く、例えば、１０％高く、２０％高く、３０％高く、５０％高く、７０％高く、１００％高く、１５０％高く、２００％高く、及び／又は第２の既定の水素出力閾値は、ゼロよりも高く、及び／又は第２の水素出力よりも低い。

【0018】

様々な実施形態では、第１の既定の水素出力閾値から第２の電解槽出力を引いたものは、第２の既定の水素出力閾値以上である。この特徴により、ヒステリシスを備える制御が可能になる。これは、有利なことに、ある特定の点の周り、例えば、第１及び／又は第２の既定の水素出力閾値の周りで第２の電解システムを高速でスイッチオン及びオフすること（「振動」）の影響を低減又は更には防止することにつながり得る。第２の電解システムのスイッチオン及びオフは、少なくともいくつかの場合において、電解システムのいくつかの構成要素に対するストレスにつながり得るので、オン及びオフのスイッチングの回数を低減させることにより、システムの信頼性がより高くなり、及び／又はメンテナンス間隔がより長くなり得る。

【0019】

様々な実施形態では、水素製造プラントは、複数のＮ２個の第２の電解システムを備え、それにより、水素製造プラントの全体的な水素出力は、第１の水素出力にＮ２個の第２の最大水素出力の合計を足した合計となる。このようなシステムは更には、第１の電解システムがはるかに少なくて済む（例えば、１つのみ）のに対して、あまり高価でない第２の電解システムを複数使用できるので、非常にコスト効果が高くてよい。

【0020】

第２の電解システムは、異なる性能、動作範囲、効率、コスト、寿命、及び／又は異なる製造業者を有し得る。しかしながら、少なくともいくつかの実施形態では、Ｎ２個の第２の電解システム及び／又は第２のタイプの電解槽の各々は、本質的に同じ最大の第２の水素出力を有し得る。

【0021】

いくつかの実施形態では、水素製造プラントは、複数（Ｎ１個）の第１の電解システムを備える。これは、例えば、第１の電解システムの電力がより高くなることに寄与し得る。追加的に又は代替として、これは、第１の電解システムの冗長化概念、例えば、ウォーム冗長化概念を実施するために使用され得る。

【0022】

様々な実施形態では、第１のタイプの電解槽は、高分子電解質膜（ＰＥＭ）電解システムとして設計され、及び／又は第２のタイプの電解槽は、アルカリ水電解システムとして設計される。この選択は、第１又は第２の電解システムそれぞれの特性をサポートし得る。

【0023】

いくつかの実施形態では、受動ＤＣモジュールは、ゼロ電力又は最大電力で動作されることができる。これは、整流用のダイオードのみを使用し、受動ＤＣモジュールの入力電力を制御するための更なる構成要素を必要としないので、非常にコスト効果の高いＤＣモジュールであり得る。

【0024】

いくつかの実施形態では、受動ＤＣモジュールは、ゼロ電力、最大電力、若しくは低電力で動作されることができ、及び／又は受動ＤＣモジュールは、特にタップ切換器によって、３つ以上の電力レベルで動作されることができる。

【0025】

これは、整流用のダイオードを依然として使用することができる受動ＤＣモジュールにより高い程度の柔軟性を提供する。これらの実施形態のすべてにおいて、２つ、３つ、又は更にはそれ以上の電力レベルを有してもよく、第２の水素出力は、ゼロを除く上記電力レベルのうちのいずれか１つにおける受動ＤＣモジュールからの第２の電力を使用することによって生成され得る。

【0026】

様々な実施形態では、第１の水素出力は、能動ＤＣモジュールからの第１の電力の関数、並びに少なくとも１つの第１のタイプの電解槽の温度及び圧力の関数であり、及び／又は第２の水素出力は、受動ＤＣモジュールからの第２の電力の関数、並びに少なくとも１つの第２のタイプの電解槽の温度及び圧力の関数である。これらの依存性を考慮することにより、プラント、特に電解槽の制御が改善され得る。追加的に又は代替として、制御は、熱サイクル及び／又は冷却設定点のような影響因子を考慮することができ、これにより、電解槽及び／又は電解システムの劣化がより少なくなり得る。

【0027】

様々な実施形態では、第１の水素出力は、第１の電解システムの劣化の関数であり、及び／又は第２の水素出力は、第２の電解システムの劣化の関数である。これらの依存性を考慮することにより、プラント、特に電解槽の制御が改善され得る。

【0028】

一態様は、水素製造プラントに関し、
能動ＤＣモジュール、及び能動ＤＣモジュールからの第１の電力を使用することによって第１の水素出力を生成するように構成された少なくとも１つの第１のタイプの電解槽を備える第１の電解システムと、
受動ＤＣモジュール、及び受動ＤＣモジュールからの第２の電力を使用することによって第２の水素出力を生成するように構成された少なくとも１つの第２のタイプの電解槽を備える第２の電解システムと、ここにおいて、第２の水素出力の最大値が、第１の水素出力の最大値以下であり、
上記及び／又は下記に記載の方法にしたがって受動ＤＣモジュール及び能動ＤＣモジュールを制御するように構成された制御モジュールと、を備える。

【0029】

様々な実施形態では、受動ＤＣモジュール及び能動ＤＣモジュールを制御することは、水素製造プラントの要求された全体的な水素出力に依存し、及び／又は受動ＤＣモジュール及び能動ＤＣモジュールを制御することは、能動ＤＣモジュールのための第１の電力と受動ＤＣモジュールのための第２の電力との合計を送達する電源からの利用可能な電力に依存する。簡潔にいえば、制御は、出力要求によって、及び／又は入力要因によって駆動され得る。入力要因は、例えば、入力が、例えばエネルギー源（太陽光又は風力）によって引き起こされる長期又は中期範囲で、及び／又は短期範囲の主電源、例えば電力変動で変動し得ることを考慮に入れ得る。

【0030】

様々な実施形態では、受動ＤＣモジュールは、非制御整流器を備え、及び／又は能動ＤＣモジュールは、制御整流器を備える。非制御整流器は、ＡＣ入力を整流するために整流ダイオード、例えば、高性能ダイオードを使用し得る。能動ＤＣモジュールは、ＡＣ入力を整流するためにＳＣＲ（シリコン制御整流器、又はサイリスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、及び／又は他のタイプの制御可能な整流器を使用し得る。

【0031】

一態様は、命令を備えるコンピュータプログラム製品に関し、該命令は、プログラムが水素製造プラントの制御モジュールによって及び／又は別の処理ユニット上で実行されると、制御モジュール及び／又は処理ユニットに、上記及び／又は下記に記載の方法を実施させる。

【0032】

一態様は、上記に記載のコンピュータプログラム又はコンピュータプログラム製品が記憶されたコンピュータ可読記憶媒体に関する。

【0033】

更に説明するために、本発明について図に示す実施形態を用いて説明する。これらの実施形態は、限定するものではなく単に例としてみなすべきである。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】一実施形態に係る水素製造プラントの一例を概略的に示す。

【図2】一実施形態に係る水素製造プラントの別の例を概略的に示す。

【図3】一実施形態に係る水素製造プラントの別の例を概略的に示す。

【図4】一実施形態に係る１つの第１の電解システムと１つの第２の電解システムとの組合せを概略的に示す。

【図5】一実施形態に係る電解槽の挙動を概略的に示す。

【図6】一実施形態に係る受動ＤＣモジュールの一部を概略的に示す。

【図7】一実施形態に係る能動ＤＣモジュールの一部を概略的に示す。

【図8】一実施形態に係る水素製造プラントにおける、水素出力を制御する第１の電解システムと第２の電解システムの組合せを概略的に示す。

【図9】一実施形態に係るモジュールの全体的な水素出力を概略的に示す。

【図10】一実施形態に係る例示的な電解槽セルの温度依存性を概略的に示す。

【図11】一実施形態に係るフロー図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0035】

図１は、一実施形態に係る水素製造プラントＨＰＰの一例を概略的に示す。ＨＰＰは、制御モジュール又は自動化システム「自動化」によって制御される。制御モジュールの出力は、第１の水素出力ＨＯ１_１（例えば、図２参照）を生成するように構成された１つの第１のタイプの電解槽Ｅ１_１と、第２の水素出力ＨＯ２_２及びＨＯ２_３をそれぞれ生成するように各々が構成された２つの第２のタイプの電解槽Ｅ２_２及びＥ２_３とを含む。制御モジュールの出力は更に、例えば第２のタイプの電解槽Ｅ２_２及びＥ２_３の入力電力を変更するための、タップ切換器のための設定点を含む。制御モジュールの入力は、水素需要、「中電圧グリッド」（ＭＶグリッド）、電解槽の状態、及びタップ切換器の状態を備える。

【0036】

図２は、一実施形態に係る水素製造プラントＨＰＰの別の例を概略的に示す。制御モジュール又は自動化システム「自動化」は、１つの第１の電解システムＥＳ１_１と、２つの第２の電解システムＥＳ２_２及びＥＳ２_３とを制御する。第１の電解システムＥＳ１_１は、能動ＤＣモジュールＭａ_１と、能動ＤＣモジュールＭａ_１からの第１の電力を使用することによって第１の水素出力ＨＯ１_１を生成するように構成された１つの第１のタイプの電解槽Ｅ１_１とを備える。第２の電解システムＥＳ２_２及びＥＳ２_３の各々は、受動ＤＣモジュールＭｐ_２及びＭｐ_３と、受動ＤＣモジュールＭｐ_２及びＭｐ_３からの第２の電力をそれぞれ使用することによって第２の水素出力ＨＯ２、ここではＨＯ２_２及びＨＯ２_３を生成するように構成された、それぞれ１つの第２のタイプの電解槽Ｅ２_２及びＥ２_３とを備える。

【0037】

図３は、一実施形態に係る水素製造プラントＨＰＰの別の例を概略的に示す。ＭＶグリッドは、ＭＶスイッチギアを介して、ＨＰＰを稼働するための電力を送達する。ＭＶグリッドは、変圧器Ｔｒ_１～Ｔｒ_３（タップ切換器の有無にかかわらない）及びスイッチギアＳｇ_１～Ｓｇ_３に接続されている。スイッチギアＳｇ_１～Ｓｇ_３の各々は、電解システムＥＳ１_１～ＥＳ２_３に接続されている。第１の電解システムＥＳ１_１は、能動ＤＣモジュールＭａ_１と、２つの第１のタイプの電解槽Ｅ１_１ａ及びＥ１_１ｂとを備え、これら電解槽は、能動ＤＣモジュールＭａ_１からの第１の電力を使用することによって第１の水素出力ＨＯ１_１を（それらの水素出力の合計として）生成するように構成されている。第２の電解システムＥＳ２_２は、受動ＤＣモジュールＭｐ_２と、２つの第２のタイプの電解槽Ｅ２_２ａ及びＥ２_２ｂとを備え、これら電解槽は、受動ＤＣモジュールＭｐ_２からの第２の電力を使用することによって第２の水素出力ＨＯ２_２を（それらの水素出力の合計として）生成するように構成される。更なる第２の電解システムＥＳ２_３は、第２の電解システムＥＳ２_２と同様の構造を有する。プラント及びその構成要素は、全体的なプラント自動化又は制御システム「自動化」によって制御される。

【0038】

図４は、一実施形態に係る１つの第１の電解システムＥＳ１と１つの第２の電解システムＥＳ２との組合せを概略的に示す。第１の電解システムＥＳ１（例えば、図２又は図３のＥＳ１_１に相当し得る）は、第１の水素出力ＨＯ１を生成し、第２の電解システムＥＳ２（例えば、図２又は図３のＥＳ２_２又はＥＳ２_３に相当し得る）は、第２の水素出力ＨＯ２を生成する。これにより、水素製造プラントＨＰＰの全体的な水素出力ＨＯ_{ｔｏｔａｌ}が得られ、これは、第１の水素出力ＨＯ１と第２の水素出力ＨＯ２との合計である。

【0039】

ＨＯ_{ｔｏｔａｌ}のランプアップ段階は、ｔ_０からｔ_１まで続く。ｔ_１において、第１の既定の水素出力閾値ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ１}に達するか又は越えると、第２の電解システムＥＳ２がスイッチオンされる。また、ｔ_１において、第１の電解システムＥＳ１の第１の水素出力ＨＯ１は、第１の既定の水素出力閾値ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ１}から第２の水素出力ＨＯ２を引いたところまで減少する。その結果、ｔ_１における全体的な水素出力が、（本質的に）同じレベルに保たれる。図４では、単純にするために、スイッチオン及び減少は、短い瞬間として示されている。しかしながら、現実世界の電解システムでは、第２の電解システムのスイッチオン、及び／又は第１の電解システムの第１の水素出力の減少は、例えば、電解システムの内部時定数（又は「慣性」）によって生じ、しばらく、例えば、数分かかる場合がある。図４の第２の電解システムＥＳ２は、２つの電力レベル、すなわちゼロ電力及びＨＯ２_ｍａｘのみで動作するので、図４のＨＯ２はＨＯ２_ｍａｘに等しい。

【0040】

ｔ_１からｔ_２まで、全体的な水素出力ＨＯ_{ｔｏｔａｌ}は変化のないまま保たれる。ＨＯ_{ｔｏｔａｌ}のランプダウン段階は、ｔ_２からｔ_４まで続く。ｔ_３において、第１のタイプの電解槽Ｅ１の第１の水素出力ＨＯ１が第２の既定の水素出力閾値ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ２}を越えると、第２の電解システムＥＳ２はスイッチオフされる。また、ｔ_３において、第１の電解システムＥＳ１の第１の水素出力ＨＯ１は、第２の既定の水素出力閾値ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ２}に第２の水素出力ＨＯ２を足したところまで増加する。ここではＨＯ_{ｔｈｒｅｓ２}がゼロよりも大きいので、第１の水素出力ＨＯ１は、ｔ_３においてゼロに低減されない。

【0041】

水素出力送達システムの制御が、特にランプアップ及びランプダウンが閾値ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ１}及びＨＯ_{ｔｈｒｅｓ２}の一方の周りで行われるときに、受動ＤＣモジュールをスイッチオン及びオフする振動を引き起こすリスクを抱えることに留意されたい。このリスクは、ヒステリシス戦略によって低減され得る。図４では、ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ１}はＨＯ_{ｔｈｒｅｓ２}よりも高い。したがって、全体的な水素出力ＨＯ_{ｔｏｔａｌ}が閾値ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ１}及びＨＯ_{ｔｈｒｅｓ２}の一方の周りで振動するとき、スイッチオン及びオフは直ちに行われず、いくらかのヒステリシスを伴って行われる。

【0042】

図５は、一実施形態に係る水素製造プラントの挙動、すなわちヒステリシススイッチオーバーを概略的に示す。図５のｘ軸によって表される能動ＤＣモジュールの電力は、４つのゾーンを有する。接続された第１のタイプの電解槽にしたがって能動ＤＣモジュールが動作するべきでない「不感帯」ゾーンと、能動ＤＣモジュールが「ヒステリシスゾーン」に入る前に電位バッファとして作用するΔＰ_１ゾーンと、最後に、すべての受動ＤＣモジュールがアクティブ化されたときに作用し、能動ＤＣモジュールＭａ_１の電力制限に達する（電力制限アクティブ）まで続く最終バッファゾーンΔＰ_２とがある。「ヒステリシスゾーン」の内側では、スイッチ点Ｐ_{ｔｈｒｅｓ１}が、受動ＤＣモジュールのうちの一方、ここではＭｐ_２（図３参照）をオンにすることを定義しており、Ｍｐ_２の受動ＤＣモジュールの総電力和Ｐが得られる。受動ＤＣモジュールＭｐ_２をオンにしている又はスイッチオンしている間、能動ＤＣモジュールＭａ_１の電力は、矢印「Ｍｐ_２をオンにする」によって示される通りにＰ_{ｔｈｒｅｓ１}から低減され、受動ＤＣモジュールＭｐ_２及び能動ＤＣモジュールＭａ_１から来る電力の合計が、既定の全体的な設定点に従うようになる。この移行は、例えば、１０～１０００ｍｓ以内に起こり得る。全体的な電力が更に増加した場合、能動ＤＣモジュールは再びＰ_{ｔｈｒｅｓ１}を越え、Ｍｐ_２をオンにしたのと同様にＭｐ_３（図３参照）がオンにされることになる。

【0043】

反対方向では、Ｍｐ_２がオンにされた後、Ｍｐ_２がオフにされて能動ＤＣモジュール電力が矢印「Ｍｐ_２をオフにする」に沿って上昇する前に、能動ＤＣモジュールの電力は、Ｐ_{ｔｈｒｅｓ２}まで低下しなければならない。受動ＤＣモジュールのオン及びオフ間の高速振動を防止するために、ΔＰ_Ｈ差が設計されている。これは、幅Ｐ_{ｔｈｒｅｓ１}－Ｐ_{ｔｈｒｅｓ２}がＭｐ_２の電力よりも広く、ΔＰ_Ｈが、Ｐ_{ｔｈｒｅｓ１}－Ｐ_{ｔｈｒｅｓ２}－Ｍｐ_２の電力、に等しくなることを含意する。入力電力についてではなく同じ原理に従う水素出力についての、時間に関連する全体的なランプアップ及びランプダウンが図４に示されている。図４の一番上の図における第１の電解システムＥＳ１_１（Ｍａ_１によって電力供給される）が、第２の電解システムＥＳ２_２（Ｍｐ_２によって電力供給される）をオンにするため及びオフにするための２つの異なる決定点を有することが明確に分かる。

【0044】

図６は、一実施形態に係る受動ＤＣモジュールＭｐの一部を概略的に示す。モジュールＭｐは、一例として、３相ＭＶグリッド（「中電圧グリッド」）に接続されている。モジュールＭｐは、受動整流器、すなわちダイオードＤ１～Ｄ６からなるダイオード配列を備える。グリッド接続と、点で示す整流段との間に、追加の構成要素、例えば、受動整流のためのフィルタ装置、変圧器、及び／又はタップ切換器が配置され得る。右側の出力には、取り付けられた負荷、例えば電解槽スタックの必要事項に依存して、フィルタ要素があってもよい。

【0045】

図７は、一実施形態に係る能動ＤＣモジュールＭａの一部を概略的に示す。モジュールＭａは、一例として、３相ＭＶグリッド（「中電圧グリッド」）に接続されている。モジュールＭａは、能動整流器、すなわちＳＣＲ（シリコン制御整流器又はサイリスタ）Ｓ１～Ｓ６及び／又はＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）の配列を備える。ＳＣＲ Ｓ１～Ｓ６の各々は、制御ユニットに接続されたドライバによって駆動される。グリッド接続と整流段との間に、受動整流のためのフィルタ装置が配置され得る（図示せず）。右側の出力には、例えば、取り付けられた負荷、例えば電解槽スタックの要件に依存して、フィルタ要素があり得る。

【0046】

図８は、一実施形態に係る水素製造プラントにおける、水素出力を制御する受動ＤＣモジュールと能動ＤＣモジュールの組合せを概略的に示す。水素製造プラントは、４つの第２の電解システムＥＳ２_２～ＥＳ２_５と、１つの第１の電解システムＥＳ１_１とを備える。第１の電解システムＥＳ１_１（例えば、図３参照）は、その水素出力ＨＯ１_１を、ゼロと、点線で示され「ＨＯ１_ｍａｘ」とマークされている最大出力ＨＯ１_ｍａｘとの間で変化させ得る。第２の電解システムＥＳ２_２～ＥＳ２_５の水素出力ＨＯ２_２～ＨＯ２_５が、ゼロの値又はＨＯ２_ｍａｘの値のいずれかを有することが明確に分かる。ＨＯ２_ｍａｘは、破線で示されており、「ＨＯ２_ｍａｘ」とマークされている。個々の「ＨＯ２_ｍａｘ」値は、各々のモジュールで異なってもよい。追加的に又は代替として、第２の電解システムは、３つ以上の水素出力レベルを有する電解システムとして実装されてもよい。

【0047】

図９は、一実施形態に係る５つのモジュールの全体的な水素出力を概略的に示す。図９の水素製造プラント（図示しないが、図１～図３のＨＰＰと同様の構造を有する）は、第１の水素出力ＨＯ１_１を生成するように構成された１つの第１の電解システム（ＥＳ１_１）と、第２の水素出力ＨＯ２_２～ＨＯ２_５を生成するように構成された４つの第２の電解システム（ＥＳ２_２～ＥＳ２_５）とを含んでいる。よって、この水素製造プラントＨＰＰの全体的な水素出力ＨＯ_{ｔｏｔａｌ}は、第１の水素出力ＨＯ１_１と第２の水素出力ＨＯ２_２～ＨＯ２_５との合計である。

【0048】

包絡線ＨＯ_{ｔｏｔａｌ}は、ｔ_０からｔ_５の間のランプアップ段階と、ｔ_５からｔ_６の間の一定段階と、ｔ_６からｔ_９の間のランプダウン段階とを示している。第１の電解システム（ＥＳ１_１）の最大水素出力ＨＯ１_ｍａｘは、点線で示されている。水素出力ＨＯ２_２～ＨＯ２_５の各々は、ゼロ又はＨＯ２_ｍａｘのいずれかであり、図示の例では、第２の水素出力ＨＯ２_２～ＨＯ２_５の各々は同じである。いくつかの他の実施形態では、単一のベース負荷電力の値が、第２の水素出力及び／又は第２のタイプの電解槽の各々で異なってもよい。

【0049】

水素製造プラントのランプアップ段階中、第１の水素出力ＨＯ１_１は、その実際の動作点をゼロからゆっくりとその最大水素出力ＨＯ１_ｍａｘに常に変化させる。第１の電解システム（ＥＳ１_１）は、第２の電解システム（ＥＳ２_２～ＥＳ２_５）のうちの１つの少なくとも水素出力ＨＯ２_ｍａｘを送達することができなければならず、すなわち、ＨＯ１_ｍａｘは、ＨＯ２_ｍａｘ以上である必要がある。包絡線ＨＯ_{ｔｏｔａｌ}が、ｔ_１において、ＨＯ２_ｍａｘ出力値、すなわち第１の既定の水素出力閾値ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ１}に達するとすぐに、第２の電解システム（ＥＳ２_２）は、スイッチオンされ、よって、ｔ_１においてＨＯ２_ｍａｘに等しい水素出力ＨＯ２_２を生成する。また、ｔ_１において、第１の電解システム（ＥＳ１_１）の第１の水素出力ＨＯ１_１は、既定の水素出力閾値から第２の水素出力を引いたところ、すなわちＨＯ_{ｔｈｒｅｓ１}－ＨＯ２_２という出力値まで減少する。図示の場合では、ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ１}＝ＨＯ２_２であるので、水素出力ＨＯ２_２は、ｔ_１においてゼロに低減される。現実世界の電解システムでは、第２の電解システムのスイッチオン、及び／又は第１の電解システムの第１の水素出力の減少は、例えば、電解システムの内部時定数によって生じ、しばらく、例えば数分かかる場合があることに留意されたい。電子機器側では、例えば、パワーエレクトロニクスに基づく能動整流器の高速制御速度に起因して、はるかに速い反応速度が存在し得る。

【0050】

この手順は、ｔ_２、ｔ_３、及びｔ_４において繰り返され、よって、全体的な水素出力ＨＯ_{ｔｏｔａｌ}の線形の水素出力増加につながる。ＨＯ_{ｔｏｔａｌ}のランプアップは、ｔ_５まで継続し、ｔ_４からｔ_５の間では、ＨＯ１_１の出力増加によってのみ引き起こされる。ＨＯ_{ｔｏｔａｌ}の一定段階中、すなわちｔ_５からｔ_６の間では、能動及び受動ＤＣモジュールの制御ユニットによる変更が行われる必要はない。場合によっては、グリッドに由来する変動を補償し、受動電力供給（ここでは図示せず）に影響を及ぼすことを除く。

【0051】

ｔ_６から始まる水素製造プラントのランプダウン段階中、第１の電解システム（ＥＳ１_１）は、（この実施形態では）その水素出力ＨＯ１_１を、ｔ_７まで、この実施形態ではゼロであるＨＯ_{ｔｈｒｅｓ２}に減少させる。ｔ_７において、第２の既定の水素出力閾値ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ２}に達する。ｔ_７において、第２の電解システム（ＥＳ２_２）はスイッチオフされる。また、ｔ_７において、第１の電解システム（ＥＳ１_１）の第１の水素出力ＨＯ１_１は、第２の既定の水素出力閾値に第２の水素出力を足したところ、すなわちＨＯ_{ｔｈｒｅｓ２}＋ＨＯ２_２という出力値まで増加する。次いで、全体的な水素出力ＨＯ_{ｔｏｔａｌ}のランプダウンはｔ_９まで継続する。ｔ_８及びｔ_９において、ＨＯ２_３及びＨＯ２_４は、オフにされ、したがってそれらの水素出力をゼロに低減する。ｔ_９から、全体的な電力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}は一定に保たれ、全体的な水素出力ＨＯ_{ｔｏｔａｌ}はモジュールＥＳ１_１及びＥＳ２_２によって送達される。

【0052】

図１０は、一実施形態に係る例示的な電解槽セルの温度依存性を概略的に示す。ｘ軸は電解槽セルの電流Ｉを示し、ｙ軸はセルの電圧Ｕを示す。それらの依存性が、２つの温度_Ｔ１及び_Ｔ２について示されている。いわゆる「スタック」では、複数のこれらのセルを考慮する必要があり、セルは直列に接続され得る。能動整流器若しくは能動ＤＣモジュール、又は全体的な制御若しくは自動化方式は、受動ＤＣモジュールがスイッチオンされたときにどの電力レベルで開始するかを、ランプアップ時に滑らかな移行を確立することができるようにそれ自体の設定点を調整するために知る必要がある。設定点は例えば、温度、圧力、質量流量、及び／又は他のものについてのいくつかのパラメータに依存し得る。図１０には、一例として、セルに対する温度の影響が示されており、第２の電解システムが、例えばセル当たり１．７Ｖの固定外部電圧下で、経時的にどのように挙動し得るかが示されている。第２の電解システムは、電流Ｉ１、温度Ｔ１でスイッチオンされてよく、外部電圧は一定であり、電解槽スタックの温度は、例えば損失に起因して経時的に上昇してよく、より高い温度Ｔ２、すなわち最終及び／又は公称動作点に達し得る。スタックの温度は、外部制御システムによって制御されてよく、追加的に又は代替として、全体的なプラント自動化又は制御システムによって制御されてもよい。より高い温度Ｔ２によって引き起こされて、スタックに流れ込む電流は、電流Ｉ２に増加し、したがって電力を増加させ得る。この挙動を補償することは有利であり得る。これは、能動ＤＣモジュール及び受動ＤＣモジュールの電力の合計としての全体的な電力Ｐ_{ｔｏｔａｌ}が一定に保たれるように能動ＤＣモジュールを制御することによって、及び／又は更なる要因、例えば個々のスタックの熱サイクル、オン／オフ、冷却設定点の変更等を考慮に入れ得るオーバーレイ制御システムを制御することによって、達成することができる。これは、有利なことに、劣化の回避に寄与することができる。

【0053】

更に、スタック温度の定義された制御は、（例えば、受動整流器を使用した）第２の電解システムにおける水素の製造を制御するため、ひいてはグリッド電力消費も制御するために使用され得る。

【0054】

図１１は、一実施形態に係るフロー図１００を示す。フロー図１００は、水素製造プラントＨＰＰにおいて水素を製造するための方法を説明する。プラントは、能動ＤＣモジュールＭａ、及び能動ＤＣモジュールＭａからの第１の電力を使用することによって第１の水素出力ＨＯ１を生成するように構成された少なくとも１つの第１のタイプの電解槽Ｅ１を備える第１の電解システムＥＳ１と、受動ＤＣモジュールＭｐ、及び受動ＤＣモジュールＭｐからの第２の電力を使用することによって第２の水素出力ＨＯ２を生成するように構成された少なくとも１つの第２のタイプの電解槽Ｅ２を備える第２の電解システムＥＳ２と、を備える。本方法は、ステップ１０２において開始する。ステップ１０４において、ランプアップ段階を実施すべきか、ランプダウン段階を実施すべきかの選択が行われる。その他の場合、例えば一定段階の場合、更なる動作は行われなくてよい。

【0055】

ランプアップ段階は、ステップ１０６において開始し、能動ＤＣモジュールＭａの第１の水素出力が増加する。ステップ１０８は、能動ＤＣモジュールＭａの電力出力ランプアップが第１の既定の水素出力閾値ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ１}を越えるか（又はちょうど越えたところか）をチェックする。ｙｅｓの場合、第２の電解システムＥＳ２がスイッチオンされ（ステップ１１０）、第１の電解システムＥＳ１の第１の水素出力ＨＯ１は、第１の既定の水素出力閾値ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ１}から第２の水素出力ＨＯ２を引いたところまで減少する（ステップ１１２）。複数の第２の電解システムＥＳ２が水素製造プラント内にある場合（任意選択）には、ランプアップを継続させることができ、すなわち、これはステップ１１４においてチェックされ、再びステップ１０６に分岐する。そうでない場合、ランプアップ段階はステップ１１６において終了する。

【0056】

ランプダウン段階は、ステップ１１８において開始し、第１の電解システムＥＳ１の第１の電力出力が減少する。ステップ１２０は、（ステップ１１８における）ランプダウンが継続するか、又は既定の第２の水素閾値ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ２}を越えるか（又はちょうど越えたところか）をチェックする。ｙｅｓの場合、第２の電解システムＥＳ２はスイッチオフされ（ステップ１２２）、第１の電解システムＥＳ１の第１の水素出力ＨＯ１は、第２の既定の水素出力閾値ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ２}に第２の水素出力ＨＯ２を足したところまで増加する。複数の第２の電解システムＥＳ２が水素製造プラント内にある場合（任意選択）には、ランプダウンを継続させることができ、すなわち、これはステップ１２６においてチェックされ、再びステップ１１８に分岐する。そうでない場合、ランプダウン段階はステップ１２８において終了する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【手続補正書】

【提出日】2024-06-14

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素製造プラント（ＨＰＰ）において水素を製造するための方法であって、前記水素製造プラント（ＨＰＰ）は、
能動ＤＣモジュール（Ｍａ）、及び前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）からの第１の電力を使用することによって第１の水素出力（ＨＯ１）を生成するように構成された少なくとも１つの第１のタイプの電解槽（Ｅ１）を備える第１の電解システム（ＥＳ１）と、
受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）、及び前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）からの第２の電力を使用することによって第２の水素出力（ＨＯ２）を生成するように構成された少なくとも１つの第２のタイプの電解槽（Ｅ２）を備える第２の電解システム（ＥＳ２）と、
を備え、
前記方法は、
ランプアップ段階において、前記第１の電解システム（ＥＳ１）の前記第１の水素出力（ＨＯ１）を増加させることと、
前記第１の電解システム（ＥＳ１）の前記第１の水素出力（ＨＯ１）が第１の既定の水素出力閾値（ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ１}）を越えたときに、
前記第２の電解システム（ＥＳ２）をスイッチオンすることと、
前記第１の電解システム（ＥＳ１）の前記第１の水素出力（ＨＯ１）を、前記第１の既定の水素出力閾値（ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ１}）から前記第２の水素出力（ＨＯ２）を引いたところまで減少させることと、
を行うステップを備え、
これにより、前記水素製造プラント（ＨＰＰ）の全体的な水素出力（ＨＯ_{ｔｏｔａｌ}）が、前記第１の水素出力（ＨＯ１）と前記第２の水素出力（ＨＯ２）との合計になる、方法。

【請求項2】

ランプダウン段階において、前記第１のタイプの電解槽（Ｅ１）の前記第１の水素出力（ＨＯ１）を減少させることと、
前記第１の電解システム（ＥＳ１）の前記第１の水素出力（ＨＯ１）が第２の既定の水素出力閾値（ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ２}）を越えたときに、
前記第２の電解システム（ＥＳ２）をスイッチオフすることと、
前記第１の電解システム（ＥＳ１）の前記第１の水素出力（ＨＯ１）を、前記第２の既定の水素出力閾値（ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ２}）に前記第２の水素出力（ＨＯ２）を足したところまで増加させることと、
を行うステップを更に備える、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第１の既定の水素出力閾値（ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ１}）は、前記第２の水素出力（ＨＯ２）以上であり、及び／又は、
前記第１の既定の水素出力閾値（ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ１}）から前記第２の水素出力（ＨＯ２）を引いたものは、第２の既定の水素出力閾値（ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ２}）以上である、
請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記水素製造プラント（ＨＰＰ）は、複数（Ｎ２個）の第２の電解システム（ＥＳ２）を備え、
これにより、前記水素製造プラント（ＨＰＰ）の前記全体的な水素出力（ＨＯ_{ｔｏｔａｌ}）が、前記第１の水素出力（ＨＯ１）に前記Ｎ２個の第２の最大水素出力（ＨＯ２_ｍａｘ）の合計を足した合計になる、
請求項１又は２に記載の方法。

【請求項5】

前記水素製造プラント（ＨＰＰ）は、複数（Ｎ１個）の第１の電解システム（ＥＳ１）を備える、
請求項１又は２に記載の方法。

【請求項6】

前記第１の既定の水素出力閾値（ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ１}）は、前記第２の水素出力（ＨＯ２）よりも高く、例えば１０％高く、２０％高く、３０％高く、５０％高く、７０％高く、１００％高く、１５０％高く、２００％高く、並びに／又は、
第２の既定の水素出力閾値（ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ２}）は、ゼロよりも高く、及び／若しくは前記第２の水素出力（ＨＯ２）よりも低い、
請求項１又は２に記載の方法。

【請求項7】

前記第１のタイプの電解槽（Ｅ１）は、高分子電解質膜（ＰＥＭ）電解システムとして設計され、及び／又は、
前記第２のタイプの電解槽（Ｅ２）は、アルカリ水電解システムとして設計される、
請求項１又は２に記載の方法。

【請求項8】

前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）は、ゼロ電力若しくは最大電力（Ｐｐ_ｍａｘ）で動作されることができ、及び／又は、
前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）は、ゼロ電力、前記最大電力（Ｐｐ_ｍａｘ）、若しくは低電力（Ｐｐ_ｌｏｗ）で動作されることができ、及び／又は、
前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）は、特にタップ切換器によって、３つ以上の電力レベルで動作されることができ、
前記第２の水素出力（ＨＯ２）は、ゼロを除く上記電力レベルのうちのいずれか１つにおける前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）からの前記第２の電力を使用することによって生成されることができる、
請求項１又は２に記載の方法。

【請求項9】

前記第１の水素出力（ＨＯ１）は、前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）からの前記第１の電力の関数、及び前記少なくとも１つの第１のタイプの電解槽（Ｅ１）の温度及び／若しくは圧力の関数であり、並びに／又は、
前記第２の水素出力（ＨＯ２）は、前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）からの前記第２の電力の関数、及び前記少なくとも１つの第２のタイプの電解槽（Ｅ２）の温度及び／若しくは圧力の関数である、
請求項１又は２に記載の方法。

【請求項10】

前記第１の水素出力（ＨＯ１）は、前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）の劣化の関数であり、及び／又は、
前記第２の水素出力（ＨＯ２）は、前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）の劣化の関数である、
請求項１又は２に記載の方法。

【請求項11】

能動ＤＣモジュール（Ｍａ）、及び前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）からの第１の電力を使用することによって第１の水素出力（ＨＯ１）を生成するように構成された少なくとも１つの第１のタイプの電解槽（Ｅ１）を備える第１の電解システム（ＥＳ１）と、
受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）、及び前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）からの第２の電力を使用することによって第２の水素出力（ＨＯ２）を生成するように構成された少なくとも１つの第２のタイプの電解槽（Ｅ２）を備える第２の電解システム（ＥＳ２）と、ここにおいて、前記第２の水素出力の最大値（ＨＯ２_ｍａｘ）が、前記第１の水素出力の最大値（ＨＯ１_ｍａｘ）以下であり、
請求項１に記載の方法にしたがって前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）及び前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）を制御するように構成された制御モジュールと、
を備える、水素製造プラント（ＨＰＰ）。

【請求項12】

前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）及び前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）を制御することは、前記水素製造プラント（ＨＰＰ）の要求された全体的な水素出力（ＨＯ_{ｔｏｔａｌ，ｒｅｑ}）に依存し、及び／又は、
前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）及び前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）を制御することは、前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）のための前記第１の電力と前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）のための前記第２の電力との合計を送達する電源からの利用可能な電力に依存する、
請求項１１に記載の水素製造プラント（ＨＰＰ）。

【請求項13】

前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）は、非制御整流器を備え、及び／又は前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）は、制御整流器を備える、請求項１１又は１２に記載の水素製造プラント（ＨＰＰ）。

【請求項14】

水素製造プラント（ＨＰＰ）の制御モジュール及び／又は別の処理ユニット上で走るプログラム要素であって、請求項１又は２に記載の方法を実行するためのプログラム要素。

【請求項15】

請求項１４に記載のプログラムが記憶されたコンピュータ可読記憶媒体。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５６

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0056】

ランプダウン段階は、ステップ１１８において開始し、第１の電解システムＥＳ１の第１の電力出力が減少する。ステップ１２０は、（ステップ１１８における）ランプダウンが継続するか、又は既定の第２の水素閾値ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ２}を越えるか（又はちょうど越えたところか）をチェックする。ｙｅｓの場合、第２の電解システムＥＳ２はスイッチオフされ（ステップ１２２）、第１の電解システムＥＳ１の第１の水素出力ＨＯ１は、第２の既定の水素出力閾値ＨＯ_{ｔｈｒｅｓ２}に第２の水素出力ＨＯ２を足したところまで増加する。複数の第２の電解システムＥＳ２が水素製造プラント内にある場合（任意選択）には、ランプダウンを継続させることができ、すなわち、これはステップ１２６においてチェックされ、再びステップ１１８に分岐する。そうでない場合、ランプダウン段階はステップ１２８において終了する。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
［１］ 水素製造プラント（ＨＰＰ）において水素を製造するための方法であって、前記水素製造プラント（ＨＰＰ）は、
能動ＤＣモジュール（Ｍａ）、及び前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）からの第１の電力を使用することによって第１の水素出力（ＨＯ１）を生成するように構成された少なくとも１つの第１のタイプの電解槽（Ｅ１）を備える第１の電解システム（ＥＳ１）と、
受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）、及び前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）からの第２の電力を使用することによって第２の水素出力（ＨＯ２）を生成するように構成された少なくとも１つの第２のタイプの電解槽（Ｅ２）を備える第２の電解システム（ＥＳ２）と、
を備え、
前記方法は、
ランプアップ段階において、前記第１の電解システム（ＥＳ１）の前記第１の水素出力（ＨＯ１）を増加させることと、
前記第１の電解システム（ＥＳ１）の前記第１の水素出力（ＨＯ１）が第１の既定の水素出力閾値（ＨＯ _{ｔｈｒｅｓ１} ）を越えたときに、
前記第２の電解システム（ＥＳ２）をスイッチオンすることと、
前記第１の電解システム（ＥＳ１）の前記第１の水素出力（ＨＯ１）を、前記第１の既定の水素出力閾値（ＨＯ _{ｔｈｒｅｓ１} ）から前記第２の水素出力（ＨＯ２）を引いたところまで減少させることと、
を行うステップを備え、
これにより、前記水素製造プラント（ＨＰＰ）の全体的な水素出力（ＨＯ _{ｔｏｔａｌ} ）が、前記第１の水素出力（ＨＯ１）と前記第２の水素出力（ＨＯ２）との合計になる、方法。
［２］ ランプダウン段階において、前記第１のタイプの電解槽（Ｅ１）の前記第１の水素出力（ＨＯ１）を減少させることと、
前記第１の電解システム（ＥＳ１）の前記第１の水素出力（ＨＯ１）が第２の既定の水素出力閾値（ＨＯ _{ｔｈｒｅｓ２} ）を越えたときに、
前記第２の電解システム（ＥＳ２）をスイッチオフすることと、
前記第１の電解システム（ＥＳ１）の前記第１の水素出力（ＨＯ１）を、前記第２の既定の水素出力閾値（ＨＯ _{ｔｈｒｅｓ２} ）に前記第２の水素出力（ＨＯ２）を足したところまで増加させることと、
を行うステップを更に備える、［１］に記載の方法。
［３］ 前記第１の既定の水素出力閾値（ＨＯ _{ｔｈｒｅｓ１} ）は、前記第２の水素出力（ＨＯ２）以上であり、及び／又は、
前記第１の既定の水素出力閾値（ＨＯ _{ｔｈｒｅｓ１} ）から前記第２の水素出力（ＨＯ２）を引いたものは、第２の既定の水素出力閾値（ＨＯ _{ｔｈｒｅｓ２} ）以上である、
［１］又は［２］に記載の方法。
［４］ 前記水素製造プラント（ＨＰＰ）は、複数（Ｎ２個）の第２の電解システム（ＥＳ２）を備え、
これにより、前記水素製造プラント（ＨＰＰ）の前記全体的な水素出力（ＨＯ _{ｔｏｔａｌ} ）が、前記第１の水素出力（ＨＯ１）に前記Ｎ２個の第２の最大水素出力（ＨＯ２ _ｍａｘ ）の合計を足した合計になる、
［１］～［３］のいずれか一項に記載の方法。
［５］ 前記水素製造プラント（ＨＰＰ）は、複数（Ｎ１個）の第１の電解システム（ＥＳ１）を備える、
［１］～［４］のいずれか一項に記載の方法。
［６］ 前記第１の既定の水素出力閾値（ＨＯ _{ｔｈｒｅｓ１} ）は、前記第２の水素出力（ＨＯ２）よりも高く、例えば１０％高く、２０％高く、３０％高く、５０％高く、７０％高く、１００％高く、１５０％高く、２００％高く、並びに／又は、
第２の既定の水素出力閾値（ＨＯ _{ｔｈｒｅｓ２} ）は、ゼロよりも高く、及び／若しくは前記第２の水素出力（ＨＯ２）よりも低い、
［１］～［５］のいずれか一項に記載の方法。
［７］ 前記第１のタイプの電解槽（Ｅ１）は、高分子電解質膜（ＰＥＭ）電解システムとして設計され、及び／又は、
前記第２のタイプの電解槽（Ｅ２）は、アルカリ水電解システムとして設計される、
［１］～［６］のいずれか一項に記載の方法。
［８］ 前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）は、ゼロ電力若しくは最大電力（Ｐｐ _ｍａｘ ）で動作されることができ、及び／又は、
前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）は、ゼロ電力、前記最大電力（Ｐｐ _ｍａｘ ）、若しくは低電力（Ｐｐ _ｌｏｗ ）で動作されることができ、及び／又は、
前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）は、特にタップ切換器によって、３つ以上の電力レベルで動作されることができ、
前記第２の水素出力（ＨＯ２）は、ゼロを除く上記電力レベルのうちのいずれか１つにおける前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）からの前記第２の電力を使用することによって生成されることができる、
［１］～［７］のいずれか一項に記載の方法。
［９］ 前記第１の水素出力（ＨＯ１）は、前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）からの前記第１の電力の関数、及び前記少なくとも１つの第１のタイプの電解槽（Ｅ１）の温度及び／若しくは圧力の関数であり、並びに／又は、
前記第２の水素出力（ＨＯ２）は、前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）からの前記第２の電力の関数、及び前記少なくとも１つの第２のタイプの電解槽（Ｅ２）の温度及び／若しくは圧力の関数である、
［１］～［８］のいずれか一項に記載の方法。
［１０］ 前記第１の水素出力（ＨＯ１）は、前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）の劣化の関数であり、及び／又は、
前記第２の水素出力（ＨＯ２）は、前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）の劣化の関数である、
［１］～［９］のいずれか一項に記載の方法。
［１１］ 能動ＤＣモジュール（Ｍａ）、及び前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）からの第１の電力を使用することによって第１の水素出力（ＨＯ１）を生成するように構成された少なくとも１つの第１のタイプの電解槽（Ｅ１）を備える第１の電解システム（ＥＳ１）と、
受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）、及び前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）からの第２の電力を使用することによって第２の水素出力（ＨＯ２）を生成するように構成された少なくとも１つの第２のタイプの電解槽（Ｅ２）を備える第２の電解システム（ＥＳ２）と、ここにおいて、前記第２の水素出力の最大値（ＨＯ２ _ｍａｘ ）が、前記第１の水素出力の最大値（ＨＯ１ _ｍａｘ ）以下であり、
［１］～［１０］のいずれか一項に記載の方法にしたがって前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）及び前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）を制御するように構成された制御モジュールと、
を備える、水素製造プラント（ＨＰＰ）。
［１２］ 前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）及び前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）を制御することは、前記水素製造プラント（ＨＰＰ）の要求された全体的な水素出力（ＨＯ _{ｔｏｔａｌ，ｒｅｑ} ）に依存し、及び／又は、
前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）及び前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）を制御することは、前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）のための前記第１の電力と前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）のための前記第２の電力との合計を送達する電源からの利用可能な電力に依存する、
［１１］に記載の水素製造プラント（ＨＰＰ）。
［１３］ 前記受動ＤＣモジュール（Ｍｐ）は、非制御整流器を備え、及び／又は前記能動ＤＣモジュール（Ｍａ）は、制御整流器を備える、［１１］又は［１２］に記載の水素製造プラント（ＨＰＰ）。
［１４］ 水素製造プラント（ＨＰＰ）の制御モジュール及び／又は別の処理ユニット上で走るプログラム要素であって、［１］～［１０］のいずれか一項に記載の方法を実行するためのプログラム要素。
［１５］ ［１４］に記載のプログラムが記憶されたコンピュータ可読記憶媒体。

【国際調査報告】