特表 2025-500210 モジュール式電気化学システム

(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】2025-01-09

(54)【発明の名称】モジュール式電気化学システム

(51)【国際特許分類】

   C01B 3/02 20060101AFI20241226BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20241226BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20241226BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20241226BHJP

   H01M 8/0656 20160101ALI20241226BHJP

【ＦＩ】

C01B3/02 H

C25B1/04

C25B9/00 A

H01M8/04 Z

H01M8/0656

H01M8/04 J

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024535621

(86)(22)【出願日】2022-12-22

(85)【翻訳文提出日】2024-07-16

(86)【国際出願番号】 EP2022087506

(87)【国際公開番号】W WO2023118451

(87)【国際公開日】2023-06-29

(31)【優先権主張番号】2118852.9

(32)【優先日】2021-12-22

(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】321003751

【氏名又は名称】エナプター エス．アール．エル．

(74)【代理人】

【識別番号】100141173

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 啓一

(72)【発明者】

【氏名】ブッシュ ソーベン

(72)【発明者】

【氏名】ラウドン カイ

(72)【発明者】

【氏名】シュミット ヤンユストゥス

(72)【発明者】

【氏名】アイゼンロール ホルガー

(72)【発明者】

【氏名】クロメツカ トーマス

【テーマコード（参考）】

4K021

5H127

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021BA02

4K021CA01

4K021CA05

4K021CA15

4K021DC11

5H127AB13

5H127AB14

5H127AB16

5H127AB17

5H127BA02

5H127BA14

5H127BA57

5H127BB02

5H127EE25

(57)【要約】

【課題】
【解決手段】
モジュール式電気化学システムであって、前記システムは、１つ以上の電気化学ブレードと、１つ以上のバランスオブプラント（ＢＯＰ）ブレードと、を備えて、各電気化学ブレードは、少なくとも１つの電気化学スタックを備えて、各ＢＯＰブレードは、少なくとも１つの電気化学スタック用に少なくとも１つのＢＯＰ設備を備えて、１つ複数の電気化学ブレードのそれぞれは、ＢＯＰブレードのいずれか１つ以上に対応して、その逆も同様であり、各電気化学ブレードおよび／または各ＢＯＰブレードは、フレーム構造を備えて、前記フレーム構造は、１つ以上の対応するブレードとの接続を可能にするように適合された少なくとも１つのポートを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

モジュール式電気化学システムであって、前記モジュール式電気化学システムは、
・１つ以上の電気化学ブレードであって、前記電気化学ブレードのそれぞれは、少なくとも１つ以上の電気化学スタックを備える、１つ以上の前記電気化学ブレードと、
・１つ以上のバランスオブプラント（ＢＯＰ）ブレードであって、前記ＢＯＰブレードのそれぞれは、少なくとも１つの前記電気化学スタック用に少なくとも１つのＢＯＰ設備を備える、１つ以上の前記ＢＯＰブレードと、
を有してなり、
・１つまたは複数の前記電気化学ブレードのそれぞれは、前記ＢＯＰブレードのいずれか１つ以上に対応して、その逆も同様であり、
・前記電気化学ブレードのそれぞれおよび／または前記ＢＯＰブレードのそれぞれは、フレーム構造を備えて、前記フレーム構造は、１つ以上の対応するブレードとの接続を可能にするように適合された少なくとも１つのポートを備える、
ことを特徴とするモジュール式電気化学システム。

【請求項2】

前記電気化学ブレードまたは前記電気化学ブレードのそれぞれの中の１つまたは複数の前記電気化学スタックは、好ましくはＡＥＭ電解装置である電解装置、燃料電池、浄化装置、および／または圧縮機、のうちのいずれか１つ以上である、
請求項１記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項3】

前記電気化学スタックは、実質的に乾燥したカソードで動作するＡＥＭ電解装置である、
請求項２記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項4】

ブレード内の前記電気化学スタックは、電気的におよび／または流体的に並列接続する、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項5】

ブレード内の前記電気化学スタックは、電気的におよび／または流体的に直列接続する、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項6】

前記フレーム構造は、
筐体、
を備える、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項7】

前記筐体は、耐候性である、
請求項６記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項8】

少なくとも１つの前記ポートは、
１つまたは複数の前記電気化学ブレード内の各スタックと少なくとも１つの前記ＢＯＰ設備内の各スタックとの間の接続を提供する入口および／または出口、好ましくは単一の入口および／または出口、
を備える、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項9】

前記ＢＯＰブレードまたは前記ＢＯＰブレードのそれぞれは、複数の前記電気化学ブレードに対して単一のＢＯＰ設備を提供する、
請求項１乃至８のいずれか一項に記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項10】

前記電気化学ブレードは、同じタイプの群で配置されて、
好ましくは、群内の前記電気化学ブレードのそれぞれは、電気的におよび／または流体的に直列または並列接続する、
請求項１乃至９のいずれか一項に記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項11】

前記電気化学ブレードのそれぞれは、
２つ以上の電気化学スタック、
を備える、
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項12】

前記電気化学ブレードのそれぞれは、前記電気化学ブレードからの必要な出力の少なくとも１／１００を構成する、
請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項13】

前記ＢＯＰブレード設備は、
・電源
・水および／もしくは電解質タンク
・生成物／副生物処理（水素／酸素処理）
・廃熱利用
・電解質再生手段
・生成物貯蔵庫
・通気
・センサ
・フロートラッカ、および／または
・安全構成要素、
のうちのいずれか１つ以上を備える、
請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項14】

前記電力は、ＡＣ、ＤＣ、パルス、または逆パルスでもよい、
請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項15】

前記電気化学スタックは、２５℃より高いが１００℃未満に保持される、
請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項16】

電気化学ブレードとＢＯＰブレードとの流体的接続および／または電気的接続のために少なくとも１つのマニホールド、
を有してなる、
請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項17】

少なくとも１つの前記マニホールドは、１つもしくは複数の前記電気化学ブレードおよび／または１つもしくは複数のＢＯＰブレードの間で流体および／または電力を分配するように配置されて、
好ましくは、前記分配は、１つもしくは複数の前記電気化学ブレードおよび／または１つもしくは複数の前記ＢＯＰブレードのいずれかの利用可能な能力に基づく、
請求項１６記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項18】

前記マニホールドのうちの１つは、１つまたは複数の前記ＢＯＰブレードの下流と、１つまたは複数の前記電気化学ブレードの上流と、に配置されて、１つまたは複数の前記ＢＯＰブレードから流体を回収して、１つまたは複数の前記電気化学ブレード間で前記回収された流体を分配するように構成されて、および／または
前記マニホールドのうちの１つは、１つまたは複数の前記電気化学ブレードの下流と、１つまたは複数の前記ＢＯＰブレードの上流と、に配置されて、１つまたは複数の前記電気化学ブレードから流体を回収して、１つまたは複数の前記ＢＯＰブレード間で前記回収された流体を分配するように構成される、
請求項１６または１７記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項19】

１つ以上のセンサに接続された演算手段は、操作されるブレードの選択と、利用可能な電力の配分と、のために設けられる、
請求項１乃至１８のいずれか一項に記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項20】

構成要素をホットスワップするために、ブレードの電気的隔離および／または流体的隔離のための手段が設けられる、
請求項１乃至１９のいずれか一項に記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項21】

前記ブレードは、複数のステージで配置されて、
前記ステージのそれぞれは、
異なるタイプの少なくとも１つの電気化学ブレードと、
前記電気化学ブレードのタイプに対応する少なくとも１つのＢＯＰ設備を有する少なくとも１つのＢＯＰブレードと、
を備える、
請求項１乃至２０のいずれか一項に記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項22】

前記モジュール式電気化学システムは、
少なくとも１つの電解装置ブレードと、１つまたは複数の前記電解装置ブレードに対応する少なくとも１つのＢＯＰ設備を有する少なくとも１つのＢＯＰブレードと、を備える電解装置ステージと、
少なくとも１つの圧縮機ブレードと、１つまたは複数の前記圧縮機ブレードに対応する少なくとも１つのＢＯＰ設備を有する少なくとも１つのＢＯＰブレードと、を備える圧縮機ステージと、
を有してなり、
前記モジュール式電気化学システムは、
少なくとも１つの燃料電池ブレードと、１つまたは複数の前記燃料電池ブレードに対応する少なくとも１つのＢＯＰ設備を有する少なくとも１つのＢＯＰブレードと、を備える燃料電池ステージ、
も場合により有してなる、
請求項２１記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項23】

前記ステージのそれぞれにおける前記電気化学ブレードは、流体的におよび／または電気的に並列で接続されて、
前記ステージは、流体的におよび／または電気的に直列で接続される、
請求項２１または２２記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項24】

請求項１乃至２３のいずれか一項に記載のモジュール式電気化学システムを操作する方法であって、前記方法は、
・１つ以上の電気化学ブレードを提供するステップであって、前記電気化学ブレードのそれぞれは、少なくとも１つ以上の電気化学スタックを備える、１つ以上の前記電気化学ブレードを提供するステップと、
・１つ以上のＢＯＰブレードを提供するステップであって、前記ＢＯＰブレードのそれぞれは、少なくとも１つの電気化学スタック用の少なくとも１つのＢＯＰ設備を備えて、
・１つまたは複数の前記電気化学ブレードのそれぞれは、前記ＢＯＰブレードのいずれか１つに連通可能に対応して、その逆も同様であり、
・前記電気化学ブレードのそれぞれおよび／または前記ＢＯＰブレードのそれぞれは、フレーム構造を備えて、前記フレーム構造は、１つ以上の対応するブレードとの連通を可能にするように適合された少なくとも１つのポートを備える、１つ以上の前記ＢＯＰブレードを提供するステップと、
・前記電気化学ブレードのそれぞれと前記ＢＯＰブレードのそれぞれとの制御用の演算手段を提供するステップと、
を有してなる、
ことを特徴とするモジュール式電気化学システムを操作する方法。

【請求項25】

請求項１乃至２４のいずれか一項に記載のモジュール式電気化学システムを操作する方法であって、
演算手段は、ユーザにより所定の閾値まで調整可能である、
モジュール式電気化学システムを操作する方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電解装置と必要なバランスオブプラント（ＢＯＰ：balance of plant）とを含むが、必ずしもこれに限定されない、モジュール式電気化学システムを提供する改善された手段と方法とに関する。

【背景技術】

【0002】

電気化学は、電気現象と化学現象との間の関連性に関する化学の一部門である。１８００年代初期の最初の近代電池の出現に始まり、後の数十年間に亘り、開発がなされてきた。本文書は、特に、群として集合的にスタックを形成する電気化学セルと、それを駆動させるＢＯＰと、に関係する。

【0003】

水素は、エネルギー貯蔵から肥料の製造までにおよぶ多数の用途を有する。水素は、多くの供給源に由来し得る。これらの供給源の一部、例えば、化石燃料は、明白な理由により望ましくない。したがって、信頼性が高く、かつ持続可能な方法で水素を生成できることが必要である。電気化学は、環境に配慮した代替案を提供する。

【0004】

電解装置は、水を分解することによる水素と酸素との発生に使用されるデバイスである。例えば、バッテリと対照的なエネルギー貯蔵の手段として水素を使用して、余剰の再生可能エネルギーでこのようなデバイスに電力供給することが可能である。電解装置は、一般的に、現在利用可能な３つの主要技術、すなわち、アニオン交換膜（ＡＥＭ：anion exchange membrane）と、プロトン交換膜（ＰＥＭ：proton exchange membrane）と、液体アルカリシステムと、のうちの１つに属する。液体アルカリシステムは、最も確立された技術であり、ＰＥＭは、ある程度確立されている。ＡＥＭ電解装置は、比較的新しい技術である。固体酸化物電解などの他の技術は、利用可能である。

【0005】

ＡＥＭ電解装置とＰＥＭ電解装置とは、水素の発生のために、一方のハーフセルから他方のハーフセルへのイオンの移動に依拠する。ＡＥＭシステムは、水酸化物イオンＯＨ^－の移動に依拠する一方、ＰＥＭシステムは、水素イオンＨ^＋の移動に依拠する。

【0006】

他の電気化学デバイスとしては、燃料電池、電気化学圧縮機、または電気化学浄化デバイスが挙げられる。これらのそれぞれは、単独で使用され得るが、同じ一つの水素ソリューションの一部を形成することが見出され得る。

【0007】

現在、必要とされる目的に合わせて、単一の電気化学スタックをサイズ設定することが通例である。しかしながら、このような行為に対する一般的な欠点は、各スタック、特に、このようなサイズのスタックについて必要とされる活性化エネルギーが、利用可能な電力が少ない場合にスタックが動作しないことを意味するということである。その結果、利用可能なエネルギーは、充分に利用されず、電力変動に対応する能力は、低減される。現在、特有のスタックの要件に基づき、スタックのための特注のＢＯＰを提供することも、通例である。これは、複数のスタックが使用されている場合に厄介であり、異なるスタックのＢＯＰ要件は、異なる可能性が高いため、追加の設計上の検討事項がプロジェクトごとに考慮されなければならない場合が多くなることを意味する。

【0008】

本発明の目的は、電解装置と必要なバランスオブプラント（ＢＯＰ）とを含むが、必ずしもこれに限定されない、モジュール式電気化学システムを提供する改善された手段と方法とを提供することである。

【発明の概要】

【0009】

本発明の態様と実施形態とは、添付の特許請求の範囲に述べられる。本発明のこれらの態様および実施形態と、他の態様および実施形態と、も本明細書に記載される。

【0010】

本発明によれば、モジュール式電気化学システムが提供されて、同システムは、
・１つ以上の電気化学ブレードであって、各電気化学ブレードは、少なくとも１つ以上の電気化学スタックを備える、１つ以上の電気化学ブレードと、
・１つ以上のバランスオブプラント（ＢＯＰ）ブレードであって、各ＢＯＰブレードは、少なくとも１つの電気化学スタック用に少なくとも１つのＢＯＰ設備を備える、１つ以上のバランスオブプラント（ＢＯＰ）ブレードと、
を備えて、
〇１つまたは複数の電気化学ブレードそれぞれは、ＢＯＰブレードのいずれか１つ以上に対応して、その逆も同様であり、
・各電気化学ブレードおよび／または各ＢＯＰブレードは、フレーム構造を備えて、前記フレーム構造は、１つ以上の対応するブレードとの接続を可能にするように適合されたポートを備える。

【0011】

本明細書で使用される「電気化学スタック」という用語は、好ましくは、電解装置、燃料電池、または圧縮機を含むが、これに限定されない、電気化学セルのいかなるスタック、または単一の電気化学セルを含むことを意図する。好ましい実施形態において、電解装置、特にＡＥＭ電解装置は、電気化学スタックである。

【0012】

本明細書で使用される「フレーム構造」という用語は、好ましくは、複数の構成要素をグループ化する骨組（barebones frame）から、実質的に固体の壁と床と屋根とを有する耐候性筐体までの、任意のものを含む空間構成、より好ましくは、空間構成を提供する物理的フレームまたは筐体を指すことを意図する。

【0013】

本明細書で使用される「電気化学」という用語は、好ましくは水素を指す。しかしながら、本発明は、水素の電気化学に限定されることを意図せず、同一の手段が他のタイプの電気化学スタックに設けられてもよい。

【0014】

本明細書で使用される「ブレード」と「列」という用語は、電気化学セル、スタック、またはモジュールのグループ化を意味するために交換可能に使用されてもよく、「モジュール」は、スタックを備える（好ましくは、含有する）ブレード／列の中の筐体である。

【0015】

本明細書で使用される、システムの構造を議論する際の「電解装置」という用語の使用は、他のタイプの電気化学スタックの使用が適切であり得るならば、他のタイプの電気化学スタックを排除することを意図しない。

【0016】

本明細書で使用される「バランスオブプラント（ＢＯＰ）」という用語は、好ましくは、システムの電気化学プロセスを支援する電気化学システムの補助的な構成要素を指すために使用される。例えば、電気化学システムが水素を生成する電解装置である場合、バランスオブプラントは、水素を生成する構成要素そのもの以外の、水素の生成を促進して支援する補助的な構成要素である。例示的なＢＯＰ構成要素は、以下に列挙される。

【0017】

任意の電気化学セルまたは電気化学セルのスタックは、本発明に従って使用され得ることが想定される。しかしながら、好ましい実施形態において、電気化学セルは、電解装置、燃料電池、電気化学浄化装置、または電気化学圧縮機、のうちの少なくとも１つである。好ましくは、電解装置を使用する実施形態において、前記電解装置は、ＡＥＭ電解装置である。より好ましくは、ＡＥＭ電解装置は、実質的に乾燥したカソードで動作しており、電解質がカソードハーフセルに供給されないことを意味する。

【0018】

電気化学スタックまたはモジュールは、各ブレード内ならびにブレード群の中のブレードに亘って、流体的におよび／または電気的に、直列または並列で接続され得ることが想定される。群は、一般的に、同じタイプの電気化学モジュールを備える。

【0019】

好ましい実施形態において、フレーム構造は、ブレードタイプそれぞれのための筐体である。フレーム構造は、構成要素のグループ化において（すなわち、特有の空間構成において）、単に空間的でもよく、文字どおりの（すなわち、物理的な）フレーム構造でもよく、またはより実質的な筐体でもよい。好ましくは、フレーム構造は、プラグアンドプレイ（plug and play）構造を可能にする簡素化されたインタフェースを提供する。換言すれば、入口と出口とは、１つにまとめられたポートを有してもよい。例として、ブレード内の各スタック用の接続や、単一の廃棄ラインなどと異なる、ブレード用の単一の電源ポート。本発明は、コネクタタイプにより制限されることを意図しない。筐体は、耐候性でもよい。

【0020】

フレーム構造は、スタックの列が横並びで配置されること、または垂直に積み重ねられることを可能にし得ることが想定される。配向にかかわらず、換気および／もしくはアクセスのために充分な空間配置が可能になること、またはブレード内の構成要素の取外しを可能にするための手段が提供されることが想定される。

【0021】

ＢｏＰブレードは、異なる構成要素を含有するが、電気化学ブレードは、通常、複数の同じスタックを備える。ＢｏＰブレードが垂直に積み重ねられた配置では、最も重い構成要素は、一般的に、底部のより下方に配置される。横並びの変形体では、優先的に配置されるブレードはない。

【0022】

フレーム構造にかかわらず、流体、例えば、電解質と処理気体と発生気体との導入または除去用のマニホールド接続は、電気化学ブレード内の各構成要素に設けられて、中央マニホールドは、電気化学ブレードとＢｏＰブレードとの間に設けられる。

【0023】

各電気化学スタックは、１つ以上の電気化学セルを備えることが想定される。例として、ＡＥＭ電解装置セルを使用すると、各セルは、少なくとも、アノード触媒と、膜電極接合体（ＭＥＡ：membrane electrode assembly）と、カソード触媒と、を備えて、アノード触媒とカソード触媒とは、ＭＥＡにより分離されて、それぞれ、アノードハーフセルとカソードハーフセルとを形成する。

【0024】

ＭＥＡは、少なくとも１つの膜を備えるが、追加的に、カソードガス拡散層（ＧＤＬ：gas diffusion layer）と、カソードマイクロポーラス層（ＭＰＬ：microporous layer）と、アノードＧＤＬと、アノードＭＰＬと、のうちのいずれか１つ以上を含んでもよい。

【0025】

スタックは、単一のセルのみを備えてもよいが、好ましくは、２から１００までの範囲内の複数のセルが存在する。より好ましくは１０から５０まで、より好ましくは１５から３０までの範囲である。セルは、直列接続または並列接続してもよい。

【0026】

各電気化学ブレードは、単一のスタックを備え得ることが想定されるが、好ましい実施形態では、各ブレード内に２つ以上のスタックが存在する。好ましくは、２と５０との間のスタックが存在する。より好ましくは３から２０までのスタック、より好ましくは５と１５との間のスタック。他の実施形態では、５０を超えるスタックなどのより大きなブレードが使用され得ることが想定される。

【0027】

ブレード内のスタックの数に関する代替的尺度は、システム全体でのブレードあたりの電力消費の比である。各ブレードは、前記電力を提供するために１つ以上のスタックを備える。例えば、システムが１ＭＷの総電力消費の電解装置を使用して構築されて、比が１０：１（ブレード：システム）であり、電解装置がそれぞれ１０ｋＷ消費する場合、ブレードがそれぞれ１０のスタック（例えば、電解装置）を有する、１０のブレードが存在して、各ブレードは、１００ｋＷの電力消費を有する。代替的に、比は、１：１と１００：１との間、またはより好ましくは１０：１と５０：１との間、より好ましくは２５：１と４５：１との間でもよい。

【0028】

単一システム内に、様々な電気化学的機能を有するブレードが存在し得ることが想定される。例えば、１つ以上の電解装置ブレードと、１つ以上の電気化学圧縮機ブレードと、１つ以上の燃料電池ブレードと、が存在し得る。各タイプの電気化学ブレードは、対応するＢＯＰブレードタイプを有する。圧縮機ブレードは、直列または並列で動作してもよい。

【0029】

電気化学ブレードと対応するＢＯＰとを備えるシステムは、発生した生成物用の１つ以上の貯蔵タンクおよびまたはバッファタンクを備えてもよい。

【0030】

厳密なＢＯＰ構造と要件とは、電気化学スタックの性質に応じて変動し得る。例として、電解装置を基にしたシステムの要件が、本明細書で議論される。スタックの性質にかかわらず、１つのＢＯＰブレードは、少なくとも１つの電気化学ブレードに必要なＢＯＰを有することが好ましい。

【0031】

本発明の実施形態において、ＢＯＰブレードは、以下の設備のいずれか１つ以上を備えてもよい。
・電源
・水および／または電解質タンク
・生成物／副生物処理（水素／酸素処理）
・廃熱利用
・冷却装置
・電解質再生手段
・生成物貯蔵庫
・通気
・センサ
・フロートラッカ
・安全構成要素
・制御システム
・アミン／他の廃棄物トラップ

【0032】

電源は、任意の適切な供給源からの任意の適切な電力であり得るが、好ましくは再生可能であり得ることが想定される。電力は、ＡＣ、ＤＣ、パルス、または逆パルスでもよい。

【0033】

水タンクは、電気化学ブレードに再循環される電解質を脱気して貯蔵するために使用され得ることが想定される。

【0034】

好ましい実施形態において、電解質は、ＫＯＨであるが、電気化学デバイスの性質に応じて、代替物が使用されてもよい。ＫＯＨを使用する前記の好ましい実施形態において、電気化学ブレードからＢＯＰブレードまでの電解質の温度は、２５℃より高いが１００℃未満であり、より好ましくは５５℃と６５℃との間である。ＢＯＰブレードから電気化学スタックまでの電解質は、５５℃と６０℃との間であることが想定される。

【0035】

生成物／副生物処理は、乾燥、圧縮、および／または浄化を含み得ることが想定される。いくつかの実施形態において、追加のブレードタイプは、これらの機能の１つ以上を提供してもよい。したがって、１つのシステムは、完全な解決策を提供するために、２つ以上の電気化学ブレードのタイプを備えてもよい。

【0036】

好ましい実施形態において、ＢＯＰブレードは、熱交換器の手段として、温度調節にも使用され得る廃熱利用機能を備える。廃熱は、システム内またはシステムの外部で、他の構成要素を予熱するために使用されてもよい。

【0037】

電解質を利用する実施形態は、前記電解質の再生の手段を備えてもよい。

【0038】

各ＢＯＰブレードは、金属水素化物などの生成物を貯蔵する手段、または水素の例では、圧縮コンテナを備えてもよい。

【0039】

充分な通気／換気と、温度と圧力との調節手段と、他のこのような構成要素と、などの安全手段も、提供されてもよい。センサは、前記安全手段と、温度、圧力、導電率（電解質用）、ｐＨ（同じく電解質用）のセンサと、を制御するために使用されてもよい。

【0040】

各電気化学ブレードは、対応するＢＯＰブレードを有し得ることが想定されるが、マニホールドと同等の電力とが、電気化学ブレードとＢＯＰブレードとの間に提供され得ることも想定されて、それにより１つのＢＯＰブレードのメンテナンスの場合に、対応する電気化学ブレードは、余剰にならず、別のＢＯＰブレードにより使用可能にされ得る。電気化学デバイス運転の最大利用を確実にするために設けられるバックアップＢＯＰブレードも、存在してもよい。

【0041】

デバイスを制御する目的で、有線または無線の演算手段が、電力を配分して、どのブレードが利用されるべきかを判定するために設けられる。追加の演算手段は、ブレード内のスタックの電力消費を変動させるために設けられてもよい。

【0042】

機能を最大にするために、好ましい実施形態は、システムがブレード内の電気化学構成要素のホットスワップを可能にするように適合されることが想定される。各ブレードは、列の電気的な隔離と流体的な隔離とを可能にする手段、例えば、バルブと、電源を制御する１つまたは複数のスイッチと、を備える。隔離されると、隔離された列内の１つ以上のスタックは、交換され得る。これは、停止時間（down time）の必要性を低減して、さらに、システムの電力利用を改善する。出力値などの予想される性能特性を満たさないスタックまたはブレードは、演算手段により、隔離されるように適合されてもよく、メンテナンスが必要とされていることを示すプロンプトが送信されることがさらに想定される。代替的に、各ブレードそのものは、修理、メンテナンス、または交換のために隔離されてもよい。

【0043】

ホットスワップとインストールと一般的メンテナンスとを促進するために、ブレードのタイプにかかわらず、各ブレードは、構成要素が搭載され得る、引き出され得る、および作用され得るラック、ローリングトレイ、またはローリングシェルフなどの、アクセスを容易にする手段または機構を備える。

【0044】

本発明の実施形態において、いくつかのＢＯＰブレードは、同じタイプの電気化学ブレードに対して異なってもよい。例えば、電解質再生ブレードは、単一のＢＯＰブレード内にある単一の電解装置ブレードの電解質再生設備の代わりに、複数の電解装置ブレードを使用可能にするために設けられてもよい。ＢｏＰは、例えば、２つ以上の部品に分けられて存在してもよい。第１部品は、１つの場所に配置されて、１つ以上の電気化学ブレードと連結されてもよく、第２部品は、第２の別の場所などに存在してもよい。ＢｏＰ全体を構成するこれらの２つ以上のＢｏＰブレードは、電気化学デバイスまたは電気化学ブレードの作業を促進するために必要とされる。ある例において、電源ユニットと制御システムとは、電気化学ブレードと連結されて、第２ＢｏＰブレードは、電解質タンク、ポンプ、水素処理、および／または貯蔵能力を有する１つ以上の電気化学ブレード用に存在する。

【0045】

本発明の実施形態において、電気化学ブレードと、全てまたは一部のＢｏＰブレードとは、同じフレーム構造を共有して、全てまたは一部のＢｏＰは、同じフレーム構造により収容される。

【0046】

圧縮ブレードは、圧力を２０００バールより高く、または１０バールと２０００バールとの間に、より好ましくは５０バールと１５００バールとの間に、より好ましくは１００バールと１０００バールとの間に、さらにより好ましくは３００バールと８００バールとの間に上昇させてもよい。圧縮ブレード内のスタックは、並列または直列でもよく、圧縮ブレードそのものも、並列または直列でもよい。

【0047】

本発明によれば、モジュール式電気化学システムを操作する方法が提供されて、前記方法は、
・１つ以上の電気化学ブレードを提供することであって、各電気化学ブレードは、少なくとも１つ以上の電気化学スタックを備える、１つ以上の電気化学ブレードを提供することと、
・１つ以上のＢＯＰブレードを提供することであって、各ＢＯＰブレードは、少なくとも１つの電気化学スタック用のＢＯＰを収容して、
〇電気化学ブレードまたは複数の電気化学ブレードそれぞれは、ＢＯＰブレードのいずれか１つに連通可能に接続されて、その逆も同様である、１つ以上のＢＯＰブレードを提供することと、
・各ブレードは、フレーム構造を備えて、前記フレーム構造は、１つ以上の対応するブレードとの連通可能な接続用に適合された接続ポートを備えて、
・各電気化学ブレードと各ＢＯＰブレードとの制御用の演算手段を提供することと、
を含む。

【0048】

前述のとおりの好ましい実施形態も、本方法に適用される。演算手段と、特にセンサとは、モジュール式電気化学システムの制御と操作とに使用される。前記演算手段は、好ましくはユーザが操作の所定の閾値を設定し得るように適合される。

【0049】

本明細書に記載された任意の装置の特徴は、方法の特徴としても提供されてもよく、その逆も同様であり得る。本明細書で使用されるミーンズプラスファンクションの特徴は、代替的に、適切にプログラミングされたプロセッサと、関連のメモリと、などの対応する構造の観点から表現されてもよい。

【0050】

本発明の一態様における任意の特徴は、任意の適切な組合せで本発明の他の態様に適用されてもよい。特に、方法の態様は、装置の態様に適用されてもよく、その逆も同様である。さらに、一態様における任意の、一部および／または全ての特徴は、任意の適切な組合せで、任意の他の態様における任意の、一部および／または全ての特徴に適用され得る。本発明の任意の態様に記載されて定義された様々な特徴の特有の組合せが、独立して実行および／または供給および／または使用され得ることは、認識されなければならない。

【0051】

本発明は、本明細書に記載された方法の特徴のいずれかを実行するコンピュータプログラムもしくはコンピュータプログラム製品、および／または本明細書に記載された装置の特徴のいずれかを具象化するコンピュータプログラムもしくはコンピュータプログラム製品と、本明細書に記載された方法のいずれかを実行するプログラムおよび／または本明細書に記載された装置の特徴のいずれかを具象化するプログラムを格納したコンピュータ可読媒体と、も提供する。

【図面の簡単な説明】

【0052】

ここで、本発明の理解を助けるために、本発明の特定の実施形態は、添付図面を参照して例示として記載される。

【0053】

【図1】図１は、単一のＢＯＰブレードと連結された単一の電解装置ブレードの概略図である。

【図2】図２は、対応するＢＯＰブレードに連結された複数の電解装置ブレードの概略図である。

【図3】図３は、マニホールドを有する対応するＢＯＰブレードに連結された複数の電解装置ブレードの概略図である。

【図4】図４は、対応するＢＯＰブレードを有する複数のタイプの電気化学ブレードを備える水素システムの概略図である。

【図5A】図５Ａは、ＢＯＰブレードとＡＥＭブレードとの概要を示す。

【図5B】図５Ｂは、ＢＯＰブレードとＡＥＭブレードとの概要を示す。

【図6】図６は、本発明に係るブレードの概略図を示す。

【図7】図７は、部分的ＢｏＰブレードを有する電気化学ブレードを示す。

【図8】図８は、図７の個々の電気化学ブレードを示す。

【図9】図９は、図７と図８との５つの電気化学ブレードの群を示す。

【図10A】図１０Ａは、コンテナ内に配置された電気化学ブレードの群を示す。

【図10B】図１０Ｂは、コンテナ内に配置された電気化学ブレードの群を示す。

【発明を実施するための形態】

【0054】

図１を参照すると、電解装置ブレード２とＢＯＰブレード３０とによる一対のブレード１が、図示される。ＢＯＰブレード３０への発生水素の連通のための配管４がある。ＢＯＰからの出口７は、使用または貯蔵に向けた処理の後に水素を取り込む。電解質ループ５は、電解質が電解装置ブレード２からＢＯＰブレード３０まで移動して電解装置ブレード２に戻ることを示す。ＢＯＰブレード３０の可能性のある構成要素である前記電解質の再生の手段は、図示されていない。別の破線は、ＢＯＰから電解装置ブレード２までの電源６を表す。

【0055】

同図または他の図には、電解装置ブレードとＢＯＰブレードとの間の電力と流体との流れを制御する、演算手段、センサ配置、またはバルブは、図示されていない。廃棄生成物の排出と処分とも、図示されていない。

【0056】

図２は、複数の電解装置ブレード２ａ，２ｂ，２ｃと、対応するＢＯＰブレード３０ａ，３０ｂ，３０ｃと、の概略図を示す。電源６ａ，６ｂ，６ｃと、水素ライン４ａ，４ｂ，４ｃと、電解装置ループ５ａ，５ｂ，５ｃと、も図２に図示される。ＢＯＰ出口７ａ，７ｂ，７ｃは、場合により、次のステージに向けての生成物（例えば、処理水素）の連通のためのマニホールド７０によりまとめられる。

【0057】

図３は、図２と類似しているが、水素マニホールド４０が追加されている。水素マニホールド４０の存在は、いずれか１つの電解装置ブレードにより生成された水素がＢＯＰブレード３０ａ，３０ｂ，３０ｃのいずれか１つにより処理され得て、これにより、ＢＯＰブレード間で処理負荷を分配させることと、ＢＯＰ設備の使用の効率を向上させることと、を意味する。電解装置ブレードへの電力と電解質との分配における機能を実行する電力「マニホールド」と共有の電解質再生とは、図示されていない。

【0058】

図４は、３組の電気化学ブレードのタイプを備える水素システムを表す。システムの順序に沿って、これまでの図と同様である電解装置ブレード２に続いて、圧縮機ブレード８ａ，８ｂ，８ｃそれぞれの入口７１ａ，７１ｂ，７１ｃに供給する水素出口７０がある。圧縮機ブレード８ａ，８ｂ，８ｃそれぞれは、共有の電源でＢＯＰブレード３１ａ，３１ｂ，３１ｃに接続されて、圧縮機ブレード８ａ，８ｂ，８ｃのいずれかが、ＢＯＰブレード３１ａ，３１ｂ，３１ｃに電力供給され得ること、または他の方法で接続され得ることを意味する。

【0059】

第１ステージからの水素は、次いで、圧縮機ブレード８ａ，８ｂ，８ｃにより、場合により圧縮されて浄化される。ステージ２で図示されるのは、共有電源６０ａであり（すなわち、ステージ１で図示されない電力「マニホールド」）、圧縮機ブレード８ａ，８ｂ，８ｃは、ＢＯＰブレード３１ａ，３１ｂ，３１ｃのいずれか１つにより電力供給され得ることを意味する。圧縮機ブレードからの出口１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、貯蔵容器１１への水素ライン１００に結合される。貯蔵容器は、例えば、そのままの状態で産業において使用される、または燃料補給に使用される水素の出口１４を有する。代替的に、出口１２は、水素から電気を発生させる最終ステージの燃料電池ブレード９ａ，９ｂ，９ｃにおいて、水素の使用を可能にさせる。周囲空気／酸素１３ａ，１３ｂ，１３ｃの追加の入口は、電気発生での使用のためにそれぞれ燃料電池ブレードに設けられる。

【0060】

これまでのステージと同様に、共有のライン６０ｂは、発生した電気を、ＢＯＰブレード３２ａ，３２ｂ，３２ｃのいずれかから燃料電池ブレード９ａ，９ｂ，９ｃに方向づけさせる。ＢＯＰブレード３２ａ，３２ｂ，３２ｃは、燃料電池のために、必要に応じて電力調節手段、インバータなどを備える。発生した電気は、ライン１５ａ，１５ｂ，１５ｃによりＢＯＰを離れて、必要に応じて使用のためにライン１５０の中に統合される。

【0061】

第１ステージにおいて、水素は、水の電解を介して発生して、生成された水素は、次いで、第２ステージにおいて、電気化学圧縮機ブレードにより圧縮されて浄化される。発生した水素は、次いで、貯蔵庫／バッファの後に燃料電池に向かってもよく、または産業プロセスにおいて使用されてもよく、もしくは燃料補給に使用されてもよい。

【0062】

ＢＯＰブレードへの電源は、図示されていないが、前述の通り、これは、再生可能であることが好ましい。

【0063】

図５Ａと図５Ｂとを参照すると、２つのブレードの概要が、特定の特徴のリストと共に示される。電気化学フレーム（ＡＥＭフレーム）は、複数のＡＥＭ電解装置スタックを収容して、ＢＯＰブレードは、電解質タンクとポンプとセンサと、電源ユニット（ＰＳＵ：power supply unit）と、制御手段と、乾燥器と、電解の生成物の純度を確保する手段と、流速を測定する手段と、熱交換器と、を備える。

【0064】

図５Ａと図５Ｂとにおいて、電気化学ブレードとＢＯＰブレードとの間の直接連通が設けられているが、前述のとおり、中央マニホールドが設けられてもよい。

【0065】

図６は、本発明に係るブレード１の概略図を示す。電力とデータとの共有の接続１６を有する複数の電気化学モジュール２があり、マニホールド５ａは、電解質をブレード内の各スタック２に供給して、別のマニホールド５ｂは、電解質をＢｏＰブレードに移動させる。発生した水素４ａの出口は、水素排出口４ｂと共に設けられる。電解質と水素とのマニホールドは、図示されていないＢｏＰブレードに接続される。

【0066】

図７は、電気化学ブレード２００のレンダリングを示す。この電気化学ブレードは、電源ユニットとデータスイッチ２０１とを伴う。中央電解質マニホールド２０４は、システム全体の各電気化学ブレードにブレード固有のマニホールド２０３を供給して、各スタック２０７に電解質を供給する。電解質戻りライン（electrolyte return line）２０２は、電解質を電気化学ブレードからＢｏＰブレード（不図示）に戻す。各スタックにより発生した水素は、水素マニホールド２０５を介してＢｏＰブレードに移動して、バルブ２０６を通って中央水素マニホールドに移動する。

【0067】

図８は、フレーム２１０内の図７の電気化学ブレード２００を示して、電気化学ブレード２００は、最上部に電源ユニットと制御システムとである部分的ＢｏＰブレード２２０を有する。マニホールドとさらなるＢｏＰブレードとは、図示されていない。

【0068】

図９は、それぞれがフレーム２１０を有する、図８に図示された電気化学ブレード２００の５つの群を示す。中央マニホールドは、電解質の供給および戻しと、発生水素の除去と、のために設けられる。

【0069】

図１０Ａと図１０Ｂとは、この例では輸送コンテナであるコンテナ２３０内のブレード２００の様々な図を示す。

【0070】

前述の本発明は、単に例示であり、詳細の修正が本発明の範囲で行われ得ることは、理解されよう。特に、本発明は、前述のとおりの実施形態の詳細に制限されることを意図しない。例えば、任意の数のステージにおける任意の数のブレードが、存在し得る。各ブレードは、同じ数または異なる数の電気化学モジュール／スタックを備えてもよい。ＢＯＰブレードは全て、システムの要件に対応するために同一でもよく、または異なってもよい。本明細書と（適切ならば）特許請求の範囲と図面とに開示された各特徴は、独立して、または任意の適切な組合せで、提供されてもよい。特許請求の範囲に記載される参照数字は、例示に過ぎず、特許請求の範囲への限定効果を有さない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【手続補正書】

【提出日】2024-07-16

【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】

モジュール式電気化学システムであって、前記モジュール式電気化学システムは、
・１つ以上の電気化学ブレードであって、前記電気化学ブレードのそれぞれは、少なくとも１つ以上の電気化学スタックを備える、１つ以上の前記電気化学ブレードと、
・１つ以上のバランスオブプラント（ＢＯＰ）ブレードであって、前記ＢＯＰブレードのそれぞれは、少なくとも１つの前記電気化学スタック用に少なくとも１つのＢＯＰ設備を備える、１つ以上の前記ＢＯＰブレードと、
を有してなり、
・１つまたは複数の前記電気化学ブレードのそれぞれは、前記ＢＯＰブレードのいずれか１つ以上に対応して、その逆も同様であり、
・前記電気化学ブレードのそれぞれおよび／または前記ＢＯＰブレードのそれぞれは、フレーム構造を備えて、前記フレーム構造は、１つ以上の対応するブレードとの接続を可能にするように適合された少なくとも１つのポートを備える、
ことを特徴とするモジュール式電気化学システム。

【請求項2】

前記電気化学ブレードまたは前記電気化学ブレードのそれぞれの中の１つまたは複数の前記電気化学スタックは、好ましくはＡＥＭ電解装置である電解装置、燃料電池、浄化装置、および／または圧縮機、のうちのいずれか１つ以上である、
請求項１記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項3】

前記電気化学スタックは、実質的に乾燥したカソードで動作するＡＥＭ電解装置である、
請求項２記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項4】

ブレード内の前記電気化学スタックは、電気的におよび／または流体的に並列接続する、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項5】

ブレード内の前記電気化学スタックは、電気的におよび／または流体的に直列接続する、
請求項１記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項6】

前記フレーム構造は、
筐体、
を備える、
請求項１記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項7】

前記筐体は、耐候性である、
請求項６記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項8】

少なくとも１つの前記ポートは、
１つまたは複数の前記電気化学ブレード内の各スタックと少なくとも１つの前記ＢＯＰ設備内の各スタックとの間の接続を提供する入口および／または出口、好ましくは単一の入口および／または出口、
を備える、
請求項１記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項9】

前記ＢＯＰブレードまたは前記ＢＯＰブレードのそれぞれは、複数の前記電気化学ブレードに対して単一のＢＯＰ設備を提供する、
請求項１記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項10】

前記電気化学ブレードは、同じタイプの群で配置されて、
好ましくは、群内の前記電気化学ブレードのそれぞれは、電気的におよび／または流体的に直列または並列接続する、
請求項１記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項11】

前記電気化学ブレードのそれぞれは、
２つ以上の電気化学スタック、
を備える、
請求項１記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項12】

前記電気化学ブレードのそれぞれは、前記電気化学ブレードからの必要な出力の少なくとも１／１００を構成する、
請求項１記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項13】

前記ＢＯＰブレード設備は、
・電源
・水および／もしくは電解質タンク
・生成物／副生物処理（水素／酸素処理）
・廃熱利用
・電解質再生手段
・生成物貯蔵庫
・通気
・センサ
・フロートラッカ、および／または
・安全構成要素、
のうちのいずれか１つ以上を備える、
請求項１記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項14】

前記電力は、ＡＣ、ＤＣ、パルス、または逆パルスでもよい、
請求項１記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項15】

前記電気化学スタックは、２５℃より高いが１００℃未満に保持される、
請求項１記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項16】

電気化学ブレードとＢＯＰブレードとの流体的接続および／または電気的接続のために少なくとも１つのマニホールド、
を有してなる、
請求項１記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項17】

少なくとも１つの前記マニホールドは、１つもしくは複数の前記電気化学ブレードおよび／または１つもしくは複数のＢＯＰブレードの間で流体および／または電力を分配するように配置されて、
好ましくは、前記分配は、１つもしくは複数の前記電気化学ブレードおよび／または１つもしくは複数の前記ＢＯＰブレードのいずれかの利用可能な能力に基づく、
請求項１６記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項18】

前記マニホールドのうちの１つは、１つまたは複数の前記ＢＯＰブレードの下流と、１つまたは複数の前記電気化学ブレードの上流と、に配置されて、１つまたは複数の前記ＢＯＰブレードから流体を回収して、１つまたは複数の前記電気化学ブレード間で前記回収された流体を分配するように構成されて、および／または
前記マニホールドのうちの１つは、１つまたは複数の前記電気化学ブレードの下流と、１つまたは複数の前記ＢＯＰブレードの上流と、に配置されて、１つまたは複数の前記電気化学ブレードから流体を回収して、１つまたは複数の前記ＢＯＰブレード間で前記回収された流体を分配するように構成される、
請求項１６または１７記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項19】

１つ以上のセンサに接続された演算手段は、操作されるブレードの選択と、利用可能な電力の配分と、のために設けられる、
請求項１記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項20】

構成要素をホットスワップするために、ブレードの電気的隔離および／または流体的隔離のための手段が設けられる、
請求項１記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項21】

前記ブレードは、複数のステージで配置されて、
前記ステージのそれぞれは、
異なるタイプの少なくとも１つの電気化学ブレードと、
前記電気化学ブレードのタイプに対応する少なくとも１つのＢＯＰ設備を有する少なくとも１つのＢＯＰブレードと、
を備える、
請求項１記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項22】

前記モジュール式電気化学システムは、
少なくとも１つの電解装置ブレードと、１つまたは複数の前記電解装置ブレードに対応する少なくとも１つのＢＯＰ設備を有する少なくとも１つのＢＯＰブレードと、を備える電解装置ステージと、
少なくとも１つの圧縮機ブレードと、１つまたは複数の前記圧縮機ブレードに対応する少なくとも１つのＢＯＰ設備を有する少なくとも１つのＢＯＰブレードと、を備える圧縮機ステージと、
を有してなり、
前記モジュール式電気化学システムは、
少なくとも１つの燃料電池ブレードと、１つまたは複数の前記燃料電池ブレードに対応する少なくとも１つのＢＯＰ設備を有する少なくとも１つのＢＯＰブレードと、を備える燃料電池ステージ、
も場合により有してなる、
請求項２１記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項23】

前記ステージのそれぞれにおける前記電気化学ブレードは、流体的におよび／または電気的に並列で接続されて、
前記ステージは、流体的におよび／または電気的に直列で接続される、
請求項２１または２２記載のモジュール式電気化学システム。

【請求項24】

請求項１記載のモジュール式電気化学システムを操作する方法であって、前記方法は、
・１つ以上の電気化学ブレードを提供するステップであって、前記電気化学ブレードのそれぞれは、少なくとも１つ以上の電気化学スタックを備える、１つ以上の前記電気化学ブレードを提供するステップと、
・１つ以上のＢＯＰブレードを提供するステップであって、前記ＢＯＰブレードのそれぞれは、少なくとも１つの電気化学スタック用の少なくとも１つのＢＯＰ設備を備えて、
・１つまたは複数の前記電気化学ブレードのそれぞれは、前記ＢＯＰブレードのいずれか１つに連通可能に対応して、その逆も同様であり、
・前記電気化学ブレードのそれぞれおよび／または前記ＢＯＰブレードのそれぞれは、フレーム構造を備えて、前記フレーム構造は、１つ以上の対応するブレードとの連通を可能にするように適合された少なくとも１つのポートを備える、１つ以上の前記ＢＯＰブレードを提供するステップと、
・前記電気化学ブレードのそれぞれと前記ＢＯＰブレードのそれぞれとの制御用の演算手段を提供するステップと、
を有してなる、
ことを特徴とするモジュール式電気化学システムを操作する方法。

【請求項25】

請求項１記載のモジュール式電気化学システムを操作する方法であって、
演算手段は、ユーザにより所定の閾値まで調整可能である、
モジュール式電気化学システムを操作する方法。

【国際調査報告】