JP2013519992A - 電気化学電池システム - Google Patents

Abstract

電気化学電池システムは、サブスタックからサブスタックへ直列で流体が流れるように構成された複数のサブスタックを備える電気化学電池スタックに配列された複数の電気化学電池、第一のサブスタックに接続された第一の電気制御装置、及び第二のサブスタックに接続された第二の電気制御装置を備え、第一の電気制御装置は、第二の電気制御装置とは独立して制御可能であり、第一及び第二のサブスタックを選択的に電気的に構成する。

Description

本発明は、燃料電池及び電解電池などの電気化学電池、より具体的には、サブスタックにモジュール化された電気化学電池スタックに関する。

電気化学電池は、アノード、カソード及び電解質を備える。アノード及びカソードでの反応物は反応し、イオンが電解質を移動する一方で、電子が外部電子回路を通過し、電池を介して完全な電気化学反応を形成する。

電気化学電池は、燃料と酸化剤を入力反応物として電気化学反応から電力及び熱を出力する燃料電池としてだけ、または、入力電力及び反応物（水）及び場合によっては入力熱が電気化学的に反応し、水素と酸素を生成する電解槽としてだけ、または、燃料電池モードと電解モードとに切り替え可能な両用の電気化学電池として、作動するように設計することができる。電解槽電池は、燃料電池に対して、電気化学的に逆に作用する。

燃料電池及び／または電解槽として作動可能な多種の電気化学電池がある。電気化学燃料電池の最も一般的な種類は、プロトン交換膜、固体酸化物、融解炭酸塩、アルカリ、及びリン酸である。

個々の電気化学電池は様々な形状が可能であり、最も一般的な二つの種類は、平面形状の電池と管形状の電池である。平面形状の電池は、カソード、電解質及びアノードが平面形状で積み重ねられたものであり、管形状の電池は、アノードが管の内側且つカソードが外側、またはカソードが管の内側且つアノードが外側の状態で、電解質が管形状の構造をとるものである。

多様な個々の電気化学電池は、電気的に直列に構成され、所望の用途に応じた電圧、電力及び電流に適合する“スタック”が形成される。平面形状の電気化学電池技術では、個々の電池は、それらの間に流体分離プレートを伴い、互いの上に積み重ねられ、共に機械的に固定され、電気的に直列に電池のスタックを形成する。管状の電気化学電池技術では、個々の管は、管の外部外側及び端部で、管入力と電気接続間で通常共有される反応物フローにまとめられる。

従来は、スタックが単一の反応物フロー入出力経路を共有していた。電気化学電池スタックの任意の数の電池が選択され、スタックを通過する反応物（すなわち、燃料電池作動での水素及び酸素、または電解作動での水及び熱のような燃料及び酸化物）に応じて、電池スタックに所望の電圧、電流、及び電力の出力／入力範囲を提供する。

スタックは、より大きな電力活用を支持するために、他のスタックと電気的に並列または直列に配列される。従来、スタックまたはスタックのサブポーションは、電気的に配線で接続されて一つの構造をとっていた。

従来は、電気化学電池スタックは、変化する電力または負荷プロファイル（燃料電池への負荷または電解槽への入力電力）を支持しているときに、スタック全体が、共有される反応物ストリームによって支持される等しい負荷または電力生産を共有する単一の装置として制御されていた。従来は、スタック内のすべての電池は、同じ電流密度（セットの電気化学電池表面領域を通過するアンペア）で作動し、電力または負荷プロファイルを支持するように設計されていた。

電気化学電池は、各々の電池に対して、性能曲線（一般的に分極曲線とも言われる）に沿って作動する。性能曲線は、電気化学電池の電圧がそれを介して流れる電流における変化に伴いどのように変化するかを示す。

図１は、燃料電池モードで作動するプロトン交換電池性能または分極曲線の例を示す。図２は、同様に、電解槽モードで作動する機能するプロトン交換電池性能または分極曲線の例を示す。図３は、電解槽モードで作動する固体酸化物電池性能または分極曲線の例を示す。

電気化学電池の分極曲線に従って、異なる電力レベル（入力及び出力）に対応する電流密度の変化とともに、電圧は変化する。

再生式の電気化学電池の分極曲線において、電圧は、燃料電池モード及び電解モードでの作動間でより著しく変化し得る（図１及び２参照）。この差は、スタック内の電池の量が増加するにつれ、大きくなる。それゆえ、配電及び燃料電池モード及び電解モードの両方で作動する単一の電気化学電池スタックを支持する制御システムは、電気化学電池スタックに関連するより広い範囲の電圧に適応しなければならない。

従来、再生式電気化学電池スタックにおいて燃料電池モードと電解モードの間の電圧差を克服するために、電力変換器は、出力電圧を上げるため、または入力電圧を下げるために使用されていた。しかしながら、電力変換器は、効率損失を引き起こし、重量を付加し、システムをより複雑なものにし、且つ信頼性の問題を引き起こす。別の選択肢は、二つの別々のスタックのうちの一つを燃料電池モード、別の一つを電解モードで使用することである。しかしながら、燃料電池スタックを追加すると、適用物全体の重量が増し、作動していないスタックの熱制御が必要になり、且つ、二つのモードを切り替えるバルブが必要になることから信頼性の問題が発生する。

これらの観点及び他の観点から、ここに本発明が開示される。

本発明の概要は、以下の発明の詳細でさらに述べられる単純化された形式で概念の選択を紹介するために提供されると認識されるべきである。本発明の概要は、請求の範囲の対象の範囲を限定するために使用されることを意図するものではない。

ここで述べられるシステム及び方法は、燃料電池の作動、電解槽の作動、または再生式電池の作動に関する、より効率的且つ単純化された作動を支持するための電気化学電池のモジュール化を提供するものである。

一つの態様では、開示される電気化学電池システムは、複数のサブスタックを備える電気化学電池スタックに配列された複数の電気化学電池、第一のサブスタックに接続された第一の電気制御装置、及び第二のサブスタックに接続された第二の電気制御装置を備える。

ここで述べられる“第一の”及び“第二の”サブスタックは、サブスタック間のいかなる空間的関係を伝えることを意図していない、ということが理解されるべきである。たとえば、第一及び第二のサブスタックは、必ずしも互いに隣接して配置されているわけではない。

他の態様では、開示される電気化学電池システムは、流体がサブスタックからサブスタックへと直列に流れるように構成された複数のサブスタックを備える電気化学電池スタックに配列された複数の電気化学電池、第一のサブスタックに接続された第一の電気制御装置、及び第二のサブスタックに接続された第二の電気制御装置を備え、第一の電気制御装置は第二の電気制御装置とは独立して制御可能であり、選択的に第一及び第二のサブスタックを構成する。

別の態様では、開示される電気化学電池システムは、スタックに配列された多数の電気電池を備え、スタックは少なくとも二のサブスタックに分割される。サブスタック内の電池は電気的に直列で接続されるが、残りのサブスタックとともに各々のサブスタックの電気的構造は、スイッチ、リレーまたは同様の制御装置を介して制御される。スタック内のすべてのサブスタックは、単一の電源により制御される同一の反応物入力フローを共有する。スタック内の各々のサブスタックまたはサブスタックのグループは、電気制御装置の制御により、電気的にスイッチがオンまたはオフに切り替えられる（すなわち、電子フローを可能にしないまたは可能にするための回路を開くまたは閉じる）。それゆえ、この方法で、スイッチがオフにされるサブスタックがある一方で、スタック内には作動しているサブスタックもあり、同時に単一の反応物制御ポイントを調節し、電気化学電池にふさわしい作動ポイントを選択する。そのようなものとしてモジュール化された電気化学電池スタックは、より広い範囲の出力または入力電力を支持する一方で、より安定した作動電圧及び電池性能範囲を維持する。作動しているサブスタックの構造は容易に循環され、電池が冷却しないように、電池の上流から下流へと廃熱を供給することにより、またはサブスタックの作動を循環させることにより、スタック全体の熱制御を可能にする。負荷または電源についての所望の合計電圧及び電力プロファイルがより厳密に適合するように、電気制御装置によって、電気化学電池スタックのモジュール化は、並列、直列またはその二つの組み合わせの電気作動間で、サブスタックまたは多数のサブスタックの即座の電気的再構成も可能にする。任意の数の作動しているサブスタックを修正すること、または直列と並列の間でサブスタックを電気的に再構成することによる、より安定した電圧性能範囲が、電源調整ハードウエアの必要性及びそれに関連する重量及び効率損失を取り除くことを可能にする。

他の態様では、開示される電気化学電池システムは、少なくとも二の電気化学電池スタック及び少なくとも二の電気制御装置を備え、サブスタックからサブスタックへ流体が直列に流れるように、各々のスタックは、複数のサブスタックに配列された複数の電気化学電池を備え、一のスタックの各々のサブスタックは、少なくとも二列のサブスタックを規定するように、他のスタックの少なくとも一のサブスタックと電気的に直列に接続され、且つ、電気制御装置の各々は、それらの列のサブスタックの関連する一に電気的に接続される。

他の態様では、開示される電気化学電池システムは、少なくとも二の電気化学電池スタックを備え、各々の電気化学電池スタックは少なくとも二のサブスタックに配列された複数の電気化学電池を備える。サブスタックの電気化学電池は、直列、並列、またはその両方の組み合わせのように、電気的に固定された構造であるが、残りのシステムサブスタックを伴う個々のサブスタックまたはグループのサブスタックの電気的構造は、スイッチ、リレー、または同様の電気制御装置を介して、制御可能である。各々のスタックは、サブスタックからサブスタックへ直列の共有反応物フローと作動する。また、複数のスタックは、単一の流体フロー制御ポイントでスタックに等流を実現するために、他のスタックと並列で共有される反応物フローと作動する。多数のスタック構造において、多数のスタック間のサブスタックまたはサブスタックグループの電気的構造は、電気化学電池を温度的に支持する、特にその適用の所望の電力属性及び性能範囲を支持する必要に応じて、直列または並列、あるいはアクティブ化または非アクティブ化の状態に切り替えられる。

開示されるモジュール化された電気化学電池システムの他の態様は、後に続く説明、添付された図面及び請求の範囲から明らかになるだろう。

燃料電池モードで作動するプロトン交換電池の平均電池電圧対電流密度の例を図式的に説明するものであり、曲線図表のデータは、Ｇａｒｃｉａ、Ｃｈａｎｇ、Ｊｏｈｎｓｏｎ、Ｂｅｎｔｓ、Ｓｃｕｌｌｉｎ及びＪａｋｕｐｃａによって、ＮＡＳＡ ｄｏｃｕｍｅｎｔ ＮＡＳＡ／ＴＭ−２００６−２１４０５４ “Ｒｏｕｎｄ Ｔｒｉｐ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ＮＡＳＡ Ｇｌｅｎｎ Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｙｓｔｅｍ”で最初に発表された。 電解槽モードで作動する同じプロトン交換電池の平均電池電圧対電流密度の例を図式的に説明するものである。 電解モードで作動する固体酸化物電池で作動する固体酸化物電池の電圧対電流密度の例を図式的に説明するものであり、この曲線図表は、アメリカエネルギー省水素計画の“Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ”プレゼンテーション（プロジェクトＩＤ＃ＰＤ＿１４＿Ｈｅｒｒｉｎｇ）の一部として、２００９年５月１９日、Ｉｄａｈｏ Ｎａｔｉｏｎａｌ ＬａｂｏｒａｔｏｒｙでＤｒ．Ｓｔｅｖｅ Ｈｅｒｒｉｎｇにより最初に発表された。 開示されるモジュール化された電気化学電池システムの一態様の概略図である。 開示されるモジュール化された電気化学電池システムの別の態様の概略図である。

本発明の開示は、燃料電池スタック、電解電池スタックのような、電気化学電池スタックのモジュール化を提供するもので、図４に示されるように、並列、直列、開回路またはそれらの組み合わせにおける電気作動のような、サブスタックの電気的構造が、スイッチまたはリレーのような電気制御装置によって個々にまたはグループで修正され、システム電力または性能の変化を支持することができる。燃料電池モード及び／または電解槽モードにおいてより高い性能とシステム制御を提供し、全体のシステムが電圧及び電力入力／出力のより広い範囲をより簡単に支持できるように、この構造は電気化学サブスタックの信頼できる切り替えを提供すると考えられる。このモジュール化された構造は、より少ない性能または電流密度の範囲で個々の電池を作動させ、同時により広いシステム電圧及び電力入力／出力を適合することによって、より制御されまたは安定した電気化学電池の動作を提供することも可能になる。

また、モジュール化された電気化学電池スタックは、反応物フローが、サブスタック間で並列というよりはむしろ、サブスタックからサブスタックへ直列に流れるときに、スタックについての付加的な熱の利点を提供することが可能になる。サブスタックの電気的な構造が直列と並列の間で変わる時のように、同様の方法でサブスタックが作動したままであるときに、スタックで電気化学電池を介する並列の反応物フローのマイナス効果は最小限ではあるが、結果的には、サブスタックが開回路構造内に配置されるときに、そのシステムを介して流れる未使用の反応物は増加する。作動していないサブスタックからの未使用反応物フローはシステムを通過し、結果として、追加的システムの効率損失、または追加的未使用反応物の処理または再利用に必要なシステムハードウエアの増加を招く。本発明の開示の別の態様は、反応物がサブスタックからサブスタックへ直列に流れるように、電気化学電池スタックを設計することである。モジュール化された電気化学電池スタックの構造には、最大限の量の反応物がスタック内で使用されるのを可能にする一方で、フロー制御のための単一のスタック入力を維持する利点がある。反応物がサブスタックからサブスタックへ直列に流れる構造は、上流サブスタックの電気化学反応からの廃熱が、いかなる作動していないサブスタックの下流に対しても所望の熱環境を維持し、熱制御ハードウエアの必要性を縮小または除去する。サブスタック内での電気化学電池を介した反応物フローは、サブスタック内部で並列、直列またはその両方の組み合わせが可能であることが理解されるべきである。

開示されるモジュール化された電気化学電池スタック設計は、複数のスタックを伴うシステムの作動に役立つ。このようなシステムにおいて、反応物フローは単一の電源から制御され、次いでフローは複数のスタックに等しく転送される。図５に示すように、複数のスタックは、個々の制御可能なサブスタック、または複数のスタックにわたるサブスタックのグループにより、モジュール化される。モジュール化されたシステムを採用する並列スタックシステムは、全体のスタック及び関連する反応物フローを停止せずに、単純化されたより信頼性のある電力入力または出力の適合を可能にする。モジュール化されたスタックは、スタックの一部を即座に電気化学電池の非アクティブ化状態にし、一方でスタックの他の部分を作動させるが、これにより作動していない電池の追加的な熱制御の必要性が除去または大いに縮小される。流体反応物フローは、複数のスタックに受動的に転送された状態で、単純化された任意の数のポイントで制御される。これにより、機械制御ハードウエアは単純化され、さらに可能な高温の電気化学電池から取り除かれ、その結果、単純かつより信頼できるシステムであるだけではなく、より低コストかつより信頼できるハードウエアになる。

開示されるモジュール化された電気化学電池スタックの設計は、燃料電池モード及び電解槽モードの両方で作動する再生式の電気化学電池スタックの作動を助ける。このようなシステムにおいて、直列または並列で作動するサブスタックの構造は、所望の電圧範囲に適合するように電気制御装置により修正される。

開示されるモジュール化されたシステムの利点が、再生式の燃料電池／電解槽システムの例で示される。一例である再生式プロトン交換膜電気化学電池スタックは、合計３４の電池を備え、それらは電気的に直列である１７の電池を備える二のサブスタックに分割される。図１及び図２を比較すると明らかなように、電気化学電池の電圧は、異なる電流作動ポイントで著しく変化し、様々な電力入力及び出力レベルに対応する。図１及び図２に示される実施例の性能を使用すると、３００Ａ／ｃｍ２での燃料電池モードでの作動は、各々の電池がおよそ０．７８Ｖで作動するので、合計のサブスタック電圧は１３．３Ｖである。３００Ａ／ｃｍ２での電解モードで作動する同じ個々の電池は、およそ１．６４Ｖで作動し、合計のサブスタック電圧は２７．９Ｖとなる。サブスタックが燃料電池作動と電解作動の間で電気制御装置により電気的に再構成できることにより、燃料電池モードで直列に及び電解モードで並列にサブスタックを構成することが可能になり、その結果、燃料電池モードで２６．５Ｖ、電解モードで２７．８Ｖの作動電圧が生成される。しかしながら、従来の構造では、３４すべての電池が、電気的に再構成の可能性なしに電気的に直列に“配線で接続されて”いる。同じ量の電池（同じ電力アウト）で、直列の３４の電気化学電池の単一のスタックの従来の構造では、作動電圧の変化が燃料電池モードで２６．５Ｖ対電解モードで５５．８Ｖになる。この例では、モジュール化された構造の配電システムは、２７．８Ｖから２６．５Ｖ（わずか１．３Ｖの差）の電圧範囲を収容しなければならず、これは２８Ｖ ｓｙｓｔｅｍ ｐｅｒ ＭＩＬ-ＳＴＤ-７０４の標準設計範囲内である。この例で、従来のスタック構造では、２６．５Ｖから５５．８Ｖまでのかなり広い電圧範囲の設計を強いられており、これは標準電圧範囲からかけ離れているので、より広い管理可能な範囲でシステム電圧を維持するために、電力変換器を利用するなど、付随する重量及び効率損失を伴う複雑な配電システム設計を強いられる。しかしながら、モジュール化された構造では、電圧差が小さいので、追加的電力変換または他の関連する装置がなくても、標準電圧範囲内で単純な配電システム設計が実現する。

システムの別の単純化された例では、電解槽スタックのグループは、水素を発生させる太陽光電源からの入力のような様々な電力入力プロファイルを支持している。太陽プロファイルは、太陽が昇り、空を移動し、沈むまでの一日を通して変化し、その結果、電力入力に非常に大きな変化をもたらす。従来の固体酸化物スタック構造では、太陽エネルギーが減少する間はスタック全体がオフの状態にされるので、その結果、作動していないスタックを暖かく保つために熱制御システムがより複雑になっていた。モジュール化された構造を使用すると、各々のスタックの単一のサブスタックが夜明け及び夕暮れに作動し、より安定した固体酸化物電池の作動範囲で少量の電力を生成する一方で、作動していないサブスタックを温度的に維持するために熱を生成する。各々のスタックの作動しているサブスタックの量は、電気制御装置により増加し、且つ、スタックへの反応物フローは単一の（または減数された）流体フロー制御ポイントにより増加し、一日中利用できる増加した太陽エネルギーを支持する一方で、より狭い電流密度の作動範囲を維持し、それゆえにプラントハードウエア、システム設計、及び制御のバランスへの影響は少なくなる。

図４に示したように、開示されるモジュール化された電気化学電池システムの一つの態様は、一般的にシステム１０として図示しているが、任意の数の電気化学電池から成る電気化学電池スタック１２を備え、電気化学電池スタック１２は、任意の数Ｎのサブスタック１４、１６及び１８に再分割されている。サブスタック１４、１６及び１８は、電気的に直列に接続されている。

各々関連するサブスタック１４、１６及び１８は負荷または電源に対して電気的に再構成され、他の残りのサブスタックとともに並列または直列に作動するように、電気制御装置２０、２２及び２４（たとえば、スイッチ）は、サブスタック１４、１６及び１８の各々に電気的に接続される。各々関連するサブスタック１４、１６及び１８に接続された電気制御装置２０、２２及び２４は、要求どおりに、サブスタックを負荷／電源から電気的に切断することもできる。

任意の数の電気化学電池及び電気化学電池スタック１２を備える電池の電気的構造は、使用される電気化学電池の種類、及びスタック１２の所望の出力（たとえば、ピーク電力出力）などに基づき、選択される。一つの態様では、スタック１２の電気化学電池は、固体酸化物燃料電池のような燃料電池とする。別の態様では、スタック１２の電気化学電池は、燃料電池と同じまたは類似である電解電池とする。さらに別の態様では、スタック１２の電気化学電池は、燃料電池及び電解電池の両方として作動する。

電気化学電池スタック１２の任意の数Ｎのサブスタック１４、１６及び１８は、スタック１２の電気化学電池の合計数、所望の作動電池の性能範囲、周囲のシステム電圧要求、及びその他の考慮すべき点により、決定づけられる。たとえば、任意の数Ｎのサブスタック１４、１６及び１８は、システム１０の電気スイッチ２０、２２及び２４の合計数を限定するコスト的な検討事項により決定づけられる。

各々のサブスタック１４、１６及び１８の電気化学的電池の数及び電気的構造は、スタック１２の電気化学電池の合計数、使用される電気化学電池の種類、システム１０の所望の出力、及び他の考慮すべき点により決定づけられる。

たとえば、５１の合計電気化学電池を備える燃料電池として作動する固体酸化物電池スタックは、三のサブスタックに分割され、各々のサブスタックは関連する電気制御装置を備え、各々のサブスタックは直列に固定された１７の個々の電気化学電池を備える。しかしながら、これらの数字は例示的なものに過ぎず、システムの各々のサブスタックは、これらの電池の異なる固定された電気的構造だけではなく、システムの他のサブスタックと比べて異なる数の電池を備えてもよいと理解されるべきである。

それゆえ、流体（たとえば、燃料電池または電解槽反応物）は、矢印Ａで示されるように、サブスタック１８からサブスタック１６、サブスタック１４へと直列に流れる一方で、各々のサブスタック１４、１６及び１８は、関連する電気制御装置２０、２２及び２４経由で、電気的に並列に負荷に接続される。さらに、一または複数のサブスタック１４、１６及び１８を負荷に電気的に接続または切断すること、または関連する電気スイッチ２０、２２及び２４経由で並列から直列にサブスタックの電気的構造を修正することにより、システム１０の電圧及び電力は変化する。

図５に示すように、開示されるモジュール化された電気化学電池システムの別の態様は、一般的にシステム１００として図示しているが、任意の数Ｘの電気化学電池スタック１０２、１０４及び１０６を備え、それらの各々が任意の数の電気化学電池から構成されている。各々の電気化学電池スタック１０２、１０４及び１０６の電気化学電池は、任意の数Ｙのサブスタック１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、１１８、１２０、１２２及び１２４に再分割されている。異なる電気化学電池スタック１０２、１０４及び１０６は、異なる任意の数Ｙのサブスタック１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、１１８、１２０、１２２及び１２４を備えてもよいと理解されるべきである。また、異なる電気化学電池サグスタック１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、１１８、１２０、１２２及び１２４は、サブスタック内で異なる任意の数の電気化学電池及び電池電気構造を備えてもよいと理解されるべきである。

各々の電気化学電池スタック１０２、１０４及び１０６からの少なくとも二のサブスタック１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、１１８、１２０、１２２及び１２４は、電気的に直列に接続され、サブスタックの任意の数の列１２６、１２８及び１３０を形成する。たとえば、列１２６は、電気化学電池スタック１０２からのサブスタック１０８、電気化学電池スタック１０４からのサブスタック１１４、及び電気化学電池スタック１０６からのサブスタック１２０を備え、列１２８は電気化学電池スタック１０２からのサブスタック１１０、電気化学電池スタック１０４からのサブスタック１１６、及び電気化学電池スタック１０６からのサブスタック１２２を備え、列１３０は電気化学電池スタック１０２からのサブスタック１１２、電気化学電池スタック１０４からのサブスタック１１８及び電気化学電池スタック１０６からのサブスタック１２４を備える。ここで使用されるように、“列”という言葉は、多数の電気化学電池スタック１０２、１０４及び１０６にわたるサブスタックの、直列の電気的接続を広い意味で示しており、列１２６、１２８及び１３０をいかなる特定の空間的配列または配置に限定することを意図してはいない。

要求通りに、関連する列１２６、１２８及び１３０は他の列１２６、１２８及び１３０と並列または直列に負荷／電源に選択的に電気的に接続される、または他の列１２６、１２８及び１３０と向かい合う負荷から選択され電気的に切断されるように、電気制御装置１３２、１３４及び１３６（たとえば、スイッチ）は各々の列１２６、１２８及び１３０に電気的に接続される。

たとえば、燃料電池システムは固体酸化物燃料電池の三のスタックを備え、各々のスタックは合計５１の個々の電池を備え、それらは三のサブスタックに分割され、各々のサブスタックは電気的に直列に接続された１７の個々電池を備える。各々のスタックからの一のサブスタックは、電気的に直列に接続され、三列のサブスタックを形成し、サブスタックの各々の列は関連する電気制御装置を備える。

それゆえ、流入する流体ストリームＦは多数の流入するストリームＦ_１、Ｆ_２及びＦ_Ｘに分割され、矢印Ａ_１、Ａ_２及びＡ_Ｘで示すように、それらの各々が、関連する直列のサブスタック（たとえば、１１２、１１０及び１０８；１１８、１１６及び１１４；１２４、１２２及び１２０）を介して流れることにより、電気化学電池スタック１０２、１０４及び１０６を介して流れる一方で、サブスタックの各々の列１２６、１２８及び１３０は負荷に電気的に並列で接続される。流入する流体ストリームＦを均等または均等ではないフローに分割することは、能動素子に頼ることなく、スタック及びサブスタック自体の設計を介して成立する。さらに、燃料電池作動または電解槽作動に基づく、システム１００の電力入力または電力出力は、関連する電気スイッチ１３２、１３４及び１３６経由で、サブスタック１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、１１８、１２０、１２２及び１２４の一または複数の列１２６、１２８及び１３０を、電気的に接続するまたは切断することにより、変えられる。また、燃料電池作動または電解槽作動に基づく、システム１００の電圧入力または電圧出力は、関連する電気制御装置１３２、１３４及び１３６経由で、列１２６、１２８及び１３０の電気的構造を並列作動から直列作動へ修正することによっても、変えられる。

したがって、システム１０及び１００を備える、開示されるモジュール化された電気化学電池システムは、単一の流体フロー制御ポイントを維持する一方で、サブスタックの電気的な切り替えを提供する。流体フローは、任意の数のサブスタックの作動に基づき、単一の電源から制御可能であるため、直列のサブスタックを介する流体フローにより、より大きい電力範囲でより効率的な作動が可能になる。現在の設計において、電気化学電池スタック全体が非アクティブ化されると、結果としてスタックを個々に独立させる（複雑さを増加させ信頼性を減少させる）ための流体制御ハードウエアが必要となり、またスタックが個々に独立していなければ、未反応の流体が、システムの効率を減少させるスタックを介して流れる。それゆえ、開示されるモジュール化されたシステムは、機械的なスイッチ（たとえば、バルブ）の必要性を減らし、電気スイッチよりも一般的に高価でかさばり信頼性のない流体フローを制御するための、より高温の機械的スイッチの必要性を潜在的に取り除く。

したがって、開示されるモジュール化された電気化学電池システムは、“列”及びスタックのいくつかまたは全てにわたる並列構造にサブスタックのグループ化を提供する。様々なサブスタックまたはサブスタックのグループ化は、アクティブ化及び非アクティブ化を可能にするだけではなく、電気制御装置により修正され電気的に直列または並列に、または直列及び並列のグループ化で作動することも可能にする。それゆえ、電力変換器を必要とせずに、システムが燃料電池モードか電解モードかによる多数の電力プロファイルのための様々な方法で、サブスタックは負荷に電気的に接続される。

たとえば、初めはある列のサブスタック（１２０、１２２及び１２４）のみがオンの状態で、システムが電解モードで作動し、入力電力が増加するにつれ多数の列をオンの状態にすることにより、まだ効率的に作動している間に、システムが入力電力の幅広い振幅を支持することができる。作動していないスタックを介してサブスタック全体の熱制御を非アクティブ化及び維持することまたは反応物の減量に関連する効率損失を避けることにより、システム効率は増加する。

さらに、別の流体フロー制御を必要しなくても、特定の電池または電池の列が非アクティブモードである時でさえ、単一の流体フローを使用できれば、システム内の電気化学電池すべてを容易に暖かく維持することができる。固体酸化物燃料電池のように、電池が温度に対して影響を受けやすい、または、効率的な作動を実現するために実質的に温度上昇時間を必要とするときには、オフモードの電池を暖かく維持できることが特に有益である。

一の特定の態様では、開示されたシステムは、別のエネルギーシステムと組み合わせて使用してもよく、代替入力電力が水素を生成するのに利用できるとき（たとえば、日中）には、代替的な入力電源（たとえば、太陽光）は、電解モードでシステムを動かすために使用され、次に代替電力が利用できないとき（たとえば夜間）には、燃料電池モードでシステムを動かすために使用される。開示されるシステムは、様々な入力（たとえば、流入する太陽エネルギーの変動）に対し素早く且つ効率的に応答できるため、そのような総合エネルギー貯蔵システムをより効率的にかつより信頼性をもって操作できる。

開示されるモジュール化された電気化学電池システムの様々な態様が示され説明されたが、本明細書を読めば当業者は多数の変更例を思いつくかもしれない。本発明はそのような変更例も含んでおり、請求の範囲によってのみ限定されるものではない。

Claims (15)

1. 複数のサブスタックを備える電気化学電池スタックに配列された複数の電気化学電池、
   前記複数のサブスタックの第一のサブスタックに接続された第一の電気制御装置、及び
   前記複数のサブスタックの第二のサブスタックに接続された第二の電気制御装置
   を備えることを特徴とする、電気化学電池システム。
2. 前記複数のサブスタックの一から別の一へと流体が直列に流れるように、前記複数のサブスタックのうちの前記サブスタックが構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第一の電気制御装置は、前記第二の電気制御装置とは独立して制御可能であり、第一及び第二のサブスタックを選択的に電気的に構成することを特徴とする、請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記第一のサブスタックは、前記第一の電気制御装置により、直列または並列に負荷または電源に対して選択的に再構成可能であり、且つ、前記第二のサブスタックは、前記第二の電気制御装置により、直列または並列に前記負荷または電源に対して選択的に再構成可能であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 前記第一の電気制御装置は、前記第一のサブスタックを負荷または電源に選択的に接続または切断するように構成され、且つ、前記第二の電気制御装置は、前記第二のサブスタックを前記負荷または電源に選択的に接続または切断するように構成されることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記第一及び第二の電気制御装置は、前記第一及び第二のサブスタックを選択的に電気的に直列または並列に接続するように構成されることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 前記複数の電気化学電池の前記電気化学電池は、燃料電池、電解槽電池、ポリマー交換膜電池、及び固体酸化物燃料電池から成るグループから選択されることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のシステム。
8. 前記複数の電気化学電池のうちの前記電気化学電池は、燃料電池モード及び電解槽モードの両方で作動するように構成されることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のシステム。
9. 前記第一の電気制御装置は、第一の電気スイッチを備え、前記第二の電気制御装置は、第二の電気スイッチを備えることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のシステム。
10. 複数のサブスタック内に配列される複数の電気化学電池を備える第二の電気化学電池スタックをさらに備え、前記第二の電気化学電池スタックのサブスタックからサブスタックへと流体が直列に流れることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のシステム。
11. 前記電気化学電池スタック及び前記第二の電気化学電池スタックの両方を介する流体フローは、単一のフロー制御ポイントで制御されることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記第一のサブスタックは、前記第二の電気化学電池スタックの第一のサブスタックに電気的に接続され、且つ、前記第二のサブスタックは前記第二の電気化学電池スタックの第二のサブスタックに電気的に接続されることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
13. 直列構造、並列構造、及び切断された構造のうちの少なくとも一において、前記第一及び第二の電気制御装置は、前記電気化学電池スタック及び前記第二の電気化学電池スタックの前記第一及び第二のサブスタックを選択的に電気的に構成することを特徴とする、請求項１２に記載のシステム。
14. 電気化学電池スタックを組み立てるための方法であって、
    複数の電気化学電池を提供するステップ、
    流体がサブスタックからサブスタックへ直列に流れるように構成された複数のサブスタックを備えるスタックに、前記複数の電気化学電池の前記電気化学電池を配列するステップ、
    前記複数のサブスタックの第一のサブスタックを第一の電気制御装置に接続するステップ、及び
    前記複数のサブスタックの第二のサブスタックを第二の電気制御装置に接続するステップを含む方法。
15. 前記第一及び第二の電気制御装置は、直列構造、並列構造、及び開回路構造のうちの少なくとも一に、前記第一及び第二のサブスタックを選択的に構成することを特徴とする、請求項１４に記載の方法。

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