JP2016538420A - 高温電解槽の制御 - Google Patents

Abstract

本発明は、高温に予熱されて熱的に絶縁されている筺体の内部に１つまたは複数のセルのスタックが配置され、電解反応を実施するための電源としての電気エネルギー源に接続された高温電解槽を制御ためのする方法であって、− エネルギー源によって供給される電力を監視するステップ（Ｅ４１）と、− 供給される電力の値があらかじめ設定された限界値を下回ったとき、１つまたは複数のセルのスタックを加熱するために、エネルギー源によって供給される電力の一部分を、高温電解槽の上流において方向を変えるステップ（Ｅ４２）と、− そうでなければ方向を変えないステップとを含む方法に関するものである。本発明は、水素またはシンガスを生成するための、上記の駆動方法を組み込んだ方法にも関するものであり、駆動系が上記の駆動方法を実施し、水素製造システムが、対応する水素製造プロセスを実施する。

Description

本出願は高温電解槽の技術分野に関するものである。より具体的には、それは、そのような電解槽を駆動するため、特に水素および／または合成ガス（シンガスとも称される）を生成するための方法の技術分野の問題である。それは、そのような電解槽およびそのような駆動系を備える生成システムを駆動する（すなわち制御する）ためのシステムの問題でもある。

今日、水素は有望なエネルギー資源であると考えられている。残念ながら、その用途は、生成の困難さに直面している。実際、特に、炭化水素からの生成よりも低公害の水から始める工業水素製造の収率は、依然として不十分である。

それにもかかわらず、高温電気分解（ＨＴＥ）などのいくつかの方法は有望である。ＨＴＥは、５００℃〜１０００℃の温度において、高温電解槽によって供給される電気エネルギーを用いて水蒸気を電気分解することから成る。そのような電解槽は複数のセルを含む。各セルが、多孔性陰極および多孔性陽極を含み、ガスに対して非透過性の電解質も含む。電解質は、陰極と陽極の間にそれらと接触して配置されている。陰極と陽極の間に電圧が印加される。水蒸気の流束が陰極の方へ導かれる。印加される電圧が水の分解を引き起こし、水が水素と酸素に変換される。陰極側から水素が放出される一方で陽極側から酸素が放出され、
陰極における還元が次式で表され、２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２
陽極における酸化が次式で表され、２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻
全体的な反応が次式で表される。２Ｈ_２Ｏ→２Ｈ_２＋Ｏ_２

この反応を可能にするのに必要な全体のエネルギーは、発電装置などの電源から来る電気エネルギーおよび／または熱源から来る熱エネルギーによって供給され得る。

電解反応は単独では吸熱反応である。したがって、電気エネルギーの供給が、（１つまたは複数のセルのスタックの内部で起こる抵抗加熱による）電気的ニーズと熱的ニーズの両方を賄うのに不十分であると、電解反応が、セルを通過するガスから熱エネルギーを消耗して、セルが配置されている筺体の内部の温度が低下することになり、これは動作の吸熱モードである。

電解槽を吸熱モードにおいて高温にて動作させるための解決策が存在する。たとえば、ＷＯ２０１３／０６０８６９の文献は、高温電解槽のための熱的管理プロセスを説明しており、電気エネルギーの価格が安いとき、たとえば１．５Ｖにおいて、電解槽の発熱性の運用段階中のエネルギー蓄積によってエネルギーが蓄積され（電気エネルギーの供給が電解反応のニーズを上回ることを意味する）、電気エネルギーの価格が高いとき、たとえば１．２Ｖにおいて、この蓄積エネルギーが、電解槽の吸熱性の運用段階中に熱の形で回復される。

この解決策は、電解槽が十分なエネルギーを生成する電源に接続されているときには申し分ないものである。発熱モード／吸熱モードのサイクルは、発熱モードの長さと吸熱モードの長さを意味し、オペレータによって決定されるが、したがってオペレータは、このサイクルに適する蓄積手段を選択することができる。

ＨＴＥを、風、水流、太陽エネルギー、水力発電、地熱などの再生可能な電気エネルギー源と組み合わせると、再生可能なエネルギー源から水素を生成することが可能になり得る。残念ながら、再生可能な電気エネルギー源は、一般に断続的かつ／または変動するエネルギー源であり、連続した、不変の、予測可能なエネルギーの生成を可能にするものではない。

したがって、ＷＯ２０１３／０６０８６９の文献からのプロセスは、そのような場合には部分的にしか用いることができない。

さらに、電解槽は、セルの２点間または２つのスタックの間の温度差を意味する熱勾配の影響を受けやすい要素を含んでいる。電解槽の異なる点の間に過度の温度差があると、これらの要素が劣化する可能性があり、破壊に通じることさえある。

したがって、電解槽が再生可能な電気エネルギー源によって給電される場合、エネルギー供給量が極めて不十分になる可能性がある。次いで、電解槽は、足りないエネルギーを、配置されている環境から消耗させ、これは、筺体の内部に蓄積された熱からエネルギーを消耗することを意味し、筺体内部の熱勾配の出現に通じる。次いで、これらの熱勾配は５０℃／ｃｍを超える可能性がある。

ＦＲ２，９２１，３９０の特許は、高温電解槽を構成する１つまたは複数のセルのスタックの中の熱勾配を管理するための解決策を提供するものである。選択された解決策は、１つまたは複数のセルのスタックの内部の水蒸気を、独立したコンジットを通して陰極の方へ導く前に温度を均質化するために循環させることから成るものである。したがって、発熱モードでは、セルの温度を下回る温度を有する水蒸気の循環によって過剰熱が排出される。吸熱モードでは、セルの温度を上回る温度を有する水蒸気の循環によって熱不足で供給される。この解決策は、非常に高い温度の水蒸気源が利用可能な場合にのみ、吸熱モードおいて実施され得る。

この解決策には、電解槽の様々なセルを通して水蒸気を導くために流体回路を設ける必要があるという不都合がある。したがって、この解決策は構造的に複雑である。さらに、エネルギー源によって供給される電力が極めて不足しているとき（吸熱モード）には、反応の熱的ニーズを賄うのに非常に高温の熱源が利用可能でなければならない。

したがって、従来技術からの解決策は、断続的なエネルギー源、具体的には再生可能なエネルギー源によって電力を供給される電解槽を高温において動作させるプロセスを提案し得るためには、なお改善を必要とする。

ＷＯ２０１３／０６０８６９ ＦＲ２，９２１，３９０

上記に示されたように、本発明の目的は、上記で説明された従来技術から少なくとも１つの不都合を改善することである。

そのために、本発明は、１つまたは複数のセルのスタックを備える高温電解槽を駆動する方法を提案するものであり、１つまたは複数のセルのスタックは、高温に予熱されて熱的に絶縁された筺体の内部に配置されており、高温電解槽は、電解反応を実施するための電源としての電気エネルギー源に接続されており、この方法は、
− エネルギー源によって供給される電力を監視するステップと、
− 供給される電力の値があらかじめ設定された限界値を下回ったとき、１つまたは複数のセルのスタックを加熱するために、エネルギー源によって供給される電力の一部分を、電解槽の上流へと方向を変えるステップと、
− そうでなければ方向を変えないステップとを含む。

そのような方法のために、以下でより詳細に説明されるように、電解槽に供給されるエネルギーの一部分は、いくつかの条件下で熱的形態にあり、その割合はエネルギー源によって供給される供給量に直接依拠するものである。したがって、大きな電力範囲にわたって電解槽を動作させることが可能である。

他の任意選択の限定的でない特徴には、
− あらかじめ設定された限界値は、筺体の内部に、絶対値において５０℃／ｃｍよりも大きい熱勾配が出現する電力の値に選択されていることと、
− 電解槽のセルが表面積Ｓを有し、セルにおけるガスの入口とガスの出口の間の距離がＬであるので、１個のセル当りの限界値Ｐ_ｍｉｎが次式で選択され、

この式で、Ｔ_{ｗａｔｅｒ}は陰極の近くに入る水蒸気の温度であり、ΔＴは最大の許容温度勾配であり、

は一定圧力における水素の熱容量であり、

は一定圧力における酸素の熱容量であり、

は一定圧力における水の熱容量であり、Δ_ｒＨは水の電気分解の反応のエンタルピーであり、Δ_ｒＧは水の電気分解の反応の自由エンタルピーであり、ＳＣは水の水素への変換の割合であり、ＡＳＲは１つまたは複数のセルのスタックの表面の抵抗率であり、Ｆはファラデー定数であり、Ｒは理想気体定数であることと、
− １個のセル当りの方向を変えられる電力Ｐ_ｒｅｄは、初期値としてＰ_{ｒｅｄ，０}＝０およびＰ_０＝Ｐ_{ｓｏｕｒｃｅ}をとり、次の式を収斂するまで反復することよって取得され得、Ｐは電解槽に印加される電力の一部分であり、Ｐ_{ｓｏｕｒｃｅ}は電気エネルギー源によって供給される電力であり、

ｍ≧０（ｍは０以上であり、反復の次数を示す）であることと、
− Ｌはセルの中のガスの入口と出口の間の距離であり、陰極の側から入る水蒸気の温度はＴ_{ｗａｔｅｒ}であり、ΔＴは最大の許容温度勾配を表し、そこで、電力は、１つまたは複数のスタックの出口におけるガスの温度Ｔ_{ｏｕｔｌｅｔ}が次式となる電力の限界値を下回ると方向を換えられることと、
Ｔ_{ｏｕｔｌｅｔ}＝Ｔ_{ｗａｔｅｒ}−ΔＴ・Ｌ
− 電気エネルギー源は断続的かつ／または変動するエネルギー源であることと、
− エネルギー源は再生可能なエネルギー源であることとがある。

本発明は、水素またはシンガスを生成するための方法も提案するものであり、この方法は、
− 高温電解槽の１つまたは複数のスタックが内部に配置されている熱的に絶縁された筺体を高温に予熱するステップと、
− 電解槽に電気エネルギー源からの電力を供給するステップと、
− 電解槽の陰極に水を循環させて電解反応を実施するステップと、
− 電解槽を前述のように駆動するステップと、
− 電解反応によって生成された酸素を陽極の近くで回収するステップと、
− 電解反応によって生成された水素、およびシンガス生成であれば場合により一酸化炭素を陰極の近くで回収するステップとを含む。

非常に低電力のときでさえ熱勾配を防止することができるので、その本質から低レベルのエネルギーの生成期間を伴う断続的かつ／または変動するエネルギー源である再生可能なエネルギー源によって給電される高温電解槽を動作させて、好ましくは環境に優しく水素を生成することができる。

しかしながら、本発明は再生可能なエネルギー源による水素の生成に限定されるわけではなく、電解槽に給電するために、その連鎖が何であれ任意のタイプの発電装置を使用することも考えられる。

本発明は、高温に予熱されて熱的に絶縁されている筺体の内部に配置された１つまたは複数のセルのスタックを備える高温電解槽を駆動するためのシステムも提案するものであり、エネルギー源によって給電される高温電解槽は、
− 高温電解槽に電力を供給するためのエネルギー源に接続され、１つまたは複数のセルのスタックを加熱するようにその近くに配置されるヒータと、
− 高温電解槽への給電を切断するため、および／または調節するために、エネルギー源とヒータの間に配置されるスイッチと、
− エネルギー源によって供給される電力を監視するためにエネルギー源に接続されるコントローラであって、エネルギー源を制御するためのスイッチに接続されたコントローラとを備える。

最後に、本発明は水素またはシンガスを生成するためのシステムを提案するものであり、このシステムは、
− 高温電解槽と、
− 高温電解槽に電力を供給するように高温電解槽に接続されたエネルギー源と、
− 高温電解槽の１つまたは複数のセルのスタックが内部に配置されている熱的に絶縁された筺体と、
− 上記で説明されたような電解槽を駆動するためのシステムとを備える。

例示のために示される限定的でない図面を参照しながら以下の詳細な説明を読み取ることにより、他の目的、特性および利点が出現するであろう。

本発明による水素および／またはシンガスの生成システムの一例の概略図である。 図１のシステムの駆動系を詳細に示す概略図である。 図１のシステムにおいて使用される高温電解槽の詳細な概略図である。 本発明による駆動プロセスの一例のステップを示す図である。 図４の駆動プロセスを用いる水素製造プロセスの一例からのステップを概略的に示す図である。 電解槽および電気ヒータに与えられる負荷を、電源から生じる負荷の関数として示すグラフである。 図６ａを拡大した図である。 補助の構成要素（具体的には液体水の室温から８００℃への加熱、および水素の大気圧から３０バールへの圧縮）および筺体の平均温度を考慮に入れて、電解槽のＧＣＶ（総発熱量）の収率を、電源から生じる負荷の関数として示すグラフである。

以下の説明の全体にわたって、高温電解槽に供給される電力が論じられる。しかしながら、電力は直接調節するのが困難なことがあり、このため、電解槽の端子に印加される電圧または電流を制御するのが好ましいことがある。当業者なら、以下の開示の教示を、電力ではなく電圧または電流の調節に適合させるのに苦労することはないであろう。そこで、電力ではなく、電解槽の端子に供給される電圧または電流が考慮される実施形態は、本発明の一体部分であることが理解されよう。

さらに、以下の説明の全体にわたって、システムおよび方法は水素の生成に関連して説明される。しかしながら、説明されるシステムおよび方法は、共電解によってシンガスを生成する働きもする。この目的は本発明の一体部分であり、当業者なら、特に二酸化炭素（ＣＯ_２）と混合された水蒸気を陰極の入口に導入することにより、次いで、生成されて陰極から来るガスは水素および一酸化炭素（ＣＯ）であるこのタイプの生成に、以下の説明を適合させるやり方を理解するであろう。

本発明による水素製造システムが、図１から図３を参照しながら以下で説明される。

水素製造のためのこのシステム１０は、高温電解槽２と、エネルギー源３と、電解槽を駆動するための筺体４およびシステム１とを含む。電解槽２は、少なくとも１つのセルのスタック２１を備える。各セルは、多孔性陰極２１１２と、多孔性陽極２１１１と、陰極２１１２と陽極２１１１の間にこれらと接触して配置された電解質２１１３とを備える。陰極２１１２、陽極２１１１および電解質２１１３は、たとえば金属またはセラミックであり、好ましくはセラミックである。２つのセルは、連絡管とも称されるバイポーラプレート２１２によって互いから分離されている。連絡管２１２は導電性であり、流体循環チャネル（図示せず）を備える。

電解槽は補助の構成要素も含み、それらのうちで水蒸気を導くための少なくとも１つのコンジット２２が、水蒸気を連絡管チャネルに案内するように意図されている。また、電気分解によって陰極の近くで形成された水素をそこから抽出するための水素の排出および収集用のコンジット２３と、陽極の近くで形成された酸素をそこから運び去るための酸素の排出用のコンジット２４とが設けられる。特に入口ガスを加熱するためのヒータ（１つまたは複数の熱交換器を備え得る）といった他の補助の構成要素も設けられ、これらは当業者に知られており、したがって、簡潔さのためにここでは説明されない。

エネルギー源３は高温電解槽２に接続されて電力を供給する。ここで、エネルギー源３は、たとえば風力タービン、１組の風力タービン、水流タービン、１組の水流タービン、太陽電池パネル、１組の太陽電池パネル、地熱発電所、火力発電所、原子力発電所および水力発電所の中から選択される電源である。

好ましくは、エネルギー源３は再生可能な電気エネルギー源である。たとえば、エネルギー源は、風力タービン、１組の風力タービン、水流タービン、１組の水流タービン、太陽電池パネル、１組の太陽電池パネル、地熱発電所、および水力発電所といった限定的でないリストの中から選択されるものである。

筺体４は、一般的には１，０００℃までの高温に対応することができる断熱材で形成されている。電解槽の１つまたは複数のスタックは、熱損失を最小化するために、この筺体の内部に配置される。ヒータ１１は、電解槽の据付けおよび動作の前に、封止の順番で前もって設けられ得る。

駆動系１は、電解槽２およびエネルギー源３に接続されている。駆動系１は、ヒータ１１、スイッチ１２およびコントローラ１３を含む。

ヒータ１１は、電力を受け取るようにエネルギー源３に接続され、１つまたは複数のセルのスタックの近くに配置されている。ヒータ１１は、抵抗加熱によって、電解槽の１つまたは複数のセルのスタック（より詳細には、セルの各々が１つまたは複数のスタック構成する）を加熱する。

ヒータ１１は、１つまたは複数のセルのスタックの内部（たとえば連絡管と一体化されて）またはまわりに配置された１つまたはいくつかの電気抵抗から成り得る。

電解槽への給電を切断するため、および／または調節するために、エネルギー源３とヒータ１１の間にスイッチ１２が配置されている。

コントローラ１３は、供給される電力を監視するためにエネルギー源に接続されており、測定された供給電力の関数としてスイッチ１２を制御するためにスイッチ１２に接続されている。

高温電解槽を駆動するためのプロセスが、図４を参照しながら説明され、高温電解槽の１つまたは複数のセルのスタックは、高温に予熱されて熱的に絶縁された筺体の内部に配置されており、電解槽は、電力を供給されるようにエネルギー源に接続されている。

この駆動プロセスは上記で説明された駆動系によって実施され得、駆動系は、たとえば、これも上記で説明された水素製造システムの一部分である。

試験的に行うプロセスは、
− エネルギー源によって供給される電力を監視するステップＥ４１と、
− 供給される電力の値があらかじめ設定された限界値を下回ったとき、１つまたは複数のセルのスタックを加熱するために、エネルギー源によって供給される電力の一部分を、電解槽の上流において方向を変えるステップＥ４２とを含む。

したがって、いくつかの条件下では、そのようなプロセスのために、１つまたは複数のセルのスタックに供給されるエネルギーの一部分は熱的形態であり、その一部分は、エネルギー源から受け取られる給電に直接依拠するものである。これによって、筺体の内部の温度を調節することが可能になり、そのように、筺体の内部の熱勾配が５０℃／ｃｍを超えるのを防止すること、好ましくは２０℃／ｃｍを超えるのを防止すること、より好ましくは１０℃／ｃｍを超えるのを防止すること、常に好ましくは５℃／ｃｍを超えるのを防止することが可能になる。

実際、この電界反応を可能にするのに必要な全体のエネルギーは、発電装置などの電源から来る電気エネルギーおよび／または熱源から来る熱エネルギーによって供給され得る。

さらに、１つまたは複数のセルのスタックに対して電気エネルギーが供給されるとき、一部分は、１つまたは複数のセルのスタックの近くで抵抗加熱によって熱の形態で放散され、電解反応の熱的ニーズに寄与する。

そのように、放散されるエネルギーが熱エネルギーのニーズを十分に補償する場合、電源だけの寄与によって反応のニーズを完全に賄うことが可能である。

電解槽の１つまたは複数のセルのスタックが、ここで必要とされるように熱的に絶縁された筺体の中に配置され、かつ予熱されている場合、反応に必要なエネルギーがもっぱら電源によって供給されるのであれば、供給されるエネルギーによって、
（ａ） 抵抗加熱によって放散される熱エネルギーが反応の熱的ニーズ未満である、低電力における吸熱モードと、
（ｂ） 抵抗加熱によって放散される熱エネルギーが、反応に必要な熱エネルギーに等しい熱的中立モードと、
（ｃ） 抵抗加熱によって放散される熱エネルギーが反応の熱的ニーズを上回る、大電力における発熱モードとの、３つの動作モードが識別され得る。

（ｂ）の場合、電解反応はエネルギー平衡にあり、したがって他のエネルギーを供給する必要性はない。

（ａ）の場合、電解反応は熱エネルギー不足の状態で実行中であって、その環境において利用可能な熱エネルギー（筺体の中で利用可能な熱を意味する）を消費することになり、そこで、筺体の内部に熱勾配が出現する。

（ｃ）の場合、電解反応には過剰な熱エネルギーがある。この過剰な熱エネルギーは、筺体の内部に熱の形態で排出されることになり、熱勾配を引き起こす。

電解槽が再生可能なエネルギー源に接続されているとき、（ａ）の場合が最大の関心事である。実際、発熱モードにおける筺体の中の熱勾配の問題を解消するために、電解槽の大きさを調整することが、その最大の電力をエネルギー源の最大の電力に整合させる働きをし、このことが、次いで出現するはずの熱勾配を制限するのに役立つ。

吸熱モードでは、供給される電力の値があらかじめ設定された限界値を下回ったとき、１つまたは複数のセルのスタックを加熱するために、エネルギー源によって供給される電力の一部分が方向を変えられる。

セルのスタックによって許容される最大の熱勾配（５０℃／ｃｍ、またはより小さく２０℃／ｃｍ、１０℃／ｃｍ、もしくは５℃／ｃｍ）の関数として、事前設定の限界値は、有利には、方向変更が遂行されなかった場合、筺体の内部に存在する熱勾配が、この最大の許容熱勾配未満（５０℃／ｃｍ未満、好ましくは２０℃／ｃｍ未満、より好ましくは１０℃／ｃｍ未満、さらにより好ましくは５℃／ｃｍ未満を意味する）にとどまるように供給する電力の値として選択される。この電力は、セルのスタックの構成に依拠し、１つまたは複数のスタックの要素に用いられる材料にも依拠するものである。

方向を変えられる部分は、最大の許容温度勾配およびエネルギー源によって供給される電力の関数である。

たとえば、電解槽セルが表面積Ｓを有し、セルにおけるガスの入口とガスの出口の間の距離がＬであるので、１個のセル当りの限界値Ｐ_ｍｉｎが次式で選択され、

この式で、Ｔ_{ｗａｔｅｒ}は陰極の近くに入る水蒸気の温度であり、ΔＴは最大の許容温度勾配であり、

は一定圧力における水素の熱容量であり、

は一定圧力における酸素の熱容量であり、

は一定圧力における水の熱容量であり、Δ_ｒＨは水の電気分解の反応のエンタルピーであり、Δ_ｒＧは水の電気分解の反応の自由エンタルピーであり、ＳＣは水の水素への変換の割合であり、ＡＳＲは１つまたは複数のセルのスタックの表面の抵抗率であり、Ｆはファラデー定数であり、Ｒは理想気体定数である。

一定圧力（Ｃ_ｐ）における熱容量、反応エンタルピー（Δ_ｒＨ）および反応自由エンタルピー（Δ_ｒＧ）は、熱力学的特性の表から既知である。

電解槽の１つまたは複数のスタックに関する限界値を取得するには、上記の限界値にセルの数を掛ければ十分である。

供給される電力が、電解槽の端子に印加される電圧に基づいて制御される場合、電圧限界値Ｅ_ｌｉｍは次式となる。
Ｅ_ｍｉｎ＝ＥＮ（Ｔ_ｍｉｎ）＋ｊ（Ｔ_ｍｉｎ）・ＡＳＲ

電気エネルギー源によって供給される電力がこの電力限界値Ｐ_ｍｉｎ未満であるとき、筺体の平均温度がＴ_ｍｉｎに維持されるように、電力の一部分が方向を変えられる。

１個のセル当りの方向を変えられる電力Ｐ_ｒｅｄは、初期値としてＰ_{ｒｅｄ，０}＝０およびＰ_０＝Ｐ_{ｓｏｕｒｃｅ}をとり、次の式を収斂するまで反復することよって取得され得、Ｐは電解槽に印加される電力の一部分であり、Ｐ_{ｓｏｕｒｃｅ}は電気エネルギー源によって供給される電力であり、

ｍ≧０は、ｍが０以上であることを示し、ｍは反復の次数を示す。

ここで再び、電解槽の１つまたは複数のスタックに関する方向を変えられる電力を得るには、上記の方向を変えられる電力にセルの数を掛ければ十分である。

筺体内部の温度勾配が許容値にとどまることを確認するためには、１つまたは複数のスタックに入るガスと、１つまたは複数のスタックを出るガスの間の温度差を考慮するだけでよい。実際、温度勾配は、主として１つまたは複数のスタックの近くで出現する。

したがって、Ｌがセルにおけるガスの入口と出口の間の距離であり、陰極側から入る水蒸気の温度がＴ_{ｗａｔｅｒ}であって、ΔＴが最大の許容温度勾配を表す場合、電力は、１つまたは複数のスタックの出口におけるガスの温度Ｔ_{ｏｕｔｌｅｔ}が次式となる電力の限界値を下回ると方向を換えられる。
Ｔ_{ｏｕｔｌｅｔ}＝Ｔ_{ｗａｔｅｒ}−ΔＴ・Ｌ

エネルギー源は断続的かつ／または変動するエネルギー源である。断続的エネルギー源は、その電気エネルギーの生成が中断され、次いで間隔を開けて再開するエネルギー源を示し、エネルギー生成がゼロの期間と、エネルギー生成がゼロでない期間が交番することを意味する。変動するエネルギー源は、その電気エネルギー生成が定値に固定されないエネルギー源を表す。

断続的かつ／または変動するエネルギー源は、好ましくは再生可能なエネルギー源である。したがって、電解槽に給電するために再生可能エネルギーを用いることが可能である。そのようなエネルギー源の例は、上記に示されている。これは、非常に低いレベルまで低下する可能性があるこれらのエネルギー源のエネルギー生成に追従することを可能にする駆動プロセスのために可能である。

ちょうど今説明された駆動プロセスは、水素製造プロセスにおいて利用され得る。そのような例が図５に示されており、
− 高温電解槽の１つまたは複数のセルのスタックが内部に配置されている熱的に絶縁された筺体を高温に予熱するステップＥ１と、
− 高温電解槽にエネルギー源からの電力を供給するステップＥ２と、
− 高温電解槽の陰極に水蒸気を循環させて電解反応を実施するステップＥ３と、
− 高温電解槽を前述のように駆動するステップＥ４と、
− 電解反応によって生成された酸素を陽極の近くで回収するステップＥ５と、
− 電解反応によって生成された水素および消費されなかった水蒸気を陰極の近くで回収するステップＥ６とを含む。

有利には、筺体は、３００℃と１０００℃の間に含まれる温度、好ましくは５００℃と１０００℃の間に含まれる温度、さらにより好ましくは７００℃と９００℃の間に含まれる温度、常に好ましくはおよそ入って来る水蒸気の温度に、予熱される。セル（すなわち陰極、陽極および電解質）がセラミックであるとき、筺体は、好ましくは５００℃と１０００℃の間の温度、より好ましくは７００℃と９００℃の間の温度、常に好ましくはおよそ入って来る水蒸気の温度に加熱される。

水蒸気の温度は、一般的には３００℃と１０００℃の間、好ましくは５００℃と１０００℃の間、より好ましくは７００℃と９００℃の間に含まれる。セルがセラミックであるとき、水蒸気の温度は、好ましくは５００℃と１０００℃の間、より好ましくは７００℃と９００℃の間にある。

（実施例）
以下の実施例では、プロセスは、電解槽の端子に印加される電圧に関連して説明される。筺体は、前もって８００℃に加熱されている。使用される高温電解槽は、ヒータとして電気抵抗を含む。陰極に供給される水蒸気は８００℃である。各セルの入口と出口の間の最大の許容熱勾配の絶対値は１０℃／ｃｍである。各セルは、各辺が１０ｃｍの正方形であり、０．５Ω・ｃｍ^２（オーム・平方センチメートル）の抵抗率を有する。

したがって、セルの出口におけるガスの温度は、８００±１００℃に制限されており（１００℃は、セルの一方の側から反対側までの最大の許容熱勾配であるため）、これは、駆動プロセスが実施されていなければ、１．２９±０．０３Ｖの電圧における電解槽の動作を許容することになる。電解槽は、最大の電圧が、１１０Ｗの電源によって供給される最大の電力に対応する１．３２Ｖに等しくなるようにサイズ設定されている。電圧の限界値は１．２５Ｖに設定されている。

この値未満では、出口ガスの温度を７００℃に維持するために、電気エネルギー源によって供給される電力の一部分が電気抵抗の方へ方向を変えられる。このように、セルの内部の温度勾配が確実に１０℃／ｃｍ未満にとどまり得る。

電解反応のために電解槽に供給される電力の部分と、電気ヒータの方へ方向を変えられる電力の部分の間の配分は、図６ａおよび図６ｂに示され、それらのいくつかの値が以下の表１に再現されている。

電解槽のそのような駆動は、筺体の内部に配置された電気抵抗の収率が１００％であると考えられる場合、図７に示されるように、水素製造システム全体の収率に影響を及ぼすことはない。実際、図７は、電気抵抗によって電気的に加熱される状況で、全体の動作範囲にわたって、システムの収率がＧＣＶ（総発熱量）のほぼ９１．８％であることを示す。

さらに、電解槽が動作することができる電力範囲が、電解槽の最大電力の３〜１００％の間に拡張され、これは、１Ｖ〜１．３２Ｖの間に含まれる電圧における電解槽の可能な動作に対応する。

１ 電解槽を駆動するためのシステム、駆動系
２ 高温電解槽
３ エネルギー源
４ 筺体
１０ 水素製造のためのシステム
１１ ヒータ
１２ スイッチ
１３ コントローラ
２１ セルのスタック
２２ コンジット
２３ コンジット
２４ コンジット
２１２ バイポーラプレート、連絡管
２１１１ 多孔性陽極
２１１２ 多孔性陰極
２１１３ 電解質

Claims (12)

1. 高温に予熱されて熱的に絶縁された筺体の内部に配置された１つまたは複数のセルのスタックを備え、電解反応を実施するための電源としての電気エネルギー源に接続された高温電解槽を駆動する方法であって、
   前記エネルギー源によって供給される電力を監視するステップ（Ｅ４１）と、
   前記供給される電力の値があらかじめ設定された限界値を下回ったとき、前記１つまたは複数のセルのスタックを加熱するために、前記エネルギー源によって供給される前記電力の一部分を、前記電解槽の上流において方向を変えるステップ（Ｅ４２）と、
   そうでなければ方向を変えないステップと、を含む方法。
2. 前記あらかじめ設定された限界値が、前記筺体の内部に、絶対値において５０℃／ｃｍよりも大きい熱勾配が出現する電力の値に選択されている、請求項１に記載の方法。
3. 前記電解槽セルが表面積Ｓを有し、セルにおけるガスの入口とガスの出口の間の距離がＬであり、１個のセル当りの前記限界値Ｐ_ｍｉｎが次式で選択され、
   

   

   この式で、Ｔ_{ｗａｔｅｒ}は陰極の近くに入る水蒸気の温度であり、ΔＴは最大の許容温度勾配であり、
   

   

   は一定圧力における水素の熱容量であり、
   

   

   は一定圧力における酸素の熱容量であり、
   

   

   は一定圧力における水の熱容量であり、Δ_ｒＨは水の電気分解の反応のエンタルピーであり、Δ_ｒＧは水の電気分解の反応の自由エンタルピーであり、ＳＣは水の水素への変換の割合であり、ＡＳＲは１つまたは複数のセルのスタックの表面の抵抗率であり、Ｆはファラデー定数であり、Ｒは理想気体定数である、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記方向を変えられる電力が、初期値としてＰ_{ｒｅｄ，０}＝０およびＰ_０＝Ｐ_{ｓｏｕｒｃｅ}をとり、次の式を収斂するまで反復することよって取得され、
   

   

   ｍはｍ≧０の０以上であり、ｍは反復の次数を示す、請求項３に記載の方法。
5. Ｌが、セルにおけるガスの入口と出口の間の距離であり、陰極の側から入る水蒸気の温度がＴ_{ｗａｔｅｒ}であって、ΔＴが最大の許容温度勾配を表す場合、それを下回ると方向が変えられる前記電力の前記限界値が、前記１つまたは複数のスタックの前記出口における前記ガスの温度Ｔ_{ｏｕｔｌｅｔ}が次式となる電力と等しい、請求項１または２に記載の方法。
   Ｔ_{ｏｕｔｌｅｔ}＝Ｔ_{ｗａｔｅｒ}−ΔＴ・Ｌ
6. 前記エネルギー源が断続的かつ／または変動するエネルギー源である、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記エネルギー源が再生可能なエネルギー源である、請求項６に記載の方法。
8. 水素またはシンガスを生成する方法であって、
   高温電解槽の１つまたは複数のスタックが内部に配置されている熱的に絶縁された筺体を高温に予熱するステップ（Ｅ１）と、
   前記電解槽にエネルギー源からの電力を供給するステップ（Ｅ２）と、
   前記電解槽の陰極に水を循環させて電解反応を実施するステップ（Ｅ３）と、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の駆動方法によって前記電解槽を駆動するステップ（Ｅ４）と、
   前記電解反応によって生成された酸素を陽極の近くで回収するステップ（Ｅ５）と、
   前記電解反応によって生成された水素、およびシンガス生成であれば場合により一酸化炭素を前記陰極の近くで回収するステップ（Ｅ６）と、を含む方法。
9. 前記高温が３００℃〜１０００℃の間に含まれる、請求項８に記載の方法。
10. 高温に予熱されて熱的に絶縁されている筺体の内部に配置された１つまたは複数のセルのスタックを備える高温電解槽を駆動するためのシステム（１）であって、前記電解槽がエネルギー源によって給電されるシステム（１）において、
    それに電力を供給するための前記エネルギー源に接続され、その加熱のために前記１つまたは複数のセルのスタックの近くに配置されたヒータ（１１）と、
    それへの前記給電を切断するため、または調節するために、前記エネルギー源と前記ヒータ（１１）の間に配置されたスイッチ（１２）と、
    それによって供給される前記電力を監視するために前記エネルギー源に接続されるコントローラ（１３）であって、それの制御のための前記スイッチ（１２）に接続されたコントローラ（１３）と、を備えるシステム（１）。
11. 前記ヒータ（１１）が、前記１つまたは複数のセルのスタックの内部または前記スタックのまわりに配置された１つまたは複数の電気抵抗を含む、請求項１０に記載のシステム（１）。
12. 高温電解槽（２）と、
    前記電解槽に電力を供給するように前記電解槽（２）に接続されたエネルギー源（３）と、
    前記電解槽の前記１つまたは複数のセルのスタックが内部に配置されている熱的に絶縁された筺体（４）と、
    請求項１０または請求項１１に記載の、エネルギー源（３）によって給電される前記電解槽を駆動するためのシステム（１）と、を備える水素またはシンガスを生成するためのシステム（１０）。

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