JP2017529460A - マルチスタック電気化学的圧縮機システムおよび作動方法 - Google Patents

マルチスタック電気化学的圧縮機システムおよび作動方法 Download PDF

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Abstract

マルチスタック電気化学的水素圧縮機（ＥＨＣ）システムが提供される。ＥＨＣシステムは、２個またはそれより多くのＥＨＣスタックを有していてもよく、ここで各ＥＨＣスタックは、少なくとも１個の電気化学セルおよび電力供給源を含む。ＥＨＣシステムはまた、各ＥＨＣスタックの電力供給源と連通する制御器を有していてもよく、ここで制御器は、各ＥＨＣスタックの電力供給源を独立して制御することによって、ＥＨＣシステムの総エネルギー消費を低減するように設計されている。【選択図】図１

Description

[001]本出願は、参照によりその全体が開示に組み入れられる２０１４年７月２日付けで出願された米国仮出願第６２／０２０，０３０号の利益を主張する。
[002]本発明の開示は、マルチスタック電気化学的圧縮機（ＥＨＣ）システムおよび作動方法に関し、特に、電力消費を最適化するためのマルチスタックＥＨＣシステムおよび方法に関する。
[003]水素は、従来の動力源に対する実用的な代替物として出現した。エネルギー担体としての水素の商業化の成功および「水素経済」の長期的持続可能性は主に、水素燃料電池、水素電解セル、水素生成、水素操作／管理システム（例えば、圧縮機）、および水素分配システムの、効率および費用対効果によって決まる。ガス状水素は、通常加圧封じ込めによる、便利で効率的なエネルギー貯蔵手段である。有利なことに、水素を高圧で貯蔵することは、高エネルギー密度をもたらす。
[004]電気化学的水素圧縮機（ＥＨＣ）は、水素を加圧するための、静かで、拡張性のある、モジュール式の効率的なメカニズムである。ＥＨＣは、膜電極接合体（ＭＥＡ）で形成されてもよい。ＭＥＡは、負電荷を有するアノード、正電荷を有するカソード、およびプロトン交換膜アノードとカソードとを分離することを含んでいてもよい。電流は、ＭＥＡを介して通過することができ、一方で水素を含有するガスは、負電荷を有するアノードと接触することができ、アノードにおいて、水素分子を酸化することができ、この反応は、２つの電子および２つのプロトンを生産することができる。２つのプロトンは、膜を介して正電荷を有するカソードに電気化学的に動くことができ、そこでそれらは、２つの別経路の電子と再結合して還元され、水素分子を形成することができる。この方式でのＥＨＣの作動は、時には水素ポンプと称される。正電荷を有するカソードに累積した水素が限定されたスペースに制限されると、ＥＨＣは水素を加圧する。ＥＨＣはまた、ＥＨＣスタックと称される場合もある。
[005]ＥＨＣスタックは、連続して配列させて、水素をより高い圧力に圧縮することができる多段階のＥＨＣスタックを形成することができる。ＥＨＣスタックはまた、平行して配列させて、容積容量を増加させることができるマルチスタックＥＨＣシステムを形成することもできる。従来、マルチスタックＥＨＣシステムは、２個またはそれより多くのＥＨＣスタックを含む場合がある。マルチスタックＥＨＣシステムの場合、電力供給源は、全てのＥＨＣスタックに電力を送り、システムへの総電流は、水素の処理量を維持するように制御される。この関係は、以下に示す式（１）によって表される。
Figure 2017529460
[006]それゆえに、マルチスタックＥＨＣシステムは、全てのスタックにつき同じ電流を要求する単一の負荷に対して単一の大きいスタックとして作用する。この関係は、以下に示す通り、電流については式（２）、電力については式（３）によって表すことができる。
Figure 2017529460
Figure 2017529460
[007]この作動方法の不利益の１つは、スタックの不良（例えば、誤作動または劣化）のためにその安全な範囲を超えて作動せざるを得なくなることから、悪化が迅速に進み、同時にエネルギー効率も被害を受けることである。劣化が起こる可能性を低減し、不良なスタックの安全な限界内の作動を可能にする１つの方法は、システム全体のディレーティング（derating）である。例えば、性能が不良なセルまたはスタックの場合、セルの不良またはスタックの故障を防ぐために、システム全体の電流および電力を下げてもよい。この方法は、セルの不良またはスタックの故障の可能性を低減するかもしれないが、それでもなおエネルギー効率が被害を受け、システム全体の電流および電力の低減によりシステムの処理量が低減されるため最善ではない。
[008]上述の状況を考慮して、本発明の開示は、マルチスタックＥＨＣシステムを作動させるための改善されたシステムおよび方法を提供する。
[009]一形態において、本発明の開示は、マルチスタック電気化学的水素圧縮機（ＥＨＣ）システムに関する。ＥＨＣシステムは、２個またはそれより多くのＥＨＣスタックを含んでいてもよく、ここで各ＥＨＣスタックは、少なくとも１個の電気化学セルと電力供給源とを含む。ＥＨＣシステムはまた、各ＥＨＣスタックの電力供給源と連通する制御器を含んでいてもよく、ここで制御器は、各ＥＨＣスタックの電力供給源を独立して制御することによって、ＥＨＣシステムの総エネルギー消費を低減するように設計されている。
[010]別の形態において、本発明の開示は、２個またはそれより多くのＥＨＣスタックを有するマルチスタック電気化学的水素圧縮機（ＥＨＣ）システムを制御する方法に関する。本方法は、２個またはそれより多くのＥＨＣスタックに、水素を含有するガスストリームを方向付けることを含んでいてもよい。本方法はまた、独立した電力供給源から、２個またはそれより多くのＥＨＣスタックに電力を供給すること、および各ＥＨＣスタックに独立して供給された電力を制御することを含んでいてもよい。
[011]本発明の開示の追加の目的および利点は、以下に続く記載で部分的に説明され、その記載から部分的に明白であるか、または本発明の開示の実施から理解され得る。本発明の開示の目的および利点は、特に添付の特許請求の範囲で指摘される要素および組合せによって理解され、達成されると予想される。
[012]前述の一般的な説明と以下の詳細な説明はいずれも単に典型的で説明的なものにすぎず、本発明の開示を特許請求された通りに限定しないと理解されると予想される。
[013]添付の図面は、本明細書に取り入れられ本明細書の一部を構成するものであり、本発明の開示の数々の実施態様を示し、その記載と共に、本発明の開示の原理を説明するのに役立つ。
[014]図１は、例示的な実施態様に係るマルチスタック電気化学的水素圧縮機（ＥＨＣ）システムを示す。 [015]図２は、例示的な実施態様に係るマルチスタックＥＨＣシステムを示す。 [016]図３は、マルチスタックＥＨＣシステムを作動させる例示的な開示された方法を例示するフローチャートである。 [017]図４は、マルチスタックＥＨＣシステムを作動させる例示的な開示された方法を例示するフローチャートである。 [018]図５は、マルチスタックＥＨＣシステムを作動させる例示的な開示された方法を例示するフローチャートである。
[019]以下、本発明の開示の例示的な実施態様について詳細に述べ、その実施例は、添付の図面で例示される。可能な限り、同じまたは類似の部品を指すために図面全体にわたり同じ参照番号が使用される。
[020]本発明の開示は、水素加圧などの特定の用途に関する例示的な実施態様を参照しながら本明細書に記載される。本明細書に記載される実施態様は、それらに限定されないことが理解される。当業界において通常の技術を有し本明細書で示された教示を利用する者であれば、追加の改変、用途、実施態様、および本発明の開示の範囲内に全て含まれる等価体での置換を認識しているものと予想される。したがって、本発明の開示は、前述のまたは以下の記載に限定されない。
[021]図１は、例示的な実施態様に係るマルチスタック電気化学的水素圧縮機（ＥＨＣ）システム１００の概略図である。ＥＨＣシステム１００は、１個またはそれより多くのＥＨＣスタック１２０を含んでいてもよい。例えば、ＥＨＣシステム１００は、図で示されたように、２個のＥＨＣスタック（すなわち、ＥＨＣスタック１２１およびＥＨＣスタック１２２）を含む。他の実施態様において、ＥＨＣシステム１００は、２個より多くのＥＨＣスタックを含んでいてもよい。例えば、ＥＨＣシステム１００は、３個、４個、５個、６個、７個、８個、９個、１０個、１５個、２０個、２５個またはそれより多くのＥＨＣスタックを含んでいてもよい。各ＥＨＣスタック（例えば、１２１および１２２）は、１個またはそれより多くの電気化学セルを含んでいてもよい。各ＥＨＣスタックは、単一の電気化学セルを含んでいてもよいし、または複数の電気化学セル、例えば２個から５００個の範囲またはそれより多くの電気化学セルを含んでいてもよい。ＥＨＣシステム１００内の各ＥＨＣスタックを形成する電気化学セルの数は、全てのＥＨＣスタックで同じであってもよいし、またはスタック間で変えてもよい。例えば、ＥＨＣスタック１２１が、２５０個の電気化学セルを有していてもよく、一方でＥＨＣスタック１２２が、３００個の電気化学セルを有していてもよい。
[022]各ＥＨＣスタック（例えば、１２１および１２２）は、電力供給源と電気的に連通していてもよい。例えば、ＥＨＣスタック１２１は、図１で示されたように、電力供給源１５１と電気的に連通していてもよく、一方で、ＥＨＣスタック１２２は、電力供給源１５２と電気的に連通していてもよい。各電力供給源１５１／１５２は、その対応するＥＨＣスタック１２１／１２２に電力（Ｐ）を供給するように設計されていてもよい。各電力供給源１５１／１５２は、電流（Ｉ）または電位（すなわち、電圧（Ｖ））のいずれかを調整することによって提供された電力を制御するように設計されていてもよい。いくつかの実施態様において、単一の電力供給源は、複数のＥＨＣスタック（例えば、１２１および１２２）に電力を供給するように設計されていてもよいし、各ＥＨＣスタックに供給された電力を独立して制御するように設計されていてもよい。
[023]各電力供給源１５１／１５２によって提供される電流（Ｉ）は、例えば、スタックの活性領域、セルの数、およびプロセス条件に基づいて変化してもよい。一部の実施態様によれば、電流は、約０ａｍｐから４００ａｍｐの間、０ａｍｐから６００ａｍｐの間、０ａｍｐから８００ａｍｐの間、０ａｍｐから１０００ａｍｐの間、または０ａｍｐから１０００ａｍｐ超の間で変化してもよい。また各電力供給源１５１／１５２によって提供された電圧（Ｖ）も、例えば、スタックの活性領域、セルの数、およびプロセス条件に基づいて変化してもよい。一部の実施態様によれば、電圧は、約１５ボルトから７５ボルトの間、１５ボルトから１００ボルトの間、１５ボルトから２００ボルトの間、１５ボルトから３００ボルトの間、１５ボルトから５００ボルトの間、１５ボルトから１０００ボルトの間、または１５ボルトから１０００ボルト超の間で変化してもよい。
[024]当業者に公知の通り、電力、電圧、および電流の関係は、以下に示す式（４）のように表すことができる。
Figure 2017529460
[025]したがって、電流および／または電圧を変化させることは、電力（Ｐ）も変化させ得る。各電力供給源１５１／１５２によって提供され、各ＥＨＣスタックによって消費される電力（Ｐ）は、例えば、スタックの活性領域、セルの数、およびプロセス条件に基づいても変化し得る。一部の実施態様によれば、電力は、約３５００ワットから６０００ワットの間、０ワットから７５００ワットの間、０ワットから１００００ワットの間、０ワットから２５０００ワットの間、０ワットから５００００ワットの間、または０ワットから５００００ワット超の間で変化し得る。
[026]当業者に公知の通り、電力（Ｐ）と電流（Ｉ）との関係は、以下に示す式（５）のように抵抗（Ｒ）に関して表すことができる。
Figure 2017529460
[027]各ＥＨＣスタック１２１／１２２の抵抗は、例えば、スタック中の活性領域およびセルの数に基づいて変化してもよい。またスタック中のそれぞれ個々のセルの抵抗率も、変化してもよい。一部の実施態様によれば、単一のセルは、約１０ｍΩ・ｃｍ２から２００ｍΩ・ｃｍ２の抵抗率を有し得る。
[028]ＥＨＣシステム１００はまた、制御器１１０を含んでいてもよい。制御器１１０は、各電力供給源１５１／１５２と連通するように設計されていてもよい。制御器１１０は、上述したように電流（Ｉ）および／または（Ｖ）を変化させることによって、各電力供給源１５１／１５２により電力（Ｐ）の出力を制御するように設計されていてもよい。制御器１１０は、制御器１１０によって制御された各電力供給源１５１／１５２による出力が、実質的に同じになるか、または各ＥＨＣスタック１２１／１２２で固有になるように設計されていてもよい。
[029]ＥＨＣシステム１００はまた、水素分配回路１７０を含んでいてもよく、ここで水素分配回路１７０は、水素を含有するガスを各ＥＨＣスタックに方向付け、次いで各ＥＨＣスタックから加圧された水素を収集し、それをＥＨＣシステム１００から外に方向付けるように設計されている。水素分配回路１７０は、水素を含有するガスおよび加圧された水素を運ぶように設計された複数の通路または導管を含んでいてもよい。ＥＨＣシステム１００はまた、ＥＨＣシステム１００の入口において、水素分配回路の通路中に配置された流量計１７１を含んでいてもよい。流量計１７１は、ＥＨＣシステム１００に方向付けられている水素を含有するガスの総流量を示すシグナルを生成するように設計されていてもよい。流量計１７１は、制御器１１０にシグナルを送信するように設計されていてもよい。
[030]ＥＨＣシステム１００はまた、水分配回路１３０および冷却剤分配回路１４０を含んでいてもよい。水分配回路１３０は、水のストリーム１３１（例えば、液体および／または蒸気）を各ＥＨＣスタックに分配し、次いで各ＥＨＣスタックから放出された水のストリームを収集し、水のストリームをＥＨＣシステム１００から外に方向付けるように設計された複数の通路または導管を含んでいてもよいし、または収集された水のストリームを再利用してもよい。水のストリーム１３１は、例えば各電気化学セル内の湿度を制御して電解質の伝導率を維持するために、各スタック内で使用されてもよい。
[031]冷却剤分配回路１４０は、各ＥＨＣスタックを通って冷却剤を循環させるように設計された複数の通路または導管を含んでいてもよい。各ＥＨＣスタックを通って循環する冷却剤は、スタックから熱を運ぶことによって各スタックの温度を調節するように設計されていてもよい。
[032]ＥＨＣシステム１００はまた、第１のセンサー１６１、第２のセンサー１６２、および第３のセンサー１６３を含んでいてもよい。第１のセンサー１６１は、ＥＨＣスタック１２１を出る冷却剤の温度を示すシグナルを生成するように設計されていてもよい。第２のセンサー１６２は、ＥＨＣスタック１２２を出る冷却剤の温度を示すシグナルを生成するように設計されていてもよい。第３のセンサー１６３は、ＥＨＣスタック１２１および１２２に入る冷却剤の温度を示すシグナルを生成するように設計されていてもよい。制御器１１０は、第１のセンサー１６１、第２のセンサー１６２、および第３のセンサー１６３と連通していてもよい。制御器１１０は、各シグナルを受信し、シグナルに基づいてＥＨＣスタック１２１およびＥＨＣスタック１２２内における冷却剤の温度変化を計算するように設計されていてもよい。各スタック内における冷却剤の温度変化に基づいて、制御器１１０は、温度変化および各スタックの電力を利用する各スタック内の水流分布を計算することができる。例えば、ＥＨＣスタックの物理学を考慮すれば、圧力差による電気化学ポテンシャルは、以下に示すネルンストの式を使用して計算することができる。
Figure 2017529460
[033]アノードおよびカソードにおける水素圧力は、濃度差の原因である。このネルンスト電圧は可逆的であり、スタックにおける発熱に寄与しない。電力供給源から印加された総電位から可逆的な電気化学電圧を差し引くことによって、スタックから除去する必要がある総熱量（Ｑ）を概算することができる。冷却剤の熱容量と、１６３から１６１または１６２へスタックにわたる温度上昇とを知れば、以下に示す式（７）を使用して冷却剤の流量を計算することができる。
Figure 2017529460
[034]温度変化に基づいて水流分布を計算することは、各スタックに連結される個々の流量計を除去できるようになるために、ＥＨＣシステム１００を簡略化することができる。
[035]図２は、ＥＨＣシステム１００に類似したマルチスタックＥＨＣシステム２００の概略図を例示するが、ＥＨＣシステム２００は、５個のＥＨＣスタックを含む。図２で示されるように、ＥＨＣシステム２００は、ＥＨＣスタック２２１、２２２、２２３、２２４、および２２５を含む。各ＥＨＣスタックは、電力供給源（すなわち、２５１、２５２、２５３、２５４、および２５５）と電気的に連通していてもよい。一部の実施態様において、各ＥＨＣスタックは、各ＥＨＣスタックに供給された電力を独立して制御するように設計された単一の電力供給源と電気的に連通していてもよい。言い換えれば、ここで独立した電力供給源が記載されている場合、一部の実施態様において、これらは、複数の負荷に独立して制御された電力を供給することが可能な単一の電力モジュールで置き換えることができる。
[036]ＥＨＣシステム２００はまた、各電力供給源と連通する制御器２１０を含んでいてもよい。ＥＨＣシステムはまた、水素分配回路２７０を含んでいてもよい。図２の特徴を容易に識別できるようにするため、水および冷却剤の分配回路は示されていない。しかしながら、ＥＨＣ２００は、ＥＨＣ１００と同じであるが、追加のＥＨＣスタック（例えば、２５３、２５４、および２５５）が取り入れられるように拡張された水と冷却剤両方の分配回路を含んでいてもよい。
[037]図２で示されるようなＥＨＣシステム２００を、３つの別個の数値分析試験（すなわち、試験１、試験２、および試験２）のために用いた。３つの試験に使用されたＥＨＣシステム２００内の各ＥＨＣスタックは２５６個の電気化学セルからなり、各セルは、約２５０ｃｍ２の面積を有していた。各試験につき、全てのスタックで作動圧力が等しい（すなわち、ネルンスト電位が等しい）と仮定された。
試験１
[038]試験１は、各ＥＨＣスタックに１２５０ａｍｐの総電流が供給され、等しい電流が供給される従来の電力スキームに従って、ＥＨＣシステム２００を作動させることからなっていた。このシナリオは、各スタックに供給するのにシステム全体で単一の電力供給源しか使用されない場合に予想される性能を示す。試験１の場合、対応する各電力供給源（すなわち、２５１、２５２、２５３、２５４、および２５５）から各スタック（すなわち、２２１、２２２、２２３、２２４、および２２５）に供給された電流は２５０Ａｍｐであった。以下の表１は、試験１の場合における各スタックのパラメーターおよび結果を示す。
Figure 2017529460
[039]表１で示されたように、スタック２５１は、０．０９２１６０Ωで最も高い抵抗を有し、一方でスタック２５５は、０．０６１４４０Ωで最も低い抵抗を有する。より高い抵抗の結果として、２５０ａｍｐの電流が供給されていたスタック２５１は、５７６０ワットの電力消費に至り、それに対して２５０ａｍｐの電流が供給されていたスタック２５５は、３８４０ワットの電力消費に至った。最も高い電力消費に対応して、スタック２５１は２３．０４ボルトで最も高い電位も受けた。
[040]ＥＨＣスタック２５１は、高い抵抗およびエネルギー消費のために、最も悪い性能を有するスタックと特徴付けることができる。高い抵抗およびエネルギー消費は、様々な問題、例えば、スタック内の１個またはそれより多くの不完全なセル、１個またはそれより多くのセル内の高い電解質の伝導率、低い湿度、電解質のイオン汚染、触媒被毒、内部のスタック要素間の不良な電気的接触、不適切なガス分布、熱の不均衡などによって引き起こされる可能性がある。ＥＨＣスタック２５５は、低い抵抗およびエネルギー消費のために、最良の性能のスタックと特徴付けることができる。ＥＨＣスタック２５１は、ＥＨＣスタック２５５より５０％大きい抵抗率を示し、これは、１９２０ワットより高い電力消費に等しい。各スタックによって消費された電力の少なくとも一部は、熱に変換される。したがって、ＥＨＣスタック２５１によって消費された追加の電力のために、ＥＨＣスタック１５１は、全てのスタックより高い温度で作動した。
試験２
[041]本明細書に記載されるように、試験１は、各ＥＨＣスタックに同じ量の電流（例えば、２５０ａｍｐ）が供給される従来の電力スキームを実証する。試験２では、各スタックに同じ量の電流を供給するのではなく、各スタックに、それぞれ対応する電力供給源によって同じ電位または電圧（すなわち、１８．７２ボルト）を供給した。以下の表２は、試験２における各スタックのパラメーターおよび結果を示す。
Figure 2017529460
[042]表２に示されるように、各スタックの抵抗は、試験１から変わっていない。試験２において、各スタックに供給された電位（すなわち、電圧）を各ＥＨＣスタック全体で一致させ、一方で各スタックへの個々の電流をＥＨＣスタック間で変化させた。試験２では各スタックへの個々の電流を変化させたが、総電流は、試験１と同じままになるように（すなわち、１２５０ａｍｐ）制御された。
[043]電流ではなく各スタックの電圧を一致させることにより、消費される総電力を、試験１において消費された総電力と比較して低減させることができる。総電力の低減は、最もよい性能を有するスタック（例えば、２５５）の利用の増加および最も悪い性能を有するスタック（例えば、２５１）の利用の減少に起因し得る。このような分配は、各ＥＨＣスタックに連結される個々の電力供給源のために達成することができる。
[044]ＥＨＣスタック２５５の利用の増加およびＥＨＣスタック２５１の利用の減少は、ＥＨＣスタックに適用された電流差の結果であった。表２に示されるように、ＥＨＣスタック２５１には２０３．１２ａｍｐが適用されたが、一方でＥＨＣスタック２５５には３０４．６９ａｍｐが適用された。結果として、試験２の場合、ＥＨＣスタック２５１は、最も少ない電力（すなわち、３８０３ワット）を消費したが、一方でＥＨＣスタック２５５はその時点で最も多くの電力（すなわち、５７０４）を消費した。それゆえに、最も悪い性能を有するスタック（例えば、２５１）が最も高い温度で稼働する試験１とは対照的に、最もよい性能を有するスタック（例えば、２５５）は、その時点で最も高い温度で稼働するスタックである。
[045]試験２の場合、消費された総電力は、試験１で消費された電力より４０８ワット少ない２３４００ワットであった。したがって、総電流を同じ（例えば、１２５０ａｍｐ）に維持しながらＥＨＣスタックの電位を一致させること（例えば、１８．７２ボルト）は、消費される電力を約１．７１％低減させた。この電力スキームの関係は、以下に示す式（８）および式（９）で表すことができる。
Figure 2017529460
Figure 2017529460
試験３
[046]試験３において、電位を一致させるのではなく、総電流を１２５０ａｍｐに維持し、一方で各ＥＨＣスタックの消費電力（Ｐ）が一致するように電圧を変化させた。この関係は、以下に示す式（１０）で表すことができる。
Figure 2017529460
[047]以下の表２は、試験３における各スタックのパラメーターおよび結果を示す。
Figure 2017529460
[048]表３に示されるように、各スタックの抵抗は、試験１および２から変わっていない。各ＥＨＣスタックの結果得られた消費電力値は、約４，７００．３４ワットであり、２３，５０１．７２ワットの総電力を作り出したことから、これは、試験１の電力値と比べて１．２９％の節約である。試験３の節約は試験２より少ないが、各ＥＨＣスタックの消費される電力を一致させることは、等しい熱負荷を維持し、そのためシステム全体の耐久性および寿命の改善に寄与し得る。
[049]図３は、マルチスタックＥＨＣシステムによって実行される例示的なプロセスを例示する。本明細書に記載されるプロセスは、ＥＨＣシステム１００および／またはＥＨＣシステム２００に加えて他の実施態様にも対応し得る。本明細書に記載されるようなＥＨＣシステム１００／２００は、工程３０２において、水素を含有するガスストリームが２個またはそれより多くのＥＨＣスタックに方向付けることができるように設計されていてもよい。工程３０４において、電力を各ＥＨＣスタックに適用することができ、ＥＨＣシステム１００／２００内における各ＥＨＣスタックの抵抗の決定が可能になるように、制御器１１０／２１０が設計されていてもよい。
[050]工程３０６において、制御器１１０／２１０は、望ましい水素の処理量に基づいて、ＥＨＣシステム１００に供給されるべき総電流（Ｉ）を決定してもよい。制御器１１０／２１０は、例えばフローセンサー１７１／２７１から、望ましい水素の処理量を受信してもよいし、または使用者のプログラム化された入力であってもよい。総電流は、ＥＨＣシステム１００に供給された水素を含有するガスストリームの圧力および流量に基づいて変化し得る。工程３０８において、制御器１１０／２１０は、試験２で説明されるように、各ＥＨＣに適用された電位を一致させ、総電流値を獲得しながらＥＨＣスタック間の電流分布を最適化することによって作動することができる。
[051]図４は、図３で例示されているプロセスに類似した、マルチスタックＥＨＣシステム１００によって実行される例示的なプロセスを示す。図４に示される工程４０２、４０４、および４０６は、図３に示される工程３０２、３０４、および３０６と同じであってもよい。図４に示される工程４０８は、工程３０８と異なっていてもよい。工程４０８において、各ＥＨＣスタックの電力を一致させ、一方で総電流値を獲得しながらＥＨＣスタック間の電流分布を最適化することによって、制御器１１０／２１０を試験３で説明されるように作動させることができる。
[052]図５は、図４で例示されているプロセスに類似した、マルチスタックＥＨＣシステム１００によって実行される例示的なプロセスを例示する。図５に示される工程５０２および５０６は、図４に示される工程４０２および４０６と同じであってもよい。図５に示される工程５０４および５０８は、工程４０４および４０８と異なっていてもよい。工程５０４において、電力を各ＥＨＣスタックに適用することができ、ＥＨＣシステム１００／２００内における各ＥＨＣスタック全体にわたる温度上昇（例えば、差）の決定が可能になるように、制御器１１０／２１０が設計されていてもよい。例えば、温度上昇は、ＥＨＣ全体にわたる水の温度もしくは冷却剤の温度の上昇に基づいて、またはＥＨＣスタックの物理的構造における上昇だけに基づいて計算することができる。工程５０８において、各ＥＨＣスタックの電位または電力のいずれかを一致させ、一方で総電流値を獲得しながらＥＨＣスタック間の電流分布を最適化することによって、制御器１１０／２１０を試験２または試験３のいずれかで説明されるように作動させてもよい。各セルに電力分布を設定することにおいて、各セルの温度上昇が、制御器１１０／２１０によって利用されてもよい。
[053]開示されたシステムおよび方法に様々な改変およびバリエーションを施し得ることが、当業者には明らかであると予想される。他の実施態様は、開示されたシステムおよび方法の詳細と実施の考察から当業者には明らかであると予想される。明細書および実施例は単なる例示とみなされ、真の範囲は、以下の特許請求の範囲およびそれらと等価なものにより示されることが意図される。
１００ マルチスタックＥＨＣシステム
１１０ 制御器
１２０、１２１、１２２ＥＨＣスタック
１３０ 水分配回路
１３１ 水のストリーム
１４０ 冷却剤分配回路
１５１、１５２ 電力供給源
１６１ 第１のセンサー
１６２ 第２のセンサー
１６３ 第３のセンサー
１７０ 水素分配回路
１７１ 流量計、フローセンサー
２００ マルチスタックＥＨＣシステム
２２１、２２２、２２３、２２４、２２５ ＥＨＣスタック
２５１、２５２、２５３、２５４、２５５ 電力供給源
２１０ 制御器
２７０ 水素分配回路
２７１ フローセンサー
３０２、３０４、３０６、３０８ 工程
４０２、４０４、４０６、４０８ 工程
５０２、５０４、５０６、５０８ 工程

Claims (17)

  1. マルチスタック電気化学的水素圧縮機（ＥＨＣ）システムであって、
    ２個またはそれより多くのＥＨＣスタックであって、ここで各ＥＨＣスタックは、
    少なくとも１個の電気化学セル；および
    電力供給源
    を含む、ＥＨＣスタック；並びに
    各ＥＨＣスタックの該電力供給源と連通する制御器
    を含み、ここで該制御器は、各ＥＨＣスタックの該電力供給源を独立して制御することによって、該ＥＨＣシステムの総エネルギー消費を低減するように設計されている、上記ＥＨＣシステム。
  2. 各ＥＨＣスタックの前記電力供給源の制御は、望ましい水素の処理量に基づいて前記システムへの総電流の流れを維持しながら、各スタックの電力を一致させることを含む、請求項１に記載のＥＨＣシステム。
  3. 各ＥＨＣスタックの前記電力供給源の制御は、各スタックによる発熱を実質的に一致させることを含む、請求項２に記載のＥＨＣシステム。
  4. 各ＥＨＣスタックの前記電力供給源の制御は、各ＥＨＣスタックに適用された電流分布を最適化しながら各ＥＨＣスタックに適用された電位を実質的に一致させることによって、前記システムによって消費された総電力を低減することを含む、請求項１に記載のＥＨＣシステム。
  5. 最もよい性能を有するＥＨＣスタックは、最も高い温度のスタックであるように設計されており、そして最も悪い性能を有するＥＨＣスタックは、最も低い温度のスタックであるように設計されている、請求項４に記載のＥＨＣシステム。
  6. 前記制御器は、各スタックの熱負荷が実質的に等しくなるように前記電力を制御することによってスタックの耐久性を増加させるようにさらに設計されている、請求項１に記載のＥＨＣシステム。
  7. 各ＥＨＣスタックを通って水を循環させるように設計された水分配回路；
    各ＥＨＣスタックを通って冷却剤を循環させるように設計された冷却剤分配回路；および
    ２個またはそれより多くのセンサー
    をさらに含み、ここで、
    少なくとも１個のセンサーは、各スタックの出口において該冷却剤分配回路中に配置され、そしてスタックの出口における冷却剤温度を示すシグナルを生成するように設計されており；
    少なくとも１個のセンサーは、該冷却剤分配回路中に配置され、各スタックの入口における冷却剤温度を示すシグナルを生成するように設計されており；
    前記ＥＨＣシステムは、各スタックを通る水流分布が各スタックを通る該冷却剤の温度差に基づいて決定されるように設計されている、請求項１に記載のＥＨＣシステム。
  8. 各ＥＨＣスタックにわたる温度差を示すシグナルを生成するように設計された少なくとも２個のセンサー
    をさらに含み、ここで前記制御器は、各スタックの温度差が、前記電力供給源の電力分布の決定に利用されるように設計されている、請求項１に記載のＥＨＣシステム。
  9. ２個またはそれより多くのＥＨＣスタックを有するマルチスタック電気化学的水素圧縮機（ＥＨＣ）システムを制御する方法であって、
    ２個またはそれより多くのＥＨＣスタックに、水素を含有するガスストリームを方向付けること；
    独立した電力供給源から、２個またはそれより多くのＥＨＣスタックに電力を供給すること；および
    各ＥＨＣスタックに独立して供給された該電力を制御すること
    を含む、上記方法。
  10. 前記電力を制御することは、前記ＥＨＣシステムの総エネルギー消費を低減する、請求項９に記載の方法。
  11. 前記電力を制御することは、水素の望ましい処理量を満たすのに十分な前記システムへの総電流を維持しながら、各ＥＨＣスタックの前記電力を一致させることを含む、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記電力を制御することは、各ＥＨＣスタックからの熱負荷を実質的に一致させることをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記電力を制御することは、各ＥＨＣスタックに適用された電流分布を最適化しながら各ＥＨＣスタックに適用された電位を実質的に一致させることによって、前記システムによって消費された総電力を低減することを含む、請求項９に記載の方法。
  14. 前記電力を制御することは、前記システムの最もよい性能を有するＥＨＣスタックに、それが最も高い温度のスタックになるように最も多くの電流を供給すること、一方で、前記システムの最も悪い性能を有するＥＨＣスタックに、それが最も低い温度のスタックになるように最も少ない電流を供給することを含む、請求項９に記載の方法。
  15. 前記電力を制御することが、実質的に全ての前記スタックの熱負荷を平均させることにより、スタックの耐久性を増加させることを含む、請求項９に記載の方法。
  16. 各ＥＨＣスタックを通って水を循環させること；
    各ＥＨＣスタックを通って冷却剤を循環させること；
    各スタックを出る該冷却剤の温度を検出すること；
    各スタックに入る該冷却剤の温度を検出すること；
    各スタックを通る該冷却剤の温度差を計算すること；
    各スタックを通る該冷却剤の温度差に基づいて各スタックを通る水流分布を決定すること
    をさらに含む、請求項９に記載の方法。
  17. 各ＥＨＣスタックにわたる温度差を検出すること
    をさらに含み、ここで前記電力を独立して制御することは、独立した電力供給源からの電力分布の決定において、各スタックの該温度差を利用することを含む、請求項９に記載の方法。
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