JP2018532049A - 水を電気分解するシステム(soec)又は高圧下で動作するフルセルスタック(sofc)、それらの改良された制御 - Google Patents
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Abstract
Description
H2O→H2+(1/2)O2
−二水素を生成するために水蒸気を供給することを意図した第1の多孔性導電性電極12又は「カソード」、
−カソード上に注入された水の電気分解によって生成された二酸素(O2)が脱離する第2の多孔性導電性電極14又は「アノード」、及び、
−カソード12とアノード14との間に挟まれた固体酸化物膜(高密度電解質)16であって、高温、通常は600℃より高い温度でアニオン伝導性である固体酸化物膜(高密度電解質)16、
を含む。
−潜在的に湿った気体である第1の気体が循環するのに適している少なくとも1つの第1のチャンバ、
−潜在的に湿った気体を最大動作圧力Pmaxまで前記第1のチャンバの入口に供給するのに適した少なくとも1つの第1の供給ラインであって、ゼロ値から最大値DH,maxの間に前記第1の気体の流量DHを調整するのに適した第1の流量調整器を備える少なくとも1つの第1の供給ライン、
−第2の気体が循環するのに適した少なくとも1つの第2のチャンバ、
−前記第2のチャンバの入口に第2の気体を供給するのに適した少なくとも1つの第2の供給ラインであって、ゼロ値から最大値DO,maxの間に前記第2の気体の流量DOを調整するのに適した第2の流量調整器を備える少なくとも1つの第2の供給ライン、
−前記第1及び第2のチャンバが収容される筐体であって、前記筐体内で均等化気体と称される第3の気体が循環するのに適しており、前記最大動作圧力Pmaxまで前記均等化気体の圧力下で作動するのに適している筐体、
−好ましくは空気である均等化気体を前記筐体の内部に供給するのに適した第3の供給ラインであって、ゼロ値から最大値Dair,maxの間に前記均等化気体の流量Dairを調整するのに適した第3の流量調整器を備える第3の供給ライン、
−大気圧から前記最大圧力値Pmaxの間の、前記第1及び第2のチャンバの各々及び前記筐体の圧力を測定するのに適した圧力センサ(PH、PO、Pair)、
−前記筐体の外側に配置され、それぞれ前記第1の1つのチャンバ又は複数のチャンバの、前記第2の1つのチャンバ又は複数のチャンバの、及び前記筐体の出口ラインに配置される少なくとも3つの調整弁(VH、VO、Vair)であって、各弁が、考えられる前記最大圧力Pmaxにおける前記湿った気体の凝縮温度より高い温度で各々が作動するのに適しており、各弁が、0%から100%まで開くのに適しており、前記最大圧力Pmax及び前記3つの出口ラインの各々で考えられる前記気体の平均流量に適した容量Kvを有する、少なくとも3つの調整弁(VH、VO、Vair)、
−前記湿った気体を含む前記ラインを、考えられる前記最大圧力Pmaxでこの湿った気体の前記凝縮温度より高い温度に加熱する手段、及び、
−前記第1の1つのチャンバ又は複数のチャンバ、前記第2の1つのチャンバ又は複数のチャンバ及び前記筐体の間の最小の圧力差を得るための前記圧力センサによって測定された圧力値の差の関数として調整弁(VH、VO、VAir)に指令を送って自動的に制御する指令及び自動制御手段を含み、
前記筐体及び前記チャンバの上流及び下流に気体を循環するための前記ラインの容積、すなわち、前記第1の1つのチャンバ又は複数のチャンバの容積であるVolH、前記第2の1つのチャンバ又は複数のチャンバの容積であるVolO、及び、前記筐体の容積Volairを含むことによって、前記流量調整器が、VolH/DH,max=VolO/DO,max=Volair/Dair,maxの比に適合するような大きさである、システムに関する。
−所定の動作点の電気化学的安定性を確保するために、一方のチャンバの上流で湿った気体の流量DHを調整する段階と、
−さらに一般的には高温である湿った気体を含む気体のスタックの下流に配置された調整弁VH、VO及びVairによって圧力を支配する段階と、
からなる。
(a)以下の動作設定値を規定する段階:
(a1)所定の電気化学的な動作点に必要な潜在的に湿った気体の量に対応する流量DHを規定する段階と、
(a2)所定の電気化学的な動作点に必要な第2の気体の量に対応する流量DOを規定する段階と、
(a3)漏れに関する検出及び安全性、並びに、前記筐体内の爆発性雰囲気の形成を防止するのに必要な第2の気体の量に対応する流量Dairを規定する段階と、
(a4)前記所定の動作点における圧力Psetpointを規定する段階と、
(a5)前記第2の1つのチャンバ又は複数のチャンバ内で支配的な圧力の偏差と前記第1の1つのチャンバ又は複数のチャンバ内で支配的な圧力の偏差との間の圧力の偏差に対応する差圧ΔPO,setpointを規定する段階と、
(a6)前記筐体内の圧力の偏差と前記第1の1つのチャンバ又は複数のチャンバ内で支配的な圧力の偏差との間の圧力の偏差に対応する差圧ΔPair,setpointを規定する段階と、
(b)以下の調整を使用する段階:
(b1)前記湿った気体の流量DHを調整するために、前記湿った気体の流量調整器を作動させる段階と、
(b2)前記第2の1つのチャンバ又は複数のチャンバに入る前記流量DOを調整するために前記第2の気体の流量調整器を作動させる段階と、
(b3)前記筐体に入る前記流量Dairを調整するために前記均等化気体の流量調整器を作動させる段階と、
(b4)前記第1の1つのチャンバ又は複数のチャンバの実際の圧力PHを前記設定値Psetpointに調整するために、前記湿った気体用の調整弁VHを作動させる段階と、
(b5)前記第2の1つのチャンバ又は複数のチャンバと前記第1の1つのチャンバ又は複数のチャンバとの間の実際の差圧ΔPO=(PO−PH)が前記設定値(ΔPO,setpoint−ΔPO)に関して測定された誤差の関数として調整され、前記第2の気体の圧力POが、前記設定値の差圧ΔPO,setpointを有する前記第1の1つのチャンバ又は複数のチャンバのPHに従うように、前記第2の気体の弁V0を作動させる段階と、
(b6)前記筐体と前記第1の1つのチャンバ又は複数のチャンバとの間の実際の差圧ΔPair=(Pair−PH)が前記設定値(ΔPair,setpoint−ΔPair)に関して測定された誤差の関数として調整され、前記筐体の均等化気体の圧力Pairが、前記設定値の差圧ΔPair,setpointを有する前記第1の1つのチャンバ又は複数のチャンバのPHに従うように、前記均等化気体の弁Vairを作動させる段階と、
を含む、上記のシステムの動作方法に関する。
−VOが閉鎖する危険性がある場合、流量DOは増加する。
−VOが完全に開く危険性がある場合、流量DOは減少する。
−Vairが閉鎖する危険性がある場合、流量Dairは増加する。
−Vairが完全に開く危険性がある場合、流量Dairは減少する。
−その上に流量調整器が配置された、最大動作圧力Pmaxまでチャンバ21の入口に水蒸気を供給するのに適した供給ラインであって、その流量が、水蒸気及び生成された水素DHの流速をゼロ値から最大値DH,maxまでに制御するのに適した供給ラインと、
−その上に流量調整器が配置された、チャンバ23の入口に酸素を供給するのに適した供給ラインであって、その流量調整器が、酸素の流量DOをゼロ値から最大値DO,maxまでに調整するのに適した供給ラインと、
−そのチャンバ21、23を有するスタック20が収容された筐体40であって、均等化気体としての筐体の空気が、循環するのに適し、その筐体が、最大動作圧力Pmaxまでの圧力下で動作するのに適している筐体40と、
−筐体の内部に空気を供給するのに適した供給ラインであって、その上に流量調整器が配置され、その流量調整器が、ゼロ値から最大値Dair,maxの空気の流量Dairを調整するのに適している供給ラインと、
−大気圧から最大圧力値Pmaxの間のチャンバ21、23の圧力及び筐体40の圧力を測定するのに適した圧力センサPH、PO、Pairと、
−筐体40の外側に配置され、それぞれチャンバ21、チャンバ23及び筐体40の出口ラインに配置される、少なくとも3つの調整弁VH、VO、Vairであって、各弁が、考えられる最大圧力Pmaxで湿った気体の凝縮温度より高い温度で動作し、各弁が、0%から100%まで開けられるのに適しており、最大圧力Pmax及び3つの出口ラインの各々において考えられる気体の平均流量に適した容量Kvを有する、少なくとも3つの調整弁VH、VO、Vairと、
−水蒸気のライン及び生成された水素のラインを、考えられる最大圧力Pmaxにおけるこの湿った気体の凝縮温度よりも高い温度まで加熱する手段と、
−チャンバ21の出口ライン上の調整弁VHの下流に配置された凝縮器50と、
−チャンバ21、23及び筐体40の間に最小圧力差を得るように、圧力センサによって測定された圧力値の差の関数として調整弁(VH、VO、Vair)に指令を与えて自動的に制御する指令及び自動制御手段と、
を備える。
−スタック20の上流で、固体酸化物セルの動作点の安定性を確保するために、オペレータによって定められた水蒸気と水素DHとの混合物からなる気体の流量を調整する段階、
−スタック20の上流で、固体酸化物セルの動作点の安定性を確保するために、オペレータによって定められた空気の流量DOを調整する段階、
−筐体40の上流で、システムの安全を確保するためにオペレータによって定められた空気の流量Dairを調整する段階、
−スタック20の下流の調整弁VHによって、水素チャンバ21の圧力をオペレータ設定値Psetpointに調整する段階、
−スタック20の下流に配置された調整弁VOによって、ΔPO=(PO−PH)である、酸素と水素のチャンバ23及び21の間の圧力の偏差ΔPO,setpointを設定値に調整する段階、
−筐体40の出口における調整弁Vairによって、筐体40と水素チャンバ21との間の圧力偏差ΔPair=(Pair−PH)をオペレータの設定値ΔPair,setpointに調整する段階、
−弁VOが5%未満で閉じ、又は80%を超えて開く場合、酸素の流量DOを10%のステップで周期的に調整する段階、
−弁Vairが5%未満で閉じ、又は80%を超えて開く場合に、空気の流量Dairを10%ステップで周期的に調整する段階、
からなる。
−0から10l/hの範囲内の水蒸気/水素の流量DH、
−0から10l/hの範囲内の空気の流量DO、
−0から100l/hの範囲内の空気の流量Dair、
−大気圧から30バールの範囲内のPsetpoint、
−―100から100mbarの範囲内、好ましくは50mbarのΔPO,setpoint、
−圧力下で筐体40内の水素の漏れを防止するために、−100から+100mbarの範囲内、好ましくは50mbarのΔPair,setpoint。
−偏差(Psetpoint−PH)に対する調整弁VHを自動的に制御する。
−差圧ΔPO=(PO−PH)を計算する。
−偏差(ΔPO−ΔPO,setpoint)に対して調整弁VOを自動的に制御する。
−差圧ΔPair=(Pair−PH)を計算する。
−偏差(ΔPO−ΔPO,setpoint)に対する調整弁VOを自動的に制御する。
5秒間にわたってVO<5%の場合、DOは10%増加し、
2秒間にわたってVO<3%の場合、DOは10%増加し、
5秒間にわたってVO>80%の場合、DOは10%減少し、
2秒間にわたってVO>90%の場合、DOは10%減少する。
−5秒間にわたってVair<5%の場合、Dairは10%増加し、
−2秒間にわたってVair<3%の場合、Dairは10%増加し、
−5秒間にわたってVair>80%の場合、Dairは10%減少し、
−2秒間にわたってVair>90%の場合、Dairは10%減少する。
−均等化気体用の側方搬送パイプ14は、下部の相互接続部5.2、5.3の側方搬送導管58に接続されており、均等化気体用の回収パイプ15は、下部の相互接続部の側方回収導管58に接続されている(図10、図17及び図18)。
−空気中央搬送パイプ16は、下部の相互接続部5.2又は5.3の搬送中央パイプに接続され(図12、13、15及び18)、生成された酸素のための回収パイプ19は、下部の相互接続部5.2又は5.3の環状の凹部57に接続されている(図12、13、15及び18)
−水蒸気中央搬送パイプ17は、それ自体が上側の相互接続部5.1(図13、16及び18)の搬送側方導管に開口する下側の相互接続部5.2又は5.3の搬送側方導管に接続され、回収生成された水素のためのパイプ18は、下部の相互接続部の側方回収導管59に接続される(図13、16及び18)。
12 カソード
14 アノード
16 固体酸化物膜
18 相互接続プレート
20 スタック
22 水蒸気供給部
24 可変弁
26 気体収集器
28 電力供給源
30 端子
32 端子
Claims (11)
- −潜在的に湿った気体である第1の気体が循環するのに適している少なくとも1つの第1のチャンバ(21)、
−潜在的に湿った気体を最大動作圧力Pmaxまで前記第1のチャンバの入口に供給するのに適した少なくとも1つの第1の供給ラインであって、ゼロ値から最大値DH,maxの間に前記第1の気体の流量DHを調整するのに適した第1の流量調整器を備える少なくとも1つの第1の供給ライン、
−第2の気体が循環するのに適した少なくとも1つの第2のチャンバ(23)、
−前記第2のチャンバの入口に第2の気体を供給するのに適した少なくとも1つの第2の供給ラインであって、ゼロ値から最大値DO,maxの間に前記第2の気体の流量DOを調整するのに適した第2の流量調整器を備える少なくとも1つの第2の供給ライン、
−前記第1及び第2のチャンバが収容される筐体(40)であって、前記筐体内で均等化気体と称される第3の気体が循環するのに適しており、前記最大動作圧力Pmaxまで前記均等化気体の圧力下で作動するのに適している筐体(40)、
−好ましくは空気である均等化気体を前記筐体の内部に供給するのに適した第3の供給ラインであって、ゼロ値から最大値Dair,maxの間に前記均等化気体の流量Dairを調整するのに適した第3の流量調整器を備える第3の供給ライン、
−大気圧から前記最大圧力値Pmaxの間の、前記第1及び第2のチャンバの各々及び前記筐体の圧力を測定するのに適した圧力センサ(PH、PO、Pair)、
−前記筐体の外側に配置され、それぞれ前記第1の1つのチャンバ又は複数のチャンバの、前記第2の1つのチャンバ又は複数のチャンバの、及び前記筐体の出口ラインに配置される少なくとも3つの調整弁(VH、VO、Vair)であって、各弁が、考えられる前記最大圧力Pmaxにおける前記湿った気体の凝縮温度より高い温度で各々が作動するのに適しており、各弁が、0%から100%まで開くのに適しており、前記最大圧力Pmax及び前記3つの出口ラインの各々で考えられる前記気体の平均流量に適した容量Kvを有する、少なくとも3つの調整弁(VH、VO、Vair)、
−前記湿った気体を含む前記ラインを、考えられる前記最大圧力Pmaxでこの湿った気体の前記凝縮温度より高い温度に加熱する手段、及び、
−前記第1の1つのチャンバ又は複数のチャンバ、前記第2の1つのチャンバ又は複数のチャンバ及び前記筐体の間の最小の圧力差を得るための前記圧力センサによって測定された圧力値の差の関数として調整弁(VH、VO、VAir)に指令を送って自動的に制御する指令及び自動制御手段を含み、
前記筐体及び前記チャンバの上流及び下流に気体を循環するための前記ラインの容積、すなわち、前記第1の1つのチャンバ又は複数のチャンバの容積であるVolH、前記第2の1つのチャンバ又は複数のチャンバの容積であるVolO、及び、前記筐体の容積Volairを含むことによって、前記流量調整器が、VolH/DH,max=VolO/DO,max=Volair/Dair,maxの比に適合するような大きさである、システム。 - 前記第1の1つのチャンバ又は複数のチャンバの出口ライン上で、前記調整弁VHの下流に配置された、前記湿った気体用の凝縮器(50)を含むことを特徴とする、請求項1に記載のシステム。
- 前記第2の気体V0及び前記均等化気体Vair用の弁の完全な開閉状態を避けるために、前記指令及び自動制御手段がさらに、前記第2の気体V0及び前記均等化気体VAir用の調整弁の開放状態の関数として前記第2の気体DO及び前記均等化気体DAir用の流量調整器に指令を送って自動的に制御するのに適している、請求項1又は2に記載のシステム。
- アノード、カソード並びに前記アノード及び前記カソードの間に挿入された電解質をそれぞれが含む固体酸化物基本電解セル又は共電解セルのスタック(20)を備える高温電気分解又は共電解(HTE)反応器を備え、前記セルが、直列に電気的に接続され、前記スタックが、前記セルに電流を供給する2つの電気端子を備え、第1のチャンバとして前記カソードに水蒸気及び水素、又は、蒸気、水素及び二酸化炭素(CO2)を循環するためのチャンバ、及び、第2のチャンバとして前記アノードに空気又は窒素又は酸素又は酸素を含む気体混合物を循環するためのチャンバを画定する、請求項1から3の何れか一項に記載のシステム。
- アノード、カソード並びに前記アノード及び前記カソードの間に挿入された電解質をそれぞれが含む固体酸化物基本電気化学セルのスタック(20)を備える高温燃料電池(SOFC)スタックを備え、前記セルが、直列に電気的に接続され、前記スタックが、前記セルの電流回復のための2つの電気端子を備え、第1のチャンバとして前記アノードに二水素又は他の燃料気体又は燃料気体を含む混合物を循環するためのチャンバ、及び、第2のチャンバとして前記カソードに空気又は窒素又は酸素又は酸素を含む気体混合物を循環するチャンバを画定する、請求項1から3の何れか一項に記載のシステム。
- それぞれ前記第1のチャンバの各々、前記第2のチャンバの各々及び前記筐体の圧力をそれぞれが測定するのに適した絶対圧力(PH、P0、Pair)用の少なくとも3つのセンサを備える、請求項1から5の何れか一項に記載のシステム。
- 各々が前記第1のチャンバの各々の圧力を測定するのに適した、絶対圧力(PH)用の少なくとも1つのセンサを備え、前記第2の1つのチャンバ又は複数のチャンバ及び前記第1の1つのチャンバ又は複数のチャンバの圧力差ΔPO=(PO−PH)、並びに、前記筐体及び前記第1の1つのチャンバ又は複数のチャンバの圧力差ΔPair=(Pair−PH)をそれぞれ測定するのに適した少なくとも2つの差動センサを備える、請求項1から5の何れか一項に記載のシステム。
- 各々が前記調整弁VH、VO及びVairとそれぞれ並列に配置されたバイパス弁VH,bypass、VO,bypass及びVair,bypassをさらに備える、請求項1から7の何れか一項に記載のシステム。
- (a)以下の動作設定値を規定する段階:
(a1)所定の電気化学的な動作点に必要な潜在的に湿った気体の量に対応する流量DHを規定する段階と、
(a2)所定の電気化学的な動作点に必要な第2の気体の量に対応する流量DOを規定する段階と、
(a3)漏れに関する検出及び安全性、並びに、前記筐体内の爆発性雰囲気の形成を防止するのに必要な第2の気体の量に対応する流量Dairを規定する段階と、
(a4)前記所定の動作点における圧力Psetpointを規定する段階と、
(a5)前記第2の1つのチャンバ又は複数のチャンバ内で支配的な圧力の偏差と前記第1の1つのチャンバ又は複数のチャンバ内で支配的な圧力の偏差との間の圧力の偏差に対応する差圧ΔPO,setpointを規定する段階と、
(a6)前記筐体内の圧力の偏差と前記第1の1つのチャンバ又は複数のチャンバ内で支配的な圧力の偏差との間の圧力の偏差に対応する差圧ΔPair,setpointを規定する段階と、
(b)以下の調整を使用する段階:
(b1)前記湿った気体の流量DHを調整するために、前記湿った気体の流量調整器を作動させる段階と、
(b2)前記第2の1つのチャンバ又は複数のチャンバに入る前記流量DOを調整するために前記第2の気体の流量調整器を作動させる段階と、
(b3)前記筐体に入る前記流量Dairを調整するために前記均等化気体の流量調整器を作動させる段階と、
(b4)前記第1の1つのチャンバ又は複数のチャンバの実際の圧力PHを前記設定値Psetpointに調整するために、前記湿った気体用の調整弁VHを作動させる段階と、
(b5)前記第2の1つのチャンバ又は複数のチャンバと前記第1の1つのチャンバ又は複数のチャンバとの間の実際の差圧ΔPO=(PO−PH)が前記設定値(ΔPO,setpoint−ΔPO)に関して測定された誤差の関数として調整され、前記第2の気体の圧力POが、前記設定値の差圧ΔPO,setpointを有する前記第1の1つのチャンバ又は複数のチャンバのPHに従うように、前記第2の気体の弁V0を作動させる段階と、
(b6)前記筐体と前記第1の1つのチャンバ又は複数のチャンバとの間の実際の差圧ΔPair=(Pair−PH)が前記設定値(ΔPair,setpoint−ΔPair)に関して測定された誤差の関数として調整され、前記筐体の均等化気体の圧力Pairが、前記設定値の差圧ΔPair,setpointを有する前記第1の1つのチャンバ又は複数のチャンバのPHに従うように、前記均等化気体の弁Vairを作動させる段階と、
を含む、請求項1から8の何れか一項に記載のシステムの動作方法。 - 前記第2の気体の調整弁V0及び前記均等化気体の調整弁Vairがそれぞれ完全な閉状態に近い場合、前記第2の気体D0及び前記均等化気体Dairの流量増加段階をさらに含むことを特徴とする、請求項9に記載の動作方法。
- 前記第2の気体の調整弁V0及び前記均等化気体の調整弁Vairがそれぞれ完全な開状態に近い場合、前記第2の気体D0及び前記均等化気体DAirの流量減少段階をさらに含むことを特徴とする、請求項9に記載の動作方法。
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