JP2021161540A - 電気分解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】よりエネルギ効率の高い電気分解を行う装置、およびその操作方法を提供する。
【解決手段】電気分解装置１を説明するものであり、当該電気分解装置は、それぞれ電解槽１１と当該電解槽に直流電力（Ｕ_ＤＣ，Ｉ_ＤＣ）を供給するように構成されたＡＣ‐ＤＣ電力変換器１１０とを含む、複数の電解質ユニット１１Ｕと、それぞれ複数の電解質ユニットを含む、複数の電解質アセンブリ１１Ａと、複数の電機子巻線１０Ｗを有する発電機１０Ｇを含む少なくとも１つの風力タービンであって、各電機子巻線が１つずつの電解質アセンブリに交流電力を供給する、風力タービンと、発電機の電力出力に基づいて、電解質ユニットのＡＣ‐ＤＣ電力変換器を調節するように構成された変換器ユニットコントローラ１１Ｃと、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気分解装置、および電気分解装置を操作する方法を説明するものである。

電解槽は、電気を使って自然界に存在する物質から元素を分離する装置である。例えば、水から水素と酸素とを分離することができる。二酸化炭素を電解転換することで、メタンまたはエチレンなどの種々の製品を作ることができる。

電気分解には、直流電圧および直流電流が必要である。しかし、電解プラントは、一般的にはＡＣ系統電力を利用している。そのため、電気分解の全体的な効率は、電解プラントでの降圧変換およびＡＣ‐ＤＣ変換など、種々の変換ステージによって決定される。

環境保護の観点から、化石燃料ではなく、再生可能エネルギ源を使用することが望まれている。電源としての風力エネルギの普及が進んでおり、多くの洋上風力発電所からの電力が電力網に供給されている。このことは、風力タービンレベルでのＡＣ‐ＤＣ‐ＡＣ変換、風力タービンレベルでの昇圧変換、ウィンドパークレベルでの昇圧変換、配電網レベルでの降圧変換などの変換ステージの追加により、電気分解の全体的な効率がさらに低下することを意味している。

また、風力発電は変動する性質を有しており、その点も考慮する必要がある。弱風または暴風雨の状況では、ウィンドパークは十分な電力を供給できない場合がある。かかる場合、電気分解設備に供給される電力は、再生不能資源から供給される可能性がある。

したがって、本発明の目的は、よりエネルギ効率の高い電気分解を行う方法を提供することである。

この目的は、請求項１の電気分解装置、およびかかる電気分解装置を操作する請求項１３の方法によって達成される。

本発明によれば、電気分解装置は、それぞれ電解槽と当該電解槽に直流電力を供給するように構成されたＡＣ‐ＤＣ電力変換器とを含む、複数の電解質ユニットと、それぞれ複数の電解質ユニットを含む、複数の電解質アセンブリと、複数の電機子巻線を有する発電機を含む少なくとも１つの風力タービンであって、各電機子巻線が１つずつの電解質アセンブリに交流電力を供給する、風力タービンと、発電機の電力出力に基づいて、電解質ユニットのＡＣ‐ＤＣ電力変換器を調節するように構成された変換器ユニットコントローラと、を含む。

本発明の文脈で使用される場合、電解質ユニットは、１つ以上の電解槽を含むと理解することができる。２つ以上の電解槽が共通の電源で駆動される装置は、概して「電解スタック」と称される。以下では、「電解槽」、「セル」、「電解スタック」および「スタック」という用語は、互換的に使用されうる。

本発明の文脈では、電気分解装置の風力タービンが電気分解を行うことに特化していること、すなわち、当該風力タービンによって生成された電力は、本質的に電気分解ユニットを駆動するためにのみ使用されることが理解されよう。つまり、本発明の電気分解装置の風力タービンは、従来の売電目的には使用されず、電力は「局所的な」消費のためだけに使用される。本発明の電気分解装置の風力タービンによって生成された電力は、本質的には専ら電解質ユニットを駆動するために使用されるが、風力タービンによって生成された電力のうち比較的小さな電力が、冷却システム、空調システム、風力タービンコントローラなどの風力タービンの種々の構成要素に電力を供給するために使用されることが理解されよう。

本発明の電気分解装置の利点は、利用可能電力を最適な方法で分配するために、ＡＣ‐ＤＣ電力変換器を個別に制御できることである。発電機の電力出力は、風力タービンコントローラ（ＷＴＣ）またはパークコントローラによって決定され、それに応じて変換器ユニットコントローラに通知することができる。例えば、利用可能電力（風速にも大きく依存しうる）に応じて、特定の数の電解槽を最大容量で動作させ、他の電解槽を「オフ」にしうること、全ての電解槽を最大容量の数分の１で動作させうること、一部の電解槽を最大容量で動作させ、他の電解槽を部分的な容量で動作させうること、などが考えられる。このようにして、電気分解装置の効率を最適化することができる。

本発明によれば、かかる電気分解装置を操作する方法は、風力タービンの発電機を操作して、その１つ以上の電機子巻線に交流電力を発生させるステップと、発生した交流電力に基づいて、当該巻線に接続された電解質アセンブリの電解質ユニットのＡＣ‐ＤＣ電力変換器を調節するステップと、を含む。

本発明の方法の利点は、利用可能な風力エネルギを、極めて効率的に利用できることである。特定の風力条件で風力タービンがどれだけの電力を生成できるかを、比較的容易に判断することができる。本方法では、この情報を利用して、利用可能電力の最適な分配を決定する。

本発明の特に有利な実施形態および特徴は、以下の説明で明らかにされるように、各従属請求項によって与えられる。異なる請求項のカテゴリの特徴を適宜組み合わせて、本明細書に記載されていないさらなる実施形態を与えることができる。

以下では、「電解質ユニット」および「ユニット」なる用語は、互換的に使用されうる。同様に、「電解質アセンブリ」および「アセンブリ」なる用語は、互換的に使用されうる。

電気分解には、十分な大きさの直流電流が必要である。本発明の好ましい実施形態では、電解質ユニットのＡＣ‐ＤＣ電力変換器は、対応する電解スタックの電流密度を制御するように構成された直流電流コントローラを含み、これにより、電極触媒転換速度が決定される。本発明の特に好ましい実施形態では、電解質ユニットのＡＣ‐ＤＣ電力変換器は、直流電力を当該電解質ユニットの電解槽の定格容量の任意の比率に調節するように構成されている。本発明によれば、ＡＣ‐ＤＣ電力変換器は、変換器ユニットコントローラによって制御される。変換器ユニットコントローラは、電解質ユニットのＡＣ‐ＤＣ電力変換器に制御信号を発出する。各ＡＣ‐ＤＣ電力変換器は、その電解質ユニットを動作させる定格容量の比率（例えば、１００％、５０％、２５％、０％など）を指定する信号を受信する。

本発明の電気分解装置は、任意の適切な規模で実現することができる。唯一の大きな制約は、電解質ユニットのＡＣ‐ＤＣ電力変換器が必要な分解電位を供給できるよう、発電機巻線により十分な電力を供給できる必要があることである。当該制約を考慮することで、比較的小さなタイプの風力タービンであっても、複数の小容量の電解質ユニットまたは電解質アセンブリを駆動するために使用できることが理解されよう。なお、本発明を何ら制限するものではないが、以下では、本発明の電気分解装置の風力タービンは、現在のウィンドパークで最も一般的に使用されているタイプの水平軸風力タービンであると想定されうる。かかる風力タービンは、定格電力出力が数メガワット級であり、大規模な電気分解を行うための大容量の電解質ユニットを複数台駆動することができる。本発明の電気分解装置は、任意の数の専用風力タービンを使用することができ、例えば、電気分解を行うために専用の複数の風力タービンを使用するウィンドパーク構成で実現することができる。

本発明によれば、各風力タービンは、複数の並列かつ独立した巻線を有している。これらの各々により、別々の電解質アセンブリが駆動されうる。本発明の好ましい実施形態では、風力タービンの発電機は、少なくとも２本の電機子巻線を含む。例えば、８ＭＷの風力タービンは、２本の巻線、４本の巻線、または任意の好ましい数の巻線を有するように構築することができる。

電解質アセンブリは、単一の電解質ユニットを含むことができる。かかる場合、電解質ユニットの容量を超えないように、電力変換器の直流出力を制限する必要がありうる。したがって、本発明の好ましい実施形態では、各電解質アセンブリは、対応する発電機巻線によって提供されうる電力と本質的に一致する総容量を有する複数の電解質ユニットを含む。例えば、２本の巻線を有する８ＭＷの風力タービンの場合、電解質アセンブリは４つのユニットを含むことができ、その各々が２ＭＷの電解槽／スタックを含む。

風力タービンが定格電力で動作している場合、全ての負荷を駆動することができる。つまり、全ての電解質アセンブリを駆動することができる。弱風条件では、風力タービンは、その定格電力未満で動作し、全ての電解質アセンブリを駆動するのに十分な電力を供給できない場合がある。本発明の方法の好ましい実施形態は、風力タービンの発電機の電力出力を決定するステップと、利用可能電力によって駆動される電解質ユニットの数を選択するステップと、例えば、対応するＡＣ‐ＤＣ電力変換器に制御信号を発出して、直流電力を各ユニットの定格容量の１００％に増加させることにより、選択された電解質ユニットのＡＣ‐ＤＣ電力変換器を調節するステップと、を含む。

残りのユニットは、例えば、対応するＡＣ‐ＤＣ電力変換器に制御信号を発出することで直流電力をゼロにするなどして、非作動状態となる。これらのユニットは、例えば風速が上昇した場合、後で電解転換のプロセスを再開することができる。

本発明のさらに好ましい実施形態では、電気分解装置は、各電機子巻線とその電解質アセンブリとの間に設けられたスイッチと、スイッチを作動させるように構成されたスイッチコントローラと、を含む。システムを動作可能な構成要素のみに制限することを目的として、例えば無負荷損失を低減するため、または欠陥を有する構成要素を分離するため（例えば、故障した電力変換器または故障した電解質ユニットを分離するため）など、種々の理由でスイッチを開放する必要がありうる。

本発明の好ましい実施形態では、電解槽は、水を水素および酸素へ電極触媒転換(electrocatalytic conversion)するように構築される。本発明の方法は、水素の大規模かつ効率的な製造に適用することができ、これには、燃料電池の動力源など、種々の商業的用途が含まれる。

水を電気分解するには、塩分などの汚染物質を除去するために水を浄化する必要がある。そのため、本発明の電気分解装置を洋上風力タービンで実現する場合、当該電気分解装置は、海水を脱塩する脱塩モジュールをさらに含むことになる。脱塩モジュールは、多段フラッシュ蒸留モジュール、多重効用蒸留モジュール、真空蒸気圧縮蒸留モジュールなどとして実現することができ、脱塩水を精製および脱イオン化するためのさらなる構成要素を含んでいてもよい。かかる脱塩モジュールは、電解スタックに供給するのに適した純水を出力する。

代替の好ましい実施形態では、大気中の二酸化炭素をメタン、エチレン、エタンなどのガスに電極触媒転換するための電解槽を実現することができる。

電解質ユニットに入力（精製されたＨ_２Ｏ、大気中のＣＯ_２など）を供給するデバイスに電力を供給し、他の補助的な風力タービンデバイスに電力を供給するために、本発明の電気分解装置は、従来の方法で発電するために使用される追加の風力タービンのような専用電源を含んでいてよい。しかし、本発明の好ましい実施形態では、発電機によって生成された電力の一部は、必要に応じてかかるデバイスに電力を供給するために使用可能であり、当該風力タービンの残りの電力は、電解質アセンブリの駆動に使用される。

本発明の電気分解装置の一実施形態では、電解質アセンブリの電解質ユニットは、同じ種類の電気分解（例えば、純水からＨ_２およびＯ_２への電気分解）を行うことができ、全て同じ容量を有していてもよく、さらに電解質アセンブリが全て本質的に同一であってもよい。しかし、かかる実施形態は必須ではなく、本発明の電気分解装置は、例えば、異なる容量および／または異なるタイプの電解の組み合わせを利用するなど、実用的な電解質ユニットの構成で実現することができる。

本発明の他の目的および特徴は、添付の図面と併せて検討される以下の詳細な説明から明らかになるであろう。しかし、図面は例示の目的のためにのみ設計されたものであり、本発明の限界を定義するものではないことを理解されたい。

本発明の電気分解装置の実施形態を示す図である。 本発明の電気分解装置の実施形態を示す図である。 本発明の電気分解装置の実施形態を示す図である。

図中、同じ数字は同じ対象を指している。図中の対象は必ずしも縮尺通りに描かれているわけではない。

図１〜図３は、本発明の電気分解装置１を説明するための簡略化されたブロック図である。図３に示すように、電気分解装置１は、複数の洋上風力タービン１０を含みうる。図１は、かかる１つの風力タービンの発電機１０Ｇ、例えば、２本の巻線１０Ｗを有する８ＭＷの発電機１０Ｇを示している。そのため、各巻線１０Ｗで、風力タービンの定格出力時には最大４ＭＷの交流電力を得ることができる。

各巻線１０Ｗは、スイッチＳを介して電解質アセンブリ１１Ａに接続されている。スイッチは、スイッチコントローラＳＣによって制御される。

共に電解質アセンブリ１１Ａを構成する構成要素は、破線で描かれた長方形の囲みで集合的に示されている。各電解質アセンブリ１１Ａは、それぞれＡＣ‐ＤＣ電力変換器１１０と電解槽１１またはスタック１１とを備えた複数の電解質ユニット１１Ｕを含む。共に電解質ユニット１１Ｕを構成する構成要素は、図の下層の（点線で描かれた）囲みで集合的に示されている。

変換器ユニットコントローラ１１Ｃは、各ＡＣ‐ＤＣ電力変換器１１０に対して制御信号１１０Ｃを発出する。電力変換器１１０の制御信号１１０Ｃは、対応する電解槽１１に供給される定格電力の割合を指定する。変換器ユニットコントローラ１１Ｃは、電解質アセンブリ１１Ａ間で分配できる利用可能電力を決定するために、風力タービンコントローラなどからデータＤ（例えば、発電されている定格電力の量）を受信することができる。各ＡＣ‐ＤＣ電力変換器１１０は、変換器ユニットコントローラ１１Ｃから受信した制御信号１１０Ｃによって決定されるレベルで、交流入力を直流電圧Ｕ_ＤＣおよび直流電流Ｉ_ＤＣに変換する。

電解スタック１１には、入力材料１１＿ｉｎが供給され、その出力１１＿ｏｕｔは、１つ以上の製品となりうる。例えば、精製水１１＿ｉｎに適切な電解質を加えて水の電気分解を行うことができ、この場合の出力１１＿ｏｕｔは、水素Ｈ_２および／または酸素Ｏ_２である。

一度に動作しうる電解スタック１１の数は、利用可能電力に依存しており、これは風速にも依存する。図２は、２本の巻線１０Ｗを有する発電機１０Ｇを備えた簡略化された実施形態を示しており、各巻線が電解質アセンブリ１１Ａを駆動し、各電解質アセンブリ１１Ａが２つずつの電解質ユニット１１Ｕを含む。２つの電解質アセンブリは、１１Ａ：１および１１Ａ：２とラベリングされており、第１の電解質アセンブリ１１Ａ：１の２つの電解質ユニットは、１１Ｕ：１ａおよび１１Ｕ：１ｂとラベリングされており、第２の電解質アセンブリ１１Ａ：２の２つの電解質ユニットは、１１Ｕ：２ａおよび１１Ｕ：２ｂとラベリングされている。利用可能電力は、最適な利用が達成されるように電解質ユニットに分配することができる。次の表は、例示的な分配を示している：

１００％の容量では、発電機の電力出力は、両方の電解質アセンブリに均等に分配される。発電機の全出力時には、各電解質ユニット１１Ｕは、利用可能電力の２５％で駆動される。

２段目は、風速が低下して発電機の電力出力が６０％に低下した状況を示している。ここでは、第１の電解質アセンブリ１１Ａ：１が全出力の３６％で駆動し、第２の電解質アセンブリ１１Ａ：２が全出力の２４％で駆動するように、利用可能電力が分配される。第１の電解質アセンブリ１１Ａ：１の電解質ユニット１１Ｕ：１ａおよび１１Ｕ：１ｂは、それぞれ全出力の２０％および１６％で駆動され、第２の電解質アセンブリ１１Ａ：２の電解質ユニット１１Ｕ：２ａおよび１１Ｕ：２ｂは、それぞれ全出力の１２％で駆動される。

３段目は、風速がさらに低下して、発電機の電力出力が４０％に低下した場合である。この電力は１本の巻線で発生する。ここで、第２の電解質アセンブリ１１Ａ：２は、例えば対応するスイッチを開放することにより、または変換器ユニットコントローラに適切な制御信号を発出することにより、「除去」される。利用可能電力は第１の電解質アセンブリ１１Ａ：１の専用となり、その電解質ユニット１１Ｕ：１ａおよび１１Ｕ：１ｂがそれぞれ全出力の２０％および２０％で駆動される。

表の４段目は、風速がさらに低下して、発電機の電力出力が２０％に低下した場合を示している。ここでも、この電力は１本の巻線で生成され、第２の電解質アセンブリ１１Ａ：２は切断されたままである。利用可能電力は、第１の電解質アセンブリ１１Ａ：１の専用となり、ただし、単一の電解質ユニット１１Ｕ：１ａを効率的に駆動するのに十分な程度のみとなる。他方の電解質ユニット１１Ｕ：１ｂは、駆動されない。

図３は、本発明の電気分解装置１のさらなる実施形態を示す。ここで、図は、例えばウィンドパーク構成の複数の風力タービン１０を示している。電気分解アセンブリ１１Ａの集合出力１１＿ｏｕｔは、パイプライン１５、例えば、水素を陸上設備に輸送するための加圧水素パイプラインに供給される。

本発明を、好ましい実施形態およびその変形の形態で開示してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく多数の追加の修正および変形が可能であることが理解されるであろう。例えば、風力タービン発電機は、単一の電解質アセンブリに電力を供給する単一の巻線を有していてよい。このように実現することにより、完全な電解質アセンブリを駆動するのに十分な風力エネルギがあるときに、電気分解を行うことができる。

明確化のために、本出願における「a」「an」の使用は複数を除外するものではなく、「含む（comprising）」は他のステップまたは要素を除外するものではないことを理解されたい。なお、「ユニット」または「モジュール」と記載されていても、複数のユニットまたはモジュールを使用することを妨げるものではない。

Claims (15)

1. 電気分解装置であって、
   それぞれ、電解槽（１１）と、該電解槽（１１）に直流電力（Ｕ_ＤＣ，Ｉ_ＤＣ）を供給するように構成されたＡＣ‐ＤＣ電力変換器（１１０）とを含む、複数の電解質ユニット（１１Ｕ）と、
   それぞれ、複数の電解質ユニット（１１Ｕ）を含む、複数の電解質アセンブリ（１１Ａ）と、
   複数の電機子巻線（１０Ｗ）を有する発電機（１０Ｇ）を含む少なくとも１つの風力タービン（１０）であって、各電機子巻線（１０Ｗ）が１つずつの電解質アセンブリ（１１Ａ）に交流電力を供給する、風力タービン（１０）と、
   発電機（１０Ｇ）の電力出力に基づいて、前記電解質ユニット（１１Ｕ）の前記ＡＣ‐ＤＣ電力変換器（１１０）を制御するように構成された変換器ユニットコントローラ（１１Ｃ）と、
   を含む、電気分解装置（１）。
2. 前記ＡＣ‐ＤＣ電力変換器（１１０）は、対応する前記電解槽（１１）の定格直流電力の比率を供給するように構成されている、請求項１記載の電気分解装置。
3. 前記変換器ユニットコントローラ（１１Ｃ）は、利用可能電力を最適な数の電解質ユニット（１１Ｕ）に分配するために、前記電解質ユニット（１１Ｕ）の前記ＡＣ‐ＤＣ電力変換器（１１０）を調節するように構成されている、請求項１または２記載の電気分解装置。
4. 前記電解質ユニット（１１Ｕ）の前記ＡＣ‐ＤＣ電力変換器（１１０）は、前記電解質ユニット（１１Ｕ）の電流密度を制御するように構成された直流電流コントローラ（１１１）である、請求項１から３までのいずれか１項記載の電気分解装置。
5. 前記電気分解装置は、各電機子巻線（１０Ｗ）とその電解質アセンブリ（１１Ａ）との間のスイッチ（Ｓ）と、該スイッチ（Ｓ）を作動させるように構成されたスイッチコントローラ（ＳＣ）とを含む、請求項１から４までのいずれか１項記載の電気分解装置。
6. 各電解質アセンブリ（１１Ａ）は、少なくとも２つの電解質ユニット（１１Ｕ）を含む、請求項１から５までのいずれか１項記載の電気分解装置。
7. 電解槽（１１）は、水を水素および酸素へ電極触媒転換するように構成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の電気分解装置。
8. 前記電気分解装置は、海水を脱塩して電解槽（１１）のための水を得るように構成された脱塩モジュールを含む、請求項１から７までのいずれか１項記載の電気分解装置。
9. 電解槽（１１）は、二酸化炭素をさらなるガスへ電極触媒転換するように構成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の電気分解装置。
10. 前記発電機（１０Ｇ）は、少なくとも２本の電機子巻線（１０Ｗ）を含む、請求項１から９までのいずれか１項記載の電気分解装置。
11. 風力タービン（１０）の前記発電機（１０Ｇ）は、前記電気分解装置（１）のさらなる構成要素に電力を供給するようにさらに構成されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の電気分解装置。
12. 前記電気分解装置は、複数の風力タービン（１０）を含む、請求項１から１１までのいずれか１項記載の電気分解装置。
13. 請求項１から１２までのいずれか１項記載の電気分解装置（１）を操作する方法であって、
    風力タービン（１０）の発電機（１０Ｇ）を操作するステップであって、その１つ以上の電機子巻線（１０Ｗ）に交流電力を発生させる、ステップと、該発生させた交流電力に基づいて、
    前記巻線（１０Ｗ）に接続された電解質アセンブリ（１１Ａ）の電解質ユニット（１１Ｕ）のＡＣ‐ＤＣ電力変換器（１１０）を調節するステップと、
    を含む、方法。
14. 前記方法は、
    風力タービン（１０）の前記発電機（１０Ｇ）の電力出力を決定するステップと、
    利用可能電力によって駆動される電解質ユニット（１１Ｕ）の数を選択するステップと、
    選択された前記電解質ユニット（１１Ｕ）の前記ＡＣ‐ＤＣ電力変換器（１１０）を調節するステップと、
    を含む、請求項１３記載の方法。
15. 前記方法は、故障した構成要素（１１０，１１Ｕ）を分離するために、電機子巻線（１０Ｗ）とその電解質アセンブリ（１１Ａ）との間のスイッチ（Ｓ）を開放するステップを含む、請求項１３または１４記載の方法。

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