JP2022180316A - 蒸気発生を伴う電解システム及びその作動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）を含む電解システム及びそれを作動する方法を提供する。【解決手段】電解システムは、蒸気を生成するように構成された蒸気発生器と、蒸気発生器から受け入れた蒸気を利用して水素流を生成するように構成された固体酸化物形電解セルのスタックと、スタックから出される酸素排出物から取り出された熱を利用して蒸気発生器に供給される水を予熱するように構成された水予熱器と、を含む。【選択図】図２Ａ

Description

[優先権出願]
本出願は、２０２１年５月１８日に出願された米国仮出願第６３／１９０，０４９号及び２０２１年６月３０日に出願された米国仮出願第６３／２１６，９９５号の利益を主張する非仮出願であり、これらそれぞれの内容の全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）を含む電解システム及びそれを作動する方法を対象とする。

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、水素と酸素を製造するために電解槽として作動させることができ、これは、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）と呼ばれる。ＳＯＦＣモードでは、酸化物イオンはカソード側（空気）からアノード側（燃料）に輸送され、駆動力は電解質にわたる酸素分圧の化学勾配である。ＳＯＥＣモードでは、セルの空気側に正の電位が印加され、酸化物イオンが燃料側から空気側に輸送される。カソードとアノードはＳＯＦＣとＳＯＥＣの間で逆になっているため（つまり、ＳＯＦＣカソードはＳＯＥＣアノードであり、ＳＯＦＣアノードはＳＯＥＣカソードである）、以降は、ＳＯＦＣカソード（ＳＯＥＣアノード）を空気電極と呼び、ＳＯＦＣアノード（ＳＯＥＣカソード）を燃料電極と呼ぶ。ＳＯＥＣモードの間、燃料流中の水が還元されて（Ｈ_２Ｏ＋２ｅ→Ｏ^２－＋Ｈ_２）、Ｈ_２ガスとＯ^２－イオンを形成する。Ｏ^２－イオンは固体電解質を通って輸送され、その後空気側で酸化されて（Ｏ^２－からＯ_２）、分子酸素を生成する。空気と湿った燃料（水素、改質天然ガス）で動作するＳＯＦＣの開回路電圧は、０．９～１Ｖのオーダー（水分含有量による）であるため、ＳＯＥＣモードで空気側電極に印加される正の電圧は、セル電圧を１．１～１．３Ｖの通常の動作電圧まで上昇させる。

様々な実施形態において、電解システムは、蒸気を生成するように構成された蒸気発生器、蒸気発生器から受け入れた蒸気を利用して水素流を生成するように構成された固体酸化物形電解セルのスタック、及び、蒸気発生器に供給される水を、スタックから出される酸素排出物、典型的には通常の空気よりも酸素含有量が高い富化空気から取り出された熱を利用して予熱するように構成された水予熱器を含む。

様々な実施形態において、電解システムを作動する方法は、固体酸化物形電解スタックに蒸気を供給することと、前記固体酸化物形電解スタックで水素流を生成することと、（ａ）前記スタックから出される酸素排出物から取り出された熱を利用して、蒸気発生器に供給される水を予熱して前記蒸気を生成すること、又は（ｂ）前記蒸気を前記スタックに供給する前に、前記蒸気に水素を混合すること、又は（ｃ）前記スタックに空気を供給すること、又は（ｄ）前記スタックから出される酸素排出物から熱を取り出すことによって空気を予熱し、予熱された空気を前記スタックに供給すること、又は（ｅ）前記蒸気を前記スタックに供給する前に、前記水素流から取り出された熱を利用して前記蒸気を加熱することのうちの少なくとも１つと、を含む。

様々な実施形態において、電解システムは、ホットボックスと、ホットボックス内に配置され、垂直方向に縦に延びる中央カラムと、ホットボックス内に配置され、中央カラムを取り囲み、蒸気を水素流に変換するように構成された固体酸化物形電解セルのスタックと、スタックに供給される空気を加熱するように構成された空気加熱器とを含む。

様々な実施形態において、電解システムは、ホットボックスと、ホットボックス内に配置された中央カラムと、ホットボックス内に配置され、中央カラムを取り囲み、蒸気及び空気を受け入れて、水素排出物及び酸素排出物を出すように構成された固体酸化物形電解セルのスタックと、スタックから出される酸素排出物から熱を取り出すことによってホットボックスに供給される空気を予熱するように構成された空気復熱装置と、空気復熱装置から出される予熱された空気を加熱し、加熱された空気をスタックに供給するように構成された空気加熱器と、中央カラム内に配置され、スタックに供給される蒸気を過熱するように構成された蒸気加熱器と、を含む。

図１Ａは、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）スタックの斜視図である。 図１Ｂは、図１Ａのスタックの一部の側面断面図である。 図２Ａは、本開示の様々な実施形態による電解システムを通るプロセスフローを示すプロセスフロー図の概略図である。 図２Ｂは、本開示の様々な実施形態による電解システムを通るプロセスフローを示すプロセスフロー図の概略図である。 図３は、本開示の様々な実施形態による、代替の電解システム２０１におけるプロセスフローを示す概略図である。 図４Ａは、本開示の様々な実施形態による、ホットボックスの斜視図である。 図４Ｂは、外殻が取り外された、ホットボックスの斜視図である。 図５Ａは、本開示の様々な実施形態による、図４Ａ及び図４Ｂのホットボックスの断面図である。 図５Ｂは、中央カラムの内部に配置された構成要素を示す、ホットボックス３００の断面図である。 図５Ｃは、ホットボックスの蒸気復熱装置及び空気予熱器の要素を示す部分斜視図である。 図５Ｄは、ホットボックスの分配ハブを示す斜視図である。 図６は、本開示の様々な実施形態による、変更された蒸気発生器４０４を含む中央カラム３２０の断面斜視図である。 図７Ａは、本開示の様々な実施形態による、中央カラム及び外部蒸気発生器の断面斜視図であり、図７Ｂは、図７Ａの蒸気発生器の拡大部分断面図である。 図７Ｃは、本開示の代替の実施形態による外部蒸気発生器の斜視図である。 図７Ｄ及び図７Ｅは、本開示の代替の実施形態による外部蒸気発生器の斜視図である。 図７Ｆは、本開示の代替の実施形態による外部蒸気発生器の斜視図である。 図８Ａは、本開示の様々な実施形態による、加熱要素の構成を示す斜視図である。 図８Ｂは、本開示の様々な実施形態による、加熱要素の構成を示す斜視図である。 図８Ｃは、本開示の様々な実施形態による、加熱要素の構成を示す斜視図である。 図８Ｄは、本開示の様々な実施形態による、加熱要素の構成を示す斜視図である。 図８Ｅは、本開示の様々な実施形態による、加熱要素の構成を示す斜視図である。 図８Ｆは、本開示の様々な実施形態による、加熱要素の構成を示す斜視図である。 図９Ａは、本開示の様々な実施形態による、ゾーン構成を有する空気加熱器を示す概略図である。 図９Ｂは、図９Ａの空気加熱器の加熱要素を示す斜視図である。 図１０Ａは、本開示の様々な実施形態による、変更された蒸気加熱要素を含む中央カラムの断面図である。 図１０Ｂは、図１０Ａの拡大部分である。 図１１は、本開示の様々な実施形態による、変更されたホットボックスを通る空気の流れを示す断面斜視図である。 図１２は、本開示の様々な実施形態による、変更されたホットボックスを通る空気の流れを示す断面斜視図である。

図１Ａは、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）スタック１００の斜視図であり、図１Ｂは、図１Ａのスタック０００の一部の側面断面図である。図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、スタック１００は、インターコネクト１０によって分離された複数の電解セル１を含み、インターコネクトは、ガスフローセパレータプレート又はバイポーラプレートとも呼ばれる。各電解セル１は空気電極３、固体酸化物電解質５、及び燃料電極７を含む。スタック１００はまた、内部燃料ライザチャネル２２を含む。

各インターコネクト１０は、スタック２０内の隣接する電解セル１を電気的に接続する。特に、インターコネクト１０は、１つの電解セル１の燃料電極７を、隣接する電解セル１の空気電極３に電気的に接続することができる。図１Ｂは、下側の電解セル１が２つのインターコネクト１０の間に配置されていることを示す。

各インターコネクト１０は、燃料チャネル８Ａ及び空気チャネル８Ｂを少なくとも部分的に画定するリブ１２を含む。インターコネクト１０は、スタック２０内の１つの電解セル１の燃料電極７に流れる、隣接する燃料電池の空気サイドから１つの燃料電池の燃料／蒸気サイドを、スタック２０内の隣接する電解セル１の空気電極３に流れる空気から分離するガス－燃料セパレータとして動作することができる。任意選択の空気の流れは、電解質によって輸送されるＯ２を巻き込むためのスイープガスとして働く。スタック１００のいずれかの端部に、空気又は燃料をそれぞれ端部電極に供給するための空気エンドプレート又は燃料エンドプレート（図示せず）があってよい。

図２Ａ及び図２Ｂは、本開示の様々な実施形態による、電解システム２００内のプロセスフローを示す概略図である。図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、システム２００は、図１Ａ及び図１Ｂに関して説明したように、複数の固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）を含む電解セル（ＳＯＥＣ）スタック１００を含むことができる。システム２００はまた、蒸気発生器１０４、蒸気復熱装置１０８、蒸気加熱器１１０、空気復熱装置１１２、及び空気加熱器１１４を含み得る。システム２００はまた、任意選択の水予熱器１０２及び任意選択の混合器１０６を含むことができる。

システム２００は、例えば、スタック１００、蒸気復熱装置１０８、蒸気加熱器１１０、空気復熱装置１１２、及び／又は空気加熱器１１４などの様々な構成要素を収容するためのホットボックス３００を含むことができる。いくつかの実施形態では、ホットボックス３００は、複数のスタック１００を含むことができる。水予熱器１０２及び蒸気発生器１０４は、図２Ａ及び図２Ｂに示されるように、ホットボックス３００の外部に配置することができる。あるいは、水予熱器１０２及び／又は蒸気発生器１０４をホットボックス３００の内部に配置することができる。別の代替案では、水予熱器１０２をホットボックス３００の内部に配置し、蒸気発生器１０４をホットボックス３００の外部に配置することができる（図示せず）。容易に理解されるように、本発明から逸脱することなく他の構成が実現可能である。

動作中、スタック１００には、蒸気、及び、外部電源からの電流又は電圧が供給され得る。特に、蒸気は、スタック１００の電解セル１の燃料電極７に供給され得、電源は、水分子を電気化学的に分割し、水素（例えば、Ｈ_２）と酸素（例えば、Ｏ_２）を生成するために、燃料電極７と空気電極３との間に電圧を印加することができる。空気電極３から酸素を掃引するために、空気電極３に空気を供給することもできる。したがって、スタック１００は、水素流、及び、酸素富化空気流などの酸素富化排気流（「酸素排気流」）を出すことができる。

蒸気を生成するために、水源５０からシステム２００に水が供給され得る。水は、蒸発中のスケーリングを防止及び／又は最小化するために、実施可能な限り脱イオン化された（例えば、＜０．１μＳ／ｃｍ）脱イオン（ＤＩ）水であってよい。いくつかの実施形態では、水源５０は、脱イオン化床を含み得る。様々な実施形態において、システム２００は、システム２００に所望の水流量を提供するために、例えばマスフローコントローラ、容積式ポンプ、制御弁／水流量計などのような水流制御装置（図示せず）を含むことができる。

システム２００が水予熱器１０２を含む場合、水は、水源５０から水予熱器１０２に供給され得る。水予熱器１０２は、酸素排気流から回収された熱を利用して水を加熱するように構成された熱交換器であってよい。水を予熱することで、生成される水素の単位あたりの、システム２００の総消費電力を削減することができる。特に、水予熱器１０２は、以下で説明するように、空気復熱装置１１２によって回収できない可能性のある酸素排気流からの熱を回収することができる。酸素排気流は、１００℃を超える、例えば約１１０℃～１２０℃の温度等の、８０℃を超える温度で水予熱器１０２から出され得る。

水予熱器１０２又は水源５０から出された水は、蒸気発生器１０４に供給され得る。水の一部は、水予熱器で気化し得る。蒸気発生器１０４は、水予熱器で気化されなかった水を加熱して、水を蒸気に変換するように構成することができる。例えば、蒸気発生器１０４は、水を気化させて蒸気を生成するための加熱要素を含むことができる。例えば、蒸気発生器１０４は、ＡＣ又はＤＣ抵抗加熱要素、又は誘導加熱要素を含むことができる。

蒸気発生器１０４は、機械的に分離されていてもされていなくてもよい複数のゾーン／要素を含むことができる。例えば、蒸気発生器１０４は、水を沸点まで、又は沸点近くまで加熱するためのプレボイラーを含むことができる。蒸気発生器１０４はまた、プレボイルした水を蒸気に変換するように構成された気化器を含むことができる。蒸気発生器１０４はまた、バルク気化の前に水から溶存空気を除去するために比較的小さな蒸気パージを提供するための脱気装置を含み得る。蒸気発生器１０４はまた、気化器で生成された蒸気の温度をさらに上昇させるように構成された任意選択の過熱器を含むことができる。蒸気発生器１０４は、加熱要素の下流側及び／又は過熱器から上流側に配置されるデミスターパッドなどの装置を含むことができる。デミスターパッドは、蒸気発生器１０４から出される及び／又は過熱器に供給される蒸気中の液体水の引き込みを最小限に抑えるように構成することができる。

蒸気生成物が過熱される場合、周囲状況への熱損失による、蒸気発生器１０４から下流側での凝縮がしにくくなる。凝縮水は水のスラッグを形成しやすく、時間に対して供給される質量流量の大幅な変動を引き起こす可能性があるため、凝縮の回避が好ましい。システム２００の総消費電力を制限するために、過剰な過熱を回避することも有益であり得る。例えば、蒸気は、約１０℃～約１００℃の範囲に過熱され得る。

蒸気発生器１０４からのブローダウンは、脱イオン化後に水が若干の鉱化を含む可能性が高いため、長期の運転に有益であり得る。典型的な液体ブローダウンは１％のオーダーであり得る。ブローダウンは、連続的であってもよいし、又は、断続的、例えば、１０×定常流を１分に６秒間、５×定常流を５分に１分間等であってよい。ブローダウンを高温酸素排出物にポンプで送ることによって吐水流の必要性をなくすことができる。

蒸気発生器１０４から出された蒸気は、蒸気復熱装置１０８に供給することができる。しかしながら、システム２００が任意選択の混合器１０６を含む場合、蒸気は、蒸気復熱装置１０８に供給される前に混合器１０６に供給され得る。特に、蒸気には少量の溶存空気及び／又は酸素が含まれ得る。したがって、混合器１０６は、スタック１００内、特に燃料電極７において還元環境を維持するために、蒸気を水素ガスと混合するように構成することができる。

混合器１０６は、蒸気を、水素貯蔵装置５２から受け入れた水素と、及び／又はスタック１００から出された水素流の一部と混合するように構成することができる。水素添加速度は、蒸気に溶解した酸素の量と反応するために必要な水素の量を越える水素の量を提供するように設定され得る。水素添加速度は、固定されても、水と水素の比率を一定に設定されてもよい。しかしながら、蒸気が完全に脱気された水を使用して形成される場合、混合器１０６及び／又は水素の添加は、任意選択で省略することができる。

いくつかの実施形態では、水素は、システムの始動中及び／又は定常状態動作中に、外部水素源によって供給され得る。例えば、始動中に、水素は水素貯蔵装置から供給され得、定常状態中に、水素は水素貯蔵装置５２から、及び／又は、スタック１００によって生成された水素流（すなわち水素排気流）の一部を混合器１０６に迂回させることによって、供給され得る。特に、システム２００は、定常状態動作中、生成された水素流の一部を混合器１０６に選択的に迂回させるように構成された、スプリッタ、ポンプ、ブロワ及び／又はバルブなどの水素セパレータ１１６を含むことができる。

蒸気復熱装置１０８は、スタック１００から出された水素流から熱を回収するように構成された熱交換器であってよい。したがって、蒸気復熱装置１０８は、システム２００の効率を高めるように構成することができる。蒸気は、蒸気復熱装置１０８において６００℃～８３０℃の間の範囲に加熱され得る。いくつかの例において、蒸気は、スタック動作温度の１０℃～１５０℃の範囲内に加熱される。例えば、スタックの動作温度は、７００℃又は７５０℃、あるいはその間であってよく、蒸気は、蒸気復熱装置１０８において７２０℃～７８０℃など、少なくとも７００℃に加熱され得る。

蒸気復熱装置１０８から出された蒸気は、図２Ａに示されるように、蒸気復熱装置１０８から下流側に配置される蒸気加熱器１１０に供給され得る。蒸気加熱器１１０は、抵抗又は誘導加熱要素などの加熱要素を含み得る。蒸気加熱器１１０は、蒸気をスタック１００の動作温度を超える温度に加熱するように構成することができる。例えば、スタック１００の健全性、スタック１００の水利用率、及びスタック１００への空気流量に応じて、蒸気加熱器１１０は、蒸気を約９００℃～約１２００℃の範囲の温度、例えば、９２０℃～９８０℃に加熱することができる。７００℃～７５０℃の間のより低いスタック温度では、蒸気加熱器の出口温度は７００℃ほどの低さであり得る。したがって、スタック１００には、効率的な水素生成を可能にする温度で蒸気又は蒸気－水素混合物が供給され得る。熱はまた、輻射によって（すなわち、輻射伝熱によって）蒸気加熱器からスタックに直接伝達されてもよい。いくつかの実施形態では、蒸気加熱器１１０は任意選択であり、熱は空気加熱器１１４を通して得られる。

図２Ｂに示される１つの代替の実施形態では、蒸気復熱装置１０８は、蒸気加熱器１１０に存在する蒸気が蒸気復熱装置１０８に入るのであってその逆ではないように、蒸気加熱器１１０から下流側に配置され得る。別の代替実施形態では、蒸気加熱器１１０は、約１２００℃以上に加熱された流体などの高温流体から取り出された熱を利用して蒸気を加熱するように構成された熱交換器を含み得る。この流体は、例えば、太陽熱集光ファーム又は原子炉発電所などの発電所から供給され得る。あるいは、流体が原子炉発電所から供給される蒸気などの高温蒸気である場合、そのような蒸気は、スタック１００の燃料電極７に供給され得る。この場合、水源５０は、高温蒸気源を含むことができ、水予熱器１０２、蒸気発生器１０４、蒸気復熱装置１０８及び／又は蒸気加熱器１１０のうちの１つ又は複数を省略することができる。

いくつかの実施形態では、蒸気加熱器１１０は、いくつかの実施形態において熱均一性を高めるために、独立した電力レベルを備える、（垂直に又は円周方向に又はその両方に分割された）複数の蒸気加熱ゾーンを含み得る。

いくつかの実施形態では、蒸気復熱装置１０８及び蒸気加熱器１１０の動作を結合して単一の構成要素にすることができる。例えば、蒸気復熱装置１０８は、蒸気復熱装置１０８の熱交換フィンに電圧を印加するように構成された電圧源を含むことができ、熱交換フィンが抵抗加熱要素として動作して、蒸気をスタック１００に供給されるのに十分に高い温度、例えば約９００℃～約１２００℃の範囲の温度に加熱するようにすることができる。蒸気加熱器１１０から出された高温蒸気（又は任意選択で蒸気／水素混合物）は、スタック１００の燃料電極７に供給され得る。

スタック１００から出された酸素排出物は、空気復熱装置１１２に供給され得る。空気復熱装置１１２には、エアブロワ１１８によって周囲空気が供給され得る。空気復熱装置１１２は、酸素排出物から取り出された熱を利用して空気を加熱するように構成され得る。いくつかの実施形態では、周囲空気は、空気復熱装置１１２又はエアブロワ１１８に供給される前に、汚染物質を除去するために濾過され得る。

空気復熱装置１１２から出された空気は、空気加熱器１１４に供給され得る。空気加熱器は、空気をスタック１００の動作温度を超える温度に加熱するように構成された抵抗又は誘導加熱要素を含むことができる。例えば、スタック１００の健全性、スタック１００の水利用率、及びスタック１００への空気流量に応じて、空気加熱器１１４は、空気を９２０℃～９８０℃等の約９００℃～約１２００℃の範囲の温度に加熱することができる。スタック温度がより低い場合、空気加熱器の温度は８００℃ほどの低さであり得る。したがって、スタック１００には、効率的な水素生成を可能にする温度で空気を供給することができる。熱は、輻射によって空気加熱器からスタックに直接伝達されてもよい。

空気復熱装置からの温度出力が高いほど、空気加熱器１１４に必要な電力は少なくなる。空気復熱装置１１２のいずれかの側での圧力損失の増加は、エアブロワ１１８の出力増加で打ち消すことができる。圧力損失の増加は、円周方向の質量流量の均一性を助け、より均一な熱伝達環境を作り出し、空気復熱装置１１２から出される空気入口流の温度を高くすることができる。圧力損失の増加はまた、局所熱伝達係数を増加させ、それにより空気復熱装置１１２からの平均出口温度を増加させる。

代替の実施形態では、空気加熱器１１４は、約１２００℃以上に加熱された流体などの高温流体から取り出された熱を利用して空気を加熱するように構成された熱交換器を含むことができる。この流体は、例えば、太陽熱集光ファーム又は原子炉から供給され得る。

いくつかの実施形態では、空気加熱器１１４は、熱均一性を高めるために、独立した電力レベルを備える、（垂直に又は円周方向に又はその両方に分割された）複数の空気加熱ゾーンを含み得る。いくつかの実施形態では、空気加熱器１１４は、空気復熱装置１１２の下、又はスタック１００と蒸気復熱装置１０８との間、又はその両方に配置することができる。空気加熱器１１４はバッフルを含むことができ、バッフルは、バッフルに沿う異なる高さで異なるサイズのスリットを有し、空気が、空気加熱器１１４に沿ったすべての高さで、温度及び高さの両方でほぼ均等に空気加熱器１１４から出ることを可能にする。空気加熱器１１４からの空気は、スタック１００の空気電極３に供給される。

いくつかの実施形態では、空気復熱装置１１２及び空気加熱器１１４を結合して単一の構成要素にすることができる。例えば、空気復熱装置１１２は、フィンが抵抗加熱要素として動作して、空気をスタック１００に供給されるのに十分に高い温度、例えば約９００℃～約１２００℃の範囲の温度に加熱するように、空気復熱装置１１２複合部品に含まれる熱交換器の熱交換フィンに電圧を印加するように構成された電圧源を含むことができる。

様々な実施形態によれば、システム２００は、ホットボックス３００の外側に配置される任意選択の空気予熱器を含むことができる。特に、空気予熱器は、エアブロワ１１８によってホットボックス３００に供給される空気を予熱するように構成され得る。空気予熱器の主要な目的は、カソード生成物の冷却器としてのものである。生成物Ｈ２／残留蒸気をより低い温度に冷却して、全体的な消費電力を削減し、温度を蒸気リサイクルブロワの最高温度（例えば、１８０℃又は２００℃）未満に下げる。

いくつかの実施形態では、システム２００は、スタック１００内の各電解セル１に熱中立電圧が提供される、熱中立構成で動作することができる。特に、各電解セル１に提供される電流は、Ｉ^２Ｒ加熱によって生成される熱が（吸熱の）反応熱と釣り合うように変化させることができる。したがって、定常状態の熱中立動作中、蒸気加熱器１１０及び／又は空気加熱器１１４の使用を最小化又は排除することができる。

蒸気復熱装置１０８及び任意選択の水素セパレータ１１６から１２０℃～１５０℃の温度で出される水素流は、水素処理装置１２０で圧縮及び／又は精製することができ、これは、水素流から水素の約７０％～約９０％を除去するために、約１２０℃～約１５０℃の温度で動作する高温水素ポンプを含むことができる。水素ポンプからのポンプされずに残った流出物は、すでに完全に気化された水富化流である。この水富化流は、混合器１０６又は蒸気復熱装置１０８にリサイクルするためのブロワに供給され得、蒸気発生器１０４における水の気化の必要性を排除する。

水素ポンプの圧力を、例えば、約３～５０（例えば、２０）ポンド毎平方インチゲージ（ｐｓｉｇ）の範囲の圧力に上げることによって、水素流への蒸気損失を最小限に抑えることができる。この分離は、電解槽モジュールレベル（たとえば、単一のホットボックス）で、システムレベル（統合された制御システムの下で動作するホットボックスのグループ（例えば、３又は４のグループ）で、スタンプレベル（いくつかのジョイントコンポーネント（例えば、水源）を共有するより大きなグループ）で、又は現場レベル（所与の現場のすべて）で行うことができる。

水の凝縮と水素流の圧縮は、かなりの量の電力を消費し得る。いくつかの実施形態では、スタック１００への空気の流れは、スタック１００がスタック排出物として純粋又はほぼ純粋な酸素ガスを出すように、低減又は停止され得る。さらに、電解セル１の空気側及び燃料側は、約３ｐｓｉｇ～約５０ｐｓｉｇの範囲の等しい圧力で動作させることができる。いくつかの実施形態では、スタック１００に供給される空気は、上流の空気圧縮機による著しい電力消費を回避するために、最低限の流量で供給され得る。

高圧動作は、水素流圧縮の最初の段階に関連する電力及び機器の排除を可能にし、より高い圧力によるより高い露点のために、最初の凝縮器段階のサイズを縮小することができ、及び／又は、より高い圧力に関連するより高い密度のために、フローチャネルに必要な物理的スペースを減らすことができる。

様々な実施形態によれば、システム２００は、システム２００の動作を制御するように構成された中央処理ユニットなどのコントローラ１２２を含み得る。例えば、コントローラ１２２は、システム２００の様々な要素に有線又は無線で接続して、これらを制御することができる。

いくつかの実施形態では、コントローラ１２２は、システム２００が、水素流が生成されないスタンバイモードで動作され得るように、システム２００を制御するように構成され得る。スタンバイモードの間、スタック１００に関連する（すなわち、熱伝達関係におかれる）電気加熱器は、電解セル１を所望のスタンバイ温度に保つのに必要な最小電力レベルで運転され得る。所望のスタンバイ温度は、所望の生産動作温度とは異なってもよく、所望の動作温度に戻るのに必要な許容可能な時間によって影響され得る。

スタンバイモードから定常状態動作へのリカバリは、標準的な定常状態動作温度より低い温度で水素の生成を開始することを可能とし得る。より低い温度では、セル抵抗がより高くなり得、これは、一旦システムがホットスタンバイからリカバリし始めると、スタック１００を定常動作温度に上げるためにさらなる加熱を提供し得る。ホットスタンバイ中の水／蒸気の供給は、大幅に削減され又は除去することができる。混合器１０６内での蒸気への水素の添加もまた、大幅に削減され又は除去され得る。

いくつかの実施形態では、ホットスタンバイ中、水素セパレータ１１６は、水素を供給してシステム２００内の蒸気のほとんど又はすべてを置き換えることができるように、水素流を迂回させるために用いることができる。セパレータ（例えば、バルブ）１１６はその後閉じられて、さらなる水素消費なしに、スタック１００内の還元雰囲気を維持することができる。スタック１００への空気の流れは、大幅に削減され又は除去することができる。いくつかの実施形態において、空気加熱器１１４が過熱しないようにするための最小の空気の流れがあってよい。

システム２００は、水素流を処理するように構成された水素処理装置１２０を含むことができる。例えば、水素処理装置１２０は、水素流を、約５００～約８０００ｐｓｉｇなどの所望の圧力に圧縮するように構成することができる。圧縮には、任意選択で段階間の冷却と水の除去を伴う複数の段階が含まれ得る。

ホットスタンバイ中、蒸気加熱器１１０は、水／蒸気の供給がない状態で過熱するのを防ぐために、最小電力レベルで運転させることができる。スタック１００からの水素流（すなわち、水素排気流）は、水素ガス及び水を含む温かい流れであり得る。所望の生成物は、高圧（例えば、約５００～約８０００ｐｓｉｇ）精製された水素であり得る。現場にある複数のスタック１００の水素流を結合して単一の流れにしてもよい。この結合された流れは、例えば、水素処理装置１２０の一部であり得る現場の冷却水塔によって冷却される空気冷却器又は熱交換器を使用して、可能な範囲で冷却され得る。水素処理装置１２０から出される水素は、貯蔵、又は、燃料電池発電システムの燃料として使用されるため等の使用のために提供され得る。

様々な実施形態において、水素処理装置１２０は、少なくとも１つの電気化学式水素ポンプ、液封圧縮機、ダイヤフラム式圧縮機、若しくは他の圧縮装置又はこれらの組み合わせを含み得る。例えば、水素処理装置は、水素流を圧縮するために、水素流の流れ方向に対して直列及び／又は並列に配置され得る一連の電気化学的水素ポンプを含み得る。電気化学的圧縮は、従来の圧縮よりも電気的に効率的であり得る。圧縮からの最終生成物には、まだ微量の水が含まれ得る。したがって、水素処理装置１２０は、必要に応じて、この残留水を除去するために、温度スイング吸着反応器又は圧力スイング吸着反応器などの脱水装置を含むことができる。システムは、残留水を再精製し（例えば、ＤＩ床で）、圧縮された水素流から除去された残留水を水予熱器に提供するように構成することができる。

生成物には微量の窒素ガスが含まれている場合があり、これは水に溶解した空気であり得る。電気化学的圧縮は、本質的に微量窒素を除去することができる。

いくつかの実施形態では、凝縮水は、水源５０内のプロセスのフィード（ＤＩ床へのフィード）に再循環され得る。混合器１０６内で蒸気に添加される水素は、圧縮トレインの第１段階又は任意の中間段階の間に生産され得、必要に応じて除湿され得る。水素貯蔵装置５２は、混合器１０６を通ってスタック１００に供給される水素のための低圧／中圧の貯蔵タンクを含むことができる。

様々な実施形態によれば、コントローラ１２２は、様々な現場全体の制御パラメータに基づいてシステム２００の動作を制御するように構成され得る。例えば、コントローラ１２２は、以下のいずれかに基づいて水素の生産を制御するように構成され得る：各ＳＯＥＣスタックの動作制限値；電力の可用性；すべての階層での需要電力料金の影響を含む、瞬時平均電力コスト；すべての階層での需要料金の影響を含む、瞬間的な限界電力コスト；瞬時電力再生可能含有量；利用可能な水素貯蔵容量；使用可能な貯蔵エネルギー（例えば、熱的貯蔵又は電気的貯蔵）；水素生産計画（例えば、日次、週次、又は月次計画など）；水素生産収益への影響（例えば、販売価格、生産レベルの調整、不履行に対する罰則など）；メンテナンス計画；現場のすべてのホットボックスの相対的な健全性；圧縮／凝縮トレインの機械的状態；水／蒸気／水素供給の利用可能性；気象条件及び／又は予報；瞬時の、又はある生産計画期間中のその他の公知の外部制約（例えば、許可された1か月あたりの非常に多い水量、又は1か月あたりの非常に大きいメガワット時（ＭＷ－ｈｒ）だけ）；及び／又は、スタンバイモードから水素の生産を開始するための最小許容時間（スタンバイが数時間続くと予測される場合は、セルを動作温度未満に冷却することが望ましい場合がある）。

図３は、本開示の様々な実施形態による、代替の電解システム２０１におけるプロセスフローを示す概略図である。電解システム２０１は、電解システム２００と同様であり得るので、それらの間の違いのみを詳細に論じる。

図３を参照すると、電解システム２０１は、ホットボックス３００の内部に配置される任意選択の空気予熱器３２８を含むことができる。あるいは、任意選択の空気予熱器３２８は、ホットボックス３００の外部に配置してもよい。空気予熱器３２８は、蒸気復熱装置１０８から出された水素流から取り出された熱を利用して、エアブロワ１１８から供給される空気を予熱するように構成された熱交換器であってよい。予熱された空気は、次に、空気復熱装置１１２に供給され得る。この実施形態では、空気予熱器３２８に熱を提供するために、追加の電気加熱器又は追加のガス加熱器は必要ない。任意選択の空気予熱器３２８により、水素セパレータ１１６への水素／蒸気流を実質的により冷たくし、水素セパレータをより安価な材料で作ることが可能になる。

いくつかの実施形態では、少量の液体水（例えば、入ってくる水の約０．５％～約２％）が、蒸気発生器１０４から定期的又は連続的に排出され得る。特に、排出された液体水は、水を気化させて蒸気を生成する間に、蒸気発生器１０４に蓄積する可能性があるスケール及び／又は他の無機物不純物を含み得る。したがって、この排出された液体水は、水源５０から水入口流に再循環されるには望ましくない。この液体排出物は、水予熱器１０２から排気導管に出される高温酸素排気流と混合され得る。高温酸素排気流は、１１０℃～１３０℃、例えば、１２０℃などの、１００℃を超える温度であり得る。したがって、液体水排出物は、液体水がシステム２０１から排出される必要がないように、高温酸素排気流によって蒸発され得る。システム２０１は、任意選択で、蒸気発生器１０４から出される液体水排出物を水予熱器１０２から出される酸素排出物にポンプ輸送し及び調節するように構成されたポンプ１２４を含むことができる。任意選択で、液体水排出物の流れをさらに調節するために、ポンプ１２４に加えて比例ソレノイドバルブを追加することができる。

それぞれのパワーモジュールの１つ又は複数の排出物を結合して単一の排気ヘッダーにして、水を蒸発させたり、又は各パワーモジュールに送られる凝縮水を制御したりすることができる。例えば、各排出物は、各パワーモジュールの排気流量に比例して構成され得る。ここでは、1つ又は複数の制御弁を使用して、各パワーモジュールに対し排気流量の割合を制御できる。別の実施例では、同様の蒸発後の熱を各パワーモジュールに使用することができる。この場合、各パワーモジュールの出口温度が監視され、それぞれの制御弁が凝縮物の流れを分散させる。さらに別の実施例では、同様の液体水質量流量が、オリフィスを通って各パワーモジュールに流れるように設定され得る。この場合、電磁弁を使用して、凝縮物を受け入れる状態にないパワーモジュールへの流れを調整（例えば、開閉）することができる。

図４Ａは、本開示の様々な実施形態による、ホットボックス３００の斜視図であり、図４Ｂは、外殻が取り外された、ホットボックス３００の斜視図である。図４Ａ及び図４Ｂを参照すると、ホットボックス３００は、ベースプレート３０６の上に配置された外殻３０２及び内殻３０４を含み得る。内殻３０４は、上部内殻３０４Ａ及び下部内殻３０４Ｂを含み得る。

外殻３０２及び内殻３０４の上部にカバープレート３１０を配置することができる。ベースプレート３０６は、支持フレーム３０８上に配置することができる。支持フレーム３０８は、フォークリフトがホットボックス３００を上昇及び移動させるためにアクセスできる中空のレールを備えることができる。水入口導管３１２、予熱水出口導管３１４、及び空気（例えば、酸素富化空気）出口導管３１６は、カバープレート３１０を通って延びることができる。中央カラム３２０も、カバープレート３１０を通って延びることができる。空気入口導管３２２、予熱水（例えば、蒸気）入口導管３２４、及び水素出口導管３２６は、中央カラム３２０上に配置され得る。

上記の空気復熱装置１１２は、ホットボックス３００の上部に配置することができ、上記の空気加熱器１１４は、ホットボックス３００の下部に配置することができる。特に、外殻３０２及び上部内殻３０４Ａは、空気復熱装置１１２の少なくとも一部を形成することができる。空気加熱器１１４は、下部内殻３０４Ｂと外殻３０２との間に配置された１つ又は複数の周辺加熱要素２１４を含むことができる。周辺加熱要素２１４は、外部電流又は電圧によって電力供給される抵抗加熱要素を含み得る。周辺加熱要素２１４は、曲がりくねったパターンで横方向に延びることができる。しかしながら、任意の適切なコイルパターン又は構成を使用することができる。周辺加熱要素２１４は、支持要素２２０によって所定の位置に保持することができる。支持要素２２０は、内殻３０４と外殻３０２との間の間隔を維持するように構成され得る。いくつかの実施形態において、支持要素２２０は、セラミック材料など、高温に耐えることができる誘電材料で形成されたブラケットを含むことができる。

図５Ａは、本開示の様々な実施形態による、図４Ａ及び図４Ｂのホットボックス３００の断面図であり、図５Ｂは、中央カラム３２０の内側に配置された構成要素を示す、ホットボックス３００の断面図であり、図５Ｃは、ホットボックス３００の蒸気復熱装置１０８及び／又は空気復熱装置１１２の要素を示す部分斜視図であり、図５Ｄは、ホットボックス３００の分配ハブ３４０を示す斜視図である。

図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、ホットボックス３００は、中央カラム３２０の周りの複数のカラムに配置された電解セルスタック１００を含むことができる。空気復熱装置１１２は、スタック１００の上部を取り囲むことができる。空気復熱装置１１２は、分離プレート（図示せず）によって分離された、外側チャンバ１１２Ｃ１と内側チャンバ１１２Ｃ２を含むことができる。

空気加熱器１１４は、周辺加熱要素２１４を含むことができ、任意選択で、１つ又は複数の中央加熱要素２１６及び１つ又は複数の底部加熱要素２１８を含むことができる。加熱要素２１４、２１６、２１８は、例えば、ＡＣ若しくはＤＣ加熱コイル等の電気抵抗要素又は誘導加熱要素であってよい。周辺加熱要素２１４は、スタック１１０の底部を取り囲むことができる。中央加熱要素２１６は、中央カラム３２０を取り囲むことができ、スタック１００によって取り囲まれ得る。中央加熱要素２１６は、中央カラム３２０の温度を維持するように動作し得る。底部加熱要素２１８は、スタック１００の下に配置され得る。

様々な実施形態において、周辺加熱要素２１４は、絶縁層３１８によって覆うことができる。例えば、周辺加熱要素２１４は、下部内殻３０４Ｂと絶縁層３１８との間の空間、又は絶縁層３１８内に配置することができる。

水予熱器１０２は、スタック１００の上方に配置することができる。特に、水予熱器１０２は、カバープレート３１０上に配置されるコイル状の水道管１０３を含むことができる。コイル状水道管１０３の入口は、水入口導管３１２に流体接続される。コイル状水道管１０３の出口は、予熱水出口導管３１４に流体接続される。予熱水出口導管３１４は、コイル状水道管１０３から上にその後内側に延びることによって、中央の水カラム内の予熱水入口導管３２４に流体接続され得る。空気出口導管３１６は、ホットボックス３００を出る前に、酸素（すなわち、酸素富化空気）排出物が水予熱器１０２のコイル状水道管１０３を流れ過ぎるように、水予熱器１０２の上に配置され得る。

蒸気発生器１０４は、中央カラム３２０の上部内に配置され得る。蒸気加熱器１１０は、中央カラム３２０の下部内に配置され得る。特に、蒸気加熱器１１０は、接続導管３３０によって蒸気発生器に流体接続することができる。

蒸気発生器１０４は、気化マニホールド１０４Ｍと、気化マニホールド１０４Ｍ内に又は隣接して配置される少なくとも１つの加熱要素１０４Ｅとを含むことができる。気化マニホールド１０４Ｍは、予熱水入口導管３２４を接続導管３３０に接続することができる。加熱要素１０４Ｅは、気化マニホールド１０４Ｍの導管内を流れる水を気化させることによって蒸気を生成するように構成され得る。いくつかの実施形態では、気化マニホールド１０４Ｍは、加熱要素１０４Ｅの内側及び外側から熱が取り出され、気化マニホールド１０４Ｍを通って流れる水を気化するために使用できるように、加熱要素１０４Ｅの外側及び内側に配置される導管を含むことができる。

図５Ｂを参照すると、蒸気加熱器１１０は、少なくとも１つの加熱要素１１０Ｅ及び蒸気マニホールド１１０Ｍが中に配置されるハウジング１１０Ｈを含むことができる。蒸気マニホールド１１０Ｍは、加熱要素１１０Ｅを取り囲み、接続導管３３０に流体的に接続され得る。いくつかの実施形態では、蒸気加熱器１１０は、蒸気発生器１０４によって生成された蒸気を過熱するように構成され得る。いくつかの実施形態において、蒸気マニホールド１１０Ｍは、加熱要素１１０Ｅの内側及び外側から熱が取り出され、蒸気マニホールド１１０Ｍを通って流れる蒸気を過熱するために使用できるように、加熱要素１１０Ｅの外側及び内側に配置される導管を含むことができる。

加熱要素１０４Ｅ、１１０Ｅは、上記のような電気加熱要素であってよい。いくつかの実施形態では、加熱要素１０４Ｅ、１１０Ｅは、加熱コイルであってよい。いくつかの実施形態では、加熱要素１０４Ｅ、１１０Ｅは、水及び／又は蒸気に直接接触しないように、そのそばを流れる水及び／又は蒸気から物理的に隔離され得る。

蒸気復熱装置１０８は、中央カラム３２０に配置され、蒸気加熱器１１０を取り囲む。蒸気復熱装置１０８は、図２Ａに示されるように、蒸気加熱器１１０から上流側に配置される。

いくつかの実施形態では、任意選択の空気予熱式熱交換器３２８は、中央カラム３２０に配置され、蒸気発生器１０４を取り囲む。空気予熱式熱交換器３２８は、水素出口流が空気入口流を予熱するように、少なくとも１つの空気入口導管と少なくとも１つの水素出口導管を含む。

図５Ｃに示されるように、蒸気復熱装置１０８及び／又は空気復熱装置１１２は、それぞれ、分離プレート１０８Ｐ、１１２Ｐを含むことができる。いくつかの実施形態では、分離プレート１０８Ｐ、１１２Ｐは波形であってよい。分離プレート１０８Ｐは、蒸気復熱装置１０８を外側チャンバ１０８Ｃ１及び内側チャンバ１０８Ｃ２に分割するように構成され得る。分離プレート１１２Ｐは、空気復熱装置１１２を外側チャンバ１１２Ｃ１及び内側チャンバ１１２Ｃ２に分割するように構成され得る。様々な実施形態において、空気予熱器３２８は同様の構成を有し得、外側及び内側のチャンバは、図５Ａに示される波形の分離プレート３２８Ｐによって分離される。

蒸気復熱装置１０８の外側チャンバ１０８Ｃ１は、スタック１００から出される水素を受け入れるように構成され得、内側チャンバ１０８Ｃ２は、蒸気加熱器１１０から蒸気を受け入れるように構成され得る。しかしながら、他の実施形態では、外側チャンバ１０８Ｃ１は、蒸気を受け入れることができ、内側チャンバ１０８Ｃ２は水素を受け入れることができる。

空気復熱装置１１２の外側チャンバ１１２Ｃ１は、中央カラム３２０から空気を受け入れるように構成され得、内側チャンバ１１２Ｃ２は、スタック１００から酸素排出物を受け入れるように構成され得る。しかしながら、他の実施形態では、外側チャンバ１１２Ｃ１は酸素排出物を受け入れることができ、内側チャンバ１１２Ｃ２は空気を受け入れることができる。

図５Ｄに示されるように、中央カラム３２０は、分配ハブ３４０上に配置され得る。分配ハブ３４０は、その上に配置されるスタック１００に中央カラム３２０を流体接続するように構成され得る。図５Ｄには２つのスタック１００のみが示されているが、分配ハブ３４０は、ホットボックス３００に含まれるすべてのスタックに流体接続され得る。分配ハブ３４０は、蒸気分配導管３４０Ｓ及び水素収集導管３４０Ｈを含み得る。蒸気分配導管３４０Ｓは、中央カラム３２０からスタック１００に蒸気を分配するように構成され得、水素収集導管３４０Ｈは、スタック１１０によって生成された水素を中央カラム３２０に供給するように構成され得る。

図５Ａ～図５Ｄを参照すると、動作中、水は、水入口導管３１２を介してホットボックス３００に供給され得る。水入口導管３１２からの水は、その後、コイル状水道管１０３を流れ過ぎる酸素排出物（すなわち、酸素富化空気排出物）が、コイル状水道管１０３を通って流れる水を予熱するように、水予熱器１０２のコイル状水道管１０３を通って循環され得る。予熱された水は、その後、中央カラム３２０を取り囲む水予熱器１０２のコイル状水道管１０３から、予熱水出口導管３１４を通って、中央カラム３２０内の予熱水入口導管３２４に供給され得る。

次に、予熱された水は、中央カラム３２０を通って下向きに流れることができる。特に、予熱された水は、予熱水入口導管３２４から、水気化器１０４の気化マニホールド１０４Ｍに流れ込むことができる。加熱要素１０４Ｅによって生成される熱を用いて、気化マニホールド１０４Ｍ内の予熱された水を気化させて、蒸気を発生させることができる。

蒸気は、気化マニホールド１０４Ｍから接続導管３３０を通って蒸気加熱器１１０に供給され得る。特に、蒸気は、加熱要素１１０Ｅによって過熱されながら、蒸気マニホールド１１０Ｍを通過し得る。蒸気は、ハウジング１１０Ｈの底部で蒸気マニホールド１１０Ｍを出ることができる。次に、蒸気は上へと流れて、蒸気加熱器を取り囲む蒸気復熱装置１０８に入ることができる。

蒸気は、分配ハブ３４０に供給される前に、蒸気復熱装置１０８の内側チャンバ１０８Ｃ２を通って下へと流れることができる。蒸気は、蒸気分配導管３４０Ｓを通って、スタック１００のそれぞれに（例えば、スタック１００の各カラムに）流れることができる。次に、蒸気は、スタック１００のＳＯＥＣの燃料（例えば、カソード）電極に供給され得る。スタック１００によって（例えば、スタック１００のＳＯＥＣの燃料電極で）生成された水素蒸気は、分配ハブ３４０が結合された水素流を中央カラム３２０に提供するように、水素収集導管３４０Ｃに供給され得る。水素流は、スタック１００から出される未反応の蒸気を含み得る。酸素排気（すなわち酸素富化空気）流は、スタック１００のＳＯＥＣの空気（すなわち、アノード）電極から、スタック１００カラムを取り囲む空気復熱装置１１２に供給され得る。

いくつかの実施形態では、ホットボックス３００は、スタック１００を蒸気分配導管３４０Ｓ及び水素収集導管３４０Ｃに流体接続するライザ導管３３２（図１１も参照）を含み得る。特に、ライザ導管３３２は、各スタック１００のＳＯＥＣに蒸気を供給するための蒸気導管、及び各スタック１００のＳＯＥＣによって出される水素を収集するように構成された水素導管を含み得る。したがって、スタック１００は、蒸気／水素用に内部マニホールドとされ、酸素／空気用に外部マニホールドとされ得る。

分配ハブ３４０は、水素流を蒸気復熱装置１０８に供給することができ、そこで水素流は、外側チャンバ１０８Ｃ１を通って上へ流れることができる。水素流は、内側チャンバ１０８Ｃ２を通って下へ流れる蒸気を加熱することができる。水素流は、蒸気復熱装置１０８を出て、中央カラム３２０を上って空気予熱器３２８に流れ込むことができる。特に、水素流は、プレート３２８Ｐによって第１のチャンバから分離されている空気予熱器３２８の第２のチャンバを通って流れる空気入口流を加熱しながら、空気予熱器３２８の第１のチャンバを通って水素出口導管３２６に流れることができる。

空気は、空気入口導管３２２を通ってホットボックス３００に供給され得る。空気は、空気予熱器３２８の第１のチャンバに供給され得、ここで、空気は、第２のチャンバ内の水素流によって予熱され得る。加熱された空気は、空気予熱器３２８から、水予熱器１０２のコイルを通過して、空気復熱装置１１２に流れ込むことができる。

特に、空気は、空気復熱装置１１２の外側チャンバ１１２Ｃ１を通って下向きに、空気加熱器１１４へと流れることができる。空気は、周辺加熱要素２１４を通過してホットボックス３００を下に流れ、任意選択の底部加熱要素２１８を通過してホットボックス３００の底部を横切って流れ、中央加熱要素２１６を通過して中央カラム３２０を上へと流れながら加熱され得る。次に、加熱された空気は、（例えば、中央加熱要素２１６の上部及び／又は側面の開口部を通って）空気加熱器１１４を出て、スタック１１０へと流れることができる。空気の温度は、加熱要素２１４、２１６、２１８の１つ又は複数に加えられる電力を調整することによって、調整することができる。空気は、中央プレナム３２０から半径方向外向きに、スタック１００の、外部マニホールドを有するＳＯＥＣの空気（すなわち、アノード）電極に提供され得る。空気は、空気電極にて、ＳＯＥＣの燃料（すなわち、カソード）側からＳＯＥＣ電解質を通って拡散する酸素（すなわち、酸化物）イオンと結合される。ＳＯＥＣの空気電極で生成された空気と酸素の混合物は、酸素排気（すなわち、酸素富化空気）流がスタック１００カラムから半径方向外向きに流れるにつれて、スタック１００のＳＯＥＣの空気（すなわち、アノード）電極から供給され得る。

酸素排出物は、スタック１００から半径方向外向きに流れ、空気復熱装置１１２の内側チャンバ１１２Ｃ２に入ることができる。空気復熱装置１１２は、内側チャンバ１１２Ｃ２内の酸素排気流から取り出された熱を利用して、外側チャンバ１１２Ｃ１内の空気（すなわち、空気入口）流を加熱することができる。次に、酸素排気流は、水予熱器１０２のコイル状水道管１０３を通過して流れ、その後、空気出口導管３１６を介してホットボックス３００を出ることができる。水予熱器１０２を通って流れる酸素排気流はまた、空気予熱器３２８と空気復熱装置１１２とを流体接続し水予熱器１０２に隣接して延びるショルダーマニホールド３３４を通って流れる空気流を、さらに予熱することもできる。

図６は、本開示の代替の実施形態による、変更された蒸気発生器４０４を含む中央カラム３２０の断面斜視図である。上記の蒸気発生器１０４の代わりに、蒸気発生器４０４を使用することができる。図６を参照すると、蒸気発生器４０４は、中央カラム３２０の内部に配置され得る。特に、蒸気発生器４０４は、空気予熱器３２８によって取り囲まれ得る。蒸気発生器４０４は、加熱要素４０４Ｅと、加熱要素４０４Ｅの内側に配置される気化導管４０４Ｃを含むことができる。加熱要素４０４Ｅは、上記のように、抵抗加熱要素又はコイルであってよい。この実施形態では、図５Ａ及び図５Ｂに示される外部予熱水出口導管３１４は、中央プレナム３２０の内側に位置する内部予熱水出口導管３１４Ａによって置き換えることができる。

動作中、予熱された水は、水予熱器１０２から、空気予熱器３２８と気化導管４０４Ｃとの間に位置する内部予熱水出口導管３１４Ａに供給され得る。水は、予熱水入口導管３２４を通って気化導管４０４Ｃに入る前に、内部予熱水出口導管３１４Ａを通って上の方へ流れることができる。

加熱要素４０４Ｅに印加された電圧は、加熱要素４０４Ｅの抵抗加熱をもたらす。次に、熱は気化導管４０４Ｃ内の水に伝達され、その結果、水蒸気、例えば蒸気が生成される。時間の経過とともに、水中に存在する汚染物質のために、蒸気発生器４０４の底部に少量のスケールが蓄積する可能性がある。そのようなスケールは熱伝達を減らし得る。したがって、図３に示されるように、スケール及び／又は他の汚染物質を除去するために、少量の予熱された水を蒸気発生器４０４の底部から排出することができる。

図７Ａは、本開示の別の代替の実施形態による、中央カラム３２０及び外部蒸気発生器５０４の断面斜視図であり、図７Ｂは、図７Ａの蒸気発生器５０４の拡大部分断面図である。上記の蒸気発生器１０４、４０４の代わりに、蒸気発生器５０４を使用することができる。図７Ａ及び図７Ｂを参照すると、蒸気発生器５０４は、中央カラム３２０の外側に配置することができる。いくつかの実施形態では、蒸気発生器５０４は、ホットボックス３００の外側に配置することができ、及び／又はホットボックスの外部に取り付けることができる。蒸気発生器５０４の出口は、断熱材４０９によって取り囲まれる断熱された蒸気導管４０８によって、中央カラム３２０に流体接続することができる。

図７Ｂに示されるように、蒸気発生器５０４は、抵抗加熱要素などの内部加熱面５０４Ｈを含むことができる。蒸気発生器５０４の入口５０４Ｉは、水予熱器１０２に流体接続することができ、蒸気発生器５０４の出口５０４Ｏは、上記の導管３３０に流体接続することができる。蒸気発生器５０４は、外管５０４Ｔの内側に配置されるらせんバッフル５０４Ｂを含み、蒸気流路５０４Ｐを画定し得る。

図７Ｃに示されるように、蒸気発生器５０４はまた、蒸気発生器５０４におけるスケールの蓄積を防ぐために、１つ又は複数の排出ポート５０４Ｄを含み、これを通って凝縮された液体が蒸気発生器５０４から排出され得る。排出ポート５０４Ｄは、液体排出物が蒸発してホットボックスから出される酸素排出物に運び去られるように、空気出口導管３１６（図３、図５Ａ及び図５Ｂを参照）に流体接続され得る。排出ポート５０４Ｄは、水を排水するために開くことができるバルブ５０６を含むことができる。排出ポート５０４Ｄは、入口５０４Ｉと同じ導管又は異なる導管を含むことができる。蒸気発生器５０４を外部に置くことにより、蒸気発生器５０４の配線、排水、及び配管のルートを定める際の困難が減る。

代替の実施形態では、蒸気発生器１０４は、図７Ｄ、図７Ｅ及び図７Ｆにそれぞれ示されるように、浸漬型蒸気発生器６０４、インライン蒸気発生器７０４、又はマルチヒーター蒸気発生器アレイ８０４を含むことができる。あるいは、スタンドアロン型蒸気発生器を、ＳＯＥＣホットボックス３００の気化器として使用することができる。

図８Ａは、本開示の様々な実施形態による、代替構造を有する周辺加熱要素２１４を含む空気加熱器１１４の一部の部分的に透明な斜視図である。図８Ａを参照すると、周辺加熱要素２１４は、オープン型コイル構成を有し得、横方向に延在することができる。特に、周辺加熱要素２１４は環状で、スタック１００内の電解セルの積み重ね方向に平行な垂直方向に積み重ねることができる。周辺加熱要素２１４は、ホットボックスの内殻３０４と外殻との間に配置された支持要素２２０に固定することができる。いくつかの実施形態では、支持要素２２０は、セラミック材料などの誘電材料で形成されたブラケットであってよい。外殻３０２は、絶縁層３１８によって覆うことができる。

図８Ｂは、本開示の様々な実施形態による、代替構造を有する周辺加熱要素２１４及び支持要素２２２を含む空気加熱器１１４の一部の断面斜視図である。図８Ｂを参照すると、周辺加熱要素２１４は、内殻３０４と外殻３０２との間の空間に垂直に延びるコイル状の加熱要素であってよい。周辺加熱要素２１４は、垂直に伸びる管状の支持要素２２２内に配置することができる。いくつかの実施形態では、支持要素２２２は、セラミック材料などの耐熱性誘電材料を含むことができる。支持要素２２２は、周辺加熱要素２１４を内殻３０４及び外殻３０２から電気的に絶縁するように構成することができる。周辺加熱要素２１４は、例えば、直列又は並列に電気的に接続することができる。

図８Ｃは、本開示の様々な実施形態による、代替構造を有する周辺加熱要素２１４を含む空気加熱器１１４の一部の斜視図であり、図８Ｄは、図８Ｃの空気加熱器１１４の断面斜視図である。図８Ｃ及び図８Ｄを参照すると、内殻３０４と外殻３０２との間に絶縁層３１８を配置することができる。いくつかの実施形態では、絶縁層３１８は、セラミック材料などの誘電性耐熱材料で形成することができる。周辺加熱要素２１４は、横方向に延在することができ、絶縁層３１８に埋め込むことができる。したがって、絶縁層３１８は、周辺加熱要素２１４を電気的に絶縁することができる。

図８Ｅは、本開示の様々な実施形態による、代替構造を有する周辺加熱要素２１４を含む空気加熱器１１４の一部の斜視図である。図８Ｅを参照すると、周辺加熱要素２１４は円筒形で、垂直に積み重ねることができる。周辺加熱要素２１４は、熱放散を改善するためのフィン２２４を含むことができる。このタイプの加熱器の形状は、その場で操作して内殻３０４の周りに手動で挿入することができるので、より簡単に組み立てることができる。

図８Ｆは、本開示の様々な実施形態による、代替構造を有する周辺加熱要素２１４を含む空気加熱器１１４の一部の斜視図である。図８Ｆを参照すると、周辺加熱要素２１４は、蛇行パターンで内殻３０４上に配置することができる。例えば、周辺加熱要素２１４は、支持要素２２０を使用して内殻３０４にクランプすることができる。空気加熱器１１４は、入ってくる空気を周辺加熱要素２１４に沿って案内するように構成されるガイドベーン２２６を含むことができる。ガイドベーン２２６は、ガイドベーン２２６の下側の空気に半径方向の流れを与えるために、１０～８０度、例えば３０～６０度等の角度で垂直な空気流方向に対して傾斜させた平らな上面を含むことができる。周辺加熱要素２１４は、電力絶縁に包まれた金属製の加熱コアを含むことができる。ろう付け管２２８は、支持及び電気的絶縁を提供するために、加熱要素２１４のコアの端部にろう付けされ得る。ろう付け管２２８は、シルクハット形状の構造物２３０に溶接され得る。

様々な実施形態において、図８Ａ～図８Ｆの加熱要素構造は、周辺加熱要素２１４、中央加熱要素２１６、及び／又は底部加熱要素２１８に適用することができる。例えば、中央加熱要素２１６は、コイル状構成を有し、横方向又は垂直方向に延在し、フィンを有し、及び／又はセラミック管又はセラミックスペーサーなどの支持要素に配置され得る。いくつかの実施形態では、中央加熱要素２１６は、図９Ａ及び図９Ｂに関して以下に示されるように、支持要素２２０によって中央カラム３２０にクランプされ得る。

図９Ａは、本開示の様々な実施形態による、ゾーン構成を有する空気加熱器１１４を示す概略図である。図９Ｂは、図９Ａの空気加熱器１１４の加熱要素を示す斜視図である。図９Ａ及び図９Ｂを参照すると、空気加熱器は、周辺加熱要素２１４及び中央加熱要素２１６を含み得る。図示されていないが、空気加熱器１１４は、底部加熱要素を含むこともできる。

周辺加熱要素２１４は、第１のゾーン２１４Ａ及び第２のゾーン２１４Ｂなど、２つ以上のゾーンに配置することができる。第１のゾーン２１４Ａは、空気加熱器１１４を通る空気の流れ方向に関して、第２のゾーン２１４Ｂの上方及び上流側に配置することができる。中央加熱要素２１６は、例えば第３のゾーン２１６Ａ、第４のゾーン２１６Ｂ、及び第５のゾーン２１６Ｃなど、２つ以上のゾーンに配置することができる。第３のゾーン２１６Ａは、空気の流れ方向に関して、第４のゾーン２１６Ｂの下方及び上流側に配置することができ、第４のゾーン２１６Ｂは、第５のゾーン２１６Ｃの下方及び上流側に配置することができる。

空気加熱器１１４は、ゾーン２１４Ａ、２１４Ｂ、２１６Ａ、２１６Ｂ、２１６Ｃのそれぞれにおいて周辺加熱要素２１４に印加される電圧及び／又は電流を独立して制御するように構成された少なくとも１つの電源２４０を含むことができる。例えば、空気加熱器１１４は、各ゾーン２１４Ａ、２１４Ｂ、２１６Ａ、２１６Ｂ、２１６Ｃにそれぞれ電力を供給するための別個の電源２４０を、又は各ゾーン２１４Ａ、２１４Ｂ、２１６Ａ、２１６Ｂ、２１６Ｃに供給される電力を独立して制御するように構成された単一の電源を含むことができる。各ゾーン２１４Ａ、２１４Ｂ、２１６Ａ、２１６Ｂ、２１６Ｃの周辺加熱要素２１４の熱出力は、空気加熱器１１４を通って流れる空気が、約８００℃～約９５０℃の範囲の温度、例えば、約８２５℃～約８７５℃、又は約８５０℃を有するように、選択的に制御され得る。特に、各ゾーン２１４Ａ、２１４Ｂ、２１６Ａ、２１６Ｂ、２１６Ｃの加熱要素に供給される電力は、空気加熱器１１４を通って流れる空気に熱均一性を提供するために、独立して制御され得る。

図１０Ａは、本開示の様々な実施形態による、変更された蒸気加熱要素１１０Ｅを含む中央カラム３２０の断面図であり、図１０Ｂは、図１０Ａの拡大部分である。図１０Ａ及び図１０Ｂを参照すると、加熱要素１１０Ｅは、中央カラム３２０の内側に配置された垂直ループ型加熱コイルであってよい。加熱要素１１０Ｅは、断熱材に包まれた金属加熱コアを含み得る。

加熱要素１１０Ｅは、溶接フランジを含むろう付け管２１０にろう付けされ得る。溶接フランジは、加熱要素１１０Ｅの端部が中央カラム３２０の下方に配置され得るように、ホットボックスのベースプレート３０６に溶接され得る。したがって、加熱要素１１０Ｅの露出された端子を、蒸気曝露から保護することができ、それにより、発熱体１１０Ｅの信頼性とサイクル寿命を高める。

動作中、接続導管３３０からの蒸気は、蒸気復熱装置１０８の底部を出て蒸気加熱器１１０のハウジング１１０Ｈに沿って上向きに流れる前に、蒸気復熱装置１０８を通って下向きに流れることができる。この実施形態では、図２Ａに示されるように、蒸気復熱装置１０８は蒸気加熱器１１０の上流側に置かれる。次に、蒸気は、ハウジング１１０Ｈに入り蒸気加熱要素１１０Ｅによって加熱されながら下向きに流れる前に、ハウジング１１０Ｈの上部へと上向きに流れることができる。次に、過熱された蒸気は、蒸気加熱器１１０の底部を出て、対応するスタック１００に過熱された蒸気を供給することができる蒸気分配導管３４０Ｓに流れ込むことができる。

図１１は、本開示の様々な実施形態による、変更されたホットボックス３００Ａを通る空気の流れを示す断面斜視図である。ホットボックス３００Ａは、ホットボックス３００と同様であり得るので、それらの間の違いのみを詳細に説明する。

図１１を参照すると、空気（すなわち、空気入口流）は、空気復熱装置１１２の内側チャンバに入る前に、空気入口導管３２２を通ってホットボックス３００Ａに入り、空気予熱器３２８及びショルダーマニホールド３３４を通って流れることができる。空気復熱装置１１２の底部を出る空気は、半径方向内側に流れてスタック１００に入ることができる。ＳＯＥＣスタック１００カラムの側壁に配置されたセラミックサイドバッフル３４２は、空気が空気復熱装置１１２からスタック１００へ流れ込むのを維持する。

スタック１００を出る酸素排出物は、半径方向内側に流れ、その後蒸気加熱器１１０の外面に沿って流れることができ、このとき、酸素排出物（すなわち、酸素富化空気流）は、任意選択で、空気加熱器１１４の中央加熱要素２１６によって加熱される。あるいは、中央加熱要素２１６は省略されてもよい。次に、加熱された酸素排出物は、スタック１００の下で分配ハブ３４０の周りを流れ、空気加熱器１１４に入る。空気加熱器１１４を通って流れる酸素排出物は、周辺加熱要素２１４によって加熱され得る。加熱された酸素排出物は空気復熱装置１１２の外側チャンバに入り、空気復熱装置１１２の内側チャンバに入ってくる空気を加熱することができる。酸素排出物は、その後、空気出口導管３１６を通って排出される前に、水予熱器１０２を通って流れることができ、そこで、コイル状水道管１０３を通って流れる水とショルダーマニホールド３３４を通って流れる空気を予熱する。

図１２は、本開示の様々な実施形態による、変更されたホットボックス３００Ｂを通る空気の流れを示す断面斜視図である。ホットボックス３００Ｂは、ホットボックス３００と同様であり得るので、それらの間の違いのみを詳細に説明する。

図１２を参照すると、空気は、空気入口導管３２２を通ってホットボックス３００Ｂに入り、任意選択の空気予熱器３２８を通って流れ、その後、中央カラム３２０の周辺部の周りに配置された内部空気復熱装置１１２に入ることができる。例えば、内部空気復熱装置１１２は、蒸気加熱器１１０を取り囲むことができる。内部空気復熱装置１１２は、図５Ｃに示されるように、内側チャンバ及び外側チャンバ１１２Ｃ１、１１２Ｃ２を含むことができ、これを通って空気と酸素排出物が流れる。特に、内部空気復熱装置１１２は、スタック１００から出される酸素排出物から熱を取り出すことによって、中央カラム３２０に供給される空気を加熱するように構成され得る。空気はまた、蒸気加熱器１１０によって生成される過剰な熱によって、加熱され得る。空気は、空気復熱装置１１２を出て、スタック１００の下で分配ハブ３４０の周りを半径方向外向きに流れ、その後、上向きに流れて空気加熱器１１４に入ることができる。空気は、空気加熱器１１４を出て半径方向内側に流れてスタック１００に入る前に、周辺加熱要素２１４によって加熱され得る。

スタック１００を出る酸素排出物は、半径方向内側に流れて空気復熱装置１１２の外側チャンバに入り、空気復熱装置１１２の内側チャンバに入ってくる空気を加熱することができる。次に、酸素排出物は、上方に流れ、水予熱器１０２を半径方向外向きに通過し、その後、ホットボックス３００Ｂから空気出口導管３１６を通って排出され得る。

図１１及び図１２を参照すると、開示されたホットボックス構成により、入ってくる空気を酸素排出物によって加熱することができる。これにより、中央加熱要素２１６を空気加熱器１１４から省略できる。したがって、空気加熱器１１４は、周辺加熱要素２１４のみを含むことができ、ホットボックス３００Ａ、３００Ｂに入らずに整備することができる。ホットボックス３００Ａ、３００Ｂを通る水及び蒸気の流れは、ホットボックス３００に関して説明したものと同じであってよい。

開示された態様の前述の説明は、当業者が本発明をなす又は使用することを可能にするために提供される。これらの態様に対する様々な変更は、当業者には容易に明らかであり、本明細書で定義される包括的な原理は、本発明の範囲から逸脱することなく、他の態様に適用することができる。したがって、本発明は、本明細書に示される態様に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示される原理及び新規の特徴と一致する最も広い範囲を与えられるべきである。

Claims (59)

1. 蒸気を生成するように構成された蒸気発生器と、
   前記蒸気発生器から受け入れた前記蒸気を利用して水素流を生成するように構成された固体酸化物形電解セルのスタックと、
   前記スタックから出される酸素排出物から取り出された熱を利用して前記蒸気発生器に供給される水を予熱するように構成された水予熱器と
   を備える電解システム。
2. 前記蒸気発生器は、
   前記予熱された水を気化させることによって蒸気を生成するように構成された気化器と、
   前記蒸気の温度を約１０℃～約１００℃に上昇させるように構成された過熱器と
   を備える、請求項１に記載の電解システム。
3. 前記蒸気発生器は、前記予熱された水を約１００℃までさらに加熱し、前記さらに加熱された水を前記気化器に供給するように構成されたプレボイラーをさらに備える、請求項２に記載の電解システム。
4. 前記蒸気発生器は、前記さらに加熱された水が前記気化器に供給される前に、前記さらに加熱された水から溶存空気を除去するように構成された脱気器をさらに備え、前記脱気器からの前記生成された蒸気は、前記水予熱器の酸素排出物と混合される、請求項３に記載の電解システム。
5. 前記蒸気発生器によって出された前記蒸気と水素を混合するように構成された混合器をさらに備え、前記混合器は、水素貯蔵装置から、水素流から、又は前記水素流及び前記水素貯蔵装置の両方から水素を受け入れるように構成される、請求項１に記載の電解システム。
6. 前記水素流から取り出された熱を利用して前記蒸気発生器によって生成された前記蒸気を加熱するように構成された蒸気復熱装置をさらに備える、請求項１に記載の電解システム。
7. 前記蒸気復熱装置は、熱交換フィンと、前記熱交換フィンが抵抗加熱要素として動作して前記蒸気をさらに加熱するように前記熱交換フィンに電圧を印加するように構成された電圧源とを含む、請求項６に記載の電解システム。
8. 前記蒸気復熱装置から出される前記蒸気、又は前記蒸気復熱装置に供給される前記蒸気を、前記スタックの動作温度から１０℃と１５０℃の間の温度に加熱するように、及び／又は、輻射伝熱によって前記スタックを加熱するように構成された蒸気加熱器をさらに備える、請求項６に記載の電解システム。
9. 前記スタックに空気を供給するように構成されたエアブロワをさらに備える、請求項１に記載の電解システム。
10. 前記酸素排出物から熱を取り出すことによって前記スタックに供給される前記空気を予熱するように構成された空気復熱装置をさらに備える、請求項９に記載の電解システム。
11. 前記予熱された空気が前記スタックに供給される前に、前記予熱された空気をさらに加熱するように構成された空気加熱器をさらに備える、請求項１０に記載の電解システム。
12. 前記空気加熱器は、垂直方向に、円周方向に、又は、垂直方向及び円周方向に分割された、独立した電力レベルを有する複数の空気加熱器ゾーンを含み、前記空気加熱器ゾーンは、前記空気加熱器の熱均一性を高めるように構成される、請求項１１に記載の電解システム。
13. 定常状態動作中、電気加熱要素を利用せずに動作するように構成される、請求項１に記載の電解システム。
14. 定常状態動作中、前記固体酸化物形電解セルの空気側及び燃料側の圧力が約３ポンド毎平方インチゲージ（ｐｓｉｇ）～約５０ｐｓｉｇの範囲にあるように、前記スタックを加圧するように構成される、請求項１に記載の電解システム。
15. 前記水素流を圧縮するように構成された水素処理装置をさらに備える、請求項１に記載の電解システム。
16. 前記水素処理装置は、前記水素流を圧縮するように構成された、少なくとも１つの電気化学式水素ポンプ、液封圧縮機、ダイヤフラム式圧縮機、代替の圧縮装置、又はそれらの組み合わせを含む、請求項１５に記載の電解システム。
17. 前記水素処理装置は、前記圧縮された水素流から残留水を除去するように構成された脱水装置をさらに備える、請求項１５に記載の電解システム。
18. 前記圧縮された水素流から除去された前記残留水を再精製し、前記水予熱器に供給するように構成される、請求項１７に記載の電解システム。
19. 以下のうちの少なくとも１つに基づいてシステムの動作を制御するように構成されたコントローラをさらに備える、請求項１に記載の電解システム：
    前記スタックの動作制限値；
    前記システムへの電力の可用性；
    瞬時平均電力コスト；
    前記システムの水素貯蔵容量；
    使用のために利用可能な貯蔵エネルギーの量；
    水素生産収益への影響；
    システムメンテナンス計画；
    気象条件；又は
    スタンバイモードから水素の生産を開始するための最小許容時間。
20. 前記水予熱器に脱イオン水を供給するように構成された水源をさらに備える、請求項１に記載の電解システム。
21. 蒸気を生成するように構成された蒸気発生器と、
    前記蒸気発生器から受け入れた前記蒸気を利用して水素流を生成するように構成された固体酸化物形電解セルのスタックと、
    前記蒸気発生器によって出された前記蒸気と水素を混合するように構成された混合器と
    を備える電解システム。
22. 前記混合器は、水素貯蔵装置から、前記水素流から、又は前記水素流と前記水素貯蔵装置の両方から水素を受け入れるように構成される、請求項２１に記載の電解システム。
23. 蒸気を生成するように構成された蒸気発生器と、
    前記蒸気発生器から受け入れた前記蒸気を利用して水素流を生成するように構成された固体酸化物形電解セルのスタックと、
    前記水素流から取り出された熱を利用して前記蒸気発生器によって生成された前記蒸気を加熱するように構成された蒸気復熱装置と
    を備える電解システム。
24. 前記蒸気復熱装置は、熱交換フィンと、前記熱交換フィンが抵抗加熱要素として動作して前記蒸気をさらに加熱するように前記熱交換フィンに電圧を印加するように構成された電圧源とを含む、請求項２３に記載の電解システム。
25. 前記蒸気復熱装置から出される前記蒸気、又は前記蒸気復熱装置に供給される前記蒸気を、前記スタックの動作温度から１０℃と１５０℃の間の温度に加熱するように、及び／又は、輻射伝熱によって前記スタックを加熱するように構成された蒸気加熱器をさらに備える、請求項２３に記載の電解システム。
26. 蒸気を生成するように構成された蒸気発生器と、
    前記蒸気発生器から受け入れた前記蒸気を利用して水素流を生成するように構成された固体酸化物形電解セルのスタックと、
    前記スタックに空気を供給するように構成されたエアブロワと
    を備える電解システム。
27. 酸素排出物から熱を取り出すことによって前記スタックに供給される前記空気を予熱するように構成された空気復熱装置をさらに備える、請求項２６に記載の電解システム。
28. 前記予熱された空気が前記スタックに供給される前に、前記予熱された空気をさらに加熱するように構成された空気加熱器をさらに備える、請求項２７に記載の電解システム。
29. 前記空気加熱器は、垂直方向に、円周方向に、又は垂直方向及び円周方向に分割された、独立した電力レベルを有する複数の空気加熱器ゾーンを含み、前記空気加熱器ゾーンは、前記空気加熱器の熱均一性を高めるように構成される、請求項２８に記載の電解システム。
30. 電解システムを作動する方法であって、
    固体酸化物形電解スタックに蒸気を供給することと、
    前記固体酸化物形電解スタックで水素流を生成することと、
    （a）前記スタックから出される酸素排出物から取り出された熱を利用して、蒸気発生器に供給される水を予熱して前記蒸気を生成すること；又は
    （b）前記スタックに前記蒸気を供給することの前に、前記蒸気に水素を混合すること；又は
    （c）前記スタックに空気を供給すること；又は
    （d）前記スタックから出される酸素排出物から熱を取り出すことによって空気を予熱し、前記予熱された空気を前記スタックに供給すること；又は
    （e）前記スタックに前記蒸気を供給するステップの前に、前記水素流から取り出された熱を利用して前記蒸気を加熱すること、
    のうちの少なくとも１つと
    を含む方法。
31. ホットボックスと、
    前記ホットボックス内に配置され、垂直方向に縦に延びる中央カラムと、
    前記ホットボックス内に配置され、前記中央カラムを取り囲み、蒸気を水素流に変換するように構成された固体酸化物形電解セルのスタックと、
    前記スタックに供給される空気を加熱するように構成された空気加熱器と
    を備える電解システム。
32. 前記空気加熱器は、前記ホットボックスの内殻と外殻との間に、前記スタックの周囲半径方向に配置された周辺加熱要素を備える、請求項３１に記載の電解システム。
33. 前記周辺加熱要素を支持し、前記内殻と前記外殻との間の間隔を維持するように構成された支持要素をさらに備える、請求項３２に記載の電解システム。
34. 前記支持要素がセラミック材料を含む、請求項３３に記載の電解システム。
35. 前記支持要素は、垂直方向に延びるセラミック管を含み、
    前記周辺加熱要素は、それぞれ前記セラミック管内に配置された要素である、請求項３３に記載の電解システム。
36. 前記周辺加熱要素は、コイル状加熱要素又はフィン付き加熱要素を含む、請求項３２に記載の電解システム。
37. 前記周辺加熱要素は、垂直に積み重ねられた環状加熱要素又は蛇行する加熱要素を含む、請求項３２に記載の電解システム。
38. 前記周辺加熱要素を取り囲む、前記外殻上に配置された断熱層をさらに備える、請求項３２に記載の電解システム。
39. 前記内殻と前記外殻との間に配置された断熱層をさらに備え、
    前記空気加熱器は、前記断熱層に埋め込まれるとともに前記スタックを半径方向に取り囲む周辺加熱要素を備える、請求項３１に記載の電解システム。
40. 前記内殻と前記外殻との間に配置されたガイドベーンをさらに備え、前記ガイドベーンは、前記空気加熱器を通る前記空気の流れを半径方向に向けるように構成される、請求項３２に記載の電解システム。
41. 前記空気加熱器は、前記中央カラムと前記スタックとの間に配置された中央加熱要素をさらに備え、前記中央加熱要素は、空気が前記周辺加熱要素によって加熱された後に前記空気を加熱するように構成される、請求項３２に記載の電解システム。
42. 前記空気加熱器は、前記スタックの下方に配置された底部加熱要素をさらに備え、前記底部加熱要素は、前記周辺加熱要素から前記中央加熱要素に流れる空気を加熱するように構成される、請求項４１に記載の電解システム。
43. 前記周辺加熱要素は少なくとも２つのグループに配置され、前記中央加熱要素は少なくとも３つのグループに配置され、
    前記空気加熱器は、前記周辺加熱要素の各グループ及び中央加熱要素の各グループに独立して電力を供給するように構成された少なくとも１つの電源をさらに備える、請求項４１に記載の電解システム。
44. 前記ホットボックスの外部に配置され、水を蒸気に気化させて、前記蒸気を前記中央カラムに供給するように構成された蒸気発生器をさらに備える、請求項４１に記載の電解システム。
45. 前記中央カラムの内部に配置され、水を蒸気に気化させるように構成された蒸気発生器をさらに備える、請求項４１に記載の電解システム。
46. 前記蒸気発生器は、前記蒸気発生器を通って流れる水を気化させるように構成された加熱要素を備える、請求項４５に記載の電解システム。
47. 前記蒸気発生器は、前記中央カラムに供給される水を受け入れるように構成された気化マニホールドを備え、
    前記加熱要素は、前記気化マニホールドを通って流れる水を気化させるように構成される、請求項４６に記載の電解システム。
48. 前記スタックによって生成され前記ホットボックスから出される酸素排出物において、前記蒸気発生器から出される鉱化された水を蒸発させるように構成される、請求項４５に記載の電解システム。
49. 前記ホットボックス内に配置され、前記スタックから出される酸素排出物を利用して前記空気加熱器に供給される空気を加熱するように構成された空気復熱装置をさらに備える、請求項４１に記載の電解システム。
50. ホットボックスと、
    前記ホットボックス内に配置された中央カラムと、
    前記ホットボックス内に配置され、前記中央カラムを取り囲み、蒸気及び空気を受け入れて水素排出物及び酸素排出物を出すように構成された固体酸化物形電解セルのスタックと、
    前記スタックから出された前記酸素排出物から熱を取り出すことによって、前記ホットボックスに供給される前記空気を予熱するように構成された空気復熱装置と、
    前記空気復熱装置から出された予熱された空気を加熱し、加熱された空気を前記スタックに供給するように構成された空気加熱器と、
    前記中央カラム内に配置され、前記スタックに供給される蒸気を過熱するように構成された蒸気加熱器と
    を備える電解システム。
51. 前記空気復熱装置は前記スタックを取り囲んでいる、請求項５０に記載の電解システム。
52. 前記スタックから出される酸素排出物が、前記ホットボックスを出る前に、前記中央カラムに沿って流れ、前記スタックの下を流れ、その後前記空気復熱装置を通って流れるように構成される、請求項５１に記載の電解システム。
53. 前記ホットボックスに供給される空気が、前記スタックに入る前に、前記中央カラムに流れ込み、前記空気復熱装置を通って流れるように構成される、請求項５２に記載の電解システム。
54. 前記空気加熱器は、前記ホットボックスの内殻と外殻との間に配置された１つ又は複数の加熱要素を備える、請求項５１に記載の電解システム。
55. 前記空気復熱装置は、前記中央カラムを取り囲み、前記スタックによって取り囲まれている、請求項５０に記載の電解システム。
56. 前記スタックから出される酸素排出物が、前記ホットボックスを出る前に、前記空気復熱装置を通って流れるように構成される、請求項５５に記載の電解システム。
57. 前記ホットボックスに供給される空気が、前記スタックに入る前に、前記中央カラムに流れ込み、前記空気復熱装置を通って流れ、前記スタックの下を流れ、その後前記空気加熱器を通って流れるように構成される、請求項５６に記載の電解システム。
58. 前記空気復熱装置から出される酸素排出物から取り出された熱を利用して前記ホットボックスに供給される水を予熱するように構成された水予熱器をさらに備える、請求項５０に記載の電解システム。
59. 前記スタック及び前記中央カラムの下方に配置された分配ハブをさらに備え、前記分配ハブは、過熱された蒸気を前記中央カラムから前記スタックに供給し、前記スタックから出された水素を前記中央カラムに供給するように構成される、請求項５０に記載の電解システム。
    

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