JP2023103184A - 蒸気使用及び安全システム - Google Patents
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Abstract
【課題】水素漏れ又は他の故障に起因する危害及び危険を防止するための安全システムを備えたＳＯＥＣシステムを提供する。【解決手段】水又は蒸気を水素と組み合わせて受け取るように構成される電解セルのスタックと、水又は蒸気の一部を再循環させるように構成される再循環蒸気出口とを備える、ＳＯＥＣシステム。【選択図】図１
Description
本発明の実施形態は、包括的には、固体酸化物型電解槽（ＳＯＥＣ）機械システム、蒸気使用、及び関連する安全システムに関する。
燃料電池等の電気化学装置は、燃料中に貯蔵されたエネルギーを電気エネルギーに高効率で変換することができる。固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）システム等の燃料電池システムでは、燃料電池のカソード側を酸化流が通過し、燃料電池のアノード側を燃料導管流が通過する。酸化流は、通常は空気であり、燃料流は、メタン、天然ガス、液化石油ガス（ＬＰＧ）／プロパン、エタノール、又はメタノール等の炭化水素燃料であり得る。燃料電池は、負の電荷を帯びた酸素イオンをカソード流ストリームからアノード流ストリームに移送することが可能であり、ここで、イオンは、炭化水素分子中の遊離水素又は水素と結合して水蒸気を形成し、及び／又は一酸化炭素と結合して二酸化炭素を形成する。負電荷イオンからの過剰な電子は、アノードとカソードとの間で完成する電気回路を通って燃料電池のカソード側に戻り、その結果、回路を通る電流の流れが生じる。燃料電池システムは、複数のホットボックスを備えることができ、そのそれぞれが電気を発生させることができる。ホットボックスは、酸化性燃料を１つ以上の燃料スタックに提供する燃料導管流を含むことができ、そこでは、発電中に燃料が酸化される。
ＳＯＦＣは、水素及び酸素を生成するために電解槽として動作することができ、これは、固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）と呼ばれる。ＳＯＥＣは、ホットボックスに位置する。ＳＯＦＣモードでは、酸素イオンがカソード側（空気）からアノード側（燃料）に移送され、その駆動力となるのは、電解質にわたる酸素の分圧の化学勾配である。ＳＯＥＣモードでは、セルの空気側に正電位が印加されると、酸素イオンが蒸気側から空気側に移送される。ＳＯＦＣとＳＯＥＣとの間でカソードとアノードとが逆転している（すなわち、ＳＯＦＣカソードがＳＯＥＣアノードとなり、ＳＯＦＣアノードがＳＯＥＣカソードとなる）ため、以降、ＳＯＦＣカソード（ＳＯＥＣアノード）は空気電極と呼び、ＳＯＦＣアノード（ＳＯＥＣカソード）は蒸気電極と呼ぶ場合がある。
ＳＯＥＣモードの間、燃料流中の水が還元され（Ｈ２Ｏ＋２ｅ→Ｏ２－＋Ｈ２）、Ｈ２ガス及びＯ２－イオンを形成し、Ｏ２－イオンは、固体電解質を通して移送された後、空気側において酸化され（Ｏ２－からＯ２）、分子状酸素を生成する。空気及び湿潤燃料（水素、改質天然ガス）を用いて動作するＳＯＦＣの開回路電圧は、０．９Ｖ～１Ｖ程度（含水量に応じる）であるため、ＳＯＥＣモードにおいて空気側電極に印加される正電圧により、セル電圧を、典型的な動作電圧である１．１Ｖ～１．４５Ｖまで上昇させる。
したがって、本発明は、関連技術の制限及び不都合点に起因する１つ以上の問題を実質的に排除する様々な蒸気使用及び安全システムに関する。
本発明の実施形態は、水素漏れ又は他の故障に起因する危害及び危険を防止するために必要な安全システムとともにＳＯＥＣを動作させる。ＳＯＥＣを動作させるために、必要とされる水、空気、及び始動燃料を提供する機械システム及び構成要素が必要である。安全システムは、システムを保護するために、またより重要なことに、火災並びに周囲及び付近の人々に対する他の損傷から保護するためにも含まれる。他のＳＯＥＣシステムは、危険場所用装置、又は燃料部品の二重格納を含む場合がある。
本発明の更なる特徴及び利点は、以下の説明において記載され、その説明から部分的に明らかになるか、又は本発明の実施によって習得することができる。本発明の目的及び他の利点は、特に、添付図面と合わせて記載の説明及び本件の特許請求の範囲に示される構造によって実現及び達成される。
以上の一般的な記載及び以下の詳細な記載はいずれも、例示的かつ説明的なものであり、特許請求の範囲に係る本発明の更なる説明を与えることを意図するものであることが理解される。
本発明の更なる理解をもたらすために含まれ、本明細書に援用されるとともに本明細書の一部をなす添付図面は、本発明の実施形態を例示するとともに、明細書と合わせて本発明の原理を説明する役目を果たす。
添付図面を参照して、種々の実施形態を詳細に説明する。可能な限り、同じ参照符号は、図面全体を通して同じ又は同様の部分を指すのに使用する。特定の例及び実施態様に対する参照は、例示目的でなされ、本発明の実施形態又は特許請求の範囲の範囲を制限することは意図していない。
本明細書において、「約」１つの特定の値から及び／又は「約」別の特定の値までのように値及び範囲が表現され得る。そのような範囲が表現される場合の例として、１つの特定の値から及び／又は他の特定の値までというのが挙げられる。同様に、頭に「約」又は「実質的に」を使用することによって値が近似として表現される場合、特定の値は別の様相を形成することが理解されよう。いくつかの実施形態において、「約Ｘ」という値は、＋／－１％Ｘ又は＋／－５％Ｘという値を含み得る。範囲のそれぞれの端点は、他方の端点に関連しても、他方の端点とは無関係でも重要であることが更に理解されよう。これらの値及び範囲は例を提供するが、本発明の実施形態はそれに限定されない。
当業者であれば、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、本開示に様々な変更及び変形を行うことができることが明らかとなろう。本開示の趣旨及び要旨を組み込む開示の実施形態の変更、組合せ、部分組合せ、及び変形が当業者には想到され得ることから、本開示は、添付の特許請求の範囲内の全てのもの及びその均等物を含むように解釈すべきである。
本実施形態の様々な実施形態において、蒸気は、ＳＯＥＣシステムにおいて再循環される。
図１は、本発明の一例示の実施形態に係るＳＯＥＣシステム１００である。
図１に示されているように、ＳＯＥＣシステム１００は、空気導管１０５と、空気ブロワー１０６と、蒸気導管１１０と、再循環蒸気入口１１１と、再循環蒸気出口１２１と、ホットボックス１５０と、任意選択の水素導管１３０と、濃縮空気導管１２５と、蒸気及び水素生成物出口１２０と、スプリッター１６０と、蒸気再循環ブロワー１７０とを備える。
一例示の構成及び動作によれば、蒸気導管１１０において供給される蒸気（例えば、様々な圧力で現場又は施設蒸気を供給する）は、約１００℃～１１０℃（例えば、１０５℃）の温度と、約１ｐｓｉｇの圧力とを有することができる。様々な実施形態において、蒸気は、外部源からＳＯＥＣシステム１００に供給することができ、又は局所的に発生させることができる。いくつかの実施形態において、複数の蒸気入口が、外部蒸気及び局所蒸気をそれぞれ受け取るように構成することができる。代替的又は付加的に、水は、ＳＯＥＣシステム１００に供給し、気化させることができる。
空気導管１０５における空気供給（例えば、周囲空気）は、局所大気圧における周囲温度とすることができ、その温度は約－２０℃～＋４５℃であり得る。空気導管１０５からの空気は、空気ブロワー１０６において受け取られ、空気ブロワー１０６によって排出される空気は、圧縮の熱によって周囲よりも僅かに高い温度となる。例えば、空気ブロワー１０６によって排出される空気の温度は、２０℃の周囲空気温度と比較して、１．０ｐｓｉｇにおいて約３０℃とすることができる。
任意選択の水素導管１３０からの水素は、水素がＳＯＥＣシステム１００によって他の方法で生成されていないときの始動及び過渡のためにのみ必要とされ得る。例えば、定常状態において別個の水素給送流又は水素再循環蒸気は必要なくなる。この水素流の圧力は、現場構築時に決定される設計オプションであり、約５ｐｓｉｇ～３０００ｐｓｉｇとすることができる。温度は、貯蔵部に由来し得るため、周囲温度付近であり得る。
空気導管１０５における空気供給、蒸気導管１１０における蒸気供給、及び任意選択の水素導管１３０における水素供給は、ホットボックス１５０に供給される。さらに、ホットボックス１５０は、ホットボックス１５０の蒸気及び水素生成物出口１２０において蒸気及び水素生成物Ｈ２－Ｈ２Ｏ－Ｇを排出する。ここで、Ｇは総量（Ｇｒｏｓｓ）を表す。ホットボックス排出Ｈ２－Ｈ２Ｏ－Ｇは、約１００℃～１８０℃（例えば、１３０℃）の温度、約０．１ｐｓｉｇ～０．５ｐｓｉｇの圧力を有することができる。
加えて、ホットボックス排出Ｈ２－Ｈ２Ｏ－Ｇは、スプリッター１６０に供給され、蒸気再循環流ＲＥＣＨ２ＯＬＰ（ここで、ＬＰは低圧（ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を表す）と、純生成物Ｈ２－Ｈ２Ｏ－Ｎ（ここで、Ｎは純量（Ｎｅｔ）を表す）（例えば、商業使用又は貯蔵のための排出）とに分割される。ここで、純生成物Ｈ２－Ｈ２Ｏ－Ｎは、約１００℃～１８０℃（例えば、１３０℃）の温度、約０．１ｐｓｉｇ～０．５ｐｓｉｇの圧力を有することができる。蒸気再循環流ＲＥＣＨ２ＯＬＰは、約１００℃～１８０℃（例えば、１３０℃）の温度、約０．１ｐｓｉｇ～０．５ｐｓｉｇの圧力を有することができる。ホットボックス１５０は、濃縮空気導管１２５において、本質的に局所大気圧（例えば、０．５ｐｓｉｇ未満又は０．０５ｐｓｉｇ未満）において約１２０℃～３００℃の温度を有し得る濃縮空気を更に排出することができる。
蒸気再循環流ＲＥＣＨ２ＯＬＰは、蒸気再循環ブロワー１７０に供給される。結果として生じる再循環蒸気ＲＥＣ－ＳＴＭは、約１００℃～１８０℃（例えば、１４０℃）の温度、約０．５ｐｓｉｇ～１．５ｐｓｉｇ（例えば、約１ｐｓｉｇ）の圧力を有することができ、再循環蒸気入口１１１においてホットボックス１５０に供給される。追加の蒸気又は熱が、ホットボックス１５０の空気排気熱（例えば、約２８０℃）を取り込む再循環蒸気出口１２１によって再循環蒸気入口１１１に供給される。いくつかの実施形態において、再循環水素供給物は、再循環蒸気とともに含まれない場合がある。
図１から理解することができるように、蒸気導管１１０における流入蒸気温度（例えば、１０５℃）は、内部蒸気発生を伴うＳＯＥＣ構成と比較して低い。複数の再循環ループは、再循環蒸気出口１２１からの内部蒸気発生及び蒸気導管１１０からの外部蒸気発生の双方を使用するＳＯＥＣシステムに対して構成することができる。換言すれば、再循環蒸気入口１１１は、蒸気導管１１０及び／又は再循環蒸気出口１２１からの蒸気を受け取るように構成される。ここで、実施形態は、任意選択で、内部蒸気発生コイル、１つ以上の気化器、及び／又は他の加熱素子を通して、典型的には飽和して約１０５℃の温度にある、蒸気導管１１０から施設に供給される蒸気を導き、濃縮空気導管１２５において任意選択のファン又は濃縮空気ブロワー１２６を通して熱が解放される前に、蒸気供給物を更に加熱（すなわち、過熱）するように、空気排気熱（例えば、約２８０℃）を使用する。
したがって、いくつかの実施形態において、およそ２ｋＷ～３ｋＷのエネルギーが、再循環蒸気出口１２１において蒸気を予熱するために利用可能である。その結果、ホットボックスへの蒸気温度は、１４０℃～１６０℃まで上昇する。
図２は、本発明の別の例示の実施形態に係るＳＯＥＣシステム２００のプロセスフロー図である。ＳＯＥＣシステム２００の構成要素は、図１に関連して記載したＳＯＥＣシステム１００の構成要素と同様であり、以下はシステム２００及び１００間の相違点を記載する。
例示の実施形態において、ＳＯＥＣシステム２００は、供給蒸気導管１１０及び再循環蒸気出口１２１の使用を必要としない。代わりに、ＳＯＥＣシステム２００は、外部蒸気２１０及び加熱脱イオン水導管２０５を利用する。脱イオン水導管２０５の脱イオン水は、加熱器２０６によって加熱することができる。水素は、供給水素導管２２５によって供給される。外部蒸気２１０、供給水素導管２２５、及び加熱脱イオン水導管２０５のそれぞれは、図２に示されているように、蒸気再循環ブロワー１７０の下流の再循環ループ上に供給される。結果として生じる水素及び蒸気生成物は、再循環蒸気入口１１１において供給される。
図３は、本発明の別の例示の実施形態に係るＳＯＥＣシステム３００のプロセスフロー図である。ＳＯＥＣシステム３００の構成要素は、図１に関連して記載したＳＯＥＣシステム１００の構成要素と同様であり、以下はシステム３００及び１００間の相違点を記載する。
例示の実施形態において、ＳＯＥＣシステム３００は、スプリッター１６０及び蒸気再循環ブロワー１７０並びにそれらの下流を利用しないことにより、供給蒸気導管１１０及び再循環ループの使用を必要としない。代わりに、ＳＯＥＣシステム３００は、水入口３１０において受け取った脱イオン水導管３０５の脱イオン水を加熱することにより、内部蒸気を発生させる。再循環蒸気出口１２１によって排出された蒸気は、気化器３２０によって更に加熱され、供給水素導管３２５の水素と混合される。結果として生じる水素及び蒸気生成物は、図３に示されているように、再循環蒸気入口１１１において供給される。
図４は、本発明の別の例示の実施形態に係るＳＯＥＣシステム４００のプロセスフロー図である。ＳＯＥＣシステム４００の構成要素は、図１に関連して記載したＳＯＥＣシステム１００の構成要素と同様であり、以下はシステム４００及び１００間の相違点を記載する。
例示の実施形態において、ＳＯＥＣシステム４００は、スプリッター１６０及び蒸気再循環ブロワー１７０並びにそれらの下流を利用しないことにより、供給蒸気導管１１０及び再循環ループの使用を必要としない。代わりに、ＳＯＥＣシステム４００は、水入口４１０において受け取った脱イオン水導管４０５の脱イオン水を加熱することにより、内部蒸気を発生させる。再循環蒸気出口１２１によって排出された蒸気は、気化器４２０によって更に加熱され、供給水素導管４２５の水素と混合される。いくつかの構成において、気化器４２０の排出においてデミスター（図示せず）が含まれる。いくつかの構成において、過剰な蒸気を、濃縮空気導管１２５に通気することができる。結果として生じる水素及び蒸気生成物は、図４に示されているように、再循環蒸気入口１１１において入力される。
図５は、本発明の更に別の例示の実施形態に係るＳＯＥＣシステム５００のプロセスフロー図である。ＳＯＥＣシステム５００の構成要素は、図１に関連して記載したＳＯＥＣシステム１００の構成要素と同様であり、以下はシステム５００及び１００間の相違点を記載する。
例示の実施形態において、ＳＯＥＣシステム５００は、スプリッター１６０及び蒸気再循環ブロワー１７０並びにそれらの下流を利用しないことにより、供給蒸気導管１１０及び再循環ループの使用を必要としない。代わりに、ＳＯＥＣシステム５００は、水入口５１０において受け取った脱イオン水導管５０５の脱イオン水を加熱することにより、内部蒸気を発生させる。再循環蒸気出口１２１によって排出された蒸気は、水監視システム５２０（例えば、水位トランスデューサーフロート型）によって調節される。水監視システム５２０によって放出され、任意選択で加熱及びミスト除去された蒸気は、供給水素導管５２５の水素と混合される。結果として生じる水素及び蒸気生成物は、図５に示されているように、再循環蒸気入口１１１において供給される。
本明細書に記載の様々な実施形態のそれぞれにおいて、安全イベントを検出するために１つ以上の検出器を使用することができる。例えば、１つ以上の圧力検出器及び１つ以上の熱検出器を使用することができる。１つ以上の圧力検出器は、圧力不足（例えば、５ＰＳＩ未満）及び圧力過剰（例えば、５ＰＳＩ超）を検出するために、供給水素導管（例えば、２２５、３２５、４２５、５２５）に沿って配置することができる。圧力検出器がトリップすると、システム（すなわち、ホットボックス１５０）は停止する。さらに、１つ以上の熱検出器は、過剰な熱（例えば、２３０℃超）を検出するために、ホットボックスのキャビネット内に配置することができる。キャビネットの換気は、例えば、濃縮空気ブロワー１２６によって提供及び維持される。熱検出器がトリップすると、システム（すなわち、ホットボックス１５０）は停止する。
ＳＯＥＣシステム（例えば、１００、２００、３００、４００、５００）は、ＳＯＥＣシステムが定常状態で動作しているとき、又は安全イベントを検出すると、水素の受取りを止める。さらに、ホットボックス１５０内の電解セルのスタックは、ＳＯＥＣシステムの始動時、停止時、又はＳＯＥＣシステムが水素を生成していない若しくは十分な水素を生成していないとき、水素を受け取るように構成することができる。
したがって、様々な実施形態は、ＳＯＥＣ機械システム及び関連する安全システムを提供する。ＳＯＥＣを動作させるために、水、空気、及び始動燃料を提供する機械システム及び構成要素が必要である。また、安全システムは、システムを火災並びに周囲及び付近の人々に対する他の損傷から保護する。ＳＯＥＣを必要な安全システムとともに動作させることにより、水素漏れ及び／又は他の故障に起因する危害及び危険を防止する。他のＳＯＥＣシステムは、危険場所用装置、又は燃料部品の二重格納を含む場合がある。
当業者であれば、本発明の趣旨又は範囲から逸脱することなく、本発明の蒸気使用及び安全システムにおいて、様々な変更及び変形を行うことができることが明らかとなろう。したがって、本発明は、本発明の変更及び変形が添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内にあるならば、それらを包含することが意図される。
Claims (14)
- 水又は蒸気を水素と組み合わせて受け取るように構成される電解セルのスタックと、
前記水又は蒸気の一部を再循環させるように構成される再循環蒸気出口と、
を備える、ＳＯＥＣシステム。 - 水素及び蒸気排気の流れを前記スタックに戻して再循環させる、請求項１に記載のＳＯＥＣシステム。
- 前記水素及び蒸気排気の一部を蒸気再循環ブロワーに供給するスプリッターを更に備える、請求項２に記載のＳＯＥＣシステム。
- 前記水素及び蒸気排気の再循環部分は、蒸気を含み、水素を含まない、請求項３に記載のＳＯＥＣシステム。
- 前記電解セルのスタックは、前記ＳＯＥＣシステムが定常状態で動作しているとき、水素の受取りを止めるように構成される、請求項１に記載のＳＯＥＣシステム。
- 前記電解セルのスタックは、前記ＳＯＥＣシステムの始動時、停止時、又は前記ＳＯＥＣシステムが水素を生成していないとき、水素を受け取るように構成される、請求項１に記載のＳＯＥＣシステム。
- 前記電解セルのスタックは、前記ＳＯＥＣシステムが安全イベントを検出すると、水素の受取りを止めるように構成される、請求項１に記載のＳＯＥＣシステム。
- 前記安全イベントは、圧力検出器又は熱検出器によって検出される、請求項７に記載のＳＯＥＣシステム。
- 蒸気、水素、及び加熱脱イオン水の組合せが再循環蒸気入口に供給される、請求項１に記載のＳＯＥＣシステム。
- 前記再循環蒸気出口によって排出される蒸気が水素と混合され、蒸気及び水素の組合せが再循環蒸気入口に供給される、請求項１に記載のＳＯＥＣシステム。
- 前記再循環蒸気出口によって排出される蒸気が気化され、水素と混合され、再循環蒸気入口に供給される、請求項１に記載のＳＯＥＣシステム。
- 前記再循環蒸気出口によって排出される蒸気は、水管理システムによって調節され、水素と混合され、再循環蒸気入口に供給される、請求項１に記載のＳＯＥＣシステム。
- 電解セルのスタックにおいて、水又は蒸気を水素と組み合わせて受け取ることと、
再循環蒸気出口において、前記水又は蒸気の一部を再循環させることと、
を含む、ＳＯＥＣシステムを動作させる方法。 - キャビネットに換気を提供するとともに、可燃性ガスが蓄積しないことを保証するように構成されるキャビネット換気装置と、
サーマルカットオフを有する熱検出器であって、前記サーマルカットオフは、温度が前記サーマルカットオフを超過した場合にＳＯＥＣシステムを遮断するように前記キャビネット内で使用される、熱検出器と、
圧力不足イベント及び圧力超過イベントの双方を示すように水素ライン上で使用される１つ以上の圧力スイッチを含む圧力検出器と、
を備える、ＳＯＥＣ安全システム。
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