JP2023502781A - 水素発生のためのモジュール式システムおよびその動作方法 - Google Patents

Abstract

水素発生のためのモジュール式システムは、複数のコアと、ハブとを含む。各コアは、電解槽と、電力供給部とを含む。電力供給部は、コアの電解槽への電力を管理するように動作可能であって、複数のコアのうちの少なくとも別の１つの電力供給部に対して冗長である。ハブは、水モジュールと、熱交換モジュールと、開閉器モジュールとを含む。水モジュールは、複数のコアのそれぞれのものの電解槽と流体連通する、水源を含み、熱交換モジュールは、複数のコアのそれぞれのものの電解槽と熱連通する、熱交換器を含み、開閉器モジュールは、複数のコアのそれぞれのものの電力供給部を電気的に隔離するようにアクティブ化可能なスイッチを含む。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、その全内容が、参照することによって本明細書に組み込まれる、２０１９年１１月２１日に出願された、米国仮特許出願第６２／９３８，５１１号の利益を主張する。

本開示は、一般に、化学生産を対象とし、より具体的には、水素発生のためのモジュール式システムを対象とする。

水素は、石油精製、金属処理、食品加工、およびアンモニア生産等の多くの用途を有する、一般的ガスである。産業用途に関して、水素は、概して、非再生可能エネルギー源、特に、メタンから形成される。しかしながら、空気中でのその燃焼のため、水素は、貯蔵および出荷することが困難である。故に、水素は、概して、その生産施設またはその近傍において使用され、ひいては、非再生可能エネルギー源の局所的可用性によって限定される。

一実施形態によると、水素発生のためのモジュール式システムは、複数のコアと、ハブとを含む。各コアは、電解槽と、電力供給部とを含む。電力供給部は、コアの電解槽への電力を管理するように動作可能であって、複数のコアのうちの少なくとも別の１つの電力供給部に対して冗長である。ハブは、水モジュールと、熱交換モジュールと、開閉器モジュールとを含む。水モジュールは、複数のコアのそれぞれのものの電解槽と流体連通する、水源を含み、熱交換モジュールは、複数のコアのそれぞれのものの電解槽と熱連通する、熱交換器を含み、開閉器モジュールは、複数のコアのそれぞれのものの電力供給部を電気的に隔離するようにアクティブ化可能なスイッチを含む。

別の実施形態によると、水素発生のためのモジュール式システムを制御する方法は、複数のコアの各コアの個別の水素生産容量を監視するステップであって、各コアは、相互に電気連通する、電解槽と、電力供給部とを含む、ステップと、１つまたはそれを上回る電源から複数のコアに利用可能なエネルギーを査定するステップと、各コアの水素生産容量および１つまたはそれを上回る電源から利用可能エネルギーに基づいて、複数のコアが、集合的に、所定の性能目標を満たすように、複数のコア内の各コアの個別の動作設定点を設定するステップと、各コアの個別の動作設定点に従って、利用可能なエネルギーを１つまたはそれを上回る電源から複数のコアに指向するステップとを含む。

図１Ａは、複数のコアと、ハブとを含む、システムの略図であって、ハブの一部は、壁によってパーティション化され、略図は、ハブと複数のコアとの間の流体連通および熱連通を描写する。

図１Ｂは、図１Ａのシステムのブロック図であって、ハブと複数のコアとの間の電気連通を描写する。

図２Ａ、２Ｂ、および２Ｃは、種々の実施形態による、水素を形成する例示的方法のフローチャートであって、本方法は、複数のコアの動作設定点を設定し、各コアは、電力供給部と、電解槽とを含む。 図２Ａ、２Ｂ、および２Ｃは、種々の実施形態による、水素を形成する例示的方法のフローチャートであって、本方法は、複数のコアの動作設定点を設定し、各コアは、電力供給部と、電解槽とを含む。 図２Ａ、２Ｂ、および２Ｃは、種々の実施形態による、水素を形成する例示的方法のフローチャートであって、本方法は、複数のコアの動作設定点を設定し、各コアは、電力供給部と、電解槽とを含む。

種々の図面における同様の参照記号は、同様の要素を示す。

詳細な説明
実施形態が、ここで、例示的実施形態が示される、以降の付随の図を参照して、より完全に説明されるであろう。しかしながら、前述は、多くの異なる形態において具現化されてもよく、本明細書に記載される例示的実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。全ての流体流動は、別様に規定されない限り、導管（例えば、パイプおよび／またはマニホールド）を通して流動し得る。

本明細書に述べられた全ての文書は、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる。単数形におけるアイテムの言及は、別様に明示的に述べられない限り、または文脈から明白ではない限り、複数形におけるアイテムを含み、その逆も同様であると理解されたい。文法的接続詞は、別様に述べられない限り、または文脈から明白ではない限り、等位接続された節、文、単語、および同等物のあらゆる離接的および接続的組み合わせを表すように意図される。したがって、用語「または」は、概して、「および／または」を意味すると理解されるべきであって、用語「および」も、概して、「および／または」を意味すると理解されるべきである。

本明細書の値の範囲の列挙は、限定することを意図するものではなく、代わりに、本明細書に別様に示されない限り、個々に、範囲内に該当するあらゆる値を指し、そのような範囲内の各別個の値は、本明細書に個々に列挙される場合と同様に、明細書の中に組み込まれる。単語「約」、「およそ」、または同等物は、数値を伴うとき、意図される目的のために満足の行くように動作するための当業者によって理解されるであろうような任意の偏差を含むものとして解釈されるべきである。値および／または数値の範囲は、実施例のみとして本明細書に提供され、説明される実施形態の範囲に関する限界を構成するものではない。あらゆる実施例または例示的言語（「例えば」、「等」、または同等物）の使用は、単に、実施形態をより明らかにするように意図され、それらの実施形態の範囲に関する限界を課するものではない。本明細書におけるいずれの言語も、任意の請求されない要素を開示される実施形態の実践に不可欠なものとして示すものとして解釈されるべきではない。

水素生産場所をその最終的産業上の使用先と同じ場所に設置することは、コスト、安全性、およびスループットに関連する、その独自の課題を提示し得る。故に、ロバストなスループットを提供し、リソース制約さた面積内における施設を含む、下流用途の重要を満たしながら、安全実装に適応可能な工場内で費用効果的に実施され得る、水素発生の必要性が残ったままである。続く説明では、水素発生システムおよび動作方法の種々の側面は、水素、酸素、および熱の出力をコアから受容しながら、水および電気をコアに提供する、電力冗長性を有し、モジュールハブとの接続を共有する、コア（すなわち、例えば、施設）内に配列される、電解槽の文脈で説明される。本構成は、産業需要のために好適なスループットを達成する一方、また、リソースの可用性ならびに機器の故障および／または劣化に対してロバスト性を提供する、電解からの水素の費用効果的スケーリングを促進する。

本明細書で使用されるように、用語「モジュール」およびその変形例は、必要に応じて、システム内の１つまたはそれを上回る他の要素と電気連通、流体連通、および／または熱連通しながら、接続可能（例えば、外部または別様に容易にアクセス可能なコネクタを介して）であって、水素を発生させるためのシステムを動作および／または維持する全体的機能の側面を提供する、（例えば、キャビネットまたは他の同様に封入された構造内に格納される）離散ユニットを含むと理解されるものとする。したがって、例えば、各モジュールは、１つまたはそれを上回る電気接続、流体接続、または熱接続のみの接続解除、場合によって、同一タイプのモジュールの別の事例への個別の接続の再確立を通して、交換可能であってもよい。これらの接続は、少なくとも、同一タイプのモジュール間に標準化され、モジュールを変更するために要求される、時間および訓練の量を低減させる、接続を含んでもよい。さらに、または代わりに、各モジュールは、（例えば、フォークリフトまたは台車による）工場内での可搬性に適応可能な形状因子を有してもよい。したがって、例えば、水モジュールは、相互と、水源（例えば、工場の外側の源）と流体連通して固着可能なコネクタと、水モジュール内の機器が水を複数の電解槽間に分散させ得るように、複数の電解槽と流体連通する、ポンプおよびフィルタを含むと理解されるものとする。

さらに、または代わりに、別様に規定されない限り、または文脈から明白ではない限り、本明細書に説明されるモジュールはそれぞれ、冗長に存在し、１つのモジュール内の機器故障から結果として生じる予定外の中断の尤度を低減させてもよい。本文脈では、冗長性は、同一タイプのモジュールの複数の事例および／または所与のモジュールによって提供される電気連通、流体連通、および／または熱連通の補助源の存在を含むと理解されるものとする。しかしながら、例証および解説の明確性のために、所与のタイプのハブモジュールの複数の事例の形態における冗長性は、概して、示されない。補助機器の形態における冗長性は、本システムのある側面を説明することに対して有益である、範囲で示される。

一般に、別様に述べられない限り、または文脈から明白ではない限り、所与のタイプのコアおよび／またはモジュールの各事例は、全体的システムの水素生産における予定外の中断の必要なく、所与のタイプのモジュールの別の事例と入替可能であり得る。さらに、または代わりに、所与のタイプのコアまたはモジュールの劣化または故障の場合、補助機能性が、本システムの１つまたはそれを上回る他の要素によって提供され、本システムによる水素生産の予定された中断の合間に、本システムの劣化した性能を低減または排除し得る。しかしながら、用語「無中断」は、機器の予見可能な故障および／または劣化の文脈で理解されるものとし、不測のまたは壊滅的事象を含み得ないことを理解されたい。したがって、一実施形態では、本システムの全体的性能（すなわち、水素発生）は、無中断であり得る。これは、水素からのアンモニア合成または化学もしくは半導体デバイス製造設備内の水素の使用等、水素生産および／または１つまたはそれを上回る下流用途における費用有効性を達成するために有用な産業規模の生産量を満たす際のロバスト性のために有意である。すなわち、本システムの休止時間は、概して、コスト、すなわち、機器のコストと、水素の対応する生産によって相殺されない、本システムの動作と関連付けられる。したがって、水素の無中断生産を促進する際、本システムのモジュール性は、ある水素生産技法のコスト有効性に寄与し得る。

本明細書で使用されるように、用語「用途」は、システムによって形成される水素、酸素、および／または熱の種々の異なる下流使用のうちの任意の１つまたはそれを上回るものを含み、したがって、同じ場所に位置する工場内のそのような水素、酸素、および／または熱の局所的使用を含み得ると理解されるものとする。例えば、本明細書に説明される種々の異なるシステムおよび方法のうちの任意の１つまたはそれを上回るものは、アンモニア合成を含む、用途に対して、水素、酸素、および／または熱を発生させるために使用されてもよい。より具体的実施例として、本開示の文脈内の用途は、本明細書と同日に出願され、弁理士整理番号第３５０５５－００１ＵＳ号を有し、「ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＡＭＭＯＮＩＡ ＳＹＮＴＨＥＳＩＳ」と題された、Ｂａｌｌａｎｔｉｎｅ， ｅｔ ａｌ．による、米国特許出願（これらの参考文献のそれぞれの内容全体は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に説明される種々のシステムおよび方法のうちの任意の１つまたはそれを上回るものの一部として、アンモニア合成を含むと理解されるものとする、

ここで図１Ａおよび１Ｂを参照すると、水素を発生させるためのシステム１００は、複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃ（例えば、集合的に、複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃ、個々に、コア１０２ａ、コア１０２ｂ、およびコア１０２ｃと称される、コアモジュール）と、ハブ（例えば、施設モジュール）１０４と、その中に加圧された水素が貯蔵または処理される、ハブ１０４の少なくとも一部をハブ１０４および複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃの残りからパーティション化し、火災および／または爆発をもたらす不注意による条件からの保護を提供する、壁１０５（例えば、火災定格構造）とを含んでもよい。複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃは、３つのコアを含むように本明細書で示され、議論されるが、これは、明確および効率的解説の目的のためのものであって、任意の数のコアが、本開示の範囲から逸脱することなく、使用され得ることを理解されたい。複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃは、電気、水、および／または冷却を個々にコア１０２ａ、ｂ、ｃに分散させ、コア１０２ａ、ｂ、ｃによって生産される水素、酸素、および／または熱を個々に収集するために、ハブ１０４が、一元化されたリソースとしての役割を果たし得るように、ハブ１０４と電気連通、流体連通、および熱連通してもよい。例えば、コア１０２ａ、コア１０２ｂ、およびコア１０２ｃのそれぞれのものは、電力供給部１０６と、相互に電気連通する、電解槽１０８との個別の事例を含んでもよい。ハブ１０４は、開閉器モジュール１１０と、水モジュール１１２と、熱交換モジュール１１４と、圧縮モジュール１１６と、貯蔵モジュール１１８とを含んでもよい。複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃのそれぞれのものの電力供給部１０６は、ハブ１０４の開閉器モジュール１１０を介して、電源１２０と電気連通し、電気を水素の電解のための入力として受容してもよい。開閉器モジュール１１０は、複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃの各電力供給部１０６への電力を中断し、コア１０２ａ、コア１０２ｂ、およびコア１０２ｃのそれぞれの機器、いくつかの事例では、ハブ１０４の構成要素を電源１２０から提供される電力内の異常（例えば、サージ）から保護するために有用な変圧器、回路遮断器、スイッチ、または他のハードウェアのうちの任意の１つまたはそれを上回るものを含んでもよい。複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃのそれぞれのものの電解槽１０８は、ハブ１０４の水モジュール１１２と流体連通し、水を水素の電解のための入力として受容してもよい。複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃのそれぞれのものの少なくとも電解槽１０８は、冷却（例えば、熱伝達媒体、例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール、または冷却水等の冷却液体）を熱交換モジュール１１４から受容し、水素の電解のために好適な温度（例えば、約０℃を上回り、かつ約１００℃未満）に保ってもよい。さらに、複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃの水素出力は、壁１０５によってシステム１００の残りから分離され得る、ハブ１０４の１つまたはそれを上回る水素取扱モジュールと流体連通してもよい。実施例として、複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃのそれぞれのものの電解槽１０８は、水素を圧縮するために、圧縮モジュール１１６と流体連通してもよく、これは、加えて、または代替として、今後の使用のために、水素を貯蔵するための貯蔵モジュール１１８と流体連通してもよい。ハブ１０４の機能のそのような一元化は、とりわけ、電解のための調整された入力を提供し、下記により詳細に説明される、ハブ１０４の種々の側面のサイズ設定における規模の経済を達成するために有用であり得る。

使用時、また、下記に説明されるように、システム１００は、そうでなければ、複数の電解槽をともに結合し、産業規模で水素を電解から形成することから生じ得る、予定外の中断の尤度を低減させるために有用なある冗長性を含んでもよい。例えば、複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃのそれぞれのものの電力供給部１０６は、複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃのうちの少なくとも別の１つの電力供給部１０６に対して冗長であってもよい。より具体的実施例として、コア１０２ａの電力供給部１０６は、コア１０２ａの電力供給部１０６が、コア１０２ｂの電力供給部１０６の故障の場合、コア１０２ｂの電解槽１０８に電力を提供し得るように、コア１０２ｂの電解槽１０８とさらに電気連通してもよい。システム１００は、コア１０２ａおよびコア１０２ｃのための類似冗長性を含んでもよい。

電力および／またはハブ１０４からの種々の異なる調整された入力のうちの任意の１つまたはそれを上回るものの供給に対する冗長性によって促進される無中断動作に加え、システム１００の費用効果的動作は、電気を電解槽１０８の各事例に提供する、電源１２０の機能であり得る。例えば、電源１２０は、有利なこととして、異なる時刻において、並列および／または個々に、動作され得る、複数のタイプの発電機を含んでもよい。例えば、ある配設では、電源１２０は、送電網を含んでもよく、送電網が信頼性のある、場所においても、局所的電気源に切り替え、より低いコストの電気を利用することが有用であり得る。そのような局所的源の実施例は、限定ではないが、ディーゼル発電機、天然ガス火力発電機、バイオ燃料源によって給電される発電機等のバイオメタン、エタノール着火発電機、ガソリン着火発電機、プロパン着火発電機、光電池アレイ、風力発電機（例えば、１つまたはそれを上回る風力タービン）、湿式発電機またはタービン（例えば、潮流またはダムタイプ）、地熱発電機、熱電発電機、熱エンジン（例えば、タービン、ピストンエンジン、または熱および／または燃料を入力として使用する、他のエンジン）、または燃料電池発電機のうちの１つまたはそれを上回るものを含む。

これらの前述の実施例から理解され得るように、電源１２０は、公称上、持続的および／または断続的である、局所的源を含んでもよい。したがって、光電池アレイ等の局所的源からの断続電気が利用可用である場合、電源１２０は、別個の貯蔵を伴わずに、局所的源からの電力が利用可能であるときは、優先的に、局所的源であってもよい。加えて、または代替として、システム１００は、過剰電力が利用可能であるとき（例えば、昼間の間、光電池アレイから）、局所的源からの過剰電力を貯蔵し、次いで、過剰電力が利用不可能であるとき（例えば、夜間の間）、それを複数のコアに解放することによって、１つまたはそれを上回る断続電源からの電力の変動を管理するために有用であり得るように、複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃの電解槽１０８の少なくとも各事例と電気連通する（例えば、電力供給部１０６を介して）、バッテリ１２１を含んでもよい。別の実施例として、ある場所では、送電網は、電源１２０が、主にまたは排他的に、上記に列挙されたもの等の種々の異なる局所的源のうちの任意の１つまたはそれを上回るものを含むように、信頼性がない、または存在しない場合がある。

前述のシナリオ、すなわち、信頼性のある送電網の利点の有無の両方のそれぞれから理解され得るように、電力供給部１０６は、電源１２０から受容可能な種々の異なるＡＣ電力またはＤＣ電力フォーマットのうちの任意の１つまたはそれを上回るものにおける電気を調整および制御してもよい。一般に、したがって、電力供給部１０６は、回路網１２６を含み、電源１２０からの電気電流を、それに関して電力供給部１０６が電力の一次供給源である、コア１０２ａ、コア１０２ｂ、またはコア１０２ｃの個別のものの電解槽１０８の負荷に給電するために使用可能な電力フォーマット（電流、電圧、および周波数）に変換してもよい。回路網１２６は、例えば、種々の異なる周知の技法のうちの任意の１つまたはそれを上回るものに従って、電力フォーマットを変更するために有用な種々の異なる整流器および／または変圧器のうちの任意の１つまたはそれを上回るものを含んでもよい。すなわち、回路網１２６は、ある形態において、電気を電源１２０から受容し、本電気の形態を、コア１０２ａ、コア１０２ｂ、またはコア１０２ｃのうちの１つの電解槽１０８による使用のために好適である、別の形態に変換してもよい。

電解槽１０８が、ＤＣ電力に基づいて起動し、電源１２０（例えば、送電網またはディーゼル発電機）が、ＡＣ電力を提供する、事例では、回路網１２６は、ＡＣ電力をＤＣ電力に変換する、インバータと、電解槽１０８への整流されたＤＣ電力の流動を制御する、ＤＣ／ＤＣコンバータとを含んでもよい。実施例として、回路網１２６は、変圧器（例えば、漸増、漸減、ジグザグ、他の隔離生成変圧器）またはインバータ出力もしくは回転発電機出力へのＡＣ接続等、ＡＣ電力を電力会社または風力タービンから受容してもよい。実施例として、回路網１２６は、ＡＣ電力供給部によって供給される整流器／インバータからＤＣ電力を生産してもよい。加えて、または代替として、回路網１２６は、約－４００Ｖ ＤＣ、中性、および＋４００Ｖ ＤＣのバイポーラ配列等のマルチポーラＤＣ電力を生産してもよい。

ある事例では、電力供給部１０６は、１つのみの電力処理段階を伴って、ＡＣ電力会社供給源および／または１つまたはそれを上回る他のＡＣ源（例えば、発電機、風力発電等）に接続されてもよい。単一電力処理段階は、例えば、単相パルス幅変調または力率補正回路であってもよい。加えて、または代替として、単一電力処理段階は、３相パルス幅変調または力率補正回路（例えば、Ｖｉｅｎｎａ整流器）であって、１つの電解槽スタックに給電する、中性接続を伴わない、フルブリッジ、または複数の電解槽スタックに給電するために、中性接続を伴う、フルブリッジを含んでもよい。

加えて、または代替として、回路網１２６は、ヒューズ溶断または短絡回路感知等の障害保護を含み、電力供給部１０６の安全かつ信頼性のある動作を促進してもよい。ある事例では、電力供給部１０６は、４００Ｖ ＤＣ（完全定格電力）を電解槽１０８に提供してもよい。さらに、または代わりに、電力供給部１０６は、電解槽１０８の動作、監視、および／または安全性と関連付けられる、補助デバイスに給電するために有用であり得る、２つの異なるタイプの電力を電解槽１０８の同一事例に提供してもよい。例えば、各電力供給部１０６は、第１のＤＣ電圧をコア１０２の電解槽１０８に提供し、第１のＤＣ電圧より低い第２のＤＣ電圧をコア１０２の補助デバイスに提供するように構成される。したがって、４００Ｖ ＤＣの実施例に戻ると、電力供給部１０６は、４００Ｖ ＤＣを電解槽１０８の一部（例えば、下記により詳細に説明される電気化学スタック）に提供する一方、２４Ｖ ＤＣをコア１０２の補助デバイス（例えば、弁または送風機）および／または安全性論理のためのセンサ配線に提供してもよい。別の実施例として、電力供給部１０６は、平衡ＤＣ／ＤＣを用いて、分割されたＤＣを電解槽１０８の一部に提供してもよい。

電解槽１０８が、ＤＣ電力に基づいて起動し、電源１２０（例えば、光電池アレイ）またはバッテリ１２１が、ＤＣ電力を提供する、事例では、したがって、インバータ／整流器が、バイパスされてもよく、ＤＣ電力は、直接、ＤＣ電源またはバッテリから、回路網１２６のＤＣ／ＤＣコンバータに、次いで、電解槽１０８に提供されてもよい。したがって、回路網１２６は、ＡＣ電源からのＡＣ電力に基づいて、ＤＣ電源からのＤＣ電力に基づいて、または同時に、ＡＣ／ＤＣインバータを使用して、ＡＣ電力をＤＣ電力に整流し、次いで、ＤＣ／ＤＣコンバータを使用して、電解槽１０８に提供される、ＤＣ電力の大きさを制御することによって、ＡＣおよびＤＣ電力の両方から、電解槽１０８を動作させるように構成される。

さらに、または代わりに、電力供給部１０６は、それに関して電力供給部１０６が冗長性を提供する、複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃのうちの少なくとも別の１つに対応する、電解槽１０８の負荷を給電するように定寸されてもよい。明確性および効率のため、続く説明は、複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃ内の各電解槽１０８が同一公称電圧および電流で動作すると仮定する。実際、電解槽１０８の事例を横断したそのような均一性は、効率的ハードウェア構成を用いて、冗長性を達成することを促進し得る。しかしながら、別様に規定されない限り、または文脈から明白ではない限り、電解槽１０８のいくつかの事例は、本開示の範囲から逸脱することなく、電解槽１０８の１つまたはそれを上回る他の事例と異なる電圧および周波数で動作し得ることを理解されたい。

ある事例では、電力供給部１０６は、コア１０２ａ、コア１０２ｂ、またはコア１０２ｃの電解槽１０８の個別の事例が、動作中、より具体的には、電気を使用して、水の電解から水素を発生させる間、ホットスワップ可能であってもよい。ここでは、電力供給部１０６のそのようなホットスワップは、ホットスワップされていない電力供給部１０６の事例によって提供される、冗長性によって促進され得ることを理解されたい。すなわち、電力供給部１０６のある事例が、交換されている間、電力供給部１０６の１つまたはそれを上回る他の事例は、そうでなければ、電力を交換されている電力供給部１０６の事例から受容するであろう、電解槽１０８の事例に電力を提供してもよい。前述の実施例から理解され得るように、したがって、複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃ内の電力供給部１０６の事例によって提供される冗長性は、水素生産の中断を伴わずに、電力供給部１０６の各事例の保守および／または修理を促進する。

一般に、電解槽１０８は、電気化学スタック１２８を含んでもよく、その中で電気は、電解を使用して、水素および酸素を水から形成するように指向され得る。より具体的には、電気化学スタック１２８は、水を水モジュール１１２から受容してもよく、電気化学スタック１２８は、電力供給部１０６からの電力を通して、アクティブ化可能であって、電力供給部１０６からの電力の少なくとも一部を指向し、電気化学スタック１２８内の水を電解し、水素および酸素を形成してもよい。電気化学スタック１２８の実施例は、限定ではないが、陽子交換膜（ＰＥＭ）スタック、固体酸化物電解セル、アルカリセル、またはそれらの組み合わせを含む。ＰＥＭ電解槽セルでは、水は、膜（すなわち、電解質）のアノード電極側に提供され、アノードとカソード電極との間に提供される、印加される電流または電圧下、水素は、膜のアノード電極側からカソード電極側に拡散し、水素生産物を発生させる。酸素および過剰水は、ＰＥＭ電解槽セルのアノード電極側から出力される。より具体的実施例として、電解槽１０８は、本明細書と同日に出願され、弁理士整理番号第３５０５５－００２ＵＳ号を有し、「ＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＤＥＶＩＣＥＳ， ＭＯＤＵＬＥＳ， ＡＮＤ ＳＹＳＴＥＭＳ ＦＯＲ ＨＹＤＲＯＧＥＮ ＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＯＰＥＲＡＴＩＮＧ ＴＨＥＲＥＯＦ」と題された、Ｂａｌｌａｎｔｉｎｅ， ｅｔ ａｌ．による、米国特許出願（これらの参考文献のそれぞれの全内容は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に説明される、デバイスおよびシステムの種々の異なる側面のうちの任意の１つまたはそれを上回るものを含んでもよい。

水素を生産することに加え、電気化学スタック１２８はまた、酸素および熱を生産してもよい。これらの一方または両方は、独立価値を有してもよい。例えば、電気化学スタック１２８からの酸素は、収集され、その中に酸素が入力される、１つまたはそれを上回る他の局所的または分散型用途において使用されてもよい。加えて、または代替として、電気化学スタック１２８から除去される熱は、例えば、システム１００の１つまたはそれを上回る側面における効率を改良するために、局所的に使用されてもよい。例えば、下記により詳細に説明されるように、電気化学スタック１２８から回収される熱は、いくつかの事例では、電気を発生させるために使用されてもよい。

いくつかの実装では、複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃのそれぞれのものはさらに、所与のコアの電解槽１０８の個別の事例と電気連通する、補助電源１２３を含んでもよい。補助電源１２３は、始動、シャットダウン、および／またはスタンバイモードの間、電力を電解槽１０８に提供してもよい。さらに、または代わりに、補助電源１２３は、電源１２０が中断された状態になる、事例では、電力を電解槽１０８に提供してもよく、補助電源１２３は、ある場合には、安全シャットダウンを可能にするように定寸される、または他の場合には、電解槽の持続動作を可能にするように定寸される。実施例として、補助電源１２３は、バッテリを含んでもよい。別の実施例として、補助電源１２３は、貯蔵モジュール１１８と流体連通する、燃料電池を含み、燃料電池に給電するために使用される水素を受容してもよい。燃料電池を含む、補助電源１２３の実施例を継続すると、燃料電池および対応する電解槽は、工場および／または電力調整システムの残部を共有してもよい。補助電源１２３は、電源１２０を個別の電力供給部１０６に電気的に接続する、電力バス、および／または図１Ｂに示されるように、電力供給部１０６を同一コア１０２内の個別の電解槽１０８に電気的に接続する、電力バス（ＤＣ電力バス等）に電気的に接続されてもよい。

一般に、熱交換モジュール１１４は、熱を複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃの少なくともサブセットから除去するために定寸される、熱交換器１３０を含んでもよい。熱交換モジュール１１４は、モジュール式であることを前提として、熱交換モジュール１１４の付加的事例が、下記により詳細に議論されるように、複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃのうちの１つの付加的事例が、増加された水素需要に適応する、または複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃのうちの任意の１つまたはそれを上回るものの経時的に劣化した性能を補償するために経時的に追加されるように、システム１００に追加されてもよいことを理解されたい。さらに、または代わりに、熱交換モジュール１１４の文脈では、冗長性は、熱交換モジュール１１４のある事例の壊滅的故障の場合の完全な冗長性を含んでもよい。ある事例では、熱交換文脈における冗長性は、付加的熱除去容量を含み、過渡動作を考慮してもよい。

熱交換モジュール１１４は、ある場合にはさらに、図１Ａに示される熱ループ１３２を含んでもよい。例えば、熱交換器１３０は、熱ループ１３２を介して、複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃのそれぞれのものと熱連通してもよい。より具体的実施例として、熱交換器１３０は、冷却流体（例えば、グリコールまたは水）のリザーバを含んでもよく、冷却流体は、熱ループ１３２を通して移動し、複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃにわたって通過し、定常状態動作の間、熱を除去（またはある条件下での始動の場合、熱を追加）してもよい。本タイプの熱交換器は、特に、空気熱交換器と比較して、小占有面積において大量の冷却能力を提供するために有用であり得る。さらに、または代わりに、液体熱交換は、システム１００の周囲の周囲環境の変動の場合、複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃの温度を制御するために有用であり得る。

ある実装では、熱交換モジュール１１４は、複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃからの低品質熱を、ハブ１０４等のシステム１００の１つまたはそれを上回る他の部分に送達可能なより高い品質の熱に変換してもよい。例えば、熱交換器１３０および熱ループ１３２は、複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃからの廃熱を、熱ループ１３２を介して、複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃと熱交換器１３０との間で移動する（例えば、コンプレッサの力の下で）、作業流体（例えば、冷媒）としてのより高い品質の熱に変換するように動作可能である、ヒートポンプの少なくとも一部を形成してもよい。少なくとも部分的に、熱交換器１３０および熱ループ１３２によって形成される、ヒートポンプによって取り込まれたより高い品質の熱は、例えば、貯蔵モジュール１１８に指向され、水素が解放に応じて拡張するにつれて、貯蔵モジュール１１８の導管および／または弁の凍結の尤度を低減させてもよい。

熱交換モジュール１１４は、有利なこととして、本システムの他の部分において使用するための熱を取り込み得るが、取り込まれた熱の他の使用も、加えて、または代替として、可能性として考えられる。例えば、熱交換モジュール１１４は、複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃからの（例えば、約７０℃における）廃熱を、有機ランキンサイクルにおける地表源冷却に指向し、システム１００による使用のための電気を生成し、したがって、全体的効率を増大させてもよい。そのような電気発生はさらに、または代わりに、エネルギーの時相偏移を提供することによって、無中断電力を複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃに提供することに寄与し得る。

ある事例では、熱交換モジュール１１４によって除去される廃熱は、水モジュール１１２の効率を改良するために使用されてもよい。例えば、熱交換モジュール１１４によって除去される廃熱は、水モジュール１１２内の水捕捉サブシステムを駆動し、湿気を空気から除去し、したがって、システム１００の全体的水要件を低減させるために使用されてもよい。別の実施例として、熱交換モジュール１１４によって除去される廃熱は、水モジュール１１２内の水精製プロセスを駆動するために使用されてもよい。

熱交換モジュール１１４は、概して、電解槽１０８の各事例の温度を管理し得るが、他の熱伝達スキームも、加えて、または代替として、複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃ内の熱を管理するために使用され得ることを理解されたい。例えば、いくつかの事例では、電力供給部１０６は、冷却ファンまたは送風機を含み、コア１０２ａ、コア１０２ｂ、またはコア１０２ｃのうちの同一もの内の電解槽１０８の個別の事例にわたって流動可能な冷却を提供し、熱を電解槽１０８から除去してもよい。これは、例えば、始動に応じた電解槽１０８の高速加熱を促進するために、電力供給部１０６が冷却を提供しないとき、有用であり得る。別の実施例として、熱交換モジュール１１４の熱交換器１３０は、熱交換モジュール１１４が、熱をコア１０２ａ、コア１０２ｂ、またはコア１０２ｃのうちの所与のものの電力供給部１０６および電解槽１０８の両方から除去し得るように、電力供給部１０６の各事例と熱連通してもよい。

一般に、圧縮モジュール１１６は、複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃの電解槽１０８の各事例と流体連通する、コンプレッサ１３４を含み、生産される水素を受容してもよい。コンプレッサ１３４は、ひいては、貯蔵モジュール１１８内での貯蔵のために、水素を圧縮してもよい。水素の圧縮が、熱を生産することを前提として、圧縮モジュール１１６内の水素の圧縮からの熱は、有利なこととして、捕捉され、システム１００内のいずれかの場所において使用されることができる。したがって、例えば、圧縮モジュール１１６は、熱を圧縮モジュール１１６からの熱が、本明細書に説明される技法のうちの任意の１つまたはそれを上回るものに従って、より高い品質の熱に変換され、電気に変換され、および／またはシステム１００の１つまたはそれを上回る他の部分に指向され得るように、熱交換モジュール１１４と熱連通してもよい。

ハブ１０４は、あるモジュールを含むように説明されたが、付加的または代替モジュールも、可能性として考えられることを理解されたい。例えば、いくつかの事例では、ハブ１０４は、複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃと電気連通する、遠隔測定モジュール１３６を含み、複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃの性能に関連する情報を受信してもよい。さらに、または代わりに、ハブ１０４は、圧縮モジュール１１６または貯蔵モジュール１１８のうちの１つまたはそれを上回るものと流体連通する、分注モジュール１３９を含み、下流需要に従って、水素の分注を制御してもよい。

別の実施例として、ハブ１０４は、加えて、または代替として、システム１００によって生産される水素を下流で利用する、アプリケーションモジュール１３８を含んでもよい。例えば、アプリケーションモジュール１３８は、燃焼発電所であってもよい。そのような事例では、アプリケーションモジュール１３８は、水の電解からの水素の発生における反応副産物として生産されるような酸素を利用してもよい（例えば、ＣＯ_２隔離可能炭素およびより下位のＮＯ_ｘを生産するための酸素燃料燃焼プロセスにおいて）。加えて、または代替として、アプリケーションモジュール１３８は、鋼鉄の生産のための水素と、鋼鉄の溶接または切断のための酸素とを使用し得る、鋼鉄生産工場であってもよい。いくつかの事例では、アプリケーションモジュール１３８は、水素を使用して、それぞれ、半導体デバイスまたは化学物質を生産する、半導体デバイス鋳造所または化学工場のうちの１つまたはそれを上回るものを含んでもよい。

さらに別の実施例として、ハブ１０４は、（例えば、空気から）窒素を生産し、窒素を複数のコア１０２ａ、ｂ、ｃの電解槽１０８の各事例に指向し得る、窒素モジュール１４０を含んでもよい。

図１Ｂに示されるさらに別の実施例として、ハブ１０４は、処理ユニット１４４と、処理ユニット１４４に、本明細書に説明される種々の異なる制御技法のうちの任意の１つまたはそれを上回るものを行わせるための、その上に記憶されたコンピュータ可読命令を有する、非一過性コンピュータ可読記憶媒体１４６とを含む、コントローラ１４２を含んでもよい。一実施形態では、安全動作に関与する処理ユニット１４４のファームウェアおよび処理ユニット１４４の状態機械は、本システムのための動作スクリプトから分裂され、安全論理または状態機械論理に影響を及ぼさずに、制御スクリプト論理のフラッシュのみを可能にする。システム１００は、システム障害の存在下でも動作することができる。

ここで図２Ａを参照すると、水素発生のためのモジュール式システムを制御する例示的方法２００が、本明細書に説明されるシステムの種々の異なる側面のうちの任意の１つまたはそれを上回るものを使用して実施されてもよい。したがって、例えば、例示的方法２００は、システム１００を使用して実施されてもよい。より具体的には、別様に規定されない限り、または文脈から明白ではない限り、例示的方法２００は、コントローラ１４２（図１Ｂに示される）の非一過性コンピュータ可読記憶媒体上に記憶されたコンピュータ可読命令に従って、処理ユニット１４４によって実行可能であると理解されるものとする。

ステップ２０２に示されるように、例示的方法２００は、複数のコアの各コアの個別の水素生産容量を監視するステップを含んでもよい。各コアは、本明細書に説明される種々の異なるコアのうちの任意の１つまたはそれを上回るものであってもよく、したがって、相互に電気連通する、電解槽と、電力供給部とを含んでもよい。各コアの個別の水素生産容量を監視するステップは、例えば、各コアの個別の電解槽に利用可能な電力を検出するステップを含んでもよい。複数のコア内の各コアの電力供給部が、複数のコアの少なくとも１つの他のコアの電力供給部に対して冗長である、事例では、各コアの個別の電解槽に利用可能な電力を検出するステップは、所与のコアに対応する、電力供給部の第１の利用可能な電力出力と、所与のコアの電力供給部に対して冗長である、１つまたはそれを上回る電力供給部の第２の利用可能な電力出力とに基づいてもよい。下記により詳細に説明されるように、所与のコアに対する総利用可能電力が、コアのための定格水素出力を下回る水素生産容量に対応する、事例では、コアに対する総利用可能電力は、コアから生産され得る、水素の量を限定し得る。

所与のコアの水素生産容量は、電力供給部および任意の関連付けられる冗長電力供給部の条件に基づき得るが、コアの水素生産容量は、加えて、または代替として、電解槽の条件にも基づき得ることを理解されたい。例えば、電解槽が、電気化学スタックを含む、事例では、そのような電解槽を含む、コアの水素生産容量を監視するステップは、信号を個別のコアの電力供給部に送信し、電流中断またはリップル機能を電気化学スタックに送信し、電流中断またはリップル機能に応答して、電気化学スタックの電流中断インピーダンス測定を受信するステップを含んでもよい。電流インピーダンス測定は、電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）測定であってもよい。ひいては、電流中断インピーダンス測定は、電気化学スタック内で損失される入力電力の量のインジケーションを提供してもよい。電気化学スタックが、経年劣化するにつれて、本損失は、経時的に増加し得る。したがって、本劣化を監視することによって、複数のコア内の１つまたはそれを上回る他のコアの動作設定点に対する調節が、そのような劣化を相殺するために行われてもよい。したがって、ＥＩＳ測定は、定常状態動作、シャットダウン手順、または始動もしくは回復手順の間、実施されてもよい。

ステップ２０４に示されるように、例示的方法２００は、１つまたはそれを上回る電源から複数のコアに利用可能な電力を査定するステップを含んでもよい。例えば、複数のコアが、１つまたはそれを上回る局所的電源からの電力を受容する、事例では、そのような１つまたはそれを上回る局所的電源から利用可能な電力は、経時的に有意に変動し得ることを理解されたい。これは、特に、断続電源の場合に当てはまり得る。故に、いくつかの事例では、複数のコアに利用可能な電力を査定するステップは、公称上一定の電源の他の源前に、そのような断続電力を使用することが有利であり得るため（例えば、そのような断続電力を貯蔵する必要性を低減させるために）、１つまたはそれを上回る断続電源から利用可能電力の量を決定するステップを含んでもよい。さらに、または代わりに、１つまたはそれを上回る電源からの複数のコアに利用可能な電力を査定するステップは、各コアの個別の電力供給部と電気連通する、１つまたはそれを上回るバッテリ内に貯蔵された量を決定するステップを含んでもよく、したがって、貯蔵された電力は、有利なこととして、断続電源からの電力の平滑断続性のために使用されることができる。

ステップ２０６に示されるように、例示的方法２００は、複数のコアが、集合的に、所定の性能目標を満たすように、複数のコア内の各コアの個別の動作設定点を設定するステップを含んでもよい。本文脈において使用されるように、所定の性能目標は、水素発生のためのモジュール式システムの動作、特に、水素生産における予定外中断の尤度を低減させるためのそのようなシステムの動作と関連付けられ得る、種々の異なる目標のうちの任意の１つまたはそれを上回るものであってもよい。例えば、所定の性能目標は、複数のコアの動作設定点のために集合的に要求される総電力と断続電源から利用可能な電力の量の平衡を含んでもよい。加えて、または代替として、所定の性能目標は、複数のコアの動作設定点のために集合的に要求される総電力が、他の源からの過剰電力を要求せずに、断続電源からの最大利用可能電力に対応するような、断続電源の最大電力点追跡を含んでもよい。

一実施例では、電源１２０は、光電池アレイを備え、これは、直接、コア１０２に結着され、これは、光電池アレイ出力電力を追跡する。別の実施例では、電源１２０は、風力電源（例えば、風力タービン）を備え、これは、直接、コア１０２に結着され、これは、風力発電出力電力を追跡する。別の実施例では、送電網電源１２０は、オフピーク時間において、より多くの電力をコア１０２に提供し、ピーク時間には、より少ない電力をコア１０２に提供し、送電網の負荷平準を可能にする。

別の実施例として、所定の性能目標は、複数のコアの標的の全体的効率を含んでもよい。そのような効率は、本システムの種々の異なるパラメータのうちの任意の１つまたはそれを上回るものに対して測定されてもよい。例えば、標的の全体的効率は、生産値／コスト比率を最大限にすることに対応し得る。本文脈では、生産値は、水素、酸素、および熱のための生産要件予想に基づいてもよく、コストは、現在の電気価格に基づいてもよい。

一般に、複数のコアの集団動作を通して、性能目標を達成するために、個々のコアのための動作設定点を設定するステップは、所与のコアのための水素生産容量および／または１つまたはそれを上回る電源からコアに利用可能な電力に基づいてもよい。例えば、（一次電力供給部からの）コアへの第１の利用可能な電力出力および（冗長電力を提供する、１つまたはそれを上回る電力供給部からの）コアへの第２の利用可能な電力出力がそれぞれ、所与のコアの定格水素出力未満の水素生産容量に対応する場合、所与のコアの動作設定点は、第１の利用可能な電力出力または第２の利用可能な電力出力の大き一方に従って設定されてもよい。ある場合には、１つまたはそれを上回る他のコアの動作設定点は、本より低い水素出力を補償するように調節されてもよい。すなわち、複数のコア内のコアのうちの１つの個別の水素生産容量が、個別のコアのための定格水素出力未満である場合、複数のコア内の各コアの個別の動作設定点を設定するステップは、複数のコア内の少なくとも１つの他のコアの動作設定点を少なくとも１つの他のコアのための定格水素出力を上回って設定するステップを含む。換言すると、いくつかの事例では、複数のコアからの総水素出力は、実質的に一定に維持されてもよい（例えば、約±１０パーセント未満だけ変動する）。ある実装では、複数のコア内の各コアの個別の動作設定点を設定するステップは、加えて、または代替として、完全電力動作の間、複数のコアを通して、実質的に一定電圧を維持する（例えば、約±１０パーセント未満だけ変動する）ことを含む、所定の性能目標を達成するために有用であり得るように、付加的コアを複数のコアに追加するステップを含んでもよい。

ステップ２０８に示されるように、例示的方法２００は、各コアの個別の動作設定点に従って、１つまたはそれを上回る電源から利用可能な電力を複数のコアに指向するステップを含んでもよい。ある事例では、これは、各コアの配線のインピーダンスをチェックするステップと、配線のインピーダンスが、所定の閾値を上回る場合、少なくとも個別のコアに指向される利用可能な電力を中断するステップとを含んでもよい。すなわち、所与のコアと関連付けられる配線のインピーダンスが、短絡回路条件を示すように現れる場合、所与のコアへの電力は、中断され、および／または１つまたはそれを上回る他のコアに再指向されてもよい。

ここで図２Ａ－２Ｃを参照すると、例示的方法２００はさらに、本システムの安全性および生産性と関連付けられる、１つまたはそれを上回る付加的プロトコルを行うステップを含んでもよい。

図２Ｂに示されるように、例示的方法２００は、複数のコアのための始動プロトコル２１０を実行するステップを含んでもよい。

ステップ２１２に示されるように、始動プロトコル２１０は、例えば、漏出試験ステップを含んでもよい。構成要素は、各コアの構成要素を加圧し、所定の閾値を超える圧力減衰が、個別のコアの加圧された構成要素のうちの１つまたはそれを上回るもの内に検出される場合、始動プロトコルを中断することによって、漏出に関して試験される。具体的には、漏出試験は、水素および水ならびに冷却剤ラインを加圧し、次いで、圧力減衰をチェックし、非漏出条件を示すように、圧力が高く維持される場合のみ、動作を持続することによって行われてもよい。始動プロトコル２１０はまた、電気接続解除試験を含んでもよい。電気配線および接続は、電気インピーダンスチェックを伴い、本システムは、配線および接続のインピーダンスが閾値を下回り、および／または短絡または開回路障害の兆候を示さない場合のみ、動作し続けることを可能にされる。

ステップ２１４に示されるように、始動プロトコル２１０は、コア（例えば、電解槽）の少なくとも一部を不活性ガスまたは酸素枯渇空気でパージするステップを含んでもよい。そのような酸素枯渇空気は、例えば、約１６パーセント酸素またはそれ未満を有してもよく、酸素圧送、温度スイング吸着、圧力スイング吸着、ハイブリッド発生器、またはアンモニアの形成において窒素を生成するために使用されるカスケード型酸素除去プロセス等の酸素を空気から除去するための種々の異なる技法のうちの任意の１つまたはそれを上回るものに従って形成されてもよい。本明細書で使用されるように、そのような酸素枯渇空気は、ハブの窒素モジュール２４０を介して、複数のコアに送達されてもよい。さらに、または代わりに、各コアが、燃料電池を補助電源として含む、事例では、始動プロトコルは、水素を燃料電池に指向し、個別のコアの始動および暖気のために、電力を提供するステップを含んでもよい。

ステップ２１６に示されるように、ステップ２１０の始動プロトコルは、各コアを所与のコアの個別の動作設定点に逓増させるステップを含んでもよい。逓増プロトコルは、安全性および／または構成要素健全性に関連する、１つまたはそれを上回る考慮点に基づく、所定のプロトコルであってもよい。

図２Ｃに示されるように、例示的方法２００は、複数のコアのためのシャットダウンプロトコル２１８を実行するステップを含んでもよい。例示的方法２００のシャットダウンプロトコルは、複数のコアのためのシャットダウンプロトコルを実行するステップを含んでもよい。

ステップ２２０に示されるように、シャットダウンプロトコル２１８は、各コアの電力供給部の通電を解除するステップを含んでもよい。

ステップ２２２に示されるように、シャットダウンプロトコル２１８は、上記に説明されるように、コア（例えば、電解槽）の少なくとも一部を不活性ガス（例えば、窒素）または酸素枯渇空気でパージするステップを含んでもよい。

ステップ２２４に示されるように、シャットダウンプロトコル２１８は、電圧バイアスを電解槽上に維持するステップを含んでもよい。バイアスを電解槽上に保持するステップは、例えば、電解槽と電気連通する、バッテリおよび／または補助電力供給部によって実施されてもよい。例えば、電解槽は、少量の水量を使用して、少量の水素を生産する、夜間モードで動作されてもよい。これは、有利なこととして、そうでなければ、電解槽の性能を劣化させ得る、電解槽のための開始－停止サイクルの回数を低減させ得る。電解槽が電気化学スタックを含む、事例では、電圧バイアスを電解槽上に維持するステップは、バイアスをアノード上に維持し、水素をカソード側上に維持するステップ、または電圧バイアスをカソード上に維持し、酸素を水の中に戻るように圧送するステップを含んでもよい。より一般的には、バイアスを電気化学スタック上に維持するステップは、健全性シャットダウンの間、電解槽スタック内の健全性の条件（例えば、低圧においてアノードからカソードに圧送される電流または水素）を査定するために有用であり得る。

ステップ２２６に示されるように、ステップ２１８のシャットダウンプロトコルは、所与のコアの電解槽と関連付けられる、ＤＣ電力供給部の極性を反転させるステップを含んでもよい。極性のそのような反転は、例えば、電解槽がそのような電気化学セルを含む、事例では、電気化学セル上に蓄積された材料を取り除くために有用であり得る。

上記のシステム、デバイス、方法、プロセス、および同等物は、ハードウェア、ソフトウェア、または本明細書に説明される、制御、データ入手、およびデータ処理のために好適なこれらの任意の組み合わせにおいて実現されてもよい。ハードウェアは、汎用コンピュータおよび／または専用コンピューティングデバイスを含んでもよい。これは、内部および／または外部メモリとともに、１つまたはそれを上回るマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、内蔵マイクロコントローラ、プログラマブルデジタル信号プロセッサまたは他のプログラマブルデバイスまたは処理回路内における実現を含む。これはまた、または代わりに、１つまたはそれを上回る特定用途向け集積回路、プログラマブルゲートアレイ、プログラマブルアレイ論理構成要素、または電子信号を処理するように構成され得る、任意の他のデバイスまたはデバイスを含んでもよい。さらに、上記に説明されるプロセスまたはデバイスの実現は、記憶、コンパイル、または解釈され、前述のデバイス、ならびにプロセッサ、プロセッサアーキテクチャ、または異なるハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせの異種組み合わせのうちの１つ上で起動され得る、Ｃ等の構造化されたプログラミング言語、Ｃ＋＋等のオブジェクト指向プログラミング言語、または任意の他の高レベルまたは低レベルプログラミング言語（アセンブリ言語、ハードウェア記述言語、およびデータベースプログラミング言語および技術を含む）を使用して生成されたコンピュータ実行可能コードを含んでもよいことを理解されたい。同時に、処理は、上記に説明される種々のシステム等のデバイスを横断して分散されてもよい、または機能性は全て、専用独立型デバイスの中に統合されてもよい。全てのそのような順列および組み合わせは、本開示の範囲内にあると意図される。

本明細書に開示される実施形態は、１つまたはそれを上回るコンピューティングデバイス上で実行すると、上記に説明される制御システムのステップの任意および／または全てを実施する、コンピュータ実行可能コードまたはコンピュータ使用可能コードを備える、コンピュータプログラム生産物を含んでもよい。コードは、非一過性方式において、コンピュータメモリ内に記憶されてもよく、これは、プログラムが実行するメモリ（プロセッサと関連付けられるランダムアクセスメモリ等）、またはディスクドライブ、フラッシュメモリまたは任意の他の光学、電磁、磁気、赤外線または他のデバイスまたはデバイスの組み合わせ等の記憶デバイスであってもよい。別の側面では、上記に説明される制御システムのいずれかは、コンピュータ実行可能コードを搬送する任意の好適な伝送または伝搬媒体および／またはそこへの任意の入力またはそこからの出力において具現化されてもよい。

本明細書に説明される実装の方法ステップは、異なる意味が明示的に提供される、または別様に文脈から明白にならない限り、そのような方法ステップを以下の請求項の特許性と一貫して実施させる任意の好適な方法を含むことが意図される。したがって、例えば、Ｘのステップを実施することは、遠隔ユーザ、遠隔処理リソース（例えば、サーバまたはクラウドコンピュータ）、または機械等の別の当事者に、Ｘのステップを実施させるための任意の好適な方法を含む。同様に、ステップＸ、Ｙ、およびＺを実施することは、そのような他の個人またはリソースの任意の組み合わせに、ステップＸ、Ｙ、およびＺを実施させ、そのようなステップの利点を取得するように指示または制御する任意の方法を含んでもよい。したがって、本明細書に説明される実装の方法ステップは、１つまたはそれを上回る他の当事者またはエンティティに、異なる意味が明示的に提供される、または別様に文脈から明白にならない限り、以下の請求項の特許性と一貫してステップを実施させる任意の好適な方法を含むことが意図される。そのような当事者またはエンティティは、任意の他の当事者またはエンティティの指示または制御下にある必要はなく、特定の管轄権内に位置する必要もない。

上記に説明されるデバイス、システム、および方法は、一例として記載され、限定ではないことを理解されたい。多数の変形例、追加、省略、および他の修正は、当業者に明白となるであろう。加えて、上記の説明および図面における方法ステップの順序または提示は、特定の順序が明示的に要求される、または別様に文脈から明白にならない限り、列挙されるステップを実施する本順序を要求することを意図するものではない。したがって、特定の実施形態が、図示および説明されたが、形態および詳細における種々の変更および修正が、本開示の範囲から逸脱することなくその中に行われてもよいことが、当業者に明白となるであろう。

Claims (20)

1. 水素発生のためのモジュール式システムであって、
   複数のコアであって、
   各コアは、電解槽と、電力供給部とを含み、
   前記電力供給部は、前記コアの電解槽への電力を管理するように動作可能であり、前記複数のコアのうちの少なくとも別の１つの電力供給部に対して冗長である、
   複数のコアと、
   ハブであって、前記ハブは、水モジュールと、熱交換モジュールと、開閉器モジュールとを含み、
   前記水モジュールは、前記複数のコアのそれぞれのものの電解槽と流体連通する水源を含み、
   前記熱交換モジュールは、前記複数のコアのそれぞれのものの電解槽と熱連通する熱交換器を含み、
   前記開閉器モジュールは、前記複数のコアのそれぞれのものの電力供給部を電気的に隔離するようにアクティブ化可能なスイッチを含む、
   ハブと
   を備える、モジュール式システム。
2. 各コアの電力供給部は、前記コアの個別の電解槽が動作中の間、ホットスワップ可能である、請求項１に記載のモジュール式システム。
3. 各電力供給部は、各電力供給部と前記熱交換モジュールとの間の冷却剤流動性を介して、前記熱交換モジュールと熱連通する、請求項１に記載のモジュール式システム。
4. 各電力供給部は、ＤＣ電源およびＡＣ電源の両方に接続され、各電力供給部は、ＤＣ電力を前記コアの電解槽に提供するように構成される、請求項１に記載のモジュール式システム。
5. 各電力供給部は、第１のＤＣ電圧を前記コアの電解槽に提供し、前記第１のＤＣ電圧より低い第２のＤＣ電圧を前記コアの補助デバイスに提供するように構成される、請求項１に記載のモジュール式システム。
6. 各コアはさらに、所与のコアの個別の電解槽と電気連通する補助電源を含む、請求項１に記載のモジュール式システム。
7. 前記電解槽は、電気化学スタックを含み、
   前記水モジュールからの水は、前記電気化学スタックの中に受容可能であり、
   前記電気化学スタックは、電力を前記電力供給部から受容し、水素および酸素を前記水から発生させるように構成される、
   請求項１に記載のモジュール式システム。
8. 前記電気化学スタックは、陽子交換膜スタック、固体酸化物電解スタック、アルカリセルスタック、またはそれらの組み合わせを備える、請求項７に記載のモジュール式システム。
9. 前記ハブはさらに、
   各コアの電解槽と流体連通し、前記複数のコアによって形成可能な水素を受容するコンプレッサを含む圧縮モジュールと、
   前記圧縮モジュールと流体連通する貯蔵モジュールであって、前記コンプレッサによって圧縮された水素は、前記貯蔵モジュールの中に移動可能である、貯蔵モジュールと
   を備える、請求項１に記載のモジュール式システム。
10. 前記熱交換モジュールは、熱ループを含み、前記熱交換器は、前記熱ループを介して、各コアと熱連通する、請求項１に記載のモジュール式システム。
11. 前記熱交換器および前記熱ループは、前記複数のコアからの廃熱を前記ハブの１つまたはそれを上回る他の部分に送達可能な熱に変換するように動作可能であるヒートポンプの少なくとも一部を形成する、請求項１に記載のモジュール式システム。
12. 水素発生のためのモジュール式システムを制御する方法であって、
    複数のコアの各コアの個別の水素生産容量を監視することであって、各コアは、相互に電気連通する、電解槽と、電力供給部とを含む、ことと、
    １つまたはそれを上回る電源から前記複数のコアに利用可能なエネルギーを査定することと、
    各コアの水素生産容量および前記１つまたはそれを上回る電源から利用可能エネルギーに基づいて、前記複数のコアが、集合的に、所定の性能目標を満たすように、前記複数のコア内の各コアの個別の動作設定点を設定することと、
    各コアの個別の動作設定点に従って、前記利用可能なエネルギーを前記１つまたはそれを上回る電源から前記複数のコアに指向することと
    を含む、方法。
13. 前記所定の性能目標は、前記利用可能なエネルギーが、前記複数のコアの下流のハードウェアからの水素出力需要を満たすために要求されるエネルギー未満であるとき、前記利用可能なエネルギーの全てを使用して、水素出力を最大限にすることを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記複数のコア内の各コアの個別の動作設定点を設定することは、付加的コアを前記複数のコアに追加することを含み、
    前記所定の性能目標は、完全電力動作の間の前記複数のコアを通した実質的に一定の電圧を含む、
    請求項１２に記載の方法。
15. 前記複数のコア内のコアのうちの１つの個別の水素生産容量が、個別のコアのための定格水素出力未満である場合、前記複数のコア内の各コアの個別の動作設定点を設定することは、前記複数のコア内の少なくとも１つの他のコアの動作設定点を前記少なくとも１つの他のコアのための定格水素出力を上回って設定することを含む、請求項１２に記載の方法。
16. 各コアの電解槽は、個別の電気化学スタックを含み、
    各コアの個別の水素生産容量を監視することは、信号を個別のコアの電力供給部に送信し、電流中断またはリップル機能を前記電気化学スタックに送信し、前記電流中断またはリップル機能に応答して、前記電気化学スタックの電流中断インピーダンス測定を受信することを含む、
    請求項１２に記載の方法。
17. 各コアの個別の水素生産容量を監視することは、各コアの個別の電解槽に利用可能な電力を検出することを含む、請求項１２に記載の方法。
18. 前記１つまたはそれを上回る電源から前記複数のコアに利用可能な電力を査定することは、断続電源から利用可能な電力の量を決定することを含む、請求項１２に記載の方法。
19. 前記所定の性能目標は、前記複数のコアの動作設定点のために集合的に要求される総電力と前記断続電源から利用可能な電力の量の平衡を含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記所定の性能目標は、前記複数のコアの動作設定点のために集合的に要求される総電力が、他の源からの過剰電力を要求せずに、前記断続電源からの最大利用可能電力に対応するような前記断続電源の最大電力点追跡を含む、請求項１８に記載の方法。

Images