JP2023536351A - 固体酸化物電解セルシステム及び固体酸化物電解セルシステムを作動させる方法 - Google Patents

Abstract

固体酸化物電解セル（ＳＯＥＣ）システムを部分負荷で作動させる方法であって、ＳＯＥＣシステムが、並列に電気的に接続された複数の分岐部を含み、各分岐部が、少なくとも１つのＳＯＥＣスタックを含む、方法。方法は、作動が熱的中立の目標電圧未満で吸熱的であり、かつ作動が熱的中立の目標電圧超で発熱的である、熱的中立の目標電圧を決定することと、ＳＯＥＣシステムが、熱的中立の目標電圧での作動電力の選択されたパーセンテージに等しい平均作動電力で作動するように、各分岐部に対してオンフェーズ及びオフフェーズをサイクルすることによって、パルス幅変調電流制御を実行することと、を含む。オンフェーズでは、分岐部のＳＯＥＣスタックの全てが、熱的中立の目標電圧で作動し、オフフェーズでは、分岐部のＳＯＥＣスタックの全てが、０％電力で作動する。各分岐部は、他の分岐部から独立して作動するように構成される。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、その開示全体が、参照により本明細書に組み込まれる、２０２０年８月４日出願の米国仮特許出願第６３／０６０，８５４号の優先権及び利益を主張する。

本開示は、電気から、燃料、主に水素を生成するための電解セルシステムに関する。特に、本開示は、固体酸化物電解セルシステム、並びに部分負荷及び急速な応答能力のために、固体酸化物電解セルシステムを作動させる方法に関する。

電解セルは、電気化学反応を通じて、炭化水素燃料などの燃料に貯蔵された化学エネルギーへと電気入力エネルギーを変換することが可能であるデバイスである。一般に、電解セルは、アノード、電解質層、及びカソードを備える。電解質層は、アノードとカソードとの間でイオンを移動させる役割を果たし、アノード及びカソード内で化学燃料を生成する反応を促進する。

電解セルは、多くの場合、特定のイオンの移動に使用されるタイプの電解質層を特徴とする。例えば、１つのタイプの電解セルは、カソードからアノードへと負に荷電した酸素イオンを移動するために、固体セラミック電解質を組み込んだ固体酸化物電解セル（ＳＯＥＣ）である。

カソードでは、酸素含有反応物（多くの場合、ＣＯ_２の蒸気）は、印加された電流に起因して解離して、電解質を通ってアノードに電荷を輸送する酸素イオンとともに、水素又はＣＯを形成する。
Ｈ_２Ｏ＋２ｅ→Ｈ_２＋Ｏ^２－ （１）
ＣＯ_２＋２ｅ→ＣＯ＋Ｏ^２－ （２）

酸素イオンは、アノードで合わさって、反応に従って気体酸素を形成する。
Ｏ_２ ^－→１／２Ｏ_２＋２ｅ （１）

ＳＯＥＣの固体セラミック電解質は、固体、非多孔質金属酸化物である。例えば、ＳＯＥＣの固体セラミック電解質としては、Ｙ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ_２（ＹＳＺ）を挙げることができる。ＳＯＥＣのカソードとしては、例えば、金属／ＹＳＺサーメットを挙げることができる。いくつかの例では、ＳＯＥＣのカソードとしては、多孔質二相ニッケル及びイットリア安定化ジルコニア（Ｎｉ／ＹＳＺ）サーメットを挙げることができる。ＳＯＥＣのアノードは、例えば、ＳｒドープＬａＭｎＯ_３であり得る。

ＳＯＥＣ作動温度は、典型的には、約６５０℃～約１０００℃の範囲であり、この温度で、酸素イオンによるイオン伝導が発生する。図１を参照すると、例えば、６５０℃、７００℃、及び７５０℃の各々の場合の、ＳＯＥＣ作動電流（水平軸）と電気化学的熱生成（垂直軸）との間の関係の非限定的な例が示されている。ＳＯＥＣは、熱的中立状態（すなわち、ＳＯＥＣスタック作動が電圧未満で吸熱的である電圧未満であり、かつＳＯＥＣスタック作動が電圧超で発熱的である、電圧）で作動する目標作動点で作動することが望ましい。熱的中立状態は、温度に依存する。例えば、ＳＯＥＣ作動温度が、７５０℃である場合、目標作動点は、およそ１．２８５Ｖ／セルである。ほとんどの電解スタック技術は、それらの反応動態に基づき、それぞれの発熱領域においてのみ作動する。高性能ＳＯＥＣスタックは、条件に応じて発熱又は吸熱のいずれかで作動する潜在性を提供する。

図１の例では、点ｄは、目標作動点であるが、目標作動点は、システム及びアプリケーション間で変動し得ることが理解される。影付きゾーンは、好ましい作動範囲の例を識別している。この好ましい作動範囲は、熱的中立から逸脱しているので、スタックに熱を供給又はスタックから熱を除去する必要性を反映している。熱負荷（発熱性又は吸熱性）が高いほど、生じる熱管理戦略が複雑かつ高価であり、ＳＯＥＣスタックに印加される応力が高くなる。設計に応じて、ＳＯＥＣスタックは、０．２Ｗ／ｃｍ^２の熱負荷で作動し得るが、しかしながら、好ましい作動範囲は、０．１Ｗ／ｃｍ^２未満であり、より好ましい作動範囲は、０．０５Ｗ／ｃｍ^２未満であり、各作動範囲の低減によって、より単純かつより堅牢な全体的なシステムが提供される。ｄ点では、スタックは、７５０℃、－１Ａ／ｃｍ^２で作動しており、熱的中立状態で作動している。点ｄで作動する場合、ＳＯＥＣシステムは、入口ガスを予熱することのみを必要とし、プロセス排気の熱を使用して予熱することができる。作動電力が、例えば、ｂ点まで低下する場合、ＳＯＥＣスタックは、好ましい作動範囲（影付きゾーン）の外で作動し、ＳＯＥＣスタック作動は吸熱的である。ＳＯＥＣスタックは、（低温での全体的な性能の低さに起因して）７００℃に向けて冷却され、その後熱的中立状態に再び達するか、又はＳＯＥＣスタックは、スタックを作動温度に維持するために補助ヒーターを連結する必要があるかのいずれかであろう。ＳＯＥＣスタックが冷却を可能にされる場合、ＳＯＥＣシステムは、異なる作動温度に対応する必要がある。

例えば、点ａまで作動電力が再び増加する場合、増加によって、ＳＯＥＣスタック作動は重度の発熱状態に迅速に推進される。これは、スタックを目標作動温度まで戻す傾向があるが、これは、比較的遅いプロセスである。典型的なＳＯＥＣスタックを考慮すると、５０℃上向きに遷移させるには分単位の時間スパンを必要とする。一方、局所的な過熱及び排気温度の上昇は、ＳＯＥＣスタック及びシステム作動に悪影響を及ぼし始め、その耐用年数に悪影響を及ぼす場合がある。曲線は、対称ではない。作動電力の所与の増加での過熱は、作動電力の同じ大きさの減少に関連する冷却よりもはるかに大きい。加えて、熱的状態は、セル電圧に影響を与え、吸熱作動状態から発熱作動状態への変化は、３０％を超え得るスタック電圧の大きな変化を生じ得る。したがって、関連するパワーエレクトロニクスは、より広範囲の電圧を扱うことが可能である必要があり、これが、パワーエレクトロニクスの費用を増加させ、効率を減少させる両方の傾向がある。

ＳＯＥＣ負荷が、５０％負荷まで低下し、ＳＯＥＣスタックが、６５０℃（点ｃ）まで冷却された場合、スタック及びプロセスが再び加熱されるのを待つことなく、約６０％を超えて作動電力を増加させることは困難であり、これは比較的遅いプロセスである。典型的なＳＯＥＣスタックでは、温度の１００℃の上昇は、数十分かかる場合がある。

システムターンダウン比は、システムピーク電力対その最低の持続可能な作動点の比として定義される。固体酸化物電解セルシステムの作動ターンダウンは、典型的には、スタック条件ではなくプロセス条件を変化させることによって、特に、反応物の流れ若しくは濃度を変化させることによって、及び／又は作動温度をシフトさせることによって適応されている。高性能ＳＯＥＣシステムに存在する吸熱作動範囲で作動するか、又は吸熱作動範囲を通過するための従来の解決策は、過冷却を回避するために吸熱領域を迅速に通過することを含む。過冷却は、本質的に、持続的な部分負荷作動を不可能にする。別の従来の解決策は、プロセスに補助的な熱を加えることを含む。作動温度までの初期加熱にはある程度の加熱が必要であるので、好適に設計されている場合、これらのヒーターは、吸熱作動中に温度を維持するのにも役立つ。更に別の従来の解決策は、スタックを冷却可能にし、吸熱を停止し、より低い作動温度で新しい平衡が確立される点までそれらの効率を低減することを含む。

追加のヒーター、広い温度範囲にわたって作動する能力などの観点から、プラント要件のバランスを顕著に推進することなく、高いターンダウンで固体酸化物電解セルシステムを作動させる方法に対する必要性が存在している。特に、部分負荷及び急速な応答能力のために、固体酸化物電解セルシステムを作動させる方法に対する必要性が存在している。

ある特定の実施形態では、固体酸化物電解セルシステムは、並列に電気的に接続された複数の分岐部を含み、各分岐部が、少なくとも１つの固体酸化物電解セルスタックを含み、各固体酸化物電解セルスタックが、複数の固体酸化物電解セルを含む。固体酸化物電解セルシステムを部分負荷で作動させる方法は、所与の作動温度に対して、固体酸化物電解セルシステムの作動が熱的中立の目標電圧未満で吸熱的であり、かつ固体酸化物電解セルシステムの作動が熱的中立の目標電圧超で発熱的である、熱的中立の目標電圧を決定することと、固体酸化物電解セルシステムの作動サイクルの間、固体酸化物電解セルシステムが、固体酸化物電解セルシステムの作動サイクルの、熱的中立の目標電圧での作動電力の選択されたパーセンテージに等しい平均作動電力で作動するように、分岐部の各々に対してオンフェーズ及びオフフェーズをサイクルすることによって、パルス幅変調電流制御を実行することと、を含む。オンフェーズでは、所与の分岐部における固体酸化物電解セルスタックの全てが、熱的中立の目標電圧で作動する。オフフェーズでは、所与の分岐部における固体酸化物電解セルスタックの全てが、開回路電圧までアンロードされ、定格電力の０％で作動する。分岐部の各々は、他の分岐部から独立して、オンフェーズ又はオフフェーズで作動するように構成される。

方法又はシステムのいくつかの態様では、作動サイクルの少なくとも１つの期間において、分岐部の全てがオフフェーズにある。

方法又はシステムのいくつかの態様では、作動サイクルの少なくとも１つの期間において、分岐部の全てがオンフェーズにある。

方法又はシステムのいくつかの態様では、作動サイクルの少なくとも１つの期間において、少なくとも１つの分岐部がオンフェーズにあり、一方で少なくとも１つの分岐部がオフフェーズにある。これによって、任意の時点での総出力電力の脈動が最小限に抑えられる。電気的に並列に接続され、個々に切り替えられるスタックの数が多いほど、オンフェーズ及びオフフェーズ遷移に起因して課される脈動が少ない。

方法又はシステムのいくつかの態様では、オンフェーズとオフフェーズとの間の切り替えは、一定期間の間とは対照的に、作動サイクル内の連続した期間の間に行われる。

方法又はシステムのいくつかの態様では、作動サイクルでは、第１の分岐部が、第１の期間の持続時間の間オンフェーズにあり、一方で第２の分岐部が、第１の期間の持続時間の間オフフェーズにあり、第２の分岐部が、第２の期間の開始時にオンフェーズに切り替えられ、第２の期間の持続時間の間、オンフェーズにとどまり、第１の分岐部が、第２の期間の持続時間の間オンフェーズにとどまるか、又は第２の期間の開始時にオフフェーズに切り替えられ、第２の期間の持続時間の間オフフェーズにとどまる。

方法又はシステムのいくつかの態様では、パルス幅変調電流制御を実行することは、オンフェーズとオフフェーズとの間又はオフフェーズとオンフェーズとの間の遷移期間が、作動サイクルの持続時間の１０パーセント未満を占めるように、優勢な熱的状態が熱的であるように、パルス幅変調周波数及びデューティサイクルを選択することを含む。

方法又はシステムのいくつかの態様では、反応物枯渇に起因するセル飢餓が発生する前に、各分岐部が、オンフェーズからオフフェーズに切り替わるように、パルス幅変調周波数及びデューティサイクルが選択される。

方法又はシステムのいくつかの態様では、パルス幅変調周波数及びデューティサイクルは、優勢な熱的状態が、熱的中立であるように選択されるか、又はわずかに正味吸熱状態若しくはわずかに正味発熱状態を目標にするようにプログラムされたコントローラによって選択され、その結果、固体酸化物電解セルスタックの温度が、一定であるか、又はシステム需要を反映する目標作動温度の間に制御される様式でランプされる。

方法又はシステムのいくつかの態様では、パルス幅変調時定数は、τ_ｅ（電流変化に対する電圧応答に関連する電気時定数、典型的には数ミリ秒単位）とτ_ｃ（ＳＯＥＣスタック内の電気化学的位置における反応物供給及び反応物枯渇に関連する化学時定数、典型的には数秒単位）の間にあるように選択される。

方法又はシステムのいくつかの態様では、優勢な熱的状態は、全体的なスタック作動ウィンドウの重度の吸熱及び重度の発熱領域を回避する。方法又はシステムのいくつかの態様では、各分岐部の作動電流密度は、オンフェーズの間の熱的中立の目標電圧で５０ｍＷ／ｃｍ^２以内の電流密度であり得る。

方法又はシステムのいくつかの態様では、パルス幅変調時定数は、全パルス幅変調サイクル中の熱生成が、オン時間状態及びオフ時間状態によって支配され、オンとオフとの間の遷移又はオフとオンとの間の遷移中の状態によって支配されないように選択される。

方法又はシステムのいくつかの態様では、オンフェーズは、熱的中立状態にあるか、又はほぼ熱的中立状態にあるように選択される。システム制御が、新しい作動点に向かって作動温度をシフトさせることを望む場合（例えば、冷却が望まれ得る持続的なアイドル期間に備えて、又は加熱が望まれ得る持続的なアイドル期間からの回復に備えて）、ほぼ熱的中立状態が選択され得る。

方法又はシステムのいくつかの態様では、オンフェーズは、熱的中立状態にあるか、又はほぼ熱的中立状態にあるように選択される。過剰な熱損失又はプロセスのバランスからの熱生成に起因して、オフ時間状態が、完全に熱的中立ではない場合、ほぼ熱的中立状態が選択され得、その場合、オンフェーズは、ＳＯＥＣスタック温度を制御するために全体的な熱的状態のバランスをとるために必要な吸熱又は発熱を提供するように選択されるであろう。

方法又はシステムのいくつかの態様では、パルス幅変調時定数は、電気化学的に活性な領域の近くの生成物及び反応物濃度が、作動サイクルのオン時間及びオフ時間中の状態ではなく、全パルス幅変調サイクル中の平均状態によって支配されるように選択される。

方法又はシステムのいくつかの態様では、パルス幅変調時定数は、全パルス幅変調サイクル中の熱的状態及び生じる温度が、作動サイクルのオン時間及びオフ時間中の状態によってではなく、平均状態によって支配されるように選択される。

方法又はシステムのいくつかの態様では、パルス幅変調周波数及びデューティサイクルは、パルス幅変調時定数τ_ｐｗｍを定義するために選択され、これは、実質的な熱的中立状態（又は小さいが制御された熱的中立からの偏差）で作動している間、それぞれのプロセス時定数の異なる大きさに起因して、ほぼ一定の設備利用率及び実質的に一定の温度を維持しながら、全体的なシステムの部分的な電力作動を同時に可能にする。

方法又はシステムのいくつかの態様では、生じる作動戦略は、従来の制御されたＳＯＥＣシステムであるようなτ_ｔ（典型的には数分単位のＳＯＥＣスタックの熱質量に関連する熱時定数及び熱流に対する温度応答）によって制限されるのではなく、τ_ｅの単位（例えば、数ミリ秒単位で）時間内に全電力までランプする能力を保持する熱的状態（温度）でＳＯＥＣスタックが作動することを可能にする。

方法又はシステムのいくつかの態様では、生じる作動戦略は、従来の制御されたＳＯＥＣシステムであるようなτ_ｔ（典型的には数分単位のＳＯＥＣスタックの熱質量に関連する熱時定数及び熱流に対する温度応答）によって制限されるのではなく、τ_ｆｌｏｗの単位（例えば、数秒単位で）時間内に全電力までランプする能力を保持し、全電力で保持される作動を維持する熱的状態でＳＯＥＣスタックが作動することを可能にする。

方法又はシステムのいくつかの態様では、生じる作動戦略は、ＳＯＥＣスタックが、全作動温度を維持し、実質的な外部加熱を必要とせずに、熱的中立様式での作動を維持しながら、１０：１の単位での電力ターンダウンを可能にする様式で、部分負荷状態で作動することを可能にする。

方法又はシステムのいくつかの態様では、生じる作動戦略は、スタックの２つ以上の電気的に並列の分岐部が、少なくとも１つの分岐部がオンフェーズにあり、一方で少なくとも１つの他の分岐部がオフフェーズにあるような様式で、パルス幅変調シーケンスに従って切り替えられる。例えば、５０％の電力需要は、任意の特定の時点でオンフェーズにあるスタックを半分しか有しないが、全てのスタックが、パルス幅変調繰り返し期間にわたって５０％のデューティサイクルを経験するであろう。

方法又はシステムのいくつかの態様では、生じる作動戦略は、２つ以上の電気的に並列の分岐部が、より弱い分岐部が、システムの寿命及び効率の全体的な利益のためにより強力な分岐部よりも少ない負荷でもよいような様式で、パルス幅変調シーケンスに従って切り替えられる。

方法又はシステムのいくつかの態様では、総電力サイクルは、定格電力の第１の所定のパーセンテージであり、分岐部の各々は、時間の所定のパーセンテージの間１００％で作動し、定格電力の第１の所定のパーセンテージは、分岐部の各々が１００％で作動する間の時間の所定のパーセンテージに等しい。

方法又はシステムのいくつかの態様では、最大瞬間電力ステップは、定格電力の第２の所定のパーセンテージであり、定格電力の第２の所定のパーセンテージは、固体酸化物電解セルシステムの分岐部の数によって１００％を除算することによって計算される。

方法又はシステムのいくつかの態様では、分岐部のうちの少なくとも１つは、第１のオンフェーズで定格電力の１００％で作動し、第１のオンフェーズの直後の次のオンフェーズで定格電力の０％で作動する。

方法又はシステムのいくつかの態様では、分岐部のうちの少なくとも１つが、アンロードされ、固体酸化物電解セルシステムの作動サイクルにおいて規則的な間隔で定格電力の０％で作動する。

方法又はシステムのいくつかの態様では、分岐部のうちの少なくとも１つは、固体酸化物電解セルシステムの作動サイクルにおいて不規則な間隔でアンロードされる。

方法又はシステムのいくつかの態様では、固体酸化物電解セルシステムの作動サイクルにおける２つの連続サイクルでは、第１のサブセット内の分岐部は、同じである。

方法又はシステムのいくつかの態様では、固体酸化物電解セルシステムの作動サイクルにおける２つの連続サイクルでは、第１のサブセット内の分岐部は、異なる。

方法又はシステムのいくつかの態様では、複数の固体酸化物電解セルの各々は、アノード、カソード、及び固体セラミック電解質を備える。

方法又はシステムのいくつかの態様では、固体セラミック電解質は、非多孔質金属酸化物を含む。

当業者は、上記の態様が相互に排他的ではなく、組み合わせることができることを理解するであろう。

これら及び他の有利な特色は、開示及び図面を考察する者に明らかになるであろう。

例えば、６５０℃、７００℃、及び７５０℃の各々の場合の、作動電流（水平軸）と電気化学的熱生成（垂直軸）との間の関係を示すを示す。 ９５％正味電力で作動するＳＯＥＣシステムでの、ＳＯＥＣスタックの独立したオン／オフ切り替えの例を示す。 ５３％正味電力で作動するＳＯＥＣシステムでの、ＳＯＥＣスタックの独立したオン／オフ切り替えの例を示す。 １２％正味電力で作動するＳＯＥＣシステムでの、ＳＯＥＣスタックの独立したオン／オフ切り替えの例を示す。 例示的な実施形態による、炉内で作動するサブスケールの固体酸化物電解スタックの実験的試験結果を示す。 例示的な実施形態による、１０％～７０％負荷の部分負荷状態を通じて徐々にステップが進む、サブスケールの固体酸化物電解スタックの実験電圧及び温度応答結果を比較する。

一般に図を参照すると、本明細書に開示されるのは、部分負荷及び急速な応答能力のために、ＳＯＥＣシステムを作動させる方法である。上で論じられるように、ＳＯＥＣシステムは、少なくとも１つの固体酸化物電解セルを含む。好ましくは、複数の固体酸化物電解セルは、積み重ねられ、ガスを電極／電解質界面に分配し、流れ集電体として機能する相互接続プレートと交互に配置されて、固体酸化物電解セルスタックが形成され得る。ＳＯＥＣシステムは、少なくともいくつかの電気的に並列の分岐部を形成する複数のＳＯＥＣスタックを含み得、例えば、４０個のＳＯＥＣスタックは、２０個の電気的に並列の分岐部に接続され得る。作動方法に従って、各ＳＯＥＣ分岐部は、他のＳＯＥＣ分岐部から独立して、熱的中立又はほぼ熱的中立状態で作動している間、開回路から全負荷まで負荷され得る。各ＳＯＥＣ分岐部は、１つ以上のＳＯＥＣスタックを含む。作動方法はまた、部分負荷で、しかし急速に（およそ瞬時に）全負荷への遷移を可能にする熱的状態下で、ＳＯＥＣシステムが作動する能力を提供する。

ＳＯＥＣスタックの典型的な部分負荷サイクルは、以下のように記載される。
－フェーズ１－ＳＯＥＣスタックは、公称作動温度で熱的中立であるゼロ電流で作動している。スタックを通過する反応物の流れは、公称電力需要に応じて設定される。
－フェーズ２－ＳＯＥＣスタックは、熱的中立状態で全電流に切り替わる。ＳＯＥＣスタック電圧応答は、ほぼ瞬時であり、部分負荷（吸熱）状態で費やされる時間は、例えば、数ミリ秒である。この遷移時間中に吸収される熱は、ＳＯＥＣスタックの熱質量と比較してごくわずかである。ごくわずかな温度変化が発生する。
－フェーズ３－ＳＯＥＣスタックは、この時点で、熱的中立状態で全電流であり、流れが低すぎて無期限にこの電流を支持することができない場合がある。しかしながら、ある程度の作動時間を支持するのに十分な量のガスが、固体酸化物電解セルの活性領域に隣接して存在する。設計に応じて、これは、例えば、１／１０秒単位であり得る。
－フェーズ４－ＳＯＥＣスタックは、反応物枯渇に起因するセル飢餓が発生する前に、開回路に切り替えられる。
－フェーズ５－スタックは、この時点で、所望の負荷目標に比例し、ＳＯＥＣスタックが全負荷であった時間に比例する期間の間、開回路電圧（ＯＣＶ）で保持される。例えば、１／１０秒のオン時間での全負荷作動点の４０％の目標は、１．５／１０秒のオフ時間を有するであろう。この間、ガス流は中断することなく続き、ＳＯＥＣ／ＳＯＥＣスタックの活性領域から生成物を一掃し、次のサイクルのための新しい反応物を提供する。ＳＯＥＣスタックは、熱的中立状態である。次いで、サイクルは、フェーズ１から繰り返される。

図１を参照すると、例えば、６５０℃、７００℃、及び７５０℃の各々の場合の、ＳＯＥＣ作動電流（水平軸）と電気化学的熱生成（垂直軸）との間の関係の非限定的な例が示されている。図１の例では、点ｄは、目標作動点であるが、目標作動点は、システム及びアプリケーション間で変動し得ることが理解される。ｄ点では、スタックは、７５０℃、－１Ａ／ｃｍ^２で作動しており、熱的中立状態で作動している。点ｄで作動する場合、ＳＯＥＣシステムは、入口ガスを予熱することのみを必要とし、プロセス排気の熱を使用して予熱することができる。作動電力が、例えば、ｂ点まで低下する場合、ＳＯＥＣスタックは、好ましい作動範囲（影付きゾーン）の外で作動し、ＳＯＥＣスタック作動は吸熱的である。例えば、目標作動点は、スタック及びシステム設計に応じて、熱的中立の５０ｍＷ／ｃｍ^２以内、又はそれ以上、又はそれ未満であり得る。好ましい作動範囲外で作動しているスタックは、重度の発熱又は重度の吸熱として記載され得る。好ましい作動点内で作動しているが、熱的中立な目標電圧で作動していないスタックは、わずかに発熱又はわずかに吸熱として記載され得る。点ｄからの電力アンロードの際には、ＳＯＥＣスタックは、（低温での全体的な性能の低さに起因して）７００℃に向けて冷却され、その後熱的中立状態に再び達するか、又はＳＯＥＣスタックは、スタックを作動温度に維持するために補助ヒーターを連結する必要があるかのいずれかであろう。ＳＯＥＣスタックが冷却を可能にされる場合、ＳＯＥＣシステムは、異なる作動温度に対応する必要がある。

例えば、点ａまで作動電力が再び増加する場合、増加によって、ＳＯＥＣスタック作動は重度の発熱状態に迅速に推進される。これは、スタックを目標作動温度まで戻す傾向があるが、これは、ＳＯＥＣスタックの熱時定数と関連する比較的遅いプロセスである。熱平衡が再確立される前に、局所過熱及び排気温度の上昇は、ＳＯＥＣスタック及びシステム作動に悪影響を及ぼし始め、その耐用年数に悪影響を及ぼす場合がある。曲線は、対称ではない。作動電力の所与の増加での過熱は、作動電力の同じ大きさの減少に関連する冷却よりもはるかに大きい。加えて、熱的状態は、セル電圧に影響を与え、吸熱作動状態から発熱作動状態への変化は、３０％を超え得るスタックに大きな変化を生じ得る。したがって、関連するパワーエレクトロニクスは、より広範囲の電圧を扱うことが可能である必要があり、これが、パワーエレクトロニクスの費用を増加させ、効率を減少させる両方の傾向がある。

ＳＯＥＣ負荷が、５０％負荷まで低下し、ＳＯＥＣスタックが、６５０℃（点ｃ）まで冷却された場合、スタック及びプロセスが再び加熱されるのを待つことなく、約６０％を超えて作動電力を増加させることは困難であり、これは、熱時定数τ_ｔによって示される比較的遅いプロセスである。

ここで、ＳＯＥＣシステムを部分負荷で作動させる方法（以下、「作動方法」）について記載する。ＳＯＥＣシステムは、並列に接続された複数の固体酸化物電解セルスタックを含む。各ＳＯＥＣスタックは、複数の固体酸化物電解セルを含む。作動方法は、所与の作動温度に対して、ＳＯＥＣシステムの作動が熱的中立の目標電圧未満で吸熱的である電圧未満であり、ＳＯＥＣシステムの作動が熱的中立の目標電圧超で発熱的である、熱的中立の目標電圧を決定することと、ＳＯＥＣシステムの作動サイクルの間、ＳＯＥＣシステムが、熱的中立の目標電圧での作動電力の選択されたパーセンテージに等しい平均作動電力で作動するように、各ＳＯＥＣスタックのオンフェーズ及びオフフェーズをサイクルすることによって、パルス幅変調電流制御を実行することと、を含む。本明細書で使用される場合、「作動サイクル」は、電解セルスタックが、安定した電圧で作動しているか、又は長期間電力オフである状態とは対照的に、本発明の実施形態に従って作動している期間を指す。電解セルスタックは、所与の作動温度で熱的中立の目標電圧で作動する場合、「１００％電力」又は「全電力」で作動しているとみなされる。これはまた、所与の作動温度での「定格電力」と称され得る。オンフェーズの間、電解セルスタックは、熱的中立の目標電圧で作動する。オフフェーズの間、電解セルスタックは、アンロードされ、０％電力で作動する。固体酸化物電解セルスタックは、複数の電気的に並列の分岐部に分割され得る。オンフェーズのいずれかの電気分岐部では、分岐部における固体酸化物電解セルスタックは、１００％電力で作動する。オフフェーズでは、分岐部における固体酸化物電解セルスタックは、開回路電圧までアンロードされる。固体酸化物電解セルスタック電気分岐部の各々は、他の固体電解セルスタック電気分岐部から独立して、１００％電力で作動するか、又はアンロードされるように構成される。ＳＯＥＣシステムは、作動方法のステップを実行するようにプログラムされたコントローラを含み得る。

作動方法に従ったＳＯＥＣスタックのパルス幅及び負荷は、オンパルス（モード１）の間に、ＳＯＥＣシステムが、ほぼ熱的中立状態で作動するように制御される。オフパルス（モード２）では、スタックは、アンロードされ、これは本質的に熱的中立状態である。モード１とモード２との間の切り替えによって、スタックは、部分負荷で作動している間、ほぼ熱的中立状態で保持されるが、そうでなければ、重度に吸熱的であろう。作動方法は、１）ｍｓ単位の応答時間である電圧応答（セル電圧対電流）、２）サブ秒単位の応答時間である設備利用率の関数としての電気化学反応応答（流れ対電流）、及び３）複数秒単位の応答時間である熱応答（温度対電流）に関連する、異なる時定数を利用する。これらの時定数は、ＳＯＥＣスタック及びシステムの材料及び設計の物理的特徴である。

ＳＯＥＣスタック及びシステム内で、少なくとも３つの特徴的な時定数が識別され得る。
τ_ｅ：電流変化に応答する電圧応答に関連する電気時定数、典型的にはミリ秒単位、
τ_ｃ：ＳＯＥＣスタック内の電気化学的位置での反応物供給及び反応物枯渇に関連する化学時定数、典型的には数秒単位、並びに
τ_ｔ：ＳＯＥＣスタックの熱質量及び熱流に対する温度応答に関連する熱時定数、典型的には数分単位。

関連性のある２つの動的時定数はまた、以下のようにみなされ得る。
τ_ｐｗｍ：上記のパルス幅変調電流変調戦略に関連する制御された時定数。
τ_ｆｌｏｗ：例えば、作動電力に必要なステップ変化に応答して、流量をランプする全体的なシステムの能力に関連する制御された時定数。

作動周波数が十分に遅く、作動がオン時間及びオフ時間（遷移時間ではない）によって支配される限り、スタックは、名目上熱的中立であろう。本明細書で使用される場合、「優勢な熱的状態」という用語は、作動サイクルの持続時間の９０パーセント超の間のセルの熱的状態を指す。したがって、電解セルスタックの優勢な熱的状態が、熱的中立である場合、スタックは、作動サイクルの持続時間の９０％超の間、熱的中立状態で作動する。特に、作動周波数が十分に速く、入口ガスがＳＯＥＣスタックを全て通過せず、反応せずにセル活性領域を通過する限り、有効設備利用率は公称流量によって設定されるであろう。これらは、最高及び最低の作動周波数の両方に制約を課す。これら２つのプロセスの時定数における数桁の大きさの差を考慮すると、両方の要件を満たす動作可能な周波数を見出す余地は大きい。どちらのプロセスも、熱的加熱よりも顕著に速いので、スタック又はシステムに顕著な熱過渡を課すことはない。

例えば、図５は、例示的な実施形態による、炉内で作動するサブスケールの固体酸化物電解スタックの実験的試験結果を示す。これは、炉熱が吸熱スタック作動を支持する、速い過渡応答に理想的な環境である。図５は、最初にパルス幅変調モード（本開示の主題）で作動し、次いで典型的な定常負荷戦略で繰り返される同一の作動状態を示す。各場合の作動状態は、無負荷で開始し、３０％負荷までステップを変化させ、３０分間滞留し、次いで全負荷までステップを変化させ、３０分間滞留し、続いてアンロードする。

より低い電圧は、より高い効率を反映することに留意すると、第一に、３０％負荷では、パルス幅変調試験がより高い効率で作動していることが観察されるはずである。これは、作動温度が維持されており、したがって、ピーク効率で作動することができることが理由である。対照的に、３０％負荷での定常状態作動は、吸熱的に作動することによってスタックが冷却されるので、約５％低い効率で作動している。これは、この試験が、吸熱スタックの周りの温度を維持するように作用する炉で実行されている場合でのみ可能である。実際のシステムでは、吸熱スタックの作動温度を維持することはより困難であり、生じる冷却及び効率の低下はより大きくなる可能性が高いであろう。

更に、図５を参照すると、第二に、全負荷までのステップ変化には、パルス幅変調の場合にわずかな電圧回復があるが、従来の場合では、回復ははるかに大きいことに留意するべきである。これは、部分負荷作動中に達する作動温度がより低いこと、及び全負荷までステップが進む場合の関連する非効率性を反映している。実際の生成システムでは、部分負荷温度が低くなる可能性が高いだけでなく、利用可能な駆動電圧が、冷たいスタックをピーク電流まで推進するのに十分に高くない場合があり、結果として、吸熱作動が、潜在的に大幅に遷移時間を増加させ続けるであろう。

図６は、例示的な実施形態による、１０％～７０％負荷の部分負荷状態を通じて徐々にステップが進む、サブスケールの固体酸化物電解スタックの実験電圧及び温度応答結果を比較する。黒のデータ点は、パルス幅変調モードで作動する場合の平均スタック内温度（正方形）及び平均セル電圧（円形）であり、白のデータ点は、従来の定常状態モードで作動する場合の同じ結果である。

注目すべきは、パルス幅変調モードでは、スタック温度は、設定点に関係なく一定であるが、従来の作動では、スタックは、約４０％負荷で発生する最小温度で徐々に冷却されることである。このサブスケール試験は、電気炉において一定の温度設定点で行い、現実のシステムでは、スタック温度は、より顕著に低下することが予想されるであろう。また、注目すべきは、全ての部分電力作動点でのスタックの効率がより高く、ほぼ完璧な線形応答であることである。より高い効率は、明白な理由、例えば、電解ガスの体積当たりのエネルギーコストの低減に有益である。線形性は、生じる全体的なシステムの予測可能性及び制御可能性の改善に有益である。

更に、吸熱作動を回避することによって、スタック（及びシステム）は、従来の作動と比較して、過渡的な状態により良好に応答することが可能であり、したがって、より良好な負荷追従能力を有する。しかしながら、温度及び電気制御のより容易な追加の利点はまた、スタックがパルス幅変調制御戦略で制御される場合にシステムを改善する。更に、熱過渡は、固体酸化物電解スタックの劣化メカニズムであり、パルス幅変調制御で作動することによって、そうでなければ誘導されるであろう熱過渡の大部分を回避することができることが知られている。

スタックでの熱的中立性を保持しながら、部分負荷での作動を可能にすることによって、システムは、重度の吸熱作動又は作動温度の大きな変動を支持するように設計される必要はない。これは、システムの設計に顕著な簡素化を提供する。加えて、ＳＯＥＣスタックをほぼ熱的中立に維持することによって、部分負荷状態でも、システムは、電力の変化にはるかに敏感に応答することができる。

図２～図４を参照すると、並列に電気的に接続された５つの分岐部を含む比較的小さいＳＯＥＣシステムの作動方法を、更に詳細に記載する。分岐部の各々は、１つのＳＯＥＣスタックを含み、スタック１、スタック２、スタック３、スタック４、又はスタック５として識別される。しかしながら、各分岐部は、任意の数のＳＯＥＣスタックを含み得、例えば、各分岐部は、２０～４０個のＳＯＥＣスタックを含み得ることが理解される。正味電力９５％（図２）、正味電力５３％（図３）、及び正味電力１２％（図４）には、作動方法における切り替えの例が示されている。正味電力パーセンテージは、システムの定格電力によって除算した平均作動電力を表す（すなわち、熱的中立電圧での作動電力）。最初の１００サイクルでの作動サイクルが示され、ｘ軸上の各数字は、サイクル番号を識別する。棒グラフの各陰影は、全電流（モード１）で作動している特定のＳＯＥＣスタックを表す。したがって、特定のＳＯＥＣスタックに陰影が示されていないサイクル番号では、特定のＳＯＥＣスタックがアンロードされていることが理解される（モード２）。破線は総瞬間電力を示し、一方で点線は時間平均電力を示している。５つのＳＯＥＣスタックでは、（ＳＯＥＣシステムの１００％をＳＯＥＣスタックの数によって除算することによって計算される）最大瞬間電力ステップは、定格電力の２０％に設定され、これによって、必要とされ得る全ての電気システム（例えば、コンデンサバンク）の要件が設定される。スタックの数が増加するにつれて、必要なスムージングの量は減少する。

図２を参照すると、正味電力９５％での第１のサイクルでは、第１のＳＯＥＣスタックがオフであり（スタック１に陰影が存在しない）、他の４つのＳＯＥＣスタックが１００％電力で作動しており（スタック２～５に陰影が存在する）、その結果、総電力が定格電力の９５％未満である。第２のサイクルでは、ＳＯＥＣスタックの全てが１００％電力で作動しており（スタック１～５に陰影が存在する）、その結果、総電力は定格電力の９５％を超え、この状態は、第４のサイクルを通して持続する。第５のサイクルでは、第３のＳＯＥＣスタックがオフであり（スタック３に陰影は存在しない）、他の４つのＳＯＥＣスタックが１００％電力で作動しており（スタック１、２、４、及び５に陰影が存在する）、その結果、総電力は再び定格電力の９５％未満である。図２に見られるように、各ＳＯＥＣスタックは、他のＳＯＥＣスタックから独立して、熱的中立又はほぼ熱的中立で作動し、９５％正味電力を維持している間、開回路から全負荷まで負荷され得る。いくつかの態様では、総電力サイクルは、定格電力の第１の所定のパーセンテージであり、固体酸化物電解セルスタックの各々は、時間の所定のパーセンテージの間オンフェーズで作動し、第１の所定の定格電力パーセンテージは、固体酸化物電解セルスタックの各々が１００％電力で作動する間の時間の所定のパーセンテージに等しい。図２では、５つのスタックの各々が、このサイクルの時間のうちの９５％（すなわち、所定の時間パーセンテージ）オンであり、総サイクル電力は、同様に、定格電力の９５％（すなわち、定格電力の第１の所定のパーセンテージ）である。

図２に示されるように、各個々のスタック（又は電気分岐部）は、全作動サイクルにわたって平均化された場合、所望の出力電力レベル（定格電力の割合として表される場合）に等しいオン時間を有する。図２に示されるように、各スタック（又は電気分岐部）のタイミングは、それらのオンサイクルにおけるスタックの合計が、一度に２つ以上のスタック（又は電気分岐部）によって変動することがないように、互いの分岐部に対してオフセットされる。例えば、示される１００のステップサイクルの過程において、スタックの各々が、正確に５回オフであるにもかかわらず、４つ未満のスタックが同時にオンである時間ステップは存在しない。

いくつかの例では、ＳＯＥＣスタックのうちの少なくとも１つは、固体酸化物電解セルシステムの作動サイクルにおいて、規則的な繰り返し間隔でアンロードされる（例えば、５つのオンフェーズでオン、１つのオフフェーズでオフ、５つのオンフェーズでオン、１つのオフフェーズでオフなどの規則的なパターン）。いくつかの例では、固体酸化物電解セルスタックのうちの少なくとも１つは、固体酸化物電解セルシステムの作動サイクルにおいて、不規則な非繰り返し間隔でアンロードされる（例えば、５つのオンフェーズでオン、２つのオフフェーズでオフ、３つのオンフェーズでオン、４つのオフフェーズでオフなどの不規則なパターン）。

図３を参照すると、５３％正味出力電力を維持するための作動方法における切り替えの例が示されている。第１のサイクルでは、第４及び第５のＳＯＥＣスタックは、１００％オンであり（スタック４及び５に陰影が存在する）、一方で第１～第３のＳＯＥＣスタックは、オフである（スタック１～３に陰影は存在しない）。ＳＯＥＣシステムは、５３％出力電力で作動しており、５つ全てのＳＯＥＣスタックが作動しているサイクルは存在しない。代わりに、任意の所与のサイクルでは、２～３つのＳＯＥＣスタックが、１００％オンである。いずれの特定のサイクルでも、４つ以上、２つ未満のスタックがオンであることはない。各スタック（又は電気分岐部）は、十分に長い期間にわたって評価した場合、同じ５３％の全体的なデューティで作動する（ここでは、１００サイクルステップにかけて示され、実現されている）。目標電力レベルは、スタック数に関連する個別の値である必要はない。所望の分解能が増加するにつれて、切り替えサイクルの全体的な長さも増加し得るが、好適なサイクルでのＳＯＥＣシステムの任意の部分負荷状態が達成可能である。１００ステップで（図３に示されるように）、出力電力をほぼ１％に変調することができる。図３では、各ＳＯＥＣスタックは、全体的なサイクルの５３％がオンである。任意の特定のスタックが、２つの連続サイクルでオンである位置は比較的少なく、５３％は、５０％をわずかにのみ上回り、全てのスタックが、正確に５０％の時間がオンであることを反映している。

図４を参照すると、１２％出力電力を維持するための作動方法における切り替えの例が示されている。各ＳＯＥＣスタックは、およそ８サイクルごとに１回オンである。ＳＯＥＣスタックは、本質的に熱的中立である開回路（「オフ」）と、熱的中立であるように構成される全電力（「オン」）との間で各々切り替わり、その結果、作動点がプロセスからの廃熱損失以外のＳＯＥＣスタック冷却を生じない。この廃熱損失は、熱損失が小さいと仮定して、わずかに発熱的であるオンフェーズを選択することによってバランスをとることができ、効率的な電解システムでは一般的であるはずである。

ターンダウンに対する１つの制約は、反応物の分子が電気化学的に活性な領域の入口から出口に流れるのにかかる期間に連動する最小切り替え周波数である。図４の例では、オフ期間が８サイクルである場合、８サイクルが、無電力ＳＯＥＣスタックを通る過剰な反応物バイパス流を生じないように、切り替え周波数を選択する必要がある。システム流量が、より低い電力状態（１２％正味電力）に対して調整されているので、おそらく、これはそれほど大きな制約ではない場合がある。流量が８倍低い場合、流量期間も８倍長くなり、したがって、切り替え周波数の変更は必要とされない。流量が８倍低くない場合、オン期間であっても過剰な反応物の流れが存在するであるため、切り替え期間は、全体的な設備利用率に影響を与えない。

図２～図４の例のいずれにおいても、又は作動方法に従って維持される任意の他の正味電力でも、反応物の流れが中断されるか、又は選択されたＳＯＥＣスタックに再指向されることが必要ではない。反応物の流れは、全てのＳＯＥＣスタックに均等に分配され、切り替え周波数が適切に選択されている限り、ＳＯＥＣスタック又はシステムの設備利用率に影響を与えない。

示された例では、２つの基礎となる仮定が示されている。１）任意の特定のサイクルにおいて、電力は、最も長い時間の間、電力が要求されていないスタック（電気分岐部）に分配される。これによって、任意の特定のスタックの連続的なオン時間及びオフ時間を最小限に抑える輪番電力需要が保証される。２）各スタック（又は電気分岐部）は、システムレベルの電力需要に正確な割合で電力を供給する。いずれの仮定も、全体的な統制戦略に必要ではない。例えば、特定のサイクルでどのスタックをオンにするかのランダム又は半ランダムな決定が使用され得る。個々の電力分岐部は、全体的なシステム需要に正確に比例して作動する必要はないが、代わりに、システム需要と個々の分岐部容量（又は健康状態）の両方に応答して作動することができ、その結果、より弱い分岐部は、より強力な分岐部よりも少なく負荷され得るか、又は特定の分岐部は、より遅い電力遷移に備えて、若しくはより遅い電力遷移に応答して優先的に加熱（又は冷却）され得る。

図１を参照すると、上記の作動方法によって、ＳＯＥＣスタックは、熱及び電力の観点から、点ｄ又は点ｅで常に作動することが可能になる。点ｄ及び点ｅの両方が、熱的中立である。５０％電力では、ＳＯＥＣスタックは、点ｄで半分の時間を費やし、点ｅで半分の時間を費やす。ＳＯＥＣスタックは、全作動温度で維持され、反応物が利用可能になり得るのと同じ程度速く全電力までランプし得、作動電圧又は作動温度は全く変動することはない。

更に、定格電力の２０％～３０％の範囲を考慮する。この領域では、ＳＯＥＣスタックを６５０℃まで冷却可能にすることさえも、ＳＯＥＣスタックを重度の吸熱状態から移動させるには不十分である。プロセスヒーター又は非常に低いスタック温度が必要であり、これは、制御の課題及び動的応答能力の厳しい制限を提示する。結果として、作動方法の更なる利点は、従来の制御戦略と比較して拡張されたターンダウン能力である。

重度の吸熱部分負荷状態を回避することによって、重度の吸熱又は重度の発熱状態を支持する必要がないので、システムのバランスを簡素化することができる。代わりに、ＳＯＥＣシステム及びＳＯＥＣスタックは、ほぼ熱的中立、又は所望に応じて吸熱又は発熱作動に向かって特定の設計オフセットで作動する。同様に、ＳＯＥＣシステムは、スタックの寿命及び性能に最も有利な条件で狭い作動ウィンドウを維持しながら、スタックの経時的な劣化を補償することができる。加えて、ＳＯＥＣシステムは、ＳＯＥＣスタックをほぼ瞬間的な負荷を全負荷まで促進する状態で保持しながら、部分負荷状態で作動することができ、そうでない場合よりもはるかに速い過渡応答を可能にする。

作動方法に従って、ＳＯＥＣスタックは、部分負荷状態で作動する場合でさえ、作動温度で維持されるであろう。これは、ＳＯＥＣスタックからの電力吸収が、短期間の過渡ではサブ秒スケールで、かつ流量変化を必要とする長期間の過渡では秒スケールで全電力まで増加し得ることを意味する。これは、利用可能な変調が、従来の制御されたＳＯＥＣシステムよりもはるかに大きいので、グリッド電圧及び周波数安定化の潜在性を大幅に増加させる。

上記の作動方法は、部分負荷（すなわち、全負荷ではない）状態でのＳＯＥＣシステムの持続的な作動を可能にする。作動方法は、補助的な加熱に依存しない。代わりに、作動方法は、ＳＯＥＣスタックの自己加熱に依存する。これが加熱要件の分離を可能にし、これによって、ＳＯＥＣシステムが信頼性の高い電源として作動することを保証するのに、プラントのバランスが必要な補助装置であるＳＯＥＣシステムにおいて、プラントのバランスを簡素化することができる。作動方法に従って、（ＳＯＥＣスタック内で）必要とされる位置で熱が生成され、別個のヒーターからＳＯＥＣスタックへの熱伝達を最適化する必要性が排除され、全体的なホットモジュールに簡素化を提供する。したがって、作動方法はまた、スタック効率及び寿命の潜在的な増加のために、ＳＯＥＣスタックの熱負荷を低減する。

図１に示されるように、性能／温度曲線は、対称ではない。ＳＯＥＣスタックが、部分負荷作動戦略で冷却されることが可能である場合、ＳＯＥＣスタックは、電力を上方にランプする能力が制限される。例えば、５０％電力で作動する場合、ＳＯＥＣスタックは、６０％電力までしか迅速に増加することが可能ではない場合があり、ＳＯＥＣスタック内で妥当な温度を維持しながら、１００％電力までランプするのに数分かかる場合がある。対照的に、上記の作動方法は、プロセスガスをランプすることができるのと同じ程度速く、任意の電力レベルから任意の他の電力レベルへの速いランプを可能にする。

作動方法は、高度にモジュール式のスタックアレイに特に好適であり得、電力バスの電気的切り替えの影響は、スタックを順番にフェーズから外すことによって緩和することができる。例えば、５０％負荷状態では、スタックの半分が任意の特定の時間オンであり、全てのスタックが活性である時間はない。単一のスタックでは、電流切り替えは、生じるＤＣバスにノイズを課し得、これは、システムパワーエレクトロニクスの効率に悪い結果を有し得る。高度にモジュール式のシステム（すなわち、多くのスタックが同じＤＣバスを共有するシステム）では、各スタックの遷移時間は、バスノイズを最小限に抑えるように、他のスタックに対してオフセットされ得る。電気的に並列で作動するスタックが多いほど、作動方法がバス電圧及びノイズに与える影響は少ない。いくつかの態様では、切り替えは、系統的である。特に、任意の所与の部分負荷状態での、オン又はオフであるＳＯＥＣスタックの順番及びタイミングは同じである。他の態様では、切り替えは、擬似乱数である。特に、所与の部分負荷状態では、オン又はオフであるＳＯＥＣスタックの順番及びタイミングは同じではない。例えば、１つのＳＯＥＣスタックが別のＳＯＥＣスタックよりも弱い場合、擬似乱数アプローチは、生じる電気ノイズをスムージングし得る。システム内の強制ノイズ及び計画外のバイアスの排除の観点から、疑似乱数アプローチは、利点を提供し得る。

いくつかの態様では、パルス幅変調電力の印加は、正味電気状態から独立した様式でＳＯＥＣスタックの正味熱作動状態を制御するために使用され得る。この概念は、本明細書では、吸熱的であろう部分電気負荷状態で正味熱的中立状態を維持するという観点から記載されている。この概念は、例えば、スタックを加熱するのを助ける方法として正味発熱状態を適用するための、特定の熱的状態を目標にすることに等しく適用することができる。部分負荷状態でのパルス幅変調電力の印加は、スタック熱的状態の独立した制御を可能にし、結果として、他のシステム需要に応答してスタック温度を上下に移動させるために使用することができる。

いくつかの態様では、ＳＯＥＣスタックの作動周波数は、スタックの形状、及び任意の流体粒子がセル活性領域入口からセル活性領域出口に移動するための正味流動期間によって示される低い境界と、切り替え損失に起因する効率回復の減少点によって、及び最終的には、セル電気性能が部分負荷状態に等しくなり始め、熱利益が消失し始める点によって示される高い境界との間で変動し得る。

本明細書で利用される場合、「およそ」、「約」、「実質的に」という用語、及び同様の用語は、本開示の主題が関係する当業者によって一般に受け入れられている使用法と調和した広い意味を有することを意図している。これらの用語が提供される正確な数値範囲にこれらの特徴の範囲を制限することなく、説明及び主張される特定の特徴の説明を可能にすることを意図していることは、本開示を検討する当業者によって理解されるべきである。したがって、これらの用語は、説明及び主張される主題の実質的でない又は重要でない修正又は変更が、添付の特許請求の範囲に列挙される本発明の範囲内にあるとみなされることを示すと解釈されるべきである。

本明細書で使用される「結合された」、「接続された」などの用語は、２つの部材が互いに直接又は間接的に接合することを意味する。そのような接合は、固定的（例えば、恒久的）又は可動的（例えば、取り外し可能又は解放可能）であり得る。そのような接合は、２つの部材若しくは２つの部材及び追加の中間部材が互いに単一のまとまった本体として一体的に形成されるか、又は２つの部材若しくは２つの部材及び追加の中間部材が互いに取り付けられることで達成され得る。

本明細書における要素の位置（例えば、「上」、「下」、「上方」、「下方」など）への言及は、単に図中の様々な要素の配向を説明するために使用される。様々な要素の配向は、他の例示的な実施形態に従って異なる場合があり、そのような変形形態は、本開示に包含されることが意図されることに留意されたい。

様々な例示的な実施形態の構築及び配設は例示にすぎないことに留意することが重要である。本開示ではいくつかの実施形態のみを詳細に説明したが、本開示を検討する当業者は、本明細書に記載の主題の新規な教示及び利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正（例えば、様々な要素のサイズ、寸法、構造体、形状、及び比率、パラメータの値、装着配設、材料の使用、色、配向の変化など）が可能であることを容易に理解するであろう。例えば、一体的に形成されて示した要素は、複数の部品又は要素で構成されてもよく、要素の位置を逆にし、又は別の方法で変更してもよく、個別の要素又は位置の性質又は数を変え、又は変更してもよい。任意のプロセス又は方法のステップの順序又は順番は、代替の実施形態に従って変更されてもよく、又は並べ直されてもよい。本発明の範囲から逸脱することなく、様々な例示的な実施形態の設計、作動条件、及び配設において、他の置換、修正、変更、及び省略を行うこともできる。例えば、熱回収熱交換器を更に最適化することができる。

上記の作動は、アルゴリズムのステップを実行するようにプログラムされたコンピュータによって実行され得る。本明細書に記載の主題及び作動の実施形態は、デジタル電子回路において、又は本明細書に開示の構造及びそれらの構造的等価物を含む有形媒体、ファームウェア、若しくはハードウェアに具体化されるコンピュータソフトウェアにおいて、又はそれらのうちの１つ以上の組み合わせにおいて実装され得る。本明細書に記載の主題の実施形態は、１つ以上のコンピュータプログラム、すなわち、データ処理装置によって実行するため、又はデータ処理装置の作動を制御するために、１つ以上のコンピュータ記憶媒体上に符号化された、１つ以上のモジュールのコンピュータプログラム命令として実装され得る。あるいは又は加えて、プログラム命令は、人工的に生成された伝搬信号、例えば、データ処理装置によって実行されるために、好適な受信装置に送信するために情報を符号化するために生成される、機械生成された電気信号、光信号、又は電磁信号に符号化され得る。コンピュータ記憶媒体は、コンピュータ可読記憶デバイス、コンピュータ可読記憶基板、ランダム若しくはシリアルアクセスメモリアレイ若しくはデバイス、又はそれらのうちの１つ以上の組み合わせであり得るか、又はそれらに含まれ得る。更に、コンピュータ記憶媒体は伝播信号ではないが、コンピュータ記憶媒体は、人工的に生成された伝播信号に符号化されたコンピュータプログラム命令のソース又は宛先であり得る。コンピュータ記憶媒体はまた、１つ以上の別個のコンポーネント又は媒体（例えば、複数のＣＤ、ディスク、又は他の記憶デバイス）であり得るか、又はそれらに含まれ得る。したがって、コンピュータ記憶媒体は、有形かつ非一時的であり得る。

本明細書に記載の作動は、１つ以上のコンピュータ可読記憶デバイスに記憶されたデータ、又は他のソースから受信したデータに対して、データ処理装置又は処理回路によって実行される作動として実装され得る。

装置は、特殊目的論理回路、例えば、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）又はＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）を含み得る。装置はまた、ハードウェアに加えて、問題のコンピュータプログラムの実行環境を作成するコード、例えば、プロセッサファームウェア、プロトコルスタック、データベース管理システム、オペレーティングシステム、クロスプラットフォームランタイム環境、仮想マシン、又はそれらのうちの１つ以上の組み合わせを構成するコードを含み得る。装置及び実行環境は、ウェブサービス、分散コンピューティング、及びグリッドコンピューティングインフラストラクチャなどの様々な異なるコンピューティングモデルインフラストラクチャを実現することができる。

コンピュータプログラム（プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、スクリプト、又はコードとしても知られる）は、コンパイル型言語又はインタプリタ型言語、宣言型言語又は手続き型言語を含む任意の形式のプログラミング言語で記述され得、それは、スタンドアロンプログラムとして、又はモジュール、コンポーネント、サブルーチン、オブジェクト、若しくはコンピューティング環境での使用に好適な他のユニットとしてを含む、任意の形式で展開され得る。コンピュータプログラムは、ファイルシステムにおけるファイルに対応してもよいが、する必要はない。プログラムは、他のプログラム若しくはデータ（例えば、マークアップ言語ドキュメントに記憶された１つ以上のスクリプト）を保持するファイルの一部分に、問題のプログラム専用の単一のファイルに、又は複数のコーディネートされたファイル（例えば、１つ以上のモジュール、サブプログラム、又はコードの一部分を記憶するファイル）に記憶され得る。１つのサイトに位置するか、又は複数のサイトにわたって分散され、通信ネットワークによって相互接続されるコンピュータプログラムは、１つのコンピュータ又は複数のコンピュータ上で実行されるように展開され得る。

本明細書に記載のプロセス及びロジックフローは、入力データを作動し、出力を生成することによってアクションを実行するために、１つ以上のコンピュータプログラムを実行する１つ以上のプログラム可能なプロセッサ又は処理回路によって実行され得る。プロセス及びロジックフローはまた、特殊目的ロジック回路、例えば、ＦＰＧＡ又はＡＳＩＣによって実行され得、装置はまた、特殊目的ロジック回路として実装され得る。

コンピュータプログラムの実行に好適なプロセッサ又は処理回路は、例として、汎用マイクロプロセッサ及び特殊目的マイクロプロセッサの両方、並びに任意の種類のデジタルコンピュータの任意の１つ以上のプロセッサを含む。一般に、プロセッサは、読み取り専用メモリ若しくはランダムアクセスメモリ、又はその両方から命令及びデータを受信するであろう。コンピュータの本質的な要素は、命令に従ってアクションを実行するためのプロセッサ、並びに命令及びデータを記憶するための１つ以上のメモリデバイスである。一般にまた、コンピュータは、データを記憶するための１つ以上の大容量記憶デバイス、例えば、磁気、光磁気ディスク、又は光ディスクを含むか、又はそれらからデータを受信するか、若しくはそれらにデータを転送するか、若しくはその両方を行うように作動可能に取り付けられるであろう。しかしながら、コンピュータは、そのようなデバイスを有する必要はない。更に、コンピュータは、別のデバイス、例えば、少し例を挙げると、携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、モバイルオーディオ若しくはビデオプレーヤー、ゲームコンソール、グローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）受信機、又はポータブル記憶デバイス（例えば、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）フラッシュドライブ）に埋め込まれ得る。コンピュータプログラム命令及びデータを記憶するのに好適なデバイスとしては、例として、半導体メモリデバイス、例えば、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、及びフラッシュメモリデバイス；磁気ディスク、例えば、内部ハードディスク又はリムーバブルディスク；光磁気ディスク；並びにＣＤ－ＲＯＭ及びＤＶＤ－ＲＯＭディスクを含む、あらゆる形態の不揮発性メモリ、メディア、及びメモリデバイスが挙げられる。プロセッサ及びメモリは、特殊目的論理回路によって補完され得るか、又はそれに組み込まれ得る。

ユーザとのインタラクションを提供するために、本明細書に記載の主題の実施形態は、ディスプレイデバイス、例えば、ＣＲＴ（カソード線管）若しくはＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、ＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）、プラズマ、他の可撓性の構成、又はユーザに情報を表示するための任意の他のモニタ、及びキーボード、ポインティングデバイス、例えば、マウストラックボールなど、又はユーザがコンピュータに入力を提供することができるタッチスクリーン、タッチパッドなどを有するコンピュータ上に実装され得る。他の種類のデバイスを使用して、ユーザとのインタラクションを提供することもでき、例えば、ユーザに提供されるフィードバックは、任意の形式の感覚フィードバック、例えば、視覚フィードバック、聴覚フィードバック、又は触覚フィードバックであり得、ユーザからの入力は、音響入力、音声入力、又は触覚入力を含む任意の形式で受信され得る。加えて、コンピュータは、ユーザによって使用されるデバイスにドキュメントを送信及びデバイスからドキュメントを受信することによって、例えば、ウェブブラウザから受信した要求に応答して、ユーザのクライアントデバイス上のウェブブラウザにウェブページを送信することによって、ユーザとインタラクトすることができる。

Claims (21)

1. 固体酸化物電解セルシステムを部分負荷で作動させる方法であって、前記固体酸化物電解セルシステムが、並列に電気的に接続された複数の分岐部を含み、各分岐部が、少なくとも１つの固体酸化物電解セルスタックを含み、各固体酸化物電解セルスタックが、複数の固体酸化物電解セルを含み、前記方法が、
   所与の作動温度に対して、前記固体酸化物電解セルシステムの作動が熱的中立の目標電圧未満で吸熱的であり、かつ前記固体酸化物電解セルシステムの作動が熱的中立の目標電圧超で発熱的である、熱的中立の目標電圧を決定することと、
   前記固体酸化物電解セルシステムの作動サイクルの間、前記固体酸化物電解セルシステムが、前記固体酸化物電解セルシステムの作動サイクルの、前記熱的中立の目標電圧での作動電力の選択されたパーセンテージに等しい平均作動電力で作動するように、前記分岐部の各々に対してオンフェーズ及びオフフェーズをサイクルすることによって、パルス幅変調電流制御を実行することであって、
   前記オンフェーズでは、所与の分岐部における前記固体酸化物電解セルスタックの全てが、前記熱的中立の目標電圧で作動し、前記オフフェーズでは、前記所与の分岐部における前記固体酸化物電解セルスタックの全てが、開回路電圧までアンロードされ、定格電力の０％で作動し、
   前記分岐部の各々が、他の分岐部から独立して、前記オンフェーズ又は前記オフフェーズで作動するように構成される、実行することと、を含む、方法。
2. 前記作動サイクルの少なくとも１つの期間において、前記分岐部の全てが前記オフフェーズにある、請求項１に記載の方法。
3. 前記作動サイクルの少なくとも１つの期間において、前記分岐部の全てが前記オンフェーズにある、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記作動サイクルの少なくとも１つの期間において、少なくとも１つの分岐部が前記オンフェーズにあり、一方で少なくとも１つの他の分岐部が前記オフフェーズにある、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記オンフェーズと前記オフフェーズとの間の切り替えが、一定期間の間とは対照的に、前記作動サイクル内の連続した期間の間に行われる、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記作動サイクルにおいて、
   第１の分岐部が、第１の期間の持続時間の間、前記オンフェーズにあり、一方で第２の分岐部が、前記第１の期間の前記持続時間の間、前記オフフェーズにあり、
   前記第２の分岐部が、第２の期間の開始時に前記オンフェーズに切り替えられ、前記第２の期間の持続時間の間、前記オンフェーズにとどまり、
   前記第１の分岐部が、前記第２の期間の前記持続時間の間、前記オンフェーズにとどまるか、又は前記第２の期間の前記開始時に前記オフフェーズに切り替えられ、前記第２の期間の前記持続時間の間、前記オフフェーズにとどまる、請求項１、４、又は５のいずれか一項に記載の方法。
7. 各分岐部が、複数の固体酸化物電解セルスタックを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. パルス幅変調電流制御を実行することが、
   オンフェーズとオフフェーズとの間又はオフフェーズとオンフェーズとの間の遷移期間が、前記作動サイクルの前記持続時間の１０パーセント未満を占めるように、優勢な熱的状態が熱的中立であるように、パルス幅変調周波数及びデューティサイクルを選択することを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 反応物枯渇に起因するセル飢餓が発生する前に、各分岐部が、前記オンフェーズから前記オフフェーズに切り替わるように、前記パルス幅変調周波数及び前記デューティサイクルが選択される、請求項８に記載の方法。
10. 前記パルス幅変調周波数及び前記デューティサイクルが、前記優勢な熱的状態が熱的中立であるように選択されるか、又はわずかに正味吸熱状態若しくはわずかに正味発熱状態を目標にするようにプログラムされたコントローラによって選択され、その結果、前記固体酸化物電解セルスタックの温度が、一定であるか、又はシステム需要を反映する目標作動温度の間に制御される様式でランプされる、請求項８に記載の方法。
11. 各分岐部の作動電流密度が、前記オンフェーズの間の前記熱的中立の目標電圧で５０ｍＷ／ｃｍ^２以内の電流密度である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 総電力サイクルが、定格電力の第１の所定のパーセンテージであり、
    前記分岐部の各々が、時間の所定のパーセンテージの間、前記オンフェーズで作動し、
    定格電力の前記第１の所定のパーセンテージが、前記分岐部の各々が前記オンフェーズで作動する間の前記時間の所定のパーセンテージに等しい、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 最大瞬間電力ステップが、定格電力の第２の所定のパーセンテージであり、定格電力の前記第２の所定のパーセンテージが、前記固体酸化物電解セルシステムの分岐部の数によって１００％を除算することによって計算される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 大きさ電気スムージングが、前記最大瞬間電力ステップに基づいて決定される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記分岐部のうちの少なくとも１つが、第１のオンフェーズで定格電力の１００％で作動し、前記第１のオンフェーズの直後の次のオフフェーズで定格電力の０％で作動する、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記分岐部のうちの少なくとも１つが、アンロードされ、前記固体酸化物電解セルシステムの作動サイクルにおいて規則的な間隔で定格電力の０％で作動する、請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記分岐部のうちの少なくとも１つが、前記固体酸化物電解セルシステムの作動サイクルにおいて不規則な間隔でアンロードされる、請求項１に記載の方法。
18. 請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法に従って作動した、固体酸化物電解セルシステム。
19. 固体酸化物電解セルシステムであって、
    並列に電気的に接続された複数の分岐部であって、各分岐部が、少なくとも１つの固体酸化物電解セルスタックを含み、各固体酸化物電解セルスタックが、複数の固体酸化物電解セルを含む、複数の分岐部と、
    前記固体酸化物電解セルシステムの作動が熱的中立の目標電圧未満で吸熱的であり、かつ前記固体酸化物電解セルシステムの作動が熱的中立の目標電圧超で発熱的である、熱的中立の目標電圧を決定し、
    前記固体酸化物電解セルシステムが、前記固体酸化物電解セルシステムの作動サイクルの間、前記熱的中立の目標電圧で作動するように、前記分岐部の各々に対してオンフェーズ及びオフフェーズをサイクルすることによって、パルス幅変調電流制御を実行するようにプログラムされた、コントローラと、を備え、
    前記オンフェーズでは、分岐部が、前記熱的中立の目標電圧で作動し、
    前記オフフェーズでは、分岐部が、開回路電圧までアンロードされ、定格電力の０％で作動し、
    前記分岐部の各々が、他の分岐部から独立して、前記オンフェーズ又は前記オフフェーズで作動するように構成される、固体酸化物電解セルシステム。
20. 前記複数の固体酸化物電解セルの各々が、アノード、カソード、及び前記アノードと前記カソードとの間の固体セラミック電解質と、を備える、請求項１９に記載の固体酸化物電解セルシステム。
21. 前記固体セラミック電解質が、非多孔質金属酸化物を含む、請求項２０に記載の固体酸化物電解セルシステム。

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