JP6523273B2 - 水素システム及び動作の方法 - Google Patents
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Description
「利用できる」は、電気化学セル又はスタックの設計仕様にしたがってその動作に利用できる、十分な量の水素を持った第1ガスの十分な流量を指すことが留意される。水素要求信号がゼロより大きく、第1ガスが第1の電気化学セル又はセルスタックの入口において利用できない(つまり、十分な量で利用できない)とき、制御装置は第2の電気化学セル又はセルスタックを動作させる。第1の電気化学セル又はスタックは、第2の電気化学セル又はスタックよりも小さい電力要件及び/又は高い効率を有して動作することができるため、第1の電気化学セル又はスタックの使用を優先するこの制御方式は有利である。
ここで図1を参照すると、水素提供用の例示的なシステム10が示されている。第1の電気化学セル又はセルスタックは、プロトン交換膜22を有する膜電極アセンブリ(MEA)を備える。プロトン交換膜22の両側には、アノード23及びカソード24が配置されている。アノードの側の流れ場構造25とカソードの側の流れ場構造26とは、MEAの両側に配置される。これらの構造は、MEAに接触する流体の流れに空間を提供するように、通常、MEAから離れて配置されており、MEA及び流れ場構造はフレーム・アセンブリ(図示せず)に各々取り付けられる。しかし、図示を容易にするために、図1では、MEAに連続して接触するように模式的に示す。電源28は、電気接続29及び30を通じてそれぞれアノード23及びカソード24へ電気的に接続される。水源32は、プロトン交換膜22を水和するために、水循環ライン34を通じてカソードの側の流れ場構造26に水を提供する。水源32は、第1の電気化学セルによって生産される気体の水素が流れる液体媒体を提供する。
出口27を通過する水素を提供する。出口27では、水素は、熱処理プロセス62へ供給するために、水源32を通じてバブリングされコンプレッサ66に与えられる。
他の実施形態では、第1の電気化学セルの水素出力は、動作の経過時間及び/又は第1の電気化学セル又はセルスタックへの第1ガスのフィードの量及び水素濃度などの他のプロセス条件に基づいて、間接的に決定されることができる。
素の貯蔵の必要が相殺されることができるので、代わりに、より少ない水素貯蔵バッファを使用することができる。
Claims (32)
- 水素提供用システムにおいて、
第1の電気化学セル又はセルスタックであって、プロトン交換膜によって分離されているカソード及びアノードを備える第1の膜電極アセンブリと、前記第1の電気化学セル又はセルスタックの前記アノードの側と流体連通する、水素を含む第1ガス用の入口と、前記第1の膜電極アセンブリの前記カソードの側と流体連通する出口とを備える、第1の電気化学セル又はセルスタック、
第2の電気化学セル又はセルスタックであって、プロトン交換膜によって分離されているカソード及びアノードを備える第2の膜電極アセンブリと、前記第2の膜電極アセンブリと流体連通する水入口と、前記第2の膜電極アセンブリの前記カソードの側と流体連通する出口とを備える、第2の電気化学セル又はセルスタック、及び、
前記第1の電気化学セル又はセルスタック及び前記第2の電気化学セル又はセルスタックと通信する制御装置であって、水素要求信号を受け取るように構成されており、
(i)前記水素要求信号がゼロより大きく、前記第1ガスが前記第1の電気化学セル又はセルスタックの入口において利用できないとき、前記第2の電気化学セル又はセルスタックを動作させ、
(ii)前記水素要求信号がゼロより大きく、前記第1ガスが前記第1の電気化学セル又はセルスタックの入口において利用できるとき、前記第1の電気化学セル又はセルスタックを一次水素源として動作させ、前記水素要求信号と前記第1の電気化学セル又はセルスタックの水素出力とのうちの一方又は両方に応じて、前記第2の電気化学セル又はセルスタックを二次水素源として制御可能に動作させるように構成されている制御装置、を備える、システム。 - 前記制御装置は、前記第1ガスが利用できるとき、前記第1の電気化学セル又はセルスタックを所定の電流で動作させ、前記水素要求信号と前記第1の電気化学セル又はセルスタックの前記水素出力とのうちの一方又は両方に応じて、前記第2の電気化学セル又はセルスタックをオフ状態とオン状態との間で選択的に切り換えるように構成されている、請求項1に記載のシステム。
- 前記制御装置は、前記第1ガスが利用できるとき、前記第1の電気化学セル又はセルスタックを所定の電流で動作させ、前記水素要求信号と前記第1の電気化学セル又はセルス
タックの前記水素出力とのうちの一方又は両方に応じて、前記第2の電気化学セル又はセルスタックを可変の電流で動作させるように構成されている、請求項1又は2に記載のシステム。 - 前記第2の電気化学セル又はセルスタックの前記水入口は、前記第2の膜電極アセンブリの前記アノードの側と流体連通しており、前記システムは、前記第2の電気化学セル又はセルスタックの前記水入口及び前記第2の電気化学セル又はセルスタックの前記アノードの側と流体連通する第1の量の液体の水をさらに備える、請求項1〜3の何れか一項に記載のシステム。
- 前記第1の電気化学セル又はセルスタックの前記カソードの側及び前記第2の電気化学セル又はセルスタックの前記カソードの側と流体連通する第2の量の液体の水をさらに備える、請求項4に記載のシステム。
- 前記第1の電気化学セル又はセルスタック及び前記第2の電気化学セル又はセルスタックの前記プロトン交換膜は、それぞれアイオノマーを含む、請求項1〜5の何れか一項に記載のシステム。
- 前記アイオノマーはスルホン化フッ素ポリマーである、請求項6に記載のシステム。
- 前記第1の電気化学セル又はセルスタック及び前記第2の電気化学セル又はセルスタックは、ゼロ超から82.7MPa(12,000重量ポンド毎平方インチ)までの圧力の水素を生産するように構成されている、請求項1〜7の何れか一項に記載のシステム。
- 前記第1の電気化学セル又はセルスタック及び前記第2の電気化学セル又はセルスタックの前記出口と流体連通する入口を有するコンプレッサをさらに備える、請求項1〜8の何れか一項に記載のシステム。
- 前記第1の電気化学セル又はセルスタックの前記水素出力は、前記第1の電気化学セル又はセルスタックの前記出口からのガス圧力によって表され、前記第2の電気化学セル又はセルスタックは、前記ガス圧力に応じて制御可能に動作させられる、請求項1〜9の何れか一項に記載のシステム。
- 前記第1の電気化学セル又はセルスタック及び前記第2の電気化学セル又はセルスタックの出口の下流の水素ストリーム中の圧力スイッチ又はセンサーと、前記圧力スイッチ又はセンサーの下流の圧力調節器とをさらに備える、請求項10に記載のシステム。
- 1つ以上の追加の第1の電気化学セル又はセルスタックをさらに備え、前記1つ以上の追加の第1の電気化学セル又はセルスタックは、前記1つ以上の追加の第1の電気化学セル又はセルスタックのアノードの側と流体連通する前記第1ガス用の入口と、前記1つ以上の追加の第1の電気化学セル又はセルスタックのカソードの側と流体連通する出口とを有する、請求項1〜11の何れか一項に記載のシステム。
- 1つ以上の追加の第2の電気化学セル又はセルスタックをさらに備え、前記1つ以上の追加の第2の電気化学セル又はセルスタックは、前記1つ以上の追加の第2の電気化学セル又はセルスタックと流体連通する水入口と、前記1つ以上の追加の第2の電気化学セル又はセルスタックのカソードの側と流体連通する出口とを有する、請求項1〜12の何れか一項に記載のシステム。
- 前記第1ガスは水素以外の1つ以上のガス成分をさらに含む、請求項1〜13の何れか
一項に記載のシステム。 - 水素を提供する方法において、
水素要求信号を受け取る工程と、
前記水素要求信号がゼロより大きく、水素を含む第1ガスが利用できるとき、第1の膜電極アセンブリのカソードの側と流体連通する出口において水素を提供するために、プロトン交換膜によって分離されている前記カソード及びアノードを備える前記第1の膜電極アセンブリと、第1の電気化学セル又はセルスタックの前記アノードの側と流体連通する前記第1ガス用の入口とを備える、前記第1の電気化学セル又はセルスタックを動作させる工程、及び第2の膜電極アセンブリのカソードの側と流体連通する出口において水素を提供するために、前記水素要求信号と前記第1の電気化学セル又はセルスタックの水素出力とのうちの一方又は両方に応じて、プロトン交換膜によって分離されている前記カソード及びアノードを備える前記第2の膜電極アセンブリと、前記第2の膜電極アセンブリと流体連通する水入口とを備える、第2の電気化学セル又はセルスタックを制御可能に動作させる工程と、
前記水素要求信号がゼロより大きく、前記第1ガスが前記第1の電気化学セル又はセルスタックの入口において利用できないとき、前記第2の膜電極アセンブリの前記カソードの側と流体連通する前記出口において水素を提供するために、前記第2の電気化学セル又はセルスタックを動作させる工程とを含む、方法。 - 制御装置は、前記第1ガスが利用できるとき、前記第1の電気化学セル又はセルスタックを所定の電流で動作させ、前記水素要求信号と前記第1の電気化学セル又はセルスタックの前記水素出力とのうちの一方又は両方に応じて、前記第2の電気化学セル又はセルスタックをオフ状態とオン状態との間で選択的に切り換える、請求項15に記載の方法。
- 制御装置は、前記第1ガスが利用できるとき、前記第1の電気化学セル又はセルスタックを所定の電流で動作させ、前記水素要求信号と前記第1の電気化学セル又はセルスタックの前記水素出力とのうちの一方又は両方に応じて、前記第2の電気化学セル又はセルスタックを可変の電流で動作させる、請求項15又は16に記載の方法。
- 前記第2の電気化学セル又はセルスタックの前記水入口は、前記第2の膜電極アセンブリの前記アノードの側と流体連通しており、第1の量の液体の水は、前記第2の電気化学セル又はセルスタックの前記水入口及び前記第2の電気化学セル又はセルスタックのプロトン交換膜の前記アノードの側と流体連通している、請求項15〜17の何れか一項に記載の方法。
- 第2の量の液体の水は、前記第1の電気化学セル又はセルスタックのプロトン交換膜の前記カソードの側及び前記第2の電気化学セル又はセルスタックのプロトン交換膜の前記カソードの側と流体連通している、請求項18に記載の方法。
- 前記第1の電気化学セル又はセルスタック及び前記第2の電気化学セル又はセルスタックの前記プロトン交換膜は、それぞれアイオノマーを含む、請求項15〜19の何れか一項に記載の方法。
- 前記アイオノマーはスルホン化フッ素ポリマーである、請求項20に記載の方法。
- 前記第1の電気化学セル又はセルスタック及び前記第2の電気化学セル又はセルスタックは、ゼロから82.7MPa(12,000重量ポンド毎平方インチ)までの圧力の水素を生産するように動作させられる、請求項15〜21の何れか一項に記載の方法。
- 前記第1の電気化学セル又はセルスタック及び前記第2の電気化学セル又はセルスタックの前記出口からの水素を圧縮することをさらに備える、請求項15〜22の何れか一項に記載の方法。
- 前記第1の電気化学セル又はセルスタックの前記出口からのガス圧力から、前記第1の電気化学セル又はセルスタックの前記水素出力を決定することをさらに備え、前記第2の電気化学セル又はセルスタックは、前記ガス圧力に応じて制御可能に動作させられる、請求項15〜23の何れか一項に記載の方法。
- 水素ストリームの中の圧力スイッチ又はセンサーは、前記第1の電気化学セル又はセルスタック及び前記第2の電気化学セル又はセルスタックの出口の下流に配置され、圧力調節器は前記圧力スイッチ又はセンサーの下流である、請求項24に記載の方法。
- 1つ以上の追加の第1の電気化学セル又はセルスタックを動作させることをさらに備え、前記1つ以上の追加の第1の電気化学セル又はセルスタックは、前記1つ以上の追加の第1の電気化学セル又はセルスタックのアノードの側と流体連通する前記第1ガス用の入口と、前記1つ以上の追加の第1の電気化学セル又はセルスタックのカソードの側と流体連通する出口とを有する、請求項15〜25の何れか一項に記載の方法。
- 1つ以上の追加の第2の電気化学セル又はセルスタックを動作させることをさらに備え、前記1つ以上の追加の第2の電気化学セル又はセルスタックは、前記1つ以上の追加の第2の電気化学セル又はセルスタックと流体連通する水入口と、前記1つ以上の追加の第2の電気化学セル又はセルスタックのカソードの側と流体連通する出口とを有する、請求項15〜26の何れか一項に記載の方法。
- 前記第1ガスは水素以外の1つ以上のガス成分をさらに含む、請求項15〜27の何れか一項に記載の方法。
- 水素提供用システムにおいて、
第1の電気化学セル又はセルスタックであって、プロトン交換膜によって分離されているカソード及びアノードを備える第1の膜電極アセンブリと、前記第1の電気化学セル又はセルスタックの前記アノードの側と流体連通する、水素を含む第1ガス用の入口と、前記第1の膜電極アセンブリの前記カソードの側と流体連通する出口とを備える、第1の電気化学セル又はセルスタック、
第2の電気化学セル又はセルスタックであって、プロトン交換膜によって分離されているカソード及びアノードを備える第2の膜電極アセンブリと、前記第2の膜電極アセンブリの前記アノードの側と流体連通する水入口と、前記第2の膜電極アセンブリの前記カソードの側と流体連通する出口とを備える、第2の電気化学セル又はセルスタック、及び、
第1の量の液体の水であって、前記第2の電気化学セル又はセルスタックの前記水入口及び前記第2の電気化学セル又はセルスタックのプロトン交換膜の前記アノードの側と流体連通する第1の量の液体の水か、第2の量の液体の水であって、前記第1の膜電極アセンブリの前記カソードの側及び前記第2の膜電極アセンブリの前記カソードの側と流体連通する第2の量の液体の水、を備える、システム。 - 前記第1の量の液体の水を備える、請求項29に記載のシステム。
- 前記第2の量の液体の水を備える、請求項29に記載のシステム。
- 前記第1の量の液体の水と前記第2の量の液体の水とを備える、請求項29に記載のシステム。
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