可変再生可能エネルギー向けの画期的な電解槽設計

水素エネルギー分野のパイオニアとして、VERDE HYDROGEN は数十年にわたり水素電解装置に取り組み、1200Nm3/H シングルスタック電解装置を含むさまざまなサイズの電解装置を開発しました。同社の特許 (米国特許第 8,936,704 号) は、変圧器や整流器を使用しない、再生可能エネルギーに画期的な電解槽設計をもたらす可能性があります。

抽象的な

揮発性電源からの水の電気分解によって水素を生成するシステムおよび方法は、電源の電気出力の測定に基づいて電解スタックの動作容量を調整することを容易にすることができる。様々な実施形態において、容量調整は、電源と直列に組み込まれたセルを含む閉電気回路に電解スタックのより少ないまたはより多くのセルを組み込むことによって達成される。

水素は、化石燃料エネルギー源に代わるクリーンな燃料源として長い間考えられてきました。水素は無公害で、輸送可能、貯蔵可能で、ガソリンよりも効率が高く、固定用途と移動用途の両方で熱と電気に直接変換できます。

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電気分解による水素製造の効率を改善し、コストを削減するために多くの試みがなされてきた。入力電源の変動性に対処するこれまでのアプローチは、一般に次の 2 つのカテゴリに分類されます。

どちらのアプローチも、多くの場合、長期的にはコストの増加と水素生成システムの複雑さ、効率の損失、および/またはメンテナンスの問題につながります。

本出願は、風力、太陽光、または水素製造用の他の揮発性源から生成される不安定な電気の流れによって電力供給される水素発生システムを制御するための新しいアプローチを開示する。様々な実施形態において、水素生成システムは、瞬間的な入力電力を効率的に使用するために所与の瞬間における電解スタックの動作容量がどの程度であるべきかを決定する制御機能を備えた自動制御された電解スタックを含む。水素発生システムは、電解スタックに加えて、導電性トラック、可動電気接点ブリッジおよび関連するドライバ、測定装置、およびコントローラを含むことができる。電解スタックは、電気的に直列に接続されて導電性経路を形成する複数の電解セルを含むことができる。スタックの動作容量は、電源に接続される経路内の電解セルの数を調整することによって変更できます。より具体的には、コントローラは、現在の電力および／またはシステムの他の動作パラメータの測定値の入力に基づいて（例えば、電解スタックの事前設定された動作電力要件と併せて）、動作中の電解の所望の容量を決定することができる。スタック（つまり、必要な数の電解セル）を選択し、対応する制御信号をドライバーに送信します。次いで、ドライバは、コントローラからの信号に基づいて、導電性トラック上の可動接点ブリッジの位置を制御することができる。接点ブリッジは、コントローラーから受信したコマンドに従ってさまざまな位置で停止することで、電解スタックの電気ループを所望の動作容量に制限できます。

したがって、本明細書に開示される様々な実施形態は、電解スタックの容量を増加および減少させるための効率的な方法を提供し、異なる形式の変動電力で水素生成システムを所望の効率で動作させることを可能にする。

さらに、従来技術のシステムと比較して、本明細書に開示されるアプローチは、複数の電気分解ユニットを制御するために使用されるセンサー、コントローラ、および／またはスイッチの数を減らし、それによって水素生成システムの技術的な複雑さを軽減する。有利なことに、これにより、水素製造コストが削減され、燃料エネルギー源として化石燃料に代わる水素の普及が促進される可能性がある。

イチジク。図１は、本発明による水素発生システムの例示的な実施形態を概念的に示す。このシステムは、電源１００、コントローラ１０１（例えば、入力インターフェース１０２、ＣＰＵ１０３、データ記憶装置１０４、および出力インターフェース１０５を含み得る）、電解スタック１０６（一般に、複数の電解スタックを含む）を含む。スタック１０６のセル１０７は、スタックを通る導電経路１１４を形成するように電気的に直列に接続される。この経路の一端１１５は、電源１００の一端子（例えば、図示のように、負端子）に電気的に接続される（またはスイッチ１０９を介して電気的に接続可能）。導電路１１４の他端１１３は開放端であってもよい。したがって、スタック１０６自体は、一般に電源１００と閉回路を形成しない。むしろ、導電性トラック１１０およびコンタクトブリッジ１０８が回路を閉じる役割を果たす。特に、図示されるように、導電路１１０は電源の第２の端子（例えば正端子）に電気的に接続され、可動接点ブリッジ１０８は導電路１１４上の点と導電路１１４との間に電気接続を確立する。このようにして、電気はスタックの一端（１１５）に入り、スタック１０６の他端（１１３）からではなく、コンタクトブリッジ１０８から出てくる（もちろん、コンタクトブリッジ１０８がそうでない限り）。端１１３で導電路１１４に接続することになる）。その結果、電源１００、多数の電解セル１０７、接触ブリッジ１０８、および導電性トラック１１０を直列構成で含む回路が得られる（電源１００の正および負の端子の指定は、説明のみを目的としており、実際には、電源の正端子と負端子は、本明細書に開示されている動作原理に影響を与えることなく切り替えることができる。)

コンタクトブリッジ１０８が導電路１１４に接触する導電路１１４に沿った点１１１は可変である。いくつかの実施形態では、接触ブリッジ１０８と導電路１１４との間の接触点１１１は、導電路１１４の２つの端部１１５、１１３の間の任意の位置に設定することができ、したがって、スタック１０６の任意の数の電解セル１０７を含むことができる。回路内の（例えば、ゼロセル、１つのセル、またはスタック内のセルの数に対応する最大セル数までの複数のセル）。例えば、図示されるように、接触ブリッジは、導電路１１４の開放端１１３から３セル１０７離れた導電路１１４に接続され、それによってこれら３つのセルを回路から除外し、他のすべてのセルを含めることができる。いくつかの実施形態では、例えば少なくとも１つのセル１０７が回路の一部であることを保証するなど、回路に含まれるセル１０７の数に一定の制約を課すために、コンタクトブリッジ１０８の移動が制限される。一般に、負端１１５と接点ブリッジ１０８との間のスタック１０６の部分のみが常に電気回路に含まれ、スタック１０６の残りの部分には電気が流れない。したがって、コンタクトブリッジを位置決めすることによって、システムはスタック１０６の選択された部分をオンまたはオフにすることができる。

接点ブリッジ１０８の位置、したがって水素生成システムの動作容量は、コントローラ１０１によって制御される。例えば、いくつかの実施形態では、出力インターフェース１０５は、可動接点ブリッジ１０８を制御するための信号を送信することができる。システムの動作容量を増減します。出力インターフェース１０５はまた、必要に応じてスタック１０６の電源を完全にオフにするためにスイッチ１０９に信号を送信することもできる。

動作中、測定装置１１２は、外部電源１００の電気出力（および任意で１つ以上の他の動作パラメータ）および／または電解スタック１０６の１つ以上の動作パラメータを測定する。電源１００の電気出力は、たとえば、電圧または電流の観点から測定できます。スタック１０６の測定された動作パラメータには、例えば、スタック１０６内の圧力、温度、および／または液面、水素ガスの出力流量などが含まれ得る。測定装置１１２は、異なるパラメータを含み得る（しかし、必ずしもそうする必要はない）。システムの 2 つ以上の異なるパラメータ (電源の電気出力を示すパラメータを含む) を測定するためのセンサー。さらに、測定装置１１２は、センサから受信した信号を処理する処理機能を含んでもよい。単一のボックスとして図示されているが、当業者であれば理解できるように、測定装置１１２を一緒に構成する異なる物理的構成要素は物理的に分散されてもよく、単一のケーシングまたは他の物理的筐体に含まれる必要はない。様々な実施形態において、測定装置１１２は、例えば一定の時間間隔で（例えば、１秒に１回、１分に１回、または別の間隔で）センサ信号を取得することによって、電気分解スタックの動作全体を通じて電気出力および／または他のパラメータを測定し続ける。特定のアプリケーションコンテキストのニーズに応じて、適切な間隔）または不規則な間隔で。

いくつかの実施形態では、測定装置１１２は、測定情報を含む電気信号（例えば、電源１００の出力および／または他の動作パラメータを示す生の信号または前処理された信号）をコントローラ１０１の入力インターフェース１０２に送信する。受信すると、入力インターフェース１０２は、電子信号を論理信号に変換し、その後、ＣＰＵ１０３に転送することができる。記憶装置１０４に記憶され、測定された条件下で（特に、電源１００によって供給される現在利用可能な電力が与えられた場合に）電解スタック１０６の望ましい動作容量を決定する（すなわち、何個のセル１０７が動作すべきかを決定する）。）。計算された望ましい動作能力に基づいて、CPU 103はさらに、可動接点ブリッジ108が移動すべき位置を計算し、その位置を示す1つまたは複数のコマンドを生成して出力インターフェース105に送信することができる。出力インターフェース105は、変換することができる。容易に理解されるように、上述したコントローラ１０１の様々な修正が可能である。例えば、所望の動作容量およびコンタクトブリッジ１０８の対応する位置を決定するための計算機能は、代わりに、完全にハードウェアで提供されてもよい（例えば、ソフトウェア命令を含むプロセッサおよびメモリではなく、配線回路として）。米国特許出願公開第２０１１／０１５５５８３号のように、スイッチ／センサのグループを使用して電解セル／スタックのグループのそれぞれを個別に制御して動作容量を調整するのではなく、本発明のさまざまな実施形態は単一の電解スタック１０６のみを使用する。水素発生能力を０％から１００％まで調整できるように、１組のスイッチ１０９、コントローラ１０１、測定装置１１２を備えている。

図１〜図４図３Ａおよび３Ｂは、様々な実施形態による、導電性トラック、可動接点ブリッジ、および電解スタックのそれぞれ上面図および正面図を概略的に示す。

イチジク。図２は、電解スタック１０６、接点ブリッジ１０８、および導電性トラック１１０の側面図を提供し、（とりわけ）それらの相対的な幾何学的配置を示す。図示のように、導電性トラック１１０およびコンタクトブリッジ１０８は電解スタック１０６の上部に設置することができ、導電性トラック１１０はスタック１０６と実質的に平行に配置される。図２は、図１および図２と併せて見られる。ここで図３Ａおよび３Ｂを参照すると、それぞれ、電解スタック１０６と、その上に取り付けられた導電性トラック１１０およびコンタクトブリッジ１０８の上面図および正面図が示されている。導電性トラック１１０は、２つの役割を有し得る。すなわち、電解セル１０７を電源１００の第２（正）端子に電気的に結合することに加えて、接触ブリッジ１０８を機械的に支持し、その移動をガイドする役割を果たし得る。例えば、導電性トラックは金属製であり、コンタクトブリッジの上端が設置されるレールのような形状であってもよい。適切な形状および構成は、当業者には容易に明らかになるであろう。設計はコンパクトで製造が容易である。

図１に示すように、図２に示されるように、電解スタック１０６は、直列に接続されたＭ個の電解スロット／セル（例えば、図示のセル２０２、２０３、２０４、２０５、２０６、…２１０を含む）を含み得る。いくつかの実施形態では、セルは互いに直接隣接しており、セル間のパイプラインやケーブルの必要性を回避している。この配置により、単一の電解スタックを製造するための経済的かつ実用的な方法が提供されます。各電解スロット/セルは 1.6 ～ 2.3 ボルトの DC 電力で動作します。したがって、すべての電解セルが動作している場合、完全なユニットとしての電解スタック１０６は、好ましくは約２＊ＭボルトのＤＣ電力の下で動作する。接点ブリッジ１０８の位置に応じて、変圧器または同様の電気装置を使用することなく、動作セルは１からＭまで変化し、電解スタック１０６の動作電圧は２ボルトから２＊Ｍボルトまで変化し得る。このようにして、本出願は、電源１００からの入力電圧に一致するように電解スタック１０６の動作電圧を変更する。米国特許第７，９０６，００７号では、逆のことを行う。すなわち、電解スタックの動作電圧に一致するように電源によって提供される入力電圧を変更する。（上記は、電解スタック１０６の動作容量の調整に加えて電源の電圧の調整を伴うシステムおよび方法を除外するものとして理解されるべきではない。）実験室研究が示すように、所与の電解セルの電気化学効率は、または、電流が低いほどスタックが高くなる傾向があります (他のすべては同じままです)。様々な実施形態は、各電解セルの所望の動作電圧を１．６Ｖと２．３Ｖの間で微調整することによってこの洞察を利用し、常に低い動作アンペア数を確保する。 1.6Vです。約0.2.3Vの範囲は電極の材質や電解液によって異なります。

様々な実施形態において、コンタクトブリッジ１０８は、導電性トラック１１０に沿ってその移動を引き起こし、コントローラ１０１によって指定された特定の位置で停止する駆動装置２２０によって駆動される。駆動装置２２０は、例えば、ステップであるか、ステップを含むことができる。モーター、電動プーリー、レールスリップホイール、またはコマンド信号に従って指定された位置に移動できるその他のデバイス。駆動装置２２０は、コントローラ１０１から受信した信号によって制御される。いくつかの実施形態では、ＣＰＵ１０３が電解スタック１０６の容量を増加すべきであると判断した場合、出力インターフェース１０５からの信号により、スイッチ１０９が閉じていることを確認する。、スタック１０６を電源１００に接続し、さらに、出力インターフェース１０５からの信号は、電解スタック１０６のより多くのセル１０７が電気回路に含まれる位置に接点ブリッジ１０８を移動するように駆動装置２２０に命令する。利用可能なリアルタイム電力が、電解スタック１０６が現在設定されている容量で機能するのに十分ではないとＣＰＵ１０３が判断した場合、出力インターフェース１０５からの信号は、駆動装置２２０を逆に駆動して、電解のいくつかのセル１０７を除外することになる。スタック１０６を電気回路から切り離す。

入力インターフェース１０２はまた、システムに関する事前設定設定、例えば、システムの最大電圧または電流、スタック１０６内の電解セルの総数（すなわち、このスタックに利用可能なセル１０７の最大数）を受け取ることもできる。）、電解スタックの望ましい動作パラメータの計算方法、電解スタックの作動容量を増加または減少させる順序など。

有利なことに、本明細書に記載の様々な実施形態は、単一の電解スタックの動作容量および単一の電解スタック内の動作容量を調整する単一のコントローラを使用して、電解システムの容量制御を容易にする。これにより、複数のコントローラを使用して複数の電気分解ユニット（複数のスタック、サブスタック、またはセル）を個別に調整して容量を調整できます。従来のシステムでは、各ユニットを個別にオンまたはオフにできるようにするために、一般に、ユニットごとに個別の電気ケーブル接続およびガス/液体パイプラインも必要です。対照的に、本発明のさまざまな実施形態では、１組のケーブルおよびパイプラインをスタックに接続するだけで十分であり、製造コストの削減に貢献する。様々な実施形態において、本発明によるコンパクトな設計により、外面も小さくなり、熱損失が低減され、高温範囲（通常約７０℃…約９０℃）を維持するためのエネルギー効率が高くなる。 .) 一般に、効率的な電気分解を維持するために使用されます。

イチジク。図４は、上述の電気分解システムを使用する例示的な方法を示す。この方法は、電気分解を駆動するために、典型的には揮発性電源（例えば、太陽光または風力を利用する）を用いて電力を生成する（４０１）ことを含む。さらに、電源の１つ以上の電気パラメータ（例えば、電圧、電流、および／または電力）、および任意選択でシステムの他のパラメータが測定され、測定結果はコントローラ１０１に送信される（４０２）。。コントローラ１０１は、電源１００および／または電解スタック１０６のパラメータを取得し、事前設定または即時測定に従って電解スタック１０６の所望の動作容量を計算する（４０３）。コンタクトブリッジ１０８の所望の位置は、所望の動作容量に基づいて計算される（４０４）。コントローラ１０１は、この位置を示す信号をドライバ装置２２０に送信する（４０５）。次いで、駆動装置２２０を使用して接点ブリッジ１０８を所望の位置に移動させることによって、電気分解の容量が増加または減少される（４０６）。次いで、調整された容量で電気分解が進行して水素および／または他の電気分解生成物が生成され、生成された水素ガスおよび他の生成物は収集され、後の使用のために保管される（４０７）。

連絡先情報: Dan Crockerwww.verdelc.com

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