(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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。
【請求項１４】
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。
【請求項１５】
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。
【請求項１６】
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。
【請求項１７】
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。
【請求項１８】
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。
【請求項１９】
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。
【請求項２０】
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。
【請求項２１】
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。
【請求項２２】
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。
【請求項２３】
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。
【請求項２４】
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。
【請求項２５】
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。
【請求項２６】
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。
【請求項２７】
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。
【請求項２８】
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。
【請求項２９】
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。
【請求項３０】
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。
【請求項３１】
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。
【請求項３２】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される主題は、水素提供用の電気化学システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は、燃焼用の燃料、化学反応物としてを含め、様々な用途において、また様々な種類の材料表面処理のためなど、還元環境が必要とされる状況において、広く使用される。水素は天然ガスの改質によって工業的規模で生産されているが、その水素の必要性によって大規模な工業的水素生産が正当化されない前述のような水素の商業的使用者のための慣習的なアプローチでは、単に現場で水素貯蔵システムが維持され、金属熱処理などのプロセスにフレッシュな水素が提供される。しかし、純粋な水素の効果的な貯蔵は費用が掛かったり複雑である場合があり、高圧及び／又は低温が求められる。水を水素及び酸素のガスへと分離するＰＥＭ電解セルスタックの使用を通じた現場での水素生産により、商業的生産者から水素を購入して貯蔵することの代替案が提供される。しかし、ＰＥＭ電気分解を通じた水素の生産に関連した電気費用は著しくなり得る。これに加えて、このような現場型のＰＥＭ電解システムは、ピーク負荷要求に対処するようにサイズを決められる必要がある（しばしば、システムのサイズが通常時の要求負荷と比較して大きい必要がある）か、水素貯蔵システムがピーク負荷状況において利用できる余分な水素を有する必要があり、それらの両方が、水素提供の費用及び難しさを著しく増加させる。
【０００３】
したがって、既存の水素システムはその所期の目的に適するものの、改良の必要性が残る。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】本発明の一例の実施形態による、水素提供用システムの概略図。
【図２】本発明の実施形態による、水素提供用システムを動作させるための概略的なフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
本発明の一態様にしたがって、水素提供用システムは第１の電気化学セル又はセルスタックを備える。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、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、水素を含む第１ガス用の入口と、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備え、電気化学セルスタックを動作させる方法が提供される。システムは、また、第２の電気化学セル又はセルスタックを備える。第２の電気化学セル又はセルスタックは、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、第２の膜電極アセンブリと流体連通する水入口と、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とを備える。
【０００６】
これに加えて、システムは、水素要求信号を受け取るように構成されている、第１の電気化学セル又はセルスタック及び第２の電気化学セル又はセルスタックと通信する（例えば、電子信号を介して）制御装置を備える。制御装置は、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るとき、制御装置が、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、水素要求信号と第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、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ように、さらに構成されている。本明細書において、第１ガスに関する用語
「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。
【０００７】
本発明の別の態様では、水素提供の方法は、水素要求信号を受け取る工程と、水素量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において水素を提供するために、その第１の電気化学セル又はセルスタックを動作させる工程と、水素要求信号と第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、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を含む。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とき、水素を提供するために第２の電気化学セル又はセルスタックを動作させる。
【０００８】
本発明と見なされる主題は、本明細書の結論である特許請求の範囲において特に挙げられ、明確に請求される。前述の特徴、他の特徴及び本発明の利点は、添付の図面と共に後述の詳細な説明から明白である。
【０００９】
詳細な説明は、例えば図面を参照することによって、利点及び特徴と併せて本発明の実施形態を説明する。
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。
【００１０】
動作時には、第１の電気化学セル２０は、第１ガスの入口６０において、水素を含む第１ガスの流れを受け取る。第１ガスは、使用済みのプロセスガスの再利用ストリームにおいてなど、１つ以上の他のガス成分（例えば、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素）を含んでもよく、純粋又は実質的に純粋（プロセス仕様において）な水素（例えば、未使用のプロセス水素ストリームからの再循環ストリーム）であってもよい。第１の電気化学セル２０は、電気化学セルを通じて印加される電流によってアノードの側からカソードの側へＭＥＡを通じて水素イオン（プロトン）が駆動される一方、第１ガス中の他の成分がＭＥＡのアノードの側に残る分離装置として動作する。水素含有第１ガスの源の一例は、導管６４を通じてシステム・ブロア６６（第１ガスを第１ガスの入口へ送る）へ流れる、水素雰囲気熱処理プロセス６２からの排出ガスであるが、前述されるように、未使用のプロセス水素用の水素再循環ラインであってもよい。水素はイオン化されてＭＥＡを通過し、導管６８を通じて第１の電気化学セル２０のアノードの側を出る、水素の減少したガスが残る。導管６８において、この水素の減少したガスは放出されてもよく、さらなるプロセスの対象とされてもよい。ＭＥＡを通過するプロトンは、カソード２４において電子と結合し、
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。
【００１１】
第２の電気化学セル又はセルスタックは、プロトン交換膜４２を有する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を備える。プロトン交換膜４２の両側には、アノード４３及びカソード４４が配置されている。アノードの側の流れ場構造４５とカソードの側の流れ場構造４６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３５は、電気接続３６及び３７を通じてそれぞれアノード４３及びカソード４４へ電気的に接続される。水源３２は、プロトン交換膜４２を水和するために、水循環ライン５２を通じてカソードの側の流れ場構造４６に水を提供する。水源３２は、第２の電気化学セルによって生産される気体の水素が送達の途中でバブリングされる液体媒体を提供する。水源５４は、水循環ライン５６を通じてアノードの側の流れ場構造４５へ水を提供して、電解用のフィード水を提供し、プロトン交換膜４２を水和し、第２の電気化学によって生産される気体の酸素がそのコレクタ又は放出までの途中でバブリングされる液体媒体を提供する。水源３２，５４の構成は一例の実施形態を表していること、また、水源５４から第２の電気化学セル又はセルスタックのアノードの側に代えてカソードの側への一次水フィードなど、他の構成及び流れの経路も使用できることが留意される。
【００１２】
動作中、第２の電気化学セル４０は、ＰＥＭ電解装置として動作し、水入口５７において水の流れを受け取る。この水は、水素及び酸素を生じるように電気分解される。水素はイオン化されてＭＥＡを通過し、導管５８を通じて出る酸素が残る。導管５８において、この酸素は水源５４を通じてバブリングされる。ＭＥＡを通過するプロトンは、カソード４４において電子と結合し、出口４７を通過する水素を提供する。出口４７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。
【００１３】
プロトン交換膜２２，４２は、電気化学セルの動作条件下において固体である電解質を含み得る。膜２２，４２を製造することができる有用な材料は、プロトン伝導アイオノマー及びイオン交換樹脂を含む。プロトン伝導材料として有用なイオン交換樹脂は、炭化水素タイプ樹脂及びフルオロカーボン・タイプ樹脂を含む。フルオロカーボン・タイプ樹脂は、通常、ハロゲンによる酸化、強酸、及び塩基に対し、優れた抵抗を示す。スルホン酸基の機能を有するフルオロカーボン・タイプ樹脂の１つの族は、ナフィオン（登録商標）樹脂（デラウェア州ウィルミントンのイー・アイ・デュポン・ド・ヌムール・アンド・カンパニーから商業的に利用可能）である。
【００１４】
アノード２３，４３及びカソード２４，４４は、必要とされる電気化学反応（例えば、水素ガスの解離）を行うのに適した触媒材料から製造されることができる。適した触媒材料は、白金、パラジウム、ロジウム、炭素、金、タンタル、タングステン、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、及びそれらの合金などと、以上の材料の組み合わせとを含むが、それらに限定されない。アノード２３，４３及びカソード２４，４４は、それらのそれぞれのプロトン交換膜２２，５２に近接して、好ましくは接触するように配置され、多孔質基材上に吸着される個々の触媒粒子を備える構造によって形成されることが可能である。基材上への触媒粒子の付着は、吹付、浸漬、塗布、吸収、蒸着、及び以上の方法の組み合わせなどを含む任意の方法によるものであってよいが、これらに限定されない。これに代えて、触媒粒子は、プロトン交換膜２２，４２の対向する側上に又はサポート部材上に直接配置されてもよい。
【００１５】
図示を容易にするために、第１の電気化学セル又はセルスタック及び第２の電気化学セル又はセルスタックは、図１では、各々単一のセルとして示されている。図１に示されるシステムが、第１の電気化学セル２０の代わりに第１のセルスタックを、第２の電気化学セル４０の代わりに第２のセルスタックを有してもよいことが、当然ながら理解される。個別の電気化学セルは、１つのスタックにおける複数のモジュールとして構成されてよく、それらのモジュールは、スタックにおける電流の流れを提供するように流れ場構造とセル間の電気接続とを提供可能なインタコネクトによって分離される。通常、ＰＥＭ電解装置スタックにおけるセル同士は電気的に直列に接続され、流体の流れは、スタックの入口及び出口と流体連通しているヘッダ流路によってスタックに分配される、又はスタックから集められる。複数の電気化学セル又はセルスタックの各々が、本技術分野において知られるような、さらなる構成要素を含んでよいことが認められる。それらの追加の構成要素は、例えば、ガス拡散層及び電流コレクタなどを含み得る。
【００１６】
システムは、また、第１の電気化学セル２０及び第２の電気化学セル４０（詳細には電源２８，３５）、並びにバルブ７５など他のプロセス制御構成要素と通信する（例えば、電気信号を介して）制御装置７０を備える。バルブ７５は、プロトン交換膜２２，５２を通じるプロトン・フラックスによって水源５４から水源３２へ移された水を補償するべく、水源３２から水源５４の水へ水を移すように開放されることができる。この制御装置は、水素要求信号や、第１の電気化学入口６８において第１ガスが利用できるという情報（圧力センサからなど）と、第１の電気化学セルによって生成される水素ガスの量又は圧力とのうちの少なくとも一方など他の入力を受け取るように構成される（例えば、ハードウェア及び／又はソフトウェア・プログラミングを通じて）。水素要求信号を生成するための基準は、図１の水素雰囲気熱処理プロセスなど実行されている水素消費動作の特定の必要に依存して異なる。一部の例示の実施形態では、第１の電気化学セルは、アノード及びカソードにわたって印加される固定の、すなわち、一定な電圧を有する。フィード・ストリーム中に水素が存在しない場合には電流は流れないので、第１の電気化学セルの電力消費及び動作は、比較的、自己調節的である。Ｈ２要求の残部は、少なくとも部分的には、第１の電気化学セルの総セル・アンペアを測定して第１の電気化学セルが最大容量で動作するときを判定することによって判定され、第２のセルによって埋め合わされる。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十分な量で利用できないとき、制御装置は、電源３５にアノード４４及びカソード４３にわたる電位を印加させることによって、また他のプロセス器材（例えば、ポンプ、バルブ、コンプレッサ６６など）に水入口５７への水フィードを提供させ、プロセス使用（例えば、水素雰囲気熱処理プロセス６２）のための水素を送らせることによって、第２の電気化学セル又はセルスタックを動作させる。
【００１７】
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るとき、制御装置は、電源２８にアノード２４及びカソード２３にわたる電位を印加させることによって、また他のプロセス器材に入口６０への第１ガスのフィードを提供させ、プロセス使用のための水素を送らせることによって、第１の電気化学セル又はセルスタック２０を一次水素源として動作させる。この動作モードでは、制御装置は、水素要求信号及び／又は第１の電気化学セル２０の水素出力に基づいて、第２の電気化学セル４０を二次水素源として制御可能に動作させる。一部の実施形態では、「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る」及び「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」は、指定される最大電流（その指定される値は、当然、動作条件に依存する場合がある）で第１の電気化学セル又はスタックが動作させられる一方、第２の電気化学セル又はセルスタックが、水素要求信号及び／又は第１の電気化学セル又はスタックの水素出力に基づいて可変の出力で動作させられることを意味する。一部の実施形態では、第１の電気化学セルスタックの水素出力は、例えば、ライン３４の圧力を測定することによって、明示的に得ることができる。
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。
【００１８】
第２の電気化学セル又はセルスタックの二次水素源としての動作は、多岐にわたる方法で実行されることができる。例えば、一部の実施形態では、制御装置は、第１ガスが利用できるとき、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、水素要求信号と第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、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。一部の実施形態では、制御装置は、第１ガスが利用できるとき、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、水素要求信号と第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、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る。一部の実施形態では、第２の電気化学セル又はスタックへ印加される電流は、切り換えられるとともに可変とされてよい。
【００１９】
第２の電気化学セル又はスタックが切り換えられる簡略なプロセス制御方式１００のフローチャートが、図２に示されている。図２に示されるように、システム・スタートアップ１０５の後、プロセス１００は、水素要求信号がゼロより大きいか否かを判定するクエリ・ブロック１１０へ進行する。クエリの結果が「いいえ」の場合、プロセス制御はブロック１１５に進む。ブロック１１５では、第１のセル／スタック及び第２のセル／スタックはオフ（又は待機）状態に置かれる。プロセス制御はクエリ・ブロック１１０へループして戻る。クエリ・ブロック１１０からの結果が「はい」の場合、次いでプロセス制御はクエリ・ブロック１２０へ進行する。クエリ・ブロック１２０では、水素を含む第１ガスが第１の電気化学セル／スタックへ送り込まれるのに利用できるか否かが判定される。クエリ・ブロック１２０からの結果が「いいえ」の場合、プロセス制御はブロック１２５へ進行する。ブロック１２５では、第１のセル／スタックはオフ（又は待機）状態に置かれ、第２のセル／スタックはオン状態に置かれる。プロセス制御はクエリ・ブロック１１０へループして戻る。クエリ・ブロック１２０からの結果が「はい」の場合、次いでプロセス制御はクエリ・ブロック１３０へ進行する。クエリ・ブロック１３０では、水素要求信号と第１の電気化学セル／スタックの水素出力とのうちの一方又は両方が、水素を含む第１ガスが第１の電気化学セル／スタックへ送り込まれるのに利用できる、第２の、起動のレベルにあるか否かが判定される。この判定を行うために使用される特定の基準（すなわち、信号レベル）は、当然、プロセス設計及び要件の詳細に依存して異なるが、しかしながら、一般に、第１の電気化学セル／スタックの水素出力が水素要求を満たすのに十分でないときに第２の電気化学セル／スタックが起動されるように指定される。クエリ・ブロック１３０からの結果が「いいえ」の場合、プロセス制御はブロック１３５へ進行する。ブロック１３５では、第１のセル／スタックはオン状態に置かれ、第２のセル／スタックはオフ（又は待機）状態に置かれる。クエリ・ブロック１３０からの結果が「はい」の場合、次いでプロセス制御はブロック１４０へ進行する。ブロック１４０では、第１のセル／スタック及び第２のセル／スタックの両方がオン状態に置かれる。
【００２０】
本明細書で記述される実施形態の例では、従来の購入された水素の貯蔵又は現場型のＰＥＭ電解水素システムよりも著しく低い費用で水素を提供できる。これに加えて、水素雰囲気熱処理プロセスなどのプロセスからのより高レベルの水素要求によって、より高レベルの水素を含有する第１ガスが生産され、これに伴って第１の電気化学セル／スタックからより高レベルの水素が生産されるので、前述のような現場型の電解水素システムが直面するピーク負荷におけるサイズの問題は軽減される。このような第１の電気化学セル／スタックからのより高レベルの水素の生産によって、従来の現場型のＰＥＭ電解水素システムにおいてＰＥＭ電解装置からの水素生産を補うためにしばしば求められる多量の補充水
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。
【００２１】
当然ながら、前述の通り、図１に示したシステムは例示的なものであり、本発明によるシステムは、様々な他の構成要素を備えることができる。例えば、追加の容量を提供するために、複数の第１のスタックが並列に配置されてもよく、複数の第２のスタックが並列に配置されてもよく、その両方であってもよい。より高い水素圧の出力及び／又は純度を提供するために、複数の第１のスタックが直列に配置されてもよく、複数の第２のスタックが直列に配置されてもよく、その両方であってもよい。また、実際の物理的な電気化学セル又はスタックは、動作パラメータに応じて、第１の電気化学セル又はスタックの機能（すなわち、水素濃縮）を行うことと、第２の電気化学セル又はスタックの機能（すなわち、電気分解）を行うこととの間で切り換えられてよい。例えば、水素は、他の場合には電解セル又はスタックとして機能する電気化学セル又はスタックへ、断続的に送り込まれてもよい。一部の実施形態では、ＰＥＭ電解コンプレッサは従来のコンプレッサ６６の代わりに使用されてよく、第１の電気化学セル／スタック２０及び第２の電気化学セル／スタック４０のうちの一方又は両方は、付属のコンプレッサ６６が不要となるように、所望の圧力を提供するＰＥＭコンプレッサの機能を備えるように構成されることができる。また、前述の通り、導管６５の下流の水素貯蔵バッファは、システム中に備えられてもよく、システム外の水素消費プロセスの一部分として備えられてもよい。本技術分野の範囲内で他の変更及び／又は追加が加えられてよい。
【００２２】
本発明が限られた数の実施形態のみに関して詳細に記述される一方で、本発明はこれらの開示されている実施形態に限定されていないことが、容易に理解されるだろう。むしろ、本発明では、これまでに記述されていない任意の数の変化、交替、置換又は同等の並べ替えが行われてよいが、本発明の精神と範囲を超えない。これに加えて、本発明の様々な実施形態が記述された一方で、本発明の態様は記述された実施形態の一部のみを備えてもよいことが理解される。したがって、本発明は前述の記述によって限定されることはなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図１】
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【図２】
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