(57)【要約】  本発明は、複数の電気分解セル（１０）を有する電気分解装置（２）用の電気分解スタック（６）と、電気分解装置（２）と、このような電気分解装置（２）およびこの電気分解装置に接続される再生可能エネルギ源（３）を有するエネルギ供給システム（１）とに関する。本発明では、電気分解装置（２）の電気分解スタック（６）は、複数のセグメント（１３）に電気的に分割され、前記セグメント（１３）は、それぞれ所定の個数の電気分解セル（１０）を有し、かつ、スイッチ手段（１１）を使用して電気的に短絡可能であり、および／または、スイッチ手段（７）により、電気分解装置（２）の１つのストリング（１２）に直列接続された複数の電気分解スタック（６）のうちの１つまたは複数の電気分解スタック（６）が電気的に短絡可能であり、および／または、スイッチ手段（９）により、電気分解装置（２）の１つまたは複数のストリング（１２）が電気的に短絡可能であり、この電気分解装置（２）は、直列接続された電気分解スタック（６）をそれぞれ複数有しかつ並列接続された複数のストリング（１２）を有する。
2016518519.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電気分解セル（１０）を有する電気分解スタック（６）において、
前記電気分解スタック（６）は、複数のセグメント（１３）に電気的に分割され、
前記セグメント（１３）は、それぞれ所定の個数の電気分解セル（１０）を有し、かつ、スイッチ手段（１１）を使用して電気的に短絡可能である、
ことを特徴とする電気分解スタック（６）。
【請求項２】
前記セグメンテーション（１３）は、複数の電流取り出しプレート（１４）を前記電気分解スタック（６）に入れることによって、および／または、前記電気分解スタック（６）の複数の電極プレート（１５）に、特にバイポーラプレート（１５）に複数の線路端子を取り付けることによって行われる、
請求項１に記載の電気分解スタック（６）。
【請求項３】
前記セグメント（１３）内の前記電気分解セル（１０）の個数はそれぞれ異なる、
請求項１から２までのいずれか１項に記載の電気分解スタック（６）。
【請求項４】
前記電気分解セル（１０）の個数は、数列を構成し、特に以下の式
ａ×(２x)
（ただしａ＝自然数、ｘ＝セグメント（１０）の番号）にしたがって特定される、
請求項３に記載の電気分解スタック（６）。
【請求項５】
前記電気分解スタック（６）は、前記セグメンテーション（１３）を有するセグメンテーション領域（１６）と、非セグメンテーション（静的）領域（１７）とを有する、
請求項１から４までのいずれか１項に記載の電気分解スタック（６）。
【請求項６】
前記セグメンテーション領域（１６）には、前記電気分解スタック（６）の約１／４から１／３までが、特に約１／４または約１／３が含まれており、および／または、
前記非セグメンテーション領域（１７）には、前記電気分解スタック（６）の約２／３から３／４までが、特に約２／３または約３／４が含まれている、
請求項５に記載の電気分解スタック（６）。
【請求項７】
前記スイッチ手段（１１）は、パワー半導体に基づくスイッチ（１１）を、特に半導体スイッチ（１１）を有する、
請求項１から６までのいずれか１項に記載の電気分解スタック（６）。
【請求項８】
前記スイッチ（１１）は、前記セグメンテーション（１３）を行うセグメンテーション手段（１４）に、特に電気分解スタック（６）に入れられる電流取り出しプレート（１４）に、または電気分解セル（１０）の電極プレート（１５）に、または前記電極プレート（１５）に取り付けられる線路端子（１４）に熱的に接触接続している、
請求項７に記載の電気分解スタック（６）。
【請求項９】
前記電気分解スタック（６）は、約１００個から４００個までの、特に約２００個から３００個までの電気分解セル（１０）を有しており、
前記セグメント（１３）の前記電気分解セル（１０）はそれぞれ、特に２０Ｖと５０Ｖとの間の電圧によって動作可能である、
請求項１から８までのいずれか１項に記載の電気分解スタック（６）。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか１項に記載の少なくとも１つの電気分解スタック（６）を有する電気分解装置（２）、または、
並列および／または直列接続された複数の、請求項１から９までのいずれか１項に記載の電気分解スタック（６）を有する電気分解装置（２）。
【請求項１１】
少なくとも１つのストリング（１２）を形成するために直列接続された複数の電気分解スタック（６）を有する電気分解装置（２）において、
スイッチ手段（７）を有しており、
当該スイッチ手段（７）を使用して、前記少なくとも１つのストリング（１２）を形成するために直列接続された前記複数の電気分解スタック（６）のうちの１つまたは複数の電気分解スタック（６）を電気的に短絡可能である、
ことを特徴とする電気分解装置（２）。
【請求項１２】
直列接続された複数の電気分解スタック（６）をそれぞれ並列接続した複数のストリング（１２）を有する電気分解装置（２）において、
スイッチ手段（９）を有しており、
当該スイッチ手段（９）を使用して前記並列接続された複数のストリング（１２）のうちの１つまたは複数のストリング（１２）が電気的にオン・オフ可能である、
ことを特徴とする電気分解装置（２）。
【請求項１３】
少なくとも１つの前記電気分解スタック（６）は、請求項１から９までのうちの少なくとも１項にしたがって構成されているか、または請求項１１または１２にしたがって構成されている、
請求項１１または１２に記載の電気分解装置（２）。
【請求項１４】
少なくともいくつかの前記電気分解スタック（６）の動作時間を検出するための検出ユニット（１８）を有しており、および／または、
前記スイッチ手段（７，９，１１）を制御するための制御ユニット（８）を有しており、
当該制御ユニットは特に、前記制御が、当該制御ユニット（８）により、前記電力に関する測定データに基づいて、および／または、前記検出した動作時間に依存して行われるように構成されている、
請求項１１または１２または１３に記載の電気分解装置（２）。
【請求項１５】
再生可能エネルギ源（３）と、当該再生可能エネルギ源（３）に接続されている、請求項１０から１４までの少なくとも１項に記載の電気分解装置（２）とを有するエネルギ供給システム（１）において、
特に前記再生可能エネルギ源（３）は、太陽光発電設備または風力エネルギ設備である、
ことを特徴とするエネルギ供給システム（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電気分解セルを有する電気分解装置用の電気分解スタックと、電気分解装置と、このような電気分解装置およびこの電気分解装置に接続された再生可能エネルギ源を有するエネルギ供給システムとに関する。
【０００２】
電気分解装置は、http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrolyseur（２０１３年７月１５日時点で入手可能）から公知であり、また電気を用いて化学変化（電気分解）を生じさせる装置のことである。種々異なる電気分解が多数あることに相応して、例えば、水素電気分解用の電気分解装置のような多数の電気分解装置も存在する。
【０００３】
水素電気分解用のこのような電気分解装置（アルカリ性電気分解装置または酸性もしくはＰＥＭ電気分解装置が公知である）では、水が水素と酸素とに分解される。
【０００４】
最新の研究（http://de.wikipedia.org/wiki/EE-Gas，２０１３年７月１５日時点で入手可能）では、太陽発電または風力発電が相応の設備において平均を上回る時のように、再生可能エネルギ源からの過剰なエネルギによって電気分解装置を作動させて、例えばいわゆるＥＥ Gas（Elektrische Energie zu Gas: Power-to-Gas）を製造するまでになっている。
【０００５】
ここでは上記のような再生可能エネルギ源に接続されている（水素電気分解）電気分解装置は、そのエネルギを用いてまず水素を製造する。この水素は引き続いてサバティエプロセスにおいて二酸化炭素と共にメタンを製造するのに使用される。このメタンはつぎに、例えば既存の天然ガス網に供給され、これによって蓄積および消費者へのエネルギの輸送が可能になり、また電力網の負荷が軽減される。これとは択一的に、（水素電気分解）電気分解装置によって形成した水素は、例えば燃料電池用に直接再利用することも可能である。
【０００６】
電気分解装置は一般的に、直列接続される複数の電気分解セルから構成され、これらの電気分解セルは１つの電気分解スタックにまとめられるか、またはそれぞれ、直列または並列接続された複数の電気分解スタックにまとめられる。ここでは電気分解セルの個数およびタイプならびにその接続により、電気分解装置の固有の（Ｕ−Ｉ−）特性曲線が決定される。
【０００７】
電気分解セルそれ自体はアノードとカソードから構成される。アルカリ性電気分解セルの場合、アノードとカソードとの間には、一般的には苛性カリ液である電解質およびセパレータが設けられている。ＰＥＭ電気分解セルの場合、アノードとカソードとの間にはガス気密のポリマ電解質薄膜が設けられている。
【０００８】
動作のため、電気分解装置には直流電圧が必要である。
【０００９】
このため、交流電圧網または三相交流網を介して電気分解装置にエネルギを供給する際には、変換器を使用しなければならない。この変換器を用いれば、直流電圧の高さを制御し、またこれによって電気分解装置の動作点をその特性曲線に相応して調整することができる。
【００１０】
再生可能エネルギ源によって電気分解装置に電気エネルギを供給する際には、すなわち、この際には電気分解装置および再生可能エネルギ源は、共通の直流電圧線路を介して互いに接続される際には、制御手段として変換器を使用しなくても電気分解装置を動作させることができる。
【００１１】
例えば電気分解装置は、（共通の直流電圧線路を介して）太陽光発電所（ＰＶフィールド）の直流供給部に直接接続することができ、すなわち、互いに接続されたＰＶモジュールからなるＰＶ発電機に直接接続することでき、その際には（この場合には）ソーラインバータを介する送電網との接続を設ける必要がないのである。
【００１２】
電気分解装置が共通の直流電圧線路を介して、再生可能エネルギ源／直流電圧源に、例えばＰＶフィールド（（以下では略して単に風力エネルギ装置と称する）風力エネルギ装置の直流発電機も可能である）に接続される場合、上記の共通の直流電圧線路に、再生可能エネルギ源および電気分解装置の共通の動作点が設定される。
【００１３】
（２つをまとめて以下では単にエネルギ供給システムとも称する）電気分解装置および再生可能エネルギ源／ＰＶフィールド／風力エネルギ設備の上記の共通の動作点は、図１に示したように、この再生可能エネルギ源／ＰＶフィールドの（固有の）Ｉ・Ｕ特性曲線（実線の曲線、電流Ｉおよび電圧Ｕ，以下では略して単に特性曲線とも称される）と、電気分解装置のＩ・Ｕ特性曲線（破線の曲線、電流Ｉおよび電圧Ｕ）との交点である。
【００１４】
ＰＶフィールドまたは風力エネルギ設備のような再生可能エネルギ源の上記の特性曲線は確定しておらず、（周囲）パラメタによって影響を受ける。例えば、ＰＶフィールドの特性曲線は、ＰＶフィールドに太陽が射し込む強さと、ＰＶフィールドにおける周囲温度と、ＰＶフィールドが稼働されるＰＶセル面積と、ＰＶフィールドにおける経年変化とに依存するのである。
【００１５】
上記の特性曲線に影響を及ぼす、対応する周囲パラメタは、例えば風力エネルギ設備における風力のように、別の再生可能エネルギ源においても公知である。
【００１６】
図１にさらに示されているように、（この場合の）ＰＶフィールドの特性曲線は、１つの点、いわゆるＭＰＰ（maximum power point）を有し、この点ではこのＰＶフィールドまたは再生可能エネルギ源によって最大の電力歩留まりが得られる（「最大電力点」）。このＭＰＰも周囲パラメタが変化すると共に移動する。
【００１７】
（可能なかぎりの最大の電力歩留まりを得るため）再生可能エネルギ源を（周囲パラメタの変化の下で変化する）そのＭＰＰの領域で動作させるようにことは努力に値にする。簡単にいうと、動作点とＭＰＰとをできるだけ一致させるべきである。
【００１８】
再生可能エネルギ源が直流電圧線路を介して電気分解装置に接続され、これによって直流電圧線路を介して、再生可能エネルギ源および電気分解装置の共通の動作点が（２つの特性曲線の共通の交点として）設定される場合、ここでも望ましいのは、上記の共通の動作点が、再生可能エネルギ源の（変化する）ＭＰＰの領域内にあり、（したがってこのエネルギ源の最大電力点の領域に）あるようにすることである。
【００１９】
再生可能エネルギ源および電気分解装置の、またはエネルギ供給システムの最適な動作に対する上記の共通の動作点の対応する調節もしくは調整は、公知のようにＤＣ・ＤＣコントローラによって行うことができる。しかしながらここでの欠点は、このようなＤＣ・ＤＣコントローラには大きなコストがかかり、またこのコントローラが故障し易いか、または、故障し易い可能性があることである。
【００２０】
したがって本発明の課題は、従来技術の欠点を克服する電気分解装置を提案することである。特に本発明は、上述したタイプのエネルギ供給システムにおいて、関連する電気分解装置の動作が可能な限り、再生可能エネルギ源のＭＰＰの近傍で行われることを可能にすることである。
【００２１】
この課題は、各独立請求項に記載された特徴的構成を有する、複数の電気分解セルを有する電気分解装置用の電気分解スタックと、電気分解装置と、このような電気分解装置およびこの電気分解装置に接続されている再生可能エネルギ源を有するエネルギ供給システムとによって解決される。
【００２２】
複数の電気分解セルを有する本発明の電気分解スタックにおいて提案されるのは、この電気分解スタックが、それぞれ所定の個数の電気分解セルを含みかつスイッチ手段を使用して電気的に短絡可能な複数のセグメントに電気的に分割されることである（（スイッチ可能な）セグメンテーションされた電気分解スタック）。
【００２３】
本発明による電気分解装置では、少なくとも１つの上記のような（短絡可能なセグメントを有する）電気分解スタックが設けられている（（スイッチ可能な）セグメンテーションされた電気分解スタックを有する電気分解装置）。
【００２４】
上記の電気分解装置において、それぞれ短絡可能な複数のセグメントを有する上記のような複数の電気分解スタックを設けることも可能である。この場合にはこれらの電気分解スタックは、互いに並列に、および／または、直列に接続／配線することが可能である（（スイッチ可能な）セグメンテーションされた電気分解スタックを有する電気分解装置）。
【００２５】
本発明による別の電気分解装置では、複数の電気分解スタックが少なくとも１つのストリングに直列接続されるようにする。さらにこの場合にここでは、複数のスイッチ手段が設けられ、これらのスイッチ手段を使用して、少なくとも１つのストリングを形成するために直列接続された電気分解スタックのうちの１つを、または、少なくとも１つのストリングを形成するために直列接続された電気分解スタックのうちの複数を電気的に短絡可能である（「スイッチ可能な電気分解スタックを有する電気分解装置」）。
【００２６】
本発明による別の電気分解装置では、直列接続される複数の電気分解スタックをそれぞれ有する複数のストリングが並列接続される。さらにこの場合にここでは、複数のスイッチ手段が設けられており、これらのスイッチ手段を使用することにより、上記の複数のストリングのうちの１つまたはこれらのストリングのうちの複数は、（電気的に）オン／オフ可能である（スイッチ可能なストリングを有する電気分解装置）。
【００２７】
「スイッチ可能な電気分解スタックを有する電気分解装置」および「スイッチ可能なストリングを有する電気分解装置」は組み合わせて電気分解装置におけるマトリクス構造にすることが可能である。個々の、複数のまたはすべての電気分解スタックは、「（スイッチ可能な）セグメンテーションされた電気分解スタック」として構成することも可能である。
【００２８】
本発明によるエネルギ供給システムでは、本発明による電気分解装置が、太陽光発電設備または風力エネルギ設備のような再生可能エネルギ源に接続されるようにする。
【００２９】
ここでは（エネルギ供給システムまたは電気分解装置を保護するため）電気分解装置またはその電気分解セルの個数を調節して、電気分解の最大動作電圧が、再生可能エネルギ源の最大電圧以上になるようにすることができる。
【００３０】
本発明のベースにある考察または共通の上位の独創的なアイデアは、電気分解装置の（Ｕ・Ｉ）特性曲線を所期のように変更または変化させることにより、その動作点／運転点を（所期のように）変化させ、ひいては（所期のように）調整できることである。
【００３１】
上記のように電気分解装置の特性曲線を変更可能／可変に構成または調整できる（性能適合化）場合、この構成または調整により、すなわち、電気分解装置の特性曲線を変更／調整することにより、またはその電力適合により、電気分解装置と、これに接続されかつこれを動作させるシステム、特に直流電圧を供給するエネルギ源、例えば再生可能エネルギ源とをつぎのように最適化して互いに調整する。すなわち、２つのシステムの共通の動作点を、電気分解装置に接続されかつこれを動作させるシステムの最大電力またはＭＰＰの領域内に在るようにする（電気分解装置の電圧／電気分解スタック電圧の調整と、電気分解装置を動作させるシステムの電圧とをマッチさせる、または電気分解装置を動作させるシステムのＭＰＰの領域における共通の動作点によって形成される「最適化されたシステムバランス」）、その際には、付加的な変換器、インバータおよび／またはＤＣ・ＤＣコントローラのようなこれに関連する電子装置は不要である。これによってコストおよび／またはエラーのリスクを最小化することができる。
【００３２】
電気分解装置の特性曲線の調整または電力適合化の際に本発明によって得られる上記のようなフレキシビリティと、これによって可能になる、電気分解装置と別のシステムとの最適化されたシステム調整とは、電気分解装置が、電気エネルギを供給するシステムによって作動され、例えば再生可能エネルギ源において、その特性曲線も同様に（特に周囲パラメタの変化によって）変化する場合に、特に有利であることが判明した。
【００３３】
本発明によるこの特性曲線の変更／変化／調整は、（簡単かつわかりやすくいうと）、つぎのようにして実現することができる。すなわち、電気分解装置の電気分解スタックが個々にスイッチ可能なセグメントを有しており、このようなセグメントを切り換えることにより、電気分解スタックが電気的に短絡可能であるかまたは電気的にブリッジ可能であることによって実現できるのである（（スイッチ可能に）セグメンテーションされた電気分解スタック）。
【００３４】
（対応するスイッチングによって）電気分解スタックの１つのセグメントにより、または、短絡された／ブリッジされた複数のセグメントにより、「アクティブな」電気分解セルの個数が変化すると、これによって電気分解装置の特性曲線も変化し、その動作点も変化する。言い換えると、電気分解スタック電圧を所期のように変化させることができるのである。
【００３５】
本発明による特性曲線の変更／変化／調整は、（同様に簡単かつわかりやすくいうと）つぎようにして実現することも可能である。すなわち、１つのストリングに直列接続される複数の電気分解スタックを有する電気分解装置において、これらの電気分解スタックのうちの１つまたは複数の電気分解スタックは、電気的に短絡可能であるかまたはブリッジ可能である（スイッチ可能な電気分解スタックを有する電気分解装置）。
【００３６】
（対応するスイッチングにより）上記のストリングの１つの電気分解スタックにより、または、短絡された／ブリッジされた複数の電気分解スタックにより、ここでも電気分解装置における「アクティブな」電気分解セルの個数が変化すると、これによってその特性曲線も変化し、その動作点も変化する。言い換えると、電気分解装置の電圧を所期のように変化させることができるのである。
【００３７】
さらに、本発明による上記の特性曲線の変更／変化／調整は、（ここでも簡単かつわかりやすくいうと）つぎのようにして実現することも可能である。すなわち、直列接続した複数の電気分解スタックをそれぞれ並列接続した複数のストリングを有する電気分解装置において、これらのストリングのうちの１つまたは複数は、電気的にオン／オフ可能である（「スイッチ可能なストリングを有する電気分解装置」／「ストリングのオン／オフ」）。
【００３８】
（対応するスイッチングによって）電気分解装置の１つのストリングにより、または、オン／オフされる複数のストリングにより、ここでも電気分解装置における「アクティブな」電気分解セルの個数が変化し、これにより、その特性曲線が変化し、またその動作点を変化する。言い換えると、電気分解装置の電圧を所期のように変化させることができるのである。
【００３９】
上記のように本発明によって極めて簡単に電気分解装置の特性曲線をフレキシブルに変更することができる場合、これによって極めて簡単かつフレキシブルに可能になるのは、電気分解装置と、電気分解装置を動作させる直流電圧を供給するエネルギ源とを（電気分解スタック／電気分解装置におけるスイッチ手段の対応するスイッチングにより）最適化して互いに調整することである。
【００４０】
この際に本発明により、特にＤＣ・ＤＣコントローラのような複雑かつ高価なパワー電子装置を省略することができ、これにより、例えば再生可能エネルギ設備（太陽光発電／風力発電設備）のようなエネルギ源のコスト的に有利なスタンドアローン動作を小型かつコンパクトに構成することができ、さらに上記の電気分解装置における上記の電気分解により、例えば水素のようなエネルギ担体を生じさせることができる。
【００４１】
本発明の有利な発展形態は、従属請求項から、および／または、以下の説明からも得られる。
【００４２】
上記のセグメントまたは電気分解スタックまたはストリングの電気的な（オン／オフ）スイッチングを実現してこれらを短絡／ブリッジ／オン・オフするため、有利にはパワー半導体に基づく、特に例えばＩＧＢＴである半導体スイッチに基づくスイッチを設けることができる。言い換えると、上記のスイッチ手段は有利には、特に半導体スイッチのようなパワー半導体に基づくスイッチとすることができる。このようなスイッチは、数多く試験され、標準化されており、またコスト的に有利である。
【００４３】
機械的なスイッチ、または、電気および機械式のスイッチの組み合わせも考えられる。
【００４４】
有利には上記の電気分解スタックにおけるセグメンテーションは、これらの電気分解スタックの電極プレートに、特に（場合によって変更した）十分な大きな横方向導電率を有するバイポーラプレートに線路端子を取り付けることによって行うことできる。特に有利であるのは、例えば電極プレートの横方向導電率が小さすぎる場合、電気分解スタックに電流取り出しプレートを入れることによって上記のセグメンテーションを行うことができる。
【００４５】
有利にはさらに、上記のスイッチ手段またはスイッチを、上記のセグメンテーションを行うセグメンテーション手段に、例えば電気分解スタックに入れられる電流取り出しプレートに、上記の電極プレートに、または電極プレートに取り付けられる線路端子に熱的に接触接続させるようにすることができる。この場合の上記のセグメンテーション手段は同時に、上記のスイッチ手段またはスイッチ用の冷却体として使用することが可能である。このようにして得られる電気分解スタックまたは電気分解装置はさらに、極めてコンパクトに構成される。
【００４６】
上記のセグメントの電気分解セルの個数がそれぞれ異なるようにすることも可能である。特に有利にはさらに、電気分解セルのこの個数が、例えば以下の式
ａ×(２x)
にしたがって数列をなすようにすることが可能である（ただし、ａ＝自然数、ｘ＝セグメントの番号）。これにより、セグメントの個数を最小化すると同時に電気分解スタックの電圧を極めてフレキシブルに適合させることができる。
【００４７】
例えばａ＝１およびｘ＝５を選択すると、２，４，８，１６および３２個の電気分解セルになるセグメントまたは電気分解セルグループのセグメンテーションが得られる。個々のセグメント／電気分解セルグループのスイッチングまたは短絡／ブリッジにより、全部で３２通りの異なる電圧値がこのセグメンテーションによって設定される。
【００４８】
上記の電気分解スタックが、（上記のセグメンテーションを有する）セグメンテーション化領域と、非セグメンテーション領域とを有するようにすることも可能である。
【００４９】
ここでは有利にはさらに、上記のセグメンテーション領域が、電気分解スタックの約１／４から１／３までが、特に電気分解スタックの約１／４または約１／３を含むようにすることができる。これに相応して有利には、電気分解スタックの非セグメンテーション／静的領域が、電気分解スタックの約２／３から３／４までを、特に約２／３または約３／４を含むようにすることも可能である。
【００５０】
さらに、上記の電気分解スタックが、約１００個から４００個までの、特にふつう行われているように約２００個から３００個までの電気分解セルを有するようにすることが可能である。
【００５１】
したがって、例えば２５０個の電気分解セルを有する（一般的な）電気分解スタックに対し、約４０個から８５個までの電気分解セルのセグメンテーション領域、または、約１６５個から２１０個までの電気分解セルの静的／非セグメンテーション領域が得られる。
【００５２】
例えば２５０個の電気分解セルおよび約２．２Ｖのセル電圧を有する（一般的な）電気分解スタックに対し、（セグメンテーション／静的領域を相応に定めれば）約３００Ｖから５５０Ｖまでの制御領域が得られる。
【００５３】
電気分解装置をセグメンテーション領域と非セグメンテーション領域とに分けることと合わせて（電気分解装置のセグメンテーション領域を）「不均一に」セグメンテーションすることにより、電気分解装置によって駆動されるエネルギ源の要求を最適に表すことができ、また電気分解装置およびエネルギ源からなる全体システムのステップ的な制御が行われる。
【００５４】
さらに、本発明にしたがって上記のようにセグメンテーションされた少なくとも１つの電気分解スタックを設けること、特に複数の電気分解スタック、特に並列接続されかつ本発明にしたがってセグメンテーションされた電気分解スタックと、特に並列接続されかつ非セグメンテーション電気分解スタックとが組み合わされた電気分解装置を設けることも可能である。
【００５５】
本発明にしたがってセグメンテーションされた電気分解スタックにおいて約１００個から４００個までの、特に２００個または３００個の電気分解セルを組み込むことが可能であり、これによって約３００Ｖと５５０Ｖとの間の（電圧）制御領域を実現できるのに対し、非セグメンテーション電気分解スタックでは、約１０個から２０個までの電気分解セルを組み込むのが有利である。この場合にはこの非セグメンテーション電気分解スタックは、２０Ｖと５０Ｖとの間の電圧で動作させることができる。
【００５６】
さらに上記の電気分解装置では、少なくともいくつかの電気分解スタックの動作時間を検出するための検出ユニットを設けることが可能である。
【００５７】
さらにこの検出ユニットは、有効電力またはこれに関連する測定データのような電力関連測定データを検出するために、例えば上記のエネルギ源のＤＣ電圧およびＤＣ電流または水素／電気分解セルの生産量を検出するために構成することができる。
【００５８】
上記の検出ユニットは、特にエネルギ源において、例えばＰＶ設備において光の差し込みまたは温度のような周囲環境パラメタを検出するように構成することも可能である。
【００５９】
さらに検出ユニットは、エネルギ源の特性曲線から目下のＭＰＰを求めるように構成することができる。
【００６０】
上記のスイッチ手段を制御するための、（したがってセグメント／電気分解スタック／ストリングを短絡／オン／オフまたはブリッジするための）制御ユニットを設けることも可能であり、この制御ユニットは特に、（スイッチ手段の）制御が、上記の電力に関連する測定データに基づいて、および／または、検出した動作時間および／または求めた目下のＭＰＰに依存して行われるように構成することができる。
【００６１】
特にこれにより、（検出した動作時間に基づいて）すべてまたはいくつかのセグメント／電気分解スタック／ストリングにわたって「均一に」短絡／オン／オフまたはブリッジをする、言い換えると、均一にアクティブ化することができ、これによって（コンポーネントを）均一に消耗させることができる。
【００６２】
これにより、電気分解装置の寿命を延ばすことができる。
【００６３】
特に有利には上記の電気分解装置は、アルカリ性電気分解装置であるかまたは酸性もしくはＰＥＭ電気分解装置である。この電気分解装置は、直流電圧を供給するあらゆるタイプのエネルギ源に直接接続することができる。特に有利にはこのエネルギ源は、再生可能／再生式エネルギ源である。
【００６４】
この再生可能エネルギ源は、特に有利には、再生式発電機、特に太陽光電池設備または風力発電設備である。
【００６５】
本発明の有利な実施形態のここまでの説明には、個別の従属請求項において部分的にいくつかにまとめて示した多くの特徴的構成が含まれている。しかしながら当業者は目的に応じて個別にこれらの特徴的構成を考察することができ、意味があれば別の複数の組み合わせにまとめることができる。
【００６６】
上で説明した本発明の特性、特徴および利点、ならびにこれらがどのようにして得られるかは、実施例の以下の説明に関連付ければ、一層明瞭かつ明白に理解可能である。これらの実施例を図に関連して詳しく説明する。
【００６７】
しかしながら本発明は、実施例に示した複数の特徴の組み合わせに限定されず、また機能的な複数の特徴的構成に関しても限定されない。したがってさらに各実施例の好適な複数の特徴的構成は、１つの実施例から取り出されて明示的に分けて考察することができ、別の１つの実施例にこれを補足するために組み込むことが可能である。
【００６８】
機能／構造が同じまたは同一の要素またはコンポーネントは、複数の実施例において同じ参照符号を有する。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】エネルギ源および電気分解装置の特性曲線を有するＩ・Ｕ線図である。
【図２】一実施例にしたがって電気分解装置の電気分解スタックを示す図である。
【図３】一実施例にしたがい、それぞれ複数の電気分解スタックを備えた複数のストリングを有する直接接続された電気分解装置と、再生可能エネルギ源とを有する等価回路図である。
【図４】エネルギ源の特性曲線と、電気分解スタックの直列接続を変更させた際の電気分解装置の複数の特性曲線とを有するＩ・Ｕ線図である。
【図５】エネルギ源の特性曲線と、複数のストリングの並列接続を変化させた際の電気分解装置の複数の特性曲線とを有するＩ・Ｕ線図である。
【００７０】
電気分解装置の（スイッチング可能に）セグメンテーションされた電気分解スタック（図２）
図２には、水素電気分解のための（この場合の）ＰＥＭ電気分解装置２（以下では略して単に電気分解装置２と称する）の複数の制御可能な電気分解スタック６のうちの１つが示されている。これらの複数の電気分解スタック６はそれぞれ同じに構成されており、かつ、互いに並列接続されている。
【００７１】
電気分解装置２は、この場合には太陽光発電設備または太陽光発電所（略してＰＶ設備またはＰＶフィールド）３である（図示しない）再生式エネルギ源３に直接接続されている。このエネルギ源３から電気分解装置２に（電気分解装置２に水素電気分解を生じさせる）直流電流が供給される。
【００７２】
複数の電気分解スタック６のそれぞれは、または、図２に示した１つの電気分解スタック６は、電気的に直列接続された多数の電気分解セル１０から、ここでは全部で２５０個の電気分解セル１０から構成されている。
【００７３】
電気分解装置２のすべての電気分解セル１０の総数は、この電気分解装置の最大動作電圧が、ＰＶフィールドの最大ＰＶ電圧以上になるように調整される。
【００７４】
ここで電気化学セル１０それ自体は、バイポーラプレート１５として形成されているアノードおよびカソードと、これらの間に配置されたポリマ電解質薄膜とから構成されている。
【００７５】
図２にさらに示されているように、電気分解スタック６は、束ねられた複数の電気分解セル１０を備えたセグメンテーション領域１６と、セグメンテーションされていない静的な領域１７とを有しており、セグメンテーション領域には、電気分解スタック６の約２５％が、すなわち電気分解スタック６のすべての電気分解セル１０の２５％が含まれている。
【００７６】
電気分解スタック６のセグメンテーション領域１６には、全部で５個のセグメント１３（電気分解セルグループ／電気分解セル束１３の）が構成されており、それらの各々のセグメントには、異なる個数の電気化学セル１０が束ねられている。
【００７７】
各セグメント１３における電気分解セル１０の個数は、以下の（一般的な）式による数列
ａ×(２x)
にしたがって定められ、（ただしａ＝自然数、ｘ＝セグメントの番号）、ここではａ＝１およびｘ＝５（すなわち５個のセグメント１３）が実現されている。
【００７８】
これにより、２，４，８，１６および３２個の電気分解セル１０に分かれた５個のセグメント１３または電気分解セルグループ／電気分解セル束１３のセグメンテーション１３が得られる。
【００７９】
電気分解スタック６のセグメンテーション領域１６の複数の電気分解セル１０の、（２，４，８，１６および３２個の電気分解セルを有する５つのセグメントへの）セグメンテーション１３は、複数の電流取り出しプレート１４に実現され、これらの電流取り出しプレートは、対応する箇所において電気分解スタック６に押し込まれている。
【００８０】
オン・オフが個別に制御可能でありかつそれぞれ電流取り出しプレート１２に直接取り付けられている、ここではＩＧＢＴである半導体スイッチ１１を用い、上記のセグメント１３は短絡可能／ブリッジ可能である。
【００８１】
２，４，８，１６および３２個の電気分解セル束１３を有する５つのセグメント１３へのセグメンテーション１３および２５０個の電気分解セル１０を有する電気分解スタック６において、例えば、約３００Ｖから５５０Ｖまでの制御／調整領域が得られる。
【００８２】
個々のセグメント１３または複数のセグメント１３を相応に制御してオン／オフまたは短絡／ブリッジすることにより、電気分解スタック６の「アクティブな」電気分解セル１０の個数を変化させ、これによって対応する電気分解スタック６の電圧を変化させ、ひいては結果的に電気分解装置２の電圧も図４の特性曲線ＫＬ−ＥＬにしたがって変化させることができ（特性曲線ＫＬ−ＥＬの変化／シフト）、これによってＰＶ電圧（ステップ的に）調整することができる。
【００８３】
すなわち、電気分解装置２を駆動するエネルギ源３の最大電力点（maximum power point）に向かって電気分解装置２の動作点を移動させることができるのである。
【００８４】
半導体スイッチ１１がそれぞれ電流取り出しプレート１４に直接取り付けられる場合、各電流取り出しプレート１４は同時に、半導体スイッチ１１のための冷却体として使用される。このようにして得られる結合体は、特にコンパクトであり、またここでは別のスイッチ冷却体は不要である。
【００８５】
スイッチ１１の制御、すなわちそのセグメント１３のブリッジまたは短絡を発生させるオン・オフは、（図示しない）制御ユニット８によって行われる。
【００８６】
スイッチング可能な電気分解スタックおよびスイッチング可能なストリングを有する電気分解装置（図３）
図３には、制御可能な電気分解装置２を有するエネルギ供給システム１の本発明による等価回路図が示されており、この電気分解装置は、ここでは太陽光発電所である再生可能なエネルギ源３に直接接続されており、またインバータ４を介して送電網５に接続されている。
【００８７】
電気分解装置２は、マトリクス状の多数の（この場合には１５個の並んで配置された電気分解セル１０を有する）電気分解スタック６から組み立てられており、複数の（直接接続された）電気分解スタック６は、ストリング１２を構成しており、複数のストリング１２は並列接続されている。
【００８８】
さらに１つの装置が、ここでは（種々異なるスイッチ７，９を有する）スイッチ装置が、設けられており、この装置を用いると、電気分解スタック６および／またはストリング１２のオン・オフにより、電気分解装置２の特性曲線（ＫＬ−ＥＬ）を変更可能である（図４および図５を参照されたい）。
【００８９】
このために電気分解スタック６のそれぞれ並列に１つのスイッチ７が接続されており、このスイッチは、制御ユニット８を介し、図３にしたがってオン・オフ可能であり、これによって各電気分解スタック６に対して平行に、バイパスが、すなわち電流に対する短絡またはブリッジが可能である。択一的には相前後して接続される複数の電気分解スタック６を１つのスイッチ７によってブリッジすることも可能である。
【００９０】
このようにして直列接続される電気分解スタック６の個数を変更し、ひいては関連するストリング１２の電圧を図４の特性曲線ＫＬ−ＥＬにしたがって変更することができ、これによって動作点を最大電力点ＭＰＰ（maximum power point）に向かって移動させることができる。
【００９１】
電流量の適合化を行うため、並列接続される複数のストリング１２の各々をスイッチ９によってオンおよび／またはオフすることができ、これにより、図５に示したように電気分解装置２用の変更可能な特性曲線ＫＬ−ＥＬを有する特性曲線が得られる。
【００９２】
これにより、動作時に電気分解装置２の特性曲線（ＫＬ−ＥＬ）を再生可能エネルギ３の実際の性曲線（ＫＬ−ＥＱ）に適合させ、これによって最大電力点ＭＰＰ（maximum power point）における、またはＭＰＰの領域における動作が可能になる。
【００９３】
例えば、太陽光発電所の光の陰りはその特性の変化に結び付き（図５の矢印ＰＦによって示される特性曲線ＫＬ−ＥＱの移動）、これに対しては、電気分解装置２の動作点を適合させることが、最大電力点ＭＰＰにおける動作に有利である。
【００９４】
制御ユニット８によるスイッチ装置の（スイッチ１１も含めた）スイッチ７，９の制御は、電力に関する測定データに基づいて行うことができる。
【００９５】
スイッチ装置の電気スイッチ７，９は（スイッチ１１も）、パワー半導体に基づいて、または、半導体スイッチによって実現することができる。
【００９６】
さらに検出ユニット１８により、オンおよび／またはオフ可能な少なくともいくつかの電気分解スタック６の動作時間を検出することができる。
【００９７】
これによって得られる利点は、可能な限り、動作時間の少ない電気分解スタック６を接続し、または、動作時間の多い電気分解スタック６を遮断することによって複数の電気分解スタック６の寿命を均一に利用することである。
【００９８】
有利な実施例によって本発明を詳細に述べて説明して来たが、本発明は、開示された例によって制限されず、また当業者は本発明の保護範囲を逸脱することなく、別の複数の変化形態をここから導き出すことができる。
【図１】
2016518519.tif 000003
【図２】
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【図３】
2016518519.tif 000005
【図４】
2016518519.tif 000006
【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年4月21日(2015.4.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電気分解セル（１０）を有する電気分解スタック（６）において、
前記電気分解スタック（６）は、複数のセグメント（１３）に電気的に分割され、
前記セグメント（１３）は、それぞれ所定の個数の電気分解セル（１０）を有し、かつ、スイッチ手段（１１）を使用して電気的に短絡可能であり、
セグメンテーション（１３）は、複数の電流取り出しプレート（１４）を前記電気分解スタック（６）に入れることによって形成され、かつ、
前記スイッチ手段（１１）は、前記セグメンテーション（１３）を行う前記電流取り出しプレート（１４）と熱的に接触接続している、
ことを特徴とする電気分解スタック（６）。
【請求項２】
前記セグメント（１３）内の前記電気分解セル（１０）の個数はそれぞれ異なる、
少なくとも請求項１に記載の電気分解スタック（６）。
【請求項３】
前記電気分解セル（１０）の個数は、数列を構成し、特に以下の式
ａ×(２x)
（ただしａ＝自然数、ｘ＝セグメント（１０）の番号）にしたがって特定される、
少なくとも請求項２に記載の電気分解スタック（６）。
【請求項４】
前記電気分解スタック（６）は、前記セグメンテーション（１３）を有するセグメンテーション領域（１６）と、非セグメンテーション（静的）領域（１７）とを有する、
請求項１から３までの少なくとも１項に記載の電気分解スタック（６）。
【請求項５】
前記セグメンテーション領域（１６）には、前記電気分解スタック（６）の約１／４から１／３までが、特に約１／４または約１／３が含まれており、および／または、
前記非セグメンテーション領域（１７）には、前記電気分解スタック（６）の約２／３から３／４までが、特に約２／３または約３／４が含まれている、
少なくとも請求項４に記載の電気分解スタック（６）。
【請求項６】
前記スイッチ手段（１１）は、パワー半導体に基づくスイッチ（１１）を、特に半導体スイッチ（１１）を有する、
請求項１から５までの少なくとも１項に記載の電気分解スタック（６）。
【請求項７】
前記電気分解スタック（６）は、約１００個から４００個までの、特に約２００個から３００個までの電気分解セル（１０）を有しており、
前記セグメント（１３）の前記電気分解セル（１０）はそれぞれ、特に２０Ｖと５０Ｖとの間の電圧によって動作可能である、
請求項１から６までの少なくとも１項に記載の電気分解スタック（６）。
【請求項８】
請求項１から７までの少なくとも１項に記載の少なくとも１つの電気分解スタック（６）を有する電気分解装置（２）、または、
並列および／または直列接続された複数の、請求項１から７までの少なくとも１項に記載の電気分解スタック（６）を有する電気分解装置（２）。
【請求項９】
少なくともいくつかの前記電気分解スタック（６）の動作時間を検出するための検出ユニット（１８）を有しており、および／または、
前記スイッチ手段（７，９，１１）を制御するための制御ユニット（８）を有しており、
当該制御ユニットは特に、前記制御が、当該制御ユニット（８）により、前記電力に関する測定データに基づいて、および／または、前記検出した動作時間に依存して行われるように構成されている、
少なくとも請求項８に記載の電気分解装置（２）。
【請求項１０】
再生可能エネルギ源（３）と、当該再生可能エネルギ源（３）に接続されている、請求項８から９までの少なくとも１項に記載の電気分解装置（２）とを有するエネルギ供給システム（１）において、
特に前記再生可能エネルギ源（３）は、太陽光発電設備または風力エネルギ設備である、
ことを特徴とするエネルギ供給システム（１）。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
再生可能エネルギ源および電気分解装置の、またはエネルギ供給システムの最適な動作に対する上記の共通の動作点の対応する調節もしくは調整は、公知のようにＤＣ・ＤＣコントローラによって行うことができる。しかしながらここでの欠点は、このようなＤＣ・ＤＣコントローラには大きなコストがかかり、またこのコントローラが故障し易いか、または、故障し易い可能性があることである。
米国特許出願公開第２０１１／２００８９９号明細書から、複数の電気分解セルを有する電気分解スタックが公知であり、この電気分解スタックは、複数の（個別）スタックに電気的に分割可能であり、これらの個別スタックは、それぞれ所定の個数の電気分解セルを含み、かつ、スイッチ手段を使用して電気的にスイッチング可能に分割され、機械的に区切られて独立している。
【国際調査報告】
2016518519.tif 000008
2016518519.tif 000009
2016518519.tif 000010
2016518519.tif 000011