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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-07-30
(54)【発明の名称】エネルギー生産システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04 20160101AFI20240723BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20240723BHJP
C25B 1/042 20210101ALI20240723BHJP
C25B 15/02 20210101ALI20240723BHJP
H01M 8/0656 20160101ALI20240723BHJP
H01M 8/04007 20160101ALI20240723BHJP
H01M 8/04537 20160101ALI20240723BHJP
H01M 8/04694 20160101ALI20240723BHJP
H01M 8/00 20160101ALI20240723BHJP
H01M 8/0606 20160101ALI20240723BHJP
C01C 1/04 20060101ALI20240723BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20240723BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04 Z
C25B9/00 A
C25B1/042
C25B15/02
H01M8/0656
H01M8/04007
H01M8/04537
H01M8/04694
H01M8/00 Z
H01M8/0606
C01C1/04 D
H01M8/12 101
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024522717
(86)(22)【出願日】2022-06-28
(85)【翻訳文提出日】2024-01-19
(86)【国際出願番号】 EP2022067762
(87)【国際公開番号】W WO2023275069
(87)【国際公開日】2023-01-05
(31)【優先権主張番号】21182145.9
(32)【優先日】2021-06-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】524001101
【氏名又は名称】フォトンサイクル アクティーゼルスカブ
【氏名又は名称原語表記】ＰＨＯＴＯＮＣＹＣＬＥ ＡＳ
(74)【代理人】
【識別番号】100105957
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100068755
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣
(74)【代理人】
【識別番号】100142907
【弁理士】
【氏名又は名称】本田 淳
(72)【発明者】
【氏名】ブランツェグ、ビョルン
(72)【発明者】
【氏名】ヴォレスタッド、エイナル
【テーマコード（参考）】
4K021
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021BA02
4K021DC11
5H126BB06
5H127AA07
5H127AB02
5H127AB11
5H127AB23
5H127AB27
5H127AB28
5H127AB29
5H127AC07
5H127BA01
5H127BA15
5H127BB02
5H127BB12
5H127BB37
5H127DB66
5H127DC50
(57)【要約】
本発明は、電力の貯蔵のためにアンモニアを利用するとともに、電力および熱の生成のためにアンモニアまたはＨ２を利用する、単身世帯による使用または小規模の商業用建物における使用に適した、分散型で小型のエネルギー生産システムを提供する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電力の貯蔵および生産のためにアンモニアを利用するエネルギー生産システム（１）であって、前記システムは、前記エネルギー生産システム（１）が電力貯蔵モードで動作するときに電気分解モードで電力によって水素を生成するとともに、前記生産システムが電力生産モードで動作するときに燃料電池モードでアンモニアから電力を生産するように適合された可逆電気化学セルシステム（２）と、
少なくとも９６％の純度のＮ２を得るように適合された空気分離器（３）であって、前記エネルギー生産システム（１）が電力貯蔵モードで動作するときにアンモニア合成反応器（６）にＮ２を提供するように配置された空気分離器（３）と、
触媒を含むアンモニア合成反応器（６）であって、前記エネルギー生産システム（１）が電力貯蔵モードで動作するときに、前記可逆電気化学セルシステム（２）からＨ２を受け取るとともに、前記空気分離器（３）からＮ２を受け取るように配置されたアンモニア合成反応器（６）と、
Ｎ２およびＨ２からアンモニアを分離する固体吸収材料を含むアンモニア分離反応器（７）であって、前記エネルギー生産システム（１）が電力貯蔵モードで動作するときに、前記アンモニア合成反応器（６）からアンモニアならびに未反応のＮ２およびＨ２を受け取るとともに、アンモニア貯蔵ユニット（８）にアンモニアを提供するように適合されたアンモニア分離反応器（７）と、
アンモニアを貯蔵するように適合された金属ハロゲン化物を含むアンモニア貯蔵ユニット（８）であって、前記エネルギー生産システム（１）が電力貯蔵モードで動作するときに前記アンモニア合成反応器（６）および／または前記アンモニア分離反応器（７）からアンモニアを受け取るように配置されるとともに、前記エネルギー生産システム（１）が電力生産モードで動作するときに前記可逆電気化学セルシステム（２）にアンモニアを提供するように配置された、アンモニア貯蔵ユニット（８）と、
前記エネルギー生産システム（１）において生成された熱を伝達するように適合された１つ以上の熱交換器（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇ）を備える熱伝達システムと、を備えるエネルギー生産システム。
【請求項2】
電力の貯蔵のためにアンモニアを利用するとともに、電力の生産のために水素を利用するエネルギー生産システム（１）であって、前記システムは、前記エネルギー生産システム（１）が電力貯蔵モードで動作するときに電気分解モードで電力によって水素を生成するとともに、前記生産システムが電力生産モードで動作するときに燃料電池モードで水素から電力を生産するように適合された可逆電気化学セルシステム（２）と、
少なくとも９６％の純度のＮ２を得るように適合された空気分離器（３）であって、前記エネルギー生産システム（１）が電力貯蔵モードで動作するときにアンモニア合成反応器（６）にＮ２を提供するように配置された空気分離器（３）と、
触媒を含むアンモニア合成およびアンモニア分解反応器であって、前記合成反応器は、前記エネルギー生産システム（１）が電力貯蔵モードで動作するときに、前記可逆電気化学セルシステム（２）からＨ２を受け取るとともに、前記空気分離器（３）からＮ２を受け取るように配置され、前記アンモニア分解器は、電力生産モードで前記アンモニアをＮ２およびＨ２に分解することで、前記可逆電気化学セルシステム（２）にＨ２ガス流を提供する、アンモニア合成およびアンモニア分解反応器と、
Ｎ２およびＨ２からアンモニアを分離する固体吸収材料を含むアンモニア分離反応器（７）であって、前記エネルギー生産システム（１）が電力貯蔵モードで動作するときに、前記アンモニア合成およびアンモニア分解反応器からアンモニアならびに未反応のＮ２およびＨ２を受け取るとともに、アンモニア貯蔵ユニット（８）にアンモニアを提供するように適合されたアンモニア分離反応器（７）と、
アンモニアを貯蔵するように適合された金属ハロゲン化物を含むアンモニア貯蔵ユニット（８）であって、前記エネルギー生産システム（１）が電力貯蔵モードで動作するときに前記アンモニア合成およびアンモニア分解反応器および／またはアンモニア分離反応器（７）からアンモニアを受け取るように配置されるとともに、前記エネルギー生産システム（１）が電力生産モードで動作するときに前記アンモニア合成およびアンモニア分解反応器にアンモニアを提供するように配置された、アンモニア貯蔵ユニット（８）と、
前記エネルギー生産システム（１）において生成された熱を伝達するように適合された１つ以上の熱交換器（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇ）を備える熱伝達システムと、を備えるエネルギー生産システム。
【請求項3】
前記可逆電気化学セルシステムは、４００℃～８００℃の温度範囲、好ましくは５５０℃～７５０℃の温度範囲で動作する、請求項１または２に記載のエネルギー生産システム。
【請求項4】
前記可逆電気化学セルシステムは、前記システムが電力生産モードで動作するとき、前記アンモニア分解器から提供される前記Ｈ２ガス流中の不純物を許容するように適合される、請求項２に記載のエネルギー生産システム。
【請求項5】
前記可逆電気化学セルシステムは、前記Ｈ２ガス流中の少なくとも０．１５％のアンモニア、例えば０．０５％～１％のアンモニアを許容するように適合される、請求項４に記載のエネルギー生産システム。
【請求項6】
前記可逆電気化学セルシステムは、Ｈ２分離圧縮の反応器（４）に接続されるか、またはＨ２分離圧縮の反応器（４）を備えるとともに、前記アンモニア合成反応器にＨ２を提供するように配置され、前記エネルギー生産システムは、電力貯蔵モードでアンモニアを生成するように適合される、請求項１または２に記載のエネルギー生産システム。
【請求項7】
前記アンモニア合成反応器は、２５０℃～５００℃の範囲、好ましくは３５０℃～５００℃の範囲の温度である低温で動作するように適合される、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のエネルギー生産システム。
【請求項8】
前記アンモニア合成反応器は、３ＭＰａ以下、好ましくは１．５ＭＰａ以下の圧力で動作するように適合される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のエネルギー生産システム。
【請求項9】
前記触媒は、Ｆｅ系触媒、Ｒｕ系触媒、セラミック混合酸化物系触媒、または還元可能もしくは部分的に還元可能な混合酸化物担体材料上の促進金属触媒を含む、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のエネルギー生産システム。
【請求項10】
前記触媒は、還元可能または部分的に還元可能な混合酸化物担体材料上の促進金属触媒から選択される、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のエネルギー生産システム。
【請求項11】
前記担体材料は、Ｍｇ、ＣｅおよびＬａまたはその組合せから選択される、請求項１０に記載のエネルギー生産システム。
【請求項12】
前記アンモニア合成反応器は、約３ＭＰａ＊リットル以下、好ましくは約２．５ＭＰａ＊リットル以下の圧力×（＊）体積で動作するように適合される、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のエネルギー生産システム。
【請求項13】
前記アンモニア貯蔵ユニットは、アンモニア分離材料を含む１つ以上のアンモニア分離反応器に接続されるか、またはアンモニア分離材料を含む１つ以上のアンモニア分離反応器を含む、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のエネルギー生産システム。
【請求項14】
前記アンモニア分離反応器の前記アンモニア分離材料は、金属ハロゲン化物である、請求項１１に記載のエネルギー生産システム。
【請求項15】
前記システムは、未反応のＨ２およびＮ２ならびに未吸収のＮＨ３を前記アンモニア分離器から前記アンモニア合成反応器に戻すように適合された再循環ポンプを含む、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のエネルギー生産システム。
【請求項16】
前記システムは中央システムコントローラおよびセンサを備え、前記中央システムコントローラは、現在の電力生産が電力生産閾値を上回るかまたは下回るかのいずれかであることを受信するとともに、前記電力生産率が前記電力生産閾値を上回る場合に、前記エネルギー生産システムを、前記可逆電気化学セルシステムが電気分解モードで動作するエネルギー貯蔵モードに切り替えるために、または、前記電力生産が前記電力生産閾値を下回る場合に、前記エネルギー生産システムを、前記可逆電気化学セルシステムが燃料電池モードで動作するエネルギー生産モードに切り替えるために、前記中央システムコントローラが信号を送信するように適合される、請求項１または２に記載のエネルギー生産システム。
【請求項17】
前記熱伝達システムは、家庭または小規模の商業用建物における温水暖房システムに対して熱を捕捉して提供するために、前記エネルギー生産システムの１つまたは複数のユニットによって生成された熱を伝達するように適合された１つ以上の熱交換器を備える、請求項１または２に記載のエネルギー生産システム。
【請求項18】
前記熱伝達システムは、前記エネルギー生産システムの２つ以上の別個のユニット間で熱を伝達するように適合された１つ以上の熱交換器を備える、請求項１または２に記載のエネルギー生産システム。
【請求項19】
前記可逆電気化学セルシステムは、家庭または小規模の商業用建物における温水暖房システムに対して熱を捕捉して提供するために、熱交換器に接続されている、請求項１または２に記載のエネルギー生産システム。
【請求項20】
前記システムは、断続的なエネルギー源を備えるか、または断続的なエネルギー源に接続される、請求項１乃至１９のいずれか一項に記載のエネルギー生産システム。
【請求項21】
前記断続的なエネルギー源は、ソーラーＰＶモジュール、風力タービン、水力タービン、またはその任意の組み合わせから選択される、請求項２０に記載のエネルギー生産システム。
【請求項22】
前記システムは、１０立方メートル未満の寸法を有する小型システムである、請求項１乃至２０のいずれか一項に記載のエネルギー生産システム。
【請求項23】
家庭または小規模の商業用建物における電気エネルギーの貯蔵または生産のための、請求項１乃至２２のいずれか一項に記載のエネルギー生産システムの使用。
【請求項24】
請求項１乃至２２のいずれか一項に記載のエネルギー生産システムによって生成された熱の、家庭または小規模の商業用建物における温水暖房システムにおける使用であって、前記温水暖房システムは、ラジエータ、床暖房システム、温水タンク、またはその任意の組み合わせのうちの１つ以上を備える、使用。
【請求項25】
中央システムコントローラを備える請求項１乃至１６のいずれか一項に記載のエネルギー生産システムを動作させる方法であって、前記方法は、ａ．前記中央システムコントローラが、現在の電力生産が電力生産閾値を上回るかまたは下回るかのいずれかであることを受信する工程と、
ｂ．前記電力生産率が前記電力生産閾値を上回る場合に、前記エネルギー生産システムを、前記可逆電気化学セルシステムが電気分解モードで動作するエネルギー貯蔵モードに切り替えるために、または、前記電力生産が前記電力生産閾値を下回る場合に、前記エネルギー生産システムを、前記可逆電気化学セルシステムが燃料電池モードで動作するエネルギー生産モードに切り替えるために、前記中央システムコントローラが信号を送信する工程と、を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電力の貯蔵のためにアンモニアを利用するとともに、電力および熱の生成のためにアンモニアまたはＨ２を利用する、単身世帯による使用または小規模の商業用建物における使用に適合された、分散型で小型のエネルギー生産システムに関する。
【背景技術】
【0002】
電力網は、温室効果ガスの排出量を削減するために、化石燃料から生成される電気および熱を段階的に廃止しなければならない。これは、風力およびソーラーＰＶ（太陽光発電）モジュールからの断続的な電力を段階的に供給することによって達成され得る。断続的な電力の使用は、電力供給と電力需要のバランスをリアルタイムでとるために、システム予備容量の増加を必要とする。バッテリは、時間毎の断続性の課題に対処し得る。しかしながら、現在、電池のエネルギー貯蔵密度は低く、貯蔵容量１ｋＷｈ当たりの製造コストは高い。技術革新にもかかわらず、大量の電気を貯蔵することができる小型電池が今後数十年で出現する可能性は低い。
【0003】
暖房のために電気を使用する温暖な気候では、屋上ソーラーＰＶモジュールからの電気の供給と需要との間に著しい季節的なミスマッチが存在する。発電は主に晩春、夏、初秋の間に行われ、暖房を含む電力需要は主に秋、冬、春に存在する。
【0004】
バッテリを有さず、年間２００００ｋＷｈを発電する大型のソーラーＰＶモジュールシステムでは、年間ベースで家庭における電力需要を完全に満たすことができる。緯度に応じて、生産された電力の３０％のみが家庭で消費され、残りが電力網に送出される。家庭の供給と需要のバランスをとるために、必要な量の電気が電力網から取り込まれなければならない。１４ｋＷのバッテリを使うと、システムは、２４時間の間に需要と供給を切り替えることができ、生成された電気の約５０％の利用を可能にする。しかしながら、年間２００００ｋＷｈの熱および電気を消費する住宅にとって、住宅が生産している電気を完全に利用するためには、最大１００００ｋＷｈの季節的な貯蔵が必要とされる。
【0005】
大量のＰＶ電気は、水素（Ｈ２）または水素含有化学物質として貯蔵することができる。しかしながら、水素は、－２５３℃で液体になるので、大量に貯蔵することが困難である。水素はまた、非常に爆発性が高いので、家庭または小規模の商業用建物における貯蔵媒体としての使用には不適切である。
【0006】
アンモニアは有効な水素担体であり、－３３℃または１０×１０００００パスカル（１０バール）の圧力で液体になるので、大量に貯蔵することが容易である。
現在、典型的な大規模の集中型アンモニウム合成プラントは、約４００～５００℃および１００×１０００００パスカル（１００バール）～１５０×１０００００パスカル（１５０バール）で動作する。しかしながら、アンモニア合成反応器が分散型小規模エネルギー生産システムでの使用に適しているためには、アンモニアの生産は、生産におけるエネルギーおよび空間要件、騒音を低減し、安全性の懸念を軽減するために、１～３０×１０００００パスカル（１～３０バール）の圧力で行われなければならない。
現在、典型的な大規模の集中型アンモニウム合成プラントは、約４００～５００℃および１００×１０００００パスカル（１００バール）～１５０×１０００００パスカル（１５０バール）で動作する。しかしながら、アンモニア合成反応器が分散型小規模エネルギー生産システムでの使用に適しているためには、アンモニアの生産は、生産におけるエネルギーおよび空間要件、騒音を低減し、安全性の懸念を軽減するために、１～３０×１０００００パスカル（１～３０バール）の圧力で行われなければならない。
【0007】
アンモニアを利用する電力の生産および貯蔵のための大規模な集中エネルギー生産システムは、様々な処理工程中にシステム内で生成された余剰熱が長距離にわたってパイプで輸送されるときに失われ、効率的に捕捉される余剰熱も利用することが困難であるため、比較的エネルギー効率が悪い。したがって、アンモニアを利用して電力を生産および貯蔵するための大規模な集中型エネルギー生産システムを作ることは、アンモニアおよび電気の生産プロセスからの熱を捕捉し、温水暖房システムを介して効率的に利用することができる分散型システムよりもエネルギー効率が低い可能性がある。
【0008】
Ｍｕｋｅｌａｂａｉ，Ｍ．Ｄ．他による、Ａ ｎｏｖｅｌ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｇｒｅｅｎ ｐｏｗｅｒ－ｔｏ－ａｍｍｏｎｉａ ｔｏ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ： Ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｆｏｒ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｃｏｕｐｌｅｄ ｗｉｔｈ ａｎ ａｍｍｏｎｉａ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｕｎｉｔ、２０２１年３月、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｅｎｅｒｇｙ，ｖｏｌ．４６，ｐｐ．１８５４６－１８５５６は、断続性に対処するための電力－アンモニア－電力システムの重要性を論じるとともに、燃料電池モード中にアンモニア合成のために窒素濃縮燃料極排出ガスを使用することを示唆している。しかしながら、Ｍｕｋｅｌａｂａｉ他に開示されたシステムは、約３ＭＷを供給するように設計されている。そのようなシステムを提供するために、システムは、Ｈ２の５段階コンプレッサおよびＨ２圧縮貯蔵バッファタンクを備え、アンモニア合成のためにハーバーボッシュ法を利用する。
【0009】
本発明の目的は、貯蔵のためにアンモニアを利用するとともに、アンモニアおよび／または水素を電力の生産のために利用する、単身世帯による使用または小規模の商業用建物における使用に適した、小型の分散型エネルギー生産システムを提供することである。システムは、電力生産モードにおいて、１時間当たり１０ｋＷ～４０ｋＷの範囲、好ましくは約３０ｋＷの電力を生産する。本発明のシステムはまた、家庭における暖房要件を満たすために生産プロセスにおける余剰熱を捕捉するので、効率的な分散型再生可能エネルギーシステムを可能にする。本発明のシステムは、アンモニア合成モード、すなわち電力貯蔵モードと電力生産モードとの間で迅速に切り替えることができるという利点を有する。
【発明の概要】
【0010】
第１の態様では、電力の貯蔵および生産のためにアンモニアを利用するエネルギー生産システムであって、システムは、
エネルギー生産システムが電力貯蔵モードで動作するときに電気分解モードで電力によって水素を生成するとともに、生産システムが電力生産モードで動作するときに燃料電池モードでアンモニアから電力を生産するように適合された可逆電気化学セルシステムと、
少なくとも９６％の純度の窒素を得るように適合された空気分離器であって、エネルギー生産システム１が電力貯蔵モードで動作するときにアンモニア合成反応器に窒素を提供するように配置された空気分離器と、
触媒を含むアンモニア合成反応器であって、エネルギー生産システムが電力貯蔵モードで動作するときに、可逆電気化学セルシステムから水素を受け取るとともに、空気分離器から窒素を受け取るように配置されたアンモニア合成反応器と、
Ｎ２およびＨ２からアンモニアを分離する固体吸収材料を含むアンモニア分離反応器であって、エネルギー生産システムが電力貯蔵モードで動作するときに、アンモニア合成反応器からアンモニアならびに未反応のＮ２およびＨ２を受け取るとともに、アンモニア貯蔵ユニットにアンモニアを提供するように適合されたアンモニア分離反応器と、
アンモニアを貯蔵するように適合された金属ハロゲン化物を含むアンモニア貯蔵ユニットであって、エネルギー生産システムが電力貯蔵モードで動作するときにアンモニア合成反応器および／またはアンモニア分離反応器からアンモニアを受け取るように配置されるとともに、エネルギー生産システムが電力生産モードで動作するときに可逆電気化学セルシステムにアンモニアを提供するように配置された、アンモニア貯蔵ユニットと、
エネルギー生産システムにおいて生成された熱を伝達するように適合された１つ以上の熱交換器を備える熱伝達システムと、を備えるエネルギー生産システム。
エネルギー生産システムが電力貯蔵モードで動作するときに電気分解モードで電力によって水素を生成するとともに、生産システムが電力生産モードで動作するときに燃料電池モードでアンモニアから電力を生産するように適合された可逆電気化学セルシステムと、
少なくとも９６％の純度の窒素を得るように適合された空気分離器であって、エネルギー生産システム１が電力貯蔵モードで動作するときにアンモニア合成反応器に窒素を提供するように配置された空気分離器と、
触媒を含むアンモニア合成反応器であって、エネルギー生産システムが電力貯蔵モードで動作するときに、可逆電気化学セルシステムから水素を受け取るとともに、空気分離器から窒素を受け取るように配置されたアンモニア合成反応器と、
Ｎ２およびＨ２からアンモニアを分離する固体吸収材料を含むアンモニア分離反応器であって、エネルギー生産システムが電力貯蔵モードで動作するときに、アンモニア合成反応器からアンモニアならびに未反応のＮ２およびＨ２を受け取るとともに、アンモニア貯蔵ユニットにアンモニアを提供するように適合されたアンモニア分離反応器と、
アンモニアを貯蔵するように適合された金属ハロゲン化物を含むアンモニア貯蔵ユニットであって、エネルギー生産システムが電力貯蔵モードで動作するときにアンモニア合成反応器および／またはアンモニア分離反応器からアンモニアを受け取るように配置されるとともに、エネルギー生産システムが電力生産モードで動作するときに可逆電気化学セルシステムにアンモニアを提供するように配置された、アンモニア貯蔵ユニットと、
エネルギー生産システムにおいて生成された熱を伝達するように適合された１つ以上の熱交換器を備える熱伝達システムと、を備えるエネルギー生産システム。
【0011】
第２の態様では、貯蔵のためにアンモニアを利用するとともに、電力の生産のために水素を利用するエネルギー生産システムであって、システムは、
エネルギー生産システムが電力貯蔵モードで動作するときに電気分解モードで電力によって水素を生成するとともに、生産システムが電力生産モードで動作するときに燃料電池モードで水素から電力を生産するように適合された可逆電気化学セルシステムと、
少なくとも９６％の純度のＮ２を得るように適合された空気分離器であって、エネルギー生産システムが電力貯蔵モードで動作するときにアンモニア合成反応器にＮ２を提供するように配置された空気分離器と、
触媒を含むアンモニア合成およびアンモニア分解反応器であって、合成反応器は、エネルギー生産システムが電力貯蔵モードで動作するときに、可逆電気化学セルシステムからＨ２を受け取るとともに、空気分離器からＮ２を受け取るように配置され、
Ｎ２およびＨ２からアンモニアを分離する固体吸収材料を含むアンモニア分離反応器であって、エネルギー生産システムが電力貯蔵モードで動作するときに、アンモニア合成およびアンモニア分解反応器からアンモニアならびに未反応のＮ２およびＨ２を受け取るとともに、アンモニア貯蔵ユニットにアンモニアを提供するように適合されたアンモニア分離反応器と、
アンモニアを貯蔵するように適合された金属ハロゲン化物を含むアンモニア貯蔵ユニットであって、エネルギー生産システムが電力貯蔵モードで動作するときにアンモニア合成およびアンモニア分解反応器および／またはアンモニア分離反応器からアンモニアを受け取るように配置されるとともに、エネルギー生産システムが電力生産モードで動作するときにアンモニア合成およびアンモニア分解反応器にアンモニアを提供するように配置された、アンモニア貯蔵ユニットと、
エネルギー生産システムにおいて生成された熱を伝達するように適合された１つ以上の熱交換器を備える熱伝達システムと、を備えるエネルギー生産システム。
エネルギー生産システムが電力貯蔵モードで動作するときに電気分解モードで電力によって水素を生成するとともに、生産システムが電力生産モードで動作するときに燃料電池モードで水素から電力を生産するように適合された可逆電気化学セルシステムと、
少なくとも９６％の純度のＮ２を得るように適合された空気分離器であって、エネルギー生産システムが電力貯蔵モードで動作するときにアンモニア合成反応器にＮ２を提供するように配置された空気分離器と、
触媒を含むアンモニア合成およびアンモニア分解反応器であって、合成反応器は、エネルギー生産システムが電力貯蔵モードで動作するときに、可逆電気化学セルシステムからＨ２を受け取るとともに、空気分離器からＮ２を受け取るように配置され、
Ｎ２およびＨ２からアンモニアを分離する固体吸収材料を含むアンモニア分離反応器であって、エネルギー生産システムが電力貯蔵モードで動作するときに、アンモニア合成およびアンモニア分解反応器からアンモニアならびに未反応のＮ２およびＨ２を受け取るとともに、アンモニア貯蔵ユニットにアンモニアを提供するように適合されたアンモニア分離反応器と、
アンモニアを貯蔵するように適合された金属ハロゲン化物を含むアンモニア貯蔵ユニットであって、エネルギー生産システムが電力貯蔵モードで動作するときにアンモニア合成およびアンモニア分解反応器および／またはアンモニア分離反応器からアンモニアを受け取るように配置されるとともに、エネルギー生産システムが電力生産モードで動作するときにアンモニア合成およびアンモニア分解反応器にアンモニアを提供するように配置された、アンモニア貯蔵ユニットと、
エネルギー生産システムにおいて生成された熱を伝達するように適合された１つ以上の熱交換器を備える熱伝達システムと、を備えるエネルギー生産システム。
【0012】
第１または第２の態様による一実施形態では、可逆電気化学セルシステムは、４００℃～８００℃の温度範囲で動作する。
第１または第２の態様による一実施形態では、電気化学セルシステムは、４００℃～６００℃の温度で動作する。
第１または第２の態様による一実施形態では、電気化学セルシステムは、４００℃～６００℃の温度で動作する。
【0013】
第１または第２の態様による一実施形態では、電気化学セルシステムは、５５０℃～７５０℃の温度で動作する。
第１または第２の態様による一実施形態では、電気化学セルシステムは、５５０℃～８５０℃の温度で動作する。
第１または第２の態様による一実施形態では、電気化学セルシステムは、５５０℃～８５０℃の温度で動作する。
【0014】
第１または第２の態様によるさらなる一実施形態では、電気化学セルシステムは、６００℃～８５０℃の温度で動作する。
第１または第２の態様によるさらなる一実施形態では、電気化学セルシステムは、７００℃～８５０℃の温度で動作する。
第１または第２の態様によるさらなる一実施形態では、電気化学セルシステムは、７００℃～８５０℃の温度で動作する。
【0015】
さらなる一実施形態では、電気化学セルシステムは、７００℃～８００℃の温度で動作する。
好ましくは、電気化学セルシステムは、５５０℃～７５０℃の温度で動作する。
好ましくは、電気化学セルシステムは、５５０℃～７５０℃の温度で動作する。
【0016】
可逆電気化学セルシステムは、エネルギー生産需要に応じてエネルギーシステムを迅速にランプアップおよびランプダウンすることができるように、低温で、すなわち８５０℃未満の温度で、好ましくは５５０℃～７５０℃の範囲の温度で動作するように適合される。
【0017】
第２の態様による一実施形態では、エネルギー生産システムの可逆電気化学セルシステムは、システムが電力生産モードで動作するとき、アンモニア分解器から提供されるＨ２ガス流中の不純物を許容するように適合される。
【0018】
第２の態様による一実施形態では、エネルギー生産システムの可逆電気化学セルシステムは、Ｈ２ガス流中の少なくとも０．１５％のアンモニア、例えば０．０５％～１％のアンモニアを許容するように適合される。
【0019】
可逆電気化学セルシステムは、アンモニア分解器から提供されるＨ２ガスを浄化するための追加の浄化ユニットの必要性を防止するために、ＮＨ３不純物を許容するように適合される。
【0020】
第１または第２の態様による一実施形態では、電気化学セルシステムは、１×１０００００パスカル（１バール）～３０×１０００００パスカル（３０バール）の圧力で動作する。
【0021】
第１または第２の態様による一実施形態では、電気化学セルシステムは、１×１０００００パスカル（１バール）～２０×１０００００パスカル（２０バール）の圧力で動作する。
【0022】
第１または第２の態様による一実施形態では、電気化学セルシステムは、１×１０００００パスカル（１バール）～１０×１０００００パスカル（１０バール）の圧力で動作する。
【0023】
第１または第２の態様による一実施形態では、電気化学セルシステムは、１×１０００００パスカル（１バール）～５×１０００００パスカル（５バール）の圧力で動作する。
第１または第２の態様による一実施形態では、電気化学セルシステムは、３×１０００００パスカル（３バール）～５×１０００００パスカル（５バール）～１５×１０００００パスカル（１５バール）の圧力で動作する。
第１または第２の態様による一実施形態では、電気化学セルシステムは、３×１０００００パスカル（３バール）～５×１０００００パスカル（５バール）～１５×１０００００パスカル（１５バール）の圧力で動作する。
【0024】
第１または第２の態様による一実施形態では、電気化学セルシステムは、１５×１０００００パスカル（１５バール）～３０×１０００００パスカル（３０バール）の圧力で動作する。
【0025】
第１または第２の態様による一実施形態では、可逆電気化学セルシステムは、可逆固体酸化物セルである。
好ましくは、可逆電気化学セルシステムは可逆固体酸化物セルである。
好ましくは、可逆電気化学セルシステムは可逆固体酸化物セルである。
【0026】
第１または第２の態様による一実施形態では、可逆固体酸化物セルのセル材料は、金属またはセラミック支持セルである。
第１または第２の態様による一実施形態では、可逆電気化学セルシステムは、水素分離圧縮の反応器に接続されるか、または水素分離圧縮の反応器を備えるとともに、アンモニア合成反応器に水素を提供するように配置され、エネルギー生産システムは、電力貯蔵モードでアンモニアを生成するように適合される。
第１または第２の態様による一実施形態では、可逆電気化学セルシステムは、水素分離圧縮の反応器に接続されるか、または水素分離圧縮の反応器を備えるとともに、アンモニア合成反応器に水素を提供するように配置され、エネルギー生産システムは、電力貯蔵モードでアンモニアを生成するように適合される。
【0027】
第１または第２の態様による一実施形態では、水素分離圧縮の反応器は、高温電気化学水素ポンプである。
第１または第２の態様による一実施形態では、水素分離圧縮の反応器は、約４００℃～約８００℃の温度で動作するように適合される。
第１または第２の態様による一実施形態では、水素分離圧縮の反応器は、約４００℃～約８００℃の温度で動作するように適合される。
【0028】
第１または第２の態様による一実施形態では、水素分離圧縮の反応器は、４００℃～６００℃の温度で動作する。
第１または第２の態様による一実施形態では、水素分離圧縮の反応器は、５５０℃～７５０℃の温度で動作する。
第１または第２の態様による一実施形態では、水素分離圧縮の反応器は、５５０℃～７５０℃の温度で動作する。
【0029】
第１または第２の態様による一実施形態では、水素分離圧縮の反応器は、５５０℃～８５０℃の温度で動作する。
第１または第２の態様によるさらなる一実施形態では、水素分離圧縮の反応器は、６００℃～８５０℃の温度で動作する。
第１または第２の態様によるさらなる一実施形態では、水素分離圧縮の反応器は、６００℃～８５０℃の温度で動作する。
【0030】
第１または第２の態様によるさらなる一実施形態では、水素分離圧縮の反応器は、７００℃～８５０℃の温度で動作する。
第１または第２の態様によるさらなる一実施形態では、水素分離圧縮の反応器は、７００℃～８００℃の温度で動作する。
第１または第２の態様によるさらなる一実施形態では、水素分離圧縮の反応器は、７００℃～８００℃の温度で動作する。
【0031】
第１または第２の態様による一実施形態では、分離圧縮反応器は、プロトン膜反応器に基づく高温電気化学水素ポンプでよい。
第１または第２の態様による一実施形態では、分離圧縮反応器は、水素の分離および圧縮時に熱を発生してよい。
第１または第２の態様による一実施形態では、分離圧縮反応器は、水素の分離および圧縮時に熱を発生してよい。
【0032】
第１または第２の態様による一実施形態では、分離圧縮反応器は、低ノイズで電気化学的に水素を分離圧縮することができる反応器でよい。
第１または第２の態様による一実施形態では、空気分離器は、少なくとも９６％、例えば少なくとも９７％または９８％の純度のＮ２を得るように適合される。
第１または第２の態様による一実施形態では、空気分離器は、少なくとも９６％、例えば少なくとも９７％または９８％の純度のＮ２を得るように適合される。
【0033】
第１または第２の態様による一実施形態では、空気分離器は、少なくとも９９％、９９．５％、９９．６％、９９．７％、９９．８％または少なくとも９９．９％の純度のＮ２を得るように適合される。
【0034】
第１または第２の態様による一実施形態では、空気分離器は、１×１０００００パスカル（１バール）～２０×１０００００パスカル（２０バール）の圧力で動作する。
第１または第２の態様による一実施形態では、空気分離器は、３×１０００００パスカル（３バール）～１８×１０００００パスカル（１８バール）の圧力で動作する。
第１または第２の態様による一実施形態では、空気分離器は、３×１０００００パスカル（３バール）～１８×１０００００パスカル（１８バール）の圧力で動作する。
【0035】
第１または第２の態様による一実施形態では、空気分離器は、３×１０００００パスカル（３バール）～１５×１０００００パスカル（１５バール）の圧力で動作する。
第１または第２の態様による一実施形態では、空気分離器は、３×１０００００パスカル（３バール）～１０×１０００００パスカル（１０バール）の圧力で動作する。
第１または第２の態様による一実施形態では、空気分離器は、３×１０００００パスカル（３バール）～１０×１０００００パスカル（１０バール）の圧力で動作する。
【0036】
第１または第２の態様による一実施形態では、空気分離器は、低温蒸留ユニット、ＰＳＡ（圧力スイング吸着）ユニット、または膜ユニットである。
第１または第２の態様による一実施形態では、空気分離器は圧力スイング吸着ユニットである。
第１または第２の態様による一実施形態では、空気分離器は圧力スイング吸着ユニットである。
【0037】
第１または第２の態様による１つの好ましい実施形態では、空気分離器は、ＰＳＡユニットまたは膜ユニットであり、より好ましくはＰＳＡユニットである。
第１の態様または第２の態様による一実施形態では、アンモニア合成反応器は、約２５０℃～約５００℃の範囲の温度である低温で動作するように適合される。
第１の態様または第２の態様による一実施形態では、アンモニア合成反応器は、約２５０℃～約５００℃の範囲の温度である低温で動作するように適合される。
【0038】
第１の態様または第２の態様による一実施形態では、アンモニア合成反応器は、約３５０℃～約５００℃の範囲の温度である低温で動作するように適合される。
好ましい実施形態では、アンモニア合成反応器は、約３５０℃～約５００℃の範囲の温度で動作するように適合される。
好ましい実施形態では、アンモニア合成反応器は、約３５０℃～約５００℃の範囲の温度で動作するように適合される。
【0039】
第１の態様または第２の態様による一実施形態では、アンモニア合成反応器は、約３ＭＰａ以下の圧力で動作するように適合される。
第１の態様または第２の態様による一実施形態では、アンモニア合成反応器は、３ＭＰａ～１ＭＰａの圧力で動作するように適合される。
第１の態様または第２の態様による一実施形態では、アンモニア合成反応器は、３ＭＰａ～１ＭＰａの圧力で動作するように適合される。
【0040】
第１の態様または第２の態様による一実施形態では、アンモニア合成は、２ＭＰａ～１ＭＰａの圧力で動作するように適合される。
第１の態様または第２の態様による一実施形態では、アンモニア合成反応器は、１．５ＭＰａ～０．５ＭＰａの圧力で動作するように適合される。
第１の態様または第２の態様による一実施形態では、アンモニア合成反応器は、１．５ＭＰａ～０．５ＭＰａの圧力で動作するように適合される。
【0041】
第１の態様または第２の態様による一実施形態では、アンモニア合成は、約１ＭＰａの圧力で動作するように適合される。
第１の態様または第２の態様による１つの好ましい実施形態では、アンモニア合成反応器は、約１．５ＭＰａ以下の圧力で動作するように適合される。
第１の態様または第２の態様による１つの好ましい実施形態では、アンモニア合成反応器は、約１．５ＭＰａ以下の圧力で動作するように適合される。
【0042】
システムのノイズを７０ｄｂ～１０ｄｂ、例えば４０ｄｂ～３０ｄｂに低減するために、低圧、すなわちアンモニア合成反応器の約３ＭＰａ以下の圧力で動作することは、システムの利点であり、これは冷蔵庫からのノイズに匹敵する。一実施形態では、第１および第２の態様のアンモニア合成反応器の触媒ならびに第２の態様の分解器の可逆プロセスの触媒は、Ｆｅ系触媒、Ｒｕ系触媒、セラミック混合酸化物系触媒、または還元可能もしくは部分的に還元可能な混合酸化物担体材料上の促進金属触媒から選択される。
【0043】
一実施形態では、第１の態様または第２の態様によるアンモニア合成反応器およびアンモニア分解器の触媒は、水素化物、窒化物および三元金属化合物から選択される。
１つの好ましい実施形態では、第１の態様または第２の態様によるアンモニア合成反応器およびアンモニア分解器の触媒は、還元可能または部分的に還元可能な混合酸化物担体材料上の促進金属触媒である。
１つの好ましい実施形態では、第１の態様または第２の態様によるアンモニア合成反応器およびアンモニア分解器の触媒は、還元可能または部分的に還元可能な混合酸化物担体材料上の促進金属触媒である。
【0044】
１つの好ましい実施形態では、第１の態様または第２の態様によるアンモニア合成反応器およびアンモニア分解器の触媒は、還元可能または部分的に還元可能な混合酸化物担体材料上の促進金属触媒であり、担体材料は、Ｍｇ、ＣｅおよびＬａまたはその組み合わせから選択される。
【0045】
本エネルギー生産システムのさらなる利点は、第１の態様または第２の態様によるアンモニア合成反応器の触媒が、エネルギー生産システムの可逆電気化学セルシステムからのＨ２ガス流中の不純物を許容するように適合されるので、Ｈ２ガス流を浄化するための別個の高価で大型の浄化ユニットの必要性を克服することで、小型のシステムを提供することを可能にすることである。
【0046】
一実施形態では、第１の態様または第２の態様によるアンモニア合成反応器は、３ＭＰａ＊リットル以下、好ましくは約２．５ＭＰａ＊リットル以下の圧力×（＊）体積で動作するように適合される。
【0047】
第２の態様による一実施形態では、ＮＨ３合成の可逆プロセスであるアンモニア分解器は、１ＭＰａ以下、例えば０．５ＭＰａ以下の圧力で動作する。
第２の態様による一実施形態では、アンモニア分解器は、約７００℃～約４００℃、例えば約６５０℃～約４５０℃、好ましくは約６００℃～約４５０℃の温度範囲で動作する。
第２の態様による一実施形態では、アンモニア分解器は、約７００℃～約４００℃、例えば約６５０℃～約４５０℃、好ましくは約６００℃～約４５０℃の温度範囲で動作する。
【0048】
第１の態様または第２の態様による一実施形態では、アンモニア貯蔵ユニットは、アンモニア分離材料を含む１つ以上のアンモニア分離反応器に接続されるか、またはアンモニア分離材料を含む１つ以上のアンモニア分離反応器を含む。
【0049】
第１の態様または第２の態様による一実施形態では、システムは、未反応のＨ２およびＮ２ならびに未吸収のＮＨ３をアンモニア分離器からアンモニア合成反応器に戻すように適合された再循環ポンプを含む。
【0050】
上記の実施形態によるポンプは、システムが十分な量のＨ２およびＮ２を液体ＮＨ３に変換して分離し、金属ハロゲン化物中に貯蔵するために、Ｈ２およびＮ２ならびに未吸収のＮＨ３をアンモニア分離器からアンモニア合成反応器に戻して再利用するように適合される。
【0051】
第１の態様または第２の態様による一実施形態では、アンモニア貯蔵ユニットの金属ハロゲン化物は、一般式ＭａＸｚを有する。ここで、Ｍは、Ｍｎ及びＭｇから選択されるカチオンであり、Ｘは、塩化物及び臭化物から選択されるアニオンであり、ａは、塩分子当たりのカチオンの数であり、ｚは、塩分子当たりのアニオンの数である。
【0052】
第１の態様または第２の態様による一実施形態では、アンモニア貯蔵ユニットはアンモニア分離反応器を備える。
第１の態様または第２の態様による一実施形態では、アンモニア分離材料は金属ハロゲン化物である。
第１の態様または第２の態様による一実施形態では、アンモニア分離材料は金属ハロゲン化物である。
【0053】
第１の態様又は第２の態様による一実施形態では、アンモニア分離反応器の金属ハロゲン化物は、一般式ＭａＸｚを有する。ここで、Ｍは、Ｍｎ及びＭｇから選択されるカチオンであり、Ｘは、塩化物及び臭化物から選択されるアニオンであり、ａは、塩分子当たりのカチオンの数であり、ｚは、塩分子当たりのアニオンの数である。
【0054】
第１の態様または第２の態様による一実施形態では、アンモニア分離反応器の金属ハロゲン化物は、アルミナ、シリカまたはゼオライトから選択される基材によって担持される。
【0055】
第１の態様または第２の態様による一実施形態では、システムは中央システムコントローラおよびセンサを備え、中央システムコントローラは、現在の電力生産が電力生産閾値を上回るかまたは下回るかのいずれかであることを受信するとともに、電力生産率が電力生産閾値を上回る場合に、エネルギー生産システムを、可逆電気化学セルシステムが電気分解モードで動作するエネルギー貯蔵モードに切り替えるために、または、電力生産が電力生産閾値を下回る場合に、エネルギー生産システムを、可逆電気化学セルシステムが燃料電池モードで動作するエネルギー生産モードに切り替えるために、中央システムコントローラが信号を送信するように適合される。
【0056】
一実施形態では、熱伝達システムは、家庭または小規模の商業用建物における温水暖房システムに対して熱を捕捉して提供するために、エネルギー生産システムの１つまたは複数のユニットによって生成された熱を伝達するように適合された１つ以上の熱交換器を備える。
【0057】
一実施形態では、熱伝達システムは、エネルギー生産システムの２つ以上の別個のユニット間で熱を伝達するように適合された１つ以上の熱交換器を備える。
一実施形態では、可逆電気化学セルシステムは、家庭または小規模の商業用建物における温水暖房システムに対して熱を捕捉して提供するために、熱交換器に接続されている。
一実施形態では、可逆電気化学セルシステムは、家庭または小規模の商業用建物における温水暖房システムに対して熱を捕捉して提供するために、熱交換器に接続されている。
【0058】
一実施形態では、熱伝達システムは、家庭または小規模の商業用建物内の温水暖房システムに対して熱を捕捉して提供するために、エネルギー生産システムで生成された熱を伝達するように適合された１つ以上の熱交換器を備える。
【0059】
一実施形態では、熱交換器は、エネルギー生産システム１の２つ以上の別個のユニット間で熱を伝達するように適合される。
本発明の一実施形態では、エネルギー生産システムが電力の貯蔵のために適合される場合、アンモニア合成反応器および／またはアンモニア分離反応器のうちの１つ以上において生成された熱は、熱交換器によって蒸気発生器に伝達されてよい。
本発明の一実施形態では、エネルギー生産システムが電力の貯蔵のために適合される場合、アンモニア合成反応器および／またはアンモニア分離反応器のうちの１つ以上において生成された熱は、熱交換器によって蒸気発生器に伝達されてよい。
【0060】
一実施形態では、可逆電気化学セルシステムは、アンモニア貯蔵ユニットに熱を伝達するために熱交換器に接続され、エネルギー生産システムは電力の生産に適合される。
一実施形態では、可逆電気化学セルシステムは、家庭または小規模の商業用建物における温水暖房システムに対して熱を捕捉して提供するために、熱交換器に接続されている。
一実施形態では、可逆電気化学セルシステムは、家庭または小規模の商業用建物における温水暖房システムに対して熱を捕捉して提供するために、熱交換器に接続されている。
【0061】
一実施形態では、熱伝達システムは、家庭または小規模の商業用建物内の温水暖房システムに対して熱を捕捉して提供するために、エネルギー生産システムで生成された熱を伝達するように適合された１つ以上の熱交換器を備える。
【0062】
一実施形態では、エネルギー生産システムは、断続的なエネルギー源を備えるか、または断続的なエネルギー源に接続される。
一実施形態では、断続的なエネルギー源は、ソーラーパネル、風力タービン、水力タービン、またはその任意の組合せから選択される。
一実施形態では、断続的なエネルギー源は、ソーラーパネル、風力タービン、水力タービン、またはその任意の組合せから選択される。
【0063】
一実施形態では、エネルギー生産システムの電力は、ソーラーパネル、風力タービン、水力タービン、またはその任意の組み合わせのうちのいずれか１つから生成される。
一実施形態では、エネルギー生産システムの電力は、リチウム電池などの電池から生成される。
一実施形態では、エネルギー生産システムの電力は、リチウム電池などの電池から生成される。
【0064】
一実施形態では、断続的なエネルギー源によって生成された余剰電力は、金属ハロゲン化物中のＮＨ３としてエネルギー生産および貯蔵システムに貯蔵される。
一実施形態では、断続的なエネルギー源からのエネルギー生産がない場合、エネルギー生産システムは、金属ハロゲン化物貯蔵ユニットに貯蔵されたＮＨ３からのＮＨ３の放出によって電力を供給する。
一実施形態では、断続的なエネルギー源からのエネルギー生産がない場合、エネルギー生産システムは、金属ハロゲン化物貯蔵ユニットに貯蔵されたＮＨ３からのＮＨ３の放出によって電力を供給する。
【0065】
一実施形態では、システムは、１０立方メートル以下の寸法を有する小型システムである。
一実施形態では、エネルギー生産システムの全寸法は約１０ｍ３以下である。
一実施形態では、エネルギー生産システムの全寸法は約１０ｍ３以下である。
【0066】
一実施形態では、エネルギー生産システムの全寸法は１０ｍ３～４ｍ３である。
一実施形態では、エネルギー生産システムの全寸法は、８ｍ３～４．５ｍ３である。
一実施形態では、エネルギー生産システムの全体寸法は約５ｍ３であり、アンモニア貯蔵ユニット８は約３ｍ３である。
一実施形態では、エネルギー生産システムの全寸法は、８ｍ３～４．５ｍ３である。
一実施形態では、エネルギー生産システムの全体寸法は約５ｍ３であり、アンモニア貯蔵ユニット８は約３ｍ３である。
【0067】
一実施形態では、本発明によるエネルギー生産システムのノイズは、７０ｄｂ～１０ｄｂ、例えば４０ｄｂ～３０ｄｂであり、これは冷蔵庫からのノイズに匹敵する。
一実施形態では、システムは、家庭または小規模の商業用建物における電気エネルギーの貯蔵または生産のためのものである。
一実施形態では、システムは、家庭または小規模の商業用建物における電気エネルギーの貯蔵または生産のためのものである。
【0068】
一実施形態では、システムは電力網に接続される。
一実施形態では、システムは電力網に接続されない。
第３の態様では、本発明は、家庭または小規模の商業用建物における電気エネルギーの貯蔵または生産のための、第１もしくは第２の態様またはそのいずれかの実施形態によるエネルギー生産システムの使用を提供する。
一実施形態では、システムは電力網に接続されない。
第３の態様では、本発明は、家庭または小規模の商業用建物における電気エネルギーの貯蔵または生産のための、第１もしくは第２の態様またはそのいずれかの実施形態によるエネルギー生産システムの使用を提供する。
【0069】
第４の態様では、本発明は、第１もしくは第２の態様またはそのいずれかの実施形態によるエネルギー生産システムによって生成された熱の、家庭または小規模商業用建物における温水暖房システムにおける使用を提供する。温水暖房システムは、ラジエータ、床暖房システム、温水タンク、またはその任意の組合せのうちの１つ以上を備える。
【0070】
第５の態様では、本発明は、第１または第２の態様およびそのいずれかの実施形態による、中央システムコントローラを備えるエネルギー生産システムを動作させる方法を提供する。方法は、
ａ．中央システムコントローラが、現在の電力生産が電力生産閾値を上回るかまたは下回るかのいずれかであることを受信する工程と、
ｂ．電力生産率が電力生産閾値を上回る場合に、エネルギー生産システムを、可逆電気化学セルが電気分解モードで動作するエネルギー貯蔵モードに切り替えるために、または、電力生産が電力生産閾値を下回る場合に、エネルギー生産システムを、可逆電気化学セルが燃料電池モードで動作するエネルギー生産モードに切り替えるために、中央システムコントローラが信号を送信する工程と、を備える方法。
ａ．中央システムコントローラが、現在の電力生産が電力生産閾値を上回るかまたは下回るかのいずれかであることを受信する工程と、
ｂ．電力生産率が電力生産閾値を上回る場合に、エネルギー生産システムを、可逆電気化学セルが電気分解モードで動作するエネルギー貯蔵モードに切り替えるために、または、電力生産が電力生産閾値を下回る場合に、エネルギー生産システムを、可逆電気化学セルが燃料電池モードで動作するエネルギー生産モードに切り替えるために、中央システムコントローラが信号を送信する工程と、を備える方法。
【図面の簡単な説明】
【0071】
【図1】ソーラーパネル、バッテリ、可逆電気化学セル、ならびにアンモニア合成および貯蔵の組み合わせを利用する、第１または第２の態様によるエネルギー生産システムの例示的実施形態の模式図。システムは、電力の貯蔵のためにアンモニアを利用するとともに、電力の生産のためにアンモニアまたはＨ２を利用する。このシステムは、単身世帯による使用または小規模の商業用建物における使用に特に適している。
【図2】エネルギー生産システムの一実施形態であって、エネルギー貯蔵モードの流れ方向を有するシステム設計を示す詳細図。
【図3】第１の態様によるエネルギー生産システムの一実施形態であって、エネルギー生産モードの流れ方向を有するシステム設計を示す詳細図。
【発明を実施するための形態】
【0072】
以下の説明では、本発明のより完全な理解を当業者に提供するために、本発明の様々な例および実施形態が記載される。様々な実施形態の文脈において、および添付の図面を参照して説明される特定の詳細は、限定として解釈されることを意図していない。
【0073】
数値の限界または範囲が記載されている場合、端点が含まれる。また、数値限定または範囲内の全ての値および部分範囲は、明示的に書き出されているかのように具体的に含まれる。
【0074】
図１は、単身世帯または小規模の商業用建物における本発明によるエネルギー生産システムの使用例を示す。エネルギー生産システムは、電力の貯蔵および生産のためにアンモニアを利用する。
【0075】
図１を参照すると、エネルギー生産システムは、エネルギー生産システム１が電力貯蔵モードで動作するときに電気分解モードで電力によって水素を生産するとともに、生産システムが電力生産モードで動作するときに燃料電池モードでアンモニアから電力を生産するように適合された可逆電気化学セルシステム２を備える。
【0076】
電力は、バッテリ１２および／またはソーラーＰＶモジュール１１によってエネルギー生産システムの可逆電気化学セルシステム２に提供される。追加的または代替的には、電力は、風力タービンまたは水力タービンによってエネルギー生産システム１に供給される。ソーラーＰＶモジュールは、バッテリ１２に接続される。
【0077】
エネルギー生産システムは、さらに、エネルギー生産システムが電力貯蔵モードで動作するときにアンモニアを貯蔵するように適合されるとともに、エネルギー生産システム１が電力生産モードで動作するときに可逆電気化学セルシステム２にアンモニアを供給するように構成されたアンモニア貯蔵ユニット８を備える。
【0078】
本エネルギー生産システムの利点の１つは、システムが、家庭または小規模の商業用建物内の温水暖房システムに対して熱を捕捉して提供するために、エネルギー生産システムで生成された熱を伝達するように適合された１つ以上の熱交換器を備えることである。
【0079】
図１に示すように、可逆電気化学セルシステム２において生成された余剰熱は、温水タンク１３に熱を提供するように適合される。温水タンク１３は、温水暖房システム１８に温水を提供するように適合されてよい。
【0080】
本発明によるエネルギー生産システムは、単一の建物に配置され、その建物または近傍に位置する建物のために電力の生産および貯蔵を提供する目的を果たす、小型の分散型システムである。建物は、個人の家、別荘、小屋、または小規模の商業用建物である。
【0081】
本発明によるエネルギー生産システム１は、電力網に接続されてよい。
本発明によるエネルギー生産システム１は、オフグリッドシステムであってよい、すなわち電力網の一部でなくてよい。
本発明によるエネルギー生産システム１は、オフグリッドシステムであってよい、すなわち電力網の一部でなくてよい。
【0082】
本発明によるエネルギー生産システムは、小型のシステムである。すなわち、エネルギー生産システム１は、単身世帯による使用または小規模の商業用建物における使用に適するように小型でなければならない。
【0083】
小型エネルギー生産システムの総寸法は、１０立方メートル以下であってよい。
第１または第２の態様に係る小型エネルギー生産システムは、
本発明によるエネルギー生産システムにおける騒音低減およびエネルギー要件のため、電気貯蔵モード中のアンモニア合成反応器６におけるアンモニアの生産のためのプロセスは、典型的には１０～１５ＭＰａで動作するほとんどのアンモニア生産プロセスとは異なり、３ＭＰａ、好ましくは１．５ＭＰａ以下の圧力で動作してよい。圧力の低減は、騒音を低減するために必要である。
第１または第２の態様に係る小型エネルギー生産システムは、
本発明によるエネルギー生産システムにおける騒音低減およびエネルギー要件のため、電気貯蔵モード中のアンモニア合成反応器６におけるアンモニアの生産のためのプロセスは、典型的には１０～１５ＭＰａで動作するほとんどのアンモニア生産プロセスとは異なり、３ＭＰａ、好ましくは１．５ＭＰａ以下の圧力で動作してよい。圧力の低減は、騒音を低減するために必要である。
【0084】
本発明によるシステムは、コストと柔軟性とのバランスをとるように適合される一方で、ピーク時の効率的なエネルギー生産および信頼性の高い電力供給を確保する。
本発明によるエネルギー生産システムは、電力貯蔵モードと電力生産モードとの間で容易に切り替えることができる動的システムであり、いくつかの実施形態では、中央システムコントローラおよびセンサを備える。中央システムコントローラは、現在の電力生産が電力生産閾値を上回るか下回るかのいずれかであることをセンサから受信するように適合される。また、中央システムコントローラは、電力生産率が電力生産閾値を上回る場合に、エネルギー生産システムを、可逆電気化学セルシステムが電気分解モードで動作するエネルギー貯蔵モードに切り替えるために、中央システムコントローラから信号を送信するように適合される。また、中央システムコントローラは、電力生産が電力生産閾値を下回る場合に、エネルギー生産システムを、可逆電気化学セルシステムが燃料電池モードで動作するエネルギー生産モードに切り替えるために、中央システムコントローラから信号を送信するように適合される。
本発明によるエネルギー生産システムは、電力貯蔵モードと電力生産モードとの間で容易に切り替えることができる動的システムであり、いくつかの実施形態では、中央システムコントローラおよびセンサを備える。中央システムコントローラは、現在の電力生産が電力生産閾値を上回るか下回るかのいずれかであることをセンサから受信するように適合される。また、中央システムコントローラは、電力生産率が電力生産閾値を上回る場合に、エネルギー生産システムを、可逆電気化学セルシステムが電気分解モードで動作するエネルギー貯蔵モードに切り替えるために、中央システムコントローラから信号を送信するように適合される。また、中央システムコントローラは、電力生産が電力生産閾値を下回る場合に、エネルギー生産システムを、可逆電気化学セルシステムが燃料電池モードで動作するエネルギー生産モードに切り替えるために、中央システムコントローラから信号を送信するように適合される。
【0085】
【0086】
エネルギー生産システム１は、
電気分解モードで電力によって水素を生成するように適合された可逆電気化学セルシステム２と、
アンモニア合成反応器６への清浄なＮ２を得るように適合された空気分離器３と、
触媒を含むアンモニア合成反応器６であって、可逆電気化学セルシステム２からＨ２を受け取るとともに、空気分離器３からＮ２を受け取るように配置されたアンモニア合成反応器６と、
Ｎ２およびＨ２からアンモニアを分離するアンモニア分離材料を含むアンモニア分離反応器７であって、アンモニア合成反応器６からアンモニアならびに未反応のＮ２およびＨ２を受け取るとともに、アンモニア貯蔵ユニット８にアンモニアを提供するように適合されたアンモニア分離反応器７と、
アンモニアを貯蔵するように適合された金属ハロゲン化物を含むアンモニア貯蔵ユニット８であって、アンモニア合成反応器６および／またはアンモニア分離反応器７からアンモニアを受け取るように配置されたアンモニア貯蔵ユニット８と、
エネルギー生産システム１において生成された熱を伝達するように適合された１つ以上の熱交換器１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇを備える熱伝達システムと、を備える。
電気分解モードで電力によって水素を生成するように適合された可逆電気化学セルシステム２と、
アンモニア合成反応器６への清浄なＮ２を得るように適合された空気分離器３と、
触媒を含むアンモニア合成反応器６であって、可逆電気化学セルシステム２からＨ２を受け取るとともに、空気分離器３からＮ２を受け取るように配置されたアンモニア合成反応器６と、
Ｎ２およびＨ２からアンモニアを分離するアンモニア分離材料を含むアンモニア分離反応器７であって、アンモニア合成反応器６からアンモニアならびに未反応のＮ２およびＨ２を受け取るとともに、アンモニア貯蔵ユニット８にアンモニアを提供するように適合されたアンモニア分離反応器７と、
アンモニアを貯蔵するように適合された金属ハロゲン化物を含むアンモニア貯蔵ユニット８であって、アンモニア合成反応器６および／またはアンモニア分離反応器７からアンモニアを受け取るように配置されたアンモニア貯蔵ユニット８と、
エネルギー生産システム１において生成された熱を伝達するように適合された１つ以上の熱交換器１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇを備える熱伝達システムと、を備える。
【0087】
代替的には、エネルギー生産システムは、
電気分解モードで電力によって水素を生成するように適合された可逆電気化学セルシステム２と、
アンモニア合成反応器６への清浄なＮ２を得るように適合された空気分離器３と、
触媒を含むアンモニア合成分解反応器であって、可逆電気化学セルシステム２からＨ２を受け取るとともに、空気分離器３からＮ２を受け取るように配置されたアンモニア合成分解反応器と、
Ｎ２およびＨ２からアンモニアを分離するアンモニア分離材料を含むアンモニア分離反応器７であって、アンモニア合成分解反応器からアンモニアならびに未反応のＮ２およびＨ２を受け取るとともに、アンモニア貯蔵ユニット８にアンモニアを提供するように適合されたアンモニア分離反応器７と、
アンモニアを貯蔵するように適合された金属ハロゲン化物を含むアンモニア貯蔵ユニット８であって、アンモニア合成分解反応器および／またはアンモニア分離反応器７からアンモニアを受け取るように配置されたアンモニア貯蔵ユニット８と、
エネルギー生産システム１において生成された熱を伝達するように適合された１つ以上の熱交換器１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇを備える熱伝達システムと、を備える。
電気分解モードで電力によって水素を生成するように適合された可逆電気化学セルシステム２と、
アンモニア合成反応器６への清浄なＮ２を得るように適合された空気分離器３と、
触媒を含むアンモニア合成分解反応器であって、可逆電気化学セルシステム２からＨ２を受け取るとともに、空気分離器３からＮ２を受け取るように配置されたアンモニア合成分解反応器と、
Ｎ２およびＨ２からアンモニアを分離するアンモニア分離材料を含むアンモニア分離反応器７であって、アンモニア合成分解反応器からアンモニアならびに未反応のＮ２およびＨ２を受け取るとともに、アンモニア貯蔵ユニット８にアンモニアを提供するように適合されたアンモニア分離反応器７と、
アンモニアを貯蔵するように適合された金属ハロゲン化物を含むアンモニア貯蔵ユニット８であって、アンモニア合成分解反応器および／またはアンモニア分離反応器７からアンモニアを受け取るように配置されたアンモニア貯蔵ユニット８と、
エネルギー生産システム１において生成された熱を伝達するように適合された１つ以上の熱交換器１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇを備える熱伝達システムと、を備える。
【0088】
エネルギー生産システム１は、断続的なエネルギー源を備えてよく、または断続的なエネルギー源に接続されてもよい。
断続的なエネルギー源は、ソーラーＰＶモジュール、風力タービンおよび／または水力タービンから選択される。
断続的なエネルギー源は、ソーラーＰＶモジュール、風力タービンおよび／または水力タービンから選択される。
【0089】
エネルギー生産システム１は、バッテリに接続されてよい。
電力貯蔵モードでは、屋上ソーラーＰＶモジュール１１または代替的には風力もしくは水力タービンによって生成された電力は、バッテリ１２に貯蔵されるか、または可逆電気化学セルシステム２に直接提供される。
電力貯蔵モードでは、屋上ソーラーＰＶモジュール１１または代替的には風力もしくは水力タービンによって生成された電力は、バッテリ１２に貯蔵されるか、または可逆電気化学セルシステム２に直接提供される。
【0090】
可逆電気化学セルシステム２は、水素の非自発的生成を行うために電力を必要とする。
可逆電気化学セルシステム２は、４００℃～８００℃、例えば４００℃～７００℃、好ましくは５５０℃～７５０℃の温度範囲で動作するとともに、電気分解モードで電力によって水素（Ｈ２）および熱を生成するように適合される。
可逆電気化学セルシステム２は、４００℃～８００℃、例えば４００℃～７００℃、好ましくは５５０℃～７５０℃の温度範囲で動作するとともに、電気分解モードで電力によって水素（Ｈ２）および熱を生成するように適合される。
【0091】
可逆電気化学セルシステム２は、電気分解モードにおいて化学反応を引き起こすために電力を使用することができ、燃料電池モードにおいて化学反応から電力を生産するために可逆プロセスを使用することができる電気化学セルシステムである。
【0092】
電気分解モードでは、可逆電気化学セルシステム２は、電力を使用して水から水素および酸素を生成する。水は、蒸気発生器９によって生成された蒸気の形態であり、蒸気は、水タンク１０および蒸気発生器９によって電気化学セルシステム２に供給される。水タンクは、蒸気発生器に接続され、蒸気発生器は、さらに電気化学セルシステムに接続される。
【0093】
水の電気分解中、送風機１４によって空気１９ａが電気化学セルシステム２に供給される。空気は、酸素を迅速に除去するのを助けるために、酸素が生成される場所の近傍でセルに供給される。出口２０ｃは、酸素濃縮空気を排出する。したがって、空気は、生成された濃縮酸素の「キャリアガス」として利用される。
【0094】
可逆電気化学セルシステム２は、温水タンク１３に接続されてもよい。これによって、電気化学セルシステム２は、電気分解モード中に発生した熱を熱交換器１６ｄによって水タンク１３に伝達するように適合される。
【0095】
電気分解モードの間、電気化学セルシステム２は、熱交換器１６ａによる熱の伝達によって水素分離圧縮反応器４から熱を受け取るように適合されてよい。
電気分解モードの間、蒸気発生器９は、熱交換器１６ｂ、１６ｃによる熱の伝達によって、アンモニア合成反応器６におけるアンモニアの発熱合成反応から熱を受け取るように適合されてよい。
電気分解モードの間、蒸気発生器９は、熱交換器１６ｂ、１６ｃによる熱の伝達によって、アンモニア合成反応器６におけるアンモニアの発熱合成反応から熱を受け取るように適合されてよい。
【0096】
電気分解モードの間、蒸気発生器９は、熱交換器１６ｂ、１６ｃによる熱の伝達によって、アンモニア分離反応器７から熱を受け取るように適合されてよい。
可逆電気化学セルシステムは、清浄な水素を混合器５に提供するために、水素分離圧縮反応器４に接続されてもよい。
可逆電気化学セルシステムは、清浄な水素を混合器５に提供するために、水素分離圧縮反応器４に接続されてもよい。
【0097】
あるいは、可逆電気化学セルシステム２は、Ｈ２分離圧縮の反応器４を備えてよい。
可逆電気化学セルシステム２は、Ｈ２分離圧縮の反応器４を備えるＳＯＥＣ（可逆固体酸化物電気化学セル）であってよい。
可逆電気化学セルシステム２は、Ｈ２分離圧縮の反応器４を備えるＳＯＥＣ（可逆固体酸化物電気化学セル）であってよい。
【0098】
あるいは、可逆電気化学セルシステム２は、ＳＯＦＣ（可逆固体酸化物燃料電池）であってよい。
電気分解モードおよび電力の貯蔵の間、空気分離器３は、空気１９ｂを空気分離ユニットに受け入れるように適合されるとともに、さらに空気１９ｂから窒素を分離するように適合される。空気分離器３は、混合器５に接続されるとともに、Ｎ２を混合器５に移送するように適合される。酸素２０ａは空気分離器から排出される。
電気分解モードおよび電力の貯蔵の間、空気分離器３は、空気１９ｂを空気分離ユニットに受け入れるように適合されるとともに、さらに空気１９ｂから窒素を分離するように適合される。空気分離器３は、混合器５に接続されるとともに、Ｎ２を混合器５に移送するように適合される。酸素２０ａは空気分離器から排出される。
【0099】
電気分解モードの間、空気分離器３は、バッテリ１２から電気を受け取るように適合されてよい。
電気分解モードの間、空気分離器３は、ソーラーＰＶモジュール１１から電気を受け取るように適合されてよい。
電気分解モードの間、空気分離器３は、ソーラーＰＶモジュール１１から電気を受け取るように適合されてよい。
【0100】
混合器５は、アンモニア合成反応器６に接続されるとともに、Ｈ２およびＮ２をアンモニア合成反応器６に供給するように構成されている。
アンモニア合成反応器６またはアンモニア合成分解反応器は、アンモニアならびに未反応の水素および窒素を、アンモニアを分離するように適合された分離反応器７に移送するコンプレッサまたはポンプ１５に接続される。分離反応器７からのアンモニアは、アンモニア貯蔵ユニット８に移送される。分離反応器７からの未反応の窒素および水素は、アンモニア合成反応器６に循環して戻される。
アンモニア合成反応器６またはアンモニア合成分解反応器は、アンモニアならびに未反応の水素および窒素を、アンモニアを分離するように適合された分離反応器７に移送するコンプレッサまたはポンプ１５に接続される。分離反応器７からのアンモニアは、アンモニア貯蔵ユニット８に移送される。分離反応器７からの未反応の窒素および水素は、アンモニア合成反応器６に循環して戻される。
【0101】
電気分解モードの間、アンモニア合成反応器６またはアンモニア合成分解反応器は、バッテリ１２から電気を受け取るように適合されてよい。
電気分解モードの間、アンモニア合成反応器６は、ソーラーＰＶモジュール１１から電気を受け取るように適合されてよい。
電気分解モードの間、アンモニア合成反応器６は、ソーラーＰＶモジュール１１から電気を受け取るように適合されてよい。
【0102】
【0103】
電力生産モード中、可逆電気化学セルシステム２は、燃料電池モードで動作する。
本発明の第１の態様による燃料電池モードでは、アンモニア貯蔵ユニット８は、アンモニアを窒素および水素に分解する可逆電気化学セルシステム２にアンモニアを供給するように適合される。
本発明の第１の態様による燃料電池モードでは、アンモニア貯蔵ユニット８は、アンモニアを窒素および水素に分解する可逆電気化学セルシステム２にアンモニアを供給するように適合される。
【0104】
燃料電池モード中、反応物として酸素を供給するために、吸気口１９ｃを介して空気が燃料電池に入る。酸素は、燃料電池を通って輸送され、水素と反応し、したがって熱および電気を発生する。窒素濃縮空気は、出口１９ｄを介して燃料電池から排出される。
【0105】
燃料電池モードでは、可逆電気化学セルシステム２によって生成された余剰熱は、熱交換器１６ｅおよび／または１６ｆによって温水タンクに伝達されてよい。
燃料電池モードでは、可逆電気化学セルシステム２によって生成された余剰熱は、熱交換器１６ｇによってアンモニア貯蔵ユニットに伝達されてよい。
燃料電池モードでは、可逆電気化学セルシステム２によって生成された余剰熱は、熱交換器１６ｇによってアンモニア貯蔵ユニットに伝達されてよい。
【0106】
燃料電池モードでは、アンモニアの分解により電力が生成される。この電力は、電気を必要とする家庭用電力系統１７に送られる。
燃料電池モードでは、アンモニアの分解により電力が生成される。この電力はアンモニア貯蔵ユニット８に伝達されてよい。
燃料電池モードでは、アンモニアの分解により電力が生成される。この電力はアンモニア貯蔵ユニット８に伝達されてよい。
【0107】
アンモニア貯蔵ユニット８からアンモニアを放出するために、アンモニア貯蔵ユニットは加熱を必要とする。
あるいは、システムがアンモニア合成分解反応器を含む第２の態様によれば、燃料電池モードにおいて、アンモニア貯蔵ユニット８は、アンモニアを窒素および水素に分解するアンモニア合成分解反応器にアンモニアを供給するように適合される。水素は、電力を生産するために燃料電池モードで動作する可逆電気化学セルシステム２に移送される。
あるいは、システムがアンモニア合成分解反応器を含む第２の態様によれば、燃料電池モードにおいて、アンモニア貯蔵ユニット８は、アンモニアを窒素および水素に分解するアンモニア合成分解反応器にアンモニアを供給するように適合される。水素は、電力を生産するために燃料電池モードで動作する可逆電気化学セルシステム２に移送される。
【0108】
電気化学セルシステム２
可逆電気化学セルシステムは、電気分解モードにおいて化学反応を引き起こすために電力を使用することができ、燃料電池モードにおいて化学反応から電力を生産するために可逆プロセスを使用することができる電気化学セルシステムである。
可逆電気化学セルシステムは、電気分解モードにおいて化学反応を引き起こすために電力を使用することができ、燃料電池モードにおいて化学反応から電力を生産するために可逆プロセスを使用することができる電気化学セルシステムである。
【0109】
燃料電池モードでは、本発明の第１の態様による電気化学セルシステム２は、ＮＨ３（アンモニア）で動作するように適合された燃料電池である。
アンモニアの分解は吸熱反応である。
アンモニアの分解は吸熱反応である。
【0110】
燃料電池モードでは、本発明の第２の態様による電気化学セルシステム２は、Ｈ２で動作するように適合された燃料電池である。
第１または第２の態様による可逆電気化学セルシステムは、電気分解モード中に水を水素と酸素に分解する電気化学セルであり、全体的な反応電位が負であるために反応が自発的ではないので、電力を必要とする。
第１または第２の態様による可逆電気化学セルシステムは、電気分解モード中に水を水素と酸素に分解する電気化学セルであり、全体的な反応電位が負であるために反応が自発的ではないので、電力を必要とする。
【0111】
典型的には、水電解ユニットに適合された電気化学セルは、電解質で分離されたアノードおよびカソードからなる。
電解質は、イオンを含有する水溶液、ＰＥＭ（プロトン交換膜）または酸素イオン交換セラミック膜から形成されてよい。
電解質は、イオンを含有する水溶液、ＰＥＭ（プロトン交換膜）または酸素イオン交換セラミック膜から形成されてよい。
【0112】
第１または第２の態様による可逆電気化学セルシステムは、電気化学セルのスタックを形成する２つ以上の可逆電気化学セルを備える。
第１または第２の態様による可逆電気化学セルシステムは、４００℃～８５０℃、好ましくは約５５０℃～７５０℃の温度範囲で動作する電気化学セルである。例えば４００℃を超える温度の高温は、燃料電池動作中のアンモニアの分解に有益である。
第１または第２の態様による可逆電気化学セルシステムは、４００℃～８５０℃、好ましくは約５５０℃～７５０℃の温度範囲で動作する電気化学セルである。例えば４００℃を超える温度の高温は、燃料電池動作中のアンモニアの分解に有益である。
【0113】
第１または第２の態様による可逆電気化学セルシステムは、４００℃～８５０℃の温度範囲で動作する電気化学セルである。温度範囲は好ましくは約５５０℃～６５０℃であり、これは電気分解モードにおける水蒸気の水素への変換に必要な電気を減少させる。
【0114】
電気化学セルシステム２は、電気化学セル材料の劣化を最小限に抑える温度で動作してよい。
第１の態様による電気化学セル２のセルは、電気化学セルシステム２が燃料電池モードで動作するときに４００℃～８５０℃の温度範囲でアンモニアをＮ２およびＨ２に分解するように適合されるとともに、電気分解モード中に水をＨ２およびＯ２に分解するように適合された金属またはセラミック支持セルであってよい。
第１の態様による電気化学セル２のセルは、電気化学セルシステム２が燃料電池モードで動作するときに４００℃～８５０℃の温度範囲でアンモニアをＮ２およびＨ２に分解するように適合されるとともに、電気分解モード中に水をＨ２およびＯ２に分解するように適合された金属またはセラミック支持セルであってよい。
【0115】
第２の態様による電気化学セル２のセルは、電気化学セルシステム２が燃料電池モードで動作するときに４００℃～８５０℃の温度範囲で電力を生産するためにＨ２を利用するように適合されるとともに、電気分解モード中に水をＨ２およびＯ２に分解するように適合された金属またはセラミック支持セルであってよい。
【0116】
第１または第２の態様による電気化学セルシステムは、大気圧で動作するように適合されてよい。
第１または第２の態様による電気化学セルシステムは、１×１０００００パスカル（１バール）～３０×１０００００パスカル（３０バール）の範囲の大気圧を超える圧力で動作するように適合されてよい。
第１または第２の態様による電気化学セルシステムは、１×１０００００パスカル（１バール）～３０×１０００００パスカル（３０バール）の範囲の大気圧を超える圧力で動作するように適合されてよい。
【0117】
第１または第２の態様による可逆電気化学セルシステム２は、可逆ＳＯＦＣ（固体酸化物燃料電池）であってよい。
ＳＯＦＣは、第１の態様ではＮＨ３等の燃料を酸化することで直接的に電気を生産する電気化学セルシステムである。燃料電池は、その電解質材料によって特徴付けられる。ＳＯＦＣは固体酸化物またはセラミック電解質を有する。
ＳＯＦＣは、第１の態様ではＮＨ３等の燃料を酸化することで直接的に電気を生産する電気化学セルシステムである。燃料電池は、その電解質材料によって特徴付けられる。ＳＯＦＣは固体酸化物またはセラミック電解質を有する。
【0118】
ＳＯＦＣは、第２の態様ではＨ２から直接的に電気を生産する電気化学セルシステムである。燃料電池は、その電解質材料によって特徴付けられる。ＳＯＦＣは固体酸化物またはセラミック電解質を有する。
【0119】
代替的には、可逆電気化学セルシステム２は、可逆ＳＯＥＣ（固体酸化物電解セル）である。
ＳＯＥＣは、余剰熱を提供するために発熱モードで動作してよい。
ＳＯＥＣは、余剰熱を提供するために発熱モードで動作してよい。
【0120】
市販のＳＯＥＣおよびＳＯＦＣが市場で入手可能である。
【0121】
【表1】
【0122】
ＳＯＣスタックの商業的供給業者の例は、Ｃｅｒｅｓ Ｐｏｗｅｒ、Ｓｕｎｆｉｒｅ、ＳＯＬＩＤｐｏｗｅｒ、Ｈａｌｄｏｒ Ｔｏｐｓｏｅ、またはＥｌｃｏｇｅｎである。
分離圧縮反応器４
分離圧縮反応器４は、高温膜反応器であってよい。
分離圧縮反応器４
分離圧縮反応器４は、高温膜反応器であってよい。
【0123】
分離圧縮反応器４は、高温電気化学水素ポンプでよい。
分離圧縮反応器４は、プロトン膜反応器に基づく高温電気化学水素ポンプでよい。
分離圧縮反応器４は、低ノイズで電気化学的に水素を分離圧縮できる反応器であってよい。
分離圧縮反応器４は、プロトン膜反応器に基づく高温電気化学水素ポンプでよい。
分離圧縮反応器４は、低ノイズで電気化学的に水素を分離圧縮できる反応器であってよい。
【0124】
分離圧縮反応器４は、水素の分離及び圧縮時に熱を発生してよい。
分離圧縮反応器４は、５００℃～８００℃の温度で動作してよい。
空気分離器３
空気分離反応器３は、高純度の窒素（Ｎ２）を得ることができる空気分離反応器である。
分離圧縮反応器４は、５００℃～８００℃の温度で動作してよい。
空気分離器３
空気分離反応器３は、高純度の窒素（Ｎ２）を得ることができる空気分離反応器である。
【0125】
空気分離反応器３は、低圧で動作してよい。
空気分離反応器３は、混合器５への少なくとも９６％の純度のＮ２を得るように適合されてよい。
空気分離反応器３は、混合器５への少なくとも９６％の純度のＮ２を得るように適合されてよい。
【0126】
空気分離反応器３は、混合器５への少なくとも９７％または９８％の純度のＮ２を得るように適合されてよい。
空気分離反応器３は、混合器５への少なくとも９９％、９９．５％、９９．６％、９９．７％、９９．８％または少なくとも９９．９％の純度のＮ２を得るように適合されてよい。
空気分離反応器３は、混合器５への少なくとも９９％、９９．５％、９９．６％、９９．７％、９９．８％または少なくとも９９．９％の純度のＮ２を得るように適合されてよい。
【0127】
空気分離器は、低温蒸留ユニット、ＰＳＡ（圧力スイング吸着）ユニット、または膜ユニットであってよい。好ましくは、空気分離器は、ＰＳＡユニットまたは膜ユニットである。より好ましくは、ＰＳＡユニットである。
【0128】
当業者は、本発明によるエネルギー生産システムでの使用に適した市販の窒素空気分離器を理解できる。
低温蒸留分離器の供給業者の例は、Ｔｈｅ Ｌｉｎｄｅ Ｇｒｏｕｐ、Ｉｍｍａｔｅｃ、Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ Ｇａｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｃ、Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ （ＰＲＩＳＭ３０３０）である。
低温蒸留分離器の供給業者の例は、Ｔｈｅ Ｌｉｎｄｅ Ｇｒｏｕｐ、Ｉｍｍａｔｅｃ、Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ Ｇａｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｃ、Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ （ＰＲＩＳＭ３０３０）である。
【0129】
アンモニア合成反応器６およびアンモニア合成分解反応器
アンモニアは、ハーバーボッシュ法によって商業的に製造される。
プロセス反応は可逆的であり、アンモニアの生成は発熱反応である。
アンモニアは、ハーバーボッシュ法によって商業的に製造される。
プロセス反応は可逆的であり、アンモニアの生成は発熱反応である。
【0130】
【化1】
【0131】
従来のハーバーボッシュ法は、典型的には、１０ＭＰａ／１００×１０００００パスカル（１００バール）を超える圧力かつ４００℃～５００℃で行われる。
小型のエネルギー生産システムのために、アンモニア合成反応器またはアンモニア合成分解反応器は、低温、例えば２５０℃～５５０℃の範囲、例えば２５０℃～３５０℃の範囲、好ましくは３５０℃～５００℃の範囲の温度で動作するように適合される。
小型のエネルギー生産システムのために、アンモニア合成反応器またはアンモニア合成分解反応器は、低温、例えば２５０℃～５５０℃の範囲、例えば２５０℃～３５０℃の範囲、好ましくは３５０℃～５００℃の範囲の温度で動作するように適合される。
【0132】
さらに、アンモニア合成反応器またはアンモニア合成分解反応器は、３ＭＰａ以下、好ましくは約１．５ＭＰａ以下の圧力で動作するように適合される。
アンモニア合成反応器またはアンモニア合成分解反応器は、動的動作条件下で動作してよい。
アンモニア合成反応器またはアンモニア合成分解反応器は、動的動作条件下で動作してよい。
【0133】
アンモニア合成反応器またはアンモニア合成分解反応器は、電力の貯蔵が必要とされない条件下で、アンモニア合成生成を増加させるために必要とされる時間を減少させるために、全容量の１０～２０％で依然として稼働していてよい。
【0134】
アンモニア分解器は、可逆プロセス下の電力生産モードにおいて、１ＭＰａ以下、例えば０．５ＭＰａ以下の圧力で動作してよい。
アンモニア分解器は、可逆プロセス下の電力生産モードで、約７００℃～約４００℃、例えば約６５０℃～約４５０℃、好ましくは約６００℃～約４５℃の温度範囲で動作してよい。
アンモニア分解器は、可逆プロセス下の電力生産モードで、約７００℃～約４００℃、例えば約６５０℃～約４５０℃、好ましくは約６００℃～約４５℃の温度範囲で動作してよい。
【0135】
アンモニア合成反応器またはアンモニア合成分解反応器の触媒は、Ｆｅ系触媒、Ｒｕ系触媒、セラミック混合酸化物系触媒またはこれらの任意の組み合わせであってよい。
周知の触媒の例は、Ｃｓ－Ｒｕ／ＭｇＯおよびＲｕ／ＡＣ（金属間合金）または水素化物もしくは窒化物もしくは代替的には三元金属化合物に基づく触媒である。
周知の触媒の例は、Ｃｓ－Ｒｕ／ＭｇＯおよびＲｕ／ＡＣ（金属間合金）または水素化物もしくは窒化物もしくは代替的には三元金属化合物に基づく触媒である。
【0136】
水素化物の例は、水素と、アルカリ水素化物およびＢａＴｉＯｘＨｙまたはペロブスカイト酸窒化物－水素化物触媒（Ｒｕ／ＢａＣｅＯ３－ｘＮｙＨｚ）上に担持された金属等の金属または半金属との組み合わせである。
【0137】
低温および低圧で高い活性を有する窒化物の例は、特にＮｉ／ＬａＮ７およびＬａＮで促進されたＲｕ／ＺｒＨ２である。
好ましくは、触媒は、還元可能または部分的に還元可能な混合酸化物担体材料上の促進金属触媒である。
好ましくは、触媒は、還元可能または部分的に還元可能な混合酸化物担体材料上の促進金属触媒である。
【0138】
担体材料は、Ｍｇ、Ｃｅ、Ｌａおよびその任意の組合せから選択されてよい。
還元可能な混合酸化物担体材料上の促進金属触媒の主な利点は、原料ガス中のＯ２またはＨ２Ｏなどの不純物に対する耐性が増大する点である。原料浄化の必要性が減少することにより、より小型のシステム設計が可能になる。触媒はまた、プロセス停止またはランプダウン中の酸化および不活性化による影響が少ないので、プロセスランプアップ中の性能のより速い回復を可能にする。これは、断続的なエネルギー源と共に使用するのに適した小型のシステム設計にとって非常に重要である。
還元可能な混合酸化物担体材料上の促進金属触媒の主な利点は、原料ガス中のＯ２またはＨ２Ｏなどの不純物に対する耐性が増大する点である。原料浄化の必要性が減少することにより、より小型のシステム設計が可能になる。触媒はまた、プロセス停止またはランプダウン中の酸化および不活性化による影響が少ないので、プロセスランプアップ中の性能のより速い回復を可能にする。これは、断続的なエネルギー源と共に使用するのに適した小型のシステム設計にとって非常に重要である。
【0139】
アンモニア合成反応器の供給業者および技術の例は、Ｓｉｅｍｅｎｓ Ｇｒｅｅｎ Ａｍｍｍｏｎｉａ、Ｓｔａｒｆｉｒｅ Ｅｎｅｒｇｙ、Ｓｏｌａｒ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｓｙｓｔｅｍ、Ｉｏｗａである。
【0140】
アンモニア分離反応器７
従来のハーバーボッシュ法では、アンモニア凝縮によって未反応原料（Ｎ２およびＨ２）からアンモニアが除去されるが、これは約１０ｍ３未満の小型システムには適していない。本エネルギー生産システムは、分離器７およびアンモニア貯蔵ユニット８の両方において、未反応原料からＮＨ３を分離するために固体吸収材を使用する。分離反応器７はまた、貯蔵ユニット８の一体化された部分であってもよい。これは、小型のシステムおよび製造コストの低下にとって有利である。
従来のハーバーボッシュ法では、アンモニア凝縮によって未反応原料（Ｎ２およびＨ２）からアンモニアが除去されるが、これは約１０ｍ３未満の小型システムには適していない。本エネルギー生産システムは、分離器７およびアンモニア貯蔵ユニット８の両方において、未反応原料からＮＨ３を分離するために固体吸収材を使用する。分離反応器７はまた、貯蔵ユニット８の一体化された部分であってもよい。これは、小型のシステムおよび製造コストの低下にとって有利である。
【0141】
選択的な固体吸収材は、合成温度付近で動作する、金属ハロゲン化物、例えば塩化カルシウムなどのアンモニア分離材料を含有してよい。この反応および吸収プロセスを用いて、アンモニアを１５～３０×１０００００パスカル（１５～３０バール）で合成することができる。速度は１００～３００×１０００００パスカル（１００～３００バール）で動作する従来のプロセスと同等である。反応－吸収プロセスにおいて、アンモニア合成の速度は、化学反応によってではなく、未反応ガスを再利用するために使用されるポンプによってより多く制御される。吸収性材料は、ＮＨ３が少量しか存在しない場合であっても、環境条件よりも上でガス流からＮＨ３を捕捉することができる。
【0142】
アンモニア分離材料は金属ハロゲン化物であってよい。
アンモニア分離反応器の金属ハロゲン化物は、一般式ＭａＸｚを有してよい。ここで、Ｍは、ＭｎおよびＭｇから選択されるカチオンであり、Ｘは、塩化物および臭化物から選択されるアニオンであり、ａは、塩分子当たりのカチオンの数であり、ｚは、塩分子当たりのアニオンの数である。
アンモニア分離反応器の金属ハロゲン化物は、一般式ＭａＸｚを有してよい。ここで、Ｍは、ＭｎおよびＭｇから選択されるカチオンであり、Ｘは、塩化物および臭化物から選択されるアニオンであり、ａは、塩分子当たりのカチオンの数であり、ｚは、塩分子当たりのアニオンの数である。
【0143】
アンモニア分離反応器の金属ハロゲン化物は、アルミナ、シリカまたはゼオライトから選択される基材によって担持されてよい。
アンモニア貯蔵ユニット８
アンモニアは、液体アンモニアと理論的に同じ体積密度で金属ハロゲン化物中に効率的に貯蔵されてよい。金属ハロゲン化物はまた、水素と窒素が結合してアンモニアを生成する反応器からアンモニアを吸収するために効果的に使用されてよい。
アンモニア貯蔵ユニット８
アンモニアは、液体アンモニアと理論的に同じ体積密度で金属ハロゲン化物中に効率的に貯蔵されてよい。金属ハロゲン化物はまた、水素と窒素が結合してアンモニアを生成する反応器からアンモニアを吸収するために効果的に使用されてよい。
【0144】
アンモニア貯蔵ユニットの金属ハロゲン化物は、一般式ＭａＸｚを有してよい。ここで、Ｍは、ＭｎおよびＭｇから選択されるカチオンであり、Ｘは、塩化物および臭化物から選択されるアニオンであり、ａは、塩分子当たりのカチオンの数であり、ｚは、塩分子当たりのアニオンの数である。
【0145】
アンモニア貯蔵ユニット８は、アンモニア分離反応器７を含んでよい。
アンモニアは、分離されて金属ハロゲン化物中に貯蔵されてよい。ハロゲン化物中のアンモニアの分離および貯蔵の例は、Ｋａｌｅ他による、ＡＣＳ Ａｐｐｌ． Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｔｅｒ．，Ｆｅｂｒｕａｒｙ ７，２０２０，ｖｏ．３，ｎｏ．３，ｐｐ．２５７６－２５８４に開示されている。
アンモニアは、分離されて金属ハロゲン化物中に貯蔵されてよい。ハロゲン化物中のアンモニアの分離および貯蔵の例は、Ｋａｌｅ他による、ＡＣＳ Ａｐｐｌ． Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｔｅｒ．，Ｆｅｂｒｕａｒｙ ７，２０２０，ｖｏ．３，ｎｏ．３，ｐｐ．２５７６－２５８４に開示されている。
【0146】
アンモニアは、加熱によって吸収剤から放出される。
制御システム
中央システムコントローラを備えるエネルギー生産システムを動作させる方法であって、
ａ．中央システムコントローラが、現在の電力生産が電力生産閾値を上回るかまたは下回るかのいずれかであることを受信する工程と
ｂ．電力生産率が電力生産閾値を上回る場合に、エネルギー生産システムを、可逆電気化学セルシステムが電気分解モードで動作するエネルギー貯蔵モードに切り替えるために、または、電力生産が電力生産閾値を下回る場合に、エネルギー生産システムを、可逆電気化学セルシステムが燃料電池モードで動作するエネルギー生産モードに切り替えるために、中央システムコントローラが信号を送信する工程と、を備える方法。
制御システム
中央システムコントローラを備えるエネルギー生産システムを動作させる方法であって、
ａ．中央システムコントローラが、現在の電力生産が電力生産閾値を上回るかまたは下回るかのいずれかであることを受信する工程と
ｂ．電力生産率が電力生産閾値を上回る場合に、エネルギー生産システムを、可逆電気化学セルシステムが電気分解モードで動作するエネルギー貯蔵モードに切り替えるために、または、電力生産が電力生産閾値を下回る場合に、エネルギー生産システムを、可逆電気化学セルシステムが燃料電池モードで動作するエネルギー生産モードに切り替えるために、中央システムコントローラが信号を送信する工程と、を備える方法。
【0147】
【表2】
【図1】
【図2】
【図3】
【国際調査報告】