(57)【要約】エネルギー貯蔵システムが開示される。特に、所望のエネルギー出力に応じて電気、過熱又は冷却を提供することができる、化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置が開示される。このエネルギー貯蔵装置は、第１の吸着剤を含む第１の化学反応容器及び第２の吸着剤を含む第２の化学反応容器を備える。第１及び第２の化学反応器は、冷媒流体が第１の化学反応器から第２の化学反応器へ及び第２の化学反応器から第１の化学反応器へ流れるように相互に流体接続される。第１及び第２の化学反応容器は第１及び／又は第２の化学反応器に熱を導入する手段又は第１及び/又は第２の化学反応器から熱を取り出す手段をさらに具備する。熱交換器モジュールも備える。熱交換器モジュールは複数の利用可能な熱源から最高温度を有する熱源を選択するように構成され、交換器モジュールを介して膨張機モジュールが前記第１の化学反応容器及び前記第２の化学反応容器に選択的に接続される。前記熱源は前記冷媒流体を該流体が前記膨張機モジュールを通過する前に加熱するように構成され、前記熱交換器は前記最高温度の熱源からの余剰熱を回収するように構成される。前記膨張機モジュールは前記冷媒流体を膨張するように構成される。 前記第１及び／又は第２の化学反応器に熱を導入する手段又は前記第１及び/又は第２の化学反応器から熱を取り出す手段は、前記膨張機モジュールと前記第１化学反応容器及び前記第２の化学反応容器との間に冷媒流体を流し、前記膨張機モジュールは、エネルギー貯蔵要求に応じて前記冷媒流体を膨張して可変の作業出力を提供するよう作動する。
2019506583.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の吸着剤を含む第１の化学反応容器及び第２の吸着剤を含む第２の化学反応容器であって、第１及び第２の化学反応器は冷媒流体が第１の化学反応器から第２の化学反応器へ及び第２の化学反応器から第１の化学反応器へ流れるように相互に流体接続され、第１及び第２の化学反応容器は第１及び／又は第２の化学反応器に熱を導入する手段又は第１及び/又は第２の化学反応器から熱を取り出す手段をさらに具備している、第１の化学反応容器及び第２の化学反応容器と、
複数の利用可能な熱源から、最高温度を有する熱源を選択するように構成された熱交換器モジュールと、
前記熱交換器モジュールを介して前記第１の化学反応容器及び前記第２の化学反応容器に選択的に接続される膨張機モジュールとを具備し、
前記熱源は前記冷媒流体を該流体が前記膨張機モジュールを通過する前に加熱するように構成され、
前記熱交換器は前記最高温度の熱源からの余剰熱を回収するように構成され、且つ前記膨張機モジュールは前記冷媒流体を膨張するように構成され、
前記第１及び／又は第２の化学反応器に熱を導入する手段又は前記第１及び/又は第２の化学反応器から熱を取り出す手段が、前記膨張機モジュールと前記第１の化学反応容器及び前記第２の化学反応容器との間に冷媒流体を流し、
前記膨張機モジュールが、エネルギー貯蔵要求に応じて前記冷媒流体を膨張して可変の作業出力を提供するよう作動する、
化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置。
前記冷媒は、アンモニア、メタノール又は蒸気のうちの１つである、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項２】
前記第１の吸着剤は塩であり、好ましくは前記第１の吸着剤は金属ハロゲン化物である、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項３】
前記塩は金属硫化物又は金属硫酸塩である、請求項２に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項４】
前記第１の吸着剤は、ＮｉＣｌ２、ＣａＣｌ２、ＳｒＣｌ２、ＦｅＣｌ３、ＺｎＣｌ２、ＭｇＣｌ２、ＭｇＳＯ４、及びＭｎＣｌ２から成る群から選択される、請求項１−３の何れかに記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項５】
前記第２の吸着剤は塩であり、好ましくは第２の吸着剤は金属塩である、請求項１記載に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項６】
前記塩は金属ハロゲン化物である、請求項５に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項７】
前記塩は金属硫化物である、請求項５又は６に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項８】
前記塩は金属硫酸塩である、請求項５又は６に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項９】
前記第２の吸着剤は、ＣａＣｌ２、ＳｒＣｌ２、ＢａＣｌ２、ＮａＢｒ、ＮＨ４Ｃｌ、ＰｂＣｌ２、ＬｉＣｌ及びＮａ２Ｓから成る群から選択される、請求項１−８の何れかに記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項１０】
前記冷媒流体はアンモニア、メタノール、及び蒸気からなる群から選択される、請求項１−９の何れかに記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項１１】
第１の態様によるエネルギー貯蔵システムを作動させる方法であって、該方法は、
第１の吸着剤を含む第１の化学反応容器及び第２の吸着剤を含む第２の化学反応容器であって、第１及び第２の化学反応器は冷媒流体が第１の化学反応器から第２の化学反応器へ及び第２の化学反応器から第１の化学反応器へ流れるように相互に流体接続され、第１及び第２の化学反応容器は第１及び／又は第２の化学反応器に熱を導入する手段又は第１及び/又は第２の化学反応器から熱を取り出す手段をさらに具備している、第１の化学反応容器及び第２の化学反応容器を設けるステップ、
複数の利用可能な熱源から、最高温度を有する熱源を選択するように構成された熱交換器モジュールを設けるステップ、
膨張機モジュールを前記第１の化学反応容器及び第２の化学反応容器に前記熱交換器モジュールを介して選択的に接続するステップ、
選択した前記最高温度の熱源によって前記冷媒流体を加熱し、前記冷媒流体を前記膨張機モジュールに通すステップ、
前記最高温度の熱源からの余剰熱を回収するステップ、及び
前記冷媒流体を前記膨張機モジュールにより膨張させるステップを含み、
前記第１及び／又は第２の化学反応器に熱を導入する手段又は前記第１及び/又は第２の化学反応器から熱を取り出す手段が、前記膨張機モジュールと前記第１及び第２の化学反応容器との間に冷媒流体を流し、前記膨張機モジュールが、エネルギー貯蔵要求に応じて前記冷媒流体を膨張して可変の作業出力を提供するよう動作する、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー貯蔵システムに関する。特に、本発明は、所望のエネルギー出力に応じて、電気、加熱又は冷却を提供することが可能な化学吸着に基づくエネルギー貯蔵システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料への依存性を低くし、且つ、エネルギー出力が、エネルギーの需要よりも、天候に左右されるエネルギー源が生産するエネルギーを貯蔵する能力を高めるためにも、エネルギー貯蔵の開発は必要である。風及び波浪のようなエネルギー源は、夜間のようにエネルギー需要が低い場合は、エネルギー供給過剰になるので、エネルギー需要が高くなるまで、過剰エネルギーを貯蔵する必要がある。
【０００３】
現在、エネルギーの貯蔵には幾つかのタイプがある。然しながら、これら従来のタイプの多くは、設備費が天文学的数字になるか、又は装置全体の大きさが、建設が困難なほど大きくなるので、必要なエネルギー貯蔵量が限定される。従来の圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）は、約１０〜３００メガワット級のグリッド・スケールエネルギー貯蔵のような、大容量エネルギー貯蔵に有用である。たとえば、グリッドと接続した集合型風力発電所と組み合わせたＣＡＥＳシステムは、集合型風力発電所が生産したエネルギーをグリッドに供給する必要が無い場合は、空気を圧縮し、圧縮した空気を不浸透性の貯蔵庫に貯蔵することにより、地下に貯蔵することができる。エネルギー需要が大きくなったとき、不浸透性の貯蔵庫内の圧縮空気を放出し、発電するために使用する。従来のＣＡＥＳシステムは、特別な地質学的条件を必要とするので、ＣＡＥＳを設置する場所が限定されている。
【０００４】
特許文献１は、吸着量増加型圧縮空気エネルギーシステムを開示している。この吸着量増加型圧縮空気エネルギーシステムは、貯蔵容器が、炭素、シリカゲル、又はゼオライトのような多孔質材を備えている。この場合、吸着層の密度が、自由ガスより高いので、必要な貯蔵タンクの容量を小さくすることができ、多孔質材の存在により、圧縮ガスを容易に貯蔵することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ２０１０/１３８６７７
【発明の概要】
【０００６】
第１の態様によれば、化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置が提供され、該エネルギー貯蔵装置は、
第１の吸着剤を含む第１の化学反応容器及び第２の吸着剤を含む第２の化学反応容器であって、第１及び第２の化学反応器は冷媒流体が第１の化学反応器から第２の化学反応器へ及び第２の化学反応器から第１の化学反応器へ流れるように相互に流体接続され、第１及び第２の化学反応容器は第１及び／又は第２の化学反応器に熱を導入する手段又は第１及び/又は第２の化学反応器から熱を取り出す手段をさらに具備している、第１の化学反応容器及び第２の化学反応容器と、
複数の利用可能な熱源から、最高温度を有する熱源を選択するように構成された熱交換器モジュールと、
前記熱交換器モジュールを介して前記第１の化学反応容器及び前記第２の化学反応容器に選択的に接続される膨張機モジュールとを具備し、
前記熱源は前記冷媒流体を該流体が前記膨張機モジュールを通過する前に加熱するように構成され、
前記熱交換器は前記最高温度の熱源からの余剰熱を回収するように構成され、且つ前記膨張機モジュールは前記冷媒流体を膨張するように構成され、
前記第１及び／又は第２の化学反応器に熱を導入する手段又は前記第１及び/又は第２の化学反応器から熱を取り出す手段が、前記膨張機モジュールと前記第１化学反応容器及び前記第２の化学反応容器との間に冷媒流体を流し、
前記膨張機モジュールが、エネルギー貯蔵要求に応じて前記冷媒流体を膨張して可変の作業出力を提供するよう作動する。
【０００７】
冷媒流体は、第１又は第２の吸着剤がシステムの圧力である作動圧力における第１又は第２の吸着剤−冷媒反応の平衡温度より低い温度を受けるとき、第１又は第２の吸着剤に吸着される。冷媒流体は、第１又は第２の吸着剤が作動圧力における第１又は第２の吸着剤の平衡温度より高い温度を受けるとき、第１又は第２の吸着剤から脱着される。
【０００８】
第１の吸着剤は、ヒートシンク温度が固定である場合、熱源温度の所定の範囲に対応する第１の最適脱着温度範囲を有する。
【０００９】
第２の吸着剤は、ヒートシンク温度が固定である場合、熱源温度の所定の範囲に対応する第２の最適脱着温度範囲を有する。
【００１０】
最高温度熱源が第１の化学反応器の第１の最適脱着温度より高い温度又は第２の化学反応器の第２の最適脱着温度より高い温度を有するとき、余剰熱が存在する。
【００１１】
第１及び第２の最適脱着温度範囲は異なってよい。
【００１２】
第１及び第２の最適脱着温度範囲は部分的にオーバラップしてよい。
【００１３】
第１及び第２の最適脱着温度範囲はほぼ同じであってよい。
【００１４】
熱源温度が第１化学反応器の最適脱着温度より高い又は第２の化学反応器の最適脱着温度より高い場合には、熱交換器が最高温度熱源から余剰熱を回収する。
【００１５】
第１及び第２の吸着剤に対する第１及び第２の最適脱着温度範囲を特定することによって、システムの発電、熱効率及びエネルギー効率が改善される。
【００１６】
第１の吸着剤に熱を導入する手段が所定の作動圧力において第１の吸着剤を第１の吸着剤−冷媒反応の第１の平衡温度より高い温度に加熱すると同時に、第２の吸着剤から熱を取り出す手段が所定の作動圧力において第２の吸着剤を第２の吸着剤−冷媒反応の第２の平衡温度より低い温度に冷却する場合には、冷媒流体が第１の吸着剤から脱着され、第２の吸着剤へと流れ、第２の吸着剤に吸着される。
【００１７】
第２の吸着剤に熱を導入する手段が所定の作動圧力において第２の吸着剤を第２の吸着剤−冷媒反応の第２の平衡温度より高い温度に加熱すると同時に、第１の吸着剤から熱を取り出す手段が所定の作動圧力において第１の吸着剤を第１の吸着剤−冷媒反応の第１の平衡温度より低い温度に冷却する場合には、冷媒流体が第２の吸着剤から脱着され、第１の吸着剤へと流れ、第１の吸着剤に吸着される。
【００１８】
システムが廃熱を連続的に回収することができるように熱交換器を設けることによって、機械的エネルギーが一つの完全サイクル中に効率的に連続的に発生されると同時に冷却又は加熱が提供されるようにすることもできる。
【００１９】
必要に応じ、第１の吸着剤は塩、例えば金属塩としてよい。塩は冷媒流体と配位結合を形成し得る塩、例えばアンモニア、メタノール又は蒸気、から選択してよい。塩は金属ハロゲン化物、例えば金属塩化物又は金属臭化物、としてもよい。金属ハロゲン化物塩は冷媒流体がアンモニア、メタノール又は蒸気であるシステムに適している。
【００２０】
塩は金属硫化物でもよい。金属硫化物塩は冷媒流体が蒸気であるシステムに適している。
【００２１】
塩は金属硫酸塩でもよい。金属硫酸塩は冷媒流体がアンモニア又は蒸気であるシステムに適している。
【００２２】
塩は、ＮｉＣｌ２、ＣａＣｌ２、ＳｒＣｌ２、ＦｅＣｌ２、ＦｅＣｌ３、ＺｎＣｌ２、ＭｇＣｌ２、ＭｇＳＯ４、及びＭｎＣｌ２から成る群から選択してもよい。
【００２３】
必要に応じ、第２の吸着剤は塩、例えば金属塩としてよい。塩は冷媒流体と配位結合を形成し得る塩、例えばアンモニア、メタノール又は蒸気、から選択してよい。
【００２４】
塩は金属ハロゲン化物、例えば金属塩化物又は金属臭化物、としてもよい。金属ハロゲン化物塩は冷媒流体がアンモニア、メタノール又は蒸気であるシステムに適している。
【００２５】
塩は金属硫化物としてもよい。金属硫化物塩は冷媒流体が蒸気であるシステムに適している。
【００２６】
塩は金属硫酸塩としてもよい。金属硫酸塩は冷媒流体がアンモニア又は蒸気であるシステムに適している。
【００２７】
塩は、ＣａＣｌ２、ＳｒＣｌ２、ＢａＣｌ２、ＢａＮｒ、ＮＨ４Ｃｌ、ＰｂＣｌ２、ＬｉＣｌ、及びＮａ２Ｓから成る群から選択してもよい。
【００２８】
第１の吸着剤及び第２の吸着剤が、冷媒流体が第１及び第２の吸着剤に吸着し得るように冷却流体と相互作用するならば、第１及び第２の吸着剤は同じ種類（例えば両方とも金属ハロゲン化物）としても、又は塩の混合物（例えば、金属ハロゲン化物と金属硫化物の混合物）としてもよい。塩の選択は互換性にすべきであり、各塩の第１及び第２の平衡温度は互換可能にすべきである。従って、システムの更なる利点は、異なる温度範囲内で冷却及び加熱出力可能な多くの作業ペアが存在し、よってエネルギー貯蔵システムは異なる温度で作動する作動塩ペアを含むことができ、システムの有用性を更に拡大することにある。
【００２９】
必要に応じ、冷媒はアンモニアでもよい。
【００３０】
アンモニアは湿流体であり、よって発電用の作動流体として理想的でない。しかしながら、吸着熱力学に基づいて、熱交換器はシステム内の廃熱源のより良い管理及び有効利用を可能にし、サイクル熱及びエネルギー効率の大幅な改善ももたらすことができる。
【００３１】
熱交換器を組み込み、第１及び第２の最適脱着温度を特定することによって、如何なる余剰熱も熱交換器に印加することができる。更に、熱交換器は全サイクルに亘り提供されるため、システムの全サイクルの効率が改善される。
【００３２】
必要に応じ、冷媒はメタノールとしてもよい。
【００３３】
必要に応じ、冷媒は蒸気としてもよい。
【００３４】
アンモニア、メタノール及び蒸気等の冷媒は、低減された又はゼロのオゾン層破壊力（ＯＤＰ）及び地球温暖化能力（ＧＷＰ）を有するため、本エネルギー貯蔵システムで使用されるこのような冷媒を備えるエネルギー貯蔵システムは環境的にもっと有害な冷媒を使用する既存のエネルギー貯蔵システムよりも有利である。脱着−再加熱プロセスの原理は、様々な熱源状態下での第１の吸着剤及び第２の吸着剤の最適脱着点の特定に依存する。熱交換機は、作業出力を増大する間、利用可能な様々な熱源温度レベルの熱エネルギーのシステム管理を可能にする。
【００３５】
第２の態様によれば、第１の態様によるエネルギー貯蔵システムを作動させる方法が提供され、前記方法は、
第１の吸着剤を含む第１の化学反応容器及び第２の吸着剤を含む第２の化学反応容器であって、第１及び第２の化学反応器は冷媒流体が第１の化学反応器から第２の化学反応器へ及び第２の化学反応器から第１の化学反応器へ流れるように相互に流体接続され、第１及び第２の化学反応容器は第１及び／又は第２の化学反応器に熱を導入する手段又は第１及び/又は第２の化学反応器から熱を取り出す手段をさらに具備している、第１の化学反応容器及び第２の化学反応容器を設けるステップ、
複数の利用可能な熱源から、最高温度を有する熱源を選択するように構成された熱交換器モジュールを設けるステップ、
膨張機モジュールを前記第１の化学反応容器及び第２の化学反応容器に前記熱交換器モジュールを介して選択的に接続するステップ、
前記冷媒流体を選択した前記最高温度の熱源によって加熱し、前記冷媒流体を前記膨張機モジュールに通すステップ、
前記最高温度の熱源からの余剰熱を回収するステップ、及び
前記冷媒流体を前記膨張機モジュールにより膨張させるステップを含み、
前記第１及び／又は第２の化学反応器に熱を導入する手段又は前記第１及び/又は第２の化学反応器から熱を取り出す手段が、前記膨張機モジュールと前記第１及び第２の化学反応容器との間に冷媒流体を流し、前記膨張機モジュールが、エネルギー貯蔵要求に応じて前記冷媒流体を膨張して可変の作業出力を提供するよう動作する。
【００３６】
本発明の実施形態は添付図面を参照して以下で更に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】エネルギー貯蔵システムにおいて機械的作業出力を提供するための第１の半サイクルの第１の例を示す。
【図２】エネルギー貯蔵システムにおいて機械的作業出力を提供するための第２の半サイクルの一例を示す。
【図３】機械的作業出力を提供するための第２の半サイクルの一例を示す。
【図４】機械的作業出力と冷却を提供するための第２の半サイクルの一例を示す。
【図５】ヒートシンク温度が２５℃のときの、異なる塩ペアに関する異なる熱源温度の条件下での脱着−再加熱プロセスの作業出力のシミュレーション結果を示す。ヒートシンク温度が２５℃のときの、異なる熱源温度の条件下での脱着−再加熱プロセスの作業出力：（ａ）ＭｎＣｌ２−ＮａＢｒペア、第１の塩の最適脱着温度；（ｂ）ＭｎＣｌ２−ＮａＢｒペア、第２の塩の最適脱着温度；（ｃ）ＭｎＣｌ２−ＣａＣｌ２ペア、第１の塩の最適脱着温度；（ａ）ＭｎＣｌ２−ＣａＣｌ２ペア、第２の塩の最適脱着温度；が示されている。
【図６】例えば、ＭｎＣｌ２−ＣａＣｌ２の塩ペアを用いるエネルギー貯蔵システムにおける熱化学発電の理想的な熱力学サイクル及びアンモニアベースのランキンサイクルの理想的な熱力学サイクルをアンモニアの温度対エントロピーの図で示す。
【図７】吸収発電サイクルにおける脱着−膨張プロセスの理想的な理論的分析を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
多くの場合、廃熱のいくつかの熱源又は熱流は産業プロセスで利用可能である。熱源は異なる温度を有する場合が多い。熱源はエネルギー貯蔵システムのために第１及び第２化学反応器に対する最適脱着温度に基づいて配置し選択することができる。
【００３９】
エネルギー貯蔵システムは、第１の吸着剤を含む第１の化学反応器を備え、第１の吸着剤は所定の作動圧力で冷媒流体との化学反応の平衡温度より低い温度を受けるとき冷媒流体を吸着することができる。温度が第１の平衡温度より高い場合には、冷媒流体は第１の化学反応器から脱着する。
【００４０】
第２の吸着剤を含む第１の化学反応器を備え、第２の吸着剤は所定の作動圧力で冷媒流体との反応の平衡温度より低い温度を受けるとき冷媒流体を吸着することができる。温度が第２の平衡温度より高い場合には、冷媒流体は第２の化学反応器から脱着する。
【００４１】
エネルギー貯蔵システムは熱源にアクセスでき、或いは冷却を必要とする物体にアクセスできる。
【００４２】
エネルギー貯蔵システムは更に、熱交換機モジュールを介して第１の化学反応器及び第２の化学反応器に選択的に接続される膨張機モジュールを含む。膨張機モジュールは冷媒流体を膨張させて機械的作業出力を発生するように構成される。冷媒流体、例えばアンモニア等、は膨張機モジュールと第１及び第２の化学反応機との間で流れる。膨張機モジュールはエネルギー貯蔵要求に応じて冷媒流体を膨張させて可変の作業出力を提供することができる。
【００４３】
図１は、エネルギー貯蔵システムの第１の半サイクルの一例を示す。本出願人は、第１及び第２の化学反応器を備える図１〜図４に示されるようなエネルギー貯蔵システムは、熱源、ヒートシンク及び作動圧力の所定の状態の下で、第１の化学反応容器が第１の最適脱着温度範囲を有し、第２の化学反応器が第２の最適脱着温度範囲を有し、それによって第１又は第２の化学反応器から脱着される冷媒流体が最大の機械的作業出力を発生でき、改善されたエネルギー効率をもたらすことを確かめた。第１の半サイクル及び第２の半サイクルに熱交換器を組み込むことによって（例えば図１〜図４参照）、いくつかの熱源をエネルギー貯蔵システム内で効率的に利用することができる。
【００４４】
最適脱着温度は利用可能な熱源と同じ温度であってよく、また最適脱着温度は利用可能な熱源の温度より高くても、低くてもよい。
【００４５】
最大の発電を得るために最適脱着温度が化学反応器に対して特定される。第１の半サイクルにおいて、熱が第１の化学反応器にて第１の化学反応器の最適脱着温度Ｔｓ１でシステムに導入される。アンモニアが第１の化学反応器から最適脱着温度Ｔｓ１で脱着され、次いでより高い温度の熱源によって熱交換機で再加熱され、その後冷媒流体が膨張されて機械エネルギーを発生する。アンモニアは膨張された後第２の化学反応器に吸着される。
【００４６】
図２はエネルギー貯蔵システムの第２の半サイクルの一例を示す。図１に示す第１の半サイクルと結合され、この配置は連続発電及びバッチ熱変換を完全サイクルで提供するように構成される。
【００４７】
第２の化学反応器が第２の最適脱着温度で加熱され、その結果アンモニアが第２の反応器から脱着される。脱着されたアンモニアは熱交換器を通過し、その後膨張機に同伴され、膨張して機械エネルギーを発生する。膨張機から排出されたアンモニアは第１の化学反応器に吸着される。膨張機から排出されたアンモニアは高温及び高圧であり、よって第１の化学反応器内にはアンモニア吸着の大きな潜在能力が存在するため、利用可能な熱源の温度より高い温度に高められた熱を発生する。
【００４８】
図３は、図１に示す第１の半サイクルと結合すると、連続最適発電を完全サイクルで提供する、エネルギー貯蔵システムの代替動作を示す。第２の化学反応器が第２の最適脱着温度で加熱されるため、アンモニアが第２の化学反応器から脱着される。脱着されたアンモニアはその後熱源により熱交換器によってもっと高い温度まで再加熱される。脱着されたアンモニアは膨張して機械エネルギーを発生し、その後第１の化学反応器に吸着される。第１の化学反応器から放出される吸着熱は周囲環境に放出されて熱源を提供するか、冷却器シンクに放出される。
【００４９】
図４は、図１に示す第１の半サイクルと結合すると、連続最適発電及びバッチ冷却を完全サイクルで提供する、エネルギー貯蔵システムの他の代替動作を示す。第２の化学反応器は冷却すべき物体から第２の最適脱着温度で熱を抽出し、それによって物体に対して冷却効果を発生する。いくつかの吸着金属塩の作動ペアに対して、膨張機による作業出力を最大にするために特定される最適脱着温度は追加の冷却効果を発生するのに十分な低さになることもある。
【００５０】
例えば、ＭｎＣｌ２（第１の化学反応器）とＮｂＢｒ（第２の化学反応器）の金属塩ペアを使用すると、第１の半サイクル及び第２の半サイクルにおける作業出力対脱着温度はそれぞれ図５（ａ）及び図５（ｂ）に示される。図は、異なる廃熱源温度に応じて、所定の温度点でピークを示す。図５（ｂ）のピーク温度点は第２の化学反応器の最適脱着温度を示し、周囲温度（図５に垂直破線として示されている）より低い。これは冷却発生の潜在能力を示す。「基本プロセス」として示される赤色曲線は、従来システム（本願明細書の背景技術の項に記載したＴＲ−ＣＡＳＥシステム）の発電を示す。
【００５１】
図４に示す第２の半サイクルの例に戻り参照すると、第２の化学反応器内のアンモニアの脱着後に、脱着されたアンモニアは利用可能な廃熱により加熱され、その後アンモニアは膨張機を通過して機械エネルギーを発生する。吸着熱は第１の化学反応器から開放され、周囲環境に又は冷却器シンクに放出される。
【００５２】
第１の化学反応器は高温塩化学反応器とみなすことができ、第２の化学反応器は低温塩化学反応器とみなすことができる。
【００５３】
脱着及び再加熱プロセスは、最初に、熱源及びヒートシンクの所定の条件下で第１及び第２の化学反応器の第１および第２の最適脱着温度を特定することによって最適に行うことができる。場合によっては、ある温度の１つの熱源が存在するのみであり、その場合にはエネルギー貯蔵システムはそのままこの単一熱源を熱交換装置で使用することができ、例えばこの熱源は最初に熱交換機を再加熱し、その後熱交換機からの排出熱がアンモニアの脱着を生起するために化学反応器に使用されるようにし得る。代わりに、熱源流体の流量又は熱交換機を通過する熱交換流体の流量を制御することによって所要の温度レベルを達成することもできる。更に、最適脱着温度が周囲温度より低い場合には、冷却を図４に示すように達成することもできる。
【００５４】
図６は、作動流体としてアンモニアを用いる複数の例の理想的な熱力学サイクルをランキンサイクルを含む温度対エントロピーの図で示す。ランキンサイクル（トラック１”−２”−３”−４”−５”として示される）において、２”−３”は過熱プロセス（８０℃から１００℃まで）を示し、３”−４”は等エントロピー膨張である。アンモニアは湿流体であり、過熱されたアンモニア蒸気の熱力学状態はまだ飽和状態に近いため、蒸気膨張は制限され、制限された作業出力を生じる。
【００５５】
ＭｎＣｌ２−ＣａＣｌ２ペアを用いる再加熱プロセス無しの熱化学発電サイクルはトラック１−２−３−４−５−６として示され、ＭｎＣｌ２アンモニア化物の脱着温度が１００℃である（例えば、１００℃は利用可能な最高熱源温度である）とき、１−２プロセスは等エントロピー膨張である。ＭｎＣｌ２アンモニア化物の最適脱着温度は利用可能な最高熱源温度（１００℃）と同じであるため、この第１の半サイクルにおいて再加熱は行われない。２−３プロセスはＣａＣｌ２反応器内の等エントロピー膨張を示す。第２の半サイクルにおいて、ＣａＣｌ２アンモニア化物の脱着温度が１００℃で、再加熱なしであれば、４−５プロセスは等エントロピー膨張を示し、５−６プロセスはＭｎＣｌ２反応器内の等エントロピー吸着を示す。ＭｎＣｌ２−ＣａＣｌ２ペアを用いる再加熱プロセス有りの熱化学発電サイクルはトラック１−２−３−４’−５’−６’として示される。本例におけるＣａＣｌ２アンモニア化物の最適脱着温度は利用可能な最高熱源温度（１００℃）より低いため、この第２の半サイクルにおいて再加熱プロセス（４’−５’）が導入される場合、例えば脱着温度が８０℃のとき、再加熱温度を１００℃にすると、作業出力は（５’−６’）に増加し、（４−５）より高くなり、（３”−４”）より大幅に高くなる。塩とアンモニアとの間の化学反応の平衡状態は飽和状態から遠く離れるため、流体膨張の潜在能力は大きくなる。熱化学発電に関して２つの制限因子、飽和状態と背圧（反対側の吸着圧力）、があるため、これらの２つの因子のバランスが最大作業出力のための異なる最高熱源温度に対応する脱着温度の最適状態をもたらす。
【００５６】
一例において、作業ペアＭｎＣｌ２−ＮａＢｒを使用し、ヒートシンク温度は２５℃である場合、第１の吸着剤（ＭｎＣｌ２）に対する第１の最適温度は、熱源温度が１４０℃から２６０℃であるとき、１４０℃から２１０度の範囲であり、第２の吸着剤（ＮａＢｒ）に対する第２の最適温度は、熱源温度が４０℃から１８０℃であるとき、−２０℃から９度の範囲である。
【００５７】
別の例において、作業ペアＭｎＣｌ２−ＣａＣｌ２を使用し、ヒートシンク温度は２５℃である場合、第１の吸着剤（ＭｎＣｌ２）に対する第１の最適温度は、熱源温度が１４０℃から２６０℃であるとき、１２０℃から１７０℃の範囲であり、第２の吸着剤（ＣａＣｌ２）に対する第２の最適温度は、熱源温度が４０℃から１８０℃であるとき、１４℃から４５℃の範囲である。
【００５８】
発電のためには、吸着剤ペアは２つの同じ塩からなるペア、例えばＣａＣｌ２−ＣａＣｌ２ペア、ＭｎＣｌ２−ＭｎＣｌ２ペア等、とし得るが、冷却及び加熱のためには、２つの異なる塩からなるペア、例えばＭｎＣｌ２−ＣａＣｌ２ペア、ＭｎＣｌ２−ＮａＢｒペア等、としなければならないことに留意すべきである。
【００５９】
吸着サイクルにおける蒸気等エントロピー膨張は２つの因子で制限される。第１の制限因子は作動流体（例えばＮＨ３）の飽和状態であり、他の制限因子は塩アンモニア化物吸着の平衡圧力に関連する膨張背圧である。
【００６０】
図７は、エネルギー貯蔵システムにおいてＭｎＣｌ２−ＮａＢｒ作業ペアを用いる吸着サイクルを示す。図７は第１の半サイクルの理想的な論理的分析を示し、ＣａＣｌ２が第１の吸着剤（又は高温度塩、ＨＴＳ）であり、ＮａＢｒが第２の吸着剤（低温度塩、ＬＴＳ）である。上述した制限因子のために、膨張状態は図７のグラフに灰色で示す領域に限られ、この領域はヒートシンク温度（本例では２５℃と仮定されている）におけるＮＨ３飽和線の右側でＮａＢｒアンモニア化物の吸着平衡圧力線より上の領域である。
【００６１】
これは、膨張排気は気相にとどまり、且つ背圧より高い圧力にあることを意味する。
【００６２】
約１２０℃の温度の熱源がＣａＣｌ２アンモニア化物を加熱するために使用されるとき（これは利用可能な最高温度熱源であるものとする）、ＣａＣｌ２から脱着されたアンモニアの蒸気膨張が図７に示す点１の平衡状態から始まる。等エントロピー膨張曲線１−２は、１２０℃熱源が脱着に直接使用されるときの作業生成の理想的な最大潜在能力を示す。
【００６３】
脱着のためにより低い温度（＜１２０℃）を用い、その後脱着された蒸気を１２０℃熱源でより高い温度レベルに等圧的に再加熱することによって再加熱プロセスを導入する場合、蒸気膨張からの最終作業出力は変化する。図７に再加熱の３つの例が示され、これらの例において本出願人は異なる脱着温度を使用したが、同じ再加熱温度を使用した。曲線１'−２'−３'は１１０℃における脱着及び１２０℃における再加熱プロセスを示し、曲線１”−２”−３”は８５℃における脱着及び１２０℃における再加熱プロセスを示し、曲線１’”−２’”−３’”は７０℃における脱着及び１２０℃における再加熱プロセスを示す。
【００６４】
膨張潜在能力は（１'−２'−３'）＞（１”−２”−３”）＞（１−２）＞（１’”−２’”−３’”）の順番であることあきらかである。吸収プロセス及び等エントロピー膨張の熱力学的平衡に基づく計算に基づいて、本出願人は、脱着温度に対する膨張作業出力の変動プロファイルはピーク形曲線（図５に示される）になることを確かめた。作業出力は初めに、脱着温度が減少するにつれて増加し、所定の脱着温度でその頂点に達する。その後、膨張作業出力は脱着温度が更に減少するにつれて減少し始める。それゆえ、再加熱処理が適用される場合、吸収プロセスにおける上述した２つの制限因子をバランスさせる結果として最大作業出力のための最適脱着温度が得られる。
【００６５】
別の例では、利用可能な熱源が最適脱着温度に等しい温度を有する場合には、再加熱が適用され、脱着温度が減少する場合に作業出力の単調な減少傾向が生じる。最適点を特定する方法はいずれの場合にも適用でき、エネルギー貯蔵システムの最適性能を特定するために必要である。
【００６６】
上述した実施形態のいくつかに関して記載した特徴は、異なる実施形態の間で相互に交換可能に適用できることは、当業者にとっては明らかである。上述した実施形態は本発明の種々の特徴を記載した例である。
【００６７】
本明細書の詳細な説明及び請求の範囲を通じて、用語「備える」及び「含む」及びそれらの活用形は「含むが〜〜〜に限定されない」ことを意味し、他の部分、添加剤、構成要素、整数又はステップを排除する意図はなく、それらを排除しない。本明細書の詳細な説明及び請求の範囲を通じて、単数は、特段の断りが無い限り、複数を包含する。特に、不定冠詞を使用している場合は、本明細書は、特段の断りが無い限り、単数のみならず複数も意図していると理解されるべきである。
【００６８】
本発明の特定の態様、実施形態又は例と関連して記載された特徴、整数、特性、化合物、化学成分又は基は、非互換性でない限り、本明細書に記載されている他の態様、実施形態又は例に適用することができる。本明細書（添付請求の範囲、要約及び図面を含む）に記載された特徴の総て、及び／又は開示された任意の方法又はプロセスのステップの総ては、かかる特徴及び／又はステップの少なくとも幾つかが相互に排他的でない限り、任意に組み合わせることが可能である。本発明は、前述した実施形態の詳細に限定されない。本発明は、本明細書（添付の請求の範囲、図面及び要約書を含む）に開示された特徴の新規な特徴、又はその新規な組み合わせ、又は同様に開示された方法又はプロセスのステップの新規なステップ又はその新規な組み合わせに、拡張することが可能である。
【００６９】
読者の注意は、本出願に関する明細書と同時に又はそれより前に提出され、かつ公衆審査のために公開される全ての論文及び書類に向けられるべきであり、かかる全ての論文及び書類の内容は、本明細書の一部を構成するものとして援用される
【図１】
2019506583.tif 000003
【図２】
2019506583.tif 000004
【図３】
2019506583.tif 000005
【図４】
2019506583.tif 000006
【図５】
2019506583.tif 000007
【図６】
2019506583.tif 000008
【図７】
2019506583.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成30年9月20日(2018.9.20)
【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】
第１の吸着剤を含む第１の化学反応容器及び第２の吸着剤を含む第２の化学反応容器であって、第１及び第２の化学反応器は冷媒流体が第１の化学反応器から第２の化学反応器へ及び第２の化学反応器から第１の化学反応器へ流れるように相互に流体接続され、第１及び第２の化学反応容器は第１及び／又は第２の化学反応器に熱を導入する手段又は第１及び/又は第２の化学反応器から熱を取り出す手段をさらに具備している、第１の化学反応容器及び第２の化学反応容器と、
複数の利用可能な熱源から、最高温度を有する熱源を選択するように構成された熱交換器モジュールと、
前記熱交換器モジュールを介して前記第１の化学反応容器及び前記第２の化学反応容器に選択的に接続される膨張機モジュールとを具備し、
前記熱源は前記冷媒流体を該流体が前記膨張機モジュールを通過する前に加熱するように構成され、
前記熱交換器は前記最高温度の熱源からの余剰熱を回収するように構成され、且つ前記膨張機モジュールは前記冷媒流体を膨張するように構成され、
前記第１及び／又は第２の化学反応器に熱を導入する手段又は前記第１及び/又は第２の化学反応器から熱を取り出す手段が、前記膨張機モジュールと前記第１の化学反応容器及び前記第２の化学反応容器との間に冷媒流体を流し、
前記膨張機モジュールが、エネルギー貯蔵要求に応じて前記冷媒流体を膨張して可変の作業出力を提供するよう作動する、
化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置。
【請求項２】
前記冷媒は、アンモニア、メタノール又は蒸気のうちの１つである、請求項１に記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項３】
前記第１の吸着剤は塩であり、好ましくは前記第１の吸着剤は金属ハロゲン化物である、請求項１又は２に記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項４】
前記塩は金属硫化物又は金属硫酸塩である、請求項３に記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項５】
前記第１の吸着剤は、ＮｉＣｌ２、ＣａＣｌ２、ＳｒＣｌ２、ＦｅＣｌ３、ＺｎＣｌ２、ＭｇＣｌ２、ＭｇＳＯ４、及びＭｎＣｌ２から成る群から選択される、請求項１−４の何れかに記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項６】
前記第２の吸着剤は塩であり、好ましくは第２の吸着剤は金属塩である、請求項１記載に記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項７】
前記塩は金属ハロゲン化物である、請求項６に記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項８】
前記塩は金属硫化物である、請求項６又は７に記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項９】
前記塩は金属硫酸塩である、請求項６又は７に記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項１０】
前記第２の吸着剤は、ＣａＣｌ２、ＳｒＣｌ２、ＢａＣｌ２、ＮａＢｒ、ＮＨ４Ｃｌ、ＰｂＣｌ２、ＬｉＣｌ及びＮａ２Ｓから成る群から選択される、請求項１−９の何れかに記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項１１】
前記冷媒流体はアンモニア、メタノール、及び蒸気からなる群から選択される、請求項１−１０の何れかに記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項１２】
第１の態様によるエネルギー貯蔵システムを作動させる方法であって、該方法は、
第１の吸着剤を含む第１の化学反応容器及び第２の吸着剤を含む第２の化学反応容器であって、第１及び第２の化学反応器は冷媒流体が第１の化学反応器から第２の化学反応器へ及び第２の化学反応器から第１の化学反応器へ流れるように相互に流体接続され、第１及び第２の化学反応容器は第１及び／又は第２の化学反応器に熱を導入する手段又は第１及び/又は第２の化学反応器から熱を取り出す手段をさらに具備している、第１の化学反応容器及び第２の化学反応容器を設けるステップ、
複数の利用可能な熱源から、最高温度を有する熱源を選択するように構成された熱交換器モジュールを設けるステップ、
膨張機モジュールを前記第１の化学反応容器及び第２の化学反応容器に前記熱交換器モジュールを介して選択的に接続するステップ、
選択した前記最高温度の熱源によって前記冷媒流体を加熱し、前記冷媒流体を前記膨張機モジュールに通すステップ、
前記最高温度の熱源からの余剰熱を回収するステップ、及び
前記冷媒流体を前記膨張機モジュールにより膨張させるステップを含み、
前記第１及び／又は第２の化学反応器に熱を導入する手段又は前記第１及び/又は第２の化学反応器から熱を取り出す手段が、前記膨張機モジュールと前記第１及び第２の化学反応容器との間に冷媒流体を流し、前記膨張機モジュールが、エネルギー貯蔵要求に応じて前記冷媒流体を膨張して可変の作業出力を提供するよう動作する、
方法。
【国際調査報告】
2019506583.tif 000010
2019506583.tif 000011