(57)【要約】  本発明は、燃料電池によって発電するための発電所に関する。発電所は、ピーク電力の50％未満、好ましくはピーク電力の25％未満に達する通常電力により特徴づけられる。発電所は好ましくは、燃料電池の数百個の集積を含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池によって発電するための発電所であって、発電所の設置されたピーク電力が、平均の生成電力より2倍より高いことを特徴とする発電所。
【請求項２】
発電所が、燃料電池の10個より多い（好ましくは百個より多い）集積を含む請求項１記載の発電所。
【請求項３】
水素が放出される電気化学的製造プロセスに結合され、該水素の少なくとも一部を使用して電力を生成し、生成された電力の少なくとも一部を電気化学的製造プロセスに供給するように配置された請求項１または２記載の発電所。
【請求項４】
燃料電池の集積がストリングで接続され、該ストリングの電圧が、電気化学的プロセスにおいて必要とされるDC電圧に少なくとも実質的に対応する請求項３記載の発電所。
【請求項５】
発電所内の燃料電池の設置時間が、燃料電池の集積の寿命に少なくとも実質的に対応する請求項２〜４のいずれか１項記載の発電所。
【請求項６】
少なくとも幾つかの設置燃料電池が、他の設置燃料電池のスイッチを切ることなく交換可能である請求項１〜５のいずれか１項記載の発電所。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項記載の発電所を使用して発電するための方法であって、生成された電力の少なくとも一部が、水素が放出される電気化学的プロセスに供給され、該水素の少なくとも一部が、発電するために発電所によって使用される方法。
【請求項８】
発電所によって供給されるDC電圧が、電気化学的プロセスにおける電流が少なくとも実質的に一定レベルに維持されるように、直列に接続された燃料電池の集積を追加することによって増加される請求項７記載の方法。
【請求項９】
電気化学的プロセスにおける電流および、従って製造が、並列に接続された燃料電池の集積の追加によって、少なくとも実質的に一定のレベルに維持される請求項７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池により発電するための発電所に関する。
【背景技術】
【０００２】
ポリマー電解質燃料電池、「プロトン交換膜燃料電池」または「固体ポリマー燃料電池(SPFC)」は、電解質が水素イオンのみを通す半透性ポリマー膜からなるタイプの燃料電池である。電極は一般に炭素からなり、これは、触媒としての白金で軽くだけめっきされており、集電装置は、順次に疎水性気体透過性炭素繊維紙および気密の溝を作られたグラファイト板からなり、これは、集積の次の電池から電池を封止する。全体は典型的には、60〜95℃の温度および0.7W/cm2までのエネルギー密度で運転され、電池の作動点と無関係に、45〜65％の電気効率を有する。その低い温度、長寿命、小さい大きさおよび低コストの故に、SPFCは、燃料を電気および熱へと転化するのに適当な選択である。
【０００３】
そのようなポリマー電解質燃料電池および燃料電池の集積は一般に、例えば刊行物、例えば：「第３回国際燃料電池会議」のいわゆる議事録におけるギレス  レケックス(Gilles Lequeux)による「遠近法での燃料電池および第５欧州骨格事業(Fuel cells in perspective and the fifth European framework programme)」から知られている。
【０００４】
大規模な化学および電気化学プロセス、例えば塩素および塩素酸塩の製造は、相当量の電気エネルギーを必要とする。個々の工場について100MW以上までの設置電力は、まれではない。塩素および塩素酸塩の製造においては、副生物として水素が放出される。該水素は、燃料電池によって電力へと転化されることができ、この電力は、今度は電気化学的製造のために利用される。
【０００５】
米国特許第4,689,133号明細書から、燃料電池と電気分解セルを結合することが可能であることが知られている。例えば、塩素膜電気分解セルおよびポリマー電解質燃料電池が結合される。塩素電気分解セルは、副生物として水素と一緒に、塩素および苛性物質を生じる。約20％までの電気エネルギーの消費の節約は、該水素を燃料電池において電力へと転化することおよびそれを塩素電気分解セルに運び戻すことによって実現することができる。経済的観点から、これは重要な利点である。というのは、エネルギーコストは、製造コストの50％より多くを構成するからである。米国特許第4,689,133号明細書において、関連する制御系と共に提案されたこの結合は有用であるが、幾つかの欠点を有する。電池の作動点は直接結合され、これは、電力電子機器における転換損失を防ぐが、燃料電池を短時間のピーク電力を供給するのに不適当なものにする。加えて、そこで提案された酸化剤循環は、空気が酸化剤として使用されるなら、エネルギーの観点から魅力がない。米国特許第4,689,133号明細書から知られているその系の別の欠点は、燃料電池の劣化特性および部分電気分解が、電圧のミスマッチを増加させることである。電流が一定のままなら、燃料電池により供給される電圧は、時間が経つにつれてゆっくりと低下し、従って、電気分解セル中の電流量が一定のままであるなら、電圧の上昇が必要とされる。
【０００６】
タービン技術を使用する慣用の発電所は、多くの欠点を有する。電気効率が、全負荷において中くらいであり、部分負荷で運転中に低い。加えて、タービンが使用されるときには、待機電力を維持するのが高くつき、これらのいわゆる「予備電力」の効率は、ゼロパーセントである。その上、応答時間が比較的長く、これは、電気本線における急速負荷変動の場合に問題である。全部の設置発電容量における再生エネルギー、例えば風力エネルギーおよびソーラーエネルギーの分担増加は、急速負荷変動の機会を増加させ、かつ直接利用できる予備電力の必要性を増加させる。
【０００７】
タービン技術はさらなる欠点を有する。タービンが使用されるときには、経済的な理由のために、大きい電力を設置するのが魅力的である。というのは、それらは、単位電力当たり最低の投資しか必要としないからである。これゆえに、タービン単位は、それぞれ数百メガワットまでの電力を供給する。その結果、故障または大修理の場合に、大容量が直接失われる。タービンは多量に負荷がかかるので、不可欠な構成部品の寿命は、約24,000時間に限定される。この期間後、タービンおよび、かくして発電所の実質的部分は作動を止められ、不可欠の構成部品、例えばタービン翼は交換される。メンテナンスのためのそのような停止期間は通常、5〜6週間続く。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明によれば、現行の技術の上記した欠点が除かれるか、または最小に軽減される系を設計することができる。本発明の発電所は、比較的高い効率および比較的大きい予備電力を有する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そのために、本発明の発電所は、発電所の設置ピーク電力が、平均の生成電力より２倍より高く、好ましくは３倍より高いことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の燃料電池発電所は好ましくは、直列に接続された電池群、いわゆる燃料電池の集積を含む。該集積、または該直列に接続された集積の多数は、通常の運転条件中に例えば電気分解セルの集積に必要とされる電圧に対応するDC電圧を供給する。加えて、本発明の燃料電池の集積は、１つ以上のいわゆるインバーターによって電気本線に結合される。インバーターは、電気本線にAC電圧を戻して供給し、該AC電圧は、電気本線と位相が同じである。燃料電池および関連する系構成部品は、部分負荷での運転のために設計されていた。燃料電池が部分負荷で運転することができるとき、燃料電池の効率水準は最高であり、寿命は最長である。しかしながら、本発明の燃料電池系は好ましくはまた、かなり高い電力、すなわち部分負荷で通常供給されるより2〜6倍高い電力を供給することができる。
【００１１】
本発明の発電所は好ましくは完全にモジュール方式であり、1個以上の燃料電池発電機モジュールを含み、一方これは、燃料電池の2個以上の集積を含む。集積はそれ自体、好ましくはまたモジュール方式であり、多数の、数百までの、たいてい同じ電池を含む。燃料電池の集積はそれぞれ典型的には、少なくとも発電所で使用されるときには、1〜1000kWの範囲の電力、好ましくは10〜250 kWの範囲の電力を有する。例えば、例えば200MWの電力を有する発電所は、それぞれ100kWの電力を有する2000個の、燃料電池の集積を含み得る。このことは、慣用のタービン発電所と比較して、多数の重要な利点を有する。
【００１２】
燃料電池発電所において、さらなる燃料電池の集積を置くことによって、ますます大きい電力を徐々に設置することが可能である。好ましくは、燃料電池の全設置時間は、個々の燃料電池の集積の寿命に対応する。モジュール構造の別の利点は、燃料電池の劣化により引起される電池電圧の低下および該劣化の結果として電気分解セルにより必要とされる電圧の増加を、集積または集積モジュールを追加することによって補償することが可能であるという事実である。
【実施例１】
【００１３】
建設されるべき燃料電池発電所は、ピーク電力200MWおよび部分負荷で200MWの電力を有する。完成した発電所は、燃料電池の2000個の集積から成り、それぞれが100kWのピーク電力を有するであろう。この例においては、集積は、200個の集積のモジュールで配置される。燃料電池の寿命は、典型的には5年であり、5年間の運転後に、燃料電池の集積は交換される。
１年目に、200個の集積を含む第１のモジュールが置かれ、その後、200個の集積を含む第２のモジュールが置かれる。かくして、40MWのピーク電力が年々設置される。発電所が5年後に200MWの設置電力を有するとき、最初に設置された積み重ねは、そのライフサイクルの最後に近づき、交換される必要がある。該集積は、発電所または当該モジュールをさえ作動を止めることなしに、１つずつ交換され得る。
故障またはメンテナンスの場合に全発電所の作動を止める必要は決してないが、個々の燃料電池を交換することは可能である。このモジュール方式の燃料電池発電所は、高度の信頼性を示す。というのは、それは可動部品をほとんど含まないからである。少数の集積の故障は、あったとしても、供給電力にほとんど影響を及ぼさない。なぜならば、定格電力に対する割合が低く、かつ、はるかに高い電力がいつでも利用可能であるからである。
【実施例２】
【００１４】
200MWのピーク電力、公称電力50MW および燃料電池の2000個の集積を有する燃料電池発電所において、燃料電池の20個の集積が、故障のために作動をやめる。制御系は、発電所が50MWを供給し続けるように設定される。
そのような場合には、作動をやめた燃料電池はスイッチを切られ、水素および空気の供給が止められ、集積は、電気的に接続を断たれる。
従って、発電所はなお、運転中の1980個の集積を有する。より少ない集積が同じ電力を供給しなければならないので、電池における電力密度、およびしたがってまた電池当たりの電力密度を増加する必要がある。このことの直接の結果は、電池電圧が少し低下することである。例えば、それは0.78V/電池から0.775V/電池へと低下する。その結果、発電所の電気効率は、61％から60.5％へと約0.5％だけ低下する。集積は、電力供給を中断することなく接続を断たれることができ、予備の集積と交換されることができる。
部分負荷では、燃料電池の電気効率は、全負荷におけるよりかなり高い。部分負荷では、効率水準は一般に、60％より少し高く、一方、全負荷では、45％より下の水準まで下がる。加えて、燃料電池の寿命は、部分負荷で運転した場合にかなり長い。本発明の燃料電池発電所はしたがって、部分負荷での運転のために好ましく設計される。このように設置された予備容量は、その場合に直接運転し始めることができる。部分負荷から全負荷への転換のための応答時間は、燃料電池の集積について１秒未満である。長期間（数秒より長く）このピーク電力を実際に使用することができるように、他の系構成部品がまた、この目的のために適当でなければならない。系における他の構成部品は、とりわけ、水素供給系、空気供給系、空気加湿系、水素調節系および冷却系である。
【実施例３】
【００１５】
燃料電池の劣化の故に、電池電圧は、10,000時間の期間にわたって10％だけ低下する。その結果、燃料電池の集積および燃料電池モジュールの電圧はまた、電流消費が一定のままであるなら、低下する。電気分解セルの劣化の故に、効率水準は時間が経つにつれて低下する。消費される電流の量が、このプロセスにおいて製造される電流の量に比例するので、一定の電流量を維持することが好ましい。これを実現するために、電池電圧および、従って電気分解の集積の電圧は、増加しなければならない。この例においては、該増加は1000時間当たり1％である。10の直列に接続された集積の4つの並列に接続されたストリングからなる燃料電池モジュールは、電気分解セルに直接結合され、1000Aの電流で、電気分解セルに10x60V=600Vを供給する。1000時間後、燃料電池電圧は約1％だけ低下し、これは6Vに等しい。電気分解セルが必要とする電圧は、該同じ時間中1％だけ増加した。必要とされる電流を電気分解セルに供給し続けることができるように、これは、燃料電池モジュールの出力電圧を増加させることによって補償されなければならない。本発明によれば、これは、さらに多くの集積を追加することによって行なわれる。1000時間後、例えば12Vの電圧を有する4個の集積、ストリング当たり1個の12Vの集積が追加される。本発明の系のモジュール方式の故に、進歩した電力電子機器を必要とすることなく、劣化をこのようにして補償することが可能である。電気分解セルと燃料電池間の直接DC-DC結合で十分である。
燃料電池の待機電力の値は、燃料電池によって実際に製造される電力より高いことができる。この値を使用することができるように、水素の在庫が必要とされる。水素の貯蔵は、自体公知の技術である。これは、シリンダー中で非常に低温、高圧にて液体状態で行なうことができるか、または大きい気体ホルダーもしくは気球中で実質上大気圧にて行なうことができる。該緩衝在庫中の水素は、例えば水または塩化ナトリウム溶液の電気分解によって、炭化水素もしくは炭素のリフォーミング後の精製工程によって、または他の公知の水素製造技術によって、供給することができる。
【００１６】
本発明は、上記した実施態様に限定されず、実施態様は、特許請求の範囲で定義された本発明の範囲内で変化し得る。かくして、発電所は、平均の生成電力の少なくとも一部分を引き受ける1個以上のタービンまたは他の発電機を含むことができ、一方、燃料電池は、比較的高い設置ピーク電力を実現するために使用される。
【国際調査報告】
2007520860.tif 000002
2007520860.tif 000003