(57)【要約】  水素燃料電池の電気化学発電装置（１０）の特に水に関する自律性を実現するために、発電装置（１０）は、電動ファン（１３Ｖ）とともに提供される凝集器（１３）と、水素を水素化物内に貯蔵するタンク（１２）と接触するラジエータとを備えている。凝集器は、ラジエータを経由して、蒸気が満ちた空気（１７Ｅ）からの熱を水素化物の合金および水素への吸熱反応に移動し、貯蔵する水素を製造するために、電解施設（１１）に水を供給するタンク（１４）で回収される凝縮水（１３ＥＣ）へと蒸気を凝縮する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素化物として貯蔵されている水素を放出させる方法であって、蒸気が満ちた空気（１７Ｅ）からの熱を、前記水素化物の合金および水素への吸熱反応へ移動させる工程と、同時的に凝縮水（１３ＥＣ）へと蒸気を凝集させる工程（Ｅ）とを含んでおり、前記蒸気が満ちた空気（１７Ｅ）を前記水素化物と接触する熱交換器（１３Ｒ）上に押し進められる工程をさらに含んでいることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記熱を移動させる工程中に、前記蒸気で満ちた空気（１７Ｅ）の露点よりも高い温度の前記蒸気で満ちた空気の温度を降下させる工程をさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記蒸気が満ちた空気は、放出される水素を受け取る水素燃料電池（１０）から発生する高温蒸気が満ちた空気（１７Ｐ）を一部含んでいることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
水素化物として貯蔵される水素を製造するために前記凝縮水（１３ＥＣ）を電気分解する工程をさらに含んでいることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
電気化学発電装置（１）であって、水素燃料電池（１０）と、前記水素燃料電池側に水素を放出するために水素化物に水素を貯蔵させることができる貯蔵タンク（１２）と、を備えており、
前記装置（１）は、蒸気が満ちた空気（１７Ｅ）からの熱を、水素化物の合金および水素への吸熱反応へ移動させるために、前記貯蔵タンク（１２）と協働することが可能であり、同時的に凝縮水（１３ＥＣ）に蒸気を凝縮する手段（１３）をさらに備えており、
前記手段（１３）が、前記蒸気を凝縮水（１３ＥＣ）に凝縮させる凝集器（１３）と、該凝集器内の前記蒸気が満ちた空気（１７Ｅ）および前記貯蔵タンク（１２）内の水素化物と接触できる熱交換器（１３Ｒ）と、該熱交換器（１３Ｒ）において前記蒸気が満ちた空気（１７Ｅ）を強制的に対流させる対流手段（１３Ｖ）とを備えていることを特徴とする装置。
【請求項６】
前記凝縮水（１３ＥＣ）を回収するための水タンク−回収器（１４）と、回収された凝縮水の電気分解を通じて前記貯蔵タンク（１２）の水素化物に貯蔵される水素を製造するように電気が供給される電解設備（１１）とをさらに備えていることを特徴とする請求項５記載の装置。
【請求項７】
回収された凝縮水を、前記電解設備（１１）に供給される浄化水に浄化する浄化器（１５）をさらに備えていることを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記凝集器（１３）の前記対流手段（１３Ｖ）は、前記熱交換器（１３Ｒ）上で蒸気が満ちた外気（１７Ｅ）と、前記水素燃料電池（１０）から発生する熱蒸気が満ちた空気（１７Ｐ）とを強制的に対流させることができることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
前記水素燃料電池（１０）は、前記電気機材（４）の給電とバッテリ（３１）の充電とを実行することができ、前記バッテリの電力が第一の電力閾値に到達すると間もなく、前記水素燃料電池（１０）により充電される前記バッテリの電力が前記第一の電力閾値よりも高い第二の電力閾値に到達するまで水素を放出することを特徴とする請求項５から８のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素燃料電池（hydrogen cell）を含んだ電気化学発電装置に関し、さらに電気化学発電装置において水素を放出させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学発電装置は、水素燃料電池に加えて、水素貯蔵用の貯蔵タンクを含んでいる。大抵の場合、貯蔵タンクは超高圧水素を貯蔵する円筒形の気体格納容器(cyrinder)である。この円筒形の気体格納容器には反復充填が可能である。
【０００３】
水素は、燃料の供給を回避するために水の電気分解で製造できる。この場合、電解設備によって製造される水素は超高圧で圧縮され、その場で円筒形の気体格納容器に貯蔵される必要があり、搬送可能な電気化学発電装置とは両立しない重くて構造が複雑で高価な手段を必要とする。加えて、高圧の水素を貯蔵することに関する規制は厳格であり、水素の貯蔵には高い注意力が要求される。また水の供給源は電解設備の運用現場に提供される必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
円筒形の気体格納容器に水素を貯蔵することに関わる弱点を克服するため、近年になって可逆性の水素化反応を想定した水素貯蔵タンクが開発された。しかし、水素燃料電池、電解設備およびこの種の水素貯蔵タンクを含んだ電気化学発電装置は、電解設備のための水自律的（water autonomous）なものではない。
【０００５】
本発明は上述の弱点を克服することを目的とし、特に、水素燃料電池を活用した電気化学発電装置を水自律性（自律制御、自動制御）とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的達成のため、水素化物として貯蔵されている水素を放出させる方法は、蒸気が満ちた空気（steam filled air）からの熱を、水素化物の合金および水素への吸熱反応に移動させ、同時的に蒸気の凝縮物を凝縮水に変態させる工程を含み、熱交換器上で蒸気が満ちた空気を強制的に水素化物と接触させ、蒸気が満ちた空気から吸熱反応への熱の移動を容易にすることを特徴としている。
【０００７】
従って、本発明によれば、水素燃料電池を含む電気化学発電装置の電解装置へ水を供給する水自律性は、水素の放出中に発電装置の設置場所の空気中に含まれる蒸気を凝縮水へと凝縮することで達成される。
【０００８】
合金は希土類と金属とによるものでよい。
【０００９】
水を凍結させることなく電解装置のために水を収集（回収）するため、熱移動中に蒸気が満ちた空気の温度は空気の露点より高くあるべきではない。
【００１０】
発電装置の設置場所の気象条件によっては、蒸気が満ちた空気は、放出された水素を受け取る水素燃料電池によって発せられる蒸気が満ちた高温空気を部分的に含む。
【００１１】
本方法は、水素化物に貯蔵される水素を製造するために凝縮水を電気分解する工程をさらに含むことができる。特に発電装置が電解設備を含むときに電解工程を含むことができる。
【００１２】
本発明はさらに、水素燃料電池と、水素を水素燃料電池に向かって放出させるように水素を水素化物に貯蔵できる貯蔵タンクとを含んだ電気化学発電装置に関する。この発電装置は、蒸気が満ちた空気からの熱を、水素化物の合金と水素への吸熱反応に移動させ、同時的に蒸気を凝縮させて凝縮水にするために貯蔵タンクと協働できる手段を含んでいる。
【００１３】
本発明の特定の実施形態によれば、水素貯蔵タンクと協働できる前記手段は、蒸気を凝縮水に凝縮する凝集器（condenser, 復水器、凝縮器）と、凝集器内の蒸気が満ちた空気、および貯蔵タンク内の水素化物と接触できる熱交換器と、熱交換器上で蒸気が満ちた空気を押し進める（force）凝集器内の対流手段（convection means）とを含む。この実施形態ではさらに、凝縮水を回収する水回収タンクと、回収された凝縮水の電気分解を介して貯蔵タンク内で水素化物に貯蔵される水素を発生させるように電気を供給できる電解設備とが提供される。回収された凝縮水を電解設備への補給用の浄化水に浄化させる浄化装置を利用することもできる。
【００１４】
発電装置の設置場所の気象条件が、十分に湿潤した空気を電解設備に補給するのには適していなければ、凝集器内の対流手段は蒸気が満ちた外気と、熱交換器の水素燃料電池が発する蒸気が満ちた高温空気とを強制的に対流させることができる。
【００１５】
後述するが、電気化学発電装置は、停電の場合、あるいは電気機材に電気供給（給電）する再生可能エネルギー源あるいは配電ネットワークのごとき、間欠電源（intermittent electric power source）によって発生される電力が不足した場合に利用できる。水素燃料電池の有効寿命を延長させるため、この電池（cell,セル）は、電気機材に給電し、バッテリ（battery, 蓄電池）の電力が放電閾値（discharge threshold）のような第１の電力閾値に到達した直後に水素を放出することができ、電池によって充電されたバッテリ（battery）の電力が、第１の閾値よりも高い完全充電閾値（full charge threshold）のような第２の電力閾値に到達するまで給電を継続する。
【００１６】
本発明のさらなる特徴および利点は、対応する添付図面を参照しながら以下の本発明の限定的ではない実施例の複数の実施形態を参照することで明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、電気供給システムに含まれる水素電気化学発電装置の概略的なブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１の電気化学発電装置１は、運搬可能なモジュール（module,部品の集合体）形態となっており、水素燃料電池１０、電解設備１１、水素貯蔵タンク１２、凝集器１３、水タンク−回収器１４および水浄化器１６を含んでいる。
【００１９】
図示の実施形態によれば、電気化学発電装置１の運用は、バッテリ３１と、電気機材４および発電装置１の給電手段とを含んだ電気エネルギー貯蔵モジュール３の充電を管理する電気供給のための管理装置２によって管理される。
【００２０】
電気機材４は電気化学発電装置１の充電装置として運用され、例えば、移動ターミナルのための発信器／受信器で運用され、通信を集中させる少なくとも１つの地上機材と通信する通信ステーションあるいは通信衛星である。電気機材４は、管理装置２の管理下で電気機材によって提供されるサービスの相関要素（function of services）として多様な運用電力と共に永久給電される。例えば、電気機材はバッテリ３１の放電部の名目電圧に対応する連続電圧４８Ｖで給電される。
【００２１】
水素燃料電池１０は、例えば、プロトン交換膜（Proton Exchange Membrane）ＰＥＭ技術に基づく。二水素としての水素が、セル（電池）の陽極１０Ａで酸化されるよう、管理装置２の管理下で開かれたソレノイド(solenoid)１６ＥＶによって、供給ライン１６を介して水素貯蔵モジュール１２から放出される。電池１０の放電部の電流供給のため、大気からの空気はイオン交換によって電池の陰極１０Ｃで還元され、他の実施形態では供給ライン１７Ｐの蒸気が満ちた空気は凝集器１３に接続できる。
【００２２】
管理装置２の管理下で、電解設備１１にはバッテリ３１から電気を供給することができる。電解設備１１には、管理装置２の管理下で開かれるソレノイドセンター１８ＥＶを有した供給ライン１８と水浄化器１５とを介してタンク−回収器１４によって水が補給される。電解設備は、回収されている水を酸素と水素とに分解して浄化するように低圧および低温で運用される。電解設備の陽極１１Ａで酸素は空気中に逃避する。管理装置２の制御下で開かれるソレノイドバルブ１９ＥＡを有した供給ライン１９を介してタンク１２に貯蔵されるよう、電解設備の陰極１１Ｃにて水素が低圧で製造される。例えば、電解設備１１は小型であり、ポリマー膜（高分子化合物膜）ＰＥＭとして固体電解質を含む。水の電気分解は、電解時間を管理する管理装置２の給電口への電気の供給および水素貯蔵タンク４２が一杯となるまでソレノイドセンター１８ＥＶと１９ＥＶを開放することで、電解設備１１において開始される。
【００２３】
水素貯蔵タンク１２と蒸気凝集器１３は少なくとも１つの容器の形態である。
【００２４】
タンク１２は、例えば、円筒形態で、図示の実施例では垂直に積み重ねられた複数の箱体１２Ｃでよい。それぞれの箱体１２Ｃは、電解設備１１の陰極１１Ｃで製造される水素を直接的に貯蔵するために供給ライン１９に接続された貯蔵口４２Ｓと、水素を電池１０の陽極１０Ａに向けて直接的に放出するために供給ライン１６に接続された放出口４２Ｄとを有する。あるいは貯蔵口４２Ｓと放出口４２Ｄは、箱体の共通貯蔵／放出口に一体化される。
【００２５】
例えば、凝集器１３は、その高所に外気１７Ｅを取り入れる空気取り入れ口１３ＡＥを有し、その低所に空気排出口１３Ｓ並びに水タンク−回収器１４に向かう凝縮水回収口１３ＥＣを有する中空金属柱の形状を有する。凝集器４３は空気の強制的な対流システムと熱交換器とを含む。対流システムは、例えば管理装置２で制御され、空気取り入れ口１３ＡＥの前方の高所に取り付けられた電動ファン１３Ｖを含む。熱交換器は、例えば、循環空気と接触するように、凝集器１３の内部に向かって配向した複数の翼部と、凝集器と貯蔵タンク１２の箱体１２Ｃとに共通である、例えばグラファイト製の熱伝導壁を形成する基礎部とを有するラジエータ１３Ｒ（radiator,放熱器、冷却器）の形態を備える。
【００２６】
水タンク−回収器１４は、凝集器１３で提供される凝縮水１３ＥＣを、重力を利用して回収する容器を含む。オプションでは、タンク−回収器１４は、雨水１４ｐを回収する。タンク−回収器１４はライン１８を介してソレノイドバルブ１８ＥＶに接続されており、ソレノイドバルブ１８ＥＶは管理装置２の制御下で開かれ、水を浄化器１５および（管理装置２の制御下で電気が供給されている場合には）電解設備１１に補給し、貯蔵される水素を製造する。浄化器１５は電解設備１１によって要求される水質規準を満たすよう、回収される水を浄化する。
【００２７】
水素貯蔵タンク１２は、電解設備１１で製造される水素を直接的に貯蔵し、直接的に水素をエネルギーベクトル（energetic vector）として水素燃料電池１０に補給する。タンク１２は電解設備１１によって、典型的には約１０バール（bar）である低圧にて製造される水素を、管理装置２の制御下で開かれるソレノイドバルブ１９ＥＶを介して供給ライン１９によって充填される。タンク１２のそれぞれの箱体１２Ｃは、ラジエータ１３Ｒの基礎部と接触させた希土類と金属との合金、例えば、ランタンとニッケルとの合金を含む。
【００２８】
例えば水素化物ＬａＮｉ５Ｈ６といった水素化物基材を形成するように、可逆性物質の高吸収性能を有した合金が放熱性の貯蔵水素と接触し、電解設備１１で製造された水素を吸収するとき、熱は外部に放出される。製造されている水素のこの直接的な貯蔵は、円筒形の気体格納容器の気体水素または液体水素の貯蔵のように数百バールに及ぶ水素の圧縮には依存せず、非常に高いエネルギーを発生させる。
【００２９】
水素化物の反応は可逆性であるため、タンク１２は、水素化物を合金と水素とに変態させる放熱反応により、凝集器１３に導入される空気１７Ｅによって供給される熱の移動による吸収を通じて、貯蔵された水素を放出する。水素は、低い放出圧と上昇した温度の条件下で、管理装置２により開かれるソレノイドバルブ１６ＥＶを備えた放出ライン１６を介して放出される。数バールの放出圧は水素貯蔵圧よりも低く、大気圧よりは相当程度に高く、電池１０の圧力に相当する。その後に金属は水素化物状態から本来の状態に切り替わり、製造される水素を再び貯蔵する準備が完了する。水素放出のため、電動ファン１３Ｖが管理装置２で始動され、吸収に必要な熱量が相対的に湿った外気１７Ｅによって補給される。凝集器１３の電動ファン１３Ｖにより押し進められる空気１３Ｆは、例えば、約１ｍ３／秒の流速で、吸熱水素の放出に必要な熱量を引き出す水素化物と接触する基礎部を備えたラジエータ１３Ｒの翼部と接触して冷却される。
【００３０】
凝集器内の強制的に対流される空気が、ラジエータ１３Ｒを介して水素化物の熱交換中に、飽和蒸気を、タンク−回収器１４で回収可能な液体１３ＥＣに変換するため、凝縮水が氷点に到達して凍結しないように、空気の温度は空気の露点よりも約１℃高い温度に切り替えられる。管理装置２の制御手段は、ラジエータ１３Ｒの表面の温度が０℃に到達しないことを確認するため凝集器１３の温度計に接続される。
【００３１】
タンク１２と凝集器１３は、電池１０が電力を迅速に電気機材４に供給している間、浄化器１５を介して凝集器が十分な水量を電解設備に補給し、電解設備が貯蔵に十分な水素を補給し、電池１０が、典型的には数時間で再充電されるようバッテリ３１に電力を迅速に供給するサイズである。反復的に、管理装置２の制御下で、バッテリ３１は電池４０で急速充電され、電気機材４に給電するようにゆっくりと放電される。貯蔵タンク１２でタッピング処理される熱量は、バッテリが放電電力Ｐ３ｍから完全充電電力Ｐ３Ｍに再充電される間、電池の運用に必要とされる水素の製造のための電解設備の水に必要な量を超える。例えば、水素が放出されるとき、約３リットルの凝縮水が、ほんの約６０分以内に準備でき、電解設備での３．７５Ｎｍ３（標準立方メートル）の水素の製造のために使用される。３時間で４ｋＷの発電のための電池の水素消費量は約１１Ｎｍ３であり、約９リットルの凝縮水を発生させ、バッテリの急速充電のために１２ｋＷｈを発電する。この代替的な実施例においては、発電装置１の毎年の維持管理時に再生可能な水の供給をすることが可能である。
【００３２】
あるいは、発電システム１の設置場所の空気の湿度及び／又は温度が低過ぎれば、熱は外気１７Ｅから供給され、ラジエータ１３Ｒを介してタンク１２によってタッピング処理され、放出分は放出時に運用状態である電池１０の化学反応によって放出される熱蒸気で満ちた空気１７Ｐの流れにより補給できる。このような別実施例では、熱蒸気で満ちた空気１７Ｐは電池１０から供給ライン（管）を介して電動ファン１３Ｖの前方の凝集器１３の取り入れ口１３ＡＰに持ち込まれる。水素燃料電池１０の運用で発生する蒸気は、バッテリ３１の再充電に必要とされる電池１０での発電に十分である、電解設備１１で製造されるタンク１２の水素補給のための凝縮水１３ＥＣを補給しない。
【００３３】
電気化学発電装置１の第１の利用形態によれば、管理装置２は間欠電源５に連結され、間欠電源は電気機材４を優先的に給電する。
【００３４】
間欠電源５は、風力発電モジュールおよび太陽エネルギーモジュールを含んだ再生可能エネルギー装置でよい。風力発電モジュールは１以上の風力発電機を含む。太陽エネルギーモジュールは１以上の太陽電池パネルを含む。発電装置１は長時間の所定期間、例えば、少なくとも約１０日間、無風状態や太陽が出ていない状態を克服すべく運用され、よって、この期間は、間欠電源５は非活動状態であり、この間、電気機材４はバッテリ３１でまず給電されるか、バッテリが再充電されたとき、電気化学発電装置１によって給電される。
【００３５】
第２の利用形態によれば、間欠電源５は電気エネルギーの地方給電ネットワークであり、地方電気ネットワークが故障して連続的に電気機材４を給電できなくなった場合に、バッテリ３１を備えた電気化学発電装置１が緊急発電機として運用される。地方電気ネットワークの機能不全は頻繁な停電が原因であることもあるが、嵐、地震あるいは津波等の自然災害によるネットワークへの損傷が原因である場合もある。
【００３６】
このような利用形態のため、管理装置２は、間欠電源５および電気化学発電装置１に接続されたスイッチと、充電調整器をそれぞれ含んで、バッテリ３１、電気機材４および電気化学発電装置１に接続されている電流変換器と、スイッチと変換器および発電装置１を、間欠電源５から供給された電力および電気機材４、バッテリ３１並びに電解設備１１の電流消費量の関連要素として制御する制御手段とを含む。間欠電源５に接続されたスイッチを含むことができる管理装置２は、電気機材４の電気供給の継続性を維持し、電気機材４を給電するため、可能な限り頻度少なく電気化学発電装置１と管理装置２を使用し、電気化学発電装置の使用寿命を延ばし、補給システム１から５の自律性を確保し、それらの保守管理を減少させ、電気機材に給電するために間欠電源５およびバッテリ３１を可能な限り活用する。実際に、発電装置に含まれる水素燃料電池の使用寿命は提供される電力とは無関係であり、電池の活性化−非活性化の回数により決定され、一方、バッテリは非常に頻繁に充電および放電が繰り返されても数年程度の長期の使用寿命を有する。上述の状態は供給システム、特に電気化学発電装置の維持管理の頻度も減少させる。
【００３７】
一方、次の非常に特殊な二つの条件を満たす場合、すなわち、間欠電源５の電力が電気機材の運用電力を超え、バッテリ３１が完全充電閾値のような少なくとも第１の電力閾値に等しい電力を有する場合には、電解設備４１は、電解設備、電気機材４および管理装置２が間欠電源５によって電力供給されるとき、水素を製造することも、タンク４２に水素を貯蔵することもしない。
【００３８】
一方、電池１０へタンク１２からの水素を放出すること、および電池による電気機材４と管理装置２への同時的な電力供給、並びに電池１０によるバッテリ３１の充電は、バッテリの電力が、第１の閾値よりも低い放電電力のような第２の電力閾値に到達し、電池で充電されるバッテリが完全充電状態になったときにだけ、達成される。
【００３９】
ここで定義した特定の条件を外れた場合、電気機材４と管理装置２には電源５及び／又は（バッテリ電力が２つの電力閾値間にある限り）バッテリ３１の電力が供給されるが、タンク１２に貯蔵された電力は利用されず、よって電池１０で発生される電力は使用されない。間欠電源５の電力が電気機材４の運用電力を超え、バッテリ３１が完全充電電力を有していないとき、間欠電源は電気機材４と管理装置２に電力を供給し、必要であればバッテリ３１を充電する。間欠電源５の電力が電気機材４の運用電力よりも低く、バッテリ３１が、放電閾値と完全充電電力との間に含まれる第２閾値電力よりも高い電力を有するとき、少なくともバッテリ３１、すなわちバッテリ３１と間欠電源５、または（電源の電力が０のときには）バッテリ３１のみが電気機材４と管理装置２に電力を供給する。
【００４０】
供給システムの使用寿命を延長するため、バッテリ３１はリチウムイオンタイプとすることで数年の寿命を与えることができ、多数回のバッテリ充電／放電サイクルが可能である。
【００４１】
代替的な例としては、管理装置２によって管理される複数の電気化学発電装置１は並列に接続できる。電気化学発電装置１の数はバッテリの容量と、電気化学発電装置に含まれる水素燃料電池によるバッテリの充電の所望される速度とに依存する。あるいは、水素貯蔵タンク、凝集器、水タンク−回収器および水浄化器は電気化学発電装置１に共通であり、それぞれが個別の水素燃料電池１０と個別の電解設備１１とを備えている。
【図１】
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【国際調査報告】
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2014509771.tif 000005
2014509771.tif 000006
2014509771.tif 000007