(57)【要約】  希望する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できる化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置。本装置は、主として、異なる温度において、冷媒ガスと親和性がある吸着剤を含んでいる。
2017505420.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１吸着剤を含む第１化学反応容器、及び第２吸着剤を含む第２化学反応容器であって、第１吸着剤は第１の温度において冷媒ガスに対して親和性を有し、第２吸着剤は第２の温度において冷媒ガスに対して親和性を有し、第１化学反応容器及び第２化学反応容器は、第１及び/又は第２吸着剤に熱を導入する手段、又は第１及び/又は第２吸着剤から熱を取り出す手段をさらに具備している、第１化学反応容器及び第２化学反応容器と、
第１化学反応容器及び第２化学反応容器に選択的に接続されていて、冷媒を圧縮又は膨張させる構成になっているコンプレッサ／エキスパンダモジュールとを備えていて、
第１及び/又は第２吸着剤に熱を導入する手段、又は第１及び/又は第２吸着剤から熱を取り出す手段は、コンプレッサ／エキスパンダモジュール、と第１化学反応容器及び第２化学反応容器の間に冷媒を流す手段を備えていて、且つ、コンプレッサ／エキスパンダモジュールは、必要とされるエネルギー貯蔵に応じて冷媒を圧縮又は膨張することができるように稼働されるようになっている、化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置。
【請求項２】
前記第１温度は高温で、前記第２温度は低温である請求項１に記載した装置。
【請求項３】
前記冷媒は、アンモニアである請求項１又は２に記載した装置。
【請求項４】
前記冷媒は、メタノールである請求項１又は２に記載した装置。
【請求項５】
前記冷媒は、蒸気である請求項１又は２に記載した装置。
【請求項６】
前記第１吸着剤は、ハロゲン化金属、金属硫化物、及び金属硫酸塩から成る群から選択された塩である請求項１〜５のいずれか１項に記載した装置。
【請求項７】
前記第１吸着剤は、ＮｉＣｌ２、ＣａＣｌ２、ＭｇＣｌ２、ＭｇＳＯ４、及びＭｎＣｌ２から成る群から選択された塩である請求項６に記載した装置。
【請求項８】
前記第２吸着剤は、ハロゲン化金属、金属硫化物、及び金属硫酸塩から成る群から選択された塩である請求項１〜７のいずれか１項に記載した装置。
【請求項９】
前記塩は、ＣａＣｌ２、ＳｒＣｌ２、ＢａＣｌ２、及びＮａＢｒから成る群から選択された塩である請求項８に記載した装置。
【請求項１０】
前記第１吸着剤及び第２吸着剤は、多孔質である請求項１〜９のいずれか１項に記載した装置。
【請求項１１】
バルブが、コンプレッサ／エキスパンダを選択的接続する請求項１〜１０のいずれか１項に記載した装置。
【請求項１２】
化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法であって；
前記化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置は、第１吸着剤を含む第１化学反応容器及び第２吸着剤を含む第２化学反応容器を具備していて、第１化学反応容器は高温において冷媒ガスに対して親和性を有し、第２化学反応容器は低温において冷媒ガスに対して親和性を有し、第１化学反応容器及び第２化学反応容器は、更に、第１化学反応容器及び第２化学反応容器に熱を導入する手段、又は第１化学反応容器及び第２化学反応容器から熱を取り出す手段を具備していて、更に、第１化学反応容器及び第２化学反応容器に選択的に接続されているコンプレッサ/エキスパンダモジュールを具備し、前記コンプレッサ/エキスパンダモジュールは冷媒を圧縮又は膨張させるような構成になっている、化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法は、
前記第１化学反応容器を加熱して、第１吸着剤から冷媒ガスを放出すること；
前記第１化学反応容器から放出された冷媒ガスを圧縮すること；及び
前記圧縮された冷媒ガスを第２化学反応容器へ同伴して、圧縮された冷媒ガスを第２吸着剤に吸着させること、を含む化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法。
【請求項１３】
化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法であって；
前記化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置は、第１吸着剤を含む第１化学反応容器及び第２吸着剤を含む第２化学反応容器を具備していて、第１化学反応容器は高温において冷媒ガスに対して親和性を有し、第２化学反応容器は低温において冷媒ガスに対して親和性を有し、第１化学反応容器及び第２化学反応容器は、更に、第１化学反応容器及び第２化学反応容器に熱を導入する手段、又は第１化学反応容器及び第２化学反応容器から熱を取り出す手段を具備していて、更に、第１化学反応容器及び第２化学反応容器に選択的に接続されているコンプレッサ/エキスパンダモジュールを具備し、前記コンプレッサ/エキスパンダモジュールは冷媒を圧縮又は膨張させるような構成になっている、化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法は、
前記第１化学反応容器を加熱して、第１吸着剤から冷媒ガスを放出すること；
前記第１化学反応容器から放出された冷媒ガスを膨張させること；及び
前記冷媒ガスを第２化学反応容器へ同伴して、冷媒ガスを第２吸着剤に吸着させること、を含む化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法。
【請求項１４】
化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法であって；
前記化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置は、第１吸着剤を含む第１化学反応容器及び第２吸着剤を含む第２化学反応容器を具備していて、第１化学反応容器は高温において冷媒ガスに対して親和性を有し、第２化学反応容器は低温において冷媒ガスに対して親和性を有し、第１化学反応容器及び第２化学反応容器は、更に、第１化学反応容器及び第２化学反応容器に熱を導入する手段、又は第１化学反応容器及び第２化学反応容器から熱を取り出す手段を具備していて、更に、第１化学反応容器及び第２化学反応容器に選択的に接続されているコンプレッサ/エキスパンダモジュールを具備し、前記コンプレッサ/エキスパンダモジュールは冷媒を圧縮又は膨張させるような構成になっている、化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法は、
前記第２化学反応容器を加熱して、高圧の冷媒ガスを放出すること；
前記前記高圧の冷媒ガスを、コンプレッサ/エキスパンダモジュールへ同伴すること；
前記高圧の冷媒ガスを膨張させて、電力と排気冷媒ガスを生産すること；及び
前記排気された冷媒ガスを、第１化学反応容器へ同伴して、第１吸着剤に吸着させること、を含む化学吸着剤に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法。
【請求項１５】
化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法であって；
前記化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置は、第１吸着剤を含む第１化学反応容器及び第２吸着剤を含む第２化学反応容器を具備していて、第１化学反応容器は高温において冷媒ガスに対して親和性を有し、第２化学反応容器は低温において冷媒ガスに対して親和性を有し、第１化学反応容器及び第２化学反応容器は、更に、第１化学反応容器及び第２化学反応容器に熱を導入する手段、又は第１化学反応容器及び第２化学反応容器から熱を取り出す手段を具備していて、更に、第１化学反応容器及び第２化学反応容器に選択的に接続されているコンプレッサ/エキスパンダモジュールを具備し、前記コンプレッサ/エキスパンダモジュールは冷媒を圧縮又は膨張させるような構成になっている、化学吸着剤に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法は、
前記第２化学反応容器を加熱して、高圧の冷媒ガスを放出すること；及び
前記高圧の冷媒ガスを、直接、第１化学反応容器へ同伴して、高圧の冷媒ガスを第１吸着剤に吸着させること；を含む化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法。
【請求項１６】
化学吸着剤に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法であって；
前記化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置は、第１吸着剤を含む第１化学反応容器及び第２吸着剤を含む第２化学反応容器を具備していて、第１化学反応容器は高温において冷媒ガスに対して親和性を有し、第２化学反応容器は低温において冷媒ガスに対して親和性を有し、第１化学反応容器及び第２化学反応容器は、更に、第１化学反応容器及び第２化学反応容器に熱を導入する手段、又は第１化学反応容器及び第２化学反応容器から熱を取り出す手段を具備していて、更に、第１化学反応容器及び第２化学反応容器に選択的に接続されているコンプレッサ/エキスパンダモジュールを具備し、前記コンプレッサ/エキスパンダモジュールは冷媒を圧縮又は膨張させるような構成になっている、化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法は、
外部の熱源から熱を抽出し、前記熱を第２化学反応容器へ導入し、第２吸着剤から冷媒ガスを放出すること；及び
前記冷媒ガスを、直接、第１化学反応容器へ同伴して、高圧の冷媒ガスを第１吸着剤に吸着させること；を含む化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法。
【請求項１７】
前記装置は、請求項１〜１１のいずれか１項に記載した装置である請求項１２〜１６のいずれか１項に記載した方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー貯蔵装置に関する。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、エネルギーの必要性よりも、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】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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の提供。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の目的により；
第１吸着剤を含む第１化学反応容器、及び第２吸着剤を含む第２化学反応容器であって、第１吸着剤は第１の温度において冷媒ガスに対して親和性を有し、第２吸着剤は第２の温度において冷媒ガスに対して親和性を有し、第１化学反応容器及び第２化学反応容器は、第１及び/又は第２吸着剤に熱を導入する手段、又は第１及び/又は第２吸着剤から熱を取り出す手段をさらに具備している、第１化学反応容器及び第２化学反応容器と、
第１化学反応容器及び第２化学反応容器に選択的に接続されていて、冷媒を圧縮又は膨張させる構成になっているコンプレッサ／エキスパンダモジュールとを具備していて、
第１及び/又は第２吸着剤に熱を導入する手段、又は第１及び/又は第２吸着剤から熱を取り出す手段は、コンプレッサ／エキスパンダモジュールと、第１化学反応容器及び第２化学反応容器の間に冷媒を流し、コンプレッサ／エキスパンダモジュールは、必要とされるエネルギー貯蔵に応じて冷媒を圧縮又は膨張することができるようになっている、
化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置が提供される。
【０００８】
化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置の利点の一つは、熱及び電気エネルギーを貯蔵することができ、貯蔵されたエネルギーを効率よく回収して、使用者の様々な要望に応じて、電気、加熱又は冷却を提供することができることである。本発明のエネルギー貯蔵装置の適応性と貯蔵されたエネルギーを回収する能力は、従来のエネルギー貯蔵システムと比べて、効率よき稼働できるので、フローバッテリーと比肩できるものである。
【０００９】
第１及び第２化学反応容器間の圧力差が、サイクルを稼働する。第１吸着剤を含有している第１化学反応容器は、特定温度で反応圧力を有している。第２吸着剤を含有している第２化学反応容器は、特定温度で反応圧力を有している。第１化学反応容器の圧力と、第２化学反応容器の圧力差が十分な場合、圧力差がサイクルを稼働する。さらに、コンプレッサ／エキスパンダモジュールのインレットとアウトレットの間の圧力差が冷媒を作動させ、発電する。
【００１０】
化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置の更なる利点は、低圧タンクに収納することができることであり、従来の圧縮空気エネルギー貯蔵システムのように、地下に埋設する必要がないことである。従って、化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置を設置する地質学的な位置は、圧縮空気エネルギー貯蔵システムの場合のように、深い岩盤層に限定されず、揚水貯蔵システムの場合のように、大きな水域の側の浅い地中に設置してもよい。化学吸着に基づくエネルギー吸着装置は、地表面に設置することができる。
【００１１】
さらに、化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置は、他のエネルギー貯蔵システムに比べて、貯蔵密度が高い。従って、同じエネルギー貯蔵能力と出力を維持して、装置全体の大きさを小さくすることでできる。これは、第１及び第２化学反応容器の高い吸着能力のおかげである。
【００１２】
化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置は、システム全体の大きさを小さくすることができ、装置の構成が単純且つコンパクトなので、建造に要する時間が短縮され、維持・管理がより簡単になる。従って、コスト効率がよい。化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置はモジュール方式なので、維持すべき構成要素を必要に応じて取り替えることができる。
【００１３】
第１温度及び第２温度は、同じでもよい。然しながら、この温度構成は、本発明のシステムが、電気を出力する構成になっている場合に可能である。然しながら、代表的な温度構成は、第１温度は高温で、第２温度は低温である。この構成は、本発明のシステムが、加熱又は冷却する構成の場合に、特に、好ましく、且つ、システムが電気を出力する構成になっている場合にも可能である。
【００１４】
冷媒は、アンモニアでもよい。
【００１５】
冷媒は、メタノールでもよい。
【００１６】
冷媒は、蒸気でもよい。
【００１７】
環境適応性がある冷媒、たとえば、アンモニア、メタノール及び蒸気は、オゾン層破壊力（ＯＤＰ）及び地球温暖化能力（ＧＷＰ）は、それぞれ、ゼロである。さらに、アンモニアは、優れた熱力学的性質を備えている。さらに、経済的側面からは、アンモニアによる冷却は、原価効率が最もよく、エネルギー効率がよい冷凍及び非冷凍食品の加工及び貯蔵方法である。
【００１８】
第１吸着剤及び第２吸着剤は、同じでもよく、たとえば、同じ金属塩でもよい。この吸着剤構成は、本発明のシステムが、電気を出力する構成になっている場合に可能である。然しながら、主として、第１吸着剤及び第２吸着剤は、それぞれ異なっていて、たとえば、異なる金属塩である。この構成は、本発明のシステムが、加熱又は冷却する構成の場合に、特に、好ましく、且つ、システムが電気を出力する構成になっている場合にも可能である。
【００１９】
第１吸着剤は、塩、たとえば、金属塩でもよい。金属塩は、冷媒ガス、たとえば、アンモニアと強く結合することができる塩から選択してもよい。塩は、ハロゲン化金属、例えば塩化金属でもよい。ハロゲン化金属は、冷媒としてアンモニア、メタノール又は蒸気を使用する本発明のシステムに、特に、適している。塩は、金属硫化物でもよい。金属硫化物は、冷媒としてアンモニア又はメタノールを使用する本発明のシステムに、特に、適している。塩は、金属硫酸塩でもよい。金属硫酸塩は、冷媒として蒸気を使用する本発明のシステムに、特に、適している。塩は、ＮｉＣｌ２、ＣａＣｌ２、ＭｇＣｌ２、ＭｇＳＯ４、及びＭｎＣｌ２から成る群から選択される。
【００２０】
第２吸着剤は、塩、たとえば、金属塩でもよい。金属塩は、冷媒ガス、たとえば、アンモニアと配位結合を形成することができる塩から選択してもよい。塩は、ハロゲン化金属、例えば塩化金属又は臭化金属でもよい。ハロゲン化金属は、冷媒としてアンモニア、メタノール又は蒸気を使用する本発明のシステムに特に、適している。塩は、金属硫化物でもよい。金属硫化物は、冷媒としてアンモニア又はメタノールを使用する本発明のシステムに、特に、適している。塩は、金属硫酸塩でもよい。金属硫酸塩は、冷媒として蒸気を使用する本発明のシステムに、特に、適している。塩は、ＣａＣｌ２、ＳｒＣｌ２、ＢａＣｌ２、及びＮａＢｒから成る群から選択される。
【００２１】
第１及び第２吸着剤は、冷媒と適当な相互作用を有していて、熱力学平衡が、相互に一致しているならば、同じタイプ（例えば、両者がハロゲン化金属）でもよく、又は、塩の混合物（例えば、ハロゲン化金属と金属硫化物の混合物）でもよい。従って、本発明のさらなる利点は、様々な温度レベルで冷却及び熱ポンプ作業をすることができ、作業に多様性があり、従って、単一システムでも、様々の温度で操作でき、さらに、装置の使用適正を拡大する作業の組み合わせを含んでいる。
【００２２】
本発明の装置においては、第２化学反応容器内の第２吸着材の脱着熱が、冷媒ガスの気化エンタルピーより大きいので、２種類の塩を使用することにより、単一の熱源温度が装置を駆動して、高い性能効率（ＣＯＰ）を発揮することができる。さらに、本発明の装置は、反応容器内に液体が存在せず、環境条件又は重力場の強さに依存しないので、どのような位置又は場所にも設置することができる。本発明の装置においては、第１化学反応容器と第２化学反応容器の間の圧力差が大きいので、高出力を供給することができ、ターボ装置と一体化することもできる。
【００２３】
本発明の装置においては、第２化学反応容器内の吸着剤の脱着熱が、冷媒の気化エンタルピーより大きいので、同じ熱源による温度において、従来の固体吸着剤システムよりも、高い性能効率（ＣＯＰ）を発揮する。さらに、本発明のエネルギー貯蔵装置においては、第１及び第２化学反応容器内に液体が存在しないので、いかなる位置にでも、又は重力を伴わない条件下で設置することができる。本発明の装置においては、第１化学反応容器と第２化学反応容器の間の圧力差が大きいので、ターボ装置と一体化した場合、従来の吸着サイクルより大きな出力を発生する。
【００２４】
第１吸着剤及び／又は第２吸着剤は、多孔質でよい。多孔質の吸着剤は、非多孔質の吸着剤に比べて、容量当たりの表面積が大きい。従って、吸着剤の表面に、大量の冷媒ガスを吸着することができ、システムが、その大きさに比べて、大きな能力を発揮する。
【００２５】
バルブを使用して、コンプレッサ／エキスパンダモジュールに選択的な接続を適用することができる。例えば、本発明の装置に、選択的バルブを組み入れて、構成部品を選択的に接続することができる。例えば、１個のコンプレッサと１個のエキスパンダを、選択的バルブで別々のループに配設することができる。コンプレッサとエキスパンダを組み合わせた装置はオプションの一つであって、ある方向へ流れている供給流体で圧縮操作をし、且つ、流れ方向を逆転しながら、膨張操作を行うことができる。選択的バルブを介して、コンプレッサをループに一体化すると、本明細書に開示した化学吸着サイクルにより、超低級熱の回収の可能性が創出される。
【００２６】
さらに、本発明の第２の目的により、化学吸着剤に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法であって；
前記化学吸着剤に基づくエネルギー貯蔵装置は、第１吸着剤を含む第１化学反応容器及び第２吸着剤を含む第２化学反応容器を具備していて、第１化学反応容器は高温において冷媒ガスに対して親和性を有し、第２化学反応容器は低温において冷媒ガスに対して親和性を有し、第１化学反応容器及び第２化学反応容器は、更に、第１化学反応容器及び第２化学反応容器に熱を導入する手段、又は第１化学反応容器及び第２化学反応容器から熱を取り出す手段を具備していて、更に、第１化学反応容器及び第２化学反応容器に選択的に接続されているコンプレッサ/エキスパンダモジュールを具備し、前記コンプレッサ/エキスパンダモジュールは冷媒を圧縮又は膨張させるような構成になっている、化学吸着剤に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法は；
第１化学反応容器を加熱して、第１吸着剤から冷媒ガスを放出すること；
第１化学反応容器から放出された冷媒ガスを圧縮すること；及び
圧縮された冷媒ガスを第２化学反応容器へ同伴して、圧縮された冷媒ガスを第２吸着剤に吸着させること、を含む化学吸着剤に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法、が提供される。
【００２７】
第１化学反応容器を加熱すると化学反応が開始される。従って、第１化学反応容器の加熱により、冷媒ガスが吸着剤から脱着される。これにより、冷媒と吸着剤の間の化学結合（例：配位結合）が破壊される。
【００２８】
冷媒ガスの圧力が低い場合、冷媒ガスは圧縮され、次いで第２化学反応容器で吸着される。
【００２９】
さらに、本発明の第３の目的により、化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法であって；
前記化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置は、第１吸着剤を含む第１化学反応容器及び第２吸着剤を含む第２化学反応容器を具備していて、第１化学反応容器は高温において冷媒ガスに対して親和性を有し、第２化学反応容器は低温において冷媒ガスに対して親和性を有し、第１化学反応容器及び第２化学反応容器は、更に、第１化学反応容器及び第２化学反応容器に熱を導入する手段、又は第１化学反応容器及び第２化学反応容器から熱を取り出す手段を具備していて、更に、第１化学反応容器及び第２化学反応容器に選択的に接続されているコンプレッサ/エキスパンダモジュールを具備し、前記コンプレッサ/エキスパンダモジュールは冷媒を圧縮又は膨張させるような構成になっている、化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法は；
第１化学反応容器を加熱して、第１吸着剤から冷媒ガスを放出すること；
第１化学反応容器から放出された冷媒ガスを膨張させること；及び
冷媒ガスを第２化学反応容器へ同伴して、冷媒ガスを第２吸着剤に吸着させること、を含む化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法、が提供される。
【００３０】
冷媒ガスの圧力が十分に高くない場合、電力出力のため、コンプレッサ/エキスパンダで冷媒ガスを膨張させる。
【００３１】
さらに、本発明の第４の目的により、化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法であって；
前記化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置は、第１吸着剤を含む第１化学反応容器及び第２吸着剤を含む第２化学反応容器を具備していて、第１化学反応容器は高温において冷媒ガスに対して親和性を有し、第２化学反応容器は低温において冷媒ガスに対して親和性を有し、第１化学反応容器及び第２化学反応容器は、更に、第１化学反応容器及び第２化学反応容器に熱を導入する手段、又は第１化学反応容器及び第２化学反応容器から熱を取り出す手段を具備していて、更に、第１化学反応容器及び第２化学反応容器に選択的に接続されているコンプレッサ/エキスパンダモジュールを具備し、前記コンプレッサ/エキスパンダモジュールは冷媒を圧縮又は膨張させるような構成になっている、化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法は；
第２化学反応容器を加熱して、高圧の冷媒ガスを放出すること；
前記高圧の冷媒ガスを、コンプレッサ/エキスパンダモジュールへ同伴すること；
前記高圧の冷媒ガスを膨張させて、電力と排気冷媒ガスを生産すること；及び
前記排気された冷媒ガスを、第１化学反応容器へ同伴して、第１吸着剤に吸着させること、を含む化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法、が提供される。
【００３２】
さらに、本発明の第５の目的により、化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法であって；
前記化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置は、第１吸着剤を含む第１化学反応容器及び第２吸着剤を含む第２化学反応容器を具備していて、第１化学反応容器は高温において冷媒ガスに対して親和性を有し、第２化学反応容器は低温において冷媒ガスに対して親和性を有し、第１化学反応容器及び第２化学反応容器は、更に、第１化学反応容器及び第２化学反応容器に熱を導入する手段、又は第１化学反応容器及び第２化学反応容器から熱を取り出す手段を具備していて、更に、第１化学反応容器及び第２化学反応容器に選択的に接続されているコンプレッサ/エキスパンダモジュールを具備し、前記コンプレッサ/エキスパンダモジュールは冷媒を圧縮又は膨張させるような構成になっている、化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法は；
第２化学反応容器を加熱して、高圧の冷媒ガスを放出すること；及び
前記高圧の冷媒ガスを、直接、第１化学反応容器へ同伴して、高圧の冷媒ガスを第１吸着剤に吸着させること；を含む化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法；が提供される。
【００３３】
前記高圧の冷媒ガスを、第１化学反応容器へ同伴すると、化学反応を引き起こすと言える。従って、同伴が、冷媒ガスを吸着剤へ吸着させる。これにより、冷媒ガスと吸着剤の間に化学結合（例：配位結合）を形成させ、熱を放出する。発生した熱は、高温合成熱と記載する。
【００３４】
さらに、本発明の第６の目的により、化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法であって；
前記化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置は、第１吸着剤を含む第１化学反応容器及び第２吸着剤を含む第２化学反応容器を具備していて、第１化学反応容器は高温において冷媒ガスに対して親和性を有し、第２化学反応容器は低温において冷媒ガスに対して親和性を有し、第１化学反応容器及び第２化学反応容器は、更に、第１化学反応容器及び第２化学反応容器に熱を導入する手段、又は第１化学反応容器及び第２化学反応容器から熱を取り出す手段を具備していて、更に、第１化学反応容器及び第２化学反応容器に選択的に接続されているコンプレッサ/エキスパンダモジュールを具備し、前記コンプレッサ/エキスパンダモジュールは冷媒を圧縮又は膨張させるような構成になっている、化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法は；
外部の熱源から熱を抽出し、前記熱を第２化学反応容器へ導入し、第２吸着剤から冷媒ガスを放出すること；及び
前記冷媒ガスを、直接、第１化学反応容器へ同伴して、高圧の冷媒ガスを第１吸着剤に吸着させること；を含む化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法、が提供される。
【００３５】
第２化学反応容器の加熱が、化学反応を開始すると言える。従って、第２化学反応容器の加熱により、冷媒ガスが吸着剤から脱着される。これにより、冷媒と吸着剤の間の化学結合（例：配位結合）が切断される。
【００３６】
上述した本発明の第２の目的により提供された発明〜第６の目的により提供された発明は、第１の目的により提供された発明による装置の稼働方法に関する。従って、第１の目的により提供された発明に関して記載した選択的な技術的特徴は、第２の目的により提供された発明〜第６の目的により提供された発明に対しても、同じように言える。
【発明の効果】
【００３７】
本発明は、化学吸着に基づくエネルギー貯蔵装置及び化学吸着剤に基づくエネルギー貯蔵装置を稼働してエネルギーを貯蔵する方法であるので、熱及び電気エネルギーを効率よく貯蔵することができ、且つ、貯蔵されたエネルギーを効率よく回収して、使用者の様々な要望に応じて、電気、加熱又は冷却を提供することができ、本発明の適応性と貯蔵されたエネルギーを回収する能力は、従来のエネルギー貯蔵システムと比べて、効率よく稼働できるので、フローバッテリーと比肩できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明のシステムの概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明の態様を、図１を参照して、更に詳細に説明する。
図１は、本発明のシステムの概念図である。１は、圧縮の第１ステップを示している。２ａは、電力発生のための圧縮の第２ステップを示している。２ｂは、熱を生産するための第２ステップを示している。２ｃは、冷却を生産するための第２ステップを示している。
【００４０】
第１吸着剤は、容器内において、高温塩吸着剤床の形状である。適当な吸着剤塩、特に、冷媒がアンモニアの場合に効果的な吸着剤塩としては、ＮｉＣｌ２、ＣａＣｌ２、ＭｇＣｌ２、ＭｇＳＯ４及びＭｎＣｌ２が例示される。
【００４１】
第２吸着剤は、容器内において、低温塩吸着剤床の形状である。適当な吸着剤塩、特に、冷媒がアンモニアの場合に効果的な吸着剤塩としては、ＣａＣｌ２、ＳｒＣｌ２、ＢａＣｌ２及びＮａＢｒが例示される。
【００４２】
化学吸着は、吸着の一形態で、吸着質（本実施例の場合は冷媒ガス）と吸着剤との間の化学結合（例：配位結合）の形成及び切断を含んでいる。
【００４３】
化学吸着貯蔵システムは、様々なエネルギー需要に応じて、電気又は加熱或いは冷却を再生産することができる。化学吸着貯蔵システムは、フロー・バッテリーに比肩できる汎用性を備えている。
【００４４】
吸着剤が、所定の温度で、冷媒ガスと親和性がある場合、吸着されるガス（即ち、吸着剤と化学結合するガス）、と前記所定温度で吸着されないガス（即ち、吸着剤と化学結合しないガス）との間の平衡が、吸着されるガスの方向に移行する。
【００４５】
本発明で使用する用語「高温」及び「低温」は、相互に相対的なものと理解されるべきである。
【００４６】
エネルギー貯蔵装置の単一サイクルは、高温塩容器（ＨＴＳ吸着床）；低温塩容器（ＬＴＳ吸着床）；エキスパンダとしても稼働することができるコンプレッサ；及び冷熱エネルギーを放出する熱交換器の４つの主要構成要素を含んでいる。１つの完全サイクルは、２つのステップから構成されている。コンプレッサ又はエキスパンダは、２個の別々の構成要素として、別々のループに配設される。
【００４７】
第１ステップにおいて、エネルギー貯蔵システムは、オフピーク期間電力を使用して、コンプレッサを駆動し、ＨＴＳアンモニア化物から放出されたアンモニアを圧縮する。図１（１）に示したａ-ｂは、等エントロピ（断熱）圧縮を示している。アンモニアは、冷却用放熱器の温度において、多孔質材に含浸されたＬＴＳアンモニア化物の形で貯蔵される。図１（１）に示したｂ−ｃは、等圧冷却を示している。点Ｃは、ＬＴＳ合成反応の平衡状態である。
【００４８】
第２ステップにおいて、エネルギー貯蔵システムは、多数の方法で稼働され、電気、加熱、或いは冷却（冷凍）を再生する。
【００４９】
電力発生及び冷却再生産のため、ＬＴＳ容器を６０℃で加熱する（図１（２ａ）に経路ｄで示した）。ＬＴＳ容器は、高圧アンモニアを放出し、エキスパンダを通過させ、電気を生産する（図１（２ａ）に経路ｄで示した）。その後、排気されたアンモニアは、ＨＴＳ容器により吸着される（図１（２ａ）に経路ｅ−ｆで示した）。
【００５０】
アンモニア蒸気は、低温、高圧で、エキスパンダの入り口に到達し、同時に、エキスパンダのＨＴＳ吸着剤の下流は、極度の低平衡圧状態になり、大きな膨張と大出力を得ることができる。排気されたアンモニアは、さらなる冷却に使用される。
【００５１】
熱を発生させるために、ＬＴＳ容器を６０℃で加熱する（図１（２ｂ）に経路ｄ−ｅで示した）；ＬＴＳ容器がアンモニアを放出し、放出されたアンモニアは、直接、ＨＴＳ容器で吸着される。バルブが、ＬＴＳ容器とＨＴＳ容器を、直接、接続している。
【００５２】
図１（２ｂ）に示したように、高温合成熱（ｄ−ｅ）が生成される。
【００５３】
高温吸着剤が、ＮＩＣｌ２の場合、約２６０℃の熱を生成する。他の吸着剤、たとえばＭｎＣｌ２は、約１５０℃の熱を生成し、ＣａＣｌ２は、約９０℃の熱を生成する。
【００５４】
冷却を行うために、ＬＴＳ容器は、周囲から熱を抽出し、それによって、ＬＴＳ容器が周囲に冷却効果を発揮するような構成になっている。抽出された熱が、アンモニアの放出を開始し（図１（２ｃ）経路ｄ−ｅ）、周囲から抽出された分解熱が、冷却効果を発揮する。同時に、ＨＴＳ容器が冷却され、アンモニアを吸着する（図１（２ｃ）経路ｄ−ｅ）。
【００５５】
冷却効果を発揮するＨＴＳ吸着剤冷却温度は、選択された吸着剤に依存する。−１５℃の冷却効果のために、ＣａＣｌ２は２０℃で冷却することができる。一方、ＭｎＣｌ２及びＮｉＣｌ２は、それぞれと同じ冷却効果のために、最高７１℃及び１５７℃で冷却する必要がある。従って、２０℃の冷却用放熱器が適用された場合、ＭｎＣｌ２及びＮｉＣｌ２をＨＴＳ吸着剤として選択すると、より効果的で、より低温の冷却効果を上げることができる。
【００５６】
たとえば、冷媒ガス（例：蒸気又はアンモニア）と固体吸着剤（例：ＭｇＯ及びハロゲン化塩）との間の化学反応（例えば配位結合のような化学結合の形成又はその切断）を利用することにより、ある温度で、最少のロスで、長期間熱を貯蔵し、次いで、熱（同じ温度又は高温で）、冷却又は電気として貯蔵システムから抽出することができる。次いで、貯蔵システムから抽出したエネルギーを使用して、電気、熱及び／又は冷却の必要量を低減して経済的利益を生み出すことができる。
【００５７】
本発明には、下記の２つの熱力学的貯蔵システムの構成要素がある。
１．加熱又は冷却することができる吸着剤（固体又は液体）を含有している化学反応容器：
化学反応容器を加熱した場合（廃熱又は周辺環境から反応容器に供給された熱が、化学反応を起こすエネルギーに転換され）、冷媒ガスが吸着され、反応容器から放出される。冷媒が、反応容器に入って、吸着されると、熱が発生し、発生した熱が、反応容器から熱として抽出され、例えば、産業用として使用される。
２．コンプレッサ/エキスパンダ：
コンプレッサ/エキスパンダは、エネルギー（電気）を消費して冷媒ガスを圧縮するか、又は冷媒ガスを膨張させて、エネルギーを生成し、電気を発生することができる。
【００５８】
本発明は、第３の構成要素として、コンデンサ/エバポレータを使用してもよい。コンデンサ/エバポレータは、冷媒を凝縮して、反応容器から放出させ、有用な熱を生成し、又は、周辺環境或いは産業工程からの「廃熱」から供給された熱で冷媒を蒸発する。
【００５９】
本発明の貯蔵技術の新規な特徴は、複数の構成要素が交換可能なことである。従って、回収可能な生成熱の量又は使用頻度、加熱、冷却及び電気の需要量、及びシステムの稼働の必要度等に応じて、従来又は既製のシステムを、産業用プラント又はプロセスとして展開することができる。かかる柔軟性により、本発明の貯蔵技術は、効率を高め、エネルギーの必要量を最大限に低減し、システムの応用範囲を拡大することができる。産業用エネルギーの利用度を高める方法は、高温相変換材料、及び適当な温度で作動する有機ランキンサイクルエンジンを使用する熱エネルギー貯蔵を伴うシステムにより、産業への応用範囲に必要な電気量を低減する。
【００６０】
冷却及び電力化学吸着システムは、コンプレッサ/エキスパンダを使用し、熱及び物質移動のようなアンモニア―固体化学吸着の性能特性、吸着/脱着能力、反応性材料及び化学反応速度が良好となる。
【００６１】
本発明の装置及び方法に組み込んで使用できる反応容器、及び熱交換機（即ち、リジェネレータ）には多くのタイプがある；即ち、シリンダ状リジェネレータ、シェル及びヒレ付きチューブ型リジェネレータ、回転複床型リジェネレータ、プレート型熱交換リジェネレータ等である。
【００６２】
さらに、本発明の装置には、別のコンプレッサ／エキスパンダ技術を利用することができる。これらの例としては、スクロール型、ベーン型、又はローブ型装置等回転装置を挙げることができ、往復運動装置の例としては、インライン型、「Ｖ」字状型、タンデムピストン型、単動式型、及び複動式型を挙げることができる。
【００６３】
活性炭素、バーミキュライト、発泡グラファイト、ゼオライト及びシリカゲル等多くの材料を、強化型吸着剤化合物の多孔質支持体として研究してきた。ある種の多孔質支持体は、冷媒ガスに対する物理吸着能力があって、吸着に予想しない効果を付与する。他の材料は、不活性な母材である。
【００６４】
例えば、発泡性グラファイトを使用して、多孔質支持体を製造する。発泡性グラファイトを、電気炉で、約６００℃、約１０分間の処理時間で、熱処理して発泡させる。正確な加熱温度及び熱処理時間は、原材料であるグラファイト材料によって異なる。次いで、発泡されたグラファイトを、ハロゲン化物の塩、例えば、ＣａＣｌ２の塩溶液と混合し、１１０℃で約２４時間乾燥させ、遊離水を除去し、発泡されたグラファイトに、ＣａＣｌ２・ｎＨ２Ｏを含浸させる。この混合物を、約２７０℃で、数時間維持し、ＣａＣｌ２・ｎＨ２Ｏを焼成してＣａＣｌ２に転換する。発泡グラファイトに対する塩の最適質量比を研究して、改良された熱及び物質移動を策定した。全吸着剤化合物に対する反応性塩の最適質量比は、５０％〜９０％の範囲、例えば、６５％〜８０％の範囲である。
【００６５】
発泡グラファイトとＣａＣｌ２の複合体吸着剤は、純粋塩（ＣａＣｌ２）の熱伝導性を、約３６倍改良する。発泡グラファイトの微細組織を添加することにより、冷媒ガスの物質移動に寄与し、純粋塩吸着剤の場合は受け易いことがわかっている膨潤と凝集を減少させる。
【００６６】
多くの塩と冷媒の組み合わせに関して、反応平衡と動的挙動を研究した。
【００６７】
高温-相変化材料貯蔵を使用することができ、特定の産業温度範囲に調整することができる。
【００６８】
活性炭素、バーミキュライト、発泡グラファイト、ゼオライト及びシリカゲル等多くの材料を、強化型吸着剤化合物の多孔質支持体として研究してきた。ある種の多孔質支持体は、冷媒ガスに対する物理吸着能力があって、吸着に予想しない効果を付与し、ある種のものは、不活性な母材で、吸着材化合物の支持体として使用できる。これらの多孔性支持体を添加することにより、吸着剤の熱及び物質移動性能を向上させ、装置の全性能を改良する。
【００６９】
上述した幾つかの態様に関して記載した特徴は、別の態様においても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。上述した態様は、本発明の種々の特徴を記載した例である。
【００７０】
本発明の明細書、特許請求の範囲、図面全体を通じて、用語「含む」及び「含有する」及びそれらの変形は「含むが〜〜〜に限定されない」という意味で、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、またそれらを排除しない。本発明の明細書、特許請求の範囲、及び図面全体を通じて、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、本発明の明細書、特許請求の範囲、及び図面全体を通じて、単数と複数を意図していると理解されるべきである。
【００７１】
本発明の特定の目的、態様又は実施例に関連して記載された整数、特徴、化合物、化学成分又は基は、互換性がある限り、同じく記載されている他の目的、態様又は実施例に適用することができる。本発明の明細書、特許請求の範囲、及び図面に記載されている総ての特徴、及び／又は本発明の明細書、特許請求の範囲、及び図面に記載されている方法又は工程の総ては、かかる特徴及び／又は工程の少なくとも幾つかが相互に排他的でない限り、如何なる組み合わせも可能である。本発明は、前述した態様の詳細に限定されない。本発明は、明細書、特許請求の範囲、図面、要約書に記載された特徴の新規な特徴、又はその新規な組み合わせ、又は同じように記載された方法又は工程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、拡張解釈される。
【００７２】
本願に関連する明細書と同時に又はそれより前に出願され、且つ、この明細書と共に公衆に公開された総ての論文及び書類を参照されるべきであり、かかる論文及び書類の総ての内容は、本発明の明細書、特許請求の範囲、図面又は要約書に、参照として組み込まれている。
【図１】
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【国際調査報告】
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