JP2009512157A - エネルギーを生み出し、変換し、貯蔵する方法およびシステム - Google Patents

エネルギーを生み出し、変換し、貯蔵する方法およびシステム Download PDF

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Abstract

本発明は、エネルギーを変換し貯蔵する方法およびシステムに関する。例えば、風力または太陽エネルギーの形のエネルギーを使用して、電気化学電池内で二酸化炭素をメチルアルコールに変換する。燃料電池内でメチルアルコールを後に使用して、電気を発生させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、包括的には、エネルギーを生み出し、例えば風力発電所で発電されたエネルギーを貯蔵する方法およびシステムに関する。
石油等の化石燃料への依存度を低減するために、再生可能なエネルギー源を使用するより効率的な方法を見つけることが望ましい。１つの再生可能なエネルギー源は風力である。しかし、風力には、風を予測することが不可能であり、一番必要なときに常に利用できるとは限らないという問題を伴う。風がないときにこのような状況へのセーフガードを提供するために、化石燃料または原子力エネルギーに頼る発電所を使用する選択肢を有することがやはり必要になり得る。その結果、設備容量の点で、他のエネルギー源を風力で代用することは困難である。
ＷＯ００２５３８０ スウェーデン特許出願第０６０１３５０−２号
本発明の目的は、例えば、風力発電所からのエネルギーをより効率的に使用できるようにエネルギーを変換して貯蔵する方法を提供することである。従来、例えば、二酸化炭素を水素ガスに変換し、次いで水素ガスをメタノール等の貯蔵用化合物に変換することができる（特許文献１）において示唆されている。
本発明は、エネルギーを生み出し、変換し、貯蔵する方法に関する。本発明の方法は、発電所（例えば、風力発電所）において電気エネルギーを発生させるステップ、電気エネルギーを使用して、燃料電池／電気化学電内で二酸化炭素および水をメチルアルコールに変換するステップ、メチルアルコールをタンクに貯蔵するステップ、および燃料電池内で貯蔵されたメチルアルコールを後に電気エネルギーに変換するステップを含む。二酸化炭素は電気化学電池内でメチルアルコールに変換されるため、それ以上の処理を回避することができる。
この方法は、少なくとも１つの電気化学電池の使用を含む。好ましくは、複数の電気化学電池が使用される。好ましくは、１つまたは複数の同じ電気化学電池が、メチルアルコールの生成およびメチルアルコールの電気エネルギーへの変換の両方に使用される。このため、本発明において使用される電気化学電池は、おそらく、燃料電池として動作することが可能であり、発電可能なことを理解されたい。
一実施形態によれば、電気の市場価格の変動が時間に伴って監視され、所与の瞬間の市場価格で、この方法を使用してメチルアルコールを生成すべきか、それとも貯蔵されているメチルアルコールを電気エネルギーに変換すべきかを決める。
一実施形態によれば、少なくとも１つの電気化学電池または燃料電池は、給液式燃料電池（直接メタノール形燃料電池）である。現在使用されている給液式燃料電池は、通常、１００°Ｃよりも下の温度で動作する。この実施形態では、少なくとも１つの電気化学電池は、高分子膜で隔てられた陽極および陰極を備える。好ましくは、陽極は銀およびプラチナでコーティングされ、陰極は好ましくはプラチナでコーティングされる。
一実施形態によれば、メチルアルコールが電気エネルギーに変換されるときに発生する二酸化炭素が、二酸化炭素用タンクに貯蔵される。
別の実施形態では、少なくとも１つの電気化学電池は固体酸化物形燃料電池である。現在、このような電池は比較的高温で動作し、６５０°Ｃをこのようなケースでの典型的な温度として見ることができる。しかし、開発の傾向はより低温での使用に向かっている。
メチルアルコールの電気エネルギーへの変換は、メチルアルコールを水素に変換し、その後、水素が電気エネルギーの発生に使用される過程で水素を電気化学電池に供給することを含む。特に、これは固体酸化物形燃料電池が使用される場合であり得る。
本発明は、エネルギーを発生し、変換し、貯蔵するシステムにも関する。このシステムは、風力発電所等の発電所および電気化学電池が発電所から電気エネルギーを受け取ってメチルアルコールに変換できるように発電所に接続される少なくとも１つの電気化学電池を含む。このシステムは、電気化学電池により生成されるメチルアルコールを電気化学電池に隣接して貯蔵し、少なくとも１つの電気化学電池での電気エネルギーの発生に使用できるように、電気化学電池に接続される貯蔵タンクをさらに含む。次に、電池化学電池が、発電する燃料電池として動作する。
少なくとも１つの電気化学電池は、高分子膜で隔てられた陽極および陰極を備える直接メタノール形燃料電池であることができ、陽極は銀およびプラチナでコーティングされ、陰極はプラチナでコーティングされる。システムの少なくとも１つの電気化学電池は、固体酸化物形燃料電池であることもできる。
一実施形態によれば、このシステムに、二酸化炭素を受け取って貯蔵するように適合される追加の別個の貯蔵タンクを任意に設けることもできる。
有利な一実施形態では、このシステムは、所定の変数を監視し、所定の変数の検出値に応じて、システムを使用して電気エネルギーを発生させるべきか、それともメチルアルコールを生成させるべきを判断する手段を含むことができる。
本発明について、まず図１を参照して説明する。図１では、参照番号１０を使用して、図１では風力発電所として示される発電所を示す。電気化学電池１が発電所１０に接続される。風力発電所１０が動作している場合、電気エネルギーが発生する。この電気エネルギーを電気化学電池１に供給し、二酸化炭素および水が使用されてメチルアルコールが生成されるプロセスで使用することができる。メチルアルコールは、タンク１１に貯蔵して、後に電気エネルギーを発生させるために電気化学電池１内で使用することができるエネルギーを表す。そして、電気化学電池１は燃料電池１として動作することになる。任意に、メチルアルコールを電気エネルギーに変換するために別個の燃料電池を使用してもよい。本発明において使用される電気化学電池は、いくつかの燃料電池ユニット、例えばいくつかの直列接続された燃料電池ユニットにより形成されてもよく、またはこれらを含んでもよい。
図１では、１つのみの電気化学電池１が示される。しかし、複数の電気化学電池１を使用してもよいことを理解されたい。好ましくは、同じ電気化学電池（複数可）１が、メチルアルコールの生成およびメチルアルコールの電気エネルギーへの変換の両方に使用される。しかし、１個の電池（または複数の電池）を使用してメチルアルコールを生成し、異なる１個の電池（または複数の電池）を使用して電気エネルギーを発生させる実施形態を考えることが可能である。
風が吹いており、その瞬間に必要とされる量よりも多くの電気エネルギーが発生している場合、電気エネルギーの余剰分を使用してメチルアルコールを生成することができる。風がない場合、タンク１１内のメチルアルコールを使用して、燃料電池内で電気エネルギーを発生させることができる。本発明の方法を実施する有利な方法は、時間に伴う電気の市場の価格の変動を監視することもできる。そして、所与の瞬間の市場価格を使用して、方法を使用してメチルアルコールを生成すべきか、それとも貯蔵されているメチルアルコールを電気エネルギーに変換すべきかを判断することができる。電力が安価の場合、このプロセスを使用してメチルアルコールを生成することができる。これは、風がない期間中に行うこともできる。その場合、電気エネルギーを外部ソースから購入してメチルアルコールに変換し、電気需要が高く、電気を良い価格で販売できるときに、メチルアルコールが電気エネルギーに変換される。
本発明の一実施形態について、図２を参照してこれより説明する。図２は、メチルアルコールを使用して電気エネルギーを発生させることを示す。電気化学電池１または燃料電池１は直接メタノール形燃料電池１であり、陽極２が、電解質として機能する膜４により陰極３から隔てられる。膜４は、好ましくは、高分子膜である。陽極２は、好ましくは、銀およびプラチナでコーティングされ、陰極３は、好ましくは、プラチナでコーティングされる。陽極２および陰極３は、銀およびプラチナでコーティングされることに代えて、単にこれら要素を含有してもよい。例えば、陽極および／または陰極は、触媒が添加された多孔質材料を含んでもよい。図２のプロセスでは、メチルアルコールおよび水（ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ）が、開口８を通して陽極側に導入された。プロセスは、回路５内に電流を発生させ、二酸化炭素（ＣＯ２）が開口９を通って陽極を出る。陰極側では、水（Ｈ２Ｏ）が開口７を通って電池から出て行き、開口６の矢印がＯ２または空気中のＯ２を表す。
好ましくは、同じ電気化学電池１が逆方向にも使用される。この場合を図３に示し、図３では、電気エネルギーが回路５を通して燃料電池１（電気化学電池１）に供給される。図３によるプロセスでは、開口８を通って燃料電池を出て行くように示されるメチルアルコールおよび水（ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ）がプロセスの生成物である。
図２および図３に示すプロセスは、通常、１００°Ｃよりも低い温度で動作する。このような温度では、電解質を高分子材料で作ることができる。プロセスがこのような温度で行われる場合、陽極の銀およびプラチナのコーティングにより、プロセスが図２に従って実行される場合およびプロセスが図３に従って実行される場合の両方で、プロセスの効率が向上するものと本発明者等は信じている。図２および図３のプロセスは、例えば、７０°Ｃ〜８０°Ｃの範囲の温度で、例えば１〜２（超過圧力）バールの圧力で、すなわち大気圧から１バールの超過圧力までの圧力で行うことができる。プロセスは、大気圧または大気初から１バールの超過圧力までの範囲で行うこともできる。銀コーティングは、電気化学電池１がメチルアルコールの生成に使用される場合に有利な効果を有する。プラチナコーティングは、電流が発生するときに触媒として機能する。プロセスがこのように低温（１００°Ｃ未満）かつ低圧（例えば、１〜２バール過剰圧力）で行われる場合、使用される機器に対してそれほど高い強度が求められず、使用される材料の製造が比較的安価であることができる。
電気化学電池１内での二酸化炭素からメチルアルコールへの変換は、二酸化炭素がまず ギ酸に変換され、ギ酸がホルムアルデヒドに変換され、ホルムアルデヒドがメチルアルコールに変換されるいくつかの中間ステップを含む。しかし、変換プロセス全体を電気化学電池１内で行うことができる。任意に、プロセスが行われる電気化学電池１は、直列接続されたいくつかの電池を含む燃料電池ユニットで形成してもよい。このような燃料電池ユニットでは、最初の電池を、二酸化炭素からギ酸への変換に向けて最適化し、２番目（後続）の電池を、ギ酸からホルムアルデヒドへの変換に向けて最適化し、３番目の電池を、ホルムアルデヒドからメチルアルコールへの変換に向けて最適化することができる。このような燃料電池ユニットは、本出願の所有者が所有する（特許文献２）に開示されるように設計することができる。
メチルアルコールが電気エネルギーに変換されるときに発生する二酸化炭素は、有利なことに、二酸化炭素用のタンク２０に貯蔵することができる。次いで、メチルアルコールを再び生成することが望ましい場合に、貯蔵された二酸化炭素を使用することができる。次いで、メチルアルコールを生成するために、二酸化炭素をタンク２０から電気化学電池に供給することができる。
これより、別の実施形態を示す図４を参照する。図４の実施形態では、電気化学電池１は、陽極２と陰極３とが電解質４で隔てられた固体酸化物形燃料電池である。この電池は、温度３００°Ｃ以上での使用を目的とする。動作温度は４００°Ｃ〜７００°Ｃの範囲であり得るが、本発明者等は、電池を４００°Ｃよりも低い温度で動作させることができる場合にこれを利点として考える。数百度の温度では、陽極２および陰極３が単に導電性であるだけで十分であると信じられている。図４に示すプロセスでは、メチルアルコール（ＣＨ３ＯＨ）が開口８を通して陽極側に添加され、酸素を含む空気またはＯ２がポート６を通して供給される。余分な空気およびＯ２はポートを通って排出される。場合によっては、メチルアルコールがまず水素（Ｈ２）に変換されてから、燃料電池に供給される。プロセスは回路５内で電気エネルギーを発生させる。一方、開口９を通して、Ｈ２Ｏが燃料電池から出て行く（２Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２）。図４によるプロセスでは、電解質または膜４は、陰イオン導電体であるセラミック膜であってよい。可能な材料は、例えば、イットリア安定化ＺｒＯ２またはセリア−酸化ガドリニウムであってよい。
図５は、図４と同じ電気化学電池の概略図である。しかし、図５では、プロセスは逆方向に行われる。したがって、電気エネルギーは、ここでは燃料電池として動作する電気化学電池１に供給される。電気エネルギーは、回路５を通して供給され、メチルアルコール（ＣＨ３ＯＨ）がプロセスの生産物である。陰極側で、空気が開口６を通って入り、余分な空気およびＯ２が開口７を通って電気化学電池１から出て行き、二酸化炭素および水（ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ）が開口９を通して電気化学電池に供給される。
任意に、システムに、二酸化炭素を受け取って貯蔵するように適合された追加の別個の貯蔵タンクを設けることができる。これには、メチルアルコールの生成に必要な二酸化炭素を、必要なときに容易に入手できるという利点が伴う。さらに、周囲大気への二酸化炭素の放出を低減することができる。
一実施形態では、システムは、所定の変数を監視し、所定の変数の検出値に応じて、システムを使用して電気エネルギーを発生させるか、それともメチルアルコールを発生させるかを判断する手段を含む。所定の変数は電気エネルギーの価格であり得る。時間に伴う価格の変動は、電気エネルギーに対するニーズと電気エネルギーの可用性との不均衡を反映する。したがって、価格についての情報を利用して、エネルギー、特に風力発電所等のソースからのエネルギーをより効率的に利用することができる。所定の変数を監視する手段は、情報のインターネットソースに接続され、電気化学電池の動作を制御するように構成されたコンピュータであることができる。もちろん、所定の変数は、電気の価格以外の変数であってもよい。例えば、電力網周波数不均衡であってもよい。不均衡が検出される場合、電力網のバランスをとるために必要な量を発電する。変数は時間であってもよい。多くの場所で、夜間の必要電気エネルギー量は少ない。そのため、プロセスを、必要電気量が少ないと予想される期間中にエネルギーを貯蔵するように構成することができる。問題となる変数は、例えば、風力の可用性であってもよい。これは、風速で測定することができる。
上述したプロセスおよびシステムは、水素を生成する中間ステップなしで二酸化炭素をメチルアルコールに変換できるようにする。水素を生成する中間ステップがなくなる場合、プロセスをより単純にすることができ、水素をメチルアルコールに変換するために必要な機器を回避することができ、コストが節減される。したがって、メチルアルコールが電気化学電池内で直接生成される本発明によるプロセスは費用効率的である。
エネルギーを発生して貯蔵するシステムを概略的に示す。 直接メタノール形燃料電池が動作して、メチルアルコール（メタノール）を燃料として使用することにより電気エネルギーを発生させるプロセスの概略図である。 電気エネルギーが直接メタノール形燃料電池で使用されて、水および二酸化炭素がメチルアルコールに変換されるプロセスの概略図である。 固体酸化物形燃料電池が動作して、メチルアルコールを燃料として使用することにより電気エネルギーを発生させるプロセスの概略図である。 電気エネルギーが固体酸化物形燃料電池で使用されて、水および二酸化炭素がメチルアルコールに変換されるプロセスの概略図である。
符号の説明
１電気化学電池
２陽極
３陰極
４膜
５回路
６、７、８、９開口
１０発電所
１１タンク
２０二酸化炭素用タンク

Claims (13)

  1. エネルギーを発生させ、変換し、貯蔵する方法であって、
    ａ）風力発電所（１０）等の発電所（１０）で電気エネルギーを発生させるステップと、
    ｂ）前記電気エネルギーを使用して、電気化学電池（１）内で二酸化炭素および水をメチルアルコールに変換するステップと、
    ｃ）前記メチルアルコールをタンク（１１）に貯蔵するステップと、
    ｄ）後に、電気化学電池（１）内で前記貯蔵されたメチルアルコールを電気エネルギーに変換するステップと、
    を含む方法。
  2. 複数の電気化学電池（１）が使用され、同じ電気化学電池（１）が、メチルアルコールの生成およびメチルアルコールの電気エネルギーへの変換の両方に使用される、請求項１に記載の方法。
  3. 電気の市場価格の変動が時間に伴って監視され、所与の瞬間の前記市場価格を使用して、前記方法を使用してメチルアルコールを生成すべきか、それとも貯蔵されているメチルアルコールを電気エネルギーに変換するかを判断する、請求項１に記載の方法。
  4. 少なくとも１つの電気化学電池（１）が使用され、該少なくとも１つの電気化学電池（１）は、メチルアルコールの生成およびメチルアルコールの電気エネルギーへの変換の両方に使用され、前記電気化学電池は給液式燃料電池（１）（直接メタノール形燃料電池）である、請求項１に記載の方法。
  5. 前記少なくとも１つの電気化学電池（１）は、高分子膜（４）で隔てられた陽極（２）および陰極（３）を備え、前記陽極（２）は銀およびプラチナでコーティングされ、前記陰極（３）はプラチナでコーティングされる、請求項４に記載の方法。
  6. メチルアルコールが電気エネルギーに変換されるときに発生する二酸化炭素が、二酸化炭素用タンクに貯蔵される、請求項１に記載の方法。
  7. 少なくとも１つの燃料電池（１）が使用され、該少なくとも１つの電気化学電池は、メチルアルコールの生成およびメチルアルコールの電気エネルギーへの変換の両方に使用され、前記電気化学電池（１）は固体酸化物形燃料電池（１）である、請求項１に記載の方法。
  8. メチルアルコールの電気エネルギーへの変換は、メチルアルコールを水素に変換し、次に、前記水素を使用して電気エネルギーを発生させる過程において前記水素を前記電気化学電池（１）に供給することを含む、請求項７に記載の方法。
  9. エネルギーを発生させて貯蔵するシステムであって、
    ａ）風力発電所（１０）等の発電所（１０）と、
    ｂ）前記発電所（１０）から電気エネルギーを受け取り、該電気エネルギーをメチルアルコールに変換することができるように前記発電所（１０）に接続される少なくとも１つの電気化学電池（１）と、
    ｃ）該電気化学電池（１）により生成したメチルアルコールを前記電気化学電池（１）に隣接して貯蔵し、前記少なくとも１つの電気化学電池（１）での電気エネルギーの発生に使用することができるように、前記電気化学電池（１）に接続される貯蔵タンク（１１）と、
    を備えるシステム。
  10. 前記少なくとも１つの電気化学電池（１）は、高分子膜（４）で隔てられた陽極（２）および陰極（３）を備える直接メタノール形燃料電池であり、前記陽極（２）は銀およびプラチナでコーティングされ、前記陰極（３）はプラチナでコーティングされる、請求項９に記載のシステム。
  11. 二酸化炭素を受け取って貯蔵するように適合される追加の別個の貯蔵タンクがさらに設けられる、請求項９に記載のシステム。
  12. 所定の変数を監視して、該所定の変数の検出値に応じて、該システムを使用して電気エネルギーを発生させるべきか、それともメチルアルコールを生成すべきかを判断する手段を含む、請求項９に記載のシステム。
  13. 前記少なくとも１つの電気化学電池（１）は固体酸化物形燃料電池である、請求項９に記載のシステム。
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