(57)【要約】  本方法は、水を燃料電池及び均圧装置に貯蔵することによって機械的エネルギーを発生させる。当該燃料電池に貯蔵される水は水素ガス及び酸素ガスに電気分解され、この水素ガス及び酸素ガスは均圧装置に貯蔵される水を移動させる。この移動した水は水圧装置に送られ、それにより順方向に水圧装置を駆動して機械的エネルギーを生成する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械的エネルギーを発生させる方法であって、
水を燃料電池及び均圧装置に貯蔵する工程と、
該燃料電池に貯蔵された前記水を水素ガス及び酸素ガスに電気分解する工程と、
前記均圧装置に貯蔵された前記水を前記水素ガス及び前記酸素ガスで移動させる工程と、
該移動された水を水圧装置に送り、それにより該水圧装置を順方向に駆動して機械的エネルギーを生成する工程と
を含む機械的エネルギーを発生させる方法。
【請求項２】
前記水素ガスと前記酸素ガスとを再化合し、この再化合により前記均圧装置から前記燃料電池内へ前記水を吸引し、前記水圧装置を逆方向に駆動してさらなる機械的エネルギーを生成する請求項１に記載の機械的エネルギーを発生させる方法。
【請求項３】
前記電気分解する工程及び前記再化合する工程が交互に繰り返されて、連続的な機械的エネルギーを生成する請求項２に記載の機械的エネルギーを発生させる方法。
【請求項４】
前記水圧装置を機械装置に連結することをさらに含む請求項１に記載の機械的エネルギーを発生させる方法。
【請求項５】
前記均圧装置が、前記水素ガスを貯蔵する第１のチャンバと、前記酸素ガスを貯蔵する第２のチャンバとを備え、該第１のチャンバ及び該第２のチャンバが可撓性及び柔軟性を有するとともに不透過性の隔膜によって分離されている請求項１に記載の機械的エネルギーを発生させる方法。
【請求項６】
前記燃料電池が、正極、正の多孔質導電体、透過性膜、負の多孔質導電体及び負極を備え、該透過性膜が可撓性及び柔軟性を有し、前記燃料電池内での均圧化を可能にする請求項１に記載の機械的エネルギーを発生させる方法。
【請求項７】
前記水圧装置は、流体をポンプ輸送するために供給チェックバルブ及び排出チェックバルブに接続された隔膜ポンプである請求項１に記載の機械的エネルギーを発生させる方法。
【請求項８】
前記水圧装置が水圧ラムである請求項１に記載の機械的エネルギーを発生させる方法。
【請求項９】
前記燃料電池、前記均圧装置、及び前記水圧装置は、前記水を貯蔵するために閉じた系を形成する請求項１に記載の機械的エネルギーを発生させる方法。
【請求項１０】
前記水圧装置は生体模倣ポンプである請求項１に記載の機械的エネルギーを発生させる方法。
【請求項１１】
前記再化合中に生成する電気エネルギーが再生される請求項２に記載の機械的エネルギーを発生させる方法。
【請求項１２】
機械的エネルギーを発生させる方法であって、
第１の水を第１の燃料電池及び第１の均圧装置に貯蔵する工程と、
第２の水を第２の燃料電池及び第２の均圧装置に貯蔵する工程と、
前記第１の燃料電池に貯蔵された前記第１の水を第１の水素ガス及び第１の酸素ガスに電気分解する工程と、
前記第１の均圧装置に貯蔵された前記第１の水を前記第１の水素ガス及び前記第１の酸素ガスで移動させる工程と、
該移動された第１の水を水圧装置に送り、それにより前記水圧装置を順方向に駆動して機械的エネルギーを生成する工程と、
前記第１の水素ガスと前記第１の酸素ガスとを再化合し、この再化合により前記第１の均圧装置から前記第１の燃料電池内へ前記第１の水を吸引し、前記水圧装置を逆方向に駆動してさらなる機械的エネルギー及び電位エネルギーを生成する工程と、
前記第１の水素ガスと前記第１の酸素ガスとを再化合している間に、前記第２の燃料電池に貯蔵された前記第２の水を第２の水素ガス及び第２の酸素ガスに電気分解する工程と、
前記第２の均圧装置に貯蔵された前記第２の水を前記第２の水素ガス及び前記第２の酸素ガスで移動させる工程と、
該移動する第２の水を前記水圧装置に送り、それにより該水圧装置を順方向／逆方向に駆動して前記機械的エネルギーを生成する工程と、
前記第１の水を電気分解している間に、前記第２の水素ガスと前記第２の酸素ガスとを再化合し、この再化合により前記第２の均圧装置から前記第２の燃料電池内へ前記第２の水を吸引し、前記水圧装置を順方向／逆方向に駆動してさらなる機械的エネルギー及び電位エネルギーを生成する工程と
を含む機械的エネルギーを発生させる方法。
【請求項１３】
前記第１の燃料電池と前記第２の燃料電池とを熱的に接続すること、
前記第１の水素ガス及び前記第２の水素ガスを電気分解しているときに前記第１の燃料電池を加熱すること、
前記第２の水素ガス及び前記第２の酸素ガスを電気分解しているときに前記第２の燃料電池を加熱すること
をさらに含む請求項１２に記載の機械的エネルギーを発生させる方法。
【請求項１４】
機械的エネルギーを発生させるシステムであって、
水を貯蔵する燃料電池と、
水を貯蔵する均圧装置と、
前記燃料電池内に貯蔵される前記水を水素ガス及び酸素ガスに電気分解し、それにより前記均圧装置内に貯蔵される該水を移動させる手段と、
該移動する水により順方向に駆動して機械的エネルギーを生成する水圧装置と
を備える、機械的エネルギーを発生させるシステム。
【請求項１５】
前記燃料電池、前記均圧装置、及び前記水圧装置は、前記水を貯蔵するための閉じた系を形成する請求項１４に記載の機械的エネルギーを発生させるシステム。
【請求項１６】
前記燃料電池は、
正極と、
正の多孔質導電体と、
透過性膜と、
負の多孔質導電体と、
負極と
をさらに備える請求項１４に記載の機械的エネルギーを発生させるシステム。
【請求項１７】
前記均圧装置は、可撓性及び柔軟性を有するとともに不透過性の隔膜によって分離されている水素チャンバ及び酸素チャンバをさらに備える請求項１４に記載の機械的エネルギーを発生させるシステム。
【請求項１８】
前記水圧装置に連結する機械装置をさらに備える請求項１４に記載の機械的エネルギーを発生させるシステム。
【請求項１９】
前記透過性膜は可撓性及び柔軟性を有している請求項１６に記載の機械的エネルギーを発生させるシステム。
【請求項２０】
前記水素ガスと前記酸素ガスとを再化合する手段をさらに備え、該再化合により前記均圧装置から前記燃料電池内へ前記水を吸引し、前記水圧装置を逆方向に駆動してさらなる機械的エネルギー及び電位エネルギーを生成する請求項１４に記載の機械的エネルギーを発生させるシステム。
【請求項２１】
前記電気分解工程のための手段及び前記再化合工程のための手段が、連続的な機械的エネルギーを発生するように交互に稼動する請求項１４に記載の機械的エネルギーを発生させるシステム。
【請求項２２】
前記水圧装置は、が、流体をポンプ輸送するために供給チェックバルブ及び排出チェックバルブに接続された隔膜ポンプである請求項１４に記載の機械的エネルギーを発生させるシステム。
【請求項２３】
前記水圧装置が水圧ラムである請求項１４に記載の機械的エネルギーを発生させるシステム。
【請求項２４】
前記水圧装置が生体模倣ポンプである請求項１４に記載の機械的エネルギーを発生させるシステム。
【請求項２５】
機械的エネルギーを発生させるシステムであって、
第１の水を貯蔵する第１の燃料電池と、
該第１の水を貯蔵する第１の均圧装置と、
前記第１の燃料電池内に貯蔵された該第１の水を第１の水素ガス及び第１の酸素ガスに電気分解し、それにより前記第１の均圧装置内に貯蔵された該第１の水を移動させる手段と、
該移動する第１の水により順方向に駆動され機械的エネルギーを生成する水圧装置と、
前記第１の水素ガスと前記第１の酸素ガスとを再化合し、前記再化合により前記均圧装置から前記燃料電池内へ前記第１の水を吸引し、逆方向に前記水圧装置を駆動してさらなる機械的エネルギー及び電位エネルギーを生成する手段と、
第２の水を貯蔵する第２の燃料電池と、
該第２の水を貯蔵する第２の均圧装置と、
前記第１の水素ガスと前記第１の酸素ガスとを再化合している間に、前記第２の燃料電池内に貯蔵された前記第２の水を第２の水素ガス及び第２の酸素ガスに電気分解し、それにより該第２の均圧装置内に貯蔵された該第２の水を移動させ、該移動する第２の水により前記水圧装置を逆方向に駆動する手段と、
前記第２の水素ガスと前記第２の酸素ガスとを再化合し、前記再化合により前記第２の均圧装置から前記第２の水を吸引し、前記水圧装置を順方向に駆動してさらなる機械的エネルギー及び電位エネルギーを生成する手段と
を備える機械的エネルギーを発生させるシステム。
【請求項２６】
前記第１の燃料電池と前記第２の燃料電池との間を接続し、前記第１の燃料電池を加熱して前記第１の水素ガス及び前記第２の水素ガスを電気分解し、且つ該第２の燃料電池を加熱して前記第２の水素ガス及び前記第２の酸素ガスを電気分解する熱導体をさらに含む請求項２５に記載の機械的エネルギーを発生させるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は包括的に燃料電池に関し、より詳細には可逆燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池
燃料電池の反応は、下記のように示すことができる。
２Ｈ２Ｏ＋電気エネルギー⇔２Ｈ２＋Ｏ２＋電位エネルギー
【０００３】
前述の電気分解反応は、水（Ｈ２Ｏ）を消費し、水素（Ｈ２）及び酸素（Ｏ２）を放出する。水素と酸素との逆反応は水及び電位エネルギーを生成する、すなわち、いわゆる「燃料電池」の反応である。
【０００４】
図１は、一般的な従来技術の可逆燃料電池１００を示す。直流電源１１０は導線１２０を介して電気分解セル１４０の内部の電極１３０に電流を供給する。電流は、電気分解セル１４０内の水１５０を電気分解して水素ガス及び酸素ガスの混合物１６０を生成し、この混合物１６０は相互接続管１７０を通って試薬貯蔵槽１８０まで流れる。この混合物１６０は液体試薬１９０を加圧して、管１９５を介して貯蔵槽から試薬を流出させる。
【０００５】
従来技術では、水素と酸素との触媒による再化合１６０が考えられ、且つ可能である。しかしながら、再化合は緩徐であり、且つ制御されない。また、このような水素と酸素との制御されない再化合は熱を発するが、この熱は有用に再利用されるものではない。
【０００６】
図２は、従来技術の可逆燃料電池システム２００の構造を示す。燃料電池２０３は、正極２０５、正の多孔質導電体２０６、透過性陽子交換膜２０７、負の多孔質導電体２０８及び負極２０９を備える。明確にするため、これらの部品は分解されたように示される。しかしながら、良好な導電性を達成するために、前述の構成２０５、２０６、２０７、２０８及び２０９は直接隣接している。
【０００７】
膜は、米国特許第３，０４１，３１７号、同第３，２８２，８７５号及び同第３，６２４，０５３号に記載されているような方法で作ることができる。１つの膜は、E. I. DuPont de Nemours and Companyにより製造されるスルホン化テトラフルオロエチレン高分子膜であり、これは「Ｎａｆｉｏｎ」という商標で販売されている。
【０００８】
高分子膜２０７は、Ｈ＋イオンが膜を通って拡散することができるという特性を有する。燃料電池における使用のために、膜の両側面は炭素粉末で被覆されている。炭素粉末中の粒子は、白金フィルムで被覆されている。白金は、２Ｈ２Ｏ⇔２Ｈ２＋Ｏ２可逆反応において触媒作用を及ぼす。炭素／白金はグラファイト含浸紙と直接接触して、低抵抗の電気経路を提供し、且つ紙はガスが流れるのを可能にするため高度に多孔性になっている。また、多孔性導電層も有孔ステンレス鋼加圧板と接触しており、これが現行の機械電極構造である。
【０００９】
電気分解について、炭素粉末上の白金触媒は、炭素粉末を酸化する高エネルギーの酸素により分解される。この理由から、電気分解、すなわち２Ｈ２Ｏ＋電気エネルギー→２Ｈ２＋Ｏ２と、燃料電池の反応、すなわち２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋電位エネルギーとの両方を実施する電池では、特定の触媒を酸素側で使用する。通常、この触媒は、白金及びレニウム、又は酸化レニウム上の白金である。これらの触媒は、直接変換型メチルアルコール燃料電池でも使用される。
【００１０】
また、燃料電池２０３は、２つの別々の気密区画である水素区画２１０及び酸素区画２１１を備える。この２つの区画も横方向から見ると、膜２０７’で分離されている。膜２０７’は、水素を酸素と混合しないようにしている。
【００１１】
直流電源２０１は直流を発生する。この電流はスイッチ２０２によりスイッチングされ、電流を燃料電池２０３に選択的に供給する。通常、燃料電池は初めに水で充填されている。スイッチ２０２を「オン」にすると、電流は水を電気分解し、水素及び酸素を生成する。
【００１２】
若干量の水素及び酸素を電気分解によって生成した後、スイッチ２０２を「オフ」にするとともに、負荷スイッチ２０４を「オン」にし、燃料電池２０３によって生じる電流をエネルギー回収負荷装置２１２に供給する。この負荷装置が存在することにより、水素及び酸素が再化合する。水素及び酸素が電池セル内に存在する限り、この電流は負荷装置２１２に供給され続ける。
【００１３】
水素及び酸素の外部供給が利用可能であれば、これらのガスを直接燃料電池に供給して、負荷スイッチ２０４が「オン」であれば、負荷装置２１２への電気エネルギーを発生させることができる。負荷装置２１２はエネルギー回収負荷装置であってもよい。すなわち、電位エネルギーをシステムの電源２０１に戻す装置であってもよい。バッテリー式装置について、これは、スイッチング電源を使用して電源２０１を再充電することができる。ＡＣライン式装置について、ライン同期型ＤＣ−ＡＣインバータ(line-synchronized DC-to-AC inverter)を使用して電位エネルギーを回復させることができる。
【００１４】
マイクロポンプ
様々な種類のマイクロポンプが知られている。マイクロポンプは、機械式又は非機械式のものに分類することができる。機械式マイクロポンプとしては、電気機械駆動式ピストンポンプ及び熱風駆動式蠕動ポンプが挙げられる。非機械式マイクロポンプとしては、電気流体力学マイクロポンプ及び電磁流体力学マイクロポンプが挙げられる。
【００１５】
１つの電気化学的マイクロポンプは、S. M. Mitrovski及びR. G. Nuzzo著、"An electrochemically driven poly(dimethylsiloxane) microfluidic actuator: oxygen sensing and programmable flows and pH gradients" Lab on a Chip, Vol. 5, pp. 634-645（２００５年）によって記載されている。このポンプでは、酸素及び酸素イオンが流体を「ドラッグ(drag)」するのに用いられる。
【００１６】
他のマイクロポンプは、エラストマーチャネル内の圧電効果に基づいており、Wei Gu, Xiaoyue Zhu, Nobuyuki Futai, Brenda S. Cho, and Shuichi Takayamaが、"Computerized microfluidic cell culture using elastomeric channels and Braille displays" Proceedings National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 101(45) （２００４年１１月９日）でこのようなシステムの１つを記載している。このポンプでは、圧電アクチュエータを使用して蠕動ポンプを形成し、交互に薄い弾性管を圧迫したり緩めたりする。
【００１７】
チップに基づく電気分解駆動式マイクロポンプは、J. Liu他著、"Microfluidic Co mponents for Chip-based Sample Preparation Systems" The 50th ASMS Annual Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics（フロリダ州オーランド）（２００２年６月）によって記載されている。このマイクロポンプは、水素及び酸素の気泡を使用して、試薬を電極から追いやる。これが電気分解に基づくポンプ輸送である。明らかに、このマイクロポンプは水素及び酸素に非感受性の試薬に対してのみ好適である。しかしながら、このような試薬は稀であり、また、水素と酸素とを再化合する手段もなく、マイクロポンプに流体を再供給するいかなる手段もないため、このポンプは１度しか使用することができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
可逆燃料電池における電気分解を機械的エネルギー発生装置として用いることが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明による方法は、水を燃料電池及び均圧装置に貯蔵することによって機械的エネルギーを発生させる。当該燃料電池に貯蔵されている水は水素ガス及び酸素ガスに電気分解され、水素ガス及び酸素ガスは均圧装置に貯蔵されている水を移動させる。移動した水は水圧装置に送られ、それにより順方向に水圧装置を駆動して機械的エネルギーを生成する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
システム構造
図３は、本発明の一実施形態による燃料電池作動の機械的エネルギー発生装置３００を示す。当該装置は、均圧装置３０７に連結された燃料電池３０４を備え、均圧装置３０７は水圧装置３３０に連結され、水圧装置３３０は任意選択的に機械装置３４０に連結されている。本明細書中に定義されるように、燃料電池、均圧装置及び水圧装置が、水を貯蔵するために「閉じた」系を形成する。すなわち稼動中は、水は閉じた系に入ることも出ることもない。
【００２１】
燃料電池３０４は、正極３５１、正の多孔質導電体３５２、透過性陽子交換膜３５３、負の多孔質導電体３５４及び負極３５５を備える。また、機械的エネルギー発生装置３００は、パススイッチ３０２が直列接続されるとともに分路スイッチ３０３が並列接続された直流電源３０１を備える。スイッチ３０２及びスイッチ３０３により、燃料電池３０４が電気で作動して電気分解し、以下の燃料電池の反応により水素及び酸素を発生させることができる。
２Ｈ２Ｏ＋電気エネルギー⇔２Ｈ２＋Ｏ２
【００２２】
水素及び酸素は、均圧装置３０７の水素チャンバ３０５及び酸素チャンバ３０６にそれぞれ送られる。２つのチャンバ３０５，３０６は、可撓性及び柔軟性を有するとともに不透過性の隔膜３０８によって分離されている。
【００２３】
初めに、燃料電池３０４は水で満たされる。水素チャンバと酸素チャンバとの間に生じるいくらかの圧力差は、水素区画３１０の圧力と酸素区画３１１の圧力とが実質的に等しくなるように、隔膜３０８の動き３１５によって調整される。均圧装置３０７は、燃料電池が再化合モードで稼動するとき装置内のあらゆる(any)ガスが燃料電池３０４に戻るように設計されている。
【００２４】
均圧装置３０７からの排出口はアクチュエータの圧送ポート３０９である。このポートは、加圧流体３２０をアクチュエータから排出させることで、水圧装置３３０を駆動する。均等装置が燃料電池３０４の水素区画と酸素区画との間で圧力を平衡に保つので、ポート３０９を通る流体の動きは燃料電池３０４内に偏圧を引き起こさない。
【００２５】
ポート３０９を通る加圧流体の排出は、システムの機械的エネルギー出力である。この流体は水と水素との混合物である。この水と水素との混合物は、再化合モードの間に、水素、酸素の順で燃料電池に戻ることができる。水圧装置３３０は、機械装置３４０と連結することができる。
【００２６】
本発明の一実施形態に関して、透過性膜３５３は動くこともでき（３１７）、燃料電池３０４内での均圧化を可能にする。この場合、アクチュエータの圧送ポート３０９は、燃料電池３０４の水素区画３１０に直接接続していてもよい。
【００２７】
システムの稼動
図４は、燃料電池作動の機械的エネルギー発生装置３００の稼動を示す。初期状態３６１では、燃料電池３０４、均圧装置３０７、及びおそらく水圧装置３３０の一部は水で充填されている。電気分解状態３６２の間に水素及び酸素が生成され、加圧された水が燃料電池から均圧装置内、その後水圧装置内に追いやられ、機械的エネルギー３６５を発生させる。状態３６３の間に電気分解が進行するため、ガスは均圧装置に入り込むことができ、より多くの水を水圧装置内に追いやってより大きなエネルギー３６６を得る。
【００２８】
再化合段階３６４の間、正の導電体３５１と負の導電体３５５との間に負荷がかかる。この負荷により水素と酸素とが化合し、電子又は電位エネルギーが放出される。ガスが再化合し、水が水圧装置及び均圧装置から吸引されて燃料電池に戻るように、さらなる機械的エネルギー３６７を発生させると、他方で２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋電位エネルギーに従って電位エネルギーが発生する。電気分解及び再化合は交互に繰り返されて、連続的な機械的エネルギーを生成する。
【００２９】
燃料電池作動ポンプ
図５は、本発明の一実施形態による燃料電池作動ポンプ４００を示す。ポンプは、ポート３０９によって隔膜ポンプ４０５に接続されたアクチュエータ３００を備える。隔膜ポンプ４０５は、供給管４０１、供給チェックバルブ４０２、排出チェックバルブ４０６及び排出管４０７を備える。
【００３０】
隔膜ポンプ４０５の隔膜４１０は、可逆燃料電池アクチュエータ３００からのアクチュエータの圧送口３０９を出る加圧流体によって、下方及び上方に選択的に駆動される（４１１）。最初に、隔膜ポンプ４０５を流体４２０で「呼び水」が差される。
【００３１】
稼動中、最初に可逆燃料電池アクチュエータ３００は、電流が供給される間、電気分解モードで稼動し水素及び酸素を発生する。これにより圧力が増大し、ポート３０９内の流体が隔膜４１０を下方に駆動させ、排出チェックバルブ４０６及び排出管４０７を通して流体４２０をポンプ輸送する。
【００３２】
その後、可逆燃料電池アクチュエータ３００を燃料電池モードで稼動させ、水素と酸素とを水に再化合する。この稼動時に生じる真空によって隔膜４１０が収縮するため、供給管４０１及び供給チェックバルブ４０２を介してポンプ４０５内にさらなる流体を引き込む。
【００３３】
燃料電池稼動しているとき、燃料電池は電位エネルギーを生成して、電位エネルギーを再生することができる。この再生された電位エネルギーは、従来技術における任意の手段で蓄積することができ、また、別の燃料電池アクチュエータを稼動するのに直接用いることができる（図６〜図１０参照）。例えば、電位エネルギーは、コンデンサ又はアクチュエータ３００の電源３０１に蓄積することができる。
【００３４】
燃料電池アクチュエータの代替的な実施態様
図６は、機械装置５０６を駆動する水圧ラムとして稼動する本発明の代替的な実施形態を示す。可逆燃料電池アクチュエータ３００は、圧送ポート３０９を介して水圧を生成する。この圧力は、水圧ラムシリンダー５０４の供給口５０３に送られる。アクチュエータ３００を電気分解モードで稼動すると、内圧が増大し、水圧ラムピストン５０５が外側に駆動され、アクチュエータ３００を燃料電池モードで稼動すると、内圧が減少し、水圧ラムピストン５０５を後退させる。
【００３５】
水圧ラムピストン５０５の動き、又は相当する隔膜アクチュエータが、バルブ、摺動体、ラッチ、又はローター５０６のような任意の他のタイプの機械的作動装置を稼動するのに用いられる。
【００３６】
図７では、ラムは、繰り返される交互サイクルによりポート３０９を介して水圧を送る２つのアクチュエータ３００によって駆動される（５５０）。一方のアクチュエータが燃料電池モードで稼動しているときに生成され蓄積された電気エネルギーは、電気分解モードで稼動している他方のアクチュエータで使用することができる。
【００３７】
図８は、本発明の一実施形態による燃料電池作動ポンプを示す。ポンプは、少なくとも２つの可逆燃料アクチュエータ３００を備える。各アクチュエータの圧送ポート３０９は、対応する隔膜ポンプ６１０に連結されている。各隔膜ポンプは、前述したものと同様に、供給管６０１、供給チェックバルブ６０２、排出管６０４及び排出チェックバルブ６０５を備える。試薬は左から右に流れる。任意選択的な導熱経路６００は、燃料電池稼動での熱を燃料電池アクチュエータ３００間で移動させるための通路を提供し、交互サイクル中に電気分解を行っている燃料電池を加熱する。
【００３８】
効率が燃料電池において８０％であれば、熱負荷のうち８０％が導熱経路６００を介して再生されるため、ガス生成段階における１０．５ＫＪ／ｌのうちの８０％、並びにガス再化合段階における熱量２．５ＫＪ／ｌのうちの８０％が再利用される。これは、システムが、システムを駆動するのに必要とする１０．４ＫＪ／ｌのうち８．３ＫＪ／ｌを再利用し、全体的な効率が２．７ＫＪ／ｌポンプ輸送が得られることを意味する。これは、ポンプ輸送により約７５ＫＪ／ｌを消費する従来の電気機械式ポンプの効率の約２７倍である。
【００３９】
方向制御可能なポンプ
図９は方向制御型のポンプを示す。この実施形態では、チェックバルブが開閉バルブ７００で置き換えられている。これにより、流体をいずれの方向にもポンプ輸送することができる。
【００４０】
ポンプの配列
エネルギー再生モードは１００％効率的というわけではないため、再生の不必要な動作を行わないようにすることが好ましい。したがって、図５及び図８に示されるような２重系アクチュエータとせずに、ポンプ及びアクチュエータを環状に並べて、各アクチュエータの蓄積された電位エネルギーを環の中で隣接するアクチュエータに順方向に回す。
【００４１】
図１０は、このようなポンプ８００の配列を示す。それぞれのポンプ４００は、１つの燃料電池アクチュエータと１つの隔膜ポンプとを備える。また、各ポンプは、チェックバルブ又はアクチュエータ制御バルブのいずれかを備えていてもよい。
【００４２】
ポンプ４００の全てを並列に接続し、ポンプ輸送される流体を供給口８０１から引き込み、ポンプ輸送された流体を排出口８０４へと追い出す。また、任意選択的な導熱経路８０３を備えることで、燃料電池の稼動時の加熱及び電気分解の稼動時の冷却による熱の損失を最小限にする。
【００４３】
ポンプ輸送配列は、１つ又は複数の燃料電池アクチュエータ（バルブアクチュエータ又は隔膜ポンプアクチュエータのいずれか）を燃料電池モードで作動させ、それにより電気エネルギーを得ることによって利用される。この電気エネルギー（＋外部電源からのさらなる電力の一部）は１つ又は複数の他のアクチュエータを電気分解モードで稼動させるために使用され、水素ガス及び酸素ガス並びに機械的な動きを生成する。この稼動は、稼動の順序が固定されていてもよく、必要なポンプ輸送の方向及び量に応じて適応させてよい。
【００４４】
６つの燃料電池を順に使用しての固定順序を１例として以下の表Ａに示す。この場合、関連する可逆燃料電池アクチュエータが大量の水素を含有していなければバルブは閉じていると推測され、アクチュエータが大量の水素を有していればバルブは開いていると推測される。同様に、ポンプの隔膜は水素が少量であれば吸引し、水素が大量であればポンプ輸送する。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
このシステムは、６つのポンプ輸送モジュール４００のこのセットを中心として対称である。各バルブが開き、電気分解反応を駆動する電力が必要とされると、二段階先の電池のバルブが閉じ、燃料電池の反応によって電気エネルギーを発生させる。同様に、各隔膜ポンプアクチュエータでは、電気エネルギーによる電気分解が駆動され、圧力の増大によって流体を隔膜からポンプ輸送すると、二段階先の別の電池が燃料電池モードでポンプアクチュエータを稼動し、水素及び酸素を水に再化合し、低圧領域を作りポンプ輸送したより多くの流体を隔膜セルに吸引し、電気エネルギーを生成する。
【００４７】
エネルギーを再生する生体模倣ポンプ
図１１〜図１３に示されるように、生体模倣ポンプについて上記した燃料電池作動ポンプを使用することができる。この特定の実施形態において、アクチュエータは、心臓等の生物学的ポンプの筋肉組織を収縮させる動作に似ている、バルブ開閉動作と排出動作とを両方とも駆動させる。この実施形態は、隔膜９１０にエラストマーを使用することで、バルブの開閉及びポンプ輸送の両方を組み合わせることができる。
【００４８】
この実施形態において、隔膜９１０は、作動の初期にポンプ輸送チャンバ９０５の供給口９０１を封止することができる拡張部９１５を有する。残りの部分の隔膜の動きによって、排出口９０２を介してポンプ輸送チャンバ内の流体を下流構成要素に流出させる。
【００４９】
好ましい実施形態を例として本発明を説明してきたが、本発明の精神及び範囲内で様々な他の適合形態及び変更形態も成され得ることを理解されたい。したがって、添付の特許請求の範囲のねらいは、本発明の真の精神及び範囲内にある限り、全てのこのような変形形態及び変更形態を包含することである。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
可逆燃料電池は、機械的エネルギーを発生させる装置として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】従来技術の非可逆燃料電池のブロック図である。
【図２】従来技術の可逆燃料電池のブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態による可逆燃料電池作動の機械的エネルギー発生装置のブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態による可逆燃料電池作動の機械的エネルギー発生装置の稼動の流れ図である。
【図５】本発明の一実施形態によるチェックバルブを備える可逆燃料電池作動ポンプのブロック図である。
【図６】本発明の一実施形態による機械的エネルギーを発生させる可逆燃料電池作動の機械的エネルギー発生装置のブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態による機械的エネルギーを発生させる２可逆燃料電池式アクチュエータのブロック図である。
【図８】本発明の一実施形態による流体を一方向にポンプ輸送する２可逆燃料電池式アクチュエータのブロック図である。
【図９】本発明の一実施形態による流体を二方向にポンプ輸送する２可逆燃料電池式アクチュエータのブロック図である。
【図１０】本発明の一実施形態による流体をポンプ輸送する可逆燃料電池ポンプの配列を示すブロック図である。
【図１１】本発明の一実施形態による可逆燃料電池作動の生体模倣ポンプのブロック図である。
【図１２】本発明の一実施形態による可逆燃料電池作動の生体模倣ポンプのブロック図である。
【図１３】本発明の一実施形態による可逆燃料電池作動の生体模倣ポンプのブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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