(57)【要約】  低温膜電極アセンブリアレイと高温膜電極アセンブリアレイとを有する電気化学的直接熱電変換器を提供する。低温膜電極アセンブリアレイに追加のセルを設けて、追加量の作動流体、具体的には水素が変換器の高圧側にポンピングされるようにする。追加的にポンピングされた水素が、膜電極アセンブリアレイの膜を介して生じる分子状水素の拡散を補償する。膜電極アセンブリのセルは制御器によって水素拡散を補償するように独立的に作動可能である。
2019530410.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学的直接熱電変換器であって、
作動流体と、
第一組の複数の膜電極アセンブリを備える第一電気化学セルであって、前記第一組の各膜電極アセンブリが第一多孔質電極と、第二多孔質電極と、該第一多孔質電極と該第二多孔質電極との間に挟まれた少なくとも一つのプロトン伝導膜とを含み、変換器の低圧側を構成している第一電気化学セルと、
第二組の複数の膜電極アセンブリを備える第二電気化学セルであって、前記第二組の各電極アセンブリが第一多孔質電極と、第二多孔質電極と、該第一多孔質電極と該第二多孔質電極との間に挟まれた少なくとも一つのプロトン伝導膜とを含み、前記第一組の複数の膜電極アセンブリの数が前記第二組の複数の膜電極アセンブリよりも多く、変換器の高圧側を構成している第二電気化学セルと、
複数の第一多孔質電極と複数の第二多孔質電極とにわたって接続されている外部負荷と、を備え、圧力で前記作動流体を各第一多孔質電極から各第二多孔質電極に流すと、電子が前記外部負荷を介して伝導され、プロトンが各プロトン伝導膜を介して伝導されて、変換器が前記外部負荷に電力を供給し、
前記第一組の複数の膜電極の数が多いことで、追加量の作動流体が変換器の低圧側から高圧側にポンピングされて、プロトン伝導膜を介する作動流体の分子拡散に起因する圧力差の損失を補償する、電気化学的直接熱電変換器。
【請求項２】
第一圧力において前記作動流体を含む少なくとも一つの第一導管と、前記第一圧力よりも低い第二圧力において前記作動流体を含む少なくとも一つの第二導管とを更に備え、前記少なくとも一つの第一導管が前記第一多孔質電極に結合された低圧導管であり、前記少なくとも一つの第二導管が前記第二多孔質電極に結合された高圧導管である、請求項１に記載の電気化学的直接熱電変換器。
【請求項３】
前記少なくとも一つの第二導管から前記少なくとも一つの第一導管に熱を伝達するための熱交換手段を更に備える請求項２に記載の電気化学的直接熱電変換器。
【請求項４】
前記第一組の複数の膜電極アセンブリが高膜電極アセンブリ電圧を生じさせるように互いに電気的に直列接続されている、請求項１に記載の電気化学的直接熱電変換器。
【請求項５】
前記作動流体が酸素と水素とナトリウムとから成る群から選択されている、請求項１に記載の電気化学的直接熱電変換器。
【請求項６】
前記作動流体が水素である、請求項５に記載の電気化学的直接熱電変換器。
【請求項７】
第一膜電極アセンブリアレイと第二膜電極アセンブリアレイとを備えるジョンソン熱電気化学変換器であって、前記第一膜電極アセンブリアレイと前記第二膜電極アセンブリアレイとの各々が、
複数の多孔質電極と、
作動流体と、
前記多孔質電極と交互の順序で配置されている複数のイオン又はプロトン伝導性の膜と、
前記作動流体を含む複数の導管と、を備え、前記複数の導管のうち少なくとも一つが第一圧力において前記作動流体を含む高圧導管であり、前記複数の導管のうち他の少なくとも一つが前記第一圧力よりも低い第二圧力において前記作動流体を含む低圧導管であり、
前記第一膜電極アセンブリアレイの多孔質電極及び膜の数が前記第二膜電極アセンブリアレイの多孔質電極及び膜の数よりも多く、
各膜電極アセンブリアレイの多孔質電極の連続する対のうちの第一多孔質電極が低圧で作動流体を流すために前記低圧導管に結合され、該多孔質電極の連続する対のうちの第二多孔質電極が高圧で作動流体を流すために前記高圧導管に結合され、各膜が多孔質電極の対の間で圧力差を受け、
前記第一膜電極アセンブリアレイの多孔質電極及び膜の数が多いことで、追加量の作動流体が変換器の低圧側から高圧側にポンピングされて、膜を介する作動流体の分子拡散に起因する圧力差の損失を補償する、ジョンソン熱電気化学変換器。
【請求項８】
前記第一膜電極アセンブリアレイの多孔質電極が高膜電極アセンブリ電圧を生じさせるように互いに電気的に直列接続されている、請求項７に記載のジョンソン熱電気化学変換器。
【請求項９】
前記作動流体が酸素と水素とナトリウムとから成る群から選択されている、請求項７に記載のジョンソン熱電気化学変換器。
【請求項１０】
前記作動流体が水素である、請求項９に記載のジョンソン熱電気化学変換器。
【請求項１１】
前記高圧導管から前記低圧導管に熱を伝達するための熱交換手段を更に備える請求項７に記載のジョンソン熱電気化学変換器。
【請求項１２】
追加の水素を前記高圧側にポンピングするように膜電極アセンブリアレイを作動させる制御器を更に備える請求項７に記載のジョンソン熱電気化学変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本願は、２０１６年９月１９日出願の米国仮出願第６２／３９６４６３号の優先権を主張し、その開示内容は参照として本願に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
熱エネルギー又は化学エネルギーを電気エネルギーに変換すること、又はその逆は多様な方法で達成可能である。例えば、既知の電気化学セルやバッテリは化学反応に因るものであり、酸化されている反応剤のイオン及び電子が還元されている反応剤に別々の経路を介して伝達される。具体的には、電子は、配線を介して、その電子が仕事を行う外部負荷を通って電気的に伝達され、イオンは電解質セパレータを介して伝導される。
【０００３】
しかしながら、バッテリ型の電気化学セルは、バッテリケースの制約でその中に含めることができる利用可能な反応剤の量が限られるので、限られた量のエネルギーしか生成することができない。このようなセルは、電極間にわたって逆極性の電流／電圧を印加することによって再充電可能なように設計可能であるが、そのような再充電は別途の電源を要する。また、再充電プロセス中においては典型的にセルは利用可能ではない。
【０００４】
そのようなバッテリ型の電気化学セルに関する問題を解決しようとして、燃料電池が開発されている。従来の燃料電池では、化学反応剤が連続的に電気化学セルに供給され、また電気化学セルから取り除かれる。バッテリと同様に、燃料電池は、電子及びイオン化されていない種の通過を一般的にブロックする選択的な電解質を介してイオン化された種を伝導させることによって動作する。
【０００５】
最も一般的なタイプの燃料電池は水素酸素燃料電池であり、一方の電極を介して水素を通し、他方の電極を介して酸素を通す。水素イオンは、水素と酸素の化学反応ポテンシャルの下で電解質セパレータを通ってセルの酸素側に伝導される。電解質セパレータの両側の多孔質電極を用いて、化学反応に含まれる電子を外部回路を介して外部回路に結合させる。電子と水素イオンが水素を再構成して反応を完了させる一方、セルの酸素型の酸素は、システムから放出される水を生成する。水素と酸素をセルに連続的に供給することで連続的な電流が維持される。
【０００６】
電力を生成するために機械的熱機関（エンジン）も設計されて使用されている。このような機械的熱機関は熱力学サイクルで動作し、ピストンやタービンを用いて作動流体を圧縮することでシャフトの運動が行われる。圧縮過程は低温で行われ、圧縮後に作動流体を高温にする。高温においてピストンやタービン等の負荷に対して作動流体が膨張することによって、シャフトの運動を生じさせる。作動流体を採用している全ての機関の動作にとって重要なのは、低温において作動流体を圧縮させるのに必要な仕事が、高温において差動流体を膨張させることによって生じるものよりも少ないことである。このことは、作動流体を採用している全ての熱力学機関に当てはまる。
【０００７】
例えば、蒸気機関はランキン熱力学サイクルで動作し、水を高圧にポンピングして、次いで蒸気へと加熱して、ピストンやタービンを通して膨張させて、仕事を行う。内燃機関はオットーサイクルで動作し、低温の大気をピストンによって圧縮し、次いでシリンダ内部での燃料燃焼によって超高温に加熱する。サイクルが持続すると、ピストンに対する加熱空気の膨張が、低温の圧縮過程中に消費されるよりも多くの仕事を生じさせる。
【０００８】
高効率であって、熱源の選択におけるより多くの多様性を提供する機関を提供しようとしてスターリングサイクルで動作するスターリング機関も開発されている。理想的なスターリング熱力学サイクルは、高温での熱入力と低温での熱放出で動作する機関の理論的な最大効率を定める理想的なカルノーサイクルと等価な効率のものである。しかしながら、全ての機械的機関と同様に、スターリング機関には機械的な可動部分に関連する信頼性の問題と効率損失の問題がある。
【０００９】
機械的熱機関に固有の問題を回避しようとして、アルカリ金属熱電気化学変換（ＡＭＴＥＣ，ａｌｋａｌｉ  ｍｅｔａｌ  ｔｈｅｒｍｏ‐ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）セルが、熱電気化学的熱機関として開発されている。ＡＭＴＥＣ熱機関は、ナトリウム等のイオン性作動流体を高温の電気化学セルに通すことによって、電圧及び電流を発生させるのに圧力を利用する。電極が電流を外部負荷に結合させる。電解質セパレータにわたる圧力差が溶融ナトリウム原子を電解質に通すと、電気的仕事が行われる。ナトリウムが電解質に入る際にイオン化されることによって、電子を外部回路に放出する。電解質の他方の側では、ナトリウムイオンが電子と再結合して、電解質を出る際にナトリウムを再構成するが、これはバッテリや燃料電池型の電気化学セルで生じる過程と大半が同じである。再構成されたナトリウムは低圧高温にあり、膨張気体として電気化学セルを出て行く。次いで、その気体が冷却されて再び液体状態に凝集される。次いで、結果物の低温液体が再び加圧される。ＡＭＴＥＣ機関の動作は、ランキン熱力学サイクルに近い。
【００１０】
ＡＭＴＥＣ技術については多数の文献が入手可能である。例えば、Conceptual design of AMTEC demonstrative system for 100 t/d garbage disposal power generating facility, Qiuya Ni et al. (Chinese Academy of Sciences, Inst. of Electrical Engineering, Beijing, China)を参照されたい。他の代表的な文献はIntersociety Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit (IECEC), 35th, Las Vegas, NV (July 24-28, 2000), Collection of Technical Papers. Vol. 2 (A00-37701 10-44)である。また、American Institute of Aeronautics and Astronautics, 190, p. 1295-1299. REPORT NUMBER(S)- AIAA Paper 2000-3032も参照されたい。
【００１１】
ＡＭＴＥＣ熱機関には、アルカリ金属作動流体の高い腐食性に起因する信頼性の問題がある。また、ＡＭＴＥＣ機関の実用性は非常に限られている。具体的には、イオン伝導固体電解質が高温においてのみ実用的な伝導レベルに達するので、ＡＭＴＥＣ機関は超高温でしか動作することができない。アルカリ金属作動流体はサイクルを介して移動する全ての時点においてその融点を超えたままでなければならないので、実際には低温加圧過程を比較的高温で行わなければならないことにもなる。機械的ポンプ、更には磁気流体力学ポンプが低温作動流体を加圧するのに用いられている。
【００１２】
上記従来の機械的熱機関と熱電気化学的熱機関の欠点を解消しようとして、２００３年４月２８日出願の米国特許第７１６０６３９号明細書（特許文献１）、２０１５年８月１０日出願の国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０４４４３５号、２０１６年３月９日出願の国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１６／２１５０８号（これら三文献全ての内容全体は参照として本願に組み込まれる）に開示されているように、ジョンソン熱電気化学変換器（ＪＴＥＣ，Ｊｏｈｎｓｏｎ  ｔｈｅｒｍｏｓ‐ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）システムが開発されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第７１６０６３９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は典型的なＪＴＥＣシステムに対する改良を与える。より具体的には、本発明は、分子状水素の拡散に起因する圧力損失を補償する固体熱機関を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一実施形態は、低温膜電極アセンブリアレイと高温膜電極アセンブリアレイを有する電気化学的直接熱電変換器に関する。高温膜電極アセンブリアレイと比較して低温間作電極アセンブリアレイに追加のセルを設けて、追加の作動流体、具体的には水素が変換器の高圧側にポンピングされるようにする。追加的にポンピングされる水素が、膜電極アセンブリアレイの膜を介して生じる分子状水素の拡散を補償する。一実施形態では、ＭＥＡセルを制御器によって水素拡散を補償するように独立的に作動させることができる。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明は、添付図面と共に読まれることでより良く理解されるものである。本発明を例示する目的で、現状で好ましい実施形態が図面に示されている。しかしながら、本発明は図示されている正確な配置構成や手段に限定されるものではないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】復熱交換機によって背合わせで接続された二つの膜電極アセンブリを含むジョンソン熱電気化学変換器の図である。
【図２】複数の圧力比についてのネルンスト電圧対温度のプロットである。
【図３】エリクソン熱力学サイクルの図である。
【図４】従来のジョンソン熱電気化学変換器の動作構成の概略図である。
【図５】外部電源及び制御スイッチを備える本発明の一実施形態に係る機関の動作の始動の図であり、水素が機関の高圧側にポンピングされている様子を示す。
【図６】本発明の一実施形態に係る膜にわたる水素拡散に起因する圧力差の損失を補償する低温側の追加のＭＥＡセルを備える機関の動作構成の概略図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る膜にわたる水素拡散に起因する圧力差の損失を補償するＭＥＡセルアレイ及び制御器を備える機関の動作構成の概略図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る膜にわたる水素拡散に起因する圧力差の損失を補償する低圧側の追加のＭＥＡセルを含む機関の１５０℃の低温における動作構成を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下の説明で用いられている特定の用語は単に簡便のためのものであって限定的なものではない。「近い」、「遠い」、「上」、「下」、「底部」、「頂部」との用語は、参照されている図面における方向を指し示すものである。「内側」、「外側」との用語はそれぞれ本発明に係るデバイスやその指定部分の幾何学的中心に向かう方向、離れる方向を称するものである。特に断らない限り、単数形での用語は一つの要素に限定されるものではなく、「少なくとも一つ」を意味するものとして読まれるものである。用語には、上記単語、その派生語、同格の単語が含まれる。
【００１９】
また、「第一」、「第二」等の用語は単に明確性のために与えられていることを理解されたい。これら用語によって特定されている要素や部品、その動作は容易に切り替え可能である。また、「複数のＭＥＡ」、「ＭＥＡセルアレイ」、「ＭＥＡセル積層体」との用語は本願において相互可換に使用可能なものである。
【００２０】
図１を参照すると、典型的なＪＴＥＣシステム（電気接続は示さず）が示されている。ＪＴＥＣは、相対的に低温で動作する第一電気化学セル１００と、相対的に高温で動作する第二電気化学セル１１０と、二つのセルを互いに結合する熱交換器１１４を含む導管システム１１２と、導管システム内部に含まれる作動流体としてのイオン性気体（水素、酸素、ナトリウム等）の供給源とを含む熱機関である。好ましくは、作動流体は水素である。各電気化学セルは膜電極アセンブリ（ＭＥＡ，ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）を含む。
【００２１】
より具体的には、ＪＴＥＣ熱機関は、高温熱源ＱＨに結合された第一ＭＥＡ１１８（つまり、高温ＭＥＡ）と、低温ヒートシンクＱＬに結合された第二ＭＥＡ１１６（つまり、低温ＭＥＡ）と、二つのＭＥＡ１１６、１１８を接続する復熱交換器１１４とを含む。各ＭＥＡ１１６、１１８は、作動流体のイオンを伝導させることができる非多孔質膜１２０と、非多孔質膜１２０の両側に位置して電子を伝導させることができる多孔質電極１２２とを含む。
【００２２】
好ましくは、高温側と低温側の両方で、電極１２２と膜１２０が交互に重なった層の積層構成で配置される。つまり、各膜１２０が一対の電極１２２の間に挟まれて、電極１２２が膜１２０と交互の順序で積層されることで、ＭＥＡ積層体を形成し、それを介して、作動流体、好ましくは水素が、電気化学的な酸化還元過程を経ることで通過することができる。
【００２３】
膜１２０は好ましくはイオン伝導膜又はプロトン伝導膜であり、略０．１μｍから５００μｍ程度、より好ましくは略１μｍから５００μｍの間の厚さを有する。より具体的には、膜１２０は好ましくはプロトン伝導物質製であり、より好ましくはポリマーのプロトン伝導物質又はセラミックのプロトン伝導物質製である。一実施形態では、好ましくは、膜１２０は、参照として本願に組み込まれるＨｏｒｉ等の米国特許第４９２７７９３号明細書に開示されているように一般式ＮａｘＡｌｙＴｉ３＋ｘ−ｙＴｉ４＋８−ｘＯ１６によって表される化合物を備える物質製であるが、その理由はこの物質が広範な温度範囲にわたって高いプロトン伝導性を示すからである。しかしながら、広範な温度範囲にわたって同様のプロトン伝導性を示すあらゆる物質、好ましくはあらゆるポリマーやセラミック物質を用いて、膜１２０を形成することができる点を当業者は理解されたい。例えば、代替実施形態では、膜１２０はヒドロニウムベータ”アルミナ製である。
【００２４】
電極１２２は、好ましくは略１０μｍから１ｃｍ、より好ましくは略５０μｍから１０００μｍ程度の厚さを有する薄い電極である。異なる部品（つまり、電極１２２と膜１２０）に異なる物質を使用することは、それら物質間の熱膨張係数の差に起因する非常に高い熱応力をもたらし得る。従って、好ましくは、電極１２２は膜１２０と同じ物質から成るか又は同じ物質製である。しかしながら、電極１２２は好ましくは多孔質構造である一方、膜１２０は好ましくは非多孔質構造である。また、電極１２２と膜１２０を同様の熱膨張係数を有する異なる物質製とし得ることを理解されたい。
【００２５】
一実施形態では、多孔質電極１２２に、電子伝導性を与える追加物質と、作動流体の酸化及び還元を促進するための触媒物質をドープ又は注入し得る。
【００２６】
低温側と高温側の両方において、個々のＭＥＡ１１６、１１８は好ましくは直列接続されてＭＥＡ積層体又はアレイを形成する。
【００２７】
ＪＴＥＣの動作中においては、作動流体が、入力側の電極１２２に電子を放出することによって各ＭＥＡ積層体を通過し、膜１２０を介して対向電極１２２にイオンを伝導させることができるようにする。作動流体イオンが膜１２０から出て行くと、対向電極１２２が作動流体イオンに電子を再供給するので、作動流体は対向電極１２２内部で再構成される。低温ＭＥＡ積層体は高温ＭＥＡ積層体よりも低電圧で動作する。低温ＭＥＡ積層体は低電圧で作動流体を圧縮し、高温ＭＥＡ積層体は高電圧で水素を膨張させる。二つのＭＥＡ積層体間の電圧の差が外部負荷にわたって印加される。水素はＪＴＥＣ熱機関内部を連続的に循環して、消費されることがない。二つのＭＥＡ積層体と外部負荷を流れる電流は同じである。
【００２８】
具体的には、ＪＴＥＣ熱機関では、負荷が取り付けられた各ＭＥＡ積層体にわたって水素の圧力差が印加されることによって、水素が高圧から低圧に流れるにつれて電流及び電圧が生じる。プロトン伝導膜（ＰＣＭ，ｐｒｏｔｏｎ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）である膜１２０を通過する際に電子がプロトンから奪われると、電子の流れが外部負荷に向けられる。ＪＴＥＣシステムは、ＰＣＭ１２０にわたって印加された水素圧力の電気化学ポテンシャルを利用する。より具体的には、第一ＭＥＡ積層体（つまり、第一ＭＥＡ１１６の積層体）の高圧側と、第二ＭＥＡ積層体（つまり、第二ＭＥＡ１１８の積層体）の低圧側とで、水素ガスが酸化されて、プロトンと電子を生成する。高温端部における圧力差が膜１２０を介してプロトンを通過させて、電極１２２が外部負荷を介して電子を伝導させるようにする一方、外部電圧の印加が、低温端部において膜を介してプロトンを通過させる。第一ＭＥＡ積層体の高圧側と、第二ＭＥＡ積層体の低圧側で、プロトンが電子で還元されて、水素ガスを再形成する。
【００２９】
ＭＥＡ積層体を出て行く水素が酸素と出会って反応して水を生じさせる従来の燃料電池とは異なり、ＪＴＥＣシステムには酸素も水も存在しない。この過程は可逆的に動作するものともなり得る。具体的には、電流が第一ＭＥＡ積層体を通過すると、低圧ガスを高圧に「ポンピング」することができる。逆過程は、むしろＭＥＡ積層体を用いて水を電解するものと同様であり、水分子が分離されて、プロトンがＰＣＭを介して伝導されて、水側に酸素が残される。水素は、この過程を介して純水素容器に高圧で供給されることが多い。
【００３０】
水素をイオン性ガス（つまり、作動流体）として用いるＪＴＥＣでは、ＰＣＭ１２０にわたる水素の圧力差に起因する電位は、圧力比の自然対数に比例し、以下のネルンストの式を用いて計算可能である：
ＶＯＣ＝（ＲＴ／２Ｆ）ｌｎ（ＰＨ／ＰＬ）        式１
【００３１】
ここで、ＶＯＣは開路電圧であり、Ｒは一般気体定数であり、Ｔはセルの温度であり、Ｆはファラデー定数であり、ＰＨは高圧側の圧力であり、ＰＬは低圧側の圧力であり、ＰＨ／ＰＬが圧力比である。例えば、Fuel Cell Handbook, J.H. Hirschenhofer et al., 4th Edition, p. 2-5 (1999)を参照。
【００３２】
第一ＭＥＡ積層体が生じさせる電圧が、ネルンストの式によって与えられる。その電圧は温度に対して線形であり、圧力比の対数関数である。図２は、水素についてのネルンストの式のプロットであり、複数の圧力比について電圧対温度の関係性を示す。例えば、図２を参照すると、１００００の圧力比では、温度が比較的高いと、電圧も同様に比較的高く、また、温度が比較的低いと、電圧も同様に比較的低い。
【００３３】
低温セル１００のネルンストポテンシャルを超えるのに十分な電圧で電流を供給することで、ＪＴＥＣの作動流体が低温電気化学セル１００において圧縮されることによって、水素を膜１２０の低圧側から高圧側に送る。他方、高温セル１１０のネルンストポテンシャル未満で電流（電力）が取り出されると、作動流体が高温電気化学セル１１０において膨張する。水素が膜１２０の高圧側から低圧側に膨張すると、電流が流れる。作動流体を採用しているあらゆる熱力学機関と同様に、また圧縮性ガスの特性に従って、ＪＴＥＣでは、低温圧縮に必要な仕事（電気）の入力よりも多い量の仕事（電気）が高温膨張中に取り出される。高温膨張中に一定の温度を維持するように機関に入力される熱エネルギーと、低温圧縮中に一定の温度を維持するように取り除かれる熱エネルギーとの差が、高温膨張過程によって出力される電気エネルギーと、低温圧縮過程によって消費されるものとの差として与えられる。
【００３４】
ネルンストの式に従って、高温セル１１０は低温セルよりも高い電圧を有する。電流（Ｉ）は両方のセル１００、１１０で同じであるので、電圧の差は、高温セル１１０における水素の膨張で生じる電力が低温セル１００のものよりも高いことを意味する。高温セルによって出力される電力（ＶＨＴ×Ｉ）は、低温セル１００における圧縮過程（ＶＬＴ×Ｉ）を推進し、また外部負荷に出力される正味の電力（（ＶＨＴ×Ｉ）−（ＶＬＴ×Ｉ））を供給するのに十分なものである。この電圧の差がＪＴＥＣ機関の基礎となる。
【００３５】
ＪＴＥＣは、カルノーサイクルと同等であるより効率的なエリクソンサイクルで動作する全固体機関である。図３を参照すると、ＪＴＥＣのエリクソン機関サイクルについての理想的な温度エントロピー図が示されている。図１及び図３の参照番号「１」から「４」は異なる熱力学状態を表す。熱力学状態１から状態４は、図１と図３でそれぞれ特定されている点において同じである。図１に示されるように、低温低圧状態１で始まり、水素を低温低圧状態１から低温高圧状態２にポンピングするために電気エネルギーＷｉｎを低温（第一）ＭＥＡ積層体に供給する。圧縮過程中においてＰＣＭ１２０から熱ＱＬを取り除くことによって、水素の温度はほぼ一定に維持される。膜１２０は比較的薄く（つまり、１０μｍ未満の厚さ）、温度勾配が顕著なものではなく、適切な熱が膜１２０からその基板を介して伝達されるものであれば、その過程についてはほぼ等温であるとの仮定が有効である。
【００３６】
状態２から、水素は復熱逆流熱交換器１１４を通過して、ほぼ一定圧力の下で高温状態３に加熱される。水素の温度を状態２から状態３に上げるのに必要な熱は、熱交換器１１４を介して逆方向に流れる水素から伝達される。高圧高温状態３から低圧高温状態４に向かって水素が第二ＭＥＡ積層体にわたって膨張すると、高温高圧状態３において電力が発生する。水素が高圧状態３から低圧状態４に膨張する際にほぼ一定の温度を維持するように熱ＱＨが薄膜１２０に供給される。状態４から状態１に向けて水素が復熱交換器１１４を流れ、その温度は、状態２から状態３へ流れる水素への熱伝達によって低下する。サイクルが続くと、水素は状態１から再び高圧状態２へと低温ＭＥＡ積層体によってポンピングされる。
【００３７】
しかしながら、ＰＣＭは、作動流体、具体的には水素に対する完璧な障壁ではなく、既知の拡散率を有するものであり、これは、上述のようにＪＴＥＣ機関の動作が依存している水素の圧力差が、ＰＣＭを介する分子拡散によって自己的になくなることを意味する。より具体的には、図４が、熱源ＱＨに結合された高温ＭＥＡ積層体２０４と、ヒートシンクＱＬに結合された低温ＭＥＡ積層体２０３とを有するＪＴＥＣの従来技術の動作における水素拡散を示している。二つのＭＥＡ積層体２０３、２０４は同じ数のセル（つまり、ＭＥＡ）を有し、セルが直列接続されていることで、各ＭＥＡ積層体２０３、２０４における正味の電流が同じになるようにしている。その結果として、各ＭＥＡ積層体２０３、２０４における水素循環は同じであって、連続的なものとなる。二つのＭＥＡ積層体２０３、２０４の間の矢印２０５によって示されるように水素は変換器内を循環し、低圧導管２０１と高圧導管２０２との間で行ったり来たりして前後に伝導される。膜を介する分子状水素の拡散は矢印２０６によって示されている。しかしながら、一般には、時間と共に、印加圧力の下での自然拡散に起因して、圧力差は減衰する。
【００３８】
また、従来のＪＴＥＣの動作は、分子状水素の拡散に起因して圧力差が減衰し得る休止期間の後に始動され得る。本発明の改良は、拡散損失又は減衰を補償するように膜にわたる動作圧力差を維持する。
【００３９】
図５を参照すると、電気的に直列接続された第一組の複数のＭＥＡセルの低温アレイ又は積層体３０３と、電気的に直列接続された第二組の複数のＭＥＡセルの高温アレイ又は積層体３０４とを含む改良型ＪＴＥＣシステムの始動動作が示されている。この例では、ＭＥＡセルの電極は共通の膜を共有している。図５は、膜にわたる圧力を均等にするために、まずＭＥＡ積層体のうち一つに電力を印加して、水素Ｈを低圧側３０１から高圧側３０２に送る単純な過程を示す。圧力差が確立されると、外部負荷に直列接続されたＭＥＡセルを有する通常の動作構成に変換器を切り替えることができる。そして、高温ＭＥＡ積層体３０４に熱を印加し、低温ＭＥＡ積層体３０３から熱を取り除くことによって、電力を発生させることができる。
【００４０】
より具体的には、図６を参照すると、改良型ＪＴＥＣは、低温ＭＥＡ積層体３０３に追加のＭＥＡセル３０７を含む。従って、低温ＭＥＡ積層体３０３は、高温ＭＥＡ積層体３０４よりも多くのＭＥＡセルを含む。追加のＭＥＡセル３０７は、低温ＭＥＡ積層体３０３の残りのＭＥＡセルに直列接続されて、低温ＭＥＡ積層体３０３の正味の電圧が従来のＪＴＥＣよりも僅かに高くなるが、高温ＭＥＡ積層体３０４の正味の電圧よりは依然として低い。低温ＭＥＡ積層体３０３のＭＥＡセルの直列接続は、積層体３０３の各セルを流れる電流が同じままであるようにする。二つのＭＥＡ積層体３０３、３０４の間の矢印３０５によって示されるように、水素は変換器内を循環し、低圧導管３０１と高圧導管３０２との間で行ったり来たり前後に伝導される。しかしながら、低温ＭＥＡ積層体３０３の追加のセル３０７が、追加の水素３０８を変換器の低圧側３０１から高圧側３０２にポンピングさせる。変換器を介する追加の水素のポンピングは、ＭＥＡ積層体又はアレイ３０３、３０４自体によって、又は制御器（図７に示される）によって行われ得る。この状態での動作は、追加的にポンピングされた水素３０８によって水素拡散３０６が補償されることを意味する。
【００４１】
図７は、ＪＴＥＣの高圧側及び低圧側における圧力と、ＪＴＥＣの高温端部及び低圧端部における温度を監視するための制御器を示す図である。制御器７１は圧力測定値を用いて、圧力差の拡散損失の程度を決定する。制御器７１は、ＪＴＥＣ内部の膜電極アセンブリセルに結合され、圧力差が所定の値を下回ると、追加的な水素を高圧側にポンピングするようにセルを作動させる。任意で制御器７１はセルの電圧及び温度を監視して、ネルンストの式を用いて圧力差を計算し得る。
【００４２】
図８は、１５０℃の低温における本発明の機関の動作構成を表す図である。図８の結果は、平衡（均等）になるまでポンピングされた追加の水素が圧力差を上昇させて、圧力差が、水素拡散３０６を、水素３０８のポンピングされた流れと等しいレベルにするのに十分高くなるようにしている様子を実証している。この例では、高温ＭＥＡ積層体３０４は２５０個のセルで構成されていて、低温ＭＥＡ積層体は２６０個のセルで構成されている。セルが直列接続されているので、負荷がその電流引き込みを増大させると、水素が高圧側３０２にポンピングされる不均衡の割合も増大する。圧力差に対する水素の逆拡散速度３０６がポンピング速度３０８と平衡になるのに十分高くなるまで、水素３０８のポンピング速度の増大が圧力差を高くする。図８の図は、出力電流の増大と共に圧力が増大する様子を示す。
【００４３】
従来の燃料電池と同様に、ＪＴＥＣは、最低電力レベルで動作する際には最大効率レベル未満で動作する。図８を参照すると、ＪＴＥＣは、３１９ｐｓｉの高圧側圧力と、カルノー効率の３５％において７００ｍＷｈ／ｃｍ３のピーク電力密度を達成する。カルノー効率の８０％では、動作圧力は７２ｐｓｉであり、電力密度は２７０ｍＷ／ｃｍ３である。また、上述のように、圧力比の増大に起因して電流引き込みが増大すると、開路電圧が増大する。しかしながら、高電流は、ＭＥＡセルの内部抵抗にわたる電圧低下を大きくするので、電流引き込みが増大すると、出力電圧は減少する。
【００４４】
上述の実施形態に対してその広範で進歩的な概念から逸脱せずに変更を加えることができることを当業者は理解されたい。従って、本発明は開示されている具体的な実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に定められている本発明の要旨及び範囲内の修正にも及ぶものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００４５】
３０１  低圧導管
３０２  高圧導管
３０３  低温ＭＥＡ積層体
３０４  高温ＭＥＡ積層体
３０５  水素循環
３０６  水素拡散
３０７  追加のＭＥＡセル
３０８  追加の水素
７１  制御器
【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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【国際調査報告】
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