(57)【要約】管で結合されている、沸騰室（１２）、電池保持ブロック（１３）及び凝縮室（１４）を含んでいる、ハウジング（１１）を有する電気化学的変換装置（１０）が開示される。電気化学的変換装置（１０）はまた、電池保持ブロック（１３）内に取り付けられた電気化学電池（２３）、沸騰室１２に熱を伝えるように取り付けられたヒーター（２４）、及びクーラー（２５）も含んでいる。ヒーター（２４）をつけると、作動流体の一部は気相状態に加熱されて高い全圧を生じ、電気化学電池（２３）の一方の側での水素分圧は低く、同時に水素ガスの高い分圧が電池（２３）の反対の側で生じる。電池（２３）を横切って水素が移動するに従い、電池（２３）を横切る水素分圧差によって電池（２３）を横切る電位が生じる。
2005513711.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン伝導性の物質、
該イオン伝導性の物質の一方の側に取り付けられた第１の電極、
該第１の電極とは反対の該イオン伝導性物質の一方の側に取り付けられた第２の電極、
作動流体流を含有し、該作動流体流が該第１の電極を通り過ぎて流れるように仕向ける第１の通路を、該電気化学電池と共に形成しているハウジング、
該第２の電極を通り過ぎる前に気相になるように該流体流を加熱するために該ハウジングと熱的に接している加熱手段、
該電気化学電池を通り過ぎた後に液相になるように該流体流を冷却するために該ハウジングと熱的に接している冷却手段、及び
該第２の電極と流体連絡しているイオン化可能な気体流、
を含んでいる電気化学変換装置であって、
該第２の電極と隣接してイオン化可能な気体の低分圧を生じるように該作動流体流を加熱手段が気化し、それによってイオン伝導性の物質を横切るイオン化可能な気体の圧力差を生じ、更にこれがイオン化可能な気体をイオン伝導性の物質を通過させ、電位差を生じ、次にイオン化可能な気体が気化された作動流体流に同伴されるものである電気化学変換装置。
【請求項２】
イオン化可能な気体の流が該イオン伝導性物質を通るように循環される請求項１に記載の電気化学変換装置。
【請求項３】
該ハウジングがイオン化可能な気体の流が通過する第２の通路を形成している請求項２に記載の電気化学変換装置。
【請求項４】
該ハウジングの第１の通路が、該加熱手段と熱的に接した沸騰室と、該冷却手段と熱的に接した凝縮室とを含んでいる請求項１に記載の電気化学変換装置。
【請求項５】
該ハウジングがイオン化可能な気体の流が通過する第２の通路を形成しており、該第２の通路が少なくとも該凝縮室を通って該第１の通路と合流し、それによって作動流体の凝縮がイオン化可能な気体を作動流体から分離する請求項４に記載の電気化学的換装置。
【請求項６】
該イオン伝導性の物質がプロトン伝導性の膜である請求項１に記載の電気化学的変換装置。
【請求項７】
該ハウジングが、外側シェルを有している細長い管と、該作動流体流を液相で該冷却手段に隣接する位置から該加熱手段に隣接する位置に輸送するための吸い上げ手段とを有している請求項１に記載の電気化学変換装置。
【請求項８】
該ハウジングが管状であり、該第１の電極、該第２の電極及び該イオン伝導性物質が実質的に管状であり、該管状のハウジング内に同心円的に取り付けられており、該吸い上げ手段の一部が該第１の電極中にのびている請求項７に記載の電気化学変換装置。
【請求項９】
該イオン化可能な気体が酸素、水素及びナトリウムからなる群から選択される請求項１に記載の電気化学変換装置。
【請求項１０】
（ａ）負荷に接続された電気化学電池を設け、
（ｂ）２相流体を気化し、
（ｃ）該電気化学電池の一方の側にイオン化可能な気体の低分圧を生じるように、該気化された２相流体が該電気化学電池の一方の側を通り越すようにし、一方、該電気化学電池の他方の側に隣接してイオン化可能な気体の流れを通過させて、該一方の側のイオン化可能な気体の分圧よりも大きなイオン化可能な気体の分圧を生じ、該イオン化可能な気体の該電池を横切る分圧差が該電気化学電池を通るイオン化された気体の通過を生じ、それによって電位差を生じさせ、そして
（ｄ）該電気化学電池を通過したイオン化可能な気体を気化された２相流体に同伴させる
段階を含んでいる電気を生じる方法。
【請求項１１】
（ｅ）気化された２相流体を凝縮し、それによってイオン化可能な気体を２相流体から分離する段階を更に含んでいる請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
段階（ｅ）の凝縮された２相流体が段階（ｂ）で再び気化されるように循環される請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
段階（ｅ）の分離されたイオン化可能な気体が電気化学電池を通って循環するように戻される請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
段階（ｅ）の分離されたイオン化可能な気体が電気化学電池を通って循環するように戻される請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
イオン化可能な気体が酸素、水素及びナトリウムからなる群から選択される請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
（ａ）電気化学電池を設け、
（ｂ）イオン化可能な気体及び気相の状態の２相流体の混合物を、該電気化学電池の一方の側を通り過ぎるように、その後混合物の該２相流体が該電気化学電池の反対側に隣接して液相に凝縮するように循環させ、それによって該電気化学電池一方の側よりも該電気化学電池の反対側に隣接した所により高いイオン化可能な気体の分圧を生じ、そして
（ｃ）該イオン化可能な気体の分圧の高い反対の側から該イオン化可能な気体の分圧の低い一方の側へのイオン化可能な気体の通過を生じるように、該電気化学電池に接続された負荷を提供し、それによって電位差を生じる
段階からなる電気を生じる方法。
【請求項１７】
該２相流体が気相と液相の間で連続的に循環される請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
該イオン化可能な気体が酸素、水素及びナトリウムからなる群から選択される請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
該イオン化可能な気体が水素である請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野（産業上の利用分野）】
本発明は電気化学電池を使用した熱エネルギーの電気エネルギーへの変換に関する。
【０００２】
【発明の背景】
化学エネルギーを電気エネルギーに変換することは種々の方法で達成出来る。電気化学電池又はバッテリーは、酸化されている反応体からの電子が還元されている反応体に移される、レドックス反応によっていることが知られている。反応体を互いから分離すると外部回路を通じた電子の流れを生じることができ、そこでこれらは仕事を行うのに使用できる。
【０００３】
しかし電気化学電池は反応体の枯渇の問題を有してきた。多くの電池は電極を横切る逆極性の電圧を適用することによって再充電できるが、そのような再充電は別の電源を必要としている。電池の充電の間、電池は典型的には電源として利用されないので、充電機間は使用出来なくなる。
【０００４】
電気化学電池と関連する問題の克服努力の中から燃料電池が開発されてきた。典型的には燃料電池はイオン化されていない種の通過をブロックする選択的な電解質を横切って、イオン化された種を通過させることによって作動する。電解質のいずれの側に多孔質の電極を置くことによって電極と接続される外部回路中に電流を生じることが出来る。もっとも一般的な種類の燃料電池は、一方の電極を水素が通過するようにし、酸素が他方の電極を通過するようにする、水素−酸素燃料電池である。水素と酸素は電解質−電極界面に於いて化合し水を生じる。水を連続的に除去することによって濃度勾配が維持され、水素と酸素の電池への流れを生じる。
【０００５】
しかしこの種の燃料電池は幾つかの欠点を有している。これらの電池は電気を連続的に生じるために連続的に反応体が供給されなければならない。更にこれらの電池は連続的に除去されなければならない連続的な生成物の流れを生じ、この除去は問題を生じ得る。これらの燃料電池の多孔質電極は電池に入る反応体の通過を可能とするものでなければならない。しかし時間がたつとこれらの多孔質の電極は塞がったり通りが悪くなったりし、反応体の通過を遅くするか又は妨げさえもする。そのような反応体流の遅延は電気の生産を減少する。最後に、適当な電解質の選択は常に容易ということではない。電解質は電流生産を増加するために迅速にイオン化された種を輸送しなければならない。しばしば電解質を通るイオン化された種の制限された移動が生じる電流量の制限因子になっている。
【０００６】
これまで記載した燃料電池に固有の問題を回避する努力の中から熱電子変換電池が設計されている。これらの熱電子変換電池は固体の電解質を横切った反応体、例えば溶融ナトリウムの流れを誘発するために圧力勾配を生じる為の熱を利用している。ナトリウム電子が電解質に入った時に電子を失い、そして電解質を離れる時に電子を獲得するので電流が発生する。しかしこれらの電池もまたナトリウムイオンを通過させることが要求される多孔質の電極のつまり問題を生じる。更に固体電解質を通るナトリウムイオンの拡散は遅いことがわかっており、それにより電池が生じる電流量が制限される。最後にこの種の燃料電池は極めて高温で運転され典型的には１２００〜１５００°Ｋの範囲で運転され、従って多くの用途には実際的でないものとなっている。
【０００７】
従って連続的な反応体の供給源を必要とせず、時間がたつと詰まるような電解質は必要とせず、そして比較的低温で運転できる電気化学的変換装置に対する必要性が残っていることがわかる。従って本発明の主な目的はそのような物を提供することである。
【０００８】
【発明のまとめ】
本発明の好ましい形態に於いて、電気化学的変換装置は、電気化学電池、２相流体流が該電気化学電池を越えるように仕向ける第１の経路を、該電気化学電池と一緒に形成しているハウジング、及び該ハウジング内に含有される２相流体流からなっている。この装置はまた電気化学電池の前で気相になるように該流体流を加熱するために該ハウジングと熱的に接している（thermally coupled）加熱手段、電気化学電池の後で液相になるように該流体流を冷却するたに該ハウジングと熱的に接している冷却手段、及び該電気化学電池と流体連絡している水素ガスの流を有している。この構造によって加熱手段は２相流体流を気化させて電気化学電池の一方の側で水素の低分圧を生じ、従って電気化学電池を横切る水素の圧力差を生じ、このことが更に水素ガスを電気化学電池を通過させて電位差を生じ、次に水素が気化した流体流に同伴（連行）される。
【０００９】
【詳細な記載（実施例）】
次に図面を参照すると、図１には本発明の好ましい形態の電気化学的変換装置１０が示されている。電気化学的変換装置１０はステンレススチール等の非反応性物質で作られたハウジング１１を有し、ハウジング１１は沸騰室１２、電池保持ブロック１３及び凝縮室１４を含んでいる。ハウジング１１はまた沸騰室１２と電池保持ブロック１３の間に伸びる第１の管１７、電池保持ブロック１３と凝縮室１４の間に伸びる第２の管１８、凝縮室１４と沸騰室１２の間に伸びる第３の管１９、及び凝縮室１４と電池保持ブロック１３の間に伸びる第４の管２０も含んでいる。
【００１０】
電気化学変換装置１０はまた、電池保持ブロック１３内に取り付けられた電気化学電池２３、沸騰室１２に熱を伝えるように取り付けられたヒーター２４、及び第２の管１８との間で熱が伝わるように取り付けられたクーラー２５も含んでいる。
【００１１】
電気化学電池２３は、第１の気体拡散電極２８、第２の気体拡散電極２９、及び第１及び第２の気体拡散電極２８及び２９の間に取り付けられたイー．アイ．ドュポン  デ  ネモアーズ(E.I. du Pont de Nemours）より製造されたナフォオン（Nafion：商標名）等のプロトン伝導性の膜３０を有している。この種の電気化学電池はニュージャージー州サマーセットのイーテック  インコーポレイテッド(E-Tek, Inc.)から入手できる。電気化学電池の電極２８及び２９は外部負荷又は回路３１に電気的に接続される。
【００１２】
電池保持ブロック１３は第４の管２０と流体連絡している第１の部屋３３及び第１の気体拡散電極２８を含んだ電気化学電池２３の前方表面を有している。電池保持ブロック１３はまた第１の管１７、第２の管１８と流体連絡した第２の部屋３４及び第２の気体拡散電極３４（？２９）を含んでいる電気化学電池２３の後方表面を含んでいる。第１及び第２の部屋３３及び３４はまた第１及び第２の経路とも呼ぶことができ、これらは互いに電気化学電池で分離されている。
【００１３】
使用にあたって、凝縮室１４の一部、第３の管１９及び沸騰室１２の一部が液相の作動流体Ｆ例えば水で満たされる。凝縮室１４の残りの部分、沸騰室１２の残りの部分、第４の管２０、電池保持ブロック１３及び第２の管１８は水素ガスＨを含有する。ヒーター２４をつける（付勢する）と以後水と述べる２相流体の一部が蒸気状態に加熱され、これをＷＶで示す。水蒸気ＷＶは沸騰室２１（？１２）の残りの部分を満たして水素を外に追い出し、それによって水素分圧を低い値に減少させる。水の蒸気ＷＶは沸騰室１２から、第１の管１７を通って、電池保持ブロックの第２の部屋３４中へと通過する。水の気化によって生じる高圧は第２の部屋３４内の水素ガスＨの低い分圧を生じる。この水素ガスＨの低い分圧は電池保持ブロック１３の第１の部屋３３内の水素ガスの分圧よりも低い。
【００１４】
第１及び第２の部屋３３及び３４の間の水素圧の差が増加するに従って、電池を横切る電位差が作り出され徐々に増加される。第１の電極２８に隣接するより高い圧力の第１の部屋の水素ガスはプロトンに酸化される。これらのプロトンはプロトン伝導性の膜３０を通って低圧の第２の部屋に於ける第２の電極２９に伝えられる。第２の電極２９に於いて水素プロトンは水素ガスに還元される。水素ガスの酸化は電子の放出を生じ、電子はそこで第１の電極に渡され、一方プロトンの水素ガスへの還元は第２の電極からの電子の受取り即ち受領を生じ、それによって負荷３１を通る電流を誘発する。
【００１５】
一旦水素が電気化学電池を通過すると、水素は第２の部屋３４を通過する水蒸気ＷＶの流れに同伴される。水蒸気ＷＶと水素ガスＨの混合物は第２の管１８を通過し、管１８でクーラー２５がその混合物の温度を冷却するので、水蒸気ＷＶの大部分を液相Ｗへ凝縮させる。水Ｗ、水素ガスＨ及びおそらく少量の水蒸気ＷＶが第２の管１８から凝縮室１４に出て行く。水が凝縮するに従って、水素ガスＨは液体の水Ｗから分離される。次に液体の水Ｗは第３の管１９を通って沸騰室１２に戻るので再び気化され再度このシステムを通るように循環又はリサイクルされる。
【００１６】
分離された水素ガスＨが第２の管１８を出て行く時に水素ガスは凝縮室の上部を占め一方液体の水Ｗが凝縮室の下部を占める。次に水素ガスＨが第４の管２０を通って循環され、凝縮室の中の圧力が増加するに従って電池保持ブロック１３の第１の部屋３３に戻される。次にこの水素ガスは再度電気化学電池２３を通過し連続的に電気を発生する。
【００１７】
図２を参照すると別の本発明の好ましい形態の電気化学変換装置４０が示される。ここではハウジング４１は両端が閉鎖されている管状のものである。ハウジング４１は外側シェル４２と２相流体の選択に従属して選択される慣用の吸い上げ材（wicking material)  で作られた内部ライナー４３を有している。電気化学変換装置４０は又管状のハウジング４１内に同心的に取り付けられそして間に第１の部屋又は通路４６を形成するように内部ライナー４３から間隔をおいた管状の電気化学電池４５も有している。ライナー４３は中心部４８を有し中心部４８は同心的に内部にのびて管状の電気化学電池４５とは間隔をおいているので、それとの間に第１の経路４６から連続的にのびている第２の部屋又は経路４９を形成している。また電気化学変換装置は、ライナー４３の一端５２に熱を伝えうるヒーター５１、及びライナー４３の反対側の末端５４との間で熱を伝え得るクーラー５３を含んでいる。
【００１８】
電気化学電池４５は管状の第１の気体拡散電極５６、管状の第２の気体拡散電極５７、及び第１及び第２の気体拡散電極５６及び５７の間に取り付けられるイー．アイ．ドュ  ポン  デ  ネモアーズ(E.I. du Pont de Nemours)社により製造されるナフィオン(Nafion）等の管状のプロトン伝導性の膜５８を有している。電気化学電池の電極５６及び５７は外部の負荷又は回路５９に電気的に接続される。
【００１９】
使用にあたって、ハウジング４１は水等の作動流体Ｗ及び水素ガスＨの供給で満たされる。ヒーター５１をつける（付勢する）と作動流体Ｗの一部（この場合も以後水と述べる）がヒーター５１に隣接する吸い上げライナー４３内で加熱され気相になるが、これをＷＶで示す。水蒸気ＷＶは吸い上げライナー４３を通過し出てくる一方で、同時にクーラー５３はクーラーに隣接したハウジング内の水蒸気ＷＶをクーラーに隣接した吸い上げライナー４３上に凝縮させる。この連続的な水の蒸発と凝縮は、水蒸気ＷＶの連続的な流れがヒーター５１に隣接した所から第１の経路４６を通って、第２の経路４９に行きそこを通って、クーラー５３に隣接する吸い上げライナー４３上の凝縮区域へと通過することを生じる。同時に水蒸気ＷＶは連続的に凝縮されてクーラー５３に隣接する吸い上げライナー４３上に集められ、液体の水Ｗが連続的に吸い上げライナーを通ってヒーター５１に隣接する部分に戻される。この水の連続的な蒸発と凝縮はヒートパイプとして慣用的に知られているものに類似している。この場合も水の気化によって生じる高圧は第１の経路４６内の低い水素分圧を生じ、一方で水蒸気の凝縮は第２の経路４９内の高い水素分圧を生じる。
【００２０】
第１の経路４６と第２の経路４９の間の生じた水素圧の差は電気化学電池を横切る電位を生じる。第１の電極５６に隣接する高圧の第１の経路４６に於ける水素ガスはプロトンに酸化される。これらのプロトンはプロトン伝導性の膜５８を通ってより低圧の第２の経路４９に於ける第２の電極５７に伝えられる。第２の電極５７において水素プロトンは水素ガスに還元される。水素ガスの酸化は電子の放出を生じ、次にこれは第１の電極５６に渡され、一方、プロトンの水素ガスへの還元は第２の電極５７からの電子の受取りを生じ、それによって負荷５９を通る電流を誘発する。
【００２１】
一旦水素が電気化学電池４５を通ると、これは第１の経路４６を通って第２の経路４９に向って通過する水蒸気ＷＶの流れに同伴される。水が凝縮するに従って水素ガスＨは液体の水Ｗから分離され、それによって凝縮の区域に隣接した第２の経路内の水素分圧を再度増加させる。次に液体の水Ｗは吸い上げライナー４３を通過してヒーター５１に隣接する位置に戻り、再び気化され、そして再度システムを通るように循環される。
【００２２】
ヒーターとクーラーの位置は逆にすることができでき、それによって水蒸気と液体の水の流れが逆になるようにすることが出来ることを理解すべきである。この装置は比較的小さい温度差で運転でき、例えば水を用いるシステムでは温度はおよそ１００℃である。従ってこの装置は安全であり且つ管理できるものである。更にこの装置はどんな機械的な可動部品（ムービングパーツ）をもなしにエネルギーを変換するので、特に機械の故障のないものである。
【００２３】
前記の装置は任意の形態の熱源例えば電気ヒーター、ガス燃焼ヒーター、加熱空気、放射熱源、放射体のヒーター又は他の慣用的に知られている熱を生じる手段を使用できることが理解されるべきである。又この装置は、任意の冷却手段、例えば冷却水ジャケット、ヒートシンク、冷蔵庫、冷却ラジエーター、熱デシテーター又は任意の他の慣用的に知られた熱を除去する手段を使用することができる。他の２相作動流体を好ましい具体例中で示された水の代わりに用いることができることが理解されるべきである。又この装置はイオン化された気体の通過を可能とする物質と組み合わせて他のイオン化可能な気体を使用することができ、そのような気体には限定されるものではないが酸素及びナトリウムが含まれる。
【００２４】
最後に電流の通過を制御することによって電気化学電池を横切る水素の流れを制御できることが理解されるべきである。従って高温側から除かれる熱の速度は水素流の速度に基づいて正確に制御できる。従って、熱源側の温度が制御できる。従って、本明細書に開示された装置は、電気化学電池の一方の側から他方の側に水素をポンプ送りして、それによって水蒸気のための低分圧をつくりだすために電気化学電池中に電流を誘発できるという点で熱力学的に可逆的である。生じる水蒸気のための低分圧は水の気化を生じ、それによって冷蔵効果を生じる。
【００２５】
従って、ここに提供される電気化学変換装置は、効率的で比較的低温度差で運転できる事がわかる。本明細書に特定して記載されたもののほか、次の特許請求の範囲に述べる発明の精神と範囲から逸脱されることなく、本明細書に記載された特定の態様に対し修正が成され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は本発明の好ましい形態に於ける電気化学変換装置の略図である。
【図２】
図２は本発明の別の好ましい形態に於ける電気化学変換装置の略図である。
【図１】
2005513711.tif 000003
【図２】
2005513711.tif 000004
【国際調査報告】
2005513711.tif 000005