(57)【要約】配管システム（１１）、第一の電気化学電池（１２）、及び第二の電気化学電池（１３）を有している可逆エンジン（１０）が開示される。配管システム（１１）は、第一の電気化学電池（１２）から第二の電気化学電池（１３）にのびる第一の配管（１５）及び第二の電気化学電池（１３）から第一の電気化学電池（１２）にのびている第二の配管（１６）を含んでいる。熱エンジン（１０）はまた第二の電気化学電池（１３）に隣接した配管システム（１１）に熱を伝えるように取り付けられたヒーター（１８）、第一の電気化学電池（１２）に隣接した配管システム（１１）との間で熱が伝わるように取り付けられたクーラー（１９）及び第一及び第二の配管（１５及び１６）の間で熱を移動させるために第一及び第二の配管（１５及び１６）に熱を接するように接している再生的熱交換器（２０）を含んでいる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一のイオン伝導性物質、該第一のイオン伝導性物質の一方の側に取り付けられた第一の電極、及び該第一の電極とは反対側の該第一のイオン伝導性物質の片側に設けられた第二の電極を有している第一の電気化学電池；
第二のイオン伝導性物質、該第二のイオン伝導性物質の一方の側に取り付けられた第三の電極、及び該第三の電極とは反対側の該第二のイオン伝導性物質の片側に設けられた第四の電極を有している第二の電気化学電池；
一端が該第一の電気化学電池の第二の電極と流体連絡し、第二の末端が該第二の電気化学電池の第三の電極と流体連絡している第一の配管、及び一端が該第二の電気化学電池の第四の電極と流体連絡し、第二の末端が該第一の電気化学電池の第一の電極と流体連絡している第二の配管を有している配管システム；
該第二の電気化学電池に熱を送るための加熱手段；
該第一の電気化学電池から熱を移すための冷却手段；及び
該配管システム内に含まれるイオン化可能な気体の供給物
を含んでいる可逆エンジンであって、該第一の電気化学電池を電流が通過すると該イオン化可能な気体が該第一の電気化学電池を通過させられ、それにより第一の配管内の圧力を増加する一方同時に該第二の配管内の圧力を減少し、それにより、第一の配管と第二の配管の間の生じる圧力差がイオン化可能な気体の第二の電気化学電池の通過を生じ、従って第一及び第二の電極の間の電位差を生じるものである、可逆エンジン。
【請求項２】
該第一及び第二のイオン導電性性物質がプロトン伝導性の膜である請求項１に記載の可逆エンジン。
【請求項３】
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に記載の可逆エンジン。
【請求項４】
更に、該第二の配管から該第一の配管に熱を移動するための熱交換手段を含んでいる請求項１に記載の可逆エンジン。
【請求項５】
該第一及び第二の配管に熱を伝えるように接している熱交換器を更に含んでおり、該熱交換器が第二の配管から第一の配管に熱を移す請求項１に記載の可逆エンジン。
【請求項６】
（ａ）電源に接続されている第一の電気化学電池を設け、
（ｂ）負荷に接続されている第二の電気化学電池を設け、
（ｃ）該第一及び該第二の電気化学電池を含んでいる閉じたループの配管システムを所定位置に設けて該イオン化可能な気体の配管システムを通る流れを拘束し、
（ｄ）該第一の電気化学電池に電流を通過させて該第一の電気化学電池を通るイオン化可能な気体の流れを誘発し、
（ｅ）該第二の電気化学電池に隣接する又は第二の電気化学電池内のイオン化可能な気体を加熱し、そして
（ｆ）該第一の電気化学電池に隣接する又は第一の電気化学電池内のイオン化可能な気体を冷却する
段階を含み、
それによって、該第一の電気化学電池を通る電流の通過がイオン化可能な気体の第一の電気化学電池の通過を生じて、第二の電気化学電池を横切る圧力差を生じ、それによって第二の電気化学電池を横切る圧力差が第二の電気化学電池を通るイオン化可能な気体の通過を生じ、これが電位差を生じることからなる、電気を生じる方法。
【請求項７】
該第二の電気化学電池から該第一の電気化学電池にのびている配管システムの一部分から、該第一の電気化学電池から該第二の電気化学電池にのびている配管システムの別の一部分へ熱を移動する段階を更に含んでいる請求項６に記載の方法。
【請求項８】
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６に記載の方法。
【請求項９】
第一の電気化学電池、
第二の電気化学電池、
該第一の電気化学電池から該第二の電気化学電池にのびる第一の配管と、該第二の電気化学電池から該第一の電気化学電池にのびている第二の配管とを有している閉鎖ループの配管システム、
熱を該第二の電気化学電池に伝える加熱手段、
熱を該第一の電気化学電池から移す冷却手段、及び
該配管システム内に含まれるイオン化可能な気体の供給物、
を含んでいる可逆エンジンであって、該第一の電気化学電池を通る電流の通過によって該イオン化可能な気体が該第一の電気化学電池を通過させられ、それによって該第一の配管内の圧力を増加させる一方同時に該第二の配管内の圧力を減少し、それによって該第一の配管と該第二の配管の間の生じる圧力差によりイオン化可能な気体が第二の電気化学電池を通過させられ、それにより該第二の電気化学電池の第一の電極と第二の電極との間の電位差を生じるものである、可逆エンジン。
【請求項１０】
該電気化学電池に於けるイオン伝導性物質がプロトン伝導性の膜である請求項９に記載の可逆エンジン。
【請求項１１】
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９に記載の可逆エンジン。
【請求項１２】
該第二の配管から該第一の配管に熱を移すための熱交換器手段を更に含んでいる請求項９に記載の可逆エンジン。
【請求項１３】
該第一及び第二の配管に対し熱を伝えるように接した熱交換器を更に含んでおり、それによって熱交換器が第二の配管から第一の配管に熱を移動させる請求項９に記載の可逆エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野（産業上の利用分野）】
本発明は一対の電気化学電池を有している可逆エンジン（機関）を用いて熱エネルギーを電気エネルギーに、又は電気エネルギーを熱エネルギーに変換することに関する。
【０００２】
【発明の背景（従来の技術）】
熱エネルギー又は化学エネルギーの電気エネルギーへの変換又はその逆は種々の方法で達成し得る。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依っている。互いに反応体を分離すると電子を外部回路を通じて流すことが可能であり、外部回路で仕事を行う為に電子を使用できる。
【０００３】
しかし、電気化学電池は反応体を使い尽くすという問題を有していた。電池は電極と電極の間に逆電極電圧を適用することによって再充電できるように設計できるが、そのような再充電は別の電源を必要とする。電池を再充電する間、電池は典型的には使用できない。
【０００４】
電気化学電池と関連する問題を克服する努力のなかで、燃料電池が開発された。典型的には燃料電池は非イオン化種の通過を封じる選択的な電解質をよこぎってイオン化種を通過させることによって作用する。電解質のいずれかの側に多孔質の電極をおくことによって、電極と接続した外部回路中に電流を誘導することが出来る。最も一般的な種類の燃料電池は、電極の一つに水素を通じ、一方他の電極を通して酸素が通過させられる水素−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て水を生じる。連続的に水を除去することによって水素と酸素の電池への流れを誘導するために濃度勾配が維持される。
【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、連続的に電気を造り出すために連続して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取り除かなければならない連続的な生成物流を生じ、その除去は問題を生じ得る。これらの燃料電池の多孔質の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通りが悪くなったり詰まったりすることがありえ、反応体の通過を遅くするか又は妨げたりさえもする。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であるわけではない。電解質は電流の生産を増加するために迅速にイオン化された種を移送しなければならない。電解質を通るイオン化された種の制限された移動は、しばしば造り出される電流量の制限要因になっている。
【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として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電解質を横切る溶融ナトリウム等の反応体の流れを誘発するために圧力勾配を生じるために熱を利用する。ナトリウム原子が電解質に入るときに電子を失い、電解質を去るとき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ナトリウムイオンを通過させることを必要とする多孔質電極の詰まりの問題を有している。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、従って電池によって造られる電流量を制限している。またこれらの電池はアルカリ金属を使用しており、それらのアルカリ金属は非常に腐食性のため、この種の用途に使用するのが困難である。最後にこれらの燃料電池は非常に高温、典型的には１２００〜１５００°Ｋの間の範囲で運転され、従って多くの用途には実際的でないものとなってしまう。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、反応体の連続的な供給源を必要とせず、時間がたつと詰まる電解質を必要とせず、比較的低温で作用させることが出来る電気化学変換装置の必要性が残されていることがわかる。本発明の主な目的はそのようなものを提供することである。
【０００８】
【発明のまとめ（課題を解決する手段）】
発明の好ましい態様に於いて、可逆エンジン（可逆機関）は第一の電気化学電池、第二の電気化学電池及び配管システムからなっている。第一の電気化学電池は、第一のイオン伝導性物質、該第一のイオン伝導性物質の一方の側に取り付けられた第一の電極、該第一のイオン伝導性物質の該第一の電極とは反対側の一方の側に取り付けられた第二の電極を有している。第二の電気化学電池は、第二のイオン伝導性物質、該第二のイオン伝導性物質の一方の側に取り付けられた第三の電極、及び該第二のイオン伝導性物質の該第三の電極とは反対側の一方の側に取り付けられた第四の電極を有している。配管システムは第一の配管と第二の配管を有している。該第一の配管は該第一の電気化学電池の第二の電極と流体連絡している一端と、該第二の電気化学電池の第三の電極と流体連絡している第二の末端とを有している。第二の配管は該第二の電気化学電池の第四の電極と流体連絡している一端と、該第一の電気化学電池の第一の電極と流体連絡している第二の末端とを有している。また、熱エンジンは、第二の電気化学電池と隣接した配管システムに熱を伝えるための加熱手段、第一の電気化学電池と隣接した配管システムから熱を移すための冷却手段、及び配管システム内に含有されているイオン化可能な気体の供給物を有している。この構造及び第一の電気化学電池を通る電流の通過によってイオン化可能な気体は第一の電気化学電池を強制的に通過させられ、それによって第一の配管内の圧力を増加する一方で第二の配管内の圧力を減少し、それにより第一の配管と第二の配管の間の生じる圧力差がイオン化可能な気体の第二の電気化学電池の通過を生じ、従って第一及び第二の電極間の電位差を生じる。
【０００９】
【詳細な記載】
次に図面を参照すると、図１には熱エンジン（熱機関）の発明の好ましい形態として、可逆エンジン１０が示されている。エンジン１０は配管システム１１、第一の電気化学電池１２、及び第二の電気化学電池１３を有している。配管システム１１は、ステンレススチールなどの非反応性材料で造られている。配管システム１１は、第一の電気化学電池１２から第二の電気化学電池１３にのびている第一の配管１５及び第二の電気化学電池１３から第一の電気化学電池１２にのびている第二の配管１６を含んでいる。
【００１０】
また熱エンジン１０は第二の電気化学電池１３に隣接する配管システム１１に熱が伝えられるように取り付けられたヒーター１８、第一の電気化学電池１２に隣接した配管システム１１との間で熱が伝えられるように取り付けられたクーラー１９、及び第一及び第二の配管１５及び１６の間の熱の移動のために第一及び第二の配管１５及び１６と熱が伝わるように接続されている再生熱交換器（蓄熱機）又は熱交換器２０を含んでいる。
【００１１】
第一の電気化学電池１２は第一の気体拡散電極２２、第二の気体拡散電極２３及び第一及び第二の気体拡散電極２２及び２３の間に設けられたイー．アイ．デュポン  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）等の第一のプロトン伝導性の膜２４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２２及び２３は外部電源２５に電気的に接続される。
【００１２】
同様に、第二の電気化学電池１３は第三の気体拡散電極２８、第四の気体拡散電極２９、及び第三及び第四の気体拡散電極２８と２９の間に設けられた第二のプロトン伝導性の膜３０を有している。電気化学電池の電極２８及び２９は、外部負荷３１に電気的に接続されている。
【００１３】
使用にあたって、配管システム１１はイオン化可能な気体、例えば、水素、酸素、又はナトリウムで充填されるが、以後単に水素Ｈとして述べる。イオン化されて通過する水素ガスの一定温度を維持する為に熱エネルギーを第二の電気化学電池１３又はその隣接区域に伝えるためのヒーター１８（ＱＨ）の作動、第一の電気化学電池１２又はその隣接する区域から熱エネルギーを移す為のクーラー１９（ＱＬ）の作動、及び第二の配管１６内の水素ガスから第一の配管１５内の水素ガスに熱エネルギーを移す熱交換器２０の作動、及び外部電源２５からの第一の電気化学電池１２への電流の通過によって、水素ガスＨは第一の電気化学電池１２を通過する。水素ガスＨは外部電源２５からの第一の電極２２と第二の電極２３との間の電位差の結果として、第一の電気化学電池１２を通過する。電位差は第一の電極２２にある水素ガスを水素プロトンに酸化する。水素ガスの酸化は第二の電極２３に送られる電子の放出を生じる。水素プロトンは第一のプロトン伝導性の膜２４を通って第二の電極２３に於ける負の電荷によって第二の電極２３に引き寄せられる。第二の電極２３において水素プロトンは水素ガスに還元される。従って第一の電気化学電池１２を通る電流は水素ガスの第二の配管１６から第一の配管１５への通過を強いるものであり、従って第一の配管１５内の水素ガス圧力を増加させる一方第二の配管１６内の水素ガス圧力を減少し、即ち第二の配管１６と第一の配管１５の間に水素ガス圧力差を生じている。
【００１４】
第二の配管１６から第一の配管１５へ水素ガスＨが通過することは、第二の電気化学電池１３を横切る圧力差を生じる。第一及び第二の配管１５及び１６の間の水素圧力差が増加するにしたがって、第二の電気化学電池１３を横切る電位差が生じ累進的にに増加する。第二の電気化学電池の第三の電極２８に隣接する第一の配管１５のより高い圧力に於ける水素ガスＨは水素プロトンに酸化される。これらの水素プロトンは第二のプロトン伝導性膜３０を通る水素圧力の差によって、より低い圧力の第二の配管１６に於ける第四の電極２９に押し込まれる。第四の電極２９において水素プロトンは水素ガスに還元される。従って水素ガスの酸化は電子の放出を生じ、その電子は第三の電極２８に渡され、一方水素ガスへのプロトンの還元は第四の電極２９から電子を受けとることを生じ、それによって第二の電気化学電池１３に接続された負荷３１を通る電流を誘発する。
【００１５】
第一及び第二の電気化学電池１２及び１３を通る水素ガスの通過は、図面中の方向矢印によって説明されるように配管システム１１を通る流体の流れ又はフローを生じる。隣接する第一の電気化学電池１２から隣接する第二の電気化学電池１３への第一の配管１５を通る水素ガスの流れは、一定の圧力下で流れ、一方、その気体の温度は増加する。同様に隣接する第二の電気化学電池１３から隣接する第一の電気化学電池１２への第二の配管１６を通る水素ガスの流れは、一定の圧力下で流れ、一方温度は減少する。
【００１６】
低い温度で低い圧力領域から高い圧力領域に第一の電気化学電池を横切って水素ガスが移動させられるためには、高い温度で高い圧力の領域から低い圧力の領域に第二の電気化学電池を横切って水素ガスを移すのに要する仕事よりも、より少ない仕事しか必要とされないことが理解されるべきである。従って、第一の電気化学電池において入力される仕事は、第二の電気化学電池において出力される仕事よりも少なく、熱エネルギー入力（ＱＨ）の変換から得られる追加的な仕事出力エネルギーが得られる。熱交換器２０を通る熱の移動は、二つの電気化学電池１２及び１３を取り巻く配管システムの領域の間の温度差を維持する助けをし、それによって工程期間の一定圧力を維持する助け及び第二の電気化学電池に隣接した高温領域を離れる高温気体から第一の電気化学電池に流れる低温気体に熱エネルギーを移すことによってシステム内の熱エネルギーを変換することによる効率を改良する助けをしている。
【００１７】
図２に示されるエンロトピーのグラフ（温度／エントロピー）は直ぐ上に記載した運転されている間のシステムのエントロピーにおける変化を説明している。
【００１８】
このシステムはまた図３及び図４に示されるようなヒートポンプとして可逆サイクルで運転できる。ここでは第二の電気化学電池１３は外部電源２５に接続され一方第一の電気化学電池１２は外部負荷３１に接続される。また、第一の電気化学電池１２に隣接する領域は熱エネルギー（ＱＬ）が提供される一方、熱エネルギーは第二の電気化学電池１３に隣接する領域から抽出される（ＱＨ）。この形態の装置の運転は、低温源から熱エネルギー（ＱＬ）を抽出し、それを図３に図解されるように高温源に熱エネルギー（ＱＨ）として供給することである。しかし、本発明の原理は前に記載したものと同じままであって、ここでのシステムは熱エネルギーの変化を提供している。
【００１９】
このシステムは比較的小さな温度差で運転できる。従ってこのシステムは完全であり、かつ管理し得るものである。更にこのシステムはどんな機械的な可動部分もなくエネルギーを変換し、従って実際的に機械的故障のないものである。
【００２０】
前に記載したシステムが電熱ヒーター、ガスバーナーヒーター、加熱空気、輻射熱源、輻射加熱器、又は他の慣用的に知られた熱を生じる手段などの加熱源任意の形態を使用できることが理解されるべきである。またこのシステムは冷却水ジャケット、ヒートシンク（放熱子）、冷却ラジエーター類、ヒートデシペーター類（ｈｅａｔ ｄｉｓｓｉｐａｔｅｒｓ）、又は任意の慣用的に知られた熱を除去する手段等の冷却手段等の任意の形態を使用することが出来る。
【００２１】
このように、効率的で比較的小さい温度差で運転できる可逆エンジンが提供されることがわかる。本明細書で特定してのべたものに加えて、多くの変更が次の特許請求の範囲に述べられる発明の精神及び範囲から逸れることなしに本明細書に記載した特定の具体例に対しなされ得ることが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は熱エンジンの形態で示されている本発明の好ましい態様における可逆熱エンジンの略図である。
【図２】図２は図１の可逆熱エンジンの温度エントロピーのグラフである。
【図３】図３はヒートポンプの形態で示された本発明の好ましい態様の可逆熱エンジンの略図である。
【図４】図４は、図３の可逆熱エンジンの温度エントロピーのグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
2004524649.tif 000030
2004524649.tif 000031
2004524649.tif 000032