JP2017532718A - 熱−電気化学変換器 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2014年8月11日に出願された米国仮特許出願第62/035,560号に基づく優先権を主張するものである。当該仮出願の開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
12 第1接触面
13 熱交換器
14 高温スタック
16 低温スタック
18 第2接触面
21 外部ハウジング
22、24 プロトン伝導膜、イオン伝導膜
23、25、41、42、94、95 電極
31、52、62 第1端子
32、54、64 第2端子
37、96 低圧導管
38、97 高圧導管
50 総負荷
56 外部負荷
58、66 熱源
58 外部電源
60、68 ヒートシンク
61 総電源
98、99 相互接続部
Claims (18)
- モノリス状構造を有する高密度直接式熱−電気変換器であって、
作動流体と;
第1多孔質電極、第2多孔質電極、及びプロトン伝導膜又はイオン伝導膜である少なくとも一つの膜を含む、少なくとも一つの膜電極アセンブリと;
第1圧力において前記作動流体を収容する、前記第1多孔質電極に結合された高圧導管である第1導管、及び前記第1圧力より低い第2圧力において前記作動流体を収容する、前記第2多孔質電極に結合された低圧導管である第2導管と、
を備え、
前記少なくとも一つの膜は、前記第1高圧導管に結合された前記第1多孔質電極と前記第2低圧導管に結合された前記第2多孔質電極との間に挟まれており;
前記第1多孔質電極、前記第2多孔質電極、前記少なくとも一つの膜、前記高圧導管、及び前記低圧導管は、モノリス状構造を形成することを特徴とする、高密度直接式熱−電気変換器。 - 複数の高圧導管に結合されるとともに互いに電気的に結合された複数の第1多孔質電極、及び複数の低圧導管に結合されるとともに互いに電気的に結合された複数の第2多孔質電極と、
前記複数の第1多孔質電極及び前記第2多孔質電極に接続された外部電源であって、電力が前記電極に印加され、前記外部電源により生じた電子の流れにより前記少なくとも一つの膜を通るイオン伝導又はプロトン伝導が誘起されると、前記電力により作動流体が各低圧電極から各高圧電極へそれぞれ流れるように駆動される、外部電源と、
をさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載の高密度直接式熱−電気変換器。 - 前記複数の第1多孔質電極は、第1電気的相互接続により互いに電気的に結合されており、
前記複数の第2多孔質電極は、第2電気的相互接続により互いに電気的に結合されていることを特徴とする、請求項2に記載の高密度直接式熱−電気変換器。 - 前記少なくとも一つの膜電極アセンブリに結合されたヒートシンクをさらに備え、
前記ヒートシンクは、前記作動流体が前記少なくとも一つの膜を通って圧縮されることにより電気が消費されるときに相対的に一定のプロセス温度での圧縮を維持するように、前記作動流体が前記第2圧力から前記第1圧力へ圧縮されるときに前記作動流体から圧縮熱を取り除くように構成されていることを特徴とする、請求項1に記載の高密度直接式熱−電気変換器。 - 複数の高圧導管に結合されるとともに互いに電気的に結合された複数の第1多孔質電極、及び複数の低圧導管に結合されるとともに互いに電気的に結合された複数の第2多孔質電極と、
前記複数の第1多孔質電極と前記複数の第2多孔質電極との間に接続された外部負荷であって、電子が前記外部負荷を通って伝導するとともにイオン又はプロトンが前記少なくとも一つの膜を通って伝導すると、圧力により作動流体が各第1多孔質電極から各第2多孔質電極へ流れ、前記高密度直接式熱−電気変換器は、電力を前記外部負荷に供給する、外部負荷と、
をさらに備えることを特徴とする、請求項4に記載の高密度直接式熱−電気変換器。 - 熱源をさらに備え、
前記熱源は、作動流体が前記少なくとも一つの膜を通って膨張することにより電気が生成されるときに相対的な一定温度での膨張を維持するように、前記第1圧力から前記第2圧力へ膨張する前記作動流体への膨張熱のために、前記少なくとも一つの膜電極アセンブリに熱を供給するように構成されていることを特徴とする、請求項5に記載の高密度直接式熱−電気変換器。 - 前記少なくとも一つの膜は、セラミック導電性材料又はポリマー導電性材料で形成されていることを特徴とする、請求項5に記載の高密度直接式熱−電気変換器。
- モノリス状構造を有する高密度直接式熱−電気変換器であって、
少なくとも四つの多孔質電極と;
作動流体と;
少なくとも二つのイオン又はプロトン伝導膜であって、前記多孔質電極は、オーバーラップする構成で前記イオン又はプロトン伝導膜と積層されており、これにより各イオン又はプロトン伝導膜は多孔質電極の対に挟まれており、前記多孔質電極及び前記イオン又はプロトン伝導膜は、共焼結されるか又は溶融したモノリス状構造を備える、少なくとも二つのイオン又はプロトン伝導膜と;
少なくとも四つの導管であって、各導管は、前記多孔質電極のうち一つに結合されており、前記導管のうち少なくとも一つは、第1圧力において前記作動流体を収容するとともに多孔質電極の各対のうち第1多孔質電極に結合されており、前記導管のうち少なくとも他の一つは、前記第1圧力より低い第2圧力において前記作動流体を収容するとともに多孔質電極の各対のうち第2多孔質電極に結合されており、前記第1多孔質電極は高圧電極であり、前記第2多孔質電極は低圧電極である、少なくとも四つの導管と、
を備える、モノリス状構造を有する高密度直接式熱−電気変換器。 - 前記多孔質電極は、より高いMEA電圧を生成するように、互いに電気的に直列接続されていることを特徴とする、請求項8に記載の高密度直接式熱−電気変換器。
- 多孔質電極の前記対の間に結合された電気負荷をさらに備え、
電子が前記外部負荷を通って伝導するとともにイオン又はプロトンが多孔質電極の前記対に挟まれた前記イオン又はプロトン伝導膜を通って伝導することで、圧力により前記作動流体が前記高圧電極から前記低圧電極へ流れることを特徴とする、請求項8に記載の高密度直接式熱−電気変換器。 - 多孔質電極の前記対の間に結合された電源を含み、
電子の流れが前記外部電源により生じるとともに前記イオン又はプロトン伝導膜を通るイオン伝導又はプロトン伝導を誘起すると、前記多孔質電極に印加された電力により、前記作動流体が前記低圧電極から前記高圧電極へ流れることを特徴とする、請求項8に記載の高密度直接式熱−電気変換器。 - 第1膜電極アセンブリスタック及び第2膜電極アセンブリスタックを備えるジョンソン式熱−電気化学変換器であって、
前記第1膜電極アセンブリ(MEA)スタック及び第2膜電極アセンブリ(MEA)スタックの各々は、
少なくとも三つの多孔質電極と;
作動流体と;
少なくとも二つのイオン又はプロトン伝導膜であって、前記多孔質電極は、前記少なくとも二つのイオン又はプロトン伝導膜と交互の並びで積層されている、少なくとも二つのイオン又はプロトン伝導膜と;
前記作動流体を収容する少なくとも三つの導管であって、前記導管のうち少なくとも一つは、第1圧力において前記作動流体を収容する高圧導管であり、前記導管のうち少なくとも別の一つは、前記第1圧力より低い第2圧力において前記作動流体を収容する低圧導管である、少なくとも三つの導管と、
を備え、
各MEAスタックにおける前記多孔質電極の任意の連続した対のうち第1多孔質電極が、前記高圧導管を通る作動流体の高圧流用の前記高圧導管に結合されており、且つ前記多孔質電極の前記連続した対のうち第2多孔質電極が、前記低圧導管を通る作動流体の低圧流用の前記低圧導管に結合されていることにより、前記イオン又はプロトン伝導膜の各々が多孔質電極の前記対の間の圧力差を受けるようになっており、
前記第1多孔質電極は高圧電極であり、前記第2多孔質電極は低圧電極であり、
前記高圧導管は、前記第1MEAスタックにおける前記高圧電極と前記第2MEAスタックにおける前記高圧電極との間で作動流体の高圧流を結合し、
前記低圧導管は、前記第1MEAスタックにおける前記低圧電極と前記第2MEAスタックにおける前記低圧電極との間で作動流体の低圧流を結合し、
前記MEAスタックのうち少なくとも一つは、モノリス状構造を有する高密度多層MEAスタックであることを特徴とする、ジョンソン式熱−電気化学変換器。 - 前記ジョンソン式熱−電気化学変換器は、外部負荷に取り付けられ、
前記第1MEAスタックは、熱源に結合されるとともに高温で動作し、
前記第2MEAスタックは、ヒートシンクに結合されるとともに前記高温より低い温度で動作し、
総負荷が前記第1MEAスタックに結合され、
電子が前記総負荷を通って伝導するとともにイオン又はプロトンが前記第1MEAスタックの前記イオン又はプロトン伝導膜を通って伝導することで、圧力により作動流体が前記第1MEAスタックの前記高圧電極から前記低圧電極へ流れると、電力が前記総負荷に供給され、
前記総負荷は、直列接続された前記外部負荷及び前記第2MEAスタックを備え、
前記第1MEAスタックにより生成された電力の一部は、前記電子の流れが前記電力により生じるとともに前記第2MEAスタックの前記イオン又はプロトン伝導膜を通るイオン伝導又はプロトン伝導を誘起すると、作動流体が低圧から高圧へ流れるように、前記第2MEAスタックの前記高圧電極及び前記低圧電極に結合され、
前記第1MEAスタックにより生成された残りの電力は、前記外部負荷に供給されることを特徴とする、請求項12に記載のジョンソン式熱−電気化学変換器。 - 前記第1MEAスタックは、セラミック材料を備え、前記第2MEAスタックは、高分子材料を備えることを特徴とする、請求項13に記載のジョンソン式熱−電気化学変換器。
- 前記ジョンソン式熱−電気化学変換器は、熱ポンプとして動作するとともに外部電源に取り付けられ、
前記第1MEAスタックは、ヒートシンクに結合されるとともに低温で動作し、
前記第2MEAスタックは、熱源に結合されるとともに前記低温より高い高温で動作し、
前記外部電源及び前記第1MEAスタックはともに総電源として動作し、
前記総電源は、電力を前記第2MEAスタックに供給し、
前記総電源は、前記第1MEAスタック内で前記第2MEAスタックの前記高圧電極及び前記低圧電極に接続され、
前記外部電源により生じた電子の流れにより、前記第2MEAスタックの前記イオン又はプロトン伝導膜を通るイオン伝導又はプロトン伝導が誘起されると、前記電力により作動流体は前記低圧電極から前記高圧電極へ流れ、
前記総電源は、電気的に直列接続された前記外部電源及び前記第1MEAスタックを備え、
イオン又はプロトンが前記第1MEAスタックの前記イオン又はプロトン伝導膜を通って伝導するとともに電子が直列接続された前記外部電源及び前記第2MEAスタックを通って伝導することで、圧力により作動流体が前記第1MEAスタックの前記高圧電極から前記低圧電極へ流れると、前記第1MEAスタック内で電力が発生することを特徴とする、請求項12に記載のジョンソン式熱−電気化学変換器。 - 前記第1MEAスタックは、高分子材料を備え、前記第2MEAスタックは、セラミック材料を備えることを特徴とする、請求項15に記載のジョンソン式熱−電気化学変換器。
- 前記熱ポンプは、復熱式熱交換器をさらに含み、
前記復熱式熱交換器は、高圧流体と低圧流体との間での熱の伝達を可能にするように構成された前記高圧導管及び前記低圧導管を含むことを特徴とする、請求項15に記載のジョンソン式熱−電気化学変換器。 - 復熱式熱交換器をさらに含み、
前記復熱式熱交換器は、高圧流体と低圧流体との間での熱の伝達を可能にするように構成された前記高圧導管及び前記低圧導管を含むことを特徴とする、請求項12に記載のジョンソン式熱−電気化学変換器。
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