JP6453480B2 - 統合されたエネルギー貯蔵を備える熱電気化学的変換器 - Google Patents

統合されたエネルギー貯蔵を備える熱電気化学的変換器 Download PDF

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Description

関連出願への相互参照
本出願は、２０１５年３月９日に出願された米国仮特許出願番号第６２／１３０，２２７号明細書、及び、２０１５年９月１７日に出願された米国仮特許出願番号第６２／２１９，９７７号明細書の優先権を主張し、その開示は参照によって本明細書に組み込まれる。
本発明は、金属水素化物材料を用いた統合された熱エネルギー貯蔵を備える改良されたジョンソン熱電気化学的変換器（ＪＴＥＣ）に関連する。
電気エネルギー生成及びエネルギー貯蔵の両方が可能であるエネルギーシステムに関する必要性がよく理解される。典型的には、発電システムは、エネルギー要求プロファイルとは異なる生成プロファイルを有する。例えば、石炭発電所は、安定な、連続的なレベルで電力を最適に生成する。しかしながら、石炭プラントからの電力に関する要求は、一般的には、１つは朝方における、１つは夕方における、２つのピークを有する。日中の間の電力に関する要求は、夜間の要求よりも高い。再生エネルギーシステム、例えば太陽の、発電は、日中にピークに達し、夜には全く利用可能でない。熱エネルギーは、発電において用いられる支配的なエネルギー源である。電気化学バッテリーは、熱で動作するシステムに関してエネルギー貯蔵が必要とされるときに用いられる。このようなシステムは、最初に電気を生成しなくてはならず、その後、貯蔵のためのバッテリーへそれを供給する。
機械的熱機関もまた設計されており、電力を生成するために用いられる。このような機械的熱機関は、作動流体を圧縮するためにピストン又はタービンを用いて軸仕事が実施される熱力学サイクルで動作する。圧縮プロセスが低温で実施され、圧縮後に、作動流体は、より高い温度へ上げられる。高温では、作動流体は、ピストン又はタービン等の負荷に対して膨張することが許可され、それによって軸仕事を生成する。作動流体を採用するすべての機関の動作への鍵は、低温で作動流体を圧縮するために必要とされる仕事が、高温でそれを膨張することによって生成されるものよりも少ないことである。これは、作動流体を採用するすべての熱力学機関に関する場合である。
例えば、蒸気機関は、ランキン熱力学サイクルで動作し、水は、高圧へくみ上げられ、その後、蒸気へ加熱され、ピストン又はタービンを通して膨張されて、仕事を実施する。内燃機関はオットサイクルで動作し、低温周囲空気は、ピストンによって圧縮され、その後、シリンダー内部で燃料燃焼を介して非常に高温へ加熱される。サイクルが継続するとき、ピストンに対する加熱された空気の膨張は、より低い温度の圧縮プロセスの間に消費されるものよりも大きい仕事を生成する。しかしながら、従来の機械的装置は、カルノー相当サイクルに近づくために必要とされるほぼ一定温度の圧縮及び膨張プロセスによって高い圧縮比を達成しない。
スターリングエンジンは、１８１６年にロバートスターリングによって開発され、高い効率を有し、熱源の選択における、より大きな多様性を提供する機関を提供するためのスターリングサイクルで動作する。理想的なスターリング熱力学サイクルは、理想的なカルノーサイクルに対して同等の効率であり、高温での熱入力及び低温での熱排除で動作する機関の理論的最大効率を画定する。しかしながら、すべての機械的機関のように、スターリングエンジンは、その機械的可動部に関連する、信頼性問題及び効率損失に苦しむ。
機械的熱機関に固有の問題を回避するために、アルカリ金属熱電気化学変換（ＡＭＴＥＣ）セルが、熱電気化学熱機関として設計されてきた。ＡＭＴＥＣ熱機関は、圧力を活用して、高温での電気化学セルを通して、ナトリウム等のイオン化可能な作動流体を無理に送ることによって電圧ポテンシャル及び電流を生成する。電極は、外部負荷へ電流を結合する。電気的仕事は、電解質セパレータにわたる圧力差が、電解質を通してナトリウム原子を無理に送るときに、実施される。ナトリウムは、電解質に入り、それによって、外部回路へ電子を解放するときにイオン化される。電解質の他の側上では、バッテリー及び燃料電池タイプ電気化学セルにおいて生じるプロセスとほぼ同様に、ナトリウムイオンは、電子と再結合して、電解質を離れるときにナトリウムを再構成する。再構成されたナトリウムは、低圧且つ高温であり、膨張したガスとして電気化学セルを離れる。ガスは、その後、冷却され、凝縮されて液体状態へ戻る。結果として得られる低温液体は、その後、再加圧される。ＡＭＴＥＣ機関の動作は、ランキン熱力学サイクルに近づく。
多数の文献が、ＡＭＴＥＣ技術上で利用可能である。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。他の一つの代表的文献は、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を参照されたい。
ＡＭＴＥＣ熱機関は、アルカリ金属作動流体の高い腐食特性に起因した信頼性及び効率問題に苦しむ。ＡＭＴＥＣ機関はまた、非常に限定された実用性を有する。具体的には、ＡＭＴＥＣ機関は、イオン伝導性固体電解質が高温でのみ実用的な伝導性レベルを達成するので、非常に高温で動作し得るのみである。実際、低温加圧プロセスでさえ、比較的高い温度で行わなくてはならない。なぜなら、アルカリ金属作動流体は、それがサイクルを通って動くときにすべての時間でその溶融温度よりも上に維持されなくてはならないからである。機械式ポンプさらに磁気流体力学ポンプは、低温作動流体を加圧するために用いられてきた。また、ＡＭＴＥＣは、保証できない潜熱エントロピー損失及びエンタルピー損失を含む修正ランキン熱力学サイクルで動作する。これらの損失は、高温膜電極接合体（ＭＥＡ）を通って膨張すること、及び、過熱蒸気としてＭＥＡから出て、実施される仕事なしで低温で凝縮することの前の、液体から蒸気への高温相変化に関する熱入力を含む。
従来の機械的及び熱電気化学熱機関の上述の欠点を克服するために、（２００３年４月２８日に出願された米国特許第７，１６０，６３９号明細書に開示される）ジョンソン熱電気化学的変換器（ＪＴＥＣ）システムが発展した。
ＪＴＥＣは、ＭＥＡスタックのような燃料電池を用いる熱力学の既知の原理を採用する変換技術である。しかしながら、ＪＴＥＣは燃料電池ではない。それは、酸素又は連続的燃料供給を必要とせず、熱のみである。それは、水素循環以外の稼働機械部品を有さない固体状態の直接熱−電気変換技術である。これらの革新的な機能は、カルノー相当エリクソン熱力学サイクル上の動作と組み合わされ、エネルギー変換技術における非常に重要な進歩を示す。特に、熱を直接的に電気に変換するシステムとして、ＪＴＥＣは、エネルギー変換効率、電力密度、及び製造コストにおいて革新的な進歩を提供する。
ＪＴＥＣは、カルノー相当エリクソン熱力学サイクルで動作する。それは、低温で動作し、且つヒートシンクに結合される第１の電気化学セル（つまり、機関の“電気化学的コンプレッサ”段階）、高温で動作し、且つ熱源に結合される第２の電気化学セル（つまり、機関の“電気化学的膨張”段階）、及び、２つのセル間で作動流体流れを結合する復熱式熱交換器を用いる。ＪＴＥＣは、作動流体として水素又は酸素の供給を含む。作動流体は、低温セルにおいて圧縮され、高温セルにおいて膨張され、それによって、低温セルにおける圧縮の間に消費されるものより多くの仕事が、高温膨張の間に生成される。作動流体のイオンを伝導することが可能であり、且つ多孔質の電子伝導性電極のペアの間に挟まれる非多孔質の膜を有するように構成されたＭＥＡから各電気化学セルは成る。
動作において、作動流体は、入口側上で電極へ電子を解放することによってＭＥＡを通り抜ける。イオンは、膜を通って対向電極へ伝導される。電子は、外部回路を介して対向電極に結合される。作動流体は、対向電極内で再構成される。動作において、熱がほぼ一定温度の圧縮プロセスを維持するために、電力は、低圧から高圧へ作動流体を駆動するために低温セルへ印加される。高圧作動流体は、低温セルから熱交換器を通って高温セルへ供給される。高温セルでは、プロセスは逆に動作する。ほぼ一定温度の膨張プロセスを維持するために熱が加えられるとき、セルを通って高圧から低圧へ作動流体が膨張するときに、電力は高温セルによって生成される。結果として得られる低圧作動流体は、低圧側へ戻され、低温セルへ供給されて、サイクルを継続する。作動流体を採用し、圧縮性ガスの性質と一致する任意の熱力学機関におけるように、低温圧縮のために必要とされる仕事入力よりも大きな量の仕事（この場合では電気）が、高温膨張の間に抽出される。つまり、高温で生じる膨張プロセスは、低温で生じる圧縮プロセスを駆動すること、及び、外部負荷への正味の出力電力を供給することに十分な電力を生成する。
ＭＥＡによって生成される電力は、温度に関して線形である。高温セルは、低温セル（ＶＬＴ）よりも高い電圧（ＶＨＴ）を有する。作動流体は、ＶＬＴで低温セルにおいて圧縮される。他方では、作動流体は、電流（電力）が抽出されるときに、ＶＨＴで高温セルにおいて膨張される。電流（Ｉ）、水素循環が両方のセルを通して同じであるので、電圧差は、高温セルにおける水素の膨張を通して生成される電力が低温セルのそれよりも高いことを意味する。高温セルによる電力出力（Ｉで乗じられるＶＨＴ）は、低温セルにおける圧縮プロセスを駆動すること（Ｉによって乗じられるＶＬＴ）、及び、外部負荷へ正味の電力出力を供給すること（（ＶＨＴ−ＶＬＴ）＊Ｉ）に十分である。水素は、機関内部を連続的に循環し、消費されない。
理想的には、熱源及びヒートシンクは、ほぼ一定温度の膨張及び圧縮それぞれを達成するための十分な伝熱を有する、高温及び低温電気化学セルに、それぞれ結合される。ほぼ一定温度の圧縮及び膨張は、その伝達を促進することによって高温スタックを離れる流体から、高温スタックへ流れる流体へと、熱を取り戻すための、高温及び低温スタック間に復熱式熱交換器を結合することと組み合わされて、機関が、熱力学のエリクソンサイクルに近づくことを可能にする。膨張及び圧縮温度がほぼ一定で維持されない最適未満の動作が有用であり得る。有用な圧縮温度及び有用な膨張温度が採用され得、ここで、平均膨張温度は、平均圧縮温度よりも大きく、圧縮電圧よりも高い正味の平均膨張電圧、それによって正味の正の電力出力をもたらす。
さらに、熱から電気を生成するのに利用可能な様々な技術によって、異なるエネルギー要求プロファイルに一致するための手段としてコスト効率の高いエネルギー貯蔵に関する必要性が残っている。バッテリーは、典型的には、電力生成プロファイルを要求プロファイルに一致させるために用いられる。バッテリーでは、化学エネルギーが、電気エネルギーに変換され、逆もまたしかり（ｖｉｓａ−ｖｅｒｓａ）である。例えば、既知の電気化学セル又はバッテリーは、酸化される反応物の電子及びイオンが個別の経路を介して還元される反応物へ伝わる化学反応に頼る。具体的には、電子は、それらが仕事を実施する外部負荷を通る配線を介して電気的に伝えられ、イオンは、電解質セパレータを通って伝導される。バッテリータイプの電気化学セルは、電力システムへかなりのコストを追加する。それらは典型的には、固有の安全性及び信頼性問題のため、セルサイズに拘束される。リチウムイオンバッテリーは、特に、引火する、さらに爆発するというよく確立された評判を有する。それらは、その中で含まれ得る利用可能な反応物の量を考えてバッテリーケーシングの制約によって制限されるエネルギーの量を貯蔵し得る。小さなセルの非常に大きなパックは、発電システムの貯蔵容量要件を満たすために必要とされる。パックは典型的には、信頼性及び安全性に関する特定のバッテリー動作温度を維持するための環境制御システムを要求する。このような制御システムは追加コストを加える。
可逆の燃料電池が、バッテリータイプの電気化学セルに関連した問題を克服するために発展されてきた。従来の燃料電池では、化学反応物は連続的に、電気化学セルへ供給され、そこから除去される。バッテリーと同様のやり方で、燃料電池は、電子及び非イオン化種の通路を一般的にふさぐ選択的電解質を通ってイオン化種を伝導することによって電気を生成する。
最も一般的なタイプの燃料電池は、水素を電極の内の一つを通し、酸素を他の電極に通す水素−酸素燃料電池である。水素イオンは、水素及び酸素の化学反応ポテンシャル下でセルの酸素側へ電解質セパレータを通って伝導される。電解質セパレータのいずれの側上の多孔質電極は、外部回路を介して外部負荷へ化学反応に含まれる電子を結合するために用いられる。電子及び水素イオンは、水素を再構成し、セルの酸素側上で酸素との反応を完了し、システムから放出される水の生成をもたらす。連続的電流が、セルへの水素及び酸素の連続的供給によって維持される。
これらのセルは、逆に動作し得て、酸素電極へ水を供給することによってエネルギーを貯蔵する。電力は、逆反応において水を電解するためにセルへ印加され、水素及び酸素を生成する。しかしながら、このようなセルの動作に関連した多数の困難な液体及び気体管理問題が存在する。従来の燃料電池用途におけるＭＥＡスタックは、電極の内の少なくとも一つにおいて二方向の流れを必要とする。例えば、水素−酸素燃料電池のカソード側内への酸素流れは、水素−酸素反応生成物、つまり水が出ることと同じ時間に維持されなくてはならない。このように、燃料及び酸化剤／反応生成物に関する大流量断面積は、燃料電池に関する従来のＭＥＡスタックの設計の固有の特徴でなくてはならない。酸素電極内の反応物の欠損によるセル洪水及び分極損失は、よく確立された問題である。
さらに、燃料電池環境は、非常に腐食性であり、典型的には、特に酸素電極で、高価な貴金属触媒（通常は白金）の使用を必要とする。さらに大きな問題は、酸素電極に関する０．４Ｖの活性化エネルギー要件に関連する。水素−酸素燃料電池の電気化学ポテンシャルは、１．２ボルトである。酸素電極の活性化電圧要件は、０．８ボルトのみの有効出力電圧をもたらす。他方では、セルを再充電又は再生するとき、１．６ボルトの電圧が、酸素活性化電圧に加えて反応ポテンシャルを克服するために必要とされる。１．６ボルトでの充電及び０．８ボルトでの放電は、最高でわずか５０％の正味のエネルギー貯蔵サイクル効率をもたらす。このようなセルは、充電及び放電エネルギーにおける差異が廃熱として消散するので、熱的制御システムに関する必要性によってさらに複雑にされる。
燃料電池の再生を直接的に駆動するための熱エネルギーの使用に向けた試みがなされてきた。Ｏｓｔｅｒｙｏｕｎｇは、この目的に向かって高価な研究を実施した（米国特許第５，２０８，１１２号明細書を参照）。しかしながら、熱的再生に向かった試みは、一般的に、非常に限定された成功を示してきた（Ｃｈｕｍ， Ｈｅｌｅｎａ Ｌ． ａｎｄ Ｏｓｔｅｒｙｏｕｎｇ， Ｒｏｂｅｒｔ Ａ．， Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ， Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ； Ｕ．Ｓ． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｔｒａｃｔ Ｎｏ． ＥＧ−７７ −Ｃ−０１−４０４２， Ｖｏｌ． １ ａｎｄ ２， Ｔａｓｋ Ｎｏ． ３３５６．１０ （Ａｕｇｕｓｔ １９８０）を参照）。
したがって、熱で動作し、且つ、その主要なエネルギー源プロファイルの制限に依存しない方法でエネルギー要求プロファイルに効果的に対応し得る、実用的な、コスト効率の高い電力源に関する必要性が残る。
本発明は、基本的なＪＴＥＣの上に基づき、変換器の高圧及び低圧側上にかなりの量の作動流体を貯蔵するためのメカニズムを組み込む。一実施形態では、本発明は、エネルギー変換器の不可欠の特徴として熱エネルギーを貯蔵するためのＪＴＥＣの能力も含む。本発明は、他のアプローチを用いて経験されるエネルギー貯蔵問題を大幅に簡素化する。なぜなら、それは、バッテリー等の、電気エネルギー貯蔵媒体によって含まれる電子機器及び制御要件に関連した多くの複雑性を除外するからである。特にバッテリーに関する、電気の充放電制御、環境モニタリング及びコンディショニングシステム及びＡＣインバーター等の付随的メンテナンス要件が避けられる一方で、同時に、変換器の固体状態の性質を維持する。
一実施形態では、本発明は、主要な熱エネルギー源；作動流体；第１の多孔質電極、第２の多孔質電極及び少なくとも一つの膜を含む少なくとも一つの膜電極接合体を含む電気化学セルであって、少なくとも一つの膜が、第１の多孔質電極と第２の多孔質電極との間に挟まれ、作動流体のイオンの伝導体である、電気化学セル；エネルギー貯蔵容器；並びに、外部負荷、を含む電気化学的直接熱−電気変換器に関する。電気化学セルは、熱で動作して電気を生成する。主要な熱エネルギー源から利用可能な熱エネルギーが外部負荷の要求を満たすために必要以上に大きいとき、過剰エネルギーはエネルギー貯蔵容器に貯蔵され、主要な熱エネルギー源から利用可能な熱エネルギーが外部負荷の要求を満たすのに不十分であるとき、エネルギー貯蔵容器に貯蔵された過剰エネルギーの少なくとも一部が、外部負荷へ電力を供給するために用いられる。
他の一つの実施形態では、本発明は、作動流体；第１の多孔質電極、第２の多孔質電極及び少なくとも一つの膜を含む少なくとも一つの膜電極接合体であって、少なくとも一つの膜が第１の多孔質電極と第２の多孔質電極との間に挟まれ、少なくとも一つの膜が作動流体のイオンの伝導体である、膜電極接合体；第１の圧力で作動流体を含む第１の導管、及び、第１の圧力よりも低い第２の圧力で作動流体を含む第２の導管であって、第１導管が第１の多孔質電極に結合される高圧導管であり、第２の導管が第２の多孔質電極に結合される低圧導管であり；変換器が高圧導管から低圧導管への膜電極接合体を通る水素の膨張によって電気を生成する、第１の導管及び第２の導管；少なくとも一つの膜電極接合体に結合される主要な熱エネルギー源；外部負荷；並びに、エネルギー貯蔵容器、を含む電気化学的直接熱−電気変換器に関する。主要な熱エネルギー源から利用可能な熱エネルギーが外部負荷の要求を満たすために必要以上に大きいとき、過剰エネルギーはエネルギー貯蔵容器に貯蔵され、主要な熱エネルギー源から利用可能な熱エネルギーが外部負荷の要求を満たすのに不十分であるとき、エネルギー貯蔵容器に貯蔵された過剰エネルギーの少なくとも一部が、外部負荷へ電力を供給するために用いられる。
さらに他の一つの実施形態では、本発明は、作動流体；高圧多孔質電極、低圧多孔質電極及び少なくとも一つの膜を含む第１の膜電極接合体であって、少なくとも一つの膜が、第１の多孔質電極と第２の多孔質電極との間に挟まれ、作動流体のイオンの伝導体である、第１の膜電極接合体；第１の圧力で作動流体を含む第１の導管、及び、第１の圧力より低い第２の圧力で作動流体を含む第２の導管であって、第１の導管が、高圧多孔質電極に結合される高圧導管であり、第２の導管が、低圧多孔質電極に結合される低圧導管である、第１の導管及び第２の導管；高圧導管に結合される高圧作動流体貯蔵容器；低圧導管に結合される低圧作動流体貯蔵容器；並びに、コントローラ、を含む電気化学的直接熱−電気変換器に関する。電気化学的変換器は、電力が第１の膜電極接合体から抽出されるときに高圧から低圧へ膜電極接合体を通って作動流体が膨張するときに、電気エネルギーを生成し、電気化学的変換器は、電力がコントローラによって第１の膜電極接合体へ供給されるときに低圧から高圧へ第１の膜電極接合体を通って圧縮作動流体が圧縮されるときに、電気エネルギーを貯蔵する。
さらなる実施形態では、本発明は、作動流体；第１の多孔質電極、第２の多孔質電極及び少なくとも一つの膜を含む少なくとも一つの膜電極接合体であって、少なくとも一つの膜が作動流体のイオンの伝導体である、少なくとも一つの膜電極接合体；第１の圧力で作動流体を含む第１の導管、及び、第１の圧力よりも低い第２の圧力で作動流体を含む第２の導管であって、第１の導管が、第１の多孔質電極に結合される高圧導管であり、第２の導管が、第２の多孔質電極に結合される低圧導管である、第１の導管及び第２の導管；並びに、エネルギー貯蔵のための高圧作動流体貯蔵容器及び低圧作動流体貯蔵容器、を含む電気化学的直接熱−電気変換器に関する。変換器は、低圧作動流体貯蔵容器から高圧作動流体貯蔵容器へ作動流体をくみ上げることによって加圧作動流体としてエネルギーを貯蔵し、変換器は、高圧作動流体貯蔵容器から低圧作動流体貯蔵容器へ作動流体を膨張して戻すことによって加圧作動流体からエネルギーを抽出することによって必要に応じて、貯蔵されたエネルギーを電気エネルギーに変換する。
本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明は、添付の図面とともに読むときに、より良く理解されるであろう。本発明を示す目的のために、現在好ましい実施形態が図面に示される。しかしながら、本発明は、示された正確な配置及び手段に限定されないことが理解される。
本発明の実施形態に従って、復熱式（ｒｅｃｕｐｅｒａｔｉｖｅ）熱交換器によって連続して接続される２つのＭＥＡを含み、且つ、高圧及び低圧でイオン化可能な作動流体を貯蔵するための容器を有する、ＪＴＥＣの図であり、ＪＴＥＣは、主要なソースからの熱で動作して、電力を生成し、圧縮作動流体としてエネルギーを貯蔵する。 本発明の実施形態に従って、復熱式熱交換器によって連続して接続される２つのＭＥＡを含み、且つ、高圧及び低圧でイオン化可能な作動流体を貯蔵するための容器を有するＪＴＥＣの図であり、ＪＴＥＣは、圧縮作動流体の形で貯蔵されるエネルギーから電力を生成するために動作している。 本発明の実施形態によるＪＴＥＣの電気回路図である。 エリクソン熱力学サイクル上で動作する理想的熱機関に関する温度エントロピー図を示す。 選択された温度でのＨｙｓｔｏｒ２０７に関する濃度比に対する水素圧力プラトーのプロットを示すグラフである。 選択された金属水素化物、ＴｉＣｏ，Ｐｄ０．７Ａｇ０．３及びＭｍＮｉ３Ｃｏ２に関する、温度に対する金属水素化物プラトー中間点圧力データを示すグラフである。 温度に対する水素圧力プラトーのプロットを示すグラフである。 連続して結合した２つのＭＥＡを含み、且つ、高圧及び低圧金属水素化物貯蔵媒体を用いて水素を貯蔵するための能力を有する、ＪＴＥＣの概略図であり、高圧及び低圧貯蔵媒体は、本発明の実施形態に従って互いに熱的に結合され、ＪＴＥＣは、主要なソースからの熱で動作しており、電力を生成し、金属水素化物を用いて圧縮作動流体としてエネルギーを貯蔵する。 連続して結合した２つのＭＥＡを含み、且つ、高圧及び低圧金属水素化物貯蔵媒体を用いて水素を貯蔵するための能力を有する、ＪＴＥＣの概略図であり、高圧及び低圧貯蔵媒体は、本発明の実施形態に従って互いに熱的に結合され、ＪＴＥＣは、金属水素化物を用いて圧縮作動流体の形で貯蔵されたエネルギーから電力を生成するように動作している。 本発明の実施形態に従って熱エネルギーを貯蔵するためのヒートシンク／ソース材料を含むＪＴＥＣの概略図であり、ＪＴＥＣは、主要なソースからの熱で動作しており、電力を生成して、圧縮作動流体及び熱としてエネルギーを貯蔵する。 本発明の実施形態に従って熱エネルギーを貯蔵するためのヒートシンク／ソース材料を含むＪＴＥＣの概略図であり、ＪＴＥＣは、圧縮作動流体及び熱の形で貯蔵されるエネルギーから電力を生成するように動作している。 本発明の実施形態に従ったＪＴＥＣの動作図であり、ＪＴＥＣは、主要なソースからの熱で動作しており、電力を生成して、圧縮作動流体及び熱としてエネルギーを貯蔵する。 本発明の実施形態に従ったＪＴＥＣの作動図であり、ＪＴＥＣは、圧縮作動流体及び熱の形で貯蔵されるエネルギーから電力を生成するように動作している。 本発明の実施形態に従った、太陽エネルギー変換及び貯蔵及び貯蔵のために採用されるＪＴＥＣの概略図である。 本発明の実施形態に従う、太陽熱入力上で動作する“理想的な”エネルギー貯蔵及び伝熱条件を備える８０％カルノー効率ＪＴＥＣ変換システムのエネルギーバランス図である。 本発明の実施形態に従う、貯蔵された熱上で動作してする“理想的な”エネルギー貯蔵及び伝熱条件を備える８０％カルノー効率ＪＴＥＣ変換システムのエネルギーバランス図である。 ＪＴＥＣの動作図であり、水素容器は、本発明の実施形態に従って、それぞれ、低温ＭＥＡ及び高温ＭＥＡでＪＴＥＣそれ自身の水素流チャネルの内部に配され、ＪＴＥＣは、主要なソースからの熱で動作しており、電力を生成して、圧縮作動流体及び熱としてエネルギーを貯蔵する。 ＪＴＥＣの動作図であり、水素容器は、本発明の実施形態に従って、それぞれ、低温ＭＥＡ及び高温ＭＥＡでＪＴＥＣそれ自身の水素流チャネルの内部に配され、ＪＴＥＣは、圧縮作動流体及び熱の形で貯蔵されるエネルギーから電力を生成するように動作している。
特定の用語は、利便性のために以下の説明において用いられ、限定的なものではない。“近位”、“遠位”、“上向き”、“下向き”、“底部”及び“上部”との単語は、参照がなされる図面における方向を指定する。“内側に”及び“外側に”との単語は、本発明に従って、装置の幾何学的中心、及びその指定された部分に向かう、及びそれらから離れる方向をそれぞれ指す。本明細書で具体的に明記しない限り、“ａ”、“ａｎ”及び“ｔｈｅ”との用語は、一つの構成要素に限定されず、代わりに、“少なくとも一つ”を意味するとして読まれるべきである。用語は、上述の単語、その派生、及び同様の意味の単語を含む。
“第１の”、“第２の”及び同様のもの等の用語は、明確性の目的のためのみに提供されることも理解されるであろう。これらの用語によって識別される構成要素又は成分、及びそれらの動作は、容易に切り替えられ得る。
一実施形態では、本発明は、主要な熱エネルギー源；作動流体；第１の多孔質電極、第２の多孔質電極及び少なくとも一つの膜を含む少なくとも一つの膜電極接合体を含む電気化学セルであって、少なくとも一つの膜が、第１の多孔質電極と第２の多孔質電極との間に挟まれ、作動流体のイオンの伝導体である、電気化学セル；エネルギー貯蔵容器；並びに、外部負荷、を含む電気化学的直接熱−電気変換器に関する。電気化学セルは、熱で動作して電気を生成する。主要な熱エネルギー源から利用可能な熱エネルギーが外部負荷の要求を満たすために必要以上に大きいとき、過剰エネルギーはエネルギー貯蔵容器に貯蔵され、主要な熱エネルギー源から利用可能な熱エネルギーが外部負荷の要求を満たすのに不十分であるとき、エネルギー貯蔵容器に貯蔵された過剰エネルギーの少なくとも一部が、外部負荷へ電力を供給するために用いられる。
他の一つの実施形態では、本発明は、作動流体；第１の多孔質電極、第２の多孔質電極及び少なくとも一つの膜を含む少なくとも一つの膜電極接合体であって、少なくとも一つの膜が第１の多孔質電極と第２の多孔質電極との間に挟まれ、少なくとも一つの膜が作動流体のイオンの伝導体である、膜電極接合体；第１の圧力で作動流体を含む第１の導管、及び、第１の圧力よりも低い第２の圧力で作動流体を含む第２の導管であって、第１導管が第１の多孔質電極に結合される高圧導管であり、第２の導管が第２の多孔質電極に結合される低圧導管であり；変換器が高圧導管から低圧導管への膜電極接合体を通る水素の膨張によって電気を生成する、第１の導管及び第２の導管；少なくとも一つの膜電極接合体に結合される主要な熱エネルギー源；外部負荷；並びに、エネルギー貯蔵容器、を含む電気化学的直接熱−電気変換器に関する。主要な熱エネルギー源から利用可能な熱エネルギーが外部負荷の要求を満たすために必要以上に大きいとき、過剰エネルギーはエネルギー貯蔵容器に貯蔵され、主要な熱エネルギー源から利用可能な熱エネルギーが外部負荷の要求を満たすのに不十分であるとき、エネルギー貯蔵容器に貯蔵された過剰エネルギーの少なくとも一部が、外部負荷へ電力を供給するために用いられる。
好ましい実施形態では、エネルギー貯蔵容器は熱貯蔵容器であり、膜電極接合体は、熱貯蔵容器に熱的に結合され、熱がそれを通る作動流体の膨張によって容器から膜電極接合体へ供給されるときに電力を生成する。主要な熱エネルギー源から利用可能な熱が外部負荷の要求を満たすために必要以上に大きいとき、熱は熱貯蔵容器に貯蔵され、主要な熱エネルギー源から利用可能な熱が外部負荷の要求を満たすのに不十分であるとき、熱貯蔵容器に貯蔵された熱の少なくとも一部が、その中で外部負荷へ供給される電力を生成するために用いられる。
金属水素化物材料からの水素脱着の潜熱として熱エネルギーを貯蔵することは、熱貯蔵容器に関する本発明の範疇内である。
さらなる実施形態では、本発明は、作動流体；高圧多孔質電極、低圧多孔質電極及び少なくとも一つの膜を含む第１の膜電極接合体であって、少なくとも一つの膜が、第１の多孔質電極と第２の多孔質電極との間に挟まれ、作動流体のイオンの伝導体である、第１の膜電極接合体；第１の圧力で作動流体を含む第１の導管、及び、第１の圧力より低い第２の圧力で作動流体を含む第２の導管であって、第１の導管が、高圧多孔質電極に結合される高圧導管であり、第２の導管が、低圧多孔質電極に結合される低圧導管である、第１の導管及び第２の導管；高圧導管に結合される高圧作動流体貯蔵容器；低圧導管に結合される低圧作動流体貯蔵容器；並びに、コントローラ、を含む電気化学的直接熱−電気変換器を含む。電気化学的変換器は、電力が第１の膜電極接合体から抽出されるときに高圧から低圧へ膜電極接合体を通って作動流体が膨張するときに、電気エネルギーを生成し、電気化学的変換器は、電力がコントローラによって第１の膜電極接合体へ供給されるときに低圧から高圧へ第１の膜電極接合体を通って圧縮作動流体が圧縮されるときに、電気エネルギーを貯蔵する。
好ましい実施形態では、作動流体は水素であり、変換器は、高圧導管に結合される高圧金属水素化物水素貯蔵容器、及び低圧導管に結合される低圧金属水素化物水素貯蔵容器をさらに含む。
また、第１のヒートシンクと、低圧金属水素化物水素貯蔵容器に結合される第１の熱源と、第２のヒートシンクと、高圧金属水素化物水素貯蔵容器に結合される第２の熱源とを含むことは、変換器に関する本発明の範疇内である。第１の熱源は、低い金属水素化物貯蔵容器による水素の脱着の間に低圧金属水素化物貯蔵容器へ脱着の熱を提供し、第１のヒートシンクは、水素の吸収の間に吸収の熱を除去し、第２の熱源は、高圧金属水素化物貯蔵容器による水素の脱着の間に高圧金属水素化物貯蔵容器へ脱着の熱を供給し、第２のヒートシンクは、水素の吸収の間に吸収の熱を除去する。
変換器はまた、第１の膜電極接合体に結合される主要な熱源及び主要なシンクを含み得る。主要なヒートシンクは、第１の膜電極接合体から熱を除去して、圧縮の有用な温度を維持し、主要な熱源は、水素膨張の間に膜電極接合体に熱を供給して、膨張の有用な温度を維持する。
好ましい実施形態では、交換器は、高圧多孔質電極、低圧多孔質電極、及び、作動流体のイオンの伝導体である少なくとも一つの膜を含む第２の膜電極接合体をさらに含む。高圧導管は、第２の膜電極接合体の高圧多孔質電極に結合され、低圧導管は、第２の膜電極接合体の低圧多孔質電極に結合される。このような実施形態では、主要なヒートシンクは、第１の膜電極接合体に結合され、第２の膜電極接合体から熱を除去して圧縮の比較的一定温度を維持し、主要な熱源は、第２の膜電極接合体に結合され、水素膨張の間に第２の膜電極接合体へ熱を供給して膨張の有用な温度を維持する。第２の膜電極接合体は、電力が第２の膜電極接合体から抽出されるときに高圧から低圧へ第２の膜電極接合体を通って作動流体が膨張するときに、電気エネルギーを生成し、第１の膜電極接合体は、電力が第１の膜電極接合体へ供給されるときに第１の膜電極接合体を通って低圧から高圧へ作動流体を圧縮する。
第１の金属水素化物貯蔵容器に関して、熱源からの熱入力によって第２の金属水素化物貯蔵容器の温度より上に上げられた所定の温度であることは、本発明の範疇内である；第１の金属水素化物貯蔵容器の水素圧力は、第２の金属水素化物貯蔵容器の水素圧力を超える。
第２の金属水素化物貯蔵容器の水素圧力に関して、ヒートシンクへの熱出力によって第１の金属水素化物貯蔵容器の温度よりも下の温度で第１の金属水素化物貯蔵容器の水素圧力よりも低くなるように維持されることもまた本発明の範疇内である。
一実施形態では、熱エネルギー貯蔵容器に貯蔵される熱エネルギーは、所定の高温で第１の金属水素化物貯蔵容器によって解放され、より低い温度の第２の金属水素化物貯蔵容器へ移動し、ヒートシンクに廃棄される吸収のその熱と共にその中で金属水素化物材料によって吸収される。
熱源から利用可能な熱エネルギーが外部負荷の要求を満たすのに不十分であり、第１の金属水素化物貯蔵容器の温度が、第１の金属水素化物貯蔵容器の水素圧力が第２の金属水素化物貯蔵容器の水素圧力より下であるレベルであるとき、熱は、水素が第２の金属水素化物貯蔵容器によって解放されるときに、脱着の潜熱としてヒートシンクから抽出され、第１の金属水素化物貯蔵容器へ移動し、変換器に廃棄される吸収のその熱と共にその中で金属水素化物材料によって吸収される。
さらなる実施形態では、本発明は、作動流体；第１の多孔質電極、第２の多孔質電極及び少なくとも一つの膜を含む少なくとも一つの膜電極接合体であって、少なくとも一つの膜が作動流体のイオンの伝導体である、少なくとも一つの膜電極接合体；第１の圧力で作動流体を含む第１の導管、及び、第１の圧力よりも低い第２の圧力で作動流体を含む第２の導管であって、第１の導管が、第１の多孔質電極に結合される高圧導管であり、第２の導管が、第２の多孔質電極に結合される低圧導管である、第１の導管及び第２の導管；並びに、エネルギー貯蔵のための高圧作動流体貯蔵容器及び低圧作動流体貯蔵容器、を含む電気化学的直接熱−電気変換器に関する。変換器は、低圧作動流体貯蔵容器から高圧作動流体貯蔵容器へ作動流体をくみ上げることによって加圧作動流体としてエネルギーを貯蔵し、変換器は、高圧作動流体貯蔵容器から低圧作動流体貯蔵容器へ作動流体を膨張して戻すことによって加圧作動流体からエネルギーを抽出することによって必要に応じて、貯蔵されたエネルギーを電気エネルギーに変換する。
好ましい実施形態では、作動流体は水素であり、高圧及び低圧作動流体貯蔵容器は、互いに熱的に結合され得、水素貯蔵のための高圧及び低圧金属水素化物材料を含む。
変換器はまた、外部負荷、並びに、熱源から利用可能な熱エネルギーが外部負荷の要求を満たすのに不十分であるときに発電のためのエネルギー源としての使用のための第１及び第２の熱エネルギー貯蔵容器を含み得る。第１及び第２の熱貯蔵容器の内の１つは高圧作動流体貯蔵容器に結合され、第１及び第２の熱貯蔵容器の内の２つ目は低圧作動流体貯蔵容器に結合され、第１及び第２の熱貯蔵容器は、作動流体が高圧及び低圧作動流体貯蔵容器に圧縮される又はそこから膨張されるときに、高圧及び低圧作動流体貯蔵容器の温度変化を最小にするために必要に応じて熱エネルギーを貯蔵し、解放する。主要な熱エネルギー源から利用可能な熱エネルギーが外部負荷の要求を満たすために必要以上に大きいとき、過剰エネルギーは、エネルギー貯蔵容器の内の少なくとも一つに貯蔵され、主要な熱エネルギー源から利用可能な熱エネルギーが外部負荷の要求を満たすのに不十分であるとき、エネルギー貯蔵容器の内の少なくとも一つに貯蔵される過剰エネルギーの少なくとも一部は、外部負荷に電力を供給するために用いられる。
詳細に図面を参照すると、同様の符号はいくつかの図面のいたるところで同様の構成要素を示し、図１から１８は、エネルギー貯蔵能力を有するＪＴＥＣの好ましい実施形態を示す。“電気化学セル”、“膜電極接合体セル”、“ＭＥＡセル”、“セル”及びスタックとの用語は、本明細書で交換可能に用いられ、スタックは、個別のセルのグループ又はアレイを指す。
本発明では、従来のＪＴＥＣにおけるように、動作の間に、熱が、高温で主要なソースから供給される。電力は、熱源に熱的に結合されるＭＥＡを通して膨張する作動流体によって生成される。膨張の間に生成される電力の量は、低温ＭＥＡによって作動流体の圧縮に電力を供給するのに、及び外部負荷へ電力を供給するのに十分である。従来技術に従うＪＴＥＣでは、低温ＭＥＡは、高温ＭＥＡにわたる進行中の膨張を維持するのに必要とされる作動流体の量を圧縮するために十分な電力のみを消費するであろう。しかしながら、本発明の一つの可能な実施形態では、外部負荷によって用いられない電力は、低温ＭＥＡによって用いられて、高温ＭＥＡにわたる進行中の膨張を維持するために必要とされるものを超過する高圧側へ、機関の低圧側からある量の作動流体を圧縮する。生成されたエネルギーを超える正味の効果は、機関の高圧側上で高圧作動流体として貯蔵される。
機関の主要な熱源からの熱入力から生成される電力が負荷要求を満たすのに不十分であるときの期間の間、低温ＭＥＡの圧縮動作は終了され得る。この条件下では、高圧側上に貯蔵される高圧作動流体が、継続的な電力要求が満たされ得るように電力を生成するための手段として高温ＭＥＡ又は低温ＭＥＡのいずれかを通って膨張することが許可されるとき、機関の動作は継続し得る。
本発明の一実施形態は、作動流体としての水素の使用に関し、金属水素化物材料は、機関の高圧及び低圧側上で水素貯蔵のために採用される。好ましい実施形態では、水素が２つの貯蔵容器の間で行ったり来たり動かされ、一つの容器によって解放される吸収の熱が、他の容器に結合され、脱着の熱として採用されるように、高圧及び低圧水素貯蔵容器は互いに熱的に結合される。
本発明の他の一つの実施形態によると、本システムは、高温熱源に結合される熱貯蔵媒体又は容器を含み得、熱がソースから利用可能であるときに、熱エネルギーは、主要な熱源がない場合に作動流体の膨張の間に高温を維持することにおける後続の使用のために、吸収され得て貯蔵され得る。
一実施形態では、高圧チャネルのセクション、及び低圧チャネルのセクションは、好ましくは、復熱式熱交換器の形で互いに物理的に結合されて、高温ＭＥＡスタックへ流れる作動流体へそれを結合することによって高温ＭＥＡスタックを離れる作動流体から熱を取り戻す。もし高温及び低温電気化学セルに結合されるヒートシンク及び熱源と組み合わされるこのような復熱式熱交換器（つまり、ＭＥＡスタック）が、ほぼ一定温度の膨張及び圧縮プロセスに関して十分な伝熱が可能であるならば、それによって、機関はエリクソン熱力学サイクルに近づくことが可能である。
ＭＥＡスタックが熱ポンプ用途の一部として動作する他の一つの実施形態では、第１のＭＥＡスタックは好ましくは、低下した温度である熱源に結合され、第２のＭＥＡスタックは好ましくは、第１のＭＥＡスタックの熱源と比較して高温であるヒートシンクに結合される。作動流体は、膨張の熱が低温熱源から抽出されるときに、第１のＭＥＡスタックにおいて低温で膨張される。作動流体は、第２のＭＥＡスタックにおいて高温で圧縮され、圧縮の熱は、高温で排除される。第１のＭＥＡスタックの低温のため、第１のＭＥＡスタックは、高温ＭＥＡスタックのものよりも小さいネルンスト電圧を生成する。高温ＭＥＡスタックのネルンストポテンシャルを超えるのに十分に高い組み合わされた電圧を提供し、それによってその中で圧縮プロセスを駆動するために、外部電源は、低温ＭＥＡスタックと直列に接続される。電力が利用可能でないときの期間の間、作動流体の膨張及び熱の抽出はそれによって、機関の高圧側から低圧側へ低温ＭＥＡを通り圧縮作動流体の継続された膨張によって維持され得る。
図１を参照すると、直接熱−電気変換器又は熱機関、より具体的には、本発明の好ましい実施形態に従うエネルギー貯蔵能力を有するＪＴＥＣが示される。ＪＴＥＣの構造は、熱交換器３２、第１のＭＥＡセル５及び第２のＭＥＡセル６を含む。電極２０及び２４は、第１のＭＥＡセル５を形成するために膜２３の反対側上に構成され、電極１６及び２２は第２のＭＥＡセル６を形成するために膜２５を挟む。膜２３及び２５は、イオン伝導性膜、好ましくはプロトン伝導性膜であり、およそ０．１μｍから５００μｍのオーダー、より好ましくはおよそ１μｍと５００μｍとの間の厚さを有する。より具体的には、膜２３及び２５は、好ましくは、プロトン伝導性材料、より好ましくはポリマー又はセラミックのプロトン伝導性材料から作製される。
ＪＴＥＣ装置は、クローズドシステムである。そのため、プロトン伝導性膜は、水蒸気及び炭化水素改質副生成物へさらされない。純粋水素作業環境は、燃料電池に関して実行可能でない、低コスト、高性能膜材料の使用を可能にする。特に、異原子価ＢａＣｅＯ３（ＢＣｓ）は、高いプロトン伝導性（７００℃で〜１０−２Ｓｃｍ−１）を示してきた。しかしながら、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２等の、ＳＯＦＣ副生成物への、材料の不十分な化学的安定性は、プロトン導電性ＳＯＦＣｓに関して考慮されることからそれらを制限した。これらの、より高い伝導性レベルを達成するためのＢＣｓの使用は、ＪＴＥＣに関して実用的である。なぜなら、それは純粋な水素を用いるからである。
一実施形態では、膜２３及び２５は、好ましくは、リン酸ドープされたポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ， Ｉｎｃ．； ９８００−Ｄ Ｓｏｕｔｈｅｒｎ Ｐｉｎｅ Ｂｏｕｌｅｖａｒｄ； Ｃｈａｒｌｏｔｔｅ， ＮＣ ２８２７３； Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ）である。低温ＭＥＡスタックを対象とするリン酸ドープされたＰＢＩ材料は、室温で０．０１Ｓ／ｃｍの伝導性を有することが測定されており、Ｘａｉｏによって２００℃で０．２６Ｓ／ｃｍまでに達した。この材料は、広い温度範囲にわたって高いプロトン伝導性を示す。しかしながら、ある温度範囲にわたってプロトン伝導性を示す任意の材料、好ましくは任意のポリマー、セラミック又は他の材料が膜２３及び２５を形成するために用いられ得ることが当業者によって理解されるであろう。選択された膜材料２３及び２５は、好ましくは、分子の作動流体流れへ高い障壁を形成し、作動流体の効果的な閉じ込めを提供する。
電極１６、２０、２２及び２４は、好ましくは、およそ１０μｍから１ｃｍ、より好ましくはおよそ５０μｍから１，０００μｍのオーダー上の厚さを有する薄い電極である。互いに顕著に異なる材料で作製される電極及び膜の使用は、材料間の熱膨張係数における差異に起因した非常に高い熱応力をもたらし得る。したがって、電極２０及び２４は、好ましくは、膜２３と同じ材料を含む又は同じ材料で形成され、電極１６及び２２は、好ましくは、膜２５と同じ材料を含む又は同じ材料で形成される。しかしながら、電極は、好ましくは、多孔質であり、触媒材料及び電子伝導性材料によってシードされ、一方で、膜は、好ましくは、非多孔質の純粋なイオン伝導性材料である。同様の基本的な材料組成が、バルク膜として電極に関して好ましくは用いられるので、そうでなければ多くの最終用途適用の間に遭遇する極端な温度下で生じるであろう高い熱応力は、除外される又は少なくとも減少される。しかしながら、第１及び第２のＭＥＡセル５及び６は、それらが、個別のＭＥＡセルの意図された設計動作温度に応じて、異なるイオン伝導性材料を用いて形成され得ることにおいて、互いに異なり得ることが理解されるであろう。
ＭＥＡの長さ３３は、好ましくは、およそ０．２５ｃｍと１０ｃｍとの間である。ＭＥＡの幅（図面内への深さ）は、好ましくは、およそ１ｃｍと１００ｃｍとの間である。しかしながら、ＭＥＡの寸法は、ＭＥＡが用いられることになる用途に応じて変動し得、適切に選択され得ることが当業者によって理解されるであろう。単一の低温ＭＥＡ及び単一の高温ＭＥＡが図面に示されるが、それらは代表的であることがさらに理解される。低温及び高温ＭＥＡは、実際は、所定の用途の要件を満たすのに必要とされる、適切な電気及び作動流体流れ導管相互接続を有する、スタック又はＭＥＡｓのアレイであり得る。
ＪＴＥＣは、少なくとも一つの低圧導管３６及び少なくとも一つの高圧導管３４を含む導管システムをさらに含む。イオン化可能なガス、好ましくは水素の供給は、作動流体として導管システム内に含まれる。高圧導管３４は、熱交換器３２を通って伸び、第１のＭＥＡセル５の高圧電極２４と第２のＭＥＡセル６の高圧電極１６との間で高圧作動流体流れ２６を結合する。同様に、低圧導管３６は、熱交換器３２を通って第２のＭＥＡセル６の低圧電極２２と第１のＭＥＡセル５の低圧電極２０との間で低圧作動流体流れ１２を結合する。向流熱交換器３２は、ＭＥＡ６を離れる高温、低圧作動流体から、ＭＥＡ５を離れる低温、高圧作動流体へ熱Ｑを伝える。このように、導管３４における高圧作動流体が、低圧３６においてＭＥＡ６を離れる作動流体のものと近い温度で高温ＭＥＡ６に入る。同様に、導管３６における低圧作動流体は、高圧導管３４においてＭＥＡ５を離れる作動流体のものと近い温度で低温ＭＥＡ５に入る。
低圧導管３６及び高圧導管３４は、ＪＴＥＣ機関の低圧及び高圧側を画定する。高圧側は、０．５ｐｓｉから３，０００ｐｓｉの圧力であり得る。好ましくは、高圧側は、およそ３００ｐｓｉ以上の圧力で維持される。ＪＴＥＣの低圧側は、０．０００１ｐｓｉから５ｐｓｉの圧力であり得る。好ましくは、ＭＥＡスタックの低圧側は、およそ０．１ｐｓｉの圧力で維持される。低圧側に対する高圧側の好ましい圧力比は、３，０００：１である。
３，０００：１の好ましい圧力比を用いて、ＭＥＡスタックが高温スタックであり、５２３Ｋの温度で動作すると、高温ＭＥＡスタックは、およそ１８０ｍＶのネルンスト電圧を有するであろう。他方では、３１８Ｋの比較的低温で第１のＭＥＡセル５の動作を維持する場合、低温ＭＥＡセル５は、およそ１１０ｍＶのネルンスト電圧を有するであろう。この場合、変換器の開回路電圧は、およそ７０ｍＶ（つまり、１８０ｍＶ−１１０ｍＶ）であろう。
プロトン伝導性ＭＥＡにわたる水素圧力差に起因した電位は、圧力比の自然対数に比例し、ネルンスト式［１］によって予測される。
式１では、ＶＯＣは、開回路電圧であり、Ｒは、一般気体定数であり、Ｔは、セル温度であり、Ｆは、ファラデーの定数であり、ＰＨは、高圧側上の圧力であり、ＰＬは、低圧側上の圧力であり、圧力比は、ＰＨ／ＰＬである。
図３は、ＪＴＥＣを代表する電気回路図である。各ＭＥＡスタック５、６は、電源及び内部インピーダンスとして表される。より大きい電圧が電流の流れの方向及び電圧における差を決定し、総回路インピーダンスが電流の大きさを決定するように、回路は連続して電源に接続する。連続した接続は、水素が高電圧ＭＥＡスタック６において高圧から低圧へ膨張するときに、低電圧ＭＥＡスタック５を通る逆電流が水素を低圧から高圧へ送ることを強いる。ＲＬＴは、低温ＭＥＡの抵抗を示し、ＶＬＴは、低温ＭＥＡの電圧を示す。ＲＨＴは、高温ＭＥＡの抵抗を示し、ＶＨＴは、高温ＭＥＡの電圧を示す。Ｈ＋は、プロトン伝導を示し、ｅ−は、電子伝導を示す。Ｈ２は、水素流を示す。ＶＬＤは、負荷へ印加された電圧を示し、ＲＬＤは、負荷抵抗を示す。
図４は、エリクソン熱力学サイクルで動作する理想的熱機関に関する温度エントロピー図を示す。水素作動流体の熱力学的状態１から４は、図１、３及び４においてラベル付けされた各点と同一である。図１、３及び４における部分を識別する数は、各図面における同等の対応構成要素を指す。
図１、３及び４を参照すると、低温、低圧状態１で開始して、電気エネルギーが低温ＭＥＡへ供給されて、低圧状態１から高圧状態２へ水素をくみ上げる。水素の温度は、圧縮プロセスの間にプロトン伝導性膜から熱ＱＬを除去することによってほぼ一定に維持される。薄膜（好ましくは１００μｍ厚さ未満）は、大きな温度勾配を支持しないであろう。そのため、十分な熱が膜及びその基板へ伝えられる場合、プロセスに関してほぼ等温の仮定が妥当である。状態２から、水素は、復熱式、向流熱交換器を通り抜ける。それはおよそ一定圧力下で高温状態３へ加熱され、その後、高温ＭＥＡスタックへ流れる。状態２から３へ水素の温度を上昇するために必要とされる熱は、熱交換器において反対方向に流れる水素から伝えられる。高温ＭＥＡスタックで、電力は、水素が高圧状態３から低圧状態４へ膨張するときに生成される。熱ＱＨがＭＥＡスタックへ供給されて、水素が膨張するときにほぼ一定温度を維持する。状態４から状態１へ、水素は、状態２から３へ通る作動流体への伝熱によって一定圧力プロセスにおいてその温度が低下する復熱式熱交換器を通って流れる。サイクルは、水素が低圧から高圧へ低温ＭＥＡによってくみ上げられるときに継続する。
高温ＭＥＡスタック６によって生成される電圧は、水素圧縮のために低温ＭＥＡスタック５へ、くみ上げる電力を供給するのに、同様に、システムから正味の出力電力を提供するのに十分である。２つのスタック５、６の間の仕事関係は、本質的に、コンプレッサ及び機関の電力段のそれである。高温及び低温ＭＥＡスタック５、６は、ほぼ一定温度の膨張及び圧縮プロセスに近づくために、十分な伝熱を達成するように設計される。復熱式向流熱交換器３２の使用と結合されたこの特徴は、一定温度膨張３−４及び圧縮１−２プロセスと、一定圧力で温度における増加、２−３と、一定圧力での温度における減少４−１、プロセスによって特徴づけられるカルノー相当エリクソン熱力学サイクルに機関が近づくことを可能にする。図３及び４に示されるように、システムの正味の開回路電圧は、低温ＭＥＡスタック５の電圧より小さい高温ＭＥＡ電圧であり、カルノー相当エリクソン熱力学サイクルと一致する。スタック６内の作動流体膨張温度及びスタック５内の圧縮温度がほぼ一定に維持されない最適未満の動作が、有用であり得る。有用な圧縮温度及び有用な膨張温度が採用され得て、平均膨張温度は平均圧縮温度よりも大きく、圧縮電圧よりも高い正味の平均膨張電圧、それによって正味の正の電力出力をもたらす。
一実施形態では、図１−２に示されるように、ＪＴＥＣは、低圧導管３６に結合される低圧作動流体貯蔵容器２９、及び、高圧導管３４に結合される高圧作動貯蔵容器３１をさらに含む。
第２のＭＥＡセル６は、好ましくは、高温熱又は熱エネルギー源３８に結合され、第１のＭＥＡセル５は、好ましくは、第２のＭＥＡセル６及び熱源３８の高温より低い温度で動作するヒートシンク１５に結合される。このように、第２のＭＥＡセル６は高温ＭＥＡスタックであり、第１のＭＥＡセル５は低温ＭＥＡスタックである。低温ＭＥＡスタック５は、−５０℃から１，５００℃の範囲、好ましくはおよそ５５℃で動作し得る。しかしながら、低温ＭＥＡスタック５の動作温度は、周囲温度空気、水又はその環境における他の適切なヒートシンク等の、ヒートシンク１５によって、それからの有効な熱除去のための温度差を有するように十分に高くなくてはならない。高温ＭＥＡスタック６は、−５０℃から１，５００℃まで、好ましくはおよそ５５０℃の温度で動作し得る。カルノーから、熱機関生成電力に関して、２つのスタック間の温度差が大きいほど、機関の理論的変換効率が大きくなることが理解される。
さらに図１を参照すると、電力は、圧力によって作動流体が第２のＭＥＡセル６を通らされるときに、生成される。電力は、ＭＥＡセル６の内部インピーダンスに起因する電圧損失より小さいその温度及び印加された圧力差に基づいて、第２のＭＥＡセル６のネルンスト電圧で第２の端子３０へ供給される。圧力の力の下で、電子流３５は、イオン３７がイオン伝導性膜２５を通って伝導するとき、端子３０を通って伝導する。圧力下で、作動流体は、第２の高圧電極１６で酸化する。電子は、作動流体のイオンが矢印３７によって示されるようにイオン／プロトン伝導性膜２５に入り、それを通って流れるときに、電極１６へ解放される。端子３０へ戻る電子３５は、低圧電極２２に結合され、膜２５に存在するイオン／プロトンは、低圧側上で作動流体を再構成するために減少する。熱源３８は、連続的且つほぼ等温膨張プロセスを維持するために、第２のＭＥＡセル６に結合されて、作動流体へ膨張の熱を供給する。
第２のＭＥＡセル６によって生成される電力の一部は、端子３９への接続によって第１のＭＥＡセル５へ供給される。端子３９は、第１の高圧電極２４及び第１の低圧電極２０へ接続される。作動流体流れは、端子３９へ印加された電力下で強いられる電子流流れ４１が第１のＭＥＡセル５のイオン伝導性膜２３を通るイオン伝導性を誘起するときに、低圧から高圧へくみ上げられる。電力は、圧縮プロセスによって消費される。電圧は、その動作温度及び圧力差で第１のＭＥＡセル５によって生成されるネルンストポテンシャルを克服することによって電流流れを強いるのに十分なポテンシャルで第１の端子３９へ印加される。印加された電力は、作動電極２０と膜２３との界面で作動流体から電子をはぎ取る。結果として得られるイオンは、矢印４３によって示される方法においてイオン伝導性膜２３を通って伝導する。電子４１は、端子３９を介して高圧電極２４へ供給され、イオンが膜２３を出るときに高圧電極２４と膜２３との界面で作動流体を再構成する。印加電圧下でのこの電流流れは、実質的に、作動流体を低圧から高圧へくみ上げるために必要とされるくみ上げ電力を提供する。ヒートシンク１５は、ほぼ一定温度の連続的圧縮プロセスを維持するために、ＭＥＡセル５に結合され、結果として得られる圧縮の熱を除去する。
エネルギー貯蔵ＪＴＥＣは、コントローラ５０及び負荷５２、並びに、高圧作動流体容器３１及び低圧作動流体圧力容器２９をさらに含む。コントローラ５０は、負荷５２、低温ＭＥＡスタック５及び高温ＭＥＡスタック６に接続される。コントローラ５０は、作動流体の膨張によって高温ＭＥＡスタック６によって生成される電力を抽出するために動作する。コントローラは、それが高温ＭＥＡセル６への加圧作動流体の連続的供給を維持し得るように、低温ＭＥＡセル５へ電力を供給する。低温ＭＥＡセル５へ供給されない電力は、負荷要求を満たすために外部負荷５２へ供給される。高温ＭＥＡスタック６によって生成される電力が、負荷に電力を供給するため、及び、低温ＭＥＡセル５による作動流体の圧縮を維持するために必要とされるものを超過するとき、過剰電力は、超過量の作動流体の圧縮のために低温ＭＥＡセル５へ供給される。余剰電力は、矢印４２及び４０によって示されるように、追加の作動流体を低圧容器２９から高圧容器３１へくみ上げることによって圧縮作動流体として貯蔵される。作動流体流れ１０は、高温ＭＥＡスタック６からの低圧流れ１２及び容器２９から抽出される低圧作動流体を含む。同様に、高圧流れ１４は、高温ＭＥＡスタック６への高圧流れ及び容器３１への高圧流れを含む。
図２は、高温熱源が利用可能でないときのＪＴＥＣの動作を示す。この条件下では、負荷５２への電力の供給は、加圧作動流体として容器３１に貯蔵されるエネルギーを抽出するための第１のＭＥＡセル５を用いることによって維持される。矢印４０に示されるように、作動流体は、高圧容器３１を離れ、第１のＭＥＡセル５へ流れる。その後、作動流体は、電極２４に入り、第１のＭＥＡセル５を通り低圧導管３６へ膨張する。ＭＥＡ５内での比較的一定の膨張温度は、ソース２１によって供給される熱によって維持される。その後、作動流体は、矢印４２によって示されるように、低圧容器２９上へ流れる。貯蔵容器３１及び２９は、比較的安定な動作温度を維持するために矢印２７によって示されるように熱源ＱＡへの及び熱源ＱＡからの熱を熱的に結合するように構成されて、それら各々の高い及び低い動作圧力領域は、水素が容器を出る及び入るときに膨張及び圧縮するときに、維持され得る。ヒートシンク及びソースＱＡは、周囲環境等の単一のソースであり得る。
図１に示されるように、熱は、一定温度圧縮プロセスを維持するために、水素が第１のＭＥＡセル５によって圧縮されるときに、ヒートシンク１５へ伝えられる。他方では、図２に示されるように、熱は、比較的一定温度の膨張プロセスを維持するために、貯蔵された水素圧力エネルギー上に動作するときに第１のＭＥＡセル５を通って水素が膨張されるときに、第１のＭＥＡセル５へ伝えられる。
このように、ヒートシンク１５及び熱源２１は、周囲環境であり得る、個別のソース及びシンク、又は、単一のヒートシンク／ソースであり得る。このように動作することによって、ＪＴＥＣは、圧縮作動流体として、負荷によって所定の時間で必要とされるものを超過して生成されるエネルギーを貯蔵する。それは、必要に応じて、エネルギーを抽出し得、それによって、熱で動作し、且つ、その主要な熱エネルギー源プロファイルの制限に依存しない方法でエネルギー要求プロファイルに効果的に対応し得る、実用的な、コスト効率の高い電力源に関する必要性に対処する。
他の一つの実施形態では、貯蔵容器２９及び３１は、所定の圧力及び体積で貯蔵され得る水素の容量を改善するために内部に金属水素化物材料を有するように構成され得る。金属水素化物は、特定の圧力及び温度で水素ガスへさらされるときに水素ガスを吸収することができる金属物質である。金属水素化物の議論において用いられる用語はときどき紛らわしい。紛らわしさに関する主要な理由は、金属水素化物との用語が、水素を吸収する前及び吸収した後の両方の水素吸収性材料を指すために用いられ得ることである。したがって、本明細書での説明の目的のために、吸収前の材料は一般的に、“金属水素化物”又は“金属水素化物材料”、又は、単純に、“水素化物”と呼ばれるであろう。金属水素化物、又は金属水素化物材料が水素ガスを吸収した後、明確化のために、結果として得られる生成物はときどき、水素含有金属水素化物と本明細書で呼ばれる。“水素含有の”という形容詞は用いられず、文脈から水素吸収の状態又は条件が明確である。水素含有金属水素化物において、水素は金属水素化物の金属格子構造全体に分布する。金属水素化物材料は、典型的には、水素ガスによって接触される表面積を最大化する、破砕された構成又は他の構成において提供される。
理想的には、水素ガスの圧力が、平衡圧力より上へ上がる場合、そのとき水素は、金属水素化物内に吸収されるであろう。熱がプロセスの間に解放されることになるので、吸収は発熱である。安定な温度で継続的な水素吸収を支持するために金属水素化物から十分な熱が離れて伝わらない場合、そのとき温度は、新しい、より高い平衡圧力状態が達成される点へ増加することになり、吸収は停止するであろう。他方では、水素ガスの圧力が平衡圧力より下へ下がる場合、水素ガスは、水素含有金属水素化物材料から解放されるであろう。熱がプロセスの間に吸収されることになるので、脱着は吸熱である。安定な温度で継続的な水素脱着を支持するために金属水素化物へ十分な熱が伝わらない場合、そのとき温度は、新しい、より低い平衡圧力状態が達成される点へ減少することになり、脱着は停止するであろう。動作は、比較的安定な吸収及び脱着圧力が維持され得るように、吸収及び脱着の熱が容器の環境によって交換され得る。
ここで図５を参照すると、データプロットは、例の金属水素化物に関する水素含有量に対する圧力及び温度の関係性を示す。この特定のチャートは、化学式ＬａＮｉ４．７Ａｌ０．３を有するＨｙ−Ｓｔｏｒ（Ｒ）２０７として市販される金属水素化物に関するものである。製品は、Ｃ／Ｏ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Ｓｖｃ． Ｃｏｍｐａｎｙ， ２７１１ Ｃｅｎｔｅｒｖｉｌｌｅ， Ｒｏａｄ Ｓｕｉｔｅ ４００ Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ Ｄｅｌ． １９８０８に連絡先の住所を有するＨｅｒａ ＵＳＡ Ｉｎｃ． Ｄｅｌａｗａｒｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって販売され配布されると考えられる。Ｈ／Ｍ、ｘ軸に沿った量、は、水素化物が吸収し得る水素の最大量に対する比率としての金属水素化物における水素の量である。データプロットからわかるように、金属水素化物は、温度の関数である圧力プラトーを示し、それによって、所定の温度で、大部分の水素が、圧力における最小限の増加によって、貯蔵される。プラトーの圧力レベルは、温度上昇と共に上昇する。所定の温度に関する“中間点圧力”は、そこで水素化物がその貯蔵容量の５０％（０．５０）を含む圧力として定義される。中間点圧力は、所定の温度での異なる水素含有金属水素化物材料のプラトー圧力の比較のための代表地として用いられ得る。
ここで図６を参照すると、いくつかの選択された市販の金属水素化物に関する温度に対する中間点圧力の変化のプロットがその中に示される。Ｈｙｄｒａｌｌｏｙ．ＲＴＭ．Ｃ５の名前は化学式：Ｔｉ０．９８Ｚｒ０．０２Ｖ０．４３Ｆｅ０．０９Ｃｒ０．０５Ｍｎ１．５を有する金属水素化物に関する商標である。製品は、ＡＭＧ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ Ｇｒｏｕｐ Ｎ．Ｖ．， Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓの子会社、ＧｆＥ Ｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ ｆｕｒ Ｅｌｅｋｔｒｏｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｅ ｍｂＨ Ｌｔｄ Ｌｉａｂ Ｃｏ， Ｆｅｄ Ｒｅｐ Ｇｅｒｍａｎｙ， Ｈｏｆｅｎｅｒ Ｓｔｒａｓｓｅ ４５， ８５００ Ｎｕｒｎｂｅｒｇ １ Ｆｅｄ Ｒｅｐ Ｇｅｒｍａｎｙによって販売され配布されると考えられる。図６は、選択された金属水素化物が、エネルギー貯蔵ＪＴＥＣ用途における最適な性能のための高圧及び低圧ベッドとして一緒にペアリングされ得るという事実を強調する。
水素開放プロセスは吸熱である。熱入力は、脱着プロセスを維持するために必要とされ、逆に、吸収プロセスは、熱排除が吸収プロセスを維持するために必要とされるので、発熱である。ここで与えられる実施例は、教示する目的のみのためであり、ヒステリシス、圧力対水素濃度線の傾斜、又は実際のプラトー領域の濃度限界等の、詳細な物理的効果を含まない。分析はまた、寄生熱損失、伝熱温度勾配及び材料熱容量等の効果に関連する実世界の損失を考慮しないことにおいて理想的である。
図７における線１０２を参照すると、ＴｉＨ２は、高温容器のために適切な金属水素化物である。図７における線１００を参照すると、ＴｉＦｅ０．５Ｎｉ０．２５Ｖ０．０５Ｈ２は、低温容器のために適切である。グラフからわかるように、ＴｉＨ２は、９３０Ｋ（６５７℃）でおよそ０．２９ｋｇ／ｃｍ２でプラトー圧力を有する。他方では、ＴｉＦｅ０．５Ｎｉ０．２５Ｖ０．０５Ｈ２は、３２０Ｋ（４７℃）でおよそ０．２９ｋｇ／ｃｍ２でプラトー圧力を有する。両方の金属水素化物容器が、それらの各々の温度で本質的に同じ圧力であるので、それらは平衡状態を自然に維持することになり、水素が２つの間で自由に移動するときに、本質的に仕事が実施されない。
実際には、所定の材料に関して、吸収に関する平衡圧力及び温度は、有限量による脱着に関する平衡圧力及び温度とは異なる。この差異は、一般的に、材料のヒステリシス特性と呼ばれ、エネルギー貯蔵ＪＴＥＣにおける使用のための金属水素化物を適切に選択することによって考慮されなくてはならない。議論されるように、水素解放プロセスは、脱着プロセスを維持するために熱入力が必要とされるので、吸熱であり、逆に、吸収プロセスは、吸収プロセスを維持するために熱排除が必要とされるので、発熱である。
図８及び９は、水素を超増するために金属水素化物を採用する構成を示し、貯蔵容器は、吸収／脱着１８の熱が、比較的安定な圧力比率を維持するために貯蔵媒体間で伝えられるように、互いに熱的に結合される。貯蔵容器とその環境におけるヒートシンク／ソースＱＡとの間の伝熱２７は、水素が２つの間で循環されるとき、水素貯蔵材料の吸収／脱着の個別の熱における差異を占めるために維持される。
図８及び９に示されるエネルギー貯蔵ＪＴＥＣの動作は、図１及び２に示されるＪＴＥＣのものと本質的に同じである。図８を参照すると、高温ＭＥＡスタック６によって生成される電力が、低温ＭＥＡスタック５から高温ＭＥＡスタック６への圧縮作動流体の供給を維持し、負荷５２へ電力を供給するのに必要とされるものを超過するとき、余剰電力は、過剰量の作動流体の圧縮のために低温ＭＥＡスタック５へ供給される。それぞれ矢印４２及び４０によって示されるように、余剰電力は、低圧金属水素化物容器３０から高圧金属水素化物容器２８へ追加の作動流体をくみ上げることによって圧縮作動流体として貯蔵される。容器２８において生じる発熱吸収プロセスによって解放される吸収／脱着１８の熱は、容器３０において生じる吸熱脱着プロセスを維持するために容器３０へ供給される。
図９は、高温熱源が利用可能でないときに、負荷５２へ電力を供給するためのＪＴＥＣの動作を示す。この状況下では、負荷５２への電力は、容器２８において貯蔵される加圧作動流体のエネルギーを抽出するために低温ＭＥＡスタック５を用いることによって維持される。矢印４０及び４２によって示されるように、ここで反対方向における流れを示すと、作動流体は、高圧容器２８を離れ、低温ＭＥＡスタック５を通って流れ、矢印４２によって示されるように低圧容器３０に入る。容器２８において生じる吸熱脱着プロセスのために必要とされる熱１８は、容器３０において生じる発熱吸収プロエスによって供給される。このように動作することによって、ＪＴＥＣは、要求が主要な熱源単独上での動作から生成され得るエネルギーを超過するとき、又は、主要な熱源が利用可能でないときに、圧縮作動流体の貯蔵されるエネルギーを抽出することによって負荷要求を満たし得る。２つのベッド間の吸収／脱着の熱における任意の差異が、矢印２７によって示されるように外部ソース／シンクに抽出され得る又は廃棄され得ることに留意すべきである。
他の一つの実施形態では、本発明は、熱貯蔵能力を含むように構成され得る。図１０を参照すると、熱貯蔵容器３６は、高い熱容量材料を含む。主要な熱源３８からの熱が利用可能であるときの動作の間、利用可能な熱の一部ＱＳは、容器３６によって熱貯蔵媒体へ供給される。一定温度の水素膨張プロセスを維持することに消費されない高温ＭＥＡスタック６へ供給される余剰熱３７は、容器３６内に貯蔵される。加えて、高温ＭＥＡスタック６によって生成される電力が、低温ＭＥＡスタック５からＭＥＡ６への圧縮作動流体の供給を維持するのに必要とされるものを超過するとき、余剰電力は、過剰量の作動流体の圧縮のために低温ＭＥＡスタック５へ供給される。それぞれ矢印４０及び４２によって示されるように、余剰電力は、低圧金属水素化物容器３０から高圧金属水素化物容器２８へ追加の作動流体をくみ上げることによって圧縮作動流体として貯蔵される。容器２８において生じる発熱吸収プロセスによって解放される吸収／脱着の熱１８は、容器３０において生じる吸熱脱着プロセスを維持するために容器３０へ供給される。
図１１は、高圧熱源が利用可能でないときに、負荷５２へ電力を供給するための変換器の動作を示す。この条件下では、負荷５２は、容器３０からの高温の熱及び容器２８に貯蔵される加圧作動流体のエネルギーを抽出するために高温ＭＥＡスタック６を用いることによって、維持される。容器３０は、水素が金属水素化物容器２８から金属水素化物容器３０へ高温ＭＥＡスタックを通って膨張するとき、高温ＭＥＡスタック６の温度を維持するために熱を供給する。矢印４０によって示されるように、作動流体は、高圧容器２８を離れ、高温ＭＥＡスタック６を通って流れ、矢印４２に示されるように低圧容器３０に入る。容器２８において生じる吸熱脱着プロセスのために必要とされる熱１８は、容器３０において生じる発熱吸収プロセスによって供給される。このように動作することによって、ＪＴＥＣは、要求が主要な熱源単独上の動作から生成され得るエネルギーを超過するとき、又は、主要な熱源が利用可能でないときに、圧縮作動流体の貯蔵されたエネルギーを抽出することによって負荷要求を満たし得る。２つのベッド間の吸収／脱着の熱における任意の差異は、熱流れ２７によって示されるように外部ソース／シンクに抽出され得る又は廃棄され得る。
図１２を参照すると、２つの金属水素化物容器１４０及び１４２を含むエネルギー貯蔵ＪＴＥＣの他の一つの実施形態が示される。金属水素化物容器１４２は、周囲温度で又はほぼ周囲温度のとき、名目上低圧で水素を貯蔵する。金属水素化物容器１４２は、ＪＴＥＣの高温ＭＥＡスタック６及び熱毛ｎ１３８に結合される。他方では、容器１４０は、周囲温度で又はほぼ周囲温度のとき、名目上高圧で水素を貯蔵する金属水素化物を含む。金属水素化物容器１４０は、ＪＴＥＣの低温ＭＥＡスタック５及びヒートシンク１３６に結合される。２つの容器１４０、１４２は、熱エネルギー貯蔵材料１４８を含む復熱式熱交換器を含む水素流導管１４６によって互いに結合される。
この実施形態は、ＪＴＥＣがその名目上の連続的モードにおいて動作することを可能し、それによって、電力は、作動流体を圧縮するために低温ＭＥＡへ入力され、電力は作動流体の膨張によって高温ＭＥＡ６から抽出される。電力は、図１２及び１３においてＰとして示される。一実施形態では、金属水素化物熱エネルギー貯蔵システムの動作は、熱源熱入力１３８が、そこでその圧力が低温容器１４０のものを超えるその動作温度へ低圧容器１４２の温度を上げる。増加によって、高温容器１４２は、脱着の潜熱のためのソースとして熱エネルギー入力１３８を用いる水素を解放する。脱着した水素１５０は、悌夫尿器１４０へ流れる。低温容器１４０は、ヒートシンク熱出力１３７に熱的に結合されて、その温度は、それが水素を吸収して吸収の潜熱を解放するので、比較的一定のままである。ヒートシンク熱出力１３７は、熱源及びヒートシンクの両方として機能し得る、熱貯蔵媒体、周囲空気又は他の媒体であり得る。
プロセスは、図１３に示されるように、熱源熱入力が利用可能でないとき、逆に作動する。高温容器１４２の温度における減少によって、その圧力は、低温容器１４０の高圧金属水尾化物のものより下へ下がる。ここで水素１５２は、プロセスにおいて潜熱１３９を抽出する低温容器１４０を離れ、高温容器１４２へ流れる。潜熱源熱入力１３９は、低温ＭＥＡスタックによってい供給され得る、又は、熱源及びヒートシンクの両方として機能し得る熱貯蔵媒体、周囲空気又は他の媒体から抽出され得る。好ましくは、潜熱１３９は、低温ＭＥＡスタック５によって供給され、それによって、低温でスタック５を維持することを補助する。高温容器１４２の温度は、その中で低圧金属水素化物が水素１５２を吸収して潜熱を解放するとき、維持される。解放される潜熱は、高温ＭＥＡスタック６へ供給される。金属水素化物はこのようにして、ＪＴＥＣの動作を維持するために高温ＭＥＡの高温を維持し、それによって、入力１３８が利用可能でないときでさえそれが電力を連続的に生成することを可能にする。ＪＴＥＣの低温ＭＥＡスタックは、ヒートシンク１３６へ及び低温金属水素化物１４０へ、又は、単にヒートシンク１３６へ、熱を排除し得ることが理解される。
図１４は、本発明の一つの好ましい実施形態を示し、ＪＴＥＣは、太陽エネルギー変換及び貯蔵のために採用される。本構成は、タワー２６０の頂部に搭載される本発明の好ましい実施形態上へ太陽エネルギーを集中するためのミラー２６２のアレイを用いる。熱エネルギー貯蔵システムの高温セクション２４０及びＪＴＥＣの高温ＭＥＡスタック６は、集光器の焦点でタワー上に配される。熱エネルギー貯蔵システムの低温セクション２４２及びＪＴＥＣの低温ＭＥＡスタック５は、太陽のアレイから離れて配される。復熱式熱交換器３２及び２４８は、ＪＴＥＣの高温及び低温セクション６及び５と、セクション高温及び低温セクション２４０及び２４２エネルギー貯蔵システムとを、それぞれ互いに結合する。低温セクション２４２とＭＥＡ５とは互いに熱的に結合される。それらは、強制対流冷却装置２６４によって環境に熱的に結合される。
実施例として、図１５は、本発明の実施形態による太陽エネルギー用途の機能的図面を示す。図１５では、Ｗｈｅは電力（電気のワット）を指し、Ｗｈｔは熱（熱のワット）を指し、ＷｈＲは太陽の輝度（放射された熱のワット）を指す。高温ＪＴＥＣ ＭＥＡスタック６は、７５０℃で太陽熱３３８で動作する。太陽エネルギーは、集光器３６０によって供給される。実施例は、８０％のカルノーの熱変換効率で動作し、１００℃の熱排除温度で５１％の正味の変換効率を生み出し、“理想的な”伝熱条件及び金属水素化物特性を仮定するＪＴＥＣに関する。
図１５における略図に示されるエネルギーバランスレベルは、１０時間の期間にわたる太陽熱入力の４ＭＷの入力に基づく。集光された太陽熱入力の４ＭＷの内、２ＭＷは、エネルギー変換のためにＪＴＥＣへ供給され、２ＭＷは熱貯蔵のために金属水素化物へ供給される。図は、金属水素化物のヒステリシスを有さない理想的な伝熱条件の条件下での動作を示す。図１５に示されるように、１０時間の加熱期間にわたる太陽熱入力は、全部で４０ＭＷｈＲの熱エネルギー入力をもたらす。太陽の輝度の期間の間、矢印３３６に示されるように、全部で１０ＭＷｈｅの電気エネルギーは、５０％変換効率範囲において動作するＪＴＥＣによって生成され、１０ＭＷｈｔは、低温ＭＥＡスタック５でＪＴＥＣによる廃熱として排除される。
この期間の間にも生じ、高温金属水素化物容器２４０は、脱着の熱として２０ＭＷｈｓの貯蔵される熱エネルギーを蓄積する。ＴｉＨ２に関する吸収／脱着の潜熱は、３２．８６ｋＷｈ／水素のｋｍｏｌｅＨ２である。ＴｉＨ２のモル質量は、４９．９ｋｇ／ ＴｉＨ２のｋｍｏｌｅＴｉＨ２と同等である。キログラム当たり基準では、ＴｉＨ２の吸収／脱着エンタルピーは、およそ６５８ Ｗｈｔ／ｋｇＴｉである。Ｔｉの密度は、４．５ｇ／ｃｍ３であり、およそ２．９６Ｗｈｔ／ｃｍ３のＴｉＨ２に関する容積熱潜在容量をもたらす。およそ１６．４ｋＷｈｔ／水素のｋｇの脱着エンタルピーを備える理想的なＴｉＨ２を仮定すると、６．７５ｍ３（３０，３９５ｋｇ）のＴｉＨ２は、２０ＭＷｈｔの熱を貯蔵するであろう。導管３４６を介して低温用容器へ解放され伝えられる水素の量３５０は、１２１９．５ ｋｇＨ２ （６０９．７５ ｋｍｏｌｅｓ）である。
低温容器２４２で、９５．０ ｋｇ／ｋｍｏｌｅＭＨで５７，９２６ ｋｇＭＨのＴｉＦｅ０．５Ｎｉ０．２５Ｖ０．０５Ｈ２は、高温容器２４０のＴｉＨ２から解放される６０９．７５ ｋｍｏｌｅｓＨ２ （１２１９．５ｋｇＨ２）の水素３５０を吸収するのに必要とされる。ＴｉＦｅ０．５Ｎｉ０．２５Ｖ０．０５Ｈ２の密度は、４．８９ｇ／ｃｍ３である。従って、１１．８ｍ３の低温金属水素化物が、容器２４２のために必要とされるであろう。９０．９ Ｗｈｔ／ｋｇＭＨの吸収エンタルピーによって、ＴｉＦｅ０．５Ｎｉ０．２５Ｖ０．０５Ｈ２によって吸収される量の熱は、解放される水素３５０によって高温ＴｉＨ２容器によって吸収される２０ ＭＷｔの熱よりもかなり小さい５．２６ ＭＷｈｔであろう。低温容器２４２の容積熱容量は、０．４４４Ｗｈｔ／ｃｍ３， （９０．９ Ｗｈｔ／ｋｇ ＊４．８９ｇ／ｃｍ３）である。低温容器２４２によって環境へ解放される５．２６ＭＷｈｔの吸収の熱３３７は、ＪＴＥＣの低温ＭＥＡスタック５によって解放される１０ ＭＷｈｔの排熱３３６に加えられる。
図１６は、図１５に示される本発明の実施形態による、太陽熱入力が存在しないときの条件下の動作を示す。太陽熱入力、及び、それが電力を生成し続けるときにＪＴＥＣの高温ＭＥＡスタック６による継続的熱消費がないと、必要とされる熱は、高温容器２４０によって供給される。熱が高温容器２４０から除去されるとき、その温度は、理想的には７５０℃よりわずかに下（＜７５０℃）に減少して、圧力における降下をもたらす。圧力が低温容器２４２の温度より下に低下するとき、水素は、低温容器２４２から脱着し、それが吸収される導管３４６を介して高温容器２４０へ流れ、容器２４０における金属水素化物にその潜熱を解放させる。解放される熱は、ＪＴＥＣ高温ＭＥＡスタック６へ供給される。継続される動作によって、高温容器２４０の温度は、それが、低温容器２４２へ供給される１２１９．５ｋｇの水素全てを最終的に再吸収するので、高いレベルで維持される。本プロセスでは、それは、その２０ＭＷｈｔの貯蔵される潜熱をＪＴＥＣの高温ＭＥＡ６へ解放する。ここでわずかに低い熱源温度、それによってより低い効率で動作すると、ＪＴＥＣは、１０ＫＷｈｅよりわずかに少ない電気を生成する。それは、１０ ＭＷｈｔよりわずかに高いが、低温ＭＥＡ５で排熱出力を生成し続ける。ＪＴＥＣ低温ＭＥＡ５及び低温容器２４２は、必要に応じて互いに熱的に結合され得る。水素３５０を解放するのに必要とされる５．２６ ＭＷｈｔの脱着の潜熱は、ＭＥＡ５から排除される１０ ＭＷｈｔの排熱から取られ得る。
特に、排除される排熱の全量は、２０ ＭＷｈｔ （つまり、１０ＭＷｈｔ ＋ ５．２６ＭＷｈｔ ＋ ４．７４ＭＷｈｔ）であり、太陽熱入力のおよそ５０％であり、理想的な金属水素化物特性と伝熱損失がないことを仮定すれば、ＪＴＥＣの、予測されるおよそ５０％変換効率と一致する。
図１７及び１８は、本発明の代替の好ましい実施形態を示す。図１７〜１８の実施形態では、水素容器５４０及び５４２は、低温及び高温ＭＥＡ５及び６で、それぞれ、ＪＴＥＣ自身の水素流チャネル内部に配される。この構成では、容器５４０、５４２は、より効率的な熱的結合のために、ＭＥＡスタック５、６、それぞれに完全に統合される。高圧導管５０８は、ＭＥＡ５及び６の高圧側間で、同様に、容器５４０及び５４２間で、結合し、一方で、低圧導管５０６は、ＭＥＡ５及び６の低圧側間で、同様に、容器５４０及び５４２間で、結合する。
図１７を参照すると、水素流５３５は、機関から消費されている電力の量に対する熱５３８、ＱＨ、入力の大きさに依存して変動するであろう。前述したように、金属水素化物熱エネルギー貯蔵システムの動作は、熱源熱入力５３８が、低圧容器５４２の温度を、その圧力が低温容器５４０のそれを超えるその動作温度へ上げる。増加によって、高温容器５４２は、脱着の潜熱に関するソースとして熱エネルギー入力５３８を用いる水素を解放する。脱着した水素５３５は、導管５０８を通って低温容器５４０へ流れ、そこで、低温ＭＥＡ５で排除される熱５３６の一部として解放される吸収の熱と共にそれは吸収される。ＪＴＥＣから取られる電力が十分に高くて、熱エネルギーとして容器５４２から解放される水素がその中で貯蔵され、ＭＥＡ６を通って膨張されることになり、ＭＥＡ５へ導管５０６を通って流れる動作条件が可能であり、ＭＥＡ５は、導管５０８を通って容器へ直接移動することとは対照的に容器５４０へそれをくみ上げ戻す。
図１８は、外部の高温の熱入力の無い、ＱＨ＝０の条件下での動作を示す。この条件下では、高温容器５４２は、それが導管５０８を介して低温容器５４０から水素を吸収するときに高温ＭＥＡスタックへ熱を供給する。低温容器５４０は、それが高温ＭＥＡスタック６によって生成されている電力に応じて水素を圧縮することによって熱を生成し続けるとき、低温ＭＥＡスタック５から脱着５３６の潜熱を抽出する。ＪＴＥＣがこの条件下で動作するとき、低温ＭＥＡ５で排除される熱の量５３６は、水素が容器５４０によって吸収されているときに排除されるものよりも下へ低下する。
その広い発明概念から逸脱することなく上記の実施形態に対して変更がなされ得ることが当業者には理解される。従って、本発明が、開示された特定の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よって画定されるような本発明の精神及び範囲内の修正を包含するものであることは理解される。

Claims (20)

  1. 主要な熱エネルギー源と；
    作動流体と；
    第１の多孔質電極、第２の多孔質電極及び少なくとも一つの膜を含む少なくとも一つの膜電極接合体を含む電気化学セルであって、前記少なくとも一つの膜が、前記第１の多孔質電極と前記第２の多孔質電極との間に挟まれ、作動流体のイオンの伝導体である、電気化学セルと；
    エネルギー貯蔵容器と；
    外部負荷と；
    を含む、電気化学的直接熱−電気変換器であって、
    前記電気化学セルが熱で動作して電気を生成し、主要な熱エネルギー源から利用可能な熱エネルギーが外部負荷の要求を満たすために必要以上に大きいとき、過剰エネルギーはエネルギー貯蔵容器に貯蔵され、主要な熱エネルギー源から利用可能な熱エネルギーが外部負荷の要求を満たすのに不十分であるとき、エネルギー貯蔵容器に貯蔵された過剰エネルギーの少なくとも一部が、外部負荷へ電力を供給するために用いられる、電気化学的直接熱−電気変換器。
  2. 作動流体と：
    第１の多孔質電極、第２の多孔質電極及び少なくとも一つの膜を含む少なくとも一つの膜電極接合体であって、前記少なくとも一つの膜が、前記第１の多孔質電極と前記第２の多孔質電極との間に挟まれ、前記少なくとも一つの膜が、作動流体のイオンの伝導体である、少なくとも一つの膜電極接合体と；
    第１の圧力で作動流体を含む第１の導管、及び、前記第１の圧力よりも低い第２の圧力で作動流体を含む第２の導管であって、前記第１の導管が、前記第１の多孔質電極に結合される高圧導管であり、前記第２の導管が、前記第２の多孔質電極に結合される低圧導管であり；変換器が、前記高圧導管から前記低圧導管へ前記膜電極接合体を通る水素の膨張によって電気を生成する、第１の導管及び第２の導管と；
    前記少なくとも一つの膜電極接合体に結合される主張な熱エネルギー源と；
    外部負荷と；
    エネルギー貯蔵容器と；
    を含む、電気化学的直接熱−電気変換器であって、
    主要な熱エネルギー源から利用可能な熱エネルギーが外部負荷の要求を満たすために必要以上に大きいとき、過剰エネルギーはエネルギー貯蔵容器に貯蔵され、
    主要な熱エネルギー源から利用可能な熱エネルギーが外部負荷の要求を満たすのに不十分であるとき、エネルギー貯蔵容器に貯蔵された過剰エネルギーの少なくとも一部が、外部負荷へ電力を供給するために用いられる、電気化学的直接熱−電気変換器。
  3. 前記エネルギー貯蔵容器が、熱貯蔵容器であり、前記膜電極接合体が、前記熱貯蔵容器に熱的に結合され、それを通る作動流体の膨張によって前記容器から前記膜電極接合体に熱が供給されるときに電力を生成し；
    主要な熱エネルギー源から利用可能な熱が前記外部負荷の要求を満たすのに必要以上に大きいとき、熱は前記熱貯蔵容器に貯蔵され、
    主要な熱エネルギー源から利用可能な熱が前記外部負荷の要求を満たすのに不十分であるとき、前記熱貯蔵容器に貯蔵される熱の少なくとも一部が、その中で前記外部負荷へ供給される電力を生成するために用いられる、請求項２に記載の電気化学的直接熱−電気変換器。
  4. 前記熱貯蔵容器が、金属水素化物材料からの水素脱着の潜熱として熱エネルギーを貯蔵する、請求項３に記載の電気化学的直接熱−電気変換器。
  5. 作動流体：
    高圧多孔質電極、低圧多孔質電極及び少なくとも一つの膜を含む第１の膜電極接合体であって、前記少なくとも一つの膜が、前記第１の多孔質電極と前記第２の多孔質電極との間に挟まれ、作動流体のイオンの伝導体である、第１の膜電極接合体と；
    第１の圧力で作動流体を含む第１の導管、及び、前記第１の圧力よりも低い第２の圧力で作動流体を含む第２の導管であって、前記第１の導管が、前記高圧多孔質電極に結合される高圧導管であり、前記第２の導管が、前記低圧多孔質電極に結合される低圧導管である、第１の導管及び第２の導管と；
    前記高圧導管に結合される高圧作動流体貯蔵容器と；
    前記低圧導管に結合される低圧作動流体貯蔵容器と；
    コントローラと；
    を含む、電気化学的直接熱−電気変換器であって、
    前記電気化学的変換器は、電力が前記第１の膜電極接合体から抽出されるときに前記作動流体が高圧から低圧へ前記膜電極接合体を通って膨張するときに、電気エネルギーを生成し；
    前記電気化学的変換器は、電力が前記コントローラによって前記第１の膜電極接合体へ供給されるときに圧縮作動流体が低圧から高圧へ前記第１の膜電極接合体を通って圧縮されるときに、電気エネルギーを貯蔵する、電気化学的直接熱−電気変換器。
  6. 前記作動流体が、水素であり、前記変換器が、前記高圧導管に結合される高圧金属水素化物水素貯蔵容器、及び、前記低圧導管に結合される低圧金属水素化物水素貯蔵容器をさらに含む、請求項５に記載の電気化学的直接熱−電気変換器。
  7. 前記変換器が、第１のヒートシンク、及び、前記低圧金属水素化物水素貯蔵容器に結合される第１の熱源、及び、第２のヒートシンク、及び、前記高圧金属水素化物水素貯蔵容器に結合される第２の熱源をさらに含み、
    前記第１の熱源が、前記低い金属水素化物貯蔵容器による水素の脱着の間に低圧金属水素化物貯蔵容器へ脱着の熱を供給し、前記第１のヒートシンクが、水素の吸収の間に吸収の熱を除去し；
    それによって、前記第２の熱源が、前記高圧金属水素化物貯蔵容器による水素の脱着の間に前記高圧金属水素化物貯蔵容器へ脱着の熱を供給し、前記第２のヒートシンクが、水素の吸収の間に吸収の熱を除去する、請求項６に記載の電気化学的直接熱−電気変換器。
  8. 前記変換器が、主要なシンク、及び前記第１の膜電極接合体に結合される主要な熱源をさらに含み、前記主要なヒートシンクが、圧縮の有用な温度を維持するために前記第１の膜電極接合体から熱を除去し、前記主要な熱源が、膨張の有用な温度を維持するために水素膨張の間に前記膜電極接合体へ熱を供給する、請求項７に記載の電気化学的直接熱−電気変換器。
  9. 前記変換器が、第２の膜電極接合体をさらに含み、前記第２の膜電極接合体が、高圧多孔質電極、低圧多孔質電極、及び、作動流体のイオンの伝導体である少なくとも一つの膜を含み；前記高圧導管が、前記第２の膜電極接合体の前記高圧多孔質電極に結合され、前記低圧導管が、前記第２の膜電極接合体の前記低圧多孔質電極に結合され；
    前記変換器が、主要なヒートシンク及び主要な熱源をさらに含み；前記主要なヒートシンクが、前記第１の膜電極接合体に結合され、前記第２の膜電極接合体から熱を除去して圧縮の比較的一定温度を維持し；前記主要な熱源が、前記第２の膜電極接合体に結合され、膨張の有用な温度を維持するために水素膨張の間に前記第２の膜電極接合体へ熱を供給し；
    前記第２の膜電極接合体は、電力が前記第２の膜電極接合体から抽出されるときに高圧から低圧へ前記第２の膜電極接合体を通って前記作動流体が膨張するとき、電気エネルギーを生成し；
    前記第１の膜電極接合体は、電力が前記第１の膜電極接合体へ供給されるときに、前記第１の膜電極接合体を通って低圧から高圧へ作動流体を圧縮する、請求項７に記載の電気化学的直接熱−電気変換器。
  10. 前記変換器が、第２の膜電極接合体をさらに含み、前記第２の膜電極接合体が、高圧多孔質電極、低圧多孔質電極及び少なくとも一つの膜であって、前記膜が作動流体のイオンの伝導体である膜、を含み；前記高圧導管が、前記第２の膜電極接合体の前記高圧多孔質電極に結合され、前記低圧導管が、前記第２の膜電極接合体の前記低圧多孔質電極に結合され；
    前記変換器が、主要なヒートシンク及び主要な熱源をさらに含み；前記主要なヒートシンクが、前記第１の膜電極接合体に結合され、圧縮の有用な温度を維持するために前記第２の膜電極接合体から熱を除去し；前記主要な熱源が、前記第２の膜電極接合体に結合され、膨張の有用な温度を維持するために水素膨張の間に前記第２の膜電極接合体へ熱を供給し、
    前記第２の膜電極接合体は、前記電力が前記第２の膜電極接合体から抽出されるときに高圧から低圧へ前記第２の膜電極接合体を通って前記作動流体が膨張するとき、電気エネルギーを生成し；
    前記第１の膜電極接合体は、前記電力が前記第１の膜電極接合体へ供給されるときに前記第１の膜電極接合体を通って低圧から高圧へ作動流体を圧縮し、
    前記変換器が、第１の金属水素化物貯蔵容器及び第２の金属水素化物貯蔵容器をさらに含み、前記第１の金属水素化物貯蔵容器が、前記主要なヒートシンクに熱的に結合され、前記第２の金属水素化物貯蔵容器が、前記主要な熱源に熱的に結合される、請求項５に記載の電気化学的直接熱−電気変換器。
  11. 前記第１の金属水素化物貯蔵容器が、熱源からの熱入力によって前記第２の金属水素化物貯蔵容器の温度より上に上げられた所定の温度であり、前記第１の金属水素化物貯蔵容器の水素圧力が、前記第２の金属水素化物貯蔵容器の水素圧力を超える、請求項１０に記載の電気化学的直接熱−電気変換器。
  12. 前記第２の金属水素化物貯蔵容器の水素圧力が、前記ヒートシンクへの熱出力によって前記第１の金属水素化物貯蔵容器の温度より下の温度で前記第１の金属水素化物貯蔵容器の水素圧力より下に維持される、請求項１１に記載の電気化学的直接熱−電気変換器。
  13. 前記熱エネルギー貯蔵容器に貯蔵される熱エネルギーが、前記所定の高温で前記第１の金属水素化物貯蔵容器によって解放され、より低い温度の前記第２の金属水素化物貯蔵容器へ移動し、前記ヒートシンクに廃棄される吸収のその熱と共にその中で金属水素化物材料によって吸収される、請求項１２に記載の電気化学的直接熱−電気変換器。
  14. 前記熱源から利用可能な熱エネルギーが外部負荷の要求を満たすのに不十分であり、且つ、前記第１の金属水素化物貯蔵容器の温度は、前記第１の金属水素化物貯蔵容器の水素圧力が前記第２の金属水素化物貯蔵容器の水素圧力より下であるレベルであるとき、熱は、水素が前記第２の金属水素化物貯蔵容器によって解放されるときに脱着の潜熱として前記ヒートシンクから抽出され、前記第１の金属水素化物貯蔵容器へ移動し、前記変換器に廃棄される吸収のその熱と共にその中で前記金属水素化物材料によって吸収される、請求項１３に記載の電気化学的直接熱−電気変換器。
  15. 作動流体と：
    第１の多孔質電極、第２の多孔質電極及び少なくとも一つの膜を含む少なくとも一つの膜電極接合体であって、前記少なくとも一つの膜が、作動流体のイオンの伝導体である、少なくとも一つの膜電極接合体と；
    第１の圧力で作動流体を含む第１の導管、及び、前記第１の圧力よりも低い第２の圧力で作動流体を含む第２の導管であって、前記第１の導管が、前記第１の多孔質電極に結合される高圧導管であり、前記第２の導管が、前記第２の多孔質電極に結合される低圧導管である、第１の導管及び第２の導管と；
    エネルギー貯蔵のための、高圧作動流体貯蔵容器及び低圧作動流体貯蔵容器と；
    を含む、電気化学的直接熱−電気変換器であって、
    前記変換器が、前記低圧作動流体貯蔵容器から前記高圧作動流体貯蔵容器へ前記作動流体をくみ上げることによって加圧作動流体としてエネルギーを貯蔵し、
    前記変換器が、前記高圧作動流体貯蔵容器から前記低圧作動流体貯蔵容器へ前記作動流体を膨張して戻すことによって前記加圧作動流体からエネルギーを必要に応じて抽出することによって、貯蔵されるエネルギーを電気エネルギーに変換する、電気化学的直接熱−電気変換器。
  16. 前記作動流体が水素である、請求項１５に記載の電気化学的直接熱−電気変換器。
  17. 前記高圧作動流体貯蔵容器及び前記低圧作動流体貯蔵容器が、水素貯蔵のための、高圧金属水素化物材料及び低圧金属水素化物材料を含む、請求項１６に記載の電気化学的直接熱−電気変換器。
  18. 前記高圧作動流体貯蔵容器及び前記低圧作動流体貯蔵容器が、互いに熱的に結合される、請求項１７に記載の電気化学的直接熱−電気変換器。
  19. 外部負荷と；
    熱源から利用可能な熱エネルギーが前記外部負荷の要求を満たすのに不十分であるときに発電のためのエネルギー源としての使用のための第１の熱エネルギー貯蔵容器及び第２の熱エネルギー貯蔵容器と、をさらに含み、
    前記第１の熱貯蔵容器及び前記第２の熱貯蔵容器の内の一方が、前記高圧作動流体貯蔵容器に結合され、前記第１の熱貯蔵容器及び前記第２の熱貯蔵容器の内の他方が、前記低圧作動流体貯蔵容器に結合され、
    前記第１の熱貯蔵容器及び前記第２の熱貯蔵容器は、前記作動流体が前記高圧作動流体貯蔵容器及び前記低圧作動流体貯蔵容器に圧縮される又はそこから膨張するときに、前記高圧作動流体貯蔵容器及び前記低圧作動流体貯蔵容器の温度変化を必要に応じて最小化するために熱エネルギーを貯蔵、解放し；
    主要な熱エネルギー源から利用可能な熱エネルギーが前記外部負荷の要求を満たすために必要以上に大きいとき、過剰エネルギーが、前記エネルギー貯蔵容器の内の少なくとも一つに貯蔵され、
    主要な熱エネルギー源から利用可能な熱エネルギーが前記外部負荷の要求の満たすのに不十分であるとき、前記エネルギー貯蔵容器の内の少なくとも一つに貯蔵される前記過剰エネルギーの少なくとも一部が、前記外部負荷へ電力を供給するために用いられる、請求項１７に記載の電気化学的直接熱−電気変換器。
  20. 前記作動流体が、水素であり、前記高圧作動流体容器が、水素を貯蔵するための高圧金属水素化物材料を含み、前記低圧作動流体容器が、水素を貯蔵するための低圧金属水素化物材料を含む、請求項１８に記載の電気化学的直接熱−電気変換器。
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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11271236B2 (en) 2016-09-19 2022-03-08 Johnson Ip Holding, Llc Johnson thermo-electrochemical converter
CN111316050A (zh) * 2017-11-10 2020-06-19 保罗·奈泽 制冷装置和方法
WO2019160921A1 (en) * 2018-02-14 2019-08-22 The Regents Of The University Of California Ion-gated thermal, electrical, and optoelectronic modulators, transistors, and switches and in-situ sensing of energy storage devices for safety management
WO2020041535A1 (en) * 2018-08-22 2020-02-27 Johnson Ip Holding, Llc Exhaust gas energy recovery converter
CN109351300B (zh) * 2018-11-14 2020-12-15 中国人民解放军空军工程大学 一种串联式等离子体裂解流动反应器及其操作方法
CN111023813A (zh) * 2019-12-13 2020-04-17 山东金品能源有限公司 一种锂离子电池正极材料烧结用流化床反应炉
KR20230013123A (ko) 2020-05-21 2023-01-26 제이텍 에너지 인코포레이티드 할로겐 기반 열-전기화학 변환기
WO2022046697A1 (en) * 2020-08-24 2022-03-03 Johnson Ip Holding, Llc Thermo-electrochemical converter having dense metal electrode
JP7013611B1 (ja) * 2021-06-17 2022-01-31 憲之 石村 発電装置及び発電方法
JP2024533074A (ja) * 2021-08-23 2024-09-12 ロニー・ジー・ジョンソン ジョンソン周囲熱エネルギー変換器
CN114361548A (zh) * 2021-12-31 2022-04-15 重庆大学 一种采用多孔膜的非水系热再生电池
CN114583207B (zh) * 2022-03-23 2024-07-23 西安交通大学 一种基于固体氧化物燃料电池的三级循环发电系统

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4292378A (en) * 1980-05-09 1981-09-29 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Thermal regeneration of an electrochemical concentration cell
JPS60143575A (ja) * 1983-12-28 1985-07-29 Matsushita Electric Ind Co Ltd 熱を電気に変換する装置
US4677038A (en) * 1984-10-29 1987-06-30 Temple University Of The Commonwealth System Of Higher Education Gas concentration cells for utilizing energy
JPH07104064B2 (ja) * 1987-09-16 1995-11-13 松下電器産業株式会社 蓄熱式冷暖房装置
US5208112A (en) 1991-11-08 1993-05-04 Hughes Aircraft Company Thermally regenerated fuel cell
JPH09196504A (ja) * 1995-07-24 1997-07-31 Mitsubishi Electric Corp 電解反応による水蒸発式冷却方法およびその冷却装置
US6686076B2 (en) 2000-04-10 2004-02-03 Excellatron Solid State, Llc Electrochemical conversion system
US6949303B1 (en) * 2000-04-10 2005-09-27 Johnson Electro Mechanical Systems, Llc Electromechanical conversion system
EP1314214A4 (en) 2000-07-28 2005-11-23 Johnson Res & Dev Company Inc JOHNSON R VERSIBLE ENGINE
US7943250B1 (en) * 2000-07-28 2011-05-17 Johnson Research & Development Co., Inc. Electrochemical conversion system for energy management
CN1949576A (zh) * 2005-10-14 2007-04-18 中国电子科技集团公司第十八研究所 便携式中小功率质子交换膜燃料电池
GB0617806D0 (en) * 2006-09-11 2006-10-18 Johnson Matthey Plc Fuel cell assembly
GB0718620D0 (en) * 2007-09-25 2007-10-31 Johnson Matthey Plc Membrane electrode assembly
CN102084528B (zh) * 2008-05-09 2014-01-22 贝伦诺斯清洁电力控股有限公司 用于限制pem燃料电池系统的输出电压的方法
CN201463433U (zh) * 2009-06-12 2010-05-12 深圳市艾斯兰德冷机制造有限公司 多组并联蒸发器制冷系统的热气冲霜装置
US9266085B2 (en) * 2010-09-09 2016-02-23 Johnson Research & Development Co. Inc. Johnson ambient-heat engine
CN104078693B (zh) * 2014-06-18 2016-06-22 华南理工大学 一种催化燃烧供热的蒸汽供给被动式直接甲醇燃料电池

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