KR20220150950A - 증기 농도 에너지 변환기 - Google Patents

Abstract

증기 농도 에너지 변환기는 전기적으로 직렬로 연결된 MEA(Membrane Electrode Assembly) 셀의 어레이 또는 시리즈를 갖는다. MEA 셀의 어레이는 수증기 고분압 영역과 수증기 저분압 영역 사이의 분리기로 구성된다. 수증기 고분압 영역을 수증기 저분압 영역으로부터 분리하기 위해 하우징이 사용될 수 있다. MEA 셀 어레이는 전기 도관을 통해 부하/제어기에 전기적으로 연결된다. 각각의 MEA 셀은 이온 전도성 멤브레인에 의해 서로 분리된 전극을 가지며, 이는 바람직하게는 양성자 전도성 멤브레인이다. 전극은 전기 도관에 전기적으로 연결된다.

Description

증기 농도 에너지 변환기

관련 출원에 대한 상호 참조

출원인은 2020년 3월 6일에 출원되고, "증기 농도 에너지 변환기"의 명칭인 미국 예비특허출원 제62/986,177호의 이익을 주장한다.

본 발명은 증기의 분압 차이에 대한 작동용 에너지 수확 장치에 관한 것이다.

증기의 압력 차이에 대해서는 수많은 원인은 있다. 하나의 원인으로서 주변 공기의 증기 농도(습도)에 비해 탄화수소 연료의 연소시 증기의 높은 농도에 의해 형성될 수 있다. 증기의 압력 차이는 HVAC 시스템, 발전소, 서버 팜(server farm) 또는 산업 시스템을 포함한 기타 시스템에서 배기열을 제거하는 데 사용되는 것과 같은 물 증발 냉각 시스템에 의해 형성될 수도 있다. 증기의 농도 또는 압력 차이는 또한 주변 공기에 대한 신체의 땀에 의해 형성될 수 있다. 본 발명은 에너지를 생성하기 위한 증기의 압력 차이에 대한 사용을 다룬다.

차압 시스템(pressure differential system)의 한 예가 미국 특허 출원 시리즈 제16/588,962호; 제16/876,22호 및 제17/154,769호에 나타낸다. 이들 시스템은 전기화학적 반응을 위한 멤브레인 전극 어셈블리(membrane electrode assembly)를 사용하는 전력 생성을 개시한다. 그러나 이러한 시스템은 원하는 반응을 위해 수증기의 압력 차이를 형성하기 위한 흡습성 용액(hygroscopic solution)을 사용해야 한다.

또한, 이식형 의료 장치(implantable medical device), 피트니스 모니터(fitness monitor) 및 심지어 휴대 전화를 포함하는 개인용 전자 제품의 전원으로서 신체 폐열(body waste heat)로 작동하는 에너지 수확 장치를 개발하기 위한 노력이 진행되었다. 일반적으로 이러한 수확 장치를 통해 생성할 수 있는 전력의 양이 제한되어 있기 때문에, 이러한 장치는 유용성이 제한되어 왔다. 이러한 장치는 일반적으로 제벡(Seebeck) 효과를 기반으로 작동하는 기존의 반도체 기반 열전 변환기를 사용한다. 이러한 장치는 효율이 낮고 전력을 생성하기 위해 온도 차이가 필요하다. 체온과 주변 공기의 몇 도의 차이를 사용하는 것은 실용성에 한계가 있다.

자동차 산업은 또한 에너지를 수확하기 위한 노력에 참여하고 있다. 한 가지 접근 방식은 배기 가스에서 에너지를 수확하기 위해 제벡 효과에 기반한 반도체 열전 변환기를 사용하는 것이다. 그러나 기존 반도체 열전 변환기는 작동 엔진 배기 온도에서 약 6%의 변환 효율을 제공한다. 또한 필요한 온도 차이 요구 사항을 생성하는 것과 관련된 복잡성은 이러한 시스템에서 회수되는 적은 양의 에너지를 고려할 때 엄청난 비용이 든다.

미국 특허 제7,160,639호에 개시된 열전기화학 변환기(Thermo-Electrochemical Converter, JTEC) 역시 에너지를 수확하는 수단으로 검토되고 있다. 기존 열전 변환기와 유사하게 JTEC는 작동을 위한 엔진 배기열에 대한 온도 차이가 필요하다. 온도 차이를 유지하기 위해 냉각이 필요하지만, 더 높은 효율과 더 높은 전력 출력으로 인해 기존 열전 변환기보다 비용이 효율적이다. 그러나, <50℃의 매우 낮은 등급의 폐열에서는 효과적인 작동이 매우 어렵다.

매우 낮은 온도의 열원에서 작동하는 문제는 작은 온도 차이에 대한 이상적인 효율인 카르노 포텐셜(Carnot potential)도 매우 작고 실제 손실에 할당할 여유가 거의 또는 전혀 없다는 사실과 관련이 있다. 예를 들어, 37℃에서 인체 열로 작동하고 25℃에서 환경으로 열을 배출하는 열-전기 변환기의 이상적이고 손실이 없는 효율은 전달 열 온도 차이로 인해 변환기가 나타낼 실제 온도 차이를 고려하지 않고 단지 3.9%의 이상적인 효율을 가질 것이다. 열 전달 손실은 효율을 1 내지 2%까지 쉽게 감소시킬 수 있다.

따라서, 폐가스 및 동물의 신체 땀과 같은 증기 농도 차이의 다른 원인을 포함하는 수증기의 압력 차이로부터 에너지를 회수하기 위한 개선된 접근 및 방법을 제공하는 증기 농도 셀(steam concentration cell)에 대한 필요성이 남아 있음을 확인할 수 있다. 따라서 본 발명이 주로 지향되는 것은 그러한 제공에 관한 것이다.

증기 농도 에너지 변환기는 수증기 고분압 영역과 수증기 저분압 영역 사이에 생성된 수증기압 차이로부터 전력을 생성한다. 증기 농도 에너지 변환기는 전기 부하 제어기, 수증기 고분압 영역을 수증기 저분압 영역으로부터 적어도 부분적으로 분리하는 하우징, 및 하우징에 결합되고 전기 부하 제어기에 전기적으로 결합된 이온 전도성 멤브레인 전극 어셈블리를 포함한다. 이온 전도성 멤브레인 전극 어셈블리는 수증기 고분압 영역과 유체 소통하는 제1 전극, 수증기 저분압 영역과 유체 소통하는 제2 전극, 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하는 이온 전도성 멤브레인을 갖는다. 제1 전극은 수증기 고분압 영역 내에서 물을 산화시켜, 양성자와 전자를 생성하고, 양성자는 이온 전도성 멤브레인을 통해 제2 전극으로 전도된다. 전자는 외부 회로 또는 부하를 통해 제2 전극으로 보내져, 양성자와 재결합하고 환원 반응으로 산소와 반응하여 물을 생성한다. 멤브레인 전극 어셈블리는 양성자 또는 수소는 통과시키지만 물 분자가 통과하는 것을 실질적으로 방지하는 배리어층을 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대한 다음의 상세한 설명은 첨부된 도면과 함께 읽을 때 더 잘 이해될 것이다. 본 발명을 예시할 목적으로, 현재 바람직한 실시예가 도면에 도시되어 있다. 그러나, 본 발명은 도시된 정확한 배열 및 수단에 제한되지 않는 것으로 이해된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 형태의 증기 농도 에너지 변환기의 개략도이다.
도 2는 사람이 착용한 것으로 도시된 도 1의 증기 농도 에너지 변환기의 사시도이다.
도 3은 엔진의 배기 장치에 결합된 것으로 도시된 도 1의 증기 농도 에너지 변환기의 개략도이다.
도 4는 물 증발을 이용한 것으로 도시된 도 1의 증기 농도 에너지 변환기의 개략도이다.
도 5는 도 1의 증기 농도 에너지 변환기에 대한 출력 전류 밀도를 나타내는 그래프이다.

다음으로 도면을 참조하면, 본 발명의 바람직한 형태의 증기 농도 에너지 변환기(1)가 도시되어 있다. 2021년 1월 21일에 출원되고 Johnson Ambient Energy Converter라는 명칭의 미국 특허 출원 일련 번호 제17/154,769호는 그 전체가 참고로 본 출원에 포함된다. 증기 농도 에너지 변환기(1)는 전기적으로 직렬로 함께 연결된 MEA(Membrane Electrode Assembly) 셀(18)의 어레이 또는 시리즈를 갖는다. MEA 셀(18)의 어레이는 수증기 고분압 영역(9)과 수증기 저분압 영역(13) 사이의 분리기로서 구성된다. 또한, 하우징(30)이 사용되어 수증기 고분압 영역(9)과 수증기 저분압 영역(13)을 분리한다. MEA 셀(18)의 어레이는 전기 도관(3)을 통해 부하/제어기(2)에 전기적으로 결합된다.

각각의 MEA 셀(18)은 이온 전도성 멤브레인(10), 바람직하게는 양성자 전도성 멤브레인, 특히 수소 전도성 멤브레인에 의해 서로 분리된 수증기 고분압 전극(6) 및 수증기 저분압 전극(8)을 가진다. 전극(6, 8)은 전기 도관(3)에 전기적으로 연결된다. 바람직하게는, 전극(6)은 촉매로 작용하는 백금 재료로 만들어지지만, 다공성 백금 재료와 같은 촉매를 첨가하여 다른 재료로 만들 수도 있다.

부하/제어기(2)는 또한 부하(load)(4)를 포함하는 회로에 연결된다.

사용시, MEA 셀(18)의 어레이는 부하/제어기(2)의 유용한 요건을 충족하기에 적절한 총 전압을 제공한다. 부하/제어기(2)는 사전에 선택된 전압 레벨 조건 하에서 MEA 셀(18)의 어레이로부터 전류를 끌어오도록 작동한다. 그 결과 추출된 전력은 저장되거나 연결된 부하(4)에 직접 공급될 수 있다. 수증기 분압 차이에 의해 구동될 때 수소가 수증기 고분압 영역(9)에서 수증기 저분압 영역(13)으로 수송될 때 부하/제어기(2)에 대한 출력 전력이 생성된다. 셀의 전압은 다음 방정식으로 정의되고,

여기서, P6_H2O와 P8_H2O는 각각 전극(6, 8)에서의 물의 부분압이고, P6_O2와 P8_O2는 각각 전극(6, 8)에서의 산소 부분압이다. R은 범용 기체 상수(universal gas constant)이며, F는 패러데이 상수이고, T는 온도이다.

MEA 셀(18) 어레이의 개별 셀을 조사하여, 증기 농도 에너지 변환기(1)의 작동을 이해할 수 있다. 수증기(12)가 전극(6)에 들어가서, 양성자 4H+로 산화되며, 생성된 산소 O₂는 화살표(19)가 표시되는 바와 같이, 수증기 고분압 영역(9) 측의 환경으로 다시 방출된다. 반응으로부터 생성된 양성자(2H⁺)는 화살표(21)로 표시되는 바와 같이 멤브레인(10)을 통해 전극(8)으로 전도되며, 전자는 화살표(15)로 표시되는 바와 같이 부하/제어기(2)를 통해 보내진다. 전극(8)으로 들어가는 양성자 및 전자는 수증기 저분압 영역(13) 측에서 산소와 반응하여 화살표(14)로 표시된 바와 같이 후속적으로 방출되는 물을 생성한다. 양성자(4H⁺)가 물 분압 차이 하에서 어레이의 각 MEA 셀(18)의 이온 전도성 멤브레인(10)을 통해 병렬로 전도됨에 따라, MEA 셀 어레이(18)의 전기적 상호 연결은 전극(6, 8) 사이의 전자 전류 흐름을 연결한다. 멤브레인(10)은 단일 멤브레인 또는 개별적으로 분리된 멤브레인의 어레이일 수 있다. 순 효과(net effect)는 수증기 고분압 영역(9) 측에서 전극(6)으로 들어가고, (다른 물 분자임에도 불구하고) 전극(8) 측의 수증기 저분압(13) 측에서 나가는 물의 수증기압 차이에 의해 구동되는 전기화학 반응에 의한 전력 생성이다.

이상적으로, 이온 전도성 멤브레인(들)(10)은 높은 배리어 특성을 갖고 물 분자가 전기분해되지 않고 수증기 저분압 영역(13) 측으로 이동하는 것을 방지한다. 박막 이온 전도성 배리어(11)가 포함되어 이러한 이동을 방지할 수 있다. E.I. DuPont De Nemours and Company (Wilmington, Delaware)에 의해 제조된 상표명 나피온(Nafion)으로 판매되는 것과 같은 많은 양성자 전도성 맴브레인 재료는 그 자체가 흡습성이고 이온 전도를 촉진하기 위한 필수 성분으로서 물을 필요로 한다. 이온 전도성 배리어(11)는 물이 전기분해되지 않고 멤브레인을 통과하거나 흡수되거나 응축되는 것을 방지한다. 이온 전도성 배리어(11)는 또한 팔라듐 또는 탄탈륨과 같은 수소 투과성 금속일 수 있거나 이트륨 도핑된 바륨 지르코네이트 YBaZrO3와 같은 양성자 전도성 배리어 재료일 수 있다.

도 2는 주변 공기에 대한 신체 발한에 의해 생성된 수증기 분압 차이를 사용하여 전력을 생성하기 위한 증기 농도 에너지 변환기(1)의 사용을 예시한다. 사람의 피부에서의 수분 증발은 상당히 연속적인 과정이다. 이 실시예에서, MEA 셀(18)의 어레이는 손목 밴드(50)와 같은 의류 형태의 하우징에 통합된다. 손목 밴드(50) 아래의 피부로부터의 수분 증발은 반대쪽의 주변 공기에 노출된 측의 수증기 저분압 영역에 비해 수증기 고분압 영역을 형성한다. 증기 농도 에너지 변환기(1)는 압력 차이 하에서 전술한 바와 같이 수행한다.

도 3은 MEA 셀(18)의 어레이가 내연 기관 배기 파이프 또는 튜브(20)를 포함하는 하우징에 장착된 것으로 도시된 증기 농도 에너지 변환기(1)의 실시예를 도시한다. 화석 연료 연소 배기는 물(H₂O), 이산화탄소(CO₂), 질소(N₂), 일산화탄소(CO), 잔여 미연 및 부분 연소 연료(HC)를 포함한다. MEA 셀(18)의 어레이를 통한 전력 생성 반응/환원 공정은 전술한 바와 같이 수증기 분압 차이에 의해 구동된다. 다만 이 경우에 추가적으로 이점이 발생한다. 수증기 고분압 영역 또는 배기 측의 전극에서 물이 전기분해됨에 따라 방출되는 산소가 배기 가스의 CO 및 HC와 반응하여, 추가 H₂O 및 CO₂를 위한 이러한 구성 요소를 제거한다.

도 4는 MEA 셀(18)의 어레이가 물이 증발하는 튜브 섹션의 형태로 하우징에 장착되는 증기 농도 에너지 변환기(1)의 실시예를 도시한다. 액상의 물이 튜브(20)를 통해 흐를 때, 송풍기(22)가 튜브(20)의 외부 표면을 가로질러 기류 또는 공기를 가하여, 물 증발과 수송을 촉진한다. 튜브 외부를 흐르는 공기의 수증기 분압에 비해 튜브 내부의 수증기 압이 높아 전력 생성 공정이 구동된다. 물이 튜브(18) 내부의 MEA 셀 전극(6)에서 전기분해됨에 따라, 튜브(20) 내부의 흐름이 액상의 물과 산소의 혼합물이 되고, 산소는 흐름 내로 방출되고 수소 이온은 양성자 전도성 멤브레인(10)을 통해 전도된다. 전자는 부하/제어기(2)와 어레이의 개별 MEA 셀을 직렬로 통해 전해져 전자가 전극(6)을 나와 전극(8)으로 들어가도록 한다. 양성자 및 전자는 전극(8)에서 주변 산소와 반응하여, 물을 생성하고, 후속적으로 튜브(20)의 외부 표면 위로 흐르는 주변 공기로 방출된다. 이 경우 물의 위상 변화가 주어지면 셀 전압은 주로 물의 증발 엔트로피에 의해 다음과 같이 정의된다:

여기서, ΔS는 물의 기화열이고, F는 패러데이 상수이다. 물의 산화-환원은 다음과 같이 그램당 1600 쿨롱의 전자를 생성한다:

n은 공정에 관련된 전자의 수(물 분자당 2개)이며, A는 Avogadro 수(6.02e23)이고, E는 단일 전자의 전하(1.602e-19)이며, MW는 물 분자량, 18g이다. 값을 대입하면 gram 당 1607 쿨롱이 생성된다. 0.233V에서 튜브에서 증발된 물 gram 당 결과 에너지는 374Watt.sec/g이며 이는 증발된 물 kg당 전기 104Wh(104Wh/kg)에 해당한다.

도 5에 의해 예시된 바와 같이, 멤브레인 전극 어셈블리(MEA 셀(18))가 가역 공정의 요구되는 근사치를 달성하는 경우 출력 전류 밀도가 상대적으로 낮을 것이다. 전류 유입이 증가함에 따라, 유입 전극(6) 및 유출 전극(8)에서 물을 산화 및 환원하기 위한 임피던스 및 활성화 전압 손실 각각은 셀의 개방 회로 전압에서 발산한다. 매우 낮은 전류에서, 전력으로 변환된 물의 증발열은 물을 다시 액체로 되돌리기 위해 입력되는 응축열과 거의 동일하다. 이상적인 시스템에서, 생성된 전력은 기본적으로 열 입력과 동일하다.

종래 기술은 일반적으로 농도 차이가 적용되는 기체의 이온을 전도하는 멤브레인을 필요로 하는 농도 셀을 교시하였다. 본 발명은 기체의 농도 차이로부터 에너지를 추출하기 위한 수단으로서 전기분해 및 환원 반응을 배제하는 용도를 교시한다. 한 쌍의 전극에 의해 샌드위치된 이온 전도성 멤브레인을 포함하는 멤브레인 전극 어셈블리(MEA 셀(18))가 상이한 증기 농도 수준을 갖는 부피의 기체를 분리하여, 상이한 증기 압력 또는 부분 압력을 갖는다. 증기가 셀의 고농도측 전극으로 들어가 전기분해되어, 산소가 방출되고 생성된 양성자는 멤브레인을 통해 반대쪽 전극으로 전도된다. 전자는 외부 회로 또는 부하를 통해 반대쪽 전극으로 보내져 양성자와 재결합하고 물을 생성하는 환원 반응에서 산소와 반응한다. 시스템에서 수소를 기체로 사용할 수는 없지만, 수소 이온 전도성 멤브레인을 사용하면 증기를 농도 차이의 기체 종으로 사용하는 셀이 효과적으로 작동한다. 다수의 셀이 직렬로 전기적으로 연결된 어레이로 구성되어, 유용한 전압 수준을 달성한다. 부하 제어기는 전압 레벨을 모니터링하고, 전압 레벨이 유용한 에너지를 제공하기에 충분할 때 전류를 추출한다.

본 기술 분야의 당업자는 본 발명의 광의의 개념을 벗어나지 않는 한 전술한 실시예에 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정 실시예에 제한되지 않고 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 사상 및 범위 내에서 변형을 포함하도록 의도된 것으로 이해된다.

Claims (29)

1. 수증기 고분압 영역과 수증기 저분압 영역 사이에 생성된 수증기압 차이로부터 전력을 생성하기 위한 증기 농도 에너지 변환기로서, 증기 농도 에너지 변환기는:
   전기 부하 제어기;
   수증기 고분압 영역과 수증기 저분압 영역을 적어도 부분적으로 분리하는 하우징;
   하우징에 결합되고 전기 부하 제어기에 전기적으로 결합된 이온 전도성 멤브레인 전극 어셈블리로서, 수증기 고분압 영역과 유체 소통하는 제1 전극, 수증기 저분압 영역과 유체 소통하는 제2 전극, 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치된 이온 전도성 멤브레인을 포함하는 이온 전도성 멤브레인 전극 어셈블리를 포함하고, 제1 전극은 수증기 고분압 영역 내의 물을 산화시켜 양성자와 전자를 생성하며, 양성자는 이온 전도성 멤브레인을 통해 제2 전극으로 전도되고, 전자는 전기 부하 제어기로 제2 전극으로 전도되는 증기 농도 에너지 변환기.
2. 제1항에 있어서, 하우징은 의류 형태인 증기 농도 에너지 변환기.
3. 제1항에 있어서, 하우징은 손목 밴드 형태인 증기 농도 에너지 변환기.
4. 제1항에 있어서, 하우징은 내연기관 배기관(exhaust pipe)의 형태인 증기 농도 에너지 변환기.
5. 제1항에 있어서, 하우징은 튜브 형태이고, 증기 농도 에너지 변환기는 튜브 위에 기류를 생성하는 송풍기를 추가로 포함하는 증기 농도 에너지 변환기.
6. 제1항에 있어서, 이온 전도성 멤브레인은 양성자 전도성 멤브레인인 증기 농도 에너지 변환기.
7. 제1항에 있어서, 제1 전극은 촉매를 포함하는 증기 농도 에너지 변환기.
8. 제7항에 있어서, 촉매는 백금인 증기 농도 에너지 변환기.
9. 제1항에 있어서, 이온 전도성 멤브레인 전극 어셈블리는 직렬로 연결된 복수의 이온 전도성 멤브레인 전극 어셈블리를 포함하는 증기 농도 에너지 변환기.
10. 제1항에 있어서, 이온 전도성 멤브레인 전극 어셈블리는 이온 전도성 멤브레인 전극 어셈블리를 통한 물 분자의 통과를 방지하는 수소 투과성 배리어 층을 포함하는 증기 농도 에너지 변환기.
11. 수증기압 차이로부터 전력을 생성하기 위한 증기 농도 에너지 변환기로서,
    제1 전극, 제2 전극 및 이온 전도성 멤브레인을 갖고, 이온 전도성 멤브레인이 제1 전극과 제2 전극 사이에 끼워져 있는 양성자 전도성 멤브레인 전극 어셈블리;
    제1 수증기 분압을 갖는 제1 수증기 잠재 가스 소스에 노출되는 제1 전극;
    제2 수증기 분압을 갖는 제2 수증기 잠재 가스 소스에 노출되는 제2 전극으로서, 제2 수증기 분압이 제1 수증기 분압보다 낮고, 제2 수증기 잠재 가스 소스는 산소 가스를 포함하는 제2 전극; 및
    양성자 전도성 멤브레인 전극 어셈블리의 제1 전극과 제2 전극 사이에 연결된 전기 부하/제어기를 포함하고,
    부하/제어기는 제1 전극에 들어가는 물과 제2 전극을 나가는 물 사이의 압력 차이에 의해 구동되는 전기화학 반응으로서 양성자 전도성 멤브레인 전극 어셈블리로부터 전력을 추출하며, 제1 전극에 들어가는 배기 수증기가 양성자와 전자로 산화되어, 산소는 배기 가스로 다시 방출되고 양성자는 멤브레인을 통해 제2 전극으로 전도되며, 전자는 부하/제어기를 통해 제2 전극으로 보내져, 전자가 산소와 반응하여 물을 생성하고, 생성된 물은 제2 전극의 저압으로 방출되는 증기 농도 에너지 변환기.
12. 제11항에 있어서, 하우징은 의류 형태인 증기 농도 에너지 변환기.
13. 제11항에 있어서, 하우징은 손목 밴드 형태인 증기 농도 에너지 변환기.
14. 제11항에 있어서, 하우징은 내연기관 배기관의 형태인 증기 농도 에너지 변환기.
15. 제11항에 있어서, 하우징은 튜브 형태이고, 증기 농도 에너지 변환기는 튜브 위에 기류를 생성하는 송풍기를 추가로 포함하는 증기 농도 에너지 변환기.
16. 제11항에 있어서, 제1 전극은 촉매를 포함하는 증기 농도 에너지 변환기.
17. 제16항에 있어서, 촉매는 백금인 증기 농도 에너지 변환기.
18. 제11항에 있어서, 양성자 전도성 멤브레인 전극 어셈블리는 직렬로 연결된 복수의 양성자 전도성 멤브레인 전극 어셈블리를 포함하는 증기 농도 에너지 변환기.
19. 제11항에 있어서, 양성자 전도성 멤브레인 전극 어셈블리는 양성자 전도성 멤브레인 전극 어셈블리를 통한 물 분자의 통과를 방지하는 전도성 배리어 층을 포함하는 증기 농도 에너지 변환기.
20. 수증기압 차이로부터 전력을 생성하기 위한 증기 농도 에너지 변환기로서,
    제1 전극, 제2 전극 및 수소 전도성 멤브레인을 갖고, 수소 전도성 멤브레인이 제1 전극과 제2 전극 사이에 끼워져 있는 양성자 전도성 멤브레인 전극 어셈블리;
    제1 수증기 분압을 갖는 제1 수증기 잠재 가스 소스에 노출되는 제1 전극;
    제2 수증기 분압을 갖는 제2 수증기 잠재 가스 소스에 노출되는 제2 전극으로서, 제2 수증기 분압이 제1 수증기 분압보다 낮고, 제2 수증기 잠재 가스 소스는 산소 가스를 포함하는 제2 전극; 및
    양성자 전도성 멤브레인 전극 어셈블리의 제1 전극과 제2 전극 사이에 연결된 전기 부하/제어기를 포함하고,
    부하/제어기는 제1 전극에 들어가는 물과 제2 전극을 나가는 물 사이의 압력 차이에 의해 구동되는 전기화학 반응으로서 양성자 전도성 멤브레인 전극 어셈블리로부터 전력을 추출하며, 제1 전극에 들어가는 배기 수증기가 양성자와 전자로 산화되어, 산소는 배기 가스로 다시 방출되고 양성자는 멤브레인을 통해 제2 전극으로 전도되며, 전자는 부하/제어기를 통해 제2 전극으로 보내져, 전자가 산소와 반응하여 물을 생성하고, 생성된 물은 제2 전극의 저압으로 방출되는 증기 농도 에너지 변환기.
21. 제20항에 있어서, 하우징은 의류 형태인 증기 농도 에너지 변환기.
22. 제20항에 있어서, 하우징은 손목 밴드 형태인 증기 농도 에너지 변환기.
23. 제20항에 있어서, 하우징은 내연기관 배기관의 형태인 증기 농도 에너지 변환기.
24. 제20항에 있어서, 하우징은 튜브 형태이고, 증기 농도 에너지 변환기는 튜브 위에 기류를 생성하는 송풍기를 추가로 포함하는 증기 농도 에너지 변환기.
25. 제20항에 있어서, 제1 전극은 촉매를 포함하는 증기 농도 에너지 변환기.
26. 제25항에 있어서, 촉매는 백금인 증기 농도 에너지 변환기.
27. 제20항에 있어서, 양성자 전도성 멤브레인 전극 어셈블리는 직렬로 연결된 복수의 양성자 전도성 멤브레인 전극 어셈블리를 포함하는 증기 농도 에너지 변환기.
28. 제20항에 있어서, 양성자 전도성 멤브레인 전극 어셈블리는 양성자 전도성 멤브레인 전극 어셈블리를 통한 물 분자의 통과를 방지하는 전도성 배리어 층을 포함하는 증기 농도 에너지 변환기.
29. 제1 수증기 분압 영역과 제2 수증기 분압 영역 사이의 수증기압 차이로 작동하는 증기 농도 에너지 변환기로서, 증기 농도 에너지 변환기는:
    제1 수증기 분압 영역과 제2 수증기 분압 영역 사이에 위치하는 이온 전도성 멤브레인 전극 어셈블리를 포함하되, 이온 전도성 멤브레인 전극 어셈블리는 전기화학 공정에 의해 제1 수증기 분압 영역과 제2 수증기 분압 영역 사이에서 물을 전도하고, 이온 전도성 멤브레인 전극 어셈블리는 전기화학적 공정을 거치지 않고 제1 수증기 분압 영역 및 제2 수증기 분압 영역 중 하나로부터 물 분자의 이동을 제한하는 배리어를 포함하는 증기 농도 에너지 변환기.

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