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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-12-11
(45)【発行日】2024-12-19
(54)【発明の名称】高密度金属電極を有する熱電気化学コンバータ
(51)【国際特許分類】
H10N 10/13 20230101AFI20241212BHJP
H01M 4/92 20060101ALI20241212BHJP
H01M 4/90 20060101ALI20241212BHJP
H01M 8/1067 20160101ALI20241212BHJP
H01M 4/86 20060101ALI20241212BHJP
H01M 8/02 20160101ALI20241212BHJP
H01M 8/04007 20160101ALI20241212BHJP
H01M 8/2475 20160101ALI20241212BHJP
H10N 10/01 20230101ALI20241212BHJP
H01M 8/10 20160101ALN20241212BHJP
【ＦＩ】
H10N10/13
H01M4/92
H01M4/90 M
H01M8/1067
H01M4/86 B
H01M8/02
H01M8/04007
H01M8/2475
H10N10/01
H01M8/10 101
【請求項の数】
15
(21)【出願番号】P 2023512481
(86)(22)【出願日】2021-08-24
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2023-09-20
(86)【国際出願番号】 US2021047245
(87)【国際公開番号】W WO2022046697
(87)【国際公開日】2022-03-03
【審査請求日】2023-04-11
(31)【優先権主張番号】63/069,380
(32)【優先日】2020-08-24
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】522453418
【氏名又は名称】ジェイテック エナジー，インク
(74)【代理人】
【識別番号】100112737
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 考晴
(74)【代理人】
【識別番号】100136168
【弁理士】
【氏名又は名称】川上 美紀
(74)【代理人】
【識別番号】100196117
【弁理士】
【氏名又は名称】河合 利恵
(72)【発明者】
【氏名】ロニー ジー ジョンソン
(72)【発明者】
【氏名】デビッド ケテマ ジョンソン
【審査官】加藤 俊哉
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１９－５３０４１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－１９８４１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００４－５２４６４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－０１９０４１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ１０Ｎ １０／１３
Ｈ０１Ｍ ４／９２
Ｈ０１Ｍ ４／９０
Ｈ０１Ｍ ８／１０６７
Ｈ０１Ｍ ４／８６
Ｈ０１Ｍ ８／０２
Ｈ０１Ｍ ８／０４００７
Ｈ０１Ｍ ８／２４７５
Ｈ１０Ｎ １０／０１
Ｈ０１Ｍ ８／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
イオン化作動流体と、相互に電気的に結合された第１の膜電極接合体及び第２の膜電極接合体と、
を備え、各膜電極接合体は、
電子を伝導しかつ前記イオン化作動流体に対して透過性である第１の電極と、
電子を伝導しかつ前記イオン化作動流体に対して透過性である第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極の間に挟まれた薄膜状電解質膜であって、前記イオン化作動流体のイオンの伝導性を有し、０．０３μｍ～１０μｍの厚さを有する薄膜状電解質膜と、を備え、
各膜電極接合体の前記第１及び第２の電極の少なくとも一方が、非多孔質かつ高密度の金属を含み、
各膜電極接合体にかかる作動流体圧力差に起因して、各膜電極接合体の前記第１及び第２の電極の一方は第１の圧力で前記イオン化作動流体と接し、各膜電極接合体の前記第１及び第２の電極の他方が、前記第１の圧力よりも低い第２の圧力で前記イオン化作動流体と接し、
前記第１の膜電極接合体は、前記イオン化作動流体を前記第２の圧力から前記第１の圧力まで圧縮するように構成され、
前記第２の膜電極接合体は、前記イオン化作動流体を前記第１の圧力から前記第２の圧力まで膨張させるように構成された、熱－電気コンバータ。
【請求項2】
前記非多孔質かつ高密度の金属は、多孔質基板上に積層又は実装されている、請求項１に記載の熱－電気コンバータ。
【請求項3】
前記第１及び第２の膜電極接合体の少なくとも一方の前記第１及び第２の電極の少なくとも一方は、前記イオン化作動流体がそれぞれの前記薄膜状電解質膜を通過するのに従って前記イオン化作動流体の酸化及び還元を促進するように構成された触媒を含む、請求項１又は２に記載の熱－電気コンバータ。
【請求項4】
前記第１及び第２の膜電極接合体の少なくとも一方の前記第１及び第２の電極の少なくとも一方は、パラジウム又はその合金を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の熱－電気コンバータ。
【請求項5】
前記第１の膜電極接合体と前記第２の膜電極接合体の間で前記第１の圧力及び前記第２の圧力の前記イオン化作動流体のフローを結合する伝熱式熱交換器をさらに備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の熱－電気コンバータ。
【請求項6】
前記熱－電気コンバータは、管状構成を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の熱－電気コンバータ。
【請求項7】
前記第１及び第２の膜電極接合体の各々は、管状構成を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の熱－電気コンバータ。
【請求項8】
前記第１及び第２の膜電極接合体の各々の内部が、前記第１の圧力の前記イオン化作動流体のフローのための第１のコンジットを構成する、請求項１から７のいずれか一項に記載の熱－電気コンバータ。
【請求項9】
前記第１及び第２の膜電極接合体を少なくとも部分的に囲むハウジングをさらに備え、前記第１及び第２の膜電極接合体と前記ハウジングとの間の空間が、前記第２の圧力の前記イオン化作動流体のフローのための第２のコンジットを構成する、請求項１から８のいずれか一項に記載の熱－電気コンバータ。
【請求項10】
前記第１及び第２の電極の一方が、前記第１及び第２の膜電極接合体の両方に電気的に共通である、請求項１から９のいずれか一項に記載の熱－電気コンバータ。
【請求項11】
前記第１及び第２の膜電極接合体を電気的に結合するための外部回路をさらに備える請求項１から１０のいずれか一項に記載の熱－電気コンバータ。
【請求項12】
第１の温度における前記イオン化作動流体の第１のストリームと前記第１の温度よりも低い第２の温度における前記イオン化作動流体の第２のストリームとの間に結合された請求項６に記載の熱－電気コンバータを複数備える熱－電気コンバータシステム。
【請求項13】
請求項１に記載の熱－電気コンバータをヒートポンプとして用いて発電する方法であって、前記第１の膜電極接合体を第１の温度のヒートシンクに結合するとともに、前記第２の膜電極接合体を第２の温度の熱源に結合するステップであって、前記第１の温度は前記第２の温度よりも高い、ステップと、
前記第１の膜電極接合体に電力を印加して、熱が前記第１の温度及び第１の電圧において除去されている状態で、前記イオン化作動流体を前記第２の圧力から前記第１の圧力に圧送するステップと、
前記イオン化作動流体が前記第１の圧力から前記第２の圧力に膨張するのに従って、前記第２の温度及び第２の電圧において熱がそこに供給されている状態で、前記第２の膜電極接合体から電力を取り出すステップであって、前記第１の電圧は前記第２の電圧よりも高い、ステップと、
を備える方法。
【請求項14】
外部電源を前記第２の膜電極接合体に直列接続するステップをさらに備える請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
請求項１に記載の熱－電気コンバータを熱機関として用いて発電する方法であって、前記第１の膜電極接合体を第１の温度のヒートシンクに結合するとともに、前記第２の膜電極接合体を第２の温度の熱源に結合するステップであって、前記第１の温度は前記第２の温度よりも低い、ステップと、
前記第１の膜電極接合体に電力を印加して、熱が前記第１の温度及び第１の電圧において除去されている状態で、前記イオン化作動流体を前記第２の圧力から前記第１の圧力に圧送するステップと、
前記イオン化作動流体が前記第１の圧力から前記第２の圧力に膨張するのに従って、前記第２の温度及び第２の電圧において熱がそこに供給されている状態で、前記第２の膜電極接合体から電力を取り出すステップであって、前記第２の電圧は前記第１の電圧よりも高い、ステップと、
を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０２０年８月２４日出願の米国仮特許出願第６３／０６９３８０号の優先権を主張し、その開示全体が参照によりここに取り込まれる。
本出願は、２０２０年８月２４日出願の米国仮特許出願第６３／０６９３８０号の優先権を主張し、その開示全体が参照によりここに取り込まれる。
【背景技術】
【0002】
２つの電極間に挟まれたイオン伝導膜を有する膜電極接合体（ＭＥＡ）が、多数の電気化学用途で採用されている。多くの一般的な用途は、バッテリ、燃料電池、及び水素又は酸素分離などのガス分離プロセスとなる。一般に、イオン化作動流体は流入側で酸化されることによってＭＥＡを通過し、それにより電子は原子から分離される。結果として得られるイオンは、流出側ともいわれる反対側の電極に膜を通じて伝導される。一方、電子は、反対側の電極に外部回路を通じて伝導される。イオンは、それらが流出側の電極で電子と再結合するにつれて減少する。
【0003】
イオン化作動流体を可能な限り効率的にＭＥＡに通過させることが一般に望ましい。イオン化作動流体の膜の通過に対する抵抗は、対象となる用途のほぼ全てにおいて問題となる。例えば、水素又は酸素ガス分離用途では、作動流体が膜を通過するのに従って膜にかかる圧力の低下が大きくなることは、より多くのエネルギー量及び結果としてより高いコストが、上昇した圧力において原料ガスを供給するのに必要となることを意味する。
【0004】
同様の状況が燃料電池でも起こる。多くの一般的な種類の燃料電池は、プロトン伝導膜（ＰＣＭ）を有するＭＥＡを採用するプロトン交換膜燃料電池である。この分類の燃料電池は、電極の一方に水素を、他方に酸素を供給する。水素イオンは、水素及び酸素の化学反応電位の下でＰＣＭを通じて燃料電池の酸素側に伝導される。化学反応に伴う電子は、水素電極から酸素電極に外部負荷を通じて伝導される。電子及び水素イオンは、水素を再構成し、電池の酸素側で酸素との反応を完了し、燃料電池システムから排出される水の生成をもたらす。連続電流は、燃料電池への水素及び酸素の連続供給によって維持される。
【0005】
アルカリ金属熱電気化学変換（ＡＭＴＥＣ）電池は、熱電気化学熱機関として設計されてきた。ＡＭＴＥＣ熱機関は、ナトリウムなどのイオン化作動流体を高温で電気化学電池に通過させることによって電位及び電流を生成するのに圧力を利用する。電極は、電流を外部負荷に結合する。電解質セパレータにかかる圧力差が融解ナトリウム原子を電解質に通過させるのに従って電気的作用が実行される。ナトリウムは、電解質に流入するとイオン化され、それにより電子を外部回路に放出する。電解質の他方側では、ナトリウムイオンは、バッテリ及び燃料電池タイプの電気化学電池で起こるプロセスとほぼ同様に、電解質を離れると電子と再結合してナトリウムを再構成する。低圧かつ高温の再構成されたナトリウムは、膨張ガスとして電気化学電池を離れる。
【0006】
ジョンソン熱電気化学コンバータ（ＪＴＥＣ）システム（２００３年４月２８日に出願の特許文献１に開示）も、ＭＥＡを用いて熱を電気エネルギーに変換する熱電気化学熱機関である。ＪＴＥＣは、背中合わせ構成で接続された一対のＭＥＡスタック、より具体的には水素濃淡電池を、一方を相対的に高温で他方を相対的に低温で用いる。水素は、向流型伝熱式熱交換器を介して２つのＭＥＡスタック間で機関内を循環する。ヒートシンクに結合された低温ＭＥＡスタックは機関の「電気化学圧縮機」段として機能する一方で、熱源に結合された高温ＭＥＡは機関の「電気化学膨張」段として機能する。いずれの熱力学機関とも同様に、高温で起こる膨張プロセスは、低温で起こる圧縮プロセスを進行させるのに充分な電力を生成し、外部負荷への正味の出力電力を供給する。
【0007】
しかし、この従来の機関設計は、大きな膜対電極表面積比が必要であるために、及び実用的な出力電圧レベルを実現するために大量の電池が電気的に直列接続される必要があるために、複雑となることが多い。具体的には、開回路電圧が１Ｖよりも高くなり得る従来の燃料電池とは異なり、熱電気化学熱機関では、水素圧力比によって高温ＭＥＡと低温ＭＥＡの間のネルンスト電圧の差によって生成される正味の出力電圧は、適度な高圧及び低圧動作条件において約０．１ボルトの範囲にしかならない。このように、一般的には、多数の電池が、有用な出力電圧レベルを実現するのに直列接続される必要がある。さらに、ＭＥＡ対の内部インピーダンスは、出力電力容量に大きな影響を有する。
【0008】
ＭＥＡに関連する主な効率損失は、多孔質電極に出入するガス圧力フローの損失、電極／膜界面における作動流体を酸化及び還元するのに必要な活性化エネルギー、並びに膜を介したイオン伝導に対するインピーダンスである。ガスフローに関連する圧力損失は、電極の厚さ、細孔サイズ及び細孔分布を最適化することによって対処される。活性化損失は、一般的に、固定的な材料特性である。活性化エネルギー損失を最小化する取組みは、通常は、触媒負荷及び分布並びに使用される触媒の種類を最適化することに着目する。
【0009】
用途に応じて、膜を通じるイオン伝導に対するインピーダンスは、材料特性である。膜にわたる圧力差の下で作動流体（例えば、水素ガス）の拡散は電気的出力及び効率の低下をもたらすため、効率的なエネルギー変換を実現するためには、膜が高いガス拡散障壁特性を有することが望ましい。利用される膜は、良好なイオン伝導性も有していなければならない。しかし、ＤｕＰｏｎｔ Ｃｏｒｐ．によって製造されるＮａｆｉｏｎなど、良好なイオン伝導性を有する周知かつ入手可能な膜材料の多くは、一般に非常に悪い分子拡散障壁特性を有する。低い分子拡散障壁特性は、拡散を抑制するために、より厚い膜を必要とすることになり、それは同様に、より高い伝導抵抗をもたらし、したがって自己破壊的なものとなる。逆に、高い分子拡散障壁特性を有する周知かつ入手可能な膜材料は、一般に比較的低いイオン伝導性を有し、そのような材料の使用は高いシステムインピーダンス及び関連して高い分極損失をもたらすことになる。このように、内部抵抗性分極損失を最小化しつつ、実用的な電力密度を実現するためには薄い膜が必要であり、実用的な電力レベルを実現するには大きな膜面積が必要となる。
【0010】
したがって、入手可能な高い障壁、低い伝導性の膜材料を用いて、カルノー等価サイクルに近似することができ、広範囲な熱源温度にわたって動作することができ、かつ機械的機関に関連する信頼性及び非効率性の問題を解消する熱電気化学熱機関を提供する実用的な態様に対するニーズがある。本発明の固体熱機関は、このニーズに応えるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【文献】米国特許第７１６０６３９号明細書
【発明の概要】
【0012】
一実施態様では、本発明は、イオン化作動流体と、相互に電気的に結合された第１の膜電極接合体及び第２の膜電極接合体とを備える熱－電気コンバータに関する。各膜電極接合体は、電子を伝導しかつイオン化作動流体に対して透過性である第１の電極、電子を伝導性しかつイオン化作動流体に対して透過性である第２の電極、及び第１の電極と第２の電極の間に挟まれた薄膜状電解質膜を含む。薄膜状電解質膜は、イオン化作動流体のイオンの伝導性を有し、０．０３μｍ～１０μｍの厚さを有する。各膜電極接合体の第１及び第２の電極の少なくとも一方は、非多孔質かつ高密度の金属を備える。各膜電極接合体にかかる作動流体圧力差に起因して、各膜電極接合体の第１及び第２の電極の一方は第１の圧力で作動流体に接し、各膜電極接合体の第１及び第２の電極の他方は、第１の圧力よりも低い第２の圧力で作動流体に接する。第１の膜電極接合体は作動流体を第１の圧力から第２の圧力まで膨張させるように構成され、第２の膜電極接合体は作動流体を第２の圧力から第１の圧力まで圧縮するように構成される。
【0013】
前述の実施態様によると、第１及び第２の膜電極接合体は相互に異なる温度で動作する。電力が第２の膜電極接合体に印加されて第２の膜電極接合体を通じて作動流体を高圧側に圧送し、熱がそこから除去されるので圧力差を維持し、結果として第２の膜電極接合体は第１の電圧で動作する。第１の膜電極接合体も圧力差を受け、熱がそこに供給されるので作動流体は第１の膜電極接合体を通じて低圧側に膨張し、それにより、第１の電圧とは異なる第２の電圧で動作する。
【0014】
前述の実施態様のいずれかと組み合わされ得る一実施態様では、非多孔質かつ高密度の金属が多孔質基板上に積層又は実装される。
【0015】
前述の実施態様のいずれかと組み合わされ得る一実施態様では、第１及び第２のＭＥＡの少なくとも一方の第１及び第２の電極の少なくとも一方は、作動流体がそれぞれの薄膜状電解質膜を通過するのに従って作動流体の酸化及び還元を促進するように構成された触媒を含む。
【0016】
前述の実施態様のいずれかと組み合わされ得る一実施態様では、第１及び第２のＭＥＡの少なくとも一方の第１及び第２の電極の少なくとも一方は、パラジウム又はその合金を含む。
【0017】
前述の実施態様のいずれかと組み合わされ得る一実施態様では、熱－電気コンバータは、第１のＭＥＡと第２のＭＥＡの間で第１の圧力及び第２の圧力の作動流体のフローを結合する伝熱式熱交換器をさらに備える。
【0018】
前述の実施態様のいずれかと組み合わされ得る一実施態様では、熱－電気コンバータは、管状構成を有する。
【0019】
前述の実施態様のいずれかと組み合わされ得る一実施態様では、第１及び第２のＭＥＡの各々は、管状構成を有する。
【0020】
前述の実施態様のいずれかと組み合わされ得る一実施態様では、第１及び第２のＭＥＡの各々の内部は、第１の圧力の作動流体のフローのための第１のコンジットを構成する。
【0021】
前述の実施態様のいずれかと組み合わされ得る一実施態様では、熱－電気コンバータは、第１及び第２のＭＥＡを少なくとも部分的に囲むハウジングをさらに備え、第１及び第２のＭＥＡとハウジングとの間の空間が、第２の圧力の作動流体のフローのための第２のコンジットを構成する。
【0022】
前述の実施態様のいずれかと組み合わされ得る一実施態様では、第１及び第２の電極の一方が、第１及び第２のＭＥＡの両方に電気的に共通である。
【0023】
前述の実施態様のいずれかと組み合わされ得る一実施態様では、熱－電気コンバータは、第１及び第２のＭＥＡを電気的に結合するための外部回路をさらに備える。
【0024】
前述の実施態様のいずれかと組み合わされ得る一実施態様では、本発明は複数の上述のコンバータを備える熱－電気コンバータシステムに関し、複数のコンバータは、第１の温度における作動流体の第１のストリームと第１の温度よりも低い第２の温度における作動流体の第２のストリームとの間に結合される。
【0025】
前述の実施態様のいずれかと組み合わされ得る一実施態様では、本発明は、上述の熱－電気コンバータをヒートポンプとして用いて発電する方法に関する。方法は、第１の膜電極接合体を第１の温度の熱源に結合するとともに、第２の膜電極接合体を第２の温度のヒートシンクに結合するステップであって、第１の温度は第２の温度よりも低い、ステップと、第２の膜電極接合体に電力を印加して、熱が第２の温度及び第１の電圧において除去されている状態で、作動流体を第２の圧力から第１の圧力に圧送するステップと、作動流体が第１の圧力から第２の圧力に膨張するのに従って、第１の温度及び第２の電圧において熱がそこに供給されている状態で、第１の膜電極接合体から電力を取り出すステップであって、第１の電圧は第２の電圧よりも高い、ステップと、を備える。
【0026】
前述の実施態様と組み合わされ得る一実施態様では、方法は、外部電源を第１の膜電極接合体に直列接続するステップをさらに備える。
【0027】
前述の実施態様のいずれかと組み合わされ得る一実施態様では、本発明は、上述の熱－電気コンバータを熱機関として用いて発電する方法に関する。方法は、第１の膜電極接合体を第１の温度の熱源に結合するとともに、第２の膜電極接合体を第２の温度のヒートシンクに結合するステップであって、第１の温度は第２の温度よりも高い、ステップと、第２の膜電極接合体に電力を印加して、熱が第２の温度及び第１の電圧において除去されている状態で、作動流体を第２の圧力から第１の圧力に圧送するステップと、作動流体が第１の圧力から第２の圧力に膨張するのに従って、第１の温度及び第２の電圧において熱がそこに供給されている状態で、第１の膜電極接合体から電力を取り出すステップであって、第２の電圧は第１の電圧よりも高い、ステップと、を備える。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】本発明の一実施形態に係る、２つの薄膜状膜電極接合体を含む熱電気化学コンバータの断面図である。
【図2】本発明の実施形態に係る、コンバータの薄膜状膜電極接合体の電極としての使用に適した幾つかの金属の水素透過率のグラフ表示である。
【図3】幾つかの市販の水素透過性金属合金を特定する表である。
【図4】本発明の他の実施形態に係る、２つの薄膜状膜電極接合体を含む熱電気化学コンバータの断面図である。
【図6】本発明の他の実施形態に係る、高温作動流体フローストリームと低温作動流体フローストリームの間で動作する複数の熱－電気コンバータ管を示す。
【図7】本発明の実施形態に係る、イオン伝導膜を形成する電解質材料としての使用に適した幾つかの例示のプロトン伝導材料のグラフ表示である。
【発明を実施するための形態】
【0029】
本発明の好適な実施形態の以下の詳細な説明は、添付図面との関連で読まれると、より深く理解されることになる。本発明を説明する目的のため、現在好適な実施形態が図面に示される。ただし、本発明は、図示する厳密な構成及び手段に限定されないことが理解される。
【0030】
以下の説明において、特定の専門用語が、説明の便宜のみで使用され、これは限定ではない。文言「近位」、「遠位」、「上向き／上方」、「下向き／下方」、「底」及び「上」は、参照される図面における方向を指定する。文言「内向き／内側」及び「外向き／外側」は、それぞれ、本発明によると、デバイス及びその指定部分の幾何中心に向かう方向及びそこから離れる方向をいう。ここに特に断りがない限り、用語「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は１つの要素に限定されず、「少なくとも１つ」を意味するものとして読まれるべきである。用語は、上記文言、その派生語及び類義語を含む。「第１」、「第２」などのような用語は明瞭化の目的のみで与えられることも理解されるはずである。これらの用語によって特定される要素又は構成要素及びその動作は、容易に入れ替えられ得る。
【0031】
本発明は、概略として、特に熱電気化学コンバータでの使用のための改良された薄膜状膜電極接合体に関する。より具体的には、本発明は、イオン化作動流体と、薄膜状電解質層及び少なくとも１つの電極、より好ましくは薄膜状電解質層を挟む一対の電極からなるＭＥＡを含む少なくとも１つの電気化学濃淡電池と、を有する熱電気化学コンバータに関する。
【0032】
図１を参照すると、本発明の一実施形態に係るコンバータ１００が示される。コンバータ１００は、第１の電気化学電池９及び第２の電気化学電池１１を含む。各電池９、１１は、２つの電極間に挟まれたイオン伝導膜を備えるイオン伝導性ＭＥＡを含む。より具体的には、第１の電気化学電池９は第１のＭＥＡ４０を備え、第２の電気化学電池１１は第２のＭＥＡ４２を備える。第１及び第２のＭＥＡ４０、４２はいずれも、略管状構造を有し、さらに詳細に後述する電極及びその膜が管状構成を有することを意味する。当業者には、各電池が２以上のＭＥＡを備えてもよく、ＭＥＡは管状構成を有さなくてもよいことが理解されるはずである。図１のコンバータ１００では、第１の電気化学電池９はヒートシンクＱＬに結合され、第２の電気化学電池１１は熱源ＱＨに結合される。ヒートシンクＱＬ及び熱源ＱＨは、より詳細に後述するように、異なる温度にある。
【0033】
第１の電気化学電池９の第１のＭＥＡ４０は、第１の電極５と第２の電極１０の間に位置する膜６を備える。第２の電気化学電池１１の第２のＭＥＡ４２は、第１の電極５と第２の電極１４の間に位置する膜８を備える。膜６、８及び電極５、１０、１４は全て、管状構成を有する（断面図が図１に示される）。
【0034】
各膜６、８は、イオン伝導膜である。より好ましくは、各膜６、８は、薄膜状電解質層の形態、最も好ましくは高密度の薄膜状電解質層の形態である。好ましくは、各薄膜状電解質膜６、８は、１０μｍ未満、より好ましくは０．０３μｍ～１０μｍの厚さを有する。好ましくは、各薄膜状電解質膜６、８は、作動流体のイオンの伝導性を有する。より具体的には、高密度の薄膜状電解質層（膜）６、８は、好ましくは非多孔質であり、作動流体のイオンの伝導性を有するが、作動流体の非イオン化成分に対しては実質的に非透過性である。したがって、イオン伝導性の膜６、８は、イオン化されていない作動流体の、それを介する拡散を制限する。比較的低いイオン伝導性を有する電解質材料を用いる場合でも、各ＭＥＡ４０、４２の薄膜状電解質構造によって、熱電気化学コンバータ１００が高い電力密度を実現することが可能となる。
【0035】
図７を参照すると、本発明においてイオン伝導膜を形成する電解質材料としての使用に適した種々の例示のプロトン伝導材料が示される。図７に示すこれらの材料は、水素が作動流体として利用される使用に特に適する。図７に与えられるデータに基づいて、最適な材料が、膜の目標動作温度に対して伝導性を最大化することに主に基づいて所与の用途のために選択され得る。図７の好適な膜／電解質材料の幾つかは酸化物である。図７の好適な膜／電解質材料は、スパッタリング又は他の物理的堆積法による用途に適する。ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）は、好適なポリマーであり、したがって射出又は他のポリマーコーティング技術によって塗布され得る。
【0036】
第１の電極５及び第２の電極１０、１４は、好ましくは電子の伝導性を有し、イオン化作動流体に対して透過性がある。電極５、１０、１４の透過性は非多孔質電極材料を通じた原子若しくは分子拡散によるものであってもよいし、又は電極５、１０、１４が多孔性に起因して透過性であってもよい。一実施形態では、電極５、１０、１４の少なくとも１つは、電子の伝導性を促進する１以上の添加物及び／又は所望の電気化学反応を促進する１以上の触媒を含み得る。
【0037】
好ましくは、ＭＥＡ４０の第１の電極５及び第２の電極１０の少なくとも一方並びにＭＥＡ４２の第１の電極５及び第２の電極１４の少なくとも一方は、非多孔質金属を含み、より好ましくは非多孔質かつ高密度の金属を含む。より好ましくは、両ＭＥＡ４０、４２の両電極５、１０及び５、１４は、非多孔質金属を含み、より好ましくは非多孔質かつ高密度の金属を含む。好適な実施形態では、電極５、１０、１４の少なくとも１つ、より好ましくは電極５、１０、１４の全てが、薄膜状電解質層６、８のための支持材として固体非多孔質金属又はナノ多孔質材料を含む。
【0038】
より具体的には、一実施形態では、電極５、１０、１４の少なくとも１つが、薄膜状電解質がナノ多孔質材料に直接支持された状態で、ナノ多孔質材料に機械的支持を与える基板上に実装又はコーティングされたナノ多孔質材料を含み、それによりナノ多孔質電極を形成する。一実施形態では、基板は多孔質基板である。ナノ多孔質電極は、好ましくは０．０３μｍ～１０μｍの厚さを有する薄膜状電解質コーティングのための基板として機能するのに充分な表面平滑度を有する。このような電極は、例えば、マイクロ多孔質カーボン又はナノ多孔質カーボンで構成され得る。このマイクロ多孔質又はナノ多孔質カーボン電極及びこれらがどのようにして形成されるのかの例は、Ｗａｎｇ他の米国特許第９０４６７８４号、Ｙａｏ他の米国特許第６６３２８４９号、及びＫｏｎｄｙｕｒｉｎ他による刊行物、タイトル「Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ Ｃａｒｂｏｎｉｚｅｄ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ Ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ Ｐｌａｓｍａ Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ Ｉｏｎ Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｌｏｃｋ－Ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ」（１５５～１６０頁）、Ｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ Ｒｅｃｏｒｄ ｏｎｌｉｎｅ：２００７年１０月２９日｜ＤＯＩ：１０．１００２／ｐｐａｐ．２００７００１１１に開示されている。基板は、例えば、シリコンシート、ガラスシート又は金属シートであり得る。
【0039】
他の実施形態では、電極５、１０、１４の少なくとも１つは、非多孔質材料に機械的支持を与える基板上に実装された非多孔質材料を含み、それにより、薄膜状電解質が非多孔質材料に支持された非多孔質電極を形成する。一実施形態では、基板は、多孔質基板である。好ましくは、電極５、１０、１４の少なくとも１つは、多孔質電極基板上に実装された非多孔質金属材料を含み、それにより、薄膜状電解質が非多孔質金属材料に支持された非多孔質金属電極を形成する。より具体的には、電極５、１０、１４の少なくとも１つは、多孔質基板上に支持された、作動流体に対して透過性の、薄い非多孔質金属膜を備え得る。
【0040】
あるいは、電極５、１０、１４の少なくとも１つは、作動流体に対して透過性の高密度の自己支持金属シート又は箔を備える。
【0041】
一実施形態では、各多孔質電極５、１０、１４は、任意選択的に、電解質膜６、８との界面において金属基板の表面上に作動流体透過性高密度金属コーティングを含んでいてもよい。高密度金属コーティングは、作動流体が電解質膜６、８に流入及び流出するのに従って酸化及び還元を促進する触媒を含んでいてもよい。また、金属コーティングは、多孔質陽極酸化アルミニウム（ＳｉｇｍａＡｌｄｒｉｃｈ、米国、で入手可能なＷｈａｔｍａｎ Ａｎｏｄｉｓｃ（登録商標））などの導電性若しくは非導電性の多孔質基板又はニッケルフォームなどの導電性材料によって支持されてもよい。
【0042】
特に作動流体に対して透過性の金属合金及び積層体は、電極５、１０、１４を形成するのに好適である。図２を参照すると、本発明の電極５、１０、１４としての使用に適し得る幾つかの様々な金属が示される。より具体的には、図２は、幾つかの金属の水素透過性を示す。パラジウム及びパラジウム合金は、特に水素が作動流体である場合に好適である。パラジウムよりも高い透過性を有する多数の金属が存在するが、それらの他の材料は、水素環境に置かれる場合に脆化に起因して作用しなくなる傾向にある。一方、パラジウムは、安定したままであり、水素反応を促進するための触媒特性を有する。パラジウムはまた、薄い電解質コーティングに適した触媒支持基板として確立されている。ただし、陰極を備えて流入水素分子を触媒することに加えて、パラジウムは、電解質界面において電解質の還元反応も触媒する。したがって、パラジウムと電解質の間の低反応性界面層を含むことが有益であることが分かっている。
【0043】
例えば、６００ｎｍの厚さのＮｉ層を有するＮｉ／Ｐｄ箔は、４００℃において、約５×１０－９ｍｏｌ ｓ－１ｍ－１Ｐａ－０．５の水素透過率を示し、それは純粋Ｐｄ箔の透過性の半分である。この値は、燃料電池における少なくとも２Ａｃｍ２の外部電流を与えるのに充分である。「Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｎａｎｏｍｅｔｅｒ－Ｔｈｉｃｋ Ｍｅｍｂｒａｎｅ ｏｆ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ」（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ、１５８（８）Ｂ８６６－Ｂ８７０（２０１１）００１３－４６５１／２０１１／１５８（８）／Ｂ８６６／５、Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ）が参照される。
【0044】
燃料電池用途のための固体金属電極の使用に向けた取組みは、水素分離／生成用途のための膜の開発に向けて行われる広範な研究と比較して非常に制限されてきた。図３は、Ｙｉｎ他「Ａ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｎ ｔｈｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｉｏｍａｓｓ－Ｄｅｒｉｖｅｄ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｕｓｉｎｇ Ｅｍｅｒｇｉｎｇ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ」、Ｃａｔａｌｙｓｔ（２０１７年１０月６日）を出典として、幾つかの市販の水素透過性金属合金を列挙する。銀及び／又は他の合金化金属の添加は、パラジウムベースの膜の機械的強度及び安定性を向上する。例えば、銀をパラジウムに合金化することによって、膜の透過性が純粋なＰｄ膜と比較して５倍まで高まり得る。田中他「Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ Ｏｆ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ Ｕｌｔｒａ－Ｔｈｉｎ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ １μｍ）Ｐｄ－Ａｇ Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ」（Ｄ．Ａ．Ｐ．Ｊ．Ｍｅｍｂｒ．Ｓｃｉ．２０１７、５２８、１２－２３）によって行われた一研究は、同時ＥＬＰ法によって生成された超薄型（約１μｍ）のＰｄ－Ａｇ膜を分析し、その膜は４００℃において９．０～９．４×１０－６ｍｏｌ．ｍ－２ｓ－１Ｐａ－１のＨ２浸透率及び３３００～２０００のＨ２／Ｎ２選択率を有することが分かった。
【0045】
各ＭＥＡ４０、４２は、電解質材料の薄膜状コーティングを、作動流体に対して透過性の電極上に塗布することによって構成され得る。例えば、薄膜状電解質層、すなわち、膜６、８は、スパッタ蒸着、レーザアブレーション、化学気相蒸着又は任意の他の周知の薄膜状堆積技術によって第１の電極上にコーティングされてもよい。薄膜状電解質層、すなわち、膜６、８はまた、電解質材料のナノ粒子スラリーを用いたスピンコーティングによって、ゾルゲルによって又は原子層堆積技術によっても第１の電極上に塗布され得る。ポリマーベースの電解質膜について、インクジェット印刷、溶媒キャスティング又はスピンコーティングは、薄膜状電解質膜６、８を形成するのに使用され得る周知の塗布技術の一部である。電極５、１０、１４の１つに対する薄膜状電解質膜６、８の形成後に、他方の電極５、１０、１４が、ＭＥＡ４０、４２を完成するために薄膜状電解質膜６、８の上部に塗布される。一実施形態では、ＭＥＡ４０、４２の電極５、１０、１４の一方又は両方は、電極－電解質界面における作動流体の酸化及び還元を促進するために触媒材料を含んでいてもよく、あるいは、電極自体の材料がこれらの反応を促進するように触媒的であってもよい。
【0046】
一実施形態では、第２の電極が薄膜状電解質膜６、８の上部に塗布された後に、接合構造体は管状構成のＭＥＡ４０、４２を形成するように折り曲げられ又は巻かれてもよい。
【0047】
好適な一実施形態では、作動流体は、気体の形態である。好適な一実施形態では、作動流体は水素である。このように、各濃淡電池９、１１は、電子の伝導性がありかつ水素に対して透過性の２つの電極間に挟まれたプロトン伝導性の電解質材料からなるＭＥＡ４０、４２を含む。水素が作動流体であるコンバータについて、各ＭＥＡの電極のための適切な高い透過性の金属は、これらに限定されないが、パラジウム、ニオビウム、イットリウム、タンタル並びに銀及び／又は銅との合金を含むこれらの合金を含む。各ＭＥＡのプロトン伝導性の電解質材料は、２つの水素透過性電極間に挟まれた０．０３μｍ～１０μｍの厚さを有する薄膜状の膜の形態である。
【0048】
ここに与えられる開示は、作動流体の例として水素を主に用いる。ただし、当業者には、本発明は作動流体として水素に限定されるものではないことが理解されるはずである。実際に、ここに記載する原理は、他のイオン化作動流体に同様に当てはまる。
【0049】
図１の実施形態では、コンバータ１００は、コンバータ１００のＭＥＡも略管状構造を有するように、管状構造を有する。ただし、当業者には、本発明は、ＭＥＡがそのように構成されなくてもよいことが理解されるはずである。例えば、ＭＥＡは、平坦な層状構造を有し及び／又は積層構造で配置されてもよい。ただし、ここに与えられる説明は、管状構成のコンバータに着目する。
【0050】
図１の実施形態では、第１の電極５は、第１の電気化学電池９のＭＥＡ４０から第２の電気化学電池１１のＭＥＡ４２に延在する。このように、図１の実施形態では、第１の電極５は、第１及び第２の電気化学電池９、１１の双方のＭＥＡ４０、４２に対して共通であり、より具体的には電気的に共通である。上記のように、ＭＥＡ４０、４２の第１の電極５は、通路、すなわち、コンジット５０が管状電極５の内部に形成され、第１の電気化学電池９と第２の電気化学電池１１の間に延在するように、管状形態を有する。このコンジット５０の遠位端は、プラグ７によって閉じられている。より具体的には、ＭＥＡ４０、４２の第１の電極５及びプラグ７はともに、第１の電気化学電池９と第２の電気化学電池１１の間で作動流体フローを結合する閉コンジット５０を画定する。
【0051】
ＭＥＡ４０、４２は、外側ハウジングに、好ましくは管状の外側ハウジング２４に少なくとも部分的に内包され又は囲まれる。封止リング１２が、ＭＥＡ４０、４２と外側ハウジング２４の間を気密又はほぼ気密な封止を確保するように任意選択的に設けられてもよい。コンジット５０は、外側エンクロージャ（外側ハウジング）２４の長さの範囲内に位置し、又はそれを横断する。このように、外側ハウジング２４は、コンジット５０内の第１の、すなわち、内側チャンバ、及びコンジット５０を囲む第２の、すなわち、外側チャンバといった独立したチャンバに分割される。このように、外側チャンバは、実質的に第２のコンジット５２となる。第１のコンジット５０は第１の電極５と直接に接し、一方で第２のコンジット５２は第１の電池９のＭＥＡ４０の第２の電極１０及び第２の電池１１のＭＥＡ４２の第２の電極１４と直接に接している。
【0052】
一実施形態では、第１及び第２のコンジット５０、５２は、第１のコンジット５０が第２のコンジット５２に内包された同心配置を有する。第２のコンジット５２はまた、第１の電気化学電池９と第２の電気化学電池１１の間で作動流体フローを結合する。図１及び４に示すように、第１及び第２の電気化学電池９、１１並びに実際にはコンバータ１００の全体は、特に同心管状のコンジット５０、５２との同心管状構造体として構成され得る。同心管状構造体は、閉込め圧力応力が主に引張り及び圧縮であることによって最小の壁厚の使用が可能となることで有利である。
【0053】
コンバータ１００は、各ＭＥＡ４０、４２の一方の電極が相対的に低圧状態に維持され、各ＭＥＡ４０、４２の他方の電極が相対的に高圧状態に維持されるように構成される。当業者には、用語「高圧」及び「高濃度」は、作動流体に関してここでは互換可能に使用されることが理解されるはずである。当業者には、用語「低圧」及び「低濃度」も、作動流体に関してここでは互換可能に使用されることも理解されるはずである。好ましくは、２つの電気化学濃淡電池９、１１の高濃度（すなわち、高圧）側は、高圧コンジット（すなわち、相対的に高圧に維持されたコンジット）によって相互に接続され、２つの電気化学濃淡電池９、１１の低濃度（すなわち、低圧）側は、低圧コンジット（すなわち、相対的に低圧に維持されたコンジット）によって相互に結合される。
【0054】
より具体的には、図１のコンバータ１００では、ＭＥＡ４０、４２の第１の電極５は相対的に高圧状態に維持されるので、コンバータ１００の高圧側を構成する。したがって、第１のコンジット５０は、第１の電気化学電池９と第２の電気化学電池１１の間で高圧状態の作動流体フローを結合する。ＭＥＡ４０、４２の第２の電極１０、１４は相対的に低圧状態に維持されるので、コンバータ１００の低圧側を構成する。したがって、第２のコンジット５２は、第１の電気化学電池９と第２の電気化学電池１１の間で低圧状態の作動流体フローを結合する。
【0055】
図１を参照すると、コンバータ１００の中央部分２８は、２つの電気化学電池９、１１間で作動流体フローを接続する伝熱式熱交換器として機能する。図１の実施形態のコンバータ１００の中央部分２８では、障壁層、すなわち、コーティング２６が、中央部分２８に及ぶ電極５の外部長（すなわち、第１の電池９と第２の電池１１の間の領域）にわたって設けられる。障壁コーティング２６は、中央部分２８領域における電極５の水素透過性材料を通じた水素透過を防止する。
【0056】
あるいは、図４に示すように、電池９、１１は、電気的に共通の電極５を有していなくてもよい。図４のコンバータ１００´及びその動作は、以下の態様を除いて、図１のコンバータ１００のものと同一である。各ＭＥＡ４０、４２は、別個の電極を含む。したがって、第１の電気化学電池９のＭＥＡ４０は第１の電極５５と第２の電極１０の間に挟まれた膜６を備え、第２の電気化学電池１１のＭＥＡ４２は第１の電極６５と第２の電極１４の間に挟まれた膜８を備え、第１の電極５５及び６５は相互に別個独立である。中央部分２８´では、管状部材２７が、第１の電極５５、６５間に設けられて延在する。管状部材２７は、好ましくは、作動流体に対して透過性ではない材料からなる。より具体的には、管状部材２７は、好ましくは、伝熱を適応させる一方で、電気化学反応を受けることなく、高圧状態から低圧状態への作動流体の受動拡散を防止する。したがって、図４の実施形態では、コンジット５０は、管状部材２７、第１の電池９のＭＥＡ４０の第１の電極５５、及び第２の電池１１のＭＥＡ４２の第１の電極６５の全体内部に形成される。
【0057】
図１を参照すると、電気化学濃淡電池９、１１の一方は、例えば、熱源ＱＨへの接続によって昇温時に入力される熱を受け、イオン化作動流体を高濃度又は高圧から低濃度又は低圧まで膨張させることによって熱を電力に変換するように動作し、膨張は電池のネルンスト電位の下で行われる。この電池をここでは「高温電池」又は「高温ＭＥＡ」という。他方の電気化学濃淡電池９、１１は、好ましくはヒートシンクＱＬに接続され、電力入力に対してイオン化作動流体を圧送及び圧縮して低濃度又は低圧から高濃度又は高圧に戻すように動作し、圧縮は電池のネルンスト電位を超える印加電圧下で行われる。電力は、圧縮プロセスによって消費され、圧縮の熱は排除される。この電池をここでは「低温電池」又は「低温ＭＥＡ」という。
【0058】
より具体的には、一実施形態では、ＭＥＡ４０、４２は熱機関の一部として動作し、第２の電池１１のＭＥＡ４２が結合される熱源ＱＨは、好ましくは、第１の電池９のＭＥＡ４０が結合されるヒートシンクＱＬの温度に対して昇温している。このように、高温ＭＥＡ４２は、低温ＭＥＡ４０よりも高いネルンスト電圧を有する。機関（コンバータ）１００の動作は、作動流体が低温濃淡電池９においてＭＥＡ４０の低圧電極１０から高圧電極５に圧縮されるというものである。そして、圧縮された作動流体は、高圧コンジット５０によって、高温濃淡電池１１のＭＥＡ４２の高圧電極５に供給される。作動流体は、それが薄膜状電解質膜８を高圧電極５から低圧電極１４に通過するのに従って、高温電池１１のＭＥＡ４２を通じて膨張される。続いて、作動流体は、低圧コンジット５２によって供給されて低温濃淡電池９の低圧電極１０に戻される。高温ＭＥＡ４２によって生成された電圧は、低温ＭＥＡ４０のネルンスト電圧を上回り、直列接続された外部負荷３４に給電するのに充分な電圧が残されるほどに高い。
【0059】
より具体的には、図１及び４のコンバータ１００、１００´は、以下のように熱機関として動作する。低圧低温状態１から開始し、電気エネルギーが低温ＭＥＡ４０に供給されて、ＭＥＡ４０にわたる作動流体フロー１６を低圧低温状態１から高圧低温状態２まで圧送する。作動流体の温度は、圧縮プロセス中に熱ＱＬをプロトン伝導膜６から除去することによってほぼ一定に維持される。好ましくは１０μｍ未満の厚さの薄い膜６は、大きな温度勾配に対応しないため、充分な熱が膜６及びその基板に伝達されることを条件として、プロセスについてのほぼ等温の前提は有効である。高圧低温状態２から、作動流体は、フロー１８として伝熱式向流型熱交換器（すなわち、中央部分２８）を通過し、ここでそれが略一定圧力下で加熱されて高圧高温状態３となり、そして高温ＭＥＡ４２に流れる。作動流体の温度を高圧低温状態２から高圧高温状態３まで上昇させるのに必要な熱３０は、熱交換器において反対方向に流れる作動流体フロー２０から伝達される。より具体的には、中央部分２８は、高温ＭＥＡ４２を離れてコンジット５２内を流れる作動流体フロー２０からの熱３０を、コンジット５０内で高温ＭＥＡ４２に移動する作動流体フロー１８に結合するように作用する。高温ＭＥＡ４２において、作動流体フロー２２がＭＥＡ４２にわたって移動して高圧高温状態３から低圧高温状態４に膨張するのに従って電力が生成される。作動流体が膨張するのに従って、ほぼ一定温度を維持するようにＭＥＡ４２に熱ＱＨが供給される。低圧高温状態４から低圧低温状態１に切り換わるために、作動流体フロー２０は伝熱式熱交換器（すなわち、中央部分２８）を通じて流れ、ここでその温度は高圧低温状態２から高圧高温状態３を通る作動流体フロー１８への伝熱によって定圧プロセスにおいて低減される。このサイクルは、作動流体が低圧から高圧に低温ＭＥＡ４０によって圧送されるのに従って継続する。
【0060】
コンバータ１００、１００´の動作時に、作動流体は、そのネルンスト電位を上回るのに充分な電圧において電流を供給することによって低温電気化学電池９内で圧縮され、それにより、作動流体を膜６の低圧側から高圧側に移動させる。一方、作動流体は、電流（電力）がそのネルンスト電位下で取り出されるのに従って高温電気化学電池１１内で膨張する。高温電気化学電池１１では、電流のフローは、作動流体が膜８の高圧側から低圧側に膨張するのに従って生成される。作動流体を採用して圧縮性ガスの性質に従ういずれの熱力学機関とも同様に、コンバータ１００では、低温圧縮に必要な仕事（電気）入力よりも多くの仕事量（電気）が、高温膨張時に引き出される。コンバータ１００が高温膨張時に一定温度を維持するのに入力される熱エネルギーと、低温圧縮時に一定温度を維持するために除去される熱エネルギーとの差は、高温膨張プロセスによって出力される電気エネルギーと、低温圧縮プロセスによって消費される電気エネルギーの差として与えられる。
【0061】
ネルンストの式に従うと、高温電気化学電池１１は、低温電気化学電池９よりも高い電圧を有することになる。電流（Ｉ）は両電池を通じて同じであるので、電圧差は、高温電気化学電池１１における作動流体の膨張を通じて生成される電力が低温電気化学電池９のものよりも高いことを意味する。高温電気化学電池１１によって出力される電力（ＶＨＴ＊Ｉ）は、低温電気化学電池９における圧縮プロセス（ＶＬＴ＊Ｉ）を進行させ、正味の電力出力（（ＶＨＴ＊Ｉ）－（ＶＬＴ＊Ｉ））を外部負荷３４に供給するのに充分である。この電圧差は、コンバータ１００の動作の基礎を与える。
【0062】
ＭＥＡ４０、４２がヒートポンプ用途の一部として動作する他の実施形態では、第２の電池１１のＭＥＡ４２が結合される熱源ＱＨは、第１の電池９のＭＥＡ４０が結合されるヒートシンクＱＬに対して低温となる。したがって、作動流体は、膨張熱が低温の熱源ＱＨから引き出されるのに従って熱源ＱＨに結合されたＭＥＡ４２において低温で膨張される。作動流体は、ヒートシンクＱＬに結合されたＭＥＡ４０において高温で圧縮され、圧縮熱は昇温時に排除される。その低い動作温度のために、低温膨張ＭＥＡ４２は、高温圧縮ＭＥＡ４０のネルンスト電圧未満のネルンスト電圧を生成する。したがって、外部電源は、高温ＭＥＡ４０のネルンスト電位を上回るほどに高い合成電圧を与え、それにより圧縮プロセスをそこで進行させるために、低温ＭＥＡ４２に直列接続される。
【0063】
図５Ａ～５Ｂは、管状構造体として構成されたコンバータ１００の端面図を示す。管状構造のコンバータ１００は、発電機として又はヒートポンプとして熱輸送のための能動ヒートパイプとして機能することを訴求している。このように、コンバータ１００は、比較的小径の管状構造体を有して構成され、それにより、複数の管が、図６に示すように、熱源とヒートシンクの間の熱を伝達するのに使用される「ヒートパイプ」のバンクに類似する構造体を形成するように配置され得る。
【0064】
より具体的には、図６を参照すると、高温作動流体フローストリーム３２（すなわち、熱源）と低温作動流体フローストリーム３０（熱、すなわち、ヒートシンク）の間に結合された熱－電気コンバータ管のバンクが示される。作動流体の膨張のための高温ＭＥＡ４２が高温作動流体フローストリーム３２に露出されてそれによって加熱され、作動流体の圧縮のための低温ＭＥＡ４０が低温作動流体フローストリーム３０に露出されてそれによって冷却される。高温及び低温作動流体フローストリーム３２、３０は、それぞれの低温ＭＥＡ４０とそれぞれの高温ＭＥＡ４２との間でその同心管内の各コンバータ管結合フローの個々の熱交換器（中央部分２８）内の作動流体フローとして、伝熱式熱交換器部分３８によって相互に隔離される。
【0065】
上述の実施形態に対してその広範な発明の概念から逸脱することなく変更がなされ得ることが、当業者であれば分かるはずである。したがって、本発明は開示した特定の実施形態に限定されず、後続の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の主旨及び範囲内の変形例を包含するものであることが理解される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
