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發(fā)明背景

可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)熱能或化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化，或反之亦然。例如，已知的電化學(xué)電池或電池組(battery)依靠化學(xué)反應(yīng)，其中被氧化的反應(yīng)物的離子和電子通過(guò)單獨(dú)的路徑被轉(zhuǎn)移到被還原的反應(yīng)物。具體地，電子通過(guò)布線經(jīng)外部負(fù)載作電傳輸，它們?cè)谄渲袌?zhí)行工作，并且離子通過(guò)電解質(zhì)隔膜傳導(dǎo)。

然而，電池組型電化學(xué)電池僅能產(chǎn)生有限的能量，因?yàn)殡姵赝鈿さ南拗葡拗屏似渲锌赡馨目捎梅磻?yīng)物的量。雖然這種電池可以被設(shè)計(jì)為通過(guò)在電極上施加反極性電流/電壓來(lái)再充電，但是這種再充電需要單獨(dú)的電源。此外，在再充電過(guò)程期間，電池通常不可用。

已經(jīng)開(kāi)發(fā)了燃料電池以試圖克服與電池組型電化學(xué)電池相關(guān)的問(wèn)題。在常規(guī)燃料電池中，化學(xué)反應(yīng)物被連續(xù)地供應(yīng)到電化學(xué)電池并從電化學(xué)電池移除。以類(lèi)似于電池的方式，燃料電池通過(guò)使電離物質(zhì)通過(guò)選擇性電解質(zhì)來(lái)起作用，該選擇性電解質(zhì)通常阻斷電子和非電離物質(zhì)的通過(guò)。

最常見(jiàn)類(lèi)型的燃料電池是氫-氧燃料電池，其使氫穿過(guò)電極之一并且使氧穿過(guò)另一電極。氫離子在氫和氧的化學(xué)反應(yīng)電位下通過(guò)電解質(zhì)隔膜傳導(dǎo)到電池的氧側(cè)。在電解質(zhì)隔板的任一側(cè)上的多孔電極用于將參與化學(xué)反應(yīng)的電子經(jīng)由外部電路耦合到外部回路。電子和氫離子重新構(gòu)成氫并完成反應(yīng)，而電池氧側(cè)的氧導(dǎo)致產(chǎn)生從系統(tǒng)中排出的水。通過(guò)向電池連續(xù)供應(yīng)氫和氧來(lái)維持連續(xù)電流。

機(jī)械熱力發(fā)動(dòng)機(jī)也被設(shè)計(jì)并用于產(chǎn)生電力。這種機(jī)械熱機(jī)以熱力循環(huán)操作，其中使用活塞或渦輪機(jī)作軸功以壓縮工作流體。壓縮過(guò)程在低溫下進(jìn)行，并且在壓縮之后，工作流體升高到更高的溫度。在高溫下，允許工作流體相對(duì)于諸如活塞或渦輪機(jī)的負(fù)載膨脹，從而產(chǎn)生軸功。采用工作流體的所有發(fā)動(dòng)機(jī)的操作的關(guān)鍵是在低溫下壓縮工作流體所需的功要低于在高溫下膨脹工作流體所產(chǎn)生的功。這是使用工作流體的所有熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的情況。

例如，蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)在蘭金熱力循環(huán)上操作，其中水被泵到高壓，然后被加熱成蒸汽并通過(guò)活塞或渦輪膨脹以作功。內(nèi)燃機(jī)在奧托循環(huán)上運(yùn)行，其中低溫環(huán)境空氣被活塞壓縮，然后通過(guò)汽缸內(nèi)的燃料燃燒加熱到非常高的溫度。隨著循環(huán)繼續(xù)，受熱空氣對(duì)活塞的膨脹產(chǎn)生比在較低溫度壓縮過(guò)程期間消耗的更多的功。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)被開(kāi)發(fā)以在斯特林循環(huán)上操作，試圖提供具有高效率并且在熱源的選擇中提供更多通用性的發(fā)動(dòng)機(jī)。理想的斯特林熱力循環(huán)具有與理想的卡諾循環(huán)相同的效率，其確定了在高溫下的熱輸入和低溫下的排熱操作的發(fā)動(dòng)機(jī)的理論最大效率。然而，與所有機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)遭受與其機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件相關(guān)的可靠性問(wèn)題和效率損失。

為了避免機(jī)械熱機(jī)所固有的問(wèn)題，堿金屬熱-電化學(xué)轉(zhuǎn)化(AMTEC)電池已被設(shè)計(jì)為熱電化學(xué)熱引擎。AMTEC熱發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)在高溫下迫使可電離的工作流體(例如鈉)通過(guò)電化學(xué)電池而利用壓力來(lái)產(chǎn)生電壓電位和電流。電極將電流耦合到外部負(fù)載。當(dāng)電解質(zhì)隔膜兩端的壓力差迫使熔融的鈉原子通過(guò)電解質(zhì)時(shí)，作電功。鈉在進(jìn)入電解質(zhì)時(shí)被電離，從而將電子釋放到外部電路。在電解質(zhì)的另一側(cè)，鈉離子與電子重新結(jié)合以在離開(kāi)電解質(zhì)時(shí)重建鈉，這種方式與在電池和燃料電池型電化學(xué)電池中發(fā)生的過(guò)程大致相同。處于低壓和高溫的重構(gòu)鈉作為膨脹氣體離開(kāi)電化學(xué)電池。然后將氣體冷卻并冷凝回液體狀態(tài)。然后將所得的低溫液體再加壓。AMTEC發(fā)動(dòng)機(jī)的操作接近蘭金熱力循環(huán)。

有許多關(guān)于AMTEC技術(shù)的出版物。參見(jiàn)，例如，用于100t/d垃圾處理發(fā)電設(shè)施的AMTEC示范系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)(Conceptual design of AMTEC demonstrative system for 100t/d garbage disposal power generating facility)，Qiuya Ni等。(中國(guó)科學(xué)院，電氣工程學(xué)院，北京，中國(guó))。另一個(gè)代表性出版物是學(xué)會(huì)間能量轉(zhuǎn)換工程會(huì)議文集和展覽(Intersociety Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit,IECEC)，第35屆，拉斯維加斯，內(nèi)華達(dá)州(2000年7月24-28日)，技術(shù)論文集。卷.2(A00-37701 10-44)。另見(jiàn)美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)，190頁(yè)，1295-1299。報(bào)告編號(hào)-AIAA論文2000-3032。

AMTEC熱機(jī)由于堿金屬工作流體的高度腐蝕性質(zhì)而遭受可靠性問(wèn)題。

AMTEC發(fā)動(dòng)機(jī)的效用非常有限。具體來(lái)說(shuō)，AMTEC發(fā)動(dòng)機(jī)只能在非常高的溫度下操作，因?yàn)殡x子導(dǎo)電固體電解質(zhì)僅在高溫下才實(shí)現(xiàn)實(shí)際的導(dǎo)電性水平。事實(shí)上，即使低溫加壓過(guò)程必須在相對(duì)高的溫度下發(fā)生，因?yàn)閴A金屬工作流體在其移動(dòng)通過(guò)循環(huán)時(shí)必須全程保持高于其熔融溫度。機(jī)械泵和甚至磁流體動(dòng)力泵已經(jīng)用于對(duì)低溫工作流體加壓。

為了克服常規(guī)機(jī)械和熱電化學(xué)熱機(jī)的上述缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了Johnson熱-電化學(xué)轉(zhuǎn)換器(JTEC)系統(tǒng)(公開(kāi)在2003年4月28日提交的美國(guó)專(zhuān)利第7,160,639號(hào)中)。參照?qǐng)D2，示出了典型的JTEC系統(tǒng)(電連接未示出)。JTEC是熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括在相對(duì)低的溫度下操作的第一電化學(xué)電池100，在相對(duì)高的溫度下操作的第二電化學(xué)電池110，包括將兩個(gè)電池耦合在一起的熱交換器114的管道系統(tǒng)112，作為包含在管道系統(tǒng)內(nèi)的工作流體的可電離氣體(例如氫或氧)。每個(gè)電化學(xué)電池包括膜電極組件(MEA)。

更具體地，JTEC熱機(jī)包括聯(lián)接到高溫?zé)嵩碤_H的第一MEA堆118(即，高溫MEA)，聯(lián)接到低溫?zé)嵩碤_L的第二MEA堆116(即，低溫MEA)，以及連接兩個(gè)MEA堆116,118的再生熱交換器114。MEA堆116,118各自包括能夠傳導(dǎo)工作流體的離子的無(wú)孔膜120和位于無(wú)孔膜120相對(duì)側(cè)的多孔電極122，多孔電極122能夠傳導(dǎo)電子。

MEA已經(jīng)在燃料電池社區(qū)中用于通過(guò)涉及燃料和氧化劑(例如氫和氧)的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力。然而，在常規(guī)燃料電池應(yīng)用中，MEA堆在至少一個(gè)電極中需要雙向流動(dòng)。例如，進(jìn)入氫-氧燃料電池的陰極側(cè)的氧流必須保持與氫-氧反應(yīng)產(chǎn)物水離開(kāi)的時(shí)間相同。因此，燃料和氧化劑/反應(yīng)產(chǎn)物的大的流動(dòng)橫截面必須是用于燃料電池的常規(guī)MEA堆設(shè)計(jì)的固有特征。

在JTEC中不需要這種雙向流動(dòng)。具體地，在JTEC的操作期間，工作流體通過(guò)將電子釋放到進(jìn)入側(cè)上的電極122而穿過(guò)每個(gè)MEA堆116,118，如此離子可以通過(guò)膜120被傳導(dǎo)到相對(duì)電極122。工作流體在相對(duì)電極122內(nèi)重構(gòu)，因?yàn)樗鼈冊(cè)陔x開(kāi)膜120時(shí)向工作流體離子重新供應(yīng)電子。低溫MEA堆116在比高溫MEA堆118低的電壓下操作。低溫MEA堆116在低電壓下壓縮工作流體，并且高溫MEA堆118在高電壓下膨脹氫。兩個(gè)MEA堆116,118之間的電壓差跨越外部負(fù)載施加。氫在JTEC熱機(jī)內(nèi)連續(xù)循環(huán)，并且從不消耗。通過(guò)兩個(gè)MEA堆116,118的電流和外部負(fù)載是相同的。

具體地，在JTEC熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中，在連接有負(fù)載的情況下跨越每個(gè)MEA堆116,118施加氫壓力差，從而當(dāng)氫從高壓力傳遞到低壓力時(shí)產(chǎn)生電壓和電流。當(dāng)電子通過(guò)作為質(zhì)子傳導(dǎo)膜(PCM)的膜120時(shí)，電子從質(zhì)子剝離時(shí)，電子電流被引導(dǎo)到外部負(fù)載。JTEC系統(tǒng)利用施加在PCM 120兩端的氫壓力的電化學(xué)勢(shì)。更具體地，在MEA堆116的高壓側(cè)和MEA堆118的低壓側(cè)，氫氣被氧化，導(dǎo)致產(chǎn)生質(zhì)子和電子。高溫端的壓力差迫使質(zhì)子通過(guò)膜120，導(dǎo)致電極122通過(guò)外部負(fù)載傳導(dǎo)電子，而外部電壓的施加迫使質(zhì)子在低溫端通過(guò)膜。在MEA堆116的高壓側(cè)和MEA堆118的低壓側(cè)，質(zhì)子被電子還原以重新形成氫氣。

不同于常規(guī)燃料電池，其中離開(kāi)MEA堆的氫將遇到氧并與其反應(yīng)產(chǎn)生水，在JTEC系統(tǒng)中沒(méi)有氧或水。該過(guò)程也可以反向操作。具體地，如果電流通過(guò)MEA堆116，則低壓氣體可以被“泵送”到更高的壓力。相反的過(guò)程相當(dāng)類(lèi)似于使用MEA堆來(lái)電解水，其中水分子被分裂并且質(zhì)子被傳導(dǎo)通過(guò)PCM，在水側(cè)留下氧。氫通常經(jīng)由該過(guò)程在高壓下供應(yīng)到純氫儲(chǔ)存器。

在JTEC中，使用氫作為可電離氣體(即，工作流體)，由于PCM 120兩端的氫壓力差而產(chǎn)生的電勢(shì)與壓力比的自然對(duì)數(shù)成比例，并且可以使用能斯特方程：

其中V_OC是開(kāi)路電壓，R是通用氣體常數(shù)，T是電池溫度，F(xiàn)是法拉第常數(shù)，P_H是高壓側(cè)的壓力，P_L是低壓側(cè)的壓力，P_H/P_L是壓力比。例如，燃料電池手冊(cè)(Fuel Cell Handbook)，J.H.Hirschenhofer等，第4版，第2-5頁(yè)(1999)。

由MEA堆116產(chǎn)生的電壓因此由能斯特方程給出。電壓相對(duì)于溫度是線性的，并且是壓力比的對(duì)數(shù)函數(shù)。圖1是氫的能斯特方程的曲線圖，并示出了若干壓力比的電壓對(duì)溫度關(guān)系。例如，如圖1所示，在壓力比為10,000時(shí)，當(dāng)溫度相對(duì)高時(shí)，電壓類(lèi)似地相對(duì)高，并且當(dāng)溫度相對(duì)低時(shí)，電壓類(lèi)似地相對(duì)低。

JTEC中的工作流體在低溫電化學(xué)電池100中通過(guò)以足以克服低溫電池100的能斯特電勢(shì)的電壓供應(yīng)電流而被壓縮，從而驅(qū)動(dòng)氫從膜120的低壓側(cè)到高壓側(cè)。另一方面，隨著在高溫電池110的能斯特電勢(shì)下提取電流(功率)，工作流體在高溫電化學(xué)電池110中膨脹。當(dāng)氫從膜120的高壓側(cè)膨脹到低壓側(cè)時(shí)產(chǎn)生電流。如在使用工作流體并且與可壓縮氣體的性質(zhì)一致的任何熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中一樣，在JTEC中，在高溫膨脹期間提取比低溫壓縮所需的功(電)輸入更大量的功(電)。輸入到發(fā)動(dòng)機(jī)中以在高溫膨脹期間保持恒定溫度的熱能與在低溫壓縮期間移除以保持恒定溫度的熱能之間的差異提供為高溫膨脹過(guò)程輸出的電能與由低溫壓縮過(guò)程消耗的電能之間的差異。

與能斯特方程一致，高溫電池110將具有比低溫電池高的電壓。由于通過(guò)兩個(gè)電池100,110的電流(I)是相同的，所以電壓差意味著通過(guò)高溫電池110中氫的膨脹產(chǎn)生的電力高于低溫電池100的電力。高溫電池的功率輸出(V_HT*I)足以驅(qū)動(dòng)低溫電池100中的壓縮過(guò)程(V_LT*I)以及為外部負(fù)載供應(yīng)凈功率輸出((V_HT*I)-(V_LT*I))。這種電壓差為JTEC發(fā)動(dòng)機(jī)提供了基礎(chǔ)。

JTEC的操作通常類(lèi)似于任何其他發(fā)動(dòng)機(jī)。例如，在典型的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，壓縮機(jī)級(jí)吸入空氣，壓縮空氣，并將壓縮空氣供應(yīng)到燃燒室。然后，空氣在燃燒室中被加熱并且通過(guò)功率級(jí)膨脹。功率級(jí)將軸功耦合到壓縮機(jī)級(jí)，以便保持壓縮空氣的連續(xù)供應(yīng)。由功率級(jí)產(chǎn)生的功和由壓縮機(jī)級(jí)消耗的功的差異是由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的凈功。然而，這種常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)和JTEC之間的主要區(qū)別在于，這種常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)使用渦輪機(jī)(即，機(jī)械裝置)并且在布雷頓熱力循環(huán)上操作，而JTEC是全部固態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)，其在更高效的愛(ài)立信循環(huán)，這相當(dāng)于卡諾循環(huán)上操作。

參考圖3，示出了JTEC的愛(ài)立信發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的理想溫度熵圖。圖2-3中的附圖標(biāo)記“1”至“4”代表不同的熱力學(xué)狀態(tài)。熱力學(xué)狀態(tài)1至4在圖2和3中的相應(yīng)的識(shí)別點(diǎn)處是相同的。如圖2所示，從低溫低壓狀態(tài)1開(kāi)始，將電能W_in提供給低溫MEA堆，以將氫從低溫低壓狀態(tài)1泵送到低溫高壓狀態(tài)2。通過(guò)在壓縮過(guò)程中從PCM 120移除熱量Q_L，氫氣的溫度幾乎保持恒定。膜120相對(duì)薄(即，小于10μm厚)，并且因此將不支持顯著的溫度梯度，所以該方法的近似等溫假設(shè)是有效的，只要足夠的熱量從膜120通過(guò)其基板傳遞。

從狀態(tài)2，氫通過(guò)回?zé)崾綋Q熱的逆流熱交換器114，并且在大致恒定的壓力下被加熱到高溫狀態(tài)3。從氫流中通過(guò)熱交換器114以相反的方向傳遞將氫的溫度從狀態(tài)2升高到3所需的熱量。在高溫高壓狀態(tài)3下，當(dāng)氫通過(guò)MEA堆118從高壓高溫狀態(tài)3膨脹到低壓高溫狀態(tài)4時(shí)產(chǎn)生電力。隨著氫從高壓狀態(tài)3膨脹到低壓狀態(tài)4，熱量Q_H被供給到薄膜膜120以保持接近恒定的溫度。從狀態(tài)4到狀態(tài)1，氫流通過(guò)回?zé)崾綗峤粨Q器114，其中其溫度通過(guò)熱傳遞到從狀態(tài)2到3的氫而降低。當(dāng)循環(huán)繼續(xù)時(shí)，氫被低溫MEA堆100從狀態(tài)1泵送回到高壓狀態(tài)2。

然而，在開(kāi)發(fā)適合廣泛使用的JTEC時(shí)遇到了一些挑戰(zhàn)，特別是對(duì)于使用氫作為工作流體的系統(tǒng)。例如，由于氫分子的小尺寸，可能因管道系統(tǒng)中的小缺陷而發(fā)生氫泄漏。特別地，在用于高溫電池和低溫電池之間的管道聯(lián)接的互連的接頭處可能發(fā)生氫泄漏。

由于需要大的膜/電極表面積以及需要大量的電池串聯(lián)電連接以實(shí)現(xiàn)實(shí)際的輸出電壓水平，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)也變得復(fù)雜。具體地，不同于常規(guī)燃料電池，其中開(kāi)路電壓可以大于1V，來(lái)自跨越MEA堆的氫壓差的能斯特電壓在僅約0.2伏特的范圍內(nèi)。因此，許多單元將必須串聯(lián)連接以實(shí)現(xiàn)有用的輸出電壓電平。

此外，為了實(shí)現(xiàn)有效的能量轉(zhuǎn)換，膜必須具有高擴(kuò)散阻擋特性，因?yàn)楣ぷ髁黧w(例如氫氣)在膜兩側(cè)的壓力差下的擴(kuò)散導(dǎo)致電輸出和效率降低。所使用的膜還必須具有良好的離子傳導(dǎo)性。然而，具有良好離子傳導(dǎo)性的已知和可用的膜材料，例如由杜邦制造的全氟磺酸樹(shù)脂通常具有非常差的分子擴(kuò)散阻擋性質(zhì)。相反，具有高分子擴(kuò)散阻擋性能的已知和可用的膜材料通常具有相對(duì)低的離子電導(dǎo)率，并且這種材料的使用將導(dǎo)致高系統(tǒng)阻抗和高偏振損耗。因此，需要大的膜面積以便將電流密度保持在最小，以便使電阻極化損耗最小化。然而，如果膜的離子導(dǎo)電橫截面積太大，則電池將具有低的內(nèi)部阻抗。

因此，需要一種使用可用的高阻隔，低傳導(dǎo)性膜材料以提供熱電化學(xué)熱引擎的實(shí)用方式，該熱引擎可接近卡諾等效循環(huán)，其可在寬范圍的熱源溫度操作，并且消除了與機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)聯(lián)的可靠性和低效率問(wèn)題。本發(fā)明的固態(tài)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)滿足了這種需要。

發(fā)明簡(jiǎn)述

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例涉及一種共燒結(jié)的或熔融的高密度的MEA堆或電化學(xué)電池，其經(jīng)配置以電化學(xué)方式膨脹或壓縮的可電離工作流體。MEA堆是一種薄電極和膜交替的多層結(jié)構(gòu)。該膜優(yōu)選是非多孔和工作流體離子導(dǎo)電性的。該膜對(duì)于尚未電離的工作流體是一種高擴(kuò)散障礙物。電極優(yōu)選是多孔的并且包括促進(jìn)電子傳導(dǎo)性的添加劑和促進(jìn)所需電化學(xué)反應(yīng)的催化劑。

在一個(gè)實(shí)施方案中，MEA堆優(yōu)選地由陶瓷材料制備，并具有共燒結(jié)結(jié)構(gòu)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，MEA堆優(yōu)選地由聚合材料制備并具有熔合結(jié)構(gòu)(fused structure)。MEA堆的部件的共燒結(jié)或熔合允許在一個(gè)相對(duì)小的體積內(nèi)具有大膜面積的實(shí)際結(jié)構(gòu)，同時(shí)避免與各電池結(jié)構(gòu)相關(guān)的困難和挑戰(zhàn)，然后使包括流量歧管，密封件和電氣連接形成各自互連。本發(fā)明的電化學(xué)電池或MEA堆還優(yōu)選在壓力差下運(yùn)轉(zhuǎn)。

還驚奇地發(fā)現(xiàn)，在薄電極內(nèi)的工作流體的面內(nèi)流動(dòng)使MEA堆具有高能量轉(zhuǎn)換密度的結(jié)構(gòu)。這是出乎意料的，考慮到現(xiàn)有燃料電池技術(shù)教導(dǎo)是與薄電極內(nèi)的反應(yīng)液的面內(nèi)流動(dòng)相反的。具體而言，現(xiàn)有的燃料電池技術(shù)教導(dǎo)電極應(yīng)該是薄的，但通過(guò)電極的該流動(dòng)應(yīng)該是垂直于離子傳導(dǎo)膜(即，非面內(nèi)的)，以盡量減少濃度的極化效應(yīng)。

在操作中，工作流體通過(guò)多孔電極之一進(jìn)入MEA堆并隨著其離子進(jìn)入并通過(guò)膜被傳導(dǎo)而釋放電子到該電極。所述電子通過(guò)外部電路傳送到該膜相對(duì)側(cè)的另一個(gè)電極上。離子通過(guò)膜被傳導(dǎo)，而在相對(duì)側(cè)離開(kāi)電極。當(dāng)工作流體的離子離開(kāi)所述膜并與電子復(fù)合時(shí)，工作流體被重構(gòu)。薄電極和膜彼此以交替序列高密度堆疊，使得相鄰的MEA堆共享共同的電極。更具體地說(shuō)，本發(fā)明的高密度MEA堆優(yōu)選地被配置成使得每個(gè)膜夾在一對(duì)電極中間，一對(duì)電極中的一個(gè)被定位在膜的高壓側(cè)和并且一對(duì)電極的另一個(gè)被定位在膜的低壓側(cè)。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及一種熱電化學(xué)轉(zhuǎn)換器，優(yōu)選配置為JTEC，將熱量引導(dǎo)到具有單片共燒結(jié)的陶瓷結(jié)構(gòu)或單片熔融聚合結(jié)構(gòu)的電力發(fā)動(dòng)機(jī)。共燒結(jié)的陶瓷結(jié)構(gòu)或熔融的聚合結(jié)構(gòu)最好包括一熱交換器和上述結(jié)構(gòu)的第一和第二高密度MEA堆。熱機(jī)還含有可電離的工作流體，其在高壓和低壓管道系統(tǒng)內(nèi)的兩個(gè)高密度MEA堆之間的連續(xù)流動(dòng)環(huán)路內(nèi)循環(huán)。

第一高密度MEA堆優(yōu)選地連接到一熱源并且起到將工作流體從高壓膨脹到低壓的作用。工作流體通過(guò)第一MEA堆膨脹產(chǎn)生電。所述第二高密度MEA堆優(yōu)選地連接到一散熱器并且起到將工作流體從低壓泵送到高壓的作用。電功在壓縮過(guò)程中被消耗并且壓縮熱被排出。

共燒結(jié)或熔融熱機(jī)最好還包括一導(dǎo)管系統(tǒng)，包括至少一個(gè)高壓流動(dòng)通道，和更優(yōu)選地多個(gè)高壓流動(dòng)通道，其將第一高密度MEA堆的高壓電極之間的工作流體流連接到第二高密度的MEA堆的高壓電極，以使得所連接的高壓電極基本上處于相同的壓力。該導(dǎo)管系統(tǒng)優(yōu)選地還包括至少一個(gè)低壓流動(dòng)通道，并且更優(yōu)選地為多個(gè)低壓流動(dòng)通道，其將第一高密度MEA堆的低壓電極之間的工作流體流連接到第二高密度的MEA堆的低壓電極，以使得所連接的低壓電極基本上處于相同的壓力。每個(gè)高密度MEA堆內(nèi)的高壓電極優(yōu)選彼此電力連接。類(lèi)似地，每個(gè)高密度MEA堆內(nèi)的低壓電極優(yōu)選彼此電力連接。這樣，電力連接的高密度MEA堆起到具有大面積和能斯特電壓的單膜電極組件的作用，所述的能斯特電壓是單膜上堆溫度和壓力差的函數(shù)。

在一個(gè)實(shí)施方案中，低壓通道的諸部分和高壓通道的諸部分優(yōu)選彼此物理接觸，并且因此具有高的界面面積和熱導(dǎo)率，從而在高壓通道中的工作流體和低壓通道中的工作流體之間進(jìn)行有效的熱傳遞。

共燒結(jié)或熔融熱機(jī)的熱交換器優(yōu)選起到回?zé)崾綗峤粨Q器的作用，通過(guò)將其連接到流至高溫MEA堆的工作流體，用于從高溫MEA堆離開(kāi)的工作流體的恢復(fù)熱量。假如與連接到高和低溫電化學(xué)電池(即，MEA堆)的熱源和散熱器結(jié)合的這種回?zé)崾綗峤粨Q器對(duì)于接近恒溫膨脹和壓縮過(guò)程中能夠產(chǎn)生足夠的熱轉(zhuǎn)換，那么發(fā)動(dòng)機(jī)近似于熱力學(xué)愛(ài)立信周期。

在一個(gè)實(shí)施方案中，其中MEA堆作為發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，第一MEA堆連接的熱源的溫度優(yōu)選高于第二MEA堆連接的散熱器的溫度。因此，溫度較高的MEA堆(即，所述第一MEA堆)比溫度較低的堆(即，第二MEA堆)具有更高的能斯特電壓。由高溫MEA堆產(chǎn)生的電壓足夠高，從而能克服低溫MEA堆的能斯特電壓，并且具有足夠的電壓剩余去供電串聯(lián)連接的外部負(fù)載。

在另一個(gè)實(shí)施方案中，其中MEA堆作為熱泵應(yīng)用程序的一部分進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，所述第一MEA堆優(yōu)選地連接到較低溫度下的熱源，并且第二MEA堆優(yōu)選地連接到相對(duì)于第一MEA堆的熱源具有較高溫度的散熱器。隨著膨脹熱從低溫?zé)嵩粗斜惶崛?，在第一MEA堆中的工作流體在低溫下膨脹。在第二MEA堆中工作流體在高溫下被壓縮，壓縮熱在高溫下被排出。由于第一MEA堆的低溫，所述第一MEA堆產(chǎn)生的能斯特電壓小于高溫MEA堆產(chǎn)生的能斯特電壓。外部電源與低溫MEA堆串聯(lián)，以提供足夠高的能克服高溫MEA堆的能斯特電勢(shì)的組合電壓，從而驅(qū)動(dòng)其中的壓縮過(guò)程。

附圖的幾個(gè)視角簡(jiǎn)述

當(dāng)結(jié)合所附圖紙一起閱讀時(shí)，可以更好地理解本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的以下詳述。為了說(shuō)明本發(fā)明，附圖中示出了目前優(yōu)選的實(shí)施方式。然而，可以理解的是，本發(fā)明不限于所示的精確安排和手段。在附圖中：

圖1是幾種壓力比下的能斯特電壓對(duì)溫度的圖；

圖2是包括通過(guò)回?zé)崾綗峤粨Q器背靠背連接的兩個(gè)膜電極組件的約翰遜熱-電化學(xué)轉(zhuǎn)換器的圖；

圖3是愛(ài)立信熱力循環(huán)的示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的高密度共燒結(jié)或熔融的膜電極組件堆疊的示意圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的共燒結(jié)或熔融熱機(jī)的示意圖；

圖6是圖5所示的共燒結(jié)或熔融熱機(jī)的局部剖視圖；

圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的使用共燒結(jié)或熔融的膜電極組件堆疊的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖；

圖8是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的使用共燒結(jié)或熔融的膜電極組件堆疊的熱泵的示意圖；和

圖9是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的高密度共燒結(jié)或熔融的膜電極組件堆疊的橫截面圖。

發(fā)明詳述

某些術(shù)語(yǔ)在以下的說(shuō)明僅用于方便而不是限制性的。詞語(yǔ)“近側(cè)”，“遠(yuǎn)側(cè)”，“向上”，“向下”，“底部”和“頂”指定到所參考的附圖中的方向。詞語(yǔ)“向內(nèi)”和“向外”分別從，該裝置的幾何中心是指朝向和離開(kāi)，并指定其部分，根據(jù)本發(fā)明。除非特別闡述本文所用，術(shù)語(yǔ)“一”，“某”和“該”不局限于一個(gè)元件，而是應(yīng)被理解為意指“至少一個(gè)”。術(shù)語(yǔ)包括詞語(yǔ)如上所述，它們的衍生物和類(lèi)似含義的詞。

還應(yīng)當(dāng)理解的是，僅出于清楚的目的而被提供的術(shù)語(yǔ)如“第一”，“第二”和類(lèi)似物。元件或由這些術(shù)語(yǔ)標(biāo)識(shí)的組件，及其操作，可以容易地進(jìn)行切換。

參考詳細(xì)附圖，其中在幾個(gè)視圖中，類(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示類(lèi)似的元件，圖4-9顯示了高密度共燒結(jié)MEA堆10的優(yōu)選實(shí)施例。術(shù)語(yǔ)“電化學(xué)電池”，“膜電極組件堆”，“MEA堆”，和“堆”在本文中可互換使用。

在一個(gè)實(shí)施方案中，其中高密度MEA堆的部件由陶瓷材料制成，MEA堆10，并且更具體地，堆10(如在下文中詳細(xì)描述)的每個(gè)扁平組件通過(guò)共燒結(jié)制備。共燒結(jié)是公知的用于成形的陶瓷材料，并且更具體地為薄的(即，從20微米到500微米)平面組件制造的低成本方法。共燒結(jié)技術(shù)可用于生產(chǎn)各種各樣的可控形態(tài)，從高度多孔到完全致密的微結(jié)構(gòu)。共燒結(jié)技術(shù)本領(lǐng)域技術(shù)人員是公知的。

一般地，不同性質(zhì)的起始粉末，更具體地說(shuō)，起始陶瓷粉末，摻入并與含水介質(zhì)混合在一起以形成漿料，然后使用流延方法將漿料澆注成生帶。流延法還允許用于堆疊生帶以獲得多層的最終產(chǎn)品(即，MEA堆10)。更具體地，生陶瓷材料的多個(gè)涂層可以被澆鑄或絲網(wǎng)印刷到彼此之上以形成最終燒結(jié)形成MEA堆的層狀結(jié)構(gòu)。

對(duì)于給定的粉末，鑄造生帶的燒結(jié)行為以及因此燒結(jié)層的最終微結(jié)構(gòu)取決于漿料中的起始陶瓷粉末顆粒的排列和粒度，分散和均勻性。因此，在成型過(guò)程中漿料配方是非常重要的步驟。

優(yōu)選地，漿料由幾種有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物的混合物組成。有機(jī)組分優(yōu)選包括粘合劑，分散劑，增塑劑，并且在有機(jī)帶流延的情況下，包括溶劑。其它添加劑，例如潤(rùn)濕劑，消泡劑和成孔劑(如果在最終微結(jié)構(gòu)中需要孔隙率)也可用于形成漿料。無(wú)機(jī)化合物包括待成型的陶瓷粉末，燒結(jié)添加劑和作為水性帶澆鑄的介質(zhì)/溶劑的水。用于形成高溫MEA堆10(如下文更詳細(xì)討論的)的陶瓷粉末的實(shí)例是釔摻雜的鈰酸鈰(Y：BaCeO₃)用于形成低溫MEA堆10(如下文更詳細(xì)討論的)的陶瓷粉末的實(shí)例是95％LiH₂PO₄與5％H₃PO₄的復(fù)合物。

鑄造后，使堆疊的鑄造帶干燥。所述帶可以允許空氣干燥一段預(yù)定的時(shí)間，或者可以通過(guò)干燥器以加速干燥。干燥后，選擇的有機(jī)組分可能保留在生帶中。然后將帶加熱至高溫以實(shí)現(xiàn)鑄造生帶的燒結(jié)。干燥后剩余的有機(jī)組分是犧牲材料，當(dāng)將帶加熱用于燒結(jié)時(shí)，它們被去除。因此，剩余的有機(jī)組分產(chǎn)生在隨后的燒結(jié)處理期間保留的孔和流動(dòng)通道。由此形成MEA電鍍10的燒結(jié)層。

在另一實(shí)施例中，其中高密度MEA堆的部件由聚合材料制成，通過(guò)熔融工藝制造MEA堆10，更具體地堆10的各平坦組件(如下文詳細(xì)描述)中。各類(lèi)熔融方法是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。例如，在一類(lèi)熔融過(guò)程中，聚合物材料可以使用溶劑軟化和/或使用聚合物/溶劑溶液粘合在一起。在另一類(lèi)熔融方法中，聚合物組分可以在一系列熱壓步驟中組裝在一起，其中添加一層并在每個(gè)步驟中就地?zé)釅骸?/p>

參照?qǐng)D4，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的高密度單片MEA堆10的內(nèi)部結(jié)構(gòu)6。MEA堆10包括以高密度堆疊結(jié)構(gòu)布置的電極23和膜22的交替層。也就是說(shuō)，每個(gè)膜22被夾在一對(duì)電極23之間，使得電極23與膜22以交替序列堆疊，從而形成MEA堆10，其中工作流體，優(yōu)選氫可以經(jīng)電化學(xué)氧化/還原過(guò)程而通過(guò)。

膜22優(yōu)選為具有約0.1μm至500μm，更優(yōu)選為約1μm至500μm厚度的離子傳導(dǎo)膜或質(zhì)子傳導(dǎo)膜。更具體地，膜22優(yōu)選由質(zhì)子傳導(dǎo)材料制成，更優(yōu)選由聚合物質(zhì)子傳導(dǎo)材料或陶瓷質(zhì)子傳導(dǎo)材料制成。在一個(gè)實(shí)施方案中，膜22優(yōu)選為由包含通式Na_xAl_yTi³⁺_x-yTi⁴⁺_8-xO₁₆表示的化合物的材料形成，如Hori等在美國(guó)專(zhuān)利No.4,927,793中所公開(kāi)的，其通過(guò)引用并入本文，因?yàn)檫@種材料在寬的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出高的質(zhì)子傳導(dǎo)性。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以使用在寬溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出相似的質(zhì)子傳導(dǎo)性的任何材料，優(yōu)選任何聚合物或陶瓷材料來(lái)形成膜22。例如，在替代實(shí)施例中，膜22由水合氫離子β”氧化鋁形成。聚合物或陶瓷膜材料22優(yōu)選地形成對(duì)分子工作流體流的高屏障，并且提供工作流體的有效容納。

電極23優(yōu)選為具有約左右厚度的薄電極，更優(yōu)選為約厚度。對(duì)于各種部件(即，電極23和膜22)使用不同的材料可能由于材料之間的熱膨脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致非常高的熱應(yīng)力。因此，電極23優(yōu)選地由與膜22相同的材料構(gòu)成或形成。然而，電極23優(yōu)選為多孔結(jié)構(gòu)，而膜22優(yōu)選為無(wú)孔結(jié)構(gòu)。因?yàn)橄嗤幕静牧辖M成優(yōu)選用于電極23，因?yàn)閷?duì)于體膜22材料結(jié)構(gòu)，在共燒結(jié)或熔合以形成MEA堆10期間以及在許多終端應(yīng)用中，在MEA堆10的操作期間遇到的極端溫度下或會(huì)發(fā)生的高熱應(yīng)力被消除或至少減少。然而，應(yīng)當(dāng)理解，電極23和膜22可以由具有類(lèi)似熱膨脹系數(shù)的不同材料形成，使得在MEA堆10的共燒結(jié)/熔合或使用期間產(chǎn)生很少或沒(méi)有熱應(yīng)力。

在一個(gè)實(shí)施方案中，多孔電極23可以摻雜或注入附加的材料以提供電子導(dǎo)電性，和催化材料以便促進(jìn)工作流體的氧化和還原作用。

在MEA堆10的長(zhǎng)度28優(yōu)選在大約0.25厘米和10厘米之間。MEA堆10的寬度(進(jìn)入附圖的深度)優(yōu)選為約1cm至100厘米。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，MEA堆10尺寸可以改變，并且恰當(dāng)?shù)匾揽繎?yīng)用來(lái)選擇。

考慮到可用于形成膜22的已知和可用的陶瓷材料的低離子電導(dǎo)率以及在合理的操作溫度和壓力下由這些陶瓷膜材料產(chǎn)生的低能斯特電壓水平，MEA堆10內(nèi)需要高的膜表面積。當(dāng)質(zhì)子通過(guò)膜傳導(dǎo)時(shí)，與高電流密度相關(guān)的電阻性損耗或可能表示輸出電壓的顯著降低，從而效率降低。

因此，MEA堆10具有高密度的重疊電極23和膜22，其在相對(duì)小的堆積體積內(nèi)產(chǎn)生非常高的膜對(duì)電極界面面積，其中膜22的離子傳導(dǎo)材料構(gòu)成MEA堆10的主體結(jié)構(gòu)。更具體地，MEA堆10的體積區(qū)域被多個(gè)膜22占據(jù)。將理解，特定堆10內(nèi)的體積面積將取決于在給定的堆疊高度單位內(nèi)的膜22和電極23的層數(shù)，以及這些層的相應(yīng)厚度。例如，具有夾在40μm多孔電極23之間的厚度為20μm的膜22的代表性堆10將具有每立方厘米堆積體積166cm²的膜總面積。在一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)膜22被外部殼體21包圍，外部殼體21可以由與膜22相同或不同的材料制成。

MEA堆10還包括至少一個(gè)低壓管道37(在圖4中由虛線表示)和至少一個(gè)高壓管道38(在圖4中由實(shí)線表示)的管道系統(tǒng)。優(yōu)選地，管道系統(tǒng)包括多個(gè)低壓管道37和多個(gè)高壓管道38?？呻婋x氣體(優(yōu)選為氫氣)的供應(yīng)作為工作流體包含在管道系統(tǒng)內(nèi)。

低壓管道37在箭頭A的方向上引導(dǎo)工作流體(例如氫氣)的流動(dòng)，而高壓管道38引導(dǎo)工作流體沿箭頭B的方向流動(dòng)(即，低壓管道37流動(dòng)的相反方向)。低壓管道37和高壓管道38限定了MEA堆10的低壓側(cè)和高壓側(cè)。MEA堆10的高壓側(cè)可以處于低至0.5psi且高達(dá)3000psi的壓力。優(yōu)選地，MEA堆10的高壓側(cè)保持在大約300psi的壓力。MEA堆10的低壓側(cè)可以處于低至0.0001psi和高至0.3psi的壓力。優(yōu)選地，MEA堆的低壓側(cè)保持在約0.03psi的壓力。高壓側(cè)與低壓側(cè)的優(yōu)選壓力比為10,000:1。每個(gè)MEA堆10中的電極23分別交替地耦合到高壓和低壓管道38,37，使得每個(gè)膜22夾在由高壓管道38供應(yīng)的第一電極23和低壓管道37供應(yīng)的第二電極23之間。因此，每個(gè)膜22優(yōu)選地位于高壓電極23b和低壓電極23a之間，使得每個(gè)膜22具有高壓側(cè)和低壓側(cè)。

第一和第二端子31和32連接到MEA堆10的電極23。每個(gè)端子31,32優(yōu)選地以交替順序連接到電極23，使得高壓電極23彼此連接，并且端子(例如，第一端子31)和低壓電極23a中的一個(gè)彼此連接并且與另一個(gè)端子(例如，第二端子32)連接。

在一個(gè)實(shí)施例中，MEA堆10可以被配置為將工作流體從高壓膨脹到低壓，以便產(chǎn)生電。仍然參考圖4，通過(guò)將電負(fù)載連接到第一和第二端子31和32，可以從MEA堆10提取功率。當(dāng)高壓管道38和低壓管道37之間的壓力差迫使工作流體通過(guò)MEA堆10時(shí)，產(chǎn)生電。

參照?qǐng)D1。使用優(yōu)選的壓力比為10,000:1，其中MEA堆10是在625K溫度下操作的高溫堆，高溫MEA堆10將具有約250mV的能斯特電壓。另一方面，如果將MEA堆10的操作維持在325K的相對(duì)低的溫度，則低溫MEA堆10將具有大約125mV的能斯特電壓。在這種情況下，轉(zhuǎn)換器的開(kāi)路電壓將為大約125mV。

再次參考圖4，在壓力下，工作流體在連接到公共第二端子32的高壓電極23b處被氧化，從而將電子釋放到電極23b，并使工作流體的離子進(jìn)入離子/質(zhì)子傳導(dǎo)膜22，如如箭頭33所示。電極23b連接到外部負(fù)載，電子流過(guò)負(fù)載，通過(guò)公共第一端子31，然后流到低壓電極23a，在那里離開(kāi)膜22的離子/質(zhì)子被還原以重構(gòu)工作流體。當(dāng)壓力迫使工作流體流過(guò)MEA堆10時(shí)，轉(zhuǎn)換器向外部負(fù)載供電。在一個(gè)實(shí)施例中，熱源(未示出)可以聯(lián)接到MEA堆10，將膨脹的熱量提供給工作流體，以便保持連續(xù)和接近等溫的膨脹過(guò)程。

在另一個(gè)實(shí)施例中，MEA堆10被配置為操作以將工作流體從低壓泵送到高壓，從而產(chǎn)生壓縮過(guò)程。電力由壓縮過(guò)程消耗?？缭降谝缓偷诙俗?1和32施加電源。通過(guò)克服由MEA堆10在其工作溫度和壓力差下產(chǎn)生的能斯脫電勢(shì)，以足以強(qiáng)制電流流動(dòng)的電勢(shì)施加電壓。施加的功率在每個(gè)低壓電極23a和膜22的界面處從工作流體剝離電子。所得到的離子在箭頭39所示的方向上傳導(dǎo)通過(guò)離子傳導(dǎo)膜22。電源將電子經(jīng)第一端子31供應(yīng)到高壓電極23b，以便當(dāng)離子離開(kāi)膜22時(shí)在每個(gè)高壓電極23b和膜22的界面處重建工作流體。在施加的電壓下的該電流實(shí)際上為將工作流體從低壓泵送到高壓提供所需的泵功率。在一個(gè)實(shí)施例中，散熱器(未示出)可以聯(lián)接到MEA堆10以移除所產(chǎn)生的壓縮熱，以便保持連續(xù)的壓縮過(guò)程。

參考圖5，示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的共燒結(jié)/熔融的高密度直接熱電轉(zhuǎn)換器或熱機(jī)11，更具體地，單片JTEC 11。JTEC 11的單片結(jié)構(gòu)包括熱交換器13，第一高密度MEA堆14和第二高密度MEA堆16。第一接口12用于將MEA堆14,16中的一個(gè)連接到熱交換器(由此形成低溫MEA堆)，并且提供第二界面18用于將MEA堆14,16中的另一個(gè)連接到熱源(從而形成高溫MEA堆)。第一和第二高密度MEA堆14,16通常具有與上述用于共燒結(jié)MEA堆10相同的配置和結(jié)構(gòu)。然而，應(yīng)當(dāng)理解，用作高溫堆中膜(即，離子導(dǎo)體)的特定材料可以采用與在低溫堆中所用的不同形式。例如，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，高溫MEA堆14,16由陶瓷材料形成，而低溫MEA堆14,16由聚合物材料形成。

如圖6-8所示，第一高密度MEA堆14包括多個(gè)多孔電極25,41和夾在每對(duì)相鄰電極25,41之間的離子或質(zhì)子傳導(dǎo)膜24。第二高密度MEA堆16包括多個(gè)多孔電極23,42和夾在每對(duì)相鄰電極23,42之間的離子或質(zhì)子導(dǎo)電膜22。在每個(gè)堆14,16中，多孔電極25,41和23,42與膜24，22以交替順序堆疊。

如圖5-6所示，熱電化學(xué)轉(zhuǎn)換器11還包括多個(gè)管道37,38和包含在管道37,38內(nèi)的可電離工作流體。如上面關(guān)于MEA堆10所討論的，管道38是高壓管道，管道37是低壓管道。優(yōu)選地，任何順序的電極對(duì)25,41和23,42中的一個(gè)電極41,42耦合到用于工作流體的高壓流動(dòng)的高壓管道38和順序電極對(duì)25，41和23,42中的另一電極23,25聯(lián)接到用于工作流體的低壓流動(dòng)的低壓管道37。因此，夾層膜22,24中的每一個(gè)受到高壓多孔電極41,42和低壓多孔電極23,25之間的壓力差。高壓管道38連接第二MEA堆16的高壓電極42和第一MEA堆14的高壓電極41之間的高壓工作流體流。類(lèi)似地，低壓管道37連接第二MEA堆16的低壓電極23和第一MEA堆14的低壓電極25之間的低壓工作流體流。

參照?qǐng)D7，在一個(gè)實(shí)施例中，熱-電化學(xué)轉(zhuǎn)換器11附接到外部電負(fù)載56。第一MEA堆14優(yōu)選地耦合到高溫?zé)嵩?8，并且第二MEA堆16優(yōu)選耦合到散熱器60，其在低于第一MEA堆14和熱源58的較高溫度的溫度下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，第一MEA堆14是高溫堆，并且第二MEA堆16是低溫堆。優(yōu)選地，高溫堆14由陶瓷材料形成，低溫堆16由聚合物材料形成。

低溫堆16可以在-50℃至1500℃，優(yōu)選大約55℃的范圍內(nèi)操作。然而，低溫堆16的操作溫度必須足夠高，以便通過(guò)環(huán)境溫度下的環(huán)境溫度的空氣，水或其它合適的散熱器有效地從其中移除熱量。高溫堆14可在環(huán)境溫度至高達(dá)1500℃，優(yōu)選約550℃的溫度下操作。優(yōu)選地，高溫堆14在比低溫堆16更高的溫度下操作。將理解，對(duì)于產(chǎn)生功率的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，兩個(gè)堆之間的溫度差越高，發(fā)動(dòng)機(jī)的理論轉(zhuǎn)化效率越大。由串聯(lián)連接的外部負(fù)載56和第二MEA堆16組成的總負(fù)載50通過(guò)第一和第二端子52和54耦合到第一MEA堆14。

仍然參考圖7，隨著壓力迫使工作流體從第一組高壓電極41流到第一組低壓電極25，第一MEA堆14向總負(fù)載50供電，其中所述第一組高壓電極41連接到端子35，所述第一組低壓電極25連接到端子34。基于施加的壓力差及其溫度減去由于堆14的內(nèi)部阻抗引起的電壓損失，在第一MEA堆14的能斯特電壓下供電。在壓力下，電子通過(guò)總負(fù)載50傳導(dǎo)，并且離子36通過(guò)第一MEA堆14的離子傳導(dǎo)膜24被傳導(dǎo)。

由第一MEA堆14產(chǎn)生的電壓在第二MEA堆16和總負(fù)載50的外部負(fù)載56之間分配。如所配置的，通過(guò)連接到第二MEA堆16的第二組高壓電極42(即，連接到端子31的電極)和第二組低壓電極23(即，連接到端子32的電極)，由第一MEA堆14產(chǎn)生的功率的一部分被供應(yīng)給第二MEA堆16。隨著在所施加的功率下強(qiáng)制的電子流誘導(dǎo)通過(guò)第二MEA堆16的離子傳導(dǎo)膜22的離子傳導(dǎo)，工作流體流被迫從低壓到高壓。由第一MEA堆14產(chǎn)生的剩余功率被供應(yīng)到外部負(fù)載56。

圖8所示的熱-電化學(xué)轉(zhuǎn)換器11'也被配置為JTEC并且作為熱泵操作。基本上，熱-電化學(xué)轉(zhuǎn)換器11'的操作與圖7的發(fā)動(dòng)機(jī)11的操作相反。如圖8所示，熱泵11'連接到外部電源58。第一MEA堆14耦合到低溫?zé)嵩?6并操作以從低溫?zé)嵩?6去除熱量，從而產(chǎn)生制冷效果。低溫?zé)嵩?6可以在-50℃至100℃的溫度下操作，并且優(yōu)選在大約15℃的溫度下操作。更優(yōu)選地，低溫?zé)嵩?6在足夠低的溫度下工作，以使工作流體膨脹的熱量需要冷卻的環(huán)境中從環(huán)境溫度的空氣或水或其它合適的熱源有效地傳遞到低溫?zé)嵩?6。隨著壓力迫使工作流體從第一組高壓電極41流動(dòng)到第一組低壓電極25，第一MEA堆14產(chǎn)生動(dòng)力，其中第一組高壓電極41連接到端子35，所述第一組低壓電極25連接到端子34。當(dāng)電子通過(guò)串聯(lián)的外部電源58和第二MEA堆16傳導(dǎo)時(shí)，壓力通過(guò)強(qiáng)制離子傳導(dǎo)通過(guò)第一MEA堆14的離子傳導(dǎo)膜22來(lái)迫使工作流體流過(guò)第一MEA堆14。

仍然參考圖8，外部電源58和第一MEA堆14串聯(lián)連接并且包括總電源61?？傠娫?1向第二MEA堆16供電，并且連接到第二組高壓電極41(即，連接到端子31的電極)和第二組低壓電極23(即，連接到端子32的電極)。由于電源61強(qiáng)制的電子流誘導(dǎo)工作流體離子通過(guò)第二MEA堆16的離子傳導(dǎo)膜22傳導(dǎo)，工作流體從低壓電極23轉(zhuǎn)移到高壓電極41。第一MEA堆14耦合到第一和第二端子62和64。

仍然參考圖8，第二MEA堆16聯(lián)接到高溫散熱器68，并且因此在比第一MEA堆14更高的溫度下操作。為作為熱泵11'的發(fā)動(dòng)機(jī)的有效操作，第二MEA堆16將工作流體的壓縮熱排出至高溫散熱器68。高溫第二MEA堆16的能斯特電壓高于低溫第一MEA堆14的能斯特電壓。克服高溫第二MEA堆16的較高能斯特電壓需要由外部電源58提供的附加電壓。

高密度直接熱電轉(zhuǎn)換器或熱機(jī)11的單片結(jié)構(gòu)，更具體地是MEA堆14,16的共燒結(jié)或熔融的單片結(jié)構(gòu)，與常規(guī)轉(zhuǎn)換器相比，導(dǎo)致更有效的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造過(guò)程。這是因?yàn)椴恍枰龀鲈S多冗長(zhǎng)的互連，并且更重要的是，不需要構(gòu)造更厚且更大體積的獨(dú)立電極和膜層。例如，常規(guī)轉(zhuǎn)化器的膜通常具有約100μm的厚度，以便具有足夠的完整性以經(jīng)受構(gòu)建過(guò)程。在本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器11中，膜22可以是10μm或更小的薄涂層。多個(gè)薄層彼此順序涂覆或多個(gè)薄層彼此順序?qū)盈B導(dǎo)致單片式多層結(jié)構(gòu)，其中這些層彼此機(jī)械地增強(qiáng)以提供結(jié)構(gòu)完整性，同時(shí)在較小的MEA堆體積內(nèi)提供高M(jìn)EA表面積。高表面積使得能夠?qū)崿F(xiàn)相對(duì)低的電流密度，從而實(shí)現(xiàn)低的電阻損耗。

本發(fā)明等效于獲取固定的源電流并將其分配在并聯(lián)連接的許多高阻抗電阻器中，使得凈結(jié)果等效于單個(gè)低阻抗電阻器。然而，必要的結(jié)構(gòu)和連接以非常有效的方式構(gòu)造，使用絲網(wǎng)印刷或其它合適的技術(shù)將多個(gè)生坯陶瓷材料涂層彼此施加，然后將它們燒結(jié)成具有單一單片結(jié)構(gòu)的固態(tài)熱機(jī)或使用合適的技術(shù)將多個(gè)聚合物箔、膜或?qū)尤酆显谝黄鸪蔀榫哂袉我粏纹Y(jié)構(gòu)的固態(tài)熱機(jī)。

參照?qǐng)D9，示出了單片式MEA堆80的橫截面圖，單片式MEA堆80包括外殼90，質(zhì)子傳導(dǎo)膜材料93，高壓多孔電極94，低壓多孔電極95，高壓流動(dòng)管道97和低壓流動(dòng)管道96。MEA堆80被配置成使得在高壓管道97內(nèi)流動(dòng)的高壓工作流體可以自由地流入或流出高壓多孔電極94。高壓多孔電極94通過(guò)互連件98彼此電力連接。類(lèi)似地，在低壓管道96內(nèi)流動(dòng)的工作流體可以容易地流入或流出低壓多孔電極95。低壓多孔電極96通過(guò)互連件99彼此連接?；ミB件98和99可以是或不是多孔的。無(wú)孔電端子91(也參見(jiàn)圖5)和92為與MEA堆80的外部電連接提供電接觸點(diǎn)。端子91連接到低壓多孔電極95，端子92連接到高壓多孔電極94。如圖9所示的，其中組件MEA并聯(lián)電連接，可以類(lèi)似地連接以串聯(lián)連接單個(gè)MEA堆以增加凈輸出電壓。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的廣義概念的情況下，可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行改變。因此，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于所公開(kāi)的特定實(shí)施例，而是旨在覆蓋由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的修改。