专利名称：约翰逊可反转发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用使用具有一对电化电池的可反转发动机进行的热能和电能的相互转换。
然而，电化电池存在一个耗尽反应物的问题。尽管可采用越过电极的一个反位极化电压将电池设计成可以进行再充电，上述的再充电需要一个单独的电源。在电池再充电过程中，电池是不可使用的。
已经努力地研制燃料电池使其克服电化电池所存在的问题。典型地，通过传递越过一个阻碍非离子化物质通过的选择性电解质上的一个离子化物质来操作燃料电池。通过将多孔电极放置在电解质的任一边，可以在连接电极的一个外电路中感应一个电流。最常见的燃料电池种类是氢氧燃料电池，该氢氧燃料电池通过一个电极传递氢而通过另一个电极传递氧。在电解质电极界面结合氢和氧以此生成水。通过不断地去除水，维持一个浓度梯度以此将氢氧流感应到电池中。
然而这些类型的燃料电池也有许多缺点。必须连续提供一个氧化物给这些电池以此连续产生电。此外，这些电池产生一个必须被去除的连续的产品管流，该连续的产品管流的去除也是一个问题。这些燃料电池的多孔电极必须允许反应物进入电池。然而，随着时间的推移，这些多孔电极可能中毒或塞紧以致减慢甚至阻碍反应物的通过。上述反应物流动的减慢减少了电的产生。最后，选择适当的电解质并不总是很容易。电解质必须加速运送离子化物质以此增加电流的产生。常常离子化物质在电解质中的有限移动对产生的电流的数量是一个限制因素。
为了努力避免前述燃料电池的内在问题，已经设计了热电转换电池。这些热电转换电池利用热产生一个压力梯度以此越过一个诸如熔化钠的固态电解质感应出一个反应物流。当钠原子进入电解质时失去电子及离开电解质时获得电子从而产生电。然而这些电池也有通过钠离子所需的多孔电极塞紧的问题。而且，钠离子通过固态电解质的扩散也是很慢的，因此限制了由电池产生的电流量。这些电池也利用很难应用于这些类型装置的碱金属，因为它们具有高腐蚀性。最后，这些类型的燃料电池以极高的温度操作，典型的是在1,200绝对温标到1,500绝对温标的范围，因此它们并不适于很多用途。
因此，可见仍然需要一个电化转换系统，其不需要一个连续的反应物流。该电化转换系统不需要一个随着时间的推移而塞紧的电解质并且该电化转换系统在相对低温下可以进行操作。因此这是本发明主要给予的规定。
图2为
图1中的一个可反转热机的温度熵的图解。
图3为本发明较佳形式中的一个显示在热泵装置中的可反转热机的示意图。
图4为图3中的一个可反转热机的温度熵的图解。
热机10还包括一个安装在与第二电化电池13相邻处并且与管道系统11热交换的加热器18，一个安装在与第一电化电池12相邻处并且与管道系统11热交换的冷却器19，以及一个与第一管道15和第二管道16热连接用于交换两个管道之间热量的蓄热器或散热器20。
第一电化电池12具有一个第一气体扩散电极22，一个第二气体扩散电极23以及一个诸如杜邦(E.I.du Pont de Nemours)制造的氟族聚合物(Nafion)的第一质子导电膜24，其安装在第一气体扩散电极22和第二气体扩散电极23之间。该类型的电化电池从纽泽西洲的索默塞(Somerset，New Jersey)的铱德科技公司(E-Tek，Inc.)中获得。电化电池电极22与23与一个外电源25在电性上连接。
相似地，第二电化电池13具有一个第三气体扩散电极28，一个第四气体扩散电极29和安装在第三气体扩散电极28和第四气体扩散电极29之间的一个第二质子导电膜30。电化电池电极28与29与一个外荷载31在电性上连接。
使用中，用可电离的气体将管道系统11充满，诸如氢，氧或钠，下文中用氢H简单表示。操作加热器18(QH)将热能传递到第二电化电池13中，或其相邻的位置以此维持通过它被传递和电离的氢气的恒温，操作冷却器19(QL)从第一电化电池12或其相邻的位置传递热能，操作热交换器20将热能从第二管道16的氢气中传递到第一管道15的氢气中，一个电流从外电源25传递到第一电化电池12中，氢气H穿过第一电化电池12。由于来自第一电极22与第二电极23之间的外电源25的电位，氢气H穿过第一电化电池12。电位将第一电极22的氢气氧化成氢质子。氢气的氧化造成传递到第二电极23的电子的释放。通过第二电极23的负电荷，氢质子穿过第一质子导电膜24被吸引到第二电极23中。在第二电极23中氢质子被还原成氢气。同样地，穿过第一电化电池12的电流将氢气从第二管道16传递到第一管道15，因此增加第一管道15中的氢气压力而减小第二管道16中的氢气压力，也就是在第二管道16与第一管道15之间产生了一个氢气压差。
氢气H从第二管道16传递到第一管道15造成了第二电化电池13上的压差。随着第一管道15和第二管道16之间的氢气压差增加，产生了越过第二电化电池13的一个电位并且其日益增加。与第二电化电池第三电极28相邻的压力较高的第一管道15的氢气H被氧化成氢质子。这些氢气质子穿过第二质子导电膜30被氢气压差传递到压力较低的第二管道16的第四电极29。在第四电极29氢质子被还原成氢气。同样地，氢气的氧化造成传递到第三电极28的电子的释放而质子还原成氢气造成来自第四电极29的电子的接受，由此通过连接到第二电化电池13的荷载31感应一段电流。
氢气通过第一电化电池12和第二电化电池13产生了如附图中箭头方向所示的穿过管道系统11的液体流。当气体的温度增加时，在恒压下，穿过第一管道15氢气流从与第一电化电池12相邻处传递到与第二电化电池13相邻处。相似地，当气体的温度降低时，在恒压下，穿过第二管道16氢气从与第二电化电池13相邻处传递到与第一电化电池12相邻处。
应了解，通过第一电化电池在低温处将氢气从低压区域传递到高压区域所耗工作量较通过第二电化电池在高温处将氢气从高压区域传递到低压区域所耗工作量少。同样地，随着从热能输入量(QH)的转换中获得额外的输出能量，在第一电化电池中的功输入量较第二电化电池中的功输出量少。在热交换器20中的热传递有助于维持两个电化电池12与13附近的管道系统区域之间的一个温差由此有助于在过程中维持一个恒压并且有助于通过在系统内保存热能，通过将热能从离开与第二电化电池相邻的高温区域的高温气体传递到流入第一电化电池的较低温度气体从而提高效率。
如图2所示的熵图解描述了在操作过程中刚刚描述的系统的熵的变化。
该系统也可在如图3和图4所示的热泵的逆循环中操作。在这里，第二电化电池13与一个外电源25连接而第一电化电池12与一个外荷载31连接。与第一电化电池12相邻的区域也具有热能(QL)而从与第二电化电池13相邻的区域提取(QH)热能。如图3所示，在该结构中此设备的操作就是从低温源提取热能(QL)并且将它作为热能(QH)提供给一个较高的温度源。虽然该系统在热能中提供了一个变化，但是本发明的原则仍与前述一致。
可在相对较小的温差下操作该系统。同样地，该系统既安全也可操作。此外，该系统不需任何的机械移动零件就可以转换能源，同样地实际上就免除了机械失效。
应了解，前述的系统可以采用热源的任何形式，例如电加热器，气体燃烧加热器，热风，辐射热源，辐射加热器或者其他已知的传统产热装置。该系统也采用冷却装置的任何形式，例如冷却水套，散热体，冷却散热器，散热器或其他已知的传统去热装置。
由此可见，现在提供的是一个高效的可以在相对较低温差下操作的可反转发动机。当然应了解，除了在这里特别所述的，在不脱离如所述的权利要求书中规定的本发明的实质和范围内，可以在这里对具体的实例做一些改进。
权利要求
1.一个可反转发动机包括一个具有一个第一离子导电材料的第一电化电池，一个安装在所述第一离子导电材料一边的第一电极，一个安装在与所述第一电极相对的所述第一离子导电材料一边的第二电极；一个具有一个第二离子导电材料的第二电化电池，一个安装在所述第二离子导电材料一边的第三电极，一个安装在与所述第三电极相对的所述第二离子导电材料一边的第四电极；一个具有一个第一管道和一个第二管道的管道系统，所述第一管道的端与所述第一电化电池第二电极液体交换而其第二端与所述第二电化电池第三电极液体交换，所述第二管道的一端与所述第二电化电池第四电极液体交换而其第二端与所述第一电化电池第一电极液体交换；将热传递给所述第二电化电池的加热装置；将热从所述第一电化电池传递出去的冷却装置；以及一个包含在所述管道系统中的可电离气体的提供源，借此，随着一段电流通过第一电化电池，将可电离的气体穿过第一电化电池由此增加第一管道中的压力而同时减小第二管道中的压力，由此第一管道与第二管道之间的所产生压差造成可电离的气体穿过第二电化电池，这样就产生了其第一电极与第二电极之间的一个电位差。
2.如权利要求书1所述的可反转发动机，其中所述第一和第二离子导电材料为质子导电膜。
3.如权利要求书1所述的可反转发动机，其中所述可电离的气体系从由氧气，氢气和钠气组成的群组中选出。
4.如权利要求书1所述的可反转发动机，还包括将热从所述第二管道传递给所述第一管道的热交换器装置。
5.如权利要求书1所述的可反转发动机，还包括一个与所述第一和第二管道热连接的热交换器，由此热交换器将热从第二管道传递到第一管道。
6.一种产生电的方法，所述方法包括以下步骤(a)提供一个与一个电流源连接的第一电化电池；(b)提供一个与一个荷载连接的第二电化电池；(c)在适当的位置提供一个包含第一和第二电化电池的一个闭环管道系统以限制可电离的气体流穿过管道系统；(d)传递电流穿过第一电化电池，以此感应可电离的气体穿过第一电化电池；(e)加热第二电化电池相邻处的或第二电化电池内的可电离的气体；(f)冷却第一电化电池相邻处的或第一电化电池内的可电离的气体；因此，电流通过第一电化电池造成可电离的气体从中穿过以此造成越过第二电化电池上的一个压差，由此越过第二电化电池上的压差造成可电离的气体穿过造成一个电位差的第二电化电池。
7.如权利要求6所述的方法，还包括以下步骤将热从由第二电化电池延伸到第一电化电池的管道系统的一部分传递到从由第一电化电池延伸到第二电化电池的管道系统的另一部分。
8.如权利要求6所述的方法，其中，可电离的气体系从由氧气，氢气和钠气组成的群组中选出。
9.一个可反转发动机包括一个第一电化电池；一个第二电化电池；一个闭环管道系统，所述管道系统具有一个从所述第一电化电池延伸到所述第二电化电池的第一管道和一个从所述第二电化电池延伸到所述第一电化电池的第二管道；将热传递给所述第二电化电池的加热装置；将热从所述第一电化电池传递出去的冷却装置；一个包含在所述管道系统的可电离气体的提供源，借此，随着一段电流通过第一电化电池，将可电离的气体穿过第一电化电池由此增加第一管道中的压力而同时减小第二管道中的压力，由此第一管道与第二管道之间的所产生的压差造成可电离的气体穿过第二电化电池，这样就在其第一电极与第二电极之间产生一个电位差。
10.如权利要求9所述的可反转发动机，其中所述离子导电材料为质子导电膜。
11.如权利要求9所述的可反转发动机，其中所述可电离的气体系从由氧气，氢气和钠气组成的群组中选出。
12.如权利要求9所述的可反转发动机，还包括将热从所述第二管道传递给所述第一管道的热交换器装置。
13.如权利要求9所述的可反转发动机，还包括一个与所述第一和第二管道热连接的热交换器，由此热交换器将热从第二管道传递到第一管道。
全文摘要
本发明公开了一种可反转发动机(10)，其具有一个管道系统(11)，一个第一电化电池(12)和一个第二电化电池(13)。管道系统(11)包括一个从第一电化电池(12)延伸到第二电化电池(13)的第一管道系统(15)与一个从第二电化电池(13)延伸到第一电化电池(12)的第二管道系统(16)。热机(10)还包括一个安装在与第二电化电池(13)相邻处并且与管道系统(11)热交换的加热器(18)，一个安装在与第一电化电池(12)相邻处并且与管道系统(11)热交换的冷却器(19)，以及一个与第一管道(15)和第二管道(16)热连接用于交换两个管道之间热量的再生热交换器(20)。
文档编号H01M8/10GK1449590SQ01814744
公开日2003年10月15日 申请日期2001年7月30日 优先权日2000年7月28日
发明者L·G·约翰逊, J·R·马勒 申请人:约翰逊研究发展公司