ジョンソン熱電エネルギー変換器

ジョンソン熱電変換装置（JTEC）は、エリクソンサイクルに近い2セル熱サイクルで水素の電気化学的酸化還元を利用する固体 熱機関の一種である。^{[1]これは、従来の}熱電変換 の実行可能な代替手段として研究されている。ロニー・ジョンソンが発明し、この変換器は60%ものエネルギー変換効率を示すと主張しているが、 ^{[2]この主張は}カルノーサイクルとの比較に基づく理論的なレベルであり、600℃の温度勾配を想定している。^{[3]これは当初、}海軍研究局への資金提供のために提案されたが拒否された。ジョンソンは後に、このエンジンを水素燃料電池として組み立てることで資金を獲得した。ジョンソンは、エンジンの開発でPARCと協力していた。 ^[4]

JTEC は、水素ガスを圧縮・膨張させることで熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱機関の一種です。従来の機械部品が動かない密閉システムとして動作し、燃料の投入も不要で、排気ガスも発生しません。エンジンは、低温圧縮ステージと高温パワーステージの 2 つのステージで構成されています。各ステージは、銅張りの膜電極アセンブリ(MEA) が二分する作動流体チャンバーで構成されています。MEA は、2 つの電極の間に挟まれた独自のセラミックプロトン交換膜(PEM)です。 ^[5]

動作はアルカリ金属の熱電変換器に似ており、扱いが難しい高反応性の溶融アルカリ金属ではなく、作動流体として水素を使用します。高温の発電段階では、圧縮段階からの高圧水素が膨張し、MEA を介して熱エネルギーを電気エネルギーに変換します。高温高圧の水素が PEM を通過すると、イオン化され、陽子と電子が発生します。陽子は膜を通過し、電極は電子を負荷を通して排出します。PEM を通過した後、陽子は電子と再結合して低圧の水素ガスを生成し、圧縮段階に流れ出します。高温段階の観点から見ると、負荷はエンジンの外部負荷と低温圧縮段階で構成されます。圧縮段階では、MEA 全体に電位が印加され、陽子が PEM を通過して高圧水素を生成します。水素が各段階間を移動する際、熱交換器を通過します。この熱交換器は、高温段階を高温に保ち、低温段階を低温に保つことで効率を高めます。

外部負荷に利用可能なエネルギー量は、低温で水素を圧縮するために必要な電位と、高温で水素を膨張させたときに発生する電位の差です。他のヒートポンプ装置とは異なり、JTEC では、圧縮段階を開始してサイクルを開始するために、最初に電気エネルギーを入力する必要があります。原理的には、エンジンを逆に操作して、たとえば HVAC アプリケーションで電気エネルギーを温度差に変換することもできます。提案されているアプリケーションの 1 つでは、太陽放射によって電力段階が加熱され、圧縮段階が周囲温度のヒートシンクに接続されます。

このエンジンのスケーラビリティにより、開発者らは、その潜在的な用途は、微小電気機械システム(MEMS) への電力供給から大規模発電所として機能することまで多岐にわたると主張している。

このコンバーターは、内燃機関のように燃料ごとにカスタマイズする必要がなく、多様な燃料を使用することができ、外燃機関として機能するため、燃料の燃焼、太陽放射、産業からの低品位廃熱、または燃料電池、内燃機関、タービンなどの他の発電システムから電力を生成することができます。^[6]

• アルカリ金属熱電変換器

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