用于电化学能量转换和储存的系统和方法技术方案

电化学能量转换和存储系统包括电化学能量转换装置，如燃料电池，其与氢再生或电方法再生的有机液体燃料和氧化剂流体连通，用于接收、催化和电化学氧化至少一部分燃料以产生电力、部分氧化的液体燃料和水。液体燃料包括具有官能团取代基的六元环环状烃，其中环氢可以经历电化学氧化脱氢成对应的芳族分子。现在通过潜在地引入氧还可以使取代基官能团(包括环)电化学氧化，从而提供另外的储能容量。现在通过向装置输入电力和水可以使部分氧化的废燃料原位电再生，产生氧作为副产物。可替代地，可以将回收的废燃料输送至其通过催化加氢或电化学加氢过程而被重构的设施。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电化学能量转换和储存的系统和方法相关申请的交叉引用本申请是2016年8月17日提交的美国临时专利申请序列第62/376,233号的部分接续申请，该美国临时专利申请的公开内容在通过引用整体而被并入本文，以在该公开内容没有与本文的公开内容不一致的范围内提供公开内容的连续性。
技术介绍
本专利技术总体涉及用于储能的系统，具体涉及使氢可再生或电方法可再生的液体燃料进行电化学能量转换和储存的材料、方法和装置。已知诸如二次电池、电化学电容器和燃料电池等许多电化学能量转换和存储装置。电池和电容器装置直接储存电能的输入。已知燃料电池本质上是可以通过电化学过程将潜在可存储的燃料的固有能量转换成可用的电力的能量转换装置。诸如风能和太阳能等可再生能源仅仅是间歇性发电机，因此需要存储，优选以可以有效地输送给消费者的方式存储。最受吹捧的方法是利用电力来通过电解水产生氢气并将该气体输送到固定的或移动的位置进行储存，其含能量在该位置通过燃烧或优选通过使用燃料电池而被回收，以便获得更高的能量效率。迄今为止，建立氢输送基础设施的资本成本和当前的车辆储氢技术的局限性已导致这样的“氢经济”仅极其有限地实现。在1960年代首次提出的替代储能方法是使用“液态有机氢载体”(LOHC)，如在H2源位置被催化加氢的有机液体，以理想地提供易于储存且可输送的流体。对于固定的或移动的应用，LOHC可以进行催化脱氢，并因此理想地提供氢以驱动燃料电池。将H2贫化的(“废”)燃料再循环到氢源位置，以在该位置通过催化加氢方法将其重构成其原始组合物。典型的载体液体是分别为氢化的形式和脱氢的形式的“分子对”：环己烷/苯和十氢化萘/萘。如Teichmann等人近来在EnergyEnviron.Sci.2011，4，2767中所表达的那样，为了获得广泛的社会认可，LOHC系统必须满足特定的技术性能标准，具有低毒性并具有可接受的环境影响。所引用的技术要求是：高储氢密度；在很宽的温度范围内具有流动性；以及与燃料电池热集成的潜力，通过使用燃料电池的废热来提供氢释放的吸热。在EnergyEnviron.Sci.2015，8，1035中，Markiewitz等人讨论了标准，如作为潜在载体的环境健康和安全(EH&S)风险评估的一部分的生态毒性和生物降解性的标准。最近，基于对上述标准的考虑，Bruechner等人在ChemSusChem2014，7，229中并且Mueller等人在Ind.Eng.Chem.Res.2015，54，7967中提出了将工业上公认的合成传热油，MarlothermLH(SASOL)和MarlothermSH(SASOL)以及它们的全氢化类似物，用作一类新的LOHC。这些组合物在美国专利公开第2015/0266731号中被进一步详述为苄基甲苯和二苄基甲苯的异构体的混合物。讨论了使用这些组合物来结合和释放氢以供客户使用该气体。虽然在几个方面具有吸引力：例如低蒸气压、在很大温度范围内具有流动性以及商业(非全氢化的)油的现有的EH&S数据，但是全氢化载体需要大量的热量输入(即，71kJ/molH2)和相对较高的温度(即，>270℃)，以在适当的催化反应器进行氢解吸。在没有任何热集成的情况下，这样所需的能量输入占氢的较低热值(LHV)的几乎三分之一的损失。270℃或更高的温度排除了与分别在80℃和180℃之间操作的现有商业质子电解质膜(PEM)和磷酸燃料电池的任何热集成。特别是对于尺寸和重量都很受重视的车辆系统，从任何LOHC根据需要输出氢的催化燃料脱氢反应器系统的设计本身是一项重大的工程挑战，而且成本非常高。避免需要这样的反应器的替代方法是将全氢化的LOHC(例如，环己烷)直接供给到电化学装置如燃料电池中，还向其中输入空气或氧气，使载体氧化脱氢成苯，从而提供电力，水作为副产物。这通过Kariya等人在Phys.Chem.Phys.2006，8，1724和在Chem.Commun.2003，690的文章中进行了说明，他们报导了使用PEM燃料电池将环己烷脱氢成苯(C6H6)，伴有以下半电池反应：在阳极上：C6H12→C6H6+6H++6e-在阴极上：2H++2e-+1/2O2→H2O总反应为：C6H12+3/2O2→C6H6+3H2O氢气不会从载体中释放出来，因此其能量含量直接转化为电力。根据电池开路电压(OCV)和功率密度报导了燃料电池(FC)的电性能。对于该系统，OCV(0.91V)接近于理论值。然而，决定器件的尺寸和成本的观察到的最高功率密度(15mW/cm2电极面积)比使用氢作为燃料的现在的商业PEM电池小一到两个数量级。另外研究了甲基环己烷/甲苯LOHC对。这里FC表现得更差(功率密度约为3mW/cm2)，由此证实了该装置的性能对燃料分子结构的敏感性。此外，Kariya等人(也如JP2004-247080中所公开的)证明了2-丙醇被电化学氧化脱氢成丙酮和水。对于该系统，最大功率密度较高(78mW/cm2)，并且虽然效率非常低，但明显也可以在电解条件下使反应反向。虽然在燃料电池中直接使用负载H2的LOHC载体的途径具有不需要脱氢反应器的明显优点，但是它在燃料电池设计中提出了非常重大的挑战。还有对性能相当(Kim等人，CatalysisToday2009，146，9)或更差(Ferrei等人，J.Electrochem.Soc.2012，159(4)，B371)的所谓的“直接的”(不需要事先将燃料转化为H2)环己烷到苯的PEM燃料电池的一些其他研究。在后一出版物中，以全氢化N-乙基咔唑(一种经过充分研究的LOHC(Pez等人，美国专利第7,101,530号和美国专利第7,351,395号))作为输入燃料而起作用的PEM燃料电池表现出高的OCV，与其相对较低的脱氢温度一致，但仅提供了非常低的最小功率输出。Cheng等人在美国公开第2014/0080026号和第2015/0105244号中要求保护全氢化N-乙基咔唑的用途，并且概括地说不饱和杂环芳族分子作为直接燃料电池能量储存和供应系统的进料的用途，还要求保护US2015/0105244中的用于这样的电池的电极材料，但没有提供用于验证这些概念的实际燃料电池性能数据。在美国专利第8,338,055号中，Soloveichik公开了一种电化学能量转换和存储系统，其包括PEM或液体燃料电池、用于向电池供应氢(或LOHC)的有机液体载体和氧化剂(例如空气或氧气)的装置以及用于接收氢贫化的液体的容器。还讨论了载体组合物，其是具有至少两个仲羟基的有机化合物，该仲羟基在电池中通常被电化学氧化成酮部分。这样的潜在的LOHC的大量例子具有估计的储氢容量和计算的脱氢吉布斯自由能数据(以kcal/molH2计)，该数据与燃料电池开路电压OCV有关。值得注意的是，载体分子中存在至少两个氧杂原子限制了氢比重容量。此外，虽然提供了所列出的载体处于其氢化的形式的一些体积密度数据，但是在操作条件下没有迹象表明它们在富氢和脱氢两种状态下的流动性。而最重要的是，对于以要求保护的液态有机氢载体起作用的燃料电池测试装置，没有实验性能数据的公开(如测量的OCV以及负载下的电压和功率密度)。Liu等人在US8,871,393和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学能量转换系统，包括：电化学能量转换装置，其中，所述电化学能量转换装置与氢可再生或电化学可再生的液体燃料的源和氧化剂流体连通，用于接收、催化、脱氢和电化学氧化至少一部分所述燃料以产生电力；以及包括至少部分氧化脱氢的燃料和水的液体，其中，所述液体燃料是包括至少两个烷基取代的环己烷分子的组合物，所述至少两个烷基取代的环己烷分子通过亚甲基、乙烷‑1,2‑二基、丙烷‑1,3‑二基、丙烷‑1,2‑二基、醚键或直接的碳‑碳键不同地连接，从而能够提供位置异构体的混合物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.17 US 62/376,2331.一种电化学能量转换系统，包括：电化学能量转换装置，其中，所述电化学能量转换装置与氢可再生或电化学可再生的液体燃料的源和氧化剂流体连通，用于接收、催化、脱氢和电化学氧化至少一部分所述燃料以产生电力；以及包括至少部分氧化脱氢的燃料和水的液体，其中，所述液体燃料是包括至少两个烷基取代的环己烷分子的组合物，所述至少两个烷基取代的环己烷分子通过亚甲基、乙烷-1,2-二基、丙烷-1,3-二基、丙烷-1,2-二基、醚键或直接的碳-碳键不同地连接，从而能够提供位置异构体的混合物。2.根据权利要求1所述的电化学能量转换系统，其中，所述氢可再生的液体燃料是包括两种或更多种化合物的液体混合物，所述两种或更多种化合物选自芳香环基本上氢化的苄基甲苯的不同异构体的混合物和环基本上氢化的二苄基甲苯的不同异构体的混合物。3.根据权利要求1所述的电化学能量转换系统，其中，至少部分电化学氧化脱氢的燃料包括两种或更多种化合物的混合物，所述两种或更多种化合物选自苄基甲苯的不同异构体的混合物以及二苄基甲苯的不同异构体的混合物。4.根据权利要求1所述的电化学能量转换系统，其中，所述燃料的电化学部分氧化包括将环烷烃或芳族分子上的烷基环取代基转化成醇、醛、酮或羧酸基团。5.根据权利要求1所述的电化学能量转换系统，其中，所述电化学能量转换装置是包括阳极、阴极和质子传导膜的质子电解质膜(PEM)燃料电池。6.根据权利要求5所述的电化学能量转换系统，其中，所述电化学能量转换系统还包括催化剂，所述催化剂设置在所述电化学能量转换装置内用于辅助所述液体燃料的电化学氧化。7.根据权利要求6所述的电化学能量转换系统，其中，所述催化剂选自由钯、铂、铱、铑、钌、镍及它们的组合所组成的组。8.根据权利要求6所述的电化学能量转换系统，其中，所述催化剂包括束缚在碳载体上的金属配位化合物，其中所述金属能选自由钯、铂、铱、铑、钌和镍所组成的组。9.根据权利要求5所述的电化学能量转换系统，其中，所述质子传导膜选自由磺化聚合物、膦酸化聚合物和无机-有机复合材料所组成的组。10.根据权利要求5所述的电化学能量转换系统，其中，所述质子传导膜选自由聚(2,5-苯并咪唑)(PBI)以及聚(2,5-苯并咪唑)与磷酸的组合或聚(2,5-苯并咪唑)与长链全氟烷基磺酸的组合所组成的组。11.根据权利要求6所述的电化学能量转换系统，其中，在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉多·P·佩斯，安德鲁·迈克尔·赫林，
申请(专利权)人：吉多·P·佩斯，安德鲁·迈克尔·赫林，
类型：发明
国别省市：美国,US