用于直接生成电的电化学系统和热泵技术方案

本发明专利技术公开了可用于热机和热泵的电化学系统。该电化学系统包括第一电极组件、第二电极组件、第一电解质和第二电解质。被配置为在第一温度下操作的第一电极组件包括第一电极组和第二电极组。被配置为在不同于第一温度的第二温度下操作的第二电极组件包括第一电极组和第二电极组。第一电解质被配置为在第一电极组件的第一电极组和第二电极组件的第一电极组之间进行循环。第二电解质被配置为在第一电极组件的第二电极组和第二电极组件的第二电极组之间进行循环。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于直接生成电的电化学系统和热泵
本专利技术涉及可用于从热源直接发电或用于使热量逆着温度梯度移动(即将热量从冷的储存器泵送到热的储存器)而无需机械功的电化学方法、系统和设备。背景由热源发电目前世界上大部分的电力都是由热量产生的，而热量又是由化石燃料(石油、煤炭和天然气)的燃烧、热核反应或较少程度上由地热资源或集中的太阳辐射而产生。这种由热量产生的电力涉及通过热机将热量转换成机械功。热机，诸如燃气轮机、蒸汽轮机、有机循环涡轮机、往复活塞发动机等，是一种通过从高温到低温(降低温度梯度)的热流产生机械功的系统。一旦热电厂或更小型装置的热机产生机械功后，它就通过电磁发电机转换成电能。燃烧化石燃料来产生热量是昂贵且对环境是有害的。释放涉及人为气候变化的温室气体(如二氧化碳)以及其他污染物(氮氧化物、硫氧化物、颗粒)。石油和天然气是昂贵的燃料，在世界许多地方都很稀缺。煤炭价格较低，但对环境更具破坏性。热核反应不产生大气排放物；然而，它们具有发生核事故并带来极其严重的灾难性后果的巨大风险。为了防范这种风险，热核厂加入了多种安全特性，这使得它们的建造非常昂贵。存在具有较低温度的丰富热源：所谓的低等级热(LGH)。例如，许多工业过程产生LGH作为目前未被充分利用的废热。地心是过多的LGH形式的地热能量源。可以通过简单且便宜的吸收收集器来吸收太阳辐射，以生产LGH。虽然这种LGH源以非常低的成本(接近零)生产热量，但它们目前未被充分地用于发电。这种利用不足的原因是由于LGH的低温，系统的卡诺效率非常低，导致非常大的热耗(产生1kWh电力所需的热量)以及相应的非常高的资本成本。通常，与使用高等级热的装置相比，LGH的发电设备需要更大的热流量投资，即加热工作流体所需的设备、发动机/涡轮机以及诸如蒸发塔等的排热设备-以产生单位(kWh)电力。热泵当热机逆向操作时，它可将热能从处于低温的储存器移动(或泵送)到处于高温的储存器，即与从温度梯度所预期的热的自然流动相反。在这种模式下操作时，热机被认为是热泵，并且它需要输入机械功(而不是产生机械功)。热泵今天广泛用于制冷设备和空调机组中以冷却建筑物和车辆，并且还越来越多地用于加热。电化学系统将化学电势转化为电能的电化学系统(如电池)是人类在电磁发电和/或光电发电时代之前用于产生和利用电能的第一种方式。但是，这些早期装置消耗被转化的材料(主要是金属)，这使得它们非常不经济。电化学系统通常包括在两个电极处具有相应的电极电势的两个电化学反应(半电池反应)，其中在电极之间存在电动势(电压差)。许多电化学反应的进行具有显著的熵变化，这意味着对于那些电化学反应而言，电极电势受温度的显著影响。一个关于温度如何影响电化学反应的例子可以参见以下文献："TheTemperatureCoefficientsofElectrodePotentials:TheIsothermalandThermalCoefficients-TheStandardIonicEntropyofElectrochemicalTransportoftheHydrogenIon",deBethune等人,Vol.106,No.7,JournaloftheElectrochemicalSociety,1959年7月(以下简称为“REF1”)。热电生成电的热电生成使用电化学反应，其中电极电势随温度显著变化。理论上，电极电势的温度依赖系数(α)是系统中熵变的函数(REF1)，其允许直接确定许多半电池反应的α(REF1)。通常，热电器件由两个电极组成，其中一个放置在高温下，另一个放置在低温下，并且单个电化学反应将在两个电极处的不同速率和平衡电压下进行，由此产生可收获的电压差。这种热电器件的一个例子可参见以下文献："AReviewofPowerGenerationinAqueousThermogalvanicCells",Quickendenelal.,J.Electrochem.Soc,Vol.142,No.11,1995年11月。这种传统的热电反应效率较差，因为反应物和产物的质量流消散了所产生的热电势。此外，温热电极和冷电极的隔热-同时保持低电阻的离子电导路径-可能具有挑战性。最近，已描述了特定的热电固态系统，其可以通过将系统暴露于低温或高温来进行充电和放电。热电固态系统的例子可参见：(1)Lee等人的"AnElectrochemicalSystemforEfficientlyHarvestingLow-GradeHeatEnergy",2014年5月21日公开；(2)美国专利申请，其公开号为US2015/0091150,由Lee等人于2015年4月9日公开,的题目为"ElectrochemicalSystemandMethodsforHarvestingHeatEnergy"；和(3)Yang等人于2014年12月2日公开的"Charging-FreeElectrochemicalSystemforHarvestingLow-GradeThermalEnergy"，Vol.111,No.48,PNAS。这些系统使用所选择的使得一个具有负α和一个具有固定的或正α的半电池反应对，从而通过将它们加在一起来实现全电池反应的实质(α)。通过使用离子选择性膜将两个半电池反应区分开来，限制了热电电压的消散。结果，这些系统比具有单一电化学反应的传统热电系统具有更好的效率。此外，该系统不需要电极的热分离，因为整个电池依次暴露于不同的温度以进行充电和放电。专利技术概述本专利技术的实施方案提供了一种电极组件，其包括第一电极组，其被配置为与第一循环电解质接触，第一电极组包括可渗透至第一循环电解质或与第一循环电解质接触的第一电极；第二电极组，其被配置为与第二循环电解质接触，第二电极组包括可渗透至第二循环电解质或与第二循环电解质接触的第二电极；和在第一电极组和第二电极组之间的隔板，该隔板被配置为将第一循环电解质与第二循环电解质分离并维持第一电极和第二电极之间的离子传导性。本专利技术的一些实施方案提供了一种电化学系统，其包括被配置为在第一温度下操作的第一电极组件，第一电极组件包括第一电极组和第二电极组；被配置为在不同于第一温度的第二温度下操作的第二电极组件，第二电极组件包括第一电极组和第二电极组；第一电解质，其被配置为在第一电极组件的第一电极组和第二电极组件的第一电极组之间进行循环；以及第二电解质，其被配置为在第一电极组件的第二电极组和第二电极组件的第二电极组之间进行循环。本专利技术的实施方案还提供了一种电化学系统，其包括被配置为在第一温度下操作的第一电极组件，第一电极组件包括用于第一电解质的第一电极组和用于第二电解质的第二电极组；被配置为在不同于第一温度的第二温度下操作的第二电极组件，第二电极组件包括用于第一电解质的第一电极组和用于第二电解质的第二电极组；以及储存第一电解质的第一储存罐或储存第二电解质的第二储存罐中的至少一个。本专利技术避开了将热量转换成机械功的需求，提供直接来自热源的发电，且无需任何移动部件或热机。而且，本专利技术适用于来自LGH的发电。本专利技术描述了包含半电池反应对的系统，其中反应物和产物是可溶的，并且在至少两对电极或电极组件之间进行再循环。其使得可以高的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电极组件，其至少包括：第一电极组，其被配置为使第一电解质循环，所述第一电极组包括可渗透至所述第一电解质或与所述第一电解质接触的第一电极；第二电极组，其被配置为使第二电解质循环，所述第二电极组包括可渗透至所述第二电解质或与所述第二电解质接触的第二电极；和在所述第一电极组和所述第二电极组之间的隔板，所述隔板被配置为形成不溶性材料以促进对于电活性物质在所述第一电解质和所述第二电解质之间转移的阻塞，同时保持在所述第一电极和所述第二电极之间的离子传导性。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电极组件，其至少包括：第一电极组，其被配置为使第一电解质循环，所述第一电极组包括可渗透至所述第一电解质或与所述第一电解质接触的第一电极；第二电极组，其被配置为使第二电解质循环，所述第二电极组包括可渗透至所述第二电解质或与所述第二电解质接触的第二电极；和在所述第一电极组和所述第二电极组之间的隔板，所述隔板被配置为形成不溶性材料以促进对于电活性物质在所述第一电解质和所述第二电解质之间转移的阻塞，同时保持在所述第一电极和所述第二电极之间的离子传导性。2.根据权利要求1所述的电极组件，其还包括一对双极板，其中所述第一电极和所述第二电极被设置在所述一对双极板之间并与所述一对双极板串联电耦合。3.根据权利要求2所述的电极组件，其还包括以串联连接的多个电极组和双极板。4.根据权利要求2所述的电极组件，其中所述双极板中的一个与热交换器集成。5.根据权利要求2所述的电极组件，其中所述热交换器包括导热且导电的格栅。6.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述隔板被配置为在与所述第一电解质和所述第二电解质中的一个进行反应时形成不溶性的六氰基铁酸盐。7.根据权利要求6所述的电极组件，其中所述隔板包括设置有不溶性的六氰基铁酸铁普鲁士蓝(Fe(III)4[Fe(II)(CN)6]3)的非选择性渗透膜。8.根据权利要求6所述的电极组件，其中所述隔板包括第一非选择性渗透膜、第二非选择性渗透膜以及位于所述第一非选择性渗透膜和所述第二非选择性渗透膜之间的缓冲膜。9.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述第一电极组被配置为执行具有第一温度依赖系数(α)的半电池反应，并且所述第二电极组被配置为执行具有第二α的半电池反应，所述第一α和所述第二α彼此相反。10.根据权利要求9所述的电极组件，其中全电池电势具有不小于1mV/℃的温度依赖系数。11.一种电化学系统，其包括：被配置为在第一温度下操作的第一电极组件，所述第一电极组件包括第一电极组和第二电极组；被配置为在不同于所述第一温度的第二温度下操作的第二电极组件，所述第二电极组件包括第一电极组和第二电极组；第一电解质，其被配置为在所述第一电极组件的所述第一电极组和所述第二电极组件的所述第一电极组之间进行循环；和第二电解质，其被配置为在所述第一电极组件的第二电极组和所述第二电极组件的所述第二电极组之间进行循环。12.根据权利要求11所述的电化学系统，其还包括位于所述第一电极组件...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁睿程，白立文，姜佩萱，
申请(专利权)人：凯迪创新有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71