專利名稱：電化學(xué)脫鹽系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例涉及脫鹽技術(shù)領(lǐng)域，并且更具體地涉及電化學(xué)脫鹽系統(tǒng)和控制該系統(tǒng)的方法。
背景技術(shù)：
一個(gè)類型的電化學(xué)脫鹽系統(tǒng)在電解質(zhì)溶液中利用至少一對電極。該電化學(xué)脫鹽系統(tǒng)包括多個(gè)連續(xù)操作循環(huán)，并且每個(gè)操作循環(huán)包括充電操作模式和放電操作模式。在電化學(xué)脫鹽系統(tǒng)的充電操作模式中，由外部電力供應(yīng)對電極對相反地充電以在電極對之間形成電場。電解質(zhì)溶液中的離子由電場朝帶相反電荷的電極驅(qū)動(dòng)并且吸附在電極的表面上。因此，電極對形成電容器，其在充電操作模式期間存儲電能。在充電操作模式期間，電解質(zhì)溶液中離子的濃度隨時(shí)間降低，并且因此從電化學(xué)脫鹽系統(tǒng)退出的電解質(zhì)溶液是與饋送進(jìn)入電化學(xué)脫鹽系統(tǒng)的電解質(zhì)溶液相比具有減少的離子的稀釋水。在放電操作模式期間，釋放存儲在電容器(電極)中的電能，并且離子從電極對的表面解吸而進(jìn)入電解質(zhì)溶液。因此， 在放電操作模式期間從電化學(xué)脫鹽系統(tǒng)退出的電解質(zhì)溶液是與饋送溶液相比具有更高的離子濃度的濃縮水。這樣的電化學(xué)脫鹽裝置也稱為“超級電容器脫鹽系統(tǒng)(SCD) ”。在放電操作模式期間使電極對放電的常規(guī)的方法包括在電極對之間形成短路， 或使電極對與公用設(shè)施(utility)連接來消耗由電極對釋放的電能，或使電極對的極性反轉(zhuǎn)來釋放存儲在電極對中的電能。在SCD系統(tǒng)自身中，這些常規(guī)的方法中沒有一個(gè)直接使用在放電操作模式期間釋放的電能。因此，具有不同于那些系統(tǒng)或當(dāng)前可用的的系統(tǒng)的SCD 系統(tǒng)并且直接使用在放電過程期間釋放的電能可以是可取的。具有用于控制不同于當(dāng)前可用的系統(tǒng)的SCD系統(tǒng)的操作的方法也可以是可取的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，提供電化學(xué)系統(tǒng)。電化學(xué)脫鹽系統(tǒng)包括第一和第二電化學(xué)裝置以及控制器。該第一和第二電化學(xué)裝置每個(gè)包括電化學(xué)脫鹽模塊，其包括至少一對電極以及每對電極之間的用于收容電解質(zhì)溶液的隔間。該第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置的每個(gè)包括多個(gè)連續(xù)操作循環(huán)。每個(gè)循環(huán)包括充電操作模式，用于對每對電極充電并且用于使電解質(zhì)溶液中的離子吸附在電極上；和放電操作模式，用于使該電極對放電并且用于使離子從電極對解吸?？刂破髋渲贸煽刂葡到y(tǒng)使得第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置具有交錯(cuò)的充電和放電操作模式。第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置中的一個(gè)處于放電模式并且至少一對電極釋放電流，而第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置中的另一個(gè)處于充電操作模式并且接收從第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置中的所述一個(gè)釋放的電流。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，提供電化學(xué)脫鹽方法。該方法包括采用充電操作模式操作第一電化學(xué)脫鹽裝置。該充電操作模式包括使該第一電化學(xué)脫鹽裝置的至少一對電極極性相反地充電；使電解質(zhì)溶液經(jīng)過該第一電化學(xué)脫鹽裝置的每對電極之間的隔間；使電解質(zhì)溶液中的離子吸附在至少一對電極上；并且使稀釋溶液從該第一電化學(xué)脫鹽裝置退出。電化學(xué)脫鹽方法包括采用放電操作模式操作該第一電化學(xué)脫鹽裝置，其包括使存儲在該第一電化學(xué)脫鹽裝置的至少一對電極中的電能釋放到第二電化學(xué)脫鹽裝置，并且使用由該第一電化學(xué)脫鹽裝置的至少一對電極釋放的電能對該第二電化學(xué)脫鹽裝置的至少一對電極充電；以及使積累在該第一電化學(xué)脫鹽裝置的至少一對電極上的離子解吸而進(jìn)入隔間中的電解質(zhì)溶液中。


當(dāng)下列詳細(xì)說明參照附圖(其中類似的符號代表整個(gè)圖中類似的部件)閱讀時(shí)， 本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)勢將變得更好理解，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的包括第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置的電化學(xué)脫鹽系統(tǒng)的示范性示意圖。圖2圖示對于圖1的第一電化學(xué)脫鹽裝置在一個(gè)操作循環(huán)內(nèi)的示范性充電和放電電流圖。圖3圖示對于圖1的第一電化學(xué)脫鹽裝置在操作循環(huán)內(nèi)的示范性充電和放電電壓圖。圖4圖示對于圖1的第二電化學(xué)脫鹽裝置在一個(gè)操作循環(huán)內(nèi)的示范性充電和放電電流圖。圖5圖示對于圖1的第二電化學(xué)脫鹽裝置在操作循環(huán)內(nèi)的示范性充電和放電電壓圖。圖6是第一電化學(xué)脫鹽裝置的放電操作模式期間的方法的示范性過程圖。圖7和8圖示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圖1的第一電化學(xué)脫鹽裝置分別在充電操作模式和放電操作模式期間的示范性電化學(xué)脫鹽單元。圖9是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的電化學(xué)脫鹽單元的橫截面圖。圖10圖示根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的電化學(xué)脫鹽系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施例涉及電化學(xué)脫鹽系統(tǒng)。該電化學(xué)脫鹽系統(tǒng)包括第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置以及控制器。該第一和第二電化學(xué)裝置每個(gè)包括電極對和該電極對之間的用于收容電解質(zhì)溶液的隔間。該第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置每個(gè)包括多個(gè)連續(xù)操作循環(huán)，并且每個(gè)循環(huán)包括充電操作模式，用于對該電極對充電并且使電解質(zhì)溶液中的離子吸附在電極的表面上；和放電操作模式，用于釋放存儲在該電極對上的電能并且使積累在電極上的離子解吸而進(jìn)入電解質(zhì)溶液?？刂破髋渲贸煽刂齐娀瘜W(xué)脫鹽系統(tǒng)使得當(dāng)?shù)谝缓偷诙娀瘜W(xué)脫鹽裝置中的一個(gè)處于放電操作模式并且電極對釋放電能時(shí)，第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置中的另一個(gè)處于充電操作模式并且電極對接收從第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置中的所述一個(gè)釋放的電能。因此，由一個(gè)電化學(xué)脫鹽裝置的放電操作模式釋放的電能被另一個(gè)電化學(xué)脫鹽裝置利用，并且提高電化學(xué)脫鹽系統(tǒng)的能量效率。電化學(xué)脫鹽系統(tǒng)的“能量效率”指用于離子去除的能量與由電力供應(yīng)提供給電化學(xué)脫鹽系統(tǒng)的總能量的比率。在下文中，電化學(xué)
脫鹽系統(tǒng)也稱為“超級電容器脫鹽系統(tǒng)”，并且電化學(xué)脫鹽裝置也稱為“超級電容器脫鹽裝置”。
如在本文在整個(gè)說明書和權(quán)利要求書中使用的近似語言可應(yīng)用于修飾任何定量表示，其可以獲準(zhǔn)地改變而不引起它與之有關(guān)的基本功能中的變化。因此，由例如“大約”等術(shù)語或多個(gè)術(shù)語修飾的值不限于規(guī)定的精確值。在一些實(shí)例中，該近似語言可對應(yīng)于用于測量該值的儀器的精確度。除非另外限定，本文使用的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有和本發(fā)明所屬的本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員通常理解的相同的意思。如本文使用的術(shù)語“第一”、“第二”等不表示任何順序、數(shù)量或重要性，而是用于使要素互相區(qū)別開。而且，術(shù)語“一”不表示數(shù)量限制，而是表示存在引用項(xiàng)目中的至少一個(gè)?！俺夒娙萜鳌笔钱?dāng)與常見電容器相比時(shí)具有相對更高的能量密度的電化學(xué)電容器。如本文使用的，“超級電容器”包括其他高性能電容器，例如超電容器。電容器是可以將能量存儲在緊密隔開的導(dǎo)體(叫作“電極”)對之間的電場中的電裝置。當(dāng)施加電壓于電容器時(shí)，大小相等但極性相反的電荷在每個(gè)電極上建立。參照圖1，例如超級電容器脫鹽(S⑶)系統(tǒng)10等電化學(xué)脫鹽系統(tǒng)包括第一 S⑶裝置12、第二 S⑶裝置14、至少一個(gè)電力供應(yīng)16和控制該第一和第二 S⑶裝置12、14的操作的控制器18。在圖1的圖示實(shí)施例中，第一和第二 S⑶裝置12、14電耦合于一個(gè)共用電力供應(yīng) 16。在其他實(shí)施例中，S⑶系統(tǒng)10可包括超出一個(gè)電力供應(yīng)。例如，S⑶系統(tǒng)10包括分別耦合于第一和第二 S⑶裝置12、14的第一和第二電力供應(yīng)(未示出)。在圖示實(shí)施例中，電力供應(yīng)16包括提供交流電的AC電源20，和用于將該交流電轉(zhuǎn)換成直流電以施加于第一和第二 S⑶裝置12、14的整流器22。在其他實(shí)施例中，電力供應(yīng)16可以是DC電力供應(yīng)，其提供直流電或DC電壓給第一和第二 S⑶裝置12、14而不使用整流器。在圖示實(shí)施例中，第一和第二 S⑶裝置12、14可經(jīng)由例如分流器電耦合于一個(gè)共用整流器22。在其他實(shí)施例中， 電力供應(yīng)16可包括第一和第二整流器，其能操作用于分別耦合于第一和第二 S⑶裝置12、 14。在圖1的圖示實(shí)施例中，第一 S⑶裝置12包括至少一個(gè)S⑶模塊24(第一 S⑶模塊24)和該第一 S⑶模塊M與電力供應(yīng)16之間的第一轉(zhuǎn)換器觀。在某些實(shí)施例中，該第一 S⑶模塊M包括至少一對電極32、33以及該電極對32、33之間的用于收容電解質(zhì)溶液 (圖7和8)的隔間36(圖7和8)。同樣，在圖示實(shí)施例中，第二 S⑶裝置14包括至少一個(gè) S⑶模塊沈(第二 S⑶模塊26)和該第二 S⑶模塊沈與電力供應(yīng)16之間的第二轉(zhuǎn)換器30， 并且該第二 S⑶模塊沈包括至少一對電極34、35以及該電極對34、35之間的用于收容電解質(zhì)溶液的隔間36。在圖示實(shí)施例中，第一和第二 SCD單元MJ6分別包括內(nèi)電阻Rl和 R2。在一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二轉(zhuǎn)換器觀、30每個(gè)是雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器。在備選實(shí)施例中，第一和第二 S⑶單元MJ6包括一個(gè)共用雙向轉(zhuǎn)換器。在圖1的圖示實(shí)施例中，第一 S⑶裝置12包括第一電壓傳感器38，用于測量第一 SCD單元M兩端的電壓(Vl)；和第一電流傳感器42，用于測量施加于電極對32、33或從電極對32、33釋放的充電/放電電流(Il)。第二 S⑶裝置14包括第二電壓傳感器40，用于測量第二 SCD單元沈兩端的電壓(Y2)；和第二電流傳感器44，用于測量施加于電極對34、 35或從電極對34、35釋放的充電/放電電流(12)。測量的電壓(VI，V2)和電流(II，12) 被傳送到控制器18，并且控制器18使用這些信號用于控制第一和第二 S⑶裝置12、14。
在某些實(shí)施例中，第一和第二 S⑶裝置12、14每個(gè)包括多個(gè)連續(xù)操作循環(huán)。每個(gè)循環(huán)包括充電操作模式，用于對電極對32、33(34，35)充電并且使電解質(zhì)溶液中的離子吸附在電極對32、33(34，3幻的表面上；和放電操作模式，用于釋放存儲在電極對32、33 (34， 35)上的電能并且使積累在電極對32、33(34，35)上的離子解吸而進(jìn)入電解質(zhì)溶液。在某些實(shí)施例中，控制器18配置成控制第一和第二 S⑶裝置12、14使得它們具有交錯(cuò)的充電和放電操作模式。當(dāng)?shù)谝缓偷诙?SCD裝置12、14中的一個(gè)處于放電操作模式并且電極對32、33或34、35釋放電流時(shí)，第一和第二 S⑶裝置12、14中的另一個(gè)處于充電操作模式并且電極對；34、35或32、33接收從第一和第二 S⑶裝置12、14中的所述一個(gè)釋放的電流。例如，當(dāng)?shù)谝?S⑶裝置12處于放電操作模式時(shí)，第一 S⑶裝置12的電極對32、33釋放電流，而第二 S⑶裝置14處于充電操作模式并且第二 S⑶裝置14的電極對34、35接收從第
一S⑶裝置12的電極對32、33釋放的電流。當(dāng)?shù)诙?S⑶裝置14轉(zhuǎn)到放電操作模式時(shí)，第
二S⑶裝置14的電極對34、35釋放電流，而第一 S⑶裝置處于充電操作模式并且第一 S⑶ 裝置12的電極對32、33接收從第二 S⑶裝置12的電極對34、35釋放的電流。因此，由一個(gè)SCD裝置的放電操作模式釋放的電能由另一個(gè)SCD裝置利用，并且提高SCD系統(tǒng)10的能量效率。在某些實(shí)施例中，根據(jù)對電極對32、33和34、35充電所需要的電荷⑴)，控制器18 配置成計(jì)算并且存儲對于第一和第二 S⑶裝置12、14的充電電流輪廓(charging current profile)(未示出)和充電時(shí)間(tl)。在一個(gè)實(shí)施例中，充電電流是恒定DC電流。在一個(gè)實(shí)施例中，操作第一和第二轉(zhuǎn)換器觀、30以根據(jù)充電電流輪廓輸出充電電流給第一和第二 S⑶裝置12、14。在圖示實(shí)施例中，在放電操作模式中由第一 S⑶裝置12的電極對32、33釋放的電流被傳送通過第一轉(zhuǎn)換器觀到第二 S⑶裝置14，并且由第二轉(zhuǎn)換器30進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成用于對第二 S⑶單元觀的電極對34、35充電的充電DC電流。同樣，由第二 S⑶裝置14 的電極對34、35釋放的電流被傳送通過第二轉(zhuǎn)換器30到第一 S⑶裝置12并且由第一轉(zhuǎn)換器28進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成用于對第一 S⑶裝置12的電極對32、33充電的充電DC電流。在一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二 S⑶裝置12、14具有相等的循環(huán)時(shí)間(T)。圖2和3 分別圖示如由第一電流傳感器42和第一電壓傳感器38在一個(gè)操作循環(huán)內(nèi)測量的第一 SCD 單元M的示范性充電/放電電流曲線和電壓曲線。圖3中的電壓曲線Vl和Vcl分別代表第一 S⑶單元M兩端的電壓和跨電極對32、33的電壓。圖4和5分別圖示如由第二電流傳感器44和第二電壓傳感器40在相同的操作循環(huán)內(nèi)并且在與圖2和3相同的時(shí)段內(nèi)測量的關(guān)于第二 SCD裝置14的第二 SCD單元觀的放電/充電電流曲線和電壓曲線。圖5中的電壓曲線V2和Vc2分別代表第二 S⑶單元沈兩端的電壓和跨電極對34、35的電壓。在圖示實(shí)施例中，第一和第二 SCD裝置12、14的操作循環(huán)每個(gè)具有帶有充電時(shí)間(tl)的充電操作模式和帶有放電時(shí)間(t2)的放電操作模式，即T = tl+t2。在一個(gè)實(shí)施例中，充電時(shí)間 (tl)等于放電時(shí)間(t2)。參照圖2和3，在充電時(shí)間(tl)內(nèi)的充電操作模式期間，能操作第一轉(zhuǎn)換器觀以提供充電電流(Il)給第一 SCD單元M。在圖示實(shí)施例中，在充電時(shí)間(tl)期間的充電電流(Il)是恒定DC電流。在其他實(shí)施例中，在充電時(shí)間(tl)期間的充電電流(Il)可隨時(shí)間是變化的。如在圖3中示出的，在充電時(shí)間(tl)期間，第一 SCD單元對兩端的充電電壓 (Vl)和跨電極對32、33的電壓(Vcl)逐漸增加。在放電時(shí)間(t2)內(nèi)的放電操作模式期間，電極對32、33釋放放電電流(Il)通過第一轉(zhuǎn)換器觀。放電操作模式期間的放電電流(Il) 與充電操作模式中的充電電流(Il)相比處于反向方向。在圖3的圖示實(shí)施例中，在放電時(shí)間(U)期間，第一 SCD單元對兩端的放電電壓(Vl)和跨電極對32、33的電壓(Vcl)減少。在圖2和3的圖示實(shí)施例中，放電操作模式包括對于正常放電時(shí)間(t3)的正常放電操作模式。在該正常放電時(shí)間(U)期間，電極對32、33釋放由存儲在其中的電能驅(qū)動(dòng)的放電電流(Il)通過第一轉(zhuǎn)換器觀，第一 S⑶單元M兩端的電壓(Vl)和跨電極對32、33的電壓(Vcl)減少。然而，在正常放電操作模式末端，電能因?yàn)閮?nèi)電阻兩端的電壓而未被完全釋放，這對于提高SCD系統(tǒng)10的能量效率是不利的。在圖2和3的圖示實(shí)施例中，第一和第二 S⑶裝置12、14的放電操作模式進(jìn)一步包括對于強(qiáng)制放電時(shí)間(t4)的強(qiáng)制放電操作模式。在該強(qiáng)制放電操作模式期間，電力供應(yīng) 16提供強(qiáng)制放電電流(Il)給電極對32、34，但與充電操作模式中的充電電流(Il)相比具有相反的極性?？刂破?8配置成控制系統(tǒng)使得在該強(qiáng)制放電操作模式末端，跨電極對32、 33的電壓(Vcl)大致上等于零，第一 SCD單元M兩端的電壓(Vl)低于零。因此，存儲在第一 S⑶單元M中的電荷被完全釋放。在某些實(shí)施例中，第二 S⑶裝置14具有與第一 S⑶裝置12相同的操作循環(huán)。當(dāng)?shù)谝?SCD裝置12處于充電時(shí)間(tl)內(nèi)的充電操作模式時(shí)，第二 SCD裝置14處于放電操作模式并且釋放電流用于對第一 S⑶裝置12充電。當(dāng)?shù)谝?S⑶裝置12處于放電時(shí)間(t2) 期間的放電操作模式并且釋放電流時(shí)，第二 SCD裝置14處于充電操作模式并且由第一 SCD 裝置12和電力供應(yīng)16釋放的電流來充電。在某些實(shí)施例中，在第一 SCD裝置在充電時(shí)間(tl)內(nèi)的充電操作模式期間，能操作第一轉(zhuǎn)換器觀以根據(jù)由控制器18操縱的電流輪廓傳送充電電流(Il)?？刂破?8配置成控制系統(tǒng)使得當(dāng)由第二 SCD裝置14釋放的正常放電電流(12)能夠滿足用于產(chǎn)生充電電流(Il)的能量需求時(shí)，第一轉(zhuǎn)換器觀只接收正常放電電流(12)用于產(chǎn)生充電電流(Il) 而不接收來自電力供應(yīng)16的電流。當(dāng)由第二 SCD裝置14釋放的正常放電電流(1 不能滿足用于產(chǎn)生充電電流(Il)的能量需求時(shí)，能操作第一轉(zhuǎn)換器觀以接收由正常放電電流 (12)和來自電力供應(yīng)16的電流兩者驅(qū)動(dòng)的能量。在某些實(shí)施例中，由控制器18進(jìn)行的第一和第二 S⑶裝置12、14的充電和放電過程是相似的但在時(shí)間上交錯(cuò)。由控制器18進(jìn)行的用于使第一 SCD裝置12放電的示范性過程100在圖6中圖示。圖示的過程100在步驟102開始，其中控制器18操作使得第一 S⑶ 裝置12的電極對32、33開始正常放電操作模式并且釋放正常放電電流(Il)通過第一轉(zhuǎn)換器觀。正常放電電流(Il)的電能被進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成充電電流(1 用于對第二 SCD裝置14 的電極對34、35充電。在某些實(shí)施例中，在步驟104，控制器18確定由第一 S⑶裝置12的電極對32、33 釋放的電能將是否會(huì)滿足用于對第二 SCD裝置14的電極對34、35充電的能量需求。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器18將從第一 S⑶裝置12釋放的根據(jù)Pl = VlXIl的瞬時(shí)電功率(Pl) 與由第二 S⑶裝置14接收的根據(jù)P2 = V2XI2的瞬時(shí)電功率(P2)比較。如果Pl >P2，確定由第一 S⑶裝置12釋放的電能能夠滿足第二 S⑶裝置14的能量需求，過程100繼續(xù)步驟106。在步驟106，在某些實(shí)施例中，控制器18計(jì)算并且控制第一轉(zhuǎn)換器28來傳送最大可能放電電流到第二 S⑶裝置14，并且然后返回到步驟104直到由第一 S⑶裝置12釋放的電能不能滿足第二 S⑶裝置14的能量需求(即Pl < P2)。過程100繼續(xù)步驟108，并且能操作第二 S⑶裝置14的第二轉(zhuǎn)換器30以接收來自由第一 S⑶裝置12釋放的放電電流和來自電力供應(yīng)16的電能兩者的電流。在步驟107，在某些實(shí)施例中，控制器18計(jì)算并且確定正常放電電流(I 1)、正常放電時(shí)間(t3)和強(qiáng)制放電時(shí)間(t4)。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器18使用第二 SCD裝置14的先前的操作循環(huán)的充電電流(12)和電壓(V2)以及例如內(nèi)電阻(Rl)和電容(Cl)等其他信息來計(jì)算正常放電時(shí)間(t3)和強(qiáng)制放電時(shí)間(t4)。在其他實(shí)施例中，控制器18可使用例如許多循環(huán)的電流和電壓的平均值。在圖示實(shí)施例中，步驟107包括控制器18計(jì)算放電電流(Il)來最大化來自第一 S⑶裝置12的能量輸出(El)的步驟108。在圖示實(shí)施例中，步驟107進(jìn)一步包括控制器18 配置成假定第一 SCD裝置12開始強(qiáng)制放電操作模式而計(jì)算強(qiáng)制放電電流(Il)的步驟110。 在一個(gè)實(shí)施例中，強(qiáng)制放電電流(Il)是恒定DC電流。在某些實(shí)施例中，根據(jù)強(qiáng)制時(shí)間(t4) 計(jì)算強(qiáng)制放電電流(II)，該強(qiáng)制時(shí)間(t4)是總放電時(shí)間(t2)與正常放電時(shí)間(t3)的差。 當(dāng)充電時(shí)間(tl)等于放電電流時(shí)間(t2)時(shí)，強(qiáng)制時(shí)間(t4)是充電時(shí)間(tl)與正常放電時(shí)間(U)之間的差。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器18配置成計(jì)算電極對32、33中剩余的電荷
⑴)，并且根據(jù)(2= J /々沖計(jì)算強(qiáng)制電流。在圖示實(shí)施例中，步驟107進(jìn)一步包括控制器18計(jì)算在強(qiáng)制放電操作模式期間輸入到第一 S⑶裝置12的能量的步驟112。在圖示實(shí)施例中，控制器18以確定的時(shí)間間隔重復(fù)步驟108、110、112的計(jì)算直到放電時(shí)間(t2)結(jié)束。在一個(gè)實(shí)施例中，時(shí)間間隔是例如5秒。在某些實(shí)施例中，在步驟116，控制器18確定正常放電時(shí)間(t3)和強(qiáng)制放電時(shí)間 (t4)使得在放電時(shí)間(U)期間釋放的能量和能量輸入之間的差被最大化。在某些實(shí)施例中，在步驟118，控制器18控制第一 S⑶裝置12以在確定的正常放電時(shí)間(t3)的末端開始強(qiáng)制放電操作模式，并且在步驟120在確定的強(qiáng)制放電時(shí)間(t4) 末端結(jié)束。圖7圖示第一和第二 S⑶裝置12、14在充電操作模式期間的示范性S⑶模塊，例如第一 SCD模塊M。圖8圖示在放電操作模式期間的示范性第一 SCD模塊M。在圖示實(shí)施例中，示范性SCD模塊M包括限定體積的脫鹽容器46，以及容置在該體積中并且電耦合于轉(zhuǎn)換器28的該至少一對電極32、33。在圖7和8的圖示實(shí)施例中，S⑶模塊M進(jìn)一步包括電極對32、33之間的電絕緣隔片48。此外，脫鹽容器46包括至少一個(gè)入口(未標(biāo)示)，來自饋送源52的饋送電解質(zhì)溶液50從該入口進(jìn)入隔間36 ；以及至少一個(gè)出口 54，用于使輸出液體從隔間46退出?？赏ㄟ^使用外力在脫鹽容器46內(nèi)部引導(dǎo)電解質(zhì)溶液。適合的外力可包括重力、抽吸和泵送。在某些實(shí)施例中，第一和第二電極32、33的每個(gè)包括具有高的表面積的導(dǎo)電材料，以及在該導(dǎo)電材料內(nèi)用于電耦合于第一轉(zhuǎn)換器觀的電流收集器(未示出)。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，電極、電流收集器和絕緣隔片48的適合的材料和特性可具有在共同受讓的美國20080185346中描述和說明的類型，其公開通過引用結(jié)合于此。
參照圖7，在充電操作模式期間，電極對32、33分別作為正電極和負(fù)電極由第一轉(zhuǎn)換器觀充電。使來自饋送源52的饋送電解質(zhì)溶液50經(jīng)過S⑶模塊M并且在電極對32、 33之間。陽離子(M+)朝負(fù)電極33移動(dòng)并且吸附在負(fù)電極33上，并且陰離子(X_)朝正電極32移動(dòng)并且吸附在正電極32上。由于在SCD模塊M內(nèi)部的該電荷積累，輸出液體(其是從SCD模塊M出來的稀釋液體56)具有與饋送電解質(zhì)溶液50相比更低的陽離子(M+)和陰離子(Γ)濃度。在一個(gè)實(shí)施例中，稀釋液體56可通過被饋送回第一 S⑶裝置12而再次經(jīng)歷進(jìn)一步去電離。在另一個(gè)實(shí)施例中，稀釋液體56是用于例如工業(yè)使用的輸出。參照圖8，在充電操作模式之后的放電操作模式期間，被吸附的陽離子和陰離子從電極對32、33解吸。在某些實(shí)施例中，在SCD模塊M的放電操作模式期間，盡管電極對32、 33的極性可保持相同，但電極對32、33之間的電勢差可變得更小，從而允許陰離子和陽離子從電極對32、33解吸。而在其他實(shí)施例中，在SCD模塊M的放電模式期間，電極對32、33 的極性可反轉(zhuǎn)。因此，輸出液體(其叫作濃縮液體58)與饋送電解質(zhì)溶液50相比具有更高的陽離子和陰離子濃度。參照圖9，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的S⑶模塊60包括容置在脫鹽容器46中的多個(gè)電極對32、33。這些多個(gè)電極對32、33并行設(shè)置并且由離子障壁62互相連接。在圖示實(shí)施例中，脫鹽容器46包括多個(gè)入口，用于并行地同時(shí)將饋送電解質(zhì)溶液50分別引入對應(yīng)的隔間36 ；以及多個(gè)出口 54，用于在充電操作模式期間使輸出液體(其是稀釋液體56) 退出并且在放電操作模式使輸出液體(其是濃縮液體58)退出。在備選實(shí)施例(其未在圖中示出)中，入口中的僅一個(gè)將饋送電解質(zhì)溶液50引入隔間36中的一個(gè)，并且隔間36采用一個(gè)隔間36的入口 M與串行的另一個(gè)入口 36的入口相通這樣的方式互連使得液體流過每個(gè)隔間36。在圖示實(shí)施例中，入口 M中的僅一個(gè)是輸出液體的退出口。因此，濃縮液體58可以具有更高的離子濃度。在另一個(gè)實(shí)施例中，SCD模塊60可以采用上文描述的并行和串行模式的任何組合方式配置。參照圖10，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的S⑶系統(tǒng)64包括多個(gè)串行連接的第一 SCD裝置12和多個(gè)串行連接的第二 SCD裝置14，分別用于連續(xù)去除饋送電解質(zhì)溶液50的離子?？刂破?8配置成控制系統(tǒng)使得第一 S⑶裝置12的每個(gè)具有與對應(yīng)的第二 S⑶裝置 14交錯(cuò)的充電和放電操作模式(如參考圖1-6的說明描述的)。因此，一個(gè)SCD裝置的放電電流由另一個(gè)S⑶裝置利用以用于對S⑶單元充電。在其他實(shí)施例中，第一 S⑶裝置12 中的一個(gè)可具有與第二 SCD裝置14中的兩個(gè)或以上交錯(cuò)的充電和放電操作模式。由第一 S⑶裝置12釋放的放電電流被利用以用于對第二 S⑶裝置14中的兩個(gè)或以上充電。本文描述的實(shí)施例是具有對應(yīng)于權(quán)利要求中所列舉的本發(fā)明的要素的要素的組成、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和方法的示例。該書面說明可使本領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員能夠制作和使用實(shí)施例，其具有同樣對應(yīng)于權(quán)利要求中所列舉的本發(fā)明的要素的備選要素。本發(fā)明的范圍從而包括不與權(quán)利要求的書面語言不同的組成、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和方法，并且進(jìn)一步包括具有與權(quán)利要求的書面語言無實(shí)質(zhì)不同的其他結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和方法。盡管本文只說明和描述某些特征和實(shí)施例，相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員可想到許多修改和改動(dòng)。附上的權(quán)利要求涵蓋所有這樣的修改和改動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種電化學(xué)脫鹽系統(tǒng)，包括第一和第二電化學(xué)裝置，其每個(gè)包括電化學(xué)脫鹽模塊，所述電化學(xué)脫鹽模塊包括至少一對電極，和每對電極之間的用于收容電解質(zhì)溶液的隔間，所述第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置的每個(gè)包括多個(gè)連續(xù)操作循環(huán)，每個(gè)循環(huán)包括充電操作模式，用于對每對電極充電并且用于使所述電解質(zhì)溶液中的離子吸附在所述電極上；和放電操作模式，用于使電極對放電并且用于使離子從電極對解吸；以及控制器，其配置成控制所述系統(tǒng)使得所述第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置具有交錯(cuò)的充電和放電操作模式，其中所述第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置中的一個(gè)處于放電模式并且該至少一對電極釋放電流，而所述第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置中的另一個(gè)處于充電操作模式并且接收從所述第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置中的所述一個(gè)釋放的電流。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述控制器配置成控制所述系統(tǒng)使得所述第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置中的每個(gè)具有相等的循環(huán)時(shí)間。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述控制器配置成控制所述系統(tǒng)使得對于所述第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置中的每個(gè)，所述充電操作模式的充電時(shí)間等于所述放電操作模式的放電時(shí)間。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述控制器配置成控制所述系統(tǒng)使得所述第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置中的每個(gè)的所述充電操作模式包括正常放電操作模式和強(qiáng)制放電操作模式。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置包括至少一個(gè)雙向轉(zhuǎn)換器，其電連接在所述電化學(xué)脫鹽模塊與電力供應(yīng)之間。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述雙向轉(zhuǎn)換器的每個(gè)包括雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器，用于在所述充電操作模式期間傳送直流電到所述第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置中的一個(gè)的電化學(xué)脫鹽模塊，并且傳送直流電到所述第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置中的另一個(gè)。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其包括至少兩個(gè)串行連接的第一電化學(xué)脫鹽裝置以及至少兩個(gè)串行連接的第二電化學(xué)脫鹽裝置，其分別用于連續(xù)去除離子。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述控制器配置成控制該至少兩個(gè)電化學(xué)脫鹽裝置中的一個(gè)以具有與所述至少兩個(gè)第二電化學(xué)脫鹽裝置中的至少一個(gè)交錯(cuò)的充電和放電操作模式。
9.一種電化學(xué)脫鹽方法，包括采用充電操作模式操作第一電化學(xué)脫鹽裝置，其包括 使所述第一電化學(xué)脫鹽裝置的至少一對電極極性相反地充電； 使電解質(zhì)溶液經(jīng)過所述第一電化學(xué)脫鹽裝置的每對電極之間的隔間； 使所述電解質(zhì)溶液中的離子吸附在所述至少一對電極上；并且使稀釋溶液從所述第一電化學(xué)脫鹽裝置退出；以及采用放電操作模式操作所述第一電化學(xué)脫鹽裝置，其包括使存儲在所述第一電化學(xué)脫鹽裝置的所述至少一對電極中的電能釋放到第二電化學(xué)脫鹽裝置，并且使用由所述第一電化學(xué)脫鹽裝置的所述至少一對電極釋放的電能對所述第二電化學(xué)脫鹽裝置的至少一對電極充電；以及使積累在所述第一電化學(xué)脫鹽裝置的所述至少一對電極上的離子解吸而進(jìn)入所述隔間中的所述電解質(zhì)溶液中。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中對第一電化學(xué)脫鹽裝置的至少一對電極充電包括接收在所述第二電化學(xué)脫鹽裝置的所述至少一對電極的放電操作模式期間釋放的直流電。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其進(jìn)一步包括獲得對于所述第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置的充電/放電電流輪廓，以及控制轉(zhuǎn)換器以輸出電流以用于分別根據(jù)所述充電/放電輪廓對電極對充電/使電極對放電。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述放電操作模式包括對于正常放電時(shí)間的正常放電操作模式以及在所述正常放電時(shí)間期間釋放由存儲在所述第一電化學(xué)脫鹽裝置中的所述至少一對電極中的電能驅(qū)動(dòng)的直流電。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述正常放電操作模式包括比較從所述第一電化學(xué)脫鹽裝置的電極對釋放的瞬時(shí)放電能量是否滿足用于對所述第二電化學(xué)脫鹽裝置的電極對充電的瞬時(shí)能量需求。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中比較包括將所述第一電化學(xué)脫鹽裝置的瞬時(shí)放電電功率與所述第二電化學(xué)脫鹽裝置的瞬時(shí)充電電功率比較。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述放電操作模式進(jìn)一步包括通過以反轉(zhuǎn)極性傳送直流電到所述第一電化學(xué)脫鹽裝置的所述至少一對電極來進(jìn)行的對于強(qiáng)制放電時(shí)間的強(qiáng)制放電操作模式。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其進(jìn)一步包括基于先前的操作循環(huán)或先前若干操作循環(huán)的平均來計(jì)算并且確定正常放電電流、正常放電時(shí)間、強(qiáng)制放電電流和強(qiáng)制放電時(shí)間。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中以一定時(shí)間間隔重復(fù)所述正常放電時(shí)間和強(qiáng)制放電時(shí)間的所述計(jì)算和確定。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中確定所述正常充電時(shí)間和強(qiáng)制放電時(shí)間使得從所述第一電化學(xué)脫鹽裝置輸出的能量和輸入到所述第一電化學(xué)脫鹽裝置的能量之間的差被最大化。
全文摘要
電化學(xué)脫鹽系統(tǒng)(10)包括第一和第二電化學(xué)裝置(12，14)以及控制器(18)。該第一和第二電化學(xué)裝置(12，14)每個(gè)包括電化學(xué)脫鹽模塊，其包括至少一對電極(32，33，34，35)，以及每對電極(32，33，34，35)之間的隔間，用于收容電解質(zhì)溶液。該第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置的每個(gè)包括多個(gè)連續(xù)操作循環(huán)。每個(gè)循環(huán)包括充電操作模式，用于對每對電極(32，33，34，35)充電并且用于使電解質(zhì)溶液中的離子吸附在電極上；和放電操作模式，用于使該電極對(32，33，34，35)放電并且用于使離子從該電極對(32，33，34，35)解吸。第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置中的一個(gè)處于放電模式并且至少一對電極釋放電流，而第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置中的另一個(gè)處于充電操作模式并且接收從第一和第二電化學(xué)脫鹽裝置中的所述一個(gè)釋放的電流。
文檔編號C02F1/469GK102574710SQ201080045139
公開日2012年7月11日 申請日期2010年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者J·H·巴伯, M·胡, R·牛, X·高, Y·劉, 楊海, 熊日華, 蔡巍 申請人:通用電氣公司