采用電容性電極的逆向電滲析能量產(chǎn)生系統(tǒng)及其方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及使用電容性電極的能量產(chǎn)生系統(tǒng)及其方法。該系統(tǒng)包括：第一電極隔室(6)，其設(shè)置有能儲(chǔ)存離子和傳導(dǎo)電子的至少第一電容性電極(4)；第二電極隔室(22)，其設(shè)置有至少第二電容性電極(24)；一些電解液隔室(8、20)，其設(shè)置在第一和第二電極隔室之間，其中該電解液隔室由一些交替提供的陽離子交換隔膜(10)和陰離子交換隔膜(18)形成，由此在使用中電解液隔室交替地用高低滲透流填充，使得第一和第二電極用正帶電離子或負(fù)帶電離子充電；電路(46)，其連接到用于收集產(chǎn)生的能量的至少第一和第二電極；及切換裝置(36)，其用于在高低滲透流之間切換，使得系統(tǒng)從第一能量產(chǎn)生狀態(tài)切換到第二能量產(chǎn)生狀態(tài)，并切換第一電極和第二電極的極性。切換周期時(shí)間可以由參考電極(48、50)或PH傳感器裝置控制。
【專利說明】采用電容性電極的逆向電滲析能量產(chǎn)生系統(tǒng)及其方法
[0001]本發(fā)明涉及使用電容性電極的能量產(chǎn)生系統(tǒng)。更具體地，該系統(tǒng)使用高滲透流和低滲透流的流體產(chǎn)生為電力形式的能量。流體之間的濃度差產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)能量的產(chǎn)生的電位差。
[0002]執(zhí)行電滲析操作的系統(tǒng)和過程是已知的，例如，從WO 2010/110983得知。這些電滲析操作的目的是對水進(jìn)行脫鹽作用。針對該脫鹽作用，操作需要連接電極的電源，從而使用能量。此外，WO 2010/110983只描述了特定條件下的電滲析，該特定條件諸如洗滌流具有封閉的環(huán)路且應(yīng)包含硫酸鈣，在I至3的范圍內(nèi)存在硫酸鈣的過飽和，洗滌流的流動(dòng)速度為至少5cm/s,以及需要沉淀裝置。
[0003]NL1031148, WO 2010/062175 和 WO 2010/143950 公開了能量產(chǎn)生系統(tǒng)，其采用逆向電滲析過程或類似的過程，其中兩個(gè)電極之間交替地提供一些陰離子交換隔膜和陽離子交換隔膜。在使用中，不同的相鄰的隔膜之間形成的隔室用流體填充。相鄰隔室用具有不同的含鹽濃度的流體填充，使得離子趨向于從高濃度流體移動(dòng)到低濃度流體。陰離子只能穿過陰離子交換隔膜且陽離子只能通過陽離子交換隔膜。這提供了在不同方向上的陽離子和陰離子的凈輸送。電極的氧化還原反應(yīng)發(fā)生以維持流體的電中性。這些氧化還原反應(yīng)促進(jìn)從離子流到電流的轉(zhuǎn)換，使得電能產(chǎn)生。氧化還原反應(yīng)可以是不可逆反應(yīng)或可逆反應(yīng)。
[0004]不可逆的氧化還原反應(yīng)需要相當(dāng)大的電勢。實(shí)例包括電解成H2和O2的水的電解，以及!12和(:12的產(chǎn)生。這減少了可獲得的凈電力。此外，氣泡可能會(huì)增加電解液的電阻。此外，H2和Cl2的生產(chǎn)需要額外的安全措施，從而使過程復(fù)雜化。
[0005]使用可逆的氧化還原反應(yīng)包括特殊處理，以防止沉淀或丟失在反應(yīng)中使用的化學(xué)品。這種可逆的氧化還原反應(yīng)的實(shí)例包括[Fe (CN)6] 3_/[Fe (CN)6] 4_，其可能形成含F(xiàn)e3+復(fù)合物，并且當(dāng)受到熱或UV時(shí)可能變得不穩(wěn)定。Fe27Fe3+的使用要求相對低的約2.3或更低的PH值，以防止鐵(氫)氧化物沉淀。在實(shí)踐中，通過和圍繞環(huán)繞電極隔室的隔膜的滲漏將慢慢稀釋氧化還原對，從而降低其性能。
[0006]本發(fā)明的目的是消除上述問題并實(shí)現(xiàn)有效和高效的能量產(chǎn)生系統(tǒng)。
[0007]該目的用根據(jù)本發(fā)明的使用電容性電極的能量產(chǎn)生系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)包括:
[0008]-第一電極隔室，其設(shè)置有能儲(chǔ)存離子和傳導(dǎo)電子的至少第一電容性電極；
[0009]-第二電極隔室，其設(shè)置有能儲(chǔ)存離子和傳導(dǎo)電子的至少第二電容性電極；
[0010]-一些電解液隔室，其設(shè)置在第一電極隔室和第二電極隔室之間，其中所述電解液隔室由一些交替地提供的陽離子交換隔膜和陰離子交換隔膜形成，借以在使用中，電解液隔室交替地用高滲透流和低滲透流填充，使得所述第一電極和第二電極帶有正帶電離子或負(fù)帶電離子；
[0011]-電路，其連接到用于收集產(chǎn)生的能量的至少第一電極和第二電極；以及
[0012]-切換裝置，其用于在高滲透流和低滲透流之間切換，使得系統(tǒng)從第一能量產(chǎn)生狀態(tài)切換到第二能量產(chǎn)生狀態(tài)，同時(shí)使第一電極和第二電極切換極性。
[0013]電容性電極包括集電器和能夠儲(chǔ)存離子和傳導(dǎo)電子的元件。在目前優(yōu)選的實(shí)施方案中，該元件包括活性炭。這種活性炭可被設(shè)置在適當(dāng)?shù)募娖魃?，通常為石墨、鈦或涂層鈦，通過例如鑄造、著色、涂覆或擠壓涂覆至少高表面積粒子的混合物進(jìn)行提供，諸如活性炭和粘合劑。除了活性炭和粘合劑以外，溶劑和添加劑(諸如導(dǎo)電材料)可添加到該混合物，該導(dǎo)電材料諸如石墨或碳黑。作為可能的實(shí)例之一，活性炭可以通過鑄造或著色溶劑中的碳懸浮液而設(shè)置在集電器上。在目前優(yōu)選的實(shí)施方案中，活性炭被用作電容性元件，其具有在10-10000微米的范圍內(nèi)的活性炭層厚度。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的電容性電極能夠在其多孔結(jié)構(gòu)中儲(chǔ)存相當(dāng)多的剩余的陽離子或陰離子，且因此儲(chǔ)存凈電荷。用常規(guī)的(非電容式的)電極，這將是不可能。在電容性電極中，電荷由電子平衡，該電子被儲(chǔ)存在電極的導(dǎo)電部分。電容性電極可以將離子流轉(zhuǎn)換為電流，而不存在氧化還原反應(yīng)。此外，這使如根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)中使用的電容性電極能在之后的階段使用儲(chǔ)存的電荷，同時(shí)電容性電極中的自放電被保持在最低程度，以促進(jìn)電力生產(chǎn)。
[0015]用于本發(fā)明的電容性電極(用作超級電容器)可以是雙電層電容器或者偽電容器(或混合型電容器)。集電器應(yīng)是導(dǎo)電材料，例如石墨、膨脹的石墨箔片、金屬(諸如鈦和具有保護(hù)鉬涂層的鈦)或玻璃碳或它們的組合。玻璃碳具有優(yōu)勢，即表面可通過熱活化處理制成多孔的，從而在集電器上直接產(chǎn)生電容層?？芍瞥啥嗫椎膶?dǎo)電性金剛石由于其非常寬的電位窗，是另一個(gè)令人關(guān)注的電容性電極材料。在其它情況下，電容性材料可以被放置在集電器的頂部。作為電容性材料的成分，作為示例，人們可選擇活性炭，其被用在根據(jù)本發(fā)明的目前優(yōu)選的實(shí)施方案中，或可選擇碳納米管、石墨烯和金屬氧化物(諸如Mn02、RuO2或Ru/Ir混合氧化物)。碳納米管、石墨烯和金屬氧化物，可以與活性炭一起使用或不與活性炭一起使用。如用在根據(jù)本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施方案中的電容性電極具有至少每m2電極1000法拉的電容，以用于有效操作。
[0016]該系統(tǒng)包括至少兩個(gè)電容性電極，在其間交替地提供一些陽離子交換隔膜和陰離子交換隔膜。電解液隔室形成在兩個(gè)相鄰的隔膜之間的空間中。兩個(gè)相鄰的隔膜(即，一個(gè)陰離子交換隔膜和一個(gè)陽離子交換隔膜)和兩個(gè)電解液隔室限定一個(gè)逆向電滲析單元。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)產(chǎn)生能量，而常規(guī)的電滲析系統(tǒng)卻具有連接電極的電源。作為結(jié)果，在電滲析中作為陰極操作的元件在逆向電滲析中作為陽極操作(同時(shí)在同一隔室中留下濃縮的和稀釋的水)。此外，根據(jù)本發(fā)明的、能夠產(chǎn)生能量的系統(tǒng)的典型操作模式和典型的幾何結(jié)構(gòu)在相對于電滲析在另一范圍內(nèi)。例如，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的典型電流密度，為通常是海水的高滲透流的濃度，其在0-100A/m2之間的范圍內(nèi)，且最優(yōu)選的在10-50A/m2之間。對于更高的濃度，此范圍將大約是兩倍，所以最優(yōu)選為20-100A/m2。例如，在電滲析中的電流密度通常是較大的數(shù)量級，如將被理解的，其具有用于電容性電極的操作的主要結(jié)果。此外，在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)中的隔膜之間的典型距離高達(dá)500微米，且最優(yōu)選的高達(dá)300微米。在電滲析中的隔膜間距離通常大于該值幾倍。另外，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)中供水的典型流動(dòng)速度在0-5cm/s之間，且最優(yōu)選地在0-2cm/s之間。在電滲析中的典型流動(dòng)速度在此范圍之外,且通常在5-100cm/s之間。在一些相關(guān)的情況下，電滲析中稀釋供液(feed flow)的濃度通常為大于根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)中的稀釋供液的濃度的數(shù)量級。如與電滲析過程相比，使用根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的過程的另一個(gè)作用是防止或減少不利影響，諸如包括在接近隔膜的邊界層中的過飽和溶液。
[0018]相比于用于根據(jù)高滲透流和低滲透流進(jìn)行能量產(chǎn)生的常規(guī)系統(tǒng)，在使用中，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)提供了鹽水體，其存在于電容性元件和隔膜之間，且與實(shí)現(xiàn)在每個(gè)電極上的正電荷的大量儲(chǔ)存以及負(fù)電荷的大量儲(chǔ)存有關(guān)。此外，在根據(jù)本發(fā)明的目前優(yōu)選的實(shí)施方案中，濃縮的和稀釋的鹽溶液連續(xù)地流動(dòng)且位于多個(gè)單元中，這極大地增大了電動(dòng)勢。因此，可在每個(gè)周期中將更多的電荷儲(chǔ)存在電極上，并獲得更高的(平均)功率密度。
[0019]在目前優(yōu)選的實(shí)施方案中，隔膜的數(shù)量是單元的數(shù)量的兩倍加一。這意味著，在隔膜的組件的不同側(cè)面上的兩個(gè)電極面對相同類型的隔膜，即陽離子交換隔膜或陰離子交換隔膜，該隔膜為最接近的隔膜。電解液隔室的數(shù)目至少是兩個(gè)或多于兩個(gè)，因?yàn)閮蓚€(gè)相鄰的電解液隔室用具有高滲透流和低滲透流的流填充，優(yōu)選為分別具有低的鹽度和具有高的鹽度的流體。在滲透壓力中的這種差異驅(qū)使流體中的離子朝由隔膜的類型所確定的方向上的相鄰隔室流動(dòng)。這些流體的來源可以是天然流體、人造流體、工業(yè)廢液或它們的組合。實(shí)例包括以下組合:海水與河水、RO濃縮液與海水、工業(yè)鹽水與河水。本發(fā)明的特殊應(yīng)用是在所謂的“封閉系統(tǒng)”中，其中外部能量源被用于再生流體。高滲透流和低滲透流可以包含不同的鹽。在濃縮溶液中這些鹽的濃度應(yīng)優(yōu)選為在0.25M和溶液是飽和的濃度之間的范圍內(nèi)，但最優(yōu)選在0.4M和3M之間。相比濃縮溶液，稀釋溶液始終具有較低的濃度。高滲透流和低滲透流優(yōu)選為濃縮的鹽溶液和稀釋的鹽溶液。在大多數(shù)位置這些流易于使用，使得可實(shí)現(xiàn)高效的能量產(chǎn)生系統(tǒng)。
[0020]在其中提供了電容性電極的電極隔室中，離子趨向于積聚。提供連接至少兩個(gè)電容性電極的電路驅(qū)使特定類型的離子(即，陽離子或陰離子)朝向儲(chǔ)存這種特定類型的離子的電容性電極。來自外部電路的電子提供電中性。作為結(jié)果，電能將通過該電路來產(chǎn)生。
[0021]為了將電容性電極放電，并且維持系統(tǒng)的能量產(chǎn)生能力，切換裝置通過切換位于適當(dāng)位置的具有高滲透流和低滲透流(優(yōu)選為高的鹽度和低的鹽度)的流來在第一能量產(chǎn)生狀態(tài)和第二能量產(chǎn)生狀態(tài)之間切換系統(tǒng)。這意味著，在第一狀態(tài)下用低滲透流填充的電解液隔室，其在第二狀態(tài)下用具有高滲透流的流體填充，反之亦然。
[0022]對具有高的滲透溶液的流和具有低的滲透溶液的流的切換可通過閥門來控制。該閥門優(yōu)選被同時(shí)切換，假設(shè)兩個(gè)流的流動(dòng)通道是相似的，使得具有高的滲透溶液的流進(jìn)入隔室，其之前用低的滲透流填充，反之亦然。在根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中的一個(gè)中，參考電極和/或PH傳感器可指示用于切換高滲透流和低滲透流的正確時(shí)刻，這正如稍后在本說明書中所描述的。當(dāng)傳感器指示切換的正確時(shí)刻時(shí)，這些傳感器可以被用作顯示器或者可被連接到電子電路，其自動(dòng)激活切換裝置。
[0023]此外，不同狀態(tài)之間的切換指的是第一電極和第二電極切換極性，使得在第一狀態(tài)中用陰離子充電的電極，在第二狀態(tài)中放電陰離子并用陽離子進(jìn)行充電。兩種狀態(tài)都產(chǎn)生電能。這可能包含連接至少兩個(gè)電容性電極和負(fù)載的電路中的切換。該切換發(fā)生采用的頻率由電容性電極的電容來確定。事實(shí)上，將額外電荷儲(chǔ)存在電極上所需的電壓逐漸增加。該電壓可以被測量為在作為整體的組件上的電壓與僅在隔膜上的電壓之間的差。僅在隔膜上的電壓可以由連接到電極隔室的參考電極來控制。當(dāng)該電壓差(即儲(chǔ)存額外電荷的電壓)接近于可能導(dǎo)致電解的電壓(其約為1.2伏)或接近于由單元產(chǎn)生的電壓時(shí)，電流的方向應(yīng)通過切換裝置進(jìn)行切換。通過切換流體或供水，電動(dòng)勢通過流體切換產(chǎn)生，使得所產(chǎn)生的電流的方向也連同離子的方向一起切換。
[0024]采用電容性電極和切換流的效果是不需要氧化還原反應(yīng)。這避免了在不可逆氧化還原反應(yīng)被使用時(shí)所需的超電勢，使得獲得更高的功率密度。此外，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)不需要使用用于氧化還原反應(yīng)的附加的化學(xué)品，并有最低的沉淀風(fēng)險(xiǎn)，從而實(shí)現(xiàn)有效的且高效的能量產(chǎn)生系統(tǒng)。
[0025]除了不存在氧化還原反應(yīng)之外，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)還防止了水分解，這是由于電極隔室中幾乎恒定的PH值造成的，其保存了可在下一狀態(tài)使用的在電容性電極中儲(chǔ)存的電荷，從而實(shí)現(xiàn)了高效率。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)勢是，單元的數(shù)量和電極的數(shù)量之間的比率相對較聞。這意味著，可實(shí)現(xiàn)具有成本效益的系統(tǒng)。
[0027]在目前優(yōu)選的實(shí)施方案中，例如，單個(gè)單元提供約0.15伏，因此八個(gè)單元用于提供大約1.2伏，且30個(gè)單元提供大約4.5伏。然而，僅在單獨(dú)電極上的電壓是與單元的數(shù)目無關(guān)的。在多個(gè)單元的情況下，由于該更高的電壓，輸送的電荷不再由在一個(gè)單獨(dú)單元上的電壓限定，且因此兩個(gè)切換之間的時(shí)間段可以被增加，使得系統(tǒng)的效率得到進(jìn)一步提高。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的目前優(yōu)選的系統(tǒng)中的單元的數(shù)目在1-10000個(gè)單元之間，并更優(yōu)選在100-2500個(gè)單元之間。單位電極面積每個(gè)周期的電荷優(yōu)選在0-1000000庫倫/m2的范圍內(nèi)，且更優(yōu)選在50000-500000庫倫/m2的范圍內(nèi)。優(yōu)選的切換時(shí)間是在0-1000分鐘的范圍內(nèi)，且更優(yōu)選在30-500分鐘的范圍內(nèi)，且單位電極面積的優(yōu)選的電容為1000-500000法拉/m2，更優(yōu)選為10000-500000法拉/m2。優(yōu)選的電流密度，或者換句話說單位電極面積的電流介于0-200A/m2之間，且更優(yōu)選為10-100A/m2。值得注意的是，電滲析系統(tǒng)中的這種電流密度通常是在100-1000A/m2的范圍內(nèi)。
[0029]在使用中的根據(jù)本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施方案中，電極隔室用沖洗溶液填充。
[0030]假設(shè)沖洗溶液能使離子移動(dòng)通過電極隔室到達(dá)電容性電極和從電容性電極移動(dòng)通過電極隔室。沖洗溶液優(yōu)選地包括溶解的鹽。
[0031]沖洗溶液優(yōu)選為高滲透流或低滲透流，最優(yōu)選地為其混合物。因?yàn)檫@些流是已經(jīng)可用的，故在目前優(yōu)選的實(shí)施方案中不需要單獨(dú)的泵和流電路，從而實(shí)現(xiàn)具有成本效益的系統(tǒng)。任選地，至少兩個(gè)電極隔室可設(shè)置有不同的流體。
[0032]在正在使用的另外的優(yōu)選的實(shí)施方案中，隔室中的電解液溶液交替為高滲透流和低滲透流。這意味著，電容性電極交替地面對濃縮流體和稀釋流體，其省去單獨(dú)的電極沖洗溶液的循環(huán)，此外，還省去了兩層隔膜。這進(jìn)一步提高了每層隔膜的功率密度。在電極隔室中的流體或流與通過電解液隔室的流一起切換。
[0033]在根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，沖洗溶液基本上保持在電極隔室內(nèi)部。
[0034]保持沖洗溶液在該電極隔室中，在該隔室內(nèi)簡化整個(gè)系統(tǒng)，因?yàn)椴恍枰鲃?dòng)。優(yōu)選地，在使用中，電極隔室包括具有溶解的鹽的流體。事實(shí)上，在目前優(yōu)選的實(shí)施方案中，電極和對應(yīng)的電極隔室包括鹽溶液。這意味著，在電極處或電極內(nèi)部提供鹽溶液。
[0035]在根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，切換裝置包括在第一電極隔室中的第一參考電極和第二電極隔室中的第二參考電極。
[0036]通過提供參考電極，單個(gè)電容性電極上的電壓可進(jìn)行監(jiān)測。參考電極，例如Ag/AgCl電極或甘汞電極，被連接到兩個(gè)電極隔室，用電極沖洗溶液填充。當(dāng)整個(gè)組件上的電壓和參考電極上的電壓的差值超過促進(jìn)氧化還原反應(yīng)(諸如電解)所需要的電壓時(shí)，切換是優(yōu)選的。通過這種方式，當(dāng)要執(zhí)行流動(dòng)的切換時(shí)提供指示。這進(jìn)一步提高了能量產(chǎn)生系統(tǒng)的整體效率。
[0037]此外或可選地，根據(jù)本發(fā)明的能量產(chǎn)生系統(tǒng)的切換裝置包括pH傳感器。當(dāng)氧化還原反應(yīng)不存在時(shí)，PH值將幾乎是恒定的。當(dāng)電容性電極被完全充電并且將發(fā)生氧化還原反應(yīng)時(shí)，PH值將變化。因此，pH傳感器同樣提供應(yīng)何時(shí)執(zhí)行不同滲透流的切換的指示。
[0038]本發(fā)明還涉及用于產(chǎn)生能量的方法，該方法提供了如上所述的能量產(chǎn)生系統(tǒng)，在相鄰的電解液隔室中提供具有高滲透流和低滲透流的流，優(yōu)選具有高鹽度的流和低鹽度的流，并從第一產(chǎn)生狀態(tài)切換到第二產(chǎn)生狀態(tài)，其中高滲透流和低滲透流，優(yōu)選地高鹽度的流和低鹽度的流，改變位置。
[0039]相同的影響和優(yōu)勢適用于如針對能量產(chǎn)生系統(tǒng)描述的方法。
[0040]區(qū)別于電滲析的本發(fā)明的額外的優(yōu)勢是，能量產(chǎn)生可在海水和河水切換后直接繼續(xù)。盡管它需要一些時(shí)間來再次達(dá)到最大的功率，但當(dāng)組件電壓為正或負(fù)時(shí)都能產(chǎn)生功率。在電滲析中，需要暫停以防止產(chǎn)物流中的混合水。連續(xù)能量生產(chǎn)顯著提高了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的整體性能。此外，根據(jù)本發(fā)明的方法使凈能量生產(chǎn)成為可能。
[0041]在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的基礎(chǔ)上，闡述本發(fā)明的另外的優(yōu)勢、特征和細(xì)節(jié)，其中參考了附圖，在附圖中:
[0042]-圖1A-B示出了根據(jù)本發(fā)明的處于兩種狀態(tài)的系統(tǒng)；
[0043]-圖2-3示出了根據(jù)本發(fā)明的替代系統(tǒng)和以其實(shí)現(xiàn)的結(jié)果；
[0044]-圖4A-C示出了用根據(jù)本發(fā)明的具有30個(gè)單元的系統(tǒng)的實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)的結(jié)果；
[0045]-圖5-6示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的另一個(gè)可替代的實(shí)施方案和以其實(shí)現(xiàn)的結(jié)果；以及
[0046]-圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)可替代的實(shí)施方案。
[0047]能量產(chǎn)生系統(tǒng)2(圖1A-B)包括被放置在電極隔室6中的第一電容性電極4。電解液隔室8通過隔膜10與第一電極隔室6分隔。在所示的實(shí)施方案中，隔膜10是陽離子交換隔膜。在第一能量產(chǎn)生狀態(tài)(圖1A)下，濃縮的鹽溶液12流經(jīng)電解液隔室8。陽離子16遷移通過陽離子交換隔膜10，而陰離子14遷移通過陰離子交換隔膜18。稀釋的鹽溶液19流經(jīng)電解液隔室20。隔膜18將電解液隔室20與電解液隔室8分隔。在所示的實(shí)施方案中，第二電極隔室22(其中放置了第二電容性電極24)通過隔膜10分隔。隔室8、20和兩個(gè)隔膜10、18 (每種類型一個(gè))共同形成單元26。電極4、24通過電路28進(jìn)行外部連接，其中提供了負(fù)載30。
[0048]切換裝置32在第一狀態(tài)(圖1A)和第二狀態(tài)(圖1B)之間切換系統(tǒng)2。在第二狀態(tài)中，流12、19改變位置。這意味著，在第二狀態(tài)下，稀釋的鹽溶液19流經(jīng)電解液隔室8，且濃縮的鹽溶液12流經(jīng)電解液隔室20。這意味著，相比于第一狀態(tài)，陰離子14和陽離子16的流動(dòng)傾向于在相反方向上移動(dòng)。此外，在電路28中的電子的流動(dòng)方向也在相反的方向上。
[0049]在第一狀態(tài)(圖1A)下，流12、19被啟動(dòng)。離子傾向于移動(dòng)通過隔膜10、18。這引起對電極4、24充電。電容性電極4用陰離子14充電，且第二電容性電極24用陽離子16充電。電子流經(jīng)電路28，通過負(fù)載30從第一電容性電極4朝第二電容性電極24流動(dòng)。在電容性電極4、24被充電之后，切換裝置32將系統(tǒng)2切換到第二狀態(tài)(圖1B)，其中流12、19改變位置。相比于第一狀態(tài)，陽離子16和陰離子14的凈流動(dòng)在相反的方向上，使得在電路28中的電子流的方向也相反。首先，電容性電極4、24正在被放電，且接著，電極4、24用陽離子為電容性電極4充電并用陰離子為電容性電極24充電。
[0050]能量產(chǎn)生系統(tǒng)34(圖2)包括一些電解液隔室8和電解液隔室20。實(shí)際上，在所示的實(shí)施方案中，五個(gè)單元26已被設(shè)置在電容性電極4、24之間。切換裝置32包括切換設(shè)備36，其包括第一閥門38和第二閥門40，其引導(dǎo)相應(yīng)的濃縮鹽溶液和稀釋鹽溶液44各自朝向電解液隔室8、20的流動(dòng)。切換設(shè)備36切換閥門，使得當(dāng)系統(tǒng)34在不同狀態(tài)下工作時(shí)流改變位置。
[0051]為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在電容性電極4、24之間的電路中提供恒流器46。電極隔室6包括參考電極48，且電極隔室22包括第二參考電極50。電極隔室6、22設(shè)置有電極沖洗溶液52。在所示的被用于實(shí)驗(yàn)的實(shí)施方案中，電容性電極4、24包括鈦網(wǎng)1.7，其被編織，或可替代地非編織，并且具有的紗線直徑或線的寬度為大約1.5mm，網(wǎng)的開口大約為5mm，且表面面積為1cmX 10cm。電極4、24設(shè)置有大約50g/m2的鉬的涂層。電極4、24包括碳的混合物(Norit DLC超級30)，聚偏二氟乙烯聚合物和N-甲基吡咯烷酮偶極溶劑，其使用刮片被澆鑄(casted)在網(wǎng)上。電容性電極嵌在由PMMA制成的端板中。端板包括用于電極沖洗溶液的入口和出口。第一電極4設(shè)置有Imm厚的襯片以產(chǎn)生用于電極沖洗溶液的隔室，且密封電極溶液防止泄露。陽離子交換隔膜10是Neoi^pta CMX,陰離子交換隔膜18是Neoi^ptaAMX，且使用間隔棒和200微米厚的襯片。在提供第二電極24之后，額外的陽離子交換隔膜10關(guān)閉最后的單元。使用溫度大約25°C的0.51M NaCl的濃縮鹽溶液和0.017M NaCl的稀釋溶液的實(shí)驗(yàn)中使用了這種特定配置的系統(tǒng)34，所述兩種溶液以每單元20ml/分鐘的流速進(jìn)行供給，其相當(dāng)于1.7cm/s的流速。在實(shí)驗(yàn)中，0.25M NaCl的電極沖洗溶液以10ml/分鐘的流速進(jìn)行循環(huán)。在實(shí)驗(yàn)中使用了恒流器46，且測量了包括電極4、24的整個(gè)組件上的電壓。該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果被示出(圖3針對兩個(gè)隨后的周期，其中，實(shí)線表示在組件上的以伏特為單位的電壓，短劃線表示以W/m2為單位的功率密度，以及點(diǎn)虛線表示以秒為單位的具有約200mA的電流的時(shí)間段和無電流的時(shí)間段)。電流為200mA，相當(dāng)于20A/m2。在該系統(tǒng)進(jìn)行切換后，電流停止，同時(shí)產(chǎn)生的電壓接近為零。約一分鐘后，在相反的方向上再次施加電流。
[0052]當(dāng)電容性電極上的電壓已達(dá)到I伏時(shí)，使用30個(gè)單元且進(jìn)行切換來重復(fù)實(shí)驗(yàn)。此電壓等于組件上的總電壓減去單元上的電壓。單元上的電壓使用在電極隔室中被連接到電極的兩個(gè)Ag/AgCl參考電極來測量。用具有30個(gè)單元的這個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的結(jié)果被示出(圖4A，其中短劃線表示以W/m2為單位的功率密度，實(shí)線表示以伏特為單位的組件上的電壓，以及點(diǎn)虛線表示以秒為單位的具有和不具有約200mA的電流的時(shí)間段)。水分解通過在大約I伏狀態(tài)之間的切換來阻止。通過保持幾乎恒定的PH值和游離氯的不存在，或者至少僅最低限度地存在，其得到增強(qiáng)。
[0053]已經(jīng)表明，根據(jù)本發(fā)明的能量產(chǎn)生系統(tǒng)對短的和長的周期時(shí)間和對幾種電流密度都起作用。
[0054]額外的實(shí)驗(yàn)被執(zhí)行，其確認(rèn)了上述結(jié)果。對于具有2、5、10、20和30個(gè)單元的功率密度增加的實(shí)施方案，根據(jù)額外實(shí)驗(yàn)的平均功率密度(圖4B和4C)被示出。圖4B示出了平均功率密度，其作為在20A/m2的電流密度下的切換間隔的函數(shù)。圖4C示出了當(dāng)在傳送15k庫倫/m2時(shí)或在電壓達(dá)到OV時(shí)切換供水時(shí)的平均功率密度。為了清楚的原因，標(biāo)準(zhǔn)偏差未示出，但其通常小于平均值的5%。對于圖4B中所示的結(jié)果，切換時(shí)間從幾秒鐘變化到40分鐘(82分鐘的周期時(shí)間)，且對于圖4C中示出的結(jié)果，電流密度從每m2電極為1A變化到35A。
[0055]在對應(yīng)于大約20000庫倫/m2的傳送電荷的切換時(shí)間處，獲得最大功率。在30A/Hl2處獲得最高功率密度。將會(huì)理解的是，當(dāng)使用不同的隔膜、不同的供水濃度、另外數(shù)量的單元和/或不同的電容性電極時(shí)，最佳的切換時(shí)間和最佳電流密度將是不同的，并且可以根據(jù)特定的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0056]在替代的系統(tǒng)54 (圖5)中，電極隔室6設(shè)置有在所示的實(shí)施方案中源于濃縮鹽溶液的沖洗溶液56，而第二電極隔室22設(shè)置有在所示的實(shí)施方案中源于稀釋鹽溶液的流58。在第二狀態(tài)中(未示出)，流56、58改變位置，使得隔室6設(shè)置有稀釋鹽溶液且隔室22設(shè)置有濃縮鹽溶液。對比于系統(tǒng)34，系統(tǒng)54省去兩個(gè)隔膜。具有5個(gè)單元的系統(tǒng)54的所示實(shí)施方案被用在具有與之前實(shí)驗(yàn)描述的相同條件的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中。測量了對應(yīng)于ΙΟΑ/m2的10mA處的電壓(圖6，具有10mA的電流的兩個(gè)周期，其中，實(shí)線表示以伏特為單位的組件上的電壓，短劃線表示以W/m2為單位的功率密度，以及點(diǎn)虛線表示以秒為單位的具有和不具有電流的時(shí)間段)。
[0057]可替代的系統(tǒng)60(圖7)設(shè)置有第一電容性電極62和相應(yīng)的隔室，以及第二電容性電極64和相應(yīng)的隔室。電容性電極62、64和相應(yīng)的隔室包括陽離子交換隔膜66、鹽溶液68和電容性電極4、24。隔室6、22設(shè)置有參考電極72。在使用中，隔室6、22具有維持在隔室內(nèi)部的流體，且參考電極72檢查每個(gè)電容性電極上的電壓。系統(tǒng)60不需要循環(huán)電極沖洗溶液。
[0058]本發(fā)明并不限于以上描述的和優(yōu)選的實(shí)施方案。在許多修改可被設(shè)想的范圍內(nèi)，所尋求的權(quán)利由下列權(quán)利要求限定。
【權(quán)利要求】
1.一種采用電容性電極的能量產(chǎn)生系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: -第一電極隔室，其設(shè)置有能儲(chǔ)存離子和傳導(dǎo)電子的至少第一電容性電極； -第二電極隔室，其設(shè)置有能儲(chǔ)存離子和傳導(dǎo)電子的至少第二電容性電極； -一些電解液隔室，其設(shè)置在所述第一電極隔室和所述第二電極隔室之間，其中所述電解液隔室由一些交替地提供的陽離子交換隔膜和陰離子交換隔膜形成，由此在使用中，交替地用高滲透流和低滲透流填充所述電解液隔室，使得第一電極和第二電極帶有正帶電離子或負(fù)帶電離子； -電路，其連接到用于收集所產(chǎn)生的能量的所述至少第一電極和所述至少第二電極；以及 -切換裝置，其用于在所述高滲透流和所述低滲透流之間切換，使得所述系統(tǒng)從第一能量產(chǎn)生狀態(tài)切換到第二能量產(chǎn)生狀態(tài)，同時(shí)使所述第一電極和所述第二電極切換極性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量產(chǎn)生系統(tǒng)，其中，所述電容性電極具有至少每m2電極1000法拉的電容。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的能量產(chǎn)生系統(tǒng)，其中，所述電容性電極具有在每m2電極1000-500000法拉的范圍內(nèi)的電容，且優(yōu)選具有在每m2電極10000-500000法拉的范圍內(nèi)的電容。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的能量產(chǎn)生系統(tǒng)，其中在使用中，所述電極隔室用沖洗溶液填充。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的能量產(chǎn)生系統(tǒng)，其中，所述沖洗溶液是所述高滲透流、所述低滲透流和/或其混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的能量產(chǎn)生系統(tǒng)，還包括流動(dòng)裝置，使得在使用中電極隔室中的所述沖洗溶液交替地為所述高滲透流和所述低滲透流。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的能量產(chǎn)生系統(tǒng)，其中，所述沖洗溶液大體上保持在所述電極隔室內(nèi)部。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的能量產(chǎn)生系統(tǒng)，其中，所述電極和/或所述電極隔室中的至少一個(gè)包括鹽溶液。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的能量產(chǎn)生系統(tǒng)，其中，所述切換裝置包括在所述第一電極隔室中的第一參考電極和所述第二電極隔室中的第二參考電極。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的能量產(chǎn)生系統(tǒng)，其中，所述切換裝置包括pH傳感器。
11.一種用于產(chǎn)生能量的方法，所述方法包括: -提供根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的能量產(chǎn)生系統(tǒng)； -在相鄰的電解液隔室中提供高滲透流和低滲透流；以及 -在第一能量產(chǎn)生狀態(tài)和第二能量產(chǎn)生狀態(tài)之間切換，其中高滲透流和低滲透流改變位置。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，電容性電極在其多孔結(jié)構(gòu)中儲(chǔ)存剩余的陽離子或者陰離子，從而儲(chǔ)存凈電荷。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其中，當(dāng)在所述第一能量產(chǎn)生狀態(tài)和所述第二能量產(chǎn)生狀態(tài)之間進(jìn)行切換時(shí)，能量產(chǎn)生在切換所述流之后立即繼續(xù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11、12或13所述的方法，其中在使用中，在所述第一能量產(chǎn)生狀態(tài)和所述第二能量產(chǎn)生狀態(tài)之間的切換在0-1000分鐘之間的范圍內(nèi)執(zhí)行，且優(yōu)選地在30-500分鐘之間的范圍內(nèi)執(zhí)行。
【文檔編號】H01M8/22GK104396077SQ201380026606
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2013年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月26日
【發(fā)明者】大衛(wèi)·阿里·弗馬斯, 約斯特·費(fèi)爾曼, 馬謝爾·薩凱斯 申請人:斯蒂奇威特蘇斯知識(shí)產(chǎn)權(quán)基金會(huì)