混合电池和电解槽制造技术

本发明专利技术提供一种用能量装置存储变化的或间歇的电能以及氢(H2)和氧(O2)中的一种或多种的方法，该方法包括：将第一电池水性液体、第二电池水性液体和来自外部电源的电力提供至功能单元，从而提供充电的功能电池单元和存储在所述存储系统中的氢(H2)和氧(O2)中的一种或多种，其中在至少一部分充电时间期间内，以大于1.37V的第一电池电极和第二电池电极之间的电势差，对功能单元进行充电。

Hybrid Batteries and Electrolytic Cells

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】混合电池和电解槽
本专利技术涉及一种用于提供电能和/或能量载体(例如H2)的装置。本专利技术还涉及包括该装置的能源系统。而且，本专利技术涉及一种用于提供电能和/或能量载体(例如H2)的方法。而且，本专利技术还涉及该装置和/或能源系统的用途。
技术介绍
电解槽(electrolyser)在本领域是已知的。例如，US2015069836说明了一种具有用于将电力供给至供电系统中的风能设备的供给装置的控制方法，其包括以下步骤：使用风能设备从风力发电，将所产生电力的第一部分供给至供电系统，将所产生电力的第二部分提供至用于消耗所产生电力所提供的第二部分的用电者(electricalconsumer)，并且其中取决于至少一种监控系统状态和/或取决于主导风，提供至用电者的所产生电力的第二部分完全或部分地减少，供给至供电系统的电力的第一部分相应地增加，并供给至相应的供给装置。
技术实现思路
为了适应来自风力和太阳能的可再生电力的增加，要求昼夜和季节性规模的电网级电力存储。当考虑到由于可再生电力供应的变化而全年的全运行时间有限时，对不同类型存储而言可提供的解决方案的实现具有以下困难：寿命问题、能量效率低、变换损耗和/或成本高。因此，本专利技术一方面提供一种替代的能量装置，其优选地进一步至少部分避免了一个或多个上述缺点。而且，本专利技术另一方面提供一种替代的包括该能量装置的能源系统，其优选地进一步至少部分避免了一个或多个上述缺点。而且，本专利技术另一方面提供一种替代的用于存储并再生电力和/或能量载体的方法，其优选地进一步至少部分避免了一个或多个上述缺点。而且，本专利技术另一个方面提供一种灵活的系统和装置，其可在存储电力和/或氢气方面提供大的自由度。昼夜电力存储在电池中将会是最能量有效的，而季节性存储规模要求转化成基于丰富的元素的人工燃料。这两个方向一直被作为独立的或甚至是竞争的解决方案加以对待。我们在此显示，Ni-Fe电池可以改良成作为高效的集成电池-电解槽来工作。我们发现，除电池的完全容量以外，还可以使用相等或更大量的充电以≥81％的总体能量效率产生氢。由纳米结构NiOOH和还原Fe组成的充电电池电极分别充当高效的制氧和制氢催化剂，当电池充满时氢析出(evolution)。通过该方式，装置的工作时间延长超过电池的充电时间，因此仍能够以产生气体的形式进行可用的能量存储。当可再生的所产生电力产生降低时，电池进行充电，并可用于放电和提供电力。即使电力供应变化，因此装置的足期操作也成为可能，这与没有集成在一装置中的单独的电池或单独的电解槽相反。而且，电池的过电势中消散的热直接用于产生氢，特别是在应用热绝缘和管理以降低对环境的热损失时。注意在这一方面，通过电解水裂解产生氢和氧要求热的供应。热绝缘和热管理系统可以包括集成电池和电解槽周围的热绝缘以及任选的冷却。这样的热绝缘和管理使得在充电和氢析出过程中能够通过电流加热直至例如60℃，并可对温度进行限制以保持在60℃以下。因此，尤其地，能量装置可进一步包括热管理系统，其设置成将功能单元(另参见下文)保持在选自5-95℃、特别是10-75℃、例如15-70℃范围内、例如最大60℃的温度下。我们的结果表明，基于丰富的元素Fe、Ni和KOH(任选的LiOH和NaOH)水基电解质的集成电池和电解槽解决了昼夜和季节两种电力存储。这可以在低成本的自身灵活的设备中提供稳健的电网级能量存储解决方案，其具有接近于全时的应用性：作为白天无限可切换的能量存储，作为夜间的电源。Ni-Fe电池由Jungner和Edison引入。在负极处存在有Fe(OH)2，其在充电时还原成Fe：Fe(OH)2+2e-→Fe+2OH-(-0.877VvsSHE)，而在正极处存在有Ni(OH)2，其在充电时释放出质子：Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-(+0.49VvsSHE)。电池的开路电势为1.37V，其高于从6MKOH电解质裂解水要求的最小电势。出于该原因，在正常操作下已经存在将水裂解成氢和氧导致能量损失和电解质缓慢损失的风险。在正极处则可以发生反应4OH-→O2+2H2O+4e-(+0.40vs.SHE)，而在负极可以发生2H2O+2e-→H2+2OH-(-0.83vs.SHE)。另外，已知反应Fe+2H2O→Fe(OH)2+H2导致自发的自放电。Ni(OH)2和Fe(OH)2是纳米结构的，能够使充(放)电速率更快。上述反应中在Ni(OH)2中存储H+的理论容量对应于289mAh/g。在Fe(OH)2中存储OH-的理论容量对应于596mAh/g。可以使用碱性电解槽以71％的典型效率(所产生氢的HHV(高热值)除以应用的电能)产生氢和氧。主要的活性组分是由隔膜或隔板分隔的基于Ni金属的正极和Ni(或涂有Ni的Fe)的负极，上述隔膜或隔板将氢与氧分隔，同时传递碱性电解槽中的离子。金属电极由于其多孔结构(雷尼镍)具有增加的表面积，气体产生速率更高。此外，可以将贵金属例如Pt或Pt-Ru掺入到负极中，以在例如80℃下在0.5A/cm2电极表面的电流下将产生氢要求的过电势从200mV降低到50mV。隔膜可以是陶瓷复合物，而电解槽再次是强碱性的，特别是KOH溶液。碱性电解槽的效率受O2和H2生成的过电势、充电传输和气体运送以及电极表面上气体形成的限制。因此，第一方面，本专利技术提供一种能量装置(在本文也表示为“装置”)，该装置尤其可以具有电能存储功能，和/或氢产生功能，和/或电解功能，该能量装置包括一个或多个功能单元，每个功能单元包括：-第一电池，其包括一个或多个第一电池电极和用于(碱性)第一电池水性液体(“液体”或“第一液体”)及用于第一电池气体的一个或多个第一电池开口；-第二电池，其包括一个或多个第二电池电极和用于第二电池水性液体(“液体”或“第二液体”)及用于第二电池气体的一个或多个第二电池开口；-隔板，其中第一电池和第二电池共用隔板，其中隔板特别设置成阻挡O2和H2中的一种或多种从一电池运送至另一电池，同时对氢氧根离子(OH-)、一价钠(Na+)、一价锂(Li+)和一价钾(K+)中的至少一种或多种具有透过性；其中该能量装置包括以下的一个或多个：(a)至少两个或更多个第一电池电极和(b)至少两个或更多个第二电池电极，其中该能量装置还包括电元件，其设置成用于施加以下中的一个或多个：(a)两个或更多个第一电池电极之间的一个或多个电势差和(b)两个或更多个第二电池电极之间的一个或多个电势差。利用这种装置，能够同时放电和产生H2。而且，利用这种装置，能够在给装置充电时存储电力，并产生氢和氧。如上所述，本专利技术提供一种能量装置，该能量装置尤其可以具有电能存储功能。因此，当将电能提供至该装置时，可以存储电能。替代地或另外地，该装置可具有氢产生功能。利用本装置，能够在需要电力时在氢产生和/或电能存储和/或放电之间进行选择，但是也能够同时执行这些中的两个，例如，取决于能够施加在第一电极和第二电极之间的电势差。因此，实际上可同时有效地存储和生产氢。这里，术语“有效地存储”和类似术语表示通过还原例如Fe，这种还原的Fe随后能够用于产生H2。因此，H2“存储”在例如Fe和H2O中。此外，在其它实施方式中，该装置可具有电解功能。因此，当该装置用电解功能充电时，存储在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种能量装置(1)，所述能量装置(1)包括一个或多个功能单元(2)，每个功能单元(2)包括：‑第一电池(100)，其包括一个或多个第一电池电极(120)和用于第一电池水性液体(11)及用于第一电池气体(12)的一个或多个第一电池开口(110)；‑第二电池(200)，其包括一个或多个第二电池电极(220)和用于第二电池水性液体(21)及用于第二电池气体(22)的一个或多个第二电池开口(210)；‑隔板(30)，其中所述第一电池(100)和所述第二电池(200)共用所述隔板(30)，其中所述隔板设置成阻挡O2和H2中的一种或多种从一电池运送至另一电池，同时对氢氧根离子(OH

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.23 NL 20180561.一种能量装置(1)，所述能量装置(1)包括一个或多个功能单元(2)，每个功能单元(2)包括：-第一电池(100)，其包括一个或多个第一电池电极(120)和用于第一电池水性液体(11)及用于第一电池气体(12)的一个或多个第一电池开口(110)；-第二电池(200)，其包括一个或多个第二电池电极(220)和用于第二电池水性液体(21)及用于第二电池气体(22)的一个或多个第二电池开口(210)；-隔板(30)，其中所述第一电池(100)和所述第二电池(200)共用所述隔板(30)，其中所述隔板设置成阻挡O2和H2中的一种或多种从一电池运送至另一电池，同时对氢氧根离子(OH-)、一价钠(Na+)、一价锂(Li+)和一价钾(K+)中的至少一种或多种具有透过性；其中所述能量装置(1)包括以下的一个或多个：(a)至少两个或更多个第一电池电极(120)和(b)至少两个或更多个第二电池电极(220)，其中所述能量装置(1)还包括电元件(7)，其设置成用于施加以下中的一个或多个：(a)两个或更多个第一电池电极(120)之间的一个或多个电势差和(b)两个或更多个第二电池电极(220)之间的一个或多个电势差。2.根据权利要求1所述的能量装置(1)，其包括至少一个功能单元(2)，所述功能单元(2)包括两个或更多个第一电池电极(120)，并且其中所述电元件(7)设置成用于在一个或多个第一电池电极(120)的第一子集(1211)和一个或多个第一电池电极(120)的第二子集(1212)之间施加电势差。3.根据权利要求2所述的能量装置(1)，其中所述第一子集(1211)和所述第二子集(1212)的所述第一电池电极(120)包括基于铁的电极。4.根据权利要求2所述的能量装置(1)，其中所述第一子集(1211)的所述第一电池电极(120)包括基于铁的电极，并且其中所述第二子集(1212)的所述第一电池电极(120)包括氢气生成电极(1210)。5.根据前述权利要求中任一项所述的能量装置(1)，其包括至少一个功能单元(2)，所述功能单元(2)包括两个或更多个第一电池电极(120)和一个或多个第二电池电极(220)。6.根据前述权利要求中任一项所述的能量装置(1)，其包括至少两个功能单元(2)，其中第一功能单元(2)的第一电极(120)和第二功能单元的第二电极(220)通过双极板(4)彼此分开，其中所述双极板(4)导电。7.根据权利要求6所述的能量装置(1)，其中所述双极板(4)包括至少两个双极板部分(1041、1042)，所述双极板部分设置成彼此电分离，其中一个或多个第一电池电极(120)与第一双极板部分(1041)相关联，其中一个或多个第一电池电极(120)与第二双极板部分(1042)相关联，其中一个或多个第二电池电极(220)与所述第一双极板部分(1041)相关联，并且其中一个或多个第二电池电极(220)与所述第二双极板部分(1042)相关联。8.根据前述权利要求1-5中任一项所述的能量装置(1)，其包括第一电池(100)、第二电池(200)和另外的电池，所述另外的电池包括另外的第一电极(120)从而提供两个或更多个第一电池电极(120)或另外的第二电极(220)从而提供两个或更多个第二电池电极(220)。9.根据前述权利要求中任一项所述的能量装置(1)，其中一个或多个第二电池电极(220)包括基于镍的电极。10.根据前述权利要求中任一项所述的能量装置(1)，其中所述电元件(7)包括变压电源。11.根据前述权利要求中任一项所述的能量装置(1)，其中至少一个功能单元(2)包括：-第一电池(100)，其包括多个第一电池电极(120)、和用于所述第一电池水性液体(11)和用于所述第一电池气体(12)的一个或多个第一电池开口(110)，其中所述多个第一电极(120)包括基于铁的电极，其中所述多个第一电池电极包括所述第一电池电极(120)的第一子集(1211)和所述第一电池电极(120)的第二子集(1212)；-第二电池(200)，其包括所述第二电池电极(220)、和用于所述第二电池水性液体(21)和用于所述第二电池气体(22)的一个或多个第二电池开口(210)，其中所述第二电极(220)包括基于镍的电极；-所述隔板(30)，其中第一电池(100)和第二电池(200)共用隔板(30)，其中所述隔板设置成阻挡O2和H2中的一种或多种从一电池运送至另一电池，同时对氢氧根离子(OH-)、一价钠(Na+)、一价锂(Li+)和一价钾(K+)中的至少一种或多种具有透过性；-与所述第一电池电极(120)的第一子集(1211)电连接的第一电连接部(1251)，与所述第一电池电极(120)的第二子集(1212)电连接的第二电连接部(1252)，和与所述第二电池电极(220)电连接的第三电连接部(52)；和-连接器元件(1510)，其包括所述电元件(7)，所述电元件(7)是在第一设置和第二设置中可切换的，在第一设置中所述第一子集(1211)的所述第一电极(120)和所述第二子集(1212)的所述第一电极(120)短路，在第二设置中在(a)所述第二电极(220)和所述第一子集(1211)的所述第一电极(120)和(b)所述第二电极(220)和所述第二子集(1212)的所述第一电极(120)之间能够存在不同的电压差和/或不同的电流能够流动。12.根据权利要求10所述的能量装置(1)，其还包括能量源，所述能量源设置成在第二设置中在(a)所述第二电极(220)和所述第一子集(1211)的所述第一电极(120)和(b)所述第二电极(220)和所述第二子集(1212)的所述第一电极(120)之间生成电压差和/或不同的电流。13.根据前述权利要求10-11中任一项所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·M·米尔德，B·韦宁格，
申请(专利权)人：代尔夫特理工大学，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL