质子流反应器系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于存储和释放能量的质子流反应器。在使用中，液体电解质中的存储颗粒的浆料可以通过质子流反应器的第一半电池。当质子流反应器处于充电模式时，质子被结合或以其他方式被吸引至存储颗粒，以形成充有氢的带电存储颗粒，其然后可以被存储和/或运输以备后用。当质子流反应器处于放电模式时，质子从带电存储颗粒中移除，以为电化学反应提供燃料，从而产生电。可替选地，处于放电模式的质子流反应器可以被配置成直接从流入的带电碳颗粒生成氢气。粒生成氢气。粒生成氢气。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】质子流反应器系统


[0001]本专利技术总体上涉及具有浆料电极(slurry electrode)的质子流反应器系统，该浆料电极包括液体电解质中的颗粒。

技术介绍

[0002]电化学电池是将电能转化成化学能或将化学能转化成电能的装置。产生电流的电化学电池通常被称为伏打电池或原电池，而使用电流生成化学反应的电化学电池通常被称为电解池。包括许多串联或并联的伏打电池的装置通常被称为电池，而反应物被连续输送至该装置的电化学装置通常被称为燃料电池。另一种类型的装置是液流电池，其中电池的一个或两个电极具有连续流动的材料，通常为液体形式，其被连续充电和放电。附加的电极材料被存储在外部，通常存储在罐中，并且通常使用泵将该附加的电极材料循环通过电池。
[0003]近年来，作为对传统电源(例如内燃机和发电机)的有效且环境友好的替代物，电化学电池(例如燃料电池)已经受到了越来越多的关注。允许温室气体等零排放或减少排放的电力系统被认为是实现被供电系统(包括经由公路、铁路或海上的被供电的运输)的持续使用的关键。
[0004]燃料电池的一种形式是质子交换膜燃料电池(“PEMFC”)。在PEMFC中，质子交换膜(PEM)通常包含诸如Nafion
TM
的聚合物作为电解质，将阳极侧与阴极侧分离。在典型的PEMFC中，氢气被输送至阳极侧，在阳极侧，氢气被分离成质子和电子。分离出的质子可以行进通过PEM到达阴极侧，在阴极侧，分离出的质子与氧反应以形成水，从而产生电。
[0005]用于清洁能源的燃料或反应物的存储是持续关注的问题，特别是在一种或更多种反应物被以气体形式提供的情况下。以PEMFC为例，所使用的反应物通常是气态的氧和氢。虽然本地空气可以用作氧源，但是某些燃料电池配置可能需要纯化氧，纯化氧需要存储。氢气也可能难以存储，并且已经开发了若干种选项(包括加压氢气存储)来处理该问题。更一般地，为存储用于燃烧系统和燃料电池的氢而开发的技术包括：加压氢存储、液化氢存储、以及在作为氢气输送之前作为金属氢化物存储。在任何电能存储系统中，“往返(round
‑
trip)”能量效率(考虑到为存储而准备氢)是一个非常相关的考虑因素。存在一种过程，其中电解槽通过水分解产生氢气，氢作为气体存储，并且燃料电池利用该气体产生电。该过程可能提供相对低的往返能量效率，通常小于50％。这与诸如锂电池的其他能量存储方式相比是不利的，锂电池为短期存储提供80％以上的往返效率。
[0006]尽管在该领域有所发展，但是仍在寻找存储燃料或反应物例如氢的改进技术。期望的是，这样的技术将提供涉及以下一项或多项的存储：低容量；低附加重量；低成本；以及合适的能量效率。
[0007]Heidari等人的“Technical Feasibility of a Proton Battery with an Activated Carbon Electrode”,International Journal of Hydrogen Energy 43(2018)6197
‑
6209(“Heidari”)公开了小规模“质子电池”的开发，其描述为具有用于以原子形式存储氢的集成固态电极的可逆PEMFC，其全部公开内容并入本文。Heidari将质子电池描述为
氢燃料电池系统与基于电池的系统之间的混合体，因为它涉及装置内的固态电极内捕获的燃料源。
[0008]根据Heidari，第一质子电池基本上是具有用于存储原子氢的集成固态电极的再生PEMFC，使得：
[0009]在电解(或“充电模式”)期间，质子被产生并传导通过PEM，并且进入固态电极，在固态电极中，质子被过量的电子中和，以形成与电极材料结合的氢原子；
[0010]在电流操作(或“放电模式”)期间，存储的质子通过PEM返回至氧侧，在氧侧，存储的质子与来自外部电路的氧和电子结合，以重新形成水，从而产生电。
[0011]Heidari指出，用于存储氢的第一固态电极包含主要由镍、钴、镧和铈组成的昂贵金属合金。Heidari然后提出多孔碳作为金属电极的潜在替代物，其中原子氢在电解期间存储在多孔碳电极内。图1示出了根据Heidari的质子电池设计100，其中碳电极116设置在“电池”的一侧，而电池的另一侧包含氧侧，氧侧包括用于空气行进的流动通道104。质子电池100通常由不锈钢端板102、120书封(book
‑
ended)，不锈钢端板102、120被螺栓122夹紧在一起。在端板102、120之间，并且从氧侧开始，提供了硅酮密封垫圈106、用作气体扩散层材料的多孔烧结钛毡108、由铱/钌氧化物和铂黑形成的催化剂材料110、Nafion PEM 114、浸泡在硫酸中的活性炭电极116和支承电极118的不锈钢网。
[0012]Heidari的结论是，在大气压下以材料为基础的储氢的重量密度已经可以与涉及10巴或更高的氢气压力的金属氢化物储氢技术相当，但是与压缩至700巴的氢气存储相比竞争力较弱。Heidari提到了进一步的研究领域，包括在存储电极中使用新型石墨烯基材料、以及优化充电和放电技术(包括降低氢气的形成速率和改进储氢过程的动力学)。
[0013]尽管替代能量产生和存储技术不断进步，但是仍然期望提供新的能量产生和存储系统作为传统化石燃料燃烧系统的替代。
[0014]本说明书中对任何在先公开或来源于其的信息或者对已知的任何内容的引用不被且不应被视为对以下的承认或认可或任何形式的暗示：在先公开或来源于其的信息或者已知内容构成本说明书所涉及的致力领域中公知常识的一部分。

技术实现思路

[0015]根据本专利技术的第一方面，提供了一种将电能存储为化学能的方法，该方法包括：
[0016]向电化学电池的第一半电池供应包括不带电存储颗粒和电解质的输入浆料；
[0017]向电化学电池的第二半电池供应H
+
或H3O
+
离子的源；
[0018]向电化学电池施加电压以：
[0019]允许H
+
或H3O
+
离子从第二半电池传递至第一半电池；以及
[0020]将不带电存储颗粒转换成带电存储颗粒；以及
[0021]从第一半电池移除包括带电存储颗粒和电解质的输出浆料。
[0022]在根据第一方面的实施方式中，不带电存储颗粒具有以下性质中的一种或更多种：
[0023](A)高电导率；
[0024](B)在0.5与5微米之间的平均直径；
[0025](C)在20％至50％的范围内的孔隙率；
[0026](D)具有在0.5与2纳米(nm)之间的直径的基本“超微孔”，或具有在0.5与2nm之间的层间间距的基本层状区域；
[0027](E)具有在2与50nm之间的直径或宽度的中孔；
[0028](F)在0.5与8wt％之间的电化学储氢容量。
[0029]在根据第一方面的实施方式中，不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种将电能存储为化学能的方法，所述方法包括：向电化学电池的第一半电池供应输入浆料，所述输入浆料包括不带电存储颗粒和电解质；向所述电化学电池的第二半电池供应H
+
或H3O
+
离子的源；向所述电化学电池施加电压以：允许H
+
或H3O
+
离子从所述第二半电池传递至所述第一半电池；以及将所述不带电存储颗粒转换成带电存储颗粒；以及从所述第一半电池移除输出浆料，所述输出浆料包括带电存储颗粒和电解质。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述不带电存储颗粒具有以下性质中的一种或更多种：(A)高电导率；(B)在0.5与5微米之间的平均直径；(C)在20％至50％的范围内的孔隙率；(D)具有在0.5与2纳米(nm)之间的直径的基本“超微孔”，或具有在0.5与2nm之间的层间间距的基本层状区域；(E)具有在2与50nm之间的直径或宽度的中孔；以及(F)在0.5与8wt％之间的电化学储氢容量。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述不带电存储颗粒具有权利要求2中所列出的性质(A)至(F)中的每一个。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述不带电存储颗粒包括碳颗粒。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述碳颗粒是从主要由以下材料中的一种或更多种形成的颗粒中选择的：活性炭、石墨烯、氧官能化的石墨烯、氮官能化或氮掺杂的石墨烯、石墨相氮化碳、石墨烯气凝胶或碳纳米管。6.根据权利要求4或5中任一项所述的方法，其中，所述碳颗粒包括源于酚醛树脂并用氢氧化钾活化的颗粒。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述输入浆料包括5至35％(w/w)，可选地5至15％(w/w)或15至35％(w/w)的不带电存储颗粒。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，供应至所述第二半电池的H
+
或H3O
+
离子的源是水。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括：将不带电存储颗粒与电解质混合，以在所述第一半电池外部形成所述输入浆料；以及将所混合的输入浆料供应至所述第一半电池。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在从所述第一半电池移除所述输出浆料之后，在所述输出浆料中将带电存储颗粒与电解质分离。11.根据权利要求10所述的方法，其中，将带电存储颗粒与电解质分离的步骤包括从所述电解质中过滤所述带电存储颗粒，可选地使用移动过滤膜。12.根据权利要求10或11中任一项所述的方法，其中，将带电存储颗粒与电解质分离的步骤包括干燥所述带电存储颗粒。13.根据权利要求12所述的方法，其中，干燥所述带电存储颗粒的步骤包括向所述带电
存储颗粒施加惰性气体。14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中，在将带电颗粒与电解质分离之后，存储所述带电存储颗粒。15.根据权利要求14所述的方法，其中，在存储所述带电颗粒的步骤期间，所述带电存储颗粒被存储在惰性气氛中。16.一种产生电的方法，所述方法包括：向电化学电池的第一半电池供应输入浆料，所述输入浆料包括带电存储颗粒和电解质；向所述电化学电池的第二半电池供应氧化剂流；允许H
+
或H3O
+
离子从所述第一半电池传递以与所述第二半电池中的氧化剂进行反应，从而产生电；以及从所述第一半电池移除输出浆料，所述输出浆料包括不带电存储颗粒和电解质。17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述带电存储颗粒具有以下性质中的一种或更多种：(A)高电导率；(B)在0.5与5微米之间的平均直径；(C)在20％至50％的范围内的孔隙率；(D)具有在0.5与2纳米(nm)之间的直径的基本“超微孔”，或具有在0.5与2nm之间的层间间距的基本层状区域；(E)具有在2与50nm之间的直径或宽度的中孔；(F)在0.5与8wt％之间的电化学储氢容量。18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述带电存储颗粒具有权利要求17中所列出的性质(A)至(F)中的全部。19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其中，所述带电存储颗粒包括碳颗粒。20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述碳颗粒是从主要由以下材料中的一种或更多种形成的颗粒中选择的：活性炭、石墨烯、氧官能化的石墨烯、氮官能化或氮掺杂的石墨烯、石墨相氮化碳、石墨烯气凝胶或碳纳米管。21.根据权利要求19或20中任一项所述的方法，其中，所述碳颗粒包括源于酚醛树脂并用氢氧化钾活化的颗粒。22.根据权利要求16至21中任一项所述的方法，其中，所述输入浆料包括5至35％(w/w)，可选地5至15％(w/w)或15至35％(w/w)的不带电存储颗粒。23.根据权利要求16至22中任一项所述的方法，其中，已经根据权利要求1至15中任一项生产并且处理了所述带电存储颗粒。24.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰，
申请(专利权)人：皇家墨尔本理工大学，
类型：发明
国别省市：