[发明专利]具有集成能量存储的热-电化学转换器

说明书

一种电化学直接热电转换器，包括主要热能源；工作流体；包括至少一个膜电极组件的电化学电池，所述膜电极组件包括第一多孔电极、第二多孔电极和至少一个膜，其中所述至少一个膜夹在所述第一和第二多孔电极之间，并且是工作流体的离子的导体；能量存储器；和外部负载。所述电化学电池以热量运行以产生电力。当从主要热能源可用的热能大于满足外部负载需求所需的热能时，过多的能量存储在能量存储器中，而当主要热能源可用的热能不足以满足外部负载的需求时，存储在能量存储器中的过多能量的至少一部分用于向外部负载供电。

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年3月9日提交的美国临时专利申请号62/130,227，和2015年9月17日提交的美国临时专利申请号62/219,977的优先权，这些申请的内容通过引用纳入本文。

发明背景

本发明涉及使用金属氢化物材料的具有集成热能存储的改进的约翰逊热-电化学转换器(Johnson Thermo-Electrochemical Convertor，JTEC)。

对既能够实现电能产生又能够实现能量存储的能量系统的需求是熟知的。通常，发电系统的生产特征曲线与能量需求特征曲线不同。例如，煤电厂宜以稳定、连续的水平发电。然而，煤电厂的电力需求一般有两个峰值，一个在早上、一个在晚上。白天的电力需求高于夜间需求。关于可再生能源系统，如太阳能，在中午产生发电峰值，晚上则完全没有。热能是用于发电的主要能源。当以热量运行的系统需要储能时，使用电化学电池组。此种系统必须首先产生电力，然后将其提供给电池组以便存储。

还设计了机械热机并用于生产电力。这种机械热机以热力学循环运行，其中使用活塞或涡轮作轴功以压缩工作流体。压缩过程在低温下进行，压缩后，工作流体升高到较高的温度。在高温下，工作流体能够相对于诸如活塞或涡轮机等负载膨胀，从而产生轴功。操作使用工作流体的所有发电机的关键在于低温下压缩工作流体所需的功少于高温下膨胀所产生的功。采用工作流体的所有热机都是这种情况。

例如，蒸汽机以兰金热力循环(Rankine thermodynamic cycle)运行，其中水被泵送到高压，然后加热成蒸汽并经活塞或涡轮机膨胀以便作功。内燃机以奥托循环运行，其中低温环境空气被活塞压缩，然后经由气缸内的燃料燃烧而被加热到非常高的温度。随着循环的继续，加热的空气抵靠(against)活塞的膨胀产生的功高于在较低温度压缩过程中消耗的功。然而，现有技术的机械装置不能实现高压缩比，因为需要近恒温压缩和膨胀过程以接近卡诺等效循环(Carnot-equivalent cycles)。

斯特林机(Stirling engine)由Robert Stirling在1816年开发，用于以斯特林循环进行操作，提供高效并且在热源选择时具有更大灵活性的热机。理想的斯特林热力学循环与理想的卡诺循环效率相当，它界定了以在高温下的热输入和低温下的热消散来运行的热机的理论最大效率。然而，与所有机械热机一样，斯特林机遭受与其机械运动部件相关的可靠性问题和效率损失的困扰。

为了避免机械热机固有的问题，设计了碱金属热电转换(AMTEC)电池作为热-电化学热机。AMTEC热机利用压力，通过在高温下强迫可电离的工作流体(例如钠)通过电化学电池而产生电压和电流。电极将电流耦合于外部负载。当电解质分离器两端的电压差迫使钠原子通过电解质时，做电功。钠在进入电解质后被电离，从而将电子释放到外部电路。在电解液的另一侧，钠离子与电子重新结合，以便在离开电解质时重新构成钠，该方式与电池组和燃料电池类型的电化学电池中发生的过程大致相同。低压和高温下的重构钠作为膨胀气体离开电化学电池。随后气体冷却并冷凝回液体状态。然后所得低温液体被重新加压。AMTEC热机的运行近似于兰金热力学循环(Rankine thermodynamic cycle)。