本發(fā)明涉及氫氣生產(chǎn)和化學(xué)能儲(chǔ)存。具體地，其涉及生產(chǎn)儲(chǔ)存氫的方法、系統(tǒng)和裝置，從而提供增加的氫勢(shì)能形式的能量?jī)?chǔ)存。

背景技術(shù)：

1、將水電解成氫氣和氧氣是一個(gè)存在已久的工藝。隨著可再生能源任務(wù)的不斷尋求，一個(gè)重大障礙已經(jīng)是與可再生能源相關(guān)的相對(duì)低的可用性和可靠性。例如，對(duì)于太陽(yáng)能來(lái)說(shuō)，其可用性受到特定地區(qū)或特定季節(jié)或特定天氣模式下的日照的限制。類(lèi)似地，對(duì)于風(fēng)能，從風(fēng)源產(chǎn)生能量的條件也必須在特定地點(diǎn)和特定時(shí)間的風(fēng)活動(dòng)方面至少是足夠的，如果不是最佳的話。理想地，“滿(mǎn)足需求”的能力也意味著能夠根據(jù)需要改變和引入更多這樣的能量，而不依賴(lài)于當(dāng)前條件。因此，改變能量?jī)?chǔ)存并滿(mǎn)足利用這種可再生能源的需求對(duì)于可再生能源在足以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)可再生能源發(fā)電目標(biāo)和減少與公共政策相關(guān)的碳排放的期望水平上的長(zhǎng)期可行性變得重要。

2、對(duì)于需要適應(yīng)相當(dāng)大的電力負(fù)荷和/或延長(zhǎng)的時(shí)間周期的更大規(guī)模的操作來(lái)說(shuō)，用于可再生電力的能量存儲(chǔ)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

3、與可再生發(fā)電和其他發(fā)電相關(guān)的用于增強(qiáng)產(chǎn)氫的有效系統(tǒng)目前非常有限，但是非常需要，該系統(tǒng)提供氫勢(shì)能形式的能量?jī)?chǔ)存，直到存在電能需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本公開(kāi)涉及用于增強(qiáng)電化學(xué)生產(chǎn)氫以充當(dāng)有用的可再生能源的方法和系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)和方法提供了將能量作為氫勢(shì)能儲(chǔ)存的提高的能力，直到存在需要被滿(mǎn)足的電能需求。本公開(kāi)提供了在特別適應(yīng)的環(huán)境中使用電化學(xué)反應(yīng)制氫。在本公開(kāi)的實(shí)施方案中，提供了氫氣生產(chǎn)的方法和系統(tǒng)，其中采用了兩個(gè)操作階段。該系統(tǒng)包括含有第一電極和第二電極以及溶液的電解電池。該溶液可以是酸性或堿性水溶液，可以含有各種金屬的鹽，前提是這些金屬中的每一種都可以隨著電子平衡反應(yīng)釋放出氫氣而溶解。因此，本發(fā)明可以用含有金屬陽(yáng)離子(如鐵、鎳、錳、鋅、錫和鉛)的溶液操作。然而，申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬鹽溶液是鋅基鹽溶液時(shí)，可以獲得更佳的系統(tǒng)的效率。因此，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，在該文件的以下部分中，將僅提及鋅溶液，但是也可以使用上述其它金屬。第一電極可以由金屬或金屬合金(例如鋅、銅、不銹鋼或鈦)制成，第二電極可以由不銹鋼、鎳及其合金、鈦及其合金、或石墨化碳片或石墨化碳紙中的一種或多種制成，所述石墨化碳片或石墨化碳紙任選地設(shè)有催化涂層，所述催化涂層適用于降低析氧反應(yīng)(以下稱(chēng)為“oer”)、析氫反應(yīng)(以下稱(chēng)為“her”)或兩者的過(guò)電壓。在含有鋅鹽溶液的電池的充電階段的過(guò)程中(見(jiàn)圖1)第一電極和第二電極連接到外部電能源，該外部電能源可以是可再生能源，例如太陽(yáng)能或風(fēng)能。由外部電源支持的電子流被輸送到第一電極，在第一電極，鋅鹽的鋅被還原。輸送到第一電極的電子從第二電極離開(kāi)，在第二電極，通過(guò)水的電氧化釋放氧氣。在充電階段完成后，第一電極和第二電極與外部能源斷開(kāi)連接(見(jiàn)圖2)。在這種備用狀態(tài)下，申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鋅保持基本穩(wěn)定，因?yàn)槠浔砻娴奶卣髟谟谙鄬?duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極(she)的高還原電位，這防止了金屬鋅的任何顯著的氧化。當(dāng)需要?dú)錃鈺r(shí)，即在工作的放電階段的過(guò)程中，已知的現(xiàn)有技術(shù)教導(dǎo)將第一電極和第二電極連接到外部電阻性電路，該電路允許電子從第一電極(在第一電極，鋅隨后通過(guò)氧化溶解)流向第二電極，在第二電極的表面上，電子通過(guò)水的電還原產(chǎn)生氫氣。氫氣在第二電極上的釋放通過(guò)降低的her過(guò)電壓得以促進(jìn)，正如已經(jīng)指出的，其特征在于用于構(gòu)造第二電極的材料。這種電布局加速了氫氣的釋放，而電能同時(shí)通過(guò)外部電阻性電路從電池中提取出來(lái)以做功或儲(chǔ)存。然而，申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種已知的現(xiàn)有技術(shù)布局所允許的氫氣的釋放速率太低，與本發(fā)明目的的大規(guī)模應(yīng)用的類(lèi)型不相容。令人驚訝的是，申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外部電子電路是短路時(shí)(見(jiàn)圖3)，這種嚴(yán)重的障礙可以被克服。短路不允許像現(xiàn)有技術(shù)的布局那樣通過(guò)外部電阻性電路提取電能，或者至少將第二階段釋放的剩余電能減少至小于鋅-氫反應(yīng)的可用能量的1％。然而，申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種外部利用的電能的損失被增加的氫氣釋放速率所超過(guò)地補(bǔ)償，這使得生產(chǎn)這種量的氫氣所需的電極面積顯著縮小，這種量的氫氣應(yīng)當(dāng)被供應(yīng)到任何大規(guī)模的應(yīng)用中。反過(guò)來(lái)，較小的電極面積導(dǎo)致所需資本投資的顯著減少。申請(qǐng)人還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)將電極間隙保持在1.75-3.25mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選為2-3mm的范圍內(nèi)，并且將金屬鋅的濃度保持在90-110克/升，優(yōu)選為95-105克/升，更優(yōu)選100克/升，可以進(jìn)一步提高氫氣釋放速率。

2、在本公開(kāi)的另一個(gè)實(shí)施方案中(見(jiàn)圖4、5和6)，提供了一種氫氣生產(chǎn)的系統(tǒng)和方法，其中采用了兩個(gè)階段。該系統(tǒng)包括含有第一電極和第二電極的電解電池，第一電極包含選自由鋅、銅、不銹鋼或鈦組成的組的金屬，第二電極分成彼此電絕緣的兩個(gè)單元。第二電極的第一單元可以包括具有適于氧氣釋放的涂層的鈦金屬。第二電極的第二單元可以包括鎳、鎳合金、不銹鋼或石墨化碳材料(例如碳片或碳紙)，所有這些材料都具有任選的用于促進(jìn)氫氣釋放的涂層。該電池包括含有鋅鹽的溶液。在充電階段的過(guò)程中(見(jiàn)圖4)第一電極和第二電極的第一單元連接到外部電能源。第一電極上沉積鋅金屬，第二電極的第一單元上釋放氧氣，其特征在于低oer過(guò)電壓。在充電階段完成后，第一電極和第二電極的第一單元與外部能源斷開(kāi)連接。在以下備用狀態(tài)下(見(jiàn)圖5)申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于氫氣釋放的偶聯(lián)反應(yīng)速率低，鋅基本上是穩(wěn)定的，事實(shí)上其特征在于鋅表面上非常高的過(guò)電壓。當(dāng)需要以給定的速率釋放氫氣時(shí)，即在操作的放電階段(見(jiàn)圖6)，第一電極和第二電極的第二單元連接到外部短路，使得鋅溶解的同時(shí)，第二電極的第二單元的表面上釋放氫氣，其特征在于降低的her過(guò)電壓。外部短路允許與大規(guī)模應(yīng)用相容的氫氣釋放速率，這是本發(fā)明的目的，具有上述減小電極表面和降低資本投資要求的所有優(yōu)點(diǎn)。

3、在本公開(kāi)的另一個(gè)實(shí)施方案中，提供了氫氣生產(chǎn)的系統(tǒng)和方法(見(jiàn)圖7、8和9)。采用了兩個(gè)階段。該系統(tǒng)包括電解電池，該電解電池配備有第一電極和第二電極，并用含有鋅鹽的溶液填充。該系統(tǒng)還包括連接到設(shè)有負(fù)極端和正極端的外部電能源。在充電階段過(guò)程中(見(jiàn)圖7)，第一電極和第二電極分別連接到外部電能源的負(fù)極端和正極端。在充電階段，第一電極上沉積鋅，第二電極上釋放氧氣。在充電階段完成后，第一電極和第二電極與外部能源斷開(kāi)連接，電池保持在備用狀態(tài)，直到需要生產(chǎn)氫氣(見(jiàn)圖8)。當(dāng)需要?dú)錃鈺r(shí)，即在放電階段，第一電極和第二電極再連接到外部能源的相對(duì)端，即具有鋅沉積物的第一電極連接到正極端，第二電極連接到負(fù)極端(見(jiàn)圖9)。鋅從第一電極溶解，第二電極上釋放氫氣，其速率可以通過(guò)控制外部電路中施加的電壓來(lái)控制，使得從第一電極到第二電極測(cè)量的整個(gè)電池上的電壓可以上升到甚至高于簡(jiǎn)單短路操作所允許的值。

4、在本公開(kāi)的另一實(shí)施方案中，提供了氫氣生產(chǎn)的系統(tǒng)和方法。在該實(shí)施方案中，申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果除了上述過(guò)程中的每一步之外，在放電階段加熱電解質(zhì)溶液(見(jiàn)圖10)，則氫氣生產(chǎn)速率可以進(jìn)一步增加。申請(qǐng)人已經(jīng)確定，溶液的加熱可以來(lái)自許多可用的來(lái)源，例如電阻加熱器、廢能流或低需求蒸汽源(例如熱回收蒸汽發(fā)生器(hrsg)。值得注意的是，允許對(duì)溶液進(jìn)行確定(affirmative)(和交替)加熱和冷卻的來(lái)源(例如浸沒(méi)在溶液中的熱交換器盤(pán)管、電阻加熱器、感應(yīng)加熱器或水夾套)對(duì)于本公開(kāi)的該方面可能是理想的。

5、此外，本發(fā)明的短路電極布局中的氫氣釋放速率會(huì)受到電極距離和溶液內(nèi)部電阻率的影響或阻礙。高度優(yōu)選的是，電極距離減少至1.75-3.25mm，優(yōu)選2-3mm，確保防止或限制由于從第一電極形成鋅枝晶并與第二電極接觸的已知問(wèn)題而導(dǎo)致的過(guò)早電極短路的可能性所需的最小距離。除了使用如前所述的高鋅鹽濃度之外，通過(guò)提高電池的溫度，可以顯著降低溶液的內(nèi)部電阻率。事實(shí)上，申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)將電池溫度提高至35-55℃以上，優(yōu)選37.5-52.5℃；更優(yōu)選將充電階段的典型的40-50℃范圍提高至75-105℃；優(yōu)選77.5-102.5℃；更優(yōu)選地，在放電階段，80-100℃的范圍可以顯著提高氫氣釋放速率，從而進(jìn)一步導(dǎo)致所需的電極表面積和相關(guān)的資本投資的降低。申請(qǐng)人還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在放電階段已經(jīng)完成后，電池溫度應(yīng)該優(yōu)選返回到充電階段使用的較低溫度水平，以最佳效率沉積鋅金屬。加熱溶液會(huì)造成充電效率的輕微損失。然而，優(yōu)選通過(guò)施加熱交換布局來(lái)最小化該損失。

6、本公開(kāi)的這些特征和其他特征將在以下描述中更詳細(xì)地討論。