專利名稱：流化床電極系統(tǒng)以及高容量功率存儲(chǔ)和使用這些系統(tǒng)的水處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明使用電化學(xué)離子吸收(充電)和離子解吸(放電)的原理，并涉及連續(xù)流電極系統(tǒng)、高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和使用這些系統(tǒng)的水處理方法，其中處于漿體相的電極材料和電解質(zhì)以連續(xù)方式在形成在電極上的細(xì)流通道結(jié)構(gòu)中同時(shí)流動(dòng)，以便在其中存儲(chǔ)高容量電能。更具體地，本發(fā)明涉及連續(xù)流電極系統(tǒng)、能量存儲(chǔ)系統(tǒng)以及水處理方法，其中電極活性材料連續(xù)地以漿體相流動(dòng)，由此不用擴(kuò)大或?qū)盈B電極以用于高容量的情況下而容易地獲得高容量。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，世界上許多國(guó)家已大力致力于研發(fā)清潔的可替代能源以及存儲(chǔ)能量的技術(shù)，以便解決與空氣污染和/或全球變暖有關(guān)的問(wèn)題。特別地，電能存儲(chǔ)技術(shù)包括例如高容量功率存儲(chǔ)系統(tǒng)用于存儲(chǔ)由大量可替代能源、不同種類的移動(dòng)裝置產(chǎn)生的電能，用于未來(lái)的電動(dòng)汽車的小尺寸但高能量的功率存儲(chǔ)系統(tǒng)以減少大氣污染等，這些是作為未來(lái)綠色產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)的關(guān)鍵點(diǎn)。大部分這樣的用于功率存儲(chǔ)的未來(lái)技術(shù)是基于離子吸收(充電)和解吸(放電)的原理使用，諸如鋰離子電池或超級(jí)電容器，因此世界上所有國(guó)家都繼續(xù)致力于有意義的研發(fā)以通過(guò)改善材料和部件的充電-放電特征實(shí)現(xiàn)高效率的致密化和容量擴(kuò)展。同時(shí)，以上描述的同樣原理最近也被用于水處理應(yīng)用，包括處理凈化水或廢水、海水淡化等，由此與現(xiàn)有的蒸發(fā)或逆滲透(RO)相比非常節(jié)能的處理水的方法，S卩，現(xiàn)在正在開(kāi)發(fā)的電容去離子(⑶I)處理。
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對(duì)于使用如上描述的同樣原理的功率存儲(chǔ)和水處理系統(tǒng)，最顯著的問(wèn)題是高設(shè)備成本以及電容擴(kuò)展的效率降低。換句話說(shuō)，由于用于按比例增加的電極面積的增加，由此引起的電極中的電場(chǎng)分布的不規(guī)則性、涂覆在集電體上的膜電極中有限量的活性材料、在涂覆過(guò)程中活性材料和電解質(zhì)之間由粘合劑導(dǎo)致的接觸面積的降低以及充電-放電效率的惡化等等，必須層疊大量的單元電池，以便引起高設(shè)備成本，且特別地，電容去離子(CDI)處理遇到由于堆疊流(stack flow)中水(電解質(zhì))壓力損失而引起的增加操作成本的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種連續(xù)流電極系統(tǒng)，其具有擴(kuò)展的容量而不需要層疊或增加向其施加容量擴(kuò)展的電極區(qū)域。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種有效和經(jīng)濟(jì)的高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。而且，本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種水處理方法，其使得具有低能源成本的水處理成為可能。技術(shù)方案本發(fā)明的方面I旨在一種連續(xù)流電極系統(tǒng)，包括:含有可流動(dòng)陽(yáng)極活性材料的流陽(yáng)極；含有可流動(dòng)陰極活性材料的流陰極；以及電解質(zhì)。根據(jù)方面I的連續(xù)流電極系統(tǒng)，該陽(yáng)極活性材料和陰極活性材料連續(xù)流動(dòng)，由此被連續(xù)地提供給系統(tǒng)，因此容量可被容易地?cái)U(kuò)展，而不需要層疊和/或增加電極區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明的方面2，在本發(fā)明的方面I的連續(xù)流電極系統(tǒng)，陽(yáng)極包括陽(yáng)極集電體；陽(yáng)極隔離層；形成在陽(yáng)極集電體和陽(yáng)極隔離層之間陽(yáng)極流通道；以及流過(guò)陽(yáng)極流通道的陽(yáng)極活性材料，且陰極包括陰極集電體；陰極分離層；形成在陰極集電體和陰極分離層之間的陰極流通道；以及流過(guò)陰極流通道的陰極活性材料，其中所述電解質(zhì)流過(guò)在陽(yáng)極分離層和陰極分離層之間形成的作為電解質(zhì)流通道的絕緣間隔物。根據(jù)方面2的連續(xù)的流電極系統(tǒng)，由陽(yáng)極活性材料和電解質(zhì)之間或陰極活性材料和電解質(zhì)之間的離子交換執(zhí)行離子吸附(充電)和/或解吸(放電)，以便存儲(chǔ)和/或產(chǎn)生能量。根據(jù)本發(fā)明的方面3，在本發(fā)明的方面2的連續(xù)流電極系統(tǒng)中，陽(yáng)極分離層是微孔絕緣分離膜或陰離子交換(導(dǎo)電)膜，且陰極分離層是微孔絕緣分離膜或陽(yáng)離子交換(導(dǎo)電)膜。根據(jù)方面3的連續(xù)流電極系統(tǒng)，通過(guò)微孔絕緣分離膜或陰離子交換膜，離子可從活性材料被轉(zhuǎn)移或交換到電解質(zhì)，由此存儲(chǔ)和/或產(chǎn)生能量。根據(jù)本發(fā)明的方面4，在本發(fā)明的方面2的連續(xù)流電極系統(tǒng)中，陽(yáng)極活性材料或陰極活性材料與電解質(zhì)混合以形成漿體相的活性材料。根據(jù)方面4的連續(xù)流電極系統(tǒng)，容易控制流動(dòng)速率并恒定且連續(xù)地提供活性材料給單元連續(xù)流電極系統(tǒng)，由此恒定地存儲(chǔ)和/或產(chǎn)生能量。根據(jù)本發(fā)明的方面5，在本發(fā)明的方面2的連續(xù)流電極系統(tǒng)中，陽(yáng)極活性材料或陰極活性材料包括同樣的材料。根據(jù)方面5的連續(xù)流電極系統(tǒng)，陽(yáng)極和陰極活性材料都僅使用一個(gè)裝置而存儲(chǔ)和提供，由此減少存儲(chǔ)和管理上述活性材料引起的不便，并降低用于提供各裝置的花費(fèi)。根據(jù)本發(fā)明的方面6，在本發(fā)明的方面2的連續(xù)流電極系統(tǒng)中，分離層是微孔絕緣分離膜，且陽(yáng)極活性材料或陰極活性材料是微囊化的(micro-capsulated)。根據(jù)方面6的連續(xù)流電極系統(tǒng)，微囊化的電極活性材料允許與電解質(zhì)的接觸面積增加，由此改善反應(yīng)性。根據(jù)本發(fā)明的方面7，電解質(zhì)的流向與流陽(yáng)極的陽(yáng)極活性材料和流陰極的陰極活性材料的流向都相反，其中這兩個(gè)活性材料以相同方向流動(dòng)?；谏鲜黾夹g(shù)配置，可設(shè)計(jì)各種形式的連續(xù)流電極系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的方面8，流陽(yáng)極的陽(yáng)極活性材料具有與流陰極的陰極活性材料不同的流動(dòng)速率，以提供不對(duì)稱的電極。即，由于它們具有彼此不同的流動(dòng)速率，流動(dòng)速率的絕對(duì)值可不同，或流向可彼此相反。因此，有可能設(shè)計(jì)各種形式的連續(xù)流電極系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的方面9，系統(tǒng)沒(méi)有分離層。因此，系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。但是，為了防止陽(yáng)極活性材料和陰極活性材料的混合，陽(yáng)極活性材料或陰極活性材料是微囊化的。根據(jù)本發(fā)明的方面10，在方面I到9中的任一個(gè)中的連續(xù)流電極系統(tǒng)中，連續(xù)流電極系統(tǒng)是二次電極或電雙層電容器(EDLO0根據(jù)方面10的連續(xù)流電極系統(tǒng)，根據(jù)其目的，系統(tǒng)可以各種形式被使用。
本發(fā)明的方面11涉及一種高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，包括:根據(jù)方面I到9的任一個(gè)的連續(xù)流電極系統(tǒng)；饋送裝置，分別提供陽(yáng)極活性材料、陰極活性材料和電解質(zhì)；電源，向連續(xù)流電極系統(tǒng)提供功率；轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，控制在電源中出現(xiàn)的電勢(shì)差；以及存儲(chǔ)罐，用于存儲(chǔ)陽(yáng)極活性材料、陰極活性材料和電解質(zhì)中的每一種。根據(jù)方面11的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，陽(yáng)極活性材料、陰極活性材料和電解質(zhì)不被存儲(chǔ)在連續(xù)流電極系統(tǒng)中，而是被存儲(chǔ)在單獨(dú)提供的額外存儲(chǔ)罐中，并被提供給系統(tǒng)，可存儲(chǔ)高容量的能量，而不要求擴(kuò)展或?qū)盈B電極區(qū)域。因此，可容易地執(zhí)行用于不同容量的按比例增力口，且制造和操作的花費(fèi)被顯著降低，由此上述系統(tǒng)可被有用地用于未來(lái)的能源產(chǎn)業(yè)。根據(jù)本發(fā)明的方面12，在方面11的高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中，系統(tǒng)還包括連接到轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的電阻器。根據(jù)方面12的高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)從電源被轉(zhuǎn)換到電阻器，允許存儲(chǔ)在存儲(chǔ)罐中的尚子吸收(充電的)功率被輸出。根據(jù)本發(fā)明的方面13，在方面11的高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中，饋送裝置包括饋送罐和饋送泵，以分別提供陽(yáng)極活性材料、陰極活性材料和電解質(zhì)。根據(jù)方面13的高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，饋送罐可獨(dú)立于連續(xù)流電極系統(tǒng)而被單獨(dú)提供，由此不考慮連續(xù)的流電極系統(tǒng)的尺寸而以降低的成本實(shí)現(xiàn)容量擴(kuò)展。根據(jù)本發(fā)明的方面14，在方面13的高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中，單個(gè)饋送罐被用作陽(yáng)極活性材料饋送罐，以提供陽(yáng)極活性材料，且同時(shí)作為陰極活性材料饋送罐以提供陰極活性材料。根據(jù)方面14的高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，當(dāng)陽(yáng)極活性材料與陰極活性材料相同時(shí)，僅使用單個(gè)饋送罐就可充分提供活性材料，由此降低了設(shè)備成本。根據(jù)本發(fā)明的方面15，在方面13的高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中，提供了兩個(gè)連續(xù)流電極系統(tǒng)，其中連續(xù)流電極系統(tǒng)一部分被用作充電設(shè)備而剩余部分被用作放電設(shè)備，從能量存儲(chǔ)設(shè)備流出以用于放電的陽(yáng)極活性材料和陰極活性材料再次被分別循環(huán)到陽(yáng)極活性材料饋送罐和陰極活性材料饋送罐。根據(jù)方面15的高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，充電/放電可被連續(xù)和同時(shí)進(jìn)行，且不必要額外提供陽(yáng)極活性材料饋送罐和陰極活性材料饋送罐，由此降低設(shè)備成本。根據(jù)本發(fā)明的方面16，在方面8的高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中，存儲(chǔ)罐是電絕緣存儲(chǔ)容器。根據(jù)方面16的高容量存儲(chǔ)系統(tǒng)，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)罐中的功率被穩(wěn)定地保持，而沒(méi)有泄露。根據(jù)本發(fā)明的方面17，在方面13的高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中，電解質(zhì)包括海水或工業(yè)廢水。根據(jù)方面17的高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，由于海水和廢水被用作電解質(zhì)，可降低花費(fèi)且以上系統(tǒng)可被用于海水的淡化和廢水的凈化。本發(fā)明的方面18涉及一種使用根據(jù)方面10的高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的利用電容消電的水處理方法。使用方面18的水處理方法，可用降低的設(shè)備成本和操作成本執(zhí)行大規(guī)模的水處理。
本發(fā)明的方面19是一種使用根據(jù)方面7的高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的利用電容消電的海水淡化的方法。根據(jù)方面19的海水淡化方法，可用減少的設(shè)備成本和操作成本來(lái)執(zhí)行大規(guī)模海水淡化。本發(fā)明的方面20旨在一種使用根據(jù)方面7的高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的利用電容消電的廢水凈化方法，其中電解質(zhì)包括工業(yè)廢水。根據(jù)方面20的廢水凈化方法，可用減少的設(shè)備成本和操作成本執(zhí)行大規(guī)模的廢水凈化。有益作用與涂覆在現(xiàn)有的集電體上的固定相活性材料電極相反，具有幾十納米到幾十微米的尺寸、且與集電體分離的微細(xì)電極活性材料連續(xù)地以與電解質(zhì)混合的漿體相流動(dòng)，因此僅使用絕緣的存儲(chǔ)容器以及具有微細(xì)流通道結(jié)構(gòu)的單元電池(unit cel I)可容易地達(dá)到高容量，這樣的能量存儲(chǔ)和CDI消電離裝置可針對(duì)不同容量而容易并合適地按比例增加，使得用于制造并操作裝置的花費(fèi)顯著降低。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的連續(xù)流電極系統(tǒng)的示意圖。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的含有電極材料的微囊的橫截面圖。圖3是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的高容量電極系統(tǒng)的示意圖。圖4是示出根據(jù)本發(fā)明`另一個(gè)實(shí)施例的連續(xù)流電極系統(tǒng)的示意圖。圖5是示出根據(jù)本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例的連續(xù)流電極系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式以下將詳細(xì)描述本發(fā)明。但是，給出以下描述是為了更詳細(xì)地解釋本發(fā)明，其設(shè)計(jì)可被本領(lǐng)域技術(shù)人員適當(dāng)?shù)馗淖兓蛐薷?。根?jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，連續(xù)流電極系統(tǒng)包括含有流動(dòng)陽(yáng)極活性材料的流陽(yáng)極；含有流動(dòng)陰極活性材料的流陰極；以及流動(dòng)電解質(zhì)。陽(yáng)極活性材料、陰極活性材料和電解質(zhì)可包括在典型的連續(xù)流電極系統(tǒng)(即，電池或蓄電池)中使用的任一個(gè)，其可被本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)使用其的目的和/或情況而適當(dāng)選擇。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，陽(yáng)極活性材料和陰極活性材料可包括不同的材料，或相反地，包括相同的材料。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，諸如陽(yáng)極活性材料和/或陰極活性材料的電極材料可包括多孔碳(活性碳、碳?xì)馊苣z、碳納米管等)、石墨粉、金屬氧化物粉等，其可與電解質(zhì)混合以便以流化狀態(tài)被使用。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，電解質(zhì)包括水溶性電解質(zhì)，諸如NaCl、H2S04、HCl、Na0H、1(0!1、似2勵(lì)3等，以及有機(jī)電解質(zhì)，諸如碳酸丙烯(PC)、碳酸二乙酯(DEC)、四氫呋喃(THF)等。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，電極活性材料單獨(dú)流動(dòng)，而電解質(zhì)可以是固體或固定相的電解質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，陽(yáng)極包括陽(yáng)極集電體；陽(yáng)極分離層；形成在陽(yáng)極集電體和陽(yáng)極分離層之間的陽(yáng)極流通道；以及流過(guò)陽(yáng)極流通道的陽(yáng)極活性材料，以及陰極包括陰極集電體；陰極分離層；形成在陰極集電體和陰極分離層之間的陰極流通道；以及流過(guò)陰極流通道的陰極活性材料，其中電解質(zhì)流過(guò)形成在陽(yáng)極分離層和陰極分離層之間的流通道。電極集電體和電極分離層可包括在傳統(tǒng)的連續(xù)流電極系統(tǒng)(電池、蓄電池等)中使用的任一個(gè)，其可被本領(lǐng)域技術(shù)根據(jù)使用其的目標(biāo)和情況而合適地選擇或采用。陽(yáng)極流通道或陰極流通道的寬度可以以等于或小于傳統(tǒng)連續(xù)流電極系統(tǒng)中的電極集電體和分離層之間的空間的尺寸來(lái)形成。由于電極活性材料是傳統(tǒng)上固定的，其引起以下問(wèn)題，即，當(dāng)試圖獲取充電/放電所要求的活性材料的所需的容量時(shí)，連續(xù)流電極系統(tǒng)的尺寸增加，由此限制了電極集電體和分離層之間的空間。另一方面，根據(jù)本發(fā)明，由于電極活性材料可被連續(xù)提供，可根據(jù)目的、可使用的電解質(zhì)的活性材料等而自由地執(zhí)行設(shè)計(jì)改變和/或修改而沒(méi)有限制。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在此使用的流通道的寬度和高度可從幾十微米到幾毫米不等。類似地，絕緣間隔物的寬度可被適當(dāng)改變，而不受由連續(xù)流電極系統(tǒng)的尺寸引起的限制，因?yàn)殡娊赓|(zhì)可被連續(xù)提供。但是為了增加充電/放電效率，電解質(zhì)和活性材料的速度可彼此不同，或相反地，活性材料和絕緣間隔物之間的寬度比可被限制。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，陽(yáng)極分離層可以是微孔絕緣分離膜或陰離子交換(導(dǎo)電)膜，而陰極分離層可以是微孔絕緣分離膜或陽(yáng)離子交換(導(dǎo)電)膜。分離層被用作電和物理隔離，且微孔絕緣分離膜僅允許離子轉(zhuǎn)移，而離子交換(導(dǎo)電)膜可選擇地傳輸陽(yáng)離子或陰離子。此外，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，陽(yáng)極活性材料或陰極活性材料可包括漿體相的活性材料，其包括與電解質(zhì)混合的陽(yáng)極活性材料或陰極活性材料。同時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，電解質(zhì)可以相反方向流到陽(yáng)極活性材料和陰極活性材料。因此，有可能構(gòu)造各種形式的連續(xù)流電極系統(tǒng)。而且，采用陽(yáng)極中的陽(yáng)極活性材料和陰極中的陰極活性材料的不同流動(dòng)速率可能引起陽(yáng)極活性材料和陰極活性材料分別與電解質(zhì)的不同反應(yīng)時(shí)間。由此，各種設(shè)計(jì)修改是可能的。以下將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的連續(xù)流電極系統(tǒng)的示意圖。參考圖1，該系統(tǒng)包括:包括陽(yáng)極集電體11、陽(yáng)極分離層13和流過(guò)在陽(yáng)極集電體11和陽(yáng)極分離層13之間形成的陽(yáng)極流通道14的陽(yáng)極活性材料12的陽(yáng)極10 ;包括陰極集電體21、陰極分離層23以及流過(guò)在陰極集電體21和陰極分離層23之間形成的陰極流通道24的陰極活性材料22的陰極20 ;以及流過(guò)在陽(yáng)極分離層13和陰極分離層23之間形成的絕緣間隔物34的電解質(zhì)30。連續(xù)流電極系統(tǒng)可以是單元電池，其中兩個(gè)或更多個(gè)單元電池可被連續(xù)排列，且可同時(shí)并連續(xù)地流動(dòng)電極材料以及電解質(zhì)。而且，如圖4所示，有可能使得電解質(zhì)30的移動(dòng)方向與陽(yáng)極活性材料12和陰極活性材料22的相反。參考圖2，電極材料可以是微囊化的，以增加電解質(zhì)和電極材料之間的接觸面積。更具體地，使用陰離子分離層(致密層，選擇性地使陰離子通過(guò)并阻止液體電解質(zhì)流過(guò))和陽(yáng)離子分離層(致密層，選擇性地僅使陽(yáng)離子通過(guò))。但是，如果使用由每個(gè)選擇性離子層包封的陰極活性材料(見(jiàn)圖2)，則不需在兩個(gè)電極之間提供離子導(dǎo)電致密層。或者，當(dāng)使用允許電解質(zhì)以及離子流過(guò)的微孔絕緣分離膜時(shí)，電解質(zhì)和包封的電極活性材料粒子之間的接觸面積變大。微囊化的電極包括位于中心的核和圍繞核的周邊的殼，其中殼材料具有交換在電解質(zhì)中存在的離子的特性。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，殼材料可包括能交換陽(yáng)離子的聚合物膜，其含有磺酸基(SO3-)、羧基(COO—)或磷酸基(PO4-)等；或能交換陰離子的聚合物膜，其含有鍵合到其的伯、仲、叔或季銨基。微囊可由固或液相方法制備。特別地，在液相方法中，可形成核/殼結(jié)構(gòu)，例如通過(guò)使用表面活性劑的乳化法、聚合單體的聚合法制備殼材料，或同時(shí)地或單獨(dú)地注射或擠出核和殼的方法，以便形成微囊化電極。由于微囊化電極包括單顆?；蚍e聚在一起的個(gè)別顆粒和圍繞其的殼，其具有優(yōu)點(diǎn)，即，每單位重量或體積的電極面積大于由所有積聚的顆粒形成的體電極的面積。特別地，如圖5所示，當(dāng)制造沒(méi)有分離層的連續(xù)流電極系統(tǒng)60時(shí)，可以避免陽(yáng)極活性材料和陰極活性材料與電解質(zhì)的直接混合。接下來(lái)，參考圖3，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100包括單元電池形式的連續(xù)流電極系統(tǒng)I ;陰極活性材料饋送罐2a和饋送泵41，以提供陰極活性材料，其通過(guò)混合陰極活性材料22和電解質(zhì)30而被制備成漿體相；陽(yáng)極活性材料饋送罐2b和饋送泵42，其提供通過(guò)混合陽(yáng)極活性材料12和電解質(zhì)30而被制備成漿體相的陽(yáng)極活性材料；電解質(zhì)饋送罐5和饋送泵43，提供電解質(zhì)30 ;電源7，提供直流給連續(xù)流電極系統(tǒng)I ;轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)9，控制在電源7中存在的電勢(shì)差；陰離子存儲(chǔ)罐3，其中存儲(chǔ)有在流過(guò)施加有電勢(shì)的連續(xù)流電極系統(tǒng)I時(shí)在其中含有吸收的離子(充電的)的陽(yáng)極活性材料；陽(yáng)離子存儲(chǔ)罐4，其中存儲(chǔ)有含有吸收的離子(充電的)的陰極活性材料；以及去離子電解質(zhì)存儲(chǔ)罐6。能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100具有如下的技術(shù)功能:當(dāng)通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)9將在直流電源7中存在的電勢(shì)差，例如從0.5到2.0V，施加到連續(xù)流電極系統(tǒng)I時(shí)，陽(yáng)極活性材料12、陰極活性材料22和電解質(zhì)30以漿體相同時(shí)并連續(xù)地穿過(guò)連續(xù)流電極系統(tǒng)I。陽(yáng)極活性材料12和陰極活性材料22可預(yù)先與電解質(zhì)30混合，然后分別從陰極活性材料饋送罐2a、陽(yáng)極活性材料饋送管2b和電解質(zhì)饋送罐5流出，并分別通過(guò)饋送泵41、42和43饋送到連續(xù)流電極系統(tǒng)I。在該情況下，如果使用的陽(yáng)極活性材料12和陰極活性材料22彼此相同，替代地僅使用饋送罐2。電解質(zhì)饋送罐5中的電解質(zhì)是通過(guò)饋送泵44和控制閥門45從海水或污水被提供。如上所述，當(dāng)陽(yáng)極活性材料12、陰極活性材料22和電解質(zhì)30流動(dòng)而穿過(guò)施加了電勢(shì)的連續(xù)流電極系統(tǒng)I時(shí)(沿實(shí)線方向)，穿過(guò)系統(tǒng)時(shí)吸收了離子的(充電的)電極活性材料12和22和沒(méi)有離子的電解質(zhì)30被分別存儲(chǔ)在存儲(chǔ)罐3、4和6中。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，存儲(chǔ)罐優(yōu)選地是電絕緣存儲(chǔ)罐。對(duì)于傳統(tǒng)的固定相的活性材料電極，在離子被充電在電極活性材料中后，進(jìn)一步的充電是不可能的。因此，為了實(shí)現(xiàn)高容量，電極必須具有大面積或若干個(gè)電極必須被層疊，由此引起設(shè)備制造或操作成本的大幅度增加。但是，根據(jù)本發(fā)明，可以連續(xù)地提供活性材料，并將吸收了離子的活性材料存儲(chǔ)在額外提供的存儲(chǔ)罐中，因此可容易地實(shí)現(xiàn)高容量，而不用擴(kuò)大或?qū)盈B連續(xù)流電極系統(tǒng)I。而且，由于可提供連續(xù)的流電極系統(tǒng)I (如要求)，因此適于各種容量的按比例增加可被容易地執(zhí)行。同時(shí)，一種輸出(施加)每個(gè)存儲(chǔ)罐中存儲(chǔ)的電極活性材料的離子吸收(充電的)功率的方法可以與離子吸收(充電)過(guò)程相反，包括:關(guān)掉直流電源7 ;轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)9以將電源連接到電阻器8并同時(shí)以相反的順序把存儲(chǔ)在存儲(chǔ)罐3、4和6中的陽(yáng)極活性材料、陰極活性材料和電解質(zhì)流過(guò)連續(xù)流電極系統(tǒng)I中(以虛線方向)，由此在穿過(guò)連續(xù)流電極系統(tǒng)I時(shí)進(jìn)行離子解吸(放電))。在這方面，如果要求長(zhǎng)時(shí)間地同時(shí)并連續(xù)地執(zhí)行充電和放電，可提供兩個(gè)或更多個(gè)連續(xù)流電極系統(tǒng)I以構(gòu)造最終系統(tǒng)。其中，系統(tǒng)的一部分可用作充電裝置，而剩余部分可用作放電裝置。這里，不要求額外提供存儲(chǔ)罐3和4給陽(yáng)極活性材料12和陰極活性材料22，在連續(xù)流電極系統(tǒng)I中的用于放電的吸收離子(充電)電極活性材料可直接朝著饋送罐2b和2a被循環(huán)，而不穿過(guò)上述存儲(chǔ)罐。更具體地，用于放電的額外安裝的連續(xù)流電極系統(tǒng)I可包括具有離子導(dǎo)電特性的分離層，或使用微囊化的電極材料，以便實(shí)現(xiàn)阻止電極材料的污染，并通過(guò)極性反轉(zhuǎn)快速解析存儲(chǔ)的離子和電解質(zhì)濃度。根據(jù)本發(fā)明的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100可被應(yīng)用于電容消電離類型的水處理技術(shù)。例如，當(dāng)海水或工業(yè)廢水流到電解質(zhì)饋送罐5并穿過(guò)其中產(chǎn)生電勢(shì)差的連續(xù)流電極系統(tǒng)I時(shí)，水被淡化(去離子)并存儲(chǔ)在電解質(zhì)存儲(chǔ)罐6，由此使得海水淡化和工業(yè)廢水凈化成為可能。因此，與現(xiàn)有的蒸發(fā)或RO方法相比，用非常低的能量成本來(lái)進(jìn)行水處理是可能的?？蓪?shí)現(xiàn)高容量的水處理。
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例子此后，將用例子詳細(xì)描述本發(fā)明。但是，給出以下例子以更詳細(xì)地描述本發(fā)明，且不被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的范圍的限制。例子I(來(lái)自氯化鈉電解質(zhì)的活性碳粉漿的流化消電離特性)已制造具有微細(xì)(microfine)流通道結(jié)構(gòu)的單元電池(連續(xù)流電極系統(tǒng))，其中陽(yáng)離子交換膜(_S03_)、陰離子交換膜(R3N+-)和間隔物在矩形陰極和陽(yáng)極集電體之間隔離(SUS316,95X52mm, 22.4cm2的接觸面積)。如表2所示，使用微型計(jì)量泵(日本精細(xì)化工有限公司(Japan Fine Chemicals C0.Ltd),Minichemi 泵),一種具有從 1030 μ s 到 11000 μ s范圍的導(dǎo)電性(濃度)的含水氯化鈉電解質(zhì)以3到5cc/分的流動(dòng)速率穿過(guò)單元電池。同時(shí)，表I示出的大約95nm的平均顆粒尺寸、且具有細(xì)孔特性的活性材料，即活性碳粉，分別與處于表2中的濃度的相同電解質(zhì)混合。隨后，當(dāng)以大約20到25cc/分的漿體相流動(dòng)速率使混合物穿過(guò)電池單元中的陰極流通道和陽(yáng)極流通道中每個(gè)的電極材料部分時(shí)，大約1.2到1.5v的DC電勢(shì)差被施加到陰極和陽(yáng)極二者的端子。在本例子中，穿過(guò)兩個(gè)集電體的吸收離子的(充電的)漿體相電極活性材料沒(méi)被進(jìn)一步存儲(chǔ)，而是向著饋送和存儲(chǔ)容器被循環(huán)，且同時(shí)以大約30分鐘的間隔測(cè)量電解質(zhì)的集電體的電流變化和電解質(zhì)的濃度(電導(dǎo)性)測(cè)量。測(cè)量結(jié)果在表2中示出。[表I]
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)流電極系統(tǒng)，包括: 流陽(yáng)極，含有可流動(dòng)陽(yáng)極活性材料； 流陰極，含有可流動(dòng)陰極活性材料；以及 電解質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的連續(xù)流電極系統(tǒng)，其中所述陽(yáng)極包括陽(yáng)極集電體；陽(yáng)極隔離層；形成在所述陽(yáng)極集電體和所述陽(yáng)極隔離層之間的陽(yáng)極流通道；以及流過(guò)所述陽(yáng)極流通道的所述陽(yáng)極活性材料，以及 所述陰極包括陰極集電體；陰極隔離層；形成在所述陰極集電體和所述陰極隔離層之間的陰極流通道；以及流過(guò)所述陰極流通道的所述陰極活性材料 其中所述電解質(zhì)流過(guò)形成在所述陽(yáng)極隔離層和所述陰極隔離層之間的絕緣間隔物。
3.如權(quán)利要求2所述的連續(xù)流電極系統(tǒng)，其中所述陽(yáng)極隔離層是微孔絕緣隔離膜或陰離子交換(導(dǎo)電)膜，以及 所述陰極隔離層是微孔絕緣隔離膜或陽(yáng)離子交換(導(dǎo)電)膜。
4.如權(quán)利要求2所述的連續(xù)流電極系統(tǒng)，其中所述陽(yáng)極活性材料或所述陰極活性材料與所述電解質(zhì)混合以形成漿體相的活性材料。
5.如權(quán)利要求2所述的連續(xù)流電極系統(tǒng)，其中所述陽(yáng)極活性材料或所述陰極活性材料包括相同的材料。
6.如權(quán)利要求2所述的連續(xù)流電極系統(tǒng)，其中所述隔離層是微孔絕緣隔離膜，以及 所述陽(yáng)極活性材料或所述陰極活性材料是微囊化的。
7.如權(quán)利要求1所述的連續(xù)流電極系統(tǒng)，其中所述電解質(zhì)的流向與所述流陽(yáng)極的所述陽(yáng)極活性材料和所述流陰極的所述陰極活性材料二者的流向相反，其中這兩種活性材料以相同方向流動(dòng)。
8.如權(quán)利要求1所述的連續(xù)流電極系統(tǒng)，其中所述流電極的所述陽(yáng)極活性材料具有與所述流陰極的所述陰極活性材料的流動(dòng)速率不同的流動(dòng)速率。
9.如權(quán)利要求1所述的連續(xù)流電極系統(tǒng)，其中所述陽(yáng)極包括陽(yáng)極集電體；以及所述陽(yáng)極活性材料在所述陽(yáng)極集電體附近流動(dòng)， 所述陰極包括陰極集電體；以及所述陰極活性材料在所述陰極集電體附近流動(dòng)， 所述電解質(zhì)在所述陽(yáng)極活性材料和所述陰極活性材料之間流動(dòng)，以及 所述陽(yáng)極活性材料或所述陰極活性材料是微囊化的。
10.如權(quán)利要求1到9中任一項(xiàng)所述的連續(xù)流電極系統(tǒng)，其中所述連續(xù)流電極系統(tǒng)是二次電池或電雙層電容器(EDLO0
11.一種高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，包括: 如權(quán)利要求1到9中任一項(xiàng)所述的連續(xù)流電極系統(tǒng)； 饋送裝置，分別提供所述陽(yáng)極活性材料、陰極活性材料和電解質(zhì)； 電源，提供功率到所述連續(xù)流電極系統(tǒng)； 轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，控制在所述電源中出現(xiàn)的電勢(shì)差；以及 存儲(chǔ)罐，用于存儲(chǔ)所述陽(yáng)極活性材料、陰極活性材料和電解質(zhì)中的每一種。
12.如權(quán)利要求11所述的高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)， 還包括連接到所述轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的電阻器。
13.如權(quán)利要求11所述的高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中所述饋送裝置包括饋送罐和饋送泵，以分別提供所述陽(yáng)極活性材料、陰極活性材料和電解質(zhì)。
14.如權(quán)利要求13所述的高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中單個(gè)饋送罐用作陽(yáng)極活性材料饋送罐以提供所述陽(yáng)極活性材料，且同時(shí)作為陰極材料饋送罐以提供陰極活性材料。
15.如權(quán)利要求13所述的高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中提供兩個(gè)連續(xù)流電極系統(tǒng)，其中所述連續(xù)流電極系統(tǒng)的一部分被用作充電裝置而剩余部分被用作放電裝置，以及 從能量存儲(chǔ)裝置流出以用于放電的所述陽(yáng)極活性材料和所述陰極活性材料再次被分別循環(huán)到所述陽(yáng)極活性材料饋送罐和所述陰極活性材料饋送罐。
16.如權(quán)利要求11所述的高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中所述存儲(chǔ)罐是電絕緣的存儲(chǔ)容器。
17.如權(quán)利要求10所述的高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中所述電解質(zhì)包括海水或工業(yè)廢水。
18.一種使用根據(jù)權(quán)利要求10的高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的利用電容消離子(CDI)的水處理方法。
19.一種使用根據(jù)權(quán)利要求10的高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的利用電容消離子(CDI)的海水淡化的方法，其中所述電解質(zhì)包括海水。
20.一種使用根據(jù)權(quán)利要求10的高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的利用電容消離子(CDI)的廢水凈化的方法，其中所述電解質(zhì)包括工業(yè)廢水。
全文摘要
本發(fā)明使用電化學(xué)離子吸收(充電)和離子解吸(放電)的原理，并涉及流化床電極系統(tǒng)、高容量能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和使用這些系統(tǒng)的水處理方法，其中高容量電能被存儲(chǔ)為漿體相的電極材料，且電解質(zhì)同時(shí)以連續(xù)方式流入到形成在電極上的細(xì)流通道結(jié)構(gòu)中。更具體地，本發(fā)明涉及流化床電極系統(tǒng)、能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和水處理方法，其中電極活性材料連續(xù)地以漿體相流動(dòng)，由此不擴(kuò)大或?qū)盈B電極而容易地獲得高容量。
文檔編號(hào)H01G11/58GK103109336SQ201180043941
公開(kāi)日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2011年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月13日
發(fā)明者金東國(guó), 金臺(tái)煥, 趙喆熙, 樸鐘洙, 秋绔蓮, 呂貞九 申請(qǐng)人:韓國(guó)能量技術(shù)研究院