[发明专利]采用电容性电极的逆向电渗析能量产生系统及其方法

说明书

本发明涉及使用电容性电极的能量产生系统。更具体地，该系统使用高渗透流和低渗透流的流体产生为电力形式的能量。流体之间的浓度差产生实现能量的产生的电位差。

执行电渗析操作的系统和过程是已知的，例如，从WO 2010/110983得知。这些电渗析操作的目的是对水进行脱盐作用。针对该脱盐作用，操作需要连接电极的电源，从而使用能量。此外，WO 2010/110983只描述了特定条件下的电渗析，该特定条件诸如洗涤流具有封闭的环路且应包含硫酸钙，在1至3的范围内存在硫酸钙的过饱和，洗涤流的流动速度为至少5cm/s，以及需要沉淀装置。

NL1031148、WO 2010/062175和WO 2010/143950公开了能量产生系统，其采用逆向电渗析过程或类似的过程，其中两个电极之间交替地提供一些阴离子交换隔膜和阳离子交换隔膜。在使用中，不同的相邻的隔膜之间形成的隔室用流体填充。相邻隔室用具有不同的含盐浓度的流体填充，使得离子趋向于从高浓度流体移动到低浓度流体。阴离子只能穿过阴离子交换隔膜且阳离子只能通过阳离子交换隔膜。这提供了在不同方向上的阳离子和阴离子的净输送。电极的氧化还原反应发生以维持流体的电中性。这些氧化还原反应促进从离子流到电流的转换，使得电能产生。氧化还原反应可以是不可逆反应或可逆反应。

不可逆的氧化还原反应需要相当大的电势。实例包括电解成H₂和O₂的水的电解，以及H₂和Cl₂的产生。这减少了可获得的净电力。此外，气泡可能会增加电解液的电阻。此外，H₂和Cl₂的生产需要额外的安全措施，从而使过程复杂化。

使用可逆的氧化还原反应包括特殊处理，以防止沉淀或丢失在反应中使用的化学品。这种可逆的氧化还原反应的实例包括[Fe(CN)₆]^3-/[Fe(CN)₆]^4-，其可能形成含Fe³⁺复合物，并且当受到热或UV时可能变得不稳定。Fe²⁺/Fe³⁺的使用要求相对低的约2.3或更低的pH值，以防止铁(氢)氧化物沉淀。在实践中，通过和围绕环绕电极隔室的隔膜的渗漏将慢慢稀释氧化还原对，从而降低其性能。

本发明的目的是消除上述问题并实现有效和高效的能量产生系统。

该目的用根据本发明的使用电容性电极的能量产生系统来实现，该系统包括：

-第一电极隔室，其设置有能储存离子和传导电子的至少第一电容性电极；

-第二电极隔室，其设置有能储存离子和传导电子的至少第二电容性电极；

-一些电解液隔室，其设置在第一电极隔室和第二电极隔室之间，其中所述电解液隔室由一些交替地提供的阳离子交换隔膜和阴离子交换隔膜形成，借以在使用中，电解液隔室交替地用高渗透流和低渗透流填充，使得所述第一电极和第二电极带有正带电离子或负带电离子；

-电路，其连接到用于收集产生的能量的至少第一电极和第二电极；以及

-切换装置，其用于在高渗透流和低渗透流之间切换，使得系统从第一能量产生状态切换到第二能量产生状态，同时使第一电极和第二电极切换极性。

电容性电极包括集电器和能够储存离子和传导电子的元件。在目前优选的实施方案中，该元件包括活性炭。这种活性炭可被设置在适当的集电器上，通常为石墨、钛或涂层钛，通过例如铸造、着色、涂覆或挤压涂覆至少高表面积粒子的混合物进行提供，诸如活性炭和粘合剂。除了活性炭和粘合剂以外，溶剂和添加剂(诸如导电材料)可添加到该混合物，该导电材料诸如石墨或碳黑。作为可能的实例之一，活性炭可以通过铸造或着色溶剂中的碳悬浮液而设置在集电器上。在目前优选的实施方案中，活性炭被用作电容性元件，其具有在10-10000微米的范围内的活性炭层厚度。

根据本发明的系统的电容性电极能够在其多孔结构中储存相当多的剩余的阳离子或阴离子，且因此储存净电荷。用常规的(非电容式的)电极，这将是不可能。在电容性电极中，电荷由电子平衡，该电子被储存在电极的导电部分。电容性电极可以将离子流转换为电流，而不存在氧化还原反应。此外，这使如根据本发明的系统中使用的电容性电极能在之后的阶段使用储存的电荷，同时电容性电极中的自放电被保持在最低程度，以促进电力生产。