[发明专利]用于电化学能量转换和储存的系统和方法

说明书

电化学能量转换和存储系统包括电化学能量转换装置，如燃料电池，其与氢再生或电方法再生的有机液体燃料和氧化剂流体连通，用于接收、催化和电化学氧化至少一部分燃料以产生电力、部分氧化的液体燃料和水。液体燃料包括具有官能团取代基的六元环环状烃，其中环氢可以经历电化学氧化脱氢成对应的芳族分子。现在通过潜在地引入氧还可以使取代基官能团(包括环)电化学氧化，从而提供另外的储能容量。现在通过向装置输入电力和水可以使部分氧化的废燃料原位电再生，产生氧作为副产物。可替代地，可以将回收的废燃料输送至其通过催化加氢或电化学加氢过程而被重构的设施。

相关申请的交叉引用

本申请是2016年8月17日提交的美国临时专利申请序列第62/376,233号的部分接续申请，该美国临时专利申请的公开内容在通过引用整体而被并入本文，以在该公开内容没有与本文的公开内容不一致的范围内提供公开内容的连续性。

背景技术

本发明总体涉及用于储能的系统，具体涉及使氢可再生或电方法可再生的液体燃料进行电化学能量转换和储存的材料、方法和装置。

已知诸如二次电池、电化学电容器和燃料电池等许多电化学能量转换和存储装置。电池和电容器装置直接储存电能的输入。已知燃料电池本质上是可以通过电化学过程将潜在可存储的燃料的固有能量转换成可用的电力的能量转换装置。

诸如风能和太阳能等可再生能源仅仅是间歇性发电机，因此需要存储，优选以可以有效地输送给消费者的方式存储。最受吹捧的方法是利用电力来通过电解水产生氢气并将该气体输送到固定的或移动的位置进行储存，其含能量在该位置通过燃烧或优选通过使用燃料电池而被回收，以便获得更高的能量效率。迄今为止，建立氢输送基础设施的资本成本和当前的车辆储氢技术的局限性已导致这样的“氢经济”仅极其有限地实现。

在1960年代首次提出的替代储能方法是使用“液态有机氢载体”(LOHC)，如在H₂源位置被催化加氢的有机液体，以理想地提供易于储存且可输送的流体。对于固定的或移动的应用，LOHC可以进行催化脱氢，并因此理想地提供氢以驱动燃料电池。将H₂贫化的(“废”)燃料再循环到氢源位置，以在该位置通过催化加氢方法将其重构成其原始组合物。典型的载体液体是分别为氢化的形式和脱氢的形式的“分子对”：环己烷/苯和十氢化萘/萘。如Teichmann等人近来在Energy Environ.Sci.2011，4，2767中所表达的那样，为了获得广泛的社会认可，LOHC系统必须满足特定的技术性能标准，具有低毒性并具有可接受的环境影响。所引用的技术要求是：高储氢密度；在很宽的温度范围内具有流动性；以及与燃料电池热集成的潜力，通过使用燃料电池的废热来提供氢释放的吸热。在EnergyEnviron.Sci.2015，8，1035中，Markiewitz等人讨论了标准，如作为潜在载体的环境健康和安全(EH&S)风险评估的一部分的生态毒性和生物降解性的标准。