[发明专利]新型电化学电池、叠堆、模块和系统

说明书

本发明描述了新型电池、叠堆模块和系统，其用作i)用于捕获离子导电液体电解质中的碳质物质并产生氢的液相电化学重整器(ECR)；ii)碳捕获和再利用(CCR)电池，所述CCR电池使用氢和/或热和/或电力来使离子导电电解质脱碳，从而在一个电极处析氧并且在另一个电极处析烃或氧化烃；iii)燃料电池；iv)整合ECR/CCR叠堆、模块和系统；以及v)整合ECR/燃料电池/CCR模块和系统。

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年2月12日提交的美国临时专利申请号62975231的申请日的权益，其公开内容以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及平面电化学电池的领域。这些电池可以是电驱动的和/或热驱动的，并且用于i)液相电化学重整(ECR)、ii)液相碳捕获和再利用(CCR)以及iii)燃料电池，并具有固体或液体电解质。

背景技术

在平面电化学电池中，当电池较热或较冷时电极与电解质之间形成热梯度的时候存在潜在变化。发生该条件是由于电极上的阳极和阴极反应的熵、反应物和产物的热容、系统的各部分的热导率差异以及它们的组合。本发明描述了可被构造成宽范围的电化学模块和系统的电池和叠堆设计，所述电化学模块和系统可以是热驱动的或电驱动的并且小心地管理这些热差异以提高效率，增加寿命，防止电极中毒，防止非期望的副反应，增加电池和叠堆中的均匀性。本发明还将允许在使用电输入后快速启动和加载以及在电输入和热输入之间转换的能力，这取决于基于局部条件和需求得出哪种将是最佳驱动力。

可将这些电池制成反应特定的模块，然后可将这些反应特定的模块整合进紧密耦合的整合系统中，这些系统增强总体性能并且可进一步与外部输入供应商和产品承购商进行热和电整合。下表1示出了感兴趣的三个初始电化学过程。

表1电化学反应

例如，本发明的第一实施方案(其示例示于表1的第一行中)是称为电化学重整要素的液相Grimes过程，这些过程在以下Grimes专利中公开：美国专利号8,419,922和8,318,130。该过程的其他实施方案在源于美国专利号6,994,839的Reichman WO专利申请族中公开。在这些过程中，碳质燃料(可氧化反应物A)与水(可还原反应物B)和送入电池中的离子导电电解质(其可为酸性、碱性或缓冲溶液)混合，该电池使用电力和/或热来帮助驱动反应物A向碳酸盐的进一步氧化，同时还原水，从而释放气态氢并使液体电解质碳化。

本发明的第二实施方案(其示例示于表1的第二行中)是称为碳捕获和再利用的液相Grimes过程，这些过程的要素已在美国专利号8,828,216中公开。在该反应中，将碳化碳酸氢盐电解质送入电池中并且使用电或氢将电解质还原为氢氧化物，从而在一个电极处析氧并在另一个电极处析烃或氧化烃。

本发明的第三实施方案的示例示于表1的第三行中，其中碱性燃料电池使反应物化合以产生电力。这些电池已被充分了解，但精确控制流入和流出单独电极的热流的能力是独特的。这些燃料电池可为碱性的、中性的或酸性的，其中固体或液体电解质与气体或液体反应物一起送入。

本发明还将提升操作逆反应(即，电解)的电池和叠堆的性能。

所有这些过程可具有在反应室之前整合的类似结构，可在此处进行预混合、混合或分离。这些电池也可被设计用于低压或高压操作。由于气体以高于液体电解质压力的较小压力析出，这将消除对氢、氧或其他产物和副产物的外部气相压缩的需求。

发明内容