CN107743571A - 具有集成能量存储的热‑电化学转换器 - Google Patents

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Abstract

一种电化学直接热电转换器，包括主要热能源；工作流体；包括至少一个膜电极组件的电化学电池，所述膜电极组件包括第一多孔电极、第二多孔电极和至少一个膜，其中所述至少一个膜夹在所述第一和第二多孔电极之间，并且是工作流体的离子的导体；能量存储器；和外部负载。所述电化学电池以热量运行以产生电力。当从主要热能源可用的热能大于满足外部负载需求所需的热能时，过多的能量存储在能量存储器中，而当主要热能源可用的热能不足以满足外部负载的需求时，存储在能量存储器中的过多能量的至少一部分用于向外部负载供电。

Description

具有集成能量存储的热-电化学转换器
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年3月9日提交的美国临时专利申请号62/130,227，和2015年9月17日提交的美国临时专利申请号62/219,977的优先权，这些申请的内容通过引用纳入本文。
发明背景
本发明涉及使用金属氢化物材料的具有集成热能存储的改进的约翰逊热-电化学转换器(Johnson Thermo-Electrochemical Convertor，JTEC)。
对既能够实现电能产生又能够实现能量存储的能量系统的需求是熟知的。通常，发电系统的生产特征曲线与能量需求特征曲线不同。例如，煤电厂宜以稳定、连续的水平发电。然而，煤电厂的电力需求一般有两个峰值，一个在早上、一个在晚上。白天的电力需求高于夜间需求。关于可再生能源系统，如太阳能，在中午产生发电峰值，晚上则完全没有。热能是用于发电的主要能源。当以热量运行的系统需要储能时，使用电化学电池组。此种系统必须首先产生电力，然后将其提供给电池组以便存储。
还设计了机械热机并用于生产电力。这种机械热机以热力学循环运行，其中使用活塞或涡轮作轴功以压缩工作流体。压缩过程在低温下进行，压缩后，工作流体升高到较高的温度。在高温下，工作流体能够相对于诸如活塞或涡轮机等负载膨胀，从而产生轴功。操作使用工作流体的所有发电机的关键在于低温下压缩工作流体所需的功少于高温下膨胀所产生的功。采用工作流体的所有热机都是这种情况。
例如，蒸汽机以兰金热力循环(Rankine thermodynamic cycle)运行，其中水被泵送到高压，然后加热成蒸汽并经活塞或涡轮机膨胀以便作功。内燃机以奥托循环运行，其中低温环境空气被活塞压缩，然后经由气缸内的燃料燃烧而被加热到非常高的温度。随着循环的继续，加热的空气抵靠(against)活塞的膨胀产生的功高于在较低温度压缩过程中消耗的功。然而，现有技术的机械装置不能实现高压缩比，因为需要近恒温压缩和膨胀过程以接近卡诺等效循环(Carnot-equivalent cycles)。
斯特林机(Stirling engine)由Robert Stirling在1816年开发，用于以斯特林循环进行操作，提供高效并且在热源选择时具有更大灵活性的热机。理想的斯特林热力学循环与理想的卡诺循环效率相当，它界定了以在高温下的热输入和低温下的热消散来运行的热机的理论最大效率。然而，与所有机械热机一样，斯特林机遭受与其机械运动部件相关的可靠性问题和效率损失的困扰。
为了避免机械热机固有的问题，设计了碱金属热电转换(AMTEC)电池作为热-电化学热机。AMTEC热机利用压力，通过在高温下强迫可电离的工作流体(例如钠)通过电化学电池而产生电压和电流。电极将电流耦合于外部负载。当电解质分离器两端的电压差迫使钠原子通过电解质时，做电功。钠在进入电解质后被电离，从而将电子释放到外部电路。在电解液的另一侧，钠离子与电子重新结合，以便在离开电解质时重新构成钠，该方式与电池组和燃料电池类型的电化学电池中发生的过程大致相同。低压和高温下的重构钠作为膨胀气体离开电化学电池。随后气体冷却并冷凝回液体状态。然后所得低温液体被重新加压。AMTEC热机的运行近似于兰金热力学循环(Rankine thermodynamic cycle)。
AMTEC技术有许多出版物可用。参见，例如，用于100t/d垃圾处理发电设备的AMTEC示范系统的概念设计，Qiuya Ni等(中国科学院电气工程学院，北京，中国)。另一代表性出版物是学会间能量转换工程会议和展览(Intersociety Energy Conversion EngineeringConference and Exhibit,IECEC)，第35届，拉斯维加斯，内华达州(2000年7月24日至28日)，技术论文集，第2卷(A00-37701 10-44)。另见美国航空航天研究所，190,p.1295-1299.报告编号-AIAA Paper 2000-3032。
由于碱金属工作流体的高度腐蚀性质，AMTEC热机受到可靠性和效率问题的困扰。AMTEC热机的用途也非常有限。具体来说，AMTEC热机只能在非常高的温度下运行，因为离子导电固体电解质只能在高温下达到实用的电导率水平。实际上，即使低温加压过程也必须在相对较高的温度下进行，因为碱金属工作流体在循环过程中移动时必须始终保持高于其熔化温度。已经使用机械泵甚至磁流体动力泵来对低温工作流体加压。此外，AMTEC还以改进的兰金热力学循环运行，包括潜热熵损失和不能补偿的焓损失。这些损失包括在膨胀通过高温膜电极组件(MEA)并且作为过热蒸气从MEA中排出之前从液体到蒸汽的高温相变的热输入，这些蒸汽仅在低温下冷凝而不做功。
为了克服常规机械和热-电化学热机的上述缺点，开发了改进的约翰逊热-电化学转换器(JTEC)系统(2003年4月28日提交的美国专利号7,160,639中公开)。
JTEC是一种利用了熟知的热力学原理(使用诸如MEA堆叠等的燃料电池)的转换技术。但是，JTEC不是燃料电池。它不需要氧或连续燃料供应，只需要热。它是一种固态的、直接的、热-电转换技术，除氢循环以外没有移动的机械部件。这些创新特性，与以卡诺相当的爱立信热力循环(Ericsson thermodynamic cycle)的运行相结合，在能量转换技术方面取得了非常显著的进步。特别是，作为将热直接转化为电的系统，JTEC在能源转换效率、功率密度和制造成本方面提供了革命性的进步。
JTEC以卡诺等效的爱立信热力学循环运行。它使用在低温下操作并耦合到散热片的第一电化学电池(即，热机的“电化学压缩机”阶段)，在高温下操作并耦合到热源的第二电化学电池(即，热机的“电化学膨胀“阶段)，以及将工作流体流动耦合在两个电池之间的回热式热交换器。JTEC包括供应氢或氧作为工作流体。工作流体在低温电池中被压缩并在高温电池中膨胀，从而在高温膨胀期间产生的功高于低温电池压缩期间消耗的。每个电化学电池由配置有无孔膜的MEA组成，其能够传导工作流体的离子并夹在一对多孔电子传导电极之间。
在操作中，工作流体通过将电子释放到进入侧的电极而通过MEA。离子通过膜传导到相对电极。电子通过外部电路耦合到相对电极。工作流体在相对电极内重构。在运行中，由于热量被去除以保持近恒温压缩过程，向低温电池施加功率以将工作流体从低压驱动到高压。高压工作流体从低温电池通过热交换器供给高温电池。在高温电池中，操作过程相反。当加入热量以保持近恒温膨胀过程时，工作流体通过电池从高压膨胀到低压，高温电池产生电力。所得到的低压工作流体被回送到低温电池的低温侧以继续循环。如在使用工作流体的任何热力机中那样，并且与可压缩气体的性质一致，高温膨胀期间提取的功(在这种情况下为电功)高于低温压缩所需的功输入。即，在高温下发生的膨胀过程产生足够的功率来驱动在低温下发生的压缩过程，以及向外部负载提供净输出功率。
MEA产生的电压相对于温度是线性的。高温电池的电压(VHT)高于低温电池的电压(VLT)。在VLT下，工作流体在低温电池中压缩。另一方面，在VHT下，当提取电流(功率)时，工作流体在高温电池中膨胀。由于通过两个电池的电流(I)，氢气循环，是相同的，所以电压差意味着通过高温电池中氢的膨胀产生的功率高于低温电池。高温电池输出的功率(VHT乘以I)足以驱动低温电池的压缩过程(VLT乘以I)，以及向外部负载提供净功率输出((VHT-VLT))*I))。氢气在热机内连续循环，不被消耗。
理想地，热源和散热器分别耦合到各自具有足够热传递以实现近恒温膨胀和压缩的高温和低温电化学电池。近恒温压缩和膨胀，与在高温和低温堆叠之间耦合回热式热交换器(从而通过促使其转移到流向高温堆叠的流体而自离开高温堆的流体中回收热量)相组合，使得热机能够接近热力学爱立信循环。亚优化的操作(其中膨胀和压缩温度不能保持几乎恒定)是有用的。可以使用有用的压缩温度和有用的膨胀温度，其中平均膨胀温度大于平均压缩温度，导致净平均膨胀电压高于压缩电压，从而产生净的正功率输出。
虽然有多种可用的技术从热产生电，但仍然需要成本有效的能量存储作为匹配不同能量需求特点的手段。通常利用电池组将电力生产特征曲线与需求特征曲线进行匹配。在电池组中，化学能被转换为电能，反之亦然。例如，已知的电化学电池或电池组依赖于化学反应，其中被氧化的反应物的离子和电子转移到通过不同的途径被还原的反应物。具体地，电子经由布线通过外部负载被电转移，在外部负载中它们做功，离子通过电解质分离器传导。电池组式电化学电池显著增加电力系统的成本。由于固有的安全性和可靠性问题，它们通常局限于电池尺寸。公认的是锂离子电池尤其容易起火和甚至爆炸。它们可以储存一定数量的能量，能量的数量受限于电池组外壳的界限(考虑到其中可含有的可用反应物的量)。为了满足发电系统的存储容量要求，需要很多组的小型电池。这些组通常需要环境控制系统来保持特定的电池组工作温度以实现可靠性和安全性。这种控制系统增加额外的成本。
已经开发了可逆燃料电池，以试图克服与电池组型电化学电池相关的问题。在常规的燃料电池中，化学反应物被连续供给到电化学电池中并从电化学电池移除。以类似于电池组的方式，燃料电池通过使得离子化物质经由通常阻止电子和非电离物质通过的选择性电解质传导来产生电力。
最常见类型的燃料电池是氢-氧燃料电池，其使氢通过电极之一而氧通过另一电极。在氢和氧的化学反应电位下，氢离子通过电解质分离器传导进入电池的氧侧。电解质分离器任一侧的多孔电极用于将化学反应中涉及的电子经由外部电路耦合到外部负载。电子和氢离子重构氢，并与电池的氧侧的氧完成反应，从而产生从体系中排出的水。通过向电池连续供应氢和氧来维持连续的电流。
这些电池可以反向操作以通过向氧电极供水来存储能量。将电力施加到电池以在逆向反应中电解水以产生氢和氧。然而，与这种电池的操作相关有许多挑战性的液体和气体管理问题。常规燃料电池应用中的MEA堆叠需要在至少一个电极中的双向流动。例如，氧流动到氢-氧燃料电池的阴极侧必须维持与氢-氧反应产物(水)的离开同时。因此，用于燃料和氧化剂/反应产物的大流量横截面必须是设计用于燃料电池的常规MEA堆叠的固有特征。由于在氧电极中缺少反应物，电池溢流(cell flooding)和极化损失是熟知的问题。
此外，燃料电池环境极具腐蚀性，并且通常需要使用昂贵的贵金属催化剂(通常为铂)，特别是氧电极。甚至更大的问题与氧电极的0.4V活化能量需求有关。氢-氧燃料电池的电化学势为1.2伏特。氧电极的激活电压要求导致有效输出电压仅0.8伏。另一方面，当对电池进行再充电或再生时，除了氧活化电压之外，需要1.6伏特的电压以克服反应电位。以1.6伏充电并以0.8伏放电导致净能量储存循环效率最多只有50％。这种电池因需要热管理系统而进一步复杂化，因为充电和放电能量的差异作为废热消散。
已经尝试使用热能来直接驱动燃料电池的再生。Osteryoung对这一目标进行了广泛的研究(参见美国专利第5,208,112号)。然而，热再生的尝试通常显示成功非常有限(参见Chum,Helena L.和Osteryoung，Robert A.,“热再生电化学系统综述(Review ofThermally Regenerative Electrochemical Systems)”,太阳能研究所；美国能源部合同编号EG-77-C-01-4042，第1卷和第2卷，任务号3356.10(1980年8月))。
因此，仍然需要一种实际的、成本有效的电力来源，其以热来运行并且以独立于其主要能量源特征曲线限制的方式有效地响应能量需求曲线。
发明简述
本发明基于基础JTEC，并且在转换器的高压侧和低压侧上包括用于存储显著体积的工作流体的机构。在一个实施方式中，本发明还包括JTEC储存热能的能力作为能量转换器的集成(integral)特征。本发明大大简化了使用其他方法所遇到的储能问题，因为它消除了与诸如电池组等电能存储介质所涉及的电子和控制要求相关的许多复杂性。避免了专门用于电池组的充放电控制、环境监测和调节系统以及AC逆变器等辅助维护要求，同时保持了转换器的固态特性。
在一个实施方式中，本发明涉及一种电化学直接热电转换器，包括：主要热能源；工作流体；包括至少一个膜电极组件的电化学电池，所述膜电极组件包括第一多孔电极、第二多孔电极和至少一个膜，其中所述至少一个膜夹在所述第一和第二多孔电极之间，并且是工作流体的离子的导体；能量存储器；和外部负载。电化学电池以热量运行以产生电力。当从主要热能源可用的热能大于满足外部负载需求所需的热能时，过多的能量存储在能量存储器中，而当从主要热能源可用的热能不足以满足外部负载的需求时，存储在能量存储器中的过多的能量的至少一部分用于向外部负载供电。
在另一实施方式中，本发明涉及一种电化学直接热电转换器，包括：工作流体；至少一个膜电极组件，包括第一多孔电极、第二多孔电极和至少一个膜，所述至少一个膜夹在所述第一和第二多孔电极之间，所述至少一个膜是所述工作流体的离子的导体；第一导管，含有第一压力下的工作流体，以及第二导管，含有低于第一压力的第二压力下的工作流体，所述第一导管是耦合到第一多孔电极的高压导管，所述第二导管是耦合到第二多孔电极的低压导管；其中随着氢通过所述膜电极组件从所述高压导管向所述低压导管膨胀，所述转换器产生电力，主要热能源耦合到所述至少一个膜电极组件；外部负载；和能量存储器。当从主要热能源可用的热能大于满足外部负载需求所需的热能时，过多的能量存储在能量存储器中，而当从主要热能源可用的热能不足以满足外部负载的需求时，存储在能量存储器中的过多的能量的至少一部分用于向外部负载供电。
在另一实施方式中，本发明涉及一种电化学直接热电转换器，包括：工作流体；第一膜电极组件，包括高压多孔电极、低压多孔电极和至少一个膜，其中所述至少一个膜夹在所述第一和第二多孔电极之间，并且是所述工作流体的离子的导体；第一导管，含有第一压力下的工作流体，以及第二导管，含有低于第一压力的第二压力下的工作流体，所述第一导管是耦合到高压多孔电极的高压导管，所述第二导管是耦合到低压多孔电极的低压导管；耦合到所述高压导管的高压工作流体存储器；耦合到所述低压导管的低压工作流体存储器；和控制器。当从第一膜电极组件提取电力时，当工作流体通过膜电极组件从高压向低压膨胀时，电化学转换器产生电能，当通过控制器向第一膜电极组件供应电力时，当压缩的工作流体通过第一膜电极组件从低压向高压压缩时，电化学转换器存储电能。
在进一步的实施方式中，本发明涉及一种电化学直接热电转换器，包括：工作流体；至少一个膜电极组件，包括第一多孔电极、第二多孔电极和至少一个膜，其中所述至少一个膜是所述工作流体的离子的导体；第一导管，含有第一压力下的工作流体，以及第二导管，含有低于第一压力的第二压力下的工作流体，其中所述第一导管是耦合到第一多孔电极的高压导管，第二导管是耦合到第二多孔电极的低压导管；以及用于能量存储的高压工作流体存储器和低压工作流体存储器。转换器通过将工作流体从低压工作流体存储器泵送到高压工作流体存储器而将能量存储为加压工作流体，并且转换器通过将工作流体从高压工作流体存储器膨胀回到低压工作流体存储器而自加压工作流体中提取能量，从而根据需要将存储的能量转换成电能。
附图的几个视角的简要说明
当结合附图阅读时，将更好地理解以下对本发明的优选实施方式的详细描述。为说明本发明的目的，在附图中示出了当前优选的实施方式。然而，应当理解，本发明不限于所示的精确布置和手段。在图中：
图1是本发明一实施方式的JTEC的图，包括由回热式热交换器背对背连接的两个MEA并且具有用于存储高压和低压下的可电离工作流体的存储器，其中JTEC以来自主要源的热量运行以产生电力并将能量存储为压缩工作流体；
图2是本发明一实施方式的JTEC的图，包括由回热式热交换器背对背连接的两个MEA并具有用于存储高压和低压下的可电离工作流体的存储器，其中运行JTEC以从以压缩工作流体形式存储的能量来产生电；
图3是本发明一实施方式的JTEC的电路示意图；
图4示出了以爱立信热力学循环运行的理想热机的温度熵图；
图5是显示在选定温度下Hystor 207的氢气压力平台对浓度比率的曲线图；
图6是显示所选择的金属氢化物TiCo、Pd0.7Ag0.3和MmNi3Co2的金属氢化物平台中点压力数据对温度的曲线图；
图7是显示氢气压力平台对温度的曲线图；
图8是本发明一实施方式的JTEC的示意图，包括背对背耦合的两个MEA并且具有使用高压和低压金属氢化物存储介质储存氢的能力，其中高压和低压存储介质彼此热耦合，其中JTEC以来自主要源的热量运行以产生电并使用金属氢化物将能量存储为压缩工作流体；
图9是本发明一实施方式的JTEC的示意图，包括背对背耦合的两个MEA并具有使用高压和低压金属氢化物存储介质储存氢的能力，其中高压和低压存储介质彼此热耦合，其中运行JTEC以从使用金属氢化物存储为压缩工作流体形式的能量来产生电；
图10是本发明一实施方式的JTEC的示意图，包括用于存储热能的散热器/源材料，其中JTEC以来自主要源的热量运行以产生电并将能量储存为压缩工作流体和热量；
图11是本发明一实施方式的JTEC的示意图，包括用于存储热能的散热器/源材料，其中运行JTEC从而自以压缩的工作流体和热量的形式存储的能量来产生电；
图12是本发明一实施方式的JTEC的操作图，其中JTEC以来自主要源的热量运行以产生电并将能量储存为压缩的工作流体和热量；
图13是本发明一实施方式的JTEC的操作图，其中运行JTEC从而自以压缩的工作流体和热量的形式存储的能量来产生电；
图14是本发明一实施方式的用于太阳能转换和存储的JTEC的示意图；
图15是根据本发明一实施方式，在太阳能热输入上运行，在“理想的”能量储存和热传递条件下，80％卡诺效率的JTEC转换系统的能量平衡图；
图16是根据本发明一实施方式，在存储的热量上运行，在“理想的”能量储存和热传递条件下，80％卡诺效率的JTEC转换系统的能量平衡图；
图17是本发明一实施方式的JTEC的操作图，其中氢储器分别位于JTEC本身的氢流动通道内部的低温和高温MEA处，其中JTEC以来自主要源的热量运行以产生电并将能量存储为压缩的工作流体和热量；和
图18是本发明一实施方式的JTEC的操作图，其中氢储器分别位于JTEC本身的氢流动通道内部的低温和高温MEA处，其中运行JTEC，从而自以压缩的工作流体和热量的形式存储的能量来产生电。
发明详述
仅为了方便起见而非限制性的，在下文中使用某些术语。词语“近”、“远”、“上”、“下”、“底部”和“顶部”表示所指的附图中的方向。词语“向内”和“向外”是指分别指向和远离本发明的装置的几何中心及其指定部分的方向。除非在此特别阐明，否则术语“一”、“某”和“该”不限于一个元素，而应该被视为“至少一个”。术语包括上述词，其派生词和类似含义的词。
还应理解，提供诸如“第一”，“第二”等的术语仅为了清楚起见。可以方便地转换这些术语标识的元件或组件及其操作。
在一个实施方式中，本发明涉及一种电化学直接热电转换器，包括：主要热能源；工作流体；包括至少一个膜电极组件的电化学电池，所述膜电极组件包括第一多孔电极、第二多孔电极和至少一个膜，其中所述至少一个膜夹在所述第一和第二多孔电极之间，并且是工作流体的离子的导体；能量存储器；和外部负载。电化学电池在热量下运行以产生电力。当从主要热能源可用的热能大于满足外部负载需求所需的热能时，过多的能量存储在能量存储器中，而当从主要热能源可用的热能不足以满足外部负载的需求时，存储在能量存储器中的过多能量的至少一部分用于向外部负载供电。
在另一实施方式中，本发明涉及一种电化学直接热电转换器，包括：工作流体；至少一个膜电极组件，包括第一多孔电极、第二多孔电极和至少一个膜，所述至少一个膜夹在所述第一和第二多孔电极之间，所述至少一个膜是所述工作流体的离子的导体；第一导管，含有第一压力下的工作流体，以及第二导管，含有低于第一压力的第二压力下的工作流体，所述第一导管是耦合到第一多孔电极的高压导管，所述第二导管是耦合到第二多孔电极的低压导管；其中随着氢通过所述膜电极组件从所述高压导管向所述低压导管膨胀，所述转换器产生电力，主要热能源耦合到所述至少一个膜电极组件；外部负载；和能量存储器。当从主要热能源可用的热能大于满足外部负载需求所需的热能时，过多的能量存储在能量存储器中，而当从主要热能源可用的热能不足以满足外部负载的需求时，存储在能量存储器中的过多的能量的至少一部分用于向外部负载供电。
在优选的实施方式中，能量存储器是热量存储器，并且膜电极组件热耦合到热量存储器，并且随着热量从存储器供应到膜电极组件和工作流体通过膜电极组件膨胀而产生电力。当从主要热能源可用的热量大于满足外部负载需求所需的热量时，热量就被储存在热量存储器中，而当从主要热能源可用的热量不足以满足外部负载的需求时，存储在热量存储器中的热量的至少一部分用于产生电力以供应到其中的外部负载。
存储热能作为从金属氢化物材料的氢解吸的潜热的热量存储器包括在本发明的范围内。
在进一步的实施方式中，本发明包括一种电化学直接热电转换器，包括：工作流体；第一膜电极组件，包括高压多孔电极、低压多孔电极和至少一个膜，其中所述至少一个膜夹在所述第一和第二多孔电极之间，并且是所述工作流体的离子的导体；第一导管，含有第一压力下的工作流体，以及第二导管，含有低于第一压力的第二压力下的工作流体，所述第一导管是耦合到高压多孔电极的高压导管，所述第二导管是耦合到低压多孔电极的低压导管；耦合到所述高压导管的高压工作流体存储器；耦合到所述低压导管的低压工作流体存储器；和控制器。当从第一膜电极组件提取功率时，当工作流体通过膜电极组件从高压向低压膨胀时，电化学转换器产生电能，当通过控制器向第一膜电极组件提供功率时，当压缩的工作流体通过第一膜电极组件从低压向高压压缩时，电化学转换器存储电能。
在优选的实施方式中，工作流体是氢，并且转换器还包括耦合到高压导管的高压金属氢化物氢存储器和耦合到低压导管的低压金属氢化物氢存储器。
转换器包含耦合到低压金属氢化物氢存储器的第一热源和第一散热器以及耦合到高压金属氢化物氢存储器的第二热源和第二散热器也包括在本发明的范围内。第一热源在氢通过低(压)金属氢化物存储器解吸期间向低压金属氢化物存储器提供解吸热，第一散热器在氢吸附期间除去吸附热，而第二热源在氢通过高压金属氢化物存储器解吸期间，向高压金属氢化物存储器提供解吸热，第二散热器在氢吸附期间除去吸附热。
转换器还可以包含耦合到第一膜电极组件的主要散热器和主要热源。主要散热器从第一膜电极组件除去热量以维持有用的压缩温度，主要热源在氢膨胀期间向膜电极组件提供热量以维持有用的膨胀温度。
在优选的实施方式中，转换器还包括第二膜电极组件，其包括高压多孔电极、低压多孔电极和作为工作流体的离子的导体的至少一个膜。高压导管耦合于第二膜电极组件的高压多孔电极，低压导管耦合于第二膜电极组件的低压多孔电极。在这种实施方式中，主要散热器耦合到第一膜电极组件并且从第二膜电极组件去除热量以维持相对恒定的压缩温度，并且主要热源耦合到第二膜电极组件并且在氢膨胀期间将热量供应到第二膜电极组件以维持有用的膨胀温度。随着从第二膜电极组件提取功率，在工作流体通过第二膜电极组件从高压向低压膨胀之时，第二膜电极组件产生电能，当向第一膜电极组件供应功率时，第一膜电极组件将工作流体经第一膜电极组件从低压向高压压缩。
将第一金属氢化物存储器的预定温度升高到高于第二金属氢化物存储器的温度落在本发明的范围内，其中从热源输入热量；第一金属氢化物存储器的氢气压力超过第二金属氢化物存储器的氢气压力。
在低于第一金属氢化物存储器的温度下，将第二金属氢化物存储器的氢气压力保持为低于第一金属氢化物存储器的氢气压力也在本发明的范围内，其中热量输出到散热器。
在一个实施方式中，在预定的升高的温度下，存储在热能存储器中的热能由第一金属氢化物存储器释放，并迁移到较低温度的第二金属氢化物存储器并被其中的金属氢化物材料吸附，其中吸附热被排到散热器。
当热源可用的热能不足以满足外部负载的要求时，第一金属氢化物存储器的温度处于使得第一金属氢化物存储器的氢气压力低于第二金属氢化物存储器的氢气压力的水平，当氢气由第二金属氢化物存储器释放、迁移到第一金属氢化物存储器并被其中的金属氢化物材料吸收、其吸附热被排到转换器时，热量作为解吸潜热从散热器提取。
在进一步的实施方式中，本发明涉及一种电化学直接热电转换器，包括：工作流体；至少一个膜电极组件，包括第一多孔电极、第二多孔电极和至少一个膜，其中所述至少一个膜是所述工作流体的离子的导体；第一导管，含有第一压力下的工作流体，第二导管，含有低于第一压力的第二压力下的工作流体，其中所述第一导管是耦合到第一多孔电极的高压导管，第二导管是耦合到第二多孔电极的低压导管；以及用于能量存储的高压工作流体存储器和低压工作流体存储器。转换器通过将工作流体从低压工作流体存储器泵送到高压工作流体存储器而将能量存储为加压工作流体，并且转换器通过将工作流体从高压工作流体存储器膨胀回到低压工作流体存储器而自加压工作流体中提取能量，从而根据需要将存储的能量转换成电能。
在优选的实施方式中，工作流体是氢，并且可能彼此热耦合的高压和低压工作流体存储器包含用于储氢的高压和低压金属氢化物材料。
当从热源可用的热能不足以满足外部负载的需求时，转换器还可以包含外部负载以及第一和第二热能存储器，以便用作用于发电的能量源。第一和第二热存储器中的一个偶联到高压工作流体存储器，第一和第二热存储器中的第二个存储器偶联到低压工作流体存储器，当所述工作流体被压缩进所述高压和低压工作流体存储器或从所述高压和低压工作流体存储器中膨胀出来时，第一和第二热存储器根据需要储存和释放热能以最大程度降低所述高压和低压工作流体存储器的温度变化。当从主要热能源可用的热能大于满足外部负载需求所需的热能时，过多的能量被储存在这些能量存储器的至少一个中，当从主要热能源可用的热能不足以满足外部负载的要求时，存储在至少一个能量存储器中的过多能量的至少一部分用于向外部负载供电。
详细参考附图，其中在几幅图中相同的数字表示相同的元件，图1至图18示出具有能量存储能力的JTEC的优选实施方式。术语“电化学电池”、“膜电极组件电池”、“MEA电池”、“电池(cell)”和堆叠在本文中可互换使用，堆叠是指单个电池的组或阵列。
在本发明中，与传统的JTEC一样，在操作期间，在升高的温度从主要源供应热量。工作流体经与热源热耦合的MEA膨胀来产生电力。在膨胀期间产生的电量足以对通过低温MEA压缩工作流体供电和对外部负载供电。在现有技术的JTEC中，低温MEA将仅消耗足够的电力来压缩维持跨越高温MEA的持续膨胀所需的一定量的工作流体。然而，在本发明的一个可能的实施方式中，低温MEA利用外部负载不使用的电力将一定量的工作流体从热机的低压侧压缩到高压侧，所述一定量的工作流体超过维持跨越高温MEA的持续膨胀所需要的。净效应是过量产生的能量作为高压工作流体存储在热机的高压侧。
在热机的主要热源输入的热量产生的电力不足以满足负载需求的时期，可以终止低温MEA的压缩操作。在这种条件下，由于存储在高压侧的高压工作流体能够通过高温MEA或低温MEA膨胀，热机能够继续运行，作为产生电力的手段，从而可以满足持续的电力需求。
本发明的一个实施方式涉及使用氢作为工作流体，其中金属氢化物材料用于将氢储存在热机的高压侧和低压侧。在优选的实施方式中，高压和低压氢存储器彼此热耦合，从而氢在两个存储器之间来回移动，并且由一个存储器释放的吸附热被耦合到其它存储器作为解吸热。
根据本发明的另一实施方式，系统可以包括耦合到高温热源的热存储介质或存储器，使得当热源有热量可用时，可以吸收和储存热能以便随后在没有主要热源的情况下，用于在工作流体膨胀期间保持升高的温度。
在一个实施方式中，高压通道的部分和低压通道的部分优选地以回热式热交换器的形式彼此物理耦合，通过将离开高温MEA堆叠的工作流体耦合于流向高温MEA堆叠的工作流体，自离开高温MEA堆叠的工作流体中回收热量。提供这样的回热式热交换器连同耦合于高温和低温电化学电池(即，MEA堆叠)的热源和散热器的组合，能够为近恒温膨胀和压缩过程提供足够的热传递，从而允许热机接近爱立信热力循环。
在其中MEA堆叠作为热泵应用的一部分操作的另一实施方式中，第一MEA堆叠优选地耦合于处于低温的热源，并且第二MEA堆叠优选耦合于相对于第一MEA堆叠的热源处于高温的散热器。随着从低温热源中提取膨胀热量，工作流体在第一MEA堆叠中在低温下膨胀。工作流体在第二MEA堆叠中在升高的温度下被压缩，并且压缩热在升高的温度下被排出。由于第一MEA堆叠的低温，第一MEA堆叠产生的能斯特(Nernst)电压低于高温MEA堆叠的电压。外部电源与低温MEA堆叠串联连接，以提供足够高的组合电压以克服高温MEA堆叠的能斯特电位，从而驱动其中的压缩过程。在没有电力可用的时期，压缩的工作流体通过低温MEA从热机的高压侧向低压侧的继续膨胀可以维持工作流体的膨胀和热量的提取。
参考图1，示出了本发明优选实施方式的直接热电转换器或热机，更具体地，具有能量存储能力的JTEC。JTEC的结构包括热交换器32、第一MEA电池5和第二MEA电池6。电极20和24配置在膜23的相对侧以形成第一MEA电池5，电极16和22夹住膜25以形成第二MEA电池6。膜23和25是离子传导膜，优选质子传导膜，厚度约在0.1μm至500μm的级别，更优选为约1μm至500μm。更具体地，膜23和25优选由质子传导材料制成，更优选由聚合物或陶瓷质子传导材料制成。
JTEC设备是封闭系统。因此，质子传导膜不暴露于水蒸气和烃改性副产物。纯氢工作环境允许使用对燃料电池不可行的低成本、高性能膜材料。特别是，差价掺杂的BaCeO3(BC)已经证明是高质子传导性(在700℃为～10-2Scm-1)。然而，该材料对SOFC副产物如H2O和CO2的化学稳定性差，限制了它们被考虑用于质子传导性SOFC。使用BC来实现这些更高的电导率水平对于JTEC是实际的，因为它使用纯氢。
在一个实施方式中，膜23和25优选是磷酸掺杂的聚苯并咪唑(PBIPerformanceProducts,Inc.；9800-D Southern Pine Boulevard；夏洛特，NC 28273；美国)。已经测量了靶向用于低温MEA堆叠的磷酸掺杂PBI材料在室温下具有0.01S/cm的导电性，并且在200℃下通过Xaio达到高达0.26S/cm。该材料在宽温度范围内表现出高质子传导性。然而，本领域技术人员将理解，可以使用在一定温度范围内显示质子传导性的任何材料，优选任何聚合物、陶瓷或其它材料来形成膜23和25。所选择的膜材料23和25优选形成分子工作流体流动的高障碍物并且有效容纳工作流体。
电极16、20、22和24优选为厚度约在10μm至1cm、更优选约50μm至1,000μm级别的薄电极。使用由彼此显著不同的材料制成的电极和膜可能因材料之间热膨胀系数的差异而导致非常高的热应力。因此，电极20和24优选由与膜23相同的材料构成或形成，并且电极16和22优选由与膜25相同的材料构成或形成。然而，电极优选是多孔的并且接种有催化材料和电子导电材料，而膜优选为无孔纯离子导电材料。因为电极优选与体膜(bulk membrane)使用类似的基本材料组合物，那些否则在许多终端应用期间遇到的极端温度下会发生的高热应力被消除或至少被减少。然而，应当理解，第一和第二MEA电池5和6可以彼此不同，因为它们可以使用不同的离子导电材料形成，这取决于各MEA电池的预期设计工作温度。
MEA的长度33优选在约0.25cm和10cm之间。MEA的宽度(图中的深度)优选在约1cm至100cm之间。然而，本领域技术人员将理解，MEA的尺寸可以根据有待使用MEA的领域而适当地改变和选择。还应理解，尽管在附图中示出了单个低温MEA和单个高温MEA，但是它们是代表性的。实际上，低温和高温MEA可以是具有满足给定应用要求所需的适当电气和工作流体流动导管互连的MEA堆叠或阵列。
JTEC还包括导管系统，其包括至少一个低压导管36和至少一个高压导管34。在导管系统内容纳有可电离气体(优选氢)供应作为工作流体。高压导管34延伸穿过热交换器32，并将高压工作流体流26耦合在第一MEA电池5的高压电极24和第二MEA电池6的高压电极16之间。类似地，低压导管36通过热交换器32将低压工作流体流12耦合在第二MEA电池6的低压电极22和第一MEA电池5的低压电极20之间。逆流热交换器32将热Q从离开MEA 6的高温、低压工作流体传递到离开MEA 5的低温、高压工作流体。如此，导管34中的高压工作流体在接近低压36中离开MEA 6的工作流体的温度下进入高温MEA 6。类似地，导管36中的低压工作流体在接近高压导管34中离开MEA 5的工作流体的温度下进入低温MEA 5。
低压导管36和高压导管34界定JTEC热机的低压侧和高压侧。高压侧的压力可以低至0.5psi和高至3,000psi。优选地，高压侧保持在约300psi或更高的压力。JTEC的低压侧的压力可以低至0.0001psi和高至5psi。优选地，MEA堆叠的低压侧压力保持在约0.1psi。高压侧与低压侧的优选压力比为3,000:1。
使用3,000:1的优选压力比，其中MEA堆叠是在523K的温度下操作的高温堆叠，高温MEA堆叠将具有约180mV的能斯特电压。另一方面，如果在318K的较低温度下维持第一MEA电池5的操作，则低温MEA电池5将具有大约110mV的能斯特电压。在这种情况下，转换器的开路电压将为约70mV(即，180mV-110mV)。
质子传导MEA上的氢压差导致的电势与压力比的自然对数成比例，并且由能斯特方程[1]预测。
在方程式1中，VOC是开路电压，R是通用气体常数，T是电池温度，F是法拉第常数，PH是高压侧的压力，PL是低压侧的压力，压力比为PH/PL。
图3是代表JTEC的电路示意图。MEA堆叠5、6各自表示为电压源和内部阻抗。电路背对背连接电压源，使得较大的电压决定电流的方向，电压差和总电路阻抗决定电流的强度。随着高电压MEA堆叠6中氢从高压到低压膨胀，背对背连接迫使反向电流通过低电压MEA堆叠5从低压到高压驱动氢。RLT表示低温MEA的电阻，VLT表示低温MEA的电压。RHT表示高温MEA的电阻，VHT表示高温MEA的电压。H+表示质子传导，e-表示电子传导。H2表示氢流。VLD表示施加到负载的电压，RLD表示负载电阻。
图4示出了以爱立信热力学循环运行的理想热机的温度熵图。氢工作流体的热力学状态1至4在图1、3和4中标示的各个点处是相同的。图1、3和4中标注各部分的数字表示各图中的等效对应部件。
参考图1、3和4，从低温、低压状态1开始，向低温MEA供应电能以将氢从低压状态1泵送到高压状态2。在压缩过程中，通过从质子导电膜去除热QL将氢的温度维持在几乎恒定。薄膜(优选小于100μm厚)不会支持显著的温度梯度，因此，只要有足够的热量转移到膜及其基底，该方法接近等温的假设是有效的。从状态2，氢通过回流式逆流热交换器。其在近似恒定的压力下被加热至高温状态3，然后流向高温MEA堆叠。将氢的温度从状态2升高到3所需的热量在热交换器中沿相反方向从氢流转移。在高温MEA堆叠中，当氢从高压状态3膨胀到低压状态4时，产生电力。随着氢膨胀，将热QH供应到MEA堆叠以保持接近恒定的温度。从状态4到状态1，氢流过回热式热交换器，其中其温度通过热量传递到从状态2流到3的工作流体而在恒定压力过程中降低。当低温MEA将氢从低压泵送到高压时，循环继续。
由高温MEA堆叠6产生的电压足以向低温MEA堆叠5供应泵送功率以便氢气压缩以及从系统提供净输出功率。两个堆叠5、6之间的工作关系基本上是热机的压缩机和功率级的工作关系。高温和低温MEA堆叠5、6被设计成实现足够的热传递以接近近恒温膨胀和压缩过程。该特征与使用回热式逆流热交换器32相结合，从而允许热机接近卡诺等效的爱立信热力循环，其特征在于恒温膨胀3-4和压缩1-2过程，以及恒压升温2-3和恒压降温4-1过程。如图3和图4所示，系统的净开路电压是高温MEA电压减去低温MEA堆叠5的电压，与卡诺等效爱立信热力循环一致。堆叠6内的工作流体膨胀温度和堆叠5内的压缩温度不保持几乎恒定的亚最佳操作可能是有用的。可以采用有用的压缩温度和有用的膨胀温度，其中平均膨胀温度大于平均压缩温度，从而导致净平均膨胀电压高于压缩电压，从而有净的正功率输出。
在一个实施方式中，如图1-2所示，JTEC还包括耦合于低压导管36的低压工作流体存储器29和耦合于高压导管34的高压工作存储器31。
第二MEA电池6优选耦合到升高温度的热源或热能源38，第一MEA电池5优选耦合到散热器15，其在比热源38和第二MEA电池6的升高的温度低的温度下工作。如此，第二MEA电池6是高温MEA堆叠，第一MEA电池5是低温MEA堆叠。低温MEA堆叠5可以在-50℃至1,500℃的范围内运行，优选约55℃。然而，低温MEA堆叠5的操作温度必须足够高，从而具有温差以便通过散热器15例如其环境中的环境温度空气、水或其它合适的散热器而有效地去除热。高温MEA堆叠6可以在-50℃至高达1,500℃的温度下操作，优选约550℃。卡诺认为，对于发电的热机，两个堆叠之间的温差越高，热机的理论转换效率越高。
仍然参考图1，当压力迫使工作流体通过第二MEA电池6时，产生电力。基于施加的压力差将电力以第二MEA电池6的能斯特电压供应到第二端子30，并且其温度减少了由于MEA电池6的内部阻抗引起的电压损耗。在压力作用下，当离子37传导通过离子传导膜25时，电子流35传导通过端子30。在压力下，工作流体在第二高压电极16处氧化。当工作流体的离子进入并流过离子/质子传导膜25(如箭头37所示)时，电子被释放到电极16上。返回端子30的电子35耦合到低压电极22，其中离开膜25的离子/质子被还原以在低压侧重构工作流体。热源38耦合于第二MEA电池6，以向工作流体提供膨胀热量，从而保持连续和近等温的膨胀过程。
由第二MEA电池6产生的电力的一部分通过连接到端子39被提供给第一MEA电池5。端子39连接到第一高压电极24和第一低压电极20。随着在施加到端子39的电力下被强制的电子流41通过第一MEA电池5的离子传导膜23引起离子传导，工作流体流从低压泵送到高压。电功被压缩过程消耗。通过克服第一MEA电池5在其运行温度和压力差下产生的能斯特电位，在足以推动电流的电势下将电压施加于第一端子39。所施加的电力在低压电极20和膜23的界面处从工作流体中剥离电子。得到的离子沿箭头43所示的方向通过离子导电膜23传导。电子41经端子39供应到高压电极24，以便在离子离开膜23时在高压电极24和膜23的界面处重建工作流体。实际上，在所施加电压下的该电流提供了将工作流体从低压泵送到高压所需的泵功率。散热器15耦合于MEA电池5以除去所产生的压缩热，从而保持近恒温连续压缩过程。
储能JTEC还包括控制器50和负载52以及高压工作流体储器31和低压工作流体压力储器29。控制器50连接于负载52、低温MEA堆叠5和高温MEA堆叠6。随着工作流体的膨胀，控制器50运行以提取由高温MEA堆叠6产生的电力。控制器向低温MEA电池5供电，从而可以维持将加压工作流体连续供应给高温MEA电池6。未供给低温MEA电池5的电力被供应到外部负载52以满足负载需求。当由高温MEA堆叠6产生的电力超过为负载52供电以及维持通过低温MEA电池5压缩工作流体所需时，将过剩电力供应到低温MEA电池5以便压缩过量的工作流体。通过将额外的工作流体从低压储器29泵送到高压储器31，如箭头42和40所示，剩余的功率被存储为压缩工作流体。工作流体流10包括来自高温MEA堆叠6的低压流12加上从储器29提取的低压工作流体。类似地，高压流14包括流向高温MEA堆叠6的高压流以及流向储器31的高压流。
图2示出了当高温热源不可用时JTEC的操作。在这种情况下，通过使用第一MEA电池5提取以加压工作流体储存在储器31中的能量，来维持对负载52的供电。如箭头40所示，工作流体离开高压储器31并流向第一MEA电池5。然后工作流体进入电极24并且通过第一MEA电池5膨胀到低压导管36。MEA 5内相对恒定的膨胀温度由源21供应的热量保持。然后，工作流体如箭头42所示继续流向低压储器29。存储器31和29被配置为与流向和离开热源QA的热量作热耦合，如箭头27所示，以便保持相对稳定的工作温度，从而当氢离开和进入储器而进行膨胀和压缩时，可以保持它们各自的高和低运行压力区域。散热器和源QA可以是诸如周围环境等单一来源。
如图1所示，随着氢被第一MEA电池5压缩，热被传递到散热器15，以便保持恒温压缩过程。另一方面，如图2所示，当以储存的氢气压力能量运行时，随着氢通过第一MEA电池5膨胀，热量转移到第一MEA电池5，从而保持相对恒定温度的膨胀过程。因此，散热器15和热源21可以是分离的源和散热器或单个散热器/源，其可以是周围环境。通过以这种方式操作，JTEC将产生的超过在给定时间负载所需的多余的能量存储为压缩的工作流体。它可以根据需要提取能量，从而满足对实用的、成本有效的电源的需要，所述电源以热量运行，并且可以独立于其主要热能源特征曲线限制的方式对能量需求曲线源作出有效应答。
在另一实施方式中，存储器29和31可以配置为在其内部具有金属氢化物材料，以便提高在给定压力和体积下可储存的氢容量。金属氢化物是在某些压力和温度下暴露于氢时能够吸附氢的金属物质。用于讨论金属氢化物的术语有时会混淆。混淆的主要原因是术语“金属氢化物”可以既用于指吸附氢气之前也可以用于指吸附氢气之后的氢气吸附性材料。因此，在本文为了解释，吸附前的材料通常称为“金属氢化物”或“金属氢化物材料”，或简称为“氢化物”。为了清楚起见，在金属氢化物或金属氢化物材料吸附氢之后，所得的产物在本文中有时被称为氢负载的金属氢化物。如果从上下文可以清楚氢吸附的状态或状况，不用“氢负载的”这个形容词。在氢负载的金属氢化物中，氢分布在金属氢化物的整个金属-晶格结构中。金属氢化物材料通常以粉碎的或其它构造提供，从而最大程度增加与氢接触的表面积。
理想情况下，如果氢气的压力升高到平衡压力以上，则氢气将被吸附到金属氢化物中。吸附是放热的，因为在该过程中将释放热量。如果没有足够的热量从金属氢化物转移以支持稳定温度下的持续氢吸附，则温度将升高到达到新的更高的平衡压力状态并且吸附将停止的程度。另一方面，如果氢气压力降到低于平衡压力，则氢气将从氢负载的金属氢化物材料中释放。解吸是吸热的，因为在该过程中会吸收热量。如果没有足够的热量转移到金属氢化物以支持稳定温度下的持续氢解吸，则温度将降低达到新的较低的平衡压力状态并且解吸将停止的程度。操作使得吸附和解吸的热量可以与储器的环境交换，从而可以保持相对稳定的吸附和解吸压力。
现在参考图5，数据图示出了示例性金属氢化物的压力和温度关系vs.氢含量。该特定图表是商业上销售的的金属氢化物的图表，其具有化学式LaNi4.7Al0.3。据信该产品由Hera USA Inc.(特拉华州公司)出售和发行，联系地址为C/O CorporationSvc.Company,2711Centerville，Road Suite 400威明顿市，特拉华州，19808。H/M，沿x轴的量，是金属氢化物中氢的量，显示为与氢化物可吸附的最大氢量的比率。从数据图可以看出，金属氢化物表现出与温度呈函数关系的压力平台，由此，在给定温度下，大部分氢被储存而仅有极小的压力升高。平台的压力水平随着温度的升高而增加。给定温度的“中点压力”定义为氢化物含有其存储容量的50％(0.50)的压力。中点压力可用作代表值，用于在给定温度下比较不同的氢负载的金属氢化物材料的平台压力。
现在参考图6，曲线图示出了几种选择的市售金属氢化物的中点压力vs.温度的变化。名称Hydralloy.RTM.C5是具有化学式：Ti0.98Zr0.02V0.43Fe0.09Cr0.05Mn1.5的金属氢化物的商标。据信，该产品由GfE Gesellschaft fur Elektrometallurgie mbH Ltd Liab Co，德国，Hofener大街45,8500纽伦堡1德国，AMG Advanced Metallurgical Group N.V.荷兰的子公司出售和发行。图6突出表明这样的事实，所选择的金属氢化物可以一起配对作为高压和低压床，从而在储能JTEC应用中达到最佳性能。
氢释放过程是吸热的。需要热输入以维持解吸过程，相反地，吸附过程是放热的，因为为了保持吸附过程需要排热。这里给出的示例仅用于指导目的，并且不包括详细的物理效应，例如滞后、压力对氢浓度线的斜率或实际平台区域的浓度极限。这种分析也是理想的，因为它不考虑与诸如寄生热损失、传热温度梯度和材料热容量之类的影响相关的实际损失。
参考图7中的线102，TiH2是用于高温储器的合适金属氢化物。参考图7中的线100，TiFe0.5Ni0.25V0.05H2适用于低温储器。从图中可以看出，TiH2在930K(657℃)下的平台压力约为0.29kg/cm2。另一方面，TiFe0.5Ni0.25V0.05H2在320K(47℃)下的平台压力约为0.29kg/cm2。由于两个金属氢化物储器在其各自的温度下基本上处于相同的压力，所以它们将自然地保持压力平衡状态，并且当氢在两者之间自由迁移时基本上不做功。
实际上，对于给定的材料，用于吸附的平衡压力和温度不同于用于有限量解吸的平衡压力和温度。该差异通常被称为材料的滞后性质，并且必须通过适当选择用于储能JTEC的金属氢化物来解决。如所讨论的，氢释放过程是吸热的，因为需要热输入以维持解吸过程，相反地，吸附过程是放热的，因为为了保持吸附过程需要排热。
图8和图9示出了利用金属氢化物来储存氢的构造，其中储存容器彼此热耦合，使得吸附/解吸热18在存储介质之间转移以保持相对稳定的压力比。维持储存容器和其环境中的散热器/源QA之间的热传递27以弥补氢在两者之间循环时储氢材料的各自的吸附/解吸热的差异。
图8和图9所示的能量储存JTEC的操作基本上与图1和图2所示的JTEC相同。参考图8，当由高温MEA堆叠6产生的电力超过维持从低温MEA堆叠5向高温MEA堆叠6供应压缩工作流体所需的电力和向负载52提供的电力时，过量的电力供应给低温MEA堆叠5以压缩过量的工作流体。如箭头42和40所示，剩余的电力通过将额外的工作流体从低压金属氢化物存储器30泵送到高压金属氢化物存储器28而被储存为压缩工作流体。将存储器28中发生的通过放热的吸附过程释放的吸附/解吸热18供应到存储器30以维持在存储器30中发生的吸热的解吸过程。
图9示出了当高温热源不可用时，JTEC向负载52供电的操作。在这种条件下，通过使用低温MEA堆叠5来提取储存在存储器28中的加压工作流体的能量来维持负载52的电力。如箭头40和42所示，现在指示沿相反方向的流动，工作流体离开高压存储器28，流过低温MEA堆叠5，并进入低压存储器30，如箭头42所示。发生在存储器28中的吸热的解吸过程所需的热量18是由发生在在存储器30中的放热的吸附过程提供。当需求超过单独以主要热源运行产生的能量时，或者当主要热源不可用时，通过以这种方式运行，JTEC可以通过提取压缩工作流体的储存能量来满足负载需求。注意，两个床之间的吸附/解吸热量的任何差异可以被提取或驱散到外部源/散热器，如热流27所示。
在另一实施方式中，本发明可以被配置为包括储热能力。参见图10，热存储器36包含高热容材料。在有主要热源38的热量可用的操作期间，可用热量的部分QS被供应到存储器36中的储热介质。未在维持恒温的氢膨胀过程中消耗的供给到高温MEA堆叠6的过量热量37被储存在存储器36中。此外，当由高温MEA堆6产生的电力超过维持从低温MEA堆叠5向MEA6供应压缩工作流体以及向负载52供电所需的电力时，过量的电力被供给到低温MEA堆叠5，以压缩过量的工作流体。如箭头42和40分别所示，剩余的电力通过将额外的工作流体从低压金属氢化物存储器30泵送到高压金属氢化物存储器28而被储存为压缩工作流体。在存储器28中发生的通过放热的吸附过程释放的吸附/解吸热18被供应到存储器30以维持在存储器30中发生的吸热的解吸过程。
图11示出了当高温热源不可用时，转换器向负载52供电的操作。在这种条件下，通过使用高温MEA堆叠6来提取储存在存储器28中的加压工作流体的能量和来自存储器30的高温热量来维持向负载52的供电。随着氢通过高温MEA堆叠6从金属氢化物存储器28膨胀到金属氢化物存储器30，存储器30供应热量以维持高温MEA堆叠6的温度。如箭头40所示，工作流体离开高压存储器28，流过高温MEA堆叠6并进入低温压力存储器30，如箭头42所示。在存储器28中发生的吸热的解吸过程所需的热量18由存储器30中发生的放热的吸附过程提供。当需求超过单独以主要热源运行产生的能量时，或者当主要热源不可用时，通过以这种方式运行，JTEC可以通过提取压缩工作流体的储存能量来满足负载需求。两个床之间的吸附/解吸热量的任何差异可以被提取或驱散到外部源/散热器，如热流27所示。
参考图12，其中示出了储能JTEC的另一个实施方式，其包括两个金属氢化物存储器140和142。当处于或接近环境温度时，金属氢化物存储器142在低压下标称地存储氢。金属氢化物存储器142耦合到JTEC的高温MEA堆叠6和热源138。另一方面，存储器140包含金属氢化物，其在环境温度或接近环境温度时在高压下标称地(nominally)储存氢。金属氢化物存储器140耦合到JTEC的低温MEA堆叠5和散热器136上。两个存储器140、142通过氢流导管146彼此耦合，该氢流导管146包含含有热能储存材料148的回热式热交换器。
该实施方式使得JTEC能够以其标称的连续模式工作，由此将电力输入到低温MEA5以压缩工作流体，并且从高温MEA6中提取电力，同时工作流体膨胀。电力在图12和13中表示为P。在一个实施方式中，金属氢化物热能储存系统的操作使得热源热量输入138将低压存储器142的温度升高到其运行温度，在该温度下其压力超过低温存储器140的压力。这种增加导致高温存储器142释放氢，其使用热量输入138作为解吸潜热的来源。解吸的氢150流到低温存储器140。低温存储器140热耦合到散热器热量输出137，使得随着其吸附氢并释放吸附潜热，其温度保持相对恒定。散热器热量输出137可以是可以用作热源和散热器两者的储热介质、环境空气或其它介质。
当热源热量输入不可用时，该过程相反工作，如图13所示。高温存储器142的温度降低导致其压力降至低于低温存储器140的高压金属氢化物的压力。氢152现在离开低温存储器140，在该过程中提取潜热139，并流到高温存储器142。潜热源热量输入139可以由低温MEA堆叠5提供或从热存储介质、环境空气或能够用作热源和散热器二者的其它介质提取。优选地，潜热139由低温MEA堆叠5提供，从而辅助维持堆叠5处于低温。随着其中的低压金属氢化物吸收氢152并释放潜热时，高温存储器142的温度得以维持。释放的潜热被供应到高温MEA堆叠6。金属氢化物床因此保持高温MEA的升高的温度以维持JTEC的操作，藉此即使当输入138不可用时也能够连续发电。应当理解，JTEC的低温MEA堆叠可以将热量排到散热器136和低温金属氢化物140或者仅仅到散热器136。
图14示出了本发明的一个优选实施方式，其中JTEC用于太阳能转换和储存。该配置使用镜阵列262将太阳能集中到安装在塔260顶部的本发明的优选实施方式上。JTEC的高温MEA堆叠6和热能存储系统的高温段240位于塔上集中器的焦点处。JTEC的低温MEA堆叠5和热能储存系统的低温段242位于远离太阳能阵列的位置。回热式热交换器32和248将JTEC的高和低温部分6和5以及高温段240和低温段242能量存储系统分别彼此耦合。低温段242和MEA5彼此热耦合。它们通过强制对流冷却装置264热耦合到环境。
作为示例，图15示出了根据本发明实施方式的太阳能应用的功能图。在图15中，Whe表示电功率(瓦特，电力)，Wht表示热量(瓦特，热量)，WhR表示太阳辐射(瓦特，热辐射)。高温JTEC MEA堆叠6在750℃下以太阳能热338运行。太阳能由集中器360提供。该实例是用于在80％的卡诺热转换效率下工作的JTEC，在100℃的排热温度下产生了51％的转换效率，假定热传递条件和金属氢化物性质是“理想的”。
图15中的图表中所示的能量平衡水平是基于在10小时内输入的4MW太阳能输入。在4MW的集中太阳能热输入中，2MW被供给到JTEC用于能量转换，2MW被供应到金属氢化物用于热存储。该图显示了在没有金属氢化物滞后的理想传热条件下的操作。如图15所示，在10小时加热期间，太阳能热量输入导致总共40MWhR的热能输入。在太阳辐射期间，JTEC在50％转换效率范围内运行产生总共10MWhe的电能，10MWht被JTEC在低温MEA堆叠5上作为废热排出，如箭头336所示。
在此期间也发生高温金属氢化物存储器240积累20MWh的储存热能作为解吸热。TiH2的吸附/解吸潜热为32.86kWh/千摩尔H2氢。TiH2的摩尔质量相当于49.9kg/千摩尔TiH2TiH2。以每千克计，TiH2的吸附/解吸焓约为658Wht/kg Ti。Ti的密度为4.5g/cm3，导致TiH2的体积热潜容大约为2.96Wht/cm3。假设理想的TiH2具有大约16.4k Wht/kg氢的解吸焓，6.75m3(30,395kg)TiH2将储存20M Wht的热量。通过导管346释放并转移到低温存储器中的氢的量为1219.5kgH2(609.75千摩尔)。
在低温存储器242中，需要57.06kgMH的95.0kg/千摩尔MH的TiFe0.5Ni0.25V0.05H2以吸附从高温存储器240的TiH2释放的609.75千摩尔H2(1219.5千克氢)的氢350。TiFe0.5Ni0.25V0.05H2的密度为4.89g/cm3。因此，存储器242需要11.8m3的低温金属氢化物。当吸收焓为90.9Wht/kgMH时，TiFe0.5Ni0.25V0.05H2释放的热量将为5.26MWht，显著低于高温TiH2存储器吸附的20MWt热量，同时释放氢350。低温存储器242的体积热容量为0.444Wht/cm3(90.9Wht/kg×4.89g/cm3)。除了由JTEC的低温MEA堆叠5释放的10MWht的废热336，低温存储器242释放到环境中5.26MWht的吸附热337。
图16示出了图15所示的本发明实施方式的没有太阳能热量输入的条件下的操作。由于没有太阳能输入并且JTEC的高温MEA堆叠6因继续发电而持续的热消耗，所需的热量由高温存储器240供应。当热量从高温存储器240移除时，其温度理想地略微降低到低于750℃(<750℃)，导致压力下降。当压力降低到低于低温存储器242的压力时，氢350从低温存储器242解吸并通过导管346流入高温存储器240，在该存储器240被吸附，导致存储器240中的金属氢化物释放其潜热。释放的热量被供应给JTEC高温MEA堆叠6。随着继续运行，高温存储器240的温度保持在高水平，因为它最终重新吸附其供应到低温存储器242的所有1219.5kg氢气。在这个过程中，它向JTEC的高温MEA 6释放了20MWht的存储潜热。现在，在略低的热源温度下工作，从而降低了效率，JTEC产生的电力略低于10KWhe。它仍然在低温MEA 5处产生废热输出，尽管略高于10MWht。JTEC低温MEA 5和低温存储器242可以任选彼此热耦合。释放氢气350所需的5.26MWht的解吸潜热可以取自MEA 5的10MWht排出热。
值得注意的是，排出的废热总量为20MWht(即，10MWht+5.26MWht+4.74MWht)，约为太阳能热量输入的50％，并符合JTEC预计约50％的转换效率，假设理想的金属氢化物性质和没有传热损失。
图17和18示出了本发明的替代优选实施方式。在图17-18的实施方式中，氢存储器540和542分别位于低温和高温MEA 5和6处的JTEC本身的氢流通道内。在此构型中，存储器540、542分别完全集成到MEA堆叠5、6中，用于更有效的热耦合。高压导管508在MEA5和6的高压侧之间以及存储器540和542之间耦合氢流，同时低压导管506在MEA 5和6的低压侧以及存储器540和542之间耦合氢流。
参考图17，氢流535将根据热量538(QH，相对于热机消耗的功率量的输入)的大小而变化。如前所述，金属氢化物热能储存系统的运行使得热源热量输入538将低压存储器542的温度升高到其工作温度，在该温度下其压力超过低温存储器540的压力。这种增加导致高温存储器542释放氢，其使用热能输入538作为解吸潜热的来源。解吸的氢535流经导管508到低温贮存器540，在低温存储器540中被吸收，其中吸附热作为低温MEA 5处被排出的热量536的一部分被释放。以下运行条件是可能的：从JTEC提取的电力足够高，从而由存储器542释放的氢(其中存储有热能)将通过MEA 6膨胀，流过导管506到MEA 5，MEA 5将其泵送回存储器540，而不是通过导管508直接传送到存储器。
图18示出了在没有外部高温热输入，QH＝0的条件下的操作。在这种条件下，高温存储器542通过导管508从低温存储器540吸附氢的同时，向高温MEA堆叠6供应热量。低温存储器540在响应于由高温MEA堆叠6产生的电力压缩氢而继续产生热量的同时，从低温MEA堆叠5提取解吸潜热536。当JTEC在这种条件下操作时，在低温MEA 5排出的热量536的量减少到低于当氢被存储器540吸附时排出的量。
本领域技术人员将理解，可以对上述实施方式进行改变而不脱离其广泛的发明构思。因此，应当理解，本发明不限于所公开的特定实施方式，而是旨在覆盖由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的改动。

Claims (20)

1.一种电化学直接热电转换器，包括：
主要热能源；
工作流体；
包括至少一个膜电极组件的电化学电池，所述膜电极组件包括第一多孔电极、第二多孔电极和至少一个膜，其中所述至少一个膜夹在所述第一和第二多孔电极之间，并且是工作流体的离子的导体；
能量存储器；和
外部负载，
其中，所述电化学电池以热量运行以产生电力，其中当从主要热能源可用的热能大于满足外部负载需求所需的热能时，过多的能量存储在能量存储器中，而当从主要热能源可用的热能不足以满足外部负载的需求时，存储在能量存储器中的过多能量的至少一部分用于向外部负载供电。
2.一种电化学直接热电转换器，包括：
工作流体；
至少一个膜电极组件，包括第一多孔电极、第二多孔电极和至少一个膜，所述至少一个膜夹在所述第一和第二多孔电极之间，所述至少一个膜是所述工作流体的离子的导体；
第一导管，含有第一压力下的工作流体，以及第二导管，含有低于第一压力的第二压力下的工作流体，所述第一导管是耦合到第一多孔电极的高压导管，所述第二导管是耦合到第二多孔电极的低压导管；其中随着氢通过所述膜电极组件从所述高压导管向低压导管膨胀，所述转换器产生电力，
耦合到所述至少一个膜电极组件的主要热能源；
外部负载；和
能量存储器，
其中，当从主要热能源可用的热能大于满足外部负载需求所需的热能时，过多的能量存储在能量存储器中，和
当从主要热能源可用的热能不足以满足外部负载的需求时，存储在能量存储器中的过多能量的至少一部分用于向外部负载供电。
3.如权利要求2所述的电化学直接热电转换器，其特征在于，所述能量存储器是热量存储器，所述膜电极组件热耦合到热量存储器并且随着热量从存储器供应到膜电极组件和工作流体膨胀通过膜电极组件而产生电力；
其中当从主要热能源可用的热量大于满足外部负载需求所需的热量时，热量被存储在热量存储器中，和
其中当从主要热能源可用的热量不足以满足外部负载的需求时，存储在热量存储器中的热量的至少一部分用于产生电力以供应到其中的外部负载。
4.如权利要求3所述的电化学直接热电转换器，其特征在于，所述热量存储器存储热能作为从金属氢化物材料的氢解吸的潜热。
5.一种电化学直接热电转换器，包括：
工作流体；
第一膜电极组件，包括高压多孔电极、低压多孔电极和至少一个膜，其中所述至少一个膜夹在所述第一和第二多孔电极之间，并且是所述工作流体的离子的导体；
第一导管，含有第一压力下的工作流体，以及第二导管，含有低于第一压力的第二压力下的工作流体，所述第一导管是耦合到高压多孔电极的高压导管，所述第二导管是耦合到低压多孔电极的低压导管；
耦合到所述高压导管的高压工作流体存储器；
耦合到所述低压导管的低压工作流体存储器；和
控制器；
其中当从第一膜电极组件提取电力时，当工作流体通过膜电极组件从高压向低压膨胀时，电化学转换器产生电能；
其中当通过控制器向第一膜电极组件供应电力时，当压缩的工作流体通过第一膜电极组件从低压向高压压缩时，电化学转换器存储电能。
6.如权利要求5所述的电化学直接热电转换器，其特征在于，所述工作流体是氢，并且所述转换器还包括耦合到高压导管的高压金属氢化物氢存储器和耦合到低压导管的低压金属氢化物氢存储器。
7.如权利要求6所述的电化学直接热电转换器，其特征在于，所述转换器还包含耦合到低压金属氢化物氢存储器的第一热源和第一散热器以及耦合到高压金属氢化物氢存储器的第二热源和第二散热器；
其中所述第一热源在氢通过低(压)金属氢化物存储器解吸期间向低压金属氢化物存储器提供解吸热，所述第一散热器在氢吸附期间去除吸附热；和
所述第二热源在氢通过高压金属氢化物存储器解吸期间，向高压金属氢化物存储器提供解吸热，而第二散热器在氢吸附期间去除吸附热。
8.如权利要求7所述的电化学直接热电转换器，其特征在于，所述转换器还包含耦合到第一膜电极组件的主要热源和主要散热器，其中所述主要散热器从第一膜电极组件去除热量以维持有用的压缩温度；并且其中所述主要热源在氢膨胀期间向膜电极组件提供热量以维持有用的膨胀温度。
9.如权利要求7所述的电化学直接热电转换器，其特征在于，所述转换器还包括第二膜电极组件，所述第二膜电极组件包括高压多孔电极、低压多孔电极和作为工作流体的离子的导体的至少一个膜；其中所述高压导管耦合于第二膜电极组件的高压多孔电极，所述低压导管耦合于第二膜电极组件的低压多孔电极；
其中所述转换器还包括主要散热器和主要热源；其中所述主要散热器耦合到第一膜电极组件并且从第二膜电极组件去除热量以维持相对恒定的压缩温度；所述主要热源耦合到第二膜电极组件并且在氢膨胀期间将热量供应到第二膜电极组件以维持有用的膨胀温度；
其中随着从第二膜电极组件提取电力，在工作流体通过第二膜电极组件从高压向低压膨胀之时，第二膜电极组件产生电能，
和其中当向第一膜电极组件供应电力时，第一膜电极组件将工作流体经第一膜电极组件从低压向高压压缩。
10.如权利要求5所述的电化学直接热电转换器，其特征在于，所述转换器还包括第二膜电极组件，其中所述第二膜电极组件包括高压多孔电极、低压多孔电极和作为工作流体的离子的导体的至少一个膜；其中所述高压导管耦合于第二膜电极组件的高压多孔电极，所述低压导管耦合于第二膜电极组件的低压多孔电极；
其中所述转换器还包括主要散热器和主要热源；其中所述主要散热器耦合到第一膜电极组件并且从第二膜电极组件去除热量以维持有用的压缩温度；其中主要热源耦合到第二膜电极组件并且在氢膨胀期间将热量供应到第二膜电极组件以维持有用的膨胀温度；
其中随着从第二膜电极组件提取电力，在工作流体通过第二膜电极组件从高压向低压膨胀之时，第二膜电极组件产生电能，
和其中当向第一膜电极组件供应电力时，第一膜电极组件将工作流体经第一膜电极组件从低压向高压压缩；
其中所述转换器还包括第一金属氢化物存储器和第二金属氢化物存储器，其中所述第一金属氢化物存储器热耦合于所述主要散热器，所述第二金属氢化物存储器热耦合于主要热源。
11.如权利要求10所述的电化学直接热电转换器，其特征在于，当由于从热源输入热量，所述第一金属氢化物存储器处于升高至高于所述第二金属氢化物存储器的温度的预定温度时，所述第一金属氢化物存储器的氢气压力超过第二金属氢化物存储器的氢气压力。
12.如权利要求11所述的电化学直接热电转换器，其特征在于，将热量输出到散热器，在低于第一金属氢化物存储器的温度下，将第二金属氢化物存储器的氢气压力保持为低于第一金属氢化物存储器的氢气压力。
13.如权利要求12所述的电化学直接热电转换器，其特征在于，在预定的升高的温度下，存储在热能存储器中的热能由第一金属氢化物存储器释放，迁移到较低温度的第二金属氢化物存储器并被其中的金属氢化物材料吸附，其中吸附热被排到散热器。
14.如权利要求13所述的电化学直接热电转换器，其特征在于，当从热源可用的热能不足以满足外部负载的需求，并且第一金属氢化物存储器的温度处于使得第一金属氢化物存储器的氢气压力低于第二金属氢化物存储器的氢气压力的水平时，随着氢气从第二金属氢化物存储器释放、迁移到第一金属氢化物存储器并被其中的金属氢化物材料吸收且其吸附热被排到转换器，热量作为解吸潜热从散热器被提取。
15.一种电化学直接热电转换器，包括：
工作流体；
至少一个膜电极组件，包括第一多孔电极、第二多孔电极和至少一个膜，其中所述至少一个膜是所述工作流体的离子的导体；
第一导管，含有第一压力下的工作流体，以及第二导管，含有低于第一压力的第二压力下的工作流体，其中所述第一导管是耦合到第一多孔电极的高压导管，第二导管是耦合到第二多孔电极的低压导管；以及
用于能量存储的高压工作流体存储器和低压工作流体存储器，
其中所述转换器通过将工作流体从低压工作流体存储器泵送到高压工作流体存储器而将能量存储为加压工作流体，和
其中所述转换器通过将工作流体从高压工作流体存储器膨胀回到低压工作流体存储器而自加压工作流体中提取能量，从而根据需要将存储的能量转换成电能。
16.如权利要求15所述的电化学直接热电转换器，其特征在于，所述工作流体是氢。
17.如权利要求16所述的电化学直接热电转换器，其特征在于，所述高压和低压工作流体存储器包含用于储氢的高压和低压金属氢化物材料。
18.如权利要求17所述的电化学直接热电转换器，其特征在于，所述高压和低压工作流体存储器彼此热耦合。
19.如权利要求17所述的电化学直接热电转换器，其特征在于，还包括：
外部负载；和
第一和第二热能存储器，当从热源可用的热能不足以满足外部负载的需求时，用作产生电力的能量源，
其中第一和第二热存储器中的一个偶联到高压工作流体存储器，第一和第二热存储器中的第二个偶联到低压工作流体存储器，和
其中当所述工作流体被压缩进所述高压和低压工作流体存储器或从所述高压和低压工作流体存储器中膨胀出来时，第一和第二热存储器根据需要储存和释放热能以最大程度减少所述高压和低压工作流体存储器的温度变化；
其中当从主要热能源可用的热能大于满足外部负载需求所需的热能时，过多的能量被储存在这些能量存储器的至少一个中，和
其中当从主要热能源可用的热能不足以满足外部负载的需求时，存储在至少一个能量存储器中的过多能量的至少一部分用于向外部负载供电。
20.如权利要求18所述的电化学直接热电转换器，其特征在于，所述工作流体是氢，其中所述高压工作流体存储器包含用于储氢的高压金属氢化物材料，所述低压工作流体存储器包含用于储氢的低压金属氢化物材料。
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