CN108475752A - 用于直接生成电的电化学系统和热泵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了可用于热机和热泵的电化学系统。该电化学系统包括第一电极组件、第二电极组件、第一电解质和第二电解质。被配置为在第一温度下操作的第一电极组件包括第一电极组和第二电极组。被配置为在不同于第一温度的第二温度下操作的第二电极组件包括第一电极组和第二电极组。第一电解质被配置为在第一电极组件的第一电极组和第二电极组件的第一电极组之间进行循环。第二电解质被配置为在第一电极组件的第二电极组和第二电极组件的第二电极组之间进行循环。

Description

用于直接生成电的电化学系统和热泵
技术领域
本发明涉及可用于从热源直接发电或用于使热量逆着温度梯度移动(即将热量从冷的储存器泵送到热的储存器)而无需机械功的电化学方法、系统和设备。
背景
由热源发电
目前世界上大部分的电力都是由热量产生的，而热量又是由化石燃料(石油、煤炭和天然气)的燃烧、热核反应或较少程度上由地热资源或集中的太阳辐射而产生。这种由热量产生的电力涉及通过热机将热量转换成机械功。热机，诸如燃气轮机、蒸汽轮机、有机循环涡轮机、往复活塞发动机等，是一种通过从高温到低温(降低温度梯度)的热流产生机械功的系统。一旦热电厂或更小型装置的热机产生机械功后，它就通过电磁发电机转换成电能。
燃烧化石燃料来产生热量是昂贵且对环境是有害的。释放涉及人为气候变化的温室气体(如二氧化碳)以及其他污染物(氮氧化物、硫氧化物、颗粒)。石油和天然气是昂贵的燃料，在世界许多地方都很稀缺。煤炭价格较低，但对环境更具破坏性。
热核反应不产生大气排放物；然而，它们具有发生核事故并带来极其严重的灾难性后果的巨大风险。为了防范这种风险，热核厂加入了多种安全特性，这使得它们的建造非常昂贵。
存在具有较低温度的丰富热源：所谓的低等级热(LGH)。例如，许多工业过程产生LGH作为目前未被充分利用的废热。地心是过多的LGH形式的地热能量源。可以通过简单且便宜的吸收收集器来吸收太阳辐射，以生产LGH。虽然这种LGH源以非常低的成本(接近零)生产热量，但它们目前未被充分地用于发电。这种利用不足的原因是由于LGH的低温，系统的卡诺效率非常低，导致非常大的热耗(产生1kWh电力所需的热量)以及相应的非常高的资本成本。通常，与使用高等级热的装置相比，LGH的发电设备需要更大的热流量投资，即加热工作流体所需的设备、发动机/涡轮机以及诸如蒸发塔等的排热设备-以产生单位(kWh)电力。
热泵
当热机逆向操作时，它可将热能从处于低温的储存器移动(或泵送)到处于高温的储存器，即与从温度梯度所预期的热的自然流动相反。在这种模式下操作时，热机被认为是热泵，并且它需要输入机械功(而不是产生机械功)。热泵今天广泛用于制冷设备和空调机组中以冷却建筑物和车辆，并且还越来越多地用于加热。
电化学系统
将化学电势转化为电能的电化学系统(如电池)是人类在电磁发电和/或光电发电时代之前用于产生和利用电能的第一种方式。但是，这些早期装置消耗被转化的材料(主要是金属)，这使得它们非常不经济。
电化学系统通常包括在两个电极处具有相应的电极电势的两个电化学反应(半电池反应)，其中在电极之间存在电动势(电压差)。许多电化学反应的进行具有显著的熵变化，这意味着对于那些电化学反应而言，电极电势受温度的显著影响。一个关于温度如何影响电化学反应的例子可以参见以下文献："The Temperature Coefficients of ElectrodePotentials:The Isothermal and Thermal Coefficients-The Standard Ionic Entropyof Electrochemical Transport of the Hydrogen Ion",deBethune等人,Vol.106,No.7,Journal of the Electrochemical Society,1959年7月(以下简称为“REF 1”)。
热电生成
电的热电生成使用电化学反应，其中电极电势随温度显著变化。理论上，电极电势的温度依赖系数(α)是系统中熵变的函数(REF 1)，其允许直接确定许多半电池反应的α(REF 1)。通常，热电器件由两个电极组成，其中一个放置在高温下，另一个放置在低温下，并且单个电化学反应将在两个电极处的不同速率和平衡电压下进行，由此产生可收获的电压差。这种热电器件的一个例子可参见以下文献："A Review of Power Generation inAqueous Thermogalvanic Cells",Quickenden el al.,J.Electrochem.Soc,Vol.142,No.11,1995年11月。这种传统的热电反应效率较差，因为反应物和产物的质量流消散了所产生的热电势。此外，温热电极和冷电极的隔热-同时保持低电阻的离子电导路径-可能具有挑战性。
最近，已描述了特定的热电固态系统，其可以通过将系统暴露于低温或高温来进行充电和放电。热电固态系统的例子可参见：(1)Lee等人的"An Electrochemical Systemfor Efficiently Harvesting Low-Grade Heat Energy",2014年5月21日公开；(2)美国专利申请，其公开号为US2015/0091150,由Lee等人于2015年4月9日公开,的题目为"Electrochemical System and Methods for Harvesting Heat Energy"；和(3)Yang等人于2014年12月2日公开的"Charging-Free Electrochemical System for HarvestingLow-Grade Thermal Energy"，Vol.111,No.48,PNAS。这些系统使用所选择的使得一个具有负α和一个具有固定的或正α的半电池反应对，从而通过将它们加在一起来实现全电池反应的实质(α)。通过使用离子选择性膜将两个半电池反应区分开来，限制了热电电压的消散。结果，这些系统比具有单一电化学反应的传统热电系统具有更好的效率。此外，该系统不需要电极的热分离，因为整个电池依次暴露于不同的温度以进行充电和放电。
发明概述
本发明的实施方案提供了一种电极组件，其包括第一电极组，其被配置为与第一循环电解质接触，第一电极组包括可渗透至第一循环电解质或与第一循环电解质接触的第一电极；第二电极组，其被配置为与第二循环电解质接触，第二电极组包括可渗透至第二循环电解质或与第二循环电解质接触的第二电极；和在第一电极组和第二电极组之间的隔板，该隔板被配置为将第一循环电解质与第二循环电解质分离并维持第一电极和第二电极之间的离子传导性。
本发明的一些实施方案提供了一种电化学系统，其包括被配置为在第一温度下操作的第一电极组件，第一电极组件包括第一电极组和第二电极组；被配置为在不同于第一温度的第二温度下操作的第二电极组件，第二电极组件包括第一电极组和第二电极组；第一电解质，其被配置为在第一电极组件的第一电极组和第二电极组件的第一电极组之间进行循环；以及第二电解质，其被配置为在第一电极组件的第二电极组和第二电极组件的第二电极组之间进行循环。
本发明的实施方案还提供了一种电化学系统，其包括被配置为在第一温度下操作的第一电极组件，第一电极组件包括用于第一电解质的第一电极组和用于第二电解质的第二电极组；被配置为在不同于第一温度的第二温度下操作的第二电极组件，第二电极组件包括用于第一电解质的第一电极组和用于第二电解质的第二电极组；以及储存第一电解质的第一储存罐或储存第二电解质的第二储存罐中的至少一个。
本发明避开了将热量转换成机械功的需求，提供直接来自热源的发电，且无需任何移动部件或热机。
而且，本发明适用于来自LGH的发电。
本发明描述了包含半电池反应对的系统，其中反应物和产物是可溶的，并且在至少两对电极或电极组件之间进行再循环。其使得可以高的热力学效率连续操作，易于分离热和冷侧，且不需要它们之间的离子传导性。此外，本发明描述了用于分离半电池反应的反应物的新方法和具有之前未描述的电化学电势的温度系数的新的半电池反应。
此外，本发明描述了在两个或更多个不同温度之间操作的电化学系统，并且该电化学系统可用于：(1)直接从来自高温的热流收集电力，且不需要产生机械功(热机操作)，或(2)直接将热量从低温泵送到高温，且不需要机械功输入(热泵操作)。
选择电解质和电化学物质，使得全电池电化学势具有大于1mV/℃的显著温度系数。当电解质在电极组件之间循环时，热量分别被添加到电解质中或从电解质排出。此外，在某些实施方案中，热量通过与冷电解质的热交换而从热电解质被回收。
此外，本发明提供了在其中电极电势受pH影响的情况下，通过引入温度敏感性的pH控制来有效改变一个或两个半电池的pH从而影响电极电势的方法和组合物。通过在两个不同的温度下操作，电极电势的这种变化还改善了从电化学电池进行发电的能力。
前面相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可以更好地理解本发明随后的详细描述。下文中将描述本发明的其他特征和优点。本领域技术人员应该理解，所公开的概念和具体实施方案可以容易地用作修改或设计用于实现与本发明相同目的的其他结构或工艺的基础，且不偏离如所附权利要求中所述的本发明的精神和范围。
附图简要说明
在以下附图和描述中阐述本公开的一个或多个实施方案的细节。本公开的其他特征和优点将从说明书、附图和权利要求中变得显而易见。贯穿各种视图和说明性实施方案，相似的附图标记用于表示相同的元件。现在将详细参考所示出的附图来说明示例性实施方案。
图1是根据本发明的一些实施方案的电化学系统的框图。
图2A是根据本发明的一些实施方案的以与热机类似地进行操作的电化学系统的示意图。
图2B是根据本发明的一些实施方案的以与热泵类似地进行操作的电化学系统的示意图。
图3A是根据本发明的一些实施方案的图1所示的电化学系统中的电极组件的电极对的分解图。
图3B是根据本发明的一些实施方案的适用于图1所示的电化学系统中的电极组件的局部分解图。
图4A和4B分别是根据本发明的一些实施方案的适用于图1中所示的电化学系统的第一电极组件和第二电极组件的示意性剖视图，其中示意性地示出了通过电极组件的电解质流动和相应的电极性。
图5是根据本发明的一些实施方案的电化学系统的透视图，其中将电极组件与格栅集成，以促进通过沿与电流正交的方向流动的传热流体来促进热交换。
图6A和6B是根据本发明的一些实施方案的具有电解质储存的电化学系统的示意图。
图7A和图7B是示出根据本发明的一些实施方案的Fe(SCN)n 3-n/FeSCN+半电池(正极)和Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-半电池(负极)的电势对于温度的依赖性的图。
图8A和图8B是示出根据本发明的一些实施方案的在酸性电解质中的Cu(I)/Cu(II)半电池(正极)和Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-半电池(负极)的电势对于温度的依赖性的图。
图9是示出根据本发明的一些实施方案的在酸性电解质中的Cu(I)/Cu(II)||Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-全电池的电势对于温度的依赖性的图，其中该全电池在具有新型隔板的电化学系统中随着时间被加热到80℃。
图10是示出根据本发明的一些实施方案的在碱性电解质中使用Cu2+/Cu+对的半电池的电势对于温度的依赖性的图。
发明详述
为了使该公开能够被理解，在下面的描述中提供了详细的步骤和结构。显然，本公开的实施不限于本领域技术人员已知的特定细节。此外，没有详细描述已知的结构和步骤，以免不必要地限制本公开。以下将详细描述本公开的优选实施方案。然而，除了详细描述之外，本公开还可以广泛用于其他实施方案中。本公开的范围不限于详细描述，并且由权利要求所限定。
电化学系统
图1是根据本发明的一些实施方案的电化学系统1000的框图。参考图1，电化学系统1000包括第一电极组件1、第二电极组件2、热交换装置5、第一热处理装置7和第二热处理装置6。电化学系统1000被配置为经由热交换装置5、第二热处理装置6和第一热处理装置7使第一电解质31和第二电解质32在第一电极组件1和第二电极组件2之间循环。在本实施方案中，如通过未折叠箭头所示，第一电解质31从第一电极组件1经由热交换装置5和第二热处理装置6流向第二电极组件2，然后从第二电极组件2经由热交换装置5和第一热处理装置7返回第一电极组件1。类似地，如粗箭头所示，第二电解质32从第一电极组件1经由热交换装置5和第二热处理装置6流向第二电极组件2，然后从第二电极组件2通过热交换装置5和第一热处理装置7返回第一电极组件1。实际上，第一电解质31和第二电解质32在电化学系统1000中在第一电极组件1和第二电极组件2之间进行再循环。
第一电极组件1包括第一电极组11和第二电极组12，其将参照例如图3A和3B进行详细描述。在一个实施方案中，第一电极组件1被配置为在第一温度下进行操作。
第二电极组件2与第一电极组件1基本相同或相似。类似地，第二电极组件2包括第一电极组21和第二电极组22。第二电极组件2被配置为在低于第一温度的第二温度下进行操作。为方便起见，在本公开中，第一温度和第二温度分别被称为高温和低温。然而，在其他实施方案中，第一温度可以低于第二温度。
布置在第一电极组件1与第二电极组件2之间的热交换装置5被配置为在处于第一温度和第二温度之间的温度范围下进行操作。为方便起见，在本公开中将温度范围称为中间温度。此外，热交换装置5包括第一热交换器51和第二热交换器52。在一个实施方案中，第一热交换器51和第二热交换器52中的每一个均包括由诸如金属、石墨或其他碳基材料的导热材料或导电复合材料制成的板式热交换器。第一热交换器51被配置为在来自高温下的第一电极组件1的第一电极组11的第一电解质31和来自低温下的第二电极组件2的第一电极组21的第一电解质31之间进行传热。类似地，第二热交换器52被配置为在来自高温下的第一电极组件1的第二电极组12的第二电解质32和来自低温下的第二电极组件2的第二电极组22的第二电解质32之间进行传热。
布置在第一电极组件1与热交换装置5之间的第一热处理装置7被配置为在高温下进行操作。此外，第一热处理装置7包括第一热处理器71和第二热处理器72。
设置在热交换装置5和第二电极组件2之间的第二热处理装置6被配置为在低温下进行操作。此外，第二热处理装置6包括第一热处理器61和第二热处理器62。
在一个实施方案中，电化学系统1000用作热机，从热流直接发电。在这种情况下，热源(未示出)向在高温下操作的第一热处理装置7中的电解质提供热量。此外，第一热处理装置7被配置为吸收热量，并且第一热处理器71和第二热处理器72中的每一个可以包括诸如板式热交换器的热交换器。与之不同，第二热处理装置6被配置为排热，第一热处理装置61和第二热处理装置62的每一个也可以包括诸如板式热交换器的热交换器。或者，使用蒸汽源(未示出)通过向第一热处理装置7中的电解质注入蒸汽(例如低质量蒸汽)来提供热量。在这种情况下，第一热处理装置7的第一热处理器71和第二热处理器72中的每一个都可以包括文丘里混合器，而第一热处理器61和第二热处理器62中的每一个都可以包括蒸发冷却器。在电化学系统1000中产生的电能可通过用作电负载的电力装置8收集，无需转换机械功。
在另一个实施方案中，电化学系统1000用作热泵，将热量从低温泵送至高温。在这种情况下，热源(未示出)向在低温下操作的第二热处理装置6中的电解质提供热量。此外，第二热处理装置6被配置为吸收热量，并且第一热处理器61和第二热处理器62中的每一个都可以包括诸如板式热交换器的热交换器。与之不同，第一热处理装置7被配置为排热，并且第一热处理器71和第二热处理器72的每一个也可以包括诸如板式热交换器的热交换器。或者，蒸汽源(未示出)可以用作热源以通过注入蒸汽(例如低质量蒸汽)来向第二热处理装置6中的电解质提供热量。在这种情况下，第二热处理装置6的第一热处理器61和第二热处理器62中的每一个都可以包括文丘里混合器，而第一热处理器71和第二热处理器72中的每一个都可以包括蒸发冷却器。现在用作电源的电力装置8用于向电化学系统1000提供电力，无需转换机械功。
在电化学系统1000中，第一电解质31和第二电解质32中的每一个都由经历Oi+ze-→Ri型电化学反应的可溶性电化学物质组成，其中O和R分别是电解质i的被氧化和还原的物质，使得半电池和全电池反应定义如下：
在第一电极组件1：
O1+ze-→R1(用于第一电解质31的半电池反应)
R2→O2+ze-(用于第二电解质32的半电池反应)
O1+R2→O2+R1(全电池反应)
在第二电极组件2：
R1→O1+ze-(用于第一电解质31的半电池反应)
O2+ze-→R2(用于第二电解质32的半电池反应)
O2+R1→O1+R2(全电池反应)
可以看出，在电极组件对处，全电池反应是可逆的：第一电极组件1处的产物是第二电极组件2处的反应物，使得整个系统包括连续的电化学循环。选择电化学物质，使得全电池反应具有显著的电池电压的温度系数，这意味着在该电极组件对处，系统的熵变化存在显著差异。在一个实施方案中，温度系数为大约每摄氏度一(1)毫伏(mv/℃)或更高。通过在不同温度下操作，不同电极组件处的反应将随着熵的增加或减少而进行，并且因此将吸收热量或排出热量。
电化学系统1000可以作为电化学热机，从热源产生电力；或者用作直接的电化学热泵，这取决于在哪个电极处发生哪种反应，如将参考图2A和图2B所进一步讨论的。
像热机一样操作的电化学系统
图2A是根据本发明的一些实施方案的像热机一样操作的电化学系统1001的示意图。参考图2A，电化学系统1001类似于参考图1进行描述和说明的电化学系统1000，不同之处在于例如热源9被配置为向在高温区域下的第一热处理装置7的第一热处理器71和第二热处理器72提供热量。由于电化学系统1001用于发电，因此在即将到达高温第一电极组件1之前，向电解质添加来自热源的热量。此外，第一电极组件1和第二电极组件2分别经由第一电连接器1a和第二电连接器2a与电负载81串联电连接。在操作中，在高温第一电极组件1处的反应随着熵的增加(吸热)而进行，而在低温第二电极组件处的反应随着熵的减小(散热)而进行。结果，在第一电极组件1和第二电极组件2之间建立了电压差。此外，电能可以通过电负载81收集。在该模式中，电化学系统1001作为热机进行操作，直接从热流产生电力，无需转换为机械功。
像热泵一样操作的电化学系统
图2B是根据本发明的一些实施方案的像热泵一样操作的电化学系统1002的示意图。参考图2B，电化学系统1002类似于参考图1进行描述和说明的电化学系统1000，不同之处在于例如热源9被配置为向在低温区域下的第二热处理装置6的第一热处理器61和第二热处理器62提供热量。由于电化学系统1002用于逆着温度梯度泵送热量，因此在即将到达低温第二电极组件2之前，从电解质中排出热量。此外，第一电极组件1和第二电极组件2分别经由第一电连接器1a和第二电连接器2a与电源82串联电连接。在操作中，在高温第一电极组件1处的反应随着熵的减小(散热)而进行，且在低温第二电极组件2处的反应随着熵的增加(吸热)而进行。因此，需要将电能提供给系统以使该循环继续操作。在该模式中，电化学系统1002用作热泵，以逆着温度梯度来泵送热量。此外，电化学系统1002需要直接来自电源82的电力输入，以便在没有任何机械功输入的情况下进行热量泵送。
电极组和包含电极组的电极组件
图3A是根据本发明的一些实施方案的图1所示的电化学系统1000中的第一电极组件1中的电极对的分解图。由于第一电极组件1和第二电极组件2在结构上基本相同，为了简洁起见，仅详细描述第一电极组件1。参考图3A，第一电极组件1包括第一电极组11、第二电极组12、在第一电极组11和第二电极组12之间的隔板100、以及一对端板107。将隔板100(将进一步讨论)配置为将第一电极组11中的第一电解质31与第二电极组12中的第二电解质32分离，同时保持第一电极组11和第二电极组12之间的离子传导性。由于第一电极组11和第二电极组12相对于隔板100对称地布置，为了简洁起见，仅讨论第一电极组11。
第一电极组11包括电极102、歧管103和双极板105。此外，在隔板100与歧管103之间设置有由惰性材料制成的垫片101，且在双极板105与歧管103之间配置有另一垫片104。当由一对端板107进行组装时，垫片101和104促进了第一电极组11和第二电极组12的接合。端板107包括诸如酚醛树脂的绝缘材料。
在一个实施方案中，电极102由碳组成。碳纤维布或毛毡或其他多孔碳结构适用于电极102，因为它们为第一和第二电解质31、32提供了通过它们的流动路径，并且将电活性物质良好地运送到电极表面，同时保持良好的电子传导性。使用碳电极且具有循环电解质的碳电极的实例可参见：(1)"Redox Flow Batteries:A Review",Weber等人,J.Appl.Electrochem.,2011年9月2日公开；和(2)"A Comparative Study of Carbon Feltand Activated Carbon Based Electrodes for Sodium Polysulfide/Bromine RedoxFlow Battery"Zhou等人,2006年5月24公开。碳的优点在于它是廉价且丰富的材料，呈化学惰性，并且其导电性不受温度的不利影响。然而，取决于各种技术和经济考虑，本发明不限于使用碳作为电极材料。也可以使用其他具有合适电化学性能的导电材料，例如镍、铁或泡沫铜和铜丝网。
歧管103包括用于第一电解质31的流动的入口103a、出口103b和内部通道103c。此外，歧管103设计有窗口(未编号)以容纳电极102。类似地，在第二电极组12中，歧管103包括用于第二电解质32的流动的入口103a、出口103b和内部通道103c。
双极板105对于第一电解质31是不可渗透的。类似地，在第二电极组12中，双极板105对于第二电解质31是不可渗透的。在一个实施方案中，双极板105由石墨或石墨箔、碳涂覆的铝或其他合适的导电材料制成。此外，在本实施方案中，双极板105包括连接端子106a以促进电能的收集(如果电化学系统1000用作热机)或电压的施加(如果电化学系统1000用作热泵)。
参考图3A描述和说明的实施方案提供由单个电极对(第一电极组11和第二电极组12)组成的电极组件。尽管结构简单，但是第一电极组件1和第二电极组件2使得电化学系统1000能够在不转换为机械功的情况下收集电能，或者通过施加电力直接逆着温度梯度泵送热量，且无需机械功的输入。尽管图3A中的电极组件采用单个电极对，但是也可以串联连接几对电极。图3B是根据本发明的一些实施方案的适用于图1所示的电化学系统1000中的电极组件40的部分分解图。参考图3B，电极组件40包括八对电极，每对具有第一电极组411和第二电极组412，如分解图所示。第一电极组411和第二电极组412分别与图3A所示的第一电极组11和第二电极组12类似，不同之处在于连接端子106a设置在端部双极板106处。这些电极对借助绝缘杆108和螺母109由端板107组装。在电极组件40中，电极对通过双极板105、106彼此电连接。此外，双极板105与相邻电极对的两个电极电接触。
图4A和4B分别是根据本发明的一些实施方案的适用于图1所示的电化学系统1000的第一电极组件41和第二电极组件42的示意性剖视图，其中示意性地示出了电解质通过电极组件的流动和相应的电极性。与参考图3B描述和说明的电极组件40类似，第一电极组件41和第二电极组件42也具有多个电极对。具有多个电极对的电极组件允许施加更高的电压或者允许在其端子106a处收集比单个电极对可能获得的更多的能量。
电解质
电化学系统1000中的电解质31、32为液体形式并且包含溶剂、支撑离子和在电极102处经历可逆的还原/氧化反应的电化学物质。在一个实施方案中，溶剂是液态水；然而，除了水之外，还可以加入其他液体溶剂或用其完全替代水，其他溶剂如醇(乙醇、甲醇、丁醇、乙二醇)；酮(丙酮、MIPK)；胺；腈等。
本文描述的使用液体电解质作为电化学系统的操作中电能输出/输入与热量输入/输出之间的直接连接-在其分别作为非机械热机或热泵的操作中-具有明显的更容易传热的优点。一般而言，液体是最有效的传热物质。与仅允许通过传导进行热量流动的固体不同，液体可以具有导热和对流传热机制二者。气态物质也允许热对流；然而，由于它们的低密度，它们的固有导热率非常低。因此，通过诸如板式热交换器等已经建立的机构和设备，可以容易地将热量从液体电解质中加入或排出。
使用液体电解质和在液体溶液中发生的电化学反应具有的另一个明显优点是，两个反应的产物和反应物容易通过循环泵在热区段和冷区段之间进行传输。
与水基电解质相关的一个问题是它们的高热容量，这意味着与吸热电化学反应中所消耗的热量相比，仅将电解质加热到高温就消耗了显著量的热量。然而，这种温度升高的热量可以被有效地回收，如下面进一步讨论的。
选择用于半电池反应的电化学物质，使得它们的电极电势以使全电池反应具有1mV/℃或更高的温度依赖系数的方式而随温度变化。在这方面，选择具有与其电极电势的温度系数相反的半电池反应是有用的，使得一个具有显著的负(α)，而另一个具有显著的正(α)。以这种方式，由于全电池反应由一个氧化性半电池反应和一个还原性半电池反应组成，所以半电池反应(α)相对于全电池反应的α是累加的。
具有高的负(α)的电化学半电池反应的例子是铁的六氰基络合物的还原/氧化：
具有高的负(α)的半电池反应的另一个例子是氢醌氧化形成醌及其衍生物如磺化的苯醌/氢醌，反之亦然。这些半电池反应的一个例子可以参见："Experimental andTheoretical Studies Redox Reactions of o-Chloranil in Aqueous Solution",Zare等人,J.Phys.Chem.B 2009。这些有机化合物具有良好的电化学性质，正在用于电化学系统如氧化还原液流电池。电池的实例可以参见：(1)"An Inexpensive Aqueous Flow Batteryfor Large-Scale Electrical Energy Storage Based on Water-Soluble OrganicRedox Couples",Yang等人,Journal of the Electrochemical Society,2014；和(2)"Novel Organic Redox Flow Batteries Using Soluble Quinonoid Compounds asPositive Materials",Xu等人,IEEE,2009。与金属离子相反，这些有机化合物的一个限制是其在非常高的温度下有限的稳定性。因此，它们在本发明的电化学系统中的使用被限制在低于约70℃的温度。
具有高的正(α)的反应的实例分别是较高价态的铁(III)和铜(II)离子到较低的铁(II)和铜(I)的还原(和各自的氧化)：
然而，这两种电化学反应都具有特殊性，在设计本发明的电化学系统时需要考虑这些特性。关于使用Fe3+离子，在升高的温度下有利于下列络合反应：
Fe3+→Fe(3-n)+(OH)n,
Fe3+→Fe(3-n)+Cl n
Fe(3-n)+(OH)n和Fe(3-n)+Cln络合物质的氧化势实际上低于Fe3+离子，使得高的正(α)被抵減，并且在某些情况下通过形成络合物而被逆转。因此，为了利用Fe3+/Fe2+对的优点，电化学系统设计为在高酸性介质中，具有非络合的反离子如高氯酸根ClO4 -，这可能造成额外的限制。
Cu+/Cu2+对的使用受到Cu+离子不稳定性的严重限制。然而，发现氯离子、铵离子和pH的特定组合-导致在溶液中以络合物形式存在的具有高的溶解度和稳定性的Cu+离子-保持了Cu(I)/Cu(II)对的显著高的正α。已知Cu+离子具有比Cu2+更强的与NH3和C1-形成络合物的亲和力，如可参见"Electrochemical Study of Binary and Ternary Copper Complexin Ammonia-Chloride Medium",Vazquez-Arenas等人,Electrochimica Acta,2007年6月(以下称为"REF 2")。通过仔细考虑氯离子、铵离子浓度和pH值，本领域技术人员可以设计一种系统，其中主要的Cu+物质是可溶的CuCl2 -和Cu(NH3)Cl。在这种情况下，pH的作用是影响氨和铵离子之间的平衡使得相应地存在或多或少的NH3以用于络合。
在铵和氯离子存在下，在本发明的电化学系统中使用Cu+/Cu2+对可以分成两种一般条件：(i)在小于约4的酸性pH下，其中Cu(II)离子主要是未络合的Cu2+；和(ii)在约8.5至10.5的碱性pH下，其中Cu(II)离子主要以Cu(NH3)4 2+和Cu(NH3)5 2+(REF 2)的络合物形式存在。
在酸性环境中，添加硫酸根离子(SO4 2-)抑制不溶性Cu(II)氢氧化物的沉淀至pH4，因此它们包含在电解质中。这些条件下的相关电化学反应可能是以下类型：
其中类似地，n＝1、2或3且m＝0或1。
此外，发现这些反应具有非常显著的正(α)。
在碱性环境中，相关的电化学反应可能是以下类型：
其中类似地，k＝4或5。
发现这些反应具有强烈的正(α)。
在设计使用Cu(I)络合物的系统时，必须注意到这些络合物对大气氧气的氧化非常敏感，因此必须注意使系统与环境中的氧气隔离。
在根据本发明的一些实施方案中，具有相对高的正(α)的电化学反应是在高浓度的硫氰酸根离子(SCN-)存在下的Fe3+/Fe2+的还原/氧化。本领域已知，Fe3+离子与SCN-形成Fe(III)(SCN)n 3-n类型的络合物。在超过2M的SCN浓度和超过6:1的SCN-与(Fe3++Fe2+)的比率下，据信n＝5或6，如可以参见：(1)"Leaching of Gold in Thiocyanate Solutions",Barbosa-Filho等人；和(2)"Study of Stoichiometry of Ferric Thiocyanate Complexfor Analytical Purposes Including F--Determination",Najib等人,volume 42,135-155,Iraqi National Journal of Chemistry,2011。另一方面，即使在高的SCN浓度下，Fe2+离子也只形成FeSCN+络合物。因此，我们认为，在超过2M的SCN浓度和超过6:1的SCN-与(Fe3++Fe2+)的比率下相关电化学反应为：
n＝5或6
并且发现，这个反应具有显著的正α。
本领域已经报道，硫氰酸根离子易于氧化，所以当设计使用Fe(III)/Fe(II)硫氰酸盐络合物的体系时，必须注意排除与大气氧的接触。
自修复隔板
使用两种液体电解质的电化学系统需要隔板以保持电活性物质与相应的电极分离，同时确保良好的离子传导性以完成电路并保持电解质中的电中性。取决于电活性物质的性质，将使用相应的选择性渗透膜。例如，如果电活性物质带负电，则要使用阳离子交换膜，例如Nafion。如果电活性物质是带正电的金属离子，则使用相应的阴离子选择性膜。
已经为氧化还原液流电池和电渗析领域开发了大量的这种电化学隔板，并且存在许多合适的隔板，其具有专门定制的特性以阻挡某些化学品，同时保持其他离子传导性。用于氧化还原液流电池的隔板的实例描述于以下文献："Review-Membranes for Redox FlowBattery Applications",Prifti等人,2012年6月19日公开。
尽管如此，电化学膜隔板通常昂贵并且其选择性通常是有限的。在根据本发明的一些实施方案中，提供自修复膜隔板，其在与第一电解质31和第二电极32中的一个反应时形成不溶性材料。例如，自修复隔板适用于使用铜离子、铁离子或镍离子的电化学系统，尤其是当反半电池反应(counter half-cell reaction)涉及Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-对时。该隔板基于这样的事实：某些铁离子、镍离子或铜离子与Fe(CN)6 3-和Fe(CN)6 4-反应形成不溶性的六氰基铁酸盐，其具有对于特别某些其他单价离子：铵离子(NH4 +)、钾离子(K+)为高度可渗透的和对于钠离子(Na+)或锂离子(Li+)是较低可渗透程度的立方晶体结构。
因此，当本发明的电化学系统在第一电解质31中采用Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-半电池反应，在第二电解质32中采用Cu(I)/Cu(II)或Fe(II)/Fe(III)对并且包括存在合适的如上所述的配体(分别是NH3/Cl-或SCN-)时，在两种电解质31和32之间将形成不溶性的六氰基铁酸盐，其将是自我修复的，这意味着无论允许Fe(CN)6或铜/铁离子渗漏的孔隙或缺陷存在于隔板的何处，其将通过这些离子反应形成不溶性的六氰基铁酸盐而被瞬时填充(修复)，从而阻止进一步的渗漏。由于其电化学惰性离子如NH4 +和K+的高渗透性，这种六氰基铁酸盐仍然保持离子传导性。
在一些实施方案中，电化学隔板在没有任何特定的选择性渗透性质的多孔载体(例如常规膜)(例如由尼龙、聚醚磺酸盐、聚酯酸纤维素、玻璃纤维等制成的膜)上预先形成，其成本比电化学系统中使用的选择性渗透膜，如Nafion低好几个数量级。例如，将尼龙膜用K4Fe(CN)6溶液预先浸泡或浸渍，然后用Fe(III)Cl3溶液浸泡或喷雾以形成不溶性的六氰基铁酸铁普鲁士蓝(Fe(III)4[Fe(II)(CN)6]3)。然后将隔板用水冲洗并干燥，随后用于电化学系统中。
或者，即使未在电化学系统中使用Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-对，也可以使用相同的原理来制备隔板。在这样的实施方案中，用K4Fe(CN)6、K3Fe(CN)6或其组合来浸泡或浸渍常规、便宜的非选择性渗透膜，并且将其置于两个前述段落所述的预先形成的六氰基铁酸盐隔板之间。中间的K4Fe(CN)6、K3Fe(CN)6或其组合用作任何铁离子、铜离子或镍离子的捕获缓冲液，防止它们跨越到相反的电解质。
当使用在实施方案中描述的自修复六氰基铁酸盐隔板时，必须考虑到六氰基铁酸盐本身是电化学活性的并且可以发生氧化/还原反应。因此，在设计电化学系统时必须注意，要充分地从六氰基铁酸盐发生氧化/还原的电势上去除六氰基铁酸盐隔板两侧的氧化还原电势。例如，如果电势相对于SHE低约0.2V，六氰基铁酸铁普鲁士蓝将被还原为普鲁士白(Fe(II)4[Fe(II)(CN)6]3)，并且如果电势高于约0.8V，其将被氧化为柏林绿(Fe(III)4[Fe(III)(CN)6]3)。在Cl-和NH3、Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-存在下的Cu(I)/Cu(II)、和在SCN-存在下的Fe(II)/Fe(III)的半反应都可用于0.35-0.6V的窗口中，从而避免隔板的显著还原/氧化。
对于某些半电池反应，电极电势取决于电解质的pH值。此外，如果电解质的pH值取决于温度，那么电极电势将间接地也取决于温度。
有两种类型的半电池反应取决于pH：(i)电化学反应涉及质子的消耗或释放；以及(ii)金属离子络合物的形成依赖于pH。
与传热功能集成的电极组件
图5是根据本发明的一些实施方案的电化学系统1003的透视图，其中电极组件与格栅集成以促进通过在与电流成正交的方向上流动的传热流体的流动来进行热交换。电化学系统1003类似于参考图1描述和说明的电化学系统1000，不同之处在于，例如一个或多个电极组件与传热功能集成。参考图5，示例性电极组件58与热交换器110a集成以吸收和排出热量。在一个实施方案中，热交换器110a包括连接到电极组件58的双极板105的导热和导电的格栅。这种格栅电连接两个双极板105，使得电极组件58中的电极串联连接。同时，它们具有开口110b和110a，传热流体可以沿横向于双极板105之间的电流的方向(如黑箭头所示)的方向流过开口110b和110a。传热流体可以是气体或液体，并且用于输入热量或排出热量。
在一些实施方案中，电极组件通过格栅与传热功能的集成用于热泵模式。它被方便地用于分体式空调。例如，具有集成的传热格栅的高温电极组件被置于外侧以排出热量，而具有集成的传热格栅的低温电极组件被置于内侧以吸收热量。液体电解质在外侧和内侧单元之间循环，而风扇以类似于传统空调的方式将空气吹过格栅开口以分别除去热量(在外侧单元处)并从内侧单元吸收热量。
上述传热格栅可以由各种导热和导电材料例如铝、铜、碳制成。格栅也可以由导热和导电复合材料例如浸渍有碳纤维或颗粒的聚合物制成。
储存罐
图6A和6B是根据本发明的一些实施方案的具有电解质储存的电化学系统1004的示意图。参考图6A，电化学系统1004类似于参考图1描述和说明的电化学系统1000，不同之处在于，例如提供了储存罐13、14、15和16。储存罐13、15被配置为储存第一电解质31，储存罐14、16被配置为储存第二电解质31。此外，用于第一和第二电解质31、32的储存罐13、14分别被置于第一电极组件1和第二热处理装置6之间，而用于第一和第二电解质31、32的储存罐15、16分别被置于第二电极组件2和第一热处理装置7之间。利用储存罐13至16，第一电解质31或第二电解质32不是全部被再循环，并且其一部分或全部储存在储存罐13至16中，以备后用。这种操作的一个优点是电化学系统1004可以用于电力的生成和存储，这取决于电力需求和/或供热的时间变化。
在一个实施方案中，在峰值电力需求期间，电解质31和32可以分别从储存罐15和16被供给到高温电极组件1中，然后被引导到储存罐13和14，而没有电化学反应产物的低温再生。相反地，参考图6B，在电力需求低的夜间，电解质31、32可以从储存罐13、14再生并再次储存在储存罐15、16中。
在一些实施方案中，经历高需求和低可用性的冷却剂的热电厂操作员可以将来自Rankine循环涡轮机的底部的低压蒸汽流朝向在带有储存罐的热机模式下操作的电化学系统1004转移。通过吸热进行的高温电化学反应提供了来自低压蒸汽的直接发电，并且热量被储存在罐13、14中的反应产物吸收。因此，由于电解质31、32充当主动的热吸收物，所以不需要冷却。在夜间，当电力需求较低并且温度通常较低时，电解质31、32被再生并且热量在较冷的周围环境中被排出。
由于以下两个原因，前面段落中描述的这种操作是特别有利的：(i)由于没有机械功的直接转换并且由于储存罐13、14中的电解质31、32中所存储的过量的电化学能量，操作员可以在蒸汽焓的峰值需求期间收集比从Rankine循环的底部通常预期的更多的电量；和(ii)它们可以使用电解质31、32作为主动的冷却剂。后一点在炎热的时期非常重要，因为空调对电力的需求很高，而冷却剂的可用性很低。
液体电解质特别是水基液体电解质可以具有高的热容，这意味着当电解质在冷和热的电极组件之间再循环时，仅为了提高电解质的温度而消耗了大量热量。然后，当电解质的温度再次降低以完成循环时，这种热量可以至少部分被回收。由于液体电解质具有良好的传热性能，因此可以在诸如板式热交换器的热交换器中有效地进行热量回收。
用于电化学系统1004的这种回热式热交换的新型方法包括用于回热式热交换器中的板的蒸汽可渗透的导热复合材料的使用。通常，板式热交换器具有金属制成的板，该金属板是导热的，但对于交换热量的液体和气体是不可渗透的，从而不发生热交换物质的混合。使用允许溶剂蒸汽通过电化学系统1004的材料是有利的，因为(i)回热式热交换涉及相同电解质在不同温度下的流；和(ii)电解质中的电化学物质是非挥发性的并保留在它们各自的电解质中，而只有热流中的溶剂通过板蒸发到冷流中，因此不需要通过非渗透板使流保持分离。在热交换器中使用蒸汽可渗透板允许显著更高效的热交换，其得到暖流的蒸发式冷却和冷流中的冷凝加热的协助。
具有良好的蒸汽可渗透性的材料包括但不限于来自聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚苯醚类的聚合物。由用碳纳米颗粒浸渍的这些聚合物制成的复合材料允许通过导热复合材料的传统热传导和通过材料的蒸汽渗透性的蒸发式热交换二者进行高效的热交换。
实施例1：在存在高浓度的硫氰酸盐时建立Fe3+/Fe2+对的温度系数
使用一对尺寸为2×2cm且厚度为3.2mm的碳毡电极来制备电化学装置。碳毡电极在其每一侧背衬石墨箔层，并连接到源测量单元(SMU)进行电测量。通过浸泡在2M KCl中的Nafion膜隔板隔开两个电极。
将电极浸入1.3毫升下列电解质中：(1)电解质1：0.15M Fe(ClO4)3+0.15M Fe(ClO4)2+2M KSCN+1.25M NaSCN；和(2)电解质2：0.15M K4Fe(CN)6+0.15M K3Fe(CN)6+1M KCl+1.25M NaCl。
将银条作为参比电极插入电解质2中，不接触电极。
当将电化学装置首先冷却至20℃，然后加热至95℃，然后再次冷却至环境温度时，测量开路电势。由于两种电解质的相应电活性物质的氧化和还原形式的浓度比为1:1，所以相对于银电极的测量电势是相应的半电池反应的形式电势。
图7A和图7B是示出Fe(SCN)n 3-n/FeSCN+半电池(正极)和Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-半电池(负极)的电势对于温度的依赖性的图。图7A示出了电势轨迹，图7B示出了温度轨迹。
在图7A中，更正的电压对应于Fe(SCN)n 3-n/FeSCN+||Ag/AgCl电池，而更负的电压对应于Fe(SCN)6 3-/Fe(CN)6 4-||Ag/AgCl电池。
在图7B中，取三个温度传感器的读数：T+和T-连接到电化学装置的两侧，而Tenv是水浴的温度。
值得注意的是，Ag/AgCl半电池电势具有约0.25mV/℃的正(α)，因此这些原始轨迹低估了Fe(SCN)n 3-n/FeSCN+对的正值(α)且高估了Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-半电池的负值(α)。
从图7A和7B，可以估计Fe(SCN)n 3-n/FeSCN+对的未调整值约为0.42mV/℃，并且通过调整Ag/AgCl电极的文献值0.25mV/℃，我们获得0.67mV/℃。这对于Fe(SCN)n 3-n/FeSCN+氧化还原对来说是一个显著的(α)。
从图7A和图7B还可以估计出，全电池Fe(SCN)n 3-n/FeSCN+||Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-的(α)为约1.94mV/℃，这对于由廉价的基于铁的商品盐组成的电化学系统而言是一个相对高的值，并且其允许经济的直接的电力或热泵的生成。
实施例2：在酸性电解质中建立Cu2+/Cu+对的温度系数
使用一对尺寸为2×2cm且厚度为3.2mm的碳毡电极来制备电化学装置。碳毡电极在其每一侧背衬石墨箔层，并连接到源测量单元(SMU)进行电测量。通过浸泡在CuSO4中的Nafion膜隔开两个电极。
将电极浸入1.3毫升下列电解质中：(1)电解质1:0.2M K4Fe(CN)6+0.2M K3Fe(CN)6+0.5M KCl；和(2)电解质2:0.2M CuCl+0.2M CuSO4+0.5M(NH4)2SO4+0.3M KCl(pH 3.01)。
将银条作为参比电极插入电解质1中，不接触电极。
当将电化学装置加热至85℃，然后再次冷却至环境温度时，测量开路电势。由于两种电解质的相应电活性物质的氧化和还原形式的浓度比为1:1，所以相对于银电极的测量电势是相应的半电池反应的形式电势。电解质2中可能的电化学反应是然而，由于未测定Cu+络合物的精确的化学计量学，为了简便起见，将其表示为Cu(I)/Cu(II)。
图8A和图8B是示出根据本发明的一些实施方案的在酸性电解质中的Cu(I)/Cu(II)半电池(正极)和Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-半电池(负极)的电势对于温度的依赖性的图。图8A示出了电势轨迹，图8B示出了温度轨迹。
在图8A中，更正的电压对应于Cu(I)/Cu(II)||Ag/AgCl电池，而更负的电压对应于Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-||Ag/AgCl电池。
在图8B中，取三个温度传感器的读数：T+和T-连接到电化学装置的两侧，而Tenv是水浴的温度。
值得注意的是，Ag/AgCl半电池电势具有约0.25mV/℃的正(α)，因此这些原始轨迹低估了Cu(I)/Cu(II)对的正值(α)且高估了Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-半电池的负值(α)。
从图8A和8B，可以估计Cu(I)/Cu(II)对的最大未调整值在75℃下为约1.10mV/℃。通过调整Ag/AgCl电极的文献值0.25mV/℃，获得1.35mV/℃。这对于在液体电解质中的Cu(I)/Cu(II)氧化还原对(其中Cu(I)以高度水溶性的络合物存在)来说是相对高的(α)。
该实例中使用的隔板是阳离子交换膜Nafion，其对Cu2+离子是可渗透的。然而，由于隔板另一侧上的电解质含有亚铁氰酸盐和铁氰酸盐，所以Cu2+离子的通过导致形成不可渗透的六氰基铁酸铜层，其能够保持Cu(I)/Cu(II)||Ag/AgCl电池的热生成电压，直到至少温度达到75℃。高于75℃的热电压的降解的原因未知。
从图8A和图8B还可以估计出，全电池Cu(I)/Cu(II)||Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-在至高75℃的温度下的(α)为约2.55mV/℃，这对于尤其由廉价的基于铁和基于铜的商品盐组成的电化学系统而言是一个非常高的值，并且其允许经济的直接的电力或热泵的生成。
实施例3：在酸性电解质中具有新型的六氰基铁酸盐隔板基于Cu(I)/Cu(II)||Fe (CN)6 3-/Fe(CN)6 4-电化学的电化学系统
使用一对尺寸为2×2cm且厚度为3.2mm的碳毡电极来制备电化学装置。碳毡电极在其每一侧背衬石墨箔层，并连接到源测量单元(SMU)进行电测量。
通过以下三层隔板分隔电极：
1号隔板被命名为KDI-Blue，并且通过以下制备：(i)将尼龙膜(孔径：0.45μm)置于60℃，pH 4的1M K3Fe(CN)6中30分钟；然后(ii)取出经浸泡的尼龙膜，吸干多余的溶液并干燥；然后(iii)将干燥的膜再浸泡在90℃ 1M FeCl2中30分钟；和(iv)用去离子水洗涤。
2号隔板被命名为KDI-Yellow，并且通过以下制备：将尼龙膜(孔径：0.45μm)置于60℃，pH 4的1M K3Fe(CN)6中30分钟；然后吸干多余的溶液并干燥。该层用作缓冲物以捕获移动通过KDI-Blue层的Cu2+离子。
3号隔板是如上所述制备的KDI-Blue的另一层。
将电极浸入1.3毫升下列电解质中：(1)电解质1：0.6M K4Fe(CN)6+0.5M(NH4)2SO4(pH 4.02)(100％还原的Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-对)；和(2)电解质2:0.6M CuSO4+2M KCl+0.5M(NH4)2SO4(pH 4.07)(100％氧化的Cu(I)/Cu(II)对)。
电化学装置保持短路，直到达到两个半电池之间的平衡并且电极之间的电压接近0V。此时，将电化学装置加热到80℃，并记录全电池电压，如图9所示。图9是根据本发明的一些实施方案的在酸性电解质中的Cu(I)/Cu(II)||Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-全电池的电势对温度的依赖性的图，其中该全电池在具有新型隔板的电化学系统中随时间加热至80℃。从图9中可以看出，全电池Cu(I)/Cu(II)||Fe(CN)6 3-/Fe(CN)6 4-的热系数为大约2.85mV/℃，这对于尤其由廉价的基于铁和基于铜的商品盐组成的电化学系统而言是一个非常高的值，其允许经济的直接的电力或热泵的生成。
实施例4：建立碱性电解质中Cu2+/Cu+对的温度系数
在5mL小瓶中制备以下电解质：
0.3M CuCl+0.3M CuSO4+4M NH4Cl(pH 9.5)
将铂丝电极和饱和甘汞电极(SCE)浸入小瓶中并记录电压。由于电解质的相应电活性物质的氧化和还原形式(分别为Cu(II)和Cu(I))的浓度比为1:1，所以相对于SCE的测量电势是Cu(II)/Cu(I)半电池反应的形式电势。
在9.5的pH和4M的NH4+和Cl-离子浓度下，在下列络合物之间发生的可能电化学反应为：
其中类似地，k＝4或5。
将小瓶加热然后冷却并记录电压以估计电极形式电势的温度系数。由于实验是在开放的小瓶中进行，由于氧气使Cu(I)氧化成Cu(II)，所以电势会持续增加。然而，仍然可以通过将每增加1摄氏度的温度变化与瞬时电压变化进行平均来估计α值。基于此，温度系数估计为0.70mV/℃，如图10所示。图10是示出根据本发明的一些实施方案的在碱性电解质中使用Cu2+/Cu+对的半电池的电势对温度的依赖性的图。值得注意的是，SCE具有约0.21mV/℃的正(α)。通过调整SCE温度系数，获得0.91mV/℃Cu(II)/Cu(I)对在碱性介质中的α。
实施例5：来自低等级热源的发电
构建了用于直接发电的电化学系统，其包括串联连接的第一电极组件1和第二电极组件2。选自上述实施例1至4的液体电解质31和32在电极组件1和2之间进行再循环。如图2A和2B所示，电解质31、32的流动在第一电极组件1和第二电极组件2处具有相反的极性。因此，发生在第一电极组件1处的电化学反应在第二电极组件2处被完全反转。此外，第一电极组件1在高温下操作并且第二电极组件2在低温下操作。由于所选择的电化学反应的电极电势的温度系数，在第一电极组件1的正极端子和第二电极组件2的负极端子之间产生电压，该电压通过电负载81进行收集。
在即将进入第一电极组件1之前，将热量从热源9经由热交换器71和72添加至电解质31、32。在离开第一电极组件1时，“用过的”电解质仍然是温热的，因此它们的热量被朝着热交换器51和52中即将到来的“新鲜”电解质流而被回收。在即将进入第二电极组件2之前，“用过的”电解质通过热交换器61和62将热量排放到周围环境中而被进一步冷却。“用过的”电解质在第二电极组件2处于“低温”时进行再生，并且完成该循环。
尽管已经相对于一个或多个实施方式示出和描述了本公开，但是基于对本说明书和附图的阅读和理解，本领域技术人员将想到等同的修改和变型。本公开包括所有这些修改和变型，并且仅受限于所附权利要求书的范围。

Claims (23)

1.一种电极组件，其至少包括：
第一电极组，其被配置为使第一电解质循环，所述第一电极组包括可渗透至所述第一电解质或与所述第一电解质接触的第一电极；
第二电极组，其被配置为使第二电解质循环，所述第二电极组包括可渗透至所述第二电解质或与所述第二电解质接触的第二电极；和
在所述第一电极组和所述第二电极组之间的隔板，所述隔板被配置为形成不溶性材料以促进对于电活性物质在所述第一电解质和所述第二电解质之间转移的阻塞，同时保持在所述第一电极和所述第二电极之间的离子传导性。
2.根据权利要求1所述的电极组件，其还包括一对双极板，其中所述第一电极和所述第二电极被设置在所述一对双极板之间并与所述一对双极板串联电耦合。
3.根据权利要求2所述的电极组件，其还包括以串联连接的多个电极组和双极板。
4.根据权利要求2所述的电极组件，其中所述双极板中的一个与热交换器集成。
5.根据权利要求2所述的电极组件，其中所述热交换器包括导热且导电的格栅。
6.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述隔板被配置为在与所述第一电解质和所述第二电解质中的一个进行反应时形成不溶性的六氰基铁酸盐。
7.根据权利要求6所述的电极组件，其中所述隔板包括设置有不溶性的六氰基铁酸铁普鲁士蓝(Fe(III)4[Fe(II)(CN)6]3)的非选择性渗透膜。
8.根据权利要求6所述的电极组件，其中所述隔板包括第一非选择性渗透膜、第二非选择性渗透膜以及位于所述第一非选择性渗透膜和所述第二非选择性渗透膜之间的缓冲膜。
9.根据权利要求1所述的电极组件，其中所述第一电极组被配置为执行具有第一温度依赖系数(α)的半电池反应，并且所述第二电极组被配置为执行具有第二α的半电池反应，所述第一α和所述第二α彼此相反。
10.根据权利要求9所述的电极组件，其中全电池电势具有不小于1mV/℃的温度依赖系数。
11.一种电化学系统，其包括：
被配置为在第一温度下操作的第一电极组件，所述第一电极组件包括第一电极组和第二电极组；
被配置为在不同于所述第一温度的第二温度下操作的第二电极组件，所述第二电极组件包括第一电极组和第二电极组；
第一电解质，其被配置为在所述第一电极组件的所述第一电极组和所述第二电极组件的所述第一电极组之间进行循环；和
第二电解质，其被配置为在所述第一电极组件的第二电极组和所述第二电极组件的所述第二电极组之间进行循环。
12.根据权利要求11所述的电化学系统，其还包括位于所述第一电极组件与所述第二电极组件之间的热交换装置，所述热交换装置被配置为在所述第一温度和所述第二温度之间的温度范围内进行操作。
13.根据权利要求11所述的电化学系统，其还包括被配置为在所述第一温度下操作的第一热处理装置和被配置为在所述第二温度下操作的第二热处理装置。
14.根据权利要求13所述的电化学系统，其中所述第一温度高于所述第二温度，并且其中所述第一热处理装置被配置为吸收来自热源的热量。
15.根据权利要求13所述的电化学系统，其中所述第一温度高于所述第二温度，并且其中所述第一热处理装置被配置为排出热量。
16.根据权利要求11所述的电化学系统，其中所述第一电解质包括由铁的六氰基络合物组成的物质，并且所述第二电解质包括由Cu(I)/Cu(II)对或Fe(II)/Fe(III)对组成的物质。
17.根据权利要求16所述的电化学系统，其中所述第二电解质包括由所述Cu(I)/Cu(II)对和选自SO4 2-或NH3/Cl-的配体组成的物质。
18.根据权利要求16所述的电化学系统，其中所述第二电解质包括由Fe(II)/Fe(III)对和选自SCN-的配体组成的物质。
19.一种电化学系统，其包括：
被配置为在第一温度下操作的第一电极组件，所述第一电极组件包括用于第一电解质的第一电极组和用于第二电解质的第二电极组；
被配置为在不同于所述第一温度的第二温度下操作的第二电极组件，所述第二电极组件包括用于所述第一电解质的第一电极组和用于所述第二电解质的第二电极组；和
储存所述第一电解质的第一储存罐或储存所述第二电解质的第二储存罐中的至少一个。
20.根据权利要求19所述的电化学系统，其还包括第一热处理装置，所述第一热处理装置被配置为在所述第一温度下进行操作并吸收来自热源的热量。
21.根据权利要求20所述的电化学系统，其还包括第三储存罐和第四储存罐中的至少一个，所述第三储存罐通过所述第一处理装置将储存的第一电解质提供至所述第一电极组件，所述第四储存罐通过所述第一处理装置将储存的第二电解质提供至所述第一电极组件。
22.根据权利要求19所述的电化学系统，其还包括被配置为在所述第二温度下进行操作并排出热量的第二热处理装置。
23.根据权利要求22所述的电化学系统，其中所述第一储存罐中的至少一个通过所述第二处理装置向所述第二电极组件提供储存的第一电解质，或者所述第二储存罐中的至少一个通过所述第二处理装置向所述第二电极组件提供储存的第二电解质。
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