混合金属空气系统和方法
【专利摘要】一种混合系统，用于通过金属空气电池生产电力并且用于利用在金属空气电池操作期间释放的氢气生产以电力、机械动力或热能形式的能源。所述混合电能系统包括至少一个金属空气电池和至少一个氢转化单元。
【专利说明】
混合金属气系统和方法
【背景技术】
[0001 ]在现有技术中已知铝空气电池。由于电池中铝阳极的腐蚀，这样的铝空气电池效率遭到损耗。铝空气电池中的寄生腐蚀的另一个缺点是来自在电池的操作期间以气体形式释放的氢(H)的量的危害。这一过程消耗铝而不放出电能，并且由于释放出的氢气造成潜在的危害。不生产电时，不期望的铝阳极的消耗较高，生产电时，不期望的铝阳极的消耗较低。
[0002]当空气中释放的氢气的相对量低或当空气中释放的氢气的相对量高且接近或等于100 %时，释放的氢气爆炸的危害通常低。在这两种混合气体的范围中，空气中氢气的混合远远低于其燃烧点。在剩下的混合气体范围中，混合气体高度可燃并且可爆炸。
[0003]将库仑效率定义为这二者之间的比率:消耗并用来生产电力的铝的量和消耗的铝的总量(包括腐蚀的量)。
[0004]需要提高铝阳极的利用率并降低来自在铝空气电池操作期间释放的氢气的危害。
【发明内容】
[0005]公开了一种混合电能系统，所述混合系统包括至少一个金属空气电池，用于生产电力，所述至少一个金属空气电池在生产期间释放氢气；以及至少一个氢能转化电池，用于消耗至少一部分释放的氢气。所述氢能转化电池可包括燃烧反应堆，根据本发明的一些实施方式，所述燃烧反应堆可以是内燃机或可包括燃料电池。
【附图说明】
[0006]具体指出并明显地在本说明书的总结部分请求保护称作本发明的本主题。但是，可在阅读下面的附图时参照下文的具体描述最好地理解就组织和操作方法而言的本发明及其目标、特征和优点，附图如下:
[0007]图1为根据本发明的一些实施方式构建并操作的示例性混合电能系统的示意性方框图；以及
[0008]图2为根据本发明的一些实施方式为混合金属空气系统选择参数的方法的流程图。
[0009]将理解的是，出于说明的简化和清晰，图中示出的元件不一定按比例绘出。例如，出于清晰，一些元件的尺寸可能相对于其他元件夸大。进一步地，在合适的地方，可在附图中重复参考标号，以表明对应的或类似的元件。
【具体实施方式】
[0010]在下面的具体描述中，为了提供对本发明的全面理解，陈述许多具体的细节。但是，本领域的技术人员将理解的是，可在没有这些具体细节的情况下实施本发明。在其他实例中，没有详细描述已知的方法、过程和组件，以便不会使本发明晦涩不清。为了使能源(energy，能量)损失最小化并且另外为了降低利用金属空气电池的系统中的能源单元的生产成本，例如可使用除了金属空气电池以外的其他设备利用包含在释放的氢气中的潜在能源，从而提尚系统的总体能源效率、总体成本效率或两者效率都提尚，并且提尚系统的安全性。
[0011]参照图1，图1为根据本发明的一些实施方式构建并操作的混合电能系统10的示意性方框图。混合系统1包括至少一个金属空气电池20，例如一个(或多个)铝空气电池;至少一个氢能转化单元30，以消耗由金属空气电池20生产的氢气的至少一部分。混合系统10可选择地包括能源混合器/管理器单元40，以接收由系统20和30生产的能源并且在其输出口19提供能源。混合系统10可选择地包括加压器60，以对在电池20中生产的氢气加压。混合系统10可进一步包括能源控制单元50，该单元可至少与金属空气电池20和氢转化单元30有效通信，并且可进一步与能源混合器/管理器单元40通信，以便控制并管理混合系统10的能源生产并且使加压器60控制从电池20传输至单元30的氢气压力。
[0012]在一些实施方式中，金属空气电池(例如，铝空气电池、镁空气电池，锌空气电池、硅空气电池、锂空气电池等)20可在操作期间生产电力，所述电力被提供在例如出口 16(El)处。然而，金属空气电池20通常由于腐蚀而在阳极处不期望地损耗总消耗铝的1%-20%。因此，金属空气电池20可在电力生产期间生产并释放氢气，而不生产电力。根据本发明的一些实施方式，在典型的铝空气系统中释放的氢气，例如从金属空气电池20流出到导管17中的氢气，可至少部分被氢转化单元30消耗以生产能源。氢转化单元30可以是任何可由氢气提供能源的能源转化设备，诸如氢燃料电池或任何其他用氢气可操作的足够的能源转化系统，以便生产将提供至出口 18(E2)处的额外的电力，或者例如为两冲程燃烧发动机提供能源，以生产机械能，或者燃烧氢气来生产热能等能源。混合器/管理器单元40可混合、整合或者一般而言管理由金属空气电池20生产的能源和由氢能转化单元30生产的能源，以通过混合系统10提供能源。在一个示例性实施方式中，当单元30是生产电力的燃料电池时，混合器40可并行混合来自电池20和单元30的电力。在另一个示例性实施方式中，当单元30是燃烧发动机时，混合器40可将由金属空气电池生产的电力提供至电力消耗者，并且将由燃烧发动机生产的机械能提供至机械能消耗者。可替代地，混合器40可将机械能转化为电能(例如使用发电机)并且可进一步并行提供这两种电能。
[0013]在一些实施方式中，系统10可进一步包括加压器单元60，用于对金属空气电池20生产的氢气加压。加压器60可将电池20中生产的氢气的压力增加到单元30要求的水平。加压器60可包括压缩器和阀门，所述阀门用于调节从金属空气电池20至氢转化单元30的氢气供应。加压器60可连接至定压池(header tank)(没有示出)，该定压池充当生成的氢气的缓冲区。这可允许生成使用氢能转化单元30中的氢气的正确条件。
[0014]如图1所见，根据本发明的一些实施方式，能源可以是提供至金属空气电池20的铝，例如作为一大部分，直到铝完全耗尽，如箭头12所示。混合系统10可进一步提供有来自周围空气中的氧或者富氧的空气，这是金属空气电池20和氢转化单元30所要求的。
[0015]在一些实施方式中，氢能转化单元30可消耗大致所有由金属空气电池20生产所释放的氢气，从而将空气中释放的氢气的浓度降低到氢气爆炸点以下，也就是低于4体积百分比的氢气。可选择或设计氢单元30使其可以以所计算的将从给定的金属空气电池20释放出的氢气的量来操作，期望在任何给定的操作时间或任何给定的工作点的释放的氢气的全部范围内可适当操作，因此确保在金属空气电池20操作的整个范围内的可操作性。对于给定数目的金属空气电池，可选择相应数目的氢能转化电池30，以允许由实际上从诸如金属空气电池20的金属空气电池中释放的氢气的量提供燃料的氢转化单元(诸如氢转化单元30)的广泛的可操作范围。在一些实施方式中，氢能转化电池30可适于将释放的氢气转化为可消耗的能量。可采用氢能转化电池30生产以下形式能源中至少一种形式:电能、热能和机械能。例如，氢能转化电池30可以是生产电力的氢燃料电池、生产机械能或热能的燃烧反应堆(例如氢气燃烧发动机)和/或任何其他氢气可操作能源转化设备。
[0016]在金属空气电池阵列的操作期间释放的氢气的量(也就是铝空气电池的反库仑效率(columbic inefficiency))取决于各种参数，诸如消耗的电流大小、电池的温度等。可根据本发明的一些实施方式调节金属空气电池的操作参数的选择、氢能转化单元的类型和容量(capacity)及其操作参数的选择，以便得到可获得的最高能源效率，也就是理论上在金属空气电池中消耗的铝中可获得的能源(energy)中产生的能源的最大量Εο。将要注意的是，根据本发明的一些实施方式操作能源系统以获得最高能源效率可导致这样的操作情况，这些操作情况提供可获得的最高能源效率但导致非常高的能源成本。例如，在第一能源单元中，使用纯度为99.999%的铝AL(5N)可提供额外5%的能源效率，但其成本是纯度为99.99%的铝AL(4N)生产成本的两倍，这是由于使用纯度较低的铝会形成较大量的腐蚀和较大量的氢气的释放。
[0017]铝空气电池通常在0.9-1.3伏特的电压下操作。对于给定的温度，增加电流吸入(current draw)会降低电池电压并增加腐蚀，而减少电流吸入会增加电压并增加腐蚀。在给定时刻的总金属空气电池效率由以下等式给出:
[0018](Deff1=(库仑效率)X (电池电压/2.71)
[0019]其中，2.71是铝空气电池的理论电压(对于除了铝之外的其他金属，可使用不同的理论电压)。当使用氢燃料电池消耗从铝空气电池释放的氢气时，总混合电能系统效率由以下等式给出:
[0020](2)#5=(库仑效率0(电池电压/2.71) + (1-库仑效率)\(氢转化单元效率)
[0021]因此，增加氢转化单元可意味着以更低的有效条件(例如更高的电压、更多的腐蚀)运行诸如铝空气电池的金属空气电池并采用额外的氢气，从而使得总混合电能系统效率增加。控制器，诸如控制单元50，例如可通过控制/改变金属空气电池的吸入电流或温度，计算总混合电能瞬时效率并相应地改变金属空气电池的操作参数。操作参数中的一些可以由控制器50控制。在一些实施方式中，可控制参数可包括以下参数中至少一个参数:吸入的电流、金属空气电池中电解质的温度以及混合电能系统总电压。在一些实施方式中，控制单元50可通过例如控制加压器60控制传输至氢能转化单元的氢气的压力。
[0022]一些操作参数可不由控制单元50控制，例如，包括在金属空气电池中的金属电极纯度。例如，金属空气电池20可消耗具有小于99.999%纯度的金属电极，例如纯度为99.0 % -99.99 %的铝，而由于合理利用生产的氢气，混合电能系统的效率将会很高。
[0023]在一些实施方式中，包括在系统10中至少一个金属空气电池20和至少一个氢能转化电池30的操作参数可以使得金属空气电池效率小于预定的最佳效率，而混合电能系统效率高于预定的最佳效率。所述预定的最佳效率可定义为金属空气电池在最佳情况下运行时计算出的金属空气电池的效率(例如，在给定条件下金属空气电池可能的最高效率)。当使用高纯度金属阳极(例如至少99.999%的铝)、最佳电压和/或最佳温度操作金属空气电池从而使得由于腐蚀和氢气生产造成的能源损耗尽可能地低时，可计算最佳效率(例如能源效率)。寻找最佳参数以操作金属空气电池获得可能的最高效率的方法在本领域已知。在非最佳低效率的条件下操作金属空气电池将导致电力的低生产量和不期望的氢的高生产量。本发明的实施方式涉及有意在非最佳低效率的条件下操作包括在系统10中的金属空气电池20，以具有$父尚的混合电能系统10效率。混合电能系统效率可尚于预定的最佳效率(为金属空气电池计算的效率)。
[0024]在一个实例中，以纯度为99.999%的铝操作的金属空气电池具有95%的库仑效率和I伏特的电池电压。同样的金属空气可以65%的库仑效率和1.4伏特的电池电压操作。在第一种情况下，金属空气电池能源效率为?35%，而在第二种情况下，金属空气电池能源效率为?34%。因此，以第一组操作参数操作铝空气电池效率更高，并且可将预定的最佳能源效率设置为?35 %。然而，当金属空气电池包括在混合电能系统中，例如系统1中时，由于腐蚀造成的50%的能源损耗可在氢转化单元中被恢复。因此，第一种情况下的混合电能系统能源效率为?38%，在第二种情况下为?51%。因此，在次最佳情况下操作金属空气电池是有益的，也就是为了提高混合电能系统的整体性能并且为了获得与仅仅使用金属空气电池相比更高的混合电能效率，设置操作参数使能源效率小于预定的最佳参数?35% (例如?34%)。因此，控制器50可控制金属空气电池20的操作，使其在1.4伏特的电压下工作，以获得?51 %的混合电能效率。
[0025]根据本发明的其他实施方式，可选择金属空气电池的操作点和操作参数并选择氢能转化单元及其操作条件，以便低价(也就是成本效率)获得最高能源转化率。在一些实施方式中，至少一个金属空气电池的操作参数和至少一个氢能转化电池的操作参数可以使金属空气电池的成本效率小于预定的最佳成本效率，而混合系统的成本效率高于预定的最佳效率。这意味着优先考虑的将是在系统的输出口(Eo)生产一个能源单元的总成本。
[0026]如给出的等式(3)所示，当金属空气电池以最优情况(最优操作参数)操作以给出每单位能源最佳价格时，可计算金属空气电池20的预定的最佳成本效率。成本效率越高，生产的能源的价格越低。例如，当使用高纯度金属和高库仑效率操作金属空气电池时，可计算预定的最佳成本效率。本发明的实施方式涉及为了具有较高的混合电能系统10的成本效率，有意在非最优低效率的条件下操作包括在系统10中的金属空气电池20，意味着以非最优低效率的条件操作金属空气电池20时的混合系统10中能源生产的总价格低于以最佳效率参数操作金属空气电池20时的仅金属空气电池20中能源生产的价格。如上文说明的，在这个定义之下，可在金属空气电池中使用纯度较低的铝，例如纯度为99.9%的铝(3N)，或者甚至是纯度为99%的铝(2N)，这可导致在金属空气电池中生产相对大量的氢气。生产的氢可用于在氢转化单元生产电能或机械能，同时具有相对较低的铝成本，这样生产一个能源单位的总成本将低于使用高纯度的铝所用成本。
[0027]成本效率可定义为:
[0028](3皮€;^。^=1/每单位能源成本(例如，千瓦时/美元)
[0029]例如，铝空气电池可使用诸如5N的高纯度铝(纯度为99.999%的铝)并获得等同于从电池中汲取的电力的0.5%-3%的氢释放速率(hydrogenevolut1n rate)。用便宜90%的2N铝代替5N铝会将氢生成增加至等同于从电池中汲取的电力的10%-35%，因此会引起能源损耗、安全危害和可能的错误操作。因此，以5N招电极操作的铝空气电池的成本效率是以2 N铝电极操作的电池的4倍。在混合系统中，在氢能转化器中使用氢气，以便恢复至少30%-50%的能源，同时消耗氢气并减少氢气释放的安全危害。包括以2N铝电极操作的金属空气电池的混合电能系统的总成本效率可比以5N铝电极操作的铝空气电池的成本效率高至少一倍。因此，通过将高纯度铝替换为低纯度铝，能源生产成本可降低2/3到9/10。
[0030]在一些实施方式中，控制单元50可进一步被配置为基于储存在与控制单元50关联的存储器中的历史数据，选择操作参数。例如，可每天/每周/每月/每年在存储器中储存历史操作参数、对应的计算效率和/或能源消耗模式，并且控制单元50可进一步使用这些储存的数据，以便选择导致混合系统10的最佳总效率(例如能源效率或成本效率)的操作参数。控制器50可基于历史数据选择可控制或不可控制的参数。例如，为了基于过去收集到的数据提高成本效率，控制器50可发送推荐给用户，将金属空气电池中的金属电极替换为低纯度的金属。用户可在与控制单元50关联的显示器上接收该推荐。例如，所述显示器可以是车辆多媒体系统中的显示屏或者与用户关联的移动设备，该设备可与控制单元50远程(例如无线)通信。在又一个实例中，为了基于过去收集到的数据提高混合系统10的能源效率，控制单元50可改变电池20中的温度和/或供应给单元30的氢气压力(例如使用加压器60)。
[0031]参照图2，其实根据本发明一些实施方式的操作混合电能系统的方法的流程图。在方框210，所述方法可包括为包括在混合电能系统(例如系统1)中的金属空气电池(例如电池20)选择第一组操作参数。在一些实施方式中，可选择操作金属空气电池的参数，使得可低效地操作金属空气电池。例如，可选择操作参数，使得在金属阳极腐蚀期间可生产过量的氢气而不生产电力。这样的条件可将金属空气电池的能源效率和/或成本效率降低到预定的最佳能源效率或最佳成本效率之下。可将最佳能源效率定义为在根据等式I计算的给定条件下给定的电池可能的最高能源效率。可将给定的电池的最佳成本效率定义为给定的电池的每一给定单位价格生产的能源的最大的量(例如千瓦时/美元)。
[0032]在一个实施方式中，第一组操作参数可包括金属空气电池的金属阳极的纯度，例如，金属空气电池20可被组装(或被包括)有具有纯度为99.999%的金属的金属阳极，从而使得金属空气电池的成本效率可低于预定的成本效率。在另一个实施方式中，第一组操作参数可包括在金属空气电池中包括的电解质的温度，例如，可将电解质的温度设置为70°C到85°C之间。在又一个实施方式中，第一组操作参数可包括金属空气电池的电压，例如1.4伏特。这样的参数可使金属空气电池低效操作。
[0033]在一些实施方式中，虽然可选择第一组操作参数，使得金属空气电池的效率低于预定的最佳效率，然而，混合电能系统的总效率高于预定的最佳效率。由于至少一部分生产的氢气(例如至少65%)在能源转化单元(例如单元30)中被转化成能源，所以金属空气电池和能源转化单元二者的总效率(例如能源效率或成本效率)高于预定的最佳效率。
[0034]在方框220，所述方法可包括为包括在混合电能系统中的氢能转化单元(例如电池30)选择第二组操作参数。第二组可包括将氢能转化电池选择为以下设备的至少一种:氢燃料电池和燃烧反应堆。在一些实施方式中，第二组可进一步包括氢能转化电池更详细的操作条件。例如，第二组可包括氢气被提供至氢能转化电池时的压力(例如通过加压器60)、氢气的燃烧速率、燃烧室的尺寸和类型、流入转化单元的空气或氧气的速率和压力、单元的工作温度。
[0035]根据本发明的一些实施方式，如上文所述的由于释放氢气引起的危害问题在根据本发明的实施方式建造和操作的能源系统(无论是针对可获得的最佳能源效率还是针对可获得的最佳成本效率计划和操作的系统)中得以解决。在第一能源单元释放的氢气可被消耗并可在第二能源单元中转化为能源，同时将氢的量降低到安全水平。可通过防漏工具将第一和第二能源单元互相连接，确保没有氢气从所述系统中释放，从而在第一能源单元的处理中释放的所有氢气都在第二能源单元被消耗(也就是燃烧或化学反应)，不管有没有增加混合系统总的能源。
[0036]虽然在本文中已经说明并描述了本发明特定的特征，本领域的技术人员可对本发明做出许多修改、替代、改变和等同的实施方式。因此，应该理解的是，所附权利要求旨在覆盖所有这样的在本发明的真实精神范围内的修改和改变。
【主权项】
1.一种混合电能系统，包括: 至少一个金属空气电池，用于生产电力，所述至少一个金属空气电池在所述生产期间释放氢气；以及 至少一个氢能转化单元，用于消耗至少一部分所释放的氢气。2.根据权利要求1所述的混合电能系统，其中，所述至少一个氢能转化单元将所述释放的氢气转化为可消耗的电力。3.根据权利要求2所述的混合电能系统，其中，所述至少一个氢能转化单元包括燃烧反应堆。4.根据权利要求2所述的混合电能系统，其中，所述至少一个氢能转化单元包括氢燃料电池。5.根据权利要求3所述的混合电能系统，其中，所述燃烧反应堆是内燃机。6.根据前面任一项权利要求所述的混合电能系统，进一步包括控制单元，所述控制单元被配置为: 控制所述至少一个金属空气电池和所述至少一个氢能转化电池的可控制参数。7.根据权利要求6所述的混合电能系统，其中，所述可控制参数包括以下参数中的至少一个:所述金属空气电池中电解质的温度、所述氢能转化电池中氢气的压力以及所述混合电能系统的总电压。8.根据前面任一项权利要求所述的混合电能系统，其中，所述至少一个金属空气电池的操作参数和所述至少一个氢能转化电池的操作参数使得金属空气电池效率低于预定的最佳效率，而混合系统效率高于预定的所述最佳效率。9.根据权利要求8所述的混合电能系统，其中，所述最佳效率、所述金属空气效率和所述混合系统效率是能源效率。10.根据权利要求8所述的混合电能系统，其中，所述最佳效率、所述金属空气效率和所述混合系统效率是成本效率。11.根据前面任一项权利要求所述的混合电能系统，其中，所述至少一个金属空气电池包括金属电极，该电极具有纯度低于99.999%的金属。12.根据前面任一项权利要求所述的混合电能系统，其中，所述至少一个金属空气电池包括金属电极，该电极具有纯度低于99.9%的金属。13.根据前面任一项权利要求所述的混合电能系统，其中，所述混合系统适于以列表中的至少一种形式生产能源，所述列表包括热能和电能。14.根据前面任一项权利要求所述的混合电能系统，其中，所述至少一个氢能转化单元消耗大致所有所释放的氢气，从而将空气中氢气浓度降到氢气爆炸点以下。15.根据前面任一项权利要求所述的混合电能系统，进一步包括:能源混合器管理器，用于混合由所述至少一个金属空气电池生产的能源和由所述至少一个氢能转化电池生产的能源。16.根据前面任一项权利要求所述的混合电能系统，进一步包括: 用于对所述氢气加压的系统；以及 控制单元，被配置为控制传输至所述氢能转化电池的氢气的压力。17.一种操作混合电能系统的方法，包括: 为包括在所述混合电能系统中的金属空气电池选择第一组操作参数； 为包括在所述混合电能系统中的氢能转化电池选择第二组操作参数； 其中，选择所述第一组操作参数，使得金属空气电池效率低于预定的最佳效率，而混合电能系统总效率高于预定的所述最佳效率。18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述最佳效率、所述金属空气效率和所述混合系统效率是能源效率或成本效率。19.根据权利要求17或18所述的方法，其中，所述第一组操作参数包括所述金属空气电池的金属阳极的纯度。20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第一组操作参数包括金属阳极具有纯度低于99.999%的金属。21.根据权利要求17-20中任一项所述的方法，其中，所述第一组操作参数包括在所述金属空气电池中包括的电解质的温度。22.根据权利要求17-21中任一项所述的方法，其中，所述第一组操作参数包括所述金属空气电池的电压。23.根据权利要求17-22中任一项所述的方法，其中，所述第二组操作参数包括将所述氢能转化电池选择为以下项中至少一项:氢燃料电池和燃烧反应堆。
【文档编号】H01M16/00GK106063010SQ201580011295
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2015年1月1日 公开号201580011295.5, CN 106063010 A, CN 106063010A, CN 201580011295, CN-A-106063010, CN106063010 A, CN106063010A, CN201580011295, CN201580011295.5, PCT/2015/50010, PCT/IL/15/050010, PCT/IL/15/50010, PCT/IL/2015/050010, PCT/IL/2015/50010, PCT/IL15/050010, PCT/IL15/50010, PCT/IL15050010, PCT/IL1550010, PCT/IL2015/050010, PCT/IL2015/50010, PCT/IL2015050010, PCT/IL201550010
【发明人】德克尔·齐东, 阿夫拉汉姆·亚德加尔
【申请人】芬纳吉有限公司