具有高效离子交换膜的电化学装置的制作方法

1.本公开整体涉及任选地能够进行能量储存的脱盐-盐化系统及其操作方法，以及用于这些系统中的电化学电池。


背景技术：

2.电网规模的电能储存的部署实现了对从间歇性可用的可再生资源生成的能量的深度穿透。现今的电池提供了负载转移的能力，但高价格仍然阻碍了广泛的一体化储存，因此可能减慢可再生资源的采用。同时，日益严重的水资源短缺已使得安装能量密集型的脱盐技术来满足不断增大的水需求。
3.例如，由于气候变化和世界性人口增长不断加速，淡水供应面临越来越大的压力。对于位于没有现成淡水的区域中的社区诸如波斯湾和其他沙漠区域而言，淡水是通过海水脱盐产生的。在这些地区中，无论该过程是液压(例如，通过反渗透(ro))、热(例如，通过闪蒸)还是电化学(例如，通过电透析)驱动的，该过程都是高度能量密集型的。在其他地区，所有这些方法通常用于处理来自工业活动的污染废水。
4.此外，从可再生资源生成的电力的价格迅速下降，主要原因是太阳能和风能发电的技术的进步。就在2017年10月，沙特阿拉伯收到了以$17.90/mwh的价格为300mw发电厂提供太阳能电力的投标。廉价电子的这种现成可用性为水脱盐(或处理)的电化学方法在满足不断增大的水需求方面发挥更大作用提供了机会。本文描述了使用电化学电池降低能量消耗和脱盐的总成本的系统和过程。


技术实现要素：

5.本文所述的实施方案涉及电化学装置。该装置包括第一贮存器和第二贮存器，该第一贮存器包括输入和输出，其中输入溶液的浓度在操作模式期间增大至阈值浓度，该第二贮存器包括输入和输出，其中该输入溶液的浓度在该操作模式期间减小。第一氧化还原活性电解质室包括氧化还原活性电解质材料的第一溶液和至少一个第一电极，该至少一个第一电极被配置为与该第一氧化还原活性电解质材料发生可逆氧化还原反应，以将至少一个离子驱动到该第一贮存器中的该输入溶液中。第二氧化还原活性电解质室包括氧化还原活性电解质材料的第二溶液和至少一个第二电极，该至少一个第二电极被配置为与该第二氧化还原活性电解质材料发生可逆氧化还原反应，以从该第二贮存器中的该输入溶液接收至少一个离子。第一类型的膜设置在该第一贮存器和该第二贮存器之间，与该第一类型不同的第二类型的膜设置在该第一氧化还原活性电解质室和该第一贮存器之间，并且设置在该第二氧化还原活性电解质室和该第二贮存器之间。该第一类型的膜和该第二类型的膜中的一个第二类型的膜形成膜对，并且当该对在电解质中平衡时，并且对于其中0＜x＜0.4的范围的至少一部分，并且x是该电解质中盐的质量分数，该对具有低于y＝5065.3x
3-1331.1x2 90.035x 39ohm cm2的面积比电阻。
6.另外的实施方案涉及电化学装置。该装置包括第一贮存器和第二贮存器，该第一
贮存器包括输入和输出，其中输入溶液的浓度在操作模式期间增大至阈值浓度，该第二贮存器包括输入和输出，其中该输入溶液的浓度在该操作模式期间减小。第一氧化还原活性电解质室包括氧化还原活性电解质材料的第一溶液和至少一个第一电极，该至少一个第一电极被配置为与该第一氧化还原活性电解质材料发生可逆氧化还原反应，以将至少一个离子驱动到该第一贮存器中的该输入溶液中。第二氧化还原活性电解质室包括氧化还原活性电解质材料的第二溶液和至少一个第二电极，该至少一个第二电极被配置为与该第二氧化还原活性电解质材料发生可逆氧化还原反应，以从该第二贮存器中的该输入溶液接收至少一个离子。第一类型的膜设置在该第一贮存器和该第二贮存器之间，与该第一类型不同的第二类型的膜设置在该第一氧化还原活性电解质室和该第一贮存器之间，并且设置在该第二氧化还原活性电解质室和该第二贮存器之间。对于其中0＜x＜0.35的范围的至少一部分，并且x是电解质中盐的平均质量分数，该装置具有高于-0.0800226x4 0.0641781x
3-0.0156863x2 0.0008604x 0.00007g/j的浓缩效率。
7.附加实施方案涉及电化学装置。该装置包括第一贮存器和第二贮存器，该第一贮存器包括输入和输出，其中输入溶液的浓度在操作模式期间增大至阈值浓度，该第二贮存器包括输入和输出，其中该输入溶液的浓度在该操作模式期间减小。第一氧化还原活性电解质室包括氧化还原活性电解质材料的第一溶液和至少一个第一电极，该至少一个第一电极被配置为与该第一氧化还原活性电解质材料发生可逆氧化还原反应，以将至少一个离子驱动到该第一贮存器中的该输入溶液中。第二氧化还原活性电解质室包括氧化还原活性电解质材料的第二溶液和至少一个第二电极，该至少一个第二电极被配置为与该第二氧化还原活性电解质材料发生可逆氧化还原反应，以从该第二贮存器中的该输入溶液接收至少一个离子。第一类型的膜设置在该第一贮存器和该第二贮存器之间，与该第一类型不同的第二类型的膜设置在该第一氧化还原活性电解质室和该第一贮存器之间，并且设置在该第二氧化还原活性电解质室和该第二贮存器之间。该第一类型的膜和该第二类型的膜中的一个第二类型的膜的组合被配置为用施加到该至少一个第一电极和该至少一个第二电极的电流产生的1％盐/安培的浓度差来将该第一贮存器的该溶液与该第二贮存器的该溶液平衡。
8.以上概述并非旨在描述每个所公开的实施方案或本公开的每个具体实施。下面的图和详细描述更具体地举例说明例示性实施方案。
附图说明
9.下文的讨论涉及以下的图，其中同一参考标号可用于标识多个图中的类似/相同部件。然而，在给定图中使用数字指代部件并非旨在限制另一个图中标记有相同数字的部件。图未必按比例绘制。
10.图1a是根据某些实施方案的具有带正电荷的氧化还原梭的电透析系统的示意图；
11.图1b是根据某些实施方案的具有带负电荷的氧化还原梭的电透析系统的示意图；
12.图2a是根据某些实施方案的具有一对带正电荷的反应物的电透析电池的充电循环的示意图；
13.图2b是根据某些实施方案的图2a的电透析电池的放电循环的示意图：
14.图3a至图3b是根据某些实施方案的耦接到供电单元和电力网的能量储存系统的示意图；
15.图4a是根据某些实施方案的开路电位随着电池的充电状态而变化的图；
16.图4b是根据某些实施方案的相应贮存器盐度随着电池的充电状态而变化的图；
17.图5a示出了根据某些实施方案的四室电透析电池的放电操作模式；
18.图5b示出了根据某些实施方案的四室电透析电池的充电操作模式；
19.图5c示出了根据某些实施方案的四室电透析电池的电透析操作模式；
20.图5d示出了根据某些实施方案的四室电透析电池的除湿操作模式；
21.图6a至图6b是示出使用亚铁氰化物/铁氰化物作为氧化还原梭的四室电透析系统的性能度量的图；
22.图6c是示出盐浓度随着在图6a至图6b的四室电透析系统中通过的电荷而变化的图；
23.图6d是示出盐浓度随着在图6a至图6b的四室电透析系统中的时间而变化的图；
24.图7a是比较图5的电池堆中常规电透析系统和氧化还原辅助电透析系统的操作电位和比能耗的图；
25.图7b是针对每个阳极和阴极不同数量对的盐化/脱盐室比较常规电透析系统和氧化还原辅助电透析系统的相对比能耗的图；
26.图8a至图8d是使用水和电力的保守定价的四室电透析电池的系统成本、收入和性能度量的图；
27.图9a至图9d是波斯湾区域中使用水和电力的优化定价的四室电透析电池的系统成本、收入和性能度量的图；
28.图10是根据某些实施方案的四室电池的组分成本的图；
29.图11至图13是根据某些实施方案的方法的流程图；
30.图14a至图14b是示出使用btmap-fc作为氧化还原梭的四室电透析系统的性能度量的图；
31.图14c是示出盐浓度随着在图14a至图14b的四室电透析系统中通过的电荷而变化的图；
32.图14d是示出盐浓度随着在图14a至图14b的四室电透析系统中的时间而变化的图；
33.图15是示出根据各种实施方案的膜对的浓度效率的图；
34.图16是示出根据各种实施方案的膜对的面积比电阻的图；
35.图17是示出根据各种实施方案的膜对的电流效率的图：并且
36.图18是示出根据各种实施方案的膜对的电渗传递系数的图。
具体实施方式
37.本公开整体涉及电化学脱盐系统和任选地对应的同时能量储存。电网储存方面的当前研究工作依赖于单一方法-最小化每千瓦时的成本，这当前使得能源部的目标成本是到2022年$125/kwh。替代策略是增加与每kwh储存相关联的收入，这是常规能量储存技术无法提供的替代方案。然而，由于本文所述的电化学电池在充电和放电期间产生有价值的二级产物、脱盐水，这种替代方案是可能的。由于水液流电池与电化学脱盐技术共有许多资本要求(例如泵、膜、管道)，因此与两个单独的系统相比，组合以上两者的系统可能带来显著
的资本成本节省。来自脱盐水的收入弥补了额外的资本成本，并利用过程强化来突破传统能量储存技术遇到的$/kwh障碍。脱盐的电化学方法有可能模块化地规模化并轻松快速生产，同时保持高能量效率和处理高盐度进料的能力。
38.电化学水脱盐方面的当前现有技术是电透析；然而，该技术进行盐去除消耗的能量(例如，约0.26-0.30kwh/kg nacl)比其他脱盐技术如反渗透(例如，0.06-0.08kwh/kg nacl)相对更多，但比热技术如蒸气压缩(例如，0.6-1.0kwh/kg nacl)更少。按照定义，电容去离子法使用电能，但在约0.22kwh/kg nacl下也是能源密集型的，并且最适合于从水中去除少量的溶解盐，因为电极必须是固体的。尽管电透析是一种可用于处理处于任何盐度的盐水的技术，但不同于反渗透，电透析由于其高比能耗而用途有限。
39.因为电透析中的能量消耗与所施加的电压成比例，所以降低(或最小化)必须施加到电池的电压将降低电透析堆的比能耗。在常规电透析中，离子通过在阳极和阴极处的法拉第反应被驱出或驱入海水。在大多数情况下，法拉第反应很简单，就是水分解：水在阳极被氧化成氧气，在阴极被还原成氢气。这在电极处造成电荷不平衡，这些电极是通过离子移动通过策略性放置的离子选择性膜来平衡的。然而，水分解涉及能量损失，因为这样做需要能量。该问题由于显著的过电位与水氧化和还原两者相关联而被加剧。此外，在阳极处产生的氧气和氯气具有强破坏性，并且需要使用镀铂/镀铱电极。
40.仅在加利福尼亚州，如果所有州内的化石燃料发电源(0.40quads，占所有源的41％)被太阳能替代，并与本文所述的用于储存的脱盐电池配合，那么基于64％的成本优化的往返能量效率，将能够实现0.63quads的太阳能发电。同时，脱盐电池将提供等于30％的州消耗的水资源。
41.如本文所述，电化学电池被设计成通过使溶解于水中的氧化还原活性物质从阳极循环到阴极并且再次返回来以高效节能方式执行电透析。氧化还原活性物质具有用于还原或氧化的快速动力学，这大大降低了常规电透析所需的高操作电压，其中水分解驱动跨膜诸如离子选择性膜的盐传递。降低操作电压降低了比能耗，因为比能耗与操作电压成比例。此外，通过在阳极和阴极处配对两个单独的氧化还原电对而不是围绕两者循环的单一氧化还原梭，系统还可以可逆地适于耦合电能储存。
42.在高效节能的低电位电透析系统的某些实施方案中，溶解于水中的氧化还原载体在阴极处减少，然后穿梭到阳极，在该阳极处被再氧化，随后被重新递送到阴极以完成循环。转向图1a至图1b，示出了根据此类实施方案的提供高效节能的电透析的电化学电池100。电池100由串联的四个室102、104、106、108组成。每个室通过适当的膜110、112、114(图1a)或116、118、120(图1b)与其相邻部分隔开。两个中心室104、106包含盐化流130和脱盐流132，并且两个外部室102、108分别包含阴极和阳极(图1a)或阳极和阴极(图1b)。
43.根据电池设计，膜可以是离子选择性膜，诸如阳离子交换膜或阴离子交换膜。如果氧化还原梭具有足够高的分子量(例如，在本质上是树枝状或聚合物)，则膜可以是微孔膜。膜还可在同一膜内掺入一些离子选择性元素和一些微孔元素。在某些实施方案中，膜也可以是复合膜。
44.例如，图1a示出了具有带正电荷的氧化还原梭(即，1，1
′‑
双(三甲基铵丙基、)二茂铁二氯化物(btmap-fc))的氧化还原辅助电透析系统。氧化还原梭从阳极108到阴极102的移动由箭头128示出，并且从阴极102到阳极108的移动由箭头126示出。阴极室102和盐化室
104通过阴离子交换膜110隔开，并且阳极室108和脱盐室106也通过阴离子交换膜114隔开。膜110和114可能不一定包括相同的材料或具有类似的尺寸。盐化室104也通过阳离子交换膜112与脱盐室106隔开。可以看出，氯离子和钠离子穿过膜110和112以进入室104中的盐化流130，同时它们穿过膜114和112以离开室106中的脱盐流132。
45.使用带负电荷的氧化还原梭(例如，亚铁氰化物/铁氰化物(fe(cn)))改变电池100的设计，如图1b所示。此处，氧化还原梭从阴极108到阳极102的移动由箭头128示出，并且从阳极102到阴极108的移动由箭头126示出。阳极室102和盐化室104通过阳离子交换膜120隔开，并且阴极室108和脱盐室106也通过阳离子交换膜116隔开。然而，膜120和116可能不一定包括相同的材料或具有类似的尺寸。盐化室104也通过阴离子交换膜118与脱盐室106隔开。可以看出，氯离子和钠离子穿过膜118和120以进入室104中的盐化流130，同时它们穿过膜116和118以离开室106中的脱盐流132。
46.在各种实施方案中，可采用任意数量对交替的盐化室和脱盐室。然而，一旦所施加的电压超过1.26v，就可开始在大量的室中发生水分解。虽然可在各种实施方案中采用固体氧化还原载体，但是它们需要大量的载体并且频繁切换盐化流和脱盐流，因为固体氧化还原活性材料不能容易地从电化学电池的一侧传递到另一侧。
47.通过选择氧化还原载体/梭来实现电池100的能量效率。有效的氧化还原载体拥有尽可能多的以下特性。例如，氧化还原载体在氧化和还原形式中应是化学稳定的，在氧化和还原形式中保持高度水溶性，并且在氧化和还原形式中不是对氧气敏感的。载体不应是质子耦合的，应拥有快速的氧化还原动力学，并且应与所处理的水中存在的任何组分化学相容。此外，载体应具有通过离子选择性膜的低渗透率，并且无毒。
48.迄今为止已报道的最常用的氧化还原载体是含铁化合物，包括fe
2
/fe
3
、亚铁氰化物/铁氰化物(fe(cn))耦合物和fe(ii)-edta/fe(iii)-edta。所有三个都被认为用于反向电透析，即，从盐度梯度产生电力而不是消耗电力来产生盐度梯度。尚未报道将氧化还原电对用于传统电透析。不幸的是，fe
3
离子仅在低ph下可溶并在中性ph下形成不溶氧化物或氢氧化物，fe(cn)在与许多过渡金属(尤其是铁)接触时形成高度不溶的普鲁士蓝类型化合物，并且fe-edta复合物示出有限的电化学稳定性。
49.虽然用fe(cn)作为氧化还原载体的系统可在仅用nacl作为模拟海水的实验室中成功地展示，但是海水中钙和铁的普遍存在(通常分别为百万分之(ppm)400和十亿分之(ppb)1至十亿分之3的水平)将在这些离子穿越到贮存器中时迅速引起膜积垢。在该处，这些离子在与fe(cn)接触时形成钾和铁的不溶沉淀物。此外，甚至在阳极处产生的中性到微酸性条件将导致释放剧毒氰化氢。
50.然而，拥有上文列出的所有属性的二茂铁衍生物可以是合适的氧化还原载体，例如btmap-fc。将该二茂铁衍生物与下表1中的各种含铁氧化还原电对进行比较。
51.表1
[0052][0053]
在铂上
[0054]
在ph14时
[0055]
值得注意的是，除btmap-fc之外的氧化还原电对中的每个氧化还原电对具有与上述电池的有效氧化还原载体的特性不一致的至少一种特性。例如，fe
2
/fe
3
在ph7时不溶，fe(edta)具有较差的化学和电化学稳定性，并且fe(cn)与其他离子形成不溶沉淀物并且在ph为7或更低时释放有毒hcn。原则上，任何水溶性氧化还原载体可用于图1a至1b的电池的实施方案，而不仅仅是用于表1中列出的那些。例如，根据脱盐流和盐化流的期望ph，可优选其他氧化还原电对。下文进一步描述了这种高效节能的氧化还原辅助电透析系统的示例。
[0056]
上文结合图1a至图1b所讨论的四室电池设计也可适于用作能量储存装置(即，电透析电池)。当电池使用少量盐化/脱盐室对(例如，一对)时，性能被提高为优于如图7b所示的传统电透析。更少数量的室对也有利于能量储存应用，其中优选的操作电流密度也低于电透析的操作电流密度。上述电池适于通过使用两种不同的氧化还原活性反应物作为单独的阳极电解质和阴极电解质，而不是使相同的化合物在阳极电解质和阴极电解质之间穿梭来进行能量储存。不同于三室电池设计(例如，美国专利9,340,436；9,670,077；和9,673,472，这些专利中的每个专利以引用方式并入本文)，四室设计能够在操作期间一直连续生产脱盐水，而不是仅一半的时间生产。此外，如果交叉发生，四室设计不会遭受不溶性固体的沉淀。
[0057]
在图2a至图2b中示出四室电透析电池的实施方案。脱盐电池是多室流体电池。在充电半循环期间阳极电解质的还原和阴极电解质的氧化使na

和c1-离子移动通过适当的离子选择性膜并进入或离开容纳海水的中间室。反向过程发生在放电半循环期间。在循环期间的所有点处，水室中的一个水室经历盐的净流入，而另一个水室见证净流出。实现脱盐所需的能量就是充电期间输入的能量和放电期间回收的能量的差值。
[0058]
在图2a中，示出了使用一对带正电荷的反应物的四室电池的充电循环。电池包括四个室202、204、206和208，以及三个膜210、212和214。在充电循环期间，盐化流230在阳极电解质室202和室206之间的室204中，室206包含脱盐流232。阴极电解质室208通过阴离子交换膜214与室206和脱盐流232隔开，同时阳极电解质室202通过另一个阴离子交换膜210与室204和盐化流230隔开。如上所述，膜210和214可能不一定包括相同的材料或具有类似
的尺寸。盐化室204也通过阳离子交换膜212与脱盐室206隔开。在充电循环期间，氯离子和钠离子穿过膜210和212以进入形成盐化流230的室204，同时它们穿过膜214和212以离开形成脱盐流232的室206。
[0059]
图2b示出了在放电循环期间的与图2a的电池相同的电池。因此，氯离子和钠离子被示出为穿过膜210和212以离开形成脱盐流232的室204，同时它们穿过膜214和212进入形成盐化流230的室206。值得注意的是，如果反应物带负电荷，则膜将反转：膜210、214将是阳离子交换膜，并且膜212将是阴离子交换膜。如前所述，当膜210和214为阳离子交换膜时，这两者可能不一定包括相同的材料或具有类似的尺寸。
[0060]
虽然多种膜类型和材料可以适当地用作本文所述的电透析电池的实施方案中的膜210、212和214，但是离子交换膜展示了有利于改进电池性能的特性，诸如提高的物质跨膜转移效率。离子交换膜包含在化学或物理上的固定化离子和(与固定化离子相反的)相反电荷的反离子，这些反离子与固定化离子的电荷通过库仑力相互作用。通过电荷相反的反离子对固定化或固定的电荷进行电荷平衡，以维持膜中的电荷中性。在某些实施方案中，可通过与缠结的或交联的聚合物(例如，聚合物分子具有大于1,000kg/mol的分子量，或者大于5,000kg/mol的分子量)共价键合来在膜中固定化电荷。在其他实施方案中，可通过与分散在膜中的颗粒(诸如尺寸大于1nm(为颗粒最小尺寸)的颗粒)共价键合来固定化电荷。
[0061]
固定化离子确定离子交换膜的类型和功能。阴离子交换膜(aem)包含阳离子固定电荷(即，固定化电荷为净正电荷)。阳离子交换膜(cem)包含阴离子固定电荷(即，固定化电荷为净负电荷)。膜中的共存离子是共享与大部分固定化电荷相同的电荷符号的非固定化离子(例如，在aem中，共存离子将具有正电荷)。离子交换膜可选择性地传递反离子(即，通过膜的反离子的通量大于共存离子的通量)。当利用电解质溶液平衡膜时，来自电解质溶液的阳离子、阴离子和溶剂(例如，水)可被吸收到膜中，从而产生共存离子。膜210、212、214的任何组合的效率受到以下现象中的一个或多个现象的影响。
[0062]
膜效率可被称为对膜对(例如，膜210、212、214中的任何两个膜)的性能的评估。高效膜展示反离子物质相对于作用在反离子上的驱动力或驱动力组合的高通量。驱动力的示例是：跨膜的电化学电位、浓度或压力的空间差异。此外，高效膜对反离子传递具有高度选择性。反离子通量与其他物质(诸如溶剂、水或共存离子)的通量的比率很高，但该比率取决于反离子的类型。对于包括cem和aem的一对膜，对于两种膜类型，高通量的反离子将是不同的。
[0063]
通过成一对的膜的离子电流受到面积比电阻(asr)的限制。对于本文所述的各种实施方案，对于0＜x＜0.4的范围的全部或部分，x是电解质中盐的质量分数，由一个cem和一个aem组成的高效膜对的asr可低于y＝327.93x
2-84.743x 19ohm cm2，或者低于y＝2528.5x
3-493.61x2 1.7501x 19ohm cm2，或者低于y＝5065.3x
3-1331.1x2 90.035x 39ohm cm2。
[0064]
图16示出了不同膜对的asr。线1616下方的asr表示良好或可接受的性能，并且线1614下方的asr表示与线1616下方的asr表示的性能相比改进的性能。然而，线1612下方的asr表示如本文所述的电化学装置中改进最大的性能。例如，针对表示为1604和1610的膜对的数据被认为是良好的性能；由1606表示的对的性能是相比较而言更好的性能，并且由对1602和1608表示的性能是所示组的改进最大的性能。
[0065]
另一个因素涉及库仑或电流效率。库仑效率描述了离子通过膜转移的电荷效率。例如，库仑效率通过在相反方向上通过膜传递“错误”类型的离子(诸如通过aem传递的阳离子)来降低。对于本文所述的各种实施方案，由一个cem和一个aem组成的高效膜对具有高于70％的库仑效率。对于其中0＜x＜0.4的范围的全部或部分，x是电解质中盐的质量分数，这也可通过高于-170x 89(％)或高于-150x 97(％)的库仑效率来确定。在各种实施方案中，盐是licl。在各种实施方案中，溶液是水性的，并且在另外的实施方案中，溶液包含大于60％的水。
[0066]
图17示出了不同膜对的电流效率。线1714上方的电流效率表示良好或可接受的性能，并且线1712上方的电流效率表示如本文所述的电化学装置中的改进的性能。线1714表示性能线-170x 89(％)，并且线1712表示性能线-150x 97(％)，如上所述。例如，在预先确定的范围内的所有盐质量分数下，针对表示为1710的膜对的数据可能无法提供可接受的性能。由1702、1704和1706表示的膜对在盐质量分数范围内示出良好性能，并且由1708表示的膜对在盐质量分数范围内提供持续改进的性能。
[0067]
影响膜效率的另外的现象是电渗透和流体动力学电流。当离子由于作用在离子上的驱动力(例如所施加的电压或浓度梯度)而跨膜移动时，离子可将水一起拖走。这种现象表示为电渗传递系数tw，该电渗传递系数被定义为传递的水的摩尔数与传递的盐的摩尔数的比率。为了提高由一个cem和一个aem组成的膜对的效率，电渗透应较低，诸如对于其中0≤x≤0.4的范围的全部或部分，其中x是输入溶液中溶质的质量分数，低于tw＝-39x 16，或者低于tw＝-39x 15，或者低于tw＝-39x 14。在某些实施方案中，盐或溶质是licl。在某些实施方案中，溶剂是水，并且licl和水实施方案可以被组合或可以不被组合。
[0068]
图18示出了不同膜对的电渗传递系数。线1816下方的系数tw表示良好或可接受的性能，并且线1814下方的tw表示与线1816下方的系数表示的性能相比改进的性能。然而，线1812下方的tw表示如本文所述的电化学装置中改进最大的性能。例如，针对表示为1602的膜对的数据可能不是可接受的，并且由1806表示的膜对可在某些盐质量分数下提供可接受的性能。由1804表示的膜的性能在较低的盐质量分数下更好。由1810表示的膜对的性能在盐质量分数范围内提供良好或更好的性能，但是由1808表示的膜对在盐质量分数范围内提供始终可接受的tw。
[0069]
类似地，当水由于作用在水上的驱动力(诸如与浓度差对应的化学电位差)而跨膜移动时，水可将离子一起拖走。这被称为流体动力学电流并且可表示为比率，该比率被定义为离子的摩尔数与每摩尔水的流体动力学比率。对于本文所述的各种实施方案，当流体动力学电流比率等于或高于tw的倒数诸如等于或高于50％的值时，由一个cem和一个aem组成的膜对被认为是高效的。
[0070]
除了上述现象之外，特定膜类型的特性会影响膜的效率，并且因此影响整体的电透析电池系统的效率，该电透析电池系统可包括多个单独的膜和多种膜类型。针对可实现为所公开实施方案中的膜中的一个膜的单独膜描述以下特性。
[0071]
高反离子选择性导致膜效率提高，但膜选择性和库仑效率通常随着共存离子浓度的增大而降低。如上所述，共存离子是膜中具有与膜中的固定化电荷相同的电荷符号的游离离子，并且减小的共存离子浓度提供提高的膜效率。共存离子浓度可以各种方式定义，诸如每体积在电解质中溶胀的膜的共存离子摩尔数、每干质量或干体积的膜的共存离子摩尔
数，或者溶胀膜中每体积溶剂(例如，水)的共存离子摩尔数。紧密相关的特性是盐分配系数。此处定量特性被定义为膜中每升溶剂(例如，水)的共存离子摩尔数。对于本文所述的各种实施方案，当膜在电解质溶液中平衡时，高效膜的共存离子浓度等于或低于该电解质溶液的摩尔盐浓度。对于其中0＜x＜0.4的范围的全部或部分，并且x是电解质溶液中盐的质量分数，这可被另选地定义为低于21x-0.87mol/l。在各种实施方案中，盐是licl，并且在各种实施方案中，溶剂是水。这些各种实施方案可以被组合或可以不被组合。
[0072]
类似地，高固定电荷浓度c
固定
增加了膜对于反离子传递的选择性。c
固定
是在用电解质溶液平衡之后膜中每体积水的固定电荷的当量，并且类似于膜的离子交换量，该离子交换量是每质量干燥膜的反离子的摩尔数。c
固定
取决于电解质溶液中的离子交换量和溶剂(例如，水)吸收率两者。单独的离子交换量的增大将不能导致伴随而来的溶剂(例如，水)吸收率的增大，该溶剂吸收率的增大可降低固定电荷的体积密度并增加溶剂渗透。对于本文所述的各种实施方案，当在具有低于0.4的盐质量分数的电解质中平衡时，高效膜具有每升至少5个电荷当量的c
固定
。在各种实施方案中，盐是licl。
[0073]
另外的特性与膜和溶剂(例如，水)之间的关系有关。例如，渗透是溶剂(例如，水)分子跨膜从低盐浓度溶液到高盐浓度溶液的自发、非电驱动传递。对于本文所述的各种实施方案，对于其中0＜x＜0.4的范围的全部或部分，当在电解质中平衡并且x是电解质中盐的质量分数时，高效膜的渗透通量低于-1x 0.43l/m2/h，或者低于-0.48x 0.205l/m2/h。在各种实施方案中，盐是licl。溶胀度是指在用电解质溶液平衡之后由膜吸收的溶剂(例如，水)的量。虽然存在许多密切相关的特性，诸如水吸收率、水合数、水质量分数、水体积分数、水分配系数和溶剂/水渗透率(即，水扩散率和水分配系数的沉积)，但溶胀度被定义为电解质平衡膜中每质量干燥膜的溶剂(例如，水)的质量。对于本文所述的各种实施方案，当在盐质量分数低于0.4的电解质中平衡时，高效膜具有低于30％的溶胀度。在各种实施方案中，电解质溶液是水中的licl盐。此外，膜厚度不但影响传递距离，而且影响可用于固定离子的区域。对于本文所述的各种实施方案，高效膜的厚度为150微米或更小、或100微米或更小、或75微米或更小、或50微米或更小，以减小膜的asr。
[0074]
许多上述现象和特性相互关联，使得改变一者会影响另一者(例如，改变膜厚度也改变asr)。对于本文所述的各种实施方案，高效膜组合结合上述特性来控制上述现象以实现高盐分离效率(例如，对于其中0＜x＜0.354的范围的全部或部分，当在电解质中平衡并且x是电解质中盐(例如，盐可以是licl)的质量分数时，大于-0.0800226x4 0.0641781x
3-0.015686x2 0.0008604x 0.00007g/j，或者更优选地大于0.2011769x
4-0.1695373x3 0.0543430x
2-0.0081837x 0.00054g/j)。例如，每个膜具有低asr、高盐选择性(和对应的高库仑效率和低共存离子传递)和低水传递的组合，这减小和/或最小化了电渗透和渗透。
[0075]
膜210、212、214中的一者或多者可以是同质的或异质的。如果是同质的，则膜可增强或不增强。增强的同质膜包含非离子导电的、结构化的宏观增强物，诸如网、编织网、织物、纤维垫或具有孔眼的薄片。如果是异质的，则膜具有离聚物基质内的陶瓷分散体，或与离聚物混合的非离子导电材料的其他相，但该膜不具有限定的宏观形状，诸如增强网。异质相的存在已被示出为在某些条件下减少常规电透析中的电渗透水传递，并且因此适合作为所公开实施方案中的高效膜。
[0076]
可选择非离子导电相作为疏水性聚合物。可使用的非离子导电相的一些示例是：
聚酰胺、聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、含氟弹性体、聚偏二氟乙烯、氟化乙烯丙烯、聚砜、聚苯并咪唑、全氟烷氧基聚合物、含有芳香族基团的聚合物、聚烯烃、芳香族聚酰胺(芳族聚酰胺)、碳纤维、石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯衍生材料、粘土、陶瓷颗粒、聚寡核苷酸倍半硅氧烷、二氧化硅颗粒、二氧化钛颗粒或氧化铝颗粒。非离子导电相可具有低于10-4
s/cm的固有离子导电率。
[0077]
对于aem，离子导电基团可以是例如阳离子基团、季胺、阳离子芳香族胺、咪唑鎓、吡啶鎓、胍鎓、哌嗪鎓、二烯丙基二甲基铵、强碱和弱碱。对于cem，离子导电基团可以是例如阴离子基团、磺化聚醚醚酮、磺酸盐、全氟磺酸盐、膦酸盐、羧酸盐、弱酸和强酸。这些基团通常通过侧链键合到较大的聚合物分子或直接键合到聚合物主链上。在一些实施方案中，这些基团可键合到嵌入膜中的颗粒。
[0078]
在某些实施方案中，离子基团按能级存在于膜中，使得当膜在nacl溶液中平衡时的离子交换量低于每克干燥膜3毫当量(meq/g)、低于2.5meq/g、低于2meq/g、低于1.75meq/g、低于1.5meq/g、低于1.25meq/g、低于1meq/g、低于0.75meq/g、低于0.5meq/g、低于0.4meq/g，或者在0.4meq/g至3meq/g之间，在1meq/g至2meq/g之间，或在0.4meq/g至2meq/g之间。
[0079]
膜或膜组合的效率基于从脱盐流传递到盐化流的盐的量。离子在这些流之间以及向/从阳极电解质源和阴极电解质源传递。在图2a至图2b所示的实施方案中，阳极电解质是锌，阴极电解质是btmap-fc。在其他实施方案中，(二茂铁甲基)三甲基氯化铵(fcncl)可代替btmap-fc用于将电池单元电位增大到约1.41v。
[0080]
阳极电解质和阴极电解质不限于上述实施方案。阳极电解质和/或阴极电解质的氧化还原活性组分可以是以下的任何组合的水性溶液，以下组分处于一种或多种它们的氧化态，作为它们的离子或含氧阳离子或含氧阴离子并且/或者络合成配体：钛(iii)、钛(iv)、钒(ii)、钒(iii)、钒(iv)、钒(v)、铬(ii)、铬(iii)、铬(vi)、锰(ii)、锰(iii)、锰(vi)、锰(vii)、铁(ii)、铁(iii)、铁(vi)、钴(ii)、钴(iii)、镍(ii)、铜(i)、铜(ii)、锌(ii)、钌(ii)、钌(iii)、锡(ii)、锡(iv)、铈(iii)、铈(iv)、钨(iv)、钨(v)、锇(ii)、锇(iii)、铅(ii)、锌酸盐、铝酸盐、氯、氯化物、溴、溴化物、三溴化合物、碘、碘化物、三碘化物、多卤化物、卤化物氧离子、硫化物、多硫化物、硫氧离子、亚铁氰化物、铁氰化物、醌衍生物、咯嗪衍生物、黄素衍生物、紫精衍生物、二茂铁衍生物、任何其他茂金属衍生物、氮氧化物自由基衍生物、n，n-二烷基-n-氧铵衍生物、硝基氮氧化物自由基衍生物，以及/或者含有任何上述物质的复合组分或共价键结合组分的聚合物。
[0081]
阳极电解质和阴极电解质还可包括ph缓冲液的组分的水性溶液，该水性溶液在典型的操作条件下可具有或可不具有氧化还原活性。在某些水性实施方案中，阳极电解质和阴极电解质的ph与中心室中电解质的ph相匹配，该ph可例如接近用于水脱盐的中性(ph5-ph9)、用于处理酸性废水的酸性(ph0-ph5)或用于处理碱性废水的碱性(ph9-ph14)。在一些实施方案中，阳极电解质ph略微低于其他室可以是有利的，诸如当阳离子是锌/氯化锌时。在另外的实施方案中，系统中的电解质中的每种电解质的ph在电化学电池内基本上相同。在另外的实施方案中，阳极电解质、阴极电解质和水各自的ph在3至10之间并包括3至10。因此，电池可包括ph监测和调整系统，用于周期性和/或连续ph监测和调整。
[0082]
在另外的实施方案中，如图2a至图2b中所述的电透析电池单元可在设计为流体电
池时耦合到能量储存系统。对于能量网储存而言值得考虑流体电池，因为它们允许电池的能量储存容量与电池可递送的电力去耦。水液流电池可集成到电化学脱盐系统中，因为它们共享许多共同的脱盐资本要求，诸如泵、管道和电池堆设计，该电化学脱盐系统可用于执行脱盐和能量储存两者。原则上，将电能储存结合到脱盐电池中将使得能够通过以下方式来进一步降低成本：促进电网上的负载转移，实现电力套利，以及/或者使得能够推迟对传输和分配基础设施的投资。具有高电池电位的脱盐电池将用作切实可行的能量储存装置。通过利用可用于能量储存技术的收入流，系统可支付脱盐成本，同时使得能够增加对可再生资源的采用。
[0083]
图3示出了电化学脱盐-盐化系统的示例。所述电化学脱盐电池可在某些实施方案中在分批模式下操作或在其他实施方案中在连续模式下操作。在分批模式下，在氧化还原脱盐系统中提供(例如，推入)一定体积的要处理的水。向电极施加电位，并且在两个电极中收集离子，直到脱盐水室中的盐浓度下降到低于设定限值(例如，千分之(ppt)5或0.5ppt)。然后从系统中去除水。在连续流动模式下，水流经系统，并且系统的每个部分中的一定体积的水的总停留时间足以实现盐浓度的期望减小。在某些实施方案中，可将单独的单元分成不同的阶段和/或具有独立控制的电极的组分，以适应在脱盐过程期间每个连续步骤中的盐度水平降低。这也可适应在盐化过程期间每个连续步骤中的盐度水平提高。
[0084]
转到图3，能量储存系统300包括电化学脱盐电池(edb)单元320a。一组电开关(s1a，s1b，s2a，s2b，s3a，s3b)设置在能量储存系统300内以提供多配置电连接，该多配置电连接将能量储存系统300的各个节点连接到供电单元ps(无论是如此陈述，其都可以是根据本文所述的各种实施方案的ac或dc)、电力(例如电)网和/或能量储存系统300的其他节点，以及它们的任何组合。如本文所用，“电开关”是指能够改变电路的电连接的任何装置。该组电开关(sla，s1b，s2a，s2b，s3a，s3b)构成控制能量储存系统300的操作模式的操作模式控制装置。如本文所用，“操作模式控制装置”是指可用于在被配置为以两种或更多种另选操作模式操作的装置内选择操作模式的任何装置。操作模式控制装置被配置为基于来自电力网的电力需求的存在或不存在和/或由供电单元ps提供的外部电力的可用性来在除了别的之外的充电、放电和电透析模式之间选择，以用于能量储存系统300的操作。
[0085]
edb单元320a包括阳极(318，308)和阴极(316，302)，该阳极和阴极可包括在各种配置中。阳极(318，308)能够接受并发生与溶解于水中的氧化还原梭的可逆氧化还原反应。阴极(316，302)能够接受并发生与溶解于水中的氧化还原梭的可逆氧化还原反应。阳极(318，308)包括负电极板318和用于容纳电解质溶液(即，阳极电解质)的电解质室308。阴极(316，302)包括正电极板316和用于容纳电解质溶液(即，阴极电解质)的电解质室302。在某些实施方案中，阴极和阳极中的一者或两者包括嵌入型材料作为采用嵌入的电池化学物质的任选组分。四室电池在阳极电解质和阴极电解质两者具有相同的电荷符号(即，两者均带正电荷或两者均带负电荷)时运行。
[0086]
两个电解质(例如，具有溶解盐诸如氯化钠的水)室304、306设置在阳极(318，308)和阴极(316，302)之间，并且分别包含要盐化和脱盐的溶液(例如，水)。
[0087]
在一些实施方案中，阳极(318，308)和阴极(316，302)之间的隔开距离在操作期间沿水流动方向减小。脱盐由edb单元320a中的离子扩散驱动。当盐浓度在脱盐室中减小时，离子花费更大的力气才能到达电极(即，阳极和阴极)，从而有效地增大电池电阻。以保持内
阻基本上恒定的速率减小电极距离实现了高效节能的脱盐过程，以及在盐化过程期间高效节能的放电。在某些实施方案中，当处理中的水在充电模式或放电模式下通过水室304、306时，阳极(318，308)和阴极(316，302)之间的隔开距离可与离子浓度大致成反比。在另选的实施方案中，阳极(318，308)和阴极(316，302)之间的隔开距离保持基本上恒定或增大。
[0088]
负电极板318和正电极板316各自包括实心导电材料。在给定edb中，板318、316可包括相同的导电材料或不同的导电材料。每个电极板318、316可包括以下固体材料中的一种或多种固体材料：锌、铁、铬、镍、铅、钛、铜、锡、银、二氧化铅(iv)、二氧化锰(iv)、硫、普鲁士蓝、普鲁士蓝衍生物、普鲁士蓝的过渡金属类似物、碳纤维、石墨、碳毡、作为固体或作为水性悬浮液的导电炭黑，以及其他导电形式的碳。如果电极板318、316是多孔的，则它们可占据阳极电解质和阴极电解质流经的阳极电解质室308和阴极电解质室302的一些部分。另选地，电极板318、316中的一者或两者可被构造为具有氢气或氧气作为反应物的气体扩散电极。
[0089]
第一离子交换膜314设置在第一水室306和阳极(318，308)之间。在某些实施方案中，第一离子交换膜314是允许阴离子通过并且不允许阳离子通过的aem，或者可以是允许带较小或较大的负电荷的阴离子通过，而不允许带较大或较小的负电荷的阴离子或正离子通过的负价选择性膜。在一个实施方案中，第一离子交换膜314可以是半渗透膜。用于第一离子交换膜的材料的示例是astom corporation的neosepta afx(8cm2)。
[0090]
第二离子交换膜312设置在第一水室306和第二水室304之间。在某些实施方案中(例如，当第一离子交换膜是aem时)，第二离子交换膜312是允许阳离子通过并且不允许阴离子通过的cem，或者可以是正价选择性膜，允许带较小或较大的正电荷的阳离子通过，而不允许带较小或较大的负电荷的阳离子或负离子通过。在一个实施方案中，第二离子交换膜312可以是半渗透膜。用于第二离子交换膜的材料的示例是德国的fuma-tech gmbh的fumasep
tm fke-50(8cm2)。
[0091]
第三离子交换膜310设置在第二水室304和阴极(316，302)之间。在某些实施方案中(例如，当第一离子交换膜314是aem时)，第三离子交换膜310也是aem。在第一离子交换膜314是cem的实施方案中，第三离子交换膜310也是cem。在edb单元320a内，第一离子交换膜314和第三离子交换膜310不一定由相同材料和/或尺寸构成。
[0092]
edb单元320a是用于处理水(包括脱盐和盐化)的电化学电池。两个室304、306均接收待处理的水。在充电循环期间，室306中的电解质(例如，盐)浓度增大并且室304中的电解质浓度减小。因此，在该实施方案中，室306是盐化室，并且室304是脱盐室。如上所述，这些室可以在室306是脱盐室并且室304是盐化室的情况下切换。然而，在所有实施方案中，室304、306中的电解质浓度将在操作期间在不同方向上改变。
[0093]
要在室304、306中处理的水可包括可处理的一种或多种电解质。例如，在室304、306中的电解质可以是水溶性离子盐的任何组合，包括但不限于在海水或废水中遇到的那些。可存在于电解质中的示例性阳离子包括但不限于水合氢离子、锂离子、钠离子、钾离子、镁离子、钙离子、铝离子、锌离子和铁离子。可存在于电解质中的示例性阴离子包括但不限于氯离子、溴离子、碘阴离子、卤化物氧阴离子、硫氧阴离子、磷氧阴离子和氮氧阴离子。系统300被配置为从脱盐室中具有高达离子物质的溶解度极限的电解质浓度的水中去除溶解的离子物质，诸如上文的那些。在某些实施方案中，电解质浓度可超过千分之60，并且在另
外的实施方案中，电解质浓度可超过千分之80。系统300被进一步配置为将正在处理的水的电解质浓度(例如，盐度)减小至千分之5，在另外的实施方案中，减小至千分之2，或者在又一另外的实施方案中，减小至约千分之0.5。
[0094]
如上所述，edb单元320a可作为流体电池操作，其中在输入处不断供应未经处理的水，并从输出中不断提取经处理的水。包括流动板、电极、垫圈和膜的edb单元320a或电池堆可具有平面几何形状(类似于典型的燃料电池)，或者该堆可包括在纵横比方面与反渗透脱盐模块类似的管状系统。
[0095]
在某些实施方案中，第一水箱330通过相应的端口332、334连接到水室304、306。第一水箱330包含具有第一盐度水平(例如，海水)的第一类型的水w1。第一型的水w1的压力可由第一压力控制器pc1控制，该pc1可对第一类型的水w1施加压力。另选地，可代替压力控制器pc1或作为其补充采用将水以期望的流速从相应水箱推入edb单元320a的水泵(未示出)。在充电循环期间，室306中的电解质(例如，盐)浓度增大并且室304中的电解质浓度减小。这些水将从edb单元320a通过端口336、338被输出到开关单元340a。此处的开关s4a、s4b引导输出水通过系统到达水箱350，或者通过相应端口342、344排出水。因为四室电池320a不断生成脱盐水流，所以开关单元340a控制edb单元320a的相应的盐化流输出和脱盐流输出。例如，在放电循环之前，室304、306的内容物被来自箱330的新输入水替换。在放电循环期间，306中的电解质浓度减小并且304中的电解质浓度增大-与前一半循环中发生的相反。因此，必须交替地收集穿过室304、306并进入箱350的水，每个半循环内改变一次。
[0096]
在穿过开关单元340a之后，第二箱350中的水是第二水类型w2，其与第一水类型w1不同(例如，为具有不同盐度水平的水)。例如，当将脱盐水收集在第二箱350中时，第二类型的水可以是淡盐水(例如，小于约千分之10的盐度)。另选地，可在第二箱350中收集盐化水，使得w2将具有比w1更高的盐度。与第一类型的水一样，第二类型的水w2的压力可由第二压力控制器pc2控制，该pc2可对第二类型的水w2施加压力并且/或者可采用水泵。从端口344或端口342排出的水可完全从系统排出或保存在另一个储存箱中以供进一步使用。
[0097]
该组电开关还确定edb单元320a的操作模式。第一组电开关(s1a，s1b))控制能量储存系统300的阳极(318，308)和阴极(316，302)到其他电节点的电连接。为了清楚起见，edb单元320a的负端子在下文中被称为“阳极”(318，308)，并且正端子被称为“阴极”(316，302)，而不管edb单元320a是否正在充电或放电模式下操作。这是因为电池的两个电极(包括本文所述的那些电极)可以是阳极或阴极，这取决于电池是否正被充电还是放电。
[0098]
在充电模式下操作期间，分别地，第一组电开关(s1a，s1b)可将阳极(318，308)连接到dc供电单元(即供电单元ps)的负输出电压节点，并且可将阴极(316，302)连接到dc供电单元的正输出电压节点。如本文所用，“dc供电单元”是指提供dc电力(即，不会随着时间变化而改变极性的直流电力)的供电单元。从阳极和/或阳极电解质(318，308)和阴极和/或阴极电解质(316，302)释放或吸收离子，以在室306中将水盐化，并在室304中将水脱盐。edb单元320a可被配置为具有至少0.8v的电池电位，或者在某些实施方案中，至少1.25v的电池电位。
[0099]
在放电模式下操作期间，分别地，第一组电开关(s1a，s1b)可将阳极(318，308)连接到电负载的负电极，并且可将阴极(316，302)连接到电负载的正电极。edb单元320a在室306中将水脱盐并且在室304中将水盐化，同时释放储存的能量作为采用阳极(318，308)作
为负输出电极并且采用阴极(316，302)作为正输出电极的输出电力。如本文所用，“dc输出电力”是指以直流形式提供的输出电力，即，不会随着时间变化而改变极性的输出电力。
[0100]
电负载可包括电力网。第二组开关(s2a，s2b)可将edb单元320a的阳极(318，308)和阴极(316，302)连接到逆变器390。逆变器390将edb单元230a的dc输出转换为具有匹配振幅(即，与电力网的ac电压的振幅相同的振幅)和同步相位的ac电力输出，以馈入电力网。因此，在放电模式期间从edb单元320a释放的电力可通过第一组开关和第二组开关(s1a，s1b，s2a，s2b)和逆变器390传输到电力网。逆变器390可被设置作为能量储存系统300的一部分，或者可设置在电力网的侧面的外部。在一个实施方案中，第二组开关(s2a，s2b)可由电力网负载监测器392控制，该电力网负载监测器监测电力网上的总功率负载，并且在等于或接近电力网上的峰值功率需求时，将第二组开关(s2a，s2b)与逆变器390连接。
[0101]
在某些实施方案中，能量储存系统300包括另外的任选的水处理单元380。例如，箱350可通过端口352、354连接到另外的水处理单元。另外的处理单元380可包括由电池堆320b表示的一个或多个附加的edb单元。每个附加的edb单元320b将包括由开关单元340b表示的对应开关单元。一个或多个edb单元320b和开关单元340b将如上文针对edb单元320a和开关单元340a所讨论的那样操作。其他任选的单元可包括由360表示的一个或多个脱盐单元。
[0102]
一个或多个脱盐单元360可利用除电化学电池之外的脱盐技术，诸如反渗透技术、电容性去离子技术、电透析技术和热技术。在一个实施方案中，脱盐单元360可执行第二或另外的脱盐或盐化过程，这取决于edb单元320a的操作。在另外的实施方案中，即使在系统300中存在脱盐单元360，即使edb单元320a是正常操作的，也可以不总是利用这些脱盐单元。
[0103]
脱盐单元360可具有连接到具有较高总溶解固体(tds)计数的水(例如，较高盐度)的水端口(在本文中被称为第三水端口362)，以及连接到具有较低tds计数的水的另一个水端口(在本文中被称为第四水端口364)。例如，具有较高tds计数的水可以是包含在水箱350内的第二类型的水w2或从一个或多个任选的edb单元320b接收的水，并且具有较低tds计数的水可以是包含在第三水箱370内的第三类型的水w3。例如，第三类型的水w3的tds计数可小于约0.5ppt，或者处于视为可饮用水的水平，但是也可采用更高的tds计数。第三水箱370中的第三类型的水w3的压力可由第三压力控制器pc3调节，该pc3可根据需要对第三类型的水施加压力。另选地，可代替压力控制器(pc2，pc3)或作为其补充采用将水以期望的流速从相应水箱推入一个或多个脱盐单元360的水泵(未示出)。
[0104]
在某些实施方案中，根据一个或多个脱盐单元360是在盐化模式下还是脱盐模式下操作，选择第二水箱350和第三水箱370之间的水流方向。脱盐单元360可交替地在脱盐模式下和盐化模式下操作，在脱盐模式下，从输入水中去除离子，同时消耗供应到单元360的电力，在盐化模式下，将离子引入输入水中，同时释放储存在一个或多个单元360中的能量。
[0105]
在一个或多个任选的水处理单元380的操作期间，可将由edb单元320a产生的输出电力的至少一部分应用于那些单元380，以在需要时提供用于操作的电力输入。由edb单元320a产生的输出电力的一部分到另外的水处理单元380的路由可通过第三组电开关(s3a，s3b)来实现，第三组电开关可相对于电力网和第二组电开关(s2a，s2b)以并联连接方式连接。操作另外的单元380所需的电力输入通常是当相当体积的水穿过edb单元320a和附加单
元380时储存在edb单元320a中的电力的一小部分。因此，通过经由第三组开关(s3a，s3b)将从edb单元320a释放的能量的一部分路由到任选的附加单元380，一个或多个水处理单元380可被充分供电，并且可在放电模式期间将额外的电力从edb单元320a释放到电力网。
[0106]
另外，过程控制装置385可控制能量储存系统300的各种部件的操作模式。过程控制装置385可包括水流控制装置作为其中的部件。水流控制装置通过第一压力控制装置、第二压力控制装置和/或第三压力控制装置((pc1，pc2，pc3)或通过水泵(未示出)来控制第一类型的水w1、第二类型的水w2和/或第三类型的水w3的压力。水流控制装置可被配置为在充电和放电模式期间以及为了进一步的盐化/脱盐过程根据需要引起水在不同方向上流动。
[0107]
在图4a至图4b中提供了电池的初步性能结果，该电池如上所述用氯化锌/锌金属作为阳极电解质并且用(三甲铵基甲基、)二茂铁氯化物(fcncl)作为阴极电解质。在图4a中，示出了实现了高往返能量效率的高标称电池电位(例如，约1.5v)。图4b示出了盐化流和脱盐流的相应盐度随着电池的充电状态(soc)而变化。可以看出，从海水溶液中去除大量盐是可能的(例如，35ppt至1.4ppt或96％tds去除)。然而，80％的去除速率(例如，35ppt至约7ppt)更经济实惠。甚至是无法用反渗透处理的超盐度盐水(例如，约100ppt)也可用所述的四室电池处理。
[0108]
如上所述，四室电透析电池在充电和放电半循环两者期间产生脱盐水。该脱盐水可达到等于或低于0.5ppt的盐度，但这种成就以降低往返能量效率为代价。发生效率降低的原因是电池的面积比电阻(asr)随着脱盐流的电解质含量下降而急剧增大。在某些实施方案中，四室电池可作为电透析器在第三模式下操作。如果阳极电解质或另一种氧化还原载体围绕阴极电解质室和阳极电解质室循环，则如结合图1a至图1b所述的电池可在该电池不需要充电或放电时作为电透析器进行操作。可将由在电透析模式下操作的装置产生的中等盐度(例如，10ppt)的水重新引入系统，并且进一步将该水脱盐至1.2ppt，或者甚至脱盐至或低于0.5ppt(即，可饮用的)。下文结合图5a至图5c进一步描述了三种另选操作模式。
[0109]
图5a示出了四室电透析电池的放电操作模式(即，第一半循环)。水诸如海水(例如，约35ppt盐度)是系统410的输入400。系统产生电力和盐化水流430(例如，约60ppt盐度)，该电力被发送到/储存在电网420处，该盐化水流被丢弃或被进一步处理。系统410还产生具有中等盐度440(例如，约10ppt盐度)的脱盐水流，该脱盐水流储存在例如存储箱450中。
[0110]
图5b示出了图5a的四室电透析电池的第二半循环-充电模式。水诸如海水(例如，约35ppt盐度)是与电力一起从电网420到系统410的输入400。系统产生盐化水流430(例如，约60ppt盐度)，该盐化水流被丢弃或被进一步处理。系统410还产生具有中等盐度440(例如，约10ppt盐度)的脱盐水流，该脱盐水流储存在例如存储箱450中。电池充电和放电模式利用两种氧化还原活性材料，如上文结合图2a至图2b所讨论的。在充电和放电模式下操作的系统也可任选地在电透析器模式下操作而没有太多额外费用。
[0111]
图5c示出了图5a至图5b的四室电透析电池的第三电透析操作模式，该第三电透析操作模式在电池未处于充电或放电模式时使用。然而，电池操作的不同之处在于，在电透析模式下，只有一种氧化还原活性材料穿梭，类似于结合图1a至图b所讨论的。因此，虽然被配置为在充电和放电模式下操作的电池可容易地针对电透析模式来修改，但由于材料量至少大幅增加，因此相反是更复杂的和成本密集的。
[0112]
在电透析模式下，来自存储箱450的具有中等盐度440(例如，约10ppt盐度)的水是与电力一起从电网420到系统410的输入。输入水可以是从上述充电模式和放电模式中的一者或两者得到的脱盐输出。系统产生与针对充电/放电模式的输入水类似的盐化水流400(例如，约35ppt盐度)，该盐化水流被丢弃和/或再循环。系统410还产生具有甚至更低盐度460(例如，约0.5ppt盐度)的脱盐水流。例如，从电透析模式得到的脱盐输出流可以是可饮用的并且作为淡水提供给消费者。值得注意的是，电透析模式不储存能量。
[0113]
在每个模式下，将进给水持续分解成盐化流和脱盐流。在各种实施方案中，各种进给溶液、盐化溶液和脱盐溶液的盐度可基于流速、操作电流密度和许多其他因素而独立地变化。在另外的实施方案中，电透析电池可在充电和/或放电模式期间产生等于或低于0.5ppt的脱盐水。上述模式使得电透析电池能够使用现有硬件产生淡水，并减缓和/或去除对单独的二级脱盐系统(例如，二级反渗透系统)的需要。
[0114]
图5c的电透析模式可用于若干另外的实施方案中。电池还可再生溶质(即，液体干燥剂)的浓缩水性溶液，该溶质当以足够高的浓度溶解于水中时能够从溶液所接触的不同材料中去除水。例如，可将各种系统中的这种四室电池应用于涉及脱水和/或干燥的各种过程，包括但不限于水性喷墨油墨、包含溶解水的非水性液体，以及包含水的固体材料。示例性实施方案可涉及各种去除水功能，包括空气的除湿、水性液体的浓度、非水性液体的干燥和固体的脱水。
[0115]
结合图5d进一步描述了涉及空气调节的示例性实施方案。已经探索了用于室内空气的节能空气调节的液体干燥剂。为了产生处于舒适的温度和湿度(例如，如美国采暖、制冷与空调工程师学会所定义的)的室内空气，空调可能需要过度冷却进入的空气以便将湿度降低到可接受的水平。然后在重复过程中使用额外能量将过度冷却的空气重新加热到期望温度。
[0116]
另选地，进入的空气的较小量的冷却可与不同的除湿过程组合以便产生经调节的空气。一种方法使用液体干燥剂空气调节来实现除湿。例如，水在某个时间通过膜被吸收到对水蒸气具有高亲和力的液体干燥剂介质中。此类液体干燥剂的示例包括离子盐(诸如氯化钙、氯化锂和溴化锂)的浓缩水溶液。在干燥剂已从空气吸收水蒸气之后，该干燥剂比在吸收之前更稀释，并且必须再浓缩(即再生)到原始浓度或约原始浓度，同时去除从进入的空气吸收的额外水，以便再次使用。
[0117]
虽然一些方法通过加热稀释溶液来蒸发多余的水，但由于蒸发速率随着溶液的盐含量和相对湿度的增大而减慢，因此这些方法效率低下。此外，然后将需要在开始新过程之前冷却液体干燥剂以避免不期望地加热被调节的空气。如上文结合图1a至图b所讨论的，本文所述的四室电池在非热过程中执行高效节能的电透析。在电透析模式下操作的四室电池可通过将浓缩的液体干燥剂流与从进入的空气吸收的水分离来再浓缩稀释的液体干燥剂溶液。
[0118]
图5d示出了在除湿过程中结合四室电池的系统。除湿模块470吸收输入空气474(例如，待冷却的空气)并将输入空气474暴露于具有第一浓度的液体干燥剂472(例如，40％的氯化锂)。液体干燥剂472从输入空气中去除水蒸气以对空气进行除湿。然后冷却和/或进一步处理经除湿的空气并将其从模块470输出。在空气除湿时，液体干燥剂从空气吸收水蒸气，从而将液体干燥剂(例如，35％氯化锂)476稀释到第二浓度。然后将稀释的液体干燥剂
476输入478到包括四室电池的系统410中，如上文结合图3所述。例如，除湿模块470将替换第一水箱330，并且输入478将替换端口332、334。稀释的液体干燥剂476将被输入到室304、306以供处理。
[0119]
然后使用四室电池来再浓缩液体干燥剂，该液体干燥剂通常是无机盐(例如，氯化锂)的浓缩溶液。在某些实施方案中，为了减小从脱盐流到盐化流的水交叉造成的损失，系统410可包括一个或多个另外的、不同的四室电池(例如，由电池堆320b表示)，其中盐度以若干个阶段减小到期望的水平。涉及液体干燥剂的再生的实施方案利用单一氧化还原梭实现能量效率。在一些实施方案中，氧化还原梭还可包含一定量的溶解的无机盐，该溶解的无机盐充当支持电解质，同时保持电池堆320b的所有四个室的渗透平衡。在某些实施方案中，该溶解的无机盐是与待再生的液体干燥剂相同的材料。如上所述的类似实施方案，系统可在可忽略的过电位下操作。单一氧化还原梭也在减少和/或最小化进出盐化流和脱盐流两者的净水交叉的浓度下操作。示例性氧化还原梭是上文所述的btmap-fc，因为其在水中具有非常高的溶解度(该溶解度可以接近匹配或匹配干燥剂流的浓度(例如，高达约1.9摩尔或约10摩尔))，或者可保持溶解于包含较大浓度的溶解的无机盐的溶液中，该溶解的无机盐充当支持电解质，同时保持电池堆320b的所有四个室的渗透平衡。
[0120]
系统410输出具有与第一浓度(例如，40％的氯化锂)大致相同或相同的浓度的再生液体干燥剂流472(例如，盐化流)。然后将该流馈送回到除湿模块470中。类似于图5c，系统410还输出脱盐流480。脱盐流仍将包括可作为废物排出的至少少量的溶解盐。另选地，脱盐流480可在盐足够便宜而能丢弃的情况下作为灰水重复使用，从而带来操作成本。在另外的实施方案中，可使用除电透析之外的技术诸如膜全蒸发来再浓缩脱盐流480，并将其馈送回到系统410的中间处理阶段。在hvac实施方案中，可使用蒸发方法来执行再浓缩，以在集成到全hvac系统中时实现附加的可感知冷却。如上所述，除湿过程(包括液体干燥剂的再生)通过结合四室脱盐电池而在低比能耗下执行。
[0121]
在一些实施方案中，对于其中0＜x＜0.35的范围的至少一部分，其中x是电解质中盐的平均质量分数，电化学装置具有高于0.0800226x4 0.0641781x
3-0.0156863x2 0.0008604x 0.00007g/j浓缩效率。在其他实施方案中，对于其中0＜x＜0.35的范围的至少一部分，其中x是电解质中盐的平均质量分数，该装置具有高于0.2011769x
4-0.1695373x3 0.054343x
2-0.0081837x 0.00054g/j的浓缩效率。图15示出了不同膜对的浓度效率。高于线1510的浓度效率表示如本文所述的电化学装置中膜对的期望性能，并且高于线1508的效率表示改进的性能。例如，由线1504表示的膜对的数据被认为是良好的性能，由线1506表示的对的性能是与线1504表示的膜对的性能相比改进的性能，并且由1502中的对表示的性能是该组中改进最大的性能。
[0122]
在一些实施方案中，用施加到电极的电流产生的1％盐/安培的浓度差来将第一贮存器的溶液与第二贮存器的溶液平衡。
[0123]
总的来说，上述四(或更多)室脱盐电池可使用围绕阳极和阴极循环的、在两个电极处都经历法拉反应的一种氧化还原活性物质，或者各自分别限于阳极或阴极的两种氧化还原活性物质。利用这种电池的各种实施方案可在低比能耗下执行电透析，无论是在充电半循环还是放电半循环期间，都不断产生任选地耦合到电能储存的脱盐水和盐化水，并且也可使耦合水脱盐和能量储存的装置能够在可在低比能耗下执行电透析的模式下可逆地
操作。
[0124]
相对于以下示例进一步详细讨论上述特征。
[0125]
实施例1
[0126]
高效节能的氧化还原辅助电透析系统被构造成与图1b所示的一致。阳极和阴极由压制到具有蛇形流动通道(entegris)的热密封石墨块上的三片多孔碳纤维纸(sgl 39aa)组成，并且通过viton垫圈与中央脱盐/盐化室隔开。阴离子交换膜是fumasep fas-15，并且阳离子交换膜是nation 212。
[0127]
当0.1m的na3fe(cn)6、0.1m的na4fe(cn)6和1％的nacl(50ml)的溶液流过阳极/阴极并且0.6m的nacl在盐化室和脱盐室(每个室50ml)两者中时，系统的高频asr被测量出为11.5ωcm2并且极化asr为13.7ωcm2。图6a示出了所施加电位和所得电流密度602(方形点，左轴)之间的关系，以及系统极化asr随着电流密度604(圆点，右轴)而变化。图6b示出了电流密度(或nacl传递速率)和系统的比能耗之间的关系。相应的实验数据点被显示为正方形。电流密度与盐传递速率成正比。根据操作电池的方式，比能耗低于在低于约80ma/cm2的电流密度下的常规电透析的比能耗，并且低于在低于约20ma/cm2下的海水反渗透的比能耗，尽管反渗透的比能耗会随着摄入盐度的增加而急剧升高。
[0128]
如有必要，电池可在更高的比能耗下产生更大体积的脱盐水。由于asr减小，电池的比能耗有望得到改善。利用该系统，在单个阶段中从海水(例如，35ppt nacl)直接产生可饮用盐度的水(例如，＜0.5ppt nacl)是可能的。将0.5v的恒定电压施加到电池，使盐化室中的水增大盐浓度，并使脱盐室中的水减小盐浓度。盐浓度可减小至或低于可饮用盐度的阈值浓度。盐化室和脱盐室中的水的盐浓度的演变在图6c中被示出为随着通过的电荷而变化，并且在图6d中被示出为随着时间而变化。在实验结束时，脱盐室中的水的nacl浓度为0.3ppt，远低于可饮用盐度的阈值。
[0129]
为了将氧化还原辅助电池与常规电透析进行比较，针对在如上所述的同一电池中运行的常规电透析过程对比能耗进行建模。图7a针对电池堆中的相应常规电透析系统和氧化还原辅助电透析系统以实线示出了所得操作电位，并以虚线示出了比能耗。预期电池asr在常规电透析和氧化还原辅助电透析之间是类似的，因为asr主要受膜阻力、中间室中电解质的离子导电率和膜间间隔的影响。通常，对于每个阳极和阴极之间的每n对盐化/脱盐室，附加电位对常规电透析的比能耗的贡献可减少至原来的1/n。但是，它可能永远不会达到零。图7b提供了具有一对盐化/脱盐室和每阳极和阴极二十五对室的电池的氧化还原辅助电透析和常规电透析的相对比能耗的比较。在某些实施方案诸如本示例中所述的电池堆中，n＝1，但在常规电透析中通常n＝25。
[0130]
实施例2
[0131]
在另外的实施方案中，采用btmap-fc代替fe(cn)作为氧化还原梭。预期使用btmap-fc来避免形成将由fe(cn)与某些金属离子的反应形成的不溶性固体。第二高效节能的氧化还原辅助电透析系统被构造成与图1b所示的一致。阳极和阴极由压制到具有蛇形流动通道(entegris)的热密封石墨块上的三片多孔碳纤维纸(sgl 39aa)组成，并且通过viton垫圈与中央脱盐/盐化室隔开。阴离子交换膜是fumasep fas-30，并且阳离子交换膜是fumasep e630。
[0132]
当包含0.05m的btmap-fc、0.05m的btmap-fc

和1％的nacl(50ml)的溶液流过阳
极/阴极并且0.6m的nacl在盐化室和脱盐室(每个室50ml)两者中时，系统的高频asr被测量出为17.9ωcm2并且极化asr为26.0ωcm2。图14a示出了所施加电位和所得电流密度1402(方形点，左轴)之间的关系，以及系统极化asr随着电流密度1404(圆点，右轴)而变化。图14b示出了电流密度(或nacl传递速率)和系统的比能耗之间的关系。相应的实验数据点被显示为正方形。电流密度与盐传递速率成正比。根据操作电池的方式，比能耗低于在低于约40ma/cm2的电流密度下的常规电透析的比能耗，并且低于在低于约10ma/cm2下的反渗透的比能耗，尽管反渗透的比能耗会随着摄入盐度的增加而急剧升高。如有必要，电池可在更高的比能耗下产生更大体积的脱盐水。由于asr减小，电池的比能耗有望得到改善。利用该系统，在单个阶段中从海水(例如，35ppt nacl)直接产生可饮用盐度的水(＜0.5ppt nacl)是可能的。将0.5v的恒定电压施加到电池，使盐化室中的水增大盐浓度，并使脱盐室中的水减小盐浓度。盐化室和脱盐室中的水的盐浓度的演变在图14c中被示出为随着通过的电荷而变化，并且在图14d中被示出为随着时间而变化。在实验结束时，脱盐室中的水的nacl浓度为0.3ppt，远低于可饮用盐度的阈值。
[0133]
在又一个实施方案中，可执行脱盐的若干阶段，其中氧化还原活性反应物(其任选地具有包含盐化/脱盐中的盐的支持电解质)以相对于盐化/脱盐中的盐浓度的适当浓度被采用，以便最小化每个阶段中的水传递。这减少或最小化了由于从盐化/脱盐室到阳极电解质/阴极电解质室或从阳极电解质/阴极电解质室传递水而造成的能量效率低下。
[0134]
实施例3
[0135]
为了确定电池尺寸和电流密度(以及因此水输出)的哪种组合对于给定电池容量最经济，针对zn|fcncl的复杂的自下而上成本模型被构造成与图2a至图2b的设计一致，其中实验获得的极化asr值在以上示例中被报告为输入。在17.5ma/cm2的优化电流密度下，1mw、12mwh(递送)系统将能够每天产生2000m3的约10ppt盐度的淡盐水。图8a至图8d示出了该电透析电池系统的各种性能度量。图8a示出了使用所述保守定价的上述四室电透析电池的系统成本和收入。近期(例如，目前)、中期(例如，5年)和长期(例如，10年)是指电池堆的各种部件的价格预测。图8b示出了往返能量效率性能，包括估计的分流和泵送损失，而图8c示出了近期、中间和长期的净系统值(即，收入减去系统成本)。此外，图8d提供了预测的盈亏平衡时间，其在系统的寿命内减小。可以看出，对应的往返能量效率为55％，并且脱盐的总比能耗为0.196kwh/kg nacl(或4.91kwh/m3的产生的10ppt脱盐水)。
[0136]
假设电力的保守价为0.04/kwh，完全脱盐水的保守价为$0.81/m3，以及处理输出的淡盐水的额外成本为$0.17/m3，那么在13.5％的内部收益率(irr)下，最低盈亏平衡时间将为7.4年。能源部的能量储存目标成本($150/kwh)被视为能量储存“值”的第一近似值。
[0137]
然而，在世界上的干旱地区，经济问题变得更加突出，那些地区的能源易于以太阳能或化石燃料的形式获得，并且对淡水的需求很高。此类地方包括沙特阿拉伯和波斯湾周围的其他国家。在这些区域，淡水的价格更高，大约$1.35/m3，这反映了对波斯湾的高盐水(其通常为约45ppt)进行脱盐的需求增大和难度增大(与35ppt的典型海水相比)。此外，对于世界上的那种地区，输入电力的降低价格为约$0.02/kwh是可能的。图9a至图9d示出了相当的系统成本、收入和相关性能度量。
[0138]
近期(例如，目前)、中期(例如，5年)和长期(例如，10年)同样是指电池堆的各种部件的价格预测。图9a示出了对于波斯湾区域使用优化但可实现的定价的四室电透析电池的
系统成本和收入。图9b示出了往返能量效率性能，包括估计的分流和泵送损失，而图9c示出了近期、中间和长期的净系统值(即，收入减去系统成本)。此外，图9d提供了预测的盈亏平衡时间，其在系统的寿命内减小。在这种情况下，重新计算另一个1mw、12mwh系统，在42％的往返能量效率下，最佳电流密度将为25ma/cm2，该系统每天产生1600m3的10ppt脱盐水。预测比能耗为0.293kwh/kg的去除的nacl，或者10.26kwh/m3的产生的脱盐水。在21.7％的irr下，最低盈亏平衡时间将为4.6年。
[0139]
在任一种情况下，如图10所示，部件成本的细目示出了成本主要受电池中的各种离子选择性膜的影响。这两种情况下的irr非常依赖于电池堆的极化asr，这在本文中基于非优化的实验结果。可通过精细化电池设计以减少和/或最小化膜间分离来进一步改进asr，这当前考虑了大部分的系统asr。由于操作费用在很大程度上取决于各种膜的寿命，因此可采用配体和/或表面处理。例如，跨aem并进入海水室的zn
2
离子的交叉可能造成阳极电解质损失。由于锌是廉价的并且在下游易于去除，因此通过周期性添加锌以进行重新平衡，一些膜交叉可以是可容许的。然而，如果测量的交叉率不可接受地高(即，太昂贵)，则可将配体和/或表面处理添加到膜(也添加到阴极电解质侧上)以减少交叉。基于此分析，预期系统的寿命与常规电透析的寿命(例如，约十年)相同或更长，因为膜不暴露于由于水分解或氯气演变而产生的极端ph。下文进一步描述了这种电化学脱盐流体电池的使用。
[0140]
图11示出了在能量储存系统中使用如上所述的四室电化学脱盐流体电池的示例方法。更具体地，装置作为脱盐流体电池操作以在交替循环中储存电力和脱盐水。由于循环交替，充电循环或放电循环都可被认为是“第一”。在图11的示例中，在第一半循环中，电池被放电以产生盐水输出、脱盐输出，并储存能量1102。在第二半循环中，电化学电池被充电以产生盐水输出和脱盐输出1104。在某些实施方案中，用于执行充电循环的能量可来自可再生资源，诸如太阳能或风能。流体电池可利用围绕阳极和阴极循环的、在两个电极处经历法拉第反应的单一氧化还原活性物质，或者两种氧化还原活性物质(每个电极处一种)来进行操作。
[0141]
下文进一步描述了图11的方法。在放电半循环中，提供电化学脱盐电池单元。该电池单元包括至少一对水贮存器，其中每个水贮存器包括输入和输出。将水(例如，盐度为约35ppt的海水)输入到两个水贮存器中。在放电模式期间，第一贮存器中的水的盐度减小至低于阈值浓度(例如，约10ppt，或者在其他实施方案中约0.5ppt)，并且第二贮存器中的水的盐度增大(例如，至约60ppt)。至少一个阳极包括第一电解质材料的第一溶液，并且被配置为接受并发生与第一贮存器的水中的至少一个氧化还原活性离子的可逆氧化还原反应，并且至少一个阴极包括第二电解质材料的第二溶液，并且被配置为接受并发生与第二贮存器的水中的至少一种氧化还原活性离子的可逆氧化还原反应。该对贮存器通过第一类型的交换膜(例如，aem)隔开。与第一类型的交换膜不同的第二类型的交换膜(例如，cem)设置在该至少一个阳极和第一水贮存器之间，并且还设置在该至少一个阴极和第二水贮存器之间。在放电期间，将待处理的水(例如，海水)传递到/通过第一水贮存器和第二水贮存器。来自第一水贮存器的脱盐水保存在例如存储箱中，而第二贮存器中产生的盐化水被从系统中去除/排出。另选地，盐化流可保存在例如另一个存储箱中，以供进一步处理或使用。也生成电力并将其储存到电力网。然后可任选地将脱盐水馈送到具有类似设计的一个或多个附加电化学脱盐电池单元和/或一个或多个附加脱盐系统中，该一个或多个附加脱盐系统使用
除电化学电池以外的水处理工艺。附加脱盐电池和/或脱盐系统可以串联方式、任何顺序和组合提供。来自系统的水输出可以是可饮用的，其盐度为例如等于或小于千分之0.5。
[0142]
在执行另一个半循环之前，此时为充电半循环，第一对水贮存器的内容物被待处理的新水(例如，新海水)替换。在充电循环期间，第二水贮存器的盐度减小，并且第一水贮存器的盐度增大(贮存器在相反的半循环期间改变作用)。因此，必须交替地收集穿过相应贮存器的水。例如，在充电模式期间，从第二水贮存器收集脱盐水并储存，并且从第一贮存器输出的盐化流被排出。在充电、放电和电透析模式期间，脱盐电池产生脱盐水。
[0143]
由于脱盐电池能够进行能量储存和脱盐，并且用于脱盐的过程耦合到能量储存，可以不同的速率和持续时间执行电池的充电、放电和/或空转。这种变化可增加或最大化储存和递送的电能的量、盐化和/或脱盐水通量和/或总系统收入。这种多功能性的利用无法用仅能够进行脱盐或能量储存中的一者的系统实现。
[0144]
当上述系统涉及单一氧化还原活性物质并且不充电或放电时，该系统可在第三电透析模式下操作以产生盐水输出和脱盐输出，如图12所示。例如，系统可接收中等盐度(例如，约10ppt)的淡盐水作为电池的输入1202。操作如结合图1a至图1b所述的电池提供盐度高于输入水的盐度的至少一个盐化流，以及盐度低于输入水的盐度的至少一个脱盐流，诸如可饮用水(例如，具有等于或小于0.5ppt的tds的水)1204。
[0145]
利用上文结合图11和图12所述的系统的另外的实施方案涉及hvac应用诸如针对空气调节的除湿，并且在图13中进一步描述。在输入到脱盐系统之前，使用液体干燥剂从空气中去除水(例如，水蒸气)1302。将稀释的液体干燥剂输入到如上所述并包括四室脱盐电池的系统中1304。处理输入的液体干燥剂(例如，而不是海水)产生再生液体干燥剂的盐化流(例如，等于或接近在除湿过程中使用的浓度)和脱盐流1306。系统可以这种方式用于涉及用于分离成盐化流和脱盐流的非水溶液的各种实施方案中。
[0146]
在某些实施方案中，混合脱盐电池可用于对海水或来自盐水含水层的盐水进行脱盐。在其他实施方案中，电池可用于对可处于不同ph值并且/或者包含不同量的非水性溶剂的各种各样的工业废物流或地热盐水进行脱盐。在另外的实施方案中，电池可用于选择性地去除离子/将离子添加到水贮存器中的一个水贮存器，同时保持电解质的一种或多种特性，诸如ph、总悬浮固体和导电率。值得注意的是，混合脱盐电池可在与进入的进料(例如，海水/盐水)的ph类似的ph下操作，以减少或最小化对ph调节的需要。此外，如上所述，在其他实施方案中，一个室(例如，阳极电解质)可具有比其他室略微低的ph。
[0147]
除非另有说明，否则本说明书和权利要求书中使用的表达特征尺寸、数量和物理特性的所有数字应被理解为在所有情况下均被术语“约”修饰。因此，除非另有说明，否则上述说明书和所附权利要求书中列出的数值参数为近似值，近似值可根据本领域技术人员利用本文所公开的教导所寻求获得的所需特性而变化。带端点的数值范围的使用包括该范围内的所有数字(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及该范围内的任何范围。
[0148]
为了说明和描述的目的，已呈现前述描述。并非旨在穷举或者将实施方案限制为所公开的精确形式。按照上述教导内容，许多修改形式和变型形式是可能的。所公开的实施方案的任何或所有特征可单独或者以任何组合应用，并且并不意味着是限制性的，而是纯粹说明性的。本发明的范围旨在不受该具体实施方式的限制，而是由本文所附的权利要求确定。