蒸汽浓差能量转换器的制作方法

蒸汽浓差能量转换器
相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年3月6日提交的申请号为62/986,177，名称为“steam concentration energy converter”的美国临时专利申请的权益。
技术领域
3.本发明涉及一种用于在蒸汽分压差下操作的能源收集装置。


背景技术：

4.蒸汽压差的来源有很多。一种来源可能是由碳氢燃料燃烧中蒸汽的高浓度相对于环境空气中的蒸汽(湿度)浓度产生。蒸汽压差也可能由水蒸发冷却系统产生，例如那些用于去除hvac系统、发电厂、服务器场或其他系统(包括工业系统)的废热的系统。蒸汽浓差或压差也由身体排汗相对于环境空气产生。本发明涉及利用蒸汽压差产生能量。
5.在申请号为16/588,962、16/876,22和17/154,769的美国专利申请中示出了一种示例压差系统。这些系统公开了使用用于电化学反应的膜电极组件来产生电能。然而，这些系统需要使用吸湿溶液来产生水蒸气压差以便发生所需的反应。
6.还致力于开发利用身体废热作为个人电子产品的电源的能量收集设备，包括植入式医疗设备、健身监视器甚至手机。一般来说，这些设备实用性有限，因为通过这些收集设备产生的电量有限，这些设备通常使用基于塞贝克效应(seebeck effect)的传统半导体热电转换器。这些设备效率低，并且需要温差才能产生电能。使用体温与环境空气之间的几度差异的实用性有限。
7.汽车行业也一直在致力于收集能量。一种方法是使用基于塞贝克效应的半导体热电转换器从排气中收集能量。然而，现有半导体热电转换器在运行的发动机排气温度下提供大约6％的转换效率。此外，考虑到由这些系统回收的能量很少，与产生所需温差要求相关的复杂性成本过高。
8.在专利号为7,160,639的美国专利公开的热电化学转换器(jtec)也研究了一种用于收集能量的装置。与传统的热电转换器类似，jtec需要相对于发动机排气热量的温差才能操作。尽管需要冷却来维持该温差，但由于其具有更高的效率和相关的更高的能量输出，它比传统的热电转换器更具成本效益。然而，对超低温(《50℃)的废热进行有效操作是极其困难的。
9.在超低温的热源上操作的挑战与以下事实有关：对于小的温差，即使是理想的效率(卡诺势)也非常小，并且几乎没有余量可以分配给现实世界的损失。例如，在不考虑转换器因传热温差而产生的实际温差的情况下，利用37℃的人体热量操作并向25℃的环境排放热量的理想的无损失的热电转换器的理想效率仅为3.9％。热传递损失可以容易地将效率降低到1％至2％。
10.因此，可以看出，仍然需要一种蒸汽浓差电池，该蒸汽浓差电池提供了一种改进的装置和方法，用于从水蒸汽压差中回收能量，所述水蒸气压差包括废气和其他蒸汽浓差来
源(例如动物身体排汗)。因此，本发明的主要目在于提供这样的装置和方法。


技术实现要素：

11.一种蒸汽浓差(steam concentration)能量转换器，用于由在高水蒸气分压区和低水蒸气分压区之间产生的水蒸气压差产生电能。所述蒸汽浓差能量转换器包括电负载控制器、将所述高水蒸气分压区与所述低水蒸气分压区至少部分地隔开的壳体、以及耦合到所述壳体且电耦合到所述电负载控制器的离子传导膜电极组件。所述离子传导膜电极组件具有与所述高水蒸气分压区流体连通的第一电极、与所述低水蒸气分压区流体连通的第二电极、以及位于所述第一电极和所述第二电极之间的离子传导膜。所述第一电极氧化所述高水蒸气分压区内的水以产生质子和电子，其中所述质子通过所述离子传导膜传导至所述第二电极。所述电子通过外部电路或负载路由到所述第二电极，所述电子在所述第二电极与质子重新结合并在还原反应中与氧气反应产生水。膜电极组件包括阻隔层，该阻隔层允许质子或氢通过但基本上阻止分子水的通过。附图的简要说明
12.当结合附图阅读时，将更好地理解本发明的优选实施例的以下详细描述。为了说明本发明，在附图中示出了目前优选的实施例。然而，应当理解，本发明不限于所示的精确布置和手段。
13.图1是本发明的优选形式中的蒸汽浓差能量转换器的示意图。
14.图2是图1示出的由人佩戴的蒸汽浓差能量转换器的透视图。
15.图3是图1示出的蒸汽浓差能量转换器与发动机排气相连的示意图。
16.图4是图1示出的蒸汽浓差能量转换器利用水蒸发的示意图。
17.图5是图1示出的蒸汽浓差能量转换器的输出电流密度曲线图。
具体实施方式
18.参考附图，示出了本发明的优选形式的蒸汽浓差能量转换器1。2021年1月21日提交的申请号为17/154，769，标题为“约翰逊环境能量转换器(johnson ambient energy converter)”的美国专利的全部内容通过引用并入本文。蒸汽浓差能量转换器1具有串联电连接在一起的膜电极组件(mea)电池阵列或系列18。mea电池阵列18被配置为高水蒸气分压区9和低水蒸气分压区13之间的分隔器。此外，壳体30可用于将高水蒸气分压区9与低水蒸气分压区13隔开。mea电池阵列18通过电导管3电耦合到负载/控制器2。
19.每个mea电池18具有高水蒸气分压电极6和低水蒸气分压电极8，它们通过离子传导膜10彼此隔开，离子传导膜10优选为质子传导膜，特别是氢传导膜。电极6和电极8电耦合到电导管3。优选地，电极6由用作催化剂的铂材料制成，但也可以由添加催化剂的其他材料制成，例如多孔粉末铂材料(porous power platinum material)。
20.负载/控制器2还耦合到包括负载4的电路。
21.在使用中，mea电池阵列18提供足以满足负载/控制器2的使用要求的总电压。负载/控制器2操作以在预选电压电平条件下以从mea电池阵列18中汲取电流。得到的提取功率可以被存储或直接提供给与其相连的负载4。当氢在水蒸气压差的驱动下从高水蒸气分压区9输送到低水蒸气分压区13时，产生到负载/控制器2的输出能量。电池的电压定义为公
式：其中p6
h2o
和p8
h2o
分别为电极6和电极8处的水气分压，p6
o2
和p8
o2
分别为电极6和电极8处的氧气分压。r是通用气体常数，f是法拉第常数，t是温度。
22.蒸汽浓差能量转换器1的操作可以通过研究mea电池18阵列中的单个电池来理解。水蒸气12进入电极6并被氧化成质子4h ，得到的氧o2被释放回到高水蒸气分压区9侧的环境中，如箭头19所示。当电子穿过负载/控制器2(如箭头15所示)时，来自反应的质子(2h )通过膜10传导到电极8，如箭头21所示。进入电极8的质子和电子在低水蒸气分压区13侧与氧气反应生成水，随后释放水，如箭头14所示。mea电池阵列18的电互连耦合电极6和电极8之间的电子电流，因为质子4h 在水分压差下通过阵列中的每个mea电池18的离子传导膜10并行传导。膜10可以是单个膜或各自分离的膜阵列。净效应是通过由水蒸气压差驱动的电化学反应产生电能，其中水在高水蒸气分压区9侧的进入电极6，并且在低水蒸气分压区13侧从电极8处流出(尽管是不同的水分子)。
23.理想地，离子传导膜10具有高阻隔性，并且防止水分子在不被电解的情况下迁移到低水蒸气分压区13侧。可以包括薄离子传导阻隔层11以防止这种迁移。许多质子传导膜材料本身具有吸湿性并且需要水作为促进离子传导的必要成分，例如由特拉华州威尔明顿的杜邦公司(e.i.dupont de nemours and company)以商品名nafion出售的产品。离子传导阻隔层11防止水通过或防止水被吸收或冷凝到膜中而不被电解。离子传导阻隔层11也可以是氢可渗透金属，例如钯或钽，或者它可以是质子导电阻隔材料，例如钇掺杂的锆酸钡(ybazro3)。
24.图2示出了使用蒸汽浓差能量转换器1利用由身体排汗相对于环境空气产生的水蒸气压差来产生电能。人体皮肤水分的蒸发是一个相当连续的过程。在该实施例中，mea电池阵列18被结合到以诸如腕带50的服装形式的壳体中。相对于暴露于环境空气的相反侧的较低水蒸气分压区，腕带50下方的皮肤水分蒸发会产生较高的水蒸气分压区。蒸汽浓差能量转换器1如前所述在该压差下运行。
25.图3示出了蒸汽浓差能量转换器1的实施例，其中mea电池阵列18被示出安装在包括内燃机排气管(pipe or tube)20的壳体中。化石燃料燃烧排气包括水(h2o)、二氧化碳(co2)、氮气(n2)、一氧化碳(co)以及残留的未燃烧和部分燃烧的燃料(hc)。通过mea电池阵列18的发电反应/还原过程由如前所述的水蒸气分压差驱动。而在这种情况下，会产生额外的好处。当水在高水蒸气分压区或排气侧的电极中被电解时，水释放的氧气可与排气中的co和hc反应，从而消除这些成分以利于得到额外的h2o和co2。
26.图4示出了蒸汽浓差能量转换器1的实施例，其中mea电池阵列18安装在管段形式的壳体中，水从管段中蒸发。当液态水流过管20时，鼓风机22迫使气流或空气穿过管20的外表面，以促进水的蒸发和输送。管内部的水蒸汽压力相对于流过其外部的空气的水蒸气压力更高，从而驱动产生电能过程。当水在管18内的mea电池电极6处被电解时，管20内的流变成液态水和氧气的混合物，其中氧气被释放到流中并且氢离子通过质子传导膜10被传导。电子通过负载/控制器2和串联阵列中的各个mea电池被路由，使得电子离开电极6进入电极8。质子在电极8与电子与环境氧气反应产生水，随后将水释放到流过管20的外表面的环境
空气中。在这种情况下，考虑到水的相变，电池电压主要由水的蒸发熵定义为：其中δs是水的汽化热，f是法拉第常数。每克水的氧化还原产生1600库仑电子，如下所示：其中n是该过程涉及的电子数(每个水分子2个)，a是阿伏伽德罗常数(6.02e23)，e是单个电子上的电荷(1.602e-19)，mw是水的分子量，18g。代入这些值产生每克1607库仑。在0.233v下，从管中蒸发的每克水产生的能量为374watt.sec/g，这相当于蒸发的每公斤水产生104wh电能(104wh/kg)。
27.如图5所示，如果膜电极组件(mea电池18)要实现所需的可逆过程近似，则输出电流密度将相对较低。随着电流消耗的增加，在输入和输出电极6和电极8处用于氧化和还原水的阻抗和激活电压损失分别偏离电池的开路电压。在超低的电流下，转化为电能的水蒸发热几乎相当于将水返回液体的冷凝热输入。在理想系统中，产生的电能基本上等于输入的热量。
28.现有技术通常已经教导了需要膜来传导浓度差异适用的气体离子的浓差电池。本发明教导了取消电解和还原反应作为从气体浓度差中提取能量的装置。包括夹在一对电极之间的离子传导膜的膜电极组件(mea电池18)分隔具有不同蒸汽浓度水平并因此具有不同蒸汽压力或分压的气体体积。蒸汽进入电池的高浓度侧的电极并被电解，从而释放氧气，产生的质子通过膜传导到相反的电极。电子通过外部电路或负载路由到相反的电极，在那里它们与质子重新结合，并在还原反应中与氧气反应以产生水。尽管氢在系统中没有作为气体使用，但使用具有氢离子传导性的膜导致使用蒸汽作为浓度差异气体种类的电池的有效运行。多个电池配置成串联电连接的阵列，以实现有用的电压电平。负载控制器监视电压电平，并在电压电平足以提供有用的能量时提取电流。
29.本领域技术人员将理解，可以在不脱离本发明的广泛发明构思的情况下对上述实施例进行改变。因此，应当理解，本发明不限于所公开的特定实施例，而是旨在覆盖在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的修改。