CN102148378A - 一种电解质热电池及其工艺和原理 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用一种或一种以上具有离子导电特性的电解质(包括酸、碱、盐以及高分子电解质等)，将热能直接转换为电能的技术原理、发电装置(电解质热电池)及其制造工艺，电解质的形态可为溶液、熔融或胶态、固态，利用电解质两端的温差和电解质的离子导电特性，将电解质内的热流转变为电流，并通过外电路予以输出。

Description

一种电解质热电池及其工艺和原理

技术领域：本发明涉及一种利用一种或一种以上具有离子导电特性的电解质(包括酸、碱、盐以及高分子电解质等)，将热能直接转换为电能的技术原理、转换装置及其制造工艺。属新能源领域。

背景技术：鉴于石油、煤炭、天然气等化石能源面临着目渐枯竭和高度污染的困境，世界各国竞相研发各种新能源技术，中美两国也都投入了大量的人力物力，希望能形成自身的国家战略优势。而热能(分子内能)是宇宙中最广泛存在的能量形式，如何将热能直接转换为电能决定着人类未来的能源利用方式乃至人类的生存方式。目前采用的半导体温差发电装置是一种热-电转换装置，但由于存在着材料成本高、制造工艺复杂等情况，难以大面积普及推广。

发明内容：本发明的目的是开发一种以低成本的电解质(包括酸、碱、盐以及高分子电解质等)为工作介质，直接将热能转化为电能的技术原理及相应装置，即电解质热电池。经过多次实验测试，在一定的温度下该装置可输出显著的电压和电流，具有材料成本低、材料容易获取、制作工艺简单、设备维护简单且转换效率较为显著等特点。

本发明是一种发电装置及其原理和工艺，以一种或一种以上电解质为工作介质，利用电解质的离子导电性和离子导热性，将电解质中存在的热流直接转换为电流。其特征是在电解质的一端(热端)进行加热，热量流经电解质并从另一端(冷端)流出，进而在电解质的两端形成一定的热电势，在电解质内部形成热电流，并通过外电路向负载提供电能。

其技术原理及制备工艺如下：

一、技术原理：

电解质与金属和半导体一样，在特定情况下都是导体，但不同的是电解质是离子导电型，而金属与半导体是电子导电型。电解质在溶液、熔融、胶体或固体等状态下，内部分别存在着可移动的正负离子(或离子基团)。因此当在电解质一端进行加热时，其内部的正负离子吸收热源的热能并转变为离子的动能。随着离子动能的增加其运动速度也不断提高，并从高温区向低温区扩散。在扩散的同时通过分子及离子的相互碰撞将热量从高温区传递到低温区，即电解质体系内产生了从高温区指向低温区的热流。

由于电解质内正负离子的质量(分子量)不同，因此当正负离子获取热源热量而转变为离子动能时，正负离子的运动速度是不相同的。以硫酸溶液为例，硫酸根离子的质量(分子量)约为96，在动能相同时，氢离子的扩散速度约为硫酸根离子扩散速度的10倍，因而硫酸溶液中的氢离子将很快从高温区扩散到低温区并在低温区富集而使低温区集电极带正电，而带负电的硫酸根离子由于速度较慢，主要集中在高温区，使高温区集电极带负电，由此在电解质的两端形成了电势差。电解质中的热流主要是带正电的氢离子流，而作为热流的氢离子流则成为电解质内的电流。当热源的功率恒定时，随着电解质两端电势差的增加，电场对氢离子施加的阻力将逐渐与热源的驱动力相抵消，进而在电解质两端建立稳定的电势差。

二、制备工艺：

电解质热电池由电解质、隔膜或填充物、集电极和电池外壳四部分组成，其形状可为柱状、筒状、薄膜(片状)以及异形等多种形式。并可通过串联或并联方式以提高输出电压、电流和功率。制备工艺及控制条件如下：

(1)电解质制备：电解质可采用一种或一种以上电解质材料制备而成，可配成溶液，也可高温熔融，或者制成聚合物电解质(胶态或固态)，电解质的选择应充分考虑电解质的溶解度、正负离子的分子量差、稳定性、安全环保等，确保电解质热电池的稳定性和一致性。

(2)集电极制备：为避免与电解质发生电化学反应而消耗，集电极采用石墨等惰性材料，两片集电极可制成片状或卷成筒状分别位于电池的冷端和热端，在集电极上焊接金属导线用于与外电路连接；

(3)隔膜或填充物制备：隔膜或填充物用于隔开电池的冷热(正负)两端，并为电池提供良好的内部环境。隔膜或填充物应具有良好的选择性离子透过性和耐高温耐腐蚀特性，在溶液状态下，隔膜或填充物还应具备良好的吸附和锁定电解液的特性。

(4)外壳制备：外壳对电池起到保护和热量管理作用。外壳可采用陶瓷或树脂等绝缘、隔热、耐高温材料以尽量减少热量损耗，提高热-电转换效率，但在两端集电极处应采用高导热材料以确保热量的高效传递和两个集电极间的合理温差。

(5)电池封装：将隔膜或填充物浸润在电解质中，并随电解质一同放入两个集电极中间形成电芯，并将电芯置入电池外壳中，用耐高温绝缘胶进行封装。

附图说明：

图1为本发明实施例1中的柱状电池外观及结构示意图。

图2为本发明实施例2中的筒状电池外观及结构示意图。

图3为本发明实施例3中的薄膜状电池外观及结构示意图。

具体实施方式：

实施例1：柱状电池制备及工作方式

电池外壳为管状(圆管、方管等)，其尺寸根据热源确定。集电极及隔膜或填充物、电解液依外壳形状制成电芯，并沿电池轴向排列置入外壳内进行封装。根据热源情况，也可在电池外壳内放置多片电芯进行串联或并联。集电极分别装在管的两端，电池外观为柱状。

当热源在电池的一端加热时，热流在电池内沿轴向从一个集电极处流向另一个集电极处，进而在电池两端形成电势差。

实施例2：筒状电池制备及工作方式

电池外壳为两个同心管(圆管、方管等)，其内管尺寸及长度根据热源确定。集电极及隔膜或填充物、电解液依外壳形状制作并置入内外管之间进行封装。根据热源情况，也可在电池外壳内放置多片电芯进行串联或并联。两片集电极分别贴装在内外管中，电池外观为筒状。

筒状电池可用作锅炉、煤炉或汽车发动机的外壁，也可套在盛有热液的管道外，当热源在电池的内管中加热时，热流在电池内沿径向从一个集电极处流向另一个集电极处，进而在电池内外管之间形成电势差。

实施例3：薄膜电池制备及工作方式

将集电极及隔膜或填充物、电解液一同压制成薄膜形状(片状)，若集电极采用柔性石墨纸则整个电池可实现卷绕，电池外观为薄膜状(片状)。

薄膜电池可平铺于屋顶、山坡、车顶等处，也可制成帐篷、服装等形状，利用自然界中存在的温差、太阳光热能以及人的体温进行发电。当热源从一端给薄膜加热时，将在薄膜两面(两个集电极)间形成电势差。

Claims (4)

1.一种以一种或多种电解质(包括酸、碱、盐以及高分子电解质等)等为工作介质，利用电解质的离子导电性和离子导热性，将热能直接转换为电能的技术及其原理。

2.一种利用电解质中正负离子的分子量差，通过加热将正负离子分离的方法。

3.根据权利要求1或2所述的一种将热能直接转换为电能的装置，即电解质热电池。

4.根据权利要求1或2所述制备电解质热电池的工艺，其特征在于它的生产工艺流程及控制条件如下：

电解质热电池由电解质、隔膜或填充物、集电极和电池外壳四部分组成，其形状可为柱状、筒状、薄膜(片状)以及异形等多种形式。外部可通过串联或并联方式以提高输出电压、电流和功率。制备工艺及控制条件如下：

(1)电解质制备：电解质可采用一种或一种以上电解质材料制备而成，可配成溶液，也可高温熔融，或者制成聚合物电解质(胶态或固态)。电解质的选择应充分考虑电解质的溶解度、正负离子的分子量差、稳定性、安全环保等，确保电解质热电池的稳定性和一致性。

(2)集电极制备：为避免与电解质发生电化学反应而消耗，集电极采用石墨等惰性材料，两片集电极可制成片状或卷成筒状分别位于电池的冷端和热端，在集电极上焊接金属导线用于与外电路连接；

(3)隔膜或填充物制备：隔膜或填充物用于隔开电池的冷热(正负)两端，并为电池提供良好的内部环境。隔膜或填充物应具有良好的选择性离子透过性和耐高温耐腐蚀特性，在溶液状态下，隔膜或填充物还应具备良好的吸附和锁定电解液的特性。

(4)外壳制备：外壳对电池起到保护和热量管理作用。外壳可采用陶瓷或树脂等绝缘、隔热、耐高温材料以尽量减少热量损耗，提高热-电转换效率，但在两端集电极处应采用高导热材料以确保热量的高效传递和两个集电极间的合理温差。

(5)电池封装：将隔膜或填充物浸润在电解质中，并随电解质一同放入两个集电极中间形成电芯，并将电芯置入电池外壳中，用耐高温绝缘胶进行封装。

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