CN103855419A - 一种温差电池 - Google Patents

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Abstract

一种温差电池，包括一由固体电解质膜及分别位于其两侧的第一和第二催化层构成的膜电极，一第一集流单元和一第二集流单元；膜电极中第一催化层侧的温度高于第二催化层侧；膜电极或置于一富有H2的空间环境内部，或置于一富有H2的密封环境中；第一和第二集流单元分别位于膜电极两侧，与膜电极紧密贴合，且于第一和第二集流单元上分别设置有可与外部负载连接的第一和第二集流点。电池工作时，其第一催化层侧温度高，第二催化层侧温度低，因此，两侧存在电化学势差，从而使H2在一侧发生电化学氧化反应，另一侧发生电化学还原反应，在整个电池内部，H2无净消耗。

Description

一种温差电池
技术领域
本发明属于温差发电技术领域，具体涉及一种基于固体电解质的温差电池，该电池可将热能直接转化为电能。
背景技术
日益增加的能源需求及化石能源价格的不断上涨迫使人们寻求新技术来1）提高能源利用率，2）发展可再生能源。热电器件可将热能直接转换为电能，在以上所提的两个方面均有广泛应用前景。目前在各行各业广泛使用热机的效率在30-40％，其余能量全以热能形式耗散于环境中；另外可再生能源也有不少是以热能形式存在，如太阳能光热、地热等。若能将此类热能利用，将会减小对化石能源的依赖。
常见的将热能直接转化为电能的热电器件是基于半导体材料的，此类器件无运动部件、免维护，但目前能量转换效率较低。而涉及电化学反应的温差电池亦可将热能直接转化为电能，其对环境友好，无碳排放，成本较低。这些优势使得温差电池应用前景极为广阔。
传统的温差电池所用电解质是液态电解质；反应物在溶液中传质较慢，电池性能易受浓差极化影响。本发明提供一种基于固态电解质的温差电池。其反应物为H2，因气体扩散要比离子在溶液内扩散快得多，故性能不受浓差极化影响。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的在于提供一种基于固态电解质的温差电池。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种温差电池，包括一由固体电解质膜及分别位于其两侧、并与膜紧密贴合的第一和第二催化层构成的膜电极；
一热源或制冷源，热源用于为膜电极中第一催化层提供热量，制冷源用于摄取膜电极中第二催化层中的热量；使膜电极中第一催化层侧的温度高于第二催化层侧的温度；
膜电极置于一富有H2的空间环境中；
于膜电极两侧分别设置有第一和第二集流单元，它们分别与膜电极紧密贴合，且于第一和第二集流单元上分别设置有可与外部负载连接的第一和第二集流点。
所述固体电解质膜为传导H+的酸性电解质膜或传导OH-的碱性电解质膜。
所述酸性电解质膜为全氟磺酸膜、偏氟磺酸膜、磺酸化后的碳氢类膜或聚苯并咪唑/磷酸（PBI/H3PO4）掺杂膜；碱性电解质膜为季氨类阴离子交换膜或季磷类阴离子交换膜。
所述第一和第二催化层分别由催化氧化和催化还原H2的催化剂及粘结剂构成。
所述催化剂为铂、钯、钌、镍、铬、钴、铜、钨、铁、铈、钼中的一种或两种以上的合金；
或，所述催化剂为碳担载型催化剂，活性成份为铂、钯、钌、镍、铬、钴、铜、钨、铁、铈、钼中的一种或两种以上的合金；
所述碳担载型催化剂中的碳载体为碳粉、碳纳米管、碳气溶胶中的一种。
于膜电极与第一和第二集流单元之间分别设置有第一气体扩散层和第二气体扩散层；
第一和第二气体扩散层为碳纸、碳布、碳毡、金属网、泡沫金属中的一种；或，第一和第二气体扩散层是以碳纸、碳布、碳毡、金属网、泡沫金属中一种为基底，于基底上涂覆有由碳粉和粘结剂构成的微孔层。
所述粘结剂为传导H+的阳离子交换树脂、传导OH-的阴离子交换树脂、非离子型聚合物中的一种或两种以上；
所述阳离子交换树脂为全氟磺酸类、偏氟磺酸类、磺酸化后的碳氢类聚合物中的一种或两种以上；所述的阴离子交换树脂为季氨类或季磷类聚合物中的一种或两种以上；所述的非离子型聚合物为PTFE、PVDF、PBI中的一种或两种以上。
所述热源为太阳光或散热器；所述第一催化层侧的温度为40-220℃；
所述制冷源为制冷压缩机、风冷制备、水冷设备。
所述富有H2的空间环境是H2体积含量50％以上的气体环境，且气体环境中O2、F2、Cl2、Br2、CO2、CO、NH3的体积之和小于总体积的百分之一，SO2、H2S、NO、NO2、C2Cl4的体积之和小于总体积的百万分之一，除上述气体外，该气体环境中仅含有惰性气体。
所述温差电池在具体应用时，可由单节电池串联或并联组成电池组，也可由电池组再进行串联或并联后应用。
在所述温差电池工作过程中，由于第一催化层侧的温度高于第二催化层侧，扩散至两侧催化层上H2将在催化剂表面产生一定的电化学势差异。在富氢环境中无水存在的情况下，需采用质子交换膜，此时第一催化层侧电位将高于第二催化层侧，H2在第一催化层侧发生氧化反应，生成H+和电子，H+通过质子交换膜传输到第二催化层侧，电子通过外电路做功到达第二催化层；达到第二催化层侧的H+和电子在催化剂的作用下发生电化学还原反应生成H2。在富氢环境中有水存在的情况下，需采用阴离子交换膜，此时第一催化层侧电位将高于第二催化层侧，H2与体系中存在的OH-在第二催化层侧发生电化学氧化反应，生成水和电子，电子通过外电路做功到达第一催化层侧，与第一催化层侧的H2O发生电化学还原反应，生成H2和OH-，OH-通过阴离子交换膜传输到第二催化层侧，反应继续进行。
所述温差电池可以采用内侧面具有流道的第一极板和第二极板将膜电极夹紧于其中；所述第一和第二极板由金属或石墨制成；且其靠近膜电极的一侧具有用于贮存H2并供H2流动的点状、或蛇形、或平行沟槽流道；同时，第一和第二极板上同时具有进气口和出气口，供初始充H2用。电池工作前，将H2同时通入第一和第二极板中一定时间后将极板上的进气口和出气口同时封堵，构成一富氢的密封环境。
将所述温差电池置于一具有温差的环境中时，其即可对外发电。如将上述温差电池第一极板端涂覆一层吸光层，并将此极板端置于阳光下，使第一催化层和第二催化层侧形成一定的温度差，该温差电池即可发电；或将上述温差电池的第一极板端置于换热器的散热端，使其内部第一催化层侧的温度高于第二催化层侧，该温差电池即可发电；诸如此类，只要利用环境中的废热或余热将温差电池的第一催化层侧的温度升高，使第一与第二催化层侧形成一定的温度差，该温差电池即可发电。
本发明所述温差电池，具有如下优点：
1.有利于环境中废热和余热的利用；
2.环境友好，无碳排放；
3.产业化前景好，有利于批量生产应用；
4.相比液态电解质温差电池，不受浓差极化的限制，电池性能好。
5.H2用量小，无危险，且在整个电池体系内部无净消耗。
6.无运动部件，免维护。
附图说明
图1为本发明所述温差电池原理示意图。
其中，1为第一集流单元；1’为第二集流单元；2为第一催化层；2’为第二催化层；3为固体电解质膜。A、B之间有一温度差。A为高温端，Ｂ为低温端。高温侧发生反应为：H2-2e-=H+，低温端发生反应为：2H++e-=H2。
图2为一本发明所述温差电池结构示意图。
其中，4为第一极板；5为膜电极组件；6为第二极板；7为第二极板上的进气口；8为第一极板上的进气口；8’为第一极板上的出气口。
图3为实施例1所制造的温差电池恒流放电曲线。
图4为实施例2中温差电池的放电曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作详细的描述。当然本发明并不仅限于下述具体的实施例。
实施例1：
所用气体扩散层为TGP-060。其上涂覆有0.6mg/cm2的碳粉、PTFE混合物，其中PTFE的质量分数为30％。之后再在其上刮涂催化剂浆液。浆液由Pt/C(60％wt.JM公司)、浓度为5％的Nafion溶液、乙醇构成；其中Nafion、Pt/C、乙醇质量比为1：4：20。本实施例第一催化层和第二催化层相同，均用上述制备的电极。
将上述所制备两片电极分别置于Nafion-115膜两侧，在120℃、2000磅压力下热压一分钟制成附有扩散层的一体化膜电极。本实施例所用电极的尺寸为2cm×2cm。
将所制成上述一体化膜电极及具有点状流场的第一和第二不锈钢极板（此时该极板同时用作第一集流单元和第二集流单元），按照图二次序组装成单电池。将H2由进气口通入使其完全占据流道及膜电极内孔洞空间，然后封闭第一极板上的进气口和第二极板上的出气口，同时将第一极板上的出气口和第二极板上的进气口用导气管相连通，以保证H2在电池内部循环。
在电池两端设置一温度差：对第一极板加热至80℃，此时第二极板的温度为66℃。将Arbin电子负载正极同第一极板上的集流点相接，负极同第二极板上的集流点相接，进行恒流（1mA）放电，所测结果见图3。
实施例2：
所述电极制备及单池组装同实施例1。
将温差电池的第一极板4上涂覆一层导热硅脂，再在其上放置一太阳能光热板。将装有光热板的温差电池置于太阳光下，其中光热板朝向太阳。将Arbin电子负载正极同第一极板上的集流点相接，负极同第二极板上的集流点相接，进行放电测试。在不同电流下电池性能曲线如图3。

Claims (10)

1.一种温差电池，其特征在于： 
包括一由固体电解质膜及分别位于其两侧、并与膜紧密贴合的第一和第二催化层构成的膜电极； 
一热源或制冷源，热源用于为膜电极中第一催化层提供热量，制冷源用于摄取膜电极中第二催化层中的热量；使膜电极中第一催化层侧的温度高于第二催化层侧的温度； 
膜电极置于一富有H2的空间环境中； 
于膜电极两侧分别设置有第一和第二集流单元，它们分别与膜电极紧密贴合，且于第一和第二集流单元上分别设置有可与外部负载连接的第一和第二集流点。 
2.如权利要求1所述温差电池，其特征在于： 
所述固体电解质膜为传导H+的酸性电解质膜或传导OH-的碱性电解质膜。 
3.如权利要求2所述温差电池，其特征在于： 
所述酸性电解质膜为全氟磺酸膜、偏氟磺酸膜、磺酸化后的碳氢类膜或聚苯并咪唑/磷酸（PBI/H3PO4）掺杂膜；碱性电解质膜为季氨类阴离子交换膜或季磷类阴离子交换膜。 
4.如权利要求1所述温差电池，其特征在于： 
所述第一和第二催化层分别由催化氧化和催化还原H2的催化剂及粘结剂构成。 
5.如权利要求4所述温差电池，其特征在于： 
所述催化剂为铂、钯、钌、镍、铬、钴、铜、钨、铁、铈、钼中的一种或两种以上的合金； 
或，所述催化剂为碳担载型催化剂，活性成份为铂、钯、钌、镍、铬、钴、铜、钨、铁、铈、钼中的一种或两种以上的合金； 
所述碳担载型催化剂中的碳载体为碳粉、碳纳米管、碳气溶胶中的一种。 
6.如权利要求1所述温差电池，其特征在于： 
于膜电极与第一和第二集流单元之间分别设置有第一气体扩散层和第二气体扩散层； 
第一和第二气体扩散层为碳纸、碳布、碳毡、金属网、泡沫金属中的一种；或，第一和第二气体扩散层是以碳纸、碳布、碳毡、金属网、泡沫金属中一种为基底，于基底上涂覆有由碳粉和粘结剂构成的微孔层。 
7.如权利要求4或6所述温差电池，其特征在于： 
所述粘结剂为传导H+的阳离子交换树脂、传导OH-的阴离子交换树脂、非离子型聚合物中的一种或两种以上； 
所述阳离子交换树脂为全氟磺酸类、偏氟磺酸类、磺酸化后的碳氢类聚合物中的一种或两种以上；所述的阴离子交换树脂为季氨类或季磷类聚合物中的一种或两种以上；所述的非离子型聚合物为PTFE、PVDF、PBI中的一种或两种以上。 
8.如权利要求1所述温差电池，其特征在于： 
所述热源为太阳光或散热器；所述第一催化层侧的温度为40-220℃； 
所述制冷源为制冷压缩机、风冷制备、水冷设备。 
9.如权利要求1所述温差电池，其特征在于： 
所述富有H2的空间环境是H2体积含量50％以上的气体环境，且气体环境中O2、F2、Cl2、Br2、CO2、CO、NH3的体积之和小于总体积的百分之一，SO2、H2S、NO、NO2、C2Cl4的体积之和小于总体积的百万分之一。 
10.如权利要求1所述温差电池，其特征在于： 
所述温差电池在具体应用时，可由单节电池串联或并联组成电池组，也可由电池组再进行串联或并联后应用。 
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