CN105633265A - 具有导引电极的电解质温差电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有导引电极的电解质温差电池，包括电解质、高温电极、低温电极和导引电极，导引电极与高温电极电连接，高温电极位于高温端，导引电极和低温电极位于低温端，导引电极和低温电机相邻相对设置，导引电极、高温电极和低温电极位于电解质中。本发明在高温电极和低温电极之间再引入一个导引电极，通过导引电极来克服冷热两端电极间因热传导问题和电池内阻问题而产生的矛盾。本发明成本低廉，电极所使用的原材料，来源丰富、成本低廉，核心设备产品制造工艺简单，而且在生产过程中绝对没有对环境产生污染的副产物产生。本发明可广泛使用自然界中各种不同形式的温差热能，可将大自然各种形式的温差热能有效地转换为电力能源。

Description

具有导引电极的电解质温差电池

技术领域

本发明涉及温差电池，更具体地说，涉及一种具有导引电极的电解质温差电池。

背景技术

迫于因一次性能源逐步减少面临逐步枯竭的趋势以及因一次性能源的过度使用所造成的环境破坏，导致人类生存环境日益恶劣化趋势的压力，“节能减排、有效利用可再生资源”已成当今国际社会的普遍共识，朝着这个目标，国际社会尤其是众多发达国家及一些发展中国家，都在进行着不懈的努力，尽量减少一次性能源的使用，加大投入可再生能源的开发利用，特别是针对洁净可再生能源的开发利用项目，是一个长期的而又明显持续增长的发展趋势。

众所周知，洁净、安全而又取之不尽的可再生能源，如太阳能、地热资源以及其它形式的热能都是比较突出的开发使用对象，有效开发这些资源的技术支持就成了当今竞争的热点，只有把这些取之不尽的可再生能源，逐步纳入作为人类主导使用能源，人类才能逐步摆脱对一次性能源的依赖，才能逐步减缓人类生存环境的恶化程度。

目前这些随处可见的廉价可再生清洁能源，其电能转换设备(如光伏电池、半导体温差电池等)虽然理论前景令人看好，但在实际生产运用过程中仍还存在较多各种缺陷，要么是存在着转换效率低，发电成本高的缺陷，不适合大规模生产，要么是在制造生产这种能源装换装置过程中，本身对环境存在着一定程度的环境污染的弊端，从而成为发展过程中的瓶颈，导致可再生能源开发使用一直未能进入人们的主导能源使用的行列，使得自然界大量可利用的清洁能量资源白白流失浪费，因此人类目前因生存发展需求还一时无法摆脱对传统一次性能源的依赖，从而导致目前全球环境恶化的趋势无法从根本上得到有效改善。

鉴于以上情况，人类迫切需要一种能把大量随处“可见”的这些大自然无偿赐给人类的可再生能量资源，无污染、廉价地转换为人们随时方便使用是高级电力能源的装换装置，从而让这些大自然的无尽资源造福人类，服务人类，使人类生产力在基础上得到良性循环发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种热能转换效率高的具有导引电极的电解质温差电池。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种具有导引电极的电解质温差电池，包括电解质、高温电极和低温电极，还包括导引电极，所述导引电极与高温电极电连接，所述高温电极位于高温端，所述导引电极和低温电极位于低温端，所述导引电极和低温电机相邻相对设置，所述导引电极、高温电极和低温电极位于电解质中。

上述方案中，所述导引电极、高温电极和低温电极为碳素电极。

上述方案中，所述导引电极和低温电极平行间隔交错设置，可单层交错设置也可多层交错设置。

上述方案中，所述导引电极、高温电极、低温电极和电解质位于密封外壳内。

上述方案中，高温端加热的方式为热水加热、热空气加热或太阳能辐射加热或其它直接或间接加热方式，控制高温端温度不高于100摄氏度。

实施本发明的具有导引电极的电解质温差电池，具有以下有益效果：

1、在高温电极和低温电极之间再引入一个导引电极，通过导引电极来克服冷热两端电极间因热传导问题和电池内阻问题而产生的矛盾。

2、成本低廉，电极所使用的原材料，来源丰富、成本低廉；它所使用的全部是普通常见原料，电极为各种普通石墨，电解质也是极其普通的化工原料配制而成；

3、核心设备产品制造工艺简单，而且在生产过程中绝对没有对环境产生污染的副产物产生。

4、发电过程中悄无声息，无需专职人员值守，安全可靠，性能稳定。

5、只要有温差存在地方就可有电力能源，可广泛使用自然界中各种不同形式的温差热能，可将大自然各种不同形式的温差热能有效地转换为人们方便使用的电力能源

5、本发明可以将100℃以下的温差能低级热能直接转变为电能，能量利用转换率高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1a、图1b是本发明具有导引电极的电解质温差电池工作原理的等效电路图；

图2是电解质温差电池单体的平面电路示意图；

图3是立式夹芯式电解质温差电池单体的电路图；

图4是立式夹芯式电解质温差电池单体的主视图；

图5是立式夹芯式电解质温差电池单体的侧视图；

图6是多层立式夹芯式电解质温差电池单体的示意图；

图7是多层立式夹芯式电解质温差电池单体另一实施例的示意图；

图8是太阳能式电解质温差电池立式夹芯结构单体的结构示意图；

图9是电解质温差电池总装示意图；

图10是电解质温差电池组的电路图；

图11是水浴型电解质温差电池工作原理结构示意图；

图12是太阳能辐射型电解质温差电池工作原理结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-图12所示，本发明具有导引电极的电解质温差电池包括电解质2、高温电极1、导引电极3和低温电极4。

导引电极3与高温电极1电连接，高温电极1位于高温端，导引电极3和低温电极4位于低温端，导引电极3和低温电机相邻相对设置，导引电极3、高温电极1和低温电极4位于电解质2中。

本发明电解质温差电池发电原理与其他温差电池(如半导体温差电池、热电偶等)基本相同，类似于“塞贝克(seebeck)效应”所产生的效果。其主体都是在两种不同导体接触界面之间因两种导体内部的导电粒子的激发能级所产生的差异，导致接触面形成定向扩散电场，这种定向扩散电场在不同类型的半导体界面形成的就是PN结，当两个接触界面温度出现差异时，其界面电子作定向自由扩散形成差异，从而在两端产生电势差，实现热能直接转换为电能的目的。

本发明电解质温差电池所涉及的两种“导体”，一种是通常所用的惰性电极，本实施例中的惰性电极(导引电极3、高温电极1和低温电极4)为碳素电极，例如石墨、碳、石墨烯，另一种“导体”材料则是用普通化工原材料配制的水基电解质2，这种由碳素电极与电解质2相互接触所形成的“PN结”，只需碳素电极插入水基电解质2中就可大面积形成“PN结”电容界面，在两端界面有温度差情况下就可形成温差电势，其等效电路如图1a、图1b所示。

图1a、图1b是A、B两个化学性质完全相同的碳素电极在水基电解质2中形成的等效电路。当碳素电极和水基电解质2接触时，碳素电极与电解质2接触面的碳原子中未成键的那个自由电子，一部分扩散到电解质2中，与电解质2中的正离子缔合，形成一层类似PN结的定向电场，这个电场电势大约在1伏左右。“PN结”界面的电解质2一面的电子在热力温度的作用“推动”下，穿过“PN结”的电场阻碍层跃迁到“PN结”界面的另一面。不同的温度下，其穿透能力也不相同，温度越高“穿透”能力越强，因此，当碳素电极与电解质2的结面处在不同的温度环境下时，在它们之间就会形成电势差，这个电势差与温度差在一定温度范围内成正比例关系，连接两端电极就会在回路中产生电流，从而实现由温差热能直接转化为电能的目的。

另外，这一层由碳素电极与水基电解质2所形成的“PN结”界面，不仅接触面大，而且“PN结面”电场层非常薄，间距在纳米级，从而使得这一层接触面自然构成了一个巨大容量的电容，且具有很明显储存和释放电荷的功能，我们通常所说的超级电容就是在这个状态下形成的，因此，在实际电解质2温差发电过程有一些与其它类型温差电池不同的充放电特征都与这个自然形成的超级电容有极大的关联，从这个角度来说它就是一个超级电容发电器。

在实际运用操作过程中，如果简单地把惰性电极放入电解质2两端形成高温电极1——电解质2——低温电极4的结构方式，虽然也能产生温差电势，形成温差电流，但在这样的结构环境下所产生的热电转换效率实际是非常低的。这是因为，若两冷热电极相隔间距过小，那么两端热传导过快，导致两电极间的温差减少，热量流失，就不能形成有效电势温差，从而达不到热电转换效果。若两冷热电极相隔间距过大，就会导致温差电池内阻过大，不能形成有效输出电流，从而达不到实用效果。如间距适中，那么不仅热传导快，而且电池内阻也不会太小，其热电转换效率无法提高到实用效果。

因此在实际运用过程中是不能简单的采用高温电极1——电解质2——低温电极4的结构方式的，而必须采取一种既不能让冷热两电极在它们中间的热传导过快，而导致温差电极的两端温度接近平衡，同时还要保证电池内阻不因电极间距过大而增加。本发明在高温电极1和低温电极4之间再引入一个导引电极3，通过导引电极3来克服冷热两端电极间因热传导问题和电池内阻问题而产生的矛盾。

本发明电解质温差电池采用具有离子导电特性的水基电解质2，置于如图2所示的具有相同化学性质的高温电极1、导引电极3和低温电极4之间。在同一电解质体系中的电解质2互不阻隔，高温电极1与低温电极4之间相距15-50mm左右，并可根据需要还可以适当调整间距大小。这种间距主要是为了保证高温电极1与低温电极4的热量传导起到一定的阻隔作用，使两电极之间保证能形成有效温差。导引电极3在高温电极1和低温电极4之间，并且尽量接近低温电极4，使导引电极3与低温电极4之间在电解质2溶液中保持最小间距，目的是为了保证温差电池的容量最大、内阻最小。导引电极3与高温电极1电连接，目的是把高温电极1所产生的温差电子引入到与低温电极4的最小间距范围内形成电容电势。

电解质温差电池在工作发电状态时，将60℃-95℃的“高温”热能传导给高温电极1，同时与处在室温下(约10℃-35℃)的低温电极4之间产生一定的温差电势，其电势差(电流)同时传导给引导电极和低温电极4之间形成相同的电势差，通过外电路端口A、B把电能输出，同时低温电极4还要把高温电极1所传导过来的热量自然散失到空间中去，使高温电极1和低温电极4之间保持一个相对持续稳定的温差环境。

在图2所示的电路结构示意图中，高温电极1、导引电极3和低温电极4都是平行排列的，称为平面结构型。为了进一步提高转换效率，同时也要适应不同热源发电功能的需要，可以进一步优化结构，把整个结构调整为立式夹心结构，如图3-图5所示。

图3为电解质温差电池单体立式夹芯结构的电路图，其工作原理及其各部分功能和图2基本一样，只是形式结构略有改变。

图4、图5为电解质温差电池立式夹芯结构单体的结构示意图。导引电极3、高温电极1、低温电极4和电解质2位于密封外壳5内。高温电极1位于密封外壳5腔体一端，导引电极3与低温电极4在密封外壳5腔体另一端，导引电极3和高温电极1之间用导线等方式实现电连接，导引电极3的左右两侧都与低温电极4相对，在一个适当狭窄密封外壳5内，既要保证减小高温电极1与低温电极4间的无效热传导，同时还要有足够容量的导电电解质，使得导引电极3与高温电极1之间的循环电流尽量畅通。导引电极3、高温电极1和低温电极4也可以设置多层，导引电极3和低温电极4平行间隔交错设置，图6、图7所示。

图8是太阳能式电解质温差电池立式夹芯结构单体的结构示意图，密封外壳5的顶部设有密封玻璃6。太阳光透过密封玻璃6对高温电极1和电解质2进行加热，提高高温电极1所处的高温端的温度。

高温电极1与低温电极4成上下相互竖直包围平行，形成扁平的包围空腔，空腔里面充满电解质2，同时导引电极3夹在低温电极4中间，当高温电极1与低温电极4形成温差时，高温电极1与低温电极4间形成温差电势，导引电极3与高温电极1相连，电势差通过导引电极3与低温电极4导出，从而实现温差热能转换为电能。这个方案的优势在于，加热和散热面积大，而中间电解质2隔热层呈扁平状，上下隔热效果好，可有效提升热能转换效率。

由于电解质温差电池单体所产生的电势差在10^-1v的数量级，单体电池还不能适用于人们日常用电器具的电势用电标准，因此要达想达到实用标准，还必须使多个单体电池形成一定的串并联组合，才可形成实用的用电电源。

图9是电池单体组合示意图。把电解质温差电池单体，按照功能需求制作成一个集合整体，一面(高温电极1)密封在高温加热区，使其不断吸收热量，而另一面(低温电极4)保持在自然通风环境自然散热，构成一个较为固定的温差环境，使其在这一环境下行使温差发电功能。只要形成了一定规模数量的电解质温差电池组，单片之间按图10的电路方式连接起来，在水的沸点温度(100℃)以下，并且在高温电极1和低温电极4之间维持30—50℃的温差环境，就可足以维持温差电池的实用发电功能。

本发明具有导引电极的电解质温差电池有水浴型和太阳能辐射型两种发电方式，相应的高温端加热的方式为热水加热和太阳能辐射加热。

图11反映的是电解质温差电池单片在一定规模的结构组合的情况下，电池片组合体一端进行60℃——95℃水浴加热(注：电解质温差电池片和加热水浴在相互密封隔离的环境中)，而另一端在自然温度环境中自然冷却，从而产生温差电势。热水可以使清洁燃料热水、太阳能热水、地热(温泉)热水或其它废热热水。

图12反映的是电解质温差电池单片通过一定规模的结构组合，形成以直接接受太阳光辐射为特征的电池组系统，电池片组合体一端直接在阳光的辐射下加热提升温度，电池片组合体另一端在太阳背光面的自然环境下自然散热冷却，使温差电池组合体形成温差，从而产生温差电势。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种具有导引电极的电解质温差电池，包括电解质、高温电极和低温电极，其特征在于，还包括导引电极，所述导引电极与高温电极电连接，所述高温电极位于高温端，所述导引电极和低温电极位于低温端，所述导引电极和低温电机相邻相对设置，所述导引电极、高温电极和低温电极位于电解质中。

2.根据权利要求1所述的具有导引电极的电解质温差电池，其特征在于，所述导引电极、高温电极和低温电极为碳素电极。

3.根据权利要求1所述的具有导引电极的电解质温差电池，其特征在于，所述导引电极和低温电极平行间隔交错设置，设置单层或多层。

4.根据权利要求1所述的具有导引电极的电解质温差电池，其特征在于，所述导引电极、高温电极、低温电极和电解质位于密封外壳内。

5.根据权利要求1所述的具有导引电极的电解质温差电池，其特征在于，高温端加热的方式为热水加热、热空气加热或太阳能辐射加热。

6.根据权利要求1所述的具有导引电极的电解质温差电池，其特征在于，所述高温电极所处的高温端温度不高于100摄氏度。