CN105762396A - 一种采用泡沫金属电极的平板式热再生氨电池 - Google Patents

一种采用泡沫金属电极的平板式热再生氨电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种采用泡沫金属电极的平板式热再生氨电池，包括阳极流场板、阳极泡沫金属电极、阴离子交换膜、阴极泡沫金属电极和阴极流场板；其特征在于：阳极流场板、阳极泡沫金属电极、阴离子交换膜、阴极泡沫金属电极和阴极流场板按从左往右顺序连接，阳极流场板上位于阳极泡沫金属电极侧设置有流体流动通道；阳极电解液入口位于流体流动通道的底部；阳极电解液出口位于流体流动通道的顶部；阴极流场板上位于阴极泡沫金属电极侧也设置有流体流动通道；阴极电解液入口位于阴极流场板上流体流动通道的底部；阴极电解液出口位于阴极流场板上流体流动通道的顶部；本发明提高了电池的性能，强化了物质传输，有效的控制了氨渗透的现象。

Description

一种采用泡沫金属电极的平板式热再生氨电池
技术领域
本发明涉及平板式热再生氨电池,具体涉及一种带有流体流动通道的平板式热再生氨电池。
背景技术
热再生氨电池(ThermallyRegenerativeAmmonia-basedBattery，TRAB)是一种回收低温废热的新型电化学系统产电技术。
TRAB通过结合TES(Liquid-basedthermoelectrochemicalSystem)和SEGS(SalinityGradientEnergySystem)技术，基于热电化学反应，能量来源于金属氨络合物的形成，阴、阳电极处于不同氨浓度条件下产生了电势差。
利用阴阳极出于不同氨浓度条件下产生电势差，其能量来源于金属氨络合物的形成。TRAB主要由阳极和阴极组成，中间以阴离子交换膜分隔。阴、阳极电极均为金属铜电极。作为电化学系统产电技术的一种，TRAB与化学燃料电池(直接甲醇燃料电池DMFC)和生物燃料电池(微生物燃料电池MFC)有一定的相似之处。类比上述两类电池，TRAB内阻也可以分为电化学反应过程控制的传荷内阻、电池结构及材料决定的欧姆内阻和物质传输控制的传质内阻。研究表明，采用优化的电池结构、较小的电极间距和导电性较佳的电极材料均可以降低电池欧姆内阻，从而提高电池性能。
电池电化学反应发生在阴、阳多孔介质电极内部，与此同时伴随着反应物和生成物的传输。在无搅拌或者流动条件下，阴、阳极反应物和生成物的传输主要是通过浓度扩散的方式进行。当电池工作在高电流密度下，电极上发生的电化学反应速率非常快，这意味着在短时间内电极表面需要消耗更多的反应物和产生更多的生成物。反应物是由主体溶液向多孔介质电极内部扩散，而生成物则是由多孔介质电极内部向外部主体溶液扩散。一般而言，反应物和生成物扩散速度要远远小于电化学反应的速率，这就导致物质传输成为电池性能的受限因素。研究表明，物质传输对电池性能起着极其关键的作用。通过增加反应物的流量和浓度可以强化反应物向电极表面反应界面的传质过程，从而提升电池性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种采用泡沫金属电极的平板式热再生氨电池，以获得更高的电池性能。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是，一种采用泡沫金属电极的平板式热再生氨电池，包括阳极流场板、阳极泡沫金属电极、阴离子交换膜、阴极泡沫金属电极和阴极流场板；其特征在于：阳极流场板、阳极泡沫金属电极、阴离子交换膜、阴极泡沫金属电极和阴极流场板按从左往右顺序连接，阳极流场板上位于阳极泡沫金属电极侧设置有流体流动通道；阳极电解液入口位于流体流动通道的底部；阳极电解液出口位于流体流动通道的顶部；阴极流场板上位于阴极泡沫金属电极侧也设置有流体流动通道；阴极电解液入口位于阴极流场板上流体流动通道的底部；阴极电解液出口位于阴极流场板上流体流动通道的顶部；阳极流场板与阳极泡沫金属电极之间以及阳极泡沫金属电极与阴离子交换膜之间由阳极垫片密封；阴离子交换膜与阴极泡沫金属电极之间以及阴极泡沫金属电极与阴极流场板之间由阴极垫片密封。
本发明1)强化了物质传输：本发明采用具有强迫对流传质的流场板可以增强阴、阳极物质传输，同时构建泡沫金属电极结构也十分有利于物质的传输；
2)减少氨渗透：由于采用泡沫金属多孔介质电极覆盖整个阳极传输截面，不但增加氨向阴极的传输阻力，而且在电极内部传输的途中不断被反应消耗；
3)增大电极比表面积：泡沫金属多孔介质电极具有较大的比表面积，有利于提升电池性能，同时三维电极结构易于满足未来该电化学反应体系的放大化需求。
4)减小电池内阻：紧凑的平板式结构使阳极电极、AEM和阴极电极三者紧密贴在一起，导致电池内阻较小，同时简单紧凑的电池结构易于满足未来放大化需求。
5)保证闭式系统产电的可持续性：构建电池电解液闭式循环系统，在不需要添加电解液工质的情况下保证废热的持续利用与电能的持续产出；通过三通阀门控制管路可以实现阴、阳极室的相互转换，以保证长期运行中阴、阳极电极质量的相对稳定。
根据本发明所述的一种采用泡沫金属电极的平板式热再生氨电池的优选方案，所述阳极流场板和阴极流场板上设置的流体流动通道为矩形流道或S形流道。
根据本发明所述的一种采用泡沫金属电极的平板式热再生氨电池的优选方案，阳极泡沫金属电极和阴极泡沫金属电极为泡沫铜电极。
本发明所述的一种采用泡沫金属电极的平板式热再生氨电池的有益效果是：本发明有效的减少了电极之间的间距，增大电极比表面积，降低了电池的欧姆内阻，保证闭式系统产电的可持续性，提高了电池的性能，同时，流体流动通道具有较佳的强迫对流效果，强化了物质传输，在增加了电化学反应的同时还有效的控制了氨渗透的现象，均具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明所述的一种采用泡沫金属电极的平板式热再生氨电池结构示意图。
图2是流场板的正面图。
图3是图2的A-A面剖面图。
图4是电极采用二维铜片电极与采用泡沫铜电极电池的性能比较。
图5是电池采用矩形结构与采用平板式结构电池的性能比较。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的具体描述，但本发明的实施方式不限于此。
参见图1至图3，一种采用泡沫金属电极的平板式热再生氨电池，包括阳极流场板2、阳极泡沫金属电极3、阳极垫片4、18、阳极电极端板6、阳极导流片7、阴极导流片9、阴极电极端板10、阴极垫片12、16、阴离子交换膜17、阴极泡沫金属电极13和阴极流场板14；所述阳极流场板2、阳极泡沫金属电极3、阴离子交换膜17、阴极泡沫金属电极13和阴极流场板14按从左往右顺序连接，在阳极流场板2上位于阳极泡沫金属电极3侧设置有流体流动通道；阳极电解液入口1位于流体流动通道的底部；阳极电解液出口5位于流体流动通道的顶部；在阴极流场板14上位于阴极泡沫金属电极13侧也设置有流体流动通道；阴极电解液入口11位于阴极流场板14上流体流动通道的底部；阴极电解液出口15位于阴极流场板14上流体流动通道的顶部；阳极流场板2与阳极泡沫金属电极3之间以及阳极泡沫金属电极3与阴离子交换膜17之间由阳极垫片4、18密封；阴离子交换膜17与阴极泡沫金属电极13之间以及阴极泡沫金属电极13与阴极流场板14之间由阴极垫片12、16密封。外接负载8分别通过阳极导流片7和阴极导流片9与阳极泡沫金属电极3和阴极泡沫金属电极13连接；阳极电极端板6和阴极电极端板10用于固定泡沫金属电极和流场板；所述阳极流场板2和阴极流场板14上设置的流体流动通道为矩形流道或S形流道。阳极泡沫金属电极3和阴极泡沫金属电极13为泡沫铜电极。
本发明的工作原理是：本发明中间以阴离子交换膜AEM分隔。阴、阳极电极可采用金属铜电极，支持电解质均为Cu(NO3)2和NH4NO3的混合溶液。当往阳极中添加氨水或者鼓入氨气，阳极金属铜被氨水侵蚀发生络合反应，产生电子和四氨合铜离子。产生的电子通过外电路传递到阴极与阴极电解液中的Cu2+相结合，沉积在阴极电极表面。阴、阳极中的阴离子通过AEM迁移形成离子电流，保证了电路的完整性，同时电池内部溶液保持电中性。阴阳极发生的反应如下：
阳极反应：
Cu(s)+4NH3(aq)—Cu(NH3)4 2+(aq)+2e-
E0＝-0.040V
阴极反应：Cu2+(aq)+2e-—Cu(s)
E0＝+0.340V
由此可见，标准工况下阴、阳极之间产生约为0.380V的理论电势差，电子在外电路的定向移动形成了电流。该电池产电持续性很好，只有当阳极电解液中参加络合反应的氨耗尽或阴极电解液中的铜离子耗尽，阴、阳极反应才会停止，电池输出电压才会降为零值，电池停止工作。随着反应的不断进行，序批式工况下阳极电解液中的氨逐渐被消耗完，四氨合铜离子浓度不断升高，同时阴极电解液中的Cu2+浓度也不断降低。
本发明阳极液由阳极室下部缓慢通入，通过流体流动通道缓慢流动并与泡沫金属电极相接触，由于泡膜金属电极多孔的特性，在泡沫金属电极中，阳极液与电极接触发生氧化反应产生金属离子和电子，之后阳极液通过泡沫金属电极渗透到阴离子交换膜，从而达到物质传输的目的，再通过外电路组合成一个完整的回路。
参见图4和图5，不同工况设置如下表：
比较工况1和工况2可知，采用较薄厚度的泡沫金属铜热再生氨电池要比采用铜片电极的热再生氨电池性能约高出10％。当增加泡沫铜厚度到10mm和18mm后，电池性能相对于铜片电极的电池性能分别提升了31.2％和44.2％。这说明了采用泡沫金属电极可以提升热再生氨电池性能。
当减小矩形电池阴阳极电极的间距，见工况5，与工况3相比，工况5电池性能提高了18.8％。比较工况5和工况6可知，当采用平板式电池结构，较佳的物质传输导致电池性能提高了94.1％。而且当流量不断增加时，电池性能继续大幅度提升。这说明了流场板诱导的较佳物质传输能大幅度提升具有泡沫金属电极的热再生氨电池性能。

Claims (3)

1.一种采用泡沫金属电极的平板式热再生氨电池，包括阳极流场板(2)、阳极泡沫金属电极(3)、阴离子交换膜(17)、阴极泡沫金属电极(13)和阴极流场板(14)；其特征在于：阳极流场板(2)、阳极泡沫金属电极(3)、阴离子交换膜(17)、阴极泡沫金属电极(13)和阴极流场板(14)按从左往右顺序连接，阳极流场板(2)上位于阳极泡沫金属电极(3)侧设置有流体流动通道；.阳极电解液入口(1)位于流体流动通道的底部；阳极电解液出口(5)位于流体流动通道的顶部；阴极流场板(14)上位于阴极泡沫金属电极(13)侧也设置有流体流动通道；阴极电解液入口(11)位于阴极流场板(14)上流体流动通道的底部；阴极电解液出口(15)位于阴极流场板(14)上流体流动通道的顶部；阳极流场板(2)与阳极泡沫金属电极(3)之间以及阳极泡沫金属电极(3)与阴离子交换膜(17)之间由阳极垫片(4、18)密封；阴离子交换膜(17)与阴极泡沫金属电极(13)之间以及阴极泡沫金属电极(13)与阴极流场板(14)之间由阴极垫片(12、16)密封。
2.根据权利要求1所述的一种采用泡沫金属电极的平板式热再生氨电池，其特征在于：所述阳极流场板(2)和阴极流场板(14)上设置的流体流动通道为矩形流道或S形流道。
3.根据权利要求1所述的一种采用泡沫金属电极的平板式热再生氨电池，其特征在于：阳极泡沫金属电极(3)和阴极泡沫金属电极(13)为泡沫铜电极。
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