CN106898805A - 一种浓差电池 - Google Patents

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Abstract

一种浓差电池，由阳极室，与离子交换膜相贴合的阳极，交替排列的阴离子交换膜、阳离子交换膜，与离子交换膜相贴合的阴极，阴极室依次从左至右顺序排列组成；交替排列的阴离子交换膜、阳极离子交换膜之间留有间隙，形成独立的1个以上的碱液室和1个以上的酸液室；碱液室和酸液室从左至右依次交替排列。本发明所述浓差电池，兼具废物处理、CO2减排，发电，生产化学品三重作用；H2用量小，无危险，且在整个电池体系内部无净消耗；无运动部件，维护成本低。

Description

一种浓差电池
技术领域
本发明属于浓差发电及CO2利用减排技术领域，具体涉及一种基于固体电解质的浓差电池，该电池可将浓差能直接转化为电能，同时生产化学品。
背景技术
日益增加的能源需求及迫使人们寻求新技术发展可再生能源。盐差能是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源，它是指两种不同含盐浓度水之间的化学电位差能。海水和河水之间的的化学电位差约相当于200米高的水位势差，亦即在江河入海口建立的盐差发电厂理论容量与落差200米的水力发电站相当。利用反向电渗析将海水盐差能直接转变为电能的技术发展迅速。
然而，除了自然界存在的盐浓差外，各类工业排放的诸多废料也蕴含巨大的浓差能。如能将此充分利用，将会一举多得：1.处理废料；2，产生电能；3，生产化学品。
CO2及SO2是常见酸性的废气，电石渣(主要成分为Ca(OH)2)是常见的碱性废物。二者间H+(OH-)离子的浓度差引起的电势差可至0.5V，远高于于河水同海水0.1V电势差。当以NaCl为支持电解质时，此浓差电池在产电的同时可生产Na2CO3、NaHCO3等基础化工原料。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的在于提供一种基于交替排列阴阳离子交换膜的浓差电池。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种浓差电池，其特征在于：由阳极室、紧贴有离子交换膜的气体扩散电极(阳极)、交替排列的阴、阳离子交换膜、紧贴有离子交换膜的气体扩散电极(阴极)、阴极室组成；交替排列的阴、阳极离子交换膜由绝缘隔板分隔，形成独立的碱液室和酸液室；
所述的阳极室和阴极室相连通，两腔室内充满气态氢气，亦可为储氢材料；
所述紧贴在气体扩散电极(阳极)的离子交换膜可以为阳离子交换膜，亦可为阴离子交换膜；所述紧贴在气体扩散电极(阴极)的离子交换膜可以为阳离子交换膜，亦可为阴离子交换膜；
所述的气体扩散电极(阳极)具有电催化氧化H2的能力，所述的气体扩散电极(阳极)为具电催化还原H2的能力；
所述气体扩散电极中的电催化剂为铂、钯、钌、镍、铬、钴、铜、钨、铁、铈、钼、铅中的一种或两种以上的合金，或为碳担载型的以上金属中一种或两种以上的合金，但并不限于以上所列。
所述的酸液室内溶液pH<7,碱液室内溶液pH>7，碱液室和酸液室通入的溶液可以含有中性的支持电解质，碱液室内可以通入碱性气体，酸液室内可以通入酸性气体。
所述的中性支持电解质为NaCl、Na2SO4、NaNO3、KCl、K2SO4、KNO3中的一种或几种，但并不限于以上所列；
所述的碱性气体为NH3
所述的酸性气体为CO2、SO2、HF、HCl中的一种或几种，但并不限于以上所列；
本发明所述浓差电池，具有如下优点：
1.兼具废物处理、CO2减排，发电，生产化学品三重作用；
2.H2用量小，无危险，且在整个电池体系内部无净消耗；
3.无运动部件，维护成本低。
附图说明
图1为本发明所述浓差电池组原理示意图(以两节单池为例)。
其中，101为阳极氢气腔室，102为阴极氢气腔室；103为碱液腔室，104为第一酸液腔室，105为碱液腔室，106为第二酸液腔室；111为气体扩散电极(阳极)，112为气体扩散电极(阴极)；121为紧贴阳极的阳离子交换膜，125为紧贴阴极的阳离子交换膜；122为第一阴离子交换膜，123为阳离子交换膜，124为第二阴离子交换膜。电池运行时，阳极发生氢气电氧化反应：H2-2e-＝2H+，阴极发生氢气电还原反应2H++2e-＝H2。
图2为另一本发明所述浓差电池组原理示意图(以两节单池为例)。
其中，201为阳极氢气腔室A，202为阴极氢气腔室A；203为第一碱液腔室A，204为酸液腔室A，205为第二碱液腔室A，206为酸液腔室A；211为气体扩散电极(阳极)A，212为气体扩散电极(阴极)A；221为紧贴阳极的阴离子交换膜A，225为紧贴阴极的阳离子交换膜A；222为第一阴离子交换膜A，223为阳离子交换膜A，224为第二阴离子交换膜A；电池运行时，阳极发生氢气电氧化反应：H2+2OH-＝2H2O，阴极发生氢气电还原反应2H++2e-＝H2。
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：
气体扩散电极制备：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。本实施例阳极和阴极所用气体扩散电极相同。
将上述所制备电极分置于阳离子交换膜Nafion-115膜一侧，在120℃、2000磅压力下热压一分钟制成一体化膜电极。本实施例所用电极的尺寸为7cm×7cm。本实施例阳极膜电极(指图1中的111和121)和阴极膜电极(指图1中的112和125)相同。
将具有点状流场的不锈钢端板、所制成上述一体化膜电极、阳离子交换膜Nafion-115、阴离子交换膜FAA-3-PK-130、塑料隔板按照图一次序组装成电池组。在不锈钢端板与膜电极间组成的腔室内充入氢气，并将阴阳两氢气腔室用导气管相连通，以使H2在电池内部循环。碱液室内通入0.5mol/L的Ca(OH)2溶液，酸液室支持电解质为1mol/L的NaCl溶液，其中通入300mL/min的CO2气体，采用Arbin电子负载对其进行性能测试，最高功率密度为15.1W/m2。实施例2：
气体扩散电极制备：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。本实施例阳极和阴极所用气体扩散电极相同。
阳极膜电极制备(指图二中的211和221)：将上述所制备电极置于阴离子交换膜FAA-3-PK-130一侧，在120℃、2000磅压力下热压一分钟制成一体化膜电极。本实施例所用电极的尺寸为7cm×7cm。
阴极膜电极制备(指图二中的212和225)：将上述所制备电极置于阳离子交换膜Nafion-115一侧，在120℃、2000磅压力下热压一分钟制成一体化膜电极。本实施例所用电极的尺寸为7cm×7cm。
将具有点状流场的不锈钢端板、所制成上述一体化膜电极、阳离子交换膜Nafion-115、阴离子交换膜FAA-3-PK-130、塑料隔板按照图一次序组装成电池组。在不锈钢端板与膜电极间组成的腔室内充入氢气，并将阴阳两氢气腔室用导气管相连通，以使H2在电池内部循环。碱液室内通入0.5mol/L的Ca(OH)2溶液，酸液室支持电解质为1mol/L的NaCl溶液，其中通入300mL/min的CO2气体，采用Arbin电子负载对其进行性能测试，最高功率密度为12.5W/m2。

Claims (9)

1.一种浓差电池，其特征在于：由阳极室，与离子交换膜相贴合的阳极，交替排列的阴离子交换膜、阳离子交换膜，与离子交换膜相贴合的阴极，阴极室依次从左至右顺序排列组成；
交替排列的阴离子交换膜、阳极离子交换膜之间留有间隙，形成独立的1个以上的碱液室和1个以上的酸液室；碱液室和酸液室从左至右依次交替排列。
2.按照权利要求1所述的浓差电池，其特征在于：
与离子交换膜相贴合的阳极，阳极位于靠近阳极室侧，离子交换膜为阴离子交换膜或阳离子交换膜；
与离子交换膜相贴合的阴极，阴极位于靠近阴极室侧，离子交换膜为阴离子交换膜或阳离子交换膜。
3.按照权利要求1或2所述的浓差电池，其特征在于：于阳极室一侧的阳极表面设有气体扩散层和/或于阴极室一侧的阴极表面设有气体扩散层。
4.按照权利要求1所述的浓差电池，其特征在于：
交替排列的阴离子交换膜、阳极离子交换膜由带通孔的绝缘隔板分隔。
5.按照权利要求1所述的浓差电池，其特征在于：
所述的阳极室和阴极室相连通，两腔室内充满气态氢气和/或充填有储氢材料。
6.按照权利要求1所述的浓差电池，其特征在于：所述的阳极为具有电催化氧化H2的能力，所述的阴极为具电催化还原H2的能力；
所述电极中的电催化剂为铂、钯、钌、镍、铬、钴、铜、钨、铁、铈、钼、铅中的一种或两种以上的合金，或为碳担载型的以上金属中一种或两种以上的合金的负载型催化剂。
7.按照权利要求1所述的浓差电池，其特征在于：
于所述的酸液室内通过或装填的溶液pH<7,碱液室内通过或装填的溶液pH>7；或所述酸液室和碱液室内通过或装填中性支持电解质,同时酸液室内通入酸性气体,碱液室内通入碱性气体。
8.按照权利要求7所述的浓差电池，其特征在于：
于所述的酸液室内通过或装填的溶液pH<7的溶液中含有中性电解质,碱液室内通过或装填的溶液pH>7的溶液中含有中性电解质。
9.按照权利要求7或8任一所述的浓差电池，其特征在于：
所述的中性支持电解质为NaCl、Na2SO4、NaNO3、KCl、K2SO4、KNO3中的一种或二种以上,其阳离子摩尔浓度在0.001-10mol/L；
所述的碱性气体为NH3；
所述的酸性气体为CO2、SO2、HF、HCL中的一种或二种以上；
pH<7溶液为H2SO4、H3PO4、HCl、HClO4、HNO3中的一种或两种以上；或为中性支持电解质溶液通入酸性气体；
pH>7的溶液为Ca(OH)2、NaOH、KOH、Ba(OH)2中的一种或两种以上；或为中性支持电解质溶液通入碱性气体。
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