CN106992716B

CN106992716B - 反电渗析热能发电装置及方法

Info

Publication number: CN106992716B
Application number: CN201710333649.9A
Authority: CN
Inventors: 何建军; 尹业峰; 陈荐; 郭超然; 余熙子
Original assignee: Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2017-05-12
Filing date: 2017-05-12
Publication date: 2024-01-19
Anticipated expiration: 2037-05-12
Also published as: CN106992716A

Abstract

本发明公开了一种反电渗析热能发电装置及方法，该装置包括极室和对极室进行加热的热源，极室中设有电解质溶液，极室通过离子选择性通透膜分隔为高浓度电解质溶液室和低浓度电解质溶液室，所述电解质溶液为酸溶液、碱溶液或盐溶液；酸溶液中，阴离子在水中的放电顺序在OH^‑之后；碱溶液中，阳离子在水中的放电顺序在H⁺之后；盐溶液中，阴离子在水中的放电顺序在OH^‑之后且阳离子在水中的放电顺序在H⁺之后。该方法包括：将两个电解质溶液室的惰性电极接通，通过热源对极室进行加热。该装置利用低温工业余热发电，且具有发电效率高、热能可利用温度范围大、可持续、无污染、结构简单等优点。

Description

反电渗析热能发电装置及方法

技术领域

本发明属于发电技术领域，尤其涉及一种反电渗析热能发电装置及利用该反电渗析热能发电装置进行发电的方法。

背景技术

当前，我国能源利用仍然存在着利用效率低、经济效益差，生态环境压力大的主要问题。工业热能利用率低是造成能耗高的重要原因，我国至少50％的工业耗能以各种形式的余热被直接废弃，其中余热可回收率达60％，折合约9亿吨标准煤燃烧所释放的热量，约占我国能源消耗总量的1/4，故我国余热利用率提升空间大，节能潜力巨大。

反电渗析发电技术是一种将离子交换膜两侧因浓度差造成的能量势差直接转化成电能的方法。在江河入海口存在大量天然的盐差能，广受研究工作者青睐。传统反电渗析发电技术采用阴阳离子选择性透过膜交替安装且多组膜对叠加的结构，以海水做为高浓度溶液，河水做为低浓度溶液进行发电，其具有以下特点：需要源源不断地供给经过预处理的海水与河水，且海水与河水预处理成本高；离子选择性透过膜易受污染。

另有一种基于反电渗析发电技术的发电方法，被称为thermal-drivenelectrochemical generator (TDEG)，其将反电渗析装置与热分离器相结合，选用碳酸氢铵溶液作为工作溶液，并通过热分离器获得反电渗析发电所需的浓溶液与稀溶液，达到了余热利用的目的。但目前这种方法仍存在发电效率低、热能可利用温度范围受限、发电系统结构复杂等缺陷^[

因此，有必要开发一种能利用热能发电，尤其利用低温工业余热发电，且发电效率高、热能可利用温度范围大、可持续、无污染、结构简单的发电装置及方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单，成本较低、能充分利用各种低品位热直接转化为电能、不需持续供给电解质溶液、溶液浓度差可自动维持、能在热源中长时间持续工作且对离子选择性透过膜无污染的反电渗析热能发电装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种反电渗析热能发电装置，包括极室和对极室进行加热的热源，所述极室中设有电解质溶液，所述极室通过离子选择性通透膜分隔为高浓度电解质溶液室和低浓度电解质溶液室，所述高浓度电解质溶液室和低浓度电解质溶液室中分别插设有惰性电极；所述电解质溶液为酸溶液、碱溶液或盐溶液；所述酸溶液中，阴离子在水中的放电顺序在OH^-之后；所述碱溶液中，阳离子在水中的放电顺序在H⁺之后；所述盐溶液中，阴离子在水中的放电顺序在OH^-之后，且阳离子在水中的放电顺序在H⁺之后。

上述的反电渗析热能发电装置，优选的，所述电解质溶液为酸溶液时，所述离子选择性通透膜为阳离子选择性通透膜。

上述的反电渗析热能发电装置，优选的，所述酸溶液包括H₂SO₄溶液、HF溶液或HNO₃溶液。

上述的反电渗析热能发电装置，优选的，所述电解质溶液为碱溶液时，所述离子选择性通透膜为阴离子选择性通透膜。

上述的反电渗析热能发电装置，优选的，碱溶液包括NaOH溶液、KOH溶液或LiOH溶液。

上述的反电渗析热能发电装置，优选的，所述电解质溶液为盐溶液时，所述离子选择性通透膜为阳离子选择性通透膜或阴离子选择性通透膜。

上述的反电渗析热能发电装置，优选的，所述盐溶液包括Na₂SO₄溶液、K₂SO₄溶液或Li₂SO₄溶液。

上述的反电渗析热能发电装置，优选的，所述阳离子选择性通透膜为阳离子交换膜或无机纳米通道阳离子选择性透过膜。

上述的反电渗析热能发电装置，优选的，所述阴离子选择性通透膜为阴离子交换膜或无机纳米通道阴离子选择性透过膜。

上述的反电渗析热能发电装置，优选的，所述高浓度电解质溶液室和低浓度电解质溶液室上均设有注水口。

上述的反电渗析热能发电装置，优选的，所述极室中还设有用于减小离子选择性通透膜两侧渗透压差的惰性电解质；所高浓度电解质溶液室和低浓度电解质溶液室中，惰性电解质的浓度相等。

上述的反电渗析热能发电装置，优选的，所述惰性电解质满足以下条件：

（1）阴离子在水中放电顺序在OH^-之后，且阳离子放电顺序在H⁺之后；

（2）不含产生电势差的离子，不与电解质溶液中的离子反应。

上述的反电渗析热能发电装置，优选的，所述惰性电解质还满足以下条件：

（3）与产生电势差的离子同号的离子为二价或二价以上。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种利用上述的反电渗析热能发电装置进行发电的方法，包括以下步骤：将所述高浓度电解质溶液室的惰性电极和低浓度电解质溶液室的惰性电极接通，通过热源对极室进行加热，使高浓度电解质溶液室中的溶质通过离子选择性通透膜进入低浓度电解质溶液室中，从而在离子选择性通透膜的两侧形成电势差。

上述的方法，优选的，所述电解质溶液为酸溶液时，H⁺透过阳离子选择性通透膜从高浓度电解质溶液室扩散到低浓度电解质溶液室中，产生电势差后，所述高浓度电解质溶液室发生反应：2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺，所述低浓度电解质溶液室发生反应：2H⁺+2e^-=H₂↑，H⁺持续透过阳离子选择性通透膜从高浓度电解质溶液室扩散到低浓度电解质溶液室中，维持所述电势差。

上述的方法，优选的，所述电解质溶液为碱溶液时，OH^-透过阴离子选择性通透膜从高浓度电解质溶液室扩散到低浓度电解质溶液室中，产生电势差后，所述低浓度电解质溶液室发生反应：4OH^-－4e^-=O₂↑+2H₂O，所述高浓度电解质溶液室发生反应：4H₂O+4e^-=2H₂↑+4OH^-，OH^-持续透过阴离子选择性通透膜从高浓度电解质溶液室扩散到低浓度电解质溶液室中，维持所述电势差。

上述的方法，优选的，所述电解质溶液为盐溶液，且所述离子选择性通透膜为阳离子选择性通透膜时，阳离子先通过阳离子选择性通透膜从高浓度电解质溶液室扩散到低浓度电解质溶液室中，产生电势差后，所述高浓度电解质溶液室发生反应：2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺，所述低浓度电解质溶液室发生反应：4H₂O+4e^-=2H₂↑+4OH^-；H⁺持续透过阳离子选择性通透膜从高浓度电解质溶液室扩散到低浓度电解质溶液室中，维持所述电势差。

上述的方法，优选的，所述电解质溶液为盐溶液，且所述离子选择性通透膜为阴离子选择性通透膜时，阴离子先通过阴离子选择性通透膜从高浓度电解质溶液室扩散到低浓度电解质溶液室中，产生电势差后，所述低浓度电解质溶液室发生反应：2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺，所述高浓度电解质溶液室发生反应：4H₂O+4e^-=2H₂↑+4OH^-，OH^-持续透过阴离子选择性通透膜从高浓度电解质溶液室扩散到低浓度电解质溶液室中，维持所述电势差。

上述的方法，优选的，所述电解质溶液室通过注水口注入水，补充水的消耗。

本发明的的反电渗析热能发电装置，为单膜两隔室型反电渗析装置，其基本原理是基于溶液浓度差膜扩散，将低温热源转换为电势能。本发明包括四种类型：阳离子酸溶液型、阳离子盐溶液型、阴离子碱溶液型和阴离子盐溶液型。

阳离子酸溶液型反电渗析热能发电装置的发电原理在于：

电解质溶液采用酸溶液，该酸溶液的特点在于，阴离子在水中放电顺序在OH^-之后。离子选择性通透膜为阳离子交换膜或无机纳米通道阳离子选择性透过膜，电极采用惰性电极。H⁺透过阳离子选择性通透膜从高浓度酸溶液扩散到低浓度酸溶液中，使高浓度侧带负电，低浓度侧带正电，在膜两侧产生电势差。两极接通后，由于阴离子在水中放电顺序在OH^-之后，则高浓度酸溶液中的水分子失电子（2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺）；低浓度酸溶液中的H⁺得电子（2H⁺+2e^-=H₂↑）；高浓度一侧生成的H⁺再透过膜扩散到低浓度一侧进行放电，如此循环，该循环过程阳离子通透膜两侧浓度差可自动维持，当水消耗一定量时，补充水即可。

阳离子盐溶液型反电渗析热能发电装置的发电原理在于：

电解质溶液采用盐溶液，该盐溶液的特点在于，阴离子在水中的放电顺序在OH^-之后或与OH^-相同，且阳离子在水中的放电顺序在H⁺之后。离子选择性通透膜为阳离子交换膜或无机纳米通道阳离子选择性透过膜，电极采用惰性电极。阳离子透过阳离子选择性通透膜从高浓度盐溶液扩散到低浓度盐溶液中，使高浓度侧带负电，低浓度侧带正电，在膜两侧产生电势差。两极接通后，由于阴离子在水中的放电顺序在OH^-之后，且阳离子在水中的放电顺序在H⁺之后，则高浓度盐溶液中的水分子失电子（2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺）；低浓度盐溶液中的水分子得电子（4H₂O+4e^-=2H₂↑+4OH^-）；高浓度一侧生成的H⁺再透过膜与低浓度一侧生成的OH^-中和，如此循环，该循环过程阳离子通透膜两侧浓度差可自动维持，当水消耗一定量时，补充水即可。

阴离子碱溶液型反电渗析热能发电装置的发电原理在于：

电解质溶液采用碱溶液，该碱溶液的特点在于，阳离子在水中的放电顺序在H⁺之后。离子选择性通透膜为阴离子交换膜或无机纳米通道阴离子选择性透过膜，电极采用惰性电极。OH^-透过阴离子选择性通透膜从高浓度碱溶液扩散到低浓度碱溶液中，使高浓度侧带正电，低浓度侧带负电，在膜两侧产生电势差。两极接通后，则低浓度溶液中的OH^-失电子（4OH^-－4e^-=O₂↑+2H₂O）；由于阳离子在水中的放电顺序在H⁺之后，则高浓度溶液中的水分子得电子（4H₂O+4e^-=2H₂↑+4OH^-）；高浓度一侧生成的OH^-再透过膜扩散到低浓度一侧进行放电，如此循环，该循环过程阴离子选择性通透膜两侧浓度差可自动维持，当水消耗一定量时，补充水即可。

阴离子盐溶液型反电渗析热能发电装置的发电原理在于：

电解质溶液采用盐溶液，该盐溶液的特点在于，阴离子在水中的放电顺序在OH^-之后，且阳离子在水中的放电顺序在H⁺之后。离子选择性通透膜为阴离子交换膜或无机纳米通道阴离子选择性透过膜，电极采用惰性电极。阴离子透过阴离子选择性通透膜从高浓度盐溶液扩散到低浓度盐溶液中，使高浓度侧带正电，低浓度侧带负电，在膜两侧产生电势差。两极接通后，由于阴离子在水中的放电顺序在OH^-之后，且阳离子在水中的放电顺序在H⁺之后，则低浓度盐溶液中的水分子失电子，（2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺）；高浓度盐溶液中的水分子得电子（4H₂O+4e^-=2H₂↑+4OH^-）；高浓度一侧生成的OH^-再透过阴离子选择性通透膜与低浓度一侧生成的H⁺中和，如此循环，该循环过程膜两侧浓度差与电势差均可自动维持，当水消耗一定量时，补充水即可。

反电渗析热能发电装置在实际运行过程中，浓溶液的渗透压远大于稀溶液的渗透压，所以浓溶液将不断地从稀溶液中吸水，导致稀溶液浓度剧增，这是本发明需避免的。通过往浓溶液和稀溶液中加入不参与反应的惰性电解质（膜两边浓度相等），可以减小膜两侧渗透压差。比如，阳离子酸溶液型，在浓溶液与稀溶液中加入等量的Na₂SO₄试剂。这样就大大减小了膜两侧溶液的渗透压差，又几乎不改变H⁺的浓度差（主要是H⁺浓度差产生电势），同时还增加了稀溶液的导电性。

如此处理带来的不利在于，仍以阳离子酸溶液型为例，加入Na₂SO₄后，膜两侧Na⁺浓度相等，但Na⁺受H⁺所建立的电场的作用，会从某一侧迁徙到另一侧，从而削弱H⁺所建立的电场，即发电电压降低。这也是要避免的。因此，所加入的用于减小膜两侧渗透压差的电解质除了满足不参与反应这个条件之外，最好还能满足另一点，即其在水中的离子为二价或二价以上离子，如MgSO₄，高价离子在离子膜中的透过率远低于一价离子，故离子膜将一定程度阻碍Mg²⁺的通过，从而减少电压的降低。

因此所加入的用于减小膜两侧渗透压差的惰性电解质必须满足的条件包括：

1、阴离子在水中放电顺序在OH^-之后或与OH^-放电顺序相同，如SO₄ ^2-、F^-、NO₃ ^-、OH^-等；且阳离子放电顺序在H⁺之后或与H⁺相同，如Li⁺、Na⁺、K⁺、H⁺等。

2、所加入的电解质不含产生电势差的离子（阳离子酸溶液型、阳离子盐溶液型、阴离子碱溶液型、阴离子盐溶液型产生电势差的离子分别为H⁺、所选工作电解质阳离子、OH^-、所选工作电解质阴离子），且不与原电解质溶液中的离子反应。

最好满足但非必须的条件包括：

①与产生电势差的离子同号的离子为二价或二价以上。

例如：

在阳离子酸溶液型中，满足条件的惰性电解质的阴离子包括：SO₄ ^2-、F^-、NO₃ ^-等，而OH^-与H⁺反应，故OH^-不满足条件；满足条件阳离子包括：Li⁺、Na⁺、K⁺、Mg²⁺等，且Mg²⁺优于Li⁺、Na⁺、K⁺。

在阳离子盐溶液型中，满足条件的惰性电解质的阴离子包括：SO₄ ^2-、F^-、NO₃ ^-等；满足条件阳离子包括：Li⁺、Na⁺、K⁺、Mg²⁺等，且Mg²⁺优于Li⁺、Na⁺、K⁺，但如果原溶液中产生电势差的离子为Na⁺，则加入的电解质不能含有Na⁺。

在阴离子碱溶液型中，满足条件的惰性电解质的阴离子包括：SO₄ ^2-、F^-、NO₃ ^-等；且SO₄ ^2-优于F^-、NO₃ ^-；满足条件阳离子包括：Li⁺、Na⁺、K⁺等，Mg²⁺与OH^-反应，故Mg²⁺不满足条件。

在阴离子盐溶液型中，满足条件的阴离子包括：SO₄ ^2-、F^-、NO₃ ^-等；且SO₄ ^2-优于F^-、NO₃ ^-，但如果原溶液中产生电势差的离子为NO₃ ^-，则加入的电解质不能含有NO₃ ^-；满足条件阳离子包括：Li⁺、Na⁺、K⁺、Mg²⁺等，且Mg²⁺优于Li⁺、Na⁺、K⁺。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的反电渗析热能发电装置，直接加热使装置内电解质溶液温度升高，溶质离子透过离子选择性通透膜时，将一部分热动能转化成电势能，由于选用的电解质浓溶液中，阴离子在水中放电顺序在OH^-之后或与OH^-放电顺序相同，如SO₄ ^2-、F^-、NO₃ ^-、OH^-等；阳离子放电顺序在H⁺之后或与H⁺相同，如Li⁺、Na⁺、K⁺、H⁺等，因而发电过程中实际上为水、H⁺和/或OH^-参与电极反应，因而发电过程离子选择性通透膜两侧溶液浓度差能自动维持，消耗的是水和热能。故不需持续供给电解质溶液，只需在水消耗一定量时补充水即可，一次配制溶液可循环使用，免去了河水和海水预处理环节，简化了发电系统结构，且几乎对离子选择性透过膜没有污染。且本发明能在热源中长时间持续工作；能适应各种低温环境，充分利用各种低品位热，甚至在自然环境中也能发电；另外，本发明结构简单，成本较低本，可串联至外部电路中以提高发电电压。

2、从能量形式转化的角度来看，本发明反电渗析热能发电方法是一种将热能直接转化为电能的方法。目前常见的热能发电方法包括：火电机组发电、有机朗肯循环余热发电、热电偶温差发电等。而本发明与上述方法均存在原理上的不同。本发明对应的发电装置只需对工作溶液加热，使溶液内能增加，便可将溶液的内能直接转化为电能，且本发明对应的发电装置能在100℃以下低温热源中正常工作，甚至能在常温环境中正常发电，热能发电效率高。而目前常见的热电转化方法均不具有上述特点。随着用于该发电方法的离子选择性透过膜性能的提升，该发电方法将可适用于更高、更广的温度条件。

附图说明

图1为本发明的反电渗析热能发电装置结构示意图。

图2为本发明的反电渗析热能发电装置实物图。

图3为实施例1的反电渗析热能发电装置的工作原理图。

图4为实施例1的H⁺扩散示意图。

图5为实施例2的反电渗析热能发电装置的工作原理图。

图6为实施例3的反电渗析热能发电装置的工作原理图。

图7为实施例4的反电渗析热能发电装置的工作原理图。

图8为采用实施例1和实施例2的反电渗析热能发电装置进行电能产生实验曲线图。

图9为采用实施例1和实施例2的反电渗析热能发电装置进行电能释放实验曲线图。

图10为采用实施例1的反电渗析热能发电装置发电中负载电流随温度变化曲线图。

图11为采用实施例1的反电渗析热能发电装置发电中负载电流随H₂SO₄溶液浓度变化曲线图。

标号说明： 1、极室；11、高浓度电解质溶液室；12、低浓度电解质溶液室；2、热源；3、离子选择性通透膜；4、惰性电极；5、注水口。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：

一种本发明的反电渗析热能发电装置，如图1所示，包括极室1和对极室1进行加热的热源2，该极室中设有电解质溶液，极室1通过离子选择性通透膜3分隔为高浓度电解质溶液室11和低浓度电解质溶液室12，所述高浓度电解质溶液室11和低浓度电解质溶液室12中分别插设有惰性电极4；其中，高浓度电解质溶液室11和低浓度电解质溶液室12上均设有注水口5。

本实施例中，离子选择性通透膜3为阳离子交换膜。

本实施例中，电解质溶液为H₂SO₄溶液。

图2为发明的反电渗析热能发电装置实物图（夹紧装置采用浙江赛特膜技术有限公司生产的CT-100电渗析小试设备的夹紧装置），阳极与阴极两个电极均采用钛涂钌不溶性电极，离子交换膜采用杭州绿合环保科技有限公司出售的HoCEM Grion 0011质子交换膜。

一种利用上述本实施例的反电渗析热能反电装置进行发电的方法，包括以下步骤：

在高浓度电解质溶液室11中加H₂SO₄溶液，低浓度电解质溶液室12加蒸馏水，置于50℃恒温热源中，将高浓度电解质溶液室11的惰性电极与低浓度电解质溶液室12的惰性电极用导线接通，进行发电。

本实施例的工作原理如图3所示，H⁺透过阳离子交换膜从高浓度电解质溶液室11中扩散到低浓度电解质溶液室12中，使高浓度侧带负电，低浓度侧带正电，在阳离子交换膜两侧产生电势差。两极接通后，由于SO₄ ^2-在水中放电顺序在OH^-之后，则高浓度酸溶液中的水分子失电子，发生电极反应：2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺；低浓度酸溶液中的H⁺得电子，发生电极反应：2H⁺+2e^-=H₂↑；高浓度一侧生成的H⁺再透过膜扩散到低浓度一侧进行放电，如此循环，该循环过程阳离子通透膜两侧浓度差可自动维持，当水消耗一定量时，补充水即可。

以本实施例为例，阐述本发明发电过程中浓度差可自动维持的原理如下：

如图4所示，设阳离子交换膜两侧分别为物质的量浓度为C_N、C_M（C_N>C_M）的H₂SO₄溶液。扩散定律指出，在溶液中，由于某种组分物质的浓度不均匀，造成这种组分物质的粒子从高浓度的地方向低浓度的地方迁移。阳离子交换膜只允许阳离子通过，不允许阴离子通过，故H⁺将由浓度为C_N的地方迁移到浓度为C_M的地方，SO₄ ^2-不迁移。

系统处于恒温热源中，N、M两侧各插入一惰性电极并用导线连接。N侧的H⁺ 会扩散到M侧。由于H⁺的扩散使得交换膜两侧形成一个方向沿x轴负方向的电场E，H⁺受到与扩散方向相反的电场力的作用，导致H⁺平均平动动能减小。温度的微观实质指出：物体的温度是物体内部作无规则运动的大量分子平均平动动能的“量度”，分子平均平动动能越大，物体的温度越高。故H⁺平均平动动能减小将导致系统温度降低，此时，由于系统处于恒温热源中，当系统温度比热源温度略低时，就有微小的热量传给系统，使系统温度维持不变。在系统内部，H⁺通过扩散由低电势处移到高电势处，储存电势能，在系统外部（导线），H₂O中的电子受电场力作用，电子从低电势处移到高电势处，系统对外做电功，并将一部分电能转化为化学能储存。

根据离子活动顺序表可知，在M侧，必发生电极反应：2H⁺+2e^-=H₂↑，在N侧，必发生电极反应：2H₂O-2e^-=2H⁺+O₂↑。H⁺的扩散使得M侧H⁺浓度升高，N侧H⁺浓度降低，且升高量等于降低量；放电使得M侧H⁺浓度降低，N侧H⁺浓度升高，由电极方程式可知降低量等于升高量；当系统处于动态平衡状态时，在M侧，H⁺因扩散升高的浓度等于因放电降低的浓度，在N侧，H⁺因扩散降低的浓度等于因放电升高的浓度；故M、N两侧H⁺浓度可维持不变，即浓度差维持不变。

实施例2：

一种本发明的反电渗析热能发电装置，结构与实施例1基本相同，其不同点仅在于：本实施例中，电解质溶液为Na₂SO₄溶液。

在高浓度电解质溶液室11中加Na₂SO₄溶液，低浓度电解质溶液室12加蒸馏水，置于50℃恒温热源中，将高浓度电解质溶液室11的惰性电极与低浓度电解质溶液室12的惰性电极用导线接通，进行发电。

本实施例的工作原理如图5所示，Na⁺透过阳离子交换膜从高浓度电解质溶液室11扩散到低浓度电解质溶液室12中，使高浓度侧带负电，低浓度侧带正电，在膜两侧产生电势差。两极接通后，由于SO₄ ^2-在水中的放电顺序在OH^-之后，且Na⁺在水中的放电顺序在H⁺之后，则高浓度电解质溶液室11中的水分子失电子，发生电极反应：2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺；低浓度电解质溶液室12中的水分子得电子，发生电极反应：4H₂O+4e^-=2H₂↑+4OH^-；高浓度一侧生成的H⁺再透过膜与低浓度一侧生成的OH^-中和，如此循环，该循环过程阳离子通透膜两侧浓度差可自动维持，当水消耗一定量时，补充水即可。

实施例3：

一种本发明的反电渗析热能发电装置，结构与实施例1基本相同，其不同点仅在于：本实施例中，离子选择性通透膜3为阴离子交换膜，电解质溶液为NaOH溶液。

在高浓度电解质溶液室11中加NaOH溶液，低浓度电解质溶液室12加蒸馏水，置于50℃恒温热源中，将高浓度电解质溶液室11的惰性电极与低浓度电解质溶液室12的惰性电极用导线接通，进行发电。

本实施例的工作原理如图6所示，OH^-透过阴离子交换膜从高浓度电解质溶液室11扩散到低浓度电解质溶液室12中，使高浓度侧带正电，低浓度侧带负电，在膜两侧产生电势差。两极接通后，则低浓度溶液中的OH^-失电子，发生电极反应：4OH^-－4e^-=O₂↑+2H₂O；由于Na⁺在水中的放电顺序在H⁺之后，高浓度溶液中的水分子得电子，发生电极反应：4H₂O+4e^-=2H₂↑+4OH^-；高浓度一侧生成的OH^-再透过膜扩散到低浓度一侧进行放电，如此循环，该循环过程阴离子选择性通透膜两侧浓度差可自动维持，当水消耗一定量时，补充水即可。

实施例4：

一种本发明的反电渗析热能发电装置，结构与实施例1基本相同，其不同点仅在于：本实施例中，离子选择性通透膜3为阴离子交换膜，电解质溶液为Na₂SO₄溶液。

本实施例的工作原理如图7所示，SO₄ ^2-透过阴离子交换膜从从高浓度电解质溶液室11扩散到低浓度电解质溶液室12中，使高浓度侧带正电，低浓度侧带负电，在膜两侧产生电势差。两极接通后，由于SO₄ ^2-在水中的放电顺序在OH^-之后，且Na⁺在水中的放电顺序在H⁺之后，则低浓度盐溶液中的水分子失电子，发生电极反应：2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺；高浓度盐溶液中的水分子得电子，发生电极反应：4H₂O+4e^-=2H₂↑+4OH^-；高浓度一侧生成的OH^-再透过阴离子选择性通透膜与低浓度一侧生成的H⁺中和，如此循环，该循环过程膜两侧浓度差可自动维持，当水消耗一定量时，补充水即可。

实施例5：

采用实施例1和实施例2的反电渗析热能发电装置进行电能产生与释放实验

实验条件为：实施例1的反电渗析热能发电装置中，高浓度电解质溶液室11中加浓度为1 mol/L H₂SO₄溶液，低浓度电解质溶液室12加蒸馏水；实施例2的反电渗析热能发电装置中，高浓度电解质溶液室11中加浓度为0.5 mol/L Na₂SO₄溶液，低浓度电解质溶液室12加蒸馏水；二者均在常温下进行发电。

实验步骤：使两电极开路，开路电压逐渐上升，装置进行电能产生并自动存储的过程，实验记录如图8所示。当电能存储到一定量时，两极之间接入100Ω负载，负载电流逐渐下降，装置进行电能释放过程。实验记录如图9所示。结果表明实施例1和实施例2的反电渗析热能发电装置均实现了热能发电。

实施例6：

采用实施例1反电渗析热能发电装置进行负载电流与温度关系测定实验

实验条件为：实施例1的反电渗析热能发电装置中，高浓度电解质溶液室11中加浓度为0.5 mol/L H₂SO₄溶液，低浓度电解质溶液室12加蒸馏水。

实验步骤：两极之间接入1000Ω负载，足够长时间后，电流基本稳定，将装置置于电子恒温箱中，以模拟热源，通过设置恒温箱温度改变热源温度。负载电流随温度变化曲线如图10所示。结果表明本发明在常温~约55℃温度的热源情况下均实现了热能发电，且本发明只需对其工作溶液加热，使溶液内能增加，便可将溶液的内能直接转化为电能，其系统结构简单。

实施例7：

采用实施例1反电渗析热能发电装置进行负载电流与浓度差关系测定实验

实验条件为：实施例1的反电渗析热能发电装置中，高浓度电解质溶液室11中加不同浓度的H₂SO₄溶液进行实验，低浓度电解质溶液室12加蒸馏水，常温下进行发电。

实验步骤：两极之间接入100Ω负载，中够长时间后，电流基本稳定，记录不同浓度的H₂SO₄溶液对应的稳定后的电流。负载电流随H₂SO₄溶液浓度变化曲线如图11所示。结果表明输出电压与输出电流可通过提高膜两侧溶液浓度差来增大，曲线有一个下降的趋势可能是因为溶液浓度太高对离子交换膜性能的影响所致。

实施例8：

采用实施例2反电渗析热能发电装置进行反复储、放电实验

实验条件为：实施例2的反电渗析热能发电装置中，高浓度电解质溶液室11中加浓度为0.5 mol/L Na₂SO₄溶液，低浓度电解质溶液室12加蒸馏水。

实验步骤：使两电极开路，装置进行电能产生并自动存储的过程，当电能存储到一定量时，使两极短路，装置进行电能释放过程，交替进行开路与短路操作，并反复操作多次。实验结果显示，装置能实现反复储、放电，说明本发明发电过程中离子交换膜两侧溶液浓度差可自动维持，一次配制溶液可长期使用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种反电渗析热能发电装置，其特征在于，包括极室和对极室进行加热的热源，所述极室中设有电解质溶液，所述极室通过单个离子选择性通透膜分隔为高浓度电解质溶液室和低浓度电解质溶液室，所述高浓度电解质溶液室和低浓度电解质溶液室中分别插设有惰性电极；所述电解质溶液为酸溶液、碱溶液或盐溶液；所述酸溶液中，阴离子在水中的放电顺序在OH^-之后；所述碱溶液中，阳离子在水中的放电顺序在H⁺之后；所述盐溶液中，阴离子在水中的放电顺序在OH^-之后，且阳离子在水中的放电顺序在H⁺之后；

所述电解质溶液为酸溶液时，所述离子选择性通透膜为阳离子选择性通透膜；

所述电解质溶液为碱溶液时，所述离子选择性通透膜为阴离子选择性通透膜；

所述电解质溶液为盐溶液时，所述离子选择性通透膜为阳离子选择性通透膜或阴离子选择性通透膜；

所述极室中还设有用于减小离子选择性通透膜两侧渗透压差的惰性电解质；所述高浓度电解质溶液室和低浓度电解质溶液室中，惰性电解质的浓度相等；所述惰性电解质满足以下条件：

2.一种利用如权利要求1所述的反电渗析热能发电装置进行发电的方法，包括以下步骤：将所述高浓度电解质溶液室的惰性电极和低浓度电解质溶液室的惰性电极接通，通过热源对极室进行加热，使高浓度电解质溶液室中的溶质通过离子选择性通透膜进入低浓度电解质溶液室中，从而在离子选择性通透膜的两侧形成电势差。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电解质溶液为酸溶液时，H⁺透过阳离子选择性通透膜从高浓度电解质溶液室扩散到低浓度电解质溶液室中，产生电势差后，所述高浓度电解质溶液室发生反应：2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺，所述低浓度电解质溶液室发生反应：2H⁺+2e^-=H₂↑，H⁺持续透过阳离子选择性通透膜从高浓度电解质溶液室扩散到低浓度电解质溶液室中，维持所述电势差。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电解质溶液为碱溶液时，OH^-透过阴离子选择性通透膜从高浓度电解质溶液室扩散到低浓度电解质溶液室中，产生电势差后，所述低浓度电解质溶液室发生反应：4OH^-－4e^-=O₂↑+2H₂O，所述高浓度电解质溶液室发生反应：4H₂O+4e^-=2H₂↑+4OH^-，OH^-持续透过阴离子选择性通透膜从高浓度电解质溶液室扩散到低浓度电解质溶液室中，维持所述电势差。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电解质溶液为盐溶液，且所述离子选择性通透膜为阳离子选择性通透膜时，阳离子先通过阳离子选择性通透膜从高浓度电解质溶液室扩散到低浓度电解质溶液室中，产生电势差后，所述高浓度电解质溶液室发生反应：2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺，所述低浓度电解质溶液室发生反应：4H₂O+4e^-=2H₂↑+4OH^-；H⁺持续透过阳离子选择性通透膜从高浓度电解质溶液室扩散到低浓度电解质溶液室中，维持所述电势差。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电解质溶液为盐溶液，且所述离子选择性通透膜为阴离子选择性通透膜时，阴离子先通过阴离子选择性通透膜从高浓度电解质溶液室扩散到低浓度电解质溶液室中，产生电势差后，所述低浓度电解质溶液室发生反应：2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺，所述高浓度电解质溶液室发生反应：4H₂O+4e^-=2H₂↑+4OH^-，OH^-持续透过阴离子选择性通透膜从高浓度电解质溶液室扩散到低浓度电解质溶液室中，维持所述电势差。