CN109841886B - 一种流化床式热再生氨电池及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种流化床式热再生氨电池及制备方法；一种流化床式热再生氨电池，包括阳极腔室、阴离子交换膜和阴极腔室，阴极腔室和阳极腔室分别设置有电解液进出口在阴极腔室和阳极腔室内分别设置有阴极电解液和阳极电解液；其特征在于：在阳极腔室内设置有第一镍网集电器和磁力转子，所述第一镍网集电器位于靠近阴离子交换膜一侧；在所述磁力转子的四周设置有若干金属铜颗粒；在阴极腔室内靠近阴离子交换膜一侧设置有第二镍网集电器；在阴极腔室内的还设置有若干金属铜颗粒，所述第一镍网集电器和第二镍网集电器通过负载连接；本发明可广泛应用在环保、化工、能源等领域。

Description

一种流化床式热再生氨电池及制备方法
技术领域
本发明涉及热再生氨电池，具体涉及一种流化床式热再生氨电池及制备方法。
背景技术
热再生氨电池(Thermally Regenerative Ammonia-based Battery，TRAB)是一种实现低温余热利用的新型燃料电池。
TRAB结合了TES(Liquid-based thermoelectrochemical System)和SEGS(Salinity Gradient Energy System)技术的优点，在热电化学反应的基础上，从金属氨络合物的形成中获得能量，其阴、阳电极在不同氨浓度条件下产生了电势差，最终实现废热产电。在该系统中，铜氨发生络合反应产生电流，将化学能转化为电能，而热再生指的是通过低温废热对络合产物进行加热分解，将热能转化为化学能，由此实现氨电池的充电。
TRAB主要由阳极和阴极组成，以铜作为电极，中间以阴离子交换膜(AnionExchange Membrane,AEM)分隔实现阴离子迁移，形成稳定电流，构成完整电化学电池系统。作为电化学系统产电技术的一种，TRAB内阻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。
目前电池电极常采用多孔电极，电池电化学反应发生在其内部，与此同时伴随着反应物和生成物的传输。在这种情况下，阴、阳极反应物和生成物的传输主要是通过浓差扩散的方式进行。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。研究表明，通过流动可以强化物质传输。此外，反应面积对电池的性能也有着很大的影响。由此，增大电极比表面积和物质传输可以提升TRAB性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种流化床式热再生氨电池及制备方法，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：一种流化床式热再生氨电池，包括阳极腔室、阴离子交换膜和阴极腔室，阴极腔室和阳极腔室分别设置有电解液进出口在阴极腔室和阳极腔室内分别设置有阴极电解液和阳极电解液；其特征在于：在阳极腔室内设置有第一镍网集电器和磁力转子，所述第一镍网集电器位于靠近阴离子交换膜一侧；在所述磁力转子的四周设置有若干金属铜颗粒；在阴极腔室内靠近阴离子交换膜一侧设置有第二镍网集电器；在阴极腔室内还设置有若干金属铜颗粒，所述第一镍网集电器和第二镍网集电器通过负载连接。
根据本发明所述的一种流化床式热再生氨电池的优选方案，金属铜颗粒的直径小于镍网集电器的孔隙。
根据本发明所述的一种流化床式热再生氨电池的优选方案，阴极电解液采用硫酸铜和硫酸铵的混合溶液，阳极电解液采用硫酸铜、硫酸铵和氨水的混合溶液。
本发明的第二个技术方案是，一种流化床式热再生氨电池的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
第一、建立热再生氨电池，该热再生氨电池包括阳极腔室、阴离子交换膜和阴极腔室，阴极腔室和阳极腔室分别设置有电解液进出口；在阴极腔室和阳极腔室内分别设置有阴极电解液和阳极电解液；在阳极腔室内设置有第一镍网集电器和磁力转子，所述第一镍网集电器位于靠近阴离子交换膜一侧；在所述磁力转子的四周设置有若干金属铜颗粒；在阴极腔室内靠近阴离子交换膜一侧设置有第二镍网集电器；在阴极腔室内还设置有若干金属铜颗粒；
第二、将所述第一镍网集电器和第二镍网集电器通过负载连接；将阴极电解液和阳极电解液分别通过阴极电解液输入输出孔和阳极电解液输入输出孔加入到阴极腔室和阳极腔室中；
第三、开启磁力转子使其搅拌，电解液中的金属铜颗粒呈流化状态，阳极电解液在金属铜颗粒表面发生氧化反应产生金属离子和电子，金属铜颗粒不断地与镍网集电器碰撞进而实现电子收集，再把电子传到负载。
根据本发明所述的流化床式热再生氨电池的制备方法的制备方法的优选方案，金属铜颗粒的直径小于镍网集电器的孔隙。
根据本发明所述的流化床式热再生氨电池的制备方法的制备方法的优选方案，阴极电解液采用硫酸铜和硫酸铵的混合溶液，阳极电解液采用硫酸铜、硫酸铵和氨水的混合溶液。
本发明的工作原理是：本发明中间以阴离子交换膜AEM分隔。电池的阴、阳极都以铜颗粒作为电极，以镍网作为集电器。电池的阴阳极溶液都为CuSO4和(NH4)2SO4的混合溶液。当往阳极中通入氨水时，阳极金属铜与氨水发生络合反应，生成四氨合铜，失去电子。电子通过与镍网的撞击收集并通过外电路传到阴极，阴极溶液中铜离子得到电子，被还原为铜单质沉积。由于采用了阴离子膜，所以内部阴离子迁移形成稳定电流，构成了完整电化学电池系统。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。随着电池的使用，阳极铜被消耗，而阴极析出铜。对阴阳极产生的铜氨络合物进行低温废热加热分解成氨气和铜离子。同时将氨再次通入阳极，铜离子通入阴极，这就完成了再生循环。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。
本发明强化了物质传输：本发明实现了电池反应物的流化态，大大增强了阳极物质传输；
本发明增大了电极比表面积：金属颗粒具有很大的比表面积，有利于增大反应面积，提升电池性能；
本发明减小了电池内阻：由于铜颗粒与集电器的碰撞实现电子收集，而阴阳极镍网和阴离子膜三者紧密接触在一起，导致电池内阻较小，简单紧凑的结利于以后的放大化。
本发明所述的一种流化床式热再生氨电池及制备方法的有益效果是：本发明采用金属铜颗粒参与反应，由于微小颗粒具有很大的比表面积，极大地增加了反应面积，同时大大减小了电池欧姆内阻，提高了电池的性能；同时，流化态的实现使得反应具有很好的混合和传质条件，强化了物质传输，在提高电池性能方面有很大的应用前景；本发明可广泛应用在环保、化工、能源等领域。
附图说明
图1是本发明所述的流化床式热可再生氨电池结构示意图。
图2是本发明所述的流化床式热再生氨电池的流化态实现示意图。
图3是流化床式热再生氨电池的功率及电压曲线图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1：参见图1，一种流化床式热再生氨电池，包括阳极腔室1、阴离子交换膜3和阴极腔室5，阴极腔室1和阳极腔室5分别设置有电解液进出口6、7在阴极腔室1和阳极腔室5内分别设置有阴极电解液和阳极电解液；在阳极腔室1内设置有第一镍网集电器2和磁力转子8，所述第一镍网集电器2位于靠近阴离子交换膜3一侧；在所述磁力转子8的四周设置有若干金属铜颗粒9；在阴极腔室5内靠近阴离子交换膜一侧设置有第二镍网集电器4；在阴极腔室5内还设置有若干金属铜颗粒，所述第一镍网集电器2和第二镍网集电器4通过负载连接。
在具体实施例中，金属铜颗粒的直径小于镍网集电器的孔隙。比如采用金属铜颗粒直径为3mm，集电器镍网的孔隙规格为40目。
阴极电解液采用硫酸铜和硫酸铵的混合溶液，阳极电解液采用硫酸铜、硫酸铵和氨水的混合溶液。
实施例2，一种流化床式热再生氨电池，包括按从下到上顺序设置的阳极腔室1、阴离子交换膜3和阴极腔室5，阴极腔室1和阳极腔室5分别设置有电解液进出口6、7；在阴极腔室1和阳极腔室5内分别设置有阴极电解液和阳极电解液；在阳极腔室1内从上到下分别设置有设置有第一镍网集电器2和磁力转子8，所述第一镍网集电器2位于靠近阴离子交换膜3一侧；在所述磁力转子8的四周设置有若干金属铜颗粒9；在阴极腔室5内靠近阴离子交换膜一侧设置有第二镍网集电器4；在阴极腔室5内还设置有若干金属铜颗粒，所述第一镍网集电器2和第二镍网集电器4通过负载连接。
实施例3、参见图1至图2，一种流化床式热再生氨电池的制备方法，该方法包括如下步骤：
第一、建立热再生氨电池，该热再生氨电池包括阳极腔室1、阴离子交换膜3和阴极腔室5，阴极腔室1和阳极腔室5分别设置有电解液进出口6、7；在阴极腔室1和阳极腔室5内分别设置有阴极电解液和阳极电解液；在阳极腔室1内设置有第一镍网集电器2和磁力转子8，所述第一镍网集电器2位于靠近阴离子交换膜3一侧；在所述磁力转子8的四周设置有若干金属铜颗粒9；在阴极腔室5内靠近阴离子交换膜一侧设置有第二镍网集电器4；在阴极腔室5内还设置有若干金属铜颗粒；
第二、将所述第一镍网集电器2和第二镍网集电器4通过负载连接；将阴极电解液和阳极电解液分别通过阴极电解液输入输出孔6和阳极电解液输入输出孔7加入到阴极腔室8和阳极腔室9中；
第三、开启磁力转子8使其搅拌，电解液中的金属铜颗粒呈流化状态，阳极电解液在金属铜颗粒表面发生氧化反应产生金属离子和电子，金属铜颗粒不断地与镍网集电器碰撞进而实现电子收集，再把电子传到负载，实现产电。
在具体实施例中，金属铜颗粒的直径小于镍网集电器的孔隙。
阴极电解液采用硫酸铜和硫酸铵的混合溶液，阳极电解液采用硫酸铜、硫酸铵和氨水的混合溶液。
如图2所示，本发明所述的流化床式热再生氨电池的流化态实现示意图，阳极液由阳极腔室孔加入，通过磁力转子8的搅拌，使得金属铜颗粒9在腔室内流动，图中箭头表示颗粒的不规则运动，并不断撞击镍网集电器，由此实现电极液的铜颗粒的流化状态。阳极液在铜颗粒表面发生氧化反应产生金属离子和电子，铜颗粒不断地与集电器碰撞进而实现电子收集，再把电子传到外电路，实现产电。
参见图3，在一定转速下进行电池性能测试。在实验中，由于转子的转动搅拌，实现了流化态，集电器收集并传导电子，最终得到了其性能曲线。从图3所示性能曲线图可以看出，流化床式热可再生氨电池的开路电压约为400mV,其最大功率密度达到了14.7mW。本发明中，采用金属颗粒与集电器作为电极，通过实现流化态，一方面不仅增大了反应比表面积，另一方面还极大地增大了化学反应中的混合和传质，进而提高电池性能。由此可见，这种流化床式热可再生氨电池有着很大的开发前景。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种流化床式热再生氨电池，包括阳极腔室(1)、阴离子交换膜(3)和阴极腔室(5)，阴极腔室(5)和阳极腔室(1)分别设置有电解液进出口(6、7)；在阴极腔室(5)和阳极腔室(1)内分别设置有阴极电解液和阳极电解液；其特征在于：在阳极腔室(1)内设置有第一镍网集电器(2)和磁力转子(8)，所述第一镍网集电器(2)位于靠近阴离子交换膜(3)一侧；在所述磁力转子(8)的四周设置有若干金属铜颗粒(9)；在阴极腔室(5)内靠近阴离子交换膜一侧设置有第二镍网集电器(4)；在阴极腔室(5)内还设置有若干金属铜颗粒，所述第一镍网集电器(2)和第二镍网集电器(4)通过负载连接。
2.根据权利要求1所述的一种流化床式热再生氨电池，其特征在于：金属铜颗粒的直径小于镍网集电器的孔隙。
3.根据权利要求1所述的一种流化床式热再生氨电池，其特征在于：阴极电解液采用硫酸铜和硫酸铵的混合溶液，阳极电解液采用硫酸铜、硫酸铵和氨水的混合溶液。
4.一种流化床式热再生氨电池的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
第一、建立热再生氨电池，该热再生氨电池包括阳极腔室(1)、阴离子交换膜(3)和阴极腔室(5)，阴极腔室(5)和阳极腔室(1)分别设置有电解液进出口(6、7)；在阴极腔室(5)和阳极腔室(1)内分别设置有阴极电解液和阳极电解液；在阳极腔室(1)内设置有第一镍网集电器(2)和磁力转子(8)，所述第一镍网集电器(2)位于靠近阴离子交换膜(3)一侧；在所述磁力转子(8)的四周设置有若干金属铜颗粒(9)；在阴极腔室(5)内靠近阴离子交换膜一侧设置有第二镍网集电器(4)；在阴极腔室(5)内还设置有若干金属铜颗粒；
第二、将所述第一镍网集电器(2)和第二镍网集电器(4)通过负载连接；将阴极电解液和阳极电解液分别通过阴极电解液进出口(6)和阳极电解液进出口(7)加入到阴极腔室(5)和阳极腔室(1)中；
第三、开启磁力转子(8)使其搅拌，电解液中的金属铜颗粒呈流化状态，金属铜颗粒与阳极电解液发生氧化反应，失去电子并产生金属铜离子，金属铜颗粒不断地与镍网集电器碰撞进而实现电子收集，再把电子传到负载。
5.根据权利要求4所述的流化床式热再生氨电池的制备方法，其特征在于：金属铜颗粒的直径小于镍网集电器的孔隙。
6.根据权利要求4或5所述的流化床式热再生氨电池的制备方法，其特征在于：阴极电解液采用硫酸铜和硫酸铵的混合溶液，阳极电解液采用硫酸铜、硫酸铵和氨水的混合溶液。
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