CN110767928B - 一种基于电场强化传质的热再生氨电池及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电场强化传质的热再生氨电池，包括阴极腔室、阳极腔室和阴离子交换膜；阳极腔室和阴极腔室分别设置在阴离子交换膜的左右两侧；阴极泡沫铜金属电极嵌入阴极腔室中，并与阴离子交换膜紧贴；阳极泡沫铜金属电极嵌入阳极腔室中，且与阴离子交换膜紧贴；其特征在于：所述阳极腔室和阴极腔室的外侧分别设置有阳极外加电场极板腔室和阴极外加电场极板腔室，所述阳极外加电场极板腔室和阴极外加电场极板腔室内分别设置阳极外加电场极板和阴极外加电场极板，阳极外加电场极板和阴极外加电场极板分别连接稳压电源的正、负输出端；阴极泡沫铜金属电极和阳极泡沫铜金属电极通过负载连接；本发明可广泛应用在环保、化工、能源等领域。

Description

一种基于电场强化传质的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，具体涉及一种基于电场强化传质的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)是一种将低温废热转换成电能的新型电化学产电系统技术。
TRAB是基于热电化学反应，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。TRAB的整个循环过程包括产电和热再生两个过程。在产电过程中，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铜离子相结合，沉积在阴极电极表面。阴、阳极中的阴离子通过阴离子交换膜迁移形成离子电流。因此，形成完整的电路，同时使电池内部溶液保持电中性。在热再生过程中，需要对电池中的原反应物进行热再生处理。阳极电解液中的四氨合铜离子受热分解出氨气并得到高铜离子浓度的电解液。将热再生的阳极液通入原来的电池阴极，使原来电池的阳极变为阴极，原来的阳极变为阴极，保证铜也实现循环，构成完整的热再生产电循环系统，保证电池工作的可持续性。
TRAB作为一种新型的应用前景广泛的热再生电池系统，其产电效率仍受诸多因素的影响。其中，内阻是影响TRAB产电效率的主要因素。主要受到化学反应过程的传荷内阻、电池结构及材料决定的欧姆内阻以及阴阳极电解液中的物质传输传质内阻影响。研究表明，阴阳极电解液中的物质传输速率对电池性能起着的极其重要的作用。电池电化学反应发生在阴、阳多孔介质电极内部，同时伴随着阴阳极离子的迁移及反应液中阴离子透过阴离子交换膜的传输。在无搅拌或者流动等条件下，反应液中阴离子透过AEM的传输主要是依靠浓度差通过扩散的方式进行。当电池工作在高电流密度下时，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，即电池内部需要更快的阴离子传输速率。而依靠浓度差扩散的传输方式速度慢，效率低，成为限制电池性能的重要因素。因此，需要解决阴离子传输仅依靠浓度差扩散的问题，提高传质效率，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基于电场强化传质的热再生氨电池及制备方法，以提升电池性能。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于电场强化传质的热再生氨电池，包括阴极腔室、阳极腔室和阴离子交换膜；阳极腔室和阴极腔室分别设置在阴离子交换膜的左右两侧；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；阴极腔室上侧设有阴极电解液输入孔，阴极泡沫铜金属电极嵌入阴极腔室中，并与阴离子交换膜紧贴；阳极腔室上侧设有阳极电解液输入孔，阳极泡沫铜金属电极嵌入阳极腔室中，且与阴离子交换膜紧贴。
其特征在于：所述阳极腔室和阴极腔室的外侧分别设置有阳极外加电场极板腔室和阴极外加电场极板腔室，所述阳极外加电场极板腔室和阴极外加电场极板腔室内分别设置阳极外加电场极板和阴极外加电场极板，阳极外加电场极板和阴极外加电场极板分别连接稳压电源的正、负输出端；阴极泡沫铜金属电极和阳极泡沫铜金属电极通过负载连接。
本发明通过在阳极外加电场极板和阴极外加电场极板两端通恒定电压，这样在阳极腔室和阴极腔室外形成外加电场。解决了阴离子跨膜传输仅依靠浓度差扩散的问题，有效的强化了阴离子跨膜传输效率。在电解液中，阴阳极的阴离子通过阴离子交换膜迁移形成离子电流，同时带电离子在外加电场的作用下更加容易地跨越阴离子膜形成电路回路，同时在外加电场的条件下会使得溶液中带电离子形成溶度差来抵抗外加电场的作用。这时热再生氨电池装置在外加电场所形成的双重影响下可提升自身电池性能。
阳极外加电场极板和阴极外加电场极板分别放置在阳极外加电场极板腔室和阴极外加电场极板腔室内，保证了与电解液充分隔离，保证了两极板在宏观上不导通，但可以在阳极外加电场极板腔室和阴极外加电场极板腔室之间形成稳定电场。
根据本发明所述的一种基于电场强化传质的热再生氨电池的优选方案，所述阳极外加电场极板腔室和阴极外加电场极板腔室的外侧分别设置有阳极端板和阴极端板。
根据本发明所述的一种基于电场强化传质的热再生氨电池的优选方案，所述阳腔室与阴离子交换膜之间以及阴离子交换膜与阴极腔室之间均由防水垫片密封。用于防止电解液渗漏。
本发明的工作原理是：在本发明中阴、阳极腔室中间通过阴离子交换膜AEM隔开，阴极和阳极电极采用泡沫铜金属电极，支持电解液为CuSO4、(NH4)2SO4的混合溶液，在阳极加入氨水后，阳极泡沫铜金属电极表面的金属铜镀层与氨发生络合反应，产生电子和四氨合铜络合物。产生的电子通过电极与外电路传递到阴极，参与阴极的Cu2+离子还原反应，生成铜单质沉积在阴极泡沫铜金属表面。在阳极外加电场极板(5)和阴极外加电场极板(6)两端通入恒定电压，这样在阳极腔室(3)和阴极腔室(4)外形成外加电场。在电解液中，阴、阳极的阴离子通过阴离子交换膜迁移形成离子电流，同时带电离子在外加电场的作用下更加容易地跨越阴离子膜形成电路回路。电极阴、阳极反应如下
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
通过阴、阳极电极反应，电池可以持续产电，只有当阳极电解液中的氨或阴极电极液中的铜离子耗尽，反应才会停止，电池才会停止产电。在反应过程中，阳极电解电解液中随着反应进行产生铜氨络合物并带有正电荷，阴极电解液中的铜离子由于还原并沉积在阴极电极上而不断减少从而剩下硫酸根离子并带有负电。为达到溶液电中性，会使得硫酸根离子进行跨膜交换，此时在外加电场的作用下会使得带电粒子加快跨膜交换。同时在外加电场的条件下会使得溶液中带电离子形成溶度差来抵抗外加电场的作用。这时热再生氨电池在外加电场所形成的双重影响下可提升自身电池性能。
本发明的第二个技术方案是，一种基于电场强化传质的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按从左往右或者从右往左顺序设置的阳极端板、阳极外加电场极板腔室、阳极腔室、阴离子交换膜、阴极腔室、阴极外加电场极板腔室和阴极端板；所述阳极外加电场极板腔室和阴极外加电场极板腔室内分别设置阳极外加电场极板和阴极外加电场极板；阴极腔室上侧设有阴极电解液输入孔，阴极泡沫铜金属电极嵌入阴极腔室中，并与阴离子交换膜紧贴；阳极腔室上侧设有阳极电解液输入孔，阳极泡沫铜金属电极嵌入阳极腔室中，且与阴离子交换膜紧贴；
第二、将阴极电解液和阳极电解液分别通过阴极电解液输入孔和阳极电解液输入孔加入到阴极腔室和阳极腔室中；将阳极外加电场极板和阴极外加电场极板分别连接稳压电源的正、负输出端；阴极泡沫铜金属电极和阳极泡沫铜金属电极通过负载连接。
第三、启动稳压电源，阴离子通过阴离子交换膜迁移形成离子电流，同时带电离子在外加电场的作用下跨越阴离子交换膜形成电路回路，通过电极反应，电池持续产电，只有当阳极电解液中的氨或阴极电极液中的铜离子耗尽，反应停止。
根据本发明所述的一种基于电场强化传质的热再生氨电池的制备方法的优选方案，阳极电解液为CuSO4、(NH4)2SO4和氨水的混合溶液；阴极电解液为CuSO4和(NH4)2SO4的混合溶液。
根据本发明所述的一种基于电场强化传质的热再生氨电池的制备方法的优选方案，所述阳极腔室与阴离子交换膜之间以及阴离子交换膜与阴极腔室之间均由防水垫片密封。用于防止电解液渗漏。
本发明所述的一种基于电场强化传质的热再生氨电池及制备方法的有益效果是：本发明通过在由铜片外加电压激发的电场的作用下，解决了阴离子跨膜传输仅依靠浓度差扩散的问题，有效的强化了阴离子跨膜传输效率。同时，采用多孔介质泡沫金属铜作为电极，增大电极比表面积，增大电极与反应液的接触面积，利于物质传输，提高电池反应效率；阴阳电极紧贴阴离子交换膜，使电池结构紧凑，有利于减小电池内阻，提升电池性能，具有广泛的应用前景；本发明可广泛应用在环保、化工、能源等领域。
附图说明
图1是本发明所述的一种基于电场强化传质的热再生氨电池结构示意图。
图2是实施例2所用稳压电源的输出电流I与运行时间t之间的关系曲线。
图3是对热再生氨电池进行外加不同的电场强化和不加电场强化的输出电流与电池阴、阳电极电势的关系比较。
图4是对热再生氨电池进行外加不同的电场强化和不加电场强化的输出电流与电压关系的比较。
图5是对热再生氨电池进行外加不同的电场强化和不加电场强化的产电性能比较。
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1，一种基于电场强化传质的热再生氨电池，包括按从左往右或者从右往左顺序设置的阳极端板9、阳极外加电场极板腔室7、阳极腔室3、阴离子交换膜11、阴极腔室4、阴极外加电场极板腔室8和阴极端板10；阳极腔室3和阴极腔室4分别设置在阴离子交换膜11的左右两侧；阴极腔室4和阳极腔室3内分别设置有阴极电解液和阳极电解液；阳极电解液为CuSO4、(NH4)2SO4和氨水的混合溶液；阴极电解液为CuSO4和(NH4)2SO4的混合溶液。阴极腔室4上侧设有阴极电解液输入孔14，阴极泡沫铜金属电极2嵌入阴极腔室8中，并与阴离子交换膜11紧贴；阳极腔室3上侧设有阳极电解液输入孔13，阳极泡沫铜金属电极1嵌入阳极腔室3中，且与阴离子交换膜11紧贴。
所述阳极腔室3和阴极腔室4的外侧分别设置有阳极外加电场极板腔室7和阴极外加电场极板腔室8，所述阳极外加电场极板腔室7和阴极外加电场极板腔室8内分别设置阳极外加电场极板5和阴极外加电场极板6，阳极外加电场极板5和阴极外加电场极板6分别连接稳压电源17的输出端；阴极泡沫铜金属电极2和阳极泡沫铜金属电极1通过负载16连接。
阳极端板9和阴极端板10分别设置在所述阳极外加电场极板腔室7和阴极外加电场极板腔室8的外侧。
阴极外加电场极板腔室8与阴极腔室4之间、阳极外加电场极板腔室7与阳极腔室3与之间、所述阳极腔室3与阴离子交换膜11之间以及阴离子交换膜11与阴极腔室4之间均由防水垫片12密封。
实施例2.一种基于电场强化传质的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按从左往右或者从右往左顺序设置的阳极端板9、阳极外加电场极板腔室7、阳极腔室3、阴离子交换膜11、阴极腔室4、阴极外加电场极板腔室8和阴极端板10；所述阳极外加电场极板腔室7和阴极外加电场极板腔室8内分别设置阳极外加电场极板5和阴极外加电场极板6；阴极腔室4上侧设有阴极电解液输入孔14，阴极泡沫铜金属电极2嵌入阴极腔室8中，并与阴离子交换膜11紧贴；阳极腔室3上侧设有阳极电解液输入孔13，阳极泡沫铜金属电极1嵌入阳极腔室3中，且与阴离子交换膜11紧贴；同时，在阴极外加电场极板腔室8与阴极腔室4之间、阳极外加电场极板腔室7与阳极腔室3与之间、所述阳极腔室3与阴离子交换膜11之间以及阴离子交换膜11与阴极腔室4之间均由防水垫片12密封，用于防止电解液渗漏。
第二、将阴极电解液和阳极电解液分别通过阴极电解液输入孔14和阳极电解液输入孔13加入到阴极腔室8和阳极腔室9中；阳极电解液为CuSO4、(NH4)2SO4和氨水的混合溶液；阴极电解液为CuSO4和(NH4)2SO4的混合溶液。将阳极外加电场极板5和阴极外加电场极板6通过导线15分别连接稳压电源17的二个输出端；阴极泡沫铜金属电极2和阳极泡沫铜金属电极1通过负载16连接。
第三、启动稳压电源17，对阳极外加电场极板5和阴极外加电场极板6施加图2所示的电压，阴离子通过阴离子交换膜迁移形成离子电流，同时带电离子在外加电场的作用下跨越阴离子交换膜形成电路回路，通过电极反应，电池持续产电，只有当阳极电解液中的氨或阴极电极液中的铜离子耗尽，反应停止。
通过对比图2中的外加电场的稳压源的电流I与时间t的关系可知，经过添加外加电场强化传质时的I-t图像可以看出稳压源输出来的电流很小，为微安量级，用输出电流乘以输出的稳定电压可知其输出的功率非常小，比起去电池性能的提升该损耗几乎可以忽略。
实施例3：对实施例1的热再生氨电池进行外加不同的电场强化和不加电场试验。
参见图3，通过比较其阴、阳两极的电势随放电电流的变化曲线可以得到，虽然随着放电电流增大阴、阳两极电势趋于某一恒定值，但有电场强化的热再生氨电池其阴、阳两极电势趋于某一恒定值的速率更为缓慢，这说明随着放电电流增大，有电场强化的热再生氨电池阴阳电极电池差将会更大，则输出的电压将会更大。
参见图4，当连接负载放电时，有电场强化的再生氨电池随着放电电流增大，负载两端的电压下降比没有电场强化的氨电池更为缓慢，从而说明有电场强化的氨电池可以给予负载更大的功率。
参见图5，根据产电性能比较可以得知：在电池内部外加电场时，电池输出的最大功率比不外加电场时电池的输出最大功率高21％左右，可大幅度提升电池性能。
因此，本发明强化了物质传输：采用构建电场的方式可以有效强化阴离子跨膜传输速率；采用泡沫金属铜电极结构有利于物质的传输。
本发明增大电极比表面积：采用多孔介质泡沫金属铜作为电极，因其具有较大的比表面积，可以增大电极与反应液的接触面积，从而有效提高电池性能。
本发明减小电池内阻：电池结构紧凑，阴阳电极与阴离子交换膜紧贴，可以有效减少电池内阻。电池结构简单，更有利于未来放大化的商业生产使用。
本发明外加电场的稳压源输出功率几乎为零：外加电场所需要的稳压源输出电流基本在26uA左右，输出电压一般为4V左右，参见图2，比起TRAB电池性能的提升其所消耗的电量基本可以忽略。
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)

1.一种基于电场强化传质的热再生氨电池，包括阴极腔室（4）、阳极腔室（3）和阴离子交换膜（11）；阳极腔室（3）和阴极腔室（4）分别设置在阴离子交换膜（11）的左右两侧；阴极腔室（4）和阳极腔室（3）内分别设置有阴极电解液和阳极电解液；阴极腔室（4）上侧设有阴极电解液输入孔（14），阴极泡沫铜金属电极（2）嵌入阴极腔室（4）中，并与阴离子交换膜（11）紧贴；阳极腔室（3）上侧设有阳极电解液输入孔（13），阳极泡沫铜金属电极（1）嵌入阳极腔室（3）中，且与阴离子交换膜（11）紧贴；
其特征在于：所述阳极腔室（3）和阴极腔室（4）的外侧分别设置有阳极外加电场极板腔室（7）和阴极外加电场极板腔室（8），所述阳极外加电场极板腔室（7）和阴极外加电场极板腔室（8）内分别设置阳极外加电场极板（5）和阴极外加电场极板（6），阳极外加电场极板（5）和阴极外加电场极板（6）分别连接稳压电源（17）的正、负输出端，使阳极腔室和阴极腔室外形成外加电场，在电解液中，阴阳极的阴离子通过阴离子交换膜迁移形成离子电流，同时带电离子在外加电场的作用下更加容易地跨越阴离子膜形成电路回路，在外加电场的条件下会使得电解液中带电离子形成溶度差来抵抗外加电场的作用，这时热再生氨电池装置在外加电场所形成的双重影响提升自身电池性能；阴极泡沫铜金属电极（2）和阳极泡沫铜金属电极（1）通过负载（16）连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于电场强化传质的热再生氨电池，其特征在于：所述阳极外加电场极板腔室（7）和阴极外加电场极板腔室（8）的外侧分别设置有阳极端板（9）和阴极端板（10）。
3.根据权利要求1或2 所述的一种基于电场强化传质的热再生氨电池，其特征在于：所述阳极腔室（3）与阴离子交换膜（11）之间以及阴离子交换膜（11）与阴极腔室（4）之间均由防水垫片密封。
4.一种基于电场强化传质的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按从左往右或者从右往左顺序设置的阳极端板（9）、阳极外加电场极板腔室（7）、阳极腔室（3）、阴离子交换膜（11）、阴极腔室（4）、阴极外加电场极板腔室（8）和阴极端板（10）；所述阳极外加电场极板腔室（7）和阴极外加电场极板腔室（8）内分别设置阳极外加电场极板（5）和阴极外加电场极板（6）；阴极腔室（4）上侧设有阴极电解液输入孔（14），阴极泡沫铜金属电极（2）嵌入阴极腔室（4）中，并与阴离子交换膜（11）紧贴；阳极腔室（3）上侧设有阳极电解液输入孔（13），阳极泡沫铜金属电极（1）嵌入阳极腔室（3）中，且与阴离子交换膜（11）紧贴；
第二、将阴极电解液和阳极电解液分别通过阴极电解液输入孔（14）和阳极电解液输入孔（13）加入到阴极腔室（4）和阳极腔室（3）中；将阳极外加电场极板（5）和阴极外加电场极板（6）分别连接稳压电源（17）的正、负输出端，使阳极腔室和阴极腔室外形成外加电场；阴极泡沫铜金属电极（2）和阳极泡沫铜金属电极（1）通过负载（16）连接；
第三、启动稳压电源（17），阴离子通过阴离子交换膜迁移形成离子电流，同时带电离子在外加电场的作用下跨越阴离子交换膜形成电路回路，在外加电场的条件下会使得电解液中带电离子形成溶度差来抵抗外加电场的作用，这时热再生氨电池装置在外加电场所形成的双重影响提升自身电池性能；通过电极反应，电池持续产电，只有当阳极电解液中的氨或阴极电极液中的铜离子耗尽，反应停止。
5.根据权利要求4所述的一种基于电场强化传质的热再生氨电池的制备方法，其特征在于：阳极电解液为CuSO4、（NH4）2SO4和氨水的混合溶液；阴极电解液为CuSO4和（NH4）2SO4的混合溶液。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于电场强化传质的热再生氨电池的制备方法，其特征在于：所述阳极腔室（3）与阴离子交换膜（11）之间以及阴离子交换膜（11）与阴极腔室（4）之间均由防水垫片密封。
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