本發(fā)明涉及熱再生氨電池,具體涉及一種無膜的熱再生氨電池及制作方法。

背景技術(shù)：

熱再生氨電池(Thermally Regenerative Ammonia-based Battery，TRAB)是一種回收低溫廢熱的新型電化學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)電技術(shù)。

熱再生氨電池利用陰陽極在不同的氨濃度下會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，其能量來源于金屬絡(luò)合物的形成。TRAB主要由陽極和陰極組成，中間以陰離子交換膜分隔，陰、陽極電極均為金屬銅電極。

微流體燃料電池利用其微通道中的平行層流流動(dòng)，將陰陽極液隔開，取消了對(duì)質(zhì)子交換膜的使用，因此也稱為無膜型微小燃料電池。傳統(tǒng)的燃料電池使用質(zhì)子交換膜，質(zhì)子交換膜成本高以及膜老化、污染等一系列問題都尚待解決，而微流體燃料電池采用無膜型，很好的解決了使用質(zhì)子交換膜所帶來的一系列問題，并簡(jiǎn)化了電池結(jié)構(gòu)。

近年來，隨著便攜式電子設(shè)備的廣泛使用，微型芯片等微小設(shè)備的散熱問題一直是一個(gè)亟待解決的問題，熱再生氨電池在廢熱回收方面有很好的效果，其前景也是非常可觀。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種無膜的熱再生氨電池及制作方法，以解決傳統(tǒng)燃料電池質(zhì)子交換膜成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種無膜的熱再生氨電池，包括上蓋板和下蓋板；其特征在于：在上蓋板和下蓋板之間設(shè)置陽極銅片電極和陰極銅片電極；陽極銅片電極與陰極銅片電極按左右并行布置；陽極銅片電極與陰極銅片電極之間設(shè)置有縫隙，該縫隙的前端設(shè)置有絕緣薄膜，該縫隙的后端設(shè)置有楔子，絕緣薄膜和楔子之間的縫隙構(gòu)成流體流動(dòng)通道；設(shè)置絕緣薄膜和楔子用于防止電解液從縫隙的前、后端流出；在陰極銅片電極上設(shè)置陰極液流道，陽極銅片電極上設(shè)置陽極液流道；陰極液流道的尾端和陽極液流道的尾端同時(shí)與流體流動(dòng)通道的前端連接；在上蓋板上分別設(shè)置陰極液進(jìn)口和陽極液進(jìn)口，所述陰極液進(jìn)口與陰極液流道的前端連通，所述陽極液進(jìn)口與陽極液流道的前端連通；在下蓋板上設(shè)置混合液出口，該混合液出口與流體流動(dòng)通道的后端相通。

本發(fā)明的第二個(gè)技術(shù)方案是，一種無膜的熱再生氨電池制作方法，其特征在于：包括如下步驟：

第一、建立無膜的熱再生氨電池，該電池包括上蓋板和下蓋板；在上蓋板和下蓋板之間設(shè)置陽極銅片電極和陰極銅片電極；陽極銅片電極與陰極銅片電極按左右并行布置；陽極銅片電極與陰極銅片電極之間設(shè)置有縫隙，該縫隙的前端設(shè)置有絕緣薄膜，該縫隙的后端設(shè)置有楔子，使絕緣薄膜和楔子之間的縫隙構(gòu)成流體流動(dòng)通道；陰極銅片電極上設(shè)置陰極液流道，陽極銅片電極上設(shè)置陽極液流道；陰極液流道的尾端和陽極液流道的尾端同時(shí)與流體流動(dòng)通道的前端連接；在上蓋板上分別設(shè)置陰極液進(jìn)口和陽極液進(jìn)口，所述陰極液進(jìn)口與陰極液流道的前端連通，所述陽極液進(jìn)口與陽極液流道的前端連通；在下蓋板上設(shè)置混合液出口，該混合液出口與流體流動(dòng)通道的后端相通；

第二、將陽極銅片電極與陰極銅片電極通過外電路連接，將陰極電解液和陽極電解液以一定流速加入陰極液進(jìn)口和陽極液進(jìn)口，陰極電解液和陽極電解液分別通過陰極液流道和陽極液流道中流動(dòng)到流體流動(dòng)通道的前端；

第三、陰極電解液和陽極電解液在流體流動(dòng)通道內(nèi)產(chǎn)生平穩(wěn)層流，陽極銅片電極與陽極電解液發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生電子和銅離子，產(chǎn)生的電子通過外電路傳遞到陰極銅片電極，產(chǎn)生的銅離子與陰極電解液中的Cu離子結(jié)合產(chǎn)生Cu單質(zhì)沉積在陰極銅片電極表面；

第四、反應(yīng)后的電解液通過混合液出口流出。

本發(fā)明陽極液流道、陰極液流道和流體流動(dòng)通道構(gòu)成微流體Y型槽道結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，陰、陽極液分別從Y型槽道兩邊進(jìn)入，之后陰、陽極液在流體流動(dòng)通道中自行分層形成較為顯著的平行層流效應(yīng)，液體中陰、陽極液主要通過各層流界面間的擴(kuò)散過程來實(shí)現(xiàn)，即液流成分越過層流界面向?qū)Ψ綑M向擴(kuò)散。

本發(fā)明所述的一種無膜的熱再生氨電池及制作方法的有益效果是：本發(fā)明采用無膜型熱再生氨電池，陰陽極液在微小通道內(nèi)形成層流流動(dòng)，簡(jiǎn)化了電池結(jié)構(gòu)；本發(fā)明節(jié)約了氨電池成本，并解決了傳統(tǒng)氨電池使用質(zhì)子交換膜帶來的膜老化、污染等問題；本發(fā)明所述的無膜型熱再生氨電池，由于其回收廢熱以及尺寸小等優(yōu)勢(shì)，具有良好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的一種無膜的熱再生氨電池結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1的左視圖。

圖3是圖1的主視圖。

圖4是陽極銅片電極2和陰極銅片電極6的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明所述的一種無膜的熱再生氨電池的電流—電壓曲線。

圖6是本發(fā)明所述的一種無膜的熱再生氨電池的電流—功率曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的具體描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

參見圖1至圖4，一種無膜的熱再生氨電池，包括上蓋板1和下蓋板5；在上蓋板1和下蓋板5之間設(shè)置陽極銅片電極2和陰極銅片電極6；陽極銅片電極2與陰極銅片電極6按左右并行布置；陽極銅片電極2與陰極銅片電極6之間設(shè)置有縫隙7，該縫隙7的前端設(shè)置有絕緣薄膜12，該縫隙7的后端設(shè)置有楔子4，使絕緣薄膜12和楔子4之間的縫隙構(gòu)成流體流動(dòng)通道；陰極銅片電極6上設(shè)置陰極液流道9，陽極銅片電極2上設(shè)置陽極液流道10；陰極液流道9的尾端和陽極液流道10的尾端同時(shí)與流體流動(dòng)通道的前端連接；在上蓋板1上分別設(shè)置陰極液進(jìn)口3和陽極液進(jìn)口8，所述陰極液進(jìn)口3與陰極液流道9的前端連通，所述陽極液進(jìn)口8與陽極液流道10的前端連通；在下蓋板5上設(shè)置混合液出口11，該混合液出口與流體流動(dòng)通道的后端相通。陽極液流道10、陰極液流道9和流體流動(dòng)通道構(gòu)成微流體Y型槽道結(jié)構(gòu)。

一種無膜的熱再生氨電池制作方法，包括如下步驟：

第一、建立無膜的熱再生氨電池，該電池包括上蓋板1和下蓋板5；在上蓋板1和下蓋板5之間設(shè)置陽極銅片電極2和陰極銅片電極6；陽極銅片電極2與陰極銅片電極6按左右并行布置；陽極銅片電極2與陰極銅片電極6之間設(shè)置有縫隙7，該縫隙7的前端設(shè)置有絕緣薄膜12，該縫隙7的后端設(shè)置有楔子4，使絕緣薄膜12和楔子4之間的縫隙構(gòu)成流體流動(dòng)通道；陰極銅片電極6上設(shè)置陰極液流道9，陽極銅片電極2上設(shè)置陽極液流道10；陰極液流道9的尾端和陽極液流道10的尾端同時(shí)與流體流動(dòng)通道的前端連接；在上蓋板1上分別設(shè)置陰極液進(jìn)口3和陽極液進(jìn)口8，所述陰極液進(jìn)口3與陰極液流道9的前端連通，所述陽極液進(jìn)口8與陽極液流道10的前端連通；在下蓋板5上設(shè)置混合液出口11，該混合液出口與流體流動(dòng)通道的后端相通；

第二、將陽極銅片電極2與陰極銅片電極6通過外電路連接，將陰極電解液和陽極電解液以一定流速加入陰極液進(jìn)口和陽極液進(jìn)口，陰極電解液和陽極電解液分別通過陰極液流道和陽極液流道中流動(dòng)到流體流動(dòng)通道的前端；

第三、陰極電解液和陽極電解液在流體流動(dòng)通道內(nèi)產(chǎn)生平穩(wěn)層流，陽極銅片電極2與陽極電解液發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生電子和銅離子，產(chǎn)生的電子通過外電路傳遞到陰極銅片電極6，產(chǎn)生的銅離子與陰極電解液中的Cu離子結(jié)合產(chǎn)生Cu單質(zhì)沉積在陰極銅片電極6表面；

第四、反應(yīng)后的電解液通過混合液出口流出。

在具體實(shí)施例中，陰極電解液采用硝酸銅和硝酸銨的混合溶液；陽極電解液采用硝酸銅、硝酸銨以及氨水的混合溶液。

本發(fā)明的工作原理是：本發(fā)明陰、陽極電極均為金屬銅電極。將陽極電解液和陰極電解液同時(shí)從陽極液進(jìn)口和陰極液進(jìn)口通入，陽極電解液和陰極電解液在流體流動(dòng)通道內(nèi)產(chǎn)生平穩(wěn)層流，陽極銅片電極被氨水侵蝕發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，產(chǎn)生電子和四氨合銅離子，產(chǎn)生的電子通過外電路傳遞到傳遞到陰極銅片電極6，產(chǎn)生的銅離子與陰極電解液中的Cu離子結(jié)合產(chǎn)生Cu單質(zhì)沉積在陰極銅片電極表面。陰、陽極中的陰離子通過層流界面遷移形成離子電流，保證了電路的完整性。陰陽極的反應(yīng)如下：

陰極反應(yīng)：

Cu²⁺(aq)+2e—Cu(s) E₀＝+0.340V

陽極反應(yīng)：

Cu(s)+4NH₃(aq)—Cu(NH₃)²⁺(aq)+2e^- E₀＝-0.040V

由此可見，標(biāo)準(zhǔn)工況下，反應(yīng)所產(chǎn)生的約0.380V的理論電勢(shì)差，電子由外電路的定向傳遞形成了電流。該電池產(chǎn)電持續(xù)性很好，由于陰陽極電解液的連續(xù)性，電池可以一直保持穩(wěn)定產(chǎn)電的工作狀態(tài)。

參見圖5和圖6，在同一組實(shí)驗(yàn)中，采用改變電解液流速的方法，分別使用了100、500、750、1000、1500、2000μL/min六種不同流速觀察不同流速對(duì)電池性能的影響。

比較性能曲線圖，可以看到采用了不同的流速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)流速從100uL/min增加到1500uL/min，電池的性能有一個(gè)明顯的提升，電池的最大功率從0.176mW提高到0.54mW，提升了2-3倍。當(dāng)流速繼續(xù)增大到2000uL/min，性能下降到0.48mW，這主要是因?yàn)榱魉僭龃蠛笥绊懥宋⑿〔鄣纼?nèi)的層流流動(dòng)，導(dǎo)致性能下降。說明了在一定范圍內(nèi)提高流動(dòng)的流速可以提升微流體熱再生氨電池的性能。