本發(fā)明屬于發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種反電滲析熱能發(fā)電裝置及利用該反電滲析熱能發(fā)電裝置進行發(fā)電的方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，我國能源利用仍然存在著利用效率低、經(jīng)濟效益差，生態(tài)環(huán)境壓力大的主要問題。工業(yè)熱能利用率低是造成能耗高的重要原因，我國至少50％的工業(yè)耗能以各種形式的余熱被直接廢棄，其中余熱可回收率達60％，折合約9億噸標準煤燃燒所釋放的熱量，約占我國能源消耗總量的1/4，故我國余熱利用率提升空間大，節(jié)能潛力巨大。

反電滲析發(fā)電技術(shù)是一種將離子交換膜兩側(cè)因濃度差造成的能量勢差直接轉(zhuǎn)化成電能的方法。在江河入?？诖嬖诖罅刻烊坏柠}差能，廣受研究工作者青睞。傳統(tǒng)反電滲析發(fā)電技術(shù)采用陰陽離子選擇性透過膜交替安裝且多組膜對疊加的結(jié)構(gòu)，以海水做為高濃度溶液，河水做為低濃度溶液進行發(fā)電，其具有以下特點：需要源源不斷地供給經(jīng)過預(yù)處理的海水與河水，且海水與河水預(yù)處理成本高；離子選擇性透過膜易受污染。

另有一種基于反電滲析發(fā)電技術(shù)的發(fā)電方法，被稱為thermal-drivenelectrochemicalgenerator(tdeg)，其將反電滲析裝置與熱分離器相結(jié)合，選用碳酸氫銨溶液作為工作溶液，并通過熱分離器獲得反電滲析發(fā)電所需的濃溶液與稀溶液，達到了余熱利用的目的。但目前這種方法仍存在發(fā)電效率低、熱能可利用溫度范圍受限、發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺陷^[

因此，有必要開發(fā)一種能利用熱能發(fā)電，尤其利用低溫工業(yè)余熱發(fā)電，且發(fā)電效率高、熱能可利用溫度范圍大、可持續(xù)、無污染、結(jié)構(gòu)簡單的發(fā)電裝置及方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，成本較低、能充分利用各種低品位熱直接轉(zhuǎn)化為電能、不需持續(xù)供給電解質(zhì)溶液、溶液濃度差可自動維持、能在熱源中長時間持續(xù)工作且對離子選擇性透過膜無污染的反電滲析熱能發(fā)電裝置及方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種反電滲析熱能發(fā)電裝置，包括極室和對極室進行加熱的熱源，所述極室中設(shè)有電解質(zhì)溶液，所述極室通過離子選擇性通透膜分隔為高濃度電解質(zhì)溶液室和低濃度電解質(zhì)溶液室，所述高濃度電解質(zhì)溶液室和低濃度電解質(zhì)溶液室中分別插設(shè)有惰性電極；所述電解質(zhì)溶液為酸溶液、堿溶液或鹽溶液；所述酸溶液中，陰離子在水中的放電順序在oh^-之后；所述堿溶液中，陽離子在水中的放電順序在h⁺之后；所述鹽溶液中，陰離子在水中的放電順序在oh^-之后，且陽離子在水中的放電順序在h⁺之后。

上述的反電滲析熱能發(fā)電裝置，優(yōu)選的，所述電解質(zhì)溶液為酸溶液時，所述離子選擇性通透膜為陽離子選擇性通透膜。

上述的反電滲析熱能發(fā)電裝置，優(yōu)選的，所述酸溶液包括h2so4溶液、hf溶液或hno3溶液。

上述的反電滲析熱能發(fā)電裝置，優(yōu)選的，所述電解質(zhì)溶液為堿溶液時，所述離子選擇性通透膜為陰離子選擇性通透膜。

上述的反電滲析熱能發(fā)電裝置，優(yōu)選的，堿溶液包括naoh溶液、koh溶液或lioh溶液。

上述的反電滲析熱能發(fā)電裝置，優(yōu)選的，所述電解質(zhì)溶液為鹽溶液時，所述離子選擇性通透膜為陽離子選擇性通透膜或陰離子選擇性通透膜。

上述的反電滲析熱能發(fā)電裝置，優(yōu)選的，所述鹽溶液包括na2so4溶液、k2so4溶液或li2so4溶液。

上述的反電滲析熱能發(fā)電裝置，優(yōu)選的，所述陽離子選擇性通透膜為陽離子交換膜或無機納米通道陽離子選擇性透過膜。

上述的反電滲析熱能發(fā)電裝置，優(yōu)選的，所述陰離子選擇性通透膜為陰離子交換膜或無機納米通道陰離子選擇性透過膜。

上述的反電滲析熱能發(fā)電裝置，優(yōu)選的，所述高濃度電解質(zhì)溶液室和低濃度電解質(zhì)溶液室上均設(shè)有注水口。

上述的反電滲析熱能發(fā)電裝置，優(yōu)選的，所述極室中還設(shè)有用于減小離子選擇性通透膜兩側(cè)滲透壓差的惰性電解質(zhì)；所高濃度電解質(zhì)溶液室和低濃度電解質(zhì)溶液室中，惰性電解質(zhì)的濃度相等。

上述的反電滲析熱能發(fā)電裝置，優(yōu)選的，所述惰性電解質(zhì)滿足以下條件：

（1）陰離子在水中放電順序在oh^-之后，且陽離子放電順序在h⁺之后；

（2）不含產(chǎn)生電勢差的離子，不與電解質(zhì)溶液中的離子反應(yīng)。

上述的反電滲析熱能發(fā)電裝置，優(yōu)選的，所述惰性電解質(zhì)還滿足以下條件：

（3）與產(chǎn)生電勢差的離子同號的離子為二價或二價以上。

作為一個總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種利用上述的反電滲析熱能發(fā)電裝置進行發(fā)電的方法，包括以下步驟：將所述高濃度電解質(zhì)溶液室的惰性電極和低濃度電解質(zhì)溶液室的惰性電極接通，通過熱源對極室進行加熱，使高濃度電解質(zhì)溶液室中的溶質(zhì)通過離子選擇性通透膜進入低濃度電解質(zhì)溶液室中，從而在離子選擇性通透膜的兩側(cè)形成電勢差。

上述的方法，優(yōu)選的，所述電解質(zhì)溶液為酸溶液時，h⁺透過陽離子選擇性通透膜從高濃度電解質(zhì)溶液室擴散到低濃度電解質(zhì)溶液室中，產(chǎn)生電勢差后，所述高濃度電解質(zhì)溶液室發(fā)生反應(yīng)：2h2o-4e^-=o2↑+4h⁺，所述低濃度電解質(zhì)溶液室發(fā)生反應(yīng)：2h⁺+2e^-=h2↑，h⁺持續(xù)透過陽離子選擇性通透膜從高濃度電解質(zhì)溶液室擴散到低濃度電解質(zhì)溶液室中，維持所述電勢差。

上述的方法，優(yōu)選的，所述電解質(zhì)溶液為堿溶液時，oh^-透過陰離子選擇性通透膜從高濃度電解質(zhì)溶液室擴散到低濃度電解質(zhì)溶液室中，產(chǎn)生電勢差后，所述低濃度電解質(zhì)溶液室發(fā)生反應(yīng)：4oh^-－4e^-=o2↑+2h2o，所述高濃度電解質(zhì)溶液室發(fā)生反應(yīng)：4h2o+4e^-=2h2↑+4oh^-，oh^-持續(xù)透過陰離子選擇性通透膜從高濃度電解質(zhì)溶液室擴散到低濃度電解質(zhì)溶液室中，維持所述電勢差。

上述的方法，優(yōu)選的，所述電解質(zhì)溶液為鹽溶液，且所述離子選擇性通透膜為陽離子選擇性通透膜時，陽離子先通過陽離子選擇性通透膜從高濃度電解質(zhì)溶液室擴散到低濃度電解質(zhì)溶液室中，產(chǎn)生電勢差后，所述高濃度電解質(zhì)溶液室發(fā)生反應(yīng)：2h2o-4e^-=o2↑+4h⁺，所述低濃度電解質(zhì)溶液室發(fā)生反應(yīng)：4h2o+4e^-=2h2↑+4oh^-；h⁺持續(xù)透過陽離子選擇性通透膜從高濃度電解質(zhì)溶液室擴散到低濃度電解質(zhì)溶液室中，維持所述電勢差。

上述的方法，優(yōu)選的，所述電解質(zhì)溶液為鹽溶液，且所述離子選擇性通透膜為陰離子選擇性通透膜時，陰離子先通過陰離子選擇性通透膜從高濃度電解質(zhì)溶液室擴散到低濃度電解質(zhì)溶液室中，產(chǎn)生電勢差后，所述低濃度電解質(zhì)溶液室發(fā)生反應(yīng)：2h2o-4e^-=o2↑+4h⁺，所述高濃度電解質(zhì)溶液室發(fā)生反應(yīng)：4h2o+4e^-=2h2↑+4oh^-，oh^-持續(xù)透過陰離子選擇性通透膜從高濃度電解質(zhì)溶液室擴散到低濃度電解質(zhì)溶液室中，維持所述電勢差。

上述的方法，優(yōu)選的，所述電解質(zhì)溶液室通過注水口注入水，補充水的消耗。

本發(fā)明的的反電滲析熱能發(fā)電裝置，為單膜兩隔室型反電滲析裝置，其基本原理是基于溶液濃度差膜擴散，將低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)換為電勢能。本發(fā)明包括四種類型：陽離子酸溶液型、陽離子鹽溶液型、陰離子堿溶液型和陰離子鹽溶液型。

陽離子酸溶液型反電滲析熱能發(fā)電裝置的發(fā)電原理在于：

電解質(zhì)溶液采用酸溶液，該酸溶液的特點在于，陰離子在水中放電順序在oh^-之后。離子選擇性通透膜為陽離子交換膜或無機納米通道陽離子選擇性透過膜，電極采用惰性電極。h⁺透過陽離子選擇性通透膜從高濃度酸溶液擴散到低濃度酸溶液中，使高濃度側(cè)帶負電，低濃度側(cè)帶正電，在膜兩側(cè)產(chǎn)生電勢差。兩極接通后，由于陰離子在水中放電順序在oh^-之后，則高濃度酸溶液中的水分子失電子（2h2o-4e^-=o2↑+4h⁺）；低濃度酸溶液中的h⁺得電子（2h⁺+2e^-=h2↑）；高濃度一側(cè)生成的h⁺再透過膜擴散到低濃度一側(cè)進行放電，如此循環(huán)，該循環(huán)過程陽離子通透膜兩側(cè)濃度差可自動維持，當(dāng)水消耗一定量時，補充水即可。

陽離子鹽溶液型反電滲析熱能發(fā)電裝置的發(fā)電原理在于：

電解質(zhì)溶液采用鹽溶液，該鹽溶液的特點在于，陰離子在水中的放電順序在oh^-之后或與oh^-相同，且陽離子在水中的放電順序在h⁺之后。離子選擇性通透膜為陽離子交換膜或無機納米通道陽離子選擇性透過膜，電極采用惰性電極。陽離子透過陽離子選擇性通透膜從高濃度鹽溶液擴散到低濃度鹽溶液中，使高濃度側(cè)帶負電，低濃度側(cè)帶正電，在膜兩側(cè)產(chǎn)生電勢差。兩極接通后，由于陰離子在水中的放電順序在oh^-之后，且陽離子在水中的放電順序在h⁺之后，則高濃度鹽溶液中的水分子失電子（2h2o-4e^-=o2↑+4h⁺）；低濃度鹽溶液中的水分子得電子（4h2o+4e^-=2h2↑+4oh^-）；高濃度一側(cè)生成的h⁺再透過膜與低濃度一側(cè)生成的oh^-中和，如此循環(huán)，該循環(huán)過程陽離子通透膜兩側(cè)濃度差可自動維持，當(dāng)水消耗一定量時，補充水即可。

陰離子堿溶液型反電滲析熱能發(fā)電裝置的發(fā)電原理在于：

電解質(zhì)溶液采用堿溶液，該堿溶液的特點在于，陽離子在水中的放電順序在h⁺之后。離子選擇性通透膜為陰離子交換膜或無機納米通道陰離子選擇性透過膜，電極采用惰性電極。oh^-透過陰離子選擇性通透膜從高濃度堿溶液擴散到低濃度堿溶液中，使高濃度側(cè)帶正電，低濃度側(cè)帶負電，在膜兩側(cè)產(chǎn)生電勢差。兩極接通后，則低濃度溶液中的oh^-失電子（4oh^-－4e^-=o2↑+2h2o）；由于陽離子在水中的放電順序在h⁺之后，則高濃度溶液中的水分子得電子（4h2o+4e^-=2h2↑+4oh^-）；高濃度一側(cè)生成的oh^-再透過膜擴散到低濃度一側(cè)進行放電，如此循環(huán)，該循環(huán)過程陰離子選擇性通透膜兩側(cè)濃度差可自動維持，當(dāng)水消耗一定量時，補充水即可。

陰離子鹽溶液型反電滲析熱能發(fā)電裝置的發(fā)電原理在于：

電解質(zhì)溶液采用鹽溶液，該鹽溶液的特點在于，陰離子在水中的放電順序在oh^-之后，且陽離子在水中的放電順序在h⁺之后。離子選擇性通透膜為陰離子交換膜或無機納米通道陰離子選擇性透過膜，電極采用惰性電極。陰離子透過陰離子選擇性通透膜從高濃度鹽溶液擴散到低濃度鹽溶液中，使高濃度側(cè)帶正電，低濃度側(cè)帶負電，在膜兩側(cè)產(chǎn)生電勢差。兩極接通后，由于陰離子在水中的放電順序在oh^-之后，且陽離子在水中的放電順序在h⁺之后，則低濃度鹽溶液中的水分子失電子，（2h2o-4e^-=o2↑+4h⁺）；高濃度鹽溶液中的水分子得電子（4h2o+4e^-=2h2↑+4oh^-）；高濃度一側(cè)生成的oh^-再透過陰離子選擇性通透膜與低濃度一側(cè)生成的h⁺中和，如此循環(huán)，該循環(huán)過程膜兩側(cè)濃度差與電勢差均可自動維持，當(dāng)水消耗一定量時，補充水即可。

反電滲析熱能發(fā)電裝置在實際運行過程中，濃溶液的滲透壓遠大于稀溶液的滲透壓，所以濃溶液將不斷地從稀溶液中吸水，導(dǎo)致稀溶液濃度劇增，這是本發(fā)明需避免的。通過往濃溶液和稀溶液中加入不參與反應(yīng)的惰性電解質(zhì)（膜兩邊濃度相等），可以減小膜兩側(cè)滲透壓差。比如，陽離子酸溶液型，在濃溶液與稀溶液中加入等量的na2so4試劑。這樣就大大減小了膜兩側(cè)溶液的滲透壓差，又幾乎不改變h⁺的濃度差（主要是h⁺濃度差產(chǎn)生電勢），同時還增加了稀溶液的導(dǎo)電性。

如此處理帶來的不利在于，仍以陽離子酸溶液型為例，加入na2so4后，膜兩側(cè)na⁺濃度相等，但na⁺受h⁺所建立的電場的作用，會從某一側(cè)遷徙到另一側(cè)，從而削弱h⁺所建立的電場，即發(fā)電電壓降低。這也是要避免的。因此，所加入的用于減小膜兩側(cè)滲透壓差的電解質(zhì)除了滿足不參與反應(yīng)這個條件之外，最好還能滿足另一點，即其在水中的離子為二價或二價以上離子，如mgso4，高價離子在離子膜中的透過率遠低于一價離子，故離子膜將一定程度阻礙mg²⁺的通過，從而減少電壓的降低。

因此所加入的用于減小膜兩側(cè)滲透壓差的惰性電解質(zhì)必須滿足的條件包括：

1、陰離子在水中放電順序在oh^-之后或與oh^-放電順序相同，如so4^2-、f^-、no3^-、oh^-等；且陽離子放電順序在h⁺之后或與h⁺相同，如li⁺、na⁺、k⁺、h⁺等。

2、所加入的電解質(zhì)不含產(chǎn)生電勢差的離子（陽離子酸溶液型、陽離子鹽溶液型、陰離子堿溶液型、陰離子鹽溶液型產(chǎn)生電勢差的離子分別為h⁺、所選工作電解質(zhì)陽離子、oh^-、所選工作電解質(zhì)陰離子），且不與原電解質(zhì)溶液中的離子反應(yīng)。

最好滿足但非必須的條件包括：

①與產(chǎn)生電勢差的離子同號的離子為二價或二價以上。

例如：

在陽離子酸溶液型中，滿足條件的惰性電解質(zhì)的陰離子包括：so4^2-、f^-、no3^-等，而oh^-與h⁺反應(yīng)，故oh^-不滿足條件；滿足條件陽離子包括：li⁺、na⁺、k⁺、mg²⁺等，且mg²⁺優(yōu)于li⁺、na⁺、k⁺。

在陽離子鹽溶液型中，滿足條件的惰性電解質(zhì)的陰離子包括：so4^2-、f^-、no3^-等；滿足條件陽離子包括：li⁺、na⁺、k⁺、mg²⁺等，且mg²⁺優(yōu)于li⁺、na⁺、k⁺，但如果原溶液中產(chǎn)生電勢差的離子為na⁺，則加入的電解質(zhì)不能含有na⁺。

在陰離子堿溶液型中，滿足條件的惰性電解質(zhì)的陰離子包括：so4^2-、f^-、no3^-等；且so4^2-優(yōu)于f^-、no3^-；滿足條件陽離子包括：li⁺、na⁺、k⁺等，mg²⁺與oh^-反應(yīng)，故mg²⁺不滿足條件。

在陰離子鹽溶液型中，滿足條件的陰離子包括：so4^2-、f^-、no3^-等；且so4^2-優(yōu)于f^-、no3^-，但如果原溶液中產(chǎn)生電勢差的離子為no3^-，則加入的電解質(zhì)不能含有no3^-；滿足條件陽離子包括：li⁺、na⁺、k⁺、mg²⁺等，且mg²⁺優(yōu)于li⁺、na⁺、k⁺。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1、本發(fā)明的反電滲析熱能發(fā)電裝置，直接加熱使裝置內(nèi)電解質(zhì)溶液溫度升高，溶質(zhì)離子透過離子選擇性通透膜時，將一部分熱動能轉(zhuǎn)化成電勢能，由于選用的電解質(zhì)濃溶液中，陰離子在水中放電順序在oh^-之后或與oh^-放電順序相同，如so4^2-、f^-、no3^-、oh^-等；陽離子放電順序在h⁺之后或與h⁺相同，如li⁺、na⁺、k⁺、h⁺等，因而發(fā)電過程中實際上為水、h⁺和/或oh^-參與電極反應(yīng)，因而發(fā)電過程離子選擇性通透膜兩側(cè)溶液濃度差能自動維持，消耗的是水和熱能。故不需持續(xù)供給電解質(zhì)溶液，只需在水消耗一定量時補充水即可，一次配制溶液可循環(huán)使用，免去了河水和海水預(yù)處理環(huán)節(jié)，簡化了發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，且?guī)缀鯇﹄x子選擇性透過膜沒有污染。且本發(fā)明能在熱源中長時間持續(xù)工作；能適應(yīng)各種低溫環(huán)境，充分利用各種低品位熱，甚至在自然環(huán)境中也能發(fā)電；另外，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，成本較低本，可串聯(lián)至外部電路中以提高發(fā)電電壓。

2、從能量形式轉(zhuǎn)化的角度來看，本發(fā)明反電滲析熱能發(fā)電方法是一種將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的方法。目前常見的熱能發(fā)電方法包括：火電機組發(fā)電、有機朗肯循環(huán)余熱發(fā)電、熱電偶溫差發(fā)電等。而本發(fā)明與上述方法均存在原理上的不同。本發(fā)明對應(yīng)的發(fā)電裝置只需對工作溶液加熱，使溶液內(nèi)能增加，便可將溶液的內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為電能，且本發(fā)明對應(yīng)的發(fā)電裝置能在100℃以下低溫?zé)嵩粗姓９ぷ?，甚至能在常溫環(huán)境中正常發(fā)電，熱能發(fā)電效率高。而目前常見的熱電轉(zhuǎn)化方法均不具有上述特點。隨著用于該發(fā)電方法的離子選擇性透過膜性能的提升，該發(fā)電方法將可適用于更高、更廣的溫度條件。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的反電滲析熱能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的反電滲析熱能發(fā)電裝置實物圖。

圖3為實施例1的反電滲析熱能發(fā)電裝置的工作原理圖。

圖4為實施例1的h⁺擴散示意圖。

圖5為實施例2的反電滲析熱能發(fā)電裝置的工作原理圖。

圖6為實施例3的反電滲析熱能發(fā)電裝置的工作原理圖。

圖7為實施例4的反電滲析熱能發(fā)電裝置的工作原理圖。

圖8為采用實施例1和實施例2的反電滲析熱能發(fā)電裝置進行電能產(chǎn)生實驗曲線圖。

圖9為采用實施例1和實施例2的反電滲析熱能發(fā)電裝置進行電能釋放實驗曲線圖。

圖10為采用實施例1的反電滲析熱能發(fā)電裝置發(fā)電中負載電流隨溫度變化曲線圖。

圖11為采用實施例1的反電滲析熱能發(fā)電裝置發(fā)電中負載電流隨h2so4溶液濃度變化曲線圖。

標號說明：1、極室；11、高濃度電解質(zhì)溶液室；12、低濃度電解質(zhì)溶液室；2、熱源；3、離子選擇性通透膜；4、惰性電極；5、注水口。

具體實施方式

以下結(jié)合說明書附圖和具體優(yōu)選的實施例對本發(fā)明作進一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護范圍。

實施例1：

一種本發(fā)明的反電滲析熱能發(fā)電裝置，如圖1所示，包括極室1和對極室1進行加熱的熱源2，該極室中設(shè)有電解質(zhì)溶液，極室1通過離子選擇性通透膜3分隔為高濃度電解質(zhì)溶液室11和低濃度電解質(zhì)溶液室12，所述高濃度電解質(zhì)溶液室11和低濃度電解質(zhì)溶液室12中分別插設(shè)有惰性電極4；其中，高濃度電解質(zhì)溶液室11和低濃度電解質(zhì)溶液室12上均設(shè)有注水口5。

本實施例中，離子選擇性通透膜3為陽離子交換膜。

本實施例中，電解質(zhì)溶液為h2so4溶液。

圖2為發(fā)明的反電滲析熱能發(fā)電裝置實物圖（夾緊裝置采用浙江賽特膜技術(shù)有限公司生產(chǎn)的ct-100電滲析小試設(shè)備的夾緊裝置），陽極與陰極兩個電極均采用鈦涂釕不溶性電極，離子交換膜采用杭州綠合環(huán)?？萍加邢薰境鍪鄣膆ocemgrion0011質(zhì)子交換膜。

一種利用上述本實施例的反電滲析熱能反電裝置進行發(fā)電的方法，包括以下步驟：

在高濃度電解質(zhì)溶液室11中加h2so4溶液，低濃度電解質(zhì)溶液室12加蒸餾水，置于50℃恒溫?zé)嵩粗?，將高濃度電解質(zhì)溶液室11的惰性電極與低濃度電解質(zhì)溶液室12的惰性電極用導(dǎo)線接通，進行發(fā)電。

本實施例的工作原理如圖3所示，h⁺透過陽離子交換膜從高濃度電解質(zhì)溶液室11中擴散到低濃度電解質(zhì)溶液室12中，使高濃度側(cè)帶負電，低濃度側(cè)帶正電，在陽離子交換膜兩側(cè)產(chǎn)生電勢差。兩極接通后，由于so4^2-在水中放電順序在oh^-之后，則高濃度酸溶液中的水分子失電子，發(fā)生電極反應(yīng)：2h2o-4e^-=o2↑+4h⁺；低濃度酸溶液中的h⁺得電子，發(fā)生電極反應(yīng)：2h⁺+2e^-=h2↑；高濃度一側(cè)生成的h⁺再透過膜擴散到低濃度一側(cè)進行放電，如此循環(huán)，該循環(huán)過程陽離子通透膜兩側(cè)濃度差可自動維持，當(dāng)水消耗一定量時，補充水即可。

以本實施例為例，闡述本發(fā)明發(fā)電過程中濃度差可自動維持的原理如下：

如圖4所示，設(shè)陽離子交換膜兩側(cè)分別為物質(zhì)的量濃度為cn、cm（cn>cm）的h2so4溶液。擴散定律指出，在溶液中，由于某種組分物質(zhì)的濃度不均勻，造成這種組分物質(zhì)的粒子從高濃度的地方向低濃度的地方遷移。陽離子交換膜只允許陽離子通過，不允許陰離子通過，故h⁺將由濃度為cn的地方遷移到濃度為cm的地方，so4^2-不遷移。

系統(tǒng)處于恒溫?zé)嵩粗?，n、m兩側(cè)各插入一惰性電極并用導(dǎo)線連接。n側(cè)的h⁺會擴散到m側(cè)。由于h⁺的擴散使得交換膜兩側(cè)形成一個方向沿x軸負方向的電場e，h⁺受到與擴散方向相反的電場力的作用，導(dǎo)致h⁺平均平動動能減小。溫度的微觀實質(zhì)指出：物體的溫度是物體內(nèi)部作無規(guī)則運動的大量分子平均平動動能的“量度”，分子平均平動動能越大，物體的溫度越高。故h⁺平均平動動能減小將導(dǎo)致系統(tǒng)溫度降低，此時，由于系統(tǒng)處于恒溫?zé)嵩粗?，?dāng)系統(tǒng)溫度比熱源溫度略低時，就有微小的熱量傳給系統(tǒng)，使系統(tǒng)溫度維持不變。在系統(tǒng)內(nèi)部，h⁺通過擴散由低電勢處移到高電勢處，儲存電勢能，在系統(tǒng)外部（導(dǎo)線），h2o中的電子受電場力作用，電子從低電勢處移到高電勢處，系統(tǒng)對外做電功，并將一部分電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存。

根據(jù)離子活動順序表可知，在m側(cè)，必發(fā)生電極反應(yīng)：2h⁺+2e^-=h2↑，在n側(cè)，必發(fā)生電極反應(yīng)：2h2o-2e^-=2h⁺+o2↑。h⁺的擴散使得m側(cè)h⁺濃度升高，n側(cè)h⁺濃度降低，且升高量等于降低量；放電使得m側(cè)h⁺濃度降低，n側(cè)h⁺濃度升高，由電極方程式可知降低量等于升高量；當(dāng)系統(tǒng)處于動態(tài)平衡狀態(tài)時，在m側(cè)，h⁺因擴散升高的濃度等于因放電降低的濃度，在n側(cè)，h⁺因擴散降低的濃度等于因放電升高的濃度；故m、n兩側(cè)h⁺濃度可維持不變，即濃度差維持不變。

實施例2：

一種本發(fā)明的反電滲析熱能發(fā)電裝置，結(jié)構(gòu)與實施例1基本相同，其不同點僅在于：本實施例中，電解質(zhì)溶液為na2so4溶液。

一種利用上述本實施例的反電滲析熱能反電裝置進行發(fā)電的方法，包括以下步驟：

在高濃度電解質(zhì)溶液室11中加na2so4溶液，低濃度電解質(zhì)溶液室12加蒸餾水，置于50℃恒溫?zé)嵩粗?，將高濃度電解質(zhì)溶液室11的惰性電極與低濃度電解質(zhì)溶液室12的惰性電極用導(dǎo)線接通，進行發(fā)電。

本實施例的工作原理如圖5所示，na⁺透過陽離子交換膜從高濃度電解質(zhì)溶液室11擴散到低濃度電解質(zhì)溶液室12中，使高濃度側(cè)帶負電，低濃度側(cè)帶正電，在膜兩側(cè)產(chǎn)生電勢差。兩極接通后，由于so4^2-在水中的放電順序在oh^-之后，且na⁺在水中的放電順序在h⁺之后，則高濃度電解質(zhì)溶液室11中的水分子失電子，發(fā)生電極反應(yīng)：2h2o-4e^-=o2↑+4h⁺；低濃度電解質(zhì)溶液室12中的水分子得電子，發(fā)生電極反應(yīng)：4h2o+4e^-=2h2↑+4oh^-；高濃度一側(cè)生成的h⁺再透過膜與低濃度一側(cè)生成的oh^-中和，如此循環(huán)，該循環(huán)過程陽離子通透膜兩側(cè)濃度差可自動維持，當(dāng)水消耗一定量時，補充水即可。

實施例3：

一種本發(fā)明的反電滲析熱能發(fā)電裝置，結(jié)構(gòu)與實施例1基本相同，其不同點僅在于：本實施例中，離子選擇性通透膜3為陰離子交換膜，電解質(zhì)溶液為naoh溶液。

一種利用上述本實施例的反電滲析熱能反電裝置進行發(fā)電的方法，包括以下步驟：

在高濃度電解質(zhì)溶液室11中加naoh溶液，低濃度電解質(zhì)溶液室12加蒸餾水，置于50℃恒溫?zé)嵩粗?，將高濃度電解質(zhì)溶液室11的惰性電極與低濃度電解質(zhì)溶液室12的惰性電極用導(dǎo)線接通，進行發(fā)電。

本實施例的工作原理如圖6所示，oh^-透過陰離子交換膜從高濃度電解質(zhì)溶液室11擴散到低濃度電解質(zhì)溶液室12中，使高濃度側(cè)帶正電，低濃度側(cè)帶負電，在膜兩側(cè)產(chǎn)生電勢差。兩極接通后，則低濃度溶液中的oh^-失電子，發(fā)生電極反應(yīng)：4oh^-－4e^-=o2↑+2h2o；由于na⁺在水中的放電順序在h⁺之后，高濃度溶液中的水分子得電子，發(fā)生電極反應(yīng)：4h2o+4e^-=2h2↑+4oh^-；高濃度一側(cè)生成的oh^-再透過膜擴散到低濃度一側(cè)進行放電，如此循環(huán)，該循環(huán)過程陰離子選擇性通透膜兩側(cè)濃度差可自動維持，當(dāng)水消耗一定量時，補充水即可。

實施例4：

一種本發(fā)明的反電滲析熱能發(fā)電裝置，結(jié)構(gòu)與實施例1基本相同，其不同點僅在于：本實施例中，離子選擇性通透膜3為陰離子交換膜，電解質(zhì)溶液為na2so4溶液。

一種利用上述本實施例的反電滲析熱能反電裝置進行發(fā)電的方法，包括以下步驟：

在高濃度電解質(zhì)溶液室11中加na2so4溶液，低濃度電解質(zhì)溶液室12加蒸餾水，置于50℃恒溫?zé)嵩粗?，將高濃度電解質(zhì)溶液室11的惰性電極與低濃度電解質(zhì)溶液室12的惰性電極用導(dǎo)線接通，進行發(fā)電。

本實施例的工作原理如圖7所示，so4^2-透過陰離子交換膜從從高濃度電解質(zhì)溶液室11擴散到低濃度電解質(zhì)溶液室12中，使高濃度側(cè)帶正電，低濃度側(cè)帶負電，在膜兩側(cè)產(chǎn)生電勢差。兩極接通后，由于so4^2-在水中的放電順序在oh^-之后，且na⁺在水中的放電順序在h⁺之后，則低濃度鹽溶液中的水分子失電子，發(fā)生電極反應(yīng)：2h2o-4e^-=o2↑+4h⁺；高濃度鹽溶液中的水分子得電子，發(fā)生電極反應(yīng)：4h2o+4e^-=2h2↑+4oh^-；高濃度一側(cè)生成的oh^-再透過陰離子選擇性通透膜與低濃度一側(cè)生成的h⁺中和，如此循環(huán)，該循環(huán)過程膜兩側(cè)濃度差可自動維持，當(dāng)水消耗一定量時，補充水即可。

實施例5：

采用實施例1和實施例2的反電滲析熱能發(fā)電裝置進行電能產(chǎn)生與釋放實驗

實驗條件為：實施例1的反電滲析熱能發(fā)電裝置中，高濃度電解質(zhì)溶液室11中加濃度為1mol/lh2so4溶液，低濃度電解質(zhì)溶液室12加蒸餾水；實施例2的反電滲析熱能發(fā)電裝置中，高濃度電解質(zhì)溶液室11中加濃度為0.5mol/lna2so4溶液，低濃度電解質(zhì)溶液室12加蒸餾水；二者均在常溫下進行發(fā)電。

實驗步驟：使兩電極開路，開路電壓逐漸上升，裝置進行電能產(chǎn)生并自動存儲的過程，實驗記錄如圖8所示。當(dāng)電能存儲到一定量時，兩極之間接入100ω負載，負載電流逐漸下降，裝置進行電能釋放過程。實驗記錄如圖9所示。結(jié)果表明實施例1和實施例2的反電滲析熱能發(fā)電裝置均實現(xiàn)了熱能發(fā)電。

實施例6：

采用實施例1反電滲析熱能發(fā)電裝置進行負載電流與溫度關(guān)系測定實驗

實驗條件為：實施例1的反電滲析熱能發(fā)電裝置中，高濃度電解質(zhì)溶液室11中加濃度為0.5mol/lh2so4溶液，低濃度電解質(zhì)溶液室12加蒸餾水。

實驗步驟：兩極之間接入1000ω負載，足夠長時間后，電流基本穩(wěn)定，將裝置置于電子恒溫箱中，以模擬熱源，通過設(shè)置恒溫箱溫度改變熱源溫度。負載電流隨溫度變化曲線如圖10所示。結(jié)果表明本發(fā)明在常溫~約55℃溫度的熱源情況下均實現(xiàn)了熱能發(fā)電，且本發(fā)明只需對其工作溶液加熱，使溶液內(nèi)能增加，便可將溶液的內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為電能，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。

實施例7：

采用實施例1反電滲析熱能發(fā)電裝置進行負載電流與濃度差關(guān)系測定實驗

實驗條件為：實施例1的反電滲析熱能發(fā)電裝置中，高濃度電解質(zhì)溶液室11中加不同濃度的h2so4溶液進行實驗，低濃度電解質(zhì)溶液室12加蒸餾水，常溫下進行發(fā)電。

實驗步驟：兩極之間接入100ω負載，中夠長時間后，電流基本穩(wěn)定，記錄不同濃度的h2so4溶液對應(yīng)的穩(wěn)定后的電流。負載電流隨h2so4溶液濃度變化曲線如圖11所示。結(jié)果表明輸出電壓與輸出電流可通過提高膜兩側(cè)溶液濃度差來增大，曲線有一個下降的趨勢可能是因為溶液濃度太高對離子交換膜性能的影響所致。

實施例8：

采用實施例2反電滲析熱能發(fā)電裝置進行反復(fù)儲、放電實驗

實驗條件為：實施例2的反電滲析熱能發(fā)電裝置中，高濃度電解質(zhì)溶液室11中加濃度為0.5mol/lna2so4溶液，低濃度電解質(zhì)溶液室12加蒸餾水。

實驗步驟：使兩電極開路，裝置進行電能產(chǎn)生并自動存儲的過程，當(dāng)電能存儲到一定量時，使兩極短路，裝置進行電能釋放過程，交替進行開路與短路操作，并反復(fù)操作多次。實驗結(jié)果顯示，裝置能實現(xiàn)反復(fù)儲、放電，說明本發(fā)明發(fā)電過程中離子交換膜兩側(cè)溶液濃度差可自動維持，一次配制溶液可長期使用。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例。凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應(yīng)該指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下的改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。