一種溫差電池的制作方法
【專利摘要】一種溫差電池，包括一由固體電解質(zhì)膜及分別位于其兩側(cè)的第一和第二催化層構(gòu)成的膜電極，一第一集流單元和一第二集流單元；膜電極中第一催化層側(cè)的溫度高于第二催化層側(cè)；膜電極或置于一富有H2的空間環(huán)境內(nèi)部，或置于一富有H2的密封環(huán)境中；第一和第二集流單元分別位于膜電極兩側(cè)，與膜電極緊密貼合，且于第一和第二集流單元上分別設(shè)置有可與外部負載連接的第一和第二集流點。電池工作時，其第一催化層側(cè)溫度高，第二催化層側(cè)溫度低，因此，兩側(cè)存在電化學(xué)勢差，從而使H2在一側(cè)發(fā)生電化學(xué)氧化反應(yīng)，另一側(cè)發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)，在整個電池內(nèi)部，H2無凈消耗。
【專利說明】一種溫差電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于溫差發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于固體電解質(zhì)的溫差電池，該電池可將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能。
【背景技術(shù)】
[0002]日益增加的能源需求及化石能源價格的不斷上漲迫使人們尋求新技術(shù)來I)提高能源利用率，2)發(fā)展可再生能源。熱電器件可將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能，在以上所提的兩個方面均有廣泛應(yīng)用前景。目前在各行各業(yè)廣泛使用熱機的效率在30-40%，其余能量全以熱能形式耗散于環(huán)境中；另外可再生能源也有不少是以熱能形式存在，如太陽能光熱、地?zé)岬取Ｈ裟軐⒋祟悷崮芾?，將會減小對化石能源的依賴。
[0003]常見的將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的熱電器件是基于半導(dǎo)體材料的，此類器件無運動部件、免維護，但目前能量轉(zhuǎn)換效率較低。而涉及電化學(xué)反應(yīng)的溫差電池亦可將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，其對環(huán)境友好，無碳排放，成本較低。這些優(yōu)勢使得溫差電池應(yīng)用前景極為廣闊。
[0004]傳統(tǒng)的溫差電池所用電解質(zhì)是液態(tài)電解質(zhì)；反應(yīng)物在溶液中傳質(zhì)較慢，電池性能易受濃差極化影響。本發(fā)明提供一種基于固態(tài)電解質(zhì)的溫差電池。其反應(yīng)物為H2，因氣體擴散要比離子在溶液內(nèi)擴散快得多，故性能不受濃差極化影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對以上問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于固態(tài)電解質(zhì)的溫差電池。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]—種溫差電池，包括一由固體電解質(zhì)膜及分別位于其兩側(cè)、并與膜緊密貼合的第一和第二催化層構(gòu)成的膜電極；
[0008]一熱源或制冷源，熱源用于為膜電極中第一催化層提供熱量，制冷源用于攝取膜電極中第二催化層中的熱量；使膜電極中第一催化層側(cè)的溫度高于第二催化層側(cè)的溫度；
[0009]膜電極置于一富有H2的空間環(huán)境中；
[0010]于膜電極兩側(cè)分別設(shè)置有第一和第二集流單元，它們分別與膜電極緊密貼合，且于第一和第二集流單元上分別設(shè)置有可與外部負載連接的第一和第二集流點。
[0011 ] 所述固體電解質(zhì)膜為傳導(dǎo)H+的酸性電解質(zhì)膜或傳導(dǎo)OF的堿性電解質(zhì)膜。
[0012]所述酸性電解質(zhì)膜為全氟磺酸膜、偏氟磺酸膜、磺酸化后的碳氫類膜或聚苯并咪唑/磷酸(pbi/h3po4)摻雜膜；堿性電解質(zhì)膜為季氨類陰離子交換膜或季磷類陰離子交換膜。
[0013]所述第一和第二催化層分別由催化氧化和催化還原H2的催化劑及粘結(jié)劑構(gòu)成。
[0014]所述催化劑為鉬、鈀、釕、鎳、鉻、鈷、銅、鎢、鐵、鈰、鑰中的一種或兩種以上的合金;
[0015]或，所述催化劑為碳擔(dān)載型催化劑，活性成份為鉬、鈀、釕、鎳、鉻、鈷、銅、鎢、鐵、鈰、鑰中的一種或兩種以上的合金；[0016]所述碳擔(dān)載型催化劑中的碳載體為碳粉、碳納米管、碳氣溶膠中的一種。
[0017]于膜電極與第一和第二集流單兀之間分別設(shè)置有第一氣體擴散層和第二氣體擴散層；
[0018]第一和第二氣體擴散層為碳紙、碳布、碳租、金屬網(wǎng)、泡沫金屬中的一種；或，第一和第二氣體擴散層是以碳紙、碳布、碳氈、金屬網(wǎng)、泡沫金屬中一種為基底，于基底上涂覆有由碳粉和粘結(jié)劑構(gòu)成的微孔層。
[0019]所述粘結(jié)劑為傳導(dǎo)H+的陽離子交換樹脂、傳導(dǎo)OH—的陰離子交換樹脂、非離子型聚合物中的一種或兩種以上；
[0020]所述陽離子交換樹脂為全氟磺酸類、偏氟磺酸類、磺酸化后的碳氫類聚合物中的一種或兩種以上；所述的陰離子交換樹脂為季氨類或季磷類聚合物中的一種或兩種以上；所述的非離子型聚合物為PTFE、PVDF、PBI中的一種或兩種以上。
[0021]所述熱源為太陽光或散熱器；所述第一催化層側(cè)的溫度為40-220°C ；
[0022]所述制冷源為制冷壓縮機、風(fēng)冷制備、水冷設(shè)備。
[0023]所述富有H2的空間環(huán)境是H2體積含量50%以上的氣體環(huán)境，且氣體環(huán)境中02、F2、Cl2,Br2, CO2, CO,NH3的體積之和小于總體積的百分之一，SO2,H2S,NO,NO2, C2Cl4的體積之和小于總體積的百萬分之一，除上述氣體外，該氣體環(huán)境中僅含有惰性氣體。
[0024]所述溫差電池在具體應(yīng)用時，可由單節(jié)電池串聯(lián)或并聯(lián)組成電池組，也可由電池組再進行串聯(lián)或并聯(lián)后應(yīng)用。
[0025]在所述溫差電池工作過程中，由于第一催化層側(cè)的溫度高于第二催化層側(cè)，擴散至兩側(cè)催化層上H2將在催化劑表面產(chǎn)生一定的電化學(xué)勢差異。在富氫環(huán)境中無水存在的情況下，需采用質(zhì)子交換膜，此時第一催化層側(cè)電位將高于第二催化層側(cè)，H2在第一催化層側(cè)發(fā)生氧化反應(yīng)，生成H+和電子，H+通過質(zhì)子交換膜傳輸?shù)降诙呋瘜觽?cè)，電子通過外電路做功到達第二催化層；達到第二催化層側(cè)的H+和電子在催化劑的作用下發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)生成H2。在富氫環(huán)境中有水存在的情況下，需采用陰離子交換膜，此時第一催化層側(cè)電位將高于第二催化層側(cè)，H2與體系中存在的0H_在第二催化層側(cè)發(fā)生電化學(xué)氧化反應(yīng)，生成水和電子，電子通過外電路做功到達第一催化層側(cè)，與第一催化層側(cè)的H2O發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)，生成H2和0H_，OF通過陰離子交換膜傳輸?shù)降诙呋瘜觽?cè)，反應(yīng)繼續(xù)進行。
[0026]所述溫差電池可以采用內(nèi)側(cè)面具有流道的第一極板和第二極板將膜電極夾緊于其中；所述第一和第二極板由金屬或石墨制成；且其靠近膜電極的一側(cè)具有用于貯存H2并供H2流動的點狀、或蛇形、或平行溝槽流道；同時，第一和第二極板上同時具有進氣口和出氣口，供初始充H2用。電池工作前，將H2同時通入第一和第二極板中一定時間后將極板上的進氣口和出氣口同時封堵，構(gòu)成一富氫的密封環(huán)境。
[0027]將所述溫差電池置于一具有溫差的環(huán)境中時，其即可對外發(fā)電。如將上述溫差電池第一極板端涂覆一層吸光層，并將此極板端置于陽光下，使第一催化層和第二催化層側(cè)形成一定的溫度差，該溫差電池即可發(fā)電；或?qū)⑸鲜鰷夭铍姵氐牡谝粯O板端置于換熱器的散熱端，使其內(nèi)部第一催化層側(cè)的溫度高于第二催化層側(cè)，該溫差電池即可發(fā)電；諸如此類，只要利用環(huán)境中的廢熱或余熱將溫差電池的第一催化層側(cè)的溫度升高，使第一與第二催化層側(cè)形成一定的溫度差，該溫差電池即可發(fā)電。
[0028]本發(fā)明所述溫差電池，具有如下優(yōu)點:[0029]1.有利于環(huán)境中廢熱和余熱的利用；
[0030]2.環(huán)境友好，無碳排放；
[0031]3.產(chǎn)業(yè)化前景好，有利于批量生產(chǎn)應(yīng)用；
[0032]4.相比液態(tài)電解質(zhì)溫差電池，不受濃差極化的限制，電池性能好。
[0033]5.H2用量小,無危險,且在整個電池體系內(nèi)部無凈消耗。
[0034]6.無運動部件，免維護。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1為本發(fā)明所述溫差電池原理示意圖。
[0036]其中，I為第一集流單元；1’為第二集流單元；2為第一催化層；2’為第二催化層；3為固體電解質(zhì)膜。A、B之間有一溫度差。A為高溫端，B為低溫端。高溫側(cè)發(fā)生反應(yīng)為:H2-2e_=H+，低溫端發(fā)生反應(yīng)為:2H++e_=H2。
[0037]圖2為一本發(fā)明所述溫差電池結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038]其中,4為第一極板；5為膜電極組件；6為第二極板；7為第二極板上的進氣口 ；8為第一極板上的進氣口 ；8’為第一極板上的出氣口。
[0039]圖3為實施例1所制造的溫差電池恒流放電曲線。
[0040]圖4為實施例2中溫差電池的放電曲線。
【具體實施方式】
[0041]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作詳細的描述。當然本發(fā)明并不僅限于下述具體的實施例。
[0042]實施例1:
[0043]所用氣體擴散層為TGP-060。其上涂覆有0.6mg/cm2的碳粉、PTFE混合物，其中PTFE的質(zhì)量分數(shù)為30%。之后再在其上刮涂催化劑漿液。漿液由Pt/C(60% wt.JM公司)、濃度為5%的Nafion溶液、乙醇構(gòu)成；其中Nafion、Pt/C、乙醇質(zhì)量比為1:4:20。本實施例第一催化層和第二催化層相同，均用上述制備的電極。
[0044]將上述所制備兩片電極分別置于Nafion-115膜兩側(cè)，在120°C、2000磅壓力下熱壓一分鐘制成附有擴散層的一體化膜電極。本實施例所用電極的尺寸為2cmX2cm。
[0045]將所制成上述一體化膜電極及具有點狀流場的第一和第二不銹鋼極板(此時該極板同時用作第一集流單元和第二集流單元)，按照圖二次序組裝成單電池。將4由進氣口通入使其完全占據(jù)流道及膜電極內(nèi)孔洞空間，然后封閉第一極板上的進氣口和第二極板上的出氣口，同時將第一極板上的出氣口和第二極板上的進氣口用導(dǎo)氣管相連通，以保證H2在電池內(nèi)部循環(huán)。
[0046]在電池兩端設(shè)置一溫度差:對第一極板加熱至80°C，此時第二極板的溫度為66°C。將Arbin電子負載正極同第一極板上的集流點相接，負極同第二極板上的集流點相接，進行恒流(ImA)放電，所測結(jié)果見圖3。
[0047]實施例2:
[0048]所述電極制備及單池組裝同實施例1。
[0049]將溫差電池的第一極板4上涂覆一層導(dǎo)熱硅脂，再在其上放置一太陽能光熱板。將裝有光熱板的溫差電池置于太陽光下，其中光熱板朝向太陽。將Arbin電子負載正極同第一極板上的集流點相接，負極同第二極板上的集流點相接，進行放電測試。在不同電流下電池性能曲線如圖3。
【權(quán)利要求】
1.一種溫差電池,其特征在于: 包括一由固體電解質(zhì)膜及分別位于其兩側(cè)、并與膜緊密貼合的第一和第二催化層構(gòu)成的膜電極； 一熱源或制冷源，熱源用于為膜電極中第一催化層提供熱量，制冷源用于攝取膜電極中第二催化層中的熱量；使膜電極中第一催化層側(cè)的溫度高于第二催化層側(cè)的溫度； 膜電極置于一富有H2的空間環(huán)境中； 于膜電極兩側(cè)分別設(shè)置有第一和第二集流單元，它們分別與膜電極緊密貼合，且于第一和第二集流單元上分別設(shè)置有可與外部負載連接的第一和第二集流點。
2.如權(quán)利要求1所述溫差電池，其特征在于: 所述固體電解質(zhì)膜為傳導(dǎo)H+的酸性電解質(zhì)膜或傳導(dǎo)OH—的堿性電解質(zhì)膜。
3.如權(quán)利要求2所述溫差電池，其特征在于: 所述酸性電解質(zhì)膜為全氟磺酸膜、偏氟磺酸膜、磺酸化后的碳氫類膜或聚苯并咪唑/磷酸(pbi/h3po4)摻雜膜；堿性電解質(zhì)膜為季氨類陰離子交換膜或季磷類陰離子交換膜。
4.如權(quán)利要求1所述溫差電池，其特征在于: 所述第一和第二催化層分別由催化氧化和催化還原H2的催化劑及粘結(jié)劑構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求4所述溫差電池，其特征在于: 所述催化劑為鉬、鈀、釕·、鎳、鉻、鈷、銅、鎢、鐵、鈰、鑰中的一種或兩種以上的合金； 或，所述催化劑為碳擔(dān)載型催化劑，活性成份為鉬、鈀、釕、鎳、鉻、鈷、銅、鎢、鐵、鈰、鑰中的一種或兩種以上的合金； 所述碳擔(dān)載型催化劑中的碳載體為碳粉、碳納米管、碳氣溶膠中的一種。
6.如權(quán)利要求1所述溫差電池，其特征在于: 于膜電極與第一和第二集流單元之間分別設(shè)置有第一氣體擴散層和第二氣體擴散層； 第一和第二氣體擴散層為碳紙、碳布、碳租、金屬網(wǎng)、泡沫金屬中的一種；或，第一和第二氣體擴散層是以碳紙、碳布、碳氈、金屬網(wǎng)、泡沫金屬中一種為基底，于基底上涂覆有由碳粉和粘結(jié)劑構(gòu)成的微孔層。
7.如權(quán)利要求4或6所述溫差電池，其特征在于: 所述粘結(jié)劑為傳導(dǎo)H+的陽離子交換樹脂、傳導(dǎo)OH—的陰離子交換樹脂、非離子型聚合物中的一種或兩種以上； 所述陽離子交換樹脂為全氟磺酸類、偏氟磺酸類、磺酸化后的碳氫類聚合物中的一種或兩種以上；所述的陰離子交換樹脂為季氨類或季磷類聚合物中的一種或兩種以上；所述的非離子型聚合物為PTFE、PVDF、PBI中的一種或兩種以上。
8.如權(quán)利要求1所述溫差電池，其特征在于: 所述熱源為太陽光或散熱器；所述第一催化層側(cè)的溫度為40-220°C ； 所述制冷源為制冷壓縮機、風(fēng)冷制備、水冷設(shè)備。
9.如權(quán)利要求1所述溫差電池，其特征在于: 所述富有H2的空間環(huán)境是H2體積含量50%以上的氣體環(huán)境，且氣體環(huán)境中02、F2、C12、Br2, CO2, CO、NH3的體積之和小于總體積的百分之一，SO2, H2S, NO、NO2, C2Cl4的體積之和小于總體積的百萬分之一。
10.如權(quán)利要求1所述溫差電池，其特征在于: 所述溫差電池在具體應(yīng)用時，可由單節(jié)電池串聯(lián)或并聯(lián)組成電池組，也可由電池組再進行串聯(lián)或并聯(lián) 后應(yīng)用。
【文檔編號】H01M8/10GK103855419SQ201210499815
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月29日
【發(fā)明者】孫公權(quán), 楊林林, 孫海, 陳利康, 秦兵 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所