一种基于化学反应循环的热电池装置的制作方法

本发明能源技术领域，涉及一种电池技术，尤其涉及一种基于化学反应循环的热电池装置。

背景技术：

随着传统能源消耗量的加剧以及随之而来的环境污染愈发严重，清洁高效的能源利用日益引起世界各国政府和研究机构的重视。电能是能量品位最高且应用最为广泛的二次能源，但传统的热力发电方式装置庞大，效率受卡诺循环限制，且要消耗大量化石能源；通过燃料电池发电同样需要额外消耗二次能源(主要为氢能)，燃料的运输和储存一直是较大问题；太阳能、风能发电受限于外部环境，难以维持电功率稳定输出，不能满足电网输运要求；水能、潮汐能、地热能发电受限于地理位置，仅能在特定地区应用；热电材料发电、压电材料发电、摩擦发电等发电方式发电效率较低，难以满足大规模用电需求。

技术实现要素：

鉴于上述技术问题，本发明的目的是提供了一种基于化学反应循环的热电池装置，以热能驱动高效发电，降低发电成本。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种基于化学反应循环的热电池装置，其特征在于：包括第一反应腔、第二反应腔、位于两个反应腔之间的电解质膜、以及分别设于第一反应腔和第二反应腔第一电极催化剂和第二电极催化剂；

所述第一反应腔用于发生反应原料的吸热分解反应，反应原料在第一反应腔内吸热分解成第一组分和第二组分；其中第一组分经过第一电极催化剂后变成带电离子，电离子在化学势差的作用下透过电解质膜进入到第二反应腔内，与第二反应腔内的第二组分一起在第二电极催化剂的催化作用下发生逆分解反应，重新生成反应原料；随着第一组分以带电离子形式的移动，使得第一电极催化剂和第二电极催化剂之间产生电势，第一反应腔内的反应原料和第二反应腔内的第二组分称为反应工质对。

作为改进，还包括原料循环供给装置和供热装置，所述原料循环供给装置用于将第二反应腔内反应产生的反应原料源源不断的送入第一反应腔内，并将第一反应腔内吸热分解成生成的第二组分源源不断送入到第二反应腔内，使得第一反应腔内分解反应和第二反应腔内逆分解反应均持续进行，所述供热装置用于为第一反应腔提供分解反应所需热量。

作为改进，所述第一组分为单质或者化合物，所述第二组分为单质、化合物或者混合物。

作为改进，需要传导氧离子时，反应工质对可以为：水和氢气，二氧化碳和一氧化碳；

需要传导氢离子时，反应工质对可以为：水和氧气，氨气和氮气，碳氢化合物和一氧化碳，碳氢化合物和二氧化碳；

需要传导碳酸根离子时，反应工质对可以为：碳酸盐和所对应的金属单质。

作为改进，所述电解质膜根据不同反应工质对所需传导的离子不同而改变：

需要传导氧离子时，所述电解质膜材料选自于以下材料中的一种：

baxsr1-xcoyfe1-yo3-δ，其中：0≤x≤1，0≤y≤1，0≤δ≤3；

ceo2；

zro2；

y2o3；

la1-xsrxco1-yfeyo3-δ，其中：0≤x≤1，0≤y≤1，0≤δ≤3；

需要传导氢离子时，所述电解质膜材料选自于以下材料中的一种：

nafion膜；

ba3-xkxhx(po4)2，其中0≤x≤3；

srzr0.95y0.05o3-x，其中0≤x≤3；

需要传导碳酸根离子时，所述电解质膜材料选自于以下材料中的一种：

掺杂熔融碳酸盐的la1-xsrxco1-yfeyo3-d，其中：0≤x≤1，0≤y≤1，0≤δ≤3；

掺杂y2o3和熔融碳酸盐的zro2；

掺杂gd2o3和熔融碳酸盐的ceo2。

作为改进，所述供热装置为太阳能、核能、地热能、化石能源和工业废热中的任意一种或者几种形式提供热量，所述第一反应腔内反应温度为20℃～2500℃。

作为改进，所述化学势差为离子浓度差、分压差或电势差。

作为改进，所述热电池装置的第一反应腔和第二反应腔为方形、圆柱形、圆台形、圆锥形、棱柱形、棱台型、棱锥形、圆盘形、圆筒形、圆环形、纺锤形以及螺线管形中任意一种形状。

本发明有益效果是：

从上述技术方案可以看出，本发明基于化学反应循环的热电池装置具有以下有益效果：

(1)本发明化学反应循环过程物质守恒，不消耗额外化学能，仅依靠热能对外高效输出电能；

(2)本发明发电过程没有叶轮机械运动，没有噪音，且装置形状和大小可以依据需要灵活变化；

(3)本发明可以和太阳能、地热能等新能源以及核能、化石能源、工业废热相结合，清洁环保，在能源、交通运输、军事、电子器件等方面具有重要意义。

附图说明

图1为本发明一种基于化学反应循环的热电池装置的结构示意图；

图2为以水和氢气为工质对时的装置热能发电效率示意图。

附图说明：1-第一反应腔，2-第二反应腔，3-电解质膜，4-第一电极催化剂，5-第二电极催化剂。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供一种基于化学反应循环的热电池装置，包括第一反应腔1、第二反应腔2、电解质膜3、第一电极催化剂4和第二电极催化剂5，电解质膜3位于第一反应腔1和第二反应腔2之间，第一电极催化剂4设于第一反应腔1内，第二电极催化剂5设于第二反应腔2内，并且第一电极催化剂4和第二电极催化剂5分别紧密贴合在电解质膜3两侧；

所述第一反应腔1用于发生反应原料的吸热分解反应，反应原料在第一反应腔1内吸热分解成第一组分和第二组分；其中第一组分经过第一电极催化剂4后变成带电离子，电离子在化学势差的作用下透过电解质膜3进入到第二反应腔2内，与第二反应腔2内的第二组分一起在第二电极催化剂5的催化作用下发生逆分解反应，重新生成反应原料；随着第一组分以带电离子形式的移动，使得第一电极催化剂4和第二电极催化剂5之间产生电势，第一反应腔1内的反应原料和第二反应腔2内的第二组分称为反应工质对。

还包括原料循环供给装置和供热装置，所述原料循环供给装置用于将第二反应腔2内反应产生的反应原料源源不断的送入第一反应腔1内，并将第一反应腔1内吸热分解成生成的第二组分源源不断送入到第二反应腔2内，使得第一反应腔1内分解反应和第二反应腔2内逆分解反应均持续进行，所述供热装置用于为第一反应腔1提供分解反应所需热量。

本实施例中，所述供热装置为太阳能、核能、地热能、化石能源和工业废热中的任意一种或者几种形式提供热量，所述第一反应腔1内反应温度为20℃～2500℃。

需要指出的是虽然水分解和co2分解温度都远高于2500℃，但是在低于2500℃时也有一个分解平衡，当不断抽出分解产物时，总体分解转化率可以达到很高，当然本发明热解反应也可以在2500℃-4000℃温度下进行，只是受限于第一反应腔1材料制备，一般选择20℃～2500℃。

本实施例中，所述化学势差为离子浓度差、分压差或电势差。

本实施例中，所述热电池装置的第一反应腔1和第二反应腔2为方形、圆柱形、圆台形、圆锥形、棱柱形、棱台型、棱锥形、圆盘形、圆筒形、圆环形、纺锤形以及螺线管形中任意一种形状。

一、第一实施例

本发明一种基于化学反应循环的热电池装置以水蒸气和氢气为工质对，水蒸气为反应原料，氧气为第一组分，氢气为第二组分，在第一反应腔1内通入水蒸气，在第二反应腔2通入氢气，两者逆向流动，电解质膜3为可以导通氧离子的高温固态氧化物，如baxsr1-xcoyfe1-yo3-δ，其中：0≤x≤1，0≤y≤1，0≤δ≤3；ceo2；zro2；la1-xsrxco1-yfeyo3-δ，其中：0≤x≤1，0≤y≤1，0≤δ≤3；y2o3(三氧化二钇)等。热电池装置运行温度可以在600-2500℃之间。第一电极催化剂4对应水蒸气分解为氢气和氧气的分解反应，可以为铂电极。第二电极催化剂5对应氢气和氧气(氧离子)反应生成水蒸气的化合反应，可以为铂电极。关于电解质膜3材料、电极材料、催化剂材料和反应温度，本发明并不以此为限。

水蒸气在第一反应腔1内吸热部分分解为氢气和氧气。由于第一反应腔1和第二反应腔2之间存在氧分压差，第一反应腔1内生成的氧气会依次透过第一电极催化剂4、电解质膜3、第二电极催化剂5进入第二反应腔2，并与第二反应腔2内的氢气反应生成水蒸气。此时，第一反应腔1内水蒸气分解反应平衡被打破，分解反应向正向移动，继续生成新的氢气和氧气，氧气重复刚刚过程继续进入第二反应腔2被氢气消耗。此过程连续进行，具体氧进入第二反应腔2内过程为：氧气分子在第一电极催化剂4表面将和电子形成带负电的氧离子，氧离子透过电解质膜3在第二电极催化剂5表面释放电子形成氧气分子，并和氢气反应，因此在第一电极催化剂4和第二电极催化剂5将形成电动势，对外输出电能。

该装置可以通过原料循环供给装置(两个循环管路)使第一反应腔1和第二反应腔2两端相连，使装置内气路连续循环运行，即第一反应腔1的含氢量较高的尾气继续进入第二反应腔2，而第二反应腔2含水蒸气量较高的尾气继续进入第一反应腔1连续运行对外发电。直至第一反应腔1和第二反应腔2内的水蒸气和氢气比例相同，气体不再具有发电能力，通过将第二反应腔2降温至水蒸气沸点以下将水蒸气液化分离，装置再升温至运行温度继续循环运行对外发电做功。

本发明一种基于化学反应循环的热电池装置可以在满足运行原理的前提下做成各种大小和形状，应用于不同领域。

二、第二实施例

本发明一种基于化学反应循环的热电池装置以液态水和氧气为反应工质对，液态水为反应原料，氢气为第一组分，氧气为第二组分，在第一反应腔1内通入水，在第二反应腔2通入氧气，两者逆向流动，电解质膜3为可以导通质子的电解质膜3，如nafion膜；ba3-xkxhx(po4)2，其中0≤x≤3；srzr0.95y0.05o3-x，其中0≤x≤3等。nafion膜的运行温度可以为20-100℃；钙钛矿类质子导体(ba3-xkxhx(po4)2，srzr0.95y0.05o3-x)的运行温度可以为600-1000℃。第一电极催化剂4对应水蒸气分解为氢气和氧气的分解反应，可以为铂电极。第二电极催化剂5对应氢气(氢离子)和氧气反应生成水蒸气的化合反应，可以为铂电极。关于电解质膜3材料、电极材料、催化剂材料和反应温度，本发明并不以此为限。

与第一实施例类似，水在第一反应腔1内吸热部分分解为氢气和氧气(常压，温度高于100℃)或氢离子和氢氧根例子(常压，温度高于0℃低于100℃)。由于第一反应腔1和第二反应腔2之间存在氢分压差，第一反应腔1内生成的氢气或氢离子会以离子形式透过第一电极催化剂4、电解质膜3、第二电极催化剂5进入第二反应腔2，并与第二反应腔2内的氧气反应生成水。同样第一反应腔1内反应平衡被打破，分解反应向正向移动，水分解转化率提升。当温度高于0℃低于100℃(常压)时，液态水会电离产生氢离子和氢氧根离子，带正电的氢离子会透过电解质膜3在第二电极催化剂5表面和氧气及电子(氢氧根释放电子生成氧气和水)反应生成液态水，使外电路电子移动对外输出电能；当温度高于100℃(常压)时，水蒸气分解产生的氢气会在第一电极催化剂4表面形成氢离子并释放电子，氢离子并透过电解质膜3，在第二电极催化剂5表面和氧气及电子反应生成液态水，因此在第一电极催化剂4和第二电极催化剂5将形成电动势，对外输出电能。

该装置同样可以通过原料循环供给装置(两个循环管路)使第一反应腔1和第二反应腔2两端相连，使装置内气路连续循环运行，且当温度高于0℃低于100℃(常压)时不需要冷凝进行水蒸气分离，具体过程和第一实施例类似，此处不再赘述。

本发明一种基于化学反应循环的热电池装置可以在满足运行原理的前提下做成各种大小和形状，应用于不同领域。

其中所述热电池装置的第一反应腔1和第二反应腔2为方形、圆柱形、圆台形、圆锥形、棱柱形、棱台型、棱锥形、圆盘形、圆筒形、圆环形、纺锤形以及螺线管形中任意一种形状。

本发明电解质膜3和反应工质不限于上述实施例，进行对应选择，如下：需要传导氧离子时，反应工质对可以为：水和氢气，二氧化碳和一氧化碳；

需要传导氢离子时，反应工质对可以为：水(反应原料)和氧气(第二组分)，氨气和氮气，碳氢化合物和一氧化碳，碳氢化合物和二氧化碳；

需要传导碳酸根离子时，反应工质对可以为：碳酸盐和所对应的金属单质。

需要指出的是本发明实施例中所列举例子，第二组分均为单一组分，但并不限于单一组分，可以为混合组分，当第二组分为混合组分时，第二反应腔2需要预先注入一定量的第二组分，第一反应腔1内需要预先注入一定量的反应原料。

本发明热电池装置的热力学分析及能效计算：

基于热力学第一定律分析，本发明一种基于化学反应循环的热电池装置利用热能在第一反应腔1内使化学反应aabb→aa+bb(吸热反应)正向进行，此处a、b表示由化合物aabb分解而产生的两种物质，可以是化合物，也可以是单质。分解反应吸热量为δh。在第二反应腔2内，aa+bb→aabb反应进行，放出能量δh，其中δh＝δg+tδs，δg为热电池装置理论输出的电能，可以表示为：

其中δg⁰为标准大气压下的吉布斯自由能变；pa、pb和分别为反应前后物质a，b和aabb的分压；r是理想气体常数；t为开氏温度。tδs为热电池装置对外输出的热能，其中δs为反应前后物质的熵变，可表示为：

其中δs⁰为标准大气压下的熵变。因此本发明将热能以燃料电池效率高效转化为电能，满足热力学第一定律。

基于热力学第二定律分析，本发明一种基于化学反应循环的热电池装置发电之前物质aabb和物质a均为纯净物，而当其流入热电池装置进行发电，第一反应腔1和第二反应腔2之间需维持物质b的化学势差(此处为分压差)，即a不能完全转换为aabb，aabb也不能完全分解为a，因此最终产物为混合物。本发明一种基于化学反应循环的热电池装置发电过程相当于将两种纯净物混合，混合过程熵增，满足热力学第二定律。

本发明热电池装置的第一反应腔1和第二反应腔2可以收尾连接(即通过原料循环供给装置相连相互供给反应组分)，使热电池装置产物可以循环利用发电，直至第一反应腔1和第二反应腔2内物质aabb和物质a的比例相同，即不再有b的化学势差时装置不能继续发电。此时，可以通过将混合物分离为纯净物aabb和a重复以上过程发电。

本发明一种基于化学反应循环的热电池装置可以以水和氢气，水和氧气，二氧化碳和一氧化碳，碳酸盐及其所对应的产物等多种物质作为反应工质对。以水和氢气作为反应工质对为例，此时电解质膜3可以为固态氧化物电解质膜3，当水蒸气和氢气比例相同，装置不能继续发电时，可以通过将装置降温，使水蒸气冷凝将其与氢气分离，其热能发电的热力学效率计算如图2所示，红线表示该温度下热机的卡诺效率；黑线表示不考虑热回收时热电池装置理论效率；若不考虑反应产物循环利用，假设反应初态水蒸气和氢气的物质的量相同，反应过程中有90％的氢气转换为水蒸气，同时有90％的水蒸气分解为氢气，并考虑装置降温和混合物分离过程的相变潜热能耗l(按照42kj/mol计算)，此时本发明一种基于化学反应循环的热电池装置热能发电效率为蓝线所示；该反应过程第二反应腔2内的产热量tδs可以通过热回收继续为第一反应腔1内的分解反应提供能量，此时热能发电效率为粉线所示。需说明，当温度低于100℃时，此时水为液态，不需要考虑装置降温和混合物分离过程的能耗，即l＝0。该反应过程以液态水和氧气为反应工质对，电解质膜3为质子交换膜。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种基于化学反应循环的热电池装置有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值；

(2)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(3)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

综上所述，本发明一种基于化学反应循环的热电池装置通过将化学正逆反应耦合，将热能以燃料电池效率高效转化为电能，相比于传统的热能发电过程，热能发电效率大大提高。此外，本装置可以与其他多种热能来源(如核能、太阳能、地热能、工业废热等)相结合使用，实用性较强，具有广阔的应用前景。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。