一种无膜的热再生氨电池及制作方法与流程

本发明涉及热再生氨电池,具体涉及一种无膜的热再生氨电池及制作方法。

背景技术：

热再生氨电池(Thermally Regenerative Ammonia-based Battery，TRAB)是一种回收低温废热的新型电化学系统产电技术。

热再生氨电池利用阴阳极在不同的氨浓度下会产生电势差，其能量来源于金属络合物的形成。TRAB主要由阳极和阴极组成，中间以阴离子交换膜分隔，阴、阳极电极均为金属铜电极。

微流体燃料电池利用其微通道中的平行层流流动，将阴阳极液隔开，取消了对质子交换膜的使用，因此也称为无膜型微小燃料电池。传统的燃料电池使用质子交换膜，质子交换膜成本高以及膜老化、污染等一系列问题都尚待解决，而微流体燃料电池采用无膜型，很好的解决了使用质子交换膜所带来的一系列问题，并简化了电池结构。

近年来，随着便携式电子设备的广泛使用，微型芯片等微小设备的散热问题一直是一个亟待解决的问题，热再生氨电池在废热回收方面有很好的效果，其前景也是非常可观。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种无膜的热再生氨电池及制作方法，以解决传统燃料电池质子交换膜成本高、结构复杂等问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是，一种无膜的热再生氨电池，包括上盖板和下盖板；其特征在于：在上盖板和下盖板之间设置阳极铜片电极和阴极铜片电极；阳极铜片电极与阴极铜片电极按左右并行布置；阳极铜片电极与阴极铜片电极之间设置有缝隙，该缝隙的前端设置有绝缘薄膜，该缝隙的后端设置有楔子，绝缘薄膜和楔子之间的缝隙构成流体流动通道；设置绝缘薄膜和楔子用于防止电解液从缝隙的前、后端流出；在阴极铜片电极上设置阴极液流道，阳极铜片电极上设置阳极液流道；阴极液流道的尾端和阳极液流道的尾端同时与流体流动通道的前端连接；在上盖板上分别设置阴极液进口和阳极液进口，所述阴极液进口与阴极液流道的前端连通，所述阳极液进口与阳极液流道的前端连通；在下盖板上设置混合液出口，该混合液出口与流体流动通道的后端相通。

本发明的第二个技术方案是，一种无膜的热再生氨电池制作方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一、建立无膜的热再生氨电池，该电池包括上盖板和下盖板；在上盖板和下盖板之间设置阳极铜片电极和阴极铜片电极；阳极铜片电极与阴极铜片电极按左右并行布置；阳极铜片电极与阴极铜片电极之间设置有缝隙，该缝隙的前端设置有绝缘薄膜，该缝隙的后端设置有楔子，使绝缘薄膜和楔子之间的缝隙构成流体流动通道；阴极铜片电极上设置阴极液流道，阳极铜片电极上设置阳极液流道；阴极液流道的尾端和阳极液流道的尾端同时与流体流动通道的前端连接；在上盖板上分别设置阴极液进口和阳极液进口，所述阴极液进口与阴极液流道的前端连通，所述阳极液进口与阳极液流道的前端连通；在下盖板上设置混合液出口，该混合液出口与流体流动通道的后端相通；

第二、将阳极铜片电极与阴极铜片电极通过外电路连接，将阴极电解液和阳极电解液以一定流速加入阴极液进口和阳极液进口，阴极电解液和阳极电解液分别通过阴极液流道和阳极液流道中流动到流体流动通道的前端；

第三、阴极电解液和阳极电解液在流体流动通道内产生平稳层流，阳极铜片电极与阳极电解液发生反应，产生电子和铜离子，产生的电子通过外电路传递到阴极铜片电极，产生的铜离子与阴极电解液中的Cu离子结合产生Cu单质沉积在阴极铜片电极表面；

第四、反应后的电解液通过混合液出口流出。

本发明阳极液流道、阴极液流道和流体流动通道构成微流体Y型槽道结构。在这种结构中，阴、阳极液分别从Y型槽道两边进入，之后阴、阳极液在流体流动通道中自行分层形成较为显著的平行层流效应，液体中阴、阳极液主要通过各层流界面间的扩散过程来实现，即液流成分越过层流界面向对方横向扩散。

本发明所述的一种无膜的热再生氨电池及制作方法的有益效果是：本发明采用无膜型热再生氨电池，阴阳极液在微小通道内形成层流流动，简化了电池结构；本发明节约了氨电池成本，并解决了传统氨电池使用质子交换膜带来的膜老化、污染等问题；本发明所述的无膜型热再生氨电池，由于其回收废热以及尺寸小等优势，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明所述的一种无膜的热再生氨电池结构示意图。

图2是图1的左视图。

图3是图1的主视图。

图4是阳极铜片电极2和阴极铜片电极6的结构示意图。

图5是本发明所述的一种无膜的热再生氨电池的电流—电压曲线。

图6是本发明所述的一种无膜的热再生氨电池的电流—功率曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的具体描述，但本发明的实施方式不限于此。

参见图1至图4，一种无膜的热再生氨电池，包括上盖板1和下盖板5；在上盖板1和下盖板5之间设置阳极铜片电极2和阴极铜片电极6；阳极铜片电极2与阴极铜片电极6按左右并行布置；阳极铜片电极2与阴极铜片电极6之间设置有缝隙7，该缝隙7的前端设置有绝缘薄膜12，该缝隙7的后端设置有楔子4，使绝缘薄膜12和楔子4之间的缝隙构成流体流动通道；阴极铜片电极6上设置阴极液流道9，阳极铜片电极2上设置阳极液流道10；阴极液流道9的尾端和阳极液流道10的尾端同时与流体流动通道的前端连接；在上盖板1上分别设置阴极液进口3和阳极液进口8，所述阴极液进口3与阴极液流道9的前端连通，所述阳极液进口8与阳极液流道10的前端连通；在下盖板5上设置混合液出口11，该混合液出口与流体流动通道的后端相通。阳极液流道10、阴极液流道9和流体流动通道构成微流体Y型槽道结构。

一种无膜的热再生氨电池制作方法，包括如下步骤：

第一、建立无膜的热再生氨电池，该电池包括上盖板1和下盖板5；在上盖板1和下盖板5之间设置阳极铜片电极2和阴极铜片电极6；阳极铜片电极2与阴极铜片电极6按左右并行布置；阳极铜片电极2与阴极铜片电极6之间设置有缝隙7，该缝隙7的前端设置有绝缘薄膜12，该缝隙7的后端设置有楔子4，使绝缘薄膜12和楔子4之间的缝隙构成流体流动通道；阴极铜片电极6上设置阴极液流道9，阳极铜片电极2上设置阳极液流道10；阴极液流道9的尾端和阳极液流道10的尾端同时与流体流动通道的前端连接；在上盖板1上分别设置阴极液进口3和阳极液进口8，所述阴极液进口3与阴极液流道9的前端连通，所述阳极液进口8与阳极液流道10的前端连通；在下盖板5上设置混合液出口11，该混合液出口与流体流动通道的后端相通；

第二、将阳极铜片电极2与阴极铜片电极6通过外电路连接，将阴极电解液和阳极电解液以一定流速加入阴极液进口和阳极液进口，阴极电解液和阳极电解液分别通过阴极液流道和阳极液流道中流动到流体流动通道的前端；

第三、阴极电解液和阳极电解液在流体流动通道内产生平稳层流，阳极铜片电极2与阳极电解液发生反应，产生电子和铜离子，产生的电子通过外电路传递到阴极铜片电极6，产生的铜离子与阴极电解液中的Cu离子结合产生Cu单质沉积在阴极铜片电极6表面；

第四、反应后的电解液通过混合液出口流出。

在具体实施例中，阴极电解液采用硝酸铜和硝酸铵的混合溶液；阳极电解液采用硝酸铜、硝酸铵以及氨水的混合溶液。

本发明的工作原理是：本发明阴、阳极电极均为金属铜电极。将阳极电解液和阴极电解液同时从阳极液进口和阴极液进口通入，阳极电解液和阴极电解液在流体流动通道内产生平稳层流，阳极铜片电极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传递到阴极铜片电极6，产生的铜离子与阴极电解液中的Cu离子结合产生Cu单质沉积在阴极铜片电极表面。阴、阳极中的阴离子通过层流界面迁移形成离子电流，保证了电路的完整性。阴阳极的反应如下：

阴极反应：

Cu²⁺(aq)+2e—Cu(s) E₀＝+0.340V

阳极反应：

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

由此可见，标准工况下，反应所产生的约0.380V的理论电势差，电子由外电路的定向传递形成了电流。该电池产电持续性很好，由于阴阳极电解液的连续性，电池可以一直保持稳定产电的工作状态。

参见图5和图6，在同一组实验中，采用改变电解液流速的方法，分别使用了100、500、750、1000、1500、2000μL/min六种不同流速观察不同流速对电池性能的影响。

比较性能曲线图，可以看到采用了不同的流速进行实验。当流速从100uL/min增加到1500uL/min，电池的性能有一个明显的提升，电池的最大功率从0.176mW提高到0.54mW，提升了2-3倍。当流速继续增大到2000uL/min，性能下降到0.48mW，这主要是因为流速增大后影响了微小槽道内的层流流动，导致性能下降。说明了在一定范围内提高流动的流速可以提升微流体热再生氨电池的性能。