一种基于碳材料的发电装置及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于新能源发电设备领域，更具体地，涉及一种基于碳材料的发电装置及其制造方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着化石燃料的持续减少以及环境问题的逐渐加剧，绿色能源器件的研究和应用得到了蓬勃的发展，包括太阳能电池、风力发电机、热电转换器件、新型机电换能器件等。然而，进一步的研究表明，上述新能源发电设备的应用场合仍然受到一些限制，例如太阳能电池在无光照时无法工作；新型机电换能器件需要外界机械运动来进行工作。因此，如何在无光照以及无外界机械运动的环境中产生电能正成为能源领域值得关注的重要技术问题。
【发明内容】
[0003]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于碳材料的发电装置及其制造方法，其中通过对其关键组件如碳材料层、挥发性液体、电极设置方式和工作机理进行研究，相应能够有效利用挥发性液体与碳材料的相互作用来实现持续的较高电压电能输出，尤其适用于无光照和无需外界机械运动的特定应用场合。
[0004]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于碳材料的发电装置，该发电装置包括发电组件和挥发性液体，其特征在于:
[0005]所述发电组件包括电绝缘的载片、设置在该载片表面上互不相交的第一电极和第二电极，以及同样设置在该载体表面上的碳材料层，其中该碳材料选自碳黑、碳纳米管、碳颗粒或者石墨烯中的一种或多种，并沉积在载片上相互连接而形成碳材料层，此外整个碳材料层搭接在所述第一电极与第二电极之间，并与这两个电极形成导电通路；所述碳材料层的一端始终浸入所述挥发性液体，另一端则暴露在所述挥发性液体表面之外的环境中；以此方式，在使用时，由于液体的表面张力和自身气化，挥发性液体会不断沿着碳材料层从浸入端向另外一端移动，利用两端不同区域内液体气化脱离时与碳材料之间相互作用的差异，使第一电极与第二电极之间形成电势差。
[0006]作为进一步优选地，所述挥发性液体优选为纯水、盐的水溶液以及有机溶剂等。
[0007]作为进一步优选地，所述电极需要密封隔离溶液。
[0008]作为进一步优选地，上述发电装置还可以包括温度控制单元、湿度控制单元、风速控制单元和气压控制单元，其中温度控制单元用于提高挥发性液体所处的环境温度，湿度控制单元用于降低挥发性液体所处的环境湿度，风速控制单元用于提高所述挥发性液体表面的气体流动速率，气压控制单元用于降低所述挥发性液体所处的环境气压，以此方式，共同作用以便提高发电装置的输出电能。
[0009]按照本发明的另一方面，提供了一种用于制备基于碳材料的发电装置的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤:
[0010](a)发电组件的制备步骤:
[0011]将选自电绝缘材料的载片制成合适的形状，将其表面清洁干净，然后采用导电材料在其表面制成两个互不相交的电极；
[0012](b)碳材料层的制备步骤:
[0013]将碳材料沉积在载片上，使碳材料相互连接形成碳材料层，并且整个碳材料层搭接在两个电极之间，并与之形成导电通路；
[0014](C)组装步骤:
[0015]将碳材料层一端始终浸入挥发性液体，另一端则暴露在所述挥发性液体表面之外的环境中，由此完成整个发电装置的制备过程。
[0016]作为进一步优选地，在步骤(b)中，所述碳材料层还包括退火处理的操作，以便改善碳材料层的电输出能力。
[0017]作为进一步优选地，在步骤(b)中，在形成所述碳材料层之后，优选还包括采用等离子对其执行处理，提高挥发性液体和碳材料之间的相互作用强度。
[0018]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点:
[0019]1、通过对其关键组件如碳材料层、挥发性液体和两个电极的设置方式和工作机理进行研究，测试表明，在使用过程中，由于液体的表面张力和自身气化，挥发性液体会不断沿着碳材料层从浸入端向另外一端移动，利用两端不同区域内液体气化脱离时与碳材料之间相互作用的差异，使第一电极与第二电极之间形成电势差。
[0020]2、通过对碳材料层的形成方式及其后续处理进行研究，可以以高效率、便于操控的方式在载片表面形成碳材料，并获得相对较高和稳定的电能输出；
[0021]3、按照本发明的发电装置整体结构紧凑、易于制备、电能输出持续稳定，而且整个制备过程也十分方便，成本低廉，并有利于大批量的加工制造，因而尤其适用于无光照和无需外界机械运动的特定应用场合。
【附图说明】
[0022]图1是按照本发明优选实施例的装置结构示意图；
[0023]图2是按照图1中所示结构设计的长宽分别为2.5厘米和I厘米的装置进行实际测试所获得的电压-时间信号图；
[0024]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中:
[0025]11-载片12-电极13-碳材料层14-挥发性液体
【具体实施方式】
[0026]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0027]图1是按照本发明优选实施例的装置结构示意图。如图1所示，该发电装置主要包括发电组件和挥发性液体14，其中发电组件包括载片11 (譬如玻璃、石英以及以陶瓷为代表的电绝缘材料中的一种)、沉积在其上面的两个电极12和碳材料层13，其中碳材料层13是由碳材料相互连接组成，并且整个碳材料层搭接在所述第一电极与第二电极之间，并与这两个电极形成导电通路。挥发性液体14可以是适当的具备挥发性的溶液，其能够挥发并且可与碳材料亲润，作为优选地，在本发明中采用了纯水、盐的水溶液以及有机溶剂等，这些液体经测试表明均能起到良好的发电效应。
[0028]将碳材料层13 —端始终浸入挥发性液体14，另一端则暴露在所述挥发性液体表面之外的环境中，由此形成一种可以自动从液体中获取能量的装置。在使用时，由于液体的表面张力和自身气化，挥发性液体会不断沿着碳材料层从浸入端向另外一端移动，利用两端不同区域内液体气化脱离时与碳材料之间相互作用的差异，使第一电极与第二电极之间形成电势差。；
[0029]下面将具体描述按照本发明的用于制造上述发电装置的工艺流程，该方法主要包括下列步骤:
[0030](a)发电组件的制备步骤:
[0031]将选自电绝缘材料的载片制成合适的形状，将其表面清洁干净，然后采用导电材料在其表面制成两个互不相交的电极；
[0032](b)碳材料层的制备步骤:
[0033]将碳材料沉积在载片上，使碳材料相互连接形成碳材料层，并且整个碳材料层搭接在两个电极之间，并与之形成导电通路；
[0034](C)组装步骤:
[0035]将所选碳材料层一端始终浸入挥发性液体，另一端则暴露在所述挥发性液体之外的环境中，由此完成整个发电装置的制备过程。
[0036]下面将对以上所获得的基于碳材料的发电装置进行实际测试。如图2中所示，即便在无光照和无任何外界机械驱动的情况下，按照本发明设计的长宽分别为2.5厘米和I厘米的装置所输出的电压仍然可以在短时间内即达到I伏特，并能长时间保持，从而证明了按照本发明的实际价值和潜在的运用前景。
[0037]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于碳材料的发电装置，该发电装置包括发电组件和挥发性液体，其特征在于: 所述发电组件包括电绝缘的载片、设置在该载片表面上互不相交的第一电极和第二电极，以及同样设置在该载体表面上的碳材料层，其中该碳材料选自碳黑、碳纳米管、碳颗粒或者石墨烯中的一种或多种，并沉积在载片上相互连接而形成碳材料层，此外整个碳材料层搭接在所述第一电极与第二电极之间，并与这两个电极形成导电通路；所述碳材料层的一端始终浸入所述挥发性液体，另一端则暴露在所述挥发性液体表面之外的环境中；以此方式，在使用时，由于液体的表面张力和自身气化，挥发性液体会不断沿着碳材料层从浸入端向另外一端移动，利用两端不同区域内液体气化脱离时与碳材料之间相互作用的差异，使第一电极与第二电极之间形成电势差。2.如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述挥发性液体优选为纯水、盐的水溶液以及有机溶剂等。3.如权利要求1或2所述的发电装置，其特征在于，上述发电装置还优选包括温度控制单元、湿度控制单元、风速控制单元和气压控制单元，其中温度控制单元用于提高挥发性液体所处的环境温度，湿度控制单元用于降低挥发性液体所处的环境湿度，风速控制单元用于提高所述挥发性液体表面的气体流动速率，气压控制单元用于降低所述挥发性液体所处的环境气压，以此方式，共同作用以便提高发电装置的输出电能。4.一种用于制备基于碳材料的发电装置的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤: (a)发电组件的制备步骤: 将选自电绝缘材料的载片制成合适的形状，将其表面清洁干净，然后采用导电材料在其表面制成两个互不相交的电极； (b)碳材料层的制备步骤: 将碳材料沉积在载片上，使碳材料相互连接形成碳材料层，并且整个碳材料层搭接在两个电极之间，并与之形成导电通路； (C)组装步骤: 将碳材料层一端始终浸入挥发性液体，另一端则暴露在所述挥发性液体表面之外的环境中，由此完成整个发电装置的制备过程。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述碳材料层还包括退火处理的操作，以便改善碳材料层的电输出能力。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，在形成所述碳材料层之后，优选还包括采用等离子对其执行处理，提高挥发性液体和碳材料之间的相互作用强度。
【专利摘要】本发明公开了一种基于碳材料的发电装置，其包括发电组件和挥发性液体，其中发电组件包括电绝缘的载片、设置在该载片表面上互不相交的第一电极和第二电极，以及整体沉积在两个电极之间，并与两个电极形成导电通路的碳材料层；碳材料层的一端始终浸入所述挥发性液体，另一端则暴露在所述挥发性液体表面之外的环境中，利用两个电极之间不同区域内液体气化脱离时与碳材料之间相互作用的差异，使第一电极与第二电极之间形成电势差。本发明还公开了相应的制备方法。通过本发明，能够有效利用挥发性液体和碳材料的相互作用来实现持续的较高电压电能输出，尤其适用于无光照和无需外界机械运动的特定应用场合。
【IPC分类】H01M10/38
【公开号】CN105591166
【申请号】CN201410576692
【发明人】周军, 郭万林, 丁天朋, 薛国斌, 李嘉, 徐莹, 殷俊
【申请人】华中科技大学, 南京航空航天大学
【公开日】2016年5月18日
【申请日】2014年10月24日
【公告号】WO2016061870A1