专利名称：能量转换与收集的方法
技术领域：
本发明涉及一种新型的能量转换与收集的方法，以及实现该方法的设备。更具 体地涉及一种新型发电技术及冷却系统，本发明的发电技术通过半透膜的选择透过性， 把阴阳离子用膜隔开使阴阳离子在膜两侧产生电位差，并利用该电位差来实现发电。同 时，本发明的技术还可直接用于电解、电镀等领域，通过外加电源正向叠加膜电压起到 节约电能的效果。同时，本发明的方法还可以通过吸收热能来达到冷却的目的。
背景技术：
传统的发电技术通过水力和化石燃料发电。但是，水力发电受地域和季节的限 制，且可能对环境和生态产生较大的不利影响。而由于化石燃料资源日渐枯竭的趋势以 及产生的二氧化碳等排放物质对环境的不利影响，人们开始寻找其他获得能源技术。随后，人们风能核电太阳能等开始大量出现并已经实际应用于发电等领域。但 是，风能的不稳定性，核能的危险性和太阳能的高成本都成为限制以上发电技术难以克 服的不利因素。
发明内容
本发明致力于开发一种不受以上不利于传统发电技术和新能源技术的因素限制 的最新型的能源技术，提供了一种全新的能量转换和收集的方法和设备。本发明的技术 可以直接将热能转化为电能。本发明能量转换与收集的方法通过集能单元、转换单元等系统来实现。转换单元包括半透膜、电解质溶液和电极。半透膜将电解质溶液的容器空间隔 开。在半透膜的两侧容器空间内是电解质溶液，该规格的半透膜因其选择透过性，刚好 能使容器内电解质溶液的阴阳离子中分子量较大的某一种离子阻隔在膜的一侧，而溶剂 以及其他小分子量的离子可以自由通过半透膜，容器中的阴阳离子在膜两侧出现不同程 度的聚集，由此在膜的两侧产生电位差。将该电位差引出，就可以实现由热能向电能的 转换。作为该发明还有一项应用就是电解，外加电压正向叠加膜电压可以在电解(如铜 电解精炼、电解水等)电镀等领域起到节约电能降低成本的作用。如图1所示是转换单元的基础原理图。用通过离子分子量小于40半透膜R隔 开的容器，容器的两侧空间里面分别装有K+离子溶液和SO/—离子溶液。由于，K+离子 和SO/—离子的直径大于半透膜通过的直径，不能通过半透膜，只能留在容器的两侧。这 样，在膜的两侧就形成一个电压。当在膜的两侧加上负载Rab时情况如图5所示。a、b为惰性电极，a、b分别贴在半透膜两侧，在b极发生氧化反应，40H_-4e =2H20+02在a极发生还原反应，4H++4e = 2H2电子流过负载Rab向外做功。当膜电压Uab小于水的电解电压1.23V，反应为可 逆反应，H2和O2不能溢出，一部分氏和02在溶液中形成原电池2H2+02 = 2H20，重新生成H2O;另一部分H2和O2扩散到循环热水中。a极在B加C液中产生的OH_通过渗 透扩散到循环热水中，b极在A加D液中产生的H+也通过渗透扩散到循环热水中，膜两 侧的电压保持稳定，因此系统是稳定的。把膜两侧的电压引出并传递到负载后，膜两侧的电位差下降，此时，需要通过 某种形式来补充转换单元输出消耗的能量。而此时如果利用最常见的热能来补充转换单 元输出消耗的能量，就可以实现由热能向电能的转换。把膜电压转换为持续的电流，进一步的证明在图5中连上负载后B液加C液由于电化学反应使得溶液中氢氧根浓度增加中 和了钾离子的电性，同理A加D液中氢离子浓度也会增加中和了硫酸根离子的电性，这 两种反应是自发反应，其结果是溶液变质，B液加C液变成氢氧化钾溶液，A加D液变 成硫酸溶液，为了保证膜电压的稳定我们在膜两侧分别注入加压的热水，加速氢离子、 氢氧根离子的渗透扩散到循环流动热水中的速度而钾离子及硫酸根离子无法通过反渗透 膜留在膜内，保证了膜电压的相对稳定，从而产生持续的电流。使电能转变成化学能的装置称为电解池。当直流电通过电解质溶液，正离子向 阴极迁移，负离子向阳极迁移，并分别在电极上起还原和氧化反应，从而获得还原产物 和氧化产物。若外加一电压在一个电池上，逐渐增加电压直至使电池中的化学反应发生 逆转，这就是电解。本发明的方法还可用于电解，转换单元利用半透膜，使电解质中大分子的阴离 子或阳离子被阻隔在半透膜一侧，溶剂和小分子量离子可以通过半透膜。电解质溶液中 的阴离子或阳离子分隔在膜两侧而形成膜电压后；外加电压通过正向叠加膜电压进行电 解，达到节约电能的目的。转换单元包括半透膜、离子溶液和电极。其中，电极可以是 惰性电极。实验表明，对任一电解槽进行电解时，随着外加电压的改变，通过该电解槽的 电流亦随之变化。例如，使用两个钼电极电解H2O溶液时，改变可变电阻，记录电压表和电流表 的读数，则可测量电解槽两端电位差与电流强度的关系曲线。开始时，当外加电压很小 时，几乎没有电流通过电解槽；电压增加，电流略有增加；当电流增加到某一点后，电 流随电压增大而急剧上升，同时电极上有连续的气泡逸出。在两电极上的反应可表示如下阴极2H+ (aH+) +2e — H2 (g，ρ)阳极4 (OH)" (aOPT) — O2 (g，ρ) +2H20_4e-当电极上有气泡逸出时，H2和O2的压力等于大气压力。电解过程分析当开始加外电压时，还没有H2和O2生成，它们的压力几乎为 零，稍稍增大外压，电极表面上产生了少量的H2和02，压力虽小，但却构成了一个原电 池(自发地进行如下反应)(-) H2 (ρ) — 2H+ (aH+) +2e"(+) O2 (g) +2H20+4e- — 4 (OH)-此时，电极上进行反应的方向正好与电解所进行的反应的方向相反。由于电极 上的产物扩散到溶液中了，需要通过极微小的电流使电极产物得到补充。继续增大外加
4电压，电极上就有H2和O2继续产生并向溶液中扩散，因而电流也有少许增加，相当于 (图11所示)I-E曲线上的1-2段。此时由于pH2和p02不断增加，直至气体压力增至等 于外界大气压力时，电极上就开始有气泡逸出，此时电动势Eb达到最大值Eb, _将不再 继续增加。若继续增加外加电压只增加溶液中的电位降(E,-Eb, max) =IR，从而使电流 剧增，即相当于I-E曲线中2-3段的直线部分。将直线部分外延到I = O处所得的电压就 是Eb, _，这是使某电解液能连续不断发生电解时所必须的最小外加电压，称为电解液的 分解电压。从理论上讲Eb, max应等于原电池的E(可逆)，但实际上Eb, _却大于E(可逆)。 这是由两方面的原因引起的。一是由于电解液、导线和接触点都有一定的电阻，欲使电 流通过必须用一部分电压来克服IR电位降，这相当于把I2R的电触转化为热。二是由于 实际电解时在两个电极上进行的不可逆电极过程所引起，即要使正离子在阴极析出，外 加的阴极电势一定要比可逆电极电势更负一些，使负离子在阳极析出，外加的阳极电势 一定要比可逆电势更正一些。我们把由于电流通过电极时，电极电势偏离可逆电极电势 的现象称为极化现象。实际上I-E曲线上分解电压的位置不能确定的很精确，且I-E曲线并没有十分确 切的理论意义，所得到的分解电压也常不能重复，但它却很有实用价值。电解质的分解电压与电极反应有关。例如一些酸、碱在光滑钼电极上的分解电 压都在1.7V左右。它们的分解电压基本上和电解质的种类无关，这是因为这些酸、碱的 电解产物均是H2 (阴极)和O2 (阳极)。它们的理论分解电压都是1.23V，由此可见，即 使在钼电极上，H2和O2都有相当大的极化作用发生。氢卤酸的电压都较1.7V小，而且其数值各不相同，这是因为在两电极上出现的 产物是氢卤酸的分解物。电极反应和电解产物不一样，自然，分解电压也就有差异了。小结我们把使某种电解质开始电解反应时所必须施加的最小电压，称为该电 解质的分解电压。理论分解电压也称为可逆分解电压，等于可逆电池电动势。但实际工 作中电解以一定速率进行，过程已不可逆。这时的分解电压E(实)>E(理)，原因是 当电流通过时，电极有极化作用，电路有电阻。实验表明电解不同的电解质，如果电 极反应相同，分解电压基本相同。水的电解电压及理论分解电压计算在电解水时，加在电解池上的直流电压必须大于水的理论分解电压，以便能克 服电解池中的各种电阻电压降和电极极化电动势。电极极化电动势是阴极氢析出时的超 电位与阳极氧极出时的超电位之和。因此，水电解电压U可表示为
V = ν0 + 1Κ + φΗ + φο式中UQ—水的理论分解电压，V;I—电解电流，A ；R—电解池的总电阻，Ω;办一氢超电位，V;% —氧超电位，V。从能量消耗的角度看，应该尽可能地降低电解电压。下面讨论影响电解电压的几个因素(1)水的理论分解电压队。热力学的研究得出原电池所做的最大电功等于反 应处由能变的减少，即- = nFE0式中ΔΟ^ -标准状态下电池反应的吉布斯自由能变，J/mol ；η-反应中的电子转移数；F—法拉第常数，96500C/mol;E°—标准状态下反应的标准电动势，V。在生成水的化学反应中，自由能变为_474.4kJ/mol，艮P2H2 (g) +O2 (g) = 2H20 (1)AG° =-Al A AkJ Imol这是一个氧化还原反应，在两个电极上的半反应分别为02+4H++4e = 2H202H2 = 4H++4e电子转移数η = 4，由AC^=_NFE 得-474.4 X IO3 = —4 X 96500E05o = 4744x101
4x96500可见，在O.lMPa和25°C时，UO = 1.23V ；它是水电解时必须提供的最小电压，
它随温度的升高而降低，随压力的升高而增大，压力每升高10倍，电压约增大43mV.在本发明中作为发电应用转换单元外加电压就是膜电压，只要有稳定的膜电 压，(膜电压小于水的最小电解电压以及膜的击穿电压)就有稳定电流从阳极(图5中a 极板)通过负载流向阴极(图5中b极板)。集能单元的作用就是为能量转换单元补充其所消耗的能量。集能单元可以通过 接触换热、循环换热系统等方式为能量转换单元补充能量。利用循环换热方式的集能单 元通过把外界环境(如工业热废水、地热等，以及热空气)的热量收集起来，然后通过热 交换的形式传递到转换单元，使转换单元内化合物溶液温度保持相对稳定，使膜电压维 持相对恒定，从而使整个系统有能力持续向外输送电能。目前在工业领域常用的各种换 热方式，只要能达到维持能量转换单元内化合物温度的相对稳定性，实现为能量转换单 元补充能量的目的，都可以用来作为本发明的集能单元。由于单个能量转换单元所产生的膜电压较小，不利于应用，实际使用中只需要 将多个能量转换单元进行简单的串并联就可以将其转换为适于工业应用的电能。本发明的能量转换和收集系统的流程图如图2所示。集能单元通过热循环系统 将外界能量传递到能量转换单元，维持转换单元内电解质溶液温度的稳定。能量转换单 元吸收集能单元传递过来的热能，将其转化为电能。对外向负载供电，或者通过蓄电池 储存起来。在本发明中作为发电应用转换单元外加电压就是膜电压，作为电解应用则作用 在溶液的电压是膜电压与外加电压之和，系统工作原理如图6。
图1是本发明的转换单元的原理图。图2是本发明的能量转换和收集系统的流程图。图3-4是本发明的一个具体实施例的能量转换单元电解质溶液制备的示意图。图5是本发明的一个具体实施例的能量转换单元的示意图。图6是利用本发明的方法电解水的一个具体实施例的示意图。图7是本发明的一个具体实施例的各能量转换单元之间连接的示意图。图8是测定分解电压时的电流-电压曲线图。图9是加标注的发明应用电压工作区间的电流_电压曲线图。图10是本发明的转换单元的一个具体实体的示意图。图中，1-内表面涂有绝缘层的薄铝材，外壳接地；2-空间充满电解质(如做电解电容用的在电介质中泡过的纸)；3-负电极(b极)；4-半透膜；5-正电极(a极)；6、7-阻断层，阻止溶液向外扩散。8-电极(C 极)；9-电极(d 极)；3-电极(b极)和5-电极(a极)贴在4-半透膜上。8-电极(C极)和9-电极(d极)贴在4-半透膜外侧。图11是本发明实验的示意图.
具体实施例方式附表为常见金属盐的溶解性表，表中，易溶于水的各种电解质，特别是强碱性 金属的强酸根盐，都可以用来作为本发明的能量转换单元的电解质溶液。对于不同的电解质溶液的溶解度和电离度的数据，可以从各种教科书、手册或 者通过网络获得。下表是常见盐类溶解性表。表一常见盐类溶解性表
\NO3ClSO4SSO3CO3SiO3PO4NH4溶溶溶溶溶溶—溶K溶溶溶溶溶溶溶溶Na溶溶溶溶溶溶溶溶Ba溶溶不—不不不不Ca溶溶微一不不不不Mg溶溶溶一微微不不Al溶溶溶一——不不Mn溶溶溶不不不不不Zn溶溶溶不不不不不Cr溶溶溶——一不不Fe2+溶溶溶不不不不不Fe3+溶溶溶一一—不不
Sn溶溶溶不—一—不Cu溶溶溶不不不不不Hg溶溶溶不不—一不在本发明的一个具体实施例中，采用的电解质是K2SO4的水溶液。同时，在实施本发明时，我们应注意到，水电解压为1.23V。因此，我们实施本 发明的时候，作为发电应用时应保持两极板之间的电压小于1.23V，以免在两极发生电解 水的反应而消耗溶剂水。对于本实施例采用的K2SO4的水溶液，在本发明的这个具体实施例中所选用的 是离子通过分子量小于40的半透膜。现有技术中有很多能够满足本发明的实施例的半透膜，这些半透膜已经以规格 产品的形式成为商品，领域内技术人员可以比较容易的选择够买而获得满足本实施例的 渗透膜。将容器用半透膜(R)隔成两个封闭的空间，在两侧分别直接加入k+水溶液和 SO42-水溶液，半透膜用通过离子分子量小于40的半透膜，只能通过氢离子和氢氧根离子 而水合钾离子与水合硫酸根离子则不能通过由此产生一个电场。电解质溶液可以先通过加压的方式用半透膜分离酸和碱溶液，然后把酸的压出 液与碱、碱的压出液与酸混合，同时通过蒸馏等方法浓缩离子溶液制得半透膜两侧的电 解质溶液。该电解质适于本发明的能量收集方法和电解方法。具体方法和步骤如下用半透膜用通过离子分子量小于40，在半透膜的一侧加入稀硫酸溶液，然后对
8该侧的硫酸溶液加压(如图3所示)。在膜的两侧分别获得如下溶液A液成分大量S042_，少量H+、H2O ； B液成分H+、H20。以同样的方式，在半透膜的一侧加入氢氧化钾的稀溶液，然后对该侧的溶液加 压(如图4所示)。在膜的两侧分别获得如下溶液C液成分大量K+、少量Off、H2O ； D液成分Off、H20。将制得的溶液如以下方式进行两两混合A液加D液通过蒸馏等方法浓缩后的溶液，在(图5)膜右侧成分H2O, SO42 , B液加C液通过蒸馏等方法浓缩后的溶液，在(图5)膜左侧成分H2O, K+，通 过A液加D液，把膜右侧调成PH值为7;通过B液加C液，把膜左侧调成PH值为7。依照图5连接电路，其中，a、b、c、d为惰性电极，Rab为负载电阻，R为半透 膜，半透膜只能通过分子量小于40的物质。 该方法配置溶液的实质是用H+来中和C液中残留的OH—，用OH—来中和A液中 的H+，从而达到把K+和SO/—即阴阳离子留在膜两侧，而溶液显中性的目的。半透膜两侧电压U膜由Goldman公式可知。
u =^L111 p^kI ι ^ln pSo Jso 41
r 7 PkLKI I T" Ps。Lso4J0其中，R为普适气体常量；F为法拉第常数；T为绝对温度；R = 8.314 ； F = 96500C/mol ； Pk,为K+的通透系数；Ps。4，为SO:的通透系数；[K]o为K+膜外浓度； [K]i为K+膜内浓度；[S04]o为SO42膜外浓度；[S04]i为SO42膜内浓度。注Goldman公式参见《电生理学基础》21世纪复旦大学研究生教学用书，作 者沃尔夫冈.施瓦茨。Hodgkin修改了 Nernst公式，引入了通透性作为参数，并将公式 推广到可根据多种离子计算膜电位，这个公式现在被称作Goldman-Hodgkin-Katz公式。因为K+和SO/—通过半透膜的通过率很低(通过向海德能技术人员咨询产品性能 得知)，K+通过率为2%，S042_通过率为1%。设该系统温度为30°C，由溶解度表可知，K2SO4溶解度为13克，
TTRT ι
U =-in
展 γ
98% χK:2% χK
RT ^ 99% χ [SOj
RT. 2 χ 0.98
F 2x0.02
F l%x[SO』
RT, 0.99
In
F 0.01
=0.219 V
当在膜的两侧加上负载Rab时情况如图5所示。
a、b、c、d为惰性电极，在b极发生氧化反应，40H_-4e = 2H20+02
在a极发生还原反应，4H++4e = 2H2
电子流过负载Rab向外做功。由于膜电压Uab = 0.219V，小于水的电解电压
91.23V，H2和O2不能溢出，一部分H2和O2在溶液中形成原电池2H2+02 = 2H20,重新 生成H2O;另一部分H2和O2扩散到循环热水中。a极在B加C液中产生的0H_通过渗 透扩散到循环热水中，b极在A加D液中产生的H+也通过渗透扩散到循环热水中，使膜 两侧的电压保持稳定，因此系统是稳定的。c、d极板也可以使用外部电源其目的是加快H+、0H—的渗透扩散速度，提高膜 电压。实际使用中如果不制备A加D液以及B加C液可以在转换单元工作初期通过加 压注入热水的管道分别注入氢氧化钾和硫酸溶液，同时测量电压当达到预计值后改成注 入热水。由于半透膜对钾离子、硫酸离子阻隔率不可能达到100%，当转换单元工作一段 时间后也需要通过该管道分别注入氢氧化钾和硫酸溶液，以补充流失的钾离子和硫酸根罔子。具体使用中可以采取多层半透膜重叠的方案以提高离子阻隔率，来有效提高膜 电压，同时提高膜的击穿电压。半透膜可以使用海德能的，该品牌的半透膜对K+离子每层膜平均阻隔率为98% 对SO42-离子每层膜平均阻隔率为99%。下表是海德能半透膜的规格型号性能表。
权利要求
1.一种新型的能量转换与收集方法，包括集能单元、转换单元；其特征在于，转换 单元利用半透膜的选择透过性，使电解质的阴离子或阳离子在膜两侧形成膜电压；集能 单元用于为转换单元补充能量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述转换单元包括半透膜、电解质溶 液和电极。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于大分子量的电解质离子分隔在半透 膜一侧，溶剂和小分子量离子可以通过半透膜。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述电解质溶液先通过加压的方式用 半透膜分离酸和碱溶液，然后把酸的压出液与碱、碱的压出液与酸混合，同时通过蒸馏 等方法浓缩离子溶液制得半透膜两侧的电解质溶液。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述集能单元利用循环换热的形式为 转换单元补充能量。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述集能单元利用的是废水地热热空 气中的热能。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述集能单元与转换单元之间采用接 触换热的形式传递热能。
8.—种新型的电解方法，其特征在于转换单元利用半透膜，使电解质溶液中的阴离 子或阳离子分隔在膜两侧而形成膜电压；外加电压通过正向叠加膜电压进行电解，达到 节约电能的目的。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于转换单元包括半透膜、电解质溶液和 电极。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述电极为惰性电极。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述电解质中大分子的阴离子或阳离 子被阻隔在半透膜一侧，溶剂和小分子量离子可以通过半透膜。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述电解质先通过加压的方式用半透 膜分酸和碱溶液，然后把酸的压出液与碱、碱的压出液与酸混合，同时通过蒸馏等方法 浓缩离子溶液制得半透膜两侧的电解质溶液。
全文摘要
本发明涉及一种新型的能量转换与收集的方法，更具体地涉及一种新型发电技术及冷却系统。本发明的发电技术通过半透膜的选择透过性，把阴阳离子用膜隔开使阴阳离子在膜两侧产生电位差，并利用该电位差来实现发电。本发明的方法包括集能单元、转换单元；其特征在于，转换单元利用半透膜的选择透过性，使电解质的阴离子或阳离子在膜两侧形成膜电压；利用膜电压推动负载；集能单元用于为转换单元补充能量。本发明的技术还可直接用于电解、电镀等领域，通过外加电源正向叠加膜电压起到节约电能的效果。同时，本发明的方法还可以通过吸收热能来达到冷却的目的。
文档编号H02N3/00GK102013838SQ20101051110
公开日2011年4月13日 申请日期2010年10月19日 优先权日2010年6月25日
发明者谭延泰 申请人:谭延泰