一种基于氢离子浓差电池的热电转换装置的制作方法

本发明涉及热电转换领域，具体涉及一种基于氢离子浓差电池的热电转换装置。

背景技术：

随着世界范围内的能源紧张，各国正致力于节能、减排，力争可持续的发展。基于这样的一个事实，余热利用越来越成为各国主要攻坚的方向，以期获得更大、更多的收益。

我国能源紧缺的主要原因就是能源利用率低下，能源转换效率较低，工业用能源中60％～65％的能源转换为废热资源，回收利用还有很大的空间。废热利用有很多途径，但是目前最重要的、最有意义的、最有价值的利用方式还是发电，但因为低温余热发电的技术比较落后，制约着它的进一步发展。目前，最常用的余热发电途径为orc系统(有机朗肯循环发电系统)，其区别于传统的水蒸汽循环发电系统，采用有机工质作为循环工质进行发电。然而这种发电方法需要蒸发器、冷凝器、汽轮机(组)、泵等组件，导致转换效率比较低下，而且占地面积较大，成本较高。目前燃料电池作为新的发电装置，相较于普通的发电方式具有较高的转换效率(60％～70％)，而且燃料电池在发电过程中，不需要锅炉汽轮机等装置，因此，它既不会排放污染气体，也没有噪音的干扰，燃料电池越来越受到大家的关注。

气体电极浓差电池是一种特殊的离子浓差燃料电池，如pt|h2(p1)|hci(c)|h2(p2)|pt，p1>p2，p为氢气压力，利用阴阳两级氢气的浓度差产生电动势。电极的阳极充入氢气，氢气在催化剂的条件下电离成h⁺，其阳极反应为h2–2e^-＝2h⁺，电极的阴极充入惰性气体，比如氩气或者氮气，h⁺通过中间的质子交换膜到达阴极，e^-通过外电路到达阴极，其阴极反应为2h⁺+2e^-＝h2，总的电极反应为h2＝h2，即h2从浓度高的地方到达浓度低的地方，总的h2量没有减少，但在过程中产生了电荷，即对外电路放了电。通过对该电池加热可以提高质子交换膜的质子通过率，进而提高它的放电效率。因此，可以通过将其与余热回收相结合，利用余热来提高放电效率，经实验研究，这样热电转换效率大大高于orc系统的热电转换效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术中废热资源利用率低，气体电极浓差电池没有能够得到有效利用的问题，提供一种基于氢离子浓差电池的热电转换装置，替代目前余热回收的orc系统，热电转换效率较高，且无污染无噪声，可以应用在各种余热回收场合。

为了实现上述目的，本发明基于氢离子浓差电池的热电转换装置，有如下的技术方案：

这种热电转换装置包括用于对氢气进行电离而产生电流的氢离子浓差电池以及加热氢离子浓差电池内部气体的换热器；所述的氢离子浓差电池包括质子交换膜以及布置在质子交换膜两侧的阴阳电极，其中，阳电极通入氢气发生电离反应生成2e^-和2h⁺，阴电极通入惰性气体，电离出的h⁺经过质子交换膜到达阴电极，电离出的e^-从阳电极经过外电路到达阴电极，在阴电极重新生成氢气，并且在外电路中产生供用电装置使用的电流。

所述氢离子浓差电池包括布置在阴阳电极外侧的不锈钢板，不锈钢板的表面开设导气槽，氢气与惰性气体分别通过不锈钢板上的导气槽到达阳电极和阴电极。

所述的换热器采用板式换热器，阴阳电极外侧的不锈钢板夹在两个板式换热器之间。

所述阳电极外侧的不锈钢板上开设有氢气入口和氢气出口，氢气入口和氢气出口之间连接氢气回路；所述阴电极外侧的不锈钢板上开设有惰性气体入口和惰性气体出口，惰性气体入口和惰性气体出口之间连接惰性气体回路；所述氢气回路上设置有氢气回流泵，所述惰性气体回路上设置有惰性气体循环泵。所述的惰性气体回路上设有惰性气体与氢气分离器，分离出的氢气引出一根管路通入氢气回流泵，经氢气回流泵重新通入氢气入口。

所述的惰性气体采用氮气或者氩气。

所述阴阳电极均采用pt/c催化电极，阴阳电极的外周由聚四氟乙烯制成的密封垫片包围。

所述的阴阳电极包括碳纸与催化剂活性层，将含pt40wt％的pt/c和5wt％的nafion溶液按照1：1的质量比与足量乙醇经过超声振动混合均匀得到催化剂混合物，将催化剂混合物贴在碳纸上，在60℃下风干得到催化剂活性层，使催化剂的密度达到24mg/cm²。

所述的质子交换膜由一个聚苯并咪唑本体浸入在85wt％的磷酸溶液中，室温下在溶液中保持两天，随后取出密封在塑料包中，形成pbi-pa质子交换膜。

将阳电极、质子交换膜、阴电极在1.5mpa、130℃的环境下按压形成膜电极。

相较于现有技术，本发明具有如下的有益效果：换热器通入热流，与氢离子浓差电池的阴阳电极进行热量交换，利用换热器加热氢离子浓差电池的内部气体，提高质子交换膜的质子通过率，从而加快生电效率。由于阳电极通入氢气发生电离反应生成2e^-和2h⁺，阴电极通入惰性气体，电离出的h⁺经过质子交换膜到达阴电极，电离出的e^-从阳电极经过外电路到达阴电极，在阴电极重新生成氢气，因此，在总的反应中，并没有氢气、氮气的消耗，而且在外电路生成了电能，是一种完美的热量利用方式。为了尽可能的减少热量损失，整个热电转换装置由保温棉包住。本发明的热电转换装置能够替代目前余热回收的orc系统，以氢离子浓差热电池为基础，热电转换效率较高，且无污染无噪声，适用于各种余热回收场合。

进一步的，本发明在阴阳电极外侧设置不锈钢板，不锈钢板的表面开设导气槽，导气槽是允许气体流动的浅槽，不锈钢板的内部设置曲折流道来保障换热良好，提高换热效率。

进一步的，本发明的阳电极与阴电极相对压在质子交换膜上形成膜电极，阴阳电极的外周分别通过聚四氟乙烯制成的密封垫片包围，不锈钢板之间的膜电极外周密封，减少泄露。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本发明热电转换装置的整体结构示意图；

图2本发明燃料电池的膜电极结构示意图；

图3本发明氢离子浓差电池不锈钢板的内部构造示意图；

附图中：1-氢气回流泵；2-惰性气体循环泵；3-板式换热器；4-外电路；5-用电装置；6-惰性气体与氢气分离器；7-不锈钢板；8-密封垫片；9-阳电极；10-质子交换膜；11-阴电极。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图1-2，本发明的氢离子浓差电池包括质子交换膜(pbi-pa)，在质子交换膜10的两端分别放置阴阳电极，阴阳电极均采用pt/c催化电极，两个电极与质子交换膜10共同组成膜电极(mea)，膜电极的外周有两个ptfe(聚四氟乙烯)制成的密封垫片8，密封垫片8的外侧有两个不锈钢板7，不锈钢板7的表面有浅槽允许气体流动，两个不锈钢板7的外侧有两个板式换热器3进行热量交换。阳极侧不锈钢板的内部经氢气回流泵1通入氢气，阴极侧不锈钢板的内部通入氮气或者氩气等惰性气体。氢气由氢气入口处进入不锈钢板7，由不锈钢板上的浅槽进入燃料电池的阳电极9电离，电离反应式为：h2–2e^-＝2h⁺，氮气充当惰性气体由氮气入口处进入不锈钢板7，由不锈钢板内部浅槽进入燃料电池的阴极11。

电离出的h⁺经过质子交换膜10到达电池阴极11；电离出的e^-从阳极9经过外电路4到达阴极11；在阴极11处，2h⁺+2e^-＝h2，在阴极又生成了氢气，同时在外电路4中产生了电流供用电装置5使用。在阴极11生成的氢气与阴极通入的氮气混合在一起从氮气出口处经过分离装置6将氮气、氢气分离开来，分离出的氢气经氢气回流泵1重新加压通入氢气入口，分离出的氮气经氮气循环泵2加压之后重新通入氮气入口，因此在总的反应中，并没有氢气、氮气的消耗，而且在外电路生成了电。为了加快生电效率，在不锈钢板7的外部分别布置了两个板式换热器3，通过板式换热器3给不锈钢板7加热，进而对内部气体加热，提高质子交换膜10的质子通过率，加快生电效率，为了尽可能换热良好，在不锈钢板7的内部设置曲折流道，如图3所示，尽量增加换热效率。阳电极9与阴电极11相对压在质子交换膜10上形成膜电极，设置在膜电极两侧与不锈钢板7之间的密封垫片8能够减少泄漏。为了尽量的减少热量损失，提高热电转换效率，整个装置被保温棉包裹，尽量做到与外界绝热。

本发明的惰性气体也可以采用氩气。

本发明阴阳电极以及两侧的密封垫片、不锈钢板、换热器均关于中间质子交换膜对称。

本发明的阴阳电极包括碳纸与催化剂活性层，将含pt40wt％的pt/c和5wt％的nafion溶液按照1：1的质量比与足量乙醇经过超声振动混合均匀得到催化剂混合物，将催化剂混合物贴在碳纸上，在60℃下风干3小时得到催化剂活性层，确保催化剂的密度达到24mg/cm²，电极制作完成。质子交换膜10由一个聚苯并咪唑本体浸入在85wt％的磷酸溶液中，室温下在溶液中保持两天，随后取出密封在塑料包中，形成pbi-pa质子交换膜。将阳电极9、质子交换膜10、阴电极11在1.5mpa、130℃的环境下按压3min形成膜电极。

本发明换热器加热提高质子交换膜的质子通过率，从而提高放电效率。在阴极生成的氢气与阴极输入的惰性气体混合经过分离器分离再经过氢气回流泵1重新回到阳极参与反应，氢气在整个反应中并没有消耗，但在外电路中生成了电流。本发明装置与传统的余热发电系统相比有着高效，无污染，低噪声等优点，在余热发电领域有着很大的应用前景。

以上所述仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案做任何限定，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的基础上，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均落入由权利要求所划定的保护范围之内。