氨气自呼吸式结构的热再生氨电池及制备方法技术

本发明专利技术公开了氨气自呼吸式结构的热再生氨电池及制备方法；一种氨气自呼吸式结构的热再生氨电池，包括按从左往右顺序设置的阴极腔室、阴离子交换膜和阳极腔室；在阴极腔室内设置有阴极泡沫铜金属电极，在阳极腔室内设置有阳极泡沫铜金属电极；其特征在于：在阳极腔室右侧设置有气体扩散层，该气体扩散层右侧设置有氨气腔室；在阳极腔室的顶部设置有阳极电解液出入口，阴极腔室的顶部设置有阴极电解液出入口；氨气腔室的底部设置有氨气进口；本发明专利技术将氨气经气体腔室进入，由阳极腔室气体扩散层一侧向阴离子交换膜一侧扩散，在阳极腔室内形成氨气浓度梯度，减缓了氨渗透现象，从而实现氨传输的调控；具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
氨气自呼吸式结构的热再生氨电池及制备方法
本专利技术涉及热再生氨电池,具体涉及一种氨气自呼吸式结构的热再生氨电池及制备方法。
技术介绍
热再生氨电池(ThermallyRegenerativeAmmonia-basedBattery，TRAB)是一种通过热分解反应将热能转化为物质的化学能，再通过电极反应将化学能最终转化为电能，最终实现低温余热利用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氨浓度条件下产生电势差，形成电流产生电流，其能量来源于金属氨络合物的形成。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。作为电化学系统产电技术的一种，TRAB内阻也可以分为电化学反应过程控制的传荷内阻、电池结构及材料决定的欧姆内阻和物质传输控制的传质内阻。研究表明，采用优化的电池结构、较小的电极间距和导电性较佳的电极材料均可以降低电池欧姆内阻，从而提高电池性能。传统TRAB的研究，普遍采用双腔室结构，反应过程中向阳极腔室中加入氨水。由于阴离子交换膜的选择透过性存在一定的局限性，使得阳极电解液中的氨分子透过阴离子交换膜进入阴极电解液中，即存在氨渗透问题，形成混合电位，从而影响电池的性能。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种氨气自呼吸式结构的热再生氨电池及制备方法，以解决传统氨电池存在的氨渗透等问题。为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是，一种氨气自呼吸式结构的热再生氨电池，包括按从左往右顺序设置的阴极腔室、阴离子交换膜和阳极腔室；在阴极腔室内设置有阴极泡沫铜金属电极，在阳极腔室内设置有阳极泡沫铜金属电极；其特征在于：在阳极腔室右侧设置有气体扩散层，该气体扩散层右侧设置有氨气腔室；在阳极腔室的顶部设置有阳极电解液出入口，阴极腔室的顶部设置有阴极电解液出入口；氨气腔室的底部设置有氨气进口。本专利技术将氨气经气体腔室进入，由阳极腔室气体扩散层一侧向阴离子交换膜一侧扩散，在阳极腔室内形成氨气浓度梯度，在反应过程中减小了阴离交换膜阳极侧氨浓度，减缓氨渗透现象。同时由于采用泡沫铜金属电极，不但增加氨气向阴极的传输阻力，而且在氨气扩散过程中不断与泡沫铜金属电极反应消耗减，进一步减缓氨渗透现象，从而实现氨传输的调控。根据本专利技术所述的氨气自呼吸式结构的热再生氨电池的优选方案，所述气体扩散层由碳纸或碳布构成，该碳纸或碳布的表面涂覆有聚四氟乙烯。本专利技术的第二个技术方案是，一种氨气自呼吸式结构的热再生氨电池的制备方法，包括：步骤一：将阴极腔室、阴离子交换膜和阳极腔室按从左往右顺序设置；步骤二：阴极腔室在阴极腔室内插入阴极泡沫铜金属电极，在阳极腔室内插入阳极泡沫铜金属电极；其特征在于：步骤三：在阳极腔室右侧设置气体扩散层，再在该气体扩散层右侧设置氨气腔室；步骤四：将阳极泡沫铜金属电极与阴极泡沫铜金属电极通过外电路连接；步骤五：在阴极腔室和阳极腔室内分别注入阴极电解液和阳极电解液，并往氨气腔室内鼓入氨气；步骤六：氨气由氨气腔室透过气体扩散层向阳极腔室中的阳极电解液中扩散，并向阴离子交换膜一侧扩散，扩散过程中氨分子与阳极泡沫铜电极发生络合反应产生铜离子和电子，产生的电子通过外电路定向移动到阴极泡沫铜金属电极，同时电解液中的阴离子通过阴离子交换膜迁移形成离子电流，从而形成一个完整的回路。根据本专利技术所述的氨气自呼吸式结构的热再生氨电池的制备方法，其特征在于：所述气体扩散层采用如下方法制备：A、取合适大小的碳纸或碳布，在无水乙醇中震荡以除去碳纸或碳布表面的碳颗粒；B、将震荡后的碳纸或碳布置于烘箱中烘干，称重并记录；C、将称重后的碳纸或碳布浸泡于5％～10％的聚四氟乙烯溶液中震荡若干分钟后，置入烘箱中烘干，再称重并记录；D、重复步骤C，直至碳纸或碳布中聚四氟乙烯载量为10％～40％；E、再将步骤获得的碳纸或碳布在300～360℃下烧结，烧结完成后冷却，即完成气体扩散层的制备。本专利技术所述的氨气自呼吸式结构的热再生氨电池及制备方法的有益效果是：本专利技术将氨气经气体腔室进入，由阳极腔室气体扩散层一侧向阴离子交换膜一侧扩散，在阳极腔室内形成氨气浓度梯度，同时由于采用泡沫铜金属电极，具有较大的比表面积，有利于提升电池性能，泡沫铜金属电极不但增加氨气向阴极的传输阻力，而且在氨气扩散过程中不断与泡沫铜金属电极反应消耗减，进一步减缓了氨渗透现象，从而实现氨传输的调控，提高了电池性能；同时三维电极结构易于满足未来该电化学反应体系的放大化需求，具有良好的应用前景。附图说明图1是本专利技术所述的氨气自呼吸式结构的热再生氨电池结构示意图。图2是本专利技术所述的氨气自呼吸式结构的热再生氨电池采用不同PTFE载量的气体扩散层的电流—功率曲线。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步的具体描述，但本专利技术的实施方式不限于此。参见图1，一种氨气自呼吸式结构的热再生氨电池，包括按从左往右顺序设置的阴极腔室1、阴离子交换膜3和阳极腔室5；在阴极腔室1内设置有阴极泡沫铜金属电极2，在阳极腔室5内设置有阳极泡沫铜金属电极4；在阳极腔室5右侧设置有气体扩散层6，所述气体扩散层6由碳纸或碳布构成，该碳纸或碳布的表面涂覆有聚四氟乙烯。该气体扩散层6右侧设置有氨气腔室7；在阳极腔室5的顶部或者其他部位设置有阳极电解液出入口，阴极腔室的顶部或者其他部位设置有阴极电解液出入口；氨气腔室7的底部设置有氨气进口8。阳极腔室与阴离子交换膜以及阳极腔室与气体腔室之间由垫片密封；阴离子交换膜与阴极腔室之间由垫片密封。在阴极腔室1和阳极腔室5内分别设置有阴极电解液和阳极电解液，阴极电解液和阳极电解液均采用硝酸铜和硝酸铵的混合溶液。阴极泡沫铜金属电极2和阳极泡沫铜金属电极4通过负载连接。一种氨气自呼吸式结构的热再生氨电池的制备方法，包括：步骤一：将阴极腔室1、阴离子交换膜3和阳极腔室5按从左往右顺序设置；步骤二：阴极腔室1在阴极腔室1内插入阴极泡沫铜金属电极2，在阳极腔室5内插入阳极泡沫铜金属电极4；步骤三：在阳极腔室5右侧设置气体扩散层6，再在该气体扩散层6右侧设置氨气腔室7；所述气体扩散层6采用如下方法制备：A、取合适大小的碳纸或碳布，在无水乙醇中震荡30min以除去碳纸或碳布表面的碳颗粒；B、将震荡后的碳纸或碳布置于80℃～90℃烘箱中烘干，称重并记录；C、将称重后的碳纸或碳布浸泡于5％～10％的聚四氟乙烯溶液中震荡若干分钟后，置入80℃～90℃烘箱中烘干，再称重并记录；D、重复步骤C，直至碳纸或碳布中聚四氟乙烯载量为10％～40％；E、再将步骤获得的碳纸或碳布在300～360℃下烧结1小时左右，烧结完成后冷却，即完成气体扩散层的制备。步骤四：将阳极泡沫铜金属电极4与阴极泡沫铜金属电极2通过外电路即负载连接；步骤五：在阴极腔室1和阳极腔室5内分别注入阴极电解液和阳极电解液，并通过氨气腔室7的底部设置的氨气进口8往氨气腔室7内缓慢鼓入氨气；步骤六：氨气由氨气腔室透过气体扩散层向阳极腔室中的阳极电解液中扩散，并向阴离子交换膜一侧扩散，扩散过程中氨分子与阳极泡沫铜电极发生络合反应产生铜离子和电子，产生的电子通过外电路定向移动到阴极泡沫铜金属电极2，同时电解液中的阴离子通过阴离子交换膜迁移形成离子电流，从而形成一个完整的回路。在具体实施例中，阴极电解液和阳极电解液均采本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氨气自呼吸式结构的热再生氨电池，包括按从左往右顺序设置的阴极腔室(1)、阴离子交换膜(3)和阳极腔室(5)；在阴极腔室(1)内设置有阴极泡沫铜金属电极(2)，在阳极腔室(5)内设置有阳极泡沫铜金属电极(4)；其特征在于：在阳极腔室(5)右侧设置有气体扩散层(6)，该气体扩散层(6)右侧设置有氨气腔室(7)；在阳极腔室(5)的顶部设置有阳极电解液出入口，阴极腔室(1)的顶部设置有阴极电解液出入口；氨气腔室(7)的底部设置有氨气进口(8)。

【技术特征摘要】
1.一种氨气自呼吸式结构的热再生氨电池，包括按从左往右顺序设置的阴极腔室(1)、阴离子交换膜(3)和阳极腔室(5)；在阴极腔室(1)内设置有阴极泡沫铜金属电极(2)，在阳极腔室(5)内设置有阳极泡沫铜金属电极(4)；其特征在于：在阳极腔室(5)右侧设置有气体扩散层(6)，该气体扩散层(6)右侧设置有氨气腔室(7)；在阳极腔室(5)的顶部设置有阳极电解液出入口，阴极腔室(1)的顶部设置有阴极电解液出入口；氨气腔室(7)的底部设置有氨气进口(8)。2.根据权利要求1所述的氨气自呼吸式结构的热再生氨电池，其特征在于：所述气体扩散层(6)由碳纸或碳布构成，该碳纸或碳布的表面涂覆有聚四氟乙烯。3.一种氨气自呼吸式结构的热再生氨电池的制备方法，包括：步骤一：将阴极腔室(1)、阴离子交换膜(3)和阳极腔室(5)按从左往右顺序设置；步骤二：在阴极腔室(1)内插入阴极泡沫铜金属电极(2)，在阳极腔室(5)内插入阳极泡沫铜金属电极(4)；其特征在于：步骤三：在阳极腔室(5)的右侧设置气体扩散层(6)，再在该气体扩散层(6)右侧设置氨气腔室(7)；步骤四：将阳极泡沫...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亮，李艳，李俊，付乾，朱恂，廖强，叶丁丁，夏奡，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50