一种环境热-氧捕获高效热电化学系统及其工作方法技术方案

本发明专利技术提供了一种环境热

【技术实现步骤摘要】
一种环境热
‑
氧捕获高效热电化学系统及其工作方法


[0001]本专利技术涉及热电化学转化及储能
，尤其是一种环境热
‑
氧捕获高效热电化学系统及其工作方法。

技术介绍

[0002]随着世界范围内能源消耗的加剧和环境问题的日益突出，对可再生能源和清洁能源的利用是解决能源和环境问题的重要途经。其中，太阳热能、昼夜温差热能和余热能是最容易获得的且数量巨大。将这些热能进行转化和利用是实现“碳达峰和碳中和”目标的重要途经。但是太阳热能和昼夜温差热能等作为小温差热能，通常与环境温差范围在5
‑
30℃的范围内。目前所有的热电转化系统，包括有机朗肯循环、固态热电材料以及液态电化学热电转化系统都无法在如此小的温差下高效工作。

技术实现思路

[0003]本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种环境热
‑
氧捕获高效热电化学系统，实现了小温差热能的高效热电转化。
[0004]本专利技术所要解决的另一技术问题在于提供上述环境热
‑
氧捕获高效热电化学系统的工作方法。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：
[0006]一种环境热
‑
氧捕获高效热电化学系统，包括正极：普鲁士蓝类电极，负极：Ag/AgCl，电解质溶液中阳离子包括Na
+
、K
+
中的一种或两种，阴离子包括Cl
‑
、NO3‑
或SO
42
‑
中的一种或多种，正负极之间用玻璃纤维膜隔开。
[0007]系统利用温度系数将热能转化为电能。温度系数定义为α＝ΔV/ΔT，其中V为电压，T为温度。当系数温度系数为负值，随着温度的升高，系统的电压逐渐降低。因此将系统在低温下放电，高温下充电可以实现放电电压高于充电电压，从而产生净输出功，将热能转化为电能。系统放电结束后普鲁士蓝类正极在氧气作用下进行自充电过程，将环境中氧气转化为电能。自充电过程获得的容量占电极总容量的百分比定义为自充百分比。自充百分比越高，自充电过程获得的能量越高。因此系统在温度系数和自充电过程作用下，可以同时将环境中的热量和氧气转化为电能。
[0008]上述环境热
‑
氧捕获高效热电化学系统利用普鲁士蓝类正极具有的自充电特性，吸收环境中氧气携带的化学能，系统放电结束后，普鲁士蓝类电极可以在含氧环境中进行自发的充电过程，将氧气携带的化学能转化为电能，补偿系统输出的净功。上述环境热
‑
氧捕获高效热电化学系统存在负的温度系数，运行过程中在较低温度下放电，之后在氧气环境下进行自充电，之后在较高温度下充电。系统在温度系数和自充电过程的作用下，可以同时将环境中的热能和氧气转化为电能。得益于自充电过程获得的能量对输出净功的补充，系统能够利用太阳热能和昼夜温差热能等具有较小温差的热能，并且保持较高的热电转化效率。
[0009]优选的，上述环境热
‑
氧捕获高效热电化学系统，所述普鲁士蓝类电极为CuHCF、CoHCF或NiHCF电极。
[0010]优选的，上述环境热
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氧捕获高效热电化学系统，所述电解质溶液为pH为酸性的3M KCl水溶液。
[0011]优选的，上述环境热
‑
氧捕获高效热电化学系统，所述电解质溶液的pH＝2。
[0012]上述环境热
‑
氧捕获高效热电化学系统的工作方法，具体步骤如下：
[0013](1)将系统置于T
L 20
±
5℃的温度环境中冷却，当温度稳定后进行恒电流放电；
[0014](2)放电结束后，将系统置于含氧环境中，使普鲁士蓝类电极在热和氧气作用下进行自发的充电过程；
[0015](3)将系统置于T
H
30
‑
50℃的温度环境中加热，温度稳定后进行恒电流充电过程；
[0016](4)充电过程结束后，将系统重新在T
L 20
±
5℃的温度环境中进行冷却，使其温度稳定；
[0017](5)重复步骤(1)至步骤(4)的操作，不断将小温差热能和环境中的氧气所携带的化学能转化为电能。
[0018]有益效果：
[0019]本专利技术所述环境热
‑
氧捕获高效热电化学系统，运行过程中在较低温度下放电，之后在氧气环境下进行自充电，之后在较高温度下充电；系统在温度系数和自充电过程的作用下，可以同时将环境中的热能和氧气转化为电能，得益于自充电过程获得的能量对输出净功的补充，系统能够利用太阳热能和昼夜温差热能等具有较小温差的热能，并且保持较高的热电转化效率。具体来说：
[0020](1)通过系统的温度系数和普鲁士蓝类正极的自充电特性，使系统能够同时捕获环境中的热能和氧气所携带的化学能；
[0021](2)系统在环境中氧气作用下进行自充电过程，吸收氧气携带的化学能转化为净输出功；
[0022](3)在较高温度下更有利于自充电过程进行，从而可以将更多的氧气携带的化学能转化为电能；
[0023](4)得益于氧气作用下普鲁士蓝类电极的自充电过程对净功的补充，系统可以在较小的温差下，保持较高的热电转化效率；在太阳能利用的应用中，系统在3.1
‑
18.7℃的温差范围内平均热电转化效率可达3.86％；在昼夜温差热能利用的应用中，在4.1
‑
8.7℃的温差范围内，平均热电转化效率可达20％。
附图说明
[0024]图1为环境热
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氧捕获高效热电化学系统在15和50℃温度间工作的比容量
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电压曲线。
[0025]图2为环境热
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氧捕获高效热电化学系统在不同充电(自充电)温度下的充放电电压曲线(a)30℃；(b)40℃；(c)50℃。(d)环境热
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氧捕获高效热电化学系统在不同充电(自充电)温度下的净功。
[0026]图3为环境热
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氧捕获高效热电化学系统在利用太阳热能应用的照片(a)室内放电；(b)室外自充电和充电。(c)环境热
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氧捕获高效热电化学系统在太阳热能利用应用中循
环过程温度变化，T
L
代表低温，T
H
代表高温。(d)环境热
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氧捕获高效热电化学系统在太阳热能利用应用中循环过程的热电转化效率和功率密度变化曲线。
[0027]图4为环境热
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氧捕获高效热电化学系统在昼夜温差热能应用中的照片(a)夜晚放电；(b)白天充电和自充电。(c)环境热
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氧捕获高效热电化学系统在昼夜温差热能利用的应用中循环过程温度变化。(d)环境热
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氧捕获高效热电化学系统在昼夜温差热能利用的应用中循环过程的热电转化效率和功率密度变化曲线。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种环境热
‑
氧捕获高效热电化学系统，其特征在于：包括正极：普鲁士蓝类电极，负极：Ag/AgCl，电解质溶液中阳离子包括Na
+
、K
+
中的一种或两种，阴离子包括Cl
‑
、NO3‑
或SO
42
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中的一种或多种，正负极之间用玻璃纤维膜隔开。2.根据权利要求1所述的环境热
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氧捕获高效热电化学系统，其特征在于：所述普鲁士蓝类电极为CuHCF、CoHCF或NiHCF电极。3.根据权利要求1所述的环境热
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氧捕获高效热电化学系统，其特征在于：所述电解质溶液为pH为酸性的3M KCl水溶液。4.根据权利要求1所述的环境热
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【专利技术属性】
技术研发人员：田华，霍东兴，王伟光，舒歌群，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：