專利名稱：可持續供電的流體鹽差電池的制作方法
技術領域：
本發明屬于新型鹽差電池的設計及制備方法，具體涉及的是一種將鹽差和流動的電解質的鹽溶液聯合在一起的具有高效、清潔、可持續等優點的新型可持續供電的流體鹽差電池。
背景技術：
能源對于人類社會的生存和發展起著至關重的作用，然而傳統化石能源的有限及燃燒后的生成物對環境的污染使可再生新能源的開發備受關注。新能源如太陽能、潮汐能、 風能、海洋能及生物質能由于具有清潔、可再生、分布廣泛及儲量巨大等許多無可比擬的優勢而備受能源界的關注、開發及利用。海洋雖然占有陸地面積巨大但受限于位置及技術等原因目前還沒有很好的被開發、利用。如果設計一種電池能將海水鹽差和持續供應鹽溶液兩者有機地結合在一起制備出新型可持續供電的流體鹽差電池，并使其能夠規模化開發和使用，該新型可持續供電的流體鹽差電池定能成為本世紀乃至未來規模開發和使用的可再生清潔能源。基于以上思路，本發明設計將鹽溶液和具有持續供應電解質的鹽溶液的電化學池聯合在一起，設計并制備出一種新型可持續供電的流體鹽差電池，該電池具有清潔、可再生、經濟適用性強及不受空間位置限制的能夠被廣泛使用的新型環保電池。
發明內容
本發明的一個目的是為了解決不可再生一次能源的短缺問題以及燃燒后又對環境造成二次污染的問題，提供一種利用廉價的鹽溶液利用其溶液中離子的擴散方向和速度的不同制備可再生清潔環保電池的方法。本發明的另一個目的是提高傳統一次能源效率不高及產生能源不可再生的問題。一種新型可持續供電的流體鹽差電池的設計及制造方法，涉及的是一種將持續供應的電解質溶液和鹽差聯合在一起而制備的新型鹽差電池。該新型可持續供電的流體鹽差電池由以下四部分所組成含有電解質注入口和電解質流出口的電化學池、半透膜、電解質溶液以及電極。就此電化學池的結構特征而言，它是由一個容器組成，該容器中間以隔膜分成體積相等的二部分容器，分別為容器一和容器二，其中，要求濃度大的溶液盛放在容器一中，容器二中盛放純水溶液。此電化學池所用的隔膜為半透膜，其原理示意圖如說明書附圖 1所示。容器一和容器二 I以半透膜“4”隔開，此半透膜只允許溶液中的金屬陽離子透過而陰離子不能透過，擴散后的陰、陽離子在半透膜的兩側形成電位差，利用該電位差形成電池。由于容器一和容器二中的溶液處于不斷流動狀態，因此膜兩側始終保持較高的濃度差， 該電解質溶液的持續供應是保持電流恒定和持續的保證和基礎。電極采用的是化學穩定性極高的鉬電極。本新型可持續供電的流體鹽差電池特點是，不受外界動力和能源的束縛，僅用依靠不同電解質的濃度梯度就可以持續發電，不受空間限制，其應用前景非常廣闊。所用的半透膜如功能化的聚對苯二甲酸乙二醇酯膜，聚酰亞胺膜，聚碳酸酯膜，
4聚苯乙烯膜，聚乙烯膜，聚氯乙烯膜，聚丙烯膜等在內的一切陽離子選擇性透過的半透膜。所用的電解質為NaCl，CuSO4, FeNO3等可溶性的鹽酸鹽溶液、可溶性的硫酸鹽溶液和可溶性的硝酸鹽溶液并且要求金屬陽離子的半徑要小于陰離子的半徑。本新型可持續供電的流體鹽差電池能夠有效地解決工農業生產中的大量的電力緊張以及根本無電的邊疆和山區的用電問題，只要有可溶性的鹽溶液，在其流經半透膜時就可以發生陽離子的選擇性的透過而發電。我們確信，該新型可持續供電的流體鹽差電池在工農業生產和人們生活水平的提高中有關能源問題的解決上定會起到一個有力的保障作用。本新型可持續供電的流體鹽差電池的特點是，不受外界動力和能源的束縛，僅利用不同濃度的電解質溶液就可以發電。且不受空間限制，應用前景非常廣闊。本申請所涉及的新型可持續供電的流體鹽差電池，是利用流動的不同濃度的電解質分子產生的濃度梯度進行發電，與傳統的鹽差電池相比，供電時間有很大延長，理論為無限長時間。本新型可持續供電的流體鹽差電池在新能源的開發方面更加具有創新性和應用價值。發明效果利用流動電解質溶液中離子的濃度梯度并結合利用半透膜離子擴散原理形成電勢差，經外電路直接產生電能而制成新型電池，其經濟性，環保性，可再生性效果好。由于流動的電解質溶液不斷地供應離子的濃度梯度，所以使產生電流恒定且能不斷向外輸出。可應用于工業、農業、國防、交通、科研以及民用等行業。特別對于偏遠的電力設施不很完備的地區使用該電池更有現實意義。通過以上分析及可行性論證可知，本發明設想將持續供應不同濃度的電解質溶液用于制備新型可持續供電的液體鹽差電池具有來源廣泛、清潔、可再生等特性，故本發明的確具有產業上的利用價值。
圖1.本新型可持續供電的流體鹽差電池的原理示意圖圖2.本發明實施例中所用的半透膜的SEM照片附圖標記1.容器I 2.容器II 3.鉬電極4.半透膜5.電解質注入口6.電解質流出口。
具體實施例方式實施例1.請參見圖1。可持續供電的流體鹽差電池包括作為電化學池的包含電解質注入口和電解質流出口的容器、只允許陽離子透過而不允許陰離子透過的半透膜4、電解質溶液 NaCl以及鉬電極3。所述的只允許陽離子透過而不允許陰離子透過的經過胺化的聚對苯二甲酸乙二醇酯半透膜與容器的四個內壁密封相連接，并且該半透膜將所述的密閉容器分成體積相等的第一容器和第二容器，此容器由聚四氟乙烯材料制成。在第一容器中盛放的含有IM NaCl的水溶液，在第二容器中盛放有水。所述的IM NaCl的水溶液是將NaCl分子溶解在水中而配制。所述的被胺化的聚對苯二甲酸乙二醇酯半透膜分離成的兩部分容器的上下分別含有一個電解質溶液的注入口和流出口，而其余容器部分則密封。在第一容器中設置的電極為鉬陽極；在第二容器中設置的電極為鉬陰極；所述的鉬陽極和鉬陰極的導線通向密閉容器外后可與用電器相接。注入電解質前，第一容器與第二容器中皆無電解質溶液，因此無離子自由移動故無金屬陽離子在半透膜處進行擴散，此時的電流值為零。向第一容器注入IM NaCl的水溶液同時在第二容器注入純水之后，第一容器中的鈉離子和氯離子的濃度遠遠大于第二容器的水中的陰離子和陽離子的濃度，從而造成第一容器與第二容器中的陰離子和陽離子的不平衡。如圖1所示，第一容器中的部分鈉離子在濃度梯度的作用下經半透膜向第二容器擴散， 最后導致半透膜兩側鈉離子和氯離子的不平衡，因此在兩側的鉬電極就會有電流及電勢產生，只要持續加入電解質濃溶液就會有比較恒定的電流產生。實驗中所用的電流及電勢的測量儀器分別為電流表和電壓表。實施例2.請參見圖1。可持續供電的流體鹽差電池包括作為電化學池的包含電解質注入口和電解質流出口的容器、只允許陽離子透過而不允許陰離子透過的半透膜4、電解質溶液 CuSO4以及銅電極3。所述的只允許陽離子透過而不允許陰離子透過的胺化的聚苯乙烯半透膜與容器的四個內壁密封相連接，并且該半透膜將所述的密閉容器分成體積相等的第一容器和第二容器，此容器由聚四氟乙烯材料制成。在第一容器中盛放的含有2M CuSO4W水溶液，在第二容器中盛放有水。所述的2M CuSO4的水溶液是將CuSO4分子溶解在水中而配制。所述的被半透膜分離成的兩部分容器的上下分別含有一個電解質溶液的注入口和電解質的流出口，而其余容器部分則密封。在第一容器中設置的電極為銅陽極；在第二容器中設置的電極為銅陰極；所述的銅陽極和銅陰極的導線通向密閉容器后可與用電器相接。注入電解質前，第一容器與第二容器中無離子自由移動因此無離子在半透膜處進行擴散，此時的電流值為零。當在第一容器注入2M CuSO4的水溶液同時在第二容器注入純水之后，第一容器里的銅離子和硫酸根離子的濃度遠遠大于第二容器的水中的陽離子和陰離子，從而造成第一容器與第二容器中的陰離子和陽離子的不平衡。如圖1所示，第一容器中的部分銅離子在濃度梯度的作用下經半透膜向第二容器擴散，最后導致半透膜兩側銅離子和硫酸根離子的不平衡，因此在兩側的銅電極就會有電流及電勢產生，只要持續加入電解質濃溶液就會有比較恒定的電流產生。實驗中所用的電流及電勢的測量儀器分別為電流表和電壓表。
權利要求
1.一種可持續供電的流體鹽差電池，其包括作為電化學池的帶有電解質注入口和電解質流出口的容器、只允許陽子透過的半透膜、電解質鹽溶液以及電極；其特征是所述的容器中有與容器的四個內壁密封相連接的只允許鹽溶液中金屬陽離子透過的半透膜，并且該半透膜將所述的容器分成體積相等的第一容器和第二容器，其中，在第一容器中盛放并流經電解質的濃溶液，在第二容器中盛放有水；在第一容器中的設置有陽極或陰極；在第二容器中設置有陰極或陽極；并且第一容器中設置的陽極或陰極的導線通向第一容器外，對應于第二容器中設置的陰極或陽極的導線通向第二容器外。
2.根據權利要求1所述的可持續供電的流體鹽差電池，其特征是所述的電極材料是鉬電極或與鹽溶液中的金屬離子相同的金屬電極。
3.根據權利要求1所述的可持續供電的流體鹽差電池，其特征是所述的第一容器與第二容器的體積比為1 1。
4.根據權利要求1所述的可持續供電的流體鹽差電池，其特征是所述的半透膜只允許電解質中的金屬陽離子透過，而不允許陰離子透過。
5.根據權利要求1或4所述的可持續供電的流體鹽差電池，其特征是所述的半透膜是在膜結構中含有堿性活性基團的半透膜。
6.根據權利要求5所述的可持續供電的流體鹽差電池，其特征是所述的含有堿性活性基團的半透膜選自堿性活性基團胺化的聚對苯二甲酸乙二醇酯膜、堿性活性基團胺化的聚酰亞胺膜、堿性活性基團胺化的聚碳酸酯膜、堿性活性基團胺化的聚苯乙烯膜、堿性活性基團胺化的聚乙烯膜、堿性活性基團胺化的聚氯乙烯膜、堿性活性基團胺化的聚丙烯膜所組成的組中的至少一種。
7.根據權利要求6所述的可持續供電的流體鹽差電池，其特征是所述的堿性活性基團選自-NR3OH、-NRR2OH, -NH2, -nhr, -NR2中的一種；其中R為脂肪烴取代基或芳香烴取代基出2為2個脂肪烴取代基、2個芳香烴取代基或1個為脂肪烴取代基1個為芳香烴取代基； R3為3個脂肪烴取代基、3個芳香烴取代基、2個為脂肪烴取代基1個為芳香烴取代基、或1 個為脂肪烴取代基2個為芳香烴取代基。
8.根據權利要求1所述的可持續供電的流體鹽差電池，其特征是所述的電解質鹽溶液的濃度為IM 飽和溶液的濃度。
9.根據權利要求1、4或8所述的可持續供電的流體鹽差電池，其特征是所述的電解質鹽溶液的分子為可溶性的化合物。
10.根據權利要求1或4所述的可持續供電的流體鹽差電池，其特征是所述的電解質分子為可溶性的鹽酸鹽類、硫酸鹽類或硝酸鹽類電解質中的一種。
11.根據權利要求9所述的可持續供電的流體鹽差電池，其特征是所述的電解質分子為為可溶性的鹽酸鹽類、硫酸鹽類或硝酸鹽類電解質中的一種。
12.根據權利要求10所述的可持續供電的流體鹽差電池，其特征是所述的可溶性的鹽酸鹽類電解分子為氯化鈉、氯化鉀、或氯化鎂。所述的可溶性的硫酸鹽類電解質分子為硫酸鈉、硫酸鉀、硫酸亞鐵、硫酸銅或硫酸鋅。所述的可溶性的硝酸鹽類電解質分子為硝酸鈉、硝酸鉀、硝酸鎂、硝酸銅或硝酸鋅。
13.根據權利要求11所述的可持續供電的流體鹽差電池，其特征是所述的可溶性的鹽酸鹽類電解分子為氯化鈉、氯化鉀、或氯化鎂。所述的可溶性的硫酸鹽類電解質分子為硫酸鈉、硫酸鉀、硫酸亞鐵、硫酸銅或硫酸鋅。所述的可溶性的硝酸鹽類電解質分子為硝酸鈉、硝酸鉀、硝酸鎂、硝酸銅或硝酸鋅。
全文摘要
本發明是設計并制備出新型可持續供電的流體鹽差電池，特別涉及的是一種將不同濃度的鹽濃液置于帶有電解質注入口和電解質流出口的電化學池中，通過鹽溶液中陽離子的擴散而將動能轉換為電能。此發明是利用流動的電解質鹽溶液提供可持續擴散的離子，鹽溶液的不斷供應是保證產生電流持續和恒定的基礎。
文檔編號H01M6/34GK102456888SQ20101050879
公開日2012年5月16日 申請日期2010年10月18日 優先權日2010年10月18日
發明者楚天怡 申請人:楚天怡