专利名称：热能发电电池的制作方法
技术领域：
本发明属于电池的设计及制备方法，具体涉及一种将热能和解离常数随温度升高 而减小的有机碱类分子联合在一起的具有高效、清洁、可再生等优点的热能发电电池。
背景技术：
由于矿藏资源的有限及燃烧后易造成对环境的污染问题，使得可再生新能源的开 发及应用成为各国政府经济发展与安全建设追求的目标。新能源如地热能、太阳能、潮汐 能、风能、海洋能及生物质能由于具有清洁、可再生、分布广泛及储量巨大等许多无可比拟 的优势而备受能源界的关注、开发及利用。热能在自然界中广泛存在，尤其是利用太阳能所 产生的热能如果可以重复利用，将对合理的利用能源有着重大的意义。早在1823年，俄国 人Seeback就发现了热电现象，在1994年4月第220期的工业材料杂志题为《热电材料与 元件之发展与应用》中，作者朱旭山总结了目前热电材料的一些研究现状。虽然这种材料在 能源利用等方面有着重大的意义，但由于其成本较高而效率较低等原因限制了其应用。如 果设计出一种能将热能和廉价的有机碱类分子结合在一起而得到一种新型热能发电电池， 并使其能够规模化开发和使用，这种电池将能成为未来的可再生清洁能源。基于以上思路，本发明设计将热能和解离常数随温度升高而减小的有机碱类分子 相联合，从而设计出一种热能发电电池，该电池是具有清洁、可再生、经济适用性强及不受 空间位置限制的环保电池。
发明内容
本发明的目的是为了解决不可再生一次能源的短缺以及燃烧后又对环境造成二 次污染的问题，提供一种利用廉价的解离常数随温度升高而减小的有机碱类分子以及阴离 子交换膜，从而制备出可再生清洁环保的热能发电电池。本发明的热能发电电池是将热能和解离常数随温度升高而减小的有机碱类分子 联合在一起的热能发电电池；热能发电电池包括电极，电解池，具有电绝缘性质的阴离子 交换膜，解离常数随温度升高而减小的有机碱类分子的水溶液及水，如图1所示。本发明的电解池实质上是一个密闭容器，所述的密闭容器中有与密闭容器的四个 内壁密封相连接的具有电绝缘性质的阴离子交换膜，并且该阴离子交换膜将所述的密闭容 器分成体积不相等的第一容器和第二容器，其中，在第一容器中盛放有解离常数随温度升 高而减小的有机碱类分子的水溶液，在第二容器中盛放有水，优选纯水。所述的密闭容器只有其中所述的第一容器的底部的部分地方设置为需要加热部 分，在加热部分处的第一容器中设置有电极(阳极或阴极)；在第二容器中设置有电极(阴 极或阳极)；并且第一容器中的电极(阳极或阴极)的导线通向第一容器外，第二容器中的 电极(阳极或阴极)的导线通向第二容器外，两在密闭容器外的导线可与用电器相接。所述的电极(阳极或阴极)材料采用钼电极、银/氯化银电极、ITO电极等中的任 意两种组合，优选采用化学稳定性极高的钼电极。
所述的第一容器与第二容器的体积比为1/10 1/2。所述的第一容器底部的加热部分的面积占第一容器底部总面积的1/10 1/3。所述的第一容器底部的加热部分是将占第一容器底部总面积的1/10 1/3面积 的第一容器的底部进行加热，而密闭容器的其它部分不进行加热，以改变第一容器中有机 碱类分子的水溶液的温度差(加热部分的面积与不加热部分的面积相比较小，所以有机碱 类分子的水溶液会有温度差)，从而改变有机碱类分子的电离平衡，将热能转化为电能。所述的第一容器底部的加热部分的加热温度可为60°C 80°C，对于密闭容器的 其它不加热部分，可通过控制密闭容器周围的环境温度，使密闭容器的其它不加热部分的 温度保持在温度范围为l°c 4°C，以改变第一容器中有机碱类分子的水溶液的温度差。
所述的第一容器底部的加热部分的加热方式可采用加热装置或利用太阳 光照射 等方式进行加热，以使加热部分的加热温度可为60°C 80°C，对于密闭容器的其它不加热 部分，可通过控制密闭容器周围的环境温度，使密闭容器的其它不加热部分的温度保持在 温度范围为1°C 4°C，以改变第一容器中有机碱类分子的水溶液的温度差。所述的第一容器中的有机碱类分子的水溶液在1°C 4°C下时的浓度为1 μ M 饱 和溶液的浓度。所述的有机碱类分子选自脂肪胺类、脂环胺类、氨基酸类、氨基磺酸类、醇胺类、苯 胺类、喹啉类、吡啶类、吲哚类等中的一种。所述的脂肪胺类包括RNH2、R1NHR2, NH2RNH2或NR1R2R3中的一种；其中R、R1^ R2或 R3独立的为烷基；所述的烷基是C1 C2tl的烷基。所述的脂环胺类包括
中的一
所述的氨基酸类包括 其中氨基酸类中的R为烷基或带有功能基团的烷基链等；其中所述的烷基是Ci C20的烷基；所述的功能基团是羟基、氨基、羧基、酚羟基、胍基、巯基、苯基、咪唑基、酰胺基 或亚胺基等中的一种。所述的氨基磺酸类包括〔
中的一
的一种。所述的苯胺类包括
中的一种。 所述的喹啉类包括、 所述的吲哚类包括 所用的阴离子交换膜指的是在膜结构中含有碱性活性基团的阴离子交换膜。该含 有碱性活性基团的阴离子交换膜能选择性地只让阴离子透过，而不让阳离子透过。所述的 碱性活性基团选自强碱性，如季铵型[_NR30H、-NRR2OH]；弱碱性，如伯胺型(-NH2)、仲胺型 (-NHR)、叔胺型(-NR2)等中的一种；其中R为脂肪烃取代基或芳香烃取代基，R2为2个脂肪 烃取代基、2个芳香烃取代基或1个为脂肪烃取代基1个为芳香烃取代基；R3为3个脂肪烃 取代基、3个芳香烃取代基、2个为脂肪烃取代基1个为芳香烃取代基、或1个为脂肪烃取代 基2个为芳香烃取代基。所述的脂肪烃是C2 C2tl的脂肪烃；所述的芳香烃是非稠环的C6 C3tl的芳香烃。所述的含有碱性活性基团的阴离子交换膜优选选自碱性活性基团胺化的聚苯乙 烯膜、碱性活性基团胺化的聚乙烯膜、碱性活性基团胺化的聚氯乙烯膜、碱性活性基团胺化 的聚丙烯膜等所组成的组中的至少一种。本发明的热能发电电池优选使用温度为1°C 4°C，如在1°C 4°C条件下，第一容 器中存在如下的电离平衡 其中B代表有机碱类分子，B+代表有机碱类分子的阳离子。在rc 4°C条件下，第一容器中有机碱类分子的水溶液中的氢氧根离子(0H_)浓 度与第二容器中水的氢氧根离子(0H_)浓度及由第一容器中扩散过来的氢氧根离子(0H_) 浓度的总和相等。当在第一容器底部的加热部分逐渐将温度加热到温度为60°C 80°C，密 闭容器的其它部分仍然处于1°C 4°C时，由于第一容器中加热部分的有机碱类分子(B)的 解离常数变小，第一容器中加热部分的平衡反应向上述的电离平衡方程式的左边移动，消 耗了第一容器中的一部分氢氧根离子(Off)和有机碱类分子的阳离子(B+)，重新生成了原始加入的有机碱类分子(B)，从而使氢氧根离子(0H_)浓度和有机碱类分子的阳离子(B+)浓 度减小，使有机碱类分子(B)的浓度增大。此时，第二容器中的氢氧根离子(0H_)浓度大于 第一容器加热部分的氢氧根离子(0H_)浓度，为了达到平衡状态，第二容器中的氢氧根离子 (0H_)通过阴离子交换膜向第一容器的加热部分扩散，把动能转变成电能，产生了电势差而 对外做功。与此同时，第二容器中的氢氧根离子(Off)浓度小于第一容器未加热部分的氢 氧根离子(Off)浓度；第一容器未加热部分的有机碱类分子的阳离子(B+)浓度大于第一容 器加热部分的有机碱类分子的阳离子(B+)浓度，氢氧根离子浓度(OH_)大于第二容器中氢 氧根离子(OH_)浓度，所以第一容器中未加热部分的有机碱类的阳离子(B+)向第一容器的 加热部分扩散，氢氧根离子(OH_)通过阴离子交换膜向第二容器中扩散；第一容器加热部分 产生的有机碱类分子(B)的浓度大于第一容器未加热部分的有机碱类分子(B)的浓度，所 以第一容器加热部分的有机碱类分子(B )向第一容器未加热部分中扩散，从而形成了一个 循环过程，可以源源不断的对外做功，而产生持续的电流。本发明的热能发电电池能够有效地解决工农业生产中的大量的电力紧张以及根 本无电的边疆和山区的用电问题，只要有随温度变化解离常数发生较大变化的分子，在热 的作用下经过离子交换膜就可以发生交换作用而发电。本发明的热能发电电池在工农业生 产和人们生活水平的提高中有关能源问题的解决上定会起到一个有力的保障作用。本发明的热能发电电池的特点是，不受外界动力和能源的束缚，仅加热有机碱类 分子的水溶液就可以发电，且不受空间的限制。本发明的热能发电电池，利用加热改变有机碱类分子的解离常数而产生离子的移 动的发电原理与传统电池发电原理相比，材料的经济压力大大减少。本发明的热能发电电 池在新能源的开发方面更加具有创新性和应用价值。本发明的热能发电电池是先利用有机碱类分子在热的作用下解离常数的改变产 生氢氧根离子浓度梯度，再利用离子交换原理形成电势差，经外电路直接产生电能而制成 的电池，其经济性，环保性，可再生性效果好。可应用于工业、农业、国防、交通、科研以及民 用等行业。特别对于偏远的电力设施不很完备的地区使用该电池更有现实意义。本发明将有机碱类分子与阴离子交换膜联合起来制备得到的热能发电电池具有 来源广泛、清洁、可再生等特性。
图1.本发明的热能发电电池的结构示意图。 图2.有机碱分子在实施例1所述的条件下的电流_时间变化曲线。 图3.有机碱分子实施例1所述的条件下电势_时间变化曲线。 附图标记1.第一容器 2.第二容器 3.阴离子交换膜4.电极5.加热装置
具体实施例方式实施例1请参见图1。热能发电电池包括作为电解池的密闭容器，具有电绝缘性质的含 有-N+(CH3)30H_强碱性基团的聚乙烯阴离子交换膜3，含有解离常数随温度升高而减小的有 机碱类分子的水溶液及水，钼电极4及加热装置5。在密闭容器中有与密闭容器的四个内壁密封相连接的含有-N+(CH3)3OH-强碱性基 团的聚乙烯阴离子交换膜，并且该阴离子交换作为隔膜将所述的密闭容器分成体积不相等 的第一容器和第二容器，且第一容器与第二容器的体积比为1/2，在第一容器中充满有机碱 类分子的水溶液，在第二容器中充满纯水。在第一容器底部设置有加热装置5，并且加热装置的控温面积占第一容器底部总 面积的1/3，而密闭容器的其它部分不进行加热，以改变第一容器中有机碱类分子的水溶 液的温度差；在第一容器中设置有加热装置处设置有钼阳极，在第二容器中设置有钼阴极； 所述的钼阳极和钼阴极的导线通向密闭容器外后可与用电器相接。本实施例中所述电池的使用温度为4°C，即通过控制密闭容器周围的环境温度，使 密闭容器的不加热部分要维持在4°C，第一容器底部加热装置进行加热时，使该加热装置的 控温面积的温度为60°C，以改变第一容器中有机碱类分子的水溶液的温度差。所述的有机碱类分子的水溶液中的有机碱类分子为氨基酸类中的
其水溶液在4°C下的浓度为1 μ Μ。在处于4°C条件下，第一容器中的具有上述结构的有机碱分子的水溶液中的氢氧 根离子(0H_)浓度与第二容器中纯水的氢氧根离子(0H_)浓度及由第一容器中扩散过来的 氢氧根离子(0H_)浓度的总和相等，第一容器与第二容器中的离子处于相对平衡状态，此时 的电流为零。当在第一容器底部将温度逐渐加热到温度为60°C，密闭容器的其它部分仍然 处于4°C时，由于第一容器中加热部分的具有上述结构的有机碱分子的解离常数随温度升 高而减小，消耗了第一容器中的一部分氢氧根离子(Off)和具有上述结构的有机碱分子的 阳离子，重新生成了原始加入的具有上述结构的有机碱分子，从而使氢氧根离子(0H_)浓度 和具有上述结构的有机碱分子的阳离子浓度减小，使具有上述结构的有机碱分子的浓度增 大。此时，第二容器中的氢氧根离子(0H_)浓度大于第一容器加热部分的氢氧根离子(0H_) 浓度，为了达到平衡状态，第二容器中的氢氧根离子(0H_)通过含有-N+(CH3)3OH-强碱性基 团的聚乙烯阴离子交换膜从高浓度扩散至低浓度的第一容器的加热部分，从而产生了电流 及电势。同时，第二容器中的氢氧根离子(0H_)浓度小于第一容器未加热部分的氢氧根离 子(Off)浓度；第一容器未加热部分的具有上述结构的有机碱分子的阳离子浓度大于第一 容器加热部分的具有上述结构的有机碱分子的阳离子浓度，氢氧根离子浓度(0H_)大于第 二容器中氢氧根离子(0H_)浓度，所以第一容器中未加热部分的具有上述结构的有机碱的 阳离子向第一容器的加热部分扩散，氢氧根离子(0H_)通过含有-N+(CH3)3OH-强碱性基团的 聚乙烯阴离子交换膜向第二容器中扩散；第一容器加热部分产生的具有上述结构的有机碱 分子的浓度大于第一容器未加热部分的具有上述结构的有机碱分子的浓度，所以第一容器加热部分的具有上述结构的有机碱分子向第一容器未加热部分中扩散，从而形成了一个循 环过程，并源源不断产生电流和电势。实验中所用的电流及电势的测量仪器分别为美国吉 时利仪器公司的6487皮安计和2482A电压计。图2表示此热能发电电池在加热过程中的电流随时间变化关系曲线图未加热
时，第一容器中含有的溶质及其浓度分别为有机碱分子M2N—c^浓度为IuM；第二
容器中为纯水。在4°c时放置一段时间后如上所述，第一容器与第二容器中的离子处于相对 平衡状态，此时的电流值接近为零。在逐渐加热至60°C的同时测电流，电流逐渐变大，最大 值达到55微安，说明加热时有机碱分子的电离平衡发生移动，该平衡移动导致的氢氧根离 子浓度梯度在含有-N+(CH3)3OH-强碱性基团的聚乙烯阴离子交换膜作用下实现跨膜运输， 所以可以产生很大的电流；保持温度不变，随着加热时间的增长，氢氧根离子浓度梯度逐渐 降低并最后达到一稳定值，约为10微安；时间继续延长，电流基本保持不变。图3表示此热能发电电池在加热过程中的电势随时间变化关系曲线图未加热
时，第一容器中含有的溶质及其浓度分别为Yi机喊分J'H2N"^~OH浓度为IyM；第二
容器中为纯水。在4°C时放置一段时间后如上所述第一容器与第二容器中的离子处于相 对平衡状态，此时的电势值接近于零。在逐渐加热至60°C的同时测电势，电势逐渐变大， 说明加热时有机碱分子的电离平衡发生移动，该平衡移动导致的氢氧根离子浓度梯度在含 有-N+(CH3)3OH-强碱性基团的聚乙烯阴离子交换膜作用下实现跨膜运输，一段时间后，在含 有-N+(CH3)3OH-强碱性基团的聚乙烯阴离子交换膜两侧溶液中的带相反电荷的离子浓度 达到一最大稳定值，其产生的相应电势值约为550毫伏；保持温度不变，随着加热时间的增 长，氢氧根离子浓度梯度逐渐降低，但含有-N+(CH3)3OH-强碱性基团的聚乙烯阴离子交换膜 两侧溶液中的带相反电荷的离子浓度却基本处于相对平衡状态，电势值基本保持不变。实施例2改变电池的使用温度为1°C，第一容器加热部分的温度为80°C，以达到本发明所 述的最大温差范围。其它条件同实施例1所述。未加热时，在1°C时放置一段时间后如实施例1所述，第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电流值接近为零。将第一容器底部加热至80°C的同时测电流， 电流逐渐变大，最大值达到75微安。保持温度不变，随着加热时间的增长，氢氧根离子浓度 梯度逐渐降低并最后达到一稳定值，约为25微安；时间继续延长，电流基本保持不变。原理 同实施例1所述未加热时，在1°C时放置一段时间后如实施例1所述第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电势值接近于零。在逐渐加热至80°C的同时测电势，电势逐渐 变大，一段时间后，在含有-N+(CH3)3OH-强碱性基团的聚乙烯阴离子交换膜两侧溶液中的带 相反电荷的离子浓度达到一最大稳定值，其产生的相应电势值约为700毫伏；保持温度不 变，随着加热时间的增长，电势值基本保持不变。原理同实施例1所述。
实施例3改变电池的使用温度为2°C，第一容器加热部分的温度为70°C。其它条件同实施例1所述。
未加热时，在2°C时放置一段时间后如实施例1所述，第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电流值接近为零。将第一容器底部逐渐加热至70°C的同时测 电流，电流逐渐变大，最大值达到65微安。保持温度不变，随着加热时间的增长，氢氧根离 子浓度梯度逐渐降低并最后达到一稳定值，约为20微安；时间继续延长，电流基本保持不 变。原理同实施例1所述未加热时，在2°C时放置一段时间后如实施例1所述第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电势值接近于零。在逐渐加热至70°C的同时测电势，电势逐渐 变大，一段时间后，在含有-N+(CH3)30H-强碱性基团的聚乙烯阴离子交换膜两侧溶液中的 带相反电荷的离子浓度达到一最大稳定值，其产生的相应电势值约为650毫伏；保持温度 不变，随着加热时间的增长，电势值基本保持不变。原理同实施例1所述。实施例4改变第一容器与第二容器的体积比为1/10。其它条件同实施例1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述，第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电流值接近为零。在逐渐加热至60°C的同时测电流，电流逐渐 变大，最大值达到60微安，保持温度不变，随着加热时间的增长，氢氧根离子浓度梯度逐渐 降低并最后达到一稳定值，约为18微安；时间继续延长，电流基本保持不变。原理同实施例 1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电势值接近于零。在逐渐加热至60°C的同时测电势，电势逐渐 变大，一段时间后，在含有-N+(CH3)2OH-强碱性基团的聚乙烯阴离子交换膜两侧溶液中的带 相反电荷的离子浓度达到一最大稳定值，其产生的相应电势值约为600毫伏；保持温度不 变，随着加热时间的增长，电势值基本保持不变。原理同实施例1所述。实施例5改变第一容器与第二容器的体积比为1/6。其它条件同实施例1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述，第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电流值接近为零。在逐渐加热至60°C的同时测电流，电流逐渐 变大，最大值达到58微安，保持温度不变，随着加热时间的增长，氢氧根离子浓度梯度逐渐 降低并最后达到一稳定值，约为16微安；时间继续延长，电流基本保持不变。原理同实施例 1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电势值接近于零。在逐渐加热至60°C的同时测电势，电势逐渐 变大，一段时间后，在含有-N+(CH2)2OH-强碱性基团的聚乙烯阴离子交换膜两侧溶液中的带 相反电荷的离子浓度达到一最大稳定值，其产生的相应电势值约为580毫伏；保持温度不 变，随着加热时间的增长，电势值基本保持不变。原理同实施例1所述。
实施例6改变有机碱类分子的浓度为4°C下的饱和溶液，同时采用太阳光照射方式进行加 热。其它条件同实施例1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述，第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电流值接近为零。在用阳光照射逐渐加热至60°C的同时测电 流，电流逐渐变大，最大值达到80微安，保持温度不变，随着加热时间的增长，氢氧根离子 浓度梯度逐渐降低并最后达到一稳定值，约为30微安；时间继续延长，电流基本保持不变。 原理同实施例1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电势值接近于零。在用阳光照射逐渐加热至60 V的同时测 电势，电势逐渐变大，一段时间后，在含有-N+(CH3)3OH-强碱性基团的聚乙烯阴离子交换膜 两侧溶液中的带相反电荷的离子浓度达到一最大稳定值，其产生的相应电势值约为800毫 伏；保持温度不变，随着加热时间的增长，电势值基本保持不变。原理同实施例1所述。实施例7改变有机碱类分子的浓度为4°C下的5 μ Μ。其它条件同实施例1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述，第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电流值接近为零。在逐渐加热至60°C的同时测电流，电流逐渐 变大，最大值达到65微安，保持温度不变，随着加热时间的增长，氢氧根离子浓度梯度逐渐 降低并最后达到一稳定值，约为23微安；时间继续延长，电流基本保持不变。原理同实施例 1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施 例1所述第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电势值接近于零。在逐渐加热至60°C的同时测电势，电势逐渐 变大，一段时间后，在含有-N+(CH3)3OH-强碱性基团的聚乙烯阴离子交换膜两侧溶液中的带 相反电荷的离子浓度达到一最大稳定值，其产生的相应电势值约为680毫伏；保持温度不 变，随着加热时间的增长，电势值基本保持不变。原理同实施例1所述。实施例8改变第一容器的加热面积与不加热面积的比例为1/10。其它条件同实施例1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述，第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电流值接近为零。在逐渐加热至60°C的同时测电流，电流逐渐 变大，最大值达到63微安，保持温度不变，随着加热时间的增长，氢氧根离子浓度梯度逐渐 降低并最后达到一稳定值，约为19微安；时间继续延长，电流基本保持不变。原理同实施例 1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电势值接近于零。在逐渐加热至60°C的同时测电势，电势逐渐 变大，一段时间后，在含有-N+(CH3)3OH-强碱性基团的聚乙烯阴离子交换膜两侧溶液中的带 相反电荷的离子浓度达到一最大稳定值，其产生的相应电势值约为590毫伏；保持温度不变，随着加热时间的增长，电势值基本保持不变。原理同实施例1所述。实施例9改变第一容器的加热面积与不加热面积的比例为1/6。其它条件同实施例1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述，第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电流值接近为零。在逐渐加热至60°C的同时测电流，电流逐渐 变大，最大值达到57微安，保持温度不变，随着加热时间的增长，氢氧根离子浓度梯度逐渐 降低并最后达到一稳定值，约为16微安；时间继续延长，电流基本保持不变。原理同实施例 1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电势值接近于零。在逐渐加热至60°C的同时测电势，电势逐渐 变大，一段时间后，在含有-n+(ch3)3oh_强碱性基团的聚乙烯阴离子交换膜两侧溶液中的带 相反电荷的离子浓度达到一最大稳定值，其产生的相应电势值约为565毫伏；保持温度不 变，随着加热时间的增长，电势值基本保持不变。原理同实施例1所述。实施例10改变阴离子交换膜为含有-N+ph(CH3)20H_强碱性基团的聚乙烯和含 有-N+ph(CH3)20H_强碱性基团的聚丙烯复合的阴离子交换膜，其中ph为苯。其它条件同实施例1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述，第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电流值接近为零。在逐渐加热至60°C的同时测电流，电流逐渐 变大，最大值达到50微安，保持温度不变，随着加热时间的增长，氢氧根离子浓度梯度逐渐 降低并最后达到一稳定值，约为8微安；时间继续延长，电流基本保持不变。原理同实施例 1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电势值接近于零。在逐渐加热至60°C的同时测电势，电势逐渐 变大，一段时间后，在-N+ph (ch3) 2or强碱性基团的聚乙烯和含有-Mph (ch3) 2or强碱性基 团的聚丙烯复合的阴离子交换膜两侧溶液中的带相反电荷的离子浓度达到一最大稳定值， 其产生的相应电势值约为500毫伏；保持温度不变，随着加热时间的增长，电势值基本保持 不变。原理同实施例1所述。实施例11改变阴离子交换膜为含有_nh2弱碱性基团的聚苯乙烯阴离子交换膜。其它条件同实施例1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述，第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电流值接近为零。在逐渐加热至60°C的同时测电流，电流逐渐 变大，最大值达到45微安，保持温度不变，随着加热时间的增长，氢氧根离子浓度梯度逐渐 降低并最后达到一稳定值，约为6微安；时间继续延长，电流基本保持不变。原理同实施例 1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电势值接近于零。在逐渐加热至60°C的同时测电势，电势逐渐
14变大，一段时间后，在含有-NHy^碱性基团的聚苯乙烯阴离子交换膜两侧溶液中的带相反电荷的离子浓度达到一最大稳定值，其产生的相应电势值约为450毫伏；保持温度不变，随 着加热时间的增长，电势值基本保持不变。原理同实施例1所述。实施例12改变阴离子交换膜为含有_NHCH3弱碱性基团的聚氯乙烯阴离子交换膜。其它条件同实施例1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述，第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电流值接近为零。在逐渐加热至60°C的同时测电流，电流逐渐 变大，最大值达到53微安，保持温度不变，随着加热时间的增长，氢氧根离子浓度梯度逐渐 降低并最后达到一稳定值，约为9微安；时间继续延长，电流基本保持不变。原理同实施例 1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电势值接近于零。在逐渐加热至60°C的同时测电势，电势逐渐 变大，一段时间后，在含有_NHCH3弱碱性基团的聚氯乙烯阴离子交换膜两侧溶液中的带相 反电荷的离子浓度达到一最大稳定值，其产生的相应电势值约为530毫伏；保持温度不变， 随着加热时间的增长，电势值基本保持不变。原理同实施例1所述。实施例13改变阴离子交换膜为含有_NCH3ph弱碱性基团的聚氯乙烯阴离子交换膜，其中ph为苯。其它条件同实施例1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述，第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电流值接近为零。在逐渐加热至60°C的同时测电流，电流逐渐 变大，最大值达到48微安，保持温度不变，随着加热时间的增长，氢氧根离子浓度梯度逐渐 降低并最后达到一稳定值，约为7微安；时间继续延长，电流基本保持不变。原理同实施例 1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电势值接近于零。在逐渐加热至60°C的同时测电势，电势逐渐 变大，一段时间后，在含有_NCH3ph弱碱性基团的聚氯乙烯阴离子交换膜两侧溶液中的带相 反电荷的离子浓度达到一最大稳定值，其产生的相应电势值约为480毫伏；保持温度不变， 随着加热时间的增长，电势值基本保持不变。原理同实施例1所述。实施例14改变有机碱类分子为脂肪胺类中的CH3NH2。有机碱类分子的浓度为4°C下的饱和 溶液。其它条件同实施例1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述，第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电流值接近为零。在逐渐加热至60°C的同时测电流，电流逐渐 变大，最大值达到60微安，保持温度不变，随着加热时间的增长，氢氧根离子浓度梯度逐渐 降低并最后达到一稳定值，约为18微安；时间继续延长，电流基本保持不变。原理同实施例 1所述。
未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电势值接近于零。在逐渐加热至60°C的同时测电势，电势逐渐 变大，一段时间后，在含有-N+(CH3)3OH_强碱性基团的聚乙烯阴离子交换膜两侧溶液中的带 相反电荷的离子浓度达到一最大稳定值，其产生的相应电势值约为600毫伏；保持温度不 变，随着加热时间的增长，电势值基本保持不变。原理同实施例1所述。实施例15 改变有机碱类分子为脂环胺类中的
有机碱类分子的浓度为4°C下的饱和溶液。其它条件同实施例1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述，第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电流值接近为零。在逐渐加热至60°C的同时测电流，电流逐渐 变大，最大值达到55微安，保持温度不变，随着加热时间的增长，氢氧根离子浓度梯度逐渐 降低并最后达到一稳定值，约为13微安；时间继续延长，电流基本保持不变。原理同实施例 1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电势值接近于零。在逐渐加热至60°C的同时测电势，电势逐渐 变大，一段时间后，在含有-N+(CH3)3OH_强碱性基团的聚乙烯阴离子交换膜两侧溶液中的带 相反电荷的离子浓度达到一最大稳定值，其产生的相应电势值约为550毫伏；保持温度不 变，随着加热时间的增长，电势值基本保持不变。原理同实施例1所述。实施例16
4 °C下的饱和溶液。
改变有机碱类分子为氨基磺酸类中
有机碱类分子的浓度为
其它条件同实施例1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述，第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电流值接近为零。在逐渐加热至60°C的同时测电流，电流逐渐 变大，最大值达到58微安，保持温度不变，随着加热时间的增长，氢氧根离子浓度梯度逐渐 降低并最后达到一稳定值，约为16微安；时间继续延长，电流基本保持不变。原理同实施例 1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电势值接近于零。在逐渐加热至60°C的同时测电势，电势逐渐 变大，一段时间后，在含有-N+(ch3)3OH_强碱性基团的聚乙烯阴离子交换膜两侧溶液中的带 相反电荷的离子浓度达到一最大稳定值，其产生的相应电势值约为580毫伏；保持温度不 变，随着加热时间的增长，电势值基本保持不变。原理同实施例1所述。实施例17 改变有机碱类分子为醇胺类中的
有机碱类分子的浓度为4°C下的饱和溶液。其它条件同实施例1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述，第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电流值接近为零。在逐渐加热至60°C的同时测电流，电流逐渐 变大，最大值达到62微安，保持温度不变，随着加热时间的增长，氢氧根离子浓度梯度逐渐 降低并最后达到一稳定值，约为20微安；时间继续延长，电流基本保持不变。原理同实施例 1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如上所述第一容器与第二容器中的离子处于 相对平衡状态，此时的电势值接近于零。在逐渐加热至60°C的同时测电势，电势逐渐变大， 一段时间后，在含有-N+(CH3)3OH_强碱性基团的聚乙烯阴离子交换膜两侧溶液中的带相反 电荷的离子浓度达到一最大稳定值，其产生的相应电势值约为620毫伏；保持温度不变，随 着加热时间的增长，电势值基本保持不变。原理同实施例1所述。实施例18改变有机碱类分子为苯胺类中的
有机碱类分子的浓度为4°C下的饱和溶
液。其它条件同实施例1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述，第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电流值接近为零。在逐渐加热至60°C的同时测电流，电流逐渐 变大，最大值达到45微安，保持温度不变，随着加热时间的增长，氢氧根离子浓度梯度逐渐 降低并最后达到一稳定值，约为5微安；时间继续延长，电流基本保持不变。原理同实施例 1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电势值接近于零。在逐渐加热至60°C的同时测电势，电势逐渐 变大，一段时间后，在含有-N+(ch3)3OH_强碱性基团的聚乙烯阴离子交换膜两侧溶液中的带 相反电荷的离子浓度达到一最大稳定值，其产生的相应电势值约为400毫伏；保持温度不 变，随着加热时间的增长，电势值基本保持不变。原理同实施例1所述。实施例19改变有机碱类分子为喹啉类中的
有机碱类分子的浓度为4°C下的 饱和溶液。其它条件同实施例1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述，第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电流值接近为零。在逐渐加热至60°C的同时测电流，电流逐渐 变大，最大值达到40微安，保持温度不变，随着加热时间的增长，氢氧根离子浓度梯度逐渐 降低并最后达到一稳定值，约为4微安；时间继续延长，电流基本保持不变。原理同实施例 1所述。
未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电势值接近于零。在逐渐加热至60°C的同时测电势，电势逐渐 变大，一段时间后，在含有-N+(CH3)3OH-强碱性基团的聚乙烯阴离子交换膜两侧溶液中的带 相反电荷的离子浓度达到一最大稳定值，其产生的相应电势值约为380毫伏；保持温度不 变，随着加热时间的增长，电势值基本保持不变。原理同实施例1所述。实施例20改变有机碱类分子为吡啶类中的
有机碱类分子的浓度为4°C下的饱和溶
液。其它条件同实施例1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述，第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电流值接近为零。在逐渐加热至60°C的同时测电流，电流逐渐 变大，最大值达到43微安，保持温度不变，随着加热时间的增长，氢氧根离子浓度梯度逐渐 降低并最后达到一稳定值，约为5微安；时间继续延长，电流基本保持不变。原理同实施例 1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电势值接近于零。在逐渐加热至60°C的同时测电势，电势逐渐 变大，一段时间后，在含有-N+(CH3)3OH-强碱性基团的聚乙烯阴离子交换膜两侧溶液中的带 相反电荷的离子浓度达到一最大稳定值，其产生的相应电势值约为390毫伏；保持温度不 变，随着加热时间的增长，电势值基本保持不变。原理同实施例1所述。实施例21改变有机碱类分子为吲哚类中
的有机碱类分子的浓度为4°C下的饱和溶液。其它条件同实施例1所述。未加热时，在4°C时放置一段时间后如实施例1所述，第一容器与第二容器中的离 子处于相对平衡状态，此时的电流值接近为零。在逐渐加热至60°C的同时测电流，电流逐渐 变大，最大值达到40微安，保持温度不变，随着加热时间的增长，氢氧根离子浓度梯度逐渐 降低并最后达到一稳定值，约为3微安；时间继续延长，电流基本保持不变。原理同实施例 1所述。未加热时在4°C时放置一段时间后如实施例1所述第一容器与第二容器中的离子 处于相对平衡状态，此时的电势值接近于零。在逐渐加热至60°C的同时测电势，电势逐渐变 大，一段时间后，在含有-N+(CH3)3OH-强碱性基团的聚乙烯阴离子交换膜两侧溶液中的带相 反电荷的离子浓度达到一最大稳定值，其产生的相应电势值约为350毫伏；保持温度不变， 随着加热时间的增长，电势值基本保持不变。原理同实施例1所述。
权利要求
一种热能发电电池，其包括电极，作为电解池的密闭容器，具有电绝缘性质的阴离子交换膜，解离常数随温度升高而减小的有机碱类分子的水溶液及水，其特征是所述的密闭容器中有与密闭容器的四个内壁密封相连接的具有电绝缘性质的阴离子交换膜，并且该阴离子交换膜将所述的密闭容器分成体积不相等的第一容器和第二容器，其中，在第一容器中盛放有解离常数随温度升高而减小的有机碱类分子的水溶液，在第二容器中盛放有水；所述的密闭容器只有其中所述的第一容器的底部的部分地方设置为需要加热部分，在加热部分处的第一容器中设置有阳极或阴极；在第二容器中设置有阴极或阳极；并且第一容器中设置的阳极或阴极的导线通向第一容器外，对应于第二容器中设置的阴极或阳极的导线通向第二容器外。
2.根据权利要求1所述的热能发电电池，其特征是所述的阳极或阴极材料是钼电极、 银/氯化银电极或ITO电极。
3.根据权利要求1所述的热能发电电池，其特征是所述的第一容器与第二容器的体 积比为1/10 1/2。
4.根据权利要求3所述的热能发电电池，其特征是所述的第一容器底部的加热部分 的面积占第一容器底部总面积的1/10 1/3。
5.根据权利要求1或3所述的热能发电电池，其特征是所述的第一容器底部的加热 部分的面积占第一容器底部总面积的1/10 1/3，密闭容器的其它部分不进行加热，以改 变第一容器中有机碱类分子的水溶液的温度差。
6.根据权利要求1、3或4所述的热能发电电池，其特征是所述的第一容器底部的加 热部分的加热温度为60°C 80°C，对于密闭容器的其它不加热部分，通过控制密闭容器周 围的环境温度，使密闭容器的其它不加热部分的温度保持在温度范围为1°C 4°C，以改变 第一容器中有机碱类分子的水溶液的温度差。
7.根据权利要求5所述的热能发电电池，其特征是所述的第一容器底部的加热部分 的加热温度为60°C 80°C，对于密闭容器的其它不加热部分，通过控制密闭容器周围的环 境温度，使密闭容器的其它不加热部分的温度保持在温度范围为1°C 4°C，以改变第一容 器中有机碱类分子的水溶液的温度差。
8.根据权利要求1、4或7所述的热能发电电池，其特征是所述的加热部分的加热方 式是采用加热装置或利用太阳光照射方式进行加热。
9.根据权利要求6所述的热能发电电池，其特征是所述的加热部分的加热方式是采 用加热装置或利用太阳光照射方式进行加热。
10.根据权利要求1或7所述的热能发电电池，其特征是所述的第一容器中的有机碱 类分子的水溶液在l°c 4°C下时的浓度为1 μ M 饱和溶液的浓度。
11.根据权利要求6所述的热能发电电池，其特征是所述的第一容器中的有机碱类分 子的水溶液在1°C 4°C下时的浓度为1 μ M 饱和溶液的浓度。
12.根据权利要求1、7或11所述的热能发电电池，其特征是所述的有机碱类分子选 自脂肪胺类、脂环胺类、氨基酸类、氨基磺酸类、醇胺类、苯胺类、喹啉类、吡啶类、吲哚类中 的一种。
13.根据权利要求5所述的热能发电电池，其特征是所述的有机碱类分子选自脂肪胺类、脂环胺类、氨基酸类、氨基磺酸类、醇胺类、苯胺类、喹啉类、吡啶类、吲哚类中的一种。
14.根据权利要求10所述的热能发电电池，其特征是所述的有机碱类分子选自脂肪 胺类、脂环胺类、氨基酸类、氨基磺酸类、醇胺类、苯胺类、喹啉类、吡啶类、吲哚类中的一种。
15.根据权利要求12所述的热能发电电池，其特征是所述的脂肪胺类是RNHyR1NHRy NH2RNH2或NR1R2R3中的一种；其中R、R1^R2或R3独立的为烷基；所述的脂环胺类是 中的一种； 所述的氨基酸类是 t其中氨基酸类中的R为烷基或带有功能基团的烷基链； 中的一种； 所述的醇胺类是 .中的一种； 所述的苯胺类是 中的一种； NH2 NH2NH2 或 NH2所述的喹啉类是 所述的卩比唳类是 『狄所述的吲哚类是
16.根据权利要求13或14所述的热能发电电池，其特征是所述的脂肪胺类是RNH2、 R1NHR2, NH2RNH2或NR1R2R3中的一种；其中R、R1^ R2或R3独立的为烷基；所述的脂环胺类是 中的一种； 所述的氨基酸类是 .其中氨基酸类中的R为烷基或带有功能基团的烷基链； 所述的氨基磺酸类是 中的一种； 所述的醇胺类是 中的一种； 所述的苯胺类是 中的一种； 所述的喹啉类是中的一 、 种；所述的吲哚类是
17.根据权利要求15所述的热能发电电池，其特征是所述的烷基是C1 C2tl的烷基； 所述的功能基团是羟基、氨基、羧基、酚羟基、胍基、巯基、苯基、咪唑基、酰胺基或亚胺基中的一种。
18.根据权利要求16所述的热能发电电池，其特征是所述的烷基是C1 C2tl的烷基； 所述的功能基团是羟基、氨基、羧基、酚羟基、胍基、巯基、苯基、咪唑基、酰胺基或亚胺基中 的一种。
19.根据权利要求1所述的热能发电电池，其特征是所述的阴离子交换膜是在膜结构 中含有碱性活性基团的阴离子交换膜。
20.根据权利要求19所述的热能发电电池，其特征是所述的含有碱性活性基团的阴 离子交换膜选自碱性活性基团胺化的聚苯乙烯膜、碱性活性基团胺化的聚乙烯膜、碱性活 性基团胺化的聚氯乙烯膜、碱性活性基团胺化的聚丙烯膜中所组成的组中的至少一种。
21.根据权利要求19或20所述的热能发电电池，其特征是所述的碱性活性基团选 自-NR3OH、-NRR2OH, -NH2, -NHR, -NR2中的一种；其中R为脂肪烃取代基或芳香烃取代基；R2 为2个脂肪烃取代基、2个芳香烃取代基或1个为脂肪烃取代基1个为芳香烃取代基；R3为 3个脂肪烃取代基、3个芳香烃取代基、2个为脂肪烃取代基1个为芳香烃取代基、或1个为 脂肪烃取代基2个为芳香烃取代基。
22.根据权利要求21所述的热能发电电池，其特征是所述的脂肪烃是C2 C2tl的脂肪 烃；所述的芳香烃是非稠环的C6 C3tl的芳香烃。
全文摘要
本发明属于电池的设计及制备方法，涉及热能发电电池。本发明是在作为电解池的密闭容器中有将密闭容器分成体积不相等的第一容器和第二容器的具有电绝缘性质的阴离子交换膜，第一容器中盛放有解离常数随温度升高而减小的有机碱类分子的水溶液，在第二容器中盛放有水；并且只有其中的第一容器的底部的部分地方设置为需要加热部分，在加热部分处的第一容器中及在第二容器中设置有电极。本发明主要利用有机碱类分子随温度升高解离常数减小，消耗了部分氢氧根离子，从而在阴离子交换膜的两侧产生了氢氧根离子浓度差，氢氧根离子经过阴离子交换膜进行扩散产生了电势差对外做功，利用有机碱类分子与其加热后产生离子的内部循环，实现电流持续和恒定。
文档编号H01M6/36GK101872864SQ200910082548
公开日2010年10月27日 申请日期2009年4月24日 优先权日2009年4月24日
发明者侯旭, 宋延林, 江雷, 田野, 翟锦, 聂富强, 闻利平 申请人:中国科学院化学研究所