一种利用热能的势能电池及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种新式电池装置及其制备方法，具体地，涉及一种利用热能的势能电池及其制备方法。


背景技术：

2.电池(battery)指盛有电解质溶液和金属电极以产生电流的杯、槽或其他容器或复合容器的部分空间，能将化学能转化成电能的装置。具有正极、负极之分。随着科技的进步，电池泛指能产生电能的小型装置，如太阳能电池等。
3.在电池中，化学能直接转变为电能是靠电池内部自发进行氧化、还原等化学反应的结果，这种反应分别在两个电极上进行。负极活性物质由电位较负并在电解质中稳定的还原剂组成，如锌、镉、铅等活泼金属和氢或碳氢化合物等。正极活性物质由电位较正并在电解质中稳定的氧化剂组成，如二氧化锰、二氧化铅、氧化镍等金属氧化物，氧或空气，卤素及其盐类，含氧酸及其盐类等。电解质则是具有良好离子导电性的材料，如酸、碱、盐的水溶液，有机或无机非水溶液、熔融盐或固体电解质等。当外电路断开时，两极之间虽然有电位差(开路电压)，但没有电流，存储在电池中的化学能并不转换为电能。当外电路闭合时，在两电极电位差的作用下即有电流流过外电路。同时在电池内部，由于电解质中不存在自由电子，电荷的传递必然伴随两极活性物质与电解质界面的氧化或还原反应，以及反应物和反应产物的物质迁移。电荷在电解质中的传递也要由离子的迁移来完成。
4.目前，市面上的电池研究的基本都是将化学能转化成电能。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种利用离子势能的电池装置，针对现有技术存在的不足，能够将化学能转化成势能，进而转化成电能，还具有结构简单新颖，电池效率高等优点。
6.为了达到上述目的，本发明提供了一种利用热能的势能电池的制备方法，其中，所述的方法包含：步骤1，将吸水棉线包裹在碳棒电极外，加工制成用于势能电池的若干电极；一套电极包括电极a、电极b、电极c各1个，以及2个电极d；步骤2，配制反应溶液，包括硫酸铁溶液、硫酸亚铁溶液，以及硫酸铁和硫酸亚铁的混合溶液；步骤3，取两个单独的配置容器，在第一个配置容器中依次加入碳粉、硫酸亚铁溶液、铂黑，然后封闭容器，将混合物摇匀后打开，插入电极a，再将容器封闭并摇匀，最后打开容器取出电极a；步骤4，在第二个配置容器中也加入硫酸亚铁溶液，再将从第一个配置容器中取出的电极a的下端在第二个配置容器的溶液中进行清洗；步骤5，再取两个管状容器，连接组成一个长管状的反应器，上部为第一反应容器，下部为第二反应容器，然后在两个反应容器中加入不同的反应溶液；步骤6，将清洗后的电极a和电极b、电极c，以及2个电极d分别安装在反应容器中；步骤7，在电极a、电极b、电极c和2个电极d的顶端分别引出导线到反应容器之外；步骤8，将第一反应容器封闭，并预留两根气体导管从第一反应容器的瓶口插入，导管的下端高于反应溶液的液面，再通过气体导管向反应溶液与瓶口之间的部分充入氢气；步骤9，将电极a和电极b的导线连通，
并在将电极c和2个电极d的导线连通后，产生电流；步骤10，将反应器进行封装，制得势能电池。
7.上述的利用热能的势能电池的制备方法，其中，所述的步骤1中，进行电极加工的过程包含：步骤1.1，在碳棒电极一端的侧面和顶面的中心各打一个孔，两个孔的内部连通；步骤1.2，将铜丝导线从碳棒电极的顶面向侧面穿出，再使铜丝从导线的橡胶层中裸露，并围着侧面开孔的位置缠绕在碳棒电极上；步骤1.3，用锡焊将侧面的孔口封闭，再用透明胶带将碳棒电极上裸露的铜丝区域包裹，然后在透明胶带的外部和碳棒电极的顶端涂上胶水并风干固定，再在导线和胶水区域表面涂上防氧化涂层并风干；步骤1.4，采用吸水棉线编织成的1mm厚的棉线套子，将碳棒电极的棒身包裹在内，拉直棉线套子并与棒身固定，棉线套子的顶部位于铜丝区域处；步骤1.5，采用吸水棉线编织成的3mm厚的棉线套子，对碳棒电极的棒身完成第二层包裹，并在拉直后与内层的棉线套子固定。
8.上述的利用热能的势能电池的制备方法，其中，所述的步骤2中，硫酸亚铁溶液是采用过量的硫酸亚铁和质量分数为20％的硫酸溶液混合，充分搅拌均匀后静置至常温，得到的硫酸亚铁饱和溶液；硫酸铁溶液是采用硫酸铁与质量分数为20％的硫酸溶液混合，硫酸铁与20％硫酸溶液的质量体积比为5:8，充分搅拌至常温，配制成硫酸铁饱和溶液，再与20％硫酸溶液按照3:1的体积比稀释，充分搅拌至常温，得到加入第一反应容器中的硫酸铁溶液，在加入第二反应容器中时，再向所得的溶液中加入硫酸银，配制成硫酸银溶解饱和的溶液，充分搅拌后静置大于或等于20分钟；硫酸铁和硫酸亚铁的混合溶液是采用硫酸铁与质量分数为20％的硫酸溶液混合，硫酸铁与20％硫酸溶液的质量体积比也为5:8，再加入过量的硫酸亚铁，充分搅拌至常温，得到硫酸铁和硫酸亚铁的饱和溶液，在加入第二反应容器中时，再向所得的溶液中加入硫酸银，配制成硫酸银溶解饱和的溶液，充分搅拌后静置大于或等于20分钟。
9.上述的利用热能的势能电池的制备方法，其中，所述的步骤3和步骤4中，第一个配置容器中加入的碳粉的粒度为12000目，碳粉、铂黑和硫酸亚铁溶液的质量体积比为(20～50):1:300；第二个配置容器与第一个配置容器中的硫酸亚铁溶液的体积比为4:3。
10.上述的利用热能的势能电池的制备方法，其中，所述的步骤5中，将第一反应容器置于第二反应容器之上，两个反应容器的内部贯通，先向第二反应容器中加入一种反应溶液，至第二反应容器加满，再沿第一反应容器的内壁，向第一反应容器中加入另一种反应溶液，使之与第二反应容器中的反应溶液分层；第一反应容器中加入的反应溶液的高度小于管状容器的长度，第一反应容器中与第二反应容器中的反应溶液体积比为11:12。
11.上述的利用热能的势能电池的制备方法，其中，所述的步骤6中，电极安装是将清洗后的电极a插入第一反应容器中并保持竖直，电极a的下端浸入反应溶液中的距离小于或等于在第二个配置容器中进行清洗的距离；将电极b和电极c竖直插入第一反应容器和第二反应容器中的一个之内，并完全浸没在反应溶液下；将2个电极d竖直插入另一个反应容器中，也完全浸没在反应溶液下，并使一个电极d的底端位置高于另一个电极d的顶端。
12.上述的利用热能的势能电池的制备方法，其中，所述的第一反应容器中，加入的反应溶液为硫酸亚铁溶液时，第二反应容器中加入的反应溶液为硫酸铁溶液，电极b和电极c插入第一反应容器中，2个电极d插入第二反应容器中。
13.上述的利用热能的势能电池的制备方法，其中，所述的第一反应容器中，加入的反
应溶液为硫酸铁溶液时，第二反应容器中加入的反应溶液为硫酸铁和硫酸亚铁的混合溶液，电极b和电极c插入第二反应容器中，2个电极d插入第一反应容器中。
14.上述的利用热能的势能电池的制备方法，其中，所述的步骤10中，采用热熔胶将导线和反应容器之间，以及两个反应容器之间的连接处密封，再在外部进行包装。
15.本发明还提供了上述的方法制备的利用热能的势能电池。
16.本发明提供的利用热能的势能电池及其制备方法具有以下优点：
17.本发明是在酸性环境中，利用三价铁离子和二价铁离子所表达的氧化性和还原性，使其作用在由碳棒制成的电极上，电极由导线相连，从而产生电势差，形成电压。在热能的作用下，二价铁离子和氢离子逆向生成三价铁离子和氢气，实现将热能转化成化学能和电能。同时，将生成物设计成利用氧化还原反应，在催化剂铂黑的作用下，生成二价铁离子和氢离子，并恢复电势，从而构建成一个化学平衡反应体系，实现将热能通过化学反应转化成电能。
附图说明
18.图1为本发明的利用热能的势能电池的碳棒电极加工图。
19.图2为本发明的利用热能的势能电池的碳棒电极包裹一层吸水棉线图。
20.图3为本发明的利用热能的势能电池的碳棒电极包裹两层吸水棉线图。
21.图4为本发明实施例1的利用热能的势能电池示意图。
22.图5为本发明实施例1的利用热能的势能电池反应原理图。
23.图6为本发明实施例2的利用热能的势能电池示意图。
24.图7为本发明实施例2的利用热能的势能电池反应原理图。
25.其中，1、反应器；2、第一反应容器；3、第二反应容器；4、电极a；5、电极b；6、电极c；7、电极d；8、导线；9、气体导管；10、氢气；11、硫酸铁溶液；12、硫酸亚铁溶液；13、硫酸铁和硫酸亚铁的混合溶液；14、吸水棉线；15、碳棒电极。
具体实施方式
26.以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
27.本发明提供的利用热能的势能电池的制备方法，其包含：步骤1，将吸水棉线14包裹在碳棒电极15外，加工制成用于势能电池的若干电极；一套电极包括电极a 4、电极b 5、电极c 6各1个，以及2个电极d 7；步骤2，配制反应溶液，包括硫酸铁溶液11、硫酸亚铁溶液12，以及硫酸铁和硫酸亚铁的混合溶液13；步骤3，取两个单独的配置容器，在第一个配置容器中依次加入碳粉、硫酸亚铁溶液、铂黑，然后封闭容器，将混合物摇匀后打开，插入电极a，再将容器封闭并摇匀，最后打开容器取出电极a；步骤4，在第二个配置容器中也加入硫酸亚铁溶液，再将从第一个配置容器中取出的电极a的下端在第二个配置容器的溶液中进行清洗；步骤5，再取两个管状容器，连接组成一个长管状的反应器1，上部为第一反应容器2，下部为第二反应容器3，然后在两个反应容器中加入不同的反应溶液；步骤6，将清洗后的电极a和电极b、电极c，以及2个电极d分别安装在反应容器中；步骤7，在电极a、电极b、电极c和2个电极d的顶端分别引出导线8到反应容器之外；步骤8，将第一反应容器封闭，并预留两根气体导管9从第一反应容器的瓶口插入，导管的下端高于反应溶液的液面，再通过气体导管
向反应溶液与瓶口之间的部分充入氢气10；步骤9，将电极a和电极b的导线连通，并在将电极c和2个电极d的导线连通后，产生电流；步骤10，将反应器进行封装，制得势能电池。
28.优选地，步骤1中进行电极加工的过程包含：步骤1.1，在碳棒电极一端的侧面和顶面的中心各打一个孔，两个孔的内部连通；步骤1.2，将铜丝导线从碳棒电极的顶面向侧面穿出，再使铜丝从导线的橡胶层中裸露，并围着侧面开孔的位置缠绕在碳棒电极上；步骤1.3，用锡焊将侧面的孔口封闭，再用透明胶带将碳棒电极上裸露的铜丝区域包裹，然后在透明胶带的外部和碳棒电极的顶端涂上胶水并风干固定，再在导线和胶水区域表面涂上防氧化涂层并风干；步骤1.4，采用吸水棉线编织成的1mm厚的棉线套子，将碳棒电极的棒身包裹在内，拉直棉线套子并与棒身固定，棉线套子的顶部位于铜丝区域处；步骤1.5，采用吸水棉线编织成的3mm厚的棉线套子，对碳棒电极的棒身完成第二层包裹，并在拉直后与内层的棉线套子固定。
29.步骤2中，硫酸亚铁溶液是采用过量的硫酸亚铁和质量分数为20％的硫酸溶液混合，充分搅拌均匀后静置至常温，得到的硫酸亚铁饱和溶液；硫酸铁溶液是采用硫酸铁与质量分数为20％的硫酸溶液混合，硫酸铁与20％硫酸溶液的质量体积比为5:8，充分搅拌至常温，配制成硫酸铁饱和溶液，再与20％硫酸溶液按照3:1的体积比稀释，充分搅拌至常温，得到加入第一反应容器中的硫酸铁溶液，在加入第二反应容器中时，再向所得的溶液中加入硫酸银，配制成硫酸银溶解饱和的溶液，充分搅拌后静置大于或等于20分钟；硫酸铁和硫酸亚铁的混合溶液是采用硫酸铁与质量分数为20％的硫酸溶液混合，硫酸铁与20％硫酸溶液的质量体积比也为5:8，再加入过量的硫酸亚铁，充分搅拌至常温，得到硫酸铁和硫酸亚铁的饱和溶液，在加入第二反应容器中时，再向所得的溶液中加入硫酸银，配制成硫酸银溶解饱和的溶液，充分搅拌后静置大于或等于20分钟。
30.步骤3和步骤4中，第一个配置容器中加入的碳粉的粒度为12000目，碳粉、铂黑和硫酸亚铁溶液的质量体积比为(20～50):1:300；第二个配置容器与第一个配置容器中的硫酸亚铁溶液的体积比为4:3。
31.步骤5中，将第一反应容器置于第二反应容器之上，两个反应容器的内部贯通，先向第二反应容器中加入一种反应溶液，至第二反应容器加满，再沿第一反应容器的内壁，向第一反应容器中加入另一种反应溶液，使之与第二反应容器中的反应溶液分层；第一反应容器中加入的反应溶液的高度小于管状容器的长度，第一反应容器中与第二反应容器中的反应溶液体积比为11:12。
32.步骤6中，电极安装是将清洗后的电极a插入第一反应容器中并保持竖直，电极a的下端浸入反应溶液中的距离小于或等于在第二个配置容器中进行清洗的距离；将电极b和电极c竖直插入第一反应容器和第二反应容器中的一个之内，并完全浸没在反应溶液下；将2个电极d竖直插入另一个反应容器中，也完全浸没在反应溶液下，并使一个电极d的底端位置高于另一个电极d的顶端。
33.第一反应容器中，加入的反应溶液为硫酸亚铁溶液时，第二反应容器中加入的反应溶液为硫酸铁溶液，电极b和电极c插入第一反应容器中，2个电极d插入第二反应容器中。
34.第一反应容器中，加入的反应溶液为硫酸铁溶液时，第二反应容器中加入的反应溶液为硫酸铁和硫酸亚铁的混合溶液，电极b和电极c插入第二反应容器中，2个电极d插入第一反应容器中。
35.步骤10中，采用热熔胶将导线和反应容器之间，以及两个反应容器之间的连接处密封，再在外部进行包装。
36.本发明还提供了该方法制备的利用热能的势能电池。
37.下面结合实施例对本发明提供的利用热能的势能电池及其制备方法做更进一步描述。
38.实施例1。
39.一种利用热能的势能电池的制备方法，其包含：
40.步骤1，将吸水棉线包裹在碳棒电极外，加工制成用于势能电池的若干电极；一套电极包括电极a、电极b、电极c各1个，以及2个电极d。
41.进行电极加工的过程包含：
42.步骤1.1，在碳棒电极(即，石墨棒)一端的侧面和顶面的中心各打一个孔，两个孔的内部连通。
43.步骤1.2，将铜丝导线从碳棒电极的顶面向侧面穿出，再使铜丝从导线的橡胶层中裸露，并围着侧面开孔的位置缠绕在碳棒电极上。
44.步骤1.3，用锡焊将侧面的孔口封闭，再用透明胶带将碳棒电极上裸露的铜丝区域包裹，然后在透明胶带的外部和碳棒电极的顶端涂上胶水并风干固定，再在导线和胶水区域表面涂上防氧化涂层并风干。参见图1所示。
45.步骤1.4，在碳棒电极的棒身上、中、下三个位置分别缠上双面胶，再采用吸水棉线编织成的1mm厚的棉线套子，将碳棒电极的棒身包裹在内，拉直棉线套子并通过双面胶与棒身固定，棉线套子的顶部位于铜丝区域处。参见图2所示。
46.步骤1.5，在棉线套子外的上、中、下三个位置再分别缠上双面胶，然后采用吸水棉线编织成的3mm厚的棉线套子，对碳棒电极的棒身完成第二层包裹，并将该外层的棉线套子拉直后，通过双面胶与内层的棉线套子固定。参见图3所示。
47.优选地，可以将每根电极作为一组，共采用三组电极，或者将三根电极合在一起作为一组，通过热熔胶与反应容器上的反应器盖固定，并预留通气导管。电极a、电极b、电极c采用的碳棒电极尺寸相同，电极d采用碳棒电极的长度则减小一半。
48.步骤2，配制反应溶液，包括硫酸铁溶液、硫酸亚铁溶液，以及硫酸铁和硫酸亚铁的混合溶液。
49.硫酸亚铁溶液是采用过量的硫酸亚铁和质量分数为20％的硫酸溶液混合，充分搅拌均匀后静置至常温，得到的硫酸亚铁饱和溶液。
50.硫酸铁溶液是采用硫酸铁与质量分数为20％的硫酸溶液混合，硫酸铁与20％硫酸溶液的质量体积比为5:8，充分搅拌至常温，配制成硫酸铁饱和溶液，再与20％硫酸溶液按照3:1的体积比稀释，充分搅拌至常温，得到加入第一反应容器中的硫酸铁溶液，在加入第二反应容器中时，再向所得的溶液中加入硫酸银，配制成硫酸银溶解饱和的溶液，充分搅拌后静置大于或等于20分钟。
51.硫酸铁和硫酸亚铁的混合溶液是采用硫酸铁与质量分数为20％的硫酸溶液混合，硫酸铁与20％硫酸溶液的质量体积比也为5:8，再加入过量的硫酸亚铁，充分搅拌至常温，得到硫酸铁和硫酸亚铁的饱和溶液，在加入第二反应容器中时，再向所得的溶液中加入硫酸银，配制成硫酸银溶解饱和的溶液，充分搅拌后静置大于或等于20分钟。
52.步骤3，取两个单独的配置容器，如：透明的玻璃广口瓶等。在第一个配置容器中依次加入碳粉、硫酸亚铁溶液、铂黑，然后封闭容器，将混合物摇匀后打开，插入电极a，再将容器封闭并摇匀，最后打开容器取出电极a。
53.优选地，第一个配置容器中加入的碳粉的粒度为12000目，碳粉、铂黑和硫酸亚铁溶液的质量体积比为30:1:300。
54.步骤4，在第二个配置容器中也加入硫酸亚铁溶液，再将从第一个配置容器中取出的电极a的下端在第二个配置容器的溶液中进行清洗。
55.优选地，第二个配置容器与第一个配置容器中的硫酸亚铁溶液的体积比为4:3。
56.通过在第二个配置容器中对电极a的清洗，去除吸水棉线上多余的的碳粉或铂黑，剩下的少量融入第一反应容器的反应溶液中形成悬浮层。
57.步骤5，再取两个管状容器，连接组成一个长管状的反应器，上部为第一反应容器，下部为第二反应容器，然后在两个反应容器中加入不同的反应溶液。
58.优选地，采用两个直径相同的圆管状的透明塑料容器作为反应容器，将第一反应容器置于第二反应容器之上，两个反应容器的内部贯通，第二反应容器的下端具有封闭的底面。先向第二反应容器中加入一种反应溶液，至第二反应容器加满，再沿第一反应容器的内壁，向第一反应容器中加入另一种反应溶液，使之与第二反应容器中的反应溶液分层。第一反应容器中加入的反应溶液的高度小于管状容器的长度，第一反应容器中与第二反应容器中的反应溶液体积比为11:12。
59.步骤6，将清洗后的电极a和电极b、电极c，以及2个电极d分别安装在反应容器中。
60.优选地，电极安装是将清洗后的电极a插入第一反应容器中并保持竖直，电极a的下端浸入反应溶液中的距离小于或等于在第二个配置容器中进行清洗的距离；将电极b和电极c竖直插入第一反应容器和第二反应容器中的一个之内，并完全浸没在反应溶液下；将2个电极d竖直插入另一个反应容器中，也完全浸没在反应溶液下，并使一个电极d的底端位置高于另一个电极d的顶端。
61.步骤7，在电极a、电极b、电极c和2个电极d的顶端分别引出导线到反应容器之外。
62.步骤8，用盖子将第一反应容器的顶部封闭，并预留两根气体导管从第一反应容器的瓶口插入，导管的下端高于反应溶液的液面，再通过气体导管向反应溶液与瓶口之间的部分充入氢气。
63.步骤9，将电极a和电极b的导线连通，并在将电极c和2个电极d的导线连通后，产生电流。
64.步骤10，将反应器进行封装，制得势能电池。
65.优选地，采用热熔胶将导线和反应容器(或反应容器的盖子)之间，以及两个反应容器之间的连接处密封，再在外部进行电池外壳等部分的包装。电极c和电极d引出的导线作为电池的“+”、
“‑”
两极，完成电池封装。
66.第一反应容器和第二反应容器之间也是连通的，气体和溶液中的离子可以流动。第一反应容器的长度大于第二反应容器，第一反应容器的盖子与瓶身之间也进行密封。
67.该方法中采用的物料和成本清单如下表1和表2所示。
68.表1.势能电池物料清单。
[0069][0070]
表2.势能电池成本清单。
[0071]
[0072][0073]
本实施例还提供了该方法制备的利用热能的势能电池。
[0074]
实施例2。
[0075]
一种利用热能的势能电池的制备方法，首先制作电极，具体过程如下。
[0076]
1.1电极芯制作工艺。
[0077]
①
将碳棒电极的一端中心位置和侧边打一个连接的孔。
[0078]
②
将铜丝导线从顶端向侧边穿出，导线的橡胶层需要穿出孔口，并缠绕与固定在电极上。
[0079]
③
使用锡焊将侧边的孔口封闭。
[0080]
④
使用透明胶带将铜丝导线区域包裹。
[0081]
⑤
在透明胶带区域和顶端涂上胶水并风干固定，将导线和胶水区域涂上防氧化涂层并风干。
[0082]
1.2电极制作工艺。
[0083]
①
将制作好导线的电极上分上中下三个位置缠上双面胶。
[0084]
②
使用1mm吸水棉线拉至粘连在双面胶上，并粘满电极一圈，同时拉直。
[0085]
③
在吸水棉线上分上中下三个位置缠上双面胶。
[0086]
④
使用3mm吸水棉线拉至粘连在双面胶上，并粘满电极一圈，同时拉直。
[0087]
⑤
取3个电极作为一组，通过热熔胶固定在反应器盖上，并加入预留的通气导管。
[0088]
然后进行溶液配制，具体过程如下。
[0089]
2.1硫酸铁溶液配置。
[0090]
采用硫酸铁试剂500g+质量分数为20％的硫酸溶液800ml，混合反应放热，充分搅拌至常温配置成硫酸铁溶液，取配置后的硫酸铁溶液与20％硫酸溶液按照3:1比例稀释，充分搅拌至常温，取600ml稀释后的硫酸铁溶液，加入少量硫酸银试剂。硫酸银溶解度低，加入少量即可配置成硫酸银溶解饱和的溶液。充分搅拌后静置，静置时间大于20分钟，即配置成了需要使用的硫酸铁溶液。
[0091]
2.2硫酸亚铁溶液配置。
[0092]
采用过量的硫酸亚铁试剂+质量分数为20％的硫酸溶液600ml，混合反应吸热，溶液配置的容器密封后充分摇匀后静置至常温，取550ml，即配置成了需要使用的硫酸亚铁溶液。
[0093]
2.3电极a使用的溶液配置。
[0094]
取两个单独的配置容器，再按照以上硫酸亚铁溶液配置的比例和过程，配置好所需的硫酸亚铁溶液。
[0095]
在第一个配置容器中加入适量12000目碳粉，优选为20g，再加入300ml配置好的硫酸亚铁溶液，加入lg铂黑，密封后充分摇匀。加入电极a，充分摇匀，不静置取出。
[0096]
在第二个配置容器中加入400ml配置好的硫酸亚铁溶液，将电极a从第一个配置容器中取出，在第二个配置容器中将电极a下端需要没入第一反应容器溶液的部分简单清洗，主要是浮在吸水棉上的碳粉清洗掉，减少电极a下端可以融入第一反应容器溶液中的碳粉或铂黑，少量的融入可形成悬浮层。
[0097]
最后按照下表3的内容进行电池组装。
[0098]
表3.势能电池一的部件和设计参数。
[0099]
[0100][0101]
将配置好的稀释硫酸铁溶液(硫酸银饱和)600ml倒入反应器的第二反应容器内，并静置不少于20分钟，取配置好的硫酸亚铁溶液(饱和)550ml沿反应器的第一反应容器内壁缓慢倒入反应器，使硫酸铁溶液和硫酸亚铁溶液形成明显分层。
[0102]
将涂上碳粉和催化剂(铂黑)的电极a安装至反应器的上层即第一反应容器内，使用热熔胶密封，并将电极b、电极c和2个电极d分别安装在相应的反应容器内，引出导线并进行密封。通过在第一反应容器封盖上预留的两个气体导管，将氢气注入反应器内，使空气排出并密封，此时反应器组装完成。最后进行电池的整体封装。
[0103]
本实施例还提供了该方法制备的利用热能的势能电池，参见如图4和图5所示。
[0104]
实施例3。
[0105]
一种利用热能的势能电池的制备方法，首先制作电极，具体过程如下。
[0106]
1.1电极芯制作工艺。
[0107]
①
将碳棒电极的一端中心位置和侧边打一个连接的孔。
[0108]
②
将铜丝导线从顶端向侧边穿出，导线的橡胶层需要穿出孔口，并缠绕与固定在电极上。
[0109]
③
使用锡焊将侧边的孔口封闭。
[0110]
④
使用透明胶带将铜丝导线区域包裹。
[0111]
⑤
在透明胶带区域和顶端涂上胶水并风干固定，将导线和胶水区域涂上防氧化涂层并风干。
[0112]
1.2电极制作工艺。
[0113]
①
将制作好导线的电极上分上中下三个位置缠上双面胶。
[0114]
②
使用1mm吸水棉线拉至粘连在双面胶上，并粘满电极一圈，同时拉直。
[0115]
③
在吸水棉线上分上中下三个位置缠上双面胶。
[0116]
④
使用3mm吸水棉线拉至粘连在双面胶上，并粘满电极一圈，同时拉直。
[0117]
⑤
取3个电极作为一组，通过热熔胶固定在反应器盖上，并加入预留的通气导管。
[0118]
然后进行溶液配制，具体过程如下。
[0119]
2.1硫酸铁和硫酸亚铁的混合溶液配置。
[0120]
采用硫酸铁试剂500g+质量分数为20％的硫酸溶液800ml，混合反应放热，充分搅拌至常温配置成硫酸铁溶液，将配置后的硫酸铁溶液中加入过量的硫酸亚铁试剂，充分搅拌至常温，取600ml硫酸铁和硫酸亚铁的混合溶液，加入少量硫酸银试剂。硫酸银溶解度低，加入少量即可配置成硫酸银溶解饱和的溶液。充分搅拌后静置，静置时间大于20分钟，即配置成了需要使用的硫酸铁和硫酸亚铁的混合溶液。
[0121]
2.2硫酸铁溶液配置。
[0122]
采用硫酸铁试剂500g+质量分数为20％的硫酸溶液800ml，混合反应放热，充分搅拌至常温配置成硫酸铁溶液，取配置后的硫酸铁溶液与20％硫酸溶液按照3:1比例稀释，充分搅拌至常温，取550ml溶液即配置成了需要使用的硫酸铁溶液。
[0123]
2.3电极a使用的溶液配置。
[0124]
取两个单独的配置容器，再按照实施例2中硫酸亚铁溶液配置的比例和过程，配置好所需的硫酸亚铁溶液。
[0125]
在第一个配置容器中加入适量12000目碳粉，优选为50g，再加入300ml配置好的硫酸亚铁溶液，加入lg铂黑，密封后充分摇匀。加入电极a，充分摇匀，不静置取出。
[0126]
在第二个配置容器中加入400ml配置好的硫酸亚铁溶液，将电极a从第一个配置容器中取出，在第二个配置容器中将电极a下端需要没入第一反应容器溶液的部分清洗干净，主要是将吸水棉上的碳粉清洗掉，避免电极a下端的碳粉或铂黑溶入第一反应容器溶液中。
[0127]
最后按照下表4的内容进行电池组装。
[0128]
表4.势能电池二的部件和设计参数。
[0129][0130][0131]
将配置好的硫酸铁和硫酸亚铁溶液(硫酸银饱和)600ml，倒入反应器的第二反应容器内，并静置不少于20分钟，再取配置好的稀释硫酸铁溶液550ml，沿第一反应容器内壁缓慢倒入反应器，使硫酸铁稀释溶液，以及硫酸铁和硫酸亚铁饱和溶液形成明显分层。
[0132]
将涂上碳粉和催化剂(铂黑)的电极a安装至反应器的上层即第一反应容器内，使用热熔胶密封，并将电极b、电极c和2个电极d分别安装在相应的反应容器内，引出导线并进行密封。通过在第一反应容器封盖上预留的两个气体导管，将氢气注入反应器内，使空气排
出并密封，此时反应器组装完成。最后进行电池的整体封装。
[0133]
本实施例还提供了该方法制备的利用热能的势能电池，参见如图6和图7所示。
[0134]
对实施例2和实施例3制备的势能电池进行实验测试，结果如下表5所示。
[0135]
表5.势能电池实验数据表。
[0136][0137]
本发明提供的利用热能的势能电池，其使用的原理为：溶液中的离子作用在碳棒电极上，会形成电势，不同的离子作用在电极上，会产生或正或负的势能，在铜导线的连接下，导线两端的电极会产生电势差，从而形成电压。在热能的作用下，可逆向生成比参与反应的反应物更强的氧化剂(生成物)和还原剂(生成物)，将热能转化成化学能和电能。同时将生成物设计成发生氧化还原反应，再生成之前的参与反应的反应物，并同时维持反应器中的电势差，随着整体反应的进行，构建成一个化学平衡反应体系，从而实现了将热能通过化学反应转化成了电能。
[0138]
具体的反应流程和离子方程式为：亚铁离子作用在电极c上，失去电子，fe
2+-e-＝fe
3+
→
氢离子作用在电极d上，得到电子，2h
+
+2e-＝h2↑→
总反应为：(反应条件：自然条件下，天气温度不能低于约30℃，或者利用太阳能使反应体系的环境温度不低于该范围)，从而将热能转化成化学能和电能
→
电极d上产生的氢气向上溢出，在电极a的区域内聚集，将化学能转化成势能，之前参与反应的亚铁离子被还原，维持反应器中的势能，生成的h
+
由高浓度向低浓度移动，从而维持反应容器中的离子平衡。整个反应器中反应再理论上可一直进行，从而创建了一个化学平衡反应体系，整体反应将热能通过势能转化成化学能和电能，化学能转化成势能的一个转化过程，实现热能可通过化学反应转化成电能。
[0139]
本发明的反应器主要是由第一反应容器和第二反应容器两部分组成，分段设计主要是便于电极的组装。当前的说明书附图中仅展示了一组反应电极，根据当前的反应器的设计容量可以安装三组反应电极。当电极安装好后，使用热熔胶将导线与反应器内壁和第一反应容器与第二反应容器的连接处密封。
[0140]
在天气温度或者利用太阳能使反应体系的环境温度达到约30-35℃及以上时才可以启动反应，不然会构建成浓差电池，产生衍生反应：在电极c上，亚铁离子失去电子，fe
2+-e-＝fe
3+
，铁离子作用在电极d上，得到电子，fe
3+
+e-＝fe
2+
，总反应为：fe
2+
+fe
3+
＝fe
3+
+fe
2+
。铁离子和亚铁离子间通过外接的导线电路，使得电子转移，从而将两端电极上的电势逐渐降低并趋于零。
[0141]
将电极a和电极b相连、电极c和电极d相连，测得电极c、d单组反应的电极电压为
0.4v～0.45v，电流为20～60ma，电极d端有连续的气泡生成，通过外接电流表可知，电极d端是得电子，所以生成的是氢气，电极c上fe
2+
失电子，生成fe
3+
，氢气向上溢出至电极a处，在催化剂的作用下，与fe
3+
反应生成f
2+
和h
+
，维持了反应器中的电势。在热能的作用下，可使整个反应器的反应一直连续地发生，生成在外导线中的电流就可以加以利用，转化成可使用的能源。
[0142]
当温度偏低时，反应器中会存在一个衍生反应：电极d上fe
3+
得电子生成fe
2+
，fe
2+
在反应容器的内壁上与h
+
反应生成氢气附着在内壁。从衍生反应可以看出此时的fe
3+
不仅提供了电势，还起到了催化剂的作用。
[0143]
本发明提供的利用热能的势能电池，正常工作时的条件要求如下。
[0144]
溶液浓度要求：硫酸亚铁溶液需要是饱和的溶液，可提供最高的负电势。如果浓度低了，无法形成高的电势差，无最大电压时反应为浓差电池。硫酸铁溶液需要在饱和的状态下稀释，目前采用的比例是硫酸铁溶液与20％硫酸溶液按照3:1，如果硫酸铁浓度太高，会形成浓差电池，浓度低，也是浓差电池。三价铁离子可提供正电势与另一端亚铁离子形成电势差。硫酸铁和硫酸亚铁的混合溶液需要配置成饱和的溶液。
[0145]
浓差的形成：浓差的形成需要满足两个条件，一是下层溶液比上层溶液重，一个实施例中硫酸铁溶液比硫酸亚铁重，硫酸亚铁的溶解度比硫酸铁的低，可以满足这个条件；另一个实施例中饱和的硫酸铁和硫酸亚铁的混合溶液比稀释的硫酸铁溶液重，可以满足这个条件。二是将配置好的硫酸铁溶液或者是硫酸铁和硫酸亚铁的混合溶液中加入过量的硫酸银试剂(稳定剂)，充分搅拌后静置，此时在再向反应器中先后加入溶液时，更容易形成浓度差分层。
[0146]
正向反应的催化：常温下，三价铁离子不和氢气反应，需要加催化剂使两物质发生反应，维持反应器中电势的存在。
[0147]
反应温度要求：自然条件下，天气温度不可低于约30℃，或者利用太阳能使反应体系的环境温度不低于该范围。当低于这个温度时，就会形成浓差电池，不会生成氢气，使得反应器中的势能逐渐趋于平衡。
[0148]
通过本发明的方法制备的利用热能的势能电池，能够实现通过势能的构建将热能转化成化学能和电能，同时实现通过构建化学平衡反应体系，将热能持续转化成电能。
[0149]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。