热再生氨化学电池的电极反应及基本循环研究

发布时间：2020-04-14 19:01

【摘要】：热再生氨化学电池(Thermally regenerative ammonia battery,TRAB)是一种利用低品位热能产生电能的新型电化学电池,具有结构简单、可循环再生、绿色环保等优点。过往对TRAB的研究主要集中于离子交换膜材料、结构改进、应用方向拓展等方面,对其电极反应、再生循环的热物理机理研究相对较少。为此,本文开展了以下工作:(1)实验研究了 TRAB在宽电解液浓度、温度范围内的电极电势。常压下测量了以(0.1～3.5)mol/L硝酸铜溶液为电解液的TRAB在(20～50)℃范围内的正负极电极电势,并根据实验数据拟合得到了负极和正极的电极电势温度系数分别为(-0.955～-0.806)mV/K、(-0.523～-0.390)mV/K;建立了非常压实验装置,测量了以(4.0～5.0)mol/L硝酸铜溶液为电解液的TRAB在(30～50)℃范围内的负极电极电势,拟合得到温度系数为(-1.100～-0.928)mV/K。(2)进行了 TRAB电极反应的理论分析。建立了化学反应平衡、电解质溶液活度的理论模型,并采用文献参数对电极电势进行了计算,发现正负极电极电势温度系数计算值相对实验值的偏差分别为5.38%、10.07%,负极电极电势的计算相对偏差为7.81%;根据实验数据对相互作用参数BCu(NH3)42+NO3-进行拟合后,负极电极电势的计算相对偏差能降至2.97%。对TRAB的热力学分析表明,在(20～50)℃范围内理论电功、可逆反应热效应均随电池工作温度的升高而增大,而放电效率随电池工作温度的升高而减小。(3)采用AspenHYSYS软件对一个TRAB基本循环进行模拟,研究了多种因素对循环性能的影响。在TRAB工作温度为30 ℃、压力为101.3 kPa条件下,精馏塔塔板数不同时,存在不同的最佳进料位置,使得循环热效率达到最大;再生温度的影响十分显著,当其从75 ℃升高至100℃时,循环热效率从0.99%升高至3.36%,热力学完善度从0.0528升高至0.2601;在(20～45)℃范围内冷凝温度的变化对循环热效率和热力学完善度的影响较小。
【图文】：

原理图,低品位热能,电能,原理图

Ｃｕ２＋邋（ａｑ）邋＋邋２ｅ￣邋－＞邋Ｃｕ（ｓ）逦（ｌ邋－２）逡逑ＴＲＡＢ利用低品位热能转化为电能的原理如图１．２所示，可将其分为五个阶逡逑段：１）ＴＲＡＢ的正极室与负极室配置相同浓度的硝酸铜溶液，将氨或氨水混合逡逑物加入电池的负极室；２）邋ＴＲＡＢ负极室发生铜与氨反应生成铜氨络合物，正极逡逑室发生铜离子还原为铜的反应，，正负极的氧化还原反应使电池产生电动势，向逡逑外输出电能；３）邋ＴＲＡＢ放电完成后，利用低品位热能再生负极室的铜氨络合物逡逑溶液，生成氨和含铜离子的溶液；４）将再生的氨加入到ＴＲＡＢ的正极室，含铜逡逑离子的溶液则返回至负极室；５）邋ＴＲＡＢ再次放电，此时正极室发生再生的氨与逡逑之前还原的铜的负极反应，负极室发生再生铜离子还原为铜的正极反应，电池逡逑的正极室和负极室反应发生互换。可以发现

能量密度,功率密度,电池,热电化学

Ｚｈａｎｇ等［５８］为了提高ＴＲＡＢ的功率密度和能量密度，对ＴＲＡＢ在不同温度下逡逑的运行性能进行了研究。发现随着温度的升高，ＴＲＡＢ的功率密度是不断上升的，逡逑由２３°Ｃ时的９５±５Ｗ／ｍ２上升至７２°Ｃ时的２３６±８Ｗ／ｍ２，如图１．３所示，相比逡逑发现，ＴＲＡＢ的功率密度远远高于温差化学电池、液基热电化学电池等其他电池。逡逑他们进一步分析发现影响ＴＲＡＢ能量密度（能量密度指的是相对于电池单位负逡逑极室体积产生的能量）的因素主要是温度和放电速率。在３７°Ｃ时ＴＲＡＢ能量密逡逑度和放电效率达到最大，分别为６５０邋Ｊ／ｍ３和５４％，对应的相对卡诺效率为１３°／。，逡逑热效率为０．５％。他们提出可以利用性能更佳的离子交换膜或者采用换热器来提逡逑高ＴＲＡＢ对低品位热能的利用率。逡逑２８０邋卜７２逡逑＾邋２４０邋＊逦５６逡逑＞邋２００逦－＊－３７逦＼邋ｘ逡逑＂ｏＪ＾＿＿＾＾Ｉ逡逑图１．３不同温度下ＴＲＡＢ的功率密度图【５８］逡逑８逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911

【参考文献】