一种开放式海洋热电转换装置

1.本发明属于河流和海洋中的废热能回收和转换的技术领域，特别涉及一种开放式海洋热电转换装置。


背景技术：

2.海洋热能主要来自于太阳能。世界大洋的面积浩瀚无边，热带洋面也相当宽广。海洋热能用过后即可得到补充，很值得开发利用。据计算，从南纬20度到北纬20度的区间海洋洋面，只要把其中一半用来发电，海水水温仅平均下降l℃，就能获得600亿千瓦的电能，相当于目前全世界所产生的全部电能。传统的海水温差发电技术，一般是以海洋受太阳能加热的表层海水（25℃～28℃）作高温热源，而以500米～l000米深处的海水（4℃～7℃）作低温热源，用热机组成的热力循环系统进行发电的技术，从高温热源到低温热源，可能获得总温差15℃～20℃左右的有效能量。
3.然而这对放入低温热源处的热机装置的强度要求很高，极大地增加了热机制造成本。此外，在低品位热能回收方面，有人研究用半导体温差发电片进行热电转换，但也要求在较短的热端和冷端之间形成温度梯度，对海洋热能的转换非常有限，同时由于热缩短效应的存在，该发电片在进行热电转换的同时也浪费了很多热能。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种开放式海洋热电转换装置，装置内各部分均为固体材料，不封装任何液体，直接以海洋中的盐溶液为电解质溶液，通过海洋自身温度场的变化所产生的热量形成感应电势，从而将海洋热能转换成电能，以便后续的存储和利用。
5.本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种开放式海洋热电转换装置，包括电芯和封装外壳，所述电芯包括纳米多孔工作电极、纳米多孔参考电极、隔膜和集流体，所述纳米多孔工作电极和纳米多孔参考电极以碳布为载体，碳布表面生长有均匀分布的碳纳米管，其中纳米多孔工作电极表面还电镀生长有均匀分布的纳米镍颗粒。
6.所述纳米多孔工作电极、纳米多孔参考电极、隔膜和集流体按照顺序分层叠放构成电芯，在纳米多孔工作电极和纳米多孔参考电极之间铺设隔膜，在纳米多孔工作电极和纳米多孔参考电极外侧铺设集流体，集流体上分别设置延伸导线。
7.在电芯外缠绕包裹封装外壳，所述封装外壳采用多孔封装材料，通过多孔封装材料缠绕包裹电芯固定，保持电芯中纳米多孔工作电极、纳米多孔参考电极、隔膜和集流体的排列顺序不变，集流体上连接的导线外端伸出到封装外壳外面。
8.所述开放式海洋热电转换装置中纳米多孔工作电极和纳米多孔参考电极的制作方法是，将碳布先后放入去离子水、乙醇、丙酮中超声清洗15min并在60℃下干燥2h；乙二醇和乙醇以1：1的体积比混合作为溶剂，加入硝酸镍配置成浓度为0.1~0.3m/l的溶液，干燥的碳布放入溶液中浸泡12h后在60℃下干燥1h，浸泡后的碳布放入管式炉中；乙二醇和乙醇以
1：5的体积比混合作为碳源放入管式炉进气口附近，在氮气氛围下将管式炉的温度在45min内升高至700℃，管式炉保温1h后自然降至室温，获得表面生长了碳纳米管的碳布，将生长碳纳米管的碳布放入1m/l的hcl溶液中浸泡10h除去多余的镍元素，用去离子水冲洗至ph接近7，干燥后获得纳米多孔参考电极。
9.将表面生长碳纳米管的碳布浸入氯化锡和盐酸配成的混合溶液中2h，其中sncl2∙
6h2o与盐酸质量比为1：4，水洗三次后再将碳布浸入氯化钯和盐酸配成的混合溶液中2h，其中pdcl2∙
6h2o与盐酸质量比为1：2，取出后再水洗三次，在室温下将上述碳布放入镀液中，镀液按照1l去离子水加入270gniso4、70gnicl2、40gh3bo3、0.1g十二烷基硫酸钠配置，保持电压5-10v的条件下电镀5min，取出水洗三次后在60℃下干燥4-5h，获得纳米多孔工作电极。
10.进一步，所述隔膜采用celgard 2325隔膜，所述集流体为厚度0.02mm的矩形不锈钢箔，所述导线为直径0.3mm的不锈钢导线，导线焊接在集流体的一角，焊接部位和导线剩余部分涂抹绝缘胶。
11.所述封装外壳采用pof热缩膜，在膜的中间部位均匀设置有直径2-5mm的小孔，利用pof热缩膜将集流体、纳米多孔工作电极、隔膜、纳米多孔参考电极、和集流体按顺序包裹成整体，随后用热风机将膜外部加热收紧。
12.本发明的有益效果：本发明在实际应用当中，无需封装任何液体，仅要求在电解质溶液存在的场合使用，对不同深度的溶液适用范围广，可以直接以海洋中的盐溶液为电解质溶液，通过海洋自身温度场的变化所产生的热量形成感应电势，从而将海洋热能转换成电能，以便后续的存储和利用；该装置属于纯固体的整合组装，外部用热缩膜包覆，整体结构非常稳固和安全；该装置中的各部分均为柔性材料，可根据实际应用场合改变形状；总体来讲该热电转换装置便于组装、携带、搬运，具有较强的环境适用性，适用于大部分海洋区域和咸水湖，对于海洋中的低品位热能进行回收和转换。
附图说明
13.图1是开放式海洋热电转换装置的结构示意图。
14.图中标号：1、纳米多孔工作电极；2、纳米多孔参考电极；3、隔膜；4、集流体；5、封装外壳； 6、导线。
实施方式
15.实施例1：本发明提供一种海洋温差实现热力循环进行发电的开放式海洋热电转换装置，包括电芯和封装用的封装外壳5，其中电芯的具体结构如图1所示由多层材料构成，包括利用海水温差形成电势差的纳米多孔工作电极1和纳米多孔参考电极2，用于隔绝上述电极的隔膜3，以及用于导电的集流体4。
16.将上述材料严格按照集流体4-纳米多孔工作电极1-隔膜3-纳米多孔参考电极2-集流体4的顺序依次叠放，即在纳米多孔工作电极1和纳米多孔参考电极2之间铺设隔膜3，在纳米多孔工作电极1和纳米多孔参考电极2的外侧面分别铺设集流体4，同时在集流体4上分别连接导线6，导线6和集流体4之间焊接导通。
17.电芯外层使用封装外壳5进行封装，所述封装外壳5采用pof多孔封装材料，例如pof热缩膜，使用pof多孔封装材料将以上所有组件通过缠绕包裹全部固定在一起，随后用
热风机加热，使多孔封装材料5紧紧包覆电极、集流体等，连接集流体的导线6端部漏出到封装外壳外。
18.组装好之后，先将两根漏出的导线6进行第一次接地，使纳米多孔工作电极1和纳米多孔参考电极2表面等势。在温度较低时将该装置放入海洋中浸泡，直到使纳米多孔工作电极1和纳米多孔参考电极2内部完全充满海水溶液，此时将导线6进行第二次接地，使纳米多孔工作电极1和纳米多孔参考电极2在较低温度的溶液中等势，最后两根导线6作为输出端，在海水温度升高后即可输出电压。
19.其中纳米多孔工作电极1和纳米多孔参考电极2的制作方法是：将碳布先后放入去离子水、乙醇、丙酮中超声清洗15min并60℃下干燥2h；乙二醇和乙醇以1：1的体积比混合作为溶剂，加入硝酸镍配置成浓度为0.3m/l的溶液，干燥的碳布放入其中浸泡12h后60℃干燥1h，放入管式炉中；乙二醇和乙醇以1：5的体积比混合作为碳源放入管式炉进气口附近，氮气氛围下将管式炉的温度在45min内升高至700℃，保温1h后自然降至室温，获得表面生长了碳纳米管的碳布，将该材料放入1m/l的hcl中浸泡10h除去多余的镍元素，用去离子水冲洗至ph接近7，干燥后获得纳米多孔参考电极2。
20.随后将部分生长了碳纳米管的碳布浸入氯化锡和盐酸配成的混合溶液中2h，其中sncl2∙
6h2o与盐酸质量比为1：4，水洗三次后再浸入氯化钯和盐酸配成的混合溶液中2h，其中pdcl2∙
6h2o与盐酸质量比为1：2，取出后再水洗三次；室温下将上述碳布放入镀液中，镀液按照1l去离子水加入270gniso4、70gnicl2、40gh3bo3、0.1g十二烷基硫酸钠配置，保持电压8v的条件下电镀5min，取出水洗三次后60℃干燥5h，获得纳米多孔工作电极1。
21.实施例2：在实施例1的基础上，采用厚度0.02mm、长20mm、宽20mm的不锈钢箔作为集流体，直径0.3mm、长100mm的不锈钢丝作为导线，先将两根导线分别焊接在两个不锈钢箔的一角。不锈钢材料的耐腐蚀性好于普通的铜铝等材料，该开放式海洋热电转换装置应用场景在海水中，海水的腐蚀性强，普通的铜铝等材料虽然导电性较好，但是容易被海水腐蚀，不锈钢材料的导电性稍弱，但是耐腐蚀性更好，综合考虑下，本发明提供的热电转换装置使用不锈钢材料作为更加经济实用。
22.所述隔膜采用celgard 2325隔膜，将型号celgard 2325的隔膜裁剪成25mm*25mm，纳米多孔工作电极1和纳米多孔参考电极2分别裁剪成20mm*20mm。
23.在集流体4表面分别焊接导线6，将集流体4、纳米多孔工作电极1，隔膜3、纳米多孔参考电极2、集流体4严格按照顺序依次叠放，并用夹子固定，再用pof多孔封装材料将以上所有组件通过缠绕包裹全部固定在一起后，去掉夹子并用热风机使pof多孔封装材料收紧，同时露出导线6的端部。
24.将该装置在夜间浸入海水中，待海水浸透整个装置，导线6作为输出端，先接地1h后断开，保证初始纳米多孔工作电极1与纳米多孔参考电极2之间电势相等。待海水温度随时间渐渐升高时，纳米多孔工作电极1与纳米多孔参考电极2表面的海水电解质溶液分别重新分布，即固液界面双电层受温度影响开始变化，从而在纳米多孔工作电极1与纳米多孔参考电极2表面产生感应电势，由于两电极微结构虽然相同，但表面元素不同，因此相同温度场下产生的感应电势有所差异，该电势差将从导线6之间输出，将该输出电压接入电路中即可产生电流。本发明适用于大部分海洋区域和咸水湖，对于海洋中的低品位热能进行回收和转换。
25.本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种开放式海洋热电转换装置，包括电芯和封装外壳，其特征在于，所述电芯包括纳米多孔工作电极（1）、纳米多孔参考电极（2）、隔膜（3）和集流体（4），所述纳米多孔工作电极（1）和纳米多孔参考电极（2）以碳布为载体，碳布表面生长有均匀分布的碳纳米管，其中纳米多孔工作电极（1）表面还电镀生长有均匀分布的纳米镍颗粒；所述纳米多孔工作电极（1）、纳米多孔参考电极（2）、隔膜（3）和集流体（4）按照顺序分层叠放构成电芯，在纳米多孔工作电极（1）和纳米多孔参考电极（2）之间铺设隔膜（3），在纳米多孔工作电极（1）和纳米多孔参考电极（2）外侧铺设集流体（4），集流体（4）上分别设置延伸导线（6）；在电芯外缠绕包裹封装外壳（5），所述封装外壳（5）采用多孔封装材料，通过多孔封装材料缠绕包裹电芯固定，保持电芯中纳米多孔工作电极（1）、纳米多孔参考电极（2）、隔膜（3）和集流体（4）的排列顺序不变，集流体（4）上连接的导线（6）外端伸出到封装外壳外面。2.根据权利要求1所述的开放式海洋热电转换装置，其特征在于，制作纳米多孔工作电极（1）和纳米多孔参考电极（2）的方法是，将碳布先后放入去离子水、乙醇、丙酮中超声清洗15min并在60℃下干燥2h；乙二醇和乙醇以1：1的体积比混合作为溶剂，加入硝酸镍配置成浓度为0.1~0.3m/l的溶液，干燥的碳布放入溶液中浸泡12h后在60℃下干燥1h，浸泡后的碳布放入管式炉中；乙二醇和乙醇以1：5的体积比混合作为碳源放入管式炉进气口附近，在氮气氛围下将管式炉的温度在45min内升高至700℃，管式炉保温1h后自然降至室温，获得表面生长了碳纳米管的碳布，将生长碳纳米管的碳布放入1m/l的hcl溶液中浸泡10h除去多余的镍元素，用去离子水冲洗至ph接近7，干燥后获得纳米多孔参考电极（2）；将表面生长碳纳米管的碳布浸入氯化锡和盐酸配成的混合溶液中2h，其中sncl2∙
6h2o与盐酸质量比为1：4，水洗三次后再将碳布浸入氯化钯和盐酸配成的混合溶液中2h，其中pdcl2∙
6h2o与盐酸质量比为1：2，取出后再水洗三次，在室温下将上述碳布放入镀液中，镀液按照1l去离子水加入270gniso4、70gnicl2、40gh3bo3、0.1g十二烷基硫酸钠配置，保持电压5-10v的条件下电镀5min，取出水洗三次后在60℃下干燥4-5h，获得纳米多孔工作电极（1）。3.根据权利要求1所述的开放式海洋热电转换装置，其特征在于，所述隔膜（3）采用celgard 2325隔膜。4.根据权利要求1所述的开放式海洋热电转换装置，其特征在于，所述集流体（4）为厚度0.02mm的矩形不锈钢箔。5.根据权利要求1所述的开放式海洋热电转换装置，其特征在于，所述导线（6）为直径0.3mm的不锈钢导线，导线焊接在集流体（4）的一角，焊接部位和导线剩余部分涂抹绝缘胶。6.根据权利要求1所述的开放式海洋热电转换装置，其特征在于，所述封装外壳（5）采用pof热缩膜，在膜的中间部位均匀设置有直径2-5mm的小孔。

技术总结
本发明提供一种开放式海洋热电转换装置，包括电芯和封装外壳，所述电芯包括纳米多孔工作电极、纳米多孔参考电极、隔膜和集流体，所述纳米多孔工作电极、纳米多孔参考电极、隔膜和集流体按照顺序分层叠放构成电芯，在纳米多孔工作电极和纳米多孔参考电极之间铺设隔膜，在纳米多孔工作电极和纳米多孔参考电极外侧铺设集流体，集流体上分别设置延伸导线,在电芯外缠绕包裹封装外壳，导线外端伸出到封装外壳外面。本发明各部分均为固体材料，不封装任何液体，可以直接以海洋中的盐溶液为电解质溶液，通过海洋自身温度场的变化所产生的热量形成感应电势，从而将海洋热能转换成电能，以便后续的存储和利用。后续的存储和利用。后续的存储和利用。


技术研发人员：杨哲 孙硕程 李晓露 符帅 黄强 何朋立 朱慧杰 高富强 李晶 李雅晨
受保护的技术使用者：洛阳理工学院
技术研发日：2023.07.08
技术公布日：2023/9/7