有机质子耦合电子转移的二氧化碳热电化学系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种有机质子耦合电子转移的二氧化碳热电化学系统及方法，属于电化学热能发电领域，包括热电化学电池系统、负载、CO2缓冲罐、热再生系统和正极流体循环泵；所述热电化学电池系统包括负极、负极区、阳离子交换膜、正极区、正极和负极流体循环泵。本发明专利技术能实现热能，尤其是低品位热能的高性能、长效稳定和连续发电。和连续发电。和连续发电。

【技术实现步骤摘要】
有机质子耦合电子转移的二氧化碳热电化学系统及方法


[0001]本专利技术涉及电化学热能发电领域，更为具体的，涉及一种有机质子耦合电子转移的二氧化碳热电化学系统及方法。

技术介绍

[0002]热能发电是现阶段热能回收利用的关键技术之一，它可以利用热能并将其转化为电力输出。目前，传统的热能发电技术原理与火力发电相同，均是先将热能转变为机械能，再转变为电能。其通常利用热能驱动工质(如：水、超临界CO2、氨水等)产生机械动力，以蒸汽推动汽轮机运作实现热能发电。然而，该类方法因能量的二次转化而造成发电效率低。此外，还面临着设备尺寸大、腐蚀结构等问题，并在低品位热能(<150℃)发电效果上并不理想。另一种方法是采用热伏材料来实现热电的直接转化。如：SnSe基、GeTe基等热电材料。然而，这类固态热电材料及器件仍面依赖金属电极临成本高、低品位热能发电效果差、电极强烈依赖冷热温差等瓶颈，难以大规模推广应用。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种有机质子耦合电子转移的二氧化碳热电化学系统及方法，能实现热能，尤其是低品位热能的高性能、长效稳定和连续发电等。
[0004]本专利技术的目的是通过以下方案实现的：
[0005]一种有机质子耦合电子转移的二氧化碳热电化学系统，包括热电化学电池系统、负载、CO2缓冲罐、热再生系统和正极流体循环泵；所述热电化学电池系统包括负极、负极区、阳离子交换膜、正极区、正极和负极流体循环泵；所述负载与热电化学电池系统的负极和正极相连接，用于接收并检测热电化学电池系统输出的电能；所述热电化学电池系统的负极区和正极区通过阳离子交换膜分隔，采用电化学PCET有机物作为氧化还原反应物，且在所述负极和正极发生有机PCET反应物的氧化还原反应，并采用对称电池结构，即在电池正极发生电化学PCET还原反应，接收电子并从溶液中抽离质子从而碱化溶液；电池负极发生电化学PCET氧化反应，失去电子并释放质子酸化溶液，通过以正负两极质子浓差作为推动力，外部通过导线连接负载构建电子回路实现对外放电；在所述正极区的出口，反应后的正极液送至热再生系统中，通过外部热能加热正极液释放CO2重新碱化溶液，释放的CO2运送至CO2缓冲罐中保存；重新加热碱化后的正极液通过正极流体循环泵运送至负极区，为负极提供反应原料QH和CO
32
‑
溶液；通过热再生循环和流体泵送循环实现将热能转化为电能稳定输出。
[0006]进一步地，所述采用电化学PCET有机物作为氧化还原反应物，且在所述负极和正极发生有机PCET反应物的氧化还原反应，并采用对称电池结构，即在电池正极发生电化学PCET还原反应，接收电子并从溶液中抽离质子从而碱化溶液；电池负极发生电化学PCET氧化反应，失去电子并释放质子酸化溶液，通过以正负两极质子浓差作为推动力，外部通过导
线连接负载构建电子回路实现对外放电，具体包括：在所述负极发生电化学氧化反应，反应物QH失去电子和H
+
使负极区的碱度降低；在电场的作用下，负极区的阳离子通过阳离子交换膜达到正极区；反应后的负极液通过负极流体循环泵送至正极区，为正极提供反应原料Q和HCO3‑
溶液；反应方程式如下：
[0007]负极反应：2QH
→
2Q+2e
‑
+2H
+
[0008]负极区反应：2H
+
+2CO
32
‑
→
2HCO3‑
[0009]在所述正极发生电化学还原反应，反应物Q得到电子并从正极液中接收H
+
，从而使正极液碱度增加并用于吸收CO2生成碳酸氢盐溶液，反应方程式如下：
[0010]正极反应：2Q+2e
‑
+2H2O
→
2QH+2OH
‑
[0011]正极区反应：2OH
‑
+2CO2→
2HCO3‑
。
[0012]进一步地，所述热再生系统中涉及反应方程式如下：热再生系统反应：2HCO3‑
→
CO
32
‑
+H2O+CO2↑
。
[0013]进一步地，所述负极和正极均采用同种碱性CO2吸收剂作为电解液。
[0014]进一步地，所述阳离子交换膜的作用包括：采用阳离子交换膜分隔电池的正、负两极区，既能保持在放电过程中阳离子从负极区迁移至正极区以维持系统电荷平衡，又能分隔正、负两极溶液，确保定向的pH梯度，避免因正负极区反应活性物共混造成自放电带来的物质损耗。
[0015]进一步地，所述热电化学电池系统与热再生系统在空间上分隔，并通过流体输送机构连接，且热源只作用于热再生系统中CO2的气液分离。
[0016]进一步地，所述电化学PCET有机物包括吩嗪、咯嗪、醌及其衍生物。
[0017]进一步地，正负极电解液包含溶剂、CO2碱性吸收剂与支撑电解质；所述溶剂包括水和有机溶剂；所述CO2碱性吸收剂为溶液提供碱性环境，并在吸收CO2后，溶液通过加热使CO2重新解吸释放并实现吸收剂的再生；所述支撑电解质为电池系统提供高的离子电导率，包括盐类支撑电解质或离子液体。
[0018]进一步地，所述负极和正极均包括碳基电极和金属类催化剂对金属电极基底进行修饰或改性得到的电极。
[0019]一种有机质子耦合电子转移的二氧化碳热电化学系统的发电方法，搭建如上任一项所述的有机质子耦合电子转移的二氧化碳热电化学系统，且执行如下步骤：
[0020]放电前，负极液加入PCET反应物的还原态和碱性吸收剂；正极液加入PCET反应物的氧化态和碱性吸收剂，并在正极通入CO2与碱性吸收剂反应；正极液吸收CO2后，造成正极pH降低，并与负极产生pH差；在正负极物质浓差和质子浓差的共同作用下，系统产生电势差，通过导线构建外部电子回路实现对外放电；
[0021]放电过程中，正负极PCET反应物和溶液pH均发生变化；变化趋势为：正极液的pH随着放电反应的进行而不断升高，用于吸收CO2并在吸收后保持在近乎恒定的低pH环境，且正极液中PCET反应物氧化态的浓度不断降低，还原态的浓度不断升高；负极液的pH随着放电反应的进行而不断降低，且负极液中PCET反应物还原态QH的浓度不断降低，氧化态的浓度不断升高；当正负两极物质及质子浓度综合平衡时，系统电势差为0，放电停止；
[0022]放电结束后，负极液被泵送至正极区；而正极液则送至热再生系统，通过热能驱动加热正极液释放CO2并促使溶液重新碱化；其中，CO2被重新送往正极区被吸收用于正极液的
酸化；而从热再生系统碱化后的正极液则将送至负极区；通过正、负极液的物质与电解质交换，使正负极的溶液状态重新恢复到放电前，以完成系统完整的热力学循环；通过改变CO2吸收剂种类以匹配不同的热源环境。
[0023]本专利技术的有益效果包括：
[0024]本专利技术的系统能实现热能，尤其是低品本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有机质子耦合电子转移的二氧化碳热电化学系统，其特征在于，包括热电化学电池系统(6)、负载(7)、CO2缓冲罐(8)、热再生系统(9)和正极流体循环泵(10)；所述热电化学电池系统(6)包括负极(1)、负极区(2)、阳离子交换膜(3)、正极区(4)、正极(5)和负极流体循环泵(11)；所述负载(7)与热电化学电池系统(6)的负极(1)和正极(5)相连接，用于接收并检测热电化学电池系统(6)输出的电能；所述热电化学电池系统(6)的负极区(2)和正极区(4)通过阳离子交换膜(3)分隔，采用电化学PCET有机物作为氧化还原反应物，且在所述负极(1)和正极(5)发生有机PCET反应物的氧化还原反应，并采用对称电池结构，即在电池正极(5)发生电化学PCET还原反应，接收电子并从溶液中抽离质子从而碱化溶液；电池负极(1)发生电化学PCET氧化反应，失去电子并释放质子酸化溶液，通过以正负两极质子浓差作为推动力，外部通过导线连接负载(7)构建电子回路实现对外放电；在所述正极区(4)的出口，反应后的正极液送至热再生系统(9)中，通过外部热能加热正极液释放CO2重新碱化溶液，释放的CO2运送至CO2缓冲罐(8)中保存；重新加热碱化后的正极液通过正极流体循环泵(10)运送至负极区(2)，为负极(1)提供反应原料QH和CO
32
‑
溶液；通过热再生循环和流体泵送循环实现将热能转化为电能稳定输出。2.根据权利要求1所述的有机质子耦合电子转移的二氧化碳热电化学系统，其特征在于，所述采用电化学PCET有机物作为氧化还原反应物，且在所述负极(1)和正极(5)发生有机PCET反应物的氧化还原反应，并采用对称电池结构，即在电池正极(5)发生电化学PCET还原反应，接收电子并从溶液中抽离质子从而碱化溶液；电池负极(1)发生电化学PCET氧化反应，失去电子并释放质子酸化溶液，通过以正负两极质子浓差作为推动力，外部通过导线连接负载(7)构建电子回路实现对外放电，具体包括：在所述负极(1)发生电化学氧化反应，反应物QH失去电子和H
+
使负极区(2)的碱度降低；在电场的作用下，负极区(2)的阳离子通过阳离子交换膜(3)达到正极区(4)；反应后的负极液通过负极流体循环泵(11)送至正极区(4)，为正(5)极提供反应原料Q和HCO3‑
溶液；反应方程式如下：负极反应：2QH
→
2Q+2e
‑
+2H
+
负极区反应：2H
+
+2CO
32
‑
→
2HCO3‑
在所述正极(5)发生电化学还原反应，反应物Q得到电子并从正极液中接收H
+
，从而使正极液碱度增加并用于吸收CO2生成碳酸氢盐溶液，反应方程式如下：正极反应：2Q+2e
‑
+2H2O
→
2QH+2OH
‑
正极区反应：2OH
‑
+2CO2→
2HCO3‑
。3.根据权利要求1所述的有机质子耦合电子转移的二氧化碳热电化学系统，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴一凡，温娴，宋欣宸，谢和平，刘涛，程纯，王云鹏，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：