[发明专利]一种电容式浓差发电技术

说明书

一种电容式浓差发电技术，其属于电容器应用和浓差能利用领域。电化学电容器一般由正负电极、隔膜、集流体和电解质组成。正负电极材料包含依靠高比表面积吸附离子的吸附电极以及依靠氧化还原反应储存离子的反应电极等；电解质包含高浓盐水与低浓盐水、海水与淡水、高浓CO₂与低浓CO₂等浓度不同的多股流体。电容器通过“充电‑开路‑放电‑开路”四步骤实现类似于卡诺循环的能量循环，把电解质中的浓差能转变成电能。与压力渗透和反电渗析等浓差能利用技术相比，本技术成本低，装置简单，能量效率高，应用范围广。

技术领域

本发明涉及一种电容式浓差发电技术，其属于电容器应用和浓差能利用领域。

背景技术

电容器是一种容纳电荷的器件。电容器是由两块金属电极和其间一层绝缘电介质组成。当在两金属电极间加上电压，电极上就会存储电荷，所以电容器是储能元件。传统电容器的电容量较小，仅达微法拉或毫法拉量级。

而电化学电容器（常被称为超级电容器）的电容量能达到法拉甚至千法拉量级，是一种功率密度高、充电时间短、使用寿命长、节能环保的新型储能装置。储能机理主要有两种，双电层吸附和法拉第反应（可逆的氧化还原反应）。双电层就是带电金属或非金属表面，在静电场力和扩散力的共同作用下，电解质中的阴阳离子发生定向迁移，吸附到材料表面形成的紧密/疏松的双层排布结构。法拉第反应就是离子嵌入或迁出过渡金属氧化物或金属的过程。

按照电极材料的不同，电化学电容器分为四大类：双电层电容器、赝电容器、杂化电容器和膜电容器。普通双电层电容器所用电极由多孔炭材料、导电炭黑和粘结剂组成，三者按一定比例混合的浆料被均匀涂覆到集流体上，组成一组对称电极。赝电容器的电极由能与电解质发生法拉第反应的材料构成，比如阳极是氯化银，阴极是二氧化锰，电解质是氯化钠溶液。若将双电层原理和法拉第反应原理整合，可构成由法拉第材料和多孔炭材料构成的不对称电极，可称为杂化电容器。在前述三类电容器中加入离子交换膜，即可成为各式膜电容器。

两种浓度不同的溶液混合会释放出吉布斯自由能，通常被称为浓差能。目前所用的浓差能利用技术有：利用半透膜和水轮机的渗透压技术和利用阴阳离子交换膜的反电渗析技术。渗透压技术，装置庞大，成本高，效率低。反电渗析技术需要很多的阴阳离子交换膜，该膜生产成本高、容易被腐蚀、常需更换。

发明内容

本发明的目的是利用可再生能源，缓解能源危机，维护世界和平。传统化石能源不可再生，已经逼近枯竭，寻求可再生能源成为了人类的必然选择。浓差能，作为一种潜力巨大的新型能源，可以利用渗透压和反电渗析的技术将其转化为电能。本发明，首次提出用超级电容器实现浓差能发电，有望成为第三代浓差能利用技术。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电容式浓差发电技术，对电化学电容器进行四步控制操作，实现浓差能向电能的转换；所述电化学电容器包括正电极、负电极、电解质、集流体和隔膜；集流体选用不易腐蚀的导体为导电石墨纸或钛箔；隔膜是使溶液自由进出的绝缘体为无纺布；电解质为存在浓度差的两股流体-高浓度流体和低浓度流体；所述正电极与负电极分别选自选吸附电极或反应电极；

当正电极和负电极都为吸附电极时，发电技术包括以下步骤：

电化学电容器与稳压源、外部电阻组成一个相移电路；

（1） 高浓度流体由蠕动泵驱动流入双电层电容器，稳压源对电容器充电，离子吸附到电极上，存储在双电层中，电极上电量增加，电容器电极两端电压升高；

（2）转换位于蠕动泵前三通阀的方向，截断高浓度流体转换通低浓度流体，同时稳压源停止充电，电路开路，电极上电量不变，离子发生扩散，双电层产生膨胀效果，电容器电极两端电压骤升；

（3）继续通低浓度流体，电容器放电，离子离开活性炭双电层，扩散到溶液中，电极上电量减小，电容器电极两端电压降低；