具有容积式泡沫金属电极的平板式废热再生氨电池传递特性及性能强化

A new electrochemical system called thermally regenerative ammonia-based battery (TRAB) is developed to generate electricity from low-temperature heat waste. In the present study, to increase the specific surface area of electrode and enhance mass transfer, a flat plate thermally regenerative ammonia-based battery using foam metal electrodes is proposed to solve the limited factors of performance such as mass transfer limitation and ammonia crossover. The multi-species transport characteristic, structure evolution of porous media and performance of this TRAB are experimentally and theoretically investigated. The influenced factors such as electrode structure and operating parameters are studied as well. The aim of this study is to understand the fluent flow and mass transfer in the porous media with changing structure caused by electrochemical reaction. In addition, according to current conservation equation and potential distribution equation, a model work is developed to simulate the multiple-process in this TRAB and to predicate its performance. The relationship between mass transfer, porous media structure and TRAB performance is analyzed to promote power output, improving TRAB technology and its theory foundation.

热再生氨电池（TRAB）是一种回收低温废热的新型电化学系统产电技术。为解决TRAB传质受限以及氨渗透等制约其产电性的瓶颈问题，申请人提出具有容积式泡沫金属电极的平板式废热再生氨电池结构，以增加电极反应比表面积，强化物质传输，抑制氨渗透，显著提高电池性能。本项目针对容积式泡沫金属电极的平板式废热再生氨电池这种复杂电化学体系中多组分流体流动与物质传递、多孔介质孔隙变化规律和产电特性方面开展系统的实验和理论研究工作，研究电极结构及参数、操作参数等因素对电池性能的影响，获得电池中电化学反应致变孔隙率多孔介质内物质流动与传输机理与规律；建立含电化学反应的变孔隙率多孔介质内多组分传输理论模型；在此基础上根据电极内电流守恒和电位分布方程，获得TRAB内多组分传递及转化模型，揭示电池内物质传输、多孔介质结构变化和电池性能三者之间的相互关系，探求电池性能强化方法，为TRAB技术的发展与应用奠定理论基础。

热再生氨电池作为一种新型高效低温废热产电技术具有反应条件较为温和、可拓展性强、结构简单和成本较低等特点，具有广阔的应用和发展前景。本项目针对具有容积式泡沫金属电极的平板式废热再生氨电池内多组分物质流动与传输规律及产电特性进行系统的实验和理论研究工作，首先构建了采用泡沫铜电极的热再生氨电池，研究了产电的可行性及电极稳定性，并研究了电极厚度和阳极氨浓度的影响。针对泡沫铜电极运行存在的电极稳定性差问题，构建了泡沫镍基的Cu/Ni复合电极，研究了采用Cu/Ni复合电极的电池产电可行性及稳定运行性能，并研究了复合电极制备过程中电镀条件（电镀时间、铜离子浓度和HEDP浓度）对电镀铜质量和电池性能的影响。同时针对泡沫铜电极存在的传质阻力大的问题，构建新型反应器结构及梯度孔电极来强化电极内物质传输，研究了不同电池结构、电极结构以及电解液流量对电池性能的影响规律。针对TRAB存在的氨渗透现象，提出采用气体扩散层构建氨气自呼吸式电池结构，调控氨的传输，研究了不同扩散层结构对电池产电的影响规律。为了揭示电池内部传输规律，建立了采用泡沫铜电极的热再生电池传输模型，获得了不同操作条件下多孔介质泡沫电极内阳极氨浓度、阴极铜离子的浓度分布规律。在TRAB拓展应用方面，一方面构建三维阵列电极热再生电池和平板式电池堆，研究了TRAB从体积和电堆方面的放大特性及电池性能，另一方面针对电镀废液铜资源进行回收，研究了不同铜离子浓度的电镀废液对电池性能及废液中铜离子去除率的影响规律。项目的实施揭示多孔介质电极结构、物质传输与电池性能三者之间相互作用机制，为热再生氨电池技术的应用和发展奠定了理论基础，具有重要的实用价值和研究意义。