一种基于热响应凝胶动态调控的电化学热电转化方法及装置

本发明涉及热电化学温差发电，具体为一种基于热响应凝胶动态调控的电化学热电转化方法及装置。

背景技术：

1、在全球能源体系加速向清洁低碳转型的背景下，提升低品位热能的综合利用效率已成为共识。然而大量低品位热能因利用难度大、效率低，长期未得到充分开发，造成显著的能源浪费与环境热污染。

2、热再生电化学循环trec技术基于电极电势对温度的敏感性，通过在高、低温工况之间循环充放电，实现将低品位热能直接转换为电能，近年来广受关注。然而传统trec系统在温差较小的应用场景中热电势输出有限，发电功率偏低。根据能斯特方程，改变电解液浓度可有效调控电极电势，理论上若在温度变化的同时协同调节浓度，有望获得比单纯温差驱动更高的电能输出。

3、现有电解液浓度的调控手段，均需要额外的操作步骤和能源消耗，难以与trec电池的热循环过程实现同步、被动式协同，热响应凝胶材料虽已证实可随温度变化进行被动式地可逆吸水/排水，但现有技术主要将其用作（准）固态电解质，而非调控液相电解液浓度，若将热响应凝胶材料直接与电解液混合以改变浓度，则易造成凝胶吸附活性物质、破碎脱落堵塞电极、污染电解液系统现象，难以满足长期循环稳定性要求,对此我们提出了一种基于热响应凝胶动态调控的电化学热电转化方法及装置。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于热响应凝胶动态调控的电化学热电转化方法及装置，以解决上述背景技术中提出现有电解液浓度的调控手段，均需要额外的操作步骤和能源消耗，难以与trec电池的热循环过程实现同步、被动式协同，将热响应凝胶材料直接与电解液混合以改变浓度，易造成凝胶吸附活性物质、破碎脱落堵塞电极、污染电解液系统现象，难以满足长期循环稳定性要求的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于热响应凝胶动态调控的电化学热电转化装置，包括trec电池和对称设置于trec电池两侧的第一调控单元和第二调控单元，所述第一调控单元和和第二调控单元分别与trec电池的正极电解液腔室和负极电解液腔室联通，所述正极电解液腔室和负极电解液腔室的内部分别设有正极电解液和负极电解液，所述第一调控单元和和第二调控单元分别用于调控trec电池正极电解液的浓度和负极电解液的浓度；

3、所述第一调控单元和和第二调控单元均包括热响应驱动室，所述热响应驱动室与trec电池之间设有缓冲室，所述热响应驱动室与缓冲室以及缓冲室与trec电池分别通过刚性多孔隔离板和水分子选择性透过膜进行分隔，所述热响应驱动室和缓冲室的内部分别填充有热响应凝胶和渗透压缓冲液；

4、所述热响应凝胶具有临界溶解温度，当trec电池的工作温度高于所述临界溶解温度时，所述热响应凝胶发生可逆的吸水和排水行为两者中的其中一个，使所述渗透压缓冲液的浓度相应变化，两个所述缓冲室分别借助所述渗透压缓冲液的浓度变化，与trec电池的正极电解液和负极电解液之间产生渗透压差，所述渗透压差经所述水分子选择性透过膜驱动水分子定向迁移，以动态调节trec电池正极电解液和负极电解液的浓度。

5、优选的，所述渗透压缓冲液的渗透压在初始状态中与trec电池中正极电解液和负极电解液的渗透压相互平衡，

6、所述电化学热电转化装置的初始工作温度设置为trec电池高温工作温度与低温工作温度的平均值，所述trec电池的两侧渗透压差在初始状态中为零。优选的，所述热响应驱动室为刚性容器，所述缓冲室为密封腔体，所述热响应凝胶可通过吸附剂进行代替，所述吸附剂为水分吸附-热脱附型，所述吸附剂的再生温度对应于热响应凝胶的临界溶解温度，所述吸附剂包括但不限于金属有机框架材料、无机吸湿材料和有机复合吸湿材料中的任意一种，所述热响应凝胶的临界溶解温度和吸附剂的再生温度均位于trec电池的高温工作温度与低温工作温度之间。

7、优选的，所述热响应凝胶为热响应水凝胶，所述热响应水凝胶具有低临界溶解温度特性和高临界溶解温度特性两者中的其中一个，低临界溶解温度特性的所述热响应水凝胶在低于低临界溶解温度和高于低临界溶解温度状态下分别进行吸水溶胀和排水收缩，高临界溶解温度特性的所述热响应水凝胶在低于高临界溶解温度和高于高临界溶解温度状态下分别进行排水收缩和吸水溶胀，所述热响应水凝胶可通过化学接枝、共聚、掺杂和交联度调控中的其中一个对临界溶解温度偏移进行常规改性处理，并适配具有多个温度区间的低品位热能应用场景。

8、优选的，所述trec电池为无膜体系和正负极调控需求相同两者中的其中一个时两个热响应凝胶设置为同一类型，所述trec电池为有膜体系且正负极调控需求相反时两个热响应凝胶分别设置为lcst型和ucst型；

9、所述热响应凝胶的吸水和排水行为两者中的其中一个与trec电池的温度变化方向协同作用于正极和负极的电极电势，所述正极电解液和负极电解液的浓度改变形成trec电池的电压变化方向与温度变化的热电势方向相同，并实现净电压的放大输出。

10、优选的，所述刚性多孔隔离板的外表面开设有密集小孔，所述密集小孔用于提供热响应凝胶和渗透压缓冲液中的水分子迁移通道，所述水分子选择性透过膜为具有亚纳米孔径的二维材料膜，所述水分子选择性透过膜的有效孔径介于水分子的直径与水合离子的直径之间，所述水分子选择性透过膜满足水分子的跨膜传输并截留两侧溶液中的水合阳离子和水合阴离子。

11、优选的，所述trec电池的内部安装有两个高位电极，两个所述高位电极分别为正极和负极设置于正极电解液腔室和负极电解液腔室的上部，两个所述高位电极与水分子选择性透过膜、正极电解液腔室和负极电解液腔室的底部之间均设有安装间隙，所述安装间隙用于避免高位电极阻挡水分子的渗透平衡过程，并满足电化学反应中产生的微量气泡自然上浮排出。

12、一种基于热响应凝胶动态调控的电化学热电转化装置的调控方法，包括以下步骤：

13、s1：将电化学热电转化装置的初始工作温度设置为高温工作温度与低温工作温度之间的中间温度t0，对渗透压缓冲液进行配制并使其在中间温度t0下的渗透压与trec电池正极电解液和负极电解液的渗透压相平衡；

14、s2：当trec电池在高于热响应凝胶的临界溶解温度ta的高温工况温度th下工作时，热响应凝胶发生排水和吸水行为两者中的一个并改变渗透压缓冲液的浓度，进而驱动水分子定向迁移，直至水分子选择性透过膜的两侧渗透压达到新的平衡，实现电解液浓度的调低和调高，随后根据氧化还原对的温度系数符号执行放电和充电操作；

15、s3：当trec电池在低于热响应凝胶的临界溶解温度ta的低温工况温度tl下工作时，热响应凝胶发生相反的吸水和排水行为两者中的一个并改变渗透压缓冲液的浓度，进而驱动水分子反向定向迁移，直至水分子选择性透过膜的两侧渗透压达到新的平衡，实现电解液浓度的调高和调低，随后执行与高温工况相反的充放电操作；

16、s4：将trec电池恢复至中间温度t0，电化学热电转化装置回到初始平衡状态，重复对trec电池的高温工况和低温工况进行连续的热电转换操作。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

18、1、本发明利用热响应凝胶自身的温度响应特性，在trec电池高低温工况切换时自动完成电解液浓度的可逆变化，无需外部泵、加热器或人工干预，实现了浓度调控与温度变化的被动式协同，显著降低系统运行能耗与操作复杂度，且通过温度变化与浓度变化的协同作用，突破传统trec系统仅依赖电对自身温度系数的限制，在相同温差条件下获得更高的净电压输出，提升发电效率；

19、2、本发明对热响应凝胶与电解液进行进行隔离，避免凝胶直接混合使用时的吸附、堵塞、污染的现象，同时通过缓冲室的中间隔离设计，进一步避免了trec电池电解液和水分子选择性透过膜直接受到热响应凝胶体积变化的影响，系统长期运行稳定性高，在trec电池两侧分别设置独立的调控单元，通过灵活选择lcst型或ucst型热响应凝胶，可实现对正极和负极电解液浓度的分别调控，适配不同的应用需求。