氯化鋰溶液為工質(zhì)的溶液濃差發(fā)電實(shí)驗(yàn)研究

徐 士 鳴 ，吳 德 兵 ，吳 曦 ，胡 軍 勇 ，劉 歡 ，張 紅 軍 ，陳 順 權(quán) ，陳 靜

(1.大連理工大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院 海洋能源利用與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116024；2.廣州中國(guó)科學(xué)院先進(jìn)技術(shù)研究所 廣東省膜材料與膜分離重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 511458 )

氯化鋰溶液為工質(zhì)的溶液濃差發(fā)電實(shí)驗(yàn)研究

徐 士 鳴*1，吳 德 兵1，吳 曦1，胡 軍 勇1，劉 歡1，張 紅 軍1，陳 順 權(quán)2，陳 靜2

(1.大連理工大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院 海洋能源利用與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116024；2.廣州中國(guó)科學(xué)院先進(jìn)技術(shù)研究所 廣東省膜材料與膜分離重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 511458 )

利用配制的氯化鋰溶液作為工作介質(zhì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究稀溶液和濃溶液濃度變化對(duì)逆向電滲析電池組(REDCs)開(kāi)路電壓、內(nèi)阻以及功率密度等電池特性參數(shù)的影響．研究結(jié)果表明，由10個(gè)電池單元構(gòu)成的REDCs在所研究的濃度范圍內(nèi)，最大開(kāi)路電壓為1.88 V，最大功率密度為1.67 W/m2．電池的開(kāi)路電壓隨稀溶液濃度增大而降低，而隨濃溶液濃度增大出現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)．電池內(nèi)阻隨濃、稀溶液的濃度增大而降低．電池的端電壓與功率密度受電流影響．隨電流增大，端電壓呈線性下降的趨勢(shì)，而功率密度變化卻呈上凸的二次曲線．當(dāng)電路總電阻為電池內(nèi)阻兩倍時(shí)，電池功率密度達(dá)到最大值．

低品位熱能；氯化鋰溶液；逆向電滲析電池；濃差發(fā)電

0 引 言

低品位熱能具有溫度低、種類(lèi)多、總量大的特點(diǎn)．有效利用低品位熱能，對(duì)降低常規(guī)能源的消耗，改善大氣質(zhì)量有著積極的作用，也是當(dāng)前世界各國(guó)競(jìng)相研究的重要課題之一[1]．

有效利用低品位熱能的方法是將其轉(zhuǎn)換成電能．當(dāng)前受到廣泛關(guān)注并被深入研究的低品位熱能發(fā)電技術(shù)主要是基于熱-功轉(zhuǎn)換原理的熱動(dòng)力循環(huán)發(fā)電，包括常規(guī)朗肯循環(huán)(RC)、有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)、卡林納(Kalina)循環(huán)和斯特林(Stirling)循環(huán)等[2-5]．其中對(duì)常規(guī)朗肯循環(huán)和有機(jī)朗肯循環(huán)的研究最為充分和深入，并在實(shí)際工程中得到一定的應(yīng)用[6-8]．

不同類(lèi)型的低品位熱能，其溫度高低和熱量大小都不確定，部分低品位熱能的溫度和熱量還是隨時(shí)間變化或斷續(xù)的，常規(guī)熱-功轉(zhuǎn)換發(fā)電技術(shù)往往難以適應(yīng)，限制了這類(lèi)技術(shù)在低品位熱能發(fā)電領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用．為此，作者提出了一種基于低溫多效和逆向電滲析相結(jié)合利用低品位熱能直接發(fā)電的技術(shù)——溶液濃差熱-電轉(zhuǎn)換技術(shù)[9-10]．其工作原理是：在單效或多效發(fā)生器(蒸餾器)內(nèi)，利用低品位熱能將工作溶液中的低沸點(diǎn)組分分離出來(lái)，使分離出的低沸點(diǎn)組分(稀溶液)與被濃縮的溶液(濃溶液)之間產(chǎn)生濃度或化學(xué)勢(shì)差；然后利用逆向電滲析電池(reverse electrodialysis cells，REDCs)，將溶液的化學(xué)勢(shì)能轉(zhuǎn)換成電能并輸出．

與常規(guī)熱-功轉(zhuǎn)換循環(huán)不同的是：熱-電轉(zhuǎn)換循環(huán)工質(zhì)必須是可熱分離的并具有良好電離特性的電解質(zhì)溶液；熱-電轉(zhuǎn)換循環(huán)是一單壓循環(huán)，溶液泵僅被用來(lái)克服溶液流動(dòng)阻力．

目前對(duì)于熱-電轉(zhuǎn)換循環(huán)的研究，國(guó)內(nèi)外幾乎是同時(shí)起步，但研究工作尚未深入．Luo等[11-12]提出了一種熱驅(qū)動(dòng)的電化學(xué)發(fā)電機(jī)(thermal-driven electrochemical generator，TDEG)的熱-電轉(zhuǎn)換循環(huán)．該循環(huán)由蒸餾柱和REDCs構(gòu)成，以熱穩(wěn)定性較差的碳酸氫銨(NH4HCO3)水溶液作為工作介質(zhì)．采用碳酸氫銨水溶液受熱分解、冷卻吸收合成的方法將低品位熱能轉(zhuǎn)換成工作溶液的化學(xué)勢(shì)能．然后，利用REDCs將溶液濃差能轉(zhuǎn)換成電能．Kim等[13]在此研究基礎(chǔ)上，對(duì)碳酸氫銨水溶液濃差能在REDCs中轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究．在膜間距為0.1 mm，溶液流率為3 mL/min，溶液濃度比為200((2 mol/L)/(0.01 mol/L))條件下，由5個(gè)膜電池組成的實(shí)驗(yàn)用REDCs上，獲得0.84 W/m2最大功率密度．然而上述文獻(xiàn)中所給出的熱-電轉(zhuǎn)換循環(huán)為一單熱源流程．

McGinnis等[14]給出了另一種稱(chēng)之為壓力延遲滲透(pressure-retarded osmosis,PRO)濃差發(fā)電循環(huán)．該循環(huán)由蒸餾柱、壓力交換器和滲透壓力熱機(jī)(osmotic heat engine，OHE)構(gòu)成，工作介質(zhì)也采用碳酸氫銨水溶液．低品位熱能轉(zhuǎn)換成溶液濃差能的過(guò)程與前述的方法相同．不同的是先將溶液濃差能通過(guò)壓力滲透膜轉(zhuǎn)換成溶液的壓力能(重力勢(shì)能)，然后由壓力能來(lái)驅(qū)動(dòng)液力透平機(jī)做功并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電．

雖然文獻(xiàn)[15]指出，碳酸氫銨水溶液熱分解所需的能量低于溶劑水蒸發(fā)熱分離所需的能量，但是，文獻(xiàn)[16]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，盡管碳酸氫銨水溶液在60 ℃時(shí)開(kāi)始分解出CO2氣體，但要完全分解出氨氣，溶液溫度需要在70 ℃以上．因此，溫度低于70 ℃的低品位熱能難以得到利用．其次，NH3和CO2氣體難以冷凝，當(dāng)?shù)推肺粺崮軠囟容^高時(shí)，無(wú)法采用多效方式來(lái)降低溶液分離過(guò)程所需的熱能．由于碳酸氫銨的不穩(wěn)定性，濃碳酸氫銨水溶液在RED電堆中因溫度或壓力的變化會(huì)產(chǎn)生CO2氣體析出現(xiàn)象[13]，而影響REDCs的工作性能．三方面因素導(dǎo)致采用熱分解法的溶液濃差熱-電轉(zhuǎn)換循環(huán)效率難以提高．

Carati等[17]提出了稱(chēng)之為熱再生電池(thermally regenerable batteries)的熱-電轉(zhuǎn)換循環(huán)．但為了儲(chǔ)存能量，在循環(huán)流程內(nèi)設(shè)置了3個(gè)溶液儲(chǔ)罐．Carati等試圖用純工質(zhì)的T-S圖來(lái)描述和分析熱-電轉(zhuǎn)換循環(huán)，得出兩點(diǎn)研究結(jié)論：為了提高循環(huán)效率，循環(huán)中所采用的工質(zhì)，其溶劑的汽化熱越大越好；溶液沸點(diǎn)隨溶質(zhì)濃度的增大而升高得越快越好．Carati等基于此研究結(jié)論，建議采用ZnCl2水溶液作為工質(zhì)并在循環(huán)流程中設(shè)置了一個(gè)三通道換熱器來(lái)回收發(fā)生器的濃溶液熱能．

實(shí)際文獻(xiàn)[17]所得出的研究結(jié)論與溶液熱分離常識(shí)不符．出錯(cuò)的原因在于溶液的獨(dú)立變量數(shù)與純工質(zhì)的獨(dú)立變量數(shù)不同，兩者的T-S圖是不同的．

溶液實(shí)際蒸餾/閃蒸分離過(guò)程，為了提高熱利用效率，要求溶劑的汽化熱要小，溶液隨濃度增大其沸點(diǎn)增加越小越好．基于此觀點(diǎn)，利用低汽化熱的乙醇來(lái)部分替代高汽化熱的水，以降低電解質(zhì)溶液分離過(guò)程的熱耗．由于KI、LiCl、LiBr溶于乙醇+水的混合溶劑具有較好的電導(dǎo)率[18]，也易于采用蒸餾法分離，因此，本文先以LiCl+水二元溶液為工質(zhì)，研究其濃度變化對(duì)REDCs工作性能的影響，為下一步探索三元溶液在熱-電轉(zhuǎn)換循環(huán)中的工作特性奠定基礎(chǔ)．

1 REDCs結(jié)構(gòu)與發(fā)電原理

溶液濃差熱-電轉(zhuǎn)換基本循環(huán)如圖1所示，主要由低溫多效溶液再生和逆向電滲析濃差發(fā)電兩部分組成．在發(fā)電部分中主要部件為REDCs，其基本結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生電力的過(guò)程示意如圖2所示.

圖1 溶液濃差熱-電轉(zhuǎn)換基本循環(huán)流程Fig.1 Basic cycle flow of heat-electricity conversion by solution concentration gradient

圖2 REDCs結(jié)構(gòu)和電力的產(chǎn)生示意圖Fig.2 The schematic diagram of REDCs structure and electric generation

REDCs主要由端板，陰、陽(yáng)電極，交錯(cuò)排布的陰、陽(yáng)離子交換膜以及由端板、交錯(cuò)排布的陰、陽(yáng)離子交換膜所隔出的陰、陽(yáng)電極室和稀、濃溶液室構(gòu)成．稀、濃溶液分別被引入REDCs稀、濃溶液室內(nèi)．濃溶液室內(nèi)的溶質(zhì)離子在溶液濃度差(電化學(xué)勢(shì)差)作用下，穿過(guò)離子交換膜進(jìn)入稀溶液室內(nèi)，從而在REDCs內(nèi)形成定向離子流．電極液在陰、陽(yáng)兩電極室間作循環(huán)流動(dòng)．電極液中的溶質(zhì)在陽(yáng)極處發(fā)生氧化反應(yīng)而失去電子，但在陰極處獲得電子而被還原．電子則通過(guò)外電路由陽(yáng)極流向陰極而產(chǎn)生外電流．這樣，溶液的化學(xué)勢(shì)能通過(guò)REDCs被轉(zhuǎn)換成電能．由于溶質(zhì)離子的遷移導(dǎo)致流經(jīng)濃溶液室的溶液濃度降低，而流經(jīng)稀溶液室的溶液濃度提高．

最先提出該電池的應(yīng)用背景是海水和河水之間的鹽濃度差發(fā)電[19]．目前各國(guó)學(xué)者對(duì)REDCs發(fā)電技術(shù)的研究主要是基于海水、淡水間的濃差發(fā)電，屬開(kāi)式系統(tǒng)[20-23]．對(duì)于閉式熱-電轉(zhuǎn)換循環(huán)，其工作溶液選擇較廣[24]，其中氯化鋰溶液就是可選工質(zhì)之一．盡管對(duì)氯化鋰溶液熱分離的研究比較充分[25-27]，但對(duì)其在REDCs中的發(fā)電特性卻從未被研究過(guò)．

2 REDCs能量轉(zhuǎn)換理論

2.1 溶液濃差能

對(duì)理想溶液作可逆分離，其所需的理論最小分離功也為溶液化學(xué)勢(shì)能可以轉(zhuǎn)換為電能的理論最大功，其表達(dá)式為[28-29]

(1)

式中：系數(shù)2是指1 mol電解質(zhì)在溶液中完全電離后產(chǎn)生2 mol正、負(fù)離子；R為氣體常數(shù)，8.314 J·mol-1·K-1；T為溫度，K；V為體積，L；c為物質(zhì)的量濃度，mol·L-1．下標(biāo)d、c、m分別表示濃、稀和中間溶液．

從式(1)可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于單位體積的稀、濃溶液，其濃差越大，濃差能也越大．

2.2 理論電壓

根據(jù)能斯特方程，單個(gè)(一個(gè)膜對(duì))電池單元的理論電壓(開(kāi)路電壓)為[20]

(2)

式中：a為活度；F為法拉第常數(shù)，96 485 C·mol-1；z為離子價(jià)數(shù)；α為膜離子選擇性系數(shù)；γ為活度系數(shù)．上標(biāo)+、-分別表示正、負(fù)離子；下標(biāo)cem、aem分別表示陽(yáng)、陰離子交換膜．

式(2)表明：在相同的濃差條件下，單價(jià)離子具有最高的理論電壓；理論電壓與溶液溫度、濃差和活度系數(shù)有關(guān)．

由N個(gè)電池單元構(gòu)成的REDCs理論電壓為

Uth=NVth

(3)

2.3 電池內(nèi)電阻

內(nèi)電阻(Ri)由歐姆電阻(Rohm)和非歐姆電阻(RΔc)構(gòu)成．歐姆電阻包括電極和電極室電阻(Rele)、膜電阻(Rm)和溶液室電阻(Rc，Rd)，可以直接測(cè)量或計(jì)算得到．非歐姆電阻是因溶液室內(nèi)溶質(zhì)離子濃度變化以及膜兩側(cè)邊界層中離子濃度變化所產(chǎn)生的電阻．REDCs電阻通常采用面積電阻(Ω·cm2或Ω·m2)表示．

Ri=Rohm+RΔc

(4)

Rohm=Rm+Rc+Rd+Rele

(5)

當(dāng)電池單元數(shù)N超過(guò)一定數(shù)量時(shí)，Rele可以忽略．但對(duì)于膜對(duì)數(shù)少的電堆，電極室內(nèi)阻不可忽略．此時(shí)，Rohm理論計(jì)算式為[30]

(6)

由N個(gè)電池單元構(gòu)成的REDCs電阻為

Ri,cells=NRi/A

(7)

其中A為膜面積，cm2或m2.

2.4 輸出功率與最大輸出功率

當(dāng)有外負(fù)載接入電池時(shí)，電池對(duì)外電路就有功率輸出(P)，有

P=UactI=UthI-Ri,cellsI2

(8)

I=Uth/(Ri,cells+Rex)

(9)

其中Rex為外負(fù)載電阻，Ω．

當(dāng)外負(fù)載電阻與內(nèi)電阻阻值相等時(shí)，電池輸出功率最大(Pmax)，有

(10)

2.5 功率密度

對(duì)于REDCs，功率密度是一項(xiàng)非常重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，其定義為單位膜面積的電功率．通常用單位膜對(duì)面積的最大發(fā)電功率來(lái)表征膜的利用效率．其表達(dá)式為

Pd,max=Pmax/Acells

(11)

其中Acells為整個(gè)電池組的有效膜對(duì)面積，m2．

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為了對(duì)采用氯化鋰溶液為工質(zhì)的REDCs濃差發(fā)電進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，構(gòu)建了一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)．其中REDCs通過(guò)委托加工部件自行組裝，便于對(duì)不同廠家生產(chǎn)的離子交換膜、絲網(wǎng)隔墊編織結(jié)構(gòu)以及墊片厚度等結(jié)構(gòu)部件參數(shù)對(duì)REDCs發(fā)電特性影響進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)．REDCs由10對(duì)膜電池組成，各部件基本參數(shù)如表1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的照片如圖3所示，其中離子交換膜由日本旭硝子公司生產(chǎn)，電極液及實(shí)驗(yàn)用不同濃度的氯化鋰溶液為人工配制．電極液組成為1 mol·L-1LiCl、0.05 mol·L-1K4Fe(CN)6和0.05 mol·L-1K3Fe(CN)6，所有電解質(zhì)均為分析純級(jí)，由天津大茂公司生產(chǎn)，溶液配制用蒸餾水為自產(chǎn)．不含膜對(duì)時(shí)，電極室內(nèi)阻實(shí)測(cè)值為0.634 Ω．稀、濃溶液在電池內(nèi)作順流等流速流動(dòng)(1 cm/s)．

表1 REDCs部件及參數(shù)Tab.1 Components and parameters of REDCs

系統(tǒng)中REDCs工作參數(shù)(開(kāi)路電壓和內(nèi)阻)是由電化學(xué)工作站(CHI 660E，Chen Hua，China)完成測(cè)試．其中，開(kāi)路電壓可以直接測(cè)定，而內(nèi)阻是對(duì)REDCs加載5組不同電流(0.005、0.020、0.050、0.100和0.150 A)時(shí)，通過(guò)測(cè)定電池的電壓降(ΔU)經(jīng)計(jì)算后得到的平均值．計(jì)算方法為

(12)

電池輸出功率采用電流掃描法測(cè)定．電流掃描速率為0.01 A/s，并記錄輸出電壓．輸出功率為

P=UactI

(13)

圖3 REDCs實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.3 Photo of REDCs experimental system

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

不含電解質(zhì)的純水電導(dǎo)率幾乎為零，從而導(dǎo)致Rd非常大．為了降低Rd，需要對(duì)分離出的溶劑(水)進(jìn)行“摻雜”，使其成為稀溶液．對(duì)于溶液濃差發(fā)電，改變稀、濃溶液濃度均會(huì)影響REDCs的工作特性，溶液濃度變化如何影響電池組的工作特性是本次實(shí)驗(yàn)需要解決的問(wèn)題．

由于溶液溫度變化也會(huì)影響REDCs工作特性，本次實(shí)驗(yàn)溶液溫度恒定在20 ℃，進(jìn)行稀、濃兩種溶液濃度變化對(duì)REDCs工作特性的影響實(shí)驗(yàn)．濃溶液濃度恒為5 mol·L-1(17.49%)，改變稀溶液濃度對(duì)REDCs性能參數(shù)的影響；稀溶液濃度恒為0.05 mol·L-1，改變濃溶液濃度對(duì)REDCs性能參數(shù)的影響．

4.1 稀溶液濃度變化對(duì)內(nèi)電阻的影響

圖4給出了稀溶液濃度變化對(duì)Ri,cells的影響．圖中Ri,cells的計(jì)算值是按式(6)以進(jìn)、出口平均電導(dǎo)率計(jì)算得到．從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，隨著稀溶液濃度增大，Ri,cells變化趨勢(shì)先是急劇降低，然后趨于平緩．其原因在于，在純水中加入少量氯化鋰后其電導(dǎo)率急劇增大，導(dǎo)致Rd降低，電池組總內(nèi)阻值也隨之降低．但當(dāng)稀溶液濃度增加到一定值后，繼續(xù)增大其濃度，盡管溶液的電導(dǎo)率會(huì)有所增大，但增大幅度大為降低，使得Rd和Ri,cells降低幅度非常有限，反而會(huì)使稀、濃溶液濃差減小而影響電池的工作性能．

如圖4所示，當(dāng)稀溶液濃度大于0.05 mol/L時(shí)，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值相差基本不變，這是由于式(6)計(jì)算值是電池的歐姆電阻，差值即為電池的非歐姆電阻(RΔc)通過(guò)式(4)計(jì)算得出．從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)稀溶液濃度為0.01 mol·L-1，實(shí)測(cè)的Ri,cells和計(jì)算得到的Rohm差值最大．因?yàn)槭?6)中膜面電阻以恒值(見(jiàn)表1)計(jì)算，是在0.5 mol/L NaCl溶液中測(cè)得，Galama等[31]對(duì)溶液濃度對(duì)離子交換膜電阻的影響研究表明，膜電阻隨著溶液濃度降低而升高，且當(dāng)溶液濃度低于0.1 mol/L時(shí)，膜電阻急劇升高.

圖4 REDCs內(nèi)電阻隨稀溶液濃度的變化Fig.4 Variations of REDCs internal resistance vs. weak solution concentration

4.2 稀溶液濃度變化對(duì)開(kāi)路電壓的影響

圖5給出了稀溶液濃度變化對(duì)REDCs開(kāi)路電壓(Uocv)的影響．圖中電壓計(jì)算值是按式(2)計(jì)算得到，其中濃度按電池入口側(cè)計(jì).

圖5 開(kāi)路電壓隨稀溶液濃度的變化Fig.5 Variations of open circuit voltage vs. weak solution concentration

由圖可見(jiàn)，以入口側(cè)溶液濃差計(jì)算的理論電壓與實(shí)測(cè)電壓數(shù)據(jù)有較大差距．其主要原因在于，稀、濃溶液流經(jīng)REDCs時(shí)，因離子遷移其濃差逐漸減小，按能斯特方程，其理論電壓也在降低，在電池出口側(cè)理論電壓為最?。鴮?shí)際REDCs電極電壓是不能大于電池內(nèi)任何處的理論電壓，否則會(huì)在電池某處出現(xiàn)“正”的電滲析效應(yīng)，這對(duì)于REDCs而言是不可能存在的．

因此，在不考慮電池其他損失條件下，電極電壓的最大值為電池出口溶液濃差下的理論電壓．由此，對(duì)于采用順流流動(dòng)的REDCs，可以得到以下重要研究結(jié)論：不能指望僅用單個(gè)REDCs高效地將溶液濃差能轉(zhuǎn)換成電能，需要多個(gè)REDCs串聯(lián)才能完成；對(duì)于確定的REDCs，任何有助于使出REDCs的溶液濃差降低的措施，勢(shì)必會(huì)使電池的電壓降低．

4.3 不同稀溶液濃度下輸出電壓隨輸出電流密度的變化關(guān)系

圖6給出了不同稀溶液濃度下REDCs輸出電壓(Uact)隨輸出電流密度(i)的變化關(guān)系．在REDCs研究中常采用電流密度作為電流單位，是指單位膜面積所通過(guò)的電流，由實(shí)測(cè)電流除膜有效利用面積得到．由圖可見(jiàn)，REDCs輸出電壓隨外回路電流密度的增加幾乎呈線性下降關(guān)系，濃度高低僅影響其下降的斜率(內(nèi)阻)和截距(開(kāi)路電壓)．當(dāng)濃度在0.05 mol·L-1及以上時(shí)，隨濃度增大，Uact-i線幾乎平行，但逐步降低．當(dāng)濃度小于0.05 mol·L-1時(shí)，Uact-i線變得更陡峭些，即隨i的增加，Uact下降更快．說(shuō)明電阻變化與圖4所示結(jié)果一致.

圖6 不同稀溶液濃度下輸出電壓隨電流密度的變化Fig.6 Variations of terminal voltage vs. current density with different weak solution concentrations

4.4 不同稀溶液濃度下功率密度隨輸出電流密度的變化關(guān)系

圖7給出了不同稀溶液濃度下REDCs功率密度(Pd)隨輸出電流密度(i)的變化關(guān)系．由圖可見(jiàn)，REDCs的Pd隨i呈上凸的二次曲線變化．在不同的稀溶液濃度下，Pd有一最大值(Pd,max)．從圖中還可見(jiàn)，當(dāng)稀溶液濃度為0.05 mol·L-1時(shí)，Pd,max最大，達(dá)到1.67 W·m-2．另外，不同稀溶液濃度情況下，Pd,max所對(duì)應(yīng)的電流密度也不相同．因此，即使對(duì)于同一REDCs，稀溶液濃度發(fā)生變化，其工作特性也隨之發(fā)生變化.

圖7 不同稀溶液濃度下功率密度隨電流密度的變化Fig.7 Variations of power density vs. current density with different weak solution concentrations

4.5 不同濃溶液濃度下輸出電壓和功率密度隨輸出電流密度的變化關(guān)系

REDCs工作特性不僅受稀溶液濃度的影響，也受濃溶液濃度的影響．由于氯化鋰在水中有很大的溶解度，較適合用于REDCs大濃差發(fā)電的要求．圖8和9給出稀溶液濃度恒定在0.05 mol·L-1情況下，濃溶液濃度變化對(duì)REDCs工作特性的影響關(guān)系.

圖8 不同濃溶液濃度下輸出電壓隨電流密度的變化Fig.8 Variations of terminal voltage vs. current density with different strong solution concentrations

由圖8可見(jiàn)，REDCs的開(kāi)路電壓(電流為0時(shí)電壓)先開(kāi)始隨濃溶液濃度的升高而升高，濃度在5.0 mol·L-1左右達(dá)到峰值(1.651 V)，然后隨著濃溶液濃度繼續(xù)升高，開(kāi)路電壓開(kāi)始下降．其原因在于當(dāng)溶液濃度達(dá)到一定值后，繼續(xù)增加濃度會(huì)使溶液的電導(dǎo)率降低，溶液電阻增加，電壓降低．因此，對(duì)于REDCs發(fā)電性能而言，在稀溶液濃度一定的條件下，濃溶液的濃度不是越大越好，而是有一最優(yōu)濃度．在此最優(yōu)濃度下，電池的開(kāi)路電壓和功率密度可以達(dá)到最大(見(jiàn)圖9)．電池輸出電壓隨輸出電流密度的變化關(guān)系與圖6所示的情況類(lèi)似，Uact隨i呈線性下降關(guān)系．濃度在5.0～7.0 mol·L-1時(shí)，Uact-i線非常接近．較低濃度溶液情況下，高濃度溶液Uact-i線斜率較?。?/p>

圖9 給出了REDCs功率密度隨電流密度的變化關(guān)系，也是一種呈上凸的二次曲線關(guān)系，且溶液濃度越低，電池最大功率密度下的電流密度越?。芤簼舛仍?.0 mol·L-1時(shí)，電池輸出功率密度達(dá)到最大(1.67 W·m-2)．濃度在5.0～7.0 mol·L-1時(shí)，Pd-i線比較接近，但隨濃度繼續(xù)升高，電池的Pd,max降低.

圖9 不同濃溶液濃度下功率密度隨電流密度的變化Fig.9 Variations of power density vs. current density with different strong solution concentrations

5 結(jié) 論

(1)溶液濃差能可以通過(guò)REDCs電池直接轉(zhuǎn)換成電能．

(2)REDCs發(fā)電特性不僅受稀溶液濃度的影響，還受濃溶液濃度的影響．

(3)對(duì)于確定結(jié)構(gòu)的REDCs和運(yùn)行參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)均有一個(gè)最適的稀或濃溶液濃度值，使其發(fā)電性能達(dá)到最優(yōu)．

(4)在稀、濃溶液順流條件下，不能指望僅用一個(gè)REDCs電池高效地將溶液濃差能轉(zhuǎn)換成電能，需要多個(gè)電池串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)．

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Experimental study of solution concentration difference power generation with lithium chloride solution as working fluid

XU Shiming*1,WU Debing1,WU Xi1,HU Junyong1,LIU Huan1,ZHANG Hongjun1,CHEN Shunquan2,CHEN Jing2

(1.Key Laboratory of Ocean Energy Utilization and Energy Conservation of Ministry of Education，School of Energy and Power Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China； 2.Guangdong Key Laboratory of Membrane Material and Membrane Separation, Guangzhou Institute of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 511458, China )

Through experiments, the influences of concentration variations of both weak and strong solutions on the characteristic parameters of reverse electrodialysis cells (REDCs), such as open circuit voltage (OCV), internal resistance and power density, are explored, in which lithium chloride solution prepared is used as working fluid. The results show that the maximal OCV and power density of the homemade REDCs with 10 cells are 1.88 V and 1.67 W/m2in the range of experimental concentration, respectively. The OCV of the REDCs reduces with the increase of weak solution concentration, but increases first and then reduces with the increase of strong solution concentration. The internal resistances of the REDCs reduce with the increase of both weak and strong solution concentrations. The terminal voltage and power density of the REDCs are affected by current. With the increase of current, the terminal voltage drops linearly but the variations of power density appear a convex quadratic curve. The power density of the REDCs reaches maximum when the total circuit resistance is twice as big as the internal resistance of the REDCs.

low-grade heat；lithium chloride solution; reverse electrodialysis cells; concentration difference power generation

1000-8608(2017)04-0337-08

2016-11-30；

2017-05-22．

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51606024)；廣東省膜材料與膜分離重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題資助項(xiàng)目(GIAT2016061404)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(DUT17JC31).

徐士鳴*(1957-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:xsming@dlut.edu.cn.

TK115

A

10.7511/dllgxb201704002