利用湿气产电的电器件及其制造方法 |
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| 申请号 | CN202211316901.2 | 申请日 | 2022-10-26 | 公开(公告)号 | CN117978000A | 公开(公告)日 | 2024-05-03 |
| 申请人 | 中国移动通信集团设计院有限公司; 中国移动通信集团有限公司; | 发明人 | 高鹏; 丁宏庆; 姜宇光; 朱丽; 刘洪; 李海滨; 张学斌; 王学军; 程磊; 王铁成; 娄小军; 李金峰; 孙立峰; 孙丽玫; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种利用湿气产电的电器件及其制造方法，所述电器件包括电器件壳体、蓄 水 槽和若干个产电单元，产电单元设置在电器件壳体内壁上和/或蓄水槽内，产电单元包括基底、两个 电极 和 氧 化物纳米层，两个电极间隔设置在基底上，氧化物纳米层敷设在两个电极和基底上。上述方案能够利用氧化物纳米层、电极和基底组成的产电单元在湿气刺激下产电，无需其他 能源 驱动，且对电器件的整体改进小，制造成本低，能够有效利用环境中的低品位能源，提升能源综合利用率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种利用湿气产电的电器件，其特征在于，所述电器件包括电器件壳体、蓄水槽和若干个产电单元，所述产电单元设置在所述电器件壳体内壁上和/或所述蓄水槽内，所述产电单元包括基底、两个电极和氧化物纳米层，两个所述电极间隔设置在所述基底上，所述氧化物纳米层敷设在两个所述电极和所述基底上。 |
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| 说明书全文 | 利用湿气产电的电器件及其制造方法技术领域[0001] 本发明涉及电器件制造技术领域，具体涉及一种利用湿气产电的电器件及其制造方法。 背景技术[0002] 现有的空气除湿技术包括冷却除湿、吸附除湿、吸收除湿、膜除湿等。其中的冷却除湿，通过将湿空气中的水分子冷凝成水珠，处理后的干空气排放到环境中调节环境湿度，除湿机在工作过程中相对耗能高，收集到蓄水池的水一般直接倾倒。 [0003] 现有将产电和除湿结合起来的设备都是利用温差发电技术，或者通过渗透膜产生大流量和大压差推动涡轮机发电，温差发电需要依托工作时产生的冷热温差，不工作时无温差，并且在除湿内部紧凑的部件中需要优化结构设计，所以，无论是涡轮机发电还是传统发电均受限于场地等条件，发电成本高，结构复杂，也不能和移动式除湿机结合。 发明内容[0004] 鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种利用湿气产电的电器件及其制造方法。 [0005] 为了实现上述技术目的，本发明一方面公开了一种利用湿气产电的电器件，所述电器件包括电器件壳体、蓄水槽和若干个产电单元，所述产电单元设置在所述电器件壳体内壁上和/或所述蓄水槽内，所述产电单元包括基底、两个电极和氧化物纳米层，两个所述电极间隔设置在所述基底上，所述氧化物纳米层敷设在两个所述电极和所述基底上。 [0006] 可选的，所述产电单元设置在所述电器件壳体内壁上，两个所述电极由电极原料分别敷设在所述基底上形成，氧化物纳米层包括并行相接的第一氧化物纳米层和第二氧化物纳米层，所述第一氧化物纳米层敷设在其中一个电极上，所述第二氧化物纳米层敷设在另一个电极上，且所述第一氧化物纳米层和第二氧化物纳米层的氧化物纳米材料不同。 [0007] 可选的，所述产电单元设置在所述蓄水槽内，两个所述电极由电极原料分别敷设在所述基底上形成，其中一个电极设置在水面以下，另一个电极设置在水面以上。 [0010] 可选的，两个所述电极呈长方型，宽度为1‑3cm，两个电极中心线之间的距离为1.5‑6cm。 [0011] 可选的，所述电器件还包括控制单元和储电单元，各所述产电单元经过串联和/或并联后与所述控制单元和储电单元连接。 [0012] 本发明另一方面公开了一种利用湿气产电的电器件的制造方法，所述制造方法包括： [0013] 步骤一，在基底的同一侧上间隔涂刷电极原料形成两个导电用电极，干燥后备用； [0015] 步骤三，将所述氧化物纳米颗粒溶液涂覆在涂刷有电极侧的基底上干燥后形成产电单元； [0016] 步骤四，将产电单元中所述基底的另一侧贴附在所述电器件壳体的内壁上和/或置于所述电器件内蓄水槽内，当置于所述蓄水槽内时，其中一个电极在所述蓄水槽的水面下，另一个电极在所述蓄水槽的水面以上。 [0017] 可选的，所述步骤二中，将两种氧化物纳米颗粒分别溶解于有机溶剂中，其中氧化物纳米颗粒和有机溶剂的比例为1g：(1.5‑3)ml，分别形成两种氧化物纳米颗粒溶液； [0018] 所述步骤三中，将其中一种氧化物纳米颗粒溶液涂敷在基底的一半面积区域上，且该一半面积区域上设置有一个电极，干燥后在基底另外一半面积区域上涂敷另一种氧化物纳米颗粒溶液，干燥后形成产电单元；或者， [0019] 所述步骤二中，将氧化物纳米颗粒溶解于有机溶剂中，其中氧化物纳米颗粒和有机溶剂的比例为1g：(1.5‑3)ml，形成氧化物纳米颗粒溶液； [0020] 所述步骤三中，将氧化物纳米颗粒溶液涂敷在基底设置有电极的一侧，干燥后形成产电单元。 [0022] 本发明的有益效果包括： [0023] 本发明的电器件(包括除湿器或加湿器等存在湿气的电器件)能够利用氧化物纳米颗粒、电极、薄膜组成的产电单元在湿气刺激下产电，无需其他能源驱动，直接利用除湿过程中的湿气产电。将该产电单元设置于电器件的内壁面或者蓄水池内即可接触水蒸气，整体结构简单，不受限于除湿原理；产电单元本身制作简单，制造成本低，且能够有效利用环境中的低品位能源，提升能源综合利用率。附图说明 [0024] 图1为本发明一个实施例中的利用湿气产电的电器件的立体示意图； [0025] 图2为本发明一个实施例中的利用湿气产电的电器件内部的结构示意图； [0026] 图3为本发明一个实施例中的蓄水槽的结构示意图； [0027] 图4a为本发明一个实施例中产电单元的侧视示意图； [0028] 图4b为本发明一个实施例中产电单元的俯视示意图； [0029] 图5为本发明一个实施例中电器件的制造方法的流程图。 [0030] 附图标记说明：1、电器件壳体；2、空气入口；3、蓄水池，31、蓄水池底壁，32、蓄水池内壁，33、蓄水池外壁；4、产电单元；41、基底；42、电极；43、第一氧化物纳米层；44、第二氧化物纳米层。 具体实施方式[0031] 为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的一种利用湿气产电的电器件及其制造方法做进一步详细的描述。 [0032] 实施例1 [0033] 如图1‑4所示，实施例1公开了一种利用湿气产电的电器件，该电器件为加湿器、除湿器或湿度调节器等，或者其他内部包含有湿气的电器件，优选的，所述电器件内环境湿度大于65％。 [0034] 结合图1、图2和图3所示，所述电器件包括电器件壳体1、蓄水槽3和若干个产电单元4，所述产电单元4设置(比如贴附)在所述电器件壳体内壁上，或者，所述产电单元4设置在所述蓄水槽3内，包括贴附在蓄水槽内壁32上，当然，也可以挂靠或者悬浮在该蓄水槽内，这里可不做具体的限定。 [0035] 参见图4a和图4b所示的，所述产电单元4包括基底41、两个电极42和氧化物纳米层，所述基底可以是硬性基底或者柔性基底，可以根据需要进行设置。结合图4所示的，两个所述电极42间隔设置在所述基底41上，优选该两个电极相互平行设置，而所述氧化物纳米层(43,44)敷设在所述基底41上，该氧化物纳米层可以是同一种氧化物纳米颗粒材料溶解后涂刷在基底41上，也可以是两种不同的氧化物纳米颗粒材料溶解后分别涂刷在基底41上形成。 [0036] 综上，该实施例利用电器件壳体内的湿气产电的方式来产电；或者，利用电器件内蓄水池内的水，通过水蒸发发电的方式来产电，并最终收集电能。并且，本发明实施例在电器件的基本功能基础上，仅利用蒸气或者湿气即可产电，结构简单，制造成本低，能够有效利用环境中的低品位能源，提升能源综合利用率。具体的，在一个优选的实施方式中，所述基底41贴敷在所述电器件壳体内壁上，该基底41优选为柔性基底，比如聚酰亚胺膜，聚四氟乙烯膜或铁氟龙胶带等相似的聚合物，两个所述电极42由电极原料分别敷设在所述基底上形成，具体的，该敷设可以是碳浆的涂覆，也可以是金金属的溅射等。 [0037] 在该实施方式中，氧化物纳米层包括并行相接的第一氧化物纳米层43和第二氧化物纳米层44，所述第一氧化物纳米层43敷设在其中一个电极上，所述第二氧化物纳米层44敷设在另一个电极上，且第一氧化物纳米层43和第二氧化物纳米层44敷设在基底的面积相等，若基底为方型时，各纳米层也为方型，且各占基底的一半面积，具体参见图4所示。并且，所述第一氧化物纳米层和第二氧化物纳米层的氧化物纳米材料不同，比如第一氧化物纳米层的材料为二氧化硅纳米颗粒，而第二氧化物纳米层的材料为二氧化钛纳米颗粒。 [0038] 需要指出的是，设置在电器件壳体内壁上利用环境湿气产电的原理是：比如二氧化硅纳米颗粒、二氧化钛纳米颗粒等纳米颗粒堆积形成的孔道有着较高的毛细力，对水、油都具有一种毛细作用，液体可以顺着间隙自行前进。当pH＞2.5时，二氧化硅表面首先水合，然后再电离，生成的阴离子仍在纳米颗粒表面，二氧化硅颗粒表面带负电。二氧化钛中的Ti‑O键极性较大，表面吸附的水因极化发生解离，将会吸附阳离子，容易形成羟基带正电。将两种材料置于器件两侧，吸附环境中的水后，电荷分布产生差异，表面带电的二氧化钛/二氧化硅材料无法移动，可形成类似P‑N节中的内建电场，吸附水层中氢离子与氢氧根离子的分离与结合最终处于动态平衡过程中，从而在外电路中产生电能，这种产电方式绿色环保且稳定，可用于湿度传感器或者湿气发电。 [0039] 在另一个优选的实施方式中，所述产电单元4设置在所述蓄水槽3内，所述基底41同一面上下两端分别敷设有一个电极42，其中一个电极设置在水面以下，另一个电极42设置在水面以上，所述氧化物纳米层敷设在所述基底41上，且两个所述电极42上位于所述基底41和所述氧化物纳米层之间。其中，氧化物纳米层优选为单一材质的氧化物纳米层比如三氧化二铝纳米涂层，当然也可以设置两种不同材质的氧化物纳米层。 [0040] 需要明确的是，当基底41不需要贴附在蓄水槽内壁32上时，优选的基底材质为硬性材质，可以将该基底悬挂在蓄水槽内或者靠在所述蓄水槽内壁32上；当基底41贴附在蓄水槽内壁上时，优选该基底41的材质为柔性材质，便于贴附，比如聚酰亚胺膜，聚四氟乙烯膜或铁氟龙胶带等相似的聚合物。在蓄水池内的产电原理则是：三氧化二铝等氧化物纳米涂层在毛细作用和水蒸发的驱动下能产生高的电压输出，以由于三氧化二铝为例，由于三氧化二铝纳米颗粒在去离子水或中性水溶液中表面会形成羟基，即以Al‑OH的形式存在，Al‑OH进而发生水解，使表面带有丰富的正电荷。通过利用溶剂挥发诱导的自组装过程，三氧化二铝纳米颗粒紧密堆叠形成涂层，当有水从孔隙通道中流过时，孔道表面将会带有丰富的正电荷，因此在表面将会形成双电层，在流动液体的带动下，阴离子将会在水流方向富集，形成离子浓度差，进而产生流动电压和流动电流。 [0041] 在一个或一些实施方式中，所述基底41的材料包括聚合物薄膜，比如聚酰亚胺膜，聚四氟乙烯膜或铁氟龙胶带等相似的聚合物。所述电极包括无机导电材料或金属导电材料，比如石墨烯、导电碳浆、金金属等。 [0042] 在一个或一些实施方式中，所述氧化物纳米层(43,44)43,44的材料包括二氧化硅纳米颗粒、三氧化二铝纳米颗粒、二氧化钛纳米颗粒或二氧化锌纳米颗粒中的至少一种。 [0043] 优选的，所述氧化物纳米颗粒的平均粒径为80‑400nm；所述三氧化二铝纳米涂层(3)的厚度为10‑100μm。 [0044] 在一个实施方式中，两个所述电极42呈长方型，宽度为1‑3cm，长度与基底的长度相同，而基底的形状和尺寸可以根据具体电器件壳体内部结构和面积进行设置，另外，两个电极中心线之间的距离优选为1.5‑6cm。 [0045] 在一个实施方式中，所述电器件还包括控制单元和储电单元，各所述产电单元经过串联和/或并联后与所述控制单元和储电单元连接。 [0046] 其中，所述控制单元优选为低功率控制器，用于实现对产电电路的控制，然后通过储电单元对产电的电能进行存储，并且各所述产电单元经过串联和/或并联后与所述控制单元和储电单元连接，优选的，产电的电压一般在3‑10V之间。 [0047] 实施例2 [0048] 实施例2公开了一种利用湿气产电的电器件的制造方法，参见图5所示，该制造方法包括如下步骤： [0049] 步骤一，在基底41的同一侧上间隔涂刷电极原料形成两个导电用电极，干燥后备用。 [0050] 步骤二，将氧化物纳米颗粒溶解于有机溶剂，形成氧化物纳米颗粒溶液；优选的，所述氧化物纳米颗粒与所述有机溶剂之间的比例为1g：(1.5‑4)ml，优选为两者的比例为1g:(2‑3)ml。所述氧化物纳米颗粒优选为二氧化硅纳米颗粒、三氧化二铝纳米颗粒、二氧化钛纳米颗粒或二氧化锌纳米颗粒中的任一种，平均粒径优选为100‑300nm，所述有机溶剂为甲醇或乙醇。 [0051] 步骤三，将所述氧化物纳米颗粒溶液涂覆在涂刷有电极侧的基底41上干燥后形成氧化物纳米层43，其中该氧化物纳米层的厚度优选为20‑50nm，并最终形成薄膜状的产电单元4。 [0053] 步骤四，将产电单元4中所述基底的另一侧贴附在所述电器件壳体的内壁上，或者，将其置于所述电器件内蓄水槽内，其中，当将产电单元4置于所述电器件内蓄水槽3内时，其中一个电极在所述蓄水槽的水面下，另一个电极在所述蓄水槽的水面以上。 [0054] 在一个具体实施方式中，所述步骤二中，将两种氧化物纳米颗粒分别溶解于有机溶剂中，其中氧化物纳米颗粒和有机溶剂的比例优选为1g：(1.5‑3)ml，分别形成两种氧化物纳米颗粒溶液，比如该氧化物纳米颗粒的材质分别为二氧化硅或二氧化钛，当然也可以是其他不同的两种氧化金属材料。 [0055] 此时，则在所述步骤三中，结合图4a或者结合图4b所示的，将其中一种氧化物纳米颗粒溶液涂敷在基底的一半面积区域上，且该一半面积区域上设置有一个电极，干燥后在基底另外一半面积区域上涂敷另一种氧化物纳米颗粒溶液，干燥后形成产电单元。优选的，上述的干燥时间为10s‑1800s，干燥温度为30‑100℃。 [0056] 当然，对于在水槽内设置产电单元的情形，其具体的步骤包括：所述步骤二中，将氧化物纳米颗粒溶解于有机溶剂中，其中氧化物纳米颗粒和有机溶剂的比例为1g：(1.5‑3)ml，形成氧化物纳米颗粒溶液； [0057] 所述步骤三中，将氧化物纳米颗粒溶液涂敷在基底设置有电极的一侧，干燥后形成产电单元。 [0058] 在一个优选的实施方式中，所述步骤一中的电极原料为石墨烯、碳糊或金金属，所述基底为聚酰亚胺膜、聚四氟乙烯膜或铁氟龙胶带，所述步骤二中的有机溶剂为甲醇或乙醇。 [0059] 在一个优选的实施方式中，湿气产电单元的制备至少包括如下的步骤：首先在壳体内壁上铺设基底，该基底优选为各种聚合物薄膜；然后在基底上涂刷导电电极，如碳糊；再将两种氧化物纳米颗粒溶解于有机溶剂备用，比如溶解在乙醇中，氧化物可以是氧化铝和二氧化硅，且氧化物和溶剂质量分别是10g和20ml；最后，分别将两种氧化物纳米颗粒溶液涂敷在含有电极的基底上，对称分布，一个电极占一半，涂敷一种材料，等完全干燥后再在另外一半区域涂敷另一种材料，干燥后即完成产电器件件的制备。具体产电方案可以通过不同的氧化物颗粒组合进行测试选取。 [0060] 本发明该实施方式中的的湿气产电薄膜能够利用两种氧化物纳米颗粒组成的薄膜在湿气刺激下产电，无需其他能源驱动，直接利用除湿过程中的湿气产电。将该薄膜设置于除湿装置的内壁面即可接触湿气，结构简单。不受限于除湿原理，装置简单，制造成本低，能够有效利用环境中的低品位能源，提升能源综合利用率。 [0061] 在另一个优选的实施方式中，其中氧化物纳米颗粒产电薄膜即产电单元4的制备包括四步：第一步通过裁切构成40厘米长，10厘米宽的塑料薄膜清洁干燥备用；第二步在薄膜上涂刷2厘米宽的导电碳浆，一共涂刷2条，两条之间的间隔为5厘米，分别作为正负极，待碳糊干燥即可；第三步，将纳米氧化物颗粒和乙醇按50克每100毫升的比例混合，均匀涂敷在带有干碳糊电极一侧的塑料薄膜上，自然晾干即可；第四步，在碳糊上喷涂金属铜，然后采用铜导线通过防水胶和喷射的金属铜连接，完成产电单元4的制备。 [0062] 该实施方式在除湿装置等的电器件的部件增加吸湿产电薄膜即产电单元，除湿装置等不工作时没有温差，但是蓄水池有水就可以继续产电，产电过程中不消耗其他能源，除湿装置可以不限地点，能够利用低品位能源，提高综合能源利用率。 [0063] 需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。 [0064] 此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。 |
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