随着世界经济增长，能源需求也在持续增长，而能源紧缺是世界各国面临的重要问题。长期以来，工业生产活动（如各类工厂以及电厂）产生了大量废热；自然界的地热、干岩热等都是低品质热能，如何利用这些能量，是国内外广泛关注的问题。

近日，西安交通大学材料科学与工程学院柳永宁教授课题组发明了一种热电转换氢离子浓差热电池，并与西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室陈黎教授合作进行了该电池的热电转化效率计算。该氢离子浓差热电池采用了燃料电池结构，利用离子浓差电池原理，实现了热-电转换。该电池的工作原理如下：氢气从阳极进入电池被氧化成氢离子，在阳极和阴极两侧形成离子浓度差，离子由阳极扩散通过质子交换膜后到达阴极又被还原成了氢气，在这个过程中氢气没有消耗，但贡献了电子，产生了电流，整个过程实现了热-电能转化。在170 ^oC工作时，该体系的电流密度最高可达21 mA cm^-2，功率密度最高可达10.3 Wm^-2，热-电转换效率达到了13.72%，该效率高于目前报道的热电材料的转换效率。基于燃料电池的结构特征，该电池也可以通过串联形成电池堆，提高电池的输出电压和功率。该项研究成果为热能利用提供了新途径。

氢离子浓差热电池工作原理及电池性能

本项研究成果最近以“Harvesting waste heat energy by promoting H⁺-ion concentration difference with a fuel cell structure”为题在线发表在国际能源顶级期刊 Nano Energy （IF=13.12）上。该研究是涉及材料学、电化学、传热传质学等学科的交叉学科前沿方向，不同学科的研究人员进行了深入合作。论文第一作者是材料科学与工程学院博士生刘艳，通讯作者为材料学院柳永宁教授，合作作者包括西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室的陈黎教授以及美国新泽西州罗格斯大学Tewodros Asefa教授，西安交通大学为该第一通讯作者单位。柳永宁教授课题组多年来一直在锂离子电池材料、燃料电池及超级电容器等能源材料与技术领域进行探索和研究，多项研究成果发表在Nano Letter, Nano Energy, Journal of Materials Chemistry A等国际著名期刊。氢离子浓差热电池是在这些研究成果的基础上发明的一种全新电池，是自主原创的成果。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.12.022