目前工业生产中化石燃料燃烧产生的大量热能只有很少一部分能够被利用,剩余工业产生的热能因无法被利用而被直接排放到大气中,因此对余热资源进行综合利用与回收是解决化石能源短缺和环境污染所带来问题的重要途径。热再生氨电池(Thermally Regenerative Ammonia-based Battery,TRAB),是一种利用电化学产电技术将低品位热能回收利用并最终转化成电能的新型能源转化装置。TRAB因其反应条件比较温和、环境友好、可拓展性好、投资成本较低等特点,逐渐引起广大研究学者的关注。目前,TRAB技术尚不能满足实际应用需求,主要原因是其功率密度还较低。TRAB电池性能的影响因素有很多,其中电极比表面积和物质传输尤其是氨传输对电池性能的影响尤为重要。本文针对现有TRAB研究不足及存在的问题,通过构建三维电极来增加比表面积,并通过构建具有氨气腔室的自呼吸式电池结构来调控氨传输,通过实验与理论模拟研究电池性能影响因素及其内部物质传输规律,探索氨传输调控方法与性能强化手段。本文主要研究内容:(1)研究了不同种类阴离子电解液体系和络合体系对电池性能和放电特性的影响,通过采用铜棒阵列电极来增大电极比表面积构建新型电池,研究阵列数量、氨浓度、流量和电极排列方式对电池性能的影响;(2)针对现有研究存在的氨渗透现象,通过气体扩散层来调控氨传输构建具有氨气腔室的电池结构,研究不同气体扩散层结构对电池性能及氨渗透现象的影响;(3)针对具有氨气腔室的热再生氨电池,建立二维数值模型,通过实验进行验证,最终获得电池内物质分布及传输规律。主要研究成果如下:(1)研究了不同电解液和络合体系对电池性能的影响。研究结果表明,采用硫酸铵体系TRAB电池最大功率达到13.2mW,是采用氯化铵电解液体系氨电池性能的3.6倍;采用乙二胺作为阳极反应物的电池获得最高的最大功率(15.19mW),这要优于采用铜和二乙烯三胺作为阳极反应物的电池性能,这主要是因为采用铜和乙二胺作为阳极反应物的电池具有更小的内阻,从而获得最高的电池性能;(2)构建铜棒阵列电极的热再生氨电池并研究电池物质传输规律及性能影响参数。实验研究表明,增加电池铜棒电极阵列数量能够增加电极反应比表面积,从而提升TRAB电池的性能;在一定氨浓度范围内,电解液中氨浓度的增加可以有效的缓解电极表面的物质受限,强化电极表面的电化学反应速率,提升电池的输出性能。然而,当继续增加氨浓度,会导致阳极腔室离子膜侧的氨浓度过高,加剧氨渗透,导致电池阴极的性能下降,从而使电池输出性能反而下降;在一定范围内,增加电解液流量可以增加阴阳极电解液的对流扩散作用,强化电极表面的物质传输以及电化学反应速率,使阴阳极性能得到提升,能够显著提升TRAB的最大功率;提高支持电解质硫酸铵的浓度会使得TRAB电池的内阻减小,从而提升了电池性能;和顺排电极结构相比,叉排电极结构会导致电极表面流体的涡流扰动,这种扰动进一步增强了电极表面物质的传输,强化了电极表面的电化学反应速率,提升电池性能;(3)构建具有氨气腔室的热再生氨电池,研究了PTFE(聚四氟乙烯)载量对氨传输及电池性能的影响规律。研究表明,在一定范围内增加气体扩散层PTFE载量能够提升电池性能,但继续增加PTFE载量电池性能下降。当PTFE载量为20%时电池达到最高的最大功率(10.9mW),分析原因可知这主要是由于PTFE含量的增加,增加了气体扩散层中的憎水通道,有利于氨气的传输,而当PTFE含量过高时会导致疏水通道被PTFE堵塞,反而阻碍氨气传输;(4)建立双腔室热再生氨电池和具有氨气腔室的热再生氨电池二维传输模型,通过实验验证表明,模拟电池极化曲线结果与实验结果在误差允许范围内。构建双腔室热再生氨电池二维数值传输模型模拟出物质浓度分布和氨浓度对性能的影响,结果表明阳极氨浓度和四氨合铜离子在泡沫铜电极内部呈梯度分布,氨浓度沿电极内方向逐渐降低,四氨合铜离子浓度沿电极外方向逐渐降低。增加阳极氨浓度可以有效的缓解电极表面的物质受限,强化电极表面的电化学反应速率,提升电池的输出性能;构建具有氨气腔室TRAB二维传输模型,结果表明阳极氨浓度和四氨合铜离子浓度在泡沫铜阳极电解液内部呈梯度分布,氨浓度沿电极内方向逐渐降低;四氨合铜离子浓度沿电极外方向逐渐降低。