תא תרמוכימי אסימטרית לקצירת חום בדרגה נמוכה תחת פעולת איזותרמי
Summary
חום בדרגה נמוכה הוא שופע, אבל ההחלמה היעילה שלה הוא עדיין אתגר גדול. אנו מדווחים על תא תרמוכימי אסימטרי באמצעות תחמוצת גראפן כמו קתודה ו פוליאנילין כמו אנאודה עם kcl כמו אלקטרוליט. תא זה עובד תחת חימום איזותרמי, המציגות יעילות גבוהה המרה חום לחשמל באזורים בטמפרטורה נמוכה.
Abstract
חום בדרגה נמוכה זמין בשפע בסביבה כמו חום פסולת. ההמרה היעילה של חום בדרגה נמוכה לחשמל קשה מאוד. פיתחנו תא תרמוכימי (בטק) אסימטרית להמרת חום-לחשמל תחת הפעולה איזותרמי בתהליכי טעינה והעתקה מבלי לנצל את המעבר התרמי או את המחזור התרמי. הבטק מורכב מ תחמוצת גראפן (GO) קתודה, פוליאנילין (PANI) אנאודה, ו-1M KCl כמו אלקטרוליט. התא יוצר מתח עקב תגובה מדומה מדומה של GO כאשר החימום מטמפרטורת החדר (RT) לטמפרטורה גבוהה (TH, ~ 40-90 ° c), ולאחר מכן הנוכחי הוא המיוצר ברציפות על ידי אוקסיגון PANI כאשר עומס חשמלי חיצוני מחובר. בטק ממחיש מקדם טמפרטורה יוצאת דופן של 4.1 mV/K ו חום גבוה לחשמל המרה יעילות של 3.32%, עובד ב-TH = 70 ° צ’ עם carnot יעילות של 25.3%, חשיפת טכנולוגיה חדשה מבטיחה התרמואלקטרוכימי להתאוששות חום בדרגה נמוכה.
Introduction
בכל מקום אנרגיה ברמה נמוכה (< 100 ° c) יכול להיות ממוחזרים והמרה לחשמל1,2 אבל הוא בזבז. למרבה הצער, שחזור החום הוא עדיין אתגר גדול, כי המרת חום בדרגה נמוכה לחשמל הוא בדרך כלל לא יעיל בשל ההפרש בטמפרטורה נמוכה ואת האופי המופץ של מקורות חום3. מחקר אינטנסיבי נערך במצב מוצק תרמואלקטריים (TE) חומרים ומכשירים בעשורים האחרונים, אבל היישום מדרגי של התקנים TE במשטר חום בדרגה נמוכה מוגבל על ידי יעילות המרה נמוכה אנרגיה (ηE) של < 2%4.
גישות חלופיות המבוססות על השפעת הטמפרטורה על תאים אלקטרוכימי הוצעו כפתרון לבעיה זו, מכיוון שמקדם מקדם בתאי התרמואלקטרוכימי (α) הוא הרבה יותר גבוה מזה של TE מוליכים למחצה5,6. תאים תרמוגלוון (TGC) מנצלים את האלקטרוליטים הפעילים מחדש בין שני אלקטרודות זהות כדי ליצור מתח על פני התא בעת החלת מעבר תרמי. הנפוץ מימית Fe (cn)63-/Fe (cn)64- אלקטרוליט ב tgcs דווח כי יש α של-1.4 mV/K ותשואה ηE של < 1%7,8,9,10,11. עם זאת, TGCs סובלים את החיסרון של המוליכות היונית המסכנה של האלקטרוליט הנוזלי, שהוא סביב שלוש הזמנות של סדר גודל קטן יותר מאשר מוליכות אלקטרונית בחומרים TE. ניתן לשפר את המוליכות החשמלית, אך שיפור זה מלווה תמיד במוליכות תרמית גבוהה יותר, המובילה לטמפרטורת הצבע הנמוכה יותר. לפיכך, ηE של tgcs מוגבל באופן מיסודו בשל הסחר בין מוליכות האלקטרוליט הנוזלי לבין דרישת הטמפרטורה לתגובות התגובה הרצויה בכל צד של האלקטרודה.
המחזור האלקטרו-מרגאלי (trec)12,13,14 מבוסס על מערכת הסוללה באמצעות שימוש מוצק נחושת המגלית (cuhcf) קתודה ו cu/cu+ אנודת נמסר לאחרונה. Trec מוגדר כתא כיס כדי לשפר את מוליכות האלקטרוליט, מראה α של-1.2 mV/K ולהגיע גבוה ηE של 3.7% (21% של ηקרנו) כאשר מופעל ב 60 ° c ו 10 ° c. עם זאת, מגבלה אחת של TREC היא כי החשמל החיצוני נדרש בתחילת התהליך כדי לחייב את האלקטרודות בכל מחזור תרמי, המוביל עיצובים מערכת מסובכים14. מגבלה זו אינה ניתנת להשגה, אך היא סובלת מיעילות המרה ירודה של < 1%13. מערכת ה-TREC ממחישה כי סוללה משנית של הנתרן (SIB)-סוג תא תרמותאי המורכב משני סוגים של אנגוס כחול פרוסי (PBA) עם ערכי α שונים יכולים הקציר חום פסולת. היעילות התרמית (η) מגדילה באופן פרופורציונלי עם ΔT. יתר על כן, η מגיע 1.08%, 3.19% ב ΔT = 30 K, 56 K בנפרד. הציקלוני תרמי משופר באמצעות Ni-תחליפי pba15,16,17,18.
לחילופין, סוללת אמוניה מחודשת תרמית (trab) מעסיקה זוגות מבוססי נחושת החמצון [cu (NH3)42 +/cu ו Cu (II)/cu] כי לפעול עם הטמפרטורה הפוכה הדרגתי על ידי מיתוג את הטמפרטורה של אלקטרוליט שיתוף עם אלקטרודות חיוביות ושליליות, אשר מייצרת ηE של 0.53% (13% של ηקרנו עם זאת, מערכת זו מוגדרת עם שני טנקים מלא אלקטרוליט נוזלי, גרימת חימום וקירור באיטיות. כמו כן, זרם האמוניה במערכת יוצר חששות לגבי בטיחות, דליפה, ויציבות19,20,21.
כאן אנו מציגים תא תרמוכימי (בטק) אסיאני (בעתק) להמרת חום-לחשמל, שניתן לטעון בחום וחשמלית על-ידי חימום איזותרמי רציף מבלי לשמור על הדרגתי טמפרטורה בתצורה גיאומטרית או להחליף טמפרטורות במחזור תרמי. הבטק משתמש באלקטרודות אסימטריים, כולל הקתודה (GO) והוא האלקטרוליט (PANI) אנאודה, ו-KCl כמו האלקטרוליטים. זה טעון בחום באמצעות השפעה תרמו מדומה קיבולי של GO ולאחר מכן שוחרר עם תגובת חמצון של PANI. בעיקר, בטק מציג הα גבוהה של 4.1 mV/K ומשיגה ηE של 3.32%, הגבוה ביותר אי פעם השיגה ב 70 ° צ’ (25.3% ηcarnot).
Protocol
Representative Results
Discussion
העתק ממיר את האנרגיה התרמית לחשמל באמצעות תהליך טעינה תרמי כאשר החימום מ-RT ל-H ותהליך השטית החשמלי הרצופים ב-th. להיפטר התלות על הדרגתי טמפרטורה או מחזור טמפרטורה כמו TGC ו TREC, בטק מאפשר איזותרמי חימום במהלך תהליך טעינה כולה ומשחרר. מתח תרמי המושרה מבוסס על ההשפעה הפסבדו קיבולי של G…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מכירים בדיון בונה עם פרופ ‘ D.Y.C. ליונג וד ר י. חן (אוניברסיטת הונג קונג), פרופ ‘ M.H.K. ליונג (אוניברסיטת העיר הונג קונג), ד ר ו. ס’ ליו (האוניברסיטה הדרומית למדע וטכנולוגיה), ומר פרנק H.T. ליונג (Techskill [אסיה] מוגבל). המחברים מכירים בתמיכה הפיננסית של קרן מחקר כללית של המועצה מענקי המחקר של הונג קונג באזור מינהלי מיוחד, סין, תחת הפרס מספר 17204516 ו 17206518, והקרן חדשנות וטכנולוגיה (Ref: שלה/171/16FX).
Materials
| Alumina laminated film | Showa Denko | SPALF C4 | |
| Carbon black | Alfa Aesar | H30253.22 | |
| Carbon paper | CeTech Co. Ltd | W0S1009 | |
| Carboxymethyl cellulose (CMC) | Guidechem company | ||
| DC Power supply | B&K Precision | Model 913-B | |
| Doctor blade coater | Shining Energy Co. Ltd | ||
| Gamry | Gamry Instruments | Reference 3000 | |
| Graphite | Sigma-Aldrich | 332461-2.5KG | |
| Mixer | Thinky | ARE-250 | |
| Nickel tab | Tianjin Iversonchem company | 4 mm width | |
| N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) | Sigma-Aldrich | 443778-1L | |
| Polyaniline (leucoemeraldine base) | Sigma-Aldrich | 530670-5G | |
| potassium permanganate (KMnO4) | Sigma-Aldrich | 223468-500G | |
| Separator | CLDP | 25 um thickness | |
| Sodium nitrate (NaNO3) | Sigma-Aldrich | S5506-250G | |
| Styrene butadiene | Tianjin Iversonchem company | BM400 | |
| Sulfuric acid | Sigma-Aldrich | 320501-2.5L | |
| Thermoelectric modules | CUI Inc. | CP455535H | |
| Titanum foil | Qingyuan metal | 0.03 mm thickness |
References
- Chu, S., Majumdar, A. Opportunities and Challenges for A Sustainable Energy Future. Nature. 488, 294 (2012).
- Forman, C., Muritala, I. K., Pardemann, R., Meyer, B. Estimating the Global Waste Heat Potential. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 57, 1568-1579 (2016).
- Gur, I., Sawyer, K., Prasher, R. Searching for A Better Thermal Battery. Science. 335 (6075), 1454-1455 (2012).
- He, R., Schierning, G., Nielsch, K. Thermoelectric Devices: A Review of Devices, Architectures, and Contact Optimization. Advanced Materials Technologies. 3 (4), 1700256 (2018).
- Abraham, T. J., MacFarlane, D. R., Pringle, J. M. High Seebeck Coefficient Redox Ionic Liquid Electrolytes for Thermal Energy Harvesting. Energy & Environmental Science. 6 (9), 2639-2645 (2013).
- Zhang, L., et al. High Power Density Electrochemical Thermocells for Inexpensively Harvesting Low-Grade Thermal Energy. Advanced Materials. 29 (12), 1605652 (2017).
- Duan, J., et al. Aqueous Thermogalvanic Cells with A High Seebeck Coefficient for Low-Grade Heat Harvest. Nature Communications. 9 (1), 5146 (2018).
- Im, H., et al. High-Efficiency Electrochemical Thermal Energy Harvester Using Carbon Nanotube Aerogel Sheet Electrodes. Nature Communications. 7, 10600 (2016).
- Hu, R., et al. Harvesting Waste Thermal Energy Using A Carbon-Nanotube-Based Thermo-Electrochemical Cell. Nano Letters. 10 (3), 838-846 (2010).
- Poletayev, A. D., McKay, I. S., Chueh, W. C., Majumdar, A. Continuous Electrochemical Heat Engines. Energy and Environmental Science. 11 (10), 2964-2971 (2018).
- Qian, W., Li, M., Chen, L., Zhang, J., Dong, C. Improving Thermo-Electrochemical Cell Performance by Constructing Ag-MgO-CNTs Nanocomposite Electrodes. RSC Advances. 5 (119), 97982-97987 (2015).
- Lee, S. W., et al. An Electrochemical System for Efficiently Harvesting Low-Grade Heat Energy. Nature Communications. 5, 3942 (2014).
- Yang, Y., et al. Charging-Free Electrochemical System for Harvesting Low-Grade Thermal Energy. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111 (48), 17011-17016 (2014).
- Yang, Y., et al. Membrane-Free Battery for Harvesting Low-Grade Thermal Energy. Nano Letters. 14 (11), 6578-6583 (2014).
- Fukuzumi, Y., Amaha, K., Kobayashi, W., Niwa, H., Mortitomo, Y. Prussian Blue Analogues as Promising Thermal Power Generation Materials. Energy Technology. 6 (10), 1865-1870 (2018).
- Shibata, T., Fukuzumi, Y., Kobayashi, W., Moritomo, Y. Thermal Power Generation During Heat Cycle Near Room Temperature. Applied Physics Express. 11 (1), 017101 (2018).
- Shibata, T., Fukuzumi, Y., Moritomo, Y. Thermal Efficiency of A Thermocell Made of Prussian Blue Analogues. Scientific Reports. 8 (1), 14784 (2018).
- Takahara, I., Shibata, T., Fukuzumi, Y., Moritomo, Y. Improved Thermal Cyclability of Tertiary Battery Made of Prussian Blue Analogues. ChemistrySelect. 4 (29), 8558-8563 (2019).
- Zhang, F., Liu, J., Yang, W., Logan, B. E. A Thermally Regenerative Ammonia-Based Battery for Efficient Harvesting of Low-Grade Thermal Energy as Electrical Power. Energy and Environmental Science. 8 (1), 343-349 (2015).
- Zhu, X., Rahimi, M., Gorski, C. A., Logan, B. A Thermally-Regenerative Ammonia-Based Flow Battery for Electrical Energy Recovery from Waste Heat. ChemSusChem. 9 (8), 873-879 (2016).
- Zhang, F., LaBarge, N., Yang, W., Liu, J., Logan, B. E. Enhancing Low-Grade Thermal Energy Recovery in a Thermally Regenerative Ammonia Battery Using Elevated Temperatures. ChemSusChem. 8 (6), 1043-1048 (2015).
