خلية كيميائية حرارية غير متناظرة لحصاد الحرارة منخفضة الدرجة تحت عملية Isothermal
Summary
الحرارة منخفضة الدرجة وفيرة، ولكن انتعاشها الفعال لا يزال تحديا كبيرا. نبلغ عن خلية حرارية كيميائية غير متناظرة باستخدام أكسيد الجرافين ككاثود وبوليانيلين كأنود مع KCl كالمنحل بالكهرباء. تعمل هذه الخلية تحت التدفئة الأيروثرمال، وتظهر كفاءة تحويل عالية من الحرارة إلى الكهرباء في المناطق ذات درجات الحرارة المنخفضة.
Abstract
الحرارة منخفضة الدرجة متوفرة بوفرة في البيئة كحرارة النفايات. التحويل الفعال للحرارة منخفضة الدرجة إلى كهرباء أمر صعب للغاية. لقد طورنا خلية كيميائية حرارية غير متناظرة (aTEC) لتحويل الحرارة إلى الكهرباء في إطار عملية isothermal في عمليات الشحن والتفريغ دون استغلال التدرج الحراري أو الدورة الحرارية. يتكون aTEC من كاثود أكسيد الجرافين (GO) ، وأنود البوليانيلين (PANI) ، و 1M KCl كالمنحل بالكهرباء. تولد الخلية جهدًا بسبب التفاعل الزائف للجو عندما يتم توصيل التدفئة من درجة حرارة الغرفة (RT) إلى درجة حرارة عالية (TH، ~ 40-90 درجة مئوية) ، ثم يتم إنتاج التيار على التوالي عن طريق الأكسدة PANI عند توصيل حمولة كهربائية خارجية. وaTEC يوضح معامل درجة حرارة ملحوظ من 4.1 mV/K وارتفاع كفاءة تحويل الحرارة إلى الكهرباء من 3.32٪، والعمل في TH = 70 درجة مئوية مع كفاءة كارنوت من 25.3٪، وكشف النقاب عن تكنولوجيا جديدة واعدة thermoelectrochemical لانتعاش الحرارة منخفضة الدرجة.
Introduction
يمكن إعادة تدوير الطاقة الحرارية منخفضة الدرجة في كل مكان (<100 درجة مئوية) وتحويلها إلى كهرباء1،2 ولكنها تهدر بدلاً من ذلك. لسوء الحظ ، لا يزال استرداد الحرارة تحديًا كبيرًا ، لأن تحويل الحرارة منخفضة الدرجة إلى كهرباء عادة ما يكون غير فعال بسبب الفرق المنخفض في درجة الحرارة والطبيعة الموزعة لمصادر الحرارة3. وقد أجريت بحوث مكثفة في المواد والأجهزة الحرارية الصلبة (TE) على مدى العقود الماضية، ولكن تطبيق قابلة للتطوير من الأجهزة TE في نظام الحرارة منخفضة الدرجة محدودة من كفاءة تحويل الطاقة منخفضة(ه)من <2%4.
وقد اقترح النهج البديلة على أساس تأثير درجة الحرارة على الخلايا الكهروكيميائية كحل لهذه المشكلة، وذلك لأن معامل سيبيك الأيونية (α) من الخلايا الحرارية الكهروكيميائية (TECs) هو أعلى بكثير من ذلك من أشباه الموصلات TE5،6. تستخدم الخلايا الحرارية (TGC) الشوارد النشطة الحمراء الموجودة بين أقطاب كهربائية متطابقة لتوليد جهد كهربائي عبر الخلية عند تطبيق تدرج حراري. ومائي شائع الاستخدام Fe (CN)63-/ Fe (CN)64- تم الإبلاغ عن وجود إلكهار في TGCs يحتوي على α من -1.4 mV/K وينتج هـ <1%7،8،9،10،11. ومع ذلك ، تعاني TGCs من عيب الموصلية الأيونية الفقيرة للكهارل السائل ، والذي يبلغ حوالي ثلاثة أوامر من الحجم أصغر من الموصلية الإلكترونية في مواد TE. يمكن تحسين الموصلية الكهربائية ، ولكن هذا التحسن مصحوب دائمًا بالموصلية الحرارية الأعلى ، مما يؤدي إلى تدرج في درجة الحرارة أقل. ولذلك، فإن E من TGCs محدودة بطبيعتها بسبب المفاضلة بين التوصيل المنحل بالكهرباء السائل ومتطلبات درجة الحرارة لردود فعل الأكسدة المطلوبة في كل جانب من القطب.
دورة الكهربية الكهربية التجديدية حراريا (TREC)12،13،14 على أساس نظام البطارية باستخدام النحاس الصلب hexacyanoferrate (CuHCF) الكاثود وCu / Cu+ أنود أفيد مؤخرا. تم تكوين TREC كخلية جراب لتحسين التوصيل الكهربائي ، مما يظهر α من −1.2 mV / K ويصل إلى درجةعالية منE بنسبة 3.7٪ (21٪ منكارنوت)عند تشغيلها عند 60 درجة مئوية و 10 درجة مئوية. ومع ذلك ، فإن أحد حدود TREC هو أن الكهرباء الخارجية مطلوبة في بداية العملية لشحن الأقطاب الكهربائية في كل دورة حرارية ، مما يؤدي إلى تصميمات نظام معقدة14. يمكن تحقيق TREC دون هذا القيد ، لكنه يعاني من ضعف كفاءة التحويل من <1٪13. يوضح نظام TREC أن البطارية الثانوية من نوع الصوديوم أيون (SIB) المكونة من نوعين من نظائرها الزرقاء البروسية (PBA) ذات قيم α المختلفة يمكن أن تحصد حرارة النفايات. تزداد الكفاءة الحرارية بشكل متناسب مع درجة الحرارة. وعلاوة على ذلك، يصل إلى 1.08٪، 3.19٪ في 30 K = 56 K بشكل منفصل. يتم تحسين cyclability الحرارية باستخدام ني استبدال PBA15،16،17،18.
بدلا من ذلك، بطارية الأمونيا المتجددة حراريا (TRAB) توظف الأزواج الأكسدة النحاس القائم [Cu(NH3)42 +/ Cu (II)/Cu] التي تعمل مع تدرج درجة الحرارة العكسي عن طريق تبديل درجة حرارة المنحل بالكهرباء تعاونت مع أقطاب كهربائية إيجابية وسلبية، والتي تنتج E من 0.53٪ (13٪ من الكارنيو). ومع ذلك ، يتم تكوين هذا النظام مع خزانين كاملين من المنحل بالكهرباء السائل ، مما تسبب في التدفئة والتبريد. أيضا ، تيار الأمونيا في النظام يخلق مخاوف بشأن السلامة والتسرب والاستقرار19،20،21.
هنا نقدم خلية حرارية كيميائية غير متناظرة (aTEC) لتحويل الحرارة إلى الكهرباء التي يمكن شحنها حراريًا وتفريغها كهربائيًا عن طريق التسخين المستمر دون الحفاظ على تدرج درجة الحرارة في تكوين هندسي أو تبديل درجات الحرارة في دورة حرارية. يستخدم aTEC أقطاب كهربائية غير متماثلة، بما في ذلك كاثود أكسيد الجرافين (GO) وأنود البولي انيلين (PANI)، وKCl كالمنحل بالكهرباء. يتم شحنها حراريًا عبر التأثير الحراري الزائف للجو ثم يتم تفريغها مع تفاعل الأكسدة من PANI. وتجدر الإشارة إلى أن aTEC يعرض α عالية من 4.1 mV/K ويحققE من 3.32٪، وهو أعلى مستوى يتحقق على الإطلاق عند 70 درجة مئوية (25.3٪ منكارنوت).
Protocol
Representative Results
Discussion
يقوم aTEC بتحويل الطاقة الحرارية إلى كهرباء عبر عملية شحن حراري عند التسخين من RT إلى TH وعملية تفريغ كهربائية متتالية في TH. التخلص من الاعتماد على تدرج درجة الحرارة أو دورة درجة الحرارة مثل TGC و TREC، aTEC يسمح عملية التدفئة isothermal خلال عمليات الشحن والتفريغ بأكملها. ويستند الجهد المست?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويعترف المؤلفون بالمناقشة البناءة مع البروفيسور د. ي. ك. ليونغ والدكتور ي. تشن (جامعة هونغ كونغ)، والبروفيسور م. ه. ك. ليونغ (جامعة مدينة هونغ كونغ)، والدكتور و. يقر المؤلفون بالدعم المالي لصندوق البحوث العامة التابع لمجلس المنح البحثية لمنطقة هونغ كونغ الإدارية الخاصة، الصين، تحت رقم الجائزة 17204516 و17206518، وصندوق الابتكار والتكنولوجيا (المرجع: ITS/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 |
Referências
- 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).
