Isothermal Operasyon Altında Düşük Dereceli Isı Hasat Için Asimetrik Termoelektrokimyasal Hücre
Summary
Düşük dereceli ısı bol, ama verimli kurtarma hala büyük bir sorundur. Elektrolit olarak KCl ile bir anot olarak katot ve polyanilin olarak grafen oksit kullanarak bir asimetrik termoelektrokimyasal hücre rapor. Bu hücre, düşük sıcaklıklı bölgelerde yüksek ısı-elektrik dönüşüm verimliliği sergileyen, isotermal ısıtma altında çalışır.
Abstract
Düşük dereceli ısı, atık ısı olarak çevrede bol miktarda bulunur. Düşük dereceli ısının elektriğe verimli bir şekilde dönüştürülmesi çok zordur. Termal degrade veya termal döngüden yararlanmadan şarj ve boşaltma işlemlerinde isotermal çalışma altında ısı-elektrik dönüşümü için asimetrik bir termoelektrokimyasal hücre (aTEC) geliştirdik. ATEC grafen oksit (GO) katot, bir poliyanin (PANI) atodu ve elektrolit olarak 1M KCl oluşur. Hücre, oda sıcaklığından (RT) yüksek sıcaklığa (TH, ~40-90 °C) ısıtılırken GO’nun psödokapasif reaksiyonu nedeniyle bir gerilim oluşturur ve harici bir elektrik yükü bağlandığında pani oksitlenerek akım art arda üretilir. ATEC, 4,1 mV/K’lık dikkate değer bir sıcaklık katsayısı ve %3,32’lik yüksek ısı-elektrik dönüşüm verimi göstererek, TH = 70 °C’de %25,3’lük carnot verimliliğiyle çalışarak düşük dereceli ısı geri kazanımı için umut verici yeni bir termoelektrokimyasal teknolojiyi ortaya koymaktadır.
Introduction
Her yerde bulunan düşük dereceli ısı enerjisi (<100 °C) geri dönüştürülebilir ve elektriğe dönüştürülebilir1,2 ama bunun yerine boşa harcanır. Ne yazık ki, ısı geri kazanımı hala büyük bir sorundur, çünkü düşük dereceli ısıyı elektriğe dönüştürmek genellikle düşük sıcaklık farkı ve ısı kaynaklarının dağıtılmış doğası nedeniyle verimsizdir3. Son yıllarda katı hal termoelektrik (TE) malzeme ve cihazlarında yoğun araştırmalar yapılmıştır, ancak DÜŞÜK dereceli ısı rejiminde TE cihazlarının ölçeklenebilir uygulaması düşük enerji dönüşüm verimliliği(ηE)ile sınırlıdır <2%4.
Termoelektrokimyasal hücrelerin (TECs) iyonik Seebeck katsayısı (α) TE yarı iletkenler5,6çok daha yüksek olduğundan, elektrokimyasal hücreler üzerinde sıcaklık etkisine dayalı alternatif yaklaşımlar, bu soruna bir çözüm olarak önerilmiştir. Termogalvanik hücreler (TGC), termal degrade uygulandığında hücre boyunca voltaj oluşturmak için iki özdeş elektrot arasında sıkışmış redoks aktif elektrolitler kullanır. Yaygın olarak kullanılan sulu Fe(CN)63-/Fe(CN)64- TGC’lerde elektrolitin α -1.4 mV/K’ye sahip olduğuve %7 ,8,9,10,11‘lik bir α’ya sahip olduğu bildirilmiştir. Ancak, TGC’ler sıvı elektrolitin kötü iyonik iletkenliğinin dezavantajına maruz kalırlar, bu da TE malzemelerindeki elektronik iletkenlikten yaklaşık üç derece daha küçüktür. Elektrik iletkenliği geliştirilebilir, ancak bu gelişmeye her zaman daha düşük bir sıcaklık degradesi yol açan daha yüksek bir ısı iletkenliği eşlik ediyor. Bu nedenle, TGC’lerin e’si, sıvı elektrolit iletkenliği ile elektrotun her iki tarafında istenilen redoks reaksiyonları için sıcaklık gereksinimi arasındaki denge nedeniyle doğal olarak sınırlıdır.
Bir termal rejeneratif elektrokimyasal döngüsü (TREC)12,13,14 katı bakır heksakraloferrate (CuHCF) katot ve Cu / Cu+ anodu kullanarak bir pil sistemi dayalı son zamanlarda bildirilmiştir. TREC, elektrolit iletkenliğini iyileştirmek için bir kese hücresi olarak yapılandırılır, α −1.2 mV/K’yi gösterir ve 60 °C ve 10 °C’de çalıştırıldığında %3,7 (ηcarnot’un%21’i) yüksek bir E’ye ulaşır. Bununla birlikte, TREC bir sınırı dış elektrik her termal döngüde elektrotlar şarj etmek için sürecin başında gerekli olmasıdır, karmaşık sistem tasarımları yolaçan 14. Bu sınırlama olmadan bir TREC elde edilebilir, ancak <1%13düşük bir dönüşüm verimliliği muzdarip. TREC sistemi, farklı α değerlerine sahip iki tip Prusya mavisi analoglarından (PBA) oluşan sodyum-iyon ikincil pil (SIB) tipi bir termik hücrenin atık ısıyı hasat edebildiği ortaya koymaktadır. Termal verim (η) ΔT ile orantılı olarak artar. Ayrıca, δt = 30 K, 56 K ayrı ayrı % 1.08, %3.19’a ulaşır. Isı döngüselliği Ni-ikame PBA15,16,17,18kullanılarak geliştirilmiştir.
Alternatif olarak, termal olarak rejeneratif amonyak pili (TRAB) bakır bazlı redoks çiftleri kullanır [Cu(NH3)42+/Cu ve Cu(II)/Cu] elektrolitin sıcaklığını pozitif ve negatif elektrotlarla birlikte değiştirerek ters sıcaklık gradyanı ile çalışır, bu da %0,53 (%13) karnotüretir. Ancak, bu sistem sıvı elektrolit dolu iki tank ile yapılandırılır, yavaş ısıtma ve soğutma neden. Ayrıca, sistemde amonya akışı güvenlik, sızıntı ve istikrar19,20,21ile ilgili endişeler oluşturur.
Burada, geometrik konfigürasyonda bir sıcaklık degradesi tutmadan veya termal döngüde sıcaklıkları değiştirmeden sürekli izotermal ısıtma ile ısıyüklü ve elektriksel olarak deşarj edilebilen ısı-elektrik dönüşümü için asimetrik bir termoelektrokimyasal hücre (aTEC) salıyoruz. ATEC, grafen oksit (GO) katot ve poliyanin (PANI) anodu ve elektrolit olarak KCl dahil olmak üzere asimetrik elektrotlar kullanır. Go’nun termo-psödokapasif etkisi ile ısıl olarak şarj edilir ve pani oksidasyon reaksiyonu ile boşaltılır. Özellikle, aTEC 4,1 mV/K yüksek α sergiler ve% 3,32, şimdiye kadar 70 °C (ηCarnot%25,3) ulaşılan en yüksek bir ηE ulaşır.
Protocol
Representative Results
Discussion
aTEC, RT’den TH’ye ısıtma sırasında termal bir şarj işlemi ve TH’deart arda elektrik boşaltma işlemi ile termal enerjiyi elektriğe dönüştürür. Bir sıcaklık degradesine veya TGC ve TREC gibi bir sıcaklık döngüsüne olan bağımlılıktan kurtulan aTEC, tüm şarj ve boşaltma işlemleri sırasında isothermal ısıtma işlemine olanak tanır. Isıl ısıl uyarılmış gerilim GO’nun psödokapasi etkisine dayanır, çünkü ısıtma, protonların GO’nun oksijen fonksiyonel gruplar?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar Prof. D.Y.C. Leung ve Dr. Y. Chen (Hong Kong Üniversitesi), Prof. M.H.K. Leung (Hong Kong Şehir Üniversitesi), Dr. W. S. Liu (Güney Bilim ve Teknoloji Üniversitesi) ve Bay Frank H.T. Leung (Techskill [Asia] Limited) ile yapıcı bir tartışma kabul etmektedirler. Yazarlar, 17204516 ve 17206518 ödül numarası ve Yenilik ve Teknoloji Fonu (Ref: ITS/171/16FX) altında Hong Kong Özel İdare Bölgesi Araştırma Hibeleri Konseyi Genel Araştırma Fonu’nun mali desteğini kabul etmektedirler.
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).
