इसोदरमल ऑपरेशन के तहत कम ग्रेड गर्मी की कटाई के लिए असममित थर्मोइलेक्ट्रोकेमिकल सेल
Summary
कम ग्रेड गर्मी प्रचुर मात्रा में है, लेकिन इसकी कुशल वसूली अभी भी एक बड़ी चुनौती है । हम इलेक्ट्रोलाइट के रूप में केसीएल के साथ एनोड के रूप में ग्राफीन ऑक्साइड का उपयोग करके एक असममित थर्मोइलेक्ट्रोकेमिकल सेल की रिपोर्ट करते हैं। यह सेल कम तापमान वाले क्षेत्रों में उच्च गर्मी से बिजली रूपांतरण दक्षता का प्रदर्शन करते हुए आइसोथर्मल हीटिंग के तहत काम करता है।
Abstract
कम ग्रेड गर्मी अपशिष्ट गर्मी के रूप में पर्यावरण में बहुतायत से उपलब्ध है । कम ग्रेड वाली गर्मी को बिजली में बदलने से काफी मुश्किल है। हमने थर्मल ग्रेडिएंट या थर्मल चक्र का शोषण किए बिना चार्जिंग और डिस्चार्जिंग प्रक्रियाओं में एस्थेरमल ऑपरेशन के तहत गर्मी से बिजली रूपांतरण के लिए एक असममित थर्मोइलेक्ट्रोकेमिकल सेल (एटेक) विकसित किया। एटेक एक ग्राफीन ऑक्साइड (जीओ) कैथोड, एक पॉलीएनीलाइन (पैनी) एनोड, और इलेक्ट्रोलाइट के रूप में 1M केसीएल से बना है। कक्ष तापमान (आरटी) से उच्च तापमान (टीएच,~ 40-90 डिग्री सेल्सियस) तक गर्म करते समय गो की छद्म क्षमता प्रतिक्रिया के कारण एक वोल्टेज उत्पन्न करता है, और फिर बाहरी विद्युत भार से जुड़े होने पर पैनी को ऑक्सीकरण करके धारा को क्रमिक रूप से उत्पादित किया जाता है। एटेक 4.1 एमवी/कश्मीर के उल्लेखनीय तापमान गुणांक और 3.32% की उच्च गर्मी से बिजली रूपांतरण दक्षता को दर्शाता है, जो 25.3% की कार्नोट दक्षता के साथ टीएच = 70 डिग्री सेल्सियस पर काम करता है, जो कम ग्रेड गर्मी वसूली के लिए एक नई आशाजनक थर्मोइलेक्ट्रोकेमिकल तकनीक का अनावरण करता है।
Introduction
सर्वव्यापी कम ग्रेड गर्मी ऊर्जा (<100 डिग्री सेल्सियस) को पुनर्नवीनीकरण किया जा सकता है और बिजली1,2 में परिवर्तित किया जा सकता है लेकिन इसके बजाय बर्बाद हो जाता है। दुर्भाग्य से, गर्मी वसूली अभी भी एक बड़ी चुनौती है, क्योंकि कम तापमान अंतर और गर्मी स्रोतों की वितरित प्रकृतिकेकारण कम ग्रेड गर्मी को परिवर्तित करना आमतौर पर अक्षम होता है। पिछले दशकों से ठोस-राज्य थर्मोइलेक्ट्रिक (टीई) सामग्री और उपकरणों में गहन अनुसंधान किया गया है, लेकिन कम ग्रेड गर्मी व्यवस्था में टीई उपकरणों का स्केलेबल अनुप्रयोग कम ऊर्जा रूपांतरण दक्षता (2%4)की कम ऊर्जा रूपांतरण दक्षता(ई)द्वारा सीमित है।
इलेक्ट्रोकेमिकल कोशिकाओं पर तापमान के प्रभाव के आधार पर वैकल्पिक दृष्टिकोण इस समस्या के समाधान के रूप में सुझाए गए हैं, क्योंकि थर्मोइलेक्ट्रोकेमिकल कोशिकाओं (TECs) का आयनिक सीबेक गुणांक (α) ते अर्धचालक5,6की तुलना में बहुत अधिक है। थर्मोगैलवेनिक कोशिकाएं (टीजीसी) थर्मल ग्रेडिएंट लागू होने पर कोशिका में वोल्टेज उत्पन्न करने के लिए दो समान इलेक्ट्रोड के बीच सैंडविच किए गए रेडऑक्स सक्रिय इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग करती हैं। टीजीसी में आमतौर पर इस्तेमाल होने वाले जलीय फे (सीएन)63/फे(सीएन)64-इलेक्ट्रोलाइट में -1.4 एमवी/के की α होने की सूचना मिली थी और 1%7,8,9,10,11की एक आय हुई थी । हालांकि, टीजीसी को तरल इलेक्ट्रोलाइट की खराब आयनिक चालकता की कमी का सामना करना पड़ता है, जो टीई सामग्री में इलेक्ट्रॉनिक चालकता से छोटे परिमाण के लगभग तीन आदेश हैं। विद्युत चालकता में सुधार किया जा सकता है, लेकिन यह सुधार हमेशा उच्च थर्मल चालकता के साथ होता है, जिससे तापमान में कमी होती है। इसलिए, इलेक्ट्रोड के प्रत्येक पक्ष में वांछित रेडऑक्स प्रतिक्रियाओं के लिए तरल इलेक्ट्रोलाइट आचरण और तापमान की आवश्यकता के बीच व्यापार-बंद के कारण टीजीसी काई स्वाभाविक रूप से सीमित है।
एक थर्मल पुनर्योजी इलेक्ट्रोकेमिकल चक्र (TREC)12,13,14 एक ठोस तांबे हेक्सानिनोफररेट (CuHCF) कैथोड और एक Cu/Cu+ एनोड का उपयोग कर एक बैटरी प्रणाली के आधार पर हाल ही में सूचित किया गया था । इलेक्ट्रोलाइट चालन में सुधार करने के लिए टीसीईसी को एक थैली सेल के रूप में कॉन्फ़िगर किया जाता है, जिसमें −1.2 एमवी/के का α दिखाया जाता है और 60 डिग्री सेल्सियस और 10 डिग्री सेल्सियस पर संचालित होने पर 3.7% (21% कार्नोट)के उच्च तापमानई तक पहुंचजाता है। फिर भी, TREC की एक सीमा यह है कि प्रत्येक थर्मल चक्र में इलेक्ट्रोड को चार्ज करने के लिए प्रक्रिया के शुरू में बाहरी बिजली की आवश्यकता होती है, जिससे जटिल प्रणाली14डिजाइन करती है। इस सीमा के बिना एक TREC प्राप्त किया जा सकता है, लेकिन यह <1%13की खराब रूपांतरण दक्षता से ग्रस्त है । TREC प्रणाली दर्शाता है कि एक सोडियम आयन माध्यमिक बैटरी (एसआईबी) प्रकार थर्मोसेल जिसमें दो प्रकार के प्रशिया ब्लू एनालॉग (पीबीए) शामिल हैं, जिसमें विभिन्न α मूल्यों के साथ अपशिष्ट गर्मी की फसल हो सकती है। थर्मल दक्षता ()) आनुपातिक रूप से बढ़ जाती है। इसके अलावा, 1.08%, 3.19% पर 3.19% तक पहुंचता है= 30 K, 56 K अलग से। एनआई – प्रतिस्थापित पीबीए15, 16,17,18का उपयोग करके थर्मल चक्रीयता में सुधार किया जाता है .
वैकल्पिक रूप से, एक थर्मल पुनर्योजी अमोनिया बैटरी (TRAB) तांबे आधारित रेडऑक्स जोड़ों [सीयू (एनएच3)42 +/सीयू और सीयू (II)/Cu] को रोजगार देती है जो इलेक्ट्रोलाइट के तापमान को सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के साथ सह-संचालित करके रिवर्स तापमान ढाल के साथ काम करती है, जो 0.53%(कार नॉट का13%) का उत्पादन करती है। हालांकि, इस सिस्टम को तरल इलेक्ट्रोलाइट से भरे दो टैंकों के साथ कॉन्फ़िगर किया गया है, जिससे सुस्त हीटिंग और ठंडा हो ता है। इसके अलावा, प्रणाली में अमोनिया धारा सुरक्षा, रिसाव, और स्थिरता19,20,21के बारे में चिंता पैदा करती है ।
यहां हम गर्मी से बिजली रूपांतरण के लिए एक असममित थर्मोइलेक्ट्रोकेमिकल सेल (एटेक) प्रस्तुत करते हैं जिसे ज्यामितीय विन्यास में तापमान ढाल बनाए रखने या थर्मल चक्र में तापमान स्विच न करने के बिना निरंतर आइसोथर्मल हीटिंग द्वारा थर्मल रूप से चार्ज और विद्युत रूप से डिस्चार्ज किया जा सकता है। एटेक असममित इलेक्ट्रोड का उपयोग करता है, जिसमें ग्राफीन ऑक्साइड (जीओ) कैथोड और पॉलीएनीलाइन (पैनी) एनोड और इलेक्ट्रोलाइट के रूप में केसीएल शामिल हैं। यह थर्मल रूप से गो के थर्मो-छद्म प्रभाव के माध्यम से चार्ज किया जाता है और फिर पैनी की ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया के साथ छुट्टी दे दी जाती है। विशेष रूप से, एटेक 4.1 एमवी/कश्मीर के उच्च α को प्रदर्शित करता है और 3.32% का एक उच्चई प्राप्त करता है, जो अब तक का सबसे अधिक 70 डिग्री सेल्सियस (25.3%कार्नोट)पर प्राप्त किया गया है।
Protocol
Representative Results
Discussion
एटेक थर्मल ऊर्जा को थर्मल चार्जिंग प्रक्रिया के माध्यम से बिजली में परिवर्तित करता है जब आरटी से टीएच तक हीटिंग और टीएचमें लगातार विद्युत निर्वहन प्रक्रिया होती है। तापमान ढाल या टीजीसी और TREC …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखक प्रो डीवाईसी लींग और डॉ वाई चेन (हांगकांग विश्वविद्यालय), प्रो एमएचके लींग (हांगकांग सिटी यूनिवर्सिटी), डॉ डब्ल्यू एस लियू (दक्षिणी विज्ञान और प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय), और श्री फ्रैंक एचटी लेंग (टेकस्किल [एशिया] लिमिटेड) के साथ रचनात्मक चर्चा स्वीकार करते हैं । लेखक पुरस्कार संख्या १७२०४५१६ और १७२०६५१८ के तहत हांगकांग विशेष प्रशासनिक क्षेत्र, चीन की अनुसंधान अनुदान परिषद के जनरल रिसर्च फंड की वित्तीय सहायता स्वीकार करते हैं, और नवाचार और प्रौद्योगिकी कोष (रेफरी: आईटीएस/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).
