خلية كيميائية حرارية غير متناظرة لحصاد الحرارة منخفضة الدرجة تحت عملية Isothermal

* These authors contributed equally
Chemistry

Your institution must subscribe to JoVE's Chemistry section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

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.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Mu, K., Wang, X., Ho Li, K., Huang, Y. T., Feng, S. P. Asymmetric Thermoelectrochemical Cell for Harvesting Low-grade Heat under Isothermal Operation. J. Vis. Exp. (156), e60768, doi:10.3791/60768 (2020).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

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).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. إعداد القطب أكسيد الجرافين

  1. تركيب أكسيد الجرافين عبر طريقة هامر المعدلة
    1. الخطوات 1.1.2 و 1.1.3 تحدث في درجة حرارة منخفضة (<0 درجة مئوية). تعميم المياه الجليدية المتدفقة من خلال الطبقة الخارجية من كوب زجاج الجدار المزدوج وضعت على التحريك المغناطيسي لخلق ظروف درجة حرارة منخفضة للالمواد المتفاعلة في الداخل.
    2. مزيج 1 غرام من نترات الصوديوم (ناو3)مع 100 مل من حمض الكبريتيك (H2SO4، الصف الكاشف ، 95-98 ٪) باستخدام التحريك البطيء في الكأس.
    3. إضافة 1 غرام من الجرافيت تقشر في حمض الكبريتيك ويحرك لمدة 1 ساعة في الحمام البارد. إضافة 6 غرام من برمنغنات البوتاسيوم (KMnO4)تدريجيا إلى الحل ويحرك الخليط لمدة 2 ساعة أخرى.
    4. الخطوة التالية من رد الفعل يحدث في درجة حرارة متوسطة (~ 35 درجة مئوية). تغيير الماء المثلج إلى 35 درجة مئوية الماء ومواصلة أكسدة الجرافيه عن طريق التحريك لمدة 1/2 ساعة.
    5. الخطوة الأخيرة من رد الفعل يحدث في TH (80-90 درجة مئوية). أضف 46 مل من الماء الديالمتين (DI) (70 درجة مئوية) إلى خزان التفاعل بقطرة. لاحظ أن رد الفعل قوي. إضافة 140 مل من ماء DI و 20 مل من بيروكسيد الهيدروجين (30٪ H2O2)في خزان التفاعل كخطوة أخيرة من التفاعل. تأكد من أن الجسيمات الذهبية من GO تظهر نتيجة لذلك.
    6. غسل المنتج جيدا مع حمض الهيدروكلوريك المخفف (HCl) وماء DI عدة مرات حتى تعليق GO تصل إلى درجة الحموضة = 7.
    7. تجميد تعليق GO غسلها بين عشية وضحاها وتجفيفه في مجفف تجميد حتى يتبخر الماء تماما.
  2. إعداد قطب أكسيد الجرافين
    1. اخلط أكسيد الجرافين وأسود الكربون وPVDF بنسبة كتلة 75:15:10 ووضعها في زجاجة. بالتنقيط المذيب N-ميثيل-2-pyrrolidone (NMP) في خليط صلب وضمان نسبة الوزن من المذيبات والخليط الصلب هو 4:1.
    2. إعداد لصق عن طريق خلط في 2000 دورة في الدقيقة لمدة 13 دقيقة وإزالة الرغوة في 1200 دورة في الدقيقة لمدة 2 دقيقة مع خلاط.
    3. فرشاة معطف عجينة على ورق الكربون حتى معطف ~ 8-15 ملغ / سم2 وتجفيفه لمدة 4 ساعات في 40 درجة مئوية.

2. إعداد القطب البوليانيلين (باني)

  1. إعداد 1 wt٪ carboxymethyl السليلوز (CMC) محلول مائي عن طريق إذابة مسحوق CMC في ماء DI عن طريق التحريك لمدة 10 ساعة.
  2. مزيج 50 ملغ من ليوكولميرميرسين قاعدة باني و 10 ملغ من أسود الكربون في الكأس. أضف 150 ميكرولتر من محلول CMC 1 wt٪ في الكأس وخلطمع التحريك المغناطيسي لمدة 12 ساعة.
  3. أضف 6 ميكرولتر من محلول الستايرين-بوتادين (SBR) بنسبة 40% إلى الخليط وحركلمدة 15 دقيقة أخرى.
  4. ضع قطعة من ورق الكربون على معطف شفرة الطبيب واسقط الطين باني المختلط على الحافة الرائدة من ورق الكربون.
  5. شفرة معطف الطين لإنتاج فيلم 400 ميكرومتر سميكة على ورقة الكربون. تجفيف الطلاء لمدة 4 ساعات في 50 درجة مئوية.

3. تجميع خلية الحقيبة

  1. قطع احباط التيتانيوم في حجم approproate ومن ثم توصيل كل قطعة إلى علامة تبويب النيكل مع 20 كيلوهرتز آلة لحام بقعة بالموجات فوق الصوتية.
  2. ضع الفاصل المسامي المائي القائم على البولي بروبلين بين قطب GO وقطب PANI لتجنب الدوائر القصيرة. يتم إقران كل قطب كهربائي مع جامع واحد الحالي.
  3. حزمة الأقطاب الكهربائية باستخدام فيلم مغلفة الألومنيوم. ختم الجانبين من الفيلم مغلفة الألومنيوم مع ختم فراغ المدمجة لمدة 4 s. تعيين درجة حرارة أجزاء الختم العلوي والسفلي كما 180 درجة مئوية و 160 درجة مئوية على حدة.
  4. حقن 500 ميكرولتر من 1 M KCl المنحل بالكهرباء في خلية الحقيبة والسماح للتوازن لمدة 10 دقيقة.
  5. قذف المنحل بالكهرباء الزائد وختم الجانب الأخير من خلية الحقيبة في غرفة فراغ -80 كيلو باسكال.

4. إعداد نظام التحكم في درجة الحرارة

  1. كومة خلية الحقيبة بين وحدتين الحرارية. ضع الأزواج الحرارية على الجانبين العلوي والسفلي من الخلية. تطبيق لصق الحرارية على جميع الواجهات لضمان الاتصال الحراري جيدة.
    ملاحظة: يتم التحكم في درجة الحرارة باستخدام رمز LabVIEW. تتم مقارنة درجات الحرارة التي تقاس من الأزواج الحراريين مع درجات الحرارة الإعداد ويتم تحديد الجهد الناتج من خلال الفرق بين درجة الحرارة في الوقت الحقيقي وتحديد درجة الحرارة عن طريق التحكم PID. يتم إرسال إشارات الجهد إلى مصدر الطاقة ويتم توصيلها بالوحدة الحرارية. يضمن التحكم في الحلقة المغلقة دقة قياس درجة الحرارة داخل ± 0.5 درجة مئوية.

5- التوصيف الكهروكيميائي

  1. إجراء الاختبارات الكهروكيميائية للخلية باستخدام القوية. إجراء الشحن الحراري في وضع الدائرة المفتوحة أثناء تنفيذ عملية التفريغ الكهربائي في تيار ثابت.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

تم تكوين خلية الحقيبة aTEC مع أقطاب كهربائية غير متماثلة تتكون من كاثود GO ، وأنود PANI ، ومليئة بالكهرباء KCl. سمك خلية الحقيبة هو مبين في الشكل 1A هو 1 ملم، مما يسهل الظروف isothermal بين القطبين وكذلك التوصيل الحراري الفعال. تظهر صور المجهر الإلكتروني المسحي (SEM) لكاثود GO وأنود PANI المغلف على ورق الكربون في الشكل 1B والشكل 1C. يزيد الهيكل المسامي من منطقة التماس بين مواد القطب الكهربائي النشط والمنحل بالكهرباء ، وبالتالي تحسين تيار التفريغ وقوة الإخراج.

مع وظائف العمل المختلفة للأقطاب غير المتماثلة ، لوحظ جهد مدمج (ΟV0)على الخلية في ظروف الدائرة المفتوحة في RT(الشكل 2A1). عندما تم تسخين aTEC من RT إلى TH، أثارت الحرارة ردود الفعل الزائفة بين المجموعات الوظيفية التي تحتوي على الأكسجين (على سبيل المثال ، C = O السندات) والبروتونات في المنحل بالكهرباء في واجهة GO - مائي ، وبالتالي زاد جهد الخلية (Voc)مع انتقال الإلكترونات إلى سطح GO(الشكل 2A2). عندما تم توصيل حمولة خارجية، تم تفريغ aTEC تحت الفرق المحتمل بين الأقطاب الكهربائية في TH، حيث كانت قدرة التفريغ ترجع بشكل رئيسي إلى أكسدة أنود PANI والحد من المجموعات الوظيفية(الشكل 2A3)، والتي يمكن تقديمها على أنها

الحد:

الاكسده:

تظهر الفولتية من aTEC أثناء الشحن الحراري والتفريغ الكهربائي في TH = 70 درجة مئوية في الشكل 2B. وصلت إمكانات الدائرة المفتوحة إلى 0.185 V عندما تم تسخين الخلية من RT إلى TH = 70 درجة مئوية ، حيث أظهر aTEC معامل درجة حرارة عالية =V/T، حيث V هو جهد القطب الكهربائي وT هو درجة الحرارة) من 4.1 mV / K. وقد تم تفريغ aTEC في ظل تيار ثابت من 0.1 mA. وكانت قدرة قياس الجاذبية المحددة لـ GO 10.43 مللي أمبير/غرام في حين كانت قدرة الباني 103.4 مللي أمبير/غرام. يمكن حساب كفاءة تحويل الحرارة إلى الكهرباء من aTEC كما العمل الكهربائي الناتج(W)مقسومة على الطاقة الحرارية المدخلات، والتي يمكن التعبير عنها على النحو

تم حساب العمل الكهربائي الناتج من تكامل الجهد التفريغ على قدرة الشحن في حين أن الطاقة الحرارية المدخلات تتكون من QH لتسخين الخلية من RT إلى TH و QISO للحرارة التي تم امتصاصها أثناء التفريغ في TH. في المعادلة، س هو قدرة التفريغ، وHX هو كفاءة استعادة الحرارة، م هو كتلة المواد النشطة من الأقطاب الكهربائية والمنحل بالكهرباء، CP هو الحرارة المحددة،وT هو الفرق في درجة الحرارة بين درجة حرارة التشغيل وRT،وS هو تغيير الانتروبيا رد الفعل. واستنادا إلى التفريغ المبين في الشكل 2باء،حققت aTEC لدينا ATEC هو (E) بنسبة 3.32٪ عند درجة حرارة 70 درجة مئوية، وهو ما يعادل 25.3٪ من كارنو (13.1٪).

يسمح التشغيل الأيروثرمل لـ aTEC باستخدامه في العديد من السيناريوهات المختلفة. يمكن أن اتهم aTEC من قبل وعاء ساخن مع الماء المغلي(الشكل 3). الجهد من ستة aTECs متصلة في سلسلة يمكن أن تصل إلى > 1 V. يوضح aTEC لدينا أداء ممتاز من الحرارة إلى الكهرباء مع معامل درجة حرارة عالية وكفاءة تحويل الطاقة. يمكن تحسين أداء الجهاز الخلوي ونافذة درجة حرارة التشغيل عن طريق تغيير تكوين المنحل بالكهرباء واستخدام مواد القطب الكهربائي مع α عالية، وانخفاض القدرة الحرارية، ووظائف قوية. يلقي عملنا الضوء على تصميم الأنظمة الكهروحرارية. مع مزيد من البحث والتطوير، aTEC لديه القدرة على أن تصبح تكنولوجيا رئيسية لانتعاش الحرارة منخفضة الدرجة.

Figure 1
الشكل 1: خلية الحقيبة aTEC. (أ)تكوين خلية الحقيبة. يتم تجميع كاثود GO وأنود PANI مع جامع التيتانيوم (Ti) الحالي ويفصل بينهما فاصل البولي بروبلين المائي. صور SEM من (B) الكاثود GO و(C)أنود PANI على حد سواء المغلفة على ورق الكربون. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: الشحن والتفريغ aTEC. (أ)مبدأ العمل في aTEC. (ب)فتح الجهد الدائرة من عملية الشحن الحراري (الخط الأحمر) ومنحنى التفريغ الكهربائية (الخط الأزرق) من aTEC. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: عرض aTEC مشحونة بوعاء ساخن. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

وضع التشغيل نظام TEC الهيكل والمواد أ هـ الرقم المرجعي
(mV/K) (ه /كارنو)
تدرج درجة الحرارة
(عملية مستمرة على أساس إمكانات الأكسدة المعتمدة على درجة الحرارة في الجانبين الساخن والبارد)
TGC القطب الكهربائي: أنابيب نانوية كربونية متعددة الجدران (MWCNT) تعتمد على القطب الكهربائي 1.4 0.24% 9
المنحل بالكهرباء: K3Fe (CN)6/K4Fe (CN)6 -1.40%
القطب: المواد القائمة على الكربون 1.85 0.11% 6
المنحل بالكهرباء: K3[Fe (CN)6]/(NH4)4[Fe (CN)6]أو Fe2(SO4)3/FeSO4 -0.40%
القطب: أوراق CNT aerogel 1.43 0.55% 8
المنحل بالكهرباء: K3Fe (CN)6/K4Fe (CN)6 -3.95%
تدرج درجة الحرارة RFB القطب: قطعة قماش الكربون 3 1.80% 10
تدفق المنحل بالكهرباء: [Fe (CN)6]3-/[Fe (CN)6]4- وV3+/ V2+ -15%
دورة درجة الحرارة TREC القطب: CuHCF وCu 1.2 3.70% 14
المنحل بالكهرباء: ناو3 وCu (NO3)2 -25%
القطب: NiHCF وAg /AgCl 0.74 1.60% 12
المنحل بالكهرباء: KCl -13%
القطب: KFeIIFeIII(CN)6 و K3Fe (CN)6/K4Fe (CN)6 بقطعة قماش كربونية 1.45 0.72% 13
المنحل بالكهرباء: KNO3 -6.00%
TRAB القطب: Cu - 0.86% 19
المنحل بالكهرباء: Cu (NO3)2/NH4NO3 -6.10%
القطب: Cu - 0.70% 20
تدفق المنحل بالكهرباء: Cu (NO3)2/NH4NO3 -5.00%
دورة درجة الحرارة aTEC القطب: GO وPANI 4.1 3.32% (25.3%) هذا العمل
المنحل بالكهرباء: KCl

الجدول 1: مقارنة بين مختلف تكنولوجيات التك لتحويل الحرارة إلى الكهرباء على درجة منخفضة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 المستحث الحراري على تأثير الزائفة من GO لأن التدفئة يسهل chemisorption من البروتونات على مجموعات وظيفية الأكسجين من GO، مما تسبب في رد فعل الزائفة في واجهة جو المائية. تساهم PANI قليلاً في زيادة الجهد ولكنها توفر الإلكترونات في عملية التفريغ. استخدام المنحل بالكهرباء KCl يحافظ على تهمة واجهة القطب المنحل بالكهرباء متوازنة أثناء رد الفعل ويحسن الموصلية للخلية بأكملها. النظام غير سام وصديق للبيئة ، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات التجارية. بدائل أخرى للالمنحل بالكهرباء يمكن أن يكون ملح كلوريد، مثل NaCl، لأن أيونات الكلوريد تلعب دورا أساسيا في رد فعل الأكسدة من PANI في عملية التفريغ.

على عكس التكنولوجيات القائمة على التدرجات الحرارية أو الدورات الحرارية ، aTEC فريدة من نوعها ولديها القدرة على التطبيقات العملية بسبب انخفاض تكلفتها ، والمرونة ، وخفيفة الوزن ، وشحنها الحراري المستمر / عملية التفريغ الكهربائي ، والقدرة على تشكيل أكوام من الخلايا. وaTEC يحقق α عالية من 4.1 mV/K وعالية من 3.32٪ (ما يعادل 25.3٪ منكارنيوت)في 70 درجة مئوية، وهو أعلى من التقنيات القائمة لحصاد الحرارة منخفضة الدرجة. ويرد في الجدول 1مقارنة بين تقنيات aTEC وغيرها من التقنيات التكية.

أداء القابلية للقدرة على التحمل من aTEC لا يزال غير مرض. ويمكن تحسين هذا عن طريق إضافة زوجين الأكسدة في المنحل بالكهرباء أو تغيير مواد القطب. من المرجح أن تصنع نظائر هاوية زرقاء بروسية (PBA) قطبًا أنودًا أفضل لـ aTEC ، لأن معامل درجة الحرارة السلبي لبعض PBAs يمكن أن يساعد في تعزيز كفاءة aTEC. ATEC مع تحسين القدرة على الخلايا لديه إمكانات كبيرة للاستخدام التجاري، مثل استعادة حرارة النفايات من مكيف الهواء.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ولا يعلن صاحبا البلاغ عن أي مصالح مالية متنافسة.

Acknowledgments

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

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Chu, S., Majumdar, A. Opportunities and Challenges for A Sustainable Energy Future. Nature. 488, 294 (2012).
  2. Forman, C., Muritala, I. K., Pardemann, R., Meyer, B. Estimating the Global Waste Heat Potential. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 57, 1568-1579 (2016).
  3. Gur, I., Sawyer, K., Prasher, R. Searching for A Better Thermal Battery. Science. 335, (6075), 1454-1455 (2012).
  4. He, R., Schierning, G., Nielsch, K. Thermoelectric Devices: A Review of Devices, Architectures, and Contact Optimization. Advanced Materials Technologies. 3, (4), 1700256 (2018).
  5. 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).
  6. Zhang, L., et al. High Power Density Electrochemical Thermocells for Inexpensively Harvesting Low-Grade Thermal Energy. Advanced Materials. 29, (12), 1605652 (2017).
  7. Duan, J., et al. Aqueous Thermogalvanic Cells with A High Seebeck Coefficient for Low-Grade Heat Harvest. Nature Communications. 9, (1), 5146 (2018).
  8. Im, H., et al. High-Efficiency Electrochemical Thermal Energy Harvester Using Carbon Nanotube Aerogel Sheet Electrodes. Nature Communications. 7, 10600 (2016).
  9. Hu, R., et al. Harvesting Waste Thermal Energy Using A Carbon-Nanotube-Based Thermo-Electrochemical Cell. Nano Letters. 10, (3), 838-846 (2010).
  10. Poletayev, A. D., McKay, I. S., Chueh, W. C., Majumdar, A. Continuous Electrochemical Heat Engines. Energy and Environmental Science. 11, (10), 2964-2971 (2018).
  11. 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).
  12. Lee, S. W., et al. An Electrochemical System for Efficiently Harvesting Low-Grade Heat Energy. Nature Communications. 5, 3942 (2014).
  13. 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).
  14. Yang, Y., et al. Membrane-Free Battery for Harvesting Low-Grade Thermal Energy. Nano Letters. 14, (11), 6578-6583 (2014).
  15. 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).
  16. Shibata, T., Fukuzumi, Y., Kobayashi, W., Moritomo, Y. Thermal Power Generation During Heat Cycle Near Room Temperature. Applied Physics Express. 11, (1), 017101 (2018).
  17. Shibata, T., Fukuzumi, Y., Moritomo, Y. Thermal Efficiency of A Thermocell Made of Prussian Blue Analogues. Scientific Reports. 8, (1), 14784 (2018).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics