Термогальванический элемент
В электрохимии — термогальванический элемент это разновидность гальванического элемента , в котором тепло используется для обеспечения электрической энергии . непосредственного [1] [2] Эти ячейки представляют собой электрохимические ячейки , в которых два электрода намеренно поддерживаются при разных температурах. Эта разница температур создает разность потенциалов между электродами. [3] [4] Электроды могут быть одинакового состава, а раствор электролита однородным. Обычно это происходит в этих клетках. [5] В этом отличие от гальванических элементов, в которых электроды и/или растворы различного состава создают электродвижущий потенциал. Пока существует разница температур между электродами, ток по цепи будет течь . Термогальванический элемент можно рассматривать как аналог концентрационного элемента, но вместо того, чтобы работать на различиях в концентрации/давлении реагентов, они используют различия в «концентрациях» тепловой энергии. [6] [7] [8] Основное применение термогальванических элементов — производство электроэнергии из низкотемпературных источников тепла ( отходящего тепла и солнечного тепла ). Их энергетическая эффективность невысока и составляет от 0,1% до 1% при преобразовании тепла в электричество. [7]
История
[ редактировать ]Использование тепла для усиления гальванических элементов было впервые изучено около 1880 года. [9] Однако более серьезные исследования в этой области были предприняты только в десятилетии 1950 года. [3]
Рабочий механизм
[ редактировать ]Термогальванические элементы представляют собой своего рода тепловую машину . В конечном счете, движущей силой, стоящей за ними, является перенос энтропии от источника с высокой температурой к поглотителю с низкой температурой. [10] Следовательно, эти клетки работают благодаря температурному градиенту, установленному между разными частями клетки. Поскольку скорость и энтальпия химических реакций напрямую зависят от температуры, разные температуры на электродах предполагают разные химического равновесия константы . Это приводит к неравным условиям химического равновесия на горячей и холодной стороне. Термоячейка пытается достичь однородного равновесия и при этом создает поток химических частиц и электронов. Электроны движутся по пути наименьшего сопротивления (внешняя цепь), что позволяет извлекать энергию из ячейки.
Типы
[ редактировать ]Были созданы различные термогальванические элементы с учетом их использования и свойств. Обычно их классифицируют в зависимости от электролита, используемого в каждом конкретном типе элементов.
Водные электролиты
[ редактировать ]В этих ячейках электролитом между электродами является водный раствор какой-либо соли или гидрофильного соединения. [5] Важным свойством этих соединений является то, что они должны быть способны вступать в окислительно-восстановительные реакции , чтобы переносить электроны от одного электрода к другому во время работы ячейки.
Неводные электролиты
[ редактировать ]Электролит представляет собой раствор какого-либо другого растворителя, отличного от воды. [5] Растворители, такие как метанол , ацетон , диметилсульфоксид и диметилформамид, успешно применяются в термогальванических элементах, работающих на сульфате меди. [11]
Расплавленные соли
[ редактировать ]В термоэлементах этого типа электролитом является соль с относительно низкой температурой плавления. Их использование решает две проблемы. С одной стороны, температурный диапазон ячейки намного шире. Это преимущество, поскольку эти элементы производят больше энергии, чем больше разница между горячей и холодной сторонами. С другой стороны, жидкая соль напрямую обеспечивает анионы и катионы, необходимые для поддержания тока через клетку. Поэтому никаких дополнительных токоведущих соединений не требуется, поскольку расплавленная соль сама является электролитом. [12] Типичные температуры горячего источника составляют 600–900 К, но могут достигать 1730 К. Температуры холодного стока находятся в диапазоне 400–500 К.
Твердые электролиты
[ редактировать ]Также были рассмотрены и сконструированы термоячейки, в которых электролит, соединяющий электроды, представляет собой ионный материал. [5] Диапазон температур также расширен по сравнению с жидкими электролитами. Изученные системы попадают в диапазон температур 400–900 К. Некоторые твердые ионные материалы, которые использовались для создания термогальванических элементов, включают AgI , PbCl 2 и PbBr 2 .
Использование
[ редактировать ]Учитывая преимущества, которые дает механизм работы термогальванических элементов, их основным применением является производство электроэнергии в условиях избытка доступного тепла. В частности, термогальванические элементы используются для производства электроэнергии в следующих областях.
Солнечная энергия
[ редактировать ]Тепло, собранное в результате этого процесса, генерирует пар, который можно использовать в обычной паровой турбине для производства электроэнергии. В отличие от низкотемпературных солнечных тепловых систем, которые используются для нагрева воздуха или воды в жилых или коммерческих зданиях, эти солнечные тепловые электростанции работают при высоких температурах, требуя как концентрированного солнечного света, так и большой площади сбора, что делает марокканскую пустыню идеальным местом для сбора солнечной энергии. расположение.
Это альтернативный подход более широко используемой «фотоэлектрической» технологии производства электроэнергии из солнечного света. В фотоэлектрической системе солнечный свет поглощается фотоэлектрическим устройством (обычно называемым солнечным элементом), и энергия передается электронам в материале, преобразуя солнечную энергию непосредственно в электричество. Иногда солнечная тепловая электроэнергия и фотоэлектрическая энергия изображаются как конкурирующие технологии, и, хотя это может быть правдой при принятии решения о дальнейшем развитии конкретного объекта, в целом они дополняют друг друга, используя солнечную энергию настолько широко, насколько это возможно.
Тепловые генераторы
[ редактировать ]Источники отработанного тепла
[ редактировать ]Термогальванические элементы можно использовать для извлечения полезного количества энергии из источников отработанного тепла даже при градиенте температуры менее 100°С (иногда всего несколько десятков градусов). Это часто происходит во многих промышленных районах. [13]
См. также
[ редактировать ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Чам, HL; Остерянг, РА (1980). «Обзор терморегенеративных электрохимических систем. Том 1: Краткое содержание и краткое содержание». Научно-исследовательский институт солнечной энергии стр. 35–40.
- ^ Квикенден, Техас; Вернон, CF (1986). «Термогальваническое преобразование тепла в электричество». Солнечная энергия 36 (1): 63–72.
- ^ Jump up to: а б Агар, Дж. Н. (1963). «Термогальванические элементы». Достижения в области электрохимии и электрохимической инженерии (ред. Делахей, П. и Тобиас, К.В.) Interscience, Нью-Йорк; том. 3 стр. 31–121.
- ^ Зито-младший, Р. (1963). «Термогальваническое преобразование энергии». AIAA J 1 (9): 2133–8.
- ^ Jump up to: а б с д Чам, HL; Остерянг, РА (1981). «Обзор терморегенеративных электрохимических систем. Том 2». Институт исследований солнечной энергии стр. 115–148.
- ^ Тестер, JW (1992). «Оценка термогальванических элементов для преобразования тепла в электричество». Сообщите об этом в Crucible Ventures. Лаборатория химического машиностроения и энергетики Массачусетского технологического института, Кембридж, Массачусетс. МИТ-ЭЛ 92-007.
- ^ Jump up to: а б Квикенден, Техас; Муа, Ю. (1995). «Обзор производства электроэнергии в водных термогальванических элементах». J Electrochem Soc 142 (11): 3985–94.
- ^ Гунаван, А; Лин, Швейцария; Баттри, округ Колумбия; Мухика, В; Тейлор, РА; Прашер, Р.С.; Фелан, ЧП (2013). «Жидкие термоэлектрики: обзор недавних и ограниченных новых данных экспериментов с термогальваническими элементами». Наномасштабный микромасштаб Thermophys Eng 17: 304–23. дои: 10.1080/15567265.2013.776149
- ^ Бути, Э (1880). «Термоэлектрические и электротермические явления при контакте металла и жидкости». J Phys 9: 229–241.
- ^ деБетюн, AJ; Лихт, Т.С.; Свендеман, Н. (1959). «Температурные коэффициенты электродных потенциалов». J Electrochem Soc 106 (7): 616–25.
- ^ Клэмпитт и др., (1966). «Электрохимическая ячейка для преобразования тепловой энергии». Патент США 3 253 955.
- ^ Кузьминский, Ю.В.; Засуха, В.А.; Кузьминская, Г.Я. (1994). «Термоэлектрические эффекты в электрохимических системах. Нетрадиционные термогальванические элементы». J Источники энергии 52: 231–42.
- ^ Дарио Боргино. «MIT находит новый способ получения энергии из тепла» .
