Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Термогальваническая ячейка, отображающая элементы, составляющие ячейку

Термогальваническая клетка является своим родом гальванического элемента , в котором тепло используетсе , чтобы обеспечить электрическую энергию непосредственно. [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 ячейках. [5]Это отличается от гальванических элементов, в которых электроды и / или растворы различного состава обеспечивают электродвижущий потенциал. Пока между электродами существует разница температур, через цепь будет течь ток . Термогальваническую ячейку можно рассматривать как аналог концентрационной ячейки, но вместо того, чтобы работать на различиях в концентрации / давлении реагентов, они используют различия в «концентрациях» тепловой энергии. [6] [7] [8] Основное применение термогальванических ячеек - производство электроэнергии из низкотемпературных источников тепла ( отходящее тепло и солнечное тепло.). Их энергетический КПД низкий, в диапазоне от 0,1% до 1% для преобразования тепла в электричество. [7]

История [ править ]

Использование тепла для усиления гальванических элементов было впервые изучено примерно в 1880 году. [9] Однако только в 1950 году были предприняты более серьезные исследования в этой области. [3]

Рабочий механизм [ править ]

Термогальванические ячейки - это своего рода тепловая машина . В конечном итоге движущей силой является перенос энтропии от высокотемпературного источника к низкотемпературному стоку. [10] Следовательно, эти клетки работают благодаря температурному градиенту, установленному между различными частями клетки. Поскольку скорость и энтальпия химических реакций напрямую зависят от температуры, разные температуры на электродах подразумевают различное химическое равновесие.константы. Это приводит к неравным условиям химического равновесия на горячей и холодной стороне. Термоячейка пытается приблизиться к однородному равновесию и при этом производит поток химических веществ и электронов. Электроны проходят по пути наименьшего сопротивления (внешняя цепь), позволяя извлекать энергию из ячейки.

Типы [ править ]

Были сконструированы различные термогальванические ячейки с учетом их использования и свойств. Обычно их классифицируют в зависимости от электролита, используемого в каждом конкретном типе ячейки.

Водные электролиты [ править ]

В этих ячейках электролит между электродами представляет собой водный раствор какой-либо соли или гидрофильного соединения. [5] Существенным свойством этих соединений является то, что они должны быть способны подвергаться окислительно-восстановительным реакциям , чтобы перемещать электроны от одного электрода к другому во время работы ячейки.

Неводные электролиты [ править ]

Электролит - это раствор другого растворителя, отличного от воды. [5] Такие растворители, как метанол , ацетон , диметилсульфоксид и диметилформамид , успешно применялись в термогальванических ячейках, работающих на сульфате меди. [11]

Расплавленные соли [ править ]

В термоэлементах этого типа электролит представляет собой соль с относительно низкой температурой плавления. Их использование решает две проблемы. С одной стороны, температурный диапазон ячейки намного больше. 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 ячейку. Таким образом, дополнительные токопроводящие соединения не требуются, поскольку расплавленная соль является самим электролитом. [12] Типичные температуры горячего источника составляют от 600 до 900 К, но могут достигать 1730 К. Температуры холодных стоков находятся в диапазоне от 400 до 500 К.

Твердые электролиты [ править ]

Также были рассмотрены и сконструированы термоэлементы, в которых электролит, соединяющий электроды, представляет собой ионный материал. [5] Диапазон температур также выше по сравнению с жидкими электролитами. Исследуемые системы находятся в диапазоне 400–900 К. Некоторыми твердыми ионными материалами, которые были использованы для создания термогальванических ячеек, являются AgI , PbCl 2 и PbBr 2 .

Использует [ редактировать ]

Учитывая преимущества, обеспечиваемые рабочим механизмом термогальванических ячеек, их основное применение - производство электроэнергии в условиях, когда имеется избыток тепла. В частности, термогальванические ячейки используются для производства электроэнергии в следующих областях.

Солнечная энергия [ править ]

Тепло, собираемое в ходе этого процесса, генерирует пар, который можно использовать в обычной паротурбинной системе 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 идеальной. место расположения.

Это альтернативный подход к более широко используемой «фотоэлектрической» технологии производства электричества 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 солнечное тепловое электричество и фотоэлектрическая энергия изображаются как конкурирующие технологии, и, хотя это может быть правдой при принятии решения о дальнейших действиях для конкретного объекта, в целом они дополняют друг друга, поскольку используют солнечную энергию как можно более широко.

Тепловые генераторы [ править ]

Источники отработанного тепла [ править ]

Термогальванические ячейки могут использоваться для извлечения полезного количества энергии из источников отходящего тепла, даже если градиент температуры составляет менее 100 ° C (иногда всего несколько десятков градусов). Это часто имеет место во многих промышленных зонах. [13]

См. Также [ править ]

  • Концентрационная ячейка
  • Электрохимическая ячейка
  • Электрохимический потенциал
  • Гальванический элемент
  • Ионный транспортный номер
  • Преобразователь щелочно-металлический термоэлектрический
  • В поисках супер батареи (фильм PBS 2017)
  • Термоэлектрический эффект
  • Термоэлектрический генератор
  • OTEC

Ссылки [ править ]

  1. ^ Chum, HL; Остериунг, РА (1980). «Обзор термически регенеративных электрохимических систем. Том 1: Сводка и резюме ». Научно-исследовательский институт солнечной энергии стр. 35–40.
  2. ^ Quickenden, TI; Вернон, CF (1986). «Термогальваническое преобразование тепла в электричество». Солнечная энергия 36 (1): 63–72.
  3. ^ а б Агар, JN (1963). «Термогальванические ячейки». Достижения в области электрохимии и электрохимической инженерии (Эд. Делахей, П. и Тобиас, К. В.) Интерсайенс, Нью-Йорк; т. 3 с. 31–121.
  4. ^ Цито младший, R (1963). «Термогальваническое преобразование энергии». AIAA J 1 (9): 2133–8.
  5. ^ a b c d Chum, HL; Остериунг, РА (1981). «Обзор термически регенеративных электрохимических систем. Том 2 ». Научно-исследовательский институт солнечной энергии с. 115–148.
  6. ^ Тестер, JW (1992). «Оценка термогальванических ячеек для преобразования тепла в электричество». Сообщите в Crucible Ventures. Департамент химического машиностроения и лаборатории энергетики Массачусетского технологического института, Кембридж, Массачусетс. MIT-EL 92-007.
  7. ^ a b Quickenden, Т.И.; Муа, Y (1995). «Обзор выработки электроэнергии в водных термогальванических ячейках». J Electrochem Soc 142 (11): 3985–94.
  8. ^ Гунаван, А; Lin, CH; Баттри, DA; Mujica, V; Тейлор, РА; Прашер, RS; Фелан, ЧП (2013). «Жидкие термоэлектрики: обзор недавних и ограниченных новых данных экспериментов с термогальваническими ячейками». Наноразмерные микромасштабные Thermophys Eng 17: 304–23. DOI: 10.1080 / 15567265.2013.776149
  9. ^ Bouty, E (1880). «Феномены Thermo-électriques et Électro-thermiques au Contact d'un Métal et d'un Liquid [Термоэлектрические и электротермические явления при контакте металла с жидкостью]. J. Phys 9: 229–241.
  10. ^ деБетюн, AJ; Licht, TS; Свендеман, Н. (1959). «Температурные коэффициенты электродных потенциалов». J Electrochem Soc 106 (7): 616–25.
  11. ^ Clampitt et al., (1966). «Электрохимическая ячейка для преобразования тепловой энергии». Патент США 3,253,955.
  12. ^ Кузьминский, Ю.В. Засуха В.А.; Кузьминская, Г.Ю. (1994). «Термоэлектрические эффекты в электрохимических системах. Нетрадиционные термогальванические ячейки ». J Источники энергии 52: 231–42.
  13. ^ Дарио Боргино. «Массачусетский технологический институт находит новый способ получения энергии из тепла» .