Сбор отработанного тепла электрохимической ячейкой из углеродной ткани

В частности, разработчики решили задачу перехода от активно изучаемых электродов на основе углеродных нанотрубок к углеродным тканям - более доступному и дешевому материалу. Один грамм нанотрубок стоит примерно 100 рублей, в то время как грамм углеродной ткани - 7,5 рублей

Ученые НИТУ «МИСиС» в составе международного научного коллектива представили экономичную электрохимическую ячейку из углеродной ткани. Модули на основе таких ячеек преобразуют бросовое, попутное тепло в электроэнергию и могут использоваться для зарядки носимых электронных устройств от тепла, выделяемого человеком, или автомобильных аккумуляторов от горячих выхлопных газов. Результаты исследования опубликованы журнале Sustainability [1].

Одним из передовых направлений разработки альтернативных энергетических технологий является разработка методов прямого преобразования отработанного тепла в электроэнергию. При использовании источников, температура которых не превышает 100 ⁰С, наибольшую эффективность показывают термоэлектрохимические ячейки (термоячейки), активно исследуемые многими научными группами мира.

Работа термоячеек основана на так называемом эффекте Зеебека. Он заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает электродвижущая сила (ЭДС), если места контактов имеют разные температуры. Термоэлектричество называют одним из самых перспективных направлений «зеленой энергетики». Серьезным недостатком уже существующих современных образцов термоячеек является их низкая выходная мощность. Это существенно ограничивает область их применения.

Коллектив ученых кафедры ФНСиВТМ НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из российских вузов и Университета Нигерии представили новое исследование, посвященное повышению емкости и эффективности термоэлектрохимических ячеек, способных преобразовывать бросовое тепло в электрический ток.

В частности, разработчики решили задачу перехода от активно изучаемых электродов на основе углеродных нанотрубок к углеродным тканям - более доступному и дешевому материалу. Один грамм нанотрубок стоит примерно 100 рублей, в то время как грамм углеродной ткани - 7,5 рублей.

«Наша работа посвящена повышению эффективности термоэлектрохимических ячеек на основе электродов из углеродного волокна и окислительно-восстановительного электролита на основе ферри- / ферроцианида калия. Мы исследовали влияние модификации поверхности электрода из углеродного волокна на выходную мощность и параметры термоэлектрохимической ячейки», — рассказал соавтор работы, д.т.н, ведущий эксперт кафедры ФНСиВТМ НИТУ «МИСиС» Игорь Бурмистров.

Ученые исследовали два вида конструкций ячеек: обычную электрохимическую ячейку с солевым мостиком и корпусом типа монетной ячейки. В результате экспериментов было обнаружено, что модификация поверхности электродов титаном и оксидом титана может понизить внутреннее сопротивление ячейки на три порядка.

В результате этого максимальная мощность для углеродного волокна, модифицированного металлическим титаном и оксидом титана, увеличилась до 25,2 мВт / м² с КПД в 1,37%. Лучший мировой результат для термоячеек составляет около 3%, при этом в них использованы дорогостоящие массивы углеродных нанотрубок «nanoforest» (декорированные игольчатыми наночастицами платины).

Исследование является продолжением цикла разработок научного коллектива, ранее был представлен заряжаемый от тепла конденсатор, который работает периодически и должен либо менять направление теплового потока, либо удаляться от источника тепла, в то время как в представленной работе ячейка работает неопределенно долго вплоть до естественного старения основных компонентов.

По словам разработчиков, сейчас коллектив работает над дальнейшим повышением мощности полученных термоэлектрических модулей и планирует приступить к созданию опытных прототипов устройств на их основе.

Ссылки:

1. https://doi.org/10.3390/su13031377

Источник: НИТУ «МИСиС»