Ученые НИТУ «МИСиС» в составе международного научного коллектива представили новую экономичную электрохимическую ячейку на углеродной ткани. Модули на основе таких ячеек преобразуют бросовое, попутное тепло в электроэнергию и смогут в перспективе заряжать прямо на руке носимые гаджеты или автомобильные аккумуляторы теплом выхлопных газов. Результаты исследования опубликованы в международном научном журнале Sustainability.
Обострение экологической обстановки и угроза глобальных изменений климата в связи с колоссальными объемами выброса парниковых газов предприятиями, производящими тепло и электроэнергию, стимулирует мировое научное сообщество акцентироваться на разработке альтернативных технологий в энергетике.
Одним из передовых направлений в данной области является развитие технологий прямого преобразования бросового тепла в электроэнергию. Для использования тепла от источников, температура которых не превышает 100 °С, наиболее эффективной технологией являются термоэлектрохимические ячейки (термоячейки), активно исследуемые многом научными группами мира.
Работа термоячеек основывается на так называемом эффекте Зеебека. Он заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает электродвижущая сила (ЭДС), если места контактов поддерживают при разных температурах. 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 представил новое исследование, посвященное повышению емкости и эффективности термоэлектрохимических ячеек, способных «переводить» энергию бросового тепла в электрический ток.
В частности, разработчики решали проблему перехода от активно изучаемых электродов на основе углеродных нанотрубок к углеродным тканям — материалу более доступному и дешевому. 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 они обнаружили, 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, который обеспечивает 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, в предыдущей статье они представили заряжаемый от тепла конденсатор, который работает периодически и должен либо менять направление теплового потока, либо удаляться от источника тепла, в то время как в данной 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.
Источник: https://misis.ru/university/news/science/2021-02/7238/