Альтернативная энергетика - как можно повысить КПД термогальванического элемента

[Хоббит)]

По 2 полностью согласен ... сделаю

...

Тогда, если нужно обсудить постановку эксперимента, то спросите. Можно взять любые дисковые аккумуляторы, любого размера; можно сделать и с одним, и с их батареей. Этот эксперимент - только для обнаружения самого эффекта. 

...

В анодной банке концентрацию раствора можно подобрать такой, что все физическое тепло раствора (тепловая энергия 90^оС - 50^оС) перейдет в химическую энергию, при 50^оС наступает химическое равновесие. В катодной банке охлаждением от 50^оС до 20^оС практически полное восстановление металла .  Красивые теоретические выкладки получались для реакции 2Fe³⁺  + Fe⁰ =  3 Fe ²⁺. На практике - гидролиз солей железа. Кислая среда для исключения гидролиза не поможет - разрушает анодную банку. По меди - активность хорошая, но равновесные концентрации не позволяют провести качественный эксперимент. Только общую возможность продемонстрировать. Пока выбор пал на раствор хлорной меди в пиридине. По причине равновесных концентраций.

...

Если бы всё тепло ушло в химическую энергию, то смесь бы охладилась и температура не изменилась - 50"С. Если смесь имеет температуру 90"С, то её энергия равна сумме тепловой и химической. Ровно так же и с охлаждённой частью.

На поддержание разности температур нужно тратить мощность ( поток энергии за единицу времени ) на потери наружу и на внутренние тепловые потери. 

Чтобы потери были минимальны, нужно сделать мощность полезную гораздо больше мощности суммарных потерь.

Полезная мощность связана с током во внешней цепи : P~U*I ( произведение тока и напряжения выбранной химической реакции - менее 0,15В для хлоридов меди ) ,- этот перенос заряда электронов снаружи должен быть равен такому же переносу заряда ионов ( обычно) внутри элемента. Значит внутри элемента нужно обеспечить эффективный перенос ионов, - обычно это делается диффузией.

Диффузия напрямую связана с теплопроводностью. Поэтому можно оценить по разности температур потери, а по ЭДС химической реакции - полезную мощность, Далее можно оценить выигрыш. 

Вы уже делали такую оценку?

[ViktorP]

Если бы всё тепло ушло в химическую энергию, то смесь бы охладилась и температура не изменилась - 50"С. Если смесь имеет температуру 90"С, то её энергия равна сумме тепловой и химической. Ровно так же и с охлаждённой частью.

На поддержание разности температур нужно тратить мощность ( поток энергии за единицу времени ) на потери наружу и на внутренние тепловые потери.

Вот, в самую точку. Это наилучшая иллюстрация классического понимания. Вот к примеру двигатель вн.сгорания. Если смесь топливную всегда делать слишком богатой, значит ли это, что КПД такого двигателя низкий? Тепла подводить нужно столько, сколько нужно на реакцию. Но как же поддержание разницы температур и сопутствующие теплопотери?

 

Ответ прост - нужно вначале нагреть электролит без контакта с металлом. Не будет источника хим. реакции - всё тепло уйдет на нагрев раствора. Нагретый раствор ( Сu +) вливаем в банку анодную со слоем меди. По солям меди в воде только 14% аккумулированного тепла уйдет на реакцию (т.е. по опытным данным около 3,7% перейдет в Cu2+). А можно подобрать такие растворы, где всё тепло пойдет на реакцию окисления металла анода. ПОДДЕРЖИВАТЬ РАЗНИЦУ ТЕМПЕРАТУР не нужно. Пусть электролит остывает за счет реакций с t3 до t2 - всё равно средняя во времени температура анода будет больше температуры катода. А тепло переходит в химическую энергию (идея 1). По логике тут и нет никаких затрат на ЭДС и токи. Т.е. как и получено экспериментально, основным генератором ЭДС является охлаждаемый катод, на котором восстанавливается Cu.

 

Однако как Вы заметили не всё так просто.

 

этот перенос заряда электронов снаружи должен быть равен такому же переносу заряда ионов ( обычно) внутри элемента. Значит внутри элемента нужно обеспечить эффективный перенос ионов, - обычно это делается диффузией.

Диффузия напрямую связана с теплопроводностью. Поэтому можно оценить по разности температур потери, а по ЭДС химической реакции - полезную мощность, Далее можно оценить выигрыш.

В первом опыте применялся солевой мостик. Конечно тут диффузия на разности температур концентраций ионов. Теперь понял о каких теплопотерях идет речь. Мысль была отказаться от классического диффузионного мостика по причине того, что на мостике непосредственно осаждался металл. А получается решаю заодно другую задачу.

 

Несмотря ни на что, получить 0,1 Вт (1В х 100 мА) от элементарной гальванической установки - это внушает оптимизм. Это при всём уважении - не батарея элементов Пельтье, мощности которых хватит на запитывание деревенского приемника. Хотя есть элементы Пельтье и относительно большой мощности - но дорого.

 

 

Идея 2:

 

Которую хочу проверить вторым экспериментом, заодно идею 1: вместо диффузных мембран и диффузных солевых мостиков использовать принудительный перенос ионов вместе с раствором электролита. За счет принудительной циркуляции раствора по причине нагрева и охлаждения. Подбором режимов нагрева, охлаждения и концентрации раствора планирую получить примерно такую картинку:

 

 

В такой установке полагаю диффузией можно пренебречь. Теплообмен принудительный. Обе трубки изолированы, образуют полюса источника тока:  одна + другая -. Если кому непонятно: через какое-то время установка переворачивается на 180^о и трубки меняются местами.  Имитация бесконечного процесса. Хотя трубки быстро прохудятся, на несколько измерений надеюсь их хватит.

 

PS Смотрю на картинку, и думаю, а будет ли тут перенос заряда? Исходя из приведенной схемы - как будто нет. По факту эксперимента понятно он будет. Т.е. в охлажденном рассоле видимо будет и Cu ⁺ и Сu ²⁺.  Хм... мне самому нужно подумать ...

Изменено 14 Декабря, 2016 в 16:36 пользователем ViktorP

[Хоббит)]

Да, может так вам будет быстрее - начните со схемы аккумулятора на конкретной выбранной вами реакции - пусть на тех же хлоридах меди. Аккумулятор должен работать и без перепадов температур. А потом посчитайте электродные процессы с учётом влияния разной температуры, давления и прочих факторов - и увидите эту разницу. Обычно она несколько процентов, насколько я помню - химики пусть подскажут.

Изменено 14 Декабря, 2016 в 18:06 пользователем Хоббит)

[yatcheh]

Всем неравнодушным к альтернативной энергетике. Выношу на обсуждение вариант реализации термогальванической ячейки. Подробное описание во вложении.

 

В одном из учебников физхимии издания 50-60 годов целый параграф был посвящен термогальваническим источникам тока. Приведен один опыт, который был как бы обобщением всех возможностей и вынесен вердикт-КПД термогальванических источников тока < 1%. Потом все подряд перечитывал - того учебника, того параграфа не нашел. Информации в литературе мизер. Тем не менее некоторые работы за рубежом ведутся. Там для повышения КПД развивают контактные поверхности электродов. В моем понимании процессы нагрева и процессы окисления необходимо разводить в пространстве для увеличения КПД. А также уравновешивать тепловой баланс прежде всего окислительного процесса через дозированную теплопередачу.

 

Два вопроса:

1) Теоретически в окислительно-восстановительных реакциях какая часть химической энергии может перейти в электрическую? В литературе встречаются мнения, что чуть ли не 100%.

2) Думал опыт в гараже ставить, реактивы приобрел. Тут лето закончилось. В квартире с пиридином работать опасаюсь. Кто-то может провести эксперимент в лаборатории?

 

PS Моя цель продвинуть проект для результата не личного, а общественного. Нужны новые идеи обществу для решения экологических, экономических проблем. Для будущего наших детей, как бы не высокопарно это звучало. Поэтому пока всё бескорыстно. Но если когда-то за труды придет вознаграждение, всякий оказавший реальную помощь будет наравне с другими участниками решать — как его (вознаграждение) поделить по-справедливости.

 

Бро, ты пойми простую вещь. Альтернативной может быть только та энергетика, которая использует АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ источники энергии. А твоё шебуршание на предмет термогальваники - это пердёж в лужу. Гальваника - хуй с ней, но откуда ты "термо"-то возьмёшь? Будешь дрова палить в печке? Ахуеть, какая "альтернативная" энергетика! 

[Максим0]

Бро, ты пойми простую вещь. Альтернативной может быть только та энергетика, которая использует АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ источники энергии. А твоё шебуршание на предмет термогальваники - это пердёж в лужу. Гальваника - хуй с ней, но откуда ты "термо"-то возьмёшь? Будешь дрова палить в печке? Ахуеть, какая "альтернативная" энергетика! 

Не видишь - человек ИСКРЕННЕ об обществе печётся, и народу это нравится.  С КПД источников энергии на основе низкопотенциального тепла нынче далеко до цикла Карно, да и громоздко - если сделает тут прорыв - будет всем кроме добытчиков энергоресурсов счастье - Альтернатива с большой буквы в преобразовании банальной тепловой энергии - да хоть от горячей компостной кучи.

Если уж решил его на путь истинный наставить, то подсказал бы чего, у тебя ж наверняка вариантов как у дурака махорки - к примеру банальный гигантский обратный магнитокалорический эффект - коль ему зеебек не понравился.

[yatcheh]

Не видишь - человек ИСКРЕННЕ об обществе печётся, и народу это нравится.  С КПД источников энергии на основе низкопотенциального тепла нынче далеко до цикла Карно, да и громоздко - если сделает тут прорыв - будет всем кроме добытчиков энергоресурсов счастье - Альтернатива с большой буквы в преобразовании банальной тепловой энергии - да хоть от горячей компостной кучи.

Если уж решил его на путь истинный наставить, то подсказал бы чего, у тебя ж наверняка вариантов как у дурака махорки - к примеру банальный гигантский обратный магнитокалорический эффект - коль ему зеебек не понравился.

 

Да это всё за$бись! Вот если бы процессы в компостной куче удалось провести бы при температуре окружающей среды (или четверга) - всё бы было тип-топ! Топливные элемент, хуле! А как только изобретатель начинает изобретать тепловую машину, превращающую низкопотенциальное тепло в высокопотенциальное - тут приходит тётенька Энтропия с елдой в виде Второго Начала Термодинамики, и - херакс! по балде елдой... И все довольны 

[Максим0]

Да это всё за$бись! Вот если бы процессы в компостной куче удалось провести бы при температуре окружающей среды (или четверга) - всё бы было тип-топ! Топливные элемент, хуле! А как только изобретатель начинает изобретать тепловую машину, превращающую низкопотенциальное тепло в высокопотенциальное - тут приходит тётенька Энтропия с елдой в виде Второго Начала Термодинамики, и - херакс! по балде елдой... И все довольны 

Еслиб хотябы половину от карно смоглибы получить... уже прорыв был бы. Но это пока удел не низкопотенциального тепла.

А то по участку сверху трубку с теплоносителем проложил и теплообменник с вентиллятором поставил - вот тебе и дармовая могучая пара нагреватель-холодильник, и если вытащить тут энергию с КПД хотябы половины от Карно - какая прелесть была бы! Но при десятой доле от Карно все на эту тему ложат прибор - слишком долго окупается.

[Хоббит)]

... - это пердёж в лужу. ... 

Согласен, вот и объясняем шаг за шагом... 

Но есть и плюсы в данной идее, как ни странно. Вот упоминали тут на форуме такие вожделенные топливные элементы. Оценочные прикидки в уме сразу показывают такие большие тепловые потери, что без особых мер по охлаждению на КПД <99% не обойтись. А вот если дополнительно к основному процессу применить эффект влияния температуры, давления и т.д. на электродные процессы, т.е. ввести в топливный элемент градиент температуры, направить поток тепловых потерь, то можем получить некий дополнительный выигрыш по общему КПД. Чем же это не рациональная идея ? Пусть даже сама по себе она пока не работает,- не сразу Москва строилась.

По КПД топливных элементов частные примеры : http://chem21.info/page/077094144163090134148208100003079038131163058147/

А представьте ещё другой положительный эффект - быстрый заряд аккумуляторов, например, в военной и автомобильной сферах. Нагреваются эти батареи. Вот и можно так их сконструировать, чтобы обеспечить такой поток неизбежных тепловых потерь, чтобы уменьшался необходимый для электродных зарядных процессов потенциал. Пусть 1 % пока - но это уже можно патентовать.

А есть же ещё давление, концентрация и т.д., тоже могут влиять.

[Angidrid]

КПД нормальных аккумуляторов, например LiFePO4 и так около 98%. Зачем его еще увеличивать? Лучше думать как сделать их дешевыми.

[Хоббит)]

Улучшать, чтобы показать саму возможность этого,- любой путь начинается с первого шага, те же литиевые не всегда были такими, как есть сейчас. И КПД 98% не всегда бывает достаточно - я же уже объяснил выше.

Ждём, когда автор темы предложит вариант батареи на хлориде меди.

Пример такой батареи будет очень показательным для темы.