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電気化学において、熱ガルバニ電池は熱を利用して直接電力を供給するガルバニ電池の一種である。 [1] [2]これらの電池は、2 つの電極が意図的に異なる温度に維持される電気化学電池である。この温度差により、電極間に電位差が生じる。 [3] [4]電極は同一の組成で、電解質溶液は均質である。これらの電池では、通常これが当てはまる。[5]これは、異なる組成の電極および/または溶液が起電力を供給するガルバニ電池とは対照的である。電極間に温度差がある限り、電流が回路を流れる。熱ガルバニ電池は濃淡電池に似ているが、反応物の濃度/圧力の差で作動するのではなく、熱エネルギーの「濃度」の差を利用する。[6] [7] [8]熱ガルバニ電池の主な用途は、低温熱源 (廃熱および太陽熱) からの発電である。エネルギー効率は低く、熱を電気に変換する場合、0.1％から1％の範囲です。[7]
歴史
熱を利用してガルバニ電池に電力を供給するという研究は、1880年頃に初めて行われました。[9]しかし、この分野でより本格的な研究が行われたのは1950年代に入ってからでした。[3]
動作メカニズム
熱ガルバニ電池は一種の熱機関です。その背後にある原動力は、最終的に高温源から低温シンクへのエントロピーの輸送です。 [10]したがって、これらの電池は、電池のさまざまな部分の間に確立された温度勾配のおかげで機能します。化学反応の速度とエンタルピーは温度に直接依存するため、電極の温度が異なると化学平衡定数も異なります。これは、高温側と低温側で化学平衡条件が不均等になることを意味します。熱電池は均質平衡に近づこうとし、その際に化学種と電子の流れを生み出します。電子は抵抗が最も少ない経路（外側の回路）を流れ、電池から電力を取り出すことができます。
種類
さまざまな熱ガルバニ電池が、その用途と特性を考慮して構築されています。通常、熱ガルバニ電池は、それぞれの特定のタイプの電池で使用される電解質に従って分類されます。
水性電解質
これらのセルでは、電極間の電解質は、何らかの塩または親水性化合物の水溶液です。[5]これらの化合物の重要な特性は、セルの動作中に電子を一方の電極からもう一方の電極に運ぶために、 酸化還元反応を起こすことができる必要があることです。
非水電解質
電解質は水とは異なる溶媒の溶液です。[5]メタノール、アセトン、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドなどの溶媒は、硫酸銅で動作する熱ガルバニ電池で効果的に使用されています。[11]
溶融塩
このタイプの熱電池では、電解質は比較的融点の低いある種の塩です。これを使用すると、2つの問題が解決されます。一方では、セルの温度範囲がはるかに広くなります。これは、これらのセルが高温側と低温側の差が大きいほど多くの電力を生成するため、利点です。他方では、液体塩は、セルを通る電流を維持するために必要な陰イオンと陽イオンを直接提供します。したがって、溶融塩自体が電解質であるため、追加の電流搬送化合物は必要ありません。[12]一般的な高温源の温度は600〜900 Kですが、1730 Kまで上昇することもあります。低温シンクの温度は400〜500 Kの範囲です。
固体電解質
電極を接続する電解質がイオン性物質である熱電池も検討され、構築されています。[5]温度範囲も液体電解質に比べて高くなります。研究されたシステムは400〜900 Kの範囲です。熱ガルバニ電池の構築に使用されている固体イオン性物質には、AgI、PbCl 2、PbBr 2などがあります。
用途
熱ガルバニ電池の動作メカニズムによってもたらされる利点を考慮すると、熱が過剰にある状況での電力生産が主な用途となります。特に、熱ガルバニ電池は次の分野で電力生産に使用されています。
太陽エネルギー
このプロセスで集められた熱によって蒸気が生成され、従来の蒸気タービン システムで電気を作るために使用できます。住宅や商業ビルの空気や水を温めるために使用される低温太陽熱システムとは対照的に、これらの太陽熱発電所は高温で稼働し、集中した太陽光と大きな集光エリアの両方を必要とするため、モロッコの砂漠は理想的な場所です。
これは、太陽光から電気を生成するために広く使用されている「太陽光発電」技術の代替アプローチです。太陽光発電システムでは、太陽光が太陽光発電装置 (一般に太陽電池と呼ばれる) に吸収され、エネルギーが材料内の電子に渡され、太陽エネルギーが直接電気に変換されます。太陽熱発電と太陽光発電は競合する技術として表現されることがあります。特定のサイトの今後の方向性を決定する際にはそれが当てはまるかもしれませんが、一般的には、太陽エネルギーを可能な限り広範囲に利用するという点で、両者は補完的な関係にあります。
熱発電機
廃熱源
熱ガルバニ電池は、温度勾配が100℃未満（場合によっては数十度）の場合でも、廃熱源から有用な量のエネルギーを抽出するために使用できます。これは多くの産業分野でよくあるケースです。[13]
参照
参考文献
- ^ Chum, HL; Osteryoung, RA (1980). 「熱再生電気化学システムのレビュー。第1巻：概要とエグゼクティブサマリー」。太陽エネルギー研究所、 pp. 35–40。
- ^ Quickenden, TI; Vernon, CF (1986). 「熱から電気への熱電変換」太陽エネルギー36 (1): 63–72.
- ^ ab Agar, JN (1963). 「熱ガルバニ電池」. 電気化学と電気化学工学の進歩 (編者 Delahay, P, Tobias, CW) Interscience, New York; vol. 3 pp. 31–121.
- ^ Zito Jr, R (1963). 「熱電気エネルギー変換」 AIAA J 1 (9): 2133–8.
- ^ abcd Chum, HL; Osteryoung, RA (1981). 「熱再生電気化学システムのレビュー。第2巻」。太陽エネルギー研究所、pp. 115–148。
- ^ Tester, JW (1992)。「熱を電気に変換する熱ガルバニ電池の評価」。Crucible Ventures へのレポート。マサチューセッツ工科大学化学工学・エネルギー研究所、マサチューセッツ州ケンブリッジ。MIT-EL 92-007。
- ^ ab Quickenden, TI; Mua, Y (1995). 「水性熱ガルバニ電池における発電のレビュー」 J Electrochem Soc 142 (11): 3985–94.
- ^ Gunawan, A; Lin, CH; Buttry, DA; Mujica, V; Taylor, RA; Prasher, RS; Phelan, PE (2013). 「液体熱電: 熱ガルバニ電池実験の最近の限定された新しいデータのレビュー」 Nanoscale Microscale Thermophys Eng 17: 304–23. doi: 10.1080/15567265.2013.776149
- ^ Bouty、E (1880)。 「Phénomènes Thermo-électriques et Électro-thermiques au Contact d'un Métal et d'un Liquid [金属と液体の接触における熱電現象と電熱現象]。 J Phys 9: 229–241。
- ^ deBethune, AJ; Licht, TS; Swendeman, N (1959). 「電極電位の温度係数」 J Electrochem Soc 106 (7): 616–25.
- ^ Clampitt et al.,(1966). 「熱エネルギー変換用電気化学セル」 米国特許3,253,955。
- ^ Kuzminskii, YV; Zasukha, VA; Kuzminskaya, GY (1994). 「電気化学システムにおける熱電効果。非従来型熱ガルバニックセル」 J Power Sources 52: 231–42.
- ^ Dario Borghino. 「MIT、熱からエネルギーを得る新たな方法を発見」