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摘要：
日益增长的制冷和供暖能源需求需要高效和可持续的技术。蒸汽压缩系统代表了最先进的技术，但受到缩小规模的限制和维护需求的影响。这些缺点可以通过最近提出的电化学工艺来克服。然而，它们的潜力尚未得到系统的探索。这项工作量化了间接电化学冷却过程的热力学势，该过程用电化学电池取代了标准制冷循环的蒸汽压缩机。基于平衡的过程模型根据其组成和过程中的温度来评估工作流体的过程性能。在筛选了大量可能的工作流体数据库后，对电化学冷却过程进行了分析和优化，以确定在20℃(热源)和35℃(散热器)两个热源之间运行的性能系数(COP)。与蒸汽压缩制冷相比，大多数工作流体的效率更低或相似，cop在3.0到4.0之间。然而，35种有希望实现更高效率的工作流体被确定为COP高达9.63，相当于卡诺的49%。这些工作流体值得进一步研究，因为它们在电化学冷却过程中的应用可能优于标准的蒸汽压缩制冷。
引言：
制冷对人类生活至关重要，在全球范围内消耗3900太瓦时/年的电力，相当于总用电量的16%。
作者首先筛选了一个广泛的数据库，寻找间接电化学冷却过程中可行的分子对。下一步，作者模拟了它们在电化学冷却过程中的性能。在这里，评估了电化学冷却过程的热力学效率极限，并将其性能与标准蒸汽压缩制冷进行了比较。在最后一步，确定了影响间接电化学冷却性能的重要分子对性质。
结果与讨论：
图1：电化学冷却过程的基本单元
电化学冷却过程由四个核心组件构成：
1.电化学电池：通过氧化还原反应改变工作流体的组成，实现冷凝。
2.节流阀：降低压力，为蒸发创造条件。
3.蒸发器：吸收热量，实现制冷效果。
4.泵：提升压力，完成循环。
工作流体为二元混合物(A和B)，通过电化学电池中的反应实现高效热交换。
图2：分子对的筛选流程
图2给出了本研究的分子对预选过程：首先，综合COSMOthermX21数据库筛选仅含碳、氢、氧原子的分子。作者的研究重点是这种分子组成，以限制对可能的副作用和环境影响的选择；3293分子被保留。
1.初筛：从包含3293个分子的数据库中筛选仅含C、H、O的分子。
2.过滤：保留具有完整热物理性质(DIPPR 801数据库)的分子，剩余1185个。
3.压力筛选：排除蒸发温度下饱和压力低于0.05mbar的分子，剩余729个。
4.配对：形成可发生质子交换(最多4个质子)的分子对，最终得到5633对候选。
图3：分子对的COP分布
1.橙色柱状图：606个可行分子对的COP分布，多数(78%)COP介于3.0-4.0之间。
2.灰色区域：传统蒸汽压缩制冷的COP范围(3.8-4.7)。
3.绿色虚线：35个分子对(5.8%)COP超过4.0，其中12对(绿色高亮)COP超过4.7，表现优异。
最佳表现：乙二醇/乙酸分子对，COP高达9.63，接近卡诺效率的49%。
图4：蒸发器吸热量与物种B汽化焓的关系
纵轴：蒸发器单位摩尔吸热量 qcqc。
横轴：物种B的汽化焓 hevap,Bhevap,B。
颜色：COP高低(绿色为高效，紫色为低效)。
关键发现：物种B的汽化焓越高，制冷能力越强。
图5：压力-组成相图与过程可行性
展示了三种分子对在电化学电池中的相行为：
1.左图(不可行)：无法通过反应实现相变。
2.中图/右图(可行)：通过调整组成变化 ΔxA,1−2ΔxA,1−2，实现高效冷凝与蒸发。
橙色/蓝色区域：饱和压力差 ΔppfΔppf 的正负决定可行性。
图6：电池功与饱和压力差的关系
纵轴：电化学电池的单位摩尔功 wcellwcell。
横轴：物种B(蒸发温度)与物种A(电池温度)的饱和压力差 ΔppfΔppf。
颜色：组成变化 ΔxA,1−2ΔxA,1−2 的大小。
规律：ΔppfΔppf 越大，所需组成变化越小，电池功越低。
图7：COP与关键物性关系
纵轴：COP。
横轴：物种B的汽化焓 hevap,Bhevap,B。
颜色：饱和压力差 ΔppfΔppf。
最优组合：高汽化焓+大压力差的分子对(如乙二醇/乙酸)表现最佳。
总结与讨论：
本研究探讨了间接电化学冷却作为标准蒸汽压缩制冷的一种有前途的替代方案的潜力。通过评估606个分子对的性能，可以估计电化学电池中氢化(脱)反应的电化学冷却过程的潜力。在COSMOthermX21数据库中筛选可能的分子对后，使用基于平衡的电化学冷却过程热力学模型来评估分子对的性能。基于平衡的热力学模型考虑了影响电化学冷却过程性能的分子对相关的最佳工作流体组成。通过优化程序确定最佳工作流体组成，确保在电化学冷却过程中对分子对性能进行系统和一致的比较。大多数分子对的cop值在3.0到4.0之间。然而，已经确定了35对有前途的分子对，它们的cop值大于4.0，并且有可能优于标准的蒸汽压缩制冷。在电化学冷却过程中，乙二醇和乙酸的混合物表现最好，COP最大值为9.63，相当于卡诺的49%。这种电化学冷却过程的效率在很大程度上取决于纯流体的热物理性质和混合物的行为。B物质的高蒸发焓和纯流体在蒸发温度(纯B物质)和细胞温度(纯A物质)下的大饱和压力差有利于大COP。这些结果为电化学冷却过程预选择潜在工作流体提供了见解。当考虑到电化学电池(活化、欧姆)或过程(热交换器)中更多的损耗时，在这项工作中确定的效率可能会下降。然而，在这项研究中确定的最有前途的工作流体为解决更详细的模型或实验的前瞻性研究奠定了良好的基础。
DOI: 10.1021/acs.iecr.3c03582
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