[論文レビュー] Negative Joule Heating in Ion-Exchange Membranes

P. M. Biesheuvel, Doriano Brogioli+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2014

Membrane-based Ion Separation Techniques参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、電流が流れる際、イオン交換膜の1つの電気二重層（EDL）において、従来の膜バッキーや外部電解質における正のジュール加熱とは対照的に、負のジュール加熱が生じることを提案している。これは、電流と電場のベクトルの内積によるもので、EDL内では両者が逆向きになるためエネルギーの抽出（冷却）が生じる。これに加え、膜表面では浸透圧および静水圧勾配に起因する圧力駆動型冷却も発生する。

ABSTRACT

In ion-exchange membrane processes, ions and water flow under the influence of gradients in hydrostatic pressure, ion chemical potential, and electrical potential (voltage), leading to solvent flow, ionic fluxes and ionic current. At the outer surfaces of the membranes, electrical double layers (EDLs) are formed (Donnan layers). When a current flows through the membrane, we argue that besides the positive Joule heating in the bulk of the membrane and in the electrolyte outside the membrane, there is also negative Joule heating in one of the EDLs. We define Joule heating as the inner product of the two vectors current and field strength. Also when fluid flows through a charged membrane, at one side of the membrane there is pressure-related cooling, due to the osmotic and hydrostatic pressure differences across the EDLs.

研究の動機と目的

• 電気化学的、水力的、化学的勾配が併存する状況下におけるイオン交換膜のジュール加熱の熱力学的挙動を調査すること。
• 膜界面における電気二重層（EDL）で生じるエネルギー散逸とエネルギー抽出のパラドックスを解明すること。
• 圧力およびイオンポテンシャル勾配が膜表面の冷却効果を引き起こす役割を分析すること。
• 古典的ジュール加熱理論を、閉じた帯電界面におけるベクトルベースのエネルギーフラックスを含む形に拡張すること。
• 1つのEDLで負のジュール加熱が支配的となり、全体として冷却が生じる条件を定量化すること。

提案手法

• 電流密度と電場ベクトルの内積（J · E）としてジュール加熱を定義することで、領域ごとの符号の変化を可能にする。
• 電圧、化学ポテンシャル、静水圧の勾配下でのイオン、水、電流の連成フラックスを用いて、イオン交換膜内のイオン輸送をモデル化する。
• 膜表面の電気二重層（EDL）を、電流と電場ベクトルが逆向きになる領域として分析し、負のJ · Eを生じるとする。
• EDLに熱力学的原則を適用して、エネルギー抽出（負の加熱）が生じる条件を同定する。
• EDLを貫る浸透圧および静水圧差を組み込み、圧力誘導型冷却効果を評価する。
• ベクトル場解析を用いて、膜バッキーや外部電解質、EDL領域におけるエネルギーフラックスを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部電流が印加された状況下で、イオン交換膜の1つの電気二重層（EDL）におけるジュール加熱が負となることは可能か？
• RQ2 膜バッキーよりもEDL内でのジュール加熱の符号が反転する物理的条件は何か？
• RQ3 EDLを貫る浸透圧および静水圧差は、冷却効果にどのように寄与するか？
• RQ4 電流と電場のベクトルの整合性が、ジュール加熱の符号を決定づける役割は何か？
• RQ5 膜システム全体のエネルギー収支に、EDL効果に起因する冷却が含まれ得るか？

主な発見

• 電流と電場のベクトルの内積が負になる（方向が反対になる）ため、1つの電気二重層（EDL）で負のジュール加熱が生じる。
• 膜バッキーや外部電解質では正のジュール加熱が観察されるが、1つのEDLではエネルギー抽出（負の加熱）が生じ、全体としての冷却可能性が生じる。
• 膜を貫る圧力駆動型の流体流れが、EDLを貫る浸透圧および静水圧差に起因して、膜表面で冷却を引き起こす。
• この現象は、ジュール加熱のベクトル的性質（J · E）に起因し、電流と電場の相対的向きに依存して符号が決まる。
• モデルは、EDL領域で系からエネルギーを抽出できることを示しており、従来の「ジュール加熱は常に散逸的である」という見解に挑戦する。
• 冷却効果はEDLに局在しており、熱伝導によるものではなく、界面領域における熱力学的仕事に起因する。