في الوقت الحاضر في تصميم مصادر الطاقة قادرة على الأجهزة المحمولة مثل الطاقة الهواتف الخلوية وأجهزة الكمبيوتر المحمول أو البدوية شبكات المجسات هو التحدي. حاليا تعمل بالطاقة مع بطاريات هذه الأجهزة التي تحد من استقلاليتها وتتطلب تدخل الإنسان ومصادر الطاقة الكهربائية لإعادة شحن. وعلاوة على ذلك أنها تولد النفايات يتنافى مع انتشارها. في السنوات ال 10 المقبلة خريطة الطريق التكنولوجيا الدولية لأشباه الموصلات [1] توقعات بإنخفاض قدره الجهد المطلوب لقوة العمل من 0.6 خامسا رقائق نحو استخدام خلايا الوقود المصغرة (FC) ويبدو وسيلة جذابة للسلطة الالكترونيات المحمولة مع الطاقة النظيفة وإعادة الملء المصدر. هذا هو واحد من الأسباب لتفسير النشاط المكثف التي تحدث حاليا في مجال البحوث لكرة القدم. من بين جميع أنواع FC اثنين فقط هي مناسبة حقا لالتصغير. القيد يأتي أساسا من درجة الحرارة المطلوبة لعمل تكون أقل من 100 درجة مئوية. واحد منهم هو غشاء تبادل البروتون (PEM) لكرة القدم. ومن العناصر الرئيسية لنادي بيم هو الغشاء الذي يجب أن يكون التوصيل عالية لتكون البروتونات ومنيعة على الأنواع الأخرى جميع الحاضرين (H 2 ، O 2 ، والمياه ، أي وقود آخر ، الخ). دولة من بين الفن مصغرة FC [2-6] عموما استخدام الأفلام المتماثرات الشاردة لإجراء البروتونات من القطب الموجب ، حيث يتم استهلاك الهيدروجين إلى الكاثود المنتجة ، مع الحد من الأوكسجين والماء والتيار الكهربائي والحرارة. في الوقت الحاضر ، يتم الوصول إلى أفضل الموصلية (0.08 S.cm -1) التي Nafion ® الأغشية perfluorosulfonated. ولكن التكلفة العالية وعدم الاستقرار خلال ترطيب هندسية ليست سوى بعض من القيود الشديدة من البوليمرات من هذا القبيل. ليست طبيعة العملية الموصلة البروتون في غشاء ionomeric مثل Nafion ® تزال مفهومة تماما. الإجماع الحالي [7] لوصف الغشاء Nafion ® باعتبارها الهيكل العظمي من سلاسل مسعور بما في ذلك المجالات التي تحتوي على ماء متصلا جزيئات الماء. القطر من قنوات الاتصال حوالي 3 نانومتر. صلابة منخفضة من هذا الهيكل العظمي هو المسؤول عن تورم في الغشاء مع ترطيب ردا على التفاعلات الجزيئية. هنا ، تتجلى تقنية التخريبية المحتملة التي تتيح طريقة جديدة لتحقيق وظيفة التوصيل بروتوني FC في حجم صغير. أساليب ومواد وتطورت فكرة في هذا العمل هو محاولة لإعادة التركيب الجزيئي للNafion ® الأفلام باستخدام مواد غير عضوية أصعب. لتكون متوافقة تماما مع العمليات الالكترونيات الدقيقة وتقنيات microfabrication القياسية سيتم دمج لجنة التيسير على ركائز السيليكون. ومن ثم صنع غشاء يسهل اختراقها من السيليكون (PS) ، ومباشرة عمليات ترقيع للجزيئات البروتون تجري على سطح المسام يضمن التوصيل المطلوبة. المرحلة الأولى هو تحقيق للأغشية السليكون باستخدام ضوئيه الكلاسيكية والرطب النقش الكيماوية في كوه من (100) رقائق السيليكون المنحى. يتم الحصول على اخفاء مع باءت بالفشل (طبقة الكروم من 15 نانومتر طبقة سميكة والاتحاد الافريقي من 800 نانومتر سميكة) طبقة الكروم والاتحاد الافريقي. والأكسدة الحرارية السابقة للرقاقة السيليكون يضمن العزل الكهربائية للغشاء. تم إصلاح ranes memb thickn فاق سطيف إلى 50 ميكرومتر وذلك بضبط وقت المعالجة ودرجة الحرارة. التجهيز الجماعي يتيح لنا الحصول على 69 في وقت واحد الأغشية على رقاقة "(4). مصنوعة من السيليكون ثم أغشية مسامية ، في مرحلة ثانية ، وذلك في زنزانة anodization دبابات المزدوج [8] تصوره AMMT محدودة وتتكون من خلايا نصف اثنين في التي هي مغمورة أقطاب حزب العمال. على رقاقة السيليكون يفصل ويعزل واثنين من نصف الخلايا. المنحل بالكهرباء تستخدم لanodization هو الحل ethanoic - HF (50 ٪ من الإيثانول النقي و 50 ٪ من حل HF 48 ٪). ويتم Anodization في الظلام في تيار مستمر. مع الفوسفور مخدر 0،012-0،014 ohm.cm ن + من نوع رقائق السيليكون والكثافة الحالية 18-36 mA.cm -- 2 ، ونحن من الحصول على مسام قطرها 6-10 نانومتر ومسامية من حوالي 50 ٪ [9]. A هو رسم مقطع عرضي للغشاء السليكون المسامية حصلت على الرقم 1.  | الشكل 1. تخطيطي عرض المقطع العرضي للغشاء السليكون يسهل اختراقها. السليكون في الرمادي ، والتي يسهل اختراقها هي السيليكون باللون الوردي. |
ترسب السابقة للطبقة الاتحاد الافريقي يسمح للتوطين على الأغشية المسامية السيليكون خلال anodization. في الواقع بسيطة LPCVD S ط 3 ن 4 طبقة تستخدم عادة لإخفاء طبقة PS مترجم (انظر على سبيل المثال [10]) لن تسمح مطولة an odization والمعادن الثمينة (الاتحاد الافريقي ، وحزب العمال وز أ) السماح. تي انه طبقة أكسيد السيليكون تحت طبقة الكروم والاتحاد الافريقي يتجنب أي تشكيل الطفيلي PS مع التيار الداخلية ممكن ولدت بين الركيزة السيليكون والطبقة المعدنية [11]. بمجرد تحقيق anodization ، يتم شطف الأغشية في حمام المؤكسدة (لو فير tamination التطهير حل من Prevor) تحييد الحل HF. ثم يتم استخدام عدة حمامات الماء منزوع الأيونات الآيزوبروبيل والكحول والشطف للحد من التوتر في المسام. أخيرا يتم تجفيفها في الهواء الأغشية المحيطة. ويتم الحصول على الأغشية PS مع السيليكا طبقة السطح. يتم توصيف هذه الأغشية التي يسهل اختراقها من قبل التصوير (المسح الميداني تأثير مجهر إلكترون) FESEM ورؤية نموذجية من المقطع العرضي للغشاء غير الممثلة في الشكل 2.  | الشكل 2. المقطع العرضي FESEM نظرا لوجود نوع + ن غشاء السليكون يسهل اختراقها. قنوات لديها متوسط قطرها 10 نانومتر. |
كما ثبت من خلال قياسات الموصلية [12] ، وFESEM التصوير ، ويتم فتح قنوات تماما سوى عدد قليل مع هذه العملية anodization. في الواقع نظرا لعدم التجانس من سمك الرقاقة ، عندما قنوات الأول مفتوحة على الجانب الخلفي من الأغشية ، والتيار يمر عبر فتح هذه المسام وanodization لم يعد مستمرا على المسام الأخرى. لحل هذه المشكلة ، ويعمل قصيرة النقش ايون التفاعلي (راي) باستخدام عملية S F 6 وO 2 غازات للالسيليكون النقش على الجانب الخلفي من الأغشية من أجل التأكد من أن جميع المسام يتم فتح [12]. هذه العملية حوالي 2 ميكرومتر يحفر سميكة في 3 دقائق. وهو أمر ضروري لفتح الجانب الخلفي كله المسامية. ويتم توصيف فتح المسام بها قياسات الموصلية في محلول الهيدروكلوريك 3 ٪ حمض بالكهرباء. لضمان التوصيل بروتوني ويتعارض مع الحل السابق يتكون من سد المسام مع Nafion ® حل [12] ، وهو أسلوب ترقيع وتصف هنا حيث يتم تغطية السطح الداخلي للمسام مع جزيئات الحمض سيلاني تحمل المهام. تم تصميم هذه العملية لمحاكاة هيكل يفترض الأغشية ® Nafion كبيرة والحصول على الموصلية البروتون. وN - [(3 - trimethoxysilyl) بروبيل] اختير الإيثيلنديامين حمض triacetic في شكل ثلاثي الصوديوم من الملح ، متوفرة تجاريا من شركة يونايتد تكنولوجيز الكيميائية (UCT) ، عن التحقيقات أولا. كما غطت سطح PS بواسطة طبقة أكسيد يمكن ، بصورة مباشرة في عملية الكلاسيكية silanization استخدامها. الخطوة الأولى تتكون من خلق وظائف silanol (سي OH) على سطح PS. وثمة عملية تنطوي على الأشعة فوق البنفسجية لينة نظافة الأوزون تنفيذها بنجاح. هذه العملية تخلق الوظائف المطلوبة بدون تعديلات هندسية على عكس عملية الرطب السابقة تستدعي الغمر في محلول "سمكة البيرانا" (خليط من حل 80 ٪ من حامض الكبريتيك النقي مع 20 ٪ من محلول مائي 33 ٪ من بيروكسيد الهيدروجين) التي يسببها الغشاء التشوهات. وأدركت بعد ذلك عمليات ترقيع للجزيئات سيلاني بغمر الأغشية المائية التي يسهل اختراقها في حل 1 ٪ من حامض سيلاني في الإيثانول لمدة 1 ساعة (وقت محدد تجريبيا مع قياسات الموصلية) في درجة حرارة الغرفة والهواء المحيط. ويبين الشكل 3 محاكاة الجزيئي لهذه العملية.  | الشكل 3. عرض من المستوى الجزيئي للجزيئات سيلاني مقارنة مسام قطرها PS 6nm. غير المطعمة واحدة من جزيء على السطح. سي (الصفراء) ، O (الحمراء) ، H (أبيض) ، C (الرمادي) ، و N (الأزرق). |
من أجل استبدال نا النهايات النهايات التي كتبها - H للحصول على السلوك الحقيقي للدالة الكربوكسيلية المطعمة ، مغمورة الأغشية لمدة 12 ساعة في حل 20 ٪ من حامض الكبريتيك ، ثم تشطف في ماء منزوع الأيونات تماما. لاستكمال تجميع FC ، تتم إضافة طبقات ومحفز كهربائي للغشاء. واستخدمت البريد تك أقطاب تتألف من قطعة قماش مليئة إجراء الكربون البلاتين (حزب العمال على 20 ٪ فولكان XC - 72) كمحفز 2 H 2 / الإخراج. قطرة 1 ميكرولتر من 5 ٪ Nafion ® -117 الحل يوفر ، على كل جانب ، بعد تبخر solvant ، ارتباط البروتون إجراء بين الأقطاب الكهربائية والأغشية. هذا المبلغ من محلول ® Nafion تستخدم الغراء صغير جدا لملء المسامات ولا تسهم في بروتون الموصلية في الغشاء. كما يتم تغطية الحدود مع طبقة غشاء الكروم والاتحاد الافريقي لجمع الحالية ، فإنه من المهم للتأكد من أن الأقطاب والحدود غشاء مطلي على اتصال. النتائج والمناقشة ويبين الشكل 4 (عرض أعلى) نموذجي 8 ملم × 8 ملم FC أدركت مع مساحة حيوية (باللون الأسود على الشكل) من 7 ملم 2. ليست الأمثل المعلمات هندسية ولكن المختار لإثبات جدوى هذه الطريقة.  | الشكل 4. عرض أعلى خلية وقود مصغرة ، مقارنة مع حجم المائة 1 (0،01 يورو) عملة. |
يمكن ، حين يتغذى هذا الجهاز مع الهيدروجين على جانب واحد والهواء على الجانب الآخر الجهد يظهر بين الجانبين مطلية بالذهب اثنين وتدفق تيار كهربائي إذا تهمة إغلاق الدائرة. يتم إجراء قياسات في درجة حرارة الغرفة. H 2 التغذية يتم توفيرها من قبل الكهربائي 20 ٪ محلول هيدروكسيد الصوديوم وبينما يرد O 2 مباشرة من الهواء المحيط. وكان من أجل جلب الغاز إلى الغشاء ، استخدمت خلية محلية الصنع في الاختبار الذي يتم تحميل أقطاب التجمع الغشاء. وعلاوة على ذلك ، مكنت من قياس الاتصالات الكهربائية على كل جانب من الغشاء وإجلاء عوادم الغاز. كان متصلا بالكهرباء الخلية اختبار لالفولتميتر والأميتر مع تحميل مقاوم متغير. قياسات مع Nafion وقد أضيفت ® مليئة غشاء PS ذكرت سابقا في [12] إلى سمة الرابع من غشاء السليكون المسامية المطعمة للمقارنة. والكثافة الحالية من 118 مللي أمبير / سم 2 في الحد الأدنى ، والمسؤول عن التيار الكهربائي 470 فولت الدائرة المفتوحة وحصلت (الشكل 5).  | الشكل 5. الأداء من خلية الوقود المطعمة PS (أحمر) بالمقارنة مع Nafion ® مليئة واحد (الأزرق). |
حفظت هذه العروض لمدة 6 ساعات طويلة كما تم تزويد الجمعية مع H 2. نفس الخلية كما تم اختبارها عدة مرات بعد هذه القياسات الأولى وبلغ الأداء نفسه. لم شيخوخة جهاز قياس حتى الان. إذا كانت العروض تحقق مع كل من حلول قابلة للمقارنة من حيث كثافة الطاقة (17 mW.cm -- 2 لغشاء المطعمة و 18 mW.cm -- 2 لNafion ® مليئة الغشاء) والكثافة الحالية (على التوالي 118 mA.cm -- 2 mA.cm و 101 -- 2) ، والجهد الدائرة المفتوحة للغشاء المطعمة هو أقل بكثير من واحد من Nafion ® مليئة الغشاء. ويمكن تفسير ذلك من خلال المبالغة في عبور الغاز عبر غشاء يسهل اختراقها المطعمة. في الواقع ليست مع هذا الحل المسام تملأ تماما ونشر غاز ضخمة من خلال الغشاء الجزئي يدفع الجهد العكسي. هذا الاختلاف في السلوك يثبت ان يتحقق عن طريق التوصيل بروتون الغشاء بطريقة جديدة ، وذلك أساسا عن طريق التوصيل بين السطح وظائف الكربوكسيلية المطعمة على سطح المسام. ينبغي خفض عبر أكثر ، في تجارب المستقبل ، من خلال خفض مسام قطرها إلى قيمة أقرب إلى واحد مفترض في هيكل Nafion ®. مقارنة بين سفوح منحنيات الرابع في كل من نظام خطي يبين بوضوح أقل المنحدر مع غشاء المطعمة يدل على أن أفضل من الحصول على التوصيل مع Nafion ® التعبئة. لم هذا المكسب الحالي 2.66 بعد الأمثل. والآن من آثار القطع الممكنة الكامنة في التكنولوجيا الحالية سيتم مناقشتها. والحجة الرئيسية هي نجاح functionalization للغشاء السليكون يسهل اختراقها للسماح للتوصيل بروتون وعروضه للخلية الوقود ينبغي أن ترتبط ارتباطا وثيقا نوعية هذا التطعيم. دون الحصول بعد على توصيف الكيميائي للأحادي الطبقة المطعمة على سطح المسام ، فإن الحقيقة هي أن مثل هذه التجارب غشاء تجري البروتونات لأن خلية وقود قادرة على تسليم التيار الكهربائي من خلال المقاوم الخارجية. ليس هذا هو الحال مع نفس النوع من الخلايا أدرك مع غشاء مسامي غير المطعمة. تمتلئ فقط خلافا لأحد Nafion ® مملوءة ماء الغشاء مسام الغشاء المطعمة مع الماء وليس من قبل Nafion ® المستخدمة في التجميع مع الأقطاب كما ثبت من انخفاض الجهد الدائرة المفتوحة بسبب انتشار الغاز عبر مسام الغشاء. لا يمكن أن تكون الموصلية الأيونية التي تنتجها الأنواع التي سيتم حلها في نهاية المطاف في مياه المسام بسبب شدة التيار ثابتة لعدة ساعات (مع وجود معامل نشر الكلاسيكية سم -5 10 2. ق -1 وقت نشر الأيونات على طول 50 ميكرومتر حوالي بضع ثوان). لإكمال تحققت هذه القياسات على الأغشية الموصلية تحليل مماثل من قبل التطبيق الميكانيكي من الأقطاب الكهربائية مباشرة على كل جانب من الغشاء واثبات الموصلية لا يتجزأ من الغشاء. ولكن لأن هذا الأسلوب هو في الوقت الحاضر المدمرة ، فإنه لا يمكن أن تنفذ على الغشاء المستخدمة لبناء الخلية. نقطة أخرى مهمة تتعلق مقارنة الحالي البداية والاستقرار لكل من تكوينات كما هو مبين في الشكل 6. لاحظ التأخير (170 ق) منذ بداية مولد الهيدروجين (الوقت = 0 ق) هو نتيجة لانتشار الهيدروجين التي ينبغي الوصول إلى القطب الموجب. زمن الاستجابة للغشاء المطعمة (<30 ق) هو أقصر من الوقت استجابة Nafion ® مليئة واحد (300 ق). خلافا لأغشية ionomeric ، لا توجد حاجة لترطيب الغشاء المطعمة لإجراء البروتونات. ميزة أخرى من الأغشية المطعمة (ينظر اليه على نفس الرقم) هو تحقيق الاستقرار في شدة التيار. ويظهر أنه أفضل من تجريبيا لNafion ® المليئة بخلايا الوقود.  | الشكل 6 الحالية بوصفها وظيفة من الزمن الذي حققه خلية الوقود المطعمة PS (أحمر) بالمقارنة مع واحد حقق مع Nafion ® -- شغل واحد (الأزرق). |
الاستنتاجات في الختام ، يبدو بالفعل هذه التقنية لتكون قادرة على إنتاج خلايا وقود صغيرة الحجم مع الأداء العالي (وقت البدء ، والاستقرار ، والكثافة الحالية) وهي integrable بسهولة على السليكون بتكلفة منخفضة دون مساعدة من أي فيلم المتماثرات الشاردة وغشاء البروتون إجراء. علاوة على ذلك ، فمن المعقول أن نتوقع أن تحقق أفضل أداء في أعقاب انخفاض قطر المسام وترقيع للجزيئات جديدة. المراجع 1. خارطة الطريق الدولية لأشباه الموصلات ، الموجز التنفيذي. تقرير تقني ، SIA. استردادها من http://public.itrs.net/ ، 2003 ، 57. 2. Hebling C. ، "خلية الوقود منظومات" خلية الوقود نشرة 46 (7) (2002) 8-12. 3. لو GQ ، CY انغ ، TJ الين ، X. تشانغ "التنمية وتوصيف وسيليكون القائم مباشرة مايكرو خلية وقود الميثانول" ، Electrochim. اكتا 49 (5) (2004) 821. 4. كيلي SC ، Deluga GA ، Smyrl WH ، "خلايا الوقود المصنعة مصغرة على ركائز سيليكون" ، AIChE J. 48 (5) (2002) 1071. 5. Motokawa S. ، M. محمدي ، T. ألأم ، شوجي S. ، أوساكا T. ، "ممس المستندة إلى التصميم والتصنيع مفهوم جديد مباشرة مايكرو خلية وقود الميثانول (μ - DMFC)" ، كهربية الاتصالات 6 (2004) 562-565. 6. يو J. ، P. تشنغ ، ما Z. ، يي B. ، "تلفيق مصغرة سيليكون يفر خلية الوقود مع تحسين الأداء" ، ومصادر الطاقة J. 124 (2003) 40-46.
Date Added: Jul 15, 2005
Last Update: 6. October 2011 10:29
|