Nano---Chemikalie-Elektrisch-Mechanische Anlagen und Energie-Anwendungen

Professor Kennzeichen A. Shannon, Direktor, US-Nationals- Science FoundationWissenschaft Und Technik-Mitte für Fortgeschrittenen Werkstoff für die Reinigung des Wassers mit Anlagen (WaterCAMPWS); Mikro-Nano--Mechanisches Anlagen- (MNMS)Labor; Abteilung der Mechanischen Wissenschaft und der Technik; Universität von Illinois an der Urbana-Ebene
Entsprechender Autor: mshannon@illinois.edu

Die Suche ist für Dichtestromversorgung der hohen Leistung und der Energie an den immer kleineren Größen für die Anwendungen eingeschaltet, die von Aufchip Fühlern bis zu einfügbarer Pharmalieferung bis zu fliegenden microrobots bis zu den weltlicherenanwendungen reichen, die PDAs und Computer anschalten. Bis jetzt haben Batterien die meisten alle kleinen Einheiten angeschaltet und Mikrowatt an hundert Watt geliefert, wie gebraucht. Aber jeder wünscht ihre Einheiten mehr Merkmalen in den Kleinsendungen länger und mit ausgeführt werden, das für die selbe Größe bedeutet, dass mehr Energiebedarfe gespeichert zu werden (die Energiedichte bestimmt, wie lang sie ausgeführt werden) und die Kinetik, dass die Energie entbunden werden kann (Leistung) höher sein muss.

In einer grausamen Torsion von Ironie für Batterien, wie die Leistungsaufnahmezunahmen, wird die Energiedichteabnahmen, also ein vorsichtiger Kompromiss zwischen Leistung und Energie mit batteriebetriebenen Einheiten gemacht. Nanotechnologie erhöht die Leistung und Energie, die von der Stromversorgung kommt, indem sie möglicherweise wichtiger besseren Gebrauch von Energiequellen (wie Lithiumion in den Batterien) und macht, indem sie erlaubt, dass neue Kraftstoffe verwendet werden, die in sich selbst Dichten der höheren Energie haben.

Tabelle 1 zeigt Energiedichte pro Gerätenmasse und -volumen für verschiedene Kraftstoffe oder Energiequellen. Beachten Sie, dass die meisten Kraftstoffe eine Größenordnung mehr Energiedichte als Lithiumion haben, das jetzt der erste Batteriekraftstoff ist.

Während Nanotechnologie verwendet wird, um bessere Anoden und Kathoden für Lithium-Ionen-Batterien zu konstruieren, hat das Redoxpotenzial so viel erhältliche Energie nicht wie andere Kraftstoffe. Das Problem ist, dass, während Lithiumionen-(und Zinkluft) Batterien die Energie am kleinen Maßstab wirklich entbinden können, die anderen Kraftstoffe mit hoher Schreibdichte noch robustes und effiziente Arten benötigen, diese Energie in Leistung zu konvertieren.

Es ist nicht angenommen, diese Kraftstoffe Leistung am kleinen Maßstab entbinden können oder dass sie die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien überschreiten können. Kann Nanotechnologie Änderungen im Leistungsbereich treffen, entbindet die Energiedichten, die/Liter größer als eine Kilo-Wattstunde sind, funktioniert über großer Auswahl von Umgebungsbedingungen (Temperatur, Druck und Feuchtigkeit), damit Potenzialkraftstoffe der höheren Energie realistisch verwendet werden können?

Brennstoffzellen sind häufig als Stromquelle der nächsten Generation angekündigt worden, die hohe Leistung und Energiedichte entbinden kann (im Teil, weil sie den Bord Oxidizer nicht tragen müssen, unter Verwendung des Sauerstoffes in einer Luft). Jedoch sind Mikroskalabrennstoffzellen von den Problemen voll. Anders Als Batterien, die beide Redox- Reaktionsmittel tragen, deren Produkte innerhalb der Batterie blieben und die nicht Zusatzgeräte (außer dem Behältnis und den Elektroden) benötigen, den Brennstoffzellebedarf Mittelwerte, den Kraftstoff, Sauerstoff zu liefern, die Produkte zu erschöpfen und die Hydratationsstufe während der Einheit zu steuern.

Brennstoffzellen benötigen auch Mittelwerte, die Kraftstoff- und Sauerstofflieferung mit Änderungen in der elektrischen Belastung zu steuern, die häufig durchdachte mechanische und elektrische Kontrollsysteme verwenden. Deshalb ist es schwierig für viele Brennstoffzellen, enorme Änderungen in der Belastung zu handhaben. Die Hauptprobleme für Mikroskalabrennstoffzellen sind deshalb, wie man Kraftstoff mit Hochenergiedichte liefert, ohne große untergeordnete Anlagen zu verwenden, die beträchtliche Mengen Leistung verbrauchen, und damit die Brennstoffzelle auf große Änderungen in der elektrischen Belastung reagiert, wenn sie umgebende Temperaturen und Feuchtigkeiten sich unterscheiden.

Trotz dieser Herausforderungen haben Protonaustausch- (PEM)Membran Mikrokraftstoff Zellen jetzt weniger als 10 Mikroliter im Gesamtvolumen,1 wie in Abbildung 1, einschließlich den Kraftstoff, das PEM und die untergeordneten Anlagen, mit blitzschneller Höchstleistungsdichte von 360 W/l und einer Energiedichte über 250 W gezeigt erreicht•hr/l und werden zur blitzschnellen Energiedichte höher als 1000 W/l und zu einer Energiedichte über 500 W vorangegangen•hr/l.

Abbildung 1. Eine komplette nanoenabled 10 nanoliter Brennstoffzelle.

Diese Brennstoffzellen, die auf Metallhydriden ausgeführt werden, und haben Dynamikwerte über drei Größenordnungen der Operation von den Mikrowatt (Dauerzustand) zu den Milliwatt (Dauerzustand), mit blitzschneller Höchstleistung von 10 mW. Nanostructured-Metallhydride reagieren fast blitzschnell mit Wasser in jeder möglicher Form zum Erzeugniswasserstoffgas, das die Brennstoffzelle mit seiner Hochenergiedichte zur Verfügung stellt2,3,4.

Jedoch um diese Dynamikwerte zu erzielen, müssen Energie und Energiedichten, die Membranelektrodeneinheit, die von nanopore Membranen enthalten wird (gezeigt in Abbildung 2), nanocatalysts und aktuelle collecctors und ein nanoliter mechanisches Kontrollsystem alle, konstruiert werden und optimiert werden, um Kraftstoffvorrat zu maximieren, ohne parasitäre Leistung zu verwenden5,6.

Abbildung 2. Karikatur des PEM auf der linken Seite und ein SEM-Bild der nanopores innerhalb des Silikons auf der rechten Seite. Die nanopores functionalized mit Sulfonatsgruppen, um Hydratation mit Wasser mit deprotonated Wänden Protontransport innerhalb der Poren erhöhen zu lassen.

Auf diese Art können Nano---Chemikalie-elektrisch-mechanische Anlagen helfen, einen neuen Pfad in Richtung zur Hochenergie und zu den Energiedichtequellen für eine große Auswahl des Stroms und die meisten aufregend auftauchenden Anwendungen zu pflastern, die nicht ohne neue Stromversorgung möglich sein würden.


Bezüge

1. Moghaddam, S., E. Pengwang, K.Y. Lin, R.I. Masel, M.A. Shannon, „Mm-Schuppe Brennstoffzelle mit BordKraftstoff und Passivem Kontrollsystem,“ Zapfen des Microelectromechanical Anlagen17:6, 1388-1395, 2008.
2. Zhu, L., D. Kim, H. Kim, R.I. Masel und M.A. Shannon, „Wasserstoff-Generation von den Hydriden in den Mm-Schuppen-Reaktoren für Mikro-Proton-Austausch-Membran-Brennstoffzelle-Anwendungen,“ Zapfen des Stromversorgungs185:2, 1334-1339, 2008.
3. Zhu, L., K.Y. Lin, R.D. Morgan, V.V. Swaminathan, H.S. Kim, B. Gurau, D. Kim, B. Bae, R.I. Masel und M.A. Shannon, „Integrierten die Mikroleistungs-Quelle, die auf einer Mikro-Silikon Brennstoffzelle, ein MEMS-Wasserstoff-Generator,“ Zapfen des Stromversorgungs185:2, 1305-1310, 2008 Basierte.
4. Zhu, L; V. Swaminathan; B. Gurau; R.I. Masel; und M.A. Shannon, „eine BordWasserstoff-Generations-Methode Basiert auf Hydriden und Wasser-Bergung für Mikro-Kraftstoff Zellen,“ Zapfen von Stromversorgung 192, 556-561, 2009.
5. Moghaddam, S., E. Pengwang, R.I. Masel und M.A. Shannon, „ein Selbstregulierender Wasserstoff-Generator für MikroBrennstoffzellen,“ Zapfen von (2008) 185:1 der Stromversorgung, 445-450, 2008.
6. Moghaddam, S.; E. Pengwang, Y-B. Jiang, A.R. Garcia, D.J. Burnett, J. Brinker, R.I. Masel Und M.A. Shannon, „Nanoengineering eine Proton-Austausch-Membran der Nächsten Generation für Brennstoffzellen,“ Natur-Nanotechnologie (in Überprüfung 2009).

Copyright AZoNano.com, Professor Kennzeichen A. Shannon, (Universität von Illinois an der Urbana-Ebene)

Date Added: Dec 20, 2009 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 23:13

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