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Sistemi ed Applicazioni Nano-Prodotto-Elettrico-Meccanici di Energia

Il Professor Segno A. Shannon Town, Direttore, Centro di Scienza e Tecnologia del National Science Foundation degli Stati Uniti per i Materiali Avanzati per la Depurazione di Acqua con i Sistemi (WaterCAMPWS); Laboratorio Micro-Nano-Meccanico (MNMS) dei Sistemi; Dipartimento di Scienza e di Assistenza Tecnica Meccaniche; Università dell'Illinois aUrbana-Champagne
Autore Corrispondente: mshannon@illinois.edu

La ricerca è sopra per le alimentazioni di densità di energia e di alto potere alle dimensioni mai più piccole per le applicazioni che variano dai sensori del su chip alla Pharma-consegna inseribile ai microrobots volanti alle applicazioni più terrene che alimentano PDAs ed i computer. Fin qui, le batterie hanno alimentato maggior parte di tutte le unità di piccole dimensioni, fornenti i micro-Watt a cento Watt come stati necessari. Ma ognuno vuole le loro unità funzionare più lungamente e con più funzionalità in più piccoli pacchetti, che significhi per la stessa dimensione che più bisogni energetici di essere memorizzato (la densità di energia determina quanto tempo funzionano) e la tariffa che l'energia può essere consegnata (potenza) deve essere più alta.

In una torsione crudele dell'ironia per le batterie, come gli aumenti di tiraggio di potenza, le diminuzioni di densità di energia, in modo da una compensazione attenta è fatta fra potenza ed energia con le unità a pile. La Nanotecnologia sta aumentando sia la potenza che l'energia che ottengono dalle alimentazioni, facendo il migliore uso delle fonti di energia (quale lo ione del litio in batterie) e forse più d'importanza, permettendo che i nuovi combustibili siano usati che inerentemente hanno densità di più alta energia.

La Tabella 1 mostra la densità di energia per massa e volume di unità per i combustibili differenti, o le fonti di energia. Si Noti che la maggior parte dei combustibili hanno un ordine di grandezza più densità di energia che lo ione del litio, che ora è il combustibile primo della batteria.

Mentre la nanotecnologia sta usanda per costruire i migliori anodi e catodi per gli Accumulatori liti-ione, il potenziale ossidoriduttivo non ha tant'energia disponibile quanto altri combustibili. Il problema è che, mentre le batterie dello ione del litio (ed aria dello zinco) possono realmente consegnare l'energia alla piccola scala, gli altri combustibili più ad alta densità ancora hanno bisogno di robusto e dei modi efficaci per convertire quell'energia in potenza.

Non è poichè questi combustibili possono consegnare la potenza alla piccola scala stessa, o che possono superare la prestazione degli Accumulatori liti-ione. Può la nanotecnologia incontrare i cambiamenti nel campo di potenza, consegna le densità di energia maggiori di un'chilo-Watt-ora/litro, funziona sopra vasta gamma delle circostanze ambientali (temperatura, pressione ed umidità), di modo che gli più alti combustibili di potenziale energetico possono essere usati realisticamente?

Le pile a combustibile sono state sollecitate spesso come alimentazione della generazione seguente che può consegnare sia l'alto potere che la densità di energia (in parte perché non devono portare il oxidizer a bordo, facendo uso dell'ossigeno in aria). Tuttavia, le pile a combustibile di microscala sono cariche di problemi. A Differenza delle batterie che portano entrambi i reattivi redox di cui i prodotti sono rimanere all'interno della batteria e che non hanno bisogno delle unità dipendenti (salvo il contenitore e gli elettrodi), del bisogno delle pile a combustibile mezzi per assicurare il combustibile, ossigeno, per esaurire i prodotti e per gestire il livello di idratazione in tutto l'unità.

Le pile a combustibile egualmente hanno bisogno dei mezzi per gestire la consegna dell'ossigeno e del combustibile con i cambiamenti nel caricamento elettrico, che usano spesso i sistemi di controllo meccanici ed elettrici elaborati. Di Conseguenza, è difficile affinchè molte pile a combustibile tratti i cambiamenti enormi nel caricamento. I problemi principali per le pile a combustibile di microscala, quindi, sono come assicurare il combustibile con densità di alta energia, senza utilizzare i grandi sistemi dipendenti che consumano le quantità significative di potenza ed affinchè la pila a combustibile rispondano ai grandi cambiamenti nel caricamento elettrico, nelle temperature ambienti e nelle umidità varianti.

Malgrado queste sfide, le celle del micro-combustibile della membrana (PEM) di scambio protonico ora hanno raggiunto meno di 10 microliters nel volume totale1, secondo le indicazioni di Figura 1, compreso il combustibile, il PEM ed i sistemi dipendenti, con una densità di potenza di picco istantanea di 360 W/l e una densità di energia oltre 250 W•hr/l e capo a densità di potenza istantanea più superiore 1000 W/l e una densità di energia superiore a 500 W•hr/l.

Figura 1. Una pila a combustibile nanoenabled completa di 10 nanoliter.

Queste pile a combustibile fatte funzionare sugli idruri del metallo ed hanno una gamma dinamica oltre di tre ordini di grandezza dell'operazione dai micro-Watt (costante-stato) ai milliwatt (costante-stato), con una potenza di picco istantanea di 10 Mw. Gli idruri del metallo di Nanostructured reagiranno quasi istantaneamente con acqua in tutto il modulo all'idrogeno dei prodotti, che fornisce alla pila a combustibile la sua densità di alta energia2,3,4.

Tuttavia, per raggiungere questa gamma dinamica, l'energia e le densità di potenza, l'assembly dell'elettrodo della membrana, che è compreso le membrane del nanopore (come appare Figura 2), nanocatalysts e collecctors correnti e un sistema di controllo meccanico del nanoliter tutto devono essere destinate ed ottimizzate per massimizzare l'archiviazione di combustibile, senza usando la potenza parassitaria5,6.

Figura 2. Fumetto del PEM dalla parte di sinistra e un'immagine di SEM dei nanopores all'interno del silicio dalla destra. I nanopores functionalized con i gruppi del solfonato per permettere che l'idratazione con acqua con le pareti deprotonated migliori il trasporto del protone all'interno dei pori.

In questo modo, i sistemi nano-prodotto-elettrico-meccanici possono contribuire a pavimentare un nuovo percorso verso le sorgenti di densità di potenza e dell'alta energia per una vasta gamma di corrente e la maggior parte delle applicazioni emozionantemente emergenti che non sarebbero possibili senza nuove alimentazioni.


Riferimenti

1. Moghaddam, S., E. Pengwang, K.Y. Lin, R.I. Masel, M.A. Shannon Town, “Pila A Combustibile Del Millimetro-Disgaggio con Combustibile A bordo ed il Sistema Di Controllo Passivo,„ Giornale del 17:6 Microelectromechanical dei Sistemi, 1388-1395, 2008.
2. Zhu, L., D. Kim, H. Kim, R.I. Masel e M.A. Shannon Town, “Generazione dell'Idrogeno dagli Idruri in Reattori del Disgaggio di Millimetro per le Micro Applicazioni della Pila A Combustibile Della Membrana di Scambio Protonico,„ Giornale del 185:2 di Alimentazioni, 1334-1339, 2008.
3. Zhu, il L., K.Y. Lin, R.D. Morgan, V.V. Swaminathan, H.S. Kim, B. Gurau, D. Kim, B. Bae, R.I. Masel e M.A. Shannon Town, “Hanno Integrato la Sorgente di Micro-Potenza Basata su una Pila A Combustibile Del Micro-Silicio, un Generatore dell'Idrogeno di MEMS,„ Giornale del 185:2 di Alimentazioni, 1305-1310, 2008.
4. Zhu, L; V. Swaminathan; B. Gurau; R.I. Masel; e M.A. Shannon Town, “Un Metodo A Bordo della Generazione dell'Idrogeno Basato sugli Idruri e sul Ripristino dell'Acqua per le Celle del Micro-Combustibile,„ Giornale delle Alimentazioni 192, 556-561, 2009.
5. Moghaddam, S., E. Pengwang, R.I. Masel e M.A. Shannon Town, “Un Generatore Autoregolatore dell'Idrogeno per le Micro Pile A Combustibile,„ Giornale di 2008) 185:1 di Alimentazioni (, 445-450, 2008.
6. Moghaddam, S.; E. Pengwang, Y-B. Jiang, A.R. Garcia, D.J. Burnett, J. Brinker, R.I. Masel E M.A. Shannon Town, “Nanoengineering una Membrana di Scambio Protonico di Next Generation Per le Pile A Combustibile,„ Nanotecnologia della Natura (allo studio 2009).

Copyright AZoNano.com, il Professor Segno A. Shannon Town, (Università dell'Illinois aUrbana-Champagne)

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

Last Update: 13. June 2013 23:17

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