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Nano 化学薬品電気機械システムおよびエネルギーアプリケーション

教授マーク A. Shannon のディレクター、システム (WaterCAMPWS) が付いている水の浄化の先端材料のための米国の全米科学財団の科学技術中心; マイクロ Nano 機械システム (MNMS)実験室; 機械科学および工学の部門; アーバナ平原のイリノイ大学
対応する著者: mshannon@illinois.edu

探求はオンチップセンサーから insertable pharma 配達までまで飛行 microrobots PDAs およびコンピュータに動力を与えるより世俗的なアプリケーションまで及ぶアプリケーションのためのより小さいサイズに高い発電およびエネルギー密度の電力源のためについています。 今まで、電池は必要とされるに応じてマイクロワットに百ワットを供給するほとんどのすべての小型装置に動力を与えました。 しかし同じサイズのためにレートがエネルギーは提供することができること (力) より高い必要があるかどの位動作するかより多くの (保存されることをエネルギー需要ことを意味する皆は装置により長く動作してほしく、小さいパッケージのより多くの機能と、エネルギー密度は定め、)。

電池のための皮肉の残酷なねじれでは、電力消費の増加のような、エネルギー密度の減少、従って注意深いトレードオフは電池式装置との力とエネルギーの間でなされます。 ナノテクノロジーはエネルギー源を (電池のリチウムイオンのような)、および本来高エネルギーの密度がある新しい燃料が使用されるようにすることによって多分重大により有効に使うことによって電力源から、来る力およびエネルギーを両方高めています。

表 1 は異なった燃料のための単位大容量そしてボリュームごとのエネルギー密度、またはエネルギー源を示したものです。 今ではほとんどの燃料に一桁が首位電池の燃料であるリチウムイオンよりより多くのエネルギー密度あることに注目して下さい。

リチウムイオン電池のためのよりよい陽極そして陰極を組み立てるのにナノテクノロジーが使用されている間レドックス潜在性に他の燃料同様に多くの有効エネルギーがありません。 問題はリチウムイオン (および亜鉛空気) 電池は小規模で実際にエネルギーを提供できるが、他の高密度燃料はまだ力にそのエネルギーを変換する強く、効率的な方法を必要とすることです。

それはこれらの燃料が非常に小規模で力を提供できるかまたはリチウムイオン電池のパフォーマンスを超過してもいいこと与えられるではないです。 高エネルギーの潜在的な燃料が現実的に使用することができるように、ナノテクノロジーは出力領域の変化に対応できましたりキロワット hr/リットルより大きいエネルギー密度を提供しましたり広範囲包囲された条件 (温度、圧力および湿気) に動作しますか。

燃料電池は頻繁に高い発電およびエネルギー密度を両方提供できる次世代のずっと電力源として押売りしています (空気の酸素を使用して部分で内蔵酸化剤を運ぶ必要がないので)。 ただし、マイクロスケールの燃料電池は問題に満ちています。 製品が電池の内に残った、補助的な装置 (容器および電極を除けば)、燃料電池の必要性を燃料、酸素を供給し、製品を排出し、装置全体の水和のレベルを制御する方法必要としないし両方のレドックスの反応体を運ぶ電池とは違って。

燃料電池はまた頻繁に精巧な機械および電気制御システムを使用する電荷の変更との燃料および酸素配達を制御する方法を必要とします。 従って、多くの燃料電池がロードの巨大な変更を扱うことは困難です。 従ってマイクロスケールの燃料電池のための主要な問題は電荷の大きい変更に答えるのに高エネルギーの密度と、重要な電力量を消費する、そして燃料電池のために燃料を供給する方法をです周囲温度および湿気の変化で大型補助的なシステムを使用しないで。

これらの挑戦にもかかわらず、プロトン交換膜の (PEM)マイクロ燃料のセルは、図 1 に示すように、今総ボリューム1 10 マイクロリットル以下 360 W/l の即時のピーク期の電力の密度および 250 W 上のエネルギー密度の燃料、 PEM および補助的なシステムを含んで、達してしまいました•hr/l は即時の出力密度高くより 1000 W/l および 500 W の上のエネルギー密度に、先頭に立たれ•hr/l.

図 1。 完全な nanoenabled 10 の nanoliter の燃料電池。

金属の水素化合物で動作するこれらの燃料電池にミリワットに 10 MW の即時のピーク期の電力のマイクロワットからの操作の 3 つの一桁上ののダイナミックレンジが (定常) (定常)、あり。 Nanostructured の金属の水素化合物は高エネルギーの密度を燃料電池に供給する農産物の水素ガスにあらゆる形式の水とほぼ即座に反応します2,3,4

ただし寄生力を使用しないで燃料貯蔵を、最大化するように、このダイナミックレンジを、エネルギー達成するためにおよび出力密度、 nanopore の膜で構成される膜の電極アセンブリ、 (図 2) で、 nanocatalysts および現在の collecctors および nanoliter の機械制御システムすべて示されている設計され、最適化されなければなりません5,6

左側の PEM の図 2. 漫画、および右側のケイ素内の nanopores の SEM の画像。 _ nanopores あ functionalized とスルフォン酸塩グループ許水和と水と deprotonated 壁高めプロトン輸送の中気孔。

このように、 nano 化学薬品電気機械システムは流れの広い範囲のための高エネルギーおよび出力密度ソースの方の新しい経路を、および新しい電力源なしで可能ではないほとんどの興奮して出現アプリケーションの舗装を助けることができます。


参照

1. Moghaddam、 S.、 E. Pengwang、 K.Y. 林、 R.I. Masel、 M.A. Shannon、 「内蔵燃料および受動的制御システムが付いているミリメートルスケール燃料電池」、の Microelectromechanical システム 17:6 のジャーナル、 1388-1395 2008 年。
2. 朱、 L.、 D. 金、 H. 金、 R.I. Masel、および M.A. Shannon、 「マイクロプロトン交換膜の燃料電池のアプリケーションのためのミリメートルのスケールリアクターの水素化合物からの水素生成」、の電力源の 185:2 のジャーナル、 1334-1339 2008 年。
3. 朱、 L.、 K.Y. 林、 R.D. モーガン、 V.V. Swaminathan、 H.S. 金、 B. Gurau、 D. 金、 B. Bae、 R.I. Masel、および M.A. Shannon は、 「マイクロケイ素の燃料電池、 MEMS の水素の発電機に」、電力源の 185:2 のジャーナル基づいて、マイクロパワーソースを 1305-1310 2008 年統合しました。
4. 朱、 L; V. Swaminathan; B. Gurau; R.I. Masel; そして M.A. Shannon、 「マイクロ燃料のセルのための水素化合物そして水回復に」、電力源 192 基づく、内蔵水素の世代別方法 556-561 2009 年のジャーナル。
5. Moghaddam、 S.、 E. Pengwang、 R.I. Masel、および M.A. Shannon、 「マイクロ燃料電池のための自動調節の水素の発電機」、電力源の (2008 年の) 185:1 のジャーナル、 445-450 2008 年。
6. Moghaddam、 S.; E. Pengwang、 Y-B。 江、 A.R. ガルシア、 D.J. Burnett、 J. Brinker、 R.I. Masel、および M.A. Shannon、 「Nanoengineering 燃料電池のための次世代のプロトン交換膜」、性質のナノテクノロジー (検討 2009 年の下で)。

教授マーク A. Shannon、版権 AZoNano.com (アーバナ平原のイリノイ大学)

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

Last Update: 13. June 2013 23:20

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