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Nano 화학제품 전기 기계적인 시스템 및 에너지 응용

디렉터, 미국 국립 과학 재단 과학 그리고 시스템 (WaterCAMPWS)를 가진 근해의 정화를 위한 향상된 물자를 위한 기술 센터, 교수 표 A. Shannon; 마이크로 Nano 기계적인 시스템 (MNMS) 실험실; 기계적인 과학 및 기술설계의 부; 얼바나 평야에 일리노이 주립 대학교
대응 저자: mshannon@illinois.edu

탐구는 에 칩 센서에서 insertable pharma 납품에에 비행 microrobots PDAs와 컴퓨터를 강화하는 현세 응용에 구역 수색하는 응용을 위한 언젠가 더 작은 규모에 고성능 및 에너지 밀도 전원을 위해 켜져 있습니다. 지금까지, 건전지는 필요에 따라서 마이크로 와트 백개 와트를 공급하는 대부분의 모든 작은 크기 장치를 강화했습니다. 그러나 같은 크기를 위해와 비율이 에너지는 전달될 수 있다 (힘) 더 높을 필요가 있는지 얼마나 달리는지 추가 (저장되는 것을 에너지 필요 의미하는 모두는 그들의 장치를 오래 달리는 원하고 작은 포장에 있는 추가 특징으로, 에너지 밀도는 결정합니다).

건전지를 위한 반어의 잔인한 강선전도에서는, 견인력 증가와 같은, 에너지 밀도 감소, 그래서 주의깊은 트레이드오프는 배터리 전원을 사용하는 장치를 가진 힘과 에너지 사이에서 합니다. 나노 과학은 에너지원을 (건전지에 있는 리튬 이온과 같은) 및 본래부터 고에너지 조밀도가 있는 새로운 연료 이용되는 허용 아마 더 중요하게 를 더 많이 사용해서 전원에서, 손에 넣는 힘 및 에너지를 둘 다 증가하고 있습니다.

도표 1은 다른 연료를 위한 단위 질량 그리고 양 당 에너지 밀도, 에너지원을 보여줍니다. 대부분의 연료에는 크기 순서가 지금 최고 건전지 연료인 리튬 이온 보다는 더 에너지 밀도 있다는 것을 유의하십시오.

리튬 이온 건전지를 위한 더 나은 양극 그리고 음극선을 구성하는 위하여 나노 과학이 이용되고 있는 동안, 산화 환원 잠재력에는 그밖 연료 만큼 다량 유효 에너지가 없습니다. 문제는 리튬 이온 (와 아연 공기) 건전지는 소규모에 실제로 에너지를 전달하는 수 있는 그러나, 그밖 고밀도 연료는 아직도 힘으로 그 에너지를 변환하는 강력한과 능률 쪽을 필요로 한다는 것을 입니다.

그것은 이 연료가 아주 소규모에 힘을 전달할 수 있거나, 리튬 이온 건전지의 성과를 초과해서 좋다 주어진 아닙니다. 고에너지 잠재적인 연료가 현실적으로 이용될 수 있다 그래야, 나노 과학은 출력 범위에 있는 변경을 충족시킬 수 있고, 킬로 와트 hr/리터 보다는 더 중대한 에너지 밀도를 전달하고, 주위 조건 (온도, 압력 및 습도)의 광범위에 작동합니까?

연료 전지는 고성능 및 에너지 밀도를 둘 다 전달할 수 있는 차세대 계속 전원으로 수시로 강매됩니다 (공기에 있는 산소를 사용하는 부분에서 내장된 산화제를 전송할기 필요없기 때문에,). 그러나, 마이크로 눈금 연료 전지는 문제를 내포합니다. 그의 제품이 건전지 안에 남아 있던, 보조 장치 (콘테이너 및 전극을 제외하고), 연료 전지 필요를 연료, 산소를 공급하고, 제품을 소모하고, 장치를 통하여 수화 수준을 통제하는 방법 필요로 하지 않으며 두 산화 환원 반응물 다 전송하는 건전지와는 다른.

연료 전지는 또한 수시로 정교한 기계 및 전기 통제 시스템을 이용하는 전기 부하 장치에 있는 변경을 가진 연료와 산소 납품을 통제하는 방법을 필요로 합니다. 그러므로, 많은 연료 전지가 짐에 있는 거대한 변경을 취급하는 것은 어렵습니다. 마이크로 눈금 연료 전지를 위한 주요한 문제는, 그러므로, 전기 부하 장치에 있는 큰 변경에 반응하기 위하여 고에너지 조밀도로, 상당수의 힘을 소모하는 주위 온도 및 습도 변화에서 큰 보조 시스템, 그리고 연료 전지를 위해 연료를 공급하는 방법, 이용 없이 입니다.

이 도전에도 불구하고, 양성자 교환 막 (PEM) 마이크로 연료 세포는 지금, 숫자 1에서 보이는 것처럼, 총 양에 있는1 10 미만 microliters를 360 W/l의 즉석 최고 출력 조밀도 및 250 W 이상 에너지 밀도와 더불어 연료, PEM 및 보조 시스템을 포함하여, 도달했습니다•hr/l는 즉석 전원 밀도 1000 높이 보다 W/l 및 500 W 이상 에너지 밀도에, 이끌리고•hr/l.

숫자 1. 완전한 nanoenabled 10의 nanoliter 연료 전지.

금속 수소화물에 달린 이 연료 전지에는 (정상 상태) milli 와트에, 10 MW 즉석 최고 출력과 더불어 (정상 상태) 마이크로 와트에서 작동의 3개의 크기 순서 이상의 역학 범위가, 있고. Nanostructured 금속 수소화물은 그것의 고에너지 조밀도로 연료 전지를 공급하는 생성 수소가스에 어떤 양식든지에 있는 근해로 거의 즉시 반작용할 것입니다2,3,4.

그러나, 이 역학 범위를, 에너지 달성하기 위하여 및 전원 밀도, 숫자 2)에서, nanocatalysts 및 현재 collecctors 및 nanoliter 기계적인 통제 시스템 보이는 nanopore 막을 구성되어 있는 막 전극 집합, (전부 기생하는 힘 사용 없이 연료 저장을, 확대하도록 디자인되고 낙관되어야 합니다5,6.

왼쪽에 PEM의 숫자 2. 만화, 그리고 오른쪽에 실리콘 내의 nanopores의 SEM 심상. nanopores는 sulfonate 단으로 deprotonated 벽에 근해를 가진 수화가 숨구멍 내의 양성자 수송을 강화하는 것을 허용하도록 functionalized.

이런 식으로, nano 화학제품 전기 기계적인 시스템은 현재의 광범위를 위한 고에너지 및 전원 밀도 근원으로 새로운 경로를, 및 새로운 전원이 없다면 가능하지 않을을 대부분의 활발하게 나오는 응용을 포장하는 것을 도울 수 있습니다.


참고

1. Moghaddam, S., E. Pengwang, K.Y. 린, R.I. Masel, M.A. Shannon, "내장된 연료 및 수동 통제 시스템을 가진 밀리미터 가늠자 연료 전지," Microelectromechanical 시스템 17:6의 전표, 1388-1395년 2008년.
2. 주, L., D. 김, H. 김, R.I. Masel, 및 M.A. Shannon, "마이크로 양성자 교환 막 연료 전지 응용을 위한 밀리미터 가늠자 반응기에 있는 수소화물에서 수소 발생," 전원 185:2의 전표, 1334-1339년 2008년.
3. 주, L., K.Y. 린, R.D. Morgan, V.V. Swaminathan, H.S. 김, B. Gurau, D. 김, B. Bae, R.I. Masel, 및 M.A. Shannon는, "마이크로 실리콘 연료 전지, MEMS 수소 발전기에," 전원 185:2의 전표 근거를 둔, 마이크로 힘 근원을 1305-1310년 2008년 통합했습니다.
4. 주, L; V. Swaminathan; B. Gurau; R.I. Masel; 그리고 M.A. Shannon, "마이크로 연료 세포를 위한 수소화물 그리고 근해 복구에," 전원 192 근거를 두는, 내장된 수소 세대 방법 556-561 2009년의 전표.
5. Moghaddam, S., E. Pengwang, R.I. Masel, 및 M.A. Shannon, "마이크로 연료 전지를 위한 각자 통제 수소 발전기," 전원 (2008년) 185:1의 전표, 445-450 2008년.
6. Moghaddam, S.; E. Pengwang, Y-B. 장, A.R. Garcia, D.J. Burnett, J. Brinker, R.I. Masel, 및 M.A. Shannon, "Nanoengineering 연료 전지를 위한 차세대 양성자 교환 막," 성격 나노 과학 (검토 2009년의 밑에).

교수 표 A. Shannon, 저작권 AZoNano.com (얼바나 평야에 일리노이 주립 대학교)

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

Last Update: 13. June 2013 23:23

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