Sistemas e Aplicações Nano-Produto-Elétrico-Mecânicos da Energia

Professor Mark A. Shannon, Director, Ciência do National Science Foundation dos E.U. e Centro de Tecnologia para Materiais Avançados para a Purificação da Água com Sistemas (WaterCAMPWS); Laboratório Micro-Nano-Mecânico (MNMS) dos Sistemas; Departamento da Ciência e da Engenharia Mecânicas; Universidades de Illinois no Urbana-Campo
Autor Correspondente: mshannon@illinois.edu

A procura está ligada para fontes de energia da densidade do poder superior e de energia em tamanhos sempre menores para as aplicações que variam dos sensores da em-microplaqueta à Pharma-entrega insertable aos microrobots de voo a umas aplicações mais mundanos que põem PDA e computadores. Até agora, as baterias puseram a maioria todos os de dispositivos pequeno-feitos sob medida, fornecendo microwatts a cem Watts como necessários. Mas todos quer seus dispositivos ser executado mais por muito tempo e com mais características em pacotes menores, que significa para o mesmo tamanho que mais energia precisa de ser armazenada (a densidade de energia determina quanto tempo é executado) e a taxa que a energia pode ser entregada (potência) precisa de ser mais alta.

Em uma torção cruel da ironia para baterias, como os aumentos da tracção de potência, as diminuições da densidade de energia, assim que umas trocas cuidadosas são feitas entre a potência e a energia com dispositivos a pilhas. A Nanotecnologia está aumentando a potência e a energia que vêm das fontes de energia, fazendo o melhor uso das fontes de energia (tais como o íon do lítio nas baterias), e talvez mais importante, permitindo que os combustíveis novos sejam usados que têm inerente densidades de energia mais alta.

A Tabela 1 mostra a densidade de energia pela massa e o volume de unidade para combustíveis diferentes, ou as fontes de energia. Note que a maioria de combustíveis têm um ordem de grandeza mais densidade de energia do que o íon do lítio, que é agora o primeiro combustível da bateria.

Quando a nanotecnologia for usada para construir os melhores ânodos e cátodos para baterias de íon de lítio, o potencial de redox não tem tanta energia disponível quanto outros combustíveis. O problema é que, quando as baterias do íon do lítio (e o ar do zinco) puderem realmente entregar a energia na pequena escala, os outros combustíveis mais altos da densidade ainda precisam robusto e maneiras eficazes para converter essa energia à potência.

Não é dado que estes combustíveis podem entregar a potência na pequena escala mesma, ou que podem exceder o desempenho de baterias de íon de lítio. Pode a nanotecnologia encontrar mudanças na escala de potência, entrega as densidades de energia maiores do que uma quilo-Watt-hora/litro, opera-se sobre a vasta gama de circunstâncias ambientais (temperatura, pressão, e umidade), de modo que os combustíveis do potencial de energia mais alta possam realìstica ser usados?

As células combustíveis frequentemente touted como uma fonte de energia da próxima geração que pudesse entregar o poder superior e a densidade de energia (na parte porque não têm que levar o oxidizer a bordo, usando o oxigênio no ar). Contudo, as células combustíveis do microscale são preocupantes com os problemas. Ao Contrário das baterias que levam ambos os reagentes dos redox cujos os produtos permaneceram dentro da bateria, e que não precisam dispositivos subordinados (salvo o recipiente e os eléctrodos), necessidade das células combustíveis meios fornecer o combustível, oxigênio, esgotar os produtos, e controlar o nível da hidratação durante todo o dispositivo.

As células combustíveis igualmente precisam meios controlar a entrega do combustível e do oxigênio com mudanças na carga elétrica, que usam frequentemente sistemas de controlo mecânicos e elétricos elaborados. Conseqüentemente, é difícil para muitas células combustíveis segurar mudanças enormes na carga. Os maiores problema para células combustíveis do microscale, são conseqüentemente como fornecer o combustível com a densidade de alta energia, sem usar os grandes sistemas subordinados que consomem quantidades significativas de potência, e para que a célula combustível responda às grandes mudanças na carga elétrica, em variar temperaturas ambientais e umidades.

Apesar destes desafios, as pilhas do micro-combustível da membrana (PEM) da troca de protão têm alcançado agora menos de 10 microlitros no volume total1, segundo as indicações de Figura 1, incluindo o combustível, o PEM, e os sistemas subordinados, com densidade de potência máxima instantânea de 360 W/l e uma densidade de energia sobre 250 W•hr/l, e são dirigidos à densidade de potência instantânea mais altamente de 1000 W/l e a uma densidade de energia acima de 500 W•hr/l.

Figura 1. Uma célula combustível nanoenabled completa de 10 nanoliter.

Estas células combustíveis executadas em hidruros do metal, e têm um alcance dinâmico sobre de três ordens de grandeza de operação dos microwatts (de estado estacionário) aos miliwatts (de estado estacionário), com uma potência máxima instantânea de 10 mW. Os hidruros do metal de Nanostructured reagirão quase instantaneamente com água em todo o formulário ao gás de hidrogênio do produto, que fornece a célula combustível com sua densidade de alta energia2,3,4.

Contudo, para conseguir este alcance dinâmico, a energia, e as densidades de potência, o conjunto do eléctrodo da membrana, que é compreendido das membranas do nanopore (mostradas em Figura 2), dos nanocatalysts e de collecctors actuais, e todos do nanoliter um sistema de controlo mecânico têm que ser projectados e aperfeiçoado maximizar o armazenamento de combustível, sem usar a potência parasítica5,6.

Figura 2. Desenhos Animados do PEM no lado esquerdo, e uma imagem de SEM dos nanopores dentro do silicone no lado direito. Os nanopores functionalized com grupos do sulfonate para permitir que a hidratação com água com paredes deprotonated aumente o transporte do protão dentro dos poros.

Desta maneira, os sistemas nano-produto-elétrico-mecânicos podem ajudar a pavimentar um trajecto novo para fontes da densidade do de alta energia e de potência para uma vasta gama de corrente, e a maioria de aplicações emocionantemente emergentes que não seriam possíveis sem fontes de energia novas.


Referências

1. Moghaddam, S., E. Pengwang, K.Y. Lin, R.I. Masel, M.A. Shannon, da “Célula Combustível Milímetro-Escala com Combustível A Bordo e Sistema de Controlo Passivo,” Jornal do 17:6 Microelectromechanical dos Sistemas, 1388-1395, 2008.
2. Zhu, L., D. Kim, H. Kim, R.I. Masel, e M.A. Shannon, do “Geração Hidrogênio dos Hidruros em Reactores da Escala do Milímetro para Micro Aplicações da Célula Combustível Da Membrana da Troca de Proton,” Jornal do 185:2 das Fontes de Energia, 1334-1339, 2008.
3. Zhu, o 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, “Integraram a Micro-Potência Source Baseado em uma Célula Combustível Do Micro-Silicone, um Gerador do Hidrogênio de MEMS,” o Jornal do 185:2 das Fontes de Energia, 1305-1310, 2008.
4. Zhu, L; V. Swaminathan; B. Gurau; R.I. Masel; e M.A. Shannon, “Um Método A Bordo da Geração do Hidrogênio Baseado em Hidruros e em Recuperação da Água para Pilhas do Micro-Combustível,” Jornal das Fontes de Energia 192, 556-561, 2009.
5. Moghaddam, S., E. Pengwang, R.I. Masel, e M.A. Shannon, “Um Gerador Auto-regulador do Hidrogênio para Micro Células Combustíveis,” Jornal de 2008) 185:1 das Fontes de Energia (, 445-450, 2008.
6. Moghaddam, S.; E. Pengwang, Y-B. Jiang, A.R. García, D.J. Burnett, J. Brinker, R.I. Masel, E M.A. Shannon, “Nanoengineering uma Membrana da Troca de Proton da Próxima Geração para Células Combustíveis,” Nanotecnologia da Natureza (sob a revisão 2009).

Copyright AZoNano.com, Professor Mark A. Shannon, (Universidades de Illinois no Urbana-Campo)

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

Last Update: 13. June 2013 23:36

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