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纳诺化学制品电子机械系统和能源应用

标记 A. Shannon,主任,美国国家科学基金会教授高级材料科学和技术中心水的洗净的与系统 (WaterCAMPWS) 的; 微型纳诺机械系统 (MNMS)实验室; 机械科学和工程的部门; 伊利诺伊大学尔般那平原的
对应的作者: mshannon@illinois.edu

搜寻打开为大功率和能量密度电源在范围从在筹码传感器的应用的更小的范围到可插入的 pharma 发运对飞行的 microrobots 对关闭 PDAs 和计算机的更加世俗的应用。 迄今,电池关闭多数所有小型设备,提供微瓦给一百瓦特如需要。 但是大家希望他们的设备长期运行,并且与在小包装的更多功能,为相同大小意味能源需求存储更多 (能量密度确定他们多久运行),并且这种费率可以提供这个能源 (功率) 需要更高。

在反语残暴的转弯电池的,比如牵引力增量,能量密度减少,因此一个仔细折衷方案做在功率和能源之间与电池操作的设备。 纳米技术通过重要使能源用得更好增加获得自电源的功率和能源, (例如在电池的锂离子) 或许,和,允许固有地有高能密度的新的燃料使用。

表 1 显示能量密度每个单位质量和数量不同的燃料的或者能源。 注意多数燃料比锂离子有数量级多能量密度,现在是首要的电池燃料。

当纳米技术用于修建更好的阳极和负极锂离子电池的时,这个氧化还原电位没有一样有效能象其他燃料。 这个问题是,而锂离子 (和锌航空) 电池可能实际上提供这个能源在小规模,其他更加高密度的燃料仍然需要稳健和有效方法转换该能源成功率。

它不是假设的这些燃料可能提供功率在非常小规模,或者他们可以超出锂离子电池性能。 纳米技术比一公斤瓦特 hr/公升能满足在功率射程上的变化,提供能量密度极大,运行在大范围四周情况 (温度、压和湿气),因此可以实际地使用高能潜在的燃料?

燃料电池经常被誉为可能提供大功率和能量密度的一个下一代电源 (一部分,因为他们不必须运载在机上这种的氧化剂,使用在航空的氧气)。 然而,微小等级燃料电池充满问题。 不同于运载两氧化还原的反应剂产品在电池内保持,并且不需要辅助设备的电池 (除容器和电极外),燃料电池的需要方法提供燃料,氧气,用尽产品和控制在设备中的水合作用级别。

燃料电池也需要方法控制与变化的燃料和氧气发运在用电量上,经常使用精心制作的机械和电子控制系统。 所以,处理在负荷上的巨大的变化许多燃料电池是难的。 微小等级燃料电池的主要问题,因此,是如何提供燃料以高能密度,无需使用消耗重大的功率的大辅助系统和为了燃料电池能回应在用电量上的大变化,在变化周围温度和湿气。

如包括燃料、 PEM (PEM) 和辅助系统的图 1 所显示,竟管这些挑战,氢核替换膜1微型燃料细胞现在达少于在总数量的 10 微升,与瞬间峰值功率密度 360 个 W/l 和一个能量密度 250 W•hr/l,和朝向对瞬间功率密度高于 1000 个 W/l 和在 500 W 上的一个能量密度•hr/l.

图 1。 一个完全 nanoenabled 10 nanoliter 燃料电池。

在金属氢化物运行的这些燃料电池,和有三个数量级的一个力学范围从微瓦的运算 (稳定) 对毫瓦 (稳定),与 10 兆瓦瞬间峰值功率。 Nanostructured 金属氢化物用水接近瞬间地将起反应以所有形式对产物氢气,把其高能密度供给燃料电池2,3,4

然而,达到此力学范围,能源和功率密度,膜电极集合,包括 nanopore 膜 (显示在图 2) 上, nanocatalysts 和当前 collecctors 和 nanoliter 机械控制系统全部必须被设计和被优选最大化燃料贮存,无需使用寄生功率5,6

PEM 的图 2. 动画片在左边和 nanopores 的 SEM 图象在硅内的在右侧。 nanopores functionalized 与磺酸盐组允许水合作用用水以 deprotonated 墙壁提高在毛孔内的氢核运输。

这样,纳诺化学制品电子机械系统可能帮助铺往高能和功率密度来源的一个新的路径各种各样的当前的和不会是可能的没有新的电源的多数扣人心弦涌现的应用。


参考

1. Moghaddam、 S.、 E. Pengwang, K.Y. 林, R.I. Masel, M.A. Shannon, “毫米缩放比例与在机上燃料和被动控制系统的燃料电池”,微电动机械的系统 17:6 日记帐, 1388-1395 2008年。
2. 朱、 L.、 D. 金, H. 金, R.I. Masel 和 M.A. Shannon, “从氢化物的氢生成在毫米微氢核替换膜燃料电池应用的缩放比例反应器”,电源 185:2 日记帐, 1334-1339 2008年。
3. 朱、 L.、 K.Y. 林, R.D. 摩根, V.V. Swaminathan, H.S. 金, B. Gurau, D. 金, B. Bae, R.I. Masel 和 M.A. Shannon, “集成在微型硅燃料电池的微功率来源, MEMS 氢生成器基础上”,电源 185:2 日记帐, 1305-1310 2008年。
4. 朱, L; V. Swaminathan; B. Gurau; R.I. Masel; 并且 M.A. Shannon, “在氢化物和水恢复基础上的一个在机上氢生成方法微型燃料细胞的”,电源 192, 556-561 日记帐, 2009年。
5. Moghaddam、 S.、 E. Pengwang, R.I. Masel 和 M.A. Shannon, “微燃料电池的一台自我调节氢生成器”,电源 (2008) 185:1 日记帐, 445-450, 2008年。
6. Moghaddam, S.; E. Pengwang, Y-B。 江, A.R. 加西亚, D.J. Burnett, J. Brinker, R.I. Masel 和 M.A. Shannon, “Nanoengineering 燃料电池的一个下一代氢核替换膜”,本质纳米技术 (在复核中 2009)。

版权 AZoNano.com,标记 A. Shannon 教授, (伊利诺伊大学尔般那平原的)

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

Last Update: 13. June 2013 22:59

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