納諾化學製品電子機械系統和能源應用

標記 A. Shannon,主任,美國國家科學基金會教授高級材料科學和技術中心水的洗淨的與系統 (WaterCAMPWS) 的; 微型納諾機械系統 (MNMS)實驗室; 機械科學和工程的部門; 伊利諾伊大學爾般那平原的
對應的作者: mshannon@illinois.edu

搜尋打開為大功率和能量密度電源在範圍從在籌碼傳感器的應用的更小的範圍到可插入的 pharma 發運對飛行的 microrobots 對關閉 PDAs 和計算機的更加世俗的應用。 迄今,電池關閉多數所有小型設備,提供微瓦給一百瓦特如需要。 但是大家希望他們的設備長期運行,并且與在小包裝的更多功能,為相同大小意味能源需求存儲更多 (能量密度確定他們多久運行),并且這種費率可以提供這個能源 (功率) 需要更高。

在反語殘暴的轉彎電池的,比如牽引力增量,能量密度減少,因此一個仔細折衷方案做在功率和能源之間與電池操作的設備。 納米技術通過重要使能源用得更好增加獲得自電源的功率和能源, (例如在電池的鋰離子) 或許,和,允許固有地有高能密度的新的燃料使用。

表 1 顯示能量密度每個單位質量和數量不同的燃料的或者能源。 注意多數燃料比鋰離子有數量級多能量密度,現在是首要的電池燃料。

當納米技術用於修建更好的陽極和負極鋰離子電池的時,這個氧化還原電位沒有一樣有效能像其他燃料。 這個問題是,而鋰離子 (和鋅航空) 電池可能實際上提供這個能源在小規模,其他更加高密度的燃料仍然需要穩健和有效方法轉換該能源成功率。

它不是假設的這些燃料可能提供功率在非常小規模,或者他們可以超出鋰離子電池性能。 納米技術比一公斤瓦特 hr/公升能滿足在功率射程上的變化,提供能量密度極大,運行在大範圍四周情況 (溫度、壓和濕氣),因此可以實際地使用高能潛在的燃料?

燃料電池經常被譽為可能提供大功率和能量密度的一個下一代電源 (一部分,因為他們不必須運載在機上這種的氧化劑,使用在航空的氧氣)。 然而,微小等級燃料電池充滿問題。 不同於運載兩氧化還原的反應劑產品在電池內保持,并且不需要輔助設備的電池 (除容器和電極外),燃料電池的需要方法提供燃料,氧氣,用盡產品和控制在設備中的水合作用級別。

燃料電池也需要方法控制與變化的燃料和氧氣發運在用電量上,經常使用精心製作的機械和電子控制系統。 所以,處理在負荷上的巨大的變化許多燃料電池是難的。 微小等級燃料電池的主要問題,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輔助系統和為了燃料電池能回應在用電量上的大變化,在變化周圍溫度和濕氣。

如包括燃料、 PEM (PEM) 和輔助系統的圖 1 所顯示,竟管這些挑戰,氫核替換膜1微型燃料細胞現在達少於在總數量的 10 微升,與瞬間峰值功率密度 360 个 W/l 和一個能量密度 250 W•hr/l,和朝向對瞬間功率密度高於 1000 个 W/l 和在 500 W 上的一個能量密度•hr/l.

圖 1。 一個完全 nanoenabled 10 nanoliter 燃料電池。

在金屬氫化物運行的這些燃料電池,和有三個數量級的一個力學範圍從微瓦的運算 (穩定) 對毫瓦 (穩定),與 10 兆瓦瞬間峰值功率。 Nanostructured 金屬氫化物用水接近瞬間地將起反應以所有形式對產物氫氣,把其高能密度供給燃料電池2,3,4

然而,達到此力學範圍,能源和功率密度,膜電極集合,包括 nanopore 膜 (顯示在圖 2) 上, nanocatalysts 和當前 collecctors 和 nanoliter 機械控制系統全部必須被設計和被優選最大化燃料貯存,无需使用寄生功率5,6

PEM 的圖 2. 動畫片在左邊和 nanopores 的 SEM 圖像在硅內的在右側。 nanopores functionalized 與磺酸鹽組允許水合作用用水以 deprotonated 牆壁提高在毛孔內的氫核運輸。

這樣,納諾化學製品電子機械系統可能幫助鋪往高能和功率密度來源的一個新的路徑各種各樣的當前的和不會是可能的沒有新的電源的多數扣人心弦湧現的應用。


參考

1. Moghaddam、 S.、 E. Pengwang, K.Y. 林, R.I. Masel, M.A. Shannon, 「毫米縮放比例與在機上燃料和被動控制系統的燃料電池」,微電動機械的系統 17:6 日記帳, 1388-1395 2008年。
2. 朱、 L.、 D. 金, H. 金, R.I. Masel 和 M.A. Shannon, 「從氫化物的氫生成在毫米微氫核替換膜燃料電池應用的縮放比例反應器」,電源 185:2 日記帳, 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, 「集成在微型硅燃料電池的微功率來源, MEMS 氫生成器基礎上」,電源 185:2 日記帳, 1305-1310 2008年。
4. 朱, L; V. Swaminathan; B. Gurau; R.I. Masel; 并且 M.A. Shannon, 「在氫化物和水恢復基礎上的一個在機上氫生成方法微型燃料細胞的」,電源 192, 556-561 日記帳, 2009年。
5. Moghaddam、 S.、 E. Pengwang, R.I. Masel 和 M.A. Shannon, 「微燃料電池的一臺自我調節氫生成器」,電源 (2008) 185:1 日記帳, 445-450, 2008年。
6. Moghaddam, S.; E. Pengwang, Y-B。 江, A.R. 加西亞, D.J. Burnett, J. Brinker, R.I. Masel 和 M.A. Shannon, 「Nanoengineering 燃料電池的一個下一代氫核替換膜」,本質納米技術 (在覆核中 2009)。

版權 AZoNano.com,標記 A. Shannon 教授, (伊利諾伊大學爾般那平原的)

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

Last Update: 13. June 2013 23:02

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