Νέες μικροσκοπικές κυψέλες καυσίμου σε θερμοκρασία δωματίου

Από την ιστοσελίδα του PhysicsWeb, 19 Νοεμβρίου 2003

Μηχανικοί στις ΗΠΑ έχουν κατασκευάσει μια μικροσκοπική κυψέλη καυσίμου με υψηλή ενεργειακή πυκνότητα  η οποία λειτουργεί στη θερμοκρασία δωματίου. Ο Xiang Zhang και οι συνάδελφοι του στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας του Λος Άντζελες και στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβανίας, λένε ότι η συσκευή τους θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως πηγή ενέργειας για φορητές ηλεκτρονικές συσκευές, για ιατρικά εργαλεία και διάφορες άλλες μικροσυσκευές 
(T J Yen et al. 2003 App. Phys. Lett. 83 4056)

Έως τώρα οι πηγές ενέργειας για τις μικροσυσκευές λειτουργούσαν μόνο σε υψηλές θερμοκρασίες και εξέπεμπαν τοξικά υποπροϊόντα. Επιπλέον, οι συσκευές αυτές περιέχουν υψηλής ταχύτητας κινούμενα μέρη που πρέπει να λειτουργούν σε συνθήκες εντός στενών ορίων. Τώρα, ο Zhang και οι συνάδελφοι του έχουν κατασκευάσει μια μικροσκοπική κυψέλη καυσίμου, που χρησιμοποιεί σαν καύσιμο τη μεθανόλη. Αυτό το υλικό έχει μια υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και είναι ευκολότερο να αποθηκευτεί σε μια μικροσκοπική συσκευή από ό,τι το αέριο υδρογόνο, που χρησιμοποιείται παραδοσιακά στις κυψέλες καυσίμου.

Η ομάδα των UCLA και Πανεπιστημίου της Πενσυλβανίας δημιούργησε αρχικά ένα σχηματισμό από μεμβράνες ανταλλαγής πρωτονίων, παρεμβάλλοντας ένα στρώμα στερεού ηλεκτρολύτη μεταξύ μιας καθόδου και μιας ανόδου. Κατόπιν, ενσωμάτωσαν αυτόν τον σχηματισμό των ηλεκτροδίων σε μια μικροσκοπική κυψέλη καυσίμου πάνω σε βάση πυριτίου, που περιείχε κανάλια πλάτους 750 μικρών και βάθους 400 μικρών του μέτρου.

Ένα υγρό διάλυμα μεθανόλης τροφοδοτεί την άνοδο μέσω των μικροσκοπικών καναλιών, όπου παράγει ηλεκτρόνια και πρωτόνια. Τα ηλεκτρόνια ρέουν μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος για να δημιουργήσουν έτσι το ρεύμα, ενώ τα πρωτόνια κινούνται μέσω της μεμβράνης ανταλλαγής προς την κάθοδο. Τα πρωτόνια ενώνονται έπειτα με τα ηλεκτρόνια από το κύκλωμα και το οξυγόνο του αέρα για να παράγουν το νερό ως αβλαβές υποπροϊόν στην κάθοδο. Όσο υψηλότερη είναι η συγκέντρωση της μεθανόλης, τόσο περισσότερα πρωτόνια μπορούν να παρέχονται και τόσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα που παράγεται. Επίσης, στην άνοδο παράγεται διοξείδιο του άνθρακα.

Χρησιμοποιώντας ένα διάλυμα με συγκέντρωση 1Μ, οι ερευνητές παρατήρησαν μια  πυκνότητα παραγόμενης ισχύος 47 milliwatts ανά τετραγωνικό εκατοστό, σε μια θερμοκρασία 60 βαθμών Κελσίου, η οποία λένε ότι είναι μεταξύ των υψηλότερων πυκνοτήτων που έχουν επιτευχθεί ποτέ σε μια μικροσκοπική κυψέλη καυσίμου. Στη θερμοκρασία δωματίου, η πυκνότητα της παραγόμενης ισχύος ήταν 14,3 milliwatts ανά τετραγωνικό εκατοστό. Επιπλέον, η σχεδίαση του νέου στοιχείου σημαίνει ότι μπορούν να μην υπάρχουν κινητά μέρη.

Η ομάδα προγραμματίζει τώρα να βελτιώσει την απόδοση των μεμβρανών ανταλλαγής και ελπίζει να αυξήσει περαιτέρω την  πυκνότητα της παραγόμενης ισχύος της συσκευής, κάνοντας μια τρισδιάστατη κυψέλη καυσίμου.

"Έχουμε αυξήσει ήδη το χρόνο λειτουργίας του στοιχείου με τη χρησιμοποίηση διαλύματος μεθανόλης 8Μ, χωρίς καμιά απώλεια απόδοσης," λέει το μέλος των ομάδων David Yen.