211service.com
Betere brandstofcellen voor laptops
Batterijen zijn de vloek van gebruikers van consumentenelektronica. Ze leveren slechts een beperkte hoeveelheid stroom, hebben uren nodig om op te laden en gaan na verloop van tijd minder lang mee. Al jaren kijken ingenieurs naar brandstofcellen - apparaten die elektriciteit produceren door een brandstof te mengen met zuurstofmoleculen - als een duurzamere alternatieve voeding. Maar de technologie is altijd op hindernissen gestuit waardoor deze niet zo praktisch en kosteneffectief is als batterijen.
Nu hebben onderzoekers van het Biodesign Institute van de Arizona State University in Tempe een techniek ontwikkeld die zou kunnen helpen bij het maken van betere brandstofcellen voor laptops, communicatieapparatuur van militaire kwaliteit en mogelijk mobiele telefoons. In onderzoek dat gisteren werd gepresenteerd op de American Chemical Society-bijeenkomst in San Francisco, toonden Dominic Gervasio, universitair hoofddocent in het Center for Applied Nanobioscience in de staat Arizona, en zijn team aan dat door een chemische stof die in antivries wordt aangetroffen toe te voegen aan natriumboorhydride - een vloeistof die wordt gebruikt om waterstof, het molecuul dat brandstofcellen aandrijft - ze kunnen een brandstofcel met een langere levensduur maken. De resulterende brandstof zou een laptop twee keer zo lang van stroom kunnen voorzien als elke andere batterij op de markt, terwijl het mogelijk is om op kamertemperatuur te werken, in tegenstelling tot veel andere brandstofcellen.
Brandstofcellen voor draagbare apparaten hebben de afgelopen jaren aan populariteit gewonnen, omdat de technologie erachter gestaag is verbeterd. Ze zijn nu zelfs verder gegaan dan onderzoekslaboratoria en hebben hun weg gevonden naar verschillende vormen van productie. Millennium Cell, een in Eatontown, NJ gevestigd bedrijf, levert brandstofcellen voor militaire toepassingen. En tegen het einde van het jaar is het in New York gevestigde Medis Technologies van plan om een brandstofcelapparaat voor consumenten aan te bieden dat is ontworpen om standaardbatterijen in mobiele telefoons, mp3-spelers en laptops onmiddellijk op te laden.
Natriumboorhydride, de oplossing die wordt gebruikt door Millennium Cell, Medis en het Arizona State-team, wordt een populaire keuze om waterstof op te slaan voor draagbare brandstofcellen, zegt Gervasio. Een reden is dat het wordt gebruikt met het meest gevestigde brandstofcelontwerp. Dit type brandstofcel werkt door waterstof te combineren met zuurstof uit de lucht om elektrische stroom te produceren. Bovendien kunnen systemen die natriumboorhydride gebruiken net zo klein worden gemaakt als conventionele batterijen, omdat de oplossing een grote hoeveelheid waterstof opslaat in een klein volume. Bovendien is het een relatief veilige vloeistof die niet brandbaar is. Je zou een lucifer kunnen pakken en erin stoppen, zegt Gervasio.
Maar om te slagen als vervanging voor batterijen, moeten deze brandstofcellen zich aanzienlijk beter bewijzen dan de batterijen die ze willen vervangen, zegt Gervasio. Momenteel produceren de meeste natriumboorhydride-brandstofcellen slechts iets meer elektrische energie per volume brandstof dan conventionele batterijen, zegt hij. Om de prestaties van hun brandstofcelsysteem te verbeteren, wisten Gervasio en zijn team dat ze de hoeveelheid waterstof die beschikbaar is voor de brandstofcel uit de natriumboorhydride-oplossing moesten verhogen.
Microbrandstofcelsystemen bestaan over het algemeen uit drie onderdelen: een brandstofpatroon, een hydrolysekamer waar waterstof uit de vloeibare brandstof wordt gehaald en een brandstofcel waarin waterstof zich vermengt met zuurstof, waardoor elektriciteit ontstaat. In het systeem van de onderzoekers van de staat Arizona wordt een mengsel van water en natriumboorhydride uit de cartridge in de hydrolysekamer gepompt, die een katalysator bevat. De katalysator zet een chemische reactie in gang die waterstof vrijmaakt uit de natriumboorhydride-oplossing, en ook bijproducten creëert die uit de kamer worden gepompt en terug in de brandstofpatroon om later te worden weggegooid.
Het lijkt logisch dat het verhogen van de concentratie natriumboorhydride de productie van waterstof zou verhogen en een beter presterend brandstofcelsysteem zou opleveren. Gervasio zegt echter dat er een verborgen probleem is met dit scenario. Een van de bijproducten van de hydrolysereactie is booroxide, een verbinding die niet gemakkelijk oplost in water. Dus wanneer de concentratie natriumboorhydride toeneemt, neemt ook de concentratie van het vaste booroxide toe, dat het pompsysteem opslokt en beperkt hoeveel natriumboorhydride kan worden gebruikt, zegt Gervasio.
Om dit probleem aan te pakken, testten Gervasio en zijn team oplosmiddelen die booroxide oplossen. Ze ontdekten dat ze, door ethyleenglycol aan de boorhydride-oplossing toe te voegen, een concentratie natriumboorhydride konden gebruiken die 50 procent sterker is dan een concentratie zonder ethyleenglycol in de oplossing - waardoor de hoeveelheid waterstof die kan worden opgeslagen en vrijgemaakt toeneemt - zonder de ongewenste klonten te produceren van booroxide. Het verschil, zegt Gervasio, is een brandstofcelsysteem dat een apparaat ongeveer twee keer zo lang kan voeden als een batterij van dezelfde grootte en hetzelfde gewicht.
Ethyleenglycol is niet alleen nuttig vanwege het vermogen om booroxide op te lossen, maar ook voor het beheersen van de temperatuur van water in de brandstofcel, voegt Gervasio toe. Ethyleenglycol verlaagt het vriespunt en verhoogt het kookpunt van water in brandstofcellen, net als in de antivries van het koelsysteem van een auto. Een verlaagd vriespunt zorgt ervoor dat het water in de natriumboorhydride-oplossing niet in ijs verandert op een koude dag, terwijl een verhoogd kookpunt ervoor kan zorgen dat het systeem bij hogere temperaturen soepeler werkt.
Het beheersen van warmte is inderdaad een aspect van brandstofceltechnologie waarmee ingenieurs rekening moeten houden bij het ontwerpen van efficiënte brandstofcellen, zegt Jack Brouwer, associate director van het National Fuel Cell Research Center van de University of California, Irvine. En hij is van mening dat het onderzoek van de staat Arizona in dat opzicht echt interessant werk is.
John Battaglini, vice-president van verkoop, marketing en productbeheer voor Millennium Cell, zegt dat zijn bedrijf soortgelijke benaderingen heeft gevolgd bij de ontwikkeling van brandstofcellen; en voegt eraan toe dat hij blij is om te zien dat meer mensen naar natriumboorhydride kijken, en verwacht dat dit zal leiden tot andere vorderingen langs de lijn.
Op dit moment kijkt het team van Gervasio naar verschillende soorten alcoholadditieven die booroxide even goed of beter oplossen dan ethyleenglycol. Hij schat dat het zo'n vijf jaar kan duren voordat zijn systeem in een consumentenlaptop wordt ingebouwd. Maar de bal is aan het rollen: hij heeft een aantal patenten op de technologie aangevraagd en is in gesprek met apparaatmakers over zijn recente vorderingen. Ik heb er veel hoop op, zegt hij.