Een brandstofcel in uw telefoon

In een industriepark in Los Alamos, NM, niet ver van de geboorteplaats van de atoombom in het laboratorium, zit Robert Hockaday in het rommelige laboratorium van zijn startup-bedrijf Manhattan Scientifics, met een doorzichtig plastic stuk ter grootte van een visitekaartje. Bij nadere inspectie is een printplaatachtig patroon van zwart platina en ruthenium aan weerszijden bedrukt. Het ding is de ingewanden van een elektriciteitscentrale van vijf centimeter bij 13 centimeter die zijn eigen elektriciteit opwekt met methanol als brandstof. Op het eerste gezicht lijkt het misschien niet veel, maar het is een lid van een nieuwe klasse van kleine powerpacks die klaar is om op de markt te exploderen - en die een van 's werelds meest alomtegenwoordige technologieën, de batterij, zou kunnen vernietigen.

Deze miniatuurcentrales, microbrandstofcellen genaamd, beloven een enorme vermogensboost voor draagbare elektronica, variërend van mobiele telefoons tot laptops tot toekomstige generaties energieverslindende, web-enabled handheld-apparaten. De beste lithium-ionbatterijen voor mobiele telefoons van dit moment bieden gemiddeld slechts vier uur gesprekstijd; microbrandstofcellen zouden tot 20 uur gesprekstijd kunnen bieden. En daarna, in plaats van de mobiele telefoon 's nachts aan te sluiten of batterijen te verwisselen, zou je gewoon een nieuwe methanolpatroon insteken.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van november 2001

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Brandstofcellen komen natuurlijk al in andere vormen op de markt - en in veel grotere maten. Bussen aangedreven door brandstofcellen maken hun eerste verschijningen, en auto's zijn de volgende ( zien Vul 'er op met waterstof' , TR november/december 2000 ). Brandstofcellen die zorgen voor back-upstroom voor huizen en kantoren komen ook beschikbaar ( zien De macht aan het volk , TR mei 2001 ). Electrolux heeft zelfs een prototype gemaakt van een draadloze brandstofcelstofzuiger. Naast andere voordelen gebruiken brandstofcellen gemakkelijk beschikbare energiebronnen, namelijk waterstof of methanol, en produceren ze alleen water, kooldioxide en warmte als afvalproducten.

Nu maakt de industrie zich op om brandstofcellen klein genoeg te maken voor consumentenelektronica. Het bouwen van praktische brandstofcellen, deze kleine apparaten die een tiende van een watt tot 50 watt produceren, brengt enorme technische en materiaaluitdagingen met zich mee, maar de marktkansen zijn enorm. Draagbare brandstofcellen hebben het reële potentieel om in kortere tijd winstgevend te zijn dan zowel stationaire als brandstofceltoepassingen voor auto's, zegt Atakan Ozbek, vice-president voor energieonderzoek bij Allied Business Intelligence, een technologieonderzoeksbureau in Oyster Bay, NY. Over vijf jaar zou dit in potentie een markt van miljarden dollars per jaar kunnen zijn. Deze industrie gaat schoppen.

Het is niet verrassend dat een race om de technologie te commercialiseren in volle gang is en iedereen omvat, van Motorola en de Koreaanse elektronicagigant Samsung tot startende bedrijven zoals Hockaday's. De concurrenten wedden op verschillende ontwerpen - en zelfs iets andere chemie - maar ze hebben een gemeenschappelijk doel: een hap nemen uit de wereldmarkt van $ 6 miljard voor oplaadbare batterijen.

De eerste succesvolle toepassing zijn waarschijnlijk methanol-brandstofcellen die ongeveer een tiende van een watt produceren en conventionele batterijen kunnen opladen, waardoor consumenten worden bevrijd van de dashboardaansteker of het stopcontact. Vervolgens zijn er brandstofcellen die klein genoeg zijn om in de batterijcompartimenten van bestaande telefoons te passen en toch krachtig genoeg - één watt voor mobiele telefoons, 50 watt voor laptops - om te worden gebruikt voor directe stroomvoorziening.

Nog verder aan de horizon zullen microchips rechtstreeks worden aangedreven door ingebouwde brandstofcellen. Deze brandstofcellen zullen een zegen zijn voor miniaturisatie door de noodzaak voor afzonderlijke stroombronnen weg te nemen. Ze worden op maat ontworpen om te voorzien in nauwkeurige stroombehoeften. En de productiekosten zouden moeten dalen wanneer zowel de chip als de stroombron als één eenheid worden gefabriceerd. Zelfaangedreven chips kunnen op hun beurt een toekomstige generatie zelfvoorzienende gadgets mogelijk maken, zoals kleine netwerksensoren die in afgelegen gebieden kunnen werken, verontreinigende stoffen, biowarfare-toxines of iets anders dat moet worden gedetecteerd, en de gegevens maandenlang verzenden.

Klein worden

Het probleem met conventionele batterijen is dat ze afhankelijk zijn van elektrochemie die dateert uit de late 18e eeuw, en ze hebben enkele ernstige beperkingen. Het meest opvallende is dat zodra de toevoer van chemicaliën in de batterij is uitgereageerd, de batterij dood gaat. Je moet hem ofwel aansluiten op een oplader die in het stopcontact zit of hem weggooien, bij voorkeur in de prullenbak vanwege giftige ingrediënten zoals cadmium en kwik. En batterijen zullen waarschijnlijk niet veel beter worden; vrijwel elke chemische combinatie is geprobeerd, zegt Shimshon Gottesfeld, chief technology officer bij Mechanical Technology in Albany, NY, een bedrijf dat microbrandstofcellen ontwikkelt. Zelfs de beste batterijen hebben weinig kans om veel hoger te gaan in het vermogen dat ze kunnen produceren in gewicht, zegt hij.

Brandstofcellen zijn complexer, maar ze hebben fundamentele voordelen. Zolang er waterstof of methanol is, zal de brandstofcel elektriciteit produceren. Bovendien produceren brandstofcellen, dankzij de energierijke brandstoffen die ze gebruiken, meer energie voor hun gewicht dan batterijen ooit zullen doen.

Maar brandstofcellen zijn moeilijk te construeren, en de kleinere zijn het moeilijkst van allemaal. De ontwerpuitdagingen voor microbrandstofcellen beginnen bij de brandstofkeuze. Waterstof is onpraktisch; het is een gas en moet onder zeer hoge druk worden gecomprimeerd, en zelfs dan zijn tanks nodig die te groot zijn voor draagbare elektronica. Methanol/watermengsels worden gemakkelijker opgeslagen in een kleine brandstofcel, maar het gebruik ervan creëert nieuwe technische hindernissen. Om een ​​vloeibare brandstof te beheren, zijn kleine pompjes en leidingen nodig. Dan is er nog het afvalwater. Zelfs de meest fervente gsm-gebruikers zouden geen stroomvoorziening tolereren die op hun schouders druppelt, dus brandstofcellen moeten het water verdampen. Alle brandstofcellen creëren warmte; de kleine versies werken bij een temperatuur van 15 ° C tot een kokende 60 ° C. Hoewel dit een middel is om afvalwater te verdampen, vereist het ook de juiste balans tussen isolatie en ventilatie.

Dit alles in een handig pakketje ter grootte van een paar AA-cellen proppen, vormt een echte uitdaging. En gezien de felle concurrentie om een ​​microbrandstofcel te commercialiseren, zijn de meeste zakelijke spelers terughoudend over hoe ze zijn begonnen met het oplossen van deze problemen. Er is veel houding onder de bedrijven, maar dat is wat je zou verwachten in de vroege stadia als ze proberen hun positie te behouden, zegt brandstofcelwatcher Chris Dyer, redacteur van de Journal of Power Sources. Maar, voegt hij eraan toe, dit is geen rook en spiegels. Het is een echte technologie en vereist alleen wat slimme techniek om het te laten werken.

De meeste waarnemers voorspellen dat de eerste microbrandstofcel in de winkelrekken een oplaadapparaat zal zijn dat methanol gebruikt. Een half dozijn bedrijven werkt aan variaties op dit thema, waaronder Manhattan Scientifics. In het ontwerp van Hockaday zijn de brandstofcelcomponenten niet gerangschikt in een stapel, zoals traditionele brandstofcellen voor auto's. In plaats daarvan zijn ze naast elkaar geplaatst, als componenten op een microprocessor, waardoor ze geschikt zijn voor halfgeleiderproductietechnieken.

Mechanical Technology heeft al een bedrijf opgericht dat commerciële en residentiële brandstofcelcentrales ter grootte van koelkasten verkoopt. Nu richt Mechanical Technology zijn pijlen op kleinere dingen, te beginnen met het opladen van apparaten. We zijn erg optimistisch over de vooruitzichten om dit te commercialiseren, zegt Gottesfeld van Mechanical Technology, voormalig directeur van het brandstofcelonderzoeksprogramma van het Los Alamos-lab. We kijken niet alleen naar opladers, maar naar een compleet systeem voor mobiele telefoons. We kijken ook naar andere mogelijkheden zoals laptops, de speelgoedmarkt en elektrisch gereedschap.

Motorola en het Koreaanse Samsung zijn ook actief bezig met het ontwikkelen van prototypes. Hyuk Chang, een hoofdonderzoeker aan het Samsung Advanced Institute of Technology buiten Seoul, zegt dat het doel van het bedrijf is om over een jaar werkende modellen te demonstreren, opnieuw met oplaadapparaten voorop. Ik denk dat het nog twee jaar duurt om van het lab in de handen van de klant te komen, zegt Chang. De moeilijke vraag is wat de eerste toepassing zal zijn.

Bij Motorola volgt brandstofcelprojectleider Jerry Hallmark een strategie die kleinere brandstofpatronen belooft. Hij zegt dat het bedrijf kleine vloeistofsystemen heeft ontwikkeld die het water in het methanol-waterbrandstofmengsel voortdurend zouden recyclen. Vervangende cartridges kunnen gewoon onverdunde methanol bevatten. De brandstofcel kan niet draaien op geconcentreerde methanol; het heeft een verdunde oplossing nodig. Maar je wilt geen verdunde brandstof meenemen, zegt hij. Hallmark voegt eraan toe dat het waarschijnlijk drie tot vijf jaar zal duren voordat elk bedrijf, inclusief Motorola, een product gaat verkopen.

Een punch inpakken

Wat Motorola en de andere bedrijven echter vooral willen, zijn batterij-achtige brandstofcellen die rechtstreeks op telefoons en andere elektronica klikken om ze rechtstreeks van stroom te voorzien. De mobiele telefoon is een van de moeilijkste, omdat mensen hun batterij graag willen vervangen door een brandstofcel van hetzelfde formaat. Ik zou het ze graag kunnen geven, maar we hebben nog lang niet zoiets, zegt Hallmark.

Om deze visie te realiseren, volgen de bedrijven uiteenlopende strategieën. Het in New York City gevestigde Medis Technologies gelooft dat het een brandstofcel kan maken die de batterij van de mobiele telefoon zou kunnen vervangen, met 20 uur gesprekstijd voor mobiele telefoons en honderden uren stand-by op een enkele brandstofpatroon. Robert K. Lifton, Chief Executive Officer van Medis, zegt dat het bedrijf een gepatenteerde vloeibare elektrolyt gebruikt die kan werken met hogere concentraties brandstof - en dienovereenkomstig meer vermogen levert - dan conventionele alternatieven. Maar Medis zegt niet precies hoe het werkt. We hebben ongeveer 17 patenten ingediend en we wachten om ze te krijgen voordat we de details bespreken, zegt Lifton. De bedrijfsstrategie kan echter niet duidelijker zijn: het is de scheermesjesbenadering. De uitbetaling voor ons zou de vulling zijn, voor ongeveer $ 1 per vulling, legt Lifton uit. Hij zegt dat Medis eind dit jaar een prototype zal hebben.

Een andere strategie omvat het dragen van methanol als brandstof en het vervolgens indien nodig omzetten in waterstof. Omdat waterstof meer vermogen per gewicht bevat dan methanol, zou het schema krachtigere en efficiëntere brandstofcellen kunnen produceren. Robert Savinell, een professor in chemische technologie aan de Case Western Reserve University, probeert zo'n kleine brandstofcel te bouwen; tot nu toe heeft zijn groep een prototype van 25 vierkante centimeter gebouwd.

De chemische omzetting van methanol in waterstof - door ingenieurs vaak reforming genoemd - is technologisch eenvoudig genoeg, behalve wanneer je het probeert op een apparaatje ter grootte van een miniatuur. Men heeft op grote schaal reformers gebouwd voor kilowatt toepassingen, dus de vraag is niet of het werkt. De vraag is of je het klein genoeg kunt maken om in een mobiele telefoon of laptop te passen, zegt Motorola's Hallmark.

Chipvermogen

Voorbij de dag dat elektronica wordt geleverd met ingebouwde brandstofcellen in plaats van batterijen, doemt een andere technologische grens op: brandstofcellen rechtstreeks op chips bouwen. De groep van Savinell bij Case Western heeft al een prototype gebouwd van slechts 1,5 centimeter bij twee centimeter. Zijn groep gebruikte microfabricagetechnieken om vijf tot zes lagen brandstofcelcomponenten te printen - het membraan, de elektrode en de katalysator - op keramische en siliciumwafels, en meer recentelijk op een flexibel polymeermateriaal. Op deze schaal gebruikt hij waterstof als brandstof, opgeslagen als natriumboorhydride en vrijgegeven met een platinakatalysator. De hoop is om stroom te leveren op een chip met een sensor en een zender - een volledig zelfvoorzienend apparaat, zegt Savinell.

Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology, MIT, Stanford University en Sandia National Laboratories in Livermore, CA, werken ook aan het bouwen van brandstofcellen op chipschaal. Om deze apparaten te laten werken op gemakkelijk op te slaan methanol, maakt Paul A. Kohl, een professor in chemische technologie aan Georgia Tech, kleine kanaaltjes op silicium waardoor methanol en water kunnen passeren. Deze kanalen kunnen worden gemaakt op een conventionele assemblagelijn voor siliciumchips. Je zou de brandstofcel zo kunnen ontwerpen dat hij precies het gewenste vermogen levert en de grootte heeft die je wilt, zegt Kohl.

Naast het verkleinen van brandstofcellen tot de chipschaal, is een ander langetermijndoel het mogelijk maken van brandstofcellen om direct gebruik te maken van de kracht van waterstof, maar hogedruktanks te vermijden. Een ambitieuze aanpak zou gebruik maken van koolstofnanobuisjes: pijpachtige koolstofmoleculen die waterstof kunnen opslaan en afgeven. Onderzoekers stellen zich nanocanisters vol waterstof voor die brandstofcellen zouden kunnen laten zoemen, maar dit vereist doorbraken in materialen en productiemethoden, zegt Michael Heben, leider van een groep nanogestructureerde materialen bij het National Renewable Energy Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie in Golden, CO Het kan zijn dat iemand de vinger erop legt in de komende week, of het kan 20 jaar duren, zegt hij.

De meest geloofwaardige, reproduceerbare resultaten tot nu toe, zegt David Tomanek, hoogleraar natuurkunde aan de Michigan State University, werden bereikt door Mildred Dresselhaus, een natuurkundige aan het MIT, en collega's van de Chinese Academie van Wetenschappen, die aangaven een manier te hebben gevonden om koolstofnanobuizen op te slaan 4,2 procent van hun gewicht in waterstof. Dat kan genoeg zijn voor microbrandstofcellen, zegt Tomanek. Het zal lichter, kleiner en veiliger zijn dan een tank, zelfs met vier procent, en dat zou over een paar jaar kunnen gebeuren. Maar ik ben een optimist, zegt hij. Dresselhaus zelf is meer op hun hoede: op dit moment hebben we de toverstaf niet. We hebben een opening die zegt: dit is iets om naar te zoeken.' De volgende stap ontbreekt nog. Die volgende stap zou binnen dit decennium kunnen komen, voegt ze eraan toe, maar we hebben een grote doorbraak nodig.

Andere elektronicagiganten experimenteren ook met koolstofmoleculen om microbrandstofcellen te verbeteren. NEC heeft gerapporteerd dat hoornvormige moleculen, bekend als koolstofnanohoorns, worden gebruikt als substraat voor platinakatalysatoren, waardoor er meer oppervlak ontstaat voor sterkere chemische reacties en meer kracht. En Sony zegt dat het voetbalvormige koolstofmoleculen gebruikt die bekend staan ​​als fullerenen - de basiscomponenten van koolstofnanobuisjes - om betere elektrolyten te construeren.

Ondertussen komen de eerste microbrandstofcellen snel op de markt. Natuurlijk moeten de prototypes voortdurend worden verfijnd om ervoor te zorgen dat er geen brandstof kan lekken en om hun efficiëntie te verhogen. Maar deze hindernissen zijn relatief klein, zeggen industriewatchers. Batterijen hadden tenslotte ook hun deel van ontwikkelingsproblemen. De eerste high-energy lithiumbatterijen hadden de neiging om vlam te vatten en zelfs te exploderen. Zoals elke eigenaar van een mobiele telefoon weet, zijn die problemen opgelost.

Er zijn tal van redenen - ongeveer $ 6 miljard waard, in feite - om te suggereren dat hetzelfde zal gebeuren met microbrandstofcellen, waardoor deze opmerkelijke kleine powerpacks in de zakken van miljoenen consumenten terechtkomen. Inderdaad, als microbrandstofcellen tevoorschijn komen uit rommelige laboratoria zoals de Los Alamos-buitenpost van Manhattan Scientifics, kunnen ze batterijen, met hun beperkte vermogen en hoofdpijn van de verwijdering van zwaar metaalafval, in de prullenbak van de technologie plaatsen.

zich verstoppen