211service.com
Bättre bränsleceller för bärbara datorer
Batterier är förbannelsen av konsumentelektronikanvändare. De ger bara en begränsad mängd ström, tar timmar att ladda upp och blir med tiden mindre långvariga. I åratal har ingenjörer tittat på bränsleceller - enheter som producerar elektricitet genom att blanda ett bränsle med syremolekyler - som en mer hållbar alternativ strömförsörjning. Men tekniken har alltid stött på hinder som gör att den inte är lika praktisk och kostnadseffektiv som batterier.
Nu har forskare vid Arizona State Universitys Biodesign Institute i Tempe utvecklat en teknik som kan hjälpa till att göra bättre bränsleceller för bärbara datorer, kommunikationsenheter av militär kvalitet och, potentiellt, mobiltelefoner. I forskning som presenterades igår vid American Chemical Society-möte i San Francisco, visade Dominic Gervasio, docent vid Center for Applied Nanobioscience i Arizona State, och hans team att genom att tillsätta en kemikalie som finns i frostskyddsmedel till natriumborhydrid – en vätska som används för att lagra väte, molekylen som driver bränsleceller – de kan göra en bränslecell som håller längre. Det resulterande bränslet kan driva en bärbar dator dubbelt så lång som alla batterier på marknaden, samtidigt som det tillåter rumstemperaturdrift, till skillnad från många andra bränsleceller.
Bränsleceller för bärbara enheter har fått draghjälp under de senaste åren eftersom tekniken bakom dem har stadigt förbättrats. De har faktiskt nått längre än forskningslabb och tagit sig in i olika former av produktion. Millennium Cell, ett Eatontown, NJ-baserat företag, levererar bränsleceller för militära tillämpningar. Och vid årsskiftet planerar New York-baserade Medis Technologies att erbjuda en konsumentbränslecellsenhet utformad för att omedelbart ladda standardbatterier i mobiltelefoner, MP3-spelare och bärbara datorer.
Natriumborhydrid, lösningen som används av Millennium Cell, Medis och Arizona State-teamet håller på att bli ett populärt val för att lagra väte för bärbara bränsleceller, säger Gervasio. En anledning är att den används med den mest etablerade bränslecellsdesignen. Denna typ av bränslecell fungerar genom att kombinera väte med syre från luften för att producera elektrisk ström. Dessutom kan system som använder natriumborhydrid göras lika små som konventionella batterier eftersom lösningen lagrar en stor mängd väte i en liten volym. Dessutom är det en relativt säker vätska som inte är brandfarlig. Man kunde ta en tändsticka och lägga ut den i den, säger Gervasio.
Men för att lyckas som ersättning för batterier måste dessa bränsleceller visa sig vara betydligt bättre än de batterier de siktar på att ersätta, säger Gervasio. För närvarande producerar de flesta natriumborhydridbränsleceller bara något mer elektrisk energi per volym bränsle än konventionella batterier, säger han. För att öka prestandan hos deras bränslecellssystem visste Gervasio och hans team att de behövde öka mängden väte som är tillgänglig för bränslecellen från natriumborhydridlösningen.
Mikrobränslecellsystem innehåller i allmänhet tre delar: en patron med bränsle, en hydrolyskammare där väte utvinns från det flytande bränslet och en bränslecell där väte blandas med syre och skapar elektricitet. I Arizona State forskarnas system pumpas en blandning av vatten och natriumborhydrid från patronen in i hydrolyskammaren, som innehåller en katalysator. Katalysatorn sätter igång en kemisk reaktion som frigör väte från natriumborhydridlösningen och skapar även biprodukter som pumpas ut ur kammaren och tillbaka in i bränslepatronen för att kasseras senare.
Det verkar logiskt att öka koncentrationen av natriumborhydrid skulle öka produktionen av väte och göra ett bättre presterande bränslecellsystem. Men, säger Gervasio, det finns ett dolt problem med detta scenario. En av biprodukterna av hydrolysreaktionen är boroxid, en förening som inte löser sig lätt i vatten. Så när koncentrationen av natriumborhydrid ökar, ökar också koncentrationen av den fasta boroxiden, som tugmar upp pumpsystemet, vilket begränsar hur mycket natriumborhydrid som kan användas, säger Gervasio.
För att lösa detta problem testade Gervasio och hans team lösningsmedel som löser upp boroxid. De fann att genom att tillsätta etylenglykol till borhydridlösningen kunde de använda en koncentration av natriumborhydrid 50 procent starkare än en utan etylenglykol i lösningen – vilket ökar mängden väte som kan lagras och frigöras – utan att producera de oönskade klumpar av boroxid. Skillnaden, säger Gervasio, är ett bränslecellssystem som kan driva en enhet ungefär dubbelt så lång som ett batteri av samma storlek och vikt.
Etylenglykol är användbar inte bara för sin förmåga att lösa upp boroxid, utan också för att hantera temperaturen på vattnet i bränslecellen, tillägger Gervasio. Etylenglykol sänker fryspunkten och höjer kokpunkten för vatten i bränsleceller, precis som det gör i frostskyddet i en bils kylsystem. En sänkt fryspunkt hindrar vattnet i natriumborhydridlösningen från att förvandlas till is på en kall dag, medan en ökad kokpunkt kan hålla systemet igång jämnare vid högre temperaturer.
Hantera värme är faktiskt en aspekt av bränslecellsteknik som ingenjörer måste tänka på när de designar effektiva bränsleceller, säger Jack Brouwer, biträdande chef för National Fuel Cell Research Center vid University of California, Irvine. Och han tycker att Arizona State-forskningen är ett riktigt intressant arbete i det avseendet.
John Battaglini, vice vd för försäljning, marknadsföring och produktledning för Millennium Cell, säger att hans företag har tagit liknande tillvägagångssätt i sin bränslecellsutveckling; och tillägger att han är glad över att se fler människor som tittar på natriumborhydrid, och förväntar sig att det kommer att leda till andra framsteg längre fram.
Just nu tittar Gervasios team på olika typer av alkoholtillsatser som löser upp boroxid lika bra som eller bättre än etylenglykol. Han uppskattar att det kan ta ungefär fem år innan hans system integreras i en bärbar dator för konsumenter. Men bollen rullar: han har ansökt om ett antal patent på tekniken och för samtal med enhetstillverkare om sina senaste framsteg. Jag har mycket hopp om det här, säger han.