为便携式电子设备驱动燃料电池的新方法

2019-01-14 10:04:29
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普渡大学的工程师开发出一种新的燃料电池制氢方法,可以自动为便携式电子产品(如笔记本电脑)中的电池充电,并且不需要使用墙上插座。

研究结果将于8月28日在华盛顿特区举行的美国化学学会年会上公布,并将在同行评审的论文中详细介绍,并将刊登在即将出版的期刊“燃烧与火焰”杂志上。该论文由研究科学家Evgeny Shafirovich,博士后研究员Victor Diakov和Arvind Varma,R. Games Slayter化学工程杰出教授和普渡大学化学工程学院院长撰写。

研究人员在今年早些时候开发了这种新方法,并设想了一种未来的系统,其中氢释放材料的颗粒将包含在一次性信用卡大小的墨盒中。一旦颗粒用完,就会将新的盒式磁带插入手机,个人数字助理,笔记本电脑,数码相机,手持式医疗诊断设备和除颤器等设备中。

Varma说,该方法还可能用于军人的便携式电子设备以及航天器和潜艇的设备。

该新技术结合了两种先前已知的制氢方法。Varma说,以前的方法有局限性,使它们单独使用时不切实际,但当这些方法结合使用时,这些缺点就会被克服。

其中一种方法是由Purdue的化学家和诺贝尔奖获得者Herbert C. Brown发明的,他在第二次世界大战期间发现了一种名为硼氢化钠的化合物。该化合物含有钠,硼和氢。后来,他开发了一种通过将硼氢化钠与水和催化剂结合来生产氢气的技术。然而,该方法具有主要缺点,因为它需要昂贵的催化剂,例如钌。

另一种方法涉及化学反应,其中微小的铝颗粒与水结合,使得铝在燃烧过程中点燃,释放氢气。该方法不需要昂贵的催化剂,但它产生的氢气量不足以用于燃料电池应用。

“我们的解决方案是将两种方法结合起来,使用我们称之为三硼氢化物 - 金属 - 水的混合物,它不需要催化剂,并且具有足够高的氢气产率,使该方法适用于燃料电池应用,”Varma说。“到目前为止,我们已经在实验中证明我们可以将6.7%的混合物转化为氢气,这意味着每100克混合物我们可以生产近7克的氢气,而且产量已经超过了市场上的替代方法“。

Shafirovich说,研究人员已经提交了该技术的临时专利申请,希望通过额外的实验将产量提高到10%左右。

通过该方法产生的氢可以用于驱动燃料电池,然后燃料电池将产生电力以给电池充电。计算机芯片将自动检测电池何时需要充电,激活新的颗粒,直到墨盒上的所有颗粒都被消耗。Diakov说,反应中的副产物对环境无害,可以安全地丢弃或回收利用。

除了在便携式电子产品中的潜在用途之外,该技术还有望成为航天器硬件供电的能源。

沙夫罗维奇说:“阿波罗13号事故是由液氧爆炸引起的,液氧需要与液态氢一起供给航天器中的燃料电池。” “使用化学混合物,例如我们的化学混合物来产生氢气和氧气,可以消除这种爆炸的可能性。”

产氢反应的关键步骤是使用微小的铝颗粒,其宽度仅为100纳米,或100亿分之一米。

“你不想使用大块的铝块,因为那时你只会在那些块的外表面上产生反应,所以你不能产生足够的氢气,”Varma说。“你更愿意使用的是具有高表面积的微小颗粒,这使得它们能够完全反应,不会留下浪费并产生更多氢气。”

另一个关键组件是通过将水与称为聚丙烯酰胺的材料结合而形成的特殊凝胶。

“如果你想点燃铝与水的混合物,问题是水沸腾在100摄氏度,铝在更高的温度下点燃,”沙菲罗维奇说。“所以,如果你试图点燃混合物,你只需要蒸发水,铝就不会点燃。

“当我们使用这种凝胶时,水会在更高的温度下沸腾,纳米级粉末也会降低铝的着火温度。因此,您既可以提高水的沸点,又可以降低铝的着火温度,从而使反应成为可能。 “

研究人员相信,他们将能够安全地消散反应产生的热量,使该技术适用于便携式电子产品。

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