Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Năng lượng là yếu tố đầu vào thiết yếu đối với mọi hoạt động kinh tế và đời sống xã hội. Trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống đang dần cạn kiệt và gây phát thải lớn các chất gây ô nhiễm môi trường như oxit nitơ ($NO_x$), oxit lưu huỳnh ($SO_x$) và cacbon đioxit ($CO_2$), việc nghiên cứu phát triển các nguồn năng lượng sạch, có khả năng tái tạo là một đòi hỏi cấp thiết. Pin nhiên liệu (fuel cell) nổi lên như một giải pháp chuyển hóa năng lượng trực tiếp từ phản ứng hóa học sang điện năng với hiệu suất cao, tiếng ồn thấp và thân thiện với môi trường. Trong các dòng pin nhiên liệu, pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) sử dụng hydro và oxy làm nhiên liệu đầu vào đặc biệt thu hút sự chú ý nhờ nhiệt độ vận hành thấp, khởi động nhanh, sản phẩm phụ chỉ là nước và nhiệt, rất thích hợp ứng dụng trong giao thông vận tải, thiết bị xách tay và trạm phát điện.
Nhằm kế thừa và phát triển các kết quả nghiên cứu trước đây tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG-HCM Hóa Lý Ứng dụng—nơi đã bước đầu chế tạo thành công một số vật liệu thành phần trong pin nhiên liệu—đề tài được thực hiện nhằm giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể sau:
- Lắp ráp hoàn thiện hệ pin nhiên liệu đơn thương mại.
- Nghiên cứu, xây dựng điều kiện vận hành an toàn và ổn định cho pin nhiên liệu màng trao đổi proton thương mại trên hệ thiết bị đo chuyên dụng.
- Khảo sát các thông số kỹ thuật ảnh hưởng đến hoạt động của pin (áp suất, tỉ lệ lưu lượng khí, nhiệt độ, độ lặp lại).
- Thiết lập quy trình đo và tính toán phổ tổng trở điện hóa (EIS) để đánh giá bản chất động học của pin.
Đối tượng nghiên cứu của đồ án là pin nhiên liệu màng trao đổi proton đơn (single cell) thương mại do hãng Paxiteck sản xuất, sử dụng tổ hợp màng điện cực (MEA) thương mại mua từ FuelCellStore với diện tích làm việc $25\text{ cm}^2$. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành từ ngày 19/01/2015 đến ngày 30/06/2015 tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG-HCM Hóa Lý Ứng dụng, thuộc đồ án tốt nghiệp đại học chính quy ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học (chuyên ngành Hóa dầu), Trường Đại học Bà Rịa - Vũng Tàu.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Về cơ sở lý thuyết, khóa luận hệ thống hóa nguyên lý hoạt động và phân loại pin nhiên liệu. Về mặt phân loại theo chất điện giải, pin nhiên liệu gồm 6 loại phổ biến:
| Loại pin nhiên liệu |
Tên viết tắt |
Chất điện giải |
Nhiệt độ làm việc (°C) |
Hiệu suất pin (%) |
Dải công suất cung cấp |
| Pin nhiên liệu kiềm |
AFC |
Dung dịch kiềm (KOH/NaOH) |
< 80 |
60 – 70 |
10 – 100 kW |
| Pin nhiên liệu acid phosphoric |
PAFC |
Acid phosphoric ($H_3PO_4$) |
150 – 200 |
55 |
< 10000 kW |
| Pin nhiên liệu oxit rắn |
SOFC |
$Y_2O_3$ hoặc $ZrO_2$ |
700 – 1000 |
60 |
0,01 – 1 kW |
| Pin nhiên liệu carbonat nóng chảy |
MCFC |
Muối carbonat lỏng ($Li_2CO_3/K_2CO_3$) |
600 – 700 |
45 – 50 |
300 – 3000 kW |
| Pin nhiên liệu methanol trực tiếp |
DMFC |
Màng polymer (Nafion) |
90 – 120 |
20 – 30 |
0,001 – 1 kW |
| Pin nhiên liệu màng trao đổi proton |
PEMFC |
Màng polymer rắn (Nafion) |
50 – 100 |
60 |
0,001 – 500 kW |
Đối với dòng pin PEMFC, cấu tạo bao gồm ba thành phần cơ bản: màng điện giải, điện cực và tấm lưỡng cực. Màng điện giải thông dụng nhất là Nafion (cấu trúc gồm sườn tetrafluoroethylene kết hợp nhánh perfluorovinyl ether gắn nhóm tận cùng acid sulfonic $-SO_3H$), có chiều dày khoảng 5 – 300 µm, đảm nhận vai trò dẫn truyền proton $H^+$ nhưng cách điện đối với electron. Hai điện cực (anode và cathode) được chế tạo từ giấy carbon xốp có phủ chất xúc tác nano Platin (Pt). Màng Nafion kết hợp với hai lớp xúc tác và hai lớp khuếch tán khí (GDL) tạo thành tổ hợp màng điện cực (MEA 5 lớp hoặc MEA 7 lớp khi có thêm đệm làm kín). Tấm lưỡng cực (bipolar plate) bằng than chì (graphite), kim loại hoặc vật liệu composite giữ nhiệm vụ phân phối khí, dẫn điện giữa các pin đơn và tản nhiệt. Phản ứng hóa học diễn ra trong pin PEMFC:
- Tại anode: $2H_2 \rightarrow 4H^+ + 4e^-$
- Tại cathode: $O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O$
- Phản ứng tổng quát: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$ (hiệu điện thế lý thuyết cực đại $E^0 = 1,23\text{ V}$).
Về phương pháp nghiên cứu và phép đo điện hóa, tác giả sử dụng các phương pháp:
- Đo thế mạch hở (Open Circuit Voltage - OCV): Ghi nhận hiệu điện thế tĩnh khi không tải để chẩn đoán sơ bộ trạng thái tiếp xúc và rò rỉ màng.
- Quét điện thế (Voltage scan): Biến thiên tuyến tính điện thế với tốc độ quét xác định để thu được đường cong phân cực (đồ thị I - V), phản ánh đặc tính dòng điện theo thế.
- Phương pháp bậc điện thế (Chronoamperometry - CA): Đánh giá độ ổn định dòng theo thời gian khi thay đổi bước thế đột ngột.
- Phổ tổng trở điện hóa (Electrochemical Impedance Spectroscopy - EIS): Khảo sát không phá hủy mẫu, đặt dao động điện thế xoay chiều hình sin biên độ nhỏ $\Delta E \le 30\text{ mV}$ trên dải tần số từ cao xuống thấp (10 µHz đến 10 kHz trên thiết bị, dải khảo sát thực nghiệm từ 0,1 Hz đến 1000 Hz) ở chế độ Potentiostat nhằm tách biệt điện trở dung dịch/màng, điện trở truyền điện tích và hiện tượng khuếch tán, biểu diễn qua giản đồ Nyquist ($Z_r$ và $Z_i$) và giản đồ Bode.
Hệ thiết bị thực nghiệm chính bao gồm:
- Thiết bị thử nghiệm pin nhiên liệu Fuel Cell Tester FCT-50s của hãng Bio-Logic Science Instruments (Pháp), công suất 1400 W, tải điện tử 50A/5V (250 W), tích hợp đường cấp khí anode/cathode, bộ gia nhiệt khí, bình làm ẩm và phần mềm điều khiển FC-Lab trên máy tính qua cổng Ethernet.
- Bộ pin đơn diện tích $25\text{ cm}^2$ do Paxiteck sản xuất; MEA thương mại; bình chứa khí nén $H_2$, $O_2$, Ar tinh khiết; van giảm áp Fujikin; cần chỉnh lực Licota AQT; cồn ethanol > 95,5% (Chemsol) và nước cất hai lần.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 trình bày hệ thống lý thuyết về pin nhiên liệu, so sánh ưu nhược điểm của 6 dòng pin nhiên liệu chính và phân tích các lĩnh vực ứng dụng (thiết bị di động 5 – 20 W, trạm cố định 1 – 100 kW, phương tiện vận tải 0,5 – 400 kW). Tác giả đi sâu vào cơ chế vận chuyển ion và electron trong pin PEMFC, phân tích cấu tạo chi tiết của màng polymer Nafion, cấu trúc tổ hợp MEA (3 lớp, 5 lớp, 7 lớp) và vai trò phân phối khí của tấm lưỡng cực graphite. Chương này cũng phân tích 3 yếu tố ảnh hưởng quyết định đến hoạt động của PEMFC: nhiệt độ (tăng nhiệt độ giúp tăng tính dẫn ion của màng nhưng nếu quá cao sẽ làm khô màng), độ ẩm (thiếu ẩm gây nứt màng Nafion, thừa ẩm gây ngập nước lớp khuếch tán khí) và áp suất khí cấp (tăng áp suất giúp phân tử khí tiếp xúc sâu vào tâm xúc tác). Cuối chương, tác giả trình bày cơ sở toán học của các phép đo điện hóa (CV, CA, Potentio EIS, Galvano EIS), nguyên lý mạch tương đương gồm điện trở thuần $R$, tụ điện $C$, cuộn cảm $L$, cùng bảng thông số kỹ thuật của máy FCT-50s (áp suất làm việc tối đa 6 bar, nhiệt độ môi trường 10 – 35 °C, bình chứa thể tích tối đa 2 L cho mỗi đường khí).
Chương 2: Thực nghiệm
Chương 2 mô tả danh mục hóa chất, linh kiện và thiết bị phục vụ nghiên cứu, bao gồm máy FCT-50s, phần mềm FC-Lab, bộ cell Paxiteck, MEA từ FuelCellStore, van điều áp, cờ lê lực Licota AQT và bể siêu âm ELMA. Tác giả xây dựng quy trình thực nghiệm gồm hai nội dung chính: thiết lập quy trình vận hành thiết bị FCT-50s (khởi động, kiểm soát thông số trên phần mềm, ngừng hệ thống an toàn) và xây dựng thông số cho các phép đo điện hóa (thế mạch hở OCV, quét điện thế Voltage scan, tổng trở điện hóa EIS). Kế hoạch khảo sát thực nghiệm tập trung vào 4 nội dung: ảnh hưởng của áp suất khí (khảo sát từ 0,3 đến 0,8 bar), ảnh hưởng của tỉ lệ lưu lượng khí $O_2/H_2$ (từ 1/3 đến 1/1), ảnh hưởng của nhiệt độ pin (từ 40 đến 90 °C) và đánh giá độ lặp lại của phép đo ở 70 °C và 80 °C.
Chương 3: Kết quả và biện luận
Chương 3 tập trung phân tích các dữ liệu thực nghiệm thu được:
- Quy trình vận hành và xử lý sự cố thiết bị FCT-50s: Tác giả ghi nhận chi tiết các bước khởi động tủ hút, mở bình khí (điều chỉnh áp suất bình khí ra 3 – 5 bar), kết nối phần mềm FC-Lab thông qua địa chỉ IP mặc định
192.109.209.128 (yêu cầu bắt buộc ngắt kết nối mạng Internet/LAN thông thường của máy tính để tránh xung đột). Phân tích nguyên nhân và cách khắc phục sự cố rò khí bằng cách kiểm tra nước xà phòng và sử dụng cần siết lực Licota AQT siết đều 8 bu-lông trên thân pin với mô-men lực chuẩn $5\text{ N}\cdot\text{m}$. Trường hợp đèn báo chuyển đỏ và phát tiếng kêu báo động, cần ấn nút Overload, kiểm tra lại áp suất khí đầu vào nằm trong ngưỡng 3 – 6 bar.
- Hiện tượng tồn dư điện thế và quy trình giải hấp phụ: Khi mới lắp hoặc khởi động, thế mạch hở của pin thường duy trì ở mức > 0,8 V (thay vì 0 V) do hiện tượng khí $H_2$ và $O_2$ bị hấp phụ mạnh trên cấu trúc carbon nano của điện cực. Tác giả đã xây dựng quy trình giải hấp phụ bằng cách gia nhiệt pin lên 80 °C, thổi hơi nước kết hợp khí trơ Argon liên tục trong 25 phút. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy hiệu điện thế giảm dần theo thời gian:
| Thời gian (giây) |
0 |
51 |
259 |
467 |
793 |
1018 |
1241 |
1337 |
1418 |
| Điện thế tế bào $E_{cell}$ (V) |
0,821 |
0,800 |
0,704 |
0,603 |
0,503 |
0,410 |
0,306 |
0,254 |
0,205 |
Sau khi thế hạ xuống dưới 0,3 V, pin có thể tự giải hấp hoàn toàn về 0 V, đảm bảo tính chuẩn xác cho các phép đo tiếp theo.
- Khảo sát ảnh hưởng của áp suất: Cố định nhiệt độ pin và khí ở 70 °C, lưu lượng $H_2 = 180\text{ ml/phút}$, $O_2 = 120\text{ ml/phút}$. Khi nâng áp suất từ 0,3 bar lên 0,8 bar bằng van Backpressure, cường độ dòng và điện thế tăng rõ rệt. Tại 0,3 bar, dòng cực đại chỉ đạt khoảng 3 A, điện thế 0,85 V; tại 0,7 – 0,8 bar, dòng điện vượt mức 5 A.
- Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ lưu lượng khí $O_2/H_2$: Cố định nhiệt độ 70 °C, áp suất 0,5 bar, lưu lượng $H_2 = 0,003\text{ mol/phút}$:
| Tỉ lệ $O_2/H_2$ |
1/3 |
1/2 |
2/3 |
5/6 |
1/1 |
| Lưu lượng $O_2$ (mol/phút) |
0,0010 |
0,0015 |
0,0020 |
0,0026 |
0,0030 |
| Cường độ dòng cực đại (A) |
Nhỏ |
4,10 |
5,26 |
Trung bình |
3,40 |
| Điện thế cao nhất (V) |
- |
- |
0,88 |
- |
- |
Kết quả thực nghiệm xác định tỉ lệ lưu lượng tối ưu là $O_2/H_2 = 2/3$, cho dòng cực đại 5,26 A và thế 0,88 V. Tỉ lệ 1/2 (theo lý thuyết phản ứng) chỉ đạt 4,1 A do hiệu suất chuyển hóa thực tế không đạt 100%, trong khi tỉ lệ 1/1 làm giảm dòng xuống 3,4 A do lượng $O_2$ quá dư gây cản trở khuếch tán.
- Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ: Khảo sát tại 40, 50, 60, 70, 80 và 90 °C ở áp suất 0,5 bar. Khi tăng nhiệt độ từ 40 °C lên 70 °C, dòng cực đại tăng từ 4,3 A lên 5,26 A (thế cực đại ổn định ở 0,88 V). Tuy nhiên, khi tăng tiếp lên 80 °C và 90 °C, tính năng pin sụt giảm nghiêm trọng: tại 80 °C dòng giảm xuống 3,37 A (thế cực đại còn 0,85 V) và tại 90 °C dòng chỉ còn 2,8 A. Nguyên nhân do ở nhiệt độ cao, nước bốc hơi nhanh khiến màng Nafion bị mất nước (không được hydrat hóa đầy đủ), dẫn đến tăng mạnh nội trở màng.
- Đánh giá độ lặp lại của phép đo: Thử nghiệm quét điện thế lặp lại ở 70 °C và 80 °C. Tại 70 °C, hai đường cong phân cực trùng khít với sai số dòng cực đại là $3,11%$ ($|5,301 - 5,136| / 5,301$). Tại 80 °C, sai số giữa hai lần đo tăng vọt lên $13,35%$ ($|3,37 - 2,92| / 3,37$), chứng minh trạng thái màng ở 80 °C kém ổn định do hiện tượng mất ẩm cục bộ.
- Khảo sát tổng trở điện hóa: Thiết lập quy trình đo ổn định OCV trong 10 phút, sau đó thực hiện Potentio EIS ở điện áp phân cực 0,5 V, dải tần số 0,1 Hz đến 1000 Hz với biên độ xoay chiều 30 mV, thu được phổ Nyquist thực tế phục vụ phân tích bán kính cung truyền điện tích và điện trở dung dịch.
Chương 4: Kết luận và kiến nghị
Chương 4 đúc kết toàn bộ các kết quả đạt được về quy trình vận hành thiết bị FCT-50s, quy trình tiền xử lý giải hấp phụ cho điện cực, bộ thông số vận hành tối ưu cho pin đơn PEMFC thương mại ($P > 0,8\text{ bar}$, tỉ lệ $O_2/H_2 = 2/3$, nhiệt độ 70 °C). Đồng thời, tác giả kiến nghị tiếp tục mở rộng dải khảo sát áp suất lên trên 0,8 bar và ứng dụng quy trình đo chuẩn này để đánh giá các mẫu màng MEA và chất xúc tác tự tổng hợp trong nước.
Kết quả và đóng góp
Khóa luận đã thu được các kết quả thực nghiệm định lượng rõ ràng:
- Xác định bộ thông số vận hành tối ưu cho pin đơn PEMFC Paxiteck $25\text{ cm}^2$ trên máy FCT-50s: nhiệt độ làm việc tối ưu là 70 °C (cho dòng cực đại 5,26 A và thế 0,88 V; vượt trội so với 4,3 A tại 40 °C và 2,8 A tại 90 °C); tỉ lệ lưu lượng khí $O_2/H_2$ tối ưu là 2/3 (đạt 5,26 A, cao hơn mức 4,1 A của tỉ lệ hợp thức 1/2); áp suất khí vận hành hiệu quả nằm trong khoảng 0,7 – 0,8 bar (dòng > 5 A, cao hơn mức 3 A tại 0,3 bar).
- Xác lập sai số thực nghiệm của phép đo phân cực: tại 70 °C, độ lặp lại của phép đo đạt độ chính xác cao với sai số dòng chỉ 3,11%, trong khi ở 80 °C sai số tăng lên 13,35%.
Về mặt giải pháp kỹ thuật, tác giả đề xuất:
- Quy trình chuẩn hóa lực siết cơ học bằng cần chỉnh lực Licota AQT cố định ở mô-men xoắn $5\text{ N}\cdot\text{m}$ cho 8 bu-lông của pin, loại bỏ triệt để hiện tượng cong vênh tấm lưỡng cực gây rò rỉ khí và sụt áp.
- Quy trình giải hấp phụ điện cực sau khi vận hành: nâng nhiệt độ lên 80 °C, thổi hơi nước và khí Argon trong 25 phút để hạ điện thế tồn dư từ 0,821 V xuống dưới 0,3 V (cụ thể 0,205 V sau 1418 giây), giúp pin tự động đưa về 0 V trước lần đo kế tiếp.
- Quy trình kết nối mạng máy tính độc lập với máy FCT-50s qua IP
192.109.209.128 nhằm triệt tiêu lỗi ngắt kết nối phần mềm FC-Lab.
Đóng góp mới của tác giả so với các nghiên cứu trước tại phòng thí nghiệm là đã làm chủ hoàn toàn quy trình vận hành hệ thiết bị đo hiện đại FCT-50s, xây dựng được bộ thông số chuẩn cho các phép đo OCV, Voltage scan, EIS trên pin thương mại, tạo tiền đề tin cậy để so sánh, kiểm tra các vật liệu xúc tác và màng MEA tự chế tạo tại Việt Nam.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Khóa luận phản ánh một số hạn chế gắn liền với điều kiện thực nghiệm:
- Dải áp suất khảo sát thực tế mới dừng lại ở mức 0,8 bar do yêu cầu đảm bảo an toàn phòng thí nghiệm, trong khi máy FCT-50s cho phép vận hành tới 6 bar. Xu hướng đồ thị cho thấy áp suất tối ưu thực tế có thể lớn hơn 0,8 bar nhưng chưa được khảo sát hết.
- Nghiên cứu chỉ mới tiến hành trên pin đơn thương mại diện tích $25\text{ cm}^2$ và MEA nhập khẩu, chưa tiến hành thử nghiệm trên hệ nhiều pin ghép nối (stack) hoặc đánh giá độ suy giảm hiệu năng dài hạn (durability test).
Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả đề xuất:
- Tiếp tục khảo sát tính năng điện hóa ở dải áp suất cao hơn 0,8 bar với các biện pháp an toàn nghiêm ngặt.
- Sử dụng quy trình vận hành và thông số đo đã chuẩn hóa để tiến hành thử nghiệm, đo đạc tổng trở và đánh giá hoạt tính của các tổ hợp MEA sử dụng chất xúc tác nano tự tổng hợp tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG-HCM Hóa Lý Ứng dụng.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo thực nghiệm hữu ích đối với sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học, Kỹ thuật dầu khí / Hóa dầu, Kỹ thuật năng lượng tái tạo, Vật lý kỹ thuật và Khoa học vật liệu.
Các nội dung có giá trị ứng dụng cao gồm:
- Quy trình vận hành chi tiết từng bước thiết bị đo Bio-Logic Fuel Cell Tester FCT-50s và phần mềm FC-Lab, đặc biệt là danh mục các lỗi thường gặp (lỗi kết nối IP, lỗi đèn đỏ áp suất khí, lỗi rò rỉ khí) kèm giải pháp khắc phục cụ thể.
- Kỹ thuật giải hấp phụ điện cực carbon nano bằng nhiệt ẩm và khí trơ để xử lý triệt để hiện tượng thế dư tĩnh.
- Phương pháp cài đặt các thông số kỹ thuật cho phép đo phân cực quét thế (Voltage scan) và phổ tổng trở điện hóa Potentio EIS trên pin đơn PEMFC.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao khi vừa khởi động hệ thống FCT-50s, điện thế pin thường ở mức > 0,8 V dù chưa cấp tải, và tác giả xử lý thế nào?
Hiện tượng này xảy ra do vật liệu nền điện cực là carbon xốp có diện tích bề mặt rất lớn (đặc biệt khi đạt kích thước nano), có khả năng hấp phụ mạnh lượng khí $H_2$ và $O_2$ còn sót lại từ các thí nghiệm trước. Lượng khí này tiếp tục phản ứng điện hóa cục bộ tạo ra hiệu điện thế > 0,8 V. Để xử lý, tác giả tiến hành quy trình giải hấp phụ: gia nhiệt pin lên 80 °C, đồng thời thổi liên tục hơi nước và khí trơ Argon vào pin trong khoảng 25 phút. Điện thế tế bào sẽ giảm dần từ 0,821 V xuống 0,205 V sau 1418 giây, tại mức này pin sẽ tự giải hấp về 0 V mà không gây ảnh hưởng đến phép đo kế tiếp.
2. Sự cố áp suất không tăng khi vặn van Backpressure xuất phát từ nguyên nhân nào và khắc phục ra sao?
Nguyên nhân chủ yếu do pin nhiên liệu bị rò khí hoặc hệ thống van xả khí đóng/mở sai quy cách. Để khắc phục, người vận hành dùng nước xà phòng kiểm tra các mối nối và vị trí tiếp giáp giữa hai tấm lưỡng cực. Nếu phát hiện rò rỉ tại tấm lưỡng cực do lực siết không đều, cần sử dụng cần chỉnh lực Licota AQT siết lại toàn bộ 8 bu-lông về cùng giá trị lực chuẩn là $5\text{ N}\cdot\text{m}$. Đồng thời, kiểm tra các đường khí sau máy FCT-50s: đường khí xả nguyên liệu (out) phải luôn mở, đường khí thổi rửa Purge in/out phải luôn đóng trong suốt quá trình đo (chỉ mở khi tiến hành vệ sinh bảo trì hệ thống bằng khí trơ).
3. Tại sao tỉ lệ lưu lượng $O_2/H_2 = 2/3$ lại cho hiệu năng cao hơn tỉ lệ phản ứng lý thuyết 1/2?
Theo phương trình phản ứng hóa học $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$, tỉ lệ thể tích phản ứng là 1 thể tích $O_2$ trên 2 thể tích $H_2$ (tỉ lệ 1/2). Tuy nhiên trong điều kiện vận hành thực tế của pin đơn, hiệu suất phản ứng tiếp xúc trên bề mặt xúc tác không đạt 100%. Tại tỉ lệ 1/2, lượng khí tham gia phản ứng chưa đạt mức tối đa và dòng cực đại chỉ đạt 4,1 A. Khi nâng tỉ lệ lên 2/3, lượng $H_2$ được kích hoạt tham gia phản ứng đạt mức cao nhất trong khi lượng $O_2$ dư thừa vừa đủ, giúp dòng cực đại đạt đỉnh 5,26 A và thế đạt 0,88 V. Nếu cấp quá nhiều oxy (tỉ lệ 1/1), dòng lại giảm xuống 3,4 A do lượng oxy dư thừa lớn gây cản trở sự khuếch tán tại bề mặt điện cực.
4. Vì sao hiệu năng của pin PEMFC sụt giảm mạnh khi nhiệt độ vận hành tăng lên 80 – 90 °C?
Theo lý thuyết, khi tăng nhiệt độ từ nhiệt độ phòng đến 70 °C, độ dẫn ion của màng tăng và nội trở pin giảm, làm tăng cường độ dòng từ 4,3 A (ở 40 °C) lên 5,26 A (ở 70 °C). Tuy nhiên, màng trao đổi proton Nafion đòi hỏi phải luôn được hydrat hóa (ngậm nước) để duy trì các kênh dẫn truyền ion hydronium ($H_3O^+$). Khi nhiệt độ tăng lên 80 °C và 90 °C, tốc độ bốc hơi nước diễn ra quá nhanh vượt quá tốc độ cung cấp ẩm và sinh nước của phản ứng, làm màng Nafion bị khô và mất ẩm cục bộ. Việc màng bị mất nước làm tăng vọt điện trở màng, khiến dòng cực đại giảm xuống 3,37 A tại 80 °C và chỉ còn 2,8 A tại 90 °C.
5. Sai số lặp lại của phép đo quét điện thế ở 70 °C và 80 °C được tính toán như thế nào?
Sai số được xác định dựa trên chênh lệch giữa hai giá trị cường độ dòng lớn nhất trong hai lần đo lặp lại chia cho giá trị cường độ dòng ở lần đo thứ nhất. Tại 70 °C, giá trị dòng giữa hai lần đo lần lượt là 5,301 A và 5,136 A, sai số tính toán được là:
$$\delta_{70} = \frac{|5,301 - 5,136|}{5,301} \times 100% = 3,11%$$
Tại 80 °C, giá trị dòng giữa hai lần đo là 3,37 A và 2,92 A, sai số tính toán được là:
$$\delta_{80} = \frac{|3,37 - 2,92|}{3,37} \times 100% = 13,35%$$
Kết quả cho thấy ở 70 °C phép đo có độ lặp lại và độ tin cậy rất cao, trong khi ở 80 °C hệ thống có độ bất ổn định lớn.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Thái Sơn đã thiết lập thành công quy trình vận hành và kiểm tra tính năng điện hóa cho pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) thương mại $25\text{ cm}^2$ trên hệ thiết bị chuyên dụng Bio-Logic FCT-50s. Các điều kiện hoạt động tối ưu của pin đơn được xác định rõ nét qua thực nghiệm tại nhiệt độ 70 °C, áp suất khí $0,7 - 0,8\text{ bar}$ và tỉ lệ lưu lượng khí $O_2/H_2 = 2/3$, cho dòng cực đại đạt 5,26 A với độ lặp lại cao (sai số 3,11%). Bên cạnh đó, nghiên cứu đã đề xuất các giải pháp kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao như cân chỉnh lực siết bu-lông ở $5\text{ N}\cdot\text{m}$ để chống rò khí và quy trình khử điện thế tồn dư bằng hơi nước kết hợp khí trơ trong 25 phút. Đây là nền tảng thực nghiệm vững chắc, mở đường cho việc thử nghiệm và đánh giá chất lượng các loại vật liệu xúc tác nano và màng MEA tự chế tạo trong nước.
