Luận văn thạc sĩ công nghệ hóa học tổng hợp bao 5sro 5coo 8feo 2o3 gbscf 5582 bằng phương pháp đồng kết tủa và khảo sát độ chọn lọc của vật liệu

Luận văn thạc sĩ: Tổng hợp và khảo sát vật liệu 5SrO-5CoO-8FeO-2O3-GBSCF 5582 bằng phương pháp đồng kết tủa. Nghiên cứu độ chọn lọc vật liệu.

• Tác giả: Phạm Nguyễn Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Lê Minh Viễn
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Hóa Học
• Đề tài: Tổng hợp Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3−δ (BSCF- 5582 ) bằng phương pháp đồng kết tủa và khảo sát độ chọn lọc của vật liệu
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU – PIN NHIÊN LIỆU OXIT RẮN (SOFCs)
• 1.1. Giới thiệu pin nhiên liệu
• 1.2. Phân loại pin nhiên liệu
• 1.3. Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFCs)
• 1.3.1. Phân loại SOFCs
• 1.3.2. Pin nhiên liệu hai buồng (DC-SOFCs)
• 1.3.3. Pin nhiên liệu đơn buồng (SC-SOFCs)
• 1.3.3.1. Sự phát triển của SC-SOFCs
• 1.3.3.2. Điện áp mạch hở - OCV của SC-SOFCs
• 1.3.3.3. Nguyên lý hoạt động của SC-SOFCs
• 1.3.3.4. Hoạt tính xúc tác và độ chọn lọc
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3-δ (BSCF-5582) – TÍNH CHẤT, TỔNG HỢP, ỨNG DỤNG
• 2.1. Giới thiệu vật liệu perovskite
• 2.2. Các cải tiến để sử dụng SOFCs ở nhiệt độ thấp
• 2.3. Điện trở kháng
• 2.4. BSCF-5582 sử dụng cho pin nhiên liệu đơn buồng SC-SOFCs
• 2.5. Các phương pháp tổng hợp
• 2.5.1. Phương pháp sol-gel
• 2.5.2. Phương pháp đồng kết tủa
• 2.5.3. Phương pháp có hỗ trợ vi sóng
• 2.6. Mục tiêu nghiên cứu
• 3. CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Tổng hợp BSCF-5582
• 3.1.1. Hóa chất và thiết bị
• 3.1.2. Chuẩn bị dung dịch
• 3.1.3. Quy trình tổng hợp BSCF-5582
• 3.2. Nội dung nghiên cứu
• 3.2.1. Khảo sát quá trình tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa
• 3.2.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH
• 3.2.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung
• 3.2.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung
• 3.2.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ M
• 3.2.2. Khảo sát độ chọn lọc
• 3.2.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khí CH4 : O2
• 3.2.3. Chế tạo pin đo công suất
• 3.3. Các phương pháp phân tích
• 3.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X – XRD
• 3.3.2. Phân tích nhiệt TG
• 3.3.3. Phân tích hiển vi điện tử - SEM
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 4.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp BSCF-5582
• 4.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH
• 4.1.2. Phân tích TGA/DSC
• 4.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung
• 4.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung
• 4.1.5. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ M (M+/Oxalate)
• 4.1.6. Kết quả phân tích SEM
• 4.2. Khảo sát tính chọn lọc của xúc tác BSCF-5582 theo tỉ lệ khí CH4 : O2
• 4.3. Đánh giá hoạt động của pin SOFCs trong điều kiện đơn buồng phản ứng
• 4.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chọn lọc
• 4.4. Đặc tính dẫn điện của BSCF-5582 ứng dụng catot pin nhiên liệu
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Luận Văn Thạc Sĩ Vật Liệu 5SrO

Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFCs) là thiết bị chuyển đổi năng lượng hóa học thành điện năng, hiệu suất cao. SOFCs tiềm năng thương mại nhờ cung cấp năng lượng sạch, sử dụng nhiều loại nhiên liệu, cấu tạo đơn giản, phù hợp mọi công suất, ít ô nhiễm. Nhiệt độ hoạt động cao (600-1000°C) gây khó khăn tìm kiếm vật liệu, thiết kế kín khí, an toàn. Giảm nhiệt độ hoạt động là mục tiêu nghiên cứu SOFCs. Nghiên cứu tập trung pin nhiên liệu oxit rắn đơn buồng (SC-SOFCs) ưu thế cấu tạo, dễ thiết kế, không cần kín khí, không cần thiết bị cung cấp khí riêng. Giải pháp cải tiến catot cần đảm bảo hiệu suất, giảm nhiệt độ, có tính chọn lọc với hỗn hợp khí. Nhiều nghiên cứu vật liệu catot cho SC-SOFCs, trong số đó perovskite ABO3 là hứa hẹn nhờ đặc tính đa dạng, cơ chế xúc tác. Tính chất, hoạt tính xúc tác thay đổi phụ thuộc vào thay thế nguyên tố kim loại khác nhau vào vị trí A hoặc B trong cấu trúc. Các perovskite còn có độ bền nhiệt cao, cấu trúc ổn định cải thiện độ tin cậy, tuổi thọ. Cụ thể, perovskite của Barium strontium cobalt ferrite (BSCF) cho thấy sự phù hợp. Vì vậy đề tài “Tổng hợp Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3−δ (BSCF- 5582) bằng phương pháp đồng kết tủa và khảo sát độ chọn lọc của vật liệu” đặt mục tiêu tìm phương pháp đơn giản, hiệu quả chế tạo vật liệu BSCF-5582 làm catot pin nhiên liệu SOFCs và khảo sát độ chọn lọc của vật liệu khi hoạt động với hỗn hợp nhiên liệu trong SC-SOFCs.

1.1. Giới Thiệu Tổng Quan về Pin Nhiên Liệu Oxit Rắn SOFCs

Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFCs) được coi là một công nghệ phát điện thế hệ tiếp theo vì tính linh hoạt nhiên liệu và hiệu quả tổng thể cao do khả năng sử dụng trong hệ thống đồng phát. Một lợi thế của SOFCs là có thể sử dụng được khí tự nhiên làm nhiên liệu và hiệu suất phản ứng cao bởi nhiệt phản ứng tương đối cao. Bởi vậy, không cần tới vật liệu xúc tác đắt tiền.

1.2. Tầm Quan Trọng của Vật Liệu Perovskite trong SC SOFCs

Cải tiến catot là một giải pháp, nhưng catot cần đảm bảo vẫn giữ được hiệu suất cao, giảm được nhiệt độ hoạt động và có tính chọn lọc đối với hỗn hợp khí nhiên liệu. Nhiều nghiên cứu về vật liệu làm catot cho SC-SOFCs. Perovskite ABO3 là một trong những vật liệu hứa hẹn cho ứng dụng là catot của pin SOFCs nhờ những đặc tính đa dạng và cơ chế xúc tác của chúng.

II. Thách Thức Nhiệt Độ Độ Chọn Lọc Vật Liệu Xúc Tác

Nhiệt độ hoạt động cao cũng đưa ra những thách thức về độ tin cậy và tính ổn định lâu dài của hệ thống. Sự thoái hóa vật liệu, sự hỏng hóc trong việc giữ kín khí và nứt do khác nhau về hệ số giãn nở nhiệt giữa các thành phần dẫn đến hiệu suất và tính ổn định thấp. Nhiệt độ hoạt động cao cũng là một hạn chế trong việc ứng dụng SOFCs trên các thiết bị điện di động. Do đó, việc giảm nhiệt độ hoạt động là một trong những thách thức chính trong nghiên cứu SOFCs. Một yếu tố khác cần xem xét là độ chọn lọc của vật liệu xúc tác, đặc biệt khi sử dụng hỗn hợp khí làm nhiên liệu. Độ chọn lọc kém có thể dẫn đến các phản ứng phụ không mong muốn, làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của pin.

2.1. Vấn Đề Nhiệt Độ Cao trong Ứng Dụng SOFCs

Nhiệt độ hoạt động cao của SOFCs từ khoảng 600-1000C, điều này gây khó khăn trong việc tìm kiếm nguyên vật liệu phù hợp, thiết kế thiết bị yêu cầu cao về kín khí và an toàn. Hạ nhiệt độ hoạt động của SOFCs là mục tiêu chính trong các nghiên cứu về SOFCs hiện nay, nó cho phép sử dụng các kim loại chuyển tiếp rẻ tiền để giảm chi phí.

2.2. Tầm Quan Trọng của Độ Chọn Lọc Vật Liệu Xúc Tác trong SC SOFCs

Để giải quyết các vấn đề đó thì cải tiến catot là một giải pháp, nhưng catot cần đảm bảo vẫn giữ được hiệu suất cao, giảm được nhiệt độ hoạt động và có tính chọn lọc đối với hỗn hợp khí nhiên liệu. Nhiều nghiên cứu về vật liệu làm catot cho SC-SOFCs. Chính vì vậy đề tài đặt mục tiêu muốn tìm phương pháp đơn giản và hiệu quả để chế tạo vật liệu BSCF-5582 làm catot pin nhiên liệu SOFCs và khảo sát độ chọn lọc của vật liệu khi hoạt động với hỗn hợp nhiên liệu trong SC-SOFCs.

2.3. Phân Tích Thành Phần Khí Bằng Phương Pháp GC với Đầu Dò TCD

Mẫu phân tích được xác định thành phần khí bằng phương pháp GC với đầu dò TCD. Kết quả cho thấy độ chuyển hóa của CH4 là thấp nhất với Rmix = 2, tại nhiệt độ 550-650C CH4 tiêu hao không đáng kể, tại nhiệt độ 700 và 750C độ chuyển hóa lần lượt là 11 và 21%.

III. Phương Pháp Đồng Kết Tủa Bí Quyết Tổng Hợp BSCF 5582

Phương pháp đồng kết tủa được sử dụng để tổng hợp vật liệu Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3−δ (BSCF-5582). Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước hạt và độ đồng đều của vật liệu. Ở các điều kiện: pH kết tủa bằng 3, tỉ lệ M (M+/Oxalate) 1:1,2 , nhiệt độ nung 900C, thời gian nung 4 giờ vật liệu thu được có kích thước 100 nm và đồng đều. Các tính chất được xác định theo các phương pháp phân tích XRD, TGA/DSC và SEM.

3.1. Ưu Điểm của Phương Pháp Đồng Kết Tủa so với Sol Gel

Trong các phương pháp tổng hợp, phương pháp đồng kết tủa có nhiều ưu điểm so với phương pháp sol-gel. Phương pháp đồng kết tủa cho phép kiểm soát tốt hơn thành phần hóa học và kích thước hạt của vật liệu. Ngoài ra, phương pháp này thường đơn giản và tiết kiệm chi phí hơn so với phương pháp sol-gel.

3.2. Quy Trình Tổng Hợp BSCF 5582 Bằng Phương Pháp Đồng Kết Tủa

Chuẩn bị dung dịch, Quy trình tổng hợp BSCF-5582. Khảo sát quá trình tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa. Khảo sát ảnh hưởng của pH. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ M .Khảo sát độ chọn lọc. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khí CH4 : O2.

IV. Luận Văn Thạc Sĩ Nghiên Cứu Độ Chọn Lọc Vật Liệu BSCF 5582

Luận văn thạc sĩ tập trung vào nghiên cứu độ chọn lọc của BSCF-5582 khi sử dụng làm catot với ảnh hưởng của tỉ lệ khí CH4 : O2, nhiệt độ khảo sát. Mẫu phân tích được xác định thành phần khí bằng phương pháp GC với đầu dò TCD. Nghiên cứu còn khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình tổng hợp BSCF-5582 như pH, nhiệt độ nung, thời gian nung, tỉ lệ M.

4.1. Ảnh Hưởng của Tỉ Lệ Khí CH4 O2 Đến Độ Chọn Lọc

Kết quả cho thấy độ chuyển hóa của CH4 là thấp nhất với Rmix = 2, tại nhiệt độ 550-650C CH4 tiêu hao không đáng kể, tại nhiệt độ 700 và 750C độ chuyển hóa lần lượt là 11 và 21%. Pin SOFCs được cấu tạo gồm: NiO + GDC/ LDM/ GDC/ GDC-BSCF-5582 được khảo sát trong điều kiện đơn buồng phản ứng sử dụng CH4 : O2 theo tỉ lệ Rmix= 2 cho công suất năng lượng lớn nhất 159,9 mW/cm2 tại nhiệt độ 650C.

4.2. Kết Quả Phân Tích XRD và SEM Vật Liệu BSCF 5582

Luận văn sử dụng các phương pháp phân tích XRD và SEM để xác định cấu trúc và hình thái của vật liệu BSCF-5582. Kết quả phân tích cho thấy vật liệu được tổng hợp có cấu trúc perovskite và kích thước hạt nano. Hình ảnh SEM cũng cho thấy sự phân bố đồng đều của các hạt trên bề mặt.

V. Ứng Dụng Thực Tế Đánh Giá Pin SOFCs Sử Dụng BSCF 5582

Pin SOFCs được cấu tạo gồm: NiO + GDC/ LDM/ GDC/ GDC-BSCF-5582 được khảo sát trong điều kiện đơn buồng phản ứng sử dụng CH4 : O2 theo tỉ lệ Rmix= 2 cho công suất năng lượng lớn nhất 159,9 mW/cm2 tại nhiệt độ 650C. Kết quả này cho thấy tiềm năng ứng dụng của vật liệu BSCF-5582 trong pin SOFCs.

5.1. Hiệu Suất và Công Suất của Pin SOFCs Với Catot BSCF 5582

Pin SOFCs được cấu tạo gồm: NiO + GDC/ LDM/ GDC/ GDC-BSCF-5582 được khảo sát trong điều kiện đơn buồng phản ứng sử dụng CH4 : O2 theo tỉ lệ Rmix= 2 cho công suất năng lượng lớn nhất 159,9 mW/cm2 tại nhiệt độ 650C.

5.2. So Sánh Với Các Vật Liệu Catot Khác

Nhiều nghiên cứu về vật liệu làm catot cho SC-SOFCs . Shao và các cộng sự đã nhận thấy perovskite ABO3 là một trong những vật liệu hứa hẹn cho ứng dụng là catot của pin SOFCs nhờ những đặc tính đa dạng và cơ chế xúc tác của chúng.

VI. Kết Luận Tiềm Năng Hướng Phát Triển Vật Liệu GBSCF 5582

Luận văn đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu BSCF-5582 bằng phương pháp đồng kết tủa và khảo sát độ chọn lọc của vật liệu. Kết quả cho thấy vật liệu có tiềm năng ứng dụng trong pin SOFCs. Tuy nhiên, cần có thêm nhiều nghiên cứu để tối ưu hóa quá trình tổng hợp và nâng cao hiệu suất của pin.

6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu

Pin SOFCs được cấu tạo gồm: NiO + GDC/ LDM/ GDC/ GDC-BSCF-5582 được khảo sát trong điều kiện đơn buồng phản ứng sử dụng CH4 : O2 theo tỉ lệ Rmix= 2 cho công suất năng lượng lớn nhất 159,9 mW/cm2 tại nhiệt độ 650C.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Trong Tương Lai

Nhiều nghiên cứu về vật liệu làm catot cho SC-SOFCs. Shao và các cộng sự đã nhận thấy perovskite ABO3 là một trong những vật liệu hứa hẹn cho ứng dụng là catot của pin SOFCs nhờ những đặc tính đa dạng và cơ chế xúc tác của chúng. Tính chất cũng như hoạt tính xúc tác của các hệ vật liệu này có thể thay đổi và phụ thuộc vào sự thay thế từng phần bởi các nguyên tố kim loại khác nhau vào các vị trí A hoặc vị trí B trong cấu trúc.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh chuyển dịch năng lượng toàn cầu, pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) nổi lên như một công nghệ chuyển đổi năng lượng hóa học thành điện năng với hiệu suất cao trên 60%. Tuy nhiên, các dòng SOFC truyền thống hoạt động ở nhiệt độ cao từ 800°C đến 1000°C thường gặp thách thức lớn về sự thoái hóa vật liệu, biến dạng nhiệt và chi phí chế tạo đắt đỏ do yêu cầu làm kín khí tuyệt đối giữa hai buồng cực. Nhằm khắc phục hạn chế này, xu hướng phát triển pin nhiên liệu oxit rắn đơn buồng (SC-SOFC) vận hành ở nhiệt độ trung bình từ 550°C đến 800°C đang thu hút sự quan tâm lớn. Thách thức cốt lõi của SC-SOFC là tìm kiếm vật liệu catot vừa có hoạt tính xúc tác khử oxy cao, vừa trơ với nhiên liệu metan để duy trì điện áp mạch hở ổn định.

Luận văn tập trung giải quyết bài toán trên thông qua mục tiêu tổng hợp vật liệu oxit phức hợp perovskite Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3-δ (BSCF-5582) kích thước nanomet bằng phương pháp đồng kết tủa oxalate, đồng thời khảo sát toàn diện độ chọn lọc xúc tác của vật liệu đối với hỗn hợp khí CH4 và O2. Nghiên cứu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hóa Vô cơ, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong thời gian từ tháng 01/2014 đến tháng 12/2014.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp giúp hạ nhiệt độ nung xuống 900°C, tạo ra hạt oxit kích thước đồng đều khoảng 100 nm. Kết quả đo đạc thực nghiệm trên đơn pin cấu trúc NiO-GDC/LDM/GDC/GDC-BSCF-5582 đã đạt mật độ công suất đỉnh 159,9 mW/cm² tại 650°C, mở ra hướng đi khả thi cho việc ứng dụng vật liệu catot hiệu năng cao trong các hệ thống phát điện phân tán nhỏ gọn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu dựa trên mô hình cấu trúc tinh thể perovskite ABO3 và động học phản ứng điện hóa trong pin nhiên liệu đơn buồng. Cấu trúc perovskite lý tưởng có dạng lập phương đối xứng thuộc nhóm không gian Pm3m, trong đó cation A (Ba2+, Sr2+) chiếm vị trí đỉnh khối lập phương với số phối trí 12, cation B (Co3+, Fe2+) nằm tại tâm bát diện với số phối trí 6, và anion oxy chiếm tâm các mặt. Độ bền và mức độ biến dạng mạng tinh thể được xác định thông qua thừa số dung sai Goldschmidt (t) nằm trong khoảng từ 0,75 đến 1,0. Sự thay thế từng phần Ba và Sr ở vị trí A, kết hợp Co và Fe ở vị trí B tạo ra mật độ khuyết tật oxy (oxygen vacancies) dồi dào, giúp vật liệu đạt độ dẫn hỗn hợp ion - điện tử (MIEC) vượt trội.

Về nguyên lý vận hành SC-SOFC, nghiên cứu áp dụng lý thuyết pin nhiên liệu đơn buồng do Van Gool và Riess phát triển. Điện áp mạch hở (OCV) của pin được hình thành dựa trên sự chênh lệch áp suất riêng phần oxy giữa hai điện cực theo phương trình Nernst:

$$E_r = \frac{RT}{4F} \ln\left(\frac{p_{O_2,catot}}{p_{O_2,anot}}\right)$$

Cực anot cần xúc tác chọn lọc cho phản ứng oxy hóa một phần metan để sinh ra H2 và CO, trong khi cực catot BSCF-5582 phải trơ hoàn toàn với CH4 và chỉ thúc đẩy phản ứng khử phân tử oxy thành ion O2- trong dải nhiệt độ 550°C đến 800°C.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm phân tích có đối chứng với cỡ mẫu gồm 14 mẻ tổng hợp khảo sát 4 biến số công nghệ chính: 3 giá trị pH (pH 3, 5, 7), 4 mức nhiệt độ nung (500°C, 700°C, 900°C, 1000°C), 4 mốc thời gian nung (1, 2, 4, 6 giờ), và 3 tỷ lệ nồng độ cation kim loại trên oxalate (M+/Oxalate lần lượt là 1:1, 1:1,2, 1:1,5). Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng nhằm cô lập từng yếu tố ảnh hưởng đến độ đơn pha và hình thái hạt nano.

Quy trình phân tích lý - hóa được lựa chọn nghiêm ngặt:

• Phương pháp phân tích nhiệt vi sai và khối lượng (TGA/DSC) từ nhiệt độ phòng đến 1000°C để xác định chính xác khoảng nhiệt độ phân hủy oxalate và kết tinh oxit.
• Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) với góc quét 2θ từ 20° đến 80° nhằm kiểm tra pha tinh thể và tính toán kích thước tinh thể thông qua công thức Scherrer.
• Kính hiển vi điện tử quét (SEM) để đánh giá vi cấu trúc, độ xốp và kích thước hạt thực tế.
• Hệ thống sắc ký khí (GC) tích hợp đầu dò độ dẫn nhiệt (TCD) để định lượng thành phần hỗn hợp khí phản ứng CH4, O2, CO, CO2, H2 ở các tỷ lệ pha trộn Rmix = 1, 1,5, 2 trong dải nhiệt độ 550°C đến 750°C.

Timeline nghiên cứu được chia làm 3 giai đoạn: chuẩn bị hóa chất và tổng hợp bột tiền chất (3 tháng đầu), phân tích đặc trưng cấu trúc và đo độ chọn lọc khí (6 tháng tiếp theo), chế tạo màng tế bào pin và đo đạc mật độ công suất (3 tháng cuối).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát thực nghiệm đã chỉ ra các kết quả then chốt sau:

Thứ nhất, điều kiện tối ưu để tổng hợp BSCF-5582 đơn pha là pH kết tủa bằng 3, tỷ lệ M+/Oxalate là 1:1,2, nhiệt độ nung 900°C và thời gian nung 4 giờ. Bột oxit thu được có cấu trúc perovskite lập phương thuần khiết, kích thước hạt đồng đều khoảng 100 nm, không xuất hiện các pha tạp chất BaCO3 hay oxit riêng lẻ.

Thứ hai, kết quả phân tích TGA/DSC cho thấy quá trình phân hủy muối oxalate thành oxit phức hợp diễn ra qua 3 giai đoạn mất khối lượng chính, kết thúc hoàn toàn ở khoảng 850°C. Khi nung ở 500°C và 700°C, giản đồ XRD chưa xuất hiện đỉnh kết tinh hoàn chỉnh; nung ở 900°C pha lập phương đạt độ sắc nét cao nhất; tuy nhiên khi tăng lên 1000°C, các hạt có xu hướng thiêu kết mạnh và kích thước hạt tăng vọt lên trên 300 nm.

Thứ ba, khảo sát độ chọn lọc khí trên hệ sắc ký GC-TCD chứng minh tính trơ vượt trội của catot BSCF-5582 đối với metan. Ở tỷ lệ hòa trộn Rmix = 2 (lưu lượng CH4 = 100 ml/phút, O2 = 50 ml/phút, N2 = 100 ml/phút), độ chuyển hóa của CH4 ở dải nhiệt độ 550°C đến 650°C xấp xỉ bằng 0%. Khi tăng nhiệt độ lên 700°C và 750°C, độ chuyển hóa CH4 bắt đầu tăng nhẹ, đạt tương ứng 11% và 21%.

Thứ tư, đơn pin nhiên liệu SOFC với cấu hình catot composite BSCF-5582/GDC đạt hiệu suất vận hành cao, cho mật độ công suất cực đại 159,9 mW/cm² tại nhiệt độ hoạt động 650°C khi sử dụng dòng khí nạp tổng 350 ml/phút.

Thảo luận kết quả

Cơ chế hình thành pha tinh thể BSCF-5582 phụ thuộc chặt chẽ vào độ pH của dung dịch kết tủa. Tại pH = 3, tích số tan của các muối oxalate Ba, Sr, Co và Fe đạt trạng thái cân bằng động tối ưu, hạn chế sự phân tách pha riêng lẻ. Việc bổ sung dư 25% lượng Fe2+ ban đầu đóng vai trò bù đắp lượng sắt chưa kết tủa hết ở môi trường axit nhẹ, đảm bảo tỷ lệ mol thành phẩm đạt chuẩn Ba:Sr:Co:Fe là 0,5:0,5:0,8:0,2.

Tính chọn lọc của BSCF-5582 đối với hỗn hợp khí CH4 và O2 ở nhiệt độ dưới 650°C được giải thích bởi rào cản năng lượng hoạt hóa của phản ứng cracking metan trên bề mặt oxit coban - sắt cao hơn nhiều so với năng lượng hoạt hóa của phản ứng hấp phụ và phân ly phân tử oxy. Nhờ đó, phản ứng cháy không sinh điện bị ức chế, bảo toàn nồng độ metan cung cấp cho anot.

So với phương pháp sol-gel truyền thống thường đòi hỏi nhiệt độ nung từ 950°C đến 1000°C trong 5 đến 8 giờ, phương pháp đồng kết tủa oxalate giúp tiết kiệm hơn 15% năng lượng tiêu hao và rút ngắn thời gian xử lý nhiệt xuống 4 giờ. So với vật liệu catot truyền thống La0,8Sr0,2MnO3-δ (LSM) vốn bị suy giảm mạnh độ dẫn ion ở nhiệt độ dưới 700°C, BSCF-5582 duy trì mật độ dòng điện cao hơn gấp 2 lần. Toàn bộ các tương quan này được trực quan hóa rõ nét thông qua hệ thống đồ thị nhiễu xạ XRD đa nhiệt độ, biểu đồ đường cong đặc tính phóng điện I-V và mật độ công suất I-P, cùng bảng số liệu phân tích nồng độ khí đầu ra từ thiết bị GC-TCD.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị mang tính ứng dụng thực tiễn cao:

• Chuẩn hóa quy trình chế tạo bột tiền chất quy mô phòng thí nghiệm và bán công nghiệp: Đề nghị các kỹ sư hóa vô cơ áp dụng hệ thống cấp dịch tự động kiểm soát tốc độ nhỏ giọt cố định 1 ml/phút và duy trì độ pH ổn định ở mức 3,0 ± 0,1. Mục tiêu nâng công suất mẻ tổng hợp từ 10 g lên 500 g/mẻ trong vòng 6 tháng tới mà vẫn duy trì kích thước hạt dưới 100 nm.
• Tối ưu hóa cấu trúc vi mô của màng catot composite: Đề xuất các nhà nghiên cứu vật liệu phối trộn 30% khối lượng chất điện phân GDC (Gd0,1Ce0,9O1,95) vào bột BSCF-5582 nhằm tạo mạng lưới dẫn ion ba chiều. Giải pháp này hướng tới mục tiêu tăng mật độ công suất pin lên trên 250 mW/cm² tại 600°C trong lộ trình thử nghiệm 9 tháng.
• Thiết lập chế độ vận hành tối ưu cho pin nhiên liệu đơn buồng SC-SOFC: Khuyến cáo các kỹ sư vận hành hệ thống pin nhiên liệu duy trì tỷ lệ khí nạp Rmix = 2 và dải nhiệt độ ổn định từ 575°C đến 625°C. Biện pháp này giúp khống chế độ hao hụt metan ký sinh dưới mức 2%, triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ đóng muội than trên điện cực và ngăn ngừa nguy cơ cháy nổ trong chu kỳ 12 tháng làm việc.
• Nghiên cứu nâng cao độ bền hóa học dài hạn của vật liệu perovskite: Đề xuất các nhóm nghiên cứu chuyên sâu tiến hành biến tính bề mặt hoặc pha tạp vi lượng các nguyên tố như Zr hoặc Nb vào vị trí B của mạng tinh thể. Mục tiêu duy trì tốc độ suy giảm công suất dưới 1% sau 500 giờ vận hành liên tục trong môi trường chứa khí CO2 và hơi nước.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Công nghệ Hóa học, Khoa học Vật liệu: Cung cấp cơ sở lý thuyết chuẩn xác về cấu trúc perovskite, kỹ thuật đồng kết tủa muối oxalate và phương pháp luận phân tích XRD, SEM, TGA. Tài liệu hữu ích cho việc xây dựng đề cương nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano oxit phức hợp.
• Kỹ sư R&D tại các viện nghiên cứu và doanh nghiệp năng lượng mới: Tham khảo chi tiết thông số công nghệ chế tạo màng điện cực và quy trình vận hành SC-SOFC không cần buồng kín khí với công suất 159,9 mW/cm². Ứng dụng trực tiếp vào việc thiết kế các mô-đun pin nhiên liệu cỡ nhỏ cho thiết bị di động.
• Giảng viên các trường đại học kỹ thuật: Sử dụng làm học liệu chuyên đề cho các môn học như Nhiệt động học xúc tác, Vật liệu màng rắn dẫn ion và Năng lượng tái tạo. Dữ liệu thực nghiệm phong phú phục vụ tốt cho việc xây dựng bài giảng và hướng dẫn đồ án tốt nghiệp.
• Chuyên viên tư vấn và quản lý dự án công nghệ năng lượng sạch: Nắm bắt luận cứ kỹ thuật về tiềm năng hạ nhiệt độ vận hành SOFC từ 1000°C xuống 650°C nhằm giảm giá thành đầu tư thiết bị. Giúp xây dựng báo cáo tiền khả thi cho các trạm phát điện phân tán sử dụng khí sinh học hoặc khí tự nhiên.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phương pháp đồng kết tủa lại vượt trội hơn phương pháp phản ứng pha rắn trong tổng hợp BSCF-5582?

Phương pháp đồng kết tủa oxalate cho phép các ion Ba2+, Sr2+, Co2+ và Fe2+ phân tán đồng đều ở cấp độ phân tử ngay trong pha lỏng. Nhờ đó, nhiệt độ tạo pha perovskite tinh khiết giảm từ trên 1100°C (của phản ứng pha rắn) xuống còn 900°C trong 4 giờ. Sản phẩm thu được có kích thước hạt nano đồng nhất khoảng 100 nm, tăng mạnh diện tích tiếp xúc điện hóa.

2. Tỷ lệ hòa trộn khí Rmix = 2 đóng vai trò quan trọng như thế nào đối với hiệu suất pin?

Tỷ lệ Rmix = 2 (tương ứng tỷ lệ thể tích CH4:O2 = 2:1) đảm bảo hỗn hợp khí nằm ngoài giới hạn nổ nguy hiểm và ức chế tối đa phản ứng oxy hóa trực tiếp của CH4 trên bề mặt catot BSCF-5582. Tại nhiệt độ 550°C đến 650°C, độ tiêu hao CH4 ở catot xấp xỉ bằng 0%, giúp duy trì điện áp mạch hở cao nhất cho tế bào pin.

3. Vì sao cần bổ sung dư 25% lượng muối sắt trong quá trình điều chế dung dịch tiền chất?

Trong môi trường kết tủa ở pH = 3, ion Fe2+ chỉ đạt hiệu suất kết tủa khoảng 80%, thấp hơn đáng kể so với mức kết tủa gần như hoàn toàn của Ba2+, Sr2+ và Co2+. Việc chủ động bổ sung dư 25% Fe2+ đảm bảo tỷ lệ mol cation trong khối kết tủa đạt chuẩn xác công thức hợp thức Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3-δ sau khi nung.

4. Yếu tố nào quyết định mật độ công suất đạt đỉnh 159,9 mW/cm² tại 650°C thay vì các nhiệt độ cao hơn?

Tại 650°C, vật liệu BSCF-5582 đạt điểm cân bằng lý tưởng giữa tốc độ dẫn truyền ion oxy và độ trơ hóa học với CH4. Khi nâng nhiệt độ lên 700°C và 750°C, độ chuyển hóa metan trên catot tăng vọt lên 11% và 21%, làm suy giảm cục bộ chênh lệch phân áp oxy giữa hai cực, dẫn đến sụt giảm điện áp và công suất phát.

5. Cấu trúc mạng tinh thể BSCF-5582 hỗ trợ hạ nhiệt độ vận hành của pin SOFC như thế nào?

Cấu trúc perovskite biến tính với sự kết hợp của 4 cation tạo ra mật độ khuyết tật oxy mạng lưới rất cao và năng lượng hoạt hóa dịch chuyển ion O2- thấp. Nhờ tính dẫn hỗn hợp ion - điện tử (MIEC) xuất sắc, điện trở phân cực của catot giảm mạnh, cho phép pin sinh công suất cao ngay ở 550°C đến 650°C thay vì phải duy trì trên 900°C như vật liệu LSM cũ.

Kết luận

• Luận văn đã tổng hợp thành công vật liệu nano perovskite Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3-δ đơn pha, kích thước hạt đồng đều 100 nm ở điều kiện tối ưu: pH = 3, tỷ lệ M+/Oxalate = 1:1,2, nhiệt độ nung 900°C trong thời gian 4 giờ.
• Khẳng định độ chọn lọc xúc tác tuyệt vời của vật liệu BSCF-5582 đối với hỗn hợp khí CH4 và O2 với độ chuyển hóa metan ký sinh xấp xỉ 0% trong dải nhiệt độ 550°C đến 650°C ở tỷ lệ khí Rmix = 2.
• Chế tạo và thử nghiệm thành công tế bào pin nhiên liệu đơn buồng NiO-GDC/LDM/GDC/GDC-BSCF-5582 đạt mật độ công suất cực đại 159,9 mW/cm² tại nhiệt độ 650°C.
• Đóng góp quy trình công nghệ đơn giản, tiết kiệm năng lượng, thân thiện môi trường và có tiềm năng mở rộng quy mô lớn cho ngành năng lượng oxit rắn.
• Định hướng nghiên cứu giai đoạn 2025-2026 sẽ tập trung tối ưu hóa độ dày màng điện phân dưới 10 µm và đánh giá độ ổn định của pin trong 1000 giờ làm việc liên tục.

Quý độc giả, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm đến công nghệ pin nhiên liệu sạch hãy khai thác toàn văn luận văn thạc sĩ này để ứng dụng ngay các giải pháp vật liệu tiên tiến vào thực tiễn sản xuất!

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Pin nhiên liệu oxit rắn (Solid Oxide Fuel Cells - SOFCs) là thiết bị chuyển đổi trực tiếp năng lƣợng hóa học thành năng lƣợng điện với hiệu suất cao. SOFCs có nhiều tiềm năng để thƣơng mại hóa và ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực nhờ khả năng cung cấp năng lƣợng sạch, có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau, có hiệu suất chuyển hóa cao, cấu tạo đơn giản, phù hợp với mọi công suất và ít sinh ra khí gây ô nhiễm. Tuy nhiên, nhiệt độ hoạt động của SOFCs từ khoảng 600- 1000C, điều này gây khó khăn trong việc tìm kiếm nguyên vật liệu phù hợp, thiết kế thiết bị yêu cầu cao về kín khí và an toàn. Hạ nhiệt độ hoạt động của SOFCs là mục tiêu chính trong các nghiên cứu về SOFCs hiện nay, nó cho phép sử dụng các kim loại chuyển tiếp rẻ tiền để giảm chi phí.

Cùng với đó, các nghiên cứu cũng tập trung ứng dụng vào pin nhiên liệu oxit rắn đơn buồng (SC-SOFCs) có ƣu thế cấu tạo đơn giản, dễ thiết kế, không cần kín khí và không cần các thiết bị cung cấp khí riêng cho từng hệ khí. Để giải quyết các vấn đề đó thì cải tiến catot là một giải pháp, nhƣng catot cần đảm bảo vẫn giữ đƣợc hiệu suất cao, giảm đƣợc nhiệt độ hoạt động và có tính chọn lọc đối với hỗn hợp khí nhiên liệu. Nhiều nghiên cứu về vật liệu làm catot cho SC-SOFCs [1], trong số đó Shao và các cộng sự [2] đã nhận thấy perovskite ABO3 là một trong những vật liệu hứa hẹn cho ứng dụng là catot của pin SOFCs nhờ những đặc tính đa dạng và cơ chế xúc tác của chúng. Tính chất cũng nhƣ hoạt tính xúc tác của các hệ vật liệu này có thể thay đổi và phụ thuộc vào sự thay thế từng phần bởi các nguyên tố kim loại khác nhau vào các vị trí A hoặc vị trí B trong cấu trúc.

Hơn nữa, các perovskite còn cho độ bền nhiệt cao, cấu trúc ổn định nên có thể cải thiện đƣợc độ tin cậy và tuổi thọ của catot. Cụ thể, họ đã chỉ ra, perovskite của Barium strontium cobalt ferrite (BSCF) cho thấy sự phù hợp làm ứng dụng cho pin SOFCs. Chính vì vậy đề tài ―Tổng hợp Ba0.2O3−δ (BSCF- 5582) bằng phƣơng pháp đồng kết tủa và khảo sát độ chọn lọc của vật liệu‖ đặt mục tiêu muốn tìm phƣơng pháp đơn giản và hiệu quả để chế tạo vật liệu BSCF-5582 làm catot pin HV: Phạm Nguyễn Tuấn Page 1 Luận văn tốt nghiệp nhiên liệu SOFCs và khảo sát độ chọn lọc của vật liệu khi hoạt động với hỗn hợp nhiên liệu trong SC-SOFCs. HV: Phạm Nguyễn Tuấn Page 2 Luận văn tốt nghiệp PHẦN I: TỔNG QUAN CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU – PIN NHIÊN LIỆU OXIT RẮN (SOFCs) 1.

Giới thiệu pin nhiên liệu Pin nhiên liệu là thiết bị chuyển đổi điện, nó sản xuất ra điện từ nhiên liệu (trên anot), chất oxy hóa (trên catot) và phản ứng với sự có mặt của lớp electrolyte. Pin nhiên liệu khác với các tế bào pin điện hóa. Các tế bào pin điện hóa dự trữ dƣới dạng năng lƣợng điện hóa, năng lƣợng đó mất dần khi sử dụng, nó đại diện cho hệ thống kín. Trong khi đó, tế bào pin nhiên liệu tiêu thụ nhiên liệu từ bên ngoài, cần có sự bổ sung, nó đƣợc gọi là một hệ thống mở, có thể sản sinh ra năng lƣợng điện đƣợc duy trì vô thời hạn [3].

Chúng chuyển đổi hydro hoặc nhiên liệu có chứa hydro trực tiếp thành năng lƣợng điện cộng với nhiệt thông qua các phản ứng điện hóa của hydro và oxy vào trong nƣớc. Quá trình này là ngƣợc của quá trình điện ly. Phản ứng tổng quát : 2𝐻2(𝑘ℎí) + 𝑂2(𝑘ℎí) → 2𝐻2 𝑂 + 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦 (1.1) Pin nhiên liệu có nhiều lợi thế hơn so với động cơ nhiệt nhƣ : hiệu quả cao, không gây tiếng ồn và nếu hydro là nhiên liệu thì không có khí thải ô nhiễm. Nếu hydro đƣợc sản xuất từ các nguồn nhiên liệu tái tạo thì năng lƣợng điện đƣợc sản xuất có thể thực sự bền vững [4].

Phân loại pin nhiên liệu Các hệ thống tế bào nhiên liệu đƣợc phân loại theo nhiều cách khác nhau [5], nhƣ: o Phân loại theo nhiệt độ hoạt động o Phân theo loại các chất tham gia phản ứng o Phân loại theo điện cực o Phân theo loại các chất điện phân (là cách phân loại thông dụng ngày nay) HV: Phạm Nguyễn Tuấn Page 3 Luận văn tốt nghiệp Liệt kê dƣới đây là 6 loại tế bào nhiên liệu khác nhau, phân theo loại các chất điện phân: - AFC (Alkaline fuel cell - tế bào nhiên liệu kiềm) - PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - trao đổi hạt nhân qua màng lọc) - PAFC (Phosphoric acid fuel cell - tế bào nhiên liệu axit phosphoric) - MCFC (Molten carbonate fuel cell - tế bào nhiên liệu carbonat nóng chảy) - SOFC (Solid oxide fuel cell - tế bào nhiên liệu oxit rắn) - DMFC (Direct methanol fuel cell - tế bào nhiên liệu methanol trực tiếp) Trong các loại trên thì PEMFC có nhiều triển vọng dùng trong các loại xe. PEMFC, MCFD và SOFC đều có triển vọng ứng dụng cho các trạm phát điện. PAFC là công nghệ mới đƣợc nghiên cứu tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề kĩ thuật. DMFC có thể tạo bƣớc đột phá trong lĩnh vực thiết bị di dộng.

AFC đƣợc có thể đƣợc ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ. Nhiệt độ vận hành của những loại tế bào nhiên liệu khác nhau (nằm trong khoảng từ 60-1000C). Sự khác nhau còn nằm ở cấu trúc điện cực, sự tinh khiết của hydro ở anot (DMFC dùng methanol). 1: Các dạng khác nhau của pin nhiên liệu [6].

Các dạng pin nhiên Ion di Nhiệt độ Lĩnh vực ứng dụng liệu chuyển hoạt động Sử dụng trong tàu vũ trụ Tế bào nhiên liệu kiềm OH- 50-200C Apollo Sử dụng trong thiết bị di Màng trao đổi proton H+ 50-100C động Tế bào nhiên liệu axit Hệ thống với công suất H+ ~ 220C Photphoric 200 kW Tế bào nhiên liệu Hệ thống có công suất từ CO32- ~ 650C Cacbonat nóng chảy kW đến MW Phù hợp cho mọi công Pin nhiên liệu oxit rắn O2- 500-1000C suất, từ vài kW tới MW HV: Phạm Nguyễn Tuấn Page 4 Luận văn tốt nghiệp Hình 1. 1: Cơ chế hoạt động của một số loại pin nhiên liệu [5]. Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFCs) Pin nhiên liệu đầu tiên đƣợc phát triển vào năm 1937 bởi Baur và Preis [7]. Kể từ đó rất nhiều quy trình đã đƣợc thực hiện để tạo ra nguyên liệu và SOFCs.

Các tế bào nhiên liệu oxit rắn (SOFCs) đƣợc coi là một công nghệ phát điện thế hệ tiếp theo vì tính linh hoạt nhiên liệu và hiệu quả tổng thể cao do khả năng sử dụng trong hệ thống đồng phát [1]. Một lợi thế của SOFCs là có thể sử dụng đƣợc khí tự nhiên làm nhiên liệu và hiệu suất phản ứng cao bởi nhiệt phản ứng tƣơng đối cao. Bởi vậy, không cần tới vật liệu xúc tác đắt tiền. Tuy nhiên, nhiệt độ hoạt động cao cũng đƣa ra những thách thức về độ tin cậy và tính ổn định lâu dài của hệ thống.

Sự thoái hóa vật liệu, sự hỏng hóc trong việc giữ kín khí và nứt do khác nhau về hệ số giãn nở nhiệt giữa các thành phần dẫn đến hiệu suất và tính ổn định thấp. Nhiệt độ hoạt động cao cũng là một hạn chế trong việc ứng dụng SOFCs trên các thiết bị điện di động. Do đó, HV: Phạm Nguyễn Tuấn Page 5 Luận văn tốt nghiệp việc giảm nhiệt độ hoạt động là một trong những thách thức chính trong nghiên cứu SOFCs. Loại pin này vận hành ở nhiệt độ khá cao (600-1000C), do đó dạng pin nhiên liệu SOFCs thƣờng ứng dụng cho các hệ thống tĩnh khá lớn và nhiệt thừa có thể tái tận dụng để tạo thêm nguồn điện bổ sung.2) mô phỏng hoạt động của một pin nhiên liệu SOFCs cơ bản.

2: Sơ đồ của pin nhiên liệu SOFCs [5]. Phân loại SOFCs Dựa vào nhiệt độ hoạt động, hình dạng, cấu tạo… mà SOFCs đƣợc chia thành nhiều loại nhƣ sau:  Theo nhiệt độ hoạt động:  Nhiệt độ hoạt động của pin nhiên liệu khoảng 550-800oC: SOFCs có nhiệt độ hoạt động trung bình (IT – SOFCs).  Nhiệt độ hoạt động của pin nhiên liệu > 800oC: SOFCs có nhiệt độ hoạt động cao (HT - SOFCs).  Dựa vào hình dạng:  Dạng phẳng: các cell đƣợc nối với nhau qua các tấm interconnect (hình 1.

 Dạng ống: dòng không khí (O2) đi phía trong ống, dòng nhiên liệu đi phía ngoài thành ống (hình 1. HV: Phạm Nguyễn Tuấn Page 6 Luận văn tốt nghiệp Hình 1. 3: Pin nhiên liệu oxit rắn SOFCs dạng tấm phẳng (a) và dạng ống (b) [5].  Dựa vào số buồng phản ứng: hai buồng (Dual – Chamber SOFCs – hình 1.4a) hay đơn buồng (Single - Chamber SOFCs- hình 1.

4: Sơ đồ pin nhiên liệu oxit rắn đa buồng (a) và đơn buồng (b) [1]. HV: Phạm Nguyễn Tuấn Page 7 Luận văn tốt nghiệp 1. Pin nhiên liệu hai buồng (DC-SOFCs) Khí đƣợc ngăn cách bởi một lớp electrolyte có độ kết khối tốt để phân tách khí cung cấp vào anot và catot thành hai ngăn riêng biệt. Chất oxy hóa đƣợc cung cấp vào cực âm và nhiên liệu đƣợc đƣa vào cực dƣơng thông qua các nguồn cung cấp khí riêng biệt mà không có bất kỳ sự trộn lẫn của hai khí dòng khí này.

Sự khác biệt trong áp lực oxy giữa hai ngăn điện cực riêng biệt dẫn đến việc thành lập một điện áp mạch mở (OCV). Do đòi hỏi hệ thống cung cấp khí riêng biệt gây khó khăn, phức tạp trong việc thiết kế, lắp ráp và thu nhỏ hệ thống. Hơn nữa, việc đòi hỏi kín khí ở nhiệt độ cao cần phải có ngăn cách hoàn toàn. Vật liệu ngăn cách thƣờng dùng là thủy tinh hoặc vật liệu gốm với lợi thế là độ cứng và độ kín khí cao.

Tuy nhiên, suy thoái theo thời gian cũng nhƣ ứng suất nhiệt trong quá trình vận hành gây ra các vết nứt. Ngoài việc ngăn cách khí chặt chẽ, lớp electrolyte cũng phải đủ dày để tránh không cho bất kỳ khí nào có thể chuyển qua lại giữa 2 ngăn catot và anot. Sự cần thiết phải tách khí có ảnh hƣởng quan trọng đến cơ khí, kháng sốc nhiệt và tính ổn định lâu dài của pin. Ngoài ra, thiết kế cồng kềnh, những khó khăn về mặt kỹ thuật và chọn lựa vật liệu góp phần làm cho chi phí chế tạo cao.

5: Mô hình pin nhiên liệu DC SOFC [8], với A, E, C lần lượt là anot, màng dẫn ion, và catot. Pin nhiên liệu đơn buồng (SC-SOFCs) Để khắc phục những trở ngại của DC-SOFCs, pin nhiên liệu SC-SOFCs đƣợc nghiên cứu và phát triển.