Nghiên Cứu Màng Mỏng Nano TiO2/Nafion Cho Pin Nhiên Liệu DMFC

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu và chế tạo màng mỏng nano tio2 trên nafion membrane để nâng cao hiệu suất của pin nhiên, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Lục Quảng Hồ
• Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Mạnh Tuấn
• Trường học: Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật Liệu Và Linh Kiện Nano
• Đề tài: Nghiên cứu và chế tạo màng mỏng nano TiO2 trên Nafion membrane để nâng cao hiệu suất của pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC)
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. SƠ LƯỢC VỀ PIN NHIÊN LIỆU (FUEL CELL)
• 1.2. PIN NHIÊN LIỆU DÙNG METHANOL TRỰC TIẾP (Direct methanol fuel cell - DMFC)
• 1.3. Hiệu suất của pin nhiên liệu
• 1.4. Hiệu suất của pin nhiên liệu DMFC
• 1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của pin nhiên liệu DMFC
• 1.6. Các vấn đề đối với pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp
• 1.6.1. Quá trình oxy hóa nhiên liệu diễn ra tại anode thấp
• 1.6.2. Sự thẩm thấu của methanol qua màng trao đổi proton
• 1.6.3. Lớp khuếch tán nhiên liệu
• 1.6.4. Lớp xúc tác ở điện cực
• 1.6.5. Màng trao đổi proton
• 1.7. Các loại màng dựa trên cơ sở biến tính màng Nafion
• 1.8. Màng flo không chứa Nafion
• 1.9. Màng không chứa flo
• 1.10. Một số phương pháp giải quyết vấn đề thẩm thấu của methanol qua màng trao đổi proton
• 1.11. VẬT LIỆU TiO2
• 1.11.1. Cấu trúc của tinh thể TiO2
• 1.11.2. Một số tính chất của TiO2
• 1.11.2.1. Tính chất điện của tinh thể nano TiO2
• 1.11.2.2. Tính chất quang xúc tác
• 1.11.2.2.1. Phân hủy hợp chất hữu cơ
• 1.11.2.2.2. Quá trình khử khí độc
• 1.11.2.2.3. Khử độc nước bẩn và đất
• 1.11.2.2.4. Tinh lọc nước uống
• 1.11.2.2.5. Một số ứng dụng khác của hiệu ứng quang xúc tác
• 1.11.2.3. Cơ chế siêu thấm nước, siêu kị nước
• 1.11.2.4. Tính kị nước
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
• 2.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1.1. Phương pháp sol – gel
• 2.1.2. Quá trình động học và sự phát triển cấu trúc màng
• 2.1.3. Quá trình sol – gel và các thông số ảnh hưởng
• 2.1.4. Các bước tiến hành quá trình sol – gel
• 2.1.5. Ưu nhược điểm của phương pháp sol – gel
• 2.1.6. Các phương pháp phủ màng
• 2.2. Các thiết bị phân tích
• 2.2.1. Thiết bị đo nhiễu xạ tia X
• 2.2.2. Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường Joel/JSM-7401F
• 2.2.3. Kính hiển vi lực nguyên tử Nanotec Electronica S
• 2.2.4. Kính hiển vi điện tử truyền qua JEM – 2100F
• 2.2.5. Thiết bị đo độ dày màng FilmtekTM 1000
• 2.2.6. Thiết bị đo góc thấm ướt OCA – 20
• 2.2.7. Máy đo sắc kí khí Agilent 6890N
• 2.2.8. Máy đo phổ tổng trở của màng
• 2.3. Tạo màng TiO2 trên đế Nafion bằng phương pháp sol – gel
• 2.3.1. Thiết bị và hoá chất sử dụng
• 2.3.2. Quy trình tạo màng TiO2 trên đế Nafion
• 2.4. Khảo sát độ thẩm thấu của methanol và độ dẫn proton
• 2.4.1. Độ thẩm thấu của methanol
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. KẾT QUẢ KHẢO SÁT MẬT ĐỘ PHÂN BỐ VÀ KÍCH THƯỚC HẠT TiO2 TRONG MẪU SOL
• 3.2. KẾT QUẢ KHẢO SÁT CẤU TRÚC CỦA MÀNG TiO2
• 3.3. KẾT QUẢ ĐO ĐỘ DÀY MÀNG TiO2
• 3.4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT HÌNH THÁI HỌC BỀ MẶT CỦA MÀNG NAFION 117 VÀ MÀNG NANO TiO2/NAFION 117
• 3.4.1. Kết quả khảo sát bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM – Field Emission Scanning Electron Microscope)
• 3.4.2. Kết quả khảo sát bằng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM – Atomic Force Microscope)
• 3.4.3. Kết quả khảo sát góc tiếp xúc
• 3.5. KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐỘ THẨM THẤU CỦA METHANOL
• 3.6. KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐỘ DẪN PROTON
• 3.7. KẾT QUẢ SO SÁNH GIỮA ĐỘ DẪN PROTON VÀ ĐỘ THẨM THẤU CỦA METHANOL
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1: KẾT QUẢ KHẢO SÁT PHÂN BỐ KÍCH THƯỚC HẠT CỦA HỆ SOL TiO2 BẰNG KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRUYỀN QUA (TEM)
• PHỤ LỤC 2: KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐỘ DÀY MÀNG
• PHỤ LỤC 3: KẾT QUẢ KHẢO SÁT NỒNG ĐỘ METHANOL
• PHỤ LỤC 4: KẾT QUẢ ĐO PHỔ TỔNG TRỞ

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Pin DMFC Giải Pháp Năng Lượng Tương Lai

Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC) đang nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn cho nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, đặc biệt là trong các thiết bị điện tử di động và công suất thấp. So với các loại pin nhiên liệu khác, DMFC có cấu tạo đơn giản, sử dụng methanol là một nhiên liệu phổ biến, giá thành tương đối thấp và dễ dàng bảo quản và vận chuyển. Tuy nhiên, DMFC vẫn còn tồn tại một số thách thức, trong đó quan trọng nhất là hiện tượng thẩm thấu methanol qua màng trao đổi proton và quá trình oxy hóa methanol ở anode diễn ra chưa hiệu quả. Hiện tượng thẩm thấu methanol gây ra sự sụt giảm hiệu suất của pin và lãng phí nhiên liệu, trong khi quá trình oxy hóa không triệt để tạo ra các sản phẩm phụ làm giảm tuổi thọ của pin. Theo luận văn, việc nâng cao hiệu suất của pin DMFC có thể được thực hiện bằng cách giảm độ thẩm thấu của methanol qua màng trao đổi proton. Các nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc cải thiện màng trao đổi proton và lớp xúc tác. Màng trao đổi proton đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn proton từ anode đến cathode, đồng thời ngăn chặn sự thẩm thấu của methanol và các chất khác. Lớp xúc tác có vai trò xúc tác các phản ứng oxy hóa và khử tại các điện cực, góp phần quan trọng vào hiệu suất và tuổi thọ của pin. Các vật liệu nano, đặc biệt là TiO2, đang được nghiên cứu rộng rãi để cải thiện tính năng của cả màng trao đổi proton và lớp xúc tác.

1.1. Cấu tạo và Nguyên lý Hoạt Động của Pin DMFC

Pin DMFC bao gồm hai điện cực (anode và cathode) ngăn cách nhau bởi một màng trao đổi proton (PEM). Tại anode, methanol được oxy hóa tạo ra CO2, proton (H+) và electron (e-). Proton di chuyển qua màng PEM đến cathode, trong khi electron di chuyển qua mạch ngoài tạo ra dòng điện. Tại cathode, oxy từ không khí kết hợp với proton và electron tạo thành nước. Màng Nafion thường được sử dụng làm màng trao đổi proton. Tuy nhiên, cần khắc phục các nhược điểm của màng này. Các phản ứng điện hóa diễn ra trong pin DMFC đòi hỏi một lớp xúc tác hiệu quả, thường là platinum (Pt) hoặc các hợp kim chứa platinum.

1.2. Ưu điểm và Hạn chế của Công Nghệ DMFC

DMFC có nhiều ưu điểm so với các công nghệ pin nhiên liệu khác, bao gồm cấu tạo đơn giản, dễ dàng tích hợp vào các thiết bị di động, sử dụng methanol là một nhiên liệu lỏng dễ dàng bảo quản và vận chuyển. Tuy nhiên, DMFC cũng có những hạn chế nhất định, như hiệu suất thấp hơn so với pin nhiên liệu hydro, hiện tượng thẩm thấu methanol, và sự phụ thuộc vào platinum là một kim loại quý hiếm và đắt tiền.

II. Thách Thức Lớn Thẩm Thấu Methanol Ảnh Hưởng DMFC

Một trong những thách thức lớn nhất đối với hiệu suất của pin DMFC là sự thẩm thấu methanol từ anode sang cathode qua màng trao đổi proton. Hiện tượng này dẫn đến nhiều vấn đề nghiêm trọng, bao gồm giảm hiệu suất pin do dòng điện nội và lãng phí nhiên liệu do phản ứng oxy hóa methanol tại cathode. Sự thẩm thấu methanol xảy ra do sự khác biệt về nồng độ methanol giữa anode và cathode, cũng như do cấu trúc và tính chất của màng trao đổi proton. Màng Nafion, mặc dù có độ dẫn proton cao, nhưng lại có khả năng thấm methanol đáng kể. Vì vậy, cần phải tìm ra các giải pháp để giảm thiểu sự thẩm thấu methanol mà không làm ảnh hưởng đến độ dẫn proton của màng. Theo tài liệu gốc, các hệ quả không mong muốn của hiện tượng thẩm thấu methanol bao gồm: (1) sự xuất hiện dòng điện nội gây ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển đổi điện năng của pin DMFC và (2) phản ứng oxy hóa của nhiên liệu thấm qua ở cathode sẽ làm tăng nhiệt độ, giảm thời gian sử dụng của pin đồng thời gây ra sự lãng phí nhiên liệu. Nghiên cứu về các vật liệu và phương pháp mới để cải thiện tính năng của màng trao đổi proton là rất quan trọng để nâng cao hiệu suất và tuổi thọ của pin DMFC.

2.1. Cơ chế Thẩm Thấu Methanol Qua Màng Nafion

Sự thẩm thấu methanol qua màng Nafion diễn ra do sự hòa tan của methanol trong pha nước bên trong màng và sự khuếch tán của methanol qua các kênh nước. Kích thước của các kênh nước và tính chất ưa nước của màng Nafion cho phép methanol dễ dàng di chuyển từ anode sang cathode. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ thẩm thấu methanol bao gồm nồng độ methanol, nhiệt độ, và độ ẩm của màng.

2.2. Ảnh Hưởng của Thẩm Thấu Methanol Đến Hiệu Suất Pin DMFC

Sự thẩm thấu methanol gây ra nhiều ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất pin DMFC. Thứ nhất, methanol bị oxy hóa tại cathode làm giảm điện áp và dòng điện của pin. Thứ hai, sự oxy hóa methanol tại cathode tiêu thụ oxy, làm giảm nồng độ oxy và làm chậm phản ứng khử oxy. Thứ ba, sự thẩm thấu methanol tạo ra dòng điện nội, làm giảm hiệu suất tổng thể của pin. Do đó, giảm thiểu sự thẩm thấu methanol là rất quan trọng để cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của pin DMFC.

III. Màng Nano TiO2 Nafion Giải Pháp Giảm Thẩm Thấu DMFC

Để giải quyết vấn đề thẩm thấu methanol, một giải pháp đầy hứa hẹn là sử dụng màng composite Nano TiO2/Nafion. Việc kết hợp Nano TiO2 vào màng Nafion có thể làm giảm đáng kể độ thẩm thấu methanol mà không ảnh hưởng đáng kể đến độ dẫn proton. TiO2 có khả năng tạo ra một lớp rào cản vật lý ngăn chặn sự di chuyển của methanol qua màng. Hơn nữa, TiO2 có tính chất quang xúc tác, có thể phân hủy methanol bị thẩm thấu, giảm thiểu tác động tiêu cực của hiện tượng này. Luận văn gốc cho thấy, việc sử dụng vật liệu TiO2 để biến tính màng trao đổi proton Nafion 117 có khả năng cải thiện hiệu suất sử dụng của pin DMFC. Phương pháp sol-gel thường được sử dụng để chế tạo màng Nano TiO2/Nafion. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước hạt Nano TiO2 và phân bố chúng đều trong màng Nafion.

3.1. Vai Trò của Nano TiO2 trong Giảm Thẩm Thấu Methanol

TiO2 hoạt động như một chất phụ gia, tạo ra một lớp rào cản vật lý trong màng Nafion. Lớp rào cản này làm tăng đường đi mà methanol phải di chuyển qua màng, làm giảm tốc độ thẩm thấu methanol. Hơn nữa, TiO2 có thể tương tác với methanol, làm giảm khả năng hòa tan của methanol trong pha nước bên trong màng.

3.2. Phương pháp Sol Gel Chế Tạo Màng Nano TiO2 Nafion

Phương pháp sol-gel là một kỹ thuật phổ biến để chế tạo màng Nano TiO2/Nafion. Phương pháp này bao gồm việc tạo ra một sol chứa tiền chất TiO2, sau đó phủ sol lên màng Nafion và thực hiện quá trình gel hóa để tạo thành màng composite. Ưu điểm của phương pháp sol-gel là khả năng kiểm soát kích thước hạt Nano TiO2, phân bố đều chúng trong màng Nafion, và thực hiện quá trình ở nhiệt độ thấp.

3.3. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Chất Lượng Màng TiO2 Nafion

Chất lượng của màng Nano TiO2/Nafion phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm loại tiền chất TiO2, nồng độ TiO2, thời gian và nhiệt độ gel hóa, và phương pháp phủ màng. Cần phải tối ưu hóa các yếu tố này để đạt được màng có độ thẩm thấu methanol thấp và độ dẫn proton cao.

IV. Nghiên Cứu Thực Nghiệm Kết Quả Về Màng Nano TiO2 Nafion DMFC

Luận văn đã thực hiện nghiên cứu thực nghiệm về việc chế tạo màng mỏng Nano TiO2 trên đế màng Nafion 117 bằng phương pháp sol-gel. Các kết quả nghiên cứu cho thấy màng Nano TiO2 có cấu trúc pha anatase ở nhiệt độ thấp. Độ thẩm thấu methanol qua màng Nafion 117 giảm đáng kể sau khi được biến tính bằng vật liệu TiO2. Đồng thời, độ dẫn proton của màng Nafion 117 cũng được duy trì sau khi biến tính. Các kết quả này cho thấy màng composite Nano TiO2/Nafion là một vật liệu hứa hẹn cho pin DMFC. Tài liệu gốc cũng trình bày các phương pháp và thiết bị được sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm, bao gồm kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM), kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), và máy đo độ thẩm thấu methanol.

4.1. Ảnh Hưởng của Độ Dày Màng TiO2 Đến Thẩm Thấu Methanol

Nghiên cứu cho thấy rằng độ dày của màng TiO2 ảnh hưởng đến độ thẩm thấu methanol. Màng TiO2 dày hơn có khả năng giảm thẩm thấu methanol hiệu quả hơn, nhưng cũng có thể làm giảm độ dẫn proton của màng composite. Cần phải tìm ra độ dày tối ưu của màng TiO2 để đạt được sự cân bằng giữa độ thẩm thấu methanol và độ dẫn proton.

4.2. Đánh Giá Độ Dẫn Proton của Màng Nano TiO2 Nafion

Độ dẫn proton là một thông số quan trọng để đánh giá hiệu suất của màng trao đổi proton. Nghiên cứu đã đo độ dẫn proton của màng Nano TiO2/Nafion và so sánh với màng Nafion nguyên chất. Kết quả cho thấy rằng màng Nano TiO2/Nafion vẫn duy trì độ dẫn proton tốt, cho thấy rằng việc kết hợp Nano TiO2 không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng dẫn proton của màng.

4.3. Kết quả đo góc tiếp xúc của màng Nano TiO2 Nafion

Góc tiếp xúc của màng Nano TiO2/Nafion được đo và so sánh với màng Nafion 117 nguyên chất. Kết quả cho thấy có sự thay đổi về tính chất bề mặt của màng sau khi phủ lớp TiO2. Nghiên cứu cần phân tích rõ hơn về sự thay đổi này và mối liên hệ với hiệu suất của pin DMFC.

V. Ứng Dụng Triển Vọng Màng Nano TiO2 Nafion cho DMFC

Màng composite Nano TiO2/Nafion có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong pin DMFC. Việc sử dụng màng này có thể giúp tăng hiệu suất và tuổi thọ của pin, đồng thời giảm chi phí sản xuất. Các ứng dụng tiềm năng khác của màng Nano TiO2/Nafion bao gồm cảm biến, màng lọc, và chất xúc tác. Hướng nghiên cứu này mở ra tiềm năng lớn trong việc phát triển các thiết bị năng lượng sạch và bền vững. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm cần được tiếp tục phát triển và tối ưu hóa để có thể ứng dụng trong thực tế.

5.1. Tiềm Năng Thương Mại Hóa Màng Nano TiO2 Nafion

Việc thương mại hóa màng Nano TiO2/Nafion đòi hỏi việc tối ưu hóa quy trình sản xuất để đảm bảo chất lượng và giảm chi phí. Cần phải nghiên cứu các phương pháp sản xuất quy mô lớn và các vật liệu thay thế rẻ tiền hơn để có thể cạnh tranh với các công nghệ pin nhiên liệu khác.

5.2. Các Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Màng TiO2 Nafion

Các hướng nghiên cứu tiếp theo về màng Nano TiO2/Nafion bao gồm việc cải thiện độ ổn định của màng trong điều kiện hoạt động khắc nghiệt, nghiên cứu các phương pháp biến tính TiO2 để tăng cường tính chất quang xúc tác, và phát triển các loại Nano vật liệu khác có khả năng giảm thẩm thấu methanol hiệu quả hơn.

VI. Kết Luận Hướng Đi Mới Nâng Cao Hiệu Suất Pin DMFC

Nghiên cứu và phát triển màng composite Nano TiO2/Nafion là một hướng đi đầy hứa hẹn để nâng cao hiệu suất của pin DMFC. Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp Nano TiO2 vào màng Nafion có thể làm giảm đáng kể độ thẩm thấu methanol mà không ảnh hưởng đáng kể đến độ dẫn proton. Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình sản xuất, cải thiện độ ổn định của màng, và khám phá các ứng dụng tiềm năng khác của màng composite Nano TiO2/Nafion.

6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu Về Màng Nano TiO2 Nafion

Nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo màng composite Nano TiO2/Nafion bằng phương pháp sol-gel. Kết quả cho thấy rằng màng composite có độ thẩm thấu methanol thấp và độ dẫn proton tốt. Màng composite có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong pin DMFC.

6.2. Đánh Giá Tiềm Năng Phát Triển Công Nghệ DMFC Trong Tương Lai

Công nghệ DMFC có tiềm năng phát triển lớn trong tương lai, đặc biệt là trong các ứng dụng di động và công suất thấp. Việc cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của pin, đồng thời giảm chi phí sản xuất là những yếu tố quan trọng để thúc đẩy sự thương mại hóa của công nghệ DMFC.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN TIEU LUAN MOI download : [e-mail] -4- Tổng quan 1. SƠ LƯỢC VỀ PIN NHIÊN LIỆU (FUEL CELL) Pin nhiên liệu là thiết bị điện hóa cho phép tạo ra điện năng trực tiếp từ nguồn nhiên liệu cung cấp liên tục cho hoạt động của pin. Thông thường một tế bào pin nhiên liệu có thành phần cấu tạo gồm điện cực anode, lớp xúc tác tại điện cực anode, lớp màng điện phân, lớp xúc tác tại điện cực cathode và điện cực cathode (Hình 1. Đối với pin nhiên liệu, điện cực sử dụng phải được chế tạo từ các loại vật liệu dẫn điện có cấu trúc xốp (chẳng hạn như graphite cấu trúc xốp) để nhiên liệu thấm qua các điện cực đến được lớp màng điện phân.

Lớp xúc tác tại các điện cực thường được sử dụng là bạch kim (Pt) đối với các loại pin nhiên liệu có nhiệt độ hoạt động thấp và là nickel (Ni) đối với các loại pin nhiên liệu có nhiệt độ hoạt động cao. Lớp màng điện phân có vài trò chủ yếu là dẫn proton vì vậy phải được chế tạo từ các loại vật liệu có độ dẫn proton tốt và độ dẫn điện về mặt lý thuyết phải gần như bằng 0.1: Cấu tạo của một pin nhiên liệu điển hình [37]. Hoạt động của một pin nhiên liệu điển hình diễn ra như sau: - Khí nhiên liệu (khí H2, CH3OH…) được đưa tới anode của pin nhiên liệu, tại đây nhiên liệu bị oxy hoá tạo ra điện tử và ion H+. - Các điện tử sau khi được giải phóng bị cản trở bởi màng điện phân sẽ di chuyển trong mạch điện tạo ra dòng điện còn các ion H+ thì đi qua màng điện phân đến điện cathode của pin nhiên liệu.

Nguyễn Mạnh Tuấn HVTH: Lục Quảng Hồ TIEU LUAN MOI download : [e-mail] -5- Tổng quan - Tại cathode các ion H+ kết hợp với điện tử trong mạch cùng với khí O2 tạo thành nước. Pin nhiên liệu nhìn chung có hiệu suất cao vì không bị giới hạn bởi hiệu suất của chu trình Carnot. Pin nhiên liệu không cần nhiều các bộ phận cơ học nên khi hoạt động như một máy phát điện năng lượng hao phí rất thấp. Tiếng ồn gây ra bởi pin nhiên liệu khi được dùng làm máy phát điện chủ yếu là do động cơ cánh quạt và máy nén khí để nén nhiên liệu ở cathode vì vậy là không đáng kể.

Pin nhiên liệu cho phép ứng dụng một cách linh hoạt trong cung cấp điện năng theo nhu cầu nhờ khả năng thay đổi công suất thông qua việc thay đổi kích thước của pin. Pin nhiên liệu không sử dụng nhiên liệu hóa thạch nên không tạo ra khí thải gây ô nhiễm môi trường, các sản phẩm phụ chủ yếu là nước sạch nên rất an toàn cho môi trường vì vậy rất cho các ứng dụng trong đời sống [9-13]. Có nhiều cách để phân loại pin nhiên liệu tuỳ thuộc vào nhiệt độ hoạt động, công suất làm việc, các chất tham gia phản ứng, các chất điện phân hay các loại điện cực… Các loại pin nhiên liệu phổ biến được tóm tắt dưới đây. Tải Dòng điện tử Hydro Oxy Nước Anode Chất điện phân Catode Hình 1.2: Cấu tạo pin nhiên liệu kiềm (AFC) [13].

™ Pin nhiên liệu kiềm (Alkaline fuel cell - AFC) dùng các loại dung dịch kiềm như KOH làm nhiên liệu, nhiệt độ hoạt động từ 50 - 220oC và hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ 50 - 60%. Nguyễn Mạnh Tuấn HVTH: Lục Quảng Hồ TIEU LUAN MOI download : [e-mail] -6- Tổng quan ™ Pin nhiên liệu sử dụng màng trao đổi proton (Polymer electrolyte fuel cell - PEFC) sử dụng khí H2 làm nhiên liệu, nhiệt độ hoạt động từ 50 - 100oC, hiệu suất chuyển đổi năng lượng từ 50 - 60%. Mạch điện (Hiệu suất 40%-60%) Hydro nhiên liệu O2 từ không khí Nhiệt (85oC) Làm lạnh bằng nước hoặc không khí Tuần hoàn nhiên liệu đã sử dụng Không khí + hơi nước Điện cực khuếch tán khí Điện cực khuếch tán khí (anode) (catode) Chất xúc tác Chất xúc tác Màng trao đổi proton Hình 1.3: Cấu tạo pin nhiên liệu trao đổi proton (PEFC) [14]. ™ Pin nhiên liệu axít phosphoric (Phosphoric acid fuel cell - PAFC) có nhiệt độ hoạt động từ 150 - 220oC và hiệu suất chuyển đổi năng lượng khoảng 55%.

Axít phosphoric và pin nhiên liệu Dòng điện Tải Hydro Oxy Nước Anode Catode Chất điện phân Hình 1.4: Cấu tạo pin nhiên liệu axít phosphoric (PAFC) [14]. Nguyễn Mạnh Tuấn HVTH: Lục Quảng Hồ TIEU LUAN MOI download : [e-mail] -7- Tổng quan ™ Pin nhiên liệu carbonate nóng chảy (Molten carbonate fuel cell - MCFC) có nhiệt độ hoạt động từ 600 - 800oC, hiệu suất từ 55 - 65% với mật độ công suất từ 100 - 200 mW/cm2. Pin nhiên liệu carbonate nóng chảy Dòng điện tử Tải Hydro Oxy Nước CO2 Anode Catode Chất điện phân Hình 1.5: Cấu tạo pin nhiên liệu carbonate nóng chảy (MCFC) [14]. ™ Pin nhiên liệu oxít rắn (Solid oxide fuel cell - SOFC) có nhiệt độ hoạt động từ 700 - 1000oC và hiệu suất từ 55 - 65% [6].

Pin nhiên liệu oxít rắn Dòng điện tử Tải Hydro Oxy Nước Anode Chất điện phân Catode Hình 1.6: Cấu tạo pin nhiên liệu oxít rắn (SOFC)[14]. Nguyễn Mạnh Tuấn HVTH: Lục Quảng Hồ TIEU LUAN MOI download : [e-mail] -8- Tổng quan Tất cả các loại pin nhiên liệu đều hoạt động dựa trên nguyên tắc oxy hóa khí H2 để tạo ra điện năng, nhiệt và hơi nước. Pin nhiên liệu có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao và giá thành ít phụ thuộc vào kích thước của pin hơn so các loại khác, đồng thời ít ảnh hưởng đến môi trường. Hiện tại, các nguyên nhân chính cản trở sự thương mại hóa của pin nhiên liệu là tuổi thọ, độ bền và giá thành của sản phẩm.

Điều này trở nên khả thi từ khi pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC) ra đời. Mặc dù pin DMFC có hiệu suất thấp hơn so với các loại pin nhiên liệu khác (từ 30% - 40%) nhưng bù lại nó khắc phục được các nhược điểm kể trên. Việc sử dụng methanol có ưu điểm là quá trình điều chế, vận chuyển và bảo quản nhiên liệu dễ dàng, an toàn hơn rất nhiều. Pin nhiên liệu DMFC có cấu tạo đơn giản, hoạt động diễn ra liên tục khi được nạp nhiên liệu đầy đủ cộng với giá thành chủ yếu phụ thuộc và giá của màng trao đổi proton sẽ mở ra hướng ứng dụng đầy triển vọng trong thực tiễn cuộc sống.

PIN NHIÊN LIỆU DÙNG METHANOL TRỰC TIẾP (Direct methanol fuel cell - DMFC) 1. Cấu tạo Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC) cơ bản là pin nhiên liệu sử dụng màng trao đổi proton (PEFC) với nhiên liệu được sử dụng trong hoạt động của pin là dung dịch methanol (CH3OH). Pin nhiên liệu DMFC có cấu tạo gồm hai cực, điện cực anode là nơi xảy ra phản ứng oxy hóa methanol còn điện cực cathode là nơi xảy ra phản ứng khử oxy và được ngăn cách với nhau bằng lớp màng trao đổi proton. Mỗi điện cực có cấu tạo gồm ba phần: lớp graphite, lớp khuếch tán nhiên liệu và lớp xúc tác các phản ứng hóa học.

Màng trao đổi proton được sử dụng trong pin nhiên liệu DMFC là các loại polymer có tính dẫn proton cao có tác dụng dẫn proton đồng thời ngăn nhiên liệu khuếch tán từ anode sang cathode. Dung dịch methanol làm nhiên liệu được cho vào phần chứa anode sẽ khuếch tán qua lớp thứ nhất đến lớp xúc tác nơi xảy ra phản ứng oxy hóa tạo proton. Proton được màng trao đổi proton dẫn đến lớp xúc tác cùng với oxy được khuếch tán trực tiếp từ không khí vào phần chứa cathode sẽ tham gia vào phản ứng khử tạo ra nước. Điện tử di chuyển qua hai điện cực graphite tạo ra dòng điện trong mạch ngoài của pin nhiên liệu DMFC.

Cấu tạo của pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp được mô tả trong hình 1. Nguyễn Mạnh Tuấn HVTH: Lục Quảng Hồ TIEU LUAN MOI download : [e-mail] -9- Tổng quan Hoạt động của pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC) bắt đầu bằng việc methanol bị oxy hoá tại anode của pin tạo ra sáu điện tử, sáu ion H+ và khí CO2. Sau đó, điện tử di chuyển trong mạch ngoài còn ion H+ đi qua màng trao đổi proton để đến cathode kết hợp với O2 tạo thành nước. - Phản ứng tại anode: CH 3OH + H 2 O → CO2 + 6 H + + 6e − - Phản ứng tại cathode: 3 O2 + 6 H + + 6e − → 3H 2 O 2 - Phản ứng tổng quát: 3 O2 + CH 3 OH → CO2 + H 2 O 2 Tải Lớp xúc tác Đĩa lưỡng Đĩa lưỡng cực cực Màng nafion Lớp khuếch tán khí Hình 1.7: Cấu tạo pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC) [16].

Pin DMFC hoạt động dựa trên khả năng oxy hoá methanol tại anode, quá trình này diễn ra với xúc tác hai thành phần Pt-M (M là Ru, Mo, Ir…) theo các bước sau: - Hấp phụ methanol: Pt + CH 3OH → Pt − (CH 3 OH )ads GVHD: TS. Nguyễn Mạnh Tuấn HVTH: Lục Quảng Hồ TIEU LUAN MOI download : [e-mail] - 10 - Tổng quan - Kích hoạt liên kết: Pt − (CH 3OH )ads → Pt − (CH 3 O )ads + H + + e − Pt − (CH 3 O )ads → Pt − (CH 2 O )ads + H + + e − Pt − (CH 2 O )ads → Pt − (CHO )ads + H + + e − Pt − (CHO )ads → Pt − (CO )ads + H + + e − - Hấp phụ nước: M + H 2 O → M − (H 2 O )ads - Oxy hoá CO: Pt − (CO )ads + M − (H 2 O )ads → Pt + M + CO2 + 2 H + + 2e − - Tổng kết: CH 3OH + H 2 O → CO2 + 6 H + + 6e − Sử dụng pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp cho phép tạo ra dòng điện thông qua việc điều khiển các phản ứng hóa học trên [3,9]. Hiệu suất Trong pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp, các thông số chính để đánh giá hiệu suất của pin là điện thế, mật độ dòng và mật độ công suất. Hiệu suất thật sự của pin giảm theo sự cân bằng điện thế do những hiện tượng hao hụt không thuận nghịch phức tạp gây ra [25].

Hiệu suất của pin nhiên liệu Hiệu suất nhiệt năng εth là tỉ lệ giữa điện áp lớn nhất sinh ra từ pin nhiên liệu ΔG và lượng năng lượng cần thiết được chuyển thành nhiệt năng ΔH. ε th = ΔΔHG = ΔHΔ−HTΔS (1.1) Với: ΔG: năng lượng tự do Gibbs ΔH: enthalpy ΔS: entropy GVHD: TS. Nguyễn Mạnh Tuấn HVTH: Lục Quảng Hồ TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.