Nghiên cứu ảnh hưởng của công nghệ đến đặc tính pin nhiên liệu màng trao đổi proton

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu sơ lược về pin nhiên liệu

1.2. Phân loại pin nhiên liệu

1.3. Ứng dụng của pin nhiên liệu. Pin nhiên liệu màng trao đổi proton

1.4. Nguyên lý hoạt động. Nhiệt động học trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton

1.5. Năng lượng tự do Gibbs. Công điện lý thuyết

1.6. Hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu

1.7. Điện thế hở mạch của pin nhiên liệu

1.8. Cấu tạo của pin nhiên liệu

1.9. Điện cực màng

1.10. Các tấm lưỡng cực

1.11. Các kênh dẫn khí

1.12. Các bộ phận khác

1.13. Bộ pin nhiên liệu PEMFC

1.14. Cấu hình kênh rãnh dẫn khí trong pin đơn

1.15. Cấu hình cấp khí cho từng pin đơn trong bộ pin

1.16. Các thông số hoạt động của PEMFC

1.17. Nhiệt độ hoạt động

1.18. Ảnh hưởng của độ ẩm đến hoạt động của bộ pin nhiên liệu

1.19. Ảnh hưởng của lưu lượng và áp suất khí nhiên liệu đến hoạt động của pin nhiên liệu

1.20. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.21. Kết luận chương I

2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Hóa chất và vật liệu

2.2. Quá trình thực nghiệm

2.3. Đánh giá vật liệu xúc tác Pt/C

2.4. Chế tạo điện cực màng MEA

2.5. Chế tạo điện cực màng bằng phương pháp CCS

2.6. Ảnh hưởng của hàm lượng Nafion trong mực xúc tác tới tính chất MEA

2.7. Chế tạo điện cực màng bằng kỹ thuật DTM

2.8. Thiết kế, chế tạo bộ pin nhiên liệu PEMFC công suất ~100W

2.9. Thiết bị và dụng cụ

2.10. Các phương pháp nghiên cứu

2.11. Các phương pháp đặc trưng vật lý

2.12. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM

2.13. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua TEM

2.14. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)

2.15. Phương pháp đo đường cong phân cực U-I

2.16. Các phương pháp đo đạc các đặc trưng điện hóa

2.17. Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn (CV)

2.18. Phương pháp phổ tổng trở điện hóa

2.19. Kết luận chương II

3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT ĐIỆN CỰC MEA

3.1. Đánh giá tính chất và lựa chọn vật liệu xúc tác Pt/C sử dụng trong pin nhiên liệu (PEMFC)

3.2. Đánh giá tính chất điện hóa của các mẫu xúc tác Pt/C

3.3. Đánh giá hoạt tính xúc tác của các mẫu Pt/C

3.4. Đánh giá độ bền của các mẫu xúc tác Pt/C

3.5. Đánh giá tính chất vật lý của vật liệu xúc tác Pt/C

3.6. Nghiên cứu chế tạo điện cực màng MEA bằng phương pháp phủ xúc tác lên trên lớp khuếch tán

3.7. Ảnh hưởng của các thông số ép nóng lên đặc trưng tính chất của MEA

3.8. Ảnh hưởng của giá trị lực ép đến tính chất điện của các MEA

3.9. Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ ép lên tính chất của MEA

3.10. Ảnh hưởng của hàm lượng nafion trong lớp xúc tác đến tính chất của điện cực màng MEA

3.11. Quy trình thích hợp chế tạo điện màng MEA bằng phương pháp CCS

3.12. Nghiên cứu chế tạo điện cực màng bằng phương pháp đề can

3.13. Kết luận chương III

4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ PIN NHIÊN LIỆU CÔNG SUẤT 100W

4.1. Nghiên cứu cấu hình kênh dẫn khí trên tấm lưỡng cực

4.2. Thiết kế, chế tạo các bộ phận của bộ pin nhiên liệu PEMFC

4.3. Tính toán lựa chọn thiết kế cho bộ pin nhiên liệu PEMFC

4.4. Thiết kế và chế tạo các bộ phận của bộ pin nhiên liệu công suất 100 W

4.5. Thiết kế, chế tạo các tấm lưỡng cực

4.6. Thiết kế, chế tạo các tấm thu điện, tấm vỏ pin và gioăng

4.7. Ảnh hưởng của điều kiện vận hành đến tính chất của pin nhiên liệu

4.8. Tính toán và thiết kế hệ thống phân phối khí nhiên liệu

4.9. Ảnh hưởng của lưu lượng khí nhiên liệu đến đặc trưng của pin nhiên liệu

4.10. Ảnh hưởng của độ ẩm đến tính chất của pin nhiên liệu

4.11. Ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt động

4.12. Đặc tính của bộ pin PEMFC 100 W hoàn chỉnh

4.13. Kết luận chương IV

NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC: Các bản vẽ thiết kế các chi tiết của pin nhiên liệu PEMFC

I. Giới thiệu về pin nhiên liệu màng trao đổi proton

Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) là một trong những công nghệ tiên tiến nhất trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Công nghệ này sử dụng hydro làm nhiên liệu chính, chuyển đổi năng lượng hóa học thành điện năng với hiệu suất cao và ít tác động đến môi trường. Sản phẩm của quá trình này chủ yếu là nước, điều này làm cho pin nhiên liệu trở thành một giải pháp năng lượng sạch. Theo nghiên cứu, hiệu suất của pin nhiên liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có cấu trúc và vật liệu của màng trao đổi proton. Việc tối ưu hóa các thông số công nghệ trong quá trình chế tạo pin là rất quan trọng để nâng cao hiệu suất và độ bền của thiết bị.

1.1. Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu

Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu màng trao đổi proton dựa trên phản ứng hóa học giữa hydro và oxy. Khi hydro được cung cấp vào điện cực âm, nó sẽ bị oxi hóa, giải phóng electron và ion hydro. Các ion này sẽ di chuyển qua màng trao đổi proton đến điện cực dương, nơi chúng kết hợp với oxy để tạo ra nước và điện năng. Quá trình này không chỉ tạo ra điện mà còn tạo ra nhiệt, giúp duy trì nhiệt độ hoạt động của pin. Việc hiểu rõ nguyên lý này giúp các nhà nghiên cứu phát triển các giải pháp tối ưu cho hiệu suất pin nhiên liệu.

II. Ảnh hưởng của công nghệ đến đặc tính pin nhiên liệu

Công nghệ chế tạo có ảnh hưởng lớn đến các đặc tính của pin nhiên liệu. Các thông số như hàm lượng Nafion, lực ép trong quá trình chế tạo, và cấu trúc của màng trao đổi proton đều có thể tác động đến hiệu suất và độ bền của pin. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa hàm lượng Nafion trong lớp xúc tác có thể cải thiện đáng kể tính dẫn điện và khả năng trao đổi ion của màng trao đổi proton. Hơn nữa, lực ép trong quá trình chế tạo cũng ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất điện của MEA (Membrane Electrode Assembly).

2.1. Tối ưu hóa hàm lượng Nafion

Hàm lượng Nafion trong lớp xúc tác là một yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu suất của pin nhiên liệu. Nghiên cứu cho thấy rằng hàm lượng Nafion tối ưu có thể cải thiện đáng kể khả năng dẫn điện và khả năng trao đổi ion của màng trao đổi proton. Việc sử dụng hàm lượng quá thấp hoặc quá cao đều có thể dẫn đến hiệu suất không đạt yêu cầu. Do đó, việc xác định hàm lượng Nafion tối ưu là cần thiết để nâng cao hiệu suất và độ bền của pin.

III. Ứng dụng và triển vọng của pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực khác nhau như giao thông vận tải, sản xuất điện và các thiết bị điện tử. Với sự phát triển của công nghệ, pin nhiên liệu đang dần trở thành một giải pháp thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc cải thiện hiệu suất và giảm chi phí sản xuất, nhằm đưa pin nhiên liệu vào ứng dụng rộng rãi hơn trong cuộc sống hàng ngày. Việc phát triển công nghệ xanh và năng lượng sạch là xu hướng tất yếu trong bối cảnh hiện nay.

3.1. Ứng dụng trong giao thông vận tải

Một trong những ứng dụng nổi bật của pin nhiên liệu là trong lĩnh vực giao thông vận tải. Các phương tiện sử dụng pin nhiên liệu có thể hoạt động liên tục mà không cần phải sạc lại như các loại xe điện thông thường. Điều này giúp giảm thiểu thời gian chờ đợi và tăng tính tiện lợi cho người sử dụng. Hơn nữa, việc sử dụng pin nhiên liệu trong giao thông vận tải cũng góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tạo ra một tương lai bền vững hơn cho ngành giao thông.

Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát pin nhiên liệu màng trao đổi proton