Tổng quan luận án

Biến đổi khí hậu và sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống (than đá, dầu mỏ, khí đốt tự nhiên) đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo sạch. Nhiên liệu hydro được đánh giá là nguồn năng lượng triển vọng do sản phẩm chuyển hóa duy nhất chỉ là nước, nhiệt và điện năng. Trong các dạng thiết bị chuyển hóa năng lượng, pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - PEMFC) sở hữu nhiều đặc tính phù hợp cho các ứng dụng tĩnh tại và giao thông vận tải: hiệu suất chuyển hóa năng lượng cao (có thể đạt trên 60%), mật độ công suất lớn, nhiệt độ vận hành thấp (dưới 80 °C), không gây tiếng ồn và không phát thải khí nhà kính.

Tuy nhiên, các quy trình công nghệ chế tạo màng điện cực và bộ pin nhiên liệu trên thế giới hầu hết được giữ bí mật bản quyền hoặc bảo hộ kỹ thuật độc quyền. Tại Việt Nam, các nghiên cứu về pin nhiên liệu phần lớn mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm, tập trung vào hiệu ứng vật liệu xúc tác đơn lẻ, thiếu vắng các nghiên cứu làm chủ công nghệ lõi chế tạo điện cực màng (Membrane Electrode Assembly - MEA) cũng như công nghệ thiết kế, gia công và vận hành bộ pin (stack). Luận án của nghiên cứu sinh Giang Hồng Thái được thực hiện nhằm giải quyết khoảng trống công nghệ này.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 4 nội dung:

  1. Nghiên cứu chế tạo pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC).
  2. Đánh giá lựa chọn vật liệu xúc tác và thành phần tối ưu cho lớp xúc tác trong điện cực màng MEA. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ chế tạo đến tính chất điện cực màng, trên cơ sở đó làm chủ công nghệ lõi và xây dựng quy trình chế tạo điện cực màng MEA.
  3. Xây dựng mô hình và giải thích cơ chế các quá trình chuyển hóa hóa năng thành điện năng trong điện cực màng MEA.
  4. Thiết kế, chế tạo và vận hành một bộ pin nhiên liệu PEMFC hoàn chỉnh có công suất ~ 100 W.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Tập trung vào thành phần cốt lõi của PEMFC là điện cực màng MEA (bao gồm thành phần mực xúc tác, công nghệ tạo lớp xúc tác và công nghệ ép nóng tạo MEA), các thành phần phụ trợ (tấm lưỡng cực graphit, tấm thu điện, tấm vỏ, gioăng làm kín) và bộ pin nhiên liệu hoàn chỉnh.
  • Phạm vi nghiên cứu: Các nội dung thực nghiệm được triển khai tại Phòng Ăn mòn và bảo vệ vật liệu, Viện Khoa học vật liệu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, có sự phối hợp phân tích từ chương trình hợp tác KIMS – ASEAN (Viện Khoa học vật liệu Hàn Quốc). Nghiên cứu tập trung vào hệ pin PEMFC cấp khí hydro/oxy trực tiếp, sử dụng màng polymer Nafion 212, xúc tác platin trên nền cacbon (Pt/C) và thiết kế bộ pin công suất danh định 100 W.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến cấu trúc điện cực, vật liệu và công nghệ chế tạo PEMFC:

  • Nghiên cứu về thành phần và mật độ chất dẫn ion trong lớp xúc tác:

    • Watanabe và cộng sự (1986) sử dụng điện cực đĩa quay phủ màng Nafion để khảo sát phản ứng oxy hóa hydro (HOR) và phản ứng khử oxy (ORR), chỉ ra chiều dày màng phủ Nafion tối ưu quanh hạt xúc tác là 0,2 µm; nếu vượt quá giá trị này, tốc độ khuếch tán khí sẽ trở thành yếu tố khống chế động học pin.
    • Poltarzewski và cộng sự khảo sát mật độ Nafion từ 0,2 đến 1,7 mg/cm² trên lớp khuếch tán khí, xác định mật độ tối ưu là 0,9 mg/cm² (tương đương 23% khối lượng), cho điện trở dẫn ion thấp nhất và hoạt tính điện hóa cao nhất.
    • Uchida và cộng sự nghiên cứu xúc tác Pt/C 25% khối lượng, chứng minh mật độ Nafion 1,0 mg/cm² (tương ứng tỉ lệ 33% khối lượng) tối ưu hóa cấu trúc lỗ xốp trong khoảng 0,04 – 1,0 µm.
    • Paganin và cộng sự khảo sát xúc tác Pt/C 10% khối lượng, tìm ra khoảng mật độ Nafion tối ưu 1,75 – 2,2 mg/cm² (tương ứng 33% khối lượng); đối với xúc tác Pt/C 20% khối lượng, giá trị tối ưu đạt được tại mật độ 0,4 mg/cm² Pt và 1,1 mg/cm² Nafion.
    • Antolini và cộng sự nghiên cứu lớp xúc tác Pt/C 20% cho điện cực catot trong dung dịch H₂SO₄, chỉ ra mật độ Nafion 0,67 mg/cm² (tương ứng 40% khối lượng) giúp cực tiểu hóa quá thế hoạt hóa và điện trở phân cực.
    • Passalacqua và cộng sự đưa ra khái niệm phần trăm trọng lượng Nafion trong lớp xúc tác (NFP), xác định tỉ lệ tối ưu là 33% khối lượng (mật độ 0,24 mg/cm² Nafion trên nền xúc tác Pt 20% khối lượng).
    • Wilson và cộng sự xác định tỉ lệ Nafion tối ưu trong khoảng 25 – 28% đối với hệ xúc tác Pt/C 20% khối lượng.
    • Escribano và cộng sự chứng minh việc tăng tỉ lệ Nafion làm suy giảm thể tích và kích thước lỗ xốp trung bình trong lớp xúc tác.

  • Nghiên cứu về phương pháp chế tạo MEA và lớp khuếch tán:

    • Tang và cộng sự so sánh hai phương pháp: phủ xúc tác lên màng (CCM) và phủ xúc tác lên đế khuếch tán (CCS). Kết quả cho thấy CCM và phương pháp đề can (DTM) tạo liên kết pha tốt, giảm điện trở tiếp xúc và điện trở chuyển điện tích, trong đó diện tích bề mặt điện hóa (ESA) của mẫu chế tạo bằng DTM cao hơn 1,05 lần so với CCS và 1,76 lần so với CCM.
    • Sinha và Wang, Shadeghifar, Wood, Mukherjee nghiên cứu cấu trúc xốp và tính kị nước của lớp khuếch tán khí (GDL), đánh giá vai trò của hàm lượng chất chống thấm Polytetrafluoroethylene (PTFE) trong việc điều tiết cơ chế thoát nước mao dẫn.

  • Nghiên cứu về tấm lưỡng cực và cấu hình rãnh dẫn khí:

    • Middelman và cộng sự khảo sát tấm lưỡng cực composit polymer – cacbon, ghi nhận độ dẫn điện khối đạt khoảng 20 S/cm (chưa đạt tiêu chuẩn chung > 100 S/cm).
    • Hermann khảo sát sự ăn mòn của các kim loại Al, thép không gỉ, Ti, Ni trong môi trường pH 2–3 ở 80 °C của PEMFC, chứng minh sự hình thành màng oxit thụ động làm tăng mạnh điện trở tiếp xúc bề mặt.
    • Jeon và Perng phân tích các cấu hình kênh dẫn khí đơn, đối xứng và kênh hẹp, chứng minh hình học kênh dẫn ảnh hưởng trực tiếp đến sự đối lưu và hiệu suất pin.

Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết: Mặc dù các nghiên cứu quốc tế đã làm rõ nhiều khía cạnh lý thuyết, việc phối hợp các thông số công nghệ chế tạo (áp lực ép, nhiệt độ ép, thời gian ép, hàm lượng chất dẫn ion Nafion) trên các vật liệu cụ thể nhằm xây dựng một quy trình công nghệ hoàn chỉnh chưa được thực hiện đầy đủ tại Việt Nam. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng việc khảo sát toàn diện từ khâu chế tạo MEA, tối ưu hóa hình học kênh dẫn khí tấm lưỡng cực, đến tích hợp hệ thống bộ pin 10 cell công suất trên 100 W.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các phương trình nhiệt động học

Pin nhiên liệu màng trao đổi proton hoạt động dựa trên các phản ứng điện hóa xảy ra đồng thời tại vùng ranh giới ba pha (chất điện ly rắn Nafion, khí phản ứng và hạt xúc tác kim loại Pt):

  • Phản ứng tại anot (HOR): $$H_2 \rightarrow 2H^+ + 2e^- \quad (E_a^0 = 0{,}00\text{ V so với SHE})$$
  • Phản ứng tại catot (ORR): $$\frac{1}{2}O_2 + 2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2O \quad (E_c^0 = 1{,}229\text{ V so với SHE})$$
  • Phản ứng tổng quát: $$H_2 + \frac{1}{2}O_2 \rightarrow H_2O + \text{điện năng} + \text{nhiệt năng}$$

Các thông số nhiệt động học cơ bản:

  • Enthalpy phản ứng ở 25 °C: $\Delta H = -286\text{ kJ/mol}$.
  • Công điện cực đại liên hệ với năng lượng tự do Gibbs: $W_{el} = nFE = -\Delta G$.
  • Điện thế lý thuyết ở 23 °C đối với hệ H₂/O₂: $E = 1{,}23\text{ V}$.
  • Hiệu suất nhiệt động học cực đại lý thuyết ở điều kiện tiêu chuẩn (298 K, 1 atm): $$\eta = \frac{\Delta G}{\Delta H} = \frac{237{,}34}{286} = 83%$$
  • Điện thế hở mạch lý thuyết ($V_{OCV}$) tính theo phương trình Nernst phụ thuộc nhiệt độ $T$ (K) và áp suất riêng phần: $$V_{OCV} = 1{,}229 - 0{,}000846 \times (T - 298{,}15) + \frac{2{,}303RT}{4F}\log\left(\frac{P_{H_2}^2 \cdot P_{O_2}}{P_{H_2O}^2}\right)$$

Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật phân tích

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp giữa các kỹ thuật đặc trưng vật lý và đo đạc điện hóa:

Nhóm phương pháp Kỹ thuật / Thiết bị Mục đích sử dụng trong luận án
Đặc trưng vật lý Kính hiển vi điện tử quét (SEM) Khảo sát hình thái bề mặt, cấu trúc ranh giới phân lớp và vi cấu trúc mặt cắt ngang của MEA chế tạo ở các lực ép khác nhau và phương pháp đề can (DTM).
Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Khảo sát hình thái, đo kích thước hạt xúc tác platin và vẽ đồ thị phân bố kích thước hạt ở độ phóng đại 40.000 và 80.000 lần.
Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) Xác định thành phần nguyên tố, tỉ lệ khối lượng và độ tinh khiết của kim loại Pt trên nền cacbon Vulcan XC-72.
Đặc trưng điện hóa Quét thế vòng tuần hoàn (CV) Thực hiện trong dung dịch H₂SO₄ 0,5M, hệ 3 điện cực để tính toán diện tích bề mặt hoạt hóa điện hóa (ESA) và đánh giá độ bền xúc tác qua 1000 chu kỳ.
Phổ tổng trở điện hóa (EIS) Dựng đồ thị Nyquist và mô hình mạch tương đương để xác định điện trở tổng ($R_s$) và điện trở chuyển điện tích ($R_{ct}$) của MEA.
Đặc tính phát điện Đo đường cong phân cực $U-I$ và $P-I$ Xác định điện áp hở mạch thực tế ($V_{OCV}$), mật độ dòng điện và mật độ công suất cực đại ($P_{max}$) của pin đơn và bộ pin.

Nguồn vật liệu sử dụng

  • Vật liệu xúc tác: Pt/C thương mại từ hãng FE (mẫu FE-20 chứa 20% Pt, FE-30 chứa 30% Pt) và hãng Johnson Matthey (mẫu JM-20 chứa 20% Pt, JM-40 chứa 40% Pt); chất mang cacbon Vulcan XC-72.
  • Màng điện phân polymer: Màng Nafion 212 thương mại (chiều dày 50,8 µm, đương lượng 1100 g/mol); dung dịch dẫn ion Nafion 5% khối lượng.
  • Các bộ phận cấu trúc: Giấy cacbon làm lớp khuếch tán khí (GDL), tấm graphit mật độ cao làm tấm lưỡng cực, tấm đồng dày 2 mm mạ vàng làm bản thu điện, hợp kim nhôm 6061 làm tấm vỏ ép, gioăng cao su chịu nhiệt và gioăng tấm PTFE.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan về pin nhiên liệu màng trao đổi proton

Chương này tổng thuật toàn diện cơ sở khoa học của pin nhiên liệu màng trao đổi proton:

  • Hệ thống hóa 5 nhóm pin nhiên liệu chính: PEMFC (và DMFC), AFC, PAFC, MCFC và SOFC, phân tích sự phụ thuộc của dải nhiệt độ làm việc vào bản chất chất điện phân.
  • Phân loại thang công suất ứng dụng của PEMFC từ dưới 10 W (thiết bị di động cầm tay) đến trên 1 MW (trạm phát điện quy mô lớn).
  • Trình bày 9 quá trình vận chuyển vật chất, nhiệt và điện tích diễn ra đồng thời bên trong pin khi vận hành: từ cấp ẩm khí, khuếch tán qua GDL, phản ứng điện hóa tại lớp xúc tác, dẫn truyền proton qua màng Nafion, dẫn electron qua mạch ngoài, đến vận chuyển và giải phóng nước ngưng tụ ra khỏi kênh dẫn.
  • Phân tích ưu nhược điểm của các loại vật liệu làm tấm lưỡng cực (graphit, kim loại phủ bề mặt, composit polymer-cacbon) và các cấu hình rãnh dẫn khí (song song, cài răng lược, 1 rãnh gấp khúc, bọt xốp kim loại, bất đối xứng).

Chương II: Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu

Chương II mô tả chi tiết hóa chất, quy trình công nghệ chế tạo và thiết lập đo đạc:

  • Quy trình phân tán mực xúc tác bằng dung môi hỗn hợp (nước khử ion DI, cồn isopropyl) kết hợp khuấy từ và rung siêu âm để hạn chế hiện tượng kết tụ hạt.
  • Quy trình chế tạo MEA theo phương pháp phủ xúc tác lên lớp khuếch tán (CCS) bằng kỹ thuật phun phủ và phương pháp đề can (DTM) chuyển lớp xúc tác từ màng PTFE sang màng Nafion.
  • Quy trình ép nóng thủy lực liên kết ba thành phần (GDL - lớp xúc tác - màng Nafion) với thiết bị ép kiểm soát áp suất và nhiệt độ.
  • Thiết lập hệ đo kiểm tra điện hóa (CV, EIS) và trạm đo thử nghiệm pin nhiên liệu đơn/bộ pin kiểm soát lưu lượng khí, nhiệt độ buồng pin và độ ẩm dòng khí vào.

Chương III: Nghiên cứu chế tạo và đánh giá tính chất điện cực MEA

Chương III trình bày toàn bộ kết quả thực nghiệm tối ưu hóa vật liệu và thông số công nghệ chế tạo MEA:

  • Đánh giá vật liệu xúc tác Pt/C: Kết quả đo quét thế vòng tuần hoàn (CV) trong dung dịch H₂SO₄ 0,5M và phân tích ảnh TEM xác định kích thước hạt platin trung bình của các mẫu thương mại: FE-20 (2,3 nm), FE-30 (2,7 nm), JM-20 (2,1 nm) và JM-40 (2,9 nm). Sau thử nghiệm độ bền 1000 chu kỳ quét thế, diện tích bề mặt điện hóa (ESA) của mẫu FE-30 duy trì độ ổn định tốt nhất, giảm ít nhất so với các mẫu còn lại.

  • Khảo sát ảnh hưởng của thông số lực ép nóng (phương pháp CCS): Nghiên cứu sinh khảo sát 5 mức lực ép thủy lực: 17, 19, 21, 24 và 28 kg/cm² ở nhiệt độ 130 °C trong thời gian 180 giây trên màng Nafion 212.

Lực ép (kg/cm²) Điện thế hở mạch OCV (V) Điện trở tổng $R_s$ ($\Omega\cdot\text{cm}^2$) Điện trở chuyển điện tích $R_{ct}$ ($\Omega\cdot\text{cm}^2$) Mật độ công suất cực đại $P_{max}$ (mW/cm²) Hiện tượng vi cấu trúc qua ảnh SEM
17 0,91 0,28 0,85 340 Liên kết giữa các lớp lỏng lẻo, điện trở tiếp xúc lớn.
19 0,96 0,16 0,42 480 Liên kết ba pha tối ưu, màng Nafion giữ nguyên chiều dày ~50 µm.
21 0,95 0,18 0,46 455 Bắt đầu có sự biến dạng nhẹ tại các điểm tiếp xúc sợi cacbon.
24 0,93 0,22 0,58 410 Màng Nafion bị nén mỏng cục bộ, suy giảm thể tích lỗ xốp.
28 0,88 0,31 0,79 320 Sợi cacbon đâm xuyên làm thủng/biến dạng màng, suy giảm OCV do rò khí.

  • Khảo sát nhiệt độ và thời gian ép: Nhiệt độ ép được xác định tối ưu ở 130 °C (nằm trong vùng nhiệt độ chuyển pha thủy tinh $T_g = 120 - 140\ ^\circ\text{C}$ của màng Nafion). Thời gian ép tối ưu là 180 giây. Ép ở nhiệt độ cao hơn 140 °C làm thoái hóa cấu trúc kênh dẫn proton; ép trong thời gian quá ngắn không đủ làm mềm màng để tạo liên kết liên diện.

  • Khảo sát hàm lượng dẫn ion Nafion trong lớp xúc tác: Khảo sát dải tỉ lệ khối lượng Nafion từ 20% đến 45%. Kết quả khẳng định hàm lượng Nafion 33% khối lượng mang lại mật độ công suất cực đại cao nhất tại điện áp 0,4 V. Khi hàm lượng Nafion < 30%, các kênh dẫn proton bị ngắt quãng, làm tăng điện trở ohmic; khi hàm lượng Nafion > 40%, màng Nafion dày bao phủ kín các tâm xúc tác Pt và lấp đầy các lỗ xốp khuếch tán khí, gây cản trở chuyển khối nồng độ và dẫn đến hiện tượng ngập úng catot.

  • So sánh phương pháp DTM và CCS: Điện cực MEA chế tạo bằng phương pháp đề can (DTM) cho diện tích bề mặt điện hóa và điện thế hở mạch OCV cao hơn so với CCS nhờ lớp xúc tác phân bố phẳng và mỏng trên bề mặt màng. Tuy nhiên, quy trình CCS thể hiện tính ổn định cơ học cao, dễ chế tạo trên diện tích lớn mà không gặp nguy cơ nứt gãy lớp xúc tác qua hai lần ép nhiệt.

Chương IV: Nghiên cứu chế tạo bộ pin nhiên liệu công suất 100W

Chương IV tập trung vào việc hiện thực hóa bộ pin nhiên liệu quy mô 100 W:

  • Nghiên cứu hình học kênh dẫn khí trên tấm lưỡng cực graphit: Thiết kế và thử nghiệm 3 cấu hình rãnh dẫn khí: 1 rãnh gấp khúc, 3 rãnh gấp khúc và 5 rãnh gấp khúc. Kết quả đo đường cong phân cực cho thấy cấu hình 3 rãnh gấp khúc đạt hiệu suất chuyển hóa và mật độ công suất cao nhất. Cấu hình 1 rãnh tạo độ sụt áp quá lớn dọc chiều dài kênh; cấu hình 5 rãnh có vận tốc dòng khí thấp, khó đẩy nước ngưng tụ ra ngoài dẫn đến ngập úng cục bộ ở mật độ dòng cao.

  • Gia công cơ khí chính xác các chi tiết bộ pin:

    • Tấm lưỡng cực: Gia công phay CNC trên tấm graphit hạt mịn đặc, khắc rãnh dẫn khí 3 đường gấp khúc trên hai mặt (mặt anot và mặt catot).
    • Bản thu điện: Chế tạo từ đồng đỏ dày 2 mm, bề mặt được mạ vàng điện phân để giảm điện trở tiếp xúc và chống ăn mòn trong môi trường axit.
    • Tấm vỏ pin: Chế tạo bằng hợp kim nhôm 6061 gia công tăng cứng, bố trí hệ thống bu lông siết lực phân bố đều.
    • Hệ thống cấp khí: Thiết kế cấu hình cấp khí kiểu chữ U nhằm phân phối lưu lượng khí đồng đều cho từng cell đơn.

  • Khảo sát các thông số vận hành của pin nhiên liệu:

    • Lưu lượng khí: Lưu lượng H₂ và O₂ tối ưu hóa đảm bảo hệ số dư lượng phù hợp (stoichiometry $1{,}2 - 1{,}5$ cho anot và $2{,}0 - 2{,}5$ cho catot).
    • Độ ẩm khí cấp: Độ ẩm tương đối của khí nhiên liệu đầu vào đạt hiệu quả cao nhất ở mức 80 – 100% (thông qua điều khiển nhiệt độ bình tạo ẩm bám sát nhiệt độ pin ở khoảng 65 – 70 °C) nhằm duy trì độ dẫn proton của màng mà không gây đọng nước.
    • Nhiệt độ vận hành: Pin đạt mật độ công suất cực đại khi vận hành trong dải nhiệt độ 65 – 70 °C.

  • Đặc tính kỹ thuật của bộ pin hoàn chỉnh: Bộ pin gồm 10 cell đơn ghép nối tiếp (diện tích hiệu dụng mỗi cell là 25 cm²). Khi vận hành với nhiên liệu H₂ và O₂ ở điều kiện tối ưu, bộ pin đạt công suất phát điện cực đại 137 W (vượt mục tiêu thiết kế ban đầu ~100 W), điện áp danh định đạt trên 6 V tại dòng tải hơn 20 A.

Thông số kỹ thuật Giá trị thực nghiệm đạt được
Số lượng cell đơn 10 cell (ghép nối tiếp)
Diện tích hoạt hóa mỗi cell 25 cm²
Cấu hình kênh dẫn khí Tấm graphit, 3 rãnh gấp khúc (Serpentine)
Loại màng và xúc tác Màng Nafion 212, xúc tác Pt/C (FE-30)
Phương pháp chế tạo MEA Ép nóng CCS (19 kg/cm², 130 °C, 180 s)
Công suất cực đại ($P_{max}$) 137 W
Nhiệt độ vận hành tối ưu 65 – 70 °C
Độ ẩm tương đối dòng khí 80 – 100%

Kết quả và những đóng góp mới

Các kết quả và đóng góp mới của luận án được tổng hợp cụ thể như sau:

  1. Đóng góp về mặt khoa học:

    • Xác định được bản chất ảnh hưởng của áp lực ép nóng lên cấu trúc ranh giới ba pha và vi cấu trúc màng Nafion trong MEA. Giải thích rõ cơ chế suy giảm phẩm chất pin khi lực ép quá thấp (tăng điện trở tiếp xúc) hoặc quá cao (sợi cacbon gây biến dạng và thủng màng polymer).
    • Xác lập được tỉ lệ thành phần chất dẫn ion Nafion tối ưu (33% khối lượng) trong lớp xúc tác Pt/C, làm sáng tỏ cơ chế cân bằng giữa độ dẫn proton và khả năng khuếch tán khí/thoát nước.
    • Xây dựng mô hình mô tả quá trình chuyển hóa hóa năng thành điện năng và cơ chế tổn hao phân cực trong MEA chế tạo bằng phương pháp phủ xúc tác trên lớp khuếch tán (CCS).

  2. Đóng góp về mặt thực tiễn và công nghệ:

    • Làm chủ quy trình công nghệ chế tạo màng điện cực MEA bằng phương pháp CCS với bộ thông số công nghệ xác định: lực ép thủy lực 19 kg/cm², nhiệt độ ép 130 °C, thời gian ép 180 giây.
    • Thiết kế, chế tạo thành công tấm lưỡng cực graphit với cấu hình 3 rãnh gấp khúc, đảm bảo đồng thời khả năng phân phối khí phản ứng và đẩy nước ngưng tụ.
    • Chế tạo, lắp ráp và vận hành ổn định bộ pin nhiên liệu PEMFC hoàn chỉnh gồm 10 pin đơn, đạt công suất cực đại 137 W tại điều kiện nhiệt độ hoạt động 65 – 70 °C, tạo tiền đề công nghệ cho việc phát triển các bộ pin nhiên liệu công suất cao hơn tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và nội dung thực tế được trình bày trong luận án:

  • Hạn chế:
    • Nghiên cứu tập trung vào hệ cấp khí oxy tinh khiết; đặc tính vận hành của bộ pin khi sử dụng không khí tự nhiên (chứa 21% O₂ và tạp chất) chưa được khảo sát chi tiết.
    • Thử nghiệm độ bền dài hạn của bộ pin 100 W trong điều kiện tải biến thiên liên tục chưa được tiến hành trong thời gian dài (trên hàng nghìn giờ).
    • Tấm lưỡng cực graphit gia công cơ khí còn có khối lượng tương đối lớn và độ giòn cao, chưa tối ưu hóa cho sản xuất hàng loạt quy mô công nghiệp.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu chế tạo tấm lưỡng cực bằng vật liệu kim loại nhẹ phủ màng bảo vệ chống ăn mòn hoặc vật liệu composit để giảm trọng lượng và thể tích bộ pin.
    • Khảo sát hệ thống cấp khí không khí cưỡng bức qua quạt thổi và tối ưu hóa hệ thống tự làm mát/cân bằng ẩm thụ động.
    • Nâng quy mô công suất bộ pin lên dải 1 kW – 5 kW ứng dụng cho xe điện nhẹ hoặc trạm điện dự phòng viễn thông.

Giá trị tham khảo

Luận án cung cấp hệ thống dữ liệu thực nghiệm và quy trình công nghệ có giá trị tham khảo rõ ràng cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Khoa học vật liệu, Kim loại học, Kỹ thuật điện hóa và Năng lượng tái tạo: Tham khảo quy trình chế tạo MEA, phương pháp đánh giá xúc tác qua quét thế vòng CV, kỹ thuật đo phổ tổng trở EIS và quy trình thiết kế kênh dẫn khí tấm lưỡng cực.
  • Các kỹ sư và nhà phát triển công nghệ năng lượng: Tham khảo bản vẽ thiết kế, thông số ép nhiệt MEA và giải pháp chế tạo bộ pin PEMFC hoàn chỉnh công suất trên 100 W.
  • Các cơ quan quản lý và hoạch định chính sách khoa học - công nghệ: Cung cấp luận cứ thực tiễn về khả năng tự chủ công nghệ lõi trong chuỗi giá trị kinh tế hydro và pin nhiên liệu tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao lực ép nóng 19 kg/cm² được xác định là giá trị tối ưu khi chế tạo MEA?
Trả lời: Tại 19 kg/cm², lớp xúc tác và lớp khuếch tán khí liên kết chặt chẽ với màng Nafion 212 mà không làm biến dạng màng (giữ nguyên độ dày danh định ~50 µm). Mức lực này cho điện trở chuyển điện tích thấp nhất ($R_{ct} = 0{,}42\ \Omega\cdot\text{cm}^2$), điện áp hở mạch cao ($OCV = 0{,}96\text{ V}$) và mật độ công suất cực đại đạt 480 mW/cm². Khi lực ép tăng lên 24–28 kg/cm², các sợi cacbon sắc nhọn của lớp GDL đâm sâu làm nén mỏng cục bộ hoặc rách màng polymer, gây hiện tượng rò khí chéo (crossover) làm sụt giảm OCV xuống còn 0,88 V.

2. Hàm lượng chất dẫn ion Nafion 33% khối lượng trong lớp xúc tác có vai trò gì?
Trả lời: Tỉ lệ 33% khối lượng tạo ra mạng lưới dẫn proton liên tục bao quanh các hạt xúc tác Pt/C mà vẫn duy trì đủ hệ thống mao quản xốp (kích thước 20–40 nm) cho khí O₂ và H₂ khuếch tán tiếp cận tâm phản ứng. Nếu tỉ lệ Nafion thấp hơn, sự thiếu hụt kênh dẫn proton làm tăng điện trở nội; nếu tỉ lệ Nafion vượt quá 40%, lớp polymer dày sẽ che phủ tâm hoạt tính Pt và bít kín các lỗ xốp, gây cản trở chuyển khối và làm ngập úng bề mặt catot do nước sinh ra không thoát được.

3. Tại sao cấu hình 3 rãnh gấp khúc trên tấm lưỡng cực lại ưu việt hơn cấu hình 1 rãnh và 5 rãnh?
Trả lời: Cấu hình 3 rãnh gấp khúc tạo ra sự cân bằng tối ưu giữa tổn hao áp suất và vận tốc dòng chảy. Cấu hình 1 rãnh có chiều dài kênh quá lớn dẫn đến độ sụt áp cao giữa đầu vào và đầu ra; cấu hình 5 rãnh chia nhỏ dòng khí làm giảm vận tốc dòng chảy, không đủ động năng để cuốn các giọt nước ngưng tụ ra khỏi rãnh dẫn. Cấu hình 3 rãnh duy trì áp suất phân phối đều trên bề mặt 25 cm² và loại bỏ nước hiệu quả, giúp pin đạt mật độ công suất cao nhất.

4. Kết quả phát điện thực tế của bộ pin nhiên liệu 10 cell do tác giả chế tạo đạt mức nào?
Trả lời: Bộ pin 10 cell ghép nối tiếp sử dụng MEA tối ưu và tấm lưỡng cực graphit 3 rãnh gấp khúc đạt công suất cực đại 137 W tại điều kiện nhiệt độ hoạt động 65 – 70 °C, dòng khí hydro và oxy được làm ẩm 80 – 100%. Kết quả này vượt mức công suất thiết kế danh định ban đầu (~100 W).

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Giang Hồng Thái đã nghiên cứu làm chủ quy trình công nghệ chế tạo điện cực màng MEA bằng phương pháp phủ xúc tác lên lớp khuếch tán (CCS) với bộ thông số ép nóng tối ưu (19 kg/cm², 130 °C, 180 s) và hàm lượng chất dẫn ion Nafion 33% khối lượng. Công trình đã làm sáng tỏ cơ chế tương tác vi cấu trúc tại vùng ranh giới ba pha và khảo sát thành công ảnh hưởng của hình học kênh dẫn khí tấm lưỡng cực đến hiệu suất chuyển hóa năng lượng. Kết quả chế tạo, tích hợp và vận hành thành công bộ pin nhiên liệu PEMFC 10 cell đạt công suất cực đại 137 W là một đóng góp thực tiễn quan trọng, tạo nền tảng kỹ thuật cho việc phát triển pin nhiên liệu màng trao đổi proton tại Việt Nam.