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

MỞ ĐẦU

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU MÀNG TRAO ĐỔI PROTON

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 màng trao đổi proton

1.4. Nguyên lý hoạt động

1.5. Nhiệt động học trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton

1.5.1. Năng lượng tự do Gibbs

1.5.2. Công điện lý thuyết

1.5.3. Hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu

1.5.4. Điện thế hở mạch của pin nhiên liệu

1.6. Cấu tạo của pin nhiên liệu

1.6.1. Điện cực màng

1.6.2. Các tấm lưỡng cực

1.6.3. Các kênh dẫn khí

1.6.4. Các bộ phận khác

1.7. Bộ pin nhiên liệu PEMFC

1.7.1. Cấu hình kênh rãnh dẫn khí trong pin đơn

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

1.7.3. Các thông số hoạt động của PEMFC

1.7.3.1. Nhiệt độ hoạt động

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

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

1.8. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.9. Kết luận chương I

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

2.1. Hóa chất và vật liệu

2.2. Quá trình thực nghiệm

2.2.1. Đánh giá vật liệu xúc tác Pt/C

2.2.2. Chế tạo điện cực màng MEA

2.2.2.1. Chế tạo điện cực màng bằng phương pháp CCS

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

2.2.2.3. Chế tạo điện cực màng bằng kỹ thuật DTM

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

2.3. Thiết bị và dụng cụ

2.4. Các phương pháp nghiên cứu

2.4.1. Các phương pháp đặc trưng vật lý

2.4.1.1. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM

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

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

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

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

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

2.4.3.2. Phương pháp phổ tổng trở điện hóa

2.5. Kết luận chương II

3. CHƯƠNG III: 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)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3.3. Kết luận chương III

4. CHƯƠNG IV: 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

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

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

4.2.3. Thiết kế, chế tạo các tấm lưỡng cực

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

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

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

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

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

4.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt động

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

4.5. 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. Tổng quan 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. Nó chuyển đổi năng lượng hóa học của nhiên liệu hydro thành điện năng với hiệu suất cao và ít tác động đến môi trường. Các nghiên cứu cho thấy rằng hiệu suất của pin nhiên liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm cấu trúc của màng trao đổi proton, vật liệu xúc tác và các thông số công nghệ trong quá trình chế tạo. Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của pin nhiên liệu là rất quan trọng để phát triển công nghệ này. Theo một nghiên cứu, hiệu suất lý thuyết của PEMFC có thể đạt tới 60%, tuy nhiên, trong thực tế, hiệu suất thường thấp hơn do các yếu tố như điện trở và sự phân bố khí không đồng đều trong pin.

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 anode, nó sẽ bị oxi hóa, tạo ra proton và electron. Proton sẽ đi qua màng trao đổi proton, trong khi electron sẽ được dẫn qua mạch điện, tạo ra dòng điện. Tại cathode, proton kết hợp với electron và oxy để tạo ra nước. Quá trình này không chỉ tạo ra điện mà còn tạo ra nhiệt, làm cho pin nhiên liệu trở thành một nguồn năng lượng hiệu quả và sạch. Việc tối ưu hóa các thông số công nghệ như nhiệt độ, áp suất và độ ẩm có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của pin nhiên liệu.

II. Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến đặc tính pin

Các thông số công nghệ như nhiệt độ hoạt động, độ ẩm và áp suất khí nhiên liệu có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của pin nhiên liệu màng trao đổi proton. Nghiên cứu cho thấy rằng nhiệt độ hoạt động tối ưu cho PEMFC thường nằm trong khoảng từ 60 đến 80 độ C. Ở nhiệt độ thấp hơn, phản ứng hóa học diễn ra chậm hơn, dẫn đến hiệu suất thấp. Ngược lại, ở nhiệt độ quá cao, có thể gây ra sự phân hủy của màng trao đổi proton. Độ ẩm cũng là một yếu tố quan trọng; nếu độ ẩm quá thấp, màng trao đổi proton sẽ khô và không thể dẫn proton hiệu quả. Ngược lại, độ ẩm quá cao có thể dẫn đến hiện tượng ngập nước, làm giảm hiệu suất. Do đó, việc kiểm soát các thông số này là rất cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất của pin nhiên liệu.

2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất pin

Nhiệt độ hoạt động có ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ phản ứng trong pin nhiên liệu. Tăng nhiệt độ có thể làm tăng tốc độ phản ứng, từ đó cải thiện hiệu suất. Tuy nhiên, cần phải cân nhắc đến sự ổn định của màng trao đổi proton. Nghiên cứu cho thấy rằng ở nhiệt độ 80 độ C, hiệu suất của PEMFC có thể đạt tối đa, nhưng nếu vượt quá mức này, có thể dẫn đến sự phân hủy của màng trao đổi proton. Do đó, việc lựa chọn nhiệt độ hoạt động phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ bền của pin nhiên liệu.

III. Vật liệu và công nghệ chế tạo pin nhiên liệu

Vật liệu sử dụng trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất và độ bền của pin. Vật liệu màng trao đổi proton như Nafion được sử dụng phổ biến do khả năng dẫn proton tốt. Tuy nhiên, việc tối ưu hóa hàm lượng Nafion trong lớp xúc tác cũng rất quan trọng. Nghiên cứu cho thấy rằng hàm lượng Nafion quá thấp có thể dẫn đến hiệu suất kém, trong khi hàm lượng quá cao có thể gây ra hiện tượng ngập nước. Công nghệ chế tạo cũng ảnh hưởng đến chất lượng của pin nhiên liệu. Các phương pháp như ép nóng và phủ xúc tác lên màng có thể cải thiện đáng kể tính chất điện của MEA. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ chế tạo là cần thiết để nâng cao hiệu suất và độ bền của pin nhiên liệu.

3.1 Công nghệ chế tạo điện cực màng MEA

Công nghệ chế tạo điện cực màng MEA là một trong những yếu tố quyết định đến hiệu suất của pin nhiên liệu. Việc lựa chọn vật liệu xúc tác và phương pháp chế tạo có thể ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác và độ bền của pin. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng phương pháp phủ xúc tác lên lớp khuếch tán có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của MEA. Ngoài ra, việc kiểm soát các thông số như lực ép và thời gian ép cũng có thể ảnh hưởng đến tính chất điện của MEA. Do đó, việc tối ưu hóa quy trình chế tạo là rất quan trọng để phát triển công nghệ pin nhiên liệu.

Luận án nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ lên đặc tính pin nhiên liệu màng trao đổi proton