Nghiên Cứu Chế Tạo Vật Liệu Điện Hóa Cho Pin Nhiên Liệu

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo vật liệu điện cực xúc tác điện hóa, ứng dụng cho pin nhiên liệu, mang lại tiềm năng phát triển bền vững.

• Tác giả: Nguyễn Sáu Quyền
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Cẩm Hà
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Vật Liệu Điện Hóa Cho Pin Nhiên Liệu
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Pin Nhiên Liệu Khái Niệm Lịch Sử Phát Triển

Pin nhiên liệu là thiết bị điện hóa chuyển đổi trực tiếp năng lượng hóa học của nhiên liệu thành điện năng. Khác với pin và ắc quy, pin nhiên liệu hoạt động liên tục khi được cung cấp nhiên liệu. Nguồn nhiên liệu có thể là hydro, metan, metanol, etanol và oxy từ không khí. Sản phẩm là nhiệt, điện, nước và cacbonic. Humphrey Davy đưa ra khái niệm pin nhiên liệu đầu thế kỷ XIX. Năm 1839, William Grove tạo ra 'ắc quy khí'. Đến năm 1889, thuật ngữ “Pin nhiên liệu” xuất hiện nhờ Charles Langer và Ludwig Mond. Những năm 1950, pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) xuất hiện, đặc biệt quan trọng trong lĩnh vực vũ trụ. Ngày nay, pin nhiên liệu được thương mại hóa trong nhiều lĩnh vực, từ quân sự đến giao thông vận tải.

1.1. Định Nghĩa và Nguyên Tắc Hoạt Động của Pin Nhiên Liệu

Pin nhiên liệu hoạt động dựa trên nguyên tắc điện hóa, không phải đốt cháy, chuyển đổi trực tiếp năng lượng từ phản ứng hóa học thành điện. Nhiên liệu được đưa vào cực âm (anot), nơi xảy ra quá trình oxi hóa. Electron sinh ra di chuyển đến cực dương (catot) nơi xảy ra quá trình khử oxy. Ion di chuyển qua chất điện ly giữa hai cực, hoàn thành mạch điện. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao và ít ô nhiễm là ưu điểm nổi bật.

1.2. Các Loại Pin Nhiên Liệu Phổ Biến Hiện Nay PEMFC SOFC DMFC

Có nhiều loại pin nhiên liệu, phân loại dựa trên chất điện ly. PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) sử dụng màng trao đổi proton, hoạt động ở nhiệt độ thấp, ứng dụng trong ô tô. SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) sử dụng oxit rắn, hoạt động ở nhiệt độ cao, hiệu suất cao, ứng dụng trong phát điện. DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) sử dụng metanol trực tiếp, đơn giản, ứng dụng trong thiết bị di động. Mỗi loại có ưu điểm và hạn chế riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau.

II. Vật Liệu Điện Hóa Pin Nhiên Liệu Vai Trò Quan Trọng Thiết Yếu

Vật liệu điện hóa đóng vai trò then chốt trong hiệu suất và độ bền của pin nhiên liệu. Chúng ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ phản ứng điện cực, khả năng vận chuyển ion và điện tử, cũng như độ ổn định của pin. Nghiên cứu và phát triển vật liệu điện cực mới, chất điện phân tiên tiến là yếu tố quan trọng để cải thiện hiệu suất, giảm chi phí và mở rộng ứng dụng của pin nhiên liệu. PGS.TS Nguyễn Thị Cẩm Hà và TS. Ninh Đức Hà đã hướng dẫn nhiều nghiên cứu về vật liệu điện hóa cho pin nhiên liệu, tập trung vào khả năng xúc tác điện hóa.

2.1. Yêu Cầu Đối Với Vật Liệu Điện Cực Trong Pin Nhiên Liệu

Vật liệu điện cực cần có hoạt tính xúc tác cao để tăng tốc độ phản ứng oxi hóa nhiên liệu ở anot và phản ứng khử oxy ở catot. Đồng thời, vật liệu điện cực cần dẫn điện tốt để giảm tổn thất điện trở. Ngoài ra, cần có độ bền cao trong môi trường khắc nghiệt của pin nhiên liệu, chịu được ăn mòn và oxy hóa. Chi phí thấp cũng là một yếu tố quan trọng để thương mại hóa.

2.2. Tổng Quan Về Vật Liệu Màng Trao Đổi Proton PEM Trong Pin Nhiên Liệu

Màng trao đổi proton (PEM) là thành phần quan trọng trong PEMFC, có chức năng dẫn proton từ anot sang catot và ngăn chặn sự trộn lẫn của nhiên liệu và chất oxy hóa. Màng Nafion là PEM phổ biến, nhưng có nhược điểm là hoạt động kém ở nhiệt độ cao và độ ẩm thấp. Nghiên cứu tập trung vào phát triển vật liệu PEM mới với khả năng dẫn proton cao, độ bền tốt và hoạt động ổn định ở điều kiện khắc nghiệt.

2.3. Chất Điện Phân Yếu Tố Quyết Định Hiệu Suất Pin Nhiên Liệu

Chất điện phân là thành phần quan trọng trong pin nhiên liệu, có chức năng vận chuyển ion giữa anot và catot. Loại chất điện phân sử dụng sẽ xác định loại pin nhiên liệu (axit, kiềm, oxit rắn, v.v.). Các yêu cầu đối với chất điện phân bao gồm: độ dẫn ion cao, độ dẫn điện tử thấp, độ bền hóa học và nhiệt tốt, chi phí thấp.

III. Phương Pháp Chế Tạo Vật Liệu Điện Hóa Cách Tối Ưu Hiệu Suất

Nhiều phương pháp được sử dụng để chế tạo vật liệu điện hóa cho pin nhiên liệu, mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng. Các phương pháp phổ biến bao gồm: phương pháp Polyol, phương pháp tẩm trên chất mang, phương pháp kết tủa, phương pháp trộn cơ học, và phương pháp mạ điện. Lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào loại vật liệu, yêu cầu về cấu trúc, kích thước hạt, và chi phí sản xuất. Luận văn của Phạm Thị Hà tập trung vào nghiên cứu chế tạo lớp mạ điện hóa Niken.

3.1. Phương Pháp Polyol Ưu Điểm và Ứng Dụng

Phương pháp Polyol là phương pháp hóa học để tổng hợp các hạt nano kim loại hoặc oxit kim loại. Phương pháp này sử dụng polyol (ví dụ: ethylene glycol) làm dung môi và chất khử. Ưu điểm của phương pháp Polyol là kiểm soát được kích thước hạt, độ phân tán tốt và chi phí tương đối thấp. Phương pháp này được sử dụng để chế tạo vật liệu xúc tác nano cho pin nhiên liệu.

3.2. Phương Pháp Tẩm Trên Chất Mang Hướng Tiếp Cận Hiệu Quả

Phương pháp tẩm trên chất mang là phương pháp phổ biến để chế tạo vật liệu xúc tác. Kim loại quý (ví dụ: Pt, Pd) được phân tán trên bề mặt chất mang (ví dụ: carbon). Phương pháp này giúp giảm lượng kim loại quý sử dụng, tăng diện tích bề mặt xúc tác và cải thiện độ bền của vật liệu xúc tác.

3.3. Phương Pháp Mạ Điện Quy Trình Đơn Giản Dễ Kiểm Soát

Phương pháp mạ điện là phương pháp điện hóa để phủ một lớp kim loại lên bề mặt vật dẫn điện. Phương pháp này đơn giản, dễ kiểm soát và chi phí thấp. Phạm Thị Hà đã sử dụng phương pháp mạ điện để chế tạo lớp mạ điện hóa Niken trên nền các chất dẫn điện khác nhau. Phương pháp này có thể được sử dụng để tạo ra các điện cực với cấu trúc và thành phần mong muốn.

IV. Nghiên Cứu Vật Liệu Điện Hóa Mới Tăng Hiệu Suất và Độ Bền Pin

Nghiên cứu vật liệu điện hóa mới là hướng đi quan trọng để cải thiện hiệu suất, độ bền và giảm chi phí của pin nhiên liệu. Các hướng nghiên cứu chính bao gồm: phát triển vật liệu xúc tác không chứa kim loại quý, vật liệu nano, vật liệu composite và vật liệu có cấu trúc nano. Mục tiêu là tìm ra vật liệu có hoạt tính xúc tác cao, độ bền tốt và chi phí thấp. Nghiên cứu của Nguyễn Sáu Quyền tập trung vào chế tạo vật liệu điện cực có khả năng xúc tác điện hóa.

4.1. Vật Liệu Nano Giải Pháp Tiềm Năng Cho Điện Cực Pin Nhiên Liệu

Vật liệu nano có kích thước nhỏ, diện tích bề mặt lớn và tính chất đặc biệt. Các hạt nano kim loại, oxit kim loại và carbon nano được sử dụng làm vật liệu xúc tác hoặc chất mang xúc tác trong pin nhiên liệu. Vật liệu nano giúp tăng hoạt tính xúc tác, cải thiện độ phân tán của kim loại quý và tăng độ bền của điện cực.

4.2. Vật Liệu Composite Kết Hợp Ưu Điểm Vượt Trội Tính Năng

Vật liệu composite là sự kết hợp của hai hoặc nhiều vật liệu khác nhau để tạo ra vật liệu có tính chất tốt hơn. Ví dụ: carbon nano ống (CNT) được sử dụng làm chất mang cho kim loại quý để tăng diện tích bề mặt xúc tác, cải thiện độ dẫn điện và tăng độ bền của điện cực. Sự kết hợp giữa các vật liệu kim loại và oxit kim loại cũng là một hướng đi tiềm năng.

4.3. Vật Liệu Xúc Tác Phi Kim Loại Giảm Giá Thành Bảo Vệ Môi Trường

Vật liệu xúc tác phi kim loại (ví dụ: carbon doped nitrogen, carbon doped boron) là một hướng nghiên cứu đầy hứa hẹn để thay thế kim loại quý trong pin nhiên liệu. Vật liệu phi kim loại có chi phí thấp, thân thiện với môi trường và có hoạt tính xúc tác tốt trong một số trường hợp. Nghiên cứu tập trung vào cải thiện hoạt tính xúc tác và độ bền của vật liệu phi kim loại.

V. Ứng Dụng Vật Liệu Điện Hóa Thực Tiễn và Triển Vọng Tương Lai

Vật liệu điện hóa cho pin nhiên liệu có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khác nhau, từ giao thông vận tải đến phát điện. Việc phát triển vật liệu điện hóa tiên tiến sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho ứng dụng của pin nhiên liệu trong tương lai. Mục tiêu là tạo ra các hệ thống pin nhiên liệu hiệu suất cao, độ bền tốt, chi phí thấp và thân thiện với môi trường.

5.1. Ứng Dụng Trong Giao Thông Vận Tải Xe Điện Nhiên Liệu Tương Lai

Pin nhiên liệu có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho xe điện. Xe điện nhiên liệu có ưu điểm là phạm vi hoạt động lớn, thời gian nạp nhiên liệu nhanh và không phát thải khí nhà kính. Nhiều hãng xe lớn đang đầu tư vào phát triển xe điện nhiên liệu.

5.2. Ứng Dụng Trong Phát Điện Giải Pháp Năng Lượng Phân Tán

Pin nhiên liệu có thể được sử dụng để phát điện tại chỗ, cung cấp năng lượng cho các hộ gia đình, tòa nhà hoặc khu công nghiệp. Pin nhiên liệu phát điện có ưu điểm là hiệu suất cao, ít tiếng ồn và phát thải thấp. Đây là một giải pháp năng lượng phân tán tiềm năng, giúp giảm sự phụ thuộc vào lưới điện quốc gia.

5.3. Ứng Dụng Trong Thiết Bị Di Động Nguồn Cung Cấp Năng Lượng Ổn Định

Pin nhiên liệu mini có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị di động như điện thoại, máy tính bảng hoặc máy tính xách tay. Pin nhiên liệu mini có ưu điểm là thời gian hoạt động dài, nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ. Điều này giúp cho thiết bị di động hoạt động liên tục trong thời gian dài.

VI. Kết Luận và Tương Lai Nghiên Cứu Vật Liệu Điện Hóa Pin Nhiên Liệu

Nghiên cứu và phát triển vật liệu điện hóa cho pin nhiên liệu là lĩnh vực đầy tiềm năng và hứa hẹn. Việc tìm ra vật liệu mới, phương pháp chế tạo tiên tiến sẽ đóng góp quan trọng vào việc thương mại hóa pin nhiên liệu, giúp giải quyết các vấn đề năng lượng và môi trường. Nghiên cứu tập trung vào tăng hiệu suất, giảm chi phí, tăng độ bền và thân thiện với môi trường. Luận văn của Nguyễn Sáu Quyền đã đặt nền móng cho việc nghiên cứu chuyên sâu về quá trình chuyển hóa glyxerol, định hướng ứng dụng cho pin nhiên liệu tại Việt Nam.

6.1. Thách Thức và Cơ Hội Trong Nghiên Cứu Vật Liệu Điện Hóa

Thách thức trong nghiên cứu vật liệu điện hóa bao gồm: tìm ra vật liệu có hoạt tính xúc tác cao, độ bền tốt, chi phí thấp, và hoạt động ổn định ở điều kiện khắc nghiệt. Cơ hội là sự phát triển của công nghệ nano, vật liệu composite và các phương pháp chế tạo tiên tiến, giúp tạo ra vật liệu có tính chất vượt trội.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Trong Tương Lai Tối Ưu Vật Liệu

Hướng nghiên cứu tiềm năng bao gồm: phát triển vật liệu xúc tác phi kim loại, vật liệu nano composite, vật liệu có cấu trúc nano, và phương pháp chế tạo tiên tiến như in 3D. Nghiên cứu cũng tập trung vào hiểu rõ cơ chế phản ứng điện cực, giúp tối ưu hóa vật liệu và thiết kế pin nhiên liệu hiệu quả hơn.

6.3. Tầm Quan Trọng Của Hợp Tác Nghiên Cứu và Phát Triển

Hợp tác giữa các nhà khoa học, kỹ sư, và doanh nghiệp là yếu tố quan trọng để thúc đẩy sự phát triển của vật liệu điện hóa cho pin nhiên liệu. Cần có sự đầu tư của nhà nước và tư nhân vào nghiên cứu và phát triển, cũng như xây dựng cơ sở hạ tầng và chính sách hỗ trợ để thương mại hóa pin nhiên liệu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1. Tổng quan về pin nhiên liệu 1. Khái niệm về pin nhiên liệu [2] Pin nhiên liệu (máy phát điện) là một hệ thống điện hóa biến đổi năng lượng hóa học của nhiên liệu trực tiếp thành điện năng. Khác với pin và ácquy, pin nhiên liệu không có khả năng tích điện mà chỉ hoạt động liên tục khi được cung cấp đủ nhiên liệu.

Thành phần nguyên liệu có thể được sử dụng trong pin nhiên liệu bao gồm: hydro (H2), metan (CH4), metanol (CH3OH), etanol (C2H5OH)…và oxy lấy từ không khí. Sản phẩm của quá trình chuyển hóa này gồm có nhiệt năng, điện năng, nước và khí cacbonic. Dưới đây là sơ đồ hệ thống đơn giản của pin nhiên liệu: H2, metanol … Pin nhiên liệu H2O, CO2 O2 + Năng lượng điện.1 Sơ đồ pin nhiên liệu Như đã nói ở trên, pin nhiên liệu hiđro biến đổi trực tiếp hóa năng thành điện năng thông qua phản ứng: H2 + ½ O2 → H2O, nhờ tác động của những chất xúc tác như: kim loại platin nguyên chất, hỗn hợp platin với kim loại khác và chất điện li được sử dụng như kiềm axit, muối cacbonat, oxit rắn… 1. Lịch sử hình thành và phát triển của pin nhiên liệu Đầu thế kỷ XIX, đã có nhiều nhà khoa học đưa ra khái niệm về pin nhiên liệu, tiêu biểu trong số đó là Humphry Davy [2].

3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Ông đã tiến hành một loạt thí nghiệm mà ông gọi nó là pin Volta khí, và cuối cùng đã chứng minh rằng dòng điện có thể được sản xuất từ một phản ứng điện hóa học giữa hydro và oxi trên chất xúc tác platin. Năm 1889, Charles Langer và Ludwig Mond [2] đã tiếp tục phát triển thành quả mà trước đó William Grove đã làm được. Họ đã thay thế nguồn hydro bằng khí than và họ cũng là những người đầu tiên đưa ra thuật ngữ “Pin nhiên liệu” (Fuel cell).

Tuy nhiên, do còn nhiều hạn chế nên những nghiên cứu của họ không được ứng dụng rộng rãi. Ông đã đặt tên cho sản phẩm này là pin Bacon (Bacon cell). Đây cũng là loại pin nhiên liệu kiềm đầu tiên. Những năm 1950, một khái niệm rất mới là pin nhiên liệu sử dụng màng trao đổi proton (PEMFC) xuất hiện và trong giai đoạn này pin nhiên liệu thật sự được quan tâm, đặc biệt là trong lĩnh vực vũ trụ.

Sở dĩ như vậy là do một số vấn đề gặp phải khi sử dụng những nguồn năng lượng khác như trọng lượng khá lớn của ác quy, sự nguy hiểm của năng lượng hạt nhân và năng lượng mặt trời thì khá mới lạ [2]. Vào những năm 1960, pin nhiên liệu đã được đưa vào ứng dụng trong lĩnh vực quân sự và nó được sử dụng để cung cấp điện trên những loại tàu ngầm thời đó. Tiếp sau nó được Liên Xô đưa vào chương trình không gian có người lái [2]. Những năm 1970 đến 1980, ảnh hưởng của cuộc khủng hoảng năng lượng cùng với những nhận thức sâu sắc về việc bảo vệ môi trường, đã thúc đẩy nhiều tổ chức nghiên cứu và dùng pin nhiên liệu như một nguồn năng lượng hữu ích, nhằm thay thế nguồn năng lượng hóa thạch và giảm khả năng gây ô nhiễm môi trường.

Pin nhiên liệu metanol trực tiếp (DMFC) cũng đã xuất hiện và phát triển trong khoảng thời gian này. 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.19 Đầu những năm 1990, pin nhiên liệu đã tiến thêm một bước mới. Nếu như trước đây pin nhiên liệu chủ yếu được ứng dụng trong lĩnh vực hàng không, vũ trụ thì ở giai đoạn này nó chủ yếu được ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp. Giai đoạn này cũng gắn liền với sự chuyển công nghệ từ PEMFC (Proton exchange membrance fuel cell - PEMFC) sang SOFC (Solid oxide fuel cell - SOFC), đồng thời cũng tạo nên khả năng thương mại hóa trên thị trường.

Ngày nay, pin nhiên liệu đã được thương mại hóa và dần được sử dụng trong đời sống hằng ngày, đặc biệt được sử dụng trong các phương tiện đi lại. Nhiều công ty sản xuất ôtô lớn trên thế giới đã đưa ra những mẫu xe có sử dụng pin nhiên liệu như: General Motor, Ford (Mỹ), Daimler Benz (Đức), Renaul (Pháp), Toyota, Nissan, Honda. (Nhật bản), Hyundai (Hàn Quốc)… Tuy vậy đến giai đoạn này, việc sử dụng rộng rãi loại “pin” mới này vẫn còn gặp một số trở ngại do giá thành cao nhưng những cơ hội và các hướng phát triển sẽ được mở ra trong tương lai không xa. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu Chất điện li Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của pin nhiên liệu Cấu tạo pin nhiên liệu gồm có hai điện cực là anot (nơi xảy ra quá trình oxi hóa) và catot (nơi xảy ra quá trình khử).

Thông thường hai điện cực được làm từ những chất có khả năng dẫn điện cao như những kim loại hoặc cacbon. Ở khoảng 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.19 giữa hai điện cực là chất điện li, có tác dụng giúp vận chuyển các ion giữa các điện cực. Chất điện li có nhiều loại như axit, kiềm và muối nóng chảy tồn tại các dạng rắn, lỏng hay cấu trúc màng. Loại màng thường được dùng là Nafion với mục đích để trao đổi proton.

Tùy vào mục đích, người ta sẽ chọn ra loại tối ưu nhất. Ngoài ra, người ta còn sử dụng chất xúc tác nhằm tăng tốc độ phản ứng điện cực. Chất xúc tác có thể được đặt ở giữa dung dịch chất điện li và các điện cực. Trường hợp khác, chất xúc tác có thể dùng trực tiếp như một điện cực hoặc phủ trên bề mặt của điện cực tùy thuộc vào từng loại pin nhiên liệu khác nhau.

Chất xúc tác thường được sử dụng là platin hoặc các hợp kim của platin với kim loại như Ni, Ru, Co, Pd… Có nhiều loại pin nhiên liệu khác nhau, nhưng nhìn chung nguyên lý hoạt động của chúng đều có những nét tương đồng như: Nhiên liệu được đưa vào ở cực âm (Anot), nơi đây sẽ diễn ra quá trình oxi hóa nhiên liệu, các electron (e-) sinh ra đi theo một hệ thống dây dẫn để qua catot. Cũng trong thời gian đó, tại cực dương (catot) xảy ra quá trình khử nhiên liệu (VD: khí O2 từ không khí). Với pin nhiên liệu hiđro sản phẩm của phản ứng là H2O trong khi đó một số pin nhiên liệu sử dụng nguồn nhiên liệu là Metanol (CH3OH), Metan (CH4) và một số nhiên liệu khác thì sản phẩm cuối được tạo ra có thêm khí Cacbonic (CO2) hoặc ion CO32- (phụ thuộc vào môi trường điện li). Phân loại pin nhiên liệu Có nhiều cách để có thể phân loại pin nhiên liệu, nhưng thông thường pin nhiên liệu được phân loại dựa trên đặc điểm của dung dịch chất điện li và bản chất nguồn nhiên liệu.

Pin nhiên liệu axit phosphoric (Phosphoric acid fuel cell - PAFC) [2] PAFC xuất hiện và phát triển vào những năm 1970, sử dụng chất điện li là axit photphoric (H3PO4). Các điện cực được làm từ giấy cacbon với một lớp màng 6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.19 platin được phủ trên bề mặt. Hiệu suất pin nằm trong khoảng từ 40 - 80% và nhiệt độ làm việc khá cao từ 120 – 250oC. Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực: Trên catot: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (1.

Pin nhiên liệu cacbon nóng chảy (Molten carbonate fuel cell - MCFC) MCFC có hiệu suất làm việc cao nhất trong các loại pin như pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC), pin nhiên liệu sử dụng màng trao đổi proton (PEMFC) và PAFC. Hiệu suất thông thường của nó là 60% nhưng nếu ta tận dụng tất cả các lượng nhiệt sinh ra thì hiệu suất có thể lên tới 85%. Ngoài hiệu suất cao thì nhiệt độ làm việc cũng cao từ 600 – 700oC. Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực: Trên catot: 2CO2 + O2 + 4e- → 2CO32- (1.4) Trên anot: 2CO32- + 2H2 - 4e → 2H2O + 2CO2 - (1.

Pin nhiên liệu màng trao đổi prton (Proton exchange membrance fuel cell - PEMFC) PEMFC xuất hiện vào những năm 1980. Điểm khác biệt so với các loại pin nhiên liệu khác là việc nó sử dụng chính lớp màng rắn có tính axit cùng với nước làm chất điện li với điện cực làm bằng platin. Hiệu suất pin nằm trong khoảng từ 40 - 50% và nhiệt độ làm việc dưới 120oC. Nguồn nguyên liệu chính sử dụng là hydro nguyên chất.

Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực: Trên catot: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (1.7) 7 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Pin nhiên liệu oxit rắn (Solid oxide fuel cell - SOFC) Vào những năm 1990, một sự chuyển giao công nghệ đã hình thành từ loại pin PEMFC vẫn đang thịnh hành sang SOFC, một loại pin có chất điện li hoàn toàn mới. Chất điện li của pin là những lớp gốm nặng, không thấm (phổ biến nhất là loại oxit bazơ của Zirconi. Với chất điện li là một loại oxit rắn nên nhiệt độ làm việc khá cao từ 600 – 1000oC.

Hiệu suất pin nằm trong khoảng từ 70%. SOFC có thể chia thành 3 loại dựa trên cấu hình phẳng, đồng phẳng và vi ống. Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực pin nhiên liệu metanol: Trên catot: 3/2 O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O (1.10) Trên anot: CH3OH + H2O - 6e- → CO2 + 6H+ (1.11) Tổng quát: CH3OH + 3/2O2 →CO2 +2H2O + (điện năng + nhiệt năng). Pin nhiên liệu methanol (DMFC) DMFC xuất hiện cùng một thời điểm với PEMFC và nó cũng có 2 dạng là kiểu axit và bazơ.

Nếu ở kiểu axit CO2 được thoát ra ngoài hết thì ở kiểu bazơ CO2 vẫn còn giữ lại bởi natri hoăc kali hydroxit ở dạng muối cacbonat trung tính. Nhiệt độ làm việc khoảng 27 - 120oC. Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực: Trên catot: CH3OH + H2O - 6e- → CO2 + 6H+ (1.14) 3 Tổng quát: CH3OH + /2O2→CO2 + 2H2O + (điện năng + nhiệt năng).15) 8 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Pin nhiên liệu kiềm (Alkaline fuel cell - AFC) Pin nhiên liệu kiềm thường dùng dung dịch kali hydroxit (KOH) làm chất điện li, với nồng độ dung dịch thay đổi từ 30 - 45% tùy theo từng hệ thống [21].

Lý do KOH được chọn làm chất điện li vì quá trình oxy hóa xảy ra trong môi trường kiềm thường tốt hơn trong môi trường axit. Mặt khác, trong các hydroxit kiềm thì KOH có độ dẫn điện cao nhất. Anot thường được làm bằng Ni còn catot thường dùng Pt.3 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu kiềm Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực: (VD: pin nhiên liệu hiđro) Trên catot: O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- (1.16) Trên anot: 2H2 + 4OH- - 4e- → 4H2O (1.