Chương 1 Tổng quan 1. Tổng quan về công nghệ vi lưu Công nghệ vi lưu được xem như một ngành tổng hợp của nhiều ngành bởi nó đòi hỏi sự kết hợp của Kỹ thuật, Vật lý, Hóa học, Công nghệ vi chế tạo và Công nghệ sinh học. Công nghệ này đang từng bước trở thành một công nghệ mũi nhọn cho phép chế tạo những vi hệ thống sử dụng những vi thể tích chất lỏng, (còn được biết đến với cái tên “Phòng thí nghiệm siêu nhỏ tích hợp trên một chip” – lab-on-a-chip). Chất lỏng trong các hệ thống vi lưu sẽ thể hiện những hiệu ứng nổi trội không có hoặc ít xuất hiện trong các hệ thống với thể tích chất lỏng lớn.
Một trong những hiệu ứng thú vị rất được quan tâm là hiệu ứng chảy tầng trong các kênh dẫn vi lưu… Hình 1. Lab-on-a-chip trên đế polymer Khi đề cập đến công nghệ vi lưu thì một khái niệm không thể không được nhắc đến, đó là “vi kênh” (microchannels). Vi kênh là các kênh dẫn có ít nhất một chiều có kích thước cỡ micro mét. Có thể hình dung các mạch máu trong cơ thể động vật hay các mao mạch trong thân thực vật là các vi kênh trong tự nhiên.Có thể xem xét vi lưu trên cả TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 12 phương diện khoa học (nghiên cứu về hành vi của chất lỏng trong các vi kênh) và công nghệ (sản xuất các thiết bị vi lưu cho các ứng dụng thực tế).
Không giống với những nghiên cứu trong ngành vi điện tử nhằm giảm kích thước và tăng mật độ tích hợp của các linh kiện điện tử, công nghệ vi lưu tập trung nghiên cứu chế tạo ra những hệ thống kênh phức tạp nhằm điều khiển rất chính xác dòng chảy của chất lỏng, hơn là việc giảm nhỏ kích thước kênh dẫn. Những hệ thống vi lỏng lớn đều được cấu thành từ những thành phần cơ bản như: máy bơm, van, bộ trộn, bộ lọc, bộ chia… Trong ngành vi điện tử, kích thước của linh kiện không làm ảnh hưởng đến tính năng của linh kiện nhưng trong công nghệ vi lưu dòng chảy trong thể tích nhỏ khác khá nhiều so với dòng chảy trong thể tích lớn hơn, điều này có thể quan sát khá rõ trong thực tế cuộc sống. Cụ thể hơn nữa khi các thiết bị vi lỏng điều khiển các dòng chảy trong những thể tích chỉ cỡ microlit hoặc nhỏ hơn đến cỡ picolit thì sự khác biệt trên lại trở nên cực kì rõ ràng. Những thiết bị phần cứng của các thiết bị vi lỏng đòi hỏi phương pháp thiết kế và chế tạo rất khác so với những thiết bị siêu nhỏ khác.
Khi kích thước của một thiết bị hay một hệ thống vi lỏng được làm nhỏ hơn thì cách thức hoạt động của chất lỏng đột ngột thay đổi. Những hiệu ứng không đáng kể trong quy mô lớn cũng trở nên vượt trội hơn, rõ rệt hơn trong quy mô rất nhỏ. Cụ thể hơn đó là hiện tượng mao dẫn sẽ xuất hiện khi chất lỏng chảy trong những ống có thiết diện nhỏ hơn 1mm những hiện tượng này lại không xuất hiện khi chất lỏng chảy trong những ống có thiết diện rất lớn. Trong những năm gần đây, công nghệ vi lưu nhận được sự quan tâm lớn từ phía các nhà khoa học, đặc biệt là từ các quốc gia có nền khoa học chưa thực sự phát triển.
Các nghiên cứu thuộc về lĩnh vực vi lưu có chi phí thấp và dễ dàng thực hiện hơn nhiều so với các lĩnh vực nghiên cứu khác. Các nghiên cứu về vi lưu không đòi hỏi các hệ thống trang thiết bị phức tạp trong chế tạo cũng như khảo sát, mẫu thử cho các phản ứng là ít hơn rất nhiều… trong khi các hiệu ứng xảy ra có thể dễ dàng quan sát và điều khiển được thông qua các hệ thống kênh dẫn, van với các thiết kế từ trước. Lĩnh vực hứa hẹn được hưởng lợi nhất từ công nghệ vi lưu đó chính là lĩnh vực y sinh. Không chỉ là nghiên cứu đơn thuần trong phòng thí nghiệm, các kết quả như tách chiết AND ra khỏi tế bào, phân tích PCR, bào chế thuốc… đã được sử dụng rộng rãi trong thực tế.
Trong tương lai gần, các thiết bị cầm tay được tích hợp các thành tựu từ công nghệ vi lưu hoàn toàn có thể phân tích và cho ra kết quả chẩn đoán tới người dùng chỉ trong ít phút đồng hồ. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Tổng quan về pin nhiên liệu 1. Pin nhiên liệu – giải pháp năng lượng cho tương lai Cách đây hơn 30 năm, những dự án quan trọng nhất cho hình thành sự phát triển nguồn năng lượng này trong tương lai là pin nhiên liệu được sử dụng làm nguồn điện trong các thiết bị không gian nằm trong dự án Gemini, Apollo và Tàu con thoi của NASA.
Và bắt đầu từ những năm 80, nó được sử dụng trong các nhà máy điện có công suất từ (20 kW đến 50 KW) và từ đó cho đến nay, đã có rất nhiều nhà máy điện sử dụng năng lượng này ở các nước phát triển như Mỹ, Canada, Nhật Bản và một số nước chấu Âu với công suất hàng trăm MW và tuổi thọ là hàng chục nghìn giờ làm việc. Ngoài ra một trong những sự thu hút nhất của một loại pin nhiên liệu có tên "pin nhiên liệu dạng màng trao đổi proton" đã được phát triển trong công nghiệp ô tô vận tải, là nguồn nguyên liệu trong xe hơi, nó đang được phát triển trong các công ty ô tô hàng đầu thế giới như General Motor, Ford (Mỹ), Daimler Benz (Đức), Renaul (Pháp), Toyota, Nissan, Honda. và tiềm năng của nó trong các ngành công nghiệp phục vụ đời sống là rất to lớn. Nhà máy pin nhiên liệu công suất 1MW cung cấp cho sinh hoạt của 1400 hộ gia đình tại Flanders (Bỉ).
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 14 Pin nhiên liệu là một thiết bị điện hoá mà trong đó biến đổi hoá năng thành điện năng nhờ quá trình oxy hoá nhiên liệu, mà nhiên liệu thường dùng ở đây là khí H2 và khí O2 hoặc không khí. Quá trình biến đổi năng lượng trong pin nhiên liệu ở đây là trực tiếp từ hoá năng sang điện năng theo phản ứng H2 + O2 = H2O + dòng điện, nhờ có tác dụng của chất xúc tác, thường là các màng platin nguyên chất hoặc hỗn hợp platin, hoặc các chất điện phân như kiềm, muối Cacbonat, Oxit rắn. thực chất nó là một loại pin điện hoá. Trước đây người ta dùng khí H2 để biến đổi thành nhiệt năng dưới dạng đốt cháy, sau đó từ nhiệt năng sẽ biến đổi thành cơ năng qua các tua bin khí và các tua bin đó dẫn động các máy phát điện để biến đổi thành dòng điện, với biến đổi gián tiếp như vậy thì hiệu suất của quá trình sẽ thấp.
Từ đó ta dễ dàng so sánh quá trình biến đổi trực tiếp trong pin nhiên liệu là có hiệu suất rất cao. Pin nhiên liệu sẽ có thể nắm giữ vai trò chủ đạo trong viễn cảnh nguồn năng lượng của thế giới trong tương lai. Những đặc điểm ưu việt của nó như hiệu suất cao, ổn định lớn, độ phát xạ thấp, không gây ồn, không gây ô nhiễm môi trường ., sẽ bắt buộc pin nhiên liệu sử dụng trong các nhà máy điện trong tương lai. Có thể nói Hydro sẽ trở thành nguồn năng lượng của thế kỷ 21, mà như các nghiên cứu chỉ ra rằng, pin nhiên liệu có một ưu thế không thể nghi ngờ hơn tất cả các thiết bị biến đổi năng lượng khác.
Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động 1. Cấu tạo Một pin nhiên liệu có cấu tạo đơn giản bao gồm ba lớp nằm trên nhau. Lớp thứ nhất là điện cực nhiên liệu (cực dương), lớp thứ hai là chất điện phân dẫn ion và lớp thứ ba là điện cực khí ôxy (cực âm). Hai điện cực được làm bằng chất dẫn điện (kim loại, than chì,.
Chất điện phân được dùng là nhiều chất khác nhau tùy thuộc vào loại của tế bào nhiên liệu, có loại ở thể rắn, có loại Hình 1. Cấu tạo của một pin nhiên liệu ở thể lỏng và có cấu trúc màng. Vì một đơn giản dùng màng trao đổi ion (PEM) TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 15 pin riêng lẻ chỉ tạo được một điện thế rất thấp cho nên tùy theo điện thế cần dùng nhiều pin riêng lẻ được nối kế tiếp vào nhau, tức là chồng lên nhau. Người ta thường gọi một lớp chồng lên nhau như vậy là stack.
Nguyên tắc hoạt động Về phương diện hóa học pin nhiên liệu là phản ứng ngược lại của sự điện phân. Trong quá trình điện phân nước bị tách ra thành khí hiđrô và khí ôxy nhờ vào năng lượng điện. Pin nhiên liệu lấy chính hai chất này biến đổi chúng thành nước. Qua đó, trên lý thuyết, chính phần năng lượng điện đã đưa vào sẽ được giải phóng nhưng thật ra vì những thất thoát qua các quá trình hóa học và vật lý năng lượng thu được ít hơn.
Các loại pin nhiên liệu đều cùng chung một nguyên tắc được mô tả dựa vào tế bào nhiên liệu PEM (Proton Exchange Membrane - màng trao đổi proton) như sau: Ở bề mặt cực dương khí hiđrô bị ôxy hóa bằng hóa điện: 2H 2 4H 4e Các điện tử được giải phóng đi từ cực dương qua mạch điện bên ngoài về cực âm. Các proton H+ di chuyển trong chất điện phân xuyên qua màng có khả năng chỉ cho proton đi qua về cực âm kết hợp với khí ôxy và các điện tử tạo thành nước: Hình 1. Nguyên lý hoạt động của một O 2 4H 4e 2H 2 O pin nhiên liệu màng PEM, nhiên liệu sử dụng là khí H2 Tổng cộng: 2H 2 O 2 2H 2 O W 1. Phân loại pin nhiên liệu và các đặc trưng Sự đa dạng của các pin nhiên liệu là ở các giai đoạn phát triển khác nhau.
Hầu hết cách phân loại pin nhiên liệu thông thường là dựa vào các loại chất điện phân được sử dụng trong các pin. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 16 Một cách đại khái thì việc chọn lựa chất điện phân sẽ quyết định tới giải nhiệt độ làm việc của pin nhiên liệu. Nhiệt độ làm việc và thời gian sống có ích của một pin nhiên liệu được quy định bởi các tình chất hóa lý và nhiệt hóa học của vật liệu được sử dụng trong các thành phần. Các chất điện phân lỏng bị giới hạn trong nhiệt độ khoảng 200oC hoặc thấp hơn bởi vì áp suất hơi nước cao của chúng và sự giảm phẩm chất nhanh chóng tại nhiệt độ cao.
Nhiệt độ làm việc cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc điều khiển hoạt động của nhiên liệu.