Luận văn thạc sĩ công nghệ hóa học tổng hợp ba0 5sr0 5co0 8fe0 2o3 bscf 5582 bằng phương pháp acid stearic ứng dụng trong pin nhiên liệu oxide rắn đơn buồng

Luận văn thạc sĩ về tổng hợp vật liệu BSCF (Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ) bằng acid stearic, ứng dụng trong pin nhiên liệu oxide rắn đơn buồng. Nghiên cứu công nghệ hóa học.

• Tác giả: Phan Thành Nhân
• Người hướng dẫn: TS. Lê Minh Viễn
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa
• Chuyên ngành: Công Nghệ Hóa Học
• Đề tài: Tổng Hợp Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3-δ (BSCF-5582) Bằng Phương Pháp Acid Stearic Ứng Dụng Trong Pin Nhiên Liệu Oxide Rắn Đơn Buồng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Vật Liệu BSCF và Pin Nhiên Liệu Oxide Rắn Tổng Quan

Công nghệ nano đang mở ra kỷ nguyên mới trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là năng lượng tái tạo. Cuộc khủng hoảng năng lượng toàn cầu thúc đẩy tìm kiếm các giải pháp hiệu quả và thân thiện với môi trường. Trong số đó, pin nhiên liệu oxide rắn (SOFC) nổi lên như một ứng cử viên sáng giá nhờ khả năng chuyển đổi trực tiếp hóa năng thành điện năng, giảm thiểu tác động đến môi trường. Vật liệu BSCF (Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ), một loại vật liệu perovskite, đang thu hút sự quan tâm lớn với tiềm năng ứng dụng làm vật liệu cathode trong SOFC. Nghiên cứu về tổng hợp vật liệu BSCF bằng các phương pháp khác nhau, bao gồm cả phương pháp Acid Stearic, đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sản xuất pin nhiên liệu oxide rắn.

1.1. Giới Thiệu Chung về Pin Nhiên Liệu Oxide Rắn SOFC

Pin nhiên liệu oxide rắn (SOFC) là một loại pin nhiên liệu sử dụng vật liệu oxide rắn làm chất điện ly. SOFC có hiệu suất cao, có thể đạt tới 60% và thậm chí 85% nếu tận dụng nhiệt thải. Ưu điểm vượt trội của SOFC là khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao, cho phép sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau, bao gồm hydrogen, methane, propane và butane. Điều này giúp SOFC ít phụ thuộc vào các chất xúc tác đắt tiền. Theo tài liệu, SOFC không đòi hỏi các vật liệu xúc tác đắt tiền như Pt, cũng như nhiên liệu sử dụng trong SOFC khá là đa dạng, gồm hydrogen và các hydrocacbon nhẹ như methane, propane, butane.

1.2. Vai Trò Của Vật Liệu BSCF Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 δ

BSCF (Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ) là một loại vật liệu ceramic có cấu trúc perovskite, được sử dụng rộng rãi làm vật liệu cathode trong pin nhiên liệu oxide rắn (SOFC). BSCF có nhiều ưu điểm như hoạt tính xúc tác cao, tính dẫn điện tốt và khả năng chịu nhiệt tốt. BSCF được tổng hợp bằng nhiều phương pháp, trong đó phương pháp Acid Stearic được đánh giá là một phương pháp đơn giản, hiệu quả và có khả năng kiểm soát kích thước hạt tốt. Một vật liệu ceramic với tên gọi BSCF là một trong những ứng cử cho nhóm vật liệu nano làm cathode SOFC trong nhiều nghiên cứu hiện nay.

II. Thách Thức và Yêu Cầu Vật Liệu Cathode BSCF Cho SOFC

Mặc dù pin nhiên liệu oxide rắn (SOFC) có nhiều ưu điểm, việc thương mại hóa vẫn gặp nhiều thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất là nhiệt độ hoạt động cao (lên đến 1000°C), dẫn đến chi phí vật liệu đắt đỏ và các vấn đề kỹ thuật khác. Do đó, giảm nhiệt độ hoạt động của SOFC là mục tiêu quan trọng. Vật liệu cathode, đặc biệt là BSCF, đóng vai trò then chốt trong việc giảm nhiệt độ hoạt động và nâng cao hiệu suất của SOFC. Yêu cầu đặt ra là vật liệu cathode phải có hoạt tính xúc tác cao, tính dẫn điện tốt, tính ổn định nhiệt tốt và giá thành hợp lý.

2.1. Vấn Đề Nhiệt Độ Hoạt Động Cao Trong SOFC

Nhiệt độ hoạt động cao của pin nhiên liệu oxide rắn (SOFC) gây ra nhiều vấn đề, bao gồm chi phí vật liệu đắt đỏ, phản ứng không mong muốn giữa các thành phần pin, và hạn chế ứng dụng trong các thiết bị nhỏ gọn. Theo tài liệu, nhiệt độ hoạt động cao đặt ra một số thách thức. Cụ thể, vật liệu giữa các điện cực có thể phản ứng với nhau làm thoái hóa vật liệu; các mối hàn giữa các buồng (chamber) bị hư hỏng do khác nhau hệ số giãn nở nhiệt giữa các thành phần pin dẫn đến hiệu suất pin thấp và ổn định thấp. Do đó, việc nghiên cứu các vật liệu cathode có khả năng hoạt động tốt ở nhiệt độ thấp là rất quan trọng.

2.2. Các Yêu Cầu Quan Trọng Đối Với Vật Liệu Cathode

Vật liệu cathode trong pin nhiên liệu oxide rắn (SOFC) phải đáp ứng nhiều yêu cầu khắt khe, bao gồm hoạt tính xúc tác cao đối với phản ứng khử oxygen, tính dẫn điện tốt để giảm điện trở, tính ổn định nhiệt tốt để chịu được nhiệt độ hoạt động cao, và khả năng tương thích với các thành phần khác của pin. Sự thiếu chọn lọc của vật liệu điện cực cathode và anode dẫn đến hiệu quả sử dụng nhiên liệu thấp. Vì vậy, một trong những thách thức chính của công nghệ SC-SOFC bao gồm trong việc tìm kiếm các vật liệu có tính chọn lọc cao.

III. Phương Pháp Acid Stearic Tổng Hợp BSCF Chi Tiết Quy Trình

Phương pháp Acid Stearic là một phương pháp hóa học đơn giản và hiệu quả để tổng hợp vật liệu BSCF (Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ). Phương pháp này sử dụng Acid Stearic làm chất tạo phức và điều chỉnh kích thước hạt của sản phẩm. Quy trình tổng hợp BSCF bằng phương pháp Acid Stearic bao gồm các bước chính: hòa tan các muối kim loại, trộn với Acid Stearic, nung hỗn hợp để loại bỏ chất hữu cơ và tạo thành vật liệu BSCF. Việc kiểm soát các yếu tố như nhiệt độ nung, thời gian nung và tỷ lệ Acid Stearic có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất của BSCF.

3.1. Ưu Điểm Của Phương Pháp Acid Stearic

Phương pháp Acid Stearic mang lại nhiều ưu điểm trong việc tổng hợp vật liệu BSCF (Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ), bao gồm tính đơn giản, dễ thực hiện, khả năng kiểm soát kích thước hạt, và chi phí thấp. Acid Stearic đóng vai trò quan trọng trong việc tạo phức với các ion kim loại, ngăn chặn sự kết tụ của các hạt và tạo ra vật liệu BSCF có kích thước nano. Phương pháp này cũng có khả năng tạo ra BSCF với độ tinh khiết cao. Vật liệu Ba0.2O3-δ (BSCF) có cấu trúc perovskite được tổng hợp thông qua phương pháp stearic acid.

3.2. Các Bước Chi Tiết Trong Quy Trình Tổng Hợp

Quy trình tổng hợp vật liệu BSCF bằng phương pháp Acid Stearic bao gồm các bước sau: (1) Hòa tan các muối nitrat của Ba, Sr, Co, Fe trong nước. (2) Thêm Acid Stearic vào dung dịch và khuấy đều để tạo thành hỗn hợp đồng nhất. (3) Nung hỗn hợp ở nhiệt độ thấp để loại bỏ nước và các chất hữu cơ. (4) Nung sản phẩm ở nhiệt độ cao (800-900°C) để tạo thành vật liệu BSCF có cấu trúc perovskite hoàn chỉnh. Theo tài liệu, Bột sau điều chế được phân tích bằng cách sử dụng các kỹ thuật SEM / EDS, XRD và TGA / DTA.

IV. Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Các Yếu Tố Đến Chất Lượng BSCF

Chất lượng của vật liệu BSCF (Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ) tổng hợp bằng phương pháp Acid Stearic chịu ảnh hưởng lớn bởi nhiều yếu tố. Các nghiên cứu đã tập trung vào khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung, thời gian nung và hàm lượng Acid Stearic đến cấu trúc tinh thể, kích thước hạt và tính chất điện hóa của BSCF. Kết quả cho thấy việc tối ưu hóa các yếu tố này là cần thiết để thu được BSCF có hiệu suất cao khi ứng dụng trong pin nhiên liệu oxide rắn (SOFC).

4.1. Ảnh Hưởng Của Nhiệt Độ Nung Đến Cấu Trúc BSCF

Nhiệt độ nung đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành cấu trúc perovskite của vật liệu BSCF (Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ). Nhiệt độ nung quá thấp có thể dẫn đến cấu trúc không hoàn chỉnh, trong khi nhiệt độ quá cao có thể làm tăng kích thước hạt và giảm diện tích bề mặt. Các nghiên cứu cho thấy nhiệt độ nung tối ưu thường nằm trong khoảng 800-900°C. Kết quả XRD cho thấy BSCF hình thành cấu trúc perovskite hoàn toàn ở 850oC với kích thước tinh thể trung bình khoảng 15 nm.

4.2. Vai Trò Của Hàm Lượng Acid Stearic Trong Quy Trình

Hàm lượng Acid Stearic ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước hạt và độ phân tán của vật liệu BSCF (Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ). Lượng Acid Stearic quá ít có thể dẫn đến sự kết tụ của các hạt, trong khi lượng quá nhiều có thể làm giảm độ tinh khiết của sản phẩm. Việc kiểm soát hàm lượng Acid Stearic là rất quan trọng để tạo ra BSCF với kích thước hạt nano đồng đều và độ phân tán tốt. Thí nghiệm tính chọn lọc trong khoảng nhiệt độ từ 550 đến 750oC. Kết quả, Rmix bằng 2 có độ chuyển hóa methane thấp nhất và độ chọn lọc CO2 cao nhất.

V. Ứng Dụng Vật Liệu BSCF Trong Pin Nhiên Liệu Oxide Rắn

Vật liệu BSCF (Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ) tổng hợp bằng phương pháp Acid Stearic được ứng dụng rộng rãi làm vật liệu cathode trong pin nhiên liệu oxide rắn (SOFC). Nhờ hoạt tính xúc tác cao và tính dẫn điện tốt, BSCF giúp cải thiện hiệu suất và giảm nhiệt độ hoạt động của SOFC. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng SOFC sử dụng BSCF có mật độ công suất cao hơn so với các SOFC sử dụng các vật liệu cathode truyền thống khác.

5.1. Đánh Giá Hiệu Suất Pin Nhiên Liệu Sử Dụng Vật Liệu BSCF

Hiệu suất của pin nhiên liệu oxide rắn (SOFC) sử dụng vật liệu BSCF (Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ) được đánh giá dựa trên các chỉ số như mật độ công suất, điện áp mạch hở (OCV) và hiệu suất năng lượng. Các thử nghiệm cho thấy SOFC sử dụng BSCF có mật độ công suất cao hơn đáng kể so với các SOFC sử dụng các vật liệu cathode truyền thống như LSM (La0.8Sr0.2MnO3-δ) và LSCF (La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ). Một nhược điểm lớn của SC-SOFC là sự thiếu chọn lọc của vật liệu điện cực cathode và anode, dẫn đến hiệu quả sử dụng nhiên liệu thấp. Vì vậy, một trong những thách thức chính của công nghệ SC-SOFC bao gồm trong việc tìm kiếm các vật liệu có tính chọn lọc cao.

5.2. Tiềm Năng Phát Triển Của SOFC Sử Dụng BSCF Trong Tương Lai

Việc nghiên cứu và phát triển vật liệu BSCF (Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ) và ứng dụng trong pin nhiên liệu oxide rắn (SOFC) hứa hẹn mang lại nhiều tiềm năng lớn trong tương lai. SOFC sử dụng BSCF có thể đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng sạch và bền vững cho các ứng dụng khác nhau, từ các thiết bị di động đến các hệ thống điện quy mô lớn. Khảo sát tính chất điện hóa của vật liệu BSCF tổng hợp bằng phương pháp Acid Stearic ở nhiệt độ cao.

VI. Tổng Kết và Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Cho Vật Liệu BSCF

Tổng hợp vật liệu BSCF (Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ) bằng phương pháp Acid Stearic và ứng dụng trong pin nhiên liệu oxide rắn (SOFC) là một lĩnh vực nghiên cứu đầy tiềm năng. Việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp BSCF, cải thiện tính chất của vật liệu cathode và nâng cao hiệu suất của SOFC là những hướng nghiên cứu quan trọng trong tương lai. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố pha tạp, tối ưu hóa cấu trúc nano của BSCF, và đánh giá độ bền của SOFC trong điều kiện vận hành thực tế.

6.1. Tối Ưu Hóa Quy Trình Tổng Hợp và Cải Thiện Tính Chất

Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp vật liệu BSCF (Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ) bằng phương pháp Acid Stearic để tạo ra vật liệu cathode có hoạt tính xúc tác cao, tính dẫn điện tốt và độ ổn định cao. Việc sử dụng các phương pháp phân tích tiên tiến để khảo sát cấu trúc và tính chất của BSCF cũng là rất quan trọng. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp vật liệu BSCF bằng phương pháp Acid Stearic để nâng cao hiệu suất pin nhiên liệu.

6.2. Hướng Đến Ứng Dụng Thực Tiễn và Đánh Giá Độ Bền

Để đưa pin nhiên liệu oxide rắn (SOFC) sử dụng vật liệu BSCF (Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ) vào ứng dụng thực tiễn, cần tiến hành các nghiên cứu về độ bền của SOFC trong điều kiện vận hành thực tế. Việc đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, và sự hiện diện của các chất độc hại đến tuổi thọ của SOFC là rất quan trọng. Đánh giá độ bền của vật liệu BSCF trong môi trường khắc nghiệt của pin nhiên liệu SOFC.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU 1.1 Pin nhiên liệu Pin nhiên liệu có thể được hiểu như một bình điện phân ngược. Nếu cho dòng điện chạy qua bình điện phân, ta sẽ thu được khí O2 và H2 thoát ra từ 2 điện cực; ngược lại, nếu ta cho khí H2 và O2 đi qua đồng thời 2 điện cực của pin nhiên liệu, ta sẽ thu được dòng điện. Một cách khái quát, pin nhiên liệu là một thiết bị chuyển đổi năng lượng hóa học thành điện năng thông qua một phản ứng hóa học của một hỗn hợp gồm nhiên liệu- thường là hydrogen và một chất oxy hóa-thường là oxygen.

Khác với các loại pin khác, pin nhiên liệu không có khả năng dự trư năng lượng. Chính vì vậy, để thu được dòng điện liên tục, ta phải cung cấp liên tục hỗn hợp nhiên liệu oxygen cho pin. Tên gọi “pin nhiên liệu” xuất phát từ nguồn gốc này. Phản ứng tổng quát: 2H2 (khí) + O2(khí) = 2H2O + năng lượng (1.1) Bởi vì khí hydrogen và oxygen được chuyển đổi thành nước, pin nhiên liệu có nhiều ưu điểm so với các động cơ nhiệt, như là: hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, pin nhiên liệu hoạt động gần như trong yên lặng, và nếu nhiên liệu là hydrogen thì sản phẩm sinh ra chỉ đơn thuần là nước [1].

Một pin nhiên liệu nói chung được cấu tạo gồm 3 phần: cathode, anode và lớp electrolyte phân cách giữa cathode và anode. Cathode là nơi xảy ra phản ứng khử chất oxy hóa thành các ion âm. Anode là nơi xảy ra phản ứng oxy hóa nhiên liệu thành các ion dương và các electron tự do. Electrolyte là một chất được thiết kế đặc biệt sao cho các ion di chuyển qua còn các electron thì không.

Bên ngoài pin nhiên liệu sẽ có một mạch điện để dẫn electron di chuyển từ điện cực này sang điện cực kia tạo ra dòng điện. Pin nhiên liệu được phân loại chủ yếu dựa loại vật liệu cấu tạo nên electrolyte của pin. Các loại pin thông dụng hiện nay: 3 GVHD: TS. LE MINH VIEN  Pin nhiên liệu kiềm  Pin nhiên liệu dùng metanol trực tiếp  Pin nhiên liệu axít photphoric  Pin nhiên liệu muối cacbonate nóng chảy  Pin nhiên liệu màng trao đổi proton  Pin nhiên liệu oxide rắn Mỗi loại pin có những yếu tố đặc trưng như phạm vi nhiệt độ hoạt động, các phản ứng xảy ra trong pin, các loại xúc tác cần thiết, loại nhiên liệu sử dụng và các yếu tố khác.

Những yếu tố này sẽ quyết định đến ưu nhược điểm cũng như phạm vi ứng dụng cho từng loại pin nhiên liệu.2 Pin nhiên liệu oxide rắn Pin nhiên liệu oxide rắn (solid oxide fuel cells-SOCF) là một loại pin nhiên liệu đặc trưng bởi lớp electrolyte được chế tạo từ vật liệu oxide rắn. Lớp electrolyte này có khả năng dẫn các ion O 2- đi từ cathode sang anode. Hiệu suất của SOFC khá cao, khoảng 60%. Nếu tận dụng được lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình vận hành, hiệu suất của SOFC có thể đạt tới 85%.

Chính điều này đã làm cho SOFC trở thành một nguồn năng lượng đầy hứa hẹn trong tương lai. Hiệu quả vượt trội của SOFC so với các pin nhiên liệu khác là do nhiệt độ hoạt động cao của nó, mà có thể vượt quá 1000°C trong một số thiết kế [2]. Hoạt động ở nhiệt độ cao, SOFC không đòi hỏi các vật liệu xúc tác đắt tiền như Pt, cũng như nhiên liệu sử dụng trong SOFC khá là đa dạng, gồm hydrogen và các hydrocacbon nhẹ như methane, propane, butane. SOFC cũng là loại pin nhiên liệu kháng lưu huỳnh , có thể chịu đựng được lưu huỳnh lớn hơn các loại pin nhiên liệu khác.

Ngoài ra, chúng không bị nhiễm độc khí carbon monoxide (CO), mà thậm chí có thể được sử dụng CO làm nhiên liệu. Điều này cho phép SOFC sử dụng khí làm từ than đá. [3] Hiện nay, SOFC được xem là một công nghệ sản xuất điện tiên tiến vì nó có ưu điểm là hiệu quả cao, ổn định lâu dài, linh hoạt nhiên liệu, giá thành thấp. Tuy nhiên, nhiệt độ hoạt động cao đặt ra một số thách thức.

Cụ thể, vật liệu giữa các điện cực có thể 4 GVHD: TS. LE MINH VIEN phản ứng với nhau làm thoái hóa vật liệu; các mối hàn giữa các buồng (chamber) bị hư hỏng do khác nhau hệ số giãn nở nhiệt giữa các thành phần pin dẫn đến hiệu suất pin thấp và ổn định thấp. Ngoài ra, nhiệt độ cao hạn chế sử dụng trong các ứng dụng SOFC quy mô nhỏ. Do đó, giảm nhiệt độ hoạt động là một trong những thách thức chính trong nghiên cứu SOFC.3 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của SOFC SOFC bao gồm ba phần cơ bản: cathode, anode, và electrolyte.

Các anode và cathode đều có độ xốp cao và nằm trong mỗi khoang tách biệt. Đầu tiên, khí O2 sẽ được hấp phụ trên cathode và bị khử để tạo thành ion O 2-. Ion O2- sau đó sẽ được dẫn qua lớp electrolyte đến anode. Tại anode, một phản ứng oxy hóa nhiên liệu sẽ diễn ra để tạo ra ion dương (là H+ nếu nhiên liệu là hydrogen) và các electron tự do e -.

Các electron sinh ra sẽ chạy theo mạch điện bên ngoài sinh ra dòng điện. [5] Phản ứng xảy ra trong pin: Anode: 2CH4 + O2 = 4H2 + 2CO (1.5) Loại SOFC cổ điển là loại có 2 ngăn, xem hình 1.1, kí hiệu là DC-SOFC (dual chamber solid oxide fuel cells). Cấu tạo DC-SOFC như sau: pin gồm 2 buồng được ngăn cách bằng lớp chất điện phân có tính kết khối tốt và chống thấm chịu nhiệt. Nhờ đó, oxygen và nguyên liệu cung cấp riêng lẻ cho các điện cực tương ứng không có bất kì sự trộn lẫn vào nhau.

Chính điều này làm cho việc quản lý, truyền dẫn hai luồng khí vào 2 buồng là phức tạp. Nhiệt độ hoạt động cao ở áp suất cao đặt ra một thách thức về độ tin cậy và ổn định lâu dài của pin nhiên liệu DC-SOFC, cụ thể như: thoái hóa vật liệu, không thể giữ kín khí và các lực cơ học do hệ giản nở nhiệt khác nhau giữa các thành phần của pin dẫn đến hiệu suất thấp và mất ổn định. LE MINH VIEN Hình 1.1: Sơ đồ vận hành của một SOCF vận hành bằng khí hydrogen và oxygen. [6] Để khắc phục các nhược điểm của DC-SOFC, loại đơn buồng gọi là single chamber (SC-SOFC) đang được phát triển.4 Pin nhiên liệu oxide rắn đơn buồng 1.1 Cấu tạo SC-SOCF SC-SOFC (hình 1-2) có thể được định nghĩa là các pin nhiên liệu với chỉ một đơn buồng hoạt động trong một hỗn hợp khí nhiên liệu và oxygen [7].

Thuật ngữ "đơn buồng" đã được giới thiệu vào năm 1999 bởi Hibino [8], một trong những người tiên phong của công nghệ SC-SOFC, và thuật ngữ này thường được sử dụng. Nguyên tắc làm việc của SC-SOFC dựa trên tính chọn lọc của các điện cực cho các phản ứng tương ứng; đó là, cathode phải hoạt động với oxygen và trơ với nhiên liệu, ngược lại, anode phải phản ứng với nhiên liệu và trơ với oxygen. Nhờ đó, một điện áp phụ tải (OCV) được hình thành [4]. Trong trường hợp các hydrocacbon được sử dụng làm nhiên liệu, hoạt động xúc tác oxy hóa một phần của anode cũng là cần thiết để tạo ra các hợp chất có tính hoạt động điện hóa cao (xem phản ứng 1.

LE MINH VIEN Hình 1.2: Cấu tạo SC-SOFC.1 tóm tắt những ưu điểm và nhược điểm của SC-SOFC. Một nhược điểm lớn của SC-SOFC là sự thiếu chọn lọc của vật liệu điện cực cathode và anode, dẫn đến hiệu quả sử dụng nhiên liệu thấp. Vì vậy, một trong những thách thức chính của công nghệ SC-SOFC bao gồm trong việc tìm kiếm các vật liệu có tính chọn lọc cao. Một nhược điểm khác của SC-SOFC là nguy cơ cháy nổ liên khi làm việc với hỗn hợp khí nhiên liệu-không khí ở nhiệt độ cao.

Chính vì điều đó, hạ thấp nhiệt độ hoạt động là mục tiêu chính trong nghiên cứu SC-SOFC hiện nay.1:Ưu nhược điểm của SC-SOCF. Ưu điểm Nhược điểm  Không cần phải hàn kín như DC-  Vật liệu cần có tính chọn lọc và SOFC hoạt tính xúc tác cao.  Việc quản lý và dẫn khí khá đơn  Hiệu suất sử dụng nhiên liệu thấp giản hơn trong SOFC hai buồng  Tăng cường sự ổn định cơ nhiệt của  Nguy cơ cháy nổ cao đối với hỗn vật liệu hợp nhiên liệu-không khí ở nhiệt độ cao  Thiết kế nhỏ gọn và đơn giản  Dễ dàng lắp ráp các SC-SOFC lại với nhau, công nghệ linh hoạt  Lớp electrolyte không cần phải đạt yêu cầu kết khối cao như DC- SOFC  Phản ứng tỏa nhiệt để duy trì nhiệt độ hoạt động tế bào  Chế tạo dễ dàng hơn 7 GVHD: TS. LE MINH VIEN 1.2 Nhiên liệu sử dụng trong SC-SOFC Việc chọn lựa nhiên liệu sử dụng trong SC-SOFC cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất pin.

Để lựa chọn nhiên liệu, người ta thường căn cứ vào mục đích ứng dụng (thiết bị cố định hay di động), nhiệt độ hoạt động, tính sẵn có, giá thành, chất xúc tác sử dụng. Hydrogen là nhiên liệu được sử dụng chính cho các SOFC trong những ngày đầu. Tuy nhiên, hydrogen có nhược điểm khó chứa, khó nén và đặc biệt dễ nỗ hơn các hợp chất nhiên liệu khác. Vì thế hiện nay có xu hướng sử dụng các hợp chất ổn định khác ví dụ như cacbon monoxide, hydrocacbon (methane, ethane, propane…) hoặc các alcohol (methanol, ethanol…) [10, 11].

Gần đây, nhiên liệu methane nhận được nhiều sự quan tâm đặc biệt [12-19]. Methane là loại hydrocacbon đơn giản và là thành phần chính trong khí đốt tự nhiên. Methane có độ ổn định cao so với các hydrocacbon cao hơn. Trong báo cáo của Shao và đồng nghiệp, 2006, hỗn hợp composit Ba0.

Tại nhiệt độ lò là 650oC (nhiệt độ pin là 790oC), mật độ công suất tối đa đạt được là 760 mW.cm−2 bằng cách sử dụng hỗn hợp khí methane, oxygen và helium với tốc độ dòng khí lần lượt là 87, 80, 320 mL. Đây là kết quả cao nhất trong lịch sử SC-SOFC tính tới thời điểm đó cho thấy hoạt tính khử oxygen cao và hoạt tính oxy hóa nhiên liệu thấp của BSCF. Sản lượng điện của SC-SOFC bị giới hạn ở nhiệt độ thấp do khả năng oxy hóa nhiên liệu thấp của anode và bị giới hạn ở nhiệt độ cao do tăng khả năng dẫn electron của electrolyte.3 Vật liệu ceramic ứng dụng làm cathode của SC-SOFC Các SOFC điển hình, bao gồm cả đơn buồng và hai buồng, thường hoạt động ở nhiệt độ khoảng 1000oC. Hoạt động ở nhiệt độ cao giúp cải thiện động học cho các phản ứng xảy ra trên các điện cực, đòng thời làm giảm sự sụt thế thuần trở.