intTypePromotion=1
ADSENSE

Báo cáo nghiên cứu khoa học: Chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa nano PT/C ứng dụng cho pin nhiên liệu metanol trực tiếp

Chia sẻ: Vu Minh Hao | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:85

111
lượt xem
19
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Báo cáo nghiên cứu khoa học: Chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa nano PT/C ứng dụng cho pin nhiên liệu metanol trực tiếp trình bày các nội dung sau: Tổng quan về pin nhiên liệu và xúc tác điện cực trong pin nhiên liệu metanol trực tiếp, thực nghiệm, kết quả,...Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Báo cáo nghiên cứu khoa học: Chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa nano PT/C ứng dụng cho pin nhiên liệu metanol trực tiếp

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CÔNG NGHỆ HÓA – THỰC PHẨM  BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI:    CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC ĐIỆN  HÓA NANO Pt/C ỨNG DỤNG CHO PIN  NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP VŨ MINH HÀO                                
  2. BIÊN HÒA, THÁNG 12/2012 TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CÔNG NGHỆ HÓA – THỰC PHẨM  BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI:     CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC ĐIỆN  HÓA NANO Pt/C ỨNG DỤNG CHO PIN  NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP      Giảng viên hướng dẫn :  PGS.TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG PHONG      Sinh viên thực hiện      :  VŨ MINH HÀO                                
  3. BIÊN HÒA, THÁNG 12/2012
  4. i LỜI CÁM ƠN Ca   dao  Việt  Nam  vẫn  có   câu  để   nhắn  nhủ   những  người   trẻ   trong   xã   hội:“Công cha, nghĩa mẹ   ơn thầy, nghĩ sao cho bõ những ngày  ước ao”. Đó tuy  chỉ là một câu thật ngắn gọn nhưng lại chứa đựng toàn bộ truyền thống tốt đẹp   của dân tộc ta. Hôm nay, tôi cũng xin mượn nó để nói lên tâm tình biết ơn đối với   bậc sinh thành cũng như  quý thầy cô là những người đã giúp đỡ  tôi hoàn tất tốt  luận văn tốt nghiệp này. Đầu   tiên,   tôi   xin   gửi   lời   biết   ơn   chân   thành   đến   PGS.TS   Nguyễn  Thị  Phương Phong, người đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong toàn bộ  quá trình thực   hiện đề  này. Tôi vô cùng cảm kích vì sự  giúp đỡ  rất tận tâm của cô. Mặc dù,   trong cương vị PGS.TS và công việc giảng viên bận rộn với trăm công ngàn việc  nhưng cô vẫn dành thời gian để sửa bài và góp ý một cách chân thành cho đề tài  của tôi. Tôi cũng xin gửi lời cám  ơn sâu sắc đến quý thầy cô, anh chị  trong khoa  hóa lý trường ĐHKHTN, Tp.HCM đã tận tình hướng dẫn trong quá trình tôi thí  nghiệm ở đây. Cách riêng cho anh Ngô Thanh Liêm, người luôn đồng hành trong  những bước đi chập chững và suốt cả thời gian tham gia nghiên cứu của tôi.  Đối với các thầy cô trong khoa hóa trường ĐH Lạc Hồng, tôi không biết  lấy gì để  nói lên lời cám  ơn trước những điều kiện vô cùng thuận lợi, mà các  thầy cô đã dành cho để quá trình nghiên cứu của tôi được diễn ra và kết thúc thật  tốt đẹp. Tôi cũng xin gửi lời cám  ơn đến các cơ  sở, phòng thí nghiệm đã cho tôi   được làm việc ở tại những nơi đây. Lời biết  ơn cuối cùng, con xin gửi đến cha mẹ  là những người đã sinh   thành và vất vả  bao ngày tháng qua để  con có được kết quả  như  ngày hôm nay.  Sau cùng, tôi xin cảm  ơn vì tất cả, thiết nghĩ rằng sẽ  khó mà đáp trả  lại tất cả 
  5. ii những ân tình  ấy. Song  ước mong mọi người sẽ  đón nhận nó như  lời cảm tạ  chân thành nhất từ chính bản thân tôi. MỤC LỤC      Sinh viên thực hiện      :  VŨ MINH HÀO......................................................ii LỜI CÁM ƠN.......................................................................................................i MỤC LỤC............................................................................................................ii DANH MỤC BẢNG BIỂU..................................................................................iv PHẦN MỞ ĐẦU..................................................................................................1 LỜI MỞ ĐẦU......................................................................................................1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU VÀ XÚC TÁC ĐIỆN CỰC  TRONG PIN NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP.........................................5 CHƯƠNG 2.........................................................................................................1 CHƯƠNG 3.......................................................................................................23 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN....................................................36  KẾT LUẬN .......................................................................................................56 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BET Máy đo diện tích bề mặt CV Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn (Cyclic voltammetry) Eb Thế oxy hóa cực đại trên đường quét về (V) Ef Thế oxy hóa cực đại trên đường quét tới (V) ipa Mật độ dòng của mũi trên đường quét tới tính theo diện tích  điện cực (mA/cm2) ipc Mật độ dòng của mũi trên đường quét về tính theo diện tích  điện cực (mA/cm2)
  6. iii i’pa Mật độ  dòng của mũi trên đường quét tới tính theo khối  lượng Platin trên điện cực (mA/mmPt) i’pc Mật độ  dòng của mũi trên đường quét về  tính theo khối  lượng Platin trên điện cực (mA/mmPt) Pt/C Vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Platin trên Carbon Pt/VulcanXC­72R Vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Platin trên Carbon  Vulcan XC­72R Pt/VC­25­11 Vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Platin trên Carbon  Vulcan XC­72R không xử lý với hàm lượng Platin là 25% và   môi trường pH=11 Pt/VC­XL­25­11 Vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Platin trên Carbon  Vulcan XC­72R xử  lý trong HNO3  với hàm lượng Platin là  25% và môi trường pH=11 SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scaning electron microscopy) TEM Kính   hiển   vi   điện   tử   truyền   qua   (Transmission   electron   microscopy) XRD Nhiễu xạ tia­X (X­Ray diffaction)
  7. iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Số liệu để pha  dung dịch HNO3 với nồng độ khác nhau.....................24 Bảng 3.1: Hoạt tính của vật liệu nanocomposit Pt/VulcanXC­72R  xử lý và không  xử lý trong dung dịch HNO3 với những nồng độ khác nhau..................................36 Bảng 3.2: Hoạt tính xúc tác của vật liệu nanocomposit Pt/Vulcan XC­72R đã xử  lý và không xử lý trong những khoảng thời gian khác nhau..................................39 Bảng 3.3     Hoạt tính xúc tác của vật liệu nanocomposit Pt/VC với sự  thay đổi   thành phần khối lượng của tiền chất H2PtCl6.6H2O..............................................40 Bảng 3.4: Hoạt tính xúc tác của vật liệu nanocomposit Pt/VC với môi trường pH  khác nhau.................................................................................................................42 Bảng 3.5: Hoạt tính xúc tác của vật liệu nanocomposit Pt/VC­XL­25 trong môi  trường pH=11 với sự thay đổi hàm lượng của tiền chất H2PtCl6.6H2O...............46 Bảng 3.6: Hoạt tính xúc tác của nanocomposit Pt/VC­XL­25 trong những môi  trường pH khác nhau...............................................................................................48 .Bảng 3.7: Kết quả đo diện tích bề mặt của vật liệu nanocomposit Pt/VulcanXC­ 72R đã xử lý và không xử lý...................................................................................53
  8. v DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1  Sơ đồ một pin nhiên liệu..........................................................................4 Hình 1.2  Cấu tạo và nguyên lý làm việc pin nhiên liệu..........................................6 Hình 1.3  Sơ đồ một hệ thống pin nhiên liệu..........................................................8 Hình 1.4  Hiệu suất của pin nhiên liệu so với một số thiết bị tạo ra điện khác...12 Hình 2.1    Bể siêu âm.............................................................................................23 Hình 2.2  Mấy khuấy từ IKA  RET control­vis và pipet BIOHIT Proline.............23 Hình 2.3   Lò vi sóng SANYO 20L EM­S2182W...................................................24 Hình 2.4    Máy ly tâm UNIVERSAL 32R HETTICH ZENTRIFUGEN................24 Hình 2.5  Quy trình chế tạo vật liệu nano Pt/C bằng phương pháp polyol...........26 Hình 2.6   Máy đo BET Nova 3200e ......................................................................28 Hình 2.7   Sơ đồ khối thiết bị nhiễu xạ tia X........................................................28 Hình 2.8  Thiết bị nhiễu xạ tia X BRUKER XRD­D8 ADVANCE.......................29 Hình 2.9  Hệ thống kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE­SEM JSM ......30 Hình 2.10  Hệ thống kính hiển vi điện tử truyền qua,TEM JEM­1400 Nhật.......31 Hình 2.11  Đồ thị quét thế vòng tuần hoàn............................................................32 Hình 2.12  Máy Autolab­PGSTAT302N.................................................................33 Hình 2.13  Các loại điện cực..................................................................................33 Hình 2.14  Hệ thống ba điện cực...........................................................................34 Hình 2.15  Đường cong CV của vật liệu nanocomposite Pt/Vulcan XC­72R.......34 Hình 3.1  Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/Vulcan XC­72R xử lý  và không xử lý trong dung dịch  HNO3 với những nồng độ khác nhau..................37 Hình 3.2  Giản đồ  CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/Vulcan XC­72R đã  xử lý và không xử lý trong những khoảng thời gian khác nhau.............................39 Hình 3.3  Giản đồ  CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC với thành phần   tiền chất H2PtCl6.6H2O khác nhau..........................................................................40
  9. vi Hình 3.4  Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC trong những môi   trường pH khác nhau...............................................................................................42 Hình 3.5  Cơ chế quá trình oxy hóa EG trong điều chế nano Platin......................42 Hình 3.6  Phản ứng loại proton tạo thành anion Glycolate của axit Glycolic.......43 Hình 3.7  Ảnh chụp TEM và biểu đồ phân bố kích thước hạt nano Platin trên vật  liệu nanocomposit Pt/VC­25­11..............................................................................44 Hình 3.8  Ảnh chụp TEM và biểu đồ phân bố kích thước hạt nano Platin trên vật  liệu nanocomposit Pt/VC­25­6,5.............................................................................44 Hình 3.9  Giản đồ nền CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC­XL với hàm  lượng Platin khác nhau............................................................................................45 Hình 3.10   Giản đồ  CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC­XC với hàm  lượng Platin khác nhau............................................................................................47 Hình 3.11  Giản đồ nền CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC­XL­25 với   môi trường pH khác nhau.......................................................................................47 Hình 3.12  Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC­XL­25 với môi  trường pH khác nhau...............................................................................................48 Hình 3.13   Ảnh chụp TEM  và biểu đồ  phân bố  kích thước hạt nano Platin trên  vật liệu nanocomposit Pt/VC­XL­25­11.................................................................49 Hình 3.14  Ảnh chụp TEM và biểu đồ phân bố kích thước hạt nano Platin trên vật   liệu nanocomposit Pt/VC­XL­25­6,5......................................................................50 Hình 3.15  Kết quả chụp XRD của Vulcan XC­72R xử lý và không xử lý...........51 Hình 3.16  Phổ đồ XRD của nanocomposit Pt/VC­25­11......................................51 Hình 3.17  Gian đồ XRD của nanocomposit Pt/VC­XL­25­11 ..............................52 Hình 3.18   Ảnh FE­ SEM của nanocomposit Pt/VC­XL­25­11.............................53 Hình 3.19  Giản đồ đo nền của hai loại carbon Vulcan XC­72R..........................54 Hình 3.20  (1) Giản đồ đo nền và (2) giản đồ CV của hai loại vật liệu xúc tác điện  hóa nanocmposit Pt/Vulcan XC­72R.......................................................................54
  10. PHẦN MỞ ĐẦU
  11. 1 LỜI MỞ ĐẦU Không biết trong mỗi người đã có ai từng nghĩ đến việc nền văn minh  của chúng ta đã phát triển mạnh mẽ từ giai đoạn nào chăng? Theo tôi thì đó là khi   con người biết tạo ra điện, một nguồn năng lượng mà ngày nay có mặt hầu hết  trong mọi lĩnh vực. Chúng ta có thể  hình dung đơn giản từ  việc học của mình  nếu không có điện thì làm sao mỗi người có đủ  ánh sáng học tập, nghiên cứu,  việc mà những thế  hệ  đi trước đã không có được. Nguồn sáng mà họ  có chỉ  là   những ngọn đèn dầu. Điện giúp cho việc chuẩn bị  những bữa ăn của mỗi gia  đình mất ít thời gian hơn nhờ các thiết bị như ấm điện, nồi cơm điện. Điện như  một “người bạn đồng hành” của nhiều nhà máy, xí nghiệp.   Lý do chọn đề tài Do sự   ảnh hưởng lớn trên mà nguồn nguyên liệu để  sản xuất điện và  thiết bị để xử lý nguồn nguyên liệu như than, xăng, nước, gió đã được quan tâm   một cách đặc biệt. Trong khi các nguồn như gió, mặt trời, nước hay năng lượng   hạt nhân lại gặp những khó khăn nhất định. Bên cạnh đó, vấn đề môi trường lại  nổi lên khi khí độc được thải ra làm ô nhiễm và khiến nhiệt độ  thay đổi quá   nhanh. Vì vậy, một thiết bị “đa năng” và một nguồn nguyên liệu dồi dào đã được  tập trung tìm kiếm và nghiên cứu. Cuối cùng tất cả  sự  chú ý đã đổ  dồn về  pin  nhiên liệu. Theo dòng thời gian thì loại pin nhiên liệu sử  dụng Metanol trực tiếp   (Direct methanol fuel cell ­ DMFC) xuất hiện và đang rất thịnh hành. Tuy hệ  thống đôi khi vẫn tạo ra khí cacbonic nhưng lượng khí thải ra không đáng kể.  Yếu tố xúc tác trong pin nhiên liệu sử dụng metanol trực tiếp là vấn đề được đặt  lên hàng đầu và quan tâm hơn cả. Chất xúc tác đã được nghiên cứu và phổ  biến   nhất là platin. Qua đề  tài:“ Chế  tạo vật liệu xúc tác điện hóa nano Pt/Carbon   ứng dụng cho pin nhiên liệu methanol trực tiếp”  tôi hy vọng sẽ góp phần trong 
  12. 2 việc đưa nguồn năng lượng   điện “sạch” này vào  ứng dụng một cách rộng rãi   cho cuộc sống năng động ngày nay.  Tình hình nghiên cứu về đề tài ­ Tình hình nghiên cứu trên thế giới Tính chất của chất mang và điều khiển kích thước hạt nano là hai việc   được quan tâm nhất trong quá trình điều chế. Nguồn chất mang được xử lý bằng   nhiều loại hóa chất như KOH [3], H2O2 [10], Ozon [15] và HNO3 [13].  Năm 2006,  nhóm  Zhen.  Bo.  Vary  đã  nghiên cứu  ảnh hưởng của  chất  mang khi xử  lý bằng ozon và chất xúc tác là hợp kim của Pt­Ru trên pin nhiên   liệu methanol trực tiếp [15]. H2O2  là  hóa  chất  dùng để   xử   lý nguồn  carbon  đen  mà  nhóm  Marcelo  Carmo sử  dụng năm 2007.   Nhóm này đã dùng chất mang này cho thiết bị  pin  nhiên liệu dạng màng [10]. Năm 2008, nhóm Du,H. Y đã điều khiển kích thước hạt nano platin và  gắn chúng lên chất mang carbon nanotubes giúp cho quá trình oxy hóa methanol  [5]. Năm 2010, Chaoxing He và cộng sự  đã dùng hóa chất KOH để  xử  lý  nguồn carbon và gắn hạt nano platin hỗ trợ cho phản ứng oxy hóa khử [3]. Năm 2011, S. M. Senthil Kumar và cộng sự đã nghiên cứu về ảnh hưởng   của kích thước hạt nano platin trên nguồn carbon Vulcan XC­72R đã xử  lý cho   phản ứng oxy hóa khử [13]. ­ Tình hình nghiên cứu trong nước Trong nước, việc nghiên cứu này cũng mới được tiến hành trong những  năm gần đây ở các trường Đại học Khoa học Tự Nhiên ở TP. Hồ Chí Minh và Hà   Nội cũng như Viện vật lý TP. Hồ Chí Minh  Mục tiêu nghiên cứu
  13. 3 Chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa, chế tạo vật liệu nano Pt/Carbon (thay   đổi các thông số hàm lượng của H2PtCl6 , pH, nhiệt độ, xử lý nguồn Carbon) Khảo sát tính chất xúc tác điện hóa bằng phương pháp đo điện thế dòng  tuần hoàn trên phản ứng oxyhóa methanol, Khảo sát các tính chất lý hóa: XRD, TEM, BET, để  xác định kích thước   hạt, diện tích bề mặt của hệ xúc tác  Nội dung nghiên cứu Vật liệu xúc tác điện hóa nano platin trên carbon Vulcan XC­72R được   chế tạo bằng phương pháp polyol. Etylen glycol là rượu đa chức được sử  dụng   cho quá trình khử  platin từ  Pt4+  về  Pt0. Bên cạnh đó, một số  yếu tố   ảnh hưởng   cũng được khảo sát như  hàm lượng của H2PtCl6 , môi trường pH, nhiệt độ xử lý  nguồn carbon Vulcan XC­72R, tính chất của nguồn Carbon. Vật liệu đã chế  tạo được mang khi khảo sát tính chất xúc tác điện hóa  trên máy Autolab­PGSTAT302N, với hệ  thống ba điện cực: điện cực làm việc   (WE), điện cực đối (CE) và điện cực so sánh (RE). Đầu tiên, làm sạch điện cực   với dung dịch H2SO4 0,5M. Quá trình quét được tiến hành 2 lần với các vận tốc là   100mV/s, 50mV/s trong khoảng thế từ 0­1V và quét 1 vòng. Quét thế  tuần hoàn  để  khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu. Khoảng thế  từ  0­0,9V, dung dịch   H2SO4 0,5M được thay bằng hỗn hợp dung dịch H2SO4 0,5M + CH3OH 1M. Ngoài  2 lần quét như trên, mẫu được quét thêm 1 lần với vận tốc 10 mV/s. Vật liệu sẽ  được khảo sát tính chất hóa lý thông qua một số  máy móc  hiện đại như máy BET để đo diện tích bề mặt, TEM để xác định kích thước hạt   nano trên bề mặt chất mang, FE­SEM xác định hàm lượng tiền chất trong mẫu và   khi điều chế có phù hợp với nhau và XRD giúp ta kết luận được sự  có mặt của  các tinh thể platin và carbon trong mẫu.  Phương pháp nghiên cứu
  14. 4 Xây dựng quy trình chế  tạo vật liệu xúc tác điện hóa nano platin trên   carbon Vulcan XC­72R, với tiền chất là axit Chloplatinic (H2PtCl6.6H2O), chất  khử là Etylen glycol trong các môi trường pH từ 6,5 đên 11,3. Xử dụng các phương pháp phân tích hiện đại như  XRD, FE­SEM, TEM,   BET.  Bố cục Chương 1: Tổng quan Chương 2: Thực nghiệm Chương 3: Kết quả và thảo luận
  15. 5 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU VÀ XÚC TÁC ĐIỆN CỰC  TRONG PIN NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP 1.1  Tổng quan về pin nhiên liệu  1.1.1 Khái niệm về pin nhiên liệu Pin nhiên liệu là một hệ thống dùng để biến đổi trực tiếp hóa năng thành   điện năng bằng quá trình oxy hóa nguyên liệu. Thành phần nguyên liệu trong pin nhiên liệu bao gồm nguồn cung cấp   ion như: 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, điện  năng, nước và khí cacbonic. Sau đây là một hệ thống đơn giản của pin nhiên liệu:               Hydro, metanol..    oxy      Pin nhiên liệu             Điện + cacbonic        nước  Hình 1.1  Sơ đồ một pin nhiên liệu Như  đã nói  ở  trên, pin nhiên liệu biến đổi trực tiếp hóa năng thành điện   năng thông qua phản ứng H2 + O2          H2O + dòng điện, nhờ tác động của những  chất xúc tác như: màng platin nguyên chất, hỗn hợp platin với kim loại khác và  
  16. 6 một số  chất điện phân như  kiềm, muối cacbonat, oxit rắn… bản chất thực sự  của nó tương tự như pin điện hóa. 1.1.2 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. Năm 1839, William Grove,  một nhà hóa học, vật lý, luật sư  và là người  đầu tiên phát minh ra Acqui khí (Gas battery). 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 oxy  trong một chất xúc tác bạch kim (Platin). Năm 1889, Charles Langer và Ludwig Mond 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. Năm 1932,   Giáo sư  Francis Bacon đã tiếp tục phát triển thêm mô hình   bằng   cách   thay   thế   điện   cực   Platin   bằng   Niken   và   thay   chất   điện   giải   axit  sulphuric bằng một chất ít ăn mòn là Kali hydroxyt (KOH). 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 màng trao đổi  proton (PEMFC) đã xuất hiện và trong giai đoạn này pin nhiên liệu thật sự được  nhiều lĩnh vực quan tâm hơn đặc biệt là lĩnh vực vũ trụ. Sở dĩ như vậy là do một  số  nguyên nhân đã gặp phải khi sử  dụng những nguồn năng lượng khác như 
  17. 7 trọng lượng khá lớn của acquy, năng lượng hạt nhân thì nguy hiểm còn năng   lượng mặt trời thì vẫn còn khá mới lạ. 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. 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 những loại năng lượng có chi phí rất cao và khả năng gây  ô nhiễm môi trường lớn kia. DMFC cũng đã xuất hiện và phát triển trong khoảng  thời gian này. Đầu những năm 1990, pin nhiên liệu đã tiến lên thêm một bước mới.   Nếu  như   trước   đây  hầu  như   ứng  dụng  chủ   yếu   trong   những  lĩnh   vực   nông   nghiệp và một ít về không gian thì ở giai đoạn này nó được đưa vào một lĩnh vực  rất quan trọng đó là công nghiệp. Giai đoạn 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 nhem nhóm lên khả  năng thương  mại hóa trên thị trường. Ngày nay, nay pin nhiên liệu đã được thương mại hóa sử  sụng một cách  rộng rãi trong đời sống hằng ngày, hơn hết trong những 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 phổ  biến sử  dụng rộng rãi loại “pin” mới này vẫn còn  gặp một số  trở  ngại do sự  nghi ngờ  về  lợi nhuận của một s ố  công ty về  nó  nhưng chúng ta có quyền nghĩ đến và hy vọng nhiều cơ hội hứa hẹn phát triển  sẽ được mở ra trong tương lai không xa.
  18. 8 1.1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu Sau đây là một hệ thống pin nhiên liệu cơ bản: Hình 1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của pin nhiên liệu 1.1.3.1 Cấu tạo Một hệ thống pin nhiên liệu gồm có hai điện cực là anot (nơi xảy ra quá   trình oxy 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  giữa hai điện cực là chất điện giải (Electrolyte), nó có tác dụng giúp   vận chuyển nhanh các ion từ  điện cực này sang điện cực kia. Chất điện giải có  nhiều loại như  axit, kiềm và cả  muối nóng chảy tương  ứng với chúng là các  dạng rắn, lỏng hay cấu trúc màng. Loại màng được dùng là Nafion với mục đích   để cho các ion thích hợp đi qua. Tùy vào mục đích và thời đại, người ta sẽ chọn  ra loại tối ưu nhất. Ngoài ra còn một lớp xúc tác giúp tăng tốc độ phản ứng. Chất xúc tác có  thể  được đặt  ở  giữa dung dịch điện phân và các điện cực. Trường hợp khác,  người ta có thể  dùng nó trực tiếp như  một điện cực hoặc phủ  trên bề  mặt của 
  19. 9 điện cực tùy thuộc vào từng loại pin nhiên liệu khác nhau. Chất xúc tác không chỉ  có tác dụng làm tăng tốc độ phản ứng mà còn làm giảm đi năng lượng hoạt hóa   của quá trình hóa học. Thông thường, người ta dùng platin hoặc các hợp kim của   platin với kim loại như Ni, Ru, Co…, làm chất xúc tác. 1.1.3.2 Nguyên lý hoạt động Tuy có nhiều loại pin nhiên liệu khác nhau nhưng nhìn chung nguyên lý  hoạt động của chúng đều có chung những nét tương đồng như: Nhiên liệu đi vào  ở  cực âm (Anot), nơi đây sẽ  diễn ra quá trình oxy hóa  để  tạo thành các ion hydro (H+) và electron (e­). Khi tiếp xúc với lớp màng nơi  điện cực thì chỉ duy nhất các ion hydro hay còn gọi là proton đi xuyên trực tiếp từ  anot sang catot, còn các electron thì bị  giữ  lại và phải đi theo một hệ  thống dây   dẫn để  qua catot. Chính do sự  di chuyển như  vậy mà sinh ra dòng điện một  chiều. Dòng điện này sẽ di chuyển tử catot sang anot, vì vậy nên gọi catot là cực  dương còn anot là cực âm. Cũng trong thời gian đó, khí oxy được lấy từ  không  khí cũng đi vào cực dương (Catot). Sau khi tiến đến gần cực dương khí oxy này   sẽ tiếp xúc và nhận các electron để hình thành nên các ion oxy (O 2­). Tùy vào từng  loại pin nhiên liệu mà các ion oxy này có thể  sử  dụng với mục đích khác nhau.  Chúng có thể trực tiếp tác dụng với ion hydro  ở cực dương để  tạo thành nước,   hoặc đi xuyên qua lớp màng ở điện cực dương tiến đến các ion hydro ở cực âm  và tạo ra nước.  Ở  một số  pin nhiên liệu sử  dụng nguồn nhiên liệu là Metanol   (CH3OH), Metan (CH4) thì sản phẩm cuối được tạo ra có thêm Cacbonic (CO2).  Nhưng lượng khí Cacbonic được tạo ra thấp hơn rất nhiều lần so với lượng khí  này thải ra ở động cơ đốt trong. 1.1.4 Hệ thống pin nhiên liệu
  20. 10 Hình 1.3 Sơ đồ một hệ thống pin nhiên liệu Các bộ phận chính trong một hệ thống pin nhiên liệu bao gồm: + Bộ  xử  lý nhiên liệu (Fuel Processor): bộ xử lý này có tác dụng chuyển   đổi những khí hay những dạng nhiên liệu lỏng hoặc thành nguồn nguyên liệu  thích hợp cho quá trình hoạt động của pin. Ngoài ra, khi có bộ xử lý này chúng ta   có thể yên tâm hơn về nguồn nhiên liệu vì khi qua bộ xử  lý sẽ  loại bỏ  đi thành   phần có hại và làm sạch nguồn nhiên liệu hơn. + Thiết bị biến đổi năng lượng (Power Section): thiết bị này dùng để biến   nguồn hóa năng thành điện năng. Cấu tạo của bộ phận này gồm nhiều hệ thống  pin nhiên liệu đơn được nối ghép với nhau còn gọi là cụm pin nhiên liệu (Fuel   cell stacks). + Bộ điều hòa công suất (Power conditioner): dòng điện được tạo ra trong  pin nhiên liệu không thể sử dụng trực tiếp cho tải điện được nhưng cần phải có   một thiết bị chuyển hóa thành dòng điện trước khi sử dụng. Ngày nay, người ta  thường dùng bộ nghịch lưu để chuyển từ dòng một chiều thành dòng xoay chiều  để sử dụng.
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2