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

Thêm vào BST

Báo xấu

135
lượt xem 23
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:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

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

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
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
BIÊN HÒA, THÁNG 12/2012
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
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)
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)
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
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
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
PHẦN MỞ ĐẦU
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
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
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
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
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
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
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.
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
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
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.