BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------
GIANG HỒNG THÁI
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG
CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ LÊN ĐẶC TÍNH
CỦA PIN NHIÊN LIỆU MÀNG TRAO ĐỔI PROTON
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU
Hà Nội – 2020
Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Người hướng dẫn khoa học 1: TS. Phạm Thi San
Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS. Vũ Đình Lãm
Phản biện 1: TS. Nguyễn Văn Nghĩa
Phản biện 2: GS.TS. Nguyễn Huy Dân
Phản biện 3: TS. Đặng Quốc Khánh
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp tại
Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
vào hồi … giờ ..’, ngày … tháng … năm 2020
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
1
MỞ ĐẦU
Sự phát triển kinh tế trong thời đại hiện nay làm gia tăng nhu cầu năng v lượng
trên phạm vi toàn thế giới. Những nguồn năng lượng hiện đang được sử dụng rộng rãi
c nguồn gốc t năng lượng ha thạch: dầu mỏ, khí đốt tự nhiên, than đá ... đang dần
cạn kiệt và gây nên những ô nhiễm môi trường cũng như sự nóng lên ca trái đất.
Những thách thức v nhu cầu năng lượng và phát triển bn vững đã thc đy tất cả các
nhà khoa học trên thế giới tập trung nghiên cứu nhm tìm kiếm các nguồn năng lượng
mới thay thế c khả năng tái tạo. Trong số tất cả các nguồn năng lượng tái tạo c thể
lựa chọn như: năng lượng mặt trời, năng lượng gi, thy điện, năng lượng hạt nhân,
năng lượng địa nhiệt, năng lượng thy triu… c một nguồn năng lượng đầy hứa hẹn là
nhiên liệu hydro và được coi là một ứng viên sáng giá cho tương lai.
Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC/pin nhiên liệu PEM) sử dụng nhiên
liệu Hydro được các nhà khoa học và công nghệ trên thế giới quan tâm nhiu nhất trong
ba thập kỷ qua do những ưu điểm ca loại pin nhiên liệu này là: trọng lượng nhẹ, kích
thước nhỏ gọn, công suất cao, độ ổn định cao, độ phát xạ thấp, không gây ồn, không
gây ô nhiễm môi trường. Pin nhiên liệu có công suất đầu ra linh hoạt nên được ứng
dụng rộng rãi cho các thiết bị điện tử xách tay, điện thoại, máy tính, các phương tiện
giao thông, các trạm không gian, các trạm phát điện [2, 3].
Tính chất, hiệu suất và khả năng áp dụng ca pin nhiên liệu phụ thuộc rất mạnh
vào quá trình công nghệ chế tạo pin nhiên liệu. Vì vậy, việc nghiên cứu phát triển công
nghệ chế tạo pin nhiên liệu cũng được các nhà khoa học và các công ty trên thế giới đầu
tư nghiên cứu mạnh. Các công ty cũng như cơ sở nghiên cứu hết sức giữ bí mật bản
quyn công nghệ, mỗi cơ sở đu giữ các bí quyết kỹ thuật riêng ca mình và không
truyn bá ra bên ngoài. Chính vì vậy, để c thể phát triển pin nhiên liệu tại Việt Nam,
chng ta cần đầu tư nghiên cứu phát triển công nghệ riêng ca mình và phát triển công
nghệ lõi trong chế tạo pin nhiên liệu làm bước đi ban đầu làm tin đ cho sự phát triển
tiếp theo cho ứng dụng các pin nhiên liệu.
Ở nước ta hiện nay, việc nghiên cứu v pin nhiên liệu hầu như còn chưa được
quan tâm và c rất ít cơ sở khoa học nghiên cứu v vấn đ này. Các nghiên cứu v pin
nhiên liệu ca nước ta hiện nay đu đang ở giai đoạn bắt đầu, ch yếu là nghiên cứu
hiệu ứng vật liệu xc tác trong phòng thí nghiệm và hầu như chưa c nghiên cứu quan
tâm đến công nghệ chế tạo bộ pin nhiên liệu (stack).
2
T những lí do trên, tập thể các thầy hướng dẫn và nghiên cứu sinh lựa chọn đ
tài nghiên cứu là: “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát ảnh hưởng của một số thông số
công nghệ lên đặc tính của pin nhiên liệu màng trao đổi proton”.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án:
- Nghiên cứu chế tạo pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC).
- Đánh giá lựa chọn vật liệu xc tác và thành phần tối ưu cho lớp xc tác trong điện
cực màng MEA. Đánh giá ảnh hưởng ca các thông số công nghệ chế tạo đến tính chất
điện cực màng và trên cơ sở đ làm ch công nghệ lõi và xây dựng quy trình chế tạo
điện cực màng MEA.
- Xây dựng mô hình và giải thích cơ chế các quá trình chuyển ha ha năng thành
điện năng trong điện cực màng MEA.
- Thiết kế, chế tạo và vận hành một bộ pin nhiên liệu PEMFC hoàn chnh c công
suất ~ 100 W.
Nội dung nghiên cứu của luận án:
Nghiên cứu, đánh giá, lựa chọn thành phần mực xc tác phục vụ cho quá trình
tạo lớp xc tác điện cực: vật liệu xc tác Pt/C, hàm lượng Nafion - chất dẫn proton.
Nghiên cứu chế tạo và đánh giá điện cực màng MEA chế tạo bng những kỹ
thuật: CCS, DTM và quá trình p nng tạo điện cực màng. Ảnh hưởng ca các thông số
công nghệ tới chất lượng điện cực và đưa quy trình chế tạo điện cực màng MEA cho
chất lượng tốt nhất.
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một bộ pin nhiên liệu PEMFC hoàn chnh công suất
~100 W. Khảo sát ảnh hưởng ca một số thông số công nghệ tới tính chất ca bộ pin và
đưa ra điu kiện vận hành thích hợp.
Chương I. TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU MÀNG TRAO ĐỔI PROTON
1.1. Giới thiệu sơ lưc về pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu (fuel cell) là một thiết bị điện hóa, chuyển đổi trực tiếp năng lượng
hóa học t nhiên liệu hydro thành điện năng.
1.2. Pin nhiên liệu mng trao đi proton PEMFC
1.2.1. Nguyên lý hoạt động
Phương trình phản ứng ha học tại các điện cực ca pin nhiên liệu PEM được
viết như sau:
3
Phản ứng trên anot:
eHH 442 2
(1.1)
Phản ứng trên catot:
OHeHO 22 244
(1.2)
Tổng quát:
OHOH 222 22
+ điện năng + nhiệt năng (1.3)
1.2.2. Cu tạo
Cấu tạo cơ bản ca một pin nhiên liệu màng trao đổi proton được thể hiện trên
hình 1.4 bao gồm các thành phần:
Hình 1.2. Nguyên lý hoạt động của PEMFC
Hình 1.4. Cấu tạo của một PEMFC điển hình
1.2.2.1. Điện cực màng
Bộ phận quan trọng nhất trong một PEMFC là điện cực màng (MEA). MEA được
cấu tạo bởi hai lớp vật liệu xúc tác điện cực là anot và catot nm đối xứng với nhau qua
một màng Nafion có chức năng làm môi trường điện ly vận chuyển proton t anot sang
catot.
a. Lp xc tc trong MEA
Lớp xc tác c độ dày t 5-100 µm, với độ xốp khoảng 40-70% và được phân
tán bởi các hạt xúc tác Pt kim loại kích thước 1-10 nm.
b. Kỹ thuật ép nóng chế tạo MEA
Kỹ thuật p nng là bước quan trọng để liên kết các thành phần cấu tạo điện cực
màng. Ba thông số chính ca quá trình ép nóng gồm nhiệt độ, áp lực ép và thời gian ép
cần được tối ưu.
Chương II. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Ha cht v vật liệu
2.2. Quá trnh thc nghiệm
2.2.1. Đnh gi vật liu xc tc Pt/C
Bốn loại vật liệu xc tác thương mại là Pt/C 20 %klg, 30 %klg ca hãng
Fuelearth; và Pt/C 20, 40 %klg ca hãng Johnson Matthey được nghiên cứu đánh giá