PIN NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG ETHNOL LÀM NHIÊN LIỆU TRỰC TiẾP

BÁO CÁO
PIN NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG ETHNOL
LÀM NHIÊN LIỆU TRỰC TiẾP
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU KHÍ
HV : HOÀNG MẠNH HÙNG
GVHD : TS. NGUYỄN HỮU LƯƠNG
LỚP : KTHD K2010
HCM , 5/2010
HCM , 5/2010
NỘI DUNG
2
2
GIỚI THIỆU PIN NHIÊN LIỆU
1
1
PIN NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG ETANOL LÀM NHIÊN LIỆU TRỰC TIẾP
(DEFCs)
2
2
NGHIÊN CỨU VỀ AEM DEFCs VỚI ANOT TÍCH HỢP
3
3
GIỚI THIỆU PIN NHIÊN LIỆU
Định nghĩa: Pin nhiên liệu là pin điện hóa, thực hiện chuyển hóa
năng lượng hóa học thành năng lượng điện.
Pin nhiên liệu được phát minh vào năm 1838 bởi nhà hóa học người Đức Christian Friedrich
Schönbein
Trong Pin nhiên liệu, điện được sinh ra từ phản ứng giữa một nhiên liệu
và một tác nhân ô xy hóa. Tác nhân phản ứng được đưa vào và sản

phẩm phản ứng được đưa ra liên tục trong suốt thời gian hoạt động của
pin.
Pin nhiên liệu khác với pin điện hóa truyền thống với đặc điểm pin nhiên
liệu tiêu thụ tác nhân phản ứng từ nguồn bên ngoài và phải được bổ sung
(hệ nhiệt động mở).
3
3
GIỚI THIỆU PIN NHIÊN LIỆU
Cấu tạo pin nhiên liệu:Pin nhiên liệu được tạo nên từ 3 phần (anot,
catot và chất điện phân).
Tại anot, nhiên liệu được oxy hóa trong sự có mặt của xúc tác sẽ chuyển
thành một ion dương và một electron.
Chất điện phân có đặc điểm: ion có thể đi qua nhưng không cho phép
electron đi qua. Electron đi qua dây dẫn và tạo nên dòng điện. Ion dương
đi qua dung dịch điện phân qua bên catot. Tại catot, các ion kết hợp với
các electron và phản ứng với oxy để tạo ra nước hoặc CO2
Xúc tác tại anot thông thường bột platin
Xúc tác tại tại catot được chế tạo từ kim loại Niken
4
4
GIỚI THIỆU PIN NHIÊN LIỆU
5
5
Fuel cell name Electrolyte Qualified power
(W)
Working temperature
(°C)
Efficiency (ce
ll)
Efficiency

(system)
Status
Cost
(USD/W)
Metal hydride fuel cell Aqueous alkaline solution
> -20
Commercial / Resea
rch

(50% P
peak
@ 0°C)
Electro-galvanic fuel cell
Aqueous alkaline solution < 40
Commercial /
Research

Direct formic acid fuel cell (DFAFC) Polymer membrane (ionomer) < 50 W < 40
Commercial /
Research

Zinc-air battery
Aqueous alkaline solution < 40
Mass production

Microbial fuel cell Polymer membrane or humic acid < 40 Research
Upflow microbial fuel cell
(UMFC)
< 40 Research
Regenerative fuel cell Polymer membrane (ionomer) < 50

Commercial /
Research

Direct borohydride fuel cell Aqueous alkaline solution 70 Commercial
Alkaline fuel cell
Aqueous alkaline solution 10 – 100 kW < 80 60–70% 62%
Commercial /
Research

Direct methanol fuel cell Polymer membrane (ionomer)
100 mW – 1
kW
90–120 20–30% 10–20%
Commercial /
Research
125
Reformed methanol fuel cell Polymer membrane (ionomer) 5 W – 100 kW
250–300
(Reformer)
50–60% 25–40%
Commercial /
Research

125–200 (PBI)
Direct-ethanol fuel cell Polymer membrane (ionomer) < 140 mW/cm² > 25 Research
Proton exchange membrane fuel cel
l
Polymer membrane (ionomer)
100 W – 500
kW

50–120 (Nafion)
50–70% 30–50%
Commercial /
Research
30–35
125–220 (PBI)
RFC - Redox Liquid electrolytes with redox sh
uttle and polymer membrane (Ionom
er)
1 kW – 10 MW Research
Phosphoric acid fuel cell Molten phosphoric acid (H3PO4) < 10 MW 150-200 55% 40%
Commercial /
Research
4–4.50
GIỚI THIỆU PIN NHIÊN LIỆU
6
6
Fuel cell name Electrolyte Qualified power
(W)
Working temperature
(°C)
Efficiency (ce
ll)
Efficiency
(system)
Status
Cost
(USD/W)
Metal hydride fuel cell Aqueous alkaline solution > -20 Commercial / Resea
rch

Proton exchange membrane fuel cel
l
Polymer membrane (ionomer)
100 W – 500
kW
125–220 (PBI) 50–70% 30–50%
Commercial /
Research
30–35
RFC - Redox Liquid electrolytes with redox sh
uttle and polymer membrane (Ionom
er)
1 kW – 10 MW Research
Phosphoric acid fuel cell Molten phosphoric acid (H3PO4) < 10 MW 150-200 55%
40%
Commercial /
Research
4–4.50
Co-Gen: 90%
Molten carbonate fuel cell Molten alkaline carbonate 100 MW 600-650 55% 47%
Commercial /
Research

Tubular solid oxide fuel cell (TSOFC) O2 conducting ceramic oxide < 100 MW 850-1100 60–65% 55–60%
Commercial /
Research

Protonic ceramic fuel cell H
+

-conducting ceramic oxide 700 Research
Direct carbon fuel cell
Several different 700-850 80% 70%
Commercial /
Research

Planar Solid oxide fuel cell O2 conducting ceramic oxide
< 100 MW 500-1100 60–65% 55–60%
Commercial /
Research

Enzymatic Biofuel Cells
Any that will not denature the
enzyme
< 40 Research
Magnesium-Air Fuel Cell salt water -75 90%
Commercial /
Research

GIỚI THIỆU PIN NHIÊN LIỆU
Ứng dụng:
-
Cung cấp điện, đặc biệt hữu ích cho những khu vực biệt lập như tàu
không gian, trạm dự báo thời tiết và một số ứng dụng trong quân sự;
-
Cung cấp năng lượng cho động cơ trong phương tiện giao thông đường
bộ, hàng không và đường thủy;
-
Và một số ứng dụng khác.
7

7
DEFCs
DEFCs sử dụng ethanol làm nhiên liệu.
Etanol có những đặc điểm thuận lợi sau để chế tạo pin nhiên liệu:
•
Etanol có tỷ lệ lớn hydro trong phân tử, mật độ năng lượng (8.0
kWh/kg) cao hơn so với metanol (6,1 kWh/kg);
•
Một lượng lớn etanol có thể thu được từ quá trình lên men từ nguồn
nguyên liệu tái tạo như rỉ đường, bột mỳ, ngô;
•
Bồn chứa và cơ sở hạ tầng không khó khăn như pin nhiên liệu sử
dụng hydro;
•
So với đa phần các phân tử hữu cơ khác, etanol có kích thước khá
nhỏ, điều này tạo điều kiện thuận lợi cho xúc tác trên cơ sở kim loại Pt
thường được sử dụng để chế tạo pin nhiên liệu
8
8
PEM DEFC
9
9
Tại anot: C
2
H
5
OH + 3H
2
O ⇒ 12H
+

+ 12e
-
+ 2CO
2
Tại catot: 3O
2
+ 12H
+
+ 12e
-
⇒ 6H
2
O
Phương trình
tổng cộng
C
2
H
5
OH + 3O
2
⇒ 2CO
2
+ 3H
2
O
AEM DEFCs
10
10
Tại anot: C

2
H
5
OH + 12OH
-
⇒ 2CO
2
+ 9H
2
O + 12 e
-
Tại catot: 3O
2
+ 6H
2
O + 12e
-
⇒ 12 OH
-
Phương trình
tổng cộng
C
2
H
5
OH + 3O
2
⇒ 2CO
2
+ 3H

2
O
11
11
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HOẠT ĐỘNG CỦA
PIN AEM DEFCs SỬ DỤNG ĐIỆN CỰC TÍCH HỢP
Thực nghiệm
Kết cấu điện cực màng (membrane electrode assembies-MEA)
•
Diện tích hoạt động của MEA: 1cm x 1cm
•
Điện cực anot và catot được làm bằng thép không gỉ
•
Điện cực catot với xúc tác Fe-Co HYPERMEC K14
•
Màng trao đổi anion (A201)
•
Điện cực anot, với xúc tác được chuẩn bị theo 2 cách như sau
12
12
Thành phần
Xúc tác PdNi/C (3,5 nm)
PTFE (chất kết dính, 5%kl)
Etanol (dung môi)
Khuấy 10 phút để đảm bảo thành phần trong
hỗn hợp được phân bố đồng đều
Cách 1:
Hỗn hợp được quét lên bề mặt của lớp bọt Niken
Cách 2
Hỗn hợp được pha loãng với etanol và khuấy liên

tục;
Tấm bọt Niken được nhúng vào dung dịch trong 1
phút, lấy ra và sấy khô bằng không khí. Lặp lại
nhiều lần sẽ thu được điện cực anot tích hợp
Thực nghiệm
•
Dung dịch chứa etanol 3,0M và KOH 5,0 M, được bơm vào anot với tốc độ 1 ml/phút
•
Oxy tinh khiết 99,5% tại áp suất khí quyển được đưa vào catot với lưu lượng 100 cm
3
/phút
13
13
Kết quả nghiên cứu và giải thích
14
14
Nhận xét: anot tích hợp hoạt động tốt hơn anot được thiết kế truyền thống: mật độ điện năng
tại đỉnh của anot tích hợp là 74 mWcm
-2
, cao hơn 37% so với anot truyền thống. Anot tích
hợp tạo ra mật độ dòng điện lớn nhất 580 mAcm
-2
, cao hơn 21% so với thiết kế truyền
thống. Kết quả này là do:

Diện tích bề mặt hoạt động tăng;

Tốc độ truyền khối tăng;

Điện trở của pin giảm.


Hoạt động của pin
15
15

Diện tích bề mặt hoạt động tăng:
Kết quả nghiên cứu và giải thích
16
16

Tốc độ truyền khối tăng: độ xốp cao và kích thước lỗ rỗng lớn, tạo điều kiện thuận lợi hơn
cho vật chất đi qua;

Điện trở giảm:
Kết quả nghiên cứu và giải thích
-
Độ xốp và kich thước lỗ trống cao hơn tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình vận
chuyển ion OH
-
-
Electron tạo ra từ phản ứng oxy hóa etanol trong lớp xúc tác có thể được dẫn nhanh
qua lớp bọt Niken tạo thành đường dẫn liên tục làm giảm điện trở của pin
17
17

Ảnh hưởng của hàm lượng kim loại Pd
Kết quả nghiên cứu và giải thích
Khi tăng lượng Pd từ 1,5 đến 2,0 mg.cm
-2
, hiệu quả hoạt động của pin tăng lên đáng kể, cụ

thể là mật độ năng lượng tại đỉnh tăng từ 66 đến 102 mWcm
-2
. Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng
lượng Pd trong anot tích hợp từ 2,5 đến 3,0 mg.cm
-2
sẽ dẫn đến mật độ năng lượng giảm từ
85 đến 74 mWcm
-2
, có nghĩa hiệu quả hoạt động của pin giảm. Hiệu quả hoạt động của pin
đạt được tốt nhất khi lượng Pd trong anot đạt 2,0 mg.cm
-2
18
18
Hiện tượng này có thể được giải thích là do nếu lượng Pd quá lớn sẽ làm giảm các lỗ trống
mở của bọt niken, điều này không chỉ làm giảm EASA của màng xúc tác mỏng mà còn làm
tăng trở lực truyền khối và truyền điện.
⇒ Tồn tại giá trị lượng Pd tối ưu trong điện cực anot tích hợp sao cho hoạt động của pin là
tốt nhất
Kết quả nghiên cứu và giải thích
19
19

Ảnh hưởng của nhiệt độ
Kết quả nghiên cứu và giải thích
Hoạt động của pin sẽ được cải thiện khi tăng nhiệt độ. Mật độ năng lượng tại đỉnh là 87 mW
cm
-2
ở nhiệt độ 50
o
C và sẽ tăng đến 130mW cm

-2
ở nhiệt độ 80
o
C. Hơn thế nữa, mật độ
dòng điện tối đa là 820 mA
-2
tại 50
o
C và tăng đến 1.060 mAcm
-2
tại 80
o
C.
Tăng nhiệt độ sẽ làm tăng động học điện hóa của cả hai phản ứng oxy hóa etanol tại anot và
khử oxy tại catot, điều này làm tăng điện thế của pin; tăng nhiệt độ sẽ làm tăng tốc độ truyền
khối và truyền điện tích.
20
20
KẾT LUẬN
Anot tích hợp được tạo thành bởi lớp bọt niken với mảng xúc tác mỏng bám
vào khung sườn của lớp bọt hoạt động tốt hơn so với pin nhiên liệu sử dụng
anot truyền thống, thực nghiệm đã chứng minh trên đã chứng minh do
những nguyên nhân sau

Xúc tác được phân bố tốt trên khung sường của bọt niken dưới dạng
màng, dẫn đến diện tích bề mặt hoạt động tăng lên đáng kể;

Cấu trúc lỗ rỗng lớn và đều trong anot tích hợp đã tăng cường khả năng
vận chuyển tác nhân phản ứng/sản phẩm và các io;


Anot tích hợp làm giảm điện trở của pin;

Điện cực anot tích hợp với lượng Pd 2,0 mg/cm
2
cho hiệu quả hoạt động
cao nhất;

Pin DEFCs màng trao đổi anion có thể cho mật độ năng lượng tại đỉnh là
130 mWcm
-2
và mật độ dòng điện đạt 1060 mA cm
-2
tại 80
o
C