Bước đầu nghiên cứu lắp đặt hệ thống thử nghiệm pin nhiên liệu màng trao đổi proton

Đồ án tốt nghiệp đại học Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan tự thực hiện đồ án dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn.
Kết quả trình bày trong đồ án là do tôi thu thập được trong quá trình thực nghiệm và
sử dụng tài liệu được trích dẫn trong phần tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu
khác. Nếu có sai phạm tôi xin chịu trách nhiệm.
Tp. Vũng Tàu, ngày 01 tháng 07 năm 2014
Sinh viên thực hiện
(Ký và ghi rõ họ tên)
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học i Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
LỜI CẢM ƠN
Đồ án này được thực hiện tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Đại Học Quốc Gia
Tp.HCM - Hóa Lý Ứng Dụng và Bộ môn hóa lý trường Đại Học Khoa Học Tự
nhiên thành phố Hồ Chí Minh. Để đồ án này được hoàn thành, tôi nhận được rất
nhiều sự giúp đỡ quý báu từ thầy cô, anh chị và các bạn. Xin nhận từ tôi lời cảm ơn
chân thành và lòng biết ơn sâu sắc.
Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của quý Thầy Cô trường Đại
học Bà Rịa-Vũng Tàu đã tin tưởng và tạo điều kiện để tôi có thể học tập, nghiên
cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp.
Tiếp theo, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến Cô ThS. Vũ Thị
Hồng Phượng, Thầy TS.Trần Văn Mẫn, đã tận tình giúp đỡ, theo sát quá trình làm
việc của tôi, cho tôi những lời khuyên, lời chỉ dẫn chân tình và tận tụy. Có thể nói,
tôi không thể hoàn thành trọn vẹn đồ án tốt nghiệp của mình nếu không có sự giúp
đỡ của Thầy Cô.
Xin chân thành cảm ơn đến các anh chị, các bạn trong phòng Hóa Lý Ứng
Dụng những người luôn nhiệt tình giúp đỡ, khuyến khích tôi trong suốt thời gian
qua.
Cuối cùng là lời cảm ơn đến gia đình, những người thân, người bạn đã luôn
bên tôi, động viên, khích lệ tiếp thêm sức mạnh để tôi có thể hoàn thành đồ án tốt
nghiệp của mình.

Tp. Vũng Tàu, Ngày 01 tháng 07 năm 2014
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học ii Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
Tôi cam đoan tự thực hiện đồ án dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng
dẫn. Kết quả trình bày trong đồ án là do tôi thu thập được trong quá
trình thực nghiệm và sử dụng tài liệu được trích dẫn trong phần tài liệu
tham khảo, không sử dụng tài liệu khác. Nếu có sai phạm tôi xin chịu
trách nhiệm. i
Tp. Vũng Tàu, ngày 01 tháng 07 năm 2014 i
Sinh viên thực hiện i
(Ký và ghi rõ họ tên) i
LỜI CẢM ƠN ii
Đồ án này được thực hiện tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Đại Học Quốc
Gia Tp.HCM - Hóa Lý Ứng Dụng và Bộ môn hóa lý trường Đại Học
Khoa Học Tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh. Để đồ án này được hoàn
thành, tôi nhận được rất nhiều sự giúp đỡ quý báu từ thầy cô, anh chị và
các bạn. Xin nhận từ tôi lời cảm ơn chân thành và lòng biết ơn sâu sắc .ii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH vii
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 40
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 60
PHỤ LỤC 61
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học iii Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AFC : Pin nhiên liệu kiềm (Alkaline Fuel Cell)
ASTM : Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Hoa kỳ (American Society for

Testing and Materials)
DMFC : Pin nhiên liệu methanol trực tiếp (Direct Methanol Fuel Cells)
FCT-50s : Thiết bị đo điện hóa pin nhiên liệu - 50s (Fuel Cell Testers -
50s)
MCFC : Pin nhiên liệu carbonate nóng chảy (Molten Carbonate Fuel
Cells)
MEA : Tổ hợp màng điện cực (Membrane Electrode Assembly)
PAFC : Pin nhiên liệu acid phosphoric (Phosphoric Acid Fuel Cells)
PC : Máy tính để bàn (Personal Computer)
PEMFC : Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton Exchange
Membrane Fuel Cells)
SOFC : Pin nhiên liệu oxit rắn (Solid Oxide Fuel Cell)
OCV : Thế mạch hở (Open Circuit Voltage)
ORR : Phản ứng khử oxy (Oxygen reduction reaction)
XRF : Phương pháp huỳnh quang tia X (X-ray Flourescene)
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học vi Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo của pin nhiên liệu 4
Hình 1.2. Một vài ứng dụng của pin nhiên liệu 7
Hình 1.3. Mô hình cấu tạo PEMFC 15
Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lí hoạt động của PEMFC 16
Hình 1.5. Cấu trúc Nafion 17
Hình 1.6. Ảnh thực tế tấm MEA 18
Hình 1.7. Một tấm lưỡng cực thường dùng 19
Hình 1.8. Hình ảnh thực tế của tấm điện cực góp 20
Hình 1.9. Thiết bị FCT – 50s 22
Hình 1.10. Mô tả mặt trước và sau của FCT-50s 23
Hình 2.1. Bộ stacks thương mại Horizon 20W 30
Hình 2.2. Bộ stacks thương mại Horizon 20W kết nối với thiết bị đo pin

FCT-50s 31
Hình 2.3. Mạch điện mắc nối tiếp 32
Hình 2.4. Sơ đồ mạch điện thực tế 33
Hình 2.5. Các tấm lưỡng cực mẫu sau khi phủ keo với các kích thước
khác nhau 35
Hình 2.6. Các mẫu vật liệu sau khi cắt trước khi đo 37
Hình 2.7. Máy đo cơ lý Tensilon And RTC 1210A 37
Hình 3.1. Ống dẫn khí Inox 304 cho hệ đo FCT - 50s 41
Hình 3.2. Van khí cho hệ FCT-50s 41
Hình 3.3. Hình ảnh sơ bộ về đường ống dẫn khí 42
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học vii Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
Hình 3.4. Trạm khí cung cấp cho hệ FCT-50s 42
Hình 3.5. Tủ hút ESCO và thiết bị FCT-50s 43
Hình 3.6. Giao diện chính của phần mềm FC-Lab 45
Hình 3.7. Phần mềm FC-Lab kết nối với FCT-50s 45
Hình 3.8. Cột bên trái của giao diện tại thẻ “Gas” 47
Hình 3.9. Kiểm tra hoạt động của dòng khí với các lưu lượng khác nhau.
48
Hình 3.10. Đồ thị biểu diễn thông số lưu lượng khí H2 ổn định tại các giá
trị khác nhau 49
Hình 3.11. Đồ thị biểu diễn thông số lưu lượng khí O2 ổn định tại các giá
trị khác nhau 50
Hình 3.12. Ổn định áp suất khí H2 1 (bar) với lưu lượng 100ml/mn trong
hệ đo FCT-50s 50
Hình 3.13. Ổn định áp suất khí H2 1 (bar) với lưu lượng 300ml/mn trong
hệ đo FCT-50s 51
Hình 3.14. Ổn định áp suất khí H2 1 (bar) với lưu lượng 600ml/mn trong
hệ đo FCT-50s 51
Hình 3.15. Điện áp đạt được của bộ stacks sinh ra ở thời gian ban đầu

thử nghiệm 53
Hình 3.16. Kết quả đo thế mạch hở OVC 53
Hình 3.17. Sụt thế của bộ stacks sinh ra sau một thời gian sử dụng 54
Hình 3.18. Dòng điện đo được của bộ stacks. 55
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học viii Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Ứng dụng của pin nhiên liệu được chia thành 3 loại chính [7] 7
Bảng 1.2. So sánh đặc điểm giữa các loại pin nhiên liệu [1] 11
Bảng 1.3. Thông số kỹ thuật của thiết bị FCT-50s 23
Bảng 2.1. Lưu lượng các dòng khí ra khỏi FCT-50s 28
Bảng 2.2. Ổn định áp suất của hệ 1 bar với lưu lượng khí H2 100 ml/mn.
29
Bảng 2.3. Ổn định áp suất của hệ 1 bar với lưu lượng khí H2 300 ml/mn.
29
Bảng 2.4. Ổn định áp suất của hệ 1 bar với lưu lượng khí H2 600 ml/mn.
29
Bảng 2.5. Thông số kỹ thuật của bộ stacks thương mại Horizon 20W .29
Bảng 2.6. Các thiết bị cho mạch điện một chiều 31
Bảng 2.7. Kích thước keo phủ của các tấm lưỡng cực 34
Bảng 2.8. Thể tích keo phủ của các tấm than 35
Bảng 2.9. Kết quả kiểm tra rò khí tấm lưỡng cực 35
Bảng 2.10. Mô tả điều kiện thí nghiệm các tấm lưỡng cực phủ Silicon D =
4mm 36
Bảng P.1.1. Phân tích XRF của Inox-304 61
Bảng P.1.2. Phân tích XRF của Inox-201 62
Bảng P.1.3. Kết quả đo cơ lý mẫu Silicon 63
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học ix Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
LỜI MỞ ĐẦU

Năng lượng rất quan trọng, cần thiết đối với mọi hoạt động sống của con
người. Hầu hết nguồn năng lượng sử dụng hiện nay đều bắt nguồn từ nhiên liệu hóa
thạch như: than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên…, và không thể tái tạo được. Đó là những
nguồn năng lượng có nhiều bất lợi, chúng gây ô nhiễm môi trường và dẫn đến tình
trạng thay đổi khí hậu toàn cầu, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và gây ra thiên
tai như: hạn hán, lũ lụt, nước biển dâng,… đe dọa tới ngôi nhà chung Trái Đất. Các
nguồn năng lượng khác và thiết bị chuyển hóa năng lượng đang dần được chú trọng
phát triển để tìm ra kết quả tối ưu. Thành công lớn trong hướng phát triển trên là pin
nhiên liệu với hiệu suất làm việc cao cũng như khả năng hoạt động tốt. Hiện nay,
pin nhiên liệu được cải tiến liên tục và đã được thương mại hóa. Dựa vào nguyên
liệu đầu vào và nguyên lý hoạt động mà chia pin nhiên liệu thành các loại khác
nhau, trong đó pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) có khả năng hoạt động
và hiệu suất tối ưu nhất. Phần lớn pin nhiên liệu sử dụng hydro và oxy làm nguồn
chạy pin, một số khác dùng metan và metanol lỏng. Kết quả khảo sát được công bố
tháng 12/2004 của Fuel Cells Today cho thấy số hệ thống pin nhiên liệu hoàn chỉnh
(có khả năng sản xuất điện độc lập) trên toàn thế giới đã vượt qua con số 11.000
đơn vị. Pin nhiên liệu được sản xuất dưới nhiều kích cỡ, tạo ra lượng điện vừa phải
để chạy các thiết bị xách tay, ôtô hoặc lượng điện lớn để phục vụ sản xuất, sinh hoạt
gia đình và quân sự (trạm phát điện).
Trước những lợi ích mang lại bởi pin nhiên liệu, mà ngày càng có nhiều
nghiên cứu để cải tiến giúp làm giảm giá thành mà hiệu suất đạt tối đa, đưa pin
nhiêu liệu trở thành nguồn năng lượng gần gũi, dễ sử dụng và hữu ích cho con
người. Từ những kết quả đạt được của Phòng thí nghiệm trọng điểm Đại Học Quốc
Gia TP.HCM-Hóa Lý Ứng Dụng đã chế tạo thành công một số thành phần trong pin
nhiên liệu màng trao đổi proton. Vì vậy, đề tài nghiên cứu này tập trung vào những
mục tiêu sau: Thiết kế lắp đặt hệ thống khí cho thiết bị FCT-50s; Nghiên cứu thiết
lập thông số hệ thống cho FCT-50s khi vận hành; Bước đầu thử nghiệm bộ stacks
thương mại Horizon 20W; Thử nghiệm và đánh giá tính chất của một vài thành
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 1 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT

phần trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton thông qua báo cáo “Bước đầu
nghiên cứu lắp đặt hệ thống thử nghiệm pin nhiên liệu màng trao đổi proton”.
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 2 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu pin nhiên liệu
1.1.1. Định nghĩa pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu là thiết bị chuyển hóa điện năng trực tiếp từ phản ứng hóa học của
nhiên liệu với oxy hoặc tác nhân oxy hóa khác. Nguồn nhiên liệu sử dụng ở dạng
khí hoặc lỏng (thường là khí H
2
) thay vì tác chất rắn (kim loại và oxit kim loại) như
các nguồn điện trước đây. Về cơ bản, pin nhiên liệu có bản chất là pin điện hóa, hoạt
động với nguyên tắc tương tự như các loại pin khác. Tuy nhiên, so với các pin sơ
cấp và pin thứ cấp thông thường, pin nhiên liệu vẫn có những điểm khác: nhiên liệu
và tác nhân oxy hóa cần thiết phải được cung cấp liên tục để pin có thể hoạt động
và điện năng sẽ được giải phóng liên tục khi nhiên liệu vẫn được nạp liên tục vào
pin. Nhiên liệu được oxy hóa ở anot trong khi tác nhân oxy hóa (thường là khí oxy)
được cung cấp ở catot [6].
Với việc chuyển đổi năng lượng trực tiếp thành năng lượng điện giúp cho pin
nhiên liệu đạt hiệu suất cao nên mức độ gây ô nhiễm của nó thực sự thấp nhất so
với các thiết bị chuyển đổi năng lượng khác, ngoài ra còn do nhiên liệu đầu vào
không hoặc rất ít gây ô nhiễm. Nhờ những phản ứng hóa học diễn ra trong môi
trường đặc biệt mà pin nhiên liệu tạo ra được dòng điện mà không giống như những
phản ứng thông thường khác [1].
1.1.2. Nguyên lý hoạt động
Để tạo được dòng điện thì trong pin nhiên liệu phải có các phản ứng hóa học
đặc biệt, với nhiên liệu, thường là hydro đi vào ngăn anot trong pin sẽ bị phân ly
thành H
+

và electron. Electron mang điện tích âm sẽ đi qua dây dẫn ra ngoài tạo
thành dòng điện một chiều. Oxy ở catot sẽ kết hợp với H
+
sau khi đi qua chất điện giải
và electron tạo thành nước.
Chất điện giải chỉ cho phép những ion mong muốn đi qua giữa anot và catot vì
nếu electron hay các chất khác cũng có thể đi qua thì chúng sẽ xảy ra các quá trình
không mong muốn [2].
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 3 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
Phản ứng tổng là phản ứng nghịch của quá trình điện phân nước. Dưới đây là
phương trình mô tả hai bán phản ứng cơ bản trong pin nhiên liệu:
Phản ứng trên anot: 2H
2
→ 4H
+
+ 4e
-
Phản ứng trên catot: O
2
+ 4H
+
+ 4e
-
→ H
2
O
Tổng quát: 2H
2
+ O

2
→2H
2
O + năng lượng (điện)
Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo của pin nhiên liệu.
Mặc dù có thế lý thuyết ban đầu là 1,18V (ở 80
o
C), pin nhiên liệu H
2
- O
2
không bao giờ đạt được giá trị thế này do trong quá trình hoạt động, thế bị mất mát
thông qua quá trình chuyển khối lượng, điện trở của thiết bị hay động học của phản
ứng ORR. Nhưng thông thường một đơn pin chỉ đạt 0,7V nên cần ghép nối các đơn
pin tạo ra dòng điện mong muốn thường gọi là stacks [2].
1.1.3. Ưu và nhược điểm
a) Ưu điểm
Pin nhiên liệu có hiệu suất cao so với thiết bị chuyển đổi năng lượng khác mà
không phụ thuộc vào kích thước pin do việc sử dụng trực tiếp nhiên liệu hydro có
hiệu năng cao gấp hai lần khi sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Hiệu suất sử dụng
hydro cao từ 40% đến 75% khi hoạt động bình thường, hiệu suất tiềm năng đến
85% [4]. Khả năng tối ưu hóa cả nhiệt năng lẫn điện năng của pin nhiên liệu đóng
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 4 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
góp một phần không nhỏ làm giảm ô nhiễm bầu khí quyển. Ví dụ như một pin nhiên
liệu hoạt động với hiệu suất 60% sẽ thải ra ít hơn 35% – 60% CO
2
so với nhiên liệu
hóa thạch và ít hơn đến 80% khi sử dụng nhiên liệu hydro. Khi so sánh với pin-
ăcquy thông thường, pin nhiên liệu có những lợi thế: cùng một dung lượng thì pin

nhiên liệu gọn, nhẹ, và tiện dụng hơn. Nếu muốn tăng năng lượng cung cấp từ pin
nhiên liệu, nhiên liệu sẽ phải được cung cấp nhiều hơn. Nếu muốn tăng năng lượng
cho pin-ăcquy, phải lắp một hệ gồm nhiều pin-ăcquy mắc nối tiếp. Do vậy, với cùng
một hiệu quả năng lượng, pin có giá thành đắt hơn và hệ thống trở nên phức tạp hơn
so với pin nhiên liệu. Ngoài ra, pin nhiên liệu sẽ không bao giờ “xuống cấp” vì một
khi nhiên liệu còn được cung cấp, pin nhiên liệu sẽ còn hoạt động. Trong khi đó,
pin-ăcquy sẽ xuống cấp vì chỉ hoạt động trong một số chu kỳ phóng - sạc nhất định.
Thế hệ pin Lithium được sử dụng rất mạnh ngày nay trong các thiết bị như: laptop,
điện thoại di động,… thật ra vẫn còn vướng phải một điểm trừ lớn đến từ thời gian
làm việc hạn chế của pin. Thêm nữa, trong khi với pin thứ cấp, thời gian sạc pin lâu
thì thời gian sạc pin nhiên liệu rất nhanh và thời gian sạc nhanh không ảnh hưởng
đến khả năng hoạt động của pin nhiên liệu [2].
Vận hành pin nhiên liệu không gây ồn và sản phẩm thải ra chỉ là nước và
dioxit cac bon . Pin nhiên liệu giúp giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ, giảm lượng dioxit
cacbon (một trong các khí gây ra hiệu ứng nhà kính), oxit lưu huỳnh và nitơ là các
khí gây ô nhiễm môi trường đang là vấn đề lớn cho xã hội. Pin nhiên liệu không có
các bộ phận chuyển động cơ học do đó pin nhiên liệu có tuổi thọ và độ tin cậy cao.
Những điều trên cho thấy pin nhiên liệu xứng đáng là một trong những mục tiêu
hàng đầu để nghiên cứu, phát triển và thay thế nhiên liệu hóa thạch trong tương lai
[5].
b) Nhược điểm
Giá thành sản xuất pin nhiên liệu quá cao để sản xuất đại trà do pin có các bộ
phận sử dụng công nghệ chế tạo hiện đại và vật liệu đắt tiền (như xúc tác bạch kim),
màng trao đổi, điện cực.
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 5 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
Một số loại pin nhiên liệu có thể tích lớn nên gặp nhiều khó khăn trong việc
ứng dụng vào phương tiện giao thông, trạm phát điện. Đây là một khó khăn với
công nghệ hiện nay.
Việc sản xuất, lưu trữ và vận chuyển khí hydro gặp nhiều khó khăn do dễ cháy

nổ vì vậy chi phí sản xuất và bảo quản tốn kém [5].
1.1.4. Ứng dụng của pin nhiên liệu
Rất nhiều chương trình nghiên cứu nhằm vào phát triển pin nhiên liệu cho các
phương tiện giao thông vận tải do hiện nay vẫn chủ yếu dùng xăng là nguồn cung
cấp năng lượng chính. Công nghệ hiện nay đã cho phép sử dụng pin nhiên liệu vào
các loại ô tô và xe buýt. Ô tô điện chạy bằng pin nhiên liệu có khả năng vận hành
với bán kính chạy xe tương đương với ô tô dùng động cơ đốt trong. Hiện nay các
loại pin nhiên liệu được dùng nhiều do pin có thể phát ra công suất đủ lớn trong
điều kiện nhiệt độ khí trời (mặc dù chế độ nhiệt chuẩn của nó là 80
o
C). Loại pin này
đảm bảo sự chuyển đổi các chế độ làm việc của ô tô khi có tải cũng như khi dừng xe
[9]. Các hãng ô tô lớn như De NORA (Ý), Ballard, Power System (Canada) đã phát
triển các loại pin nhiên liệu rất nhỏ gọn. Canada đã phát triển pin nhiên liệu cho ô tô
với công suất 120kW.
Tháng 7/1998, công ty ZEVCO (the Zero Emission Vehicle Company) đã tung ra
chiếc taxi mẫu đầu tiên tại London nước Anh. Chiếc taxi sử dụng một bộ pin nhiên
liệu kiềm 5kW, xe chạy không sinh ra khí độc và vận hành rất êm, gần như không
gây tiếng động như những taxi chạy bằng động cơ đốt trong thông thường.
Năm 1999, Daimler Chrysler hợp tác cùng với Ford và Ballar Power Systems
giới thiệu xe NECAR 4 (New Electric Car 4) dùng PEMFC được cung cấp nhiên
liệu từ một bình hydro lỏng có tầm hoạt động 450km và vận tốc nhanh nhất là 140
km/h.
Năm 2001, Opel và General Motor giới thiệu loại xe HydroGen 3 với bình
hydro lỏng dung tích 68 lít có tầm hoạt động 400 km/h và vận tốc nhanh nhất là 150
km/h.
Các loại xe buýt của Daimler Chrysler và của MA dùng PEMFC cũng đang
được chạy thực nghiệm ở nhiều thành phố trên thế giới. Nhiều thiết bị kết hợp phát
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 6 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT

điện và sưởi ấm từ PEMFC của hãng Ballard Power Systems cũng đang được thử
nghiệm tại Berlin (Đức).
Từ năm 2003 hai hãng đóng tàu của Đức đã cung cấp loại tàu ngầm vận hành
bằng điện được cung cấp từ máy phát điện diesel và từ một hệ thống pin nhiên liệu
hyđro.
Một số vật dụng cầm tay như điện thoại di động, máy vi tính xách tay, máy
quay phim, vật liệu cắm trại hay quân sự cũng đang tiến tới ứng dụng loại nguồn
cung cấp năng lượng này [4].
Hình 1.2. Một vài ứng dụng của pin nhiên liệu.
Bảng 1.1. Ứng dụng của pin nhiên liệu được chia thành 3 loại chính [7].
Ứng Dụng Di Động Cố Định Vận Chuyển
Định Nghĩa FC được thiết kế
để dễ dàng di
chuyển, bao gồm
cả nguồn năng
lượng phụ trợ
(APU)
Trạm FC cung cấp
điện (đôi khi cả
nhiệt)
FC cung cấp nguồn
dẫn động cho
phương tiện giao
thông
Công Suất 5W đến 20W 0,5 kW đến 400
kW
1kW đến 100 kW
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 7 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
Loại Pin PEMFC

DMFC
MCFC
PMFC
PAFC
SOFC
PEMFC
DMFC
Ví Dụ APU không động
cơ (tàu thuyền,
đèn,…)
Ứng dụng quân sự
(nguồn điện cầm
tay, máy phát điện,
…)
Thiết bị di động
(đèn pin, bộ sạc
pin…)
Thiết bị điện tử cá
nhân (máy nghe
nhạc mp3, máy
ảnh,…)
Trạm cố định lớn
tổ hợp nhiệt và
điện (CHP)
Trạm nhỏ micro-
CHP
Nguồn cung cấp
điện liên tục (UPS)
Bộ vận hành xe
Xe tải và xe buýt

Xe điện pin nhiên
liệu (FCEV)
1.2. Phân loại pin nhiên liệu
Hiện nay, có nhiều cách phân loại pin nhiên liệu dựa trên: chất điện giải, loại
nhiên liệu, nhiệt độ vận hành,… tuy nhiên, thường được phân loại dựa vào chất điện
giải được sử dụng phổ biến nhất. Tên chất điện giải được lấy làm tên gọi để phân biệt
các loại pin nhiên liệu khác nhau như: AFC, PEMFC, PAFC, MCFC, …Từng loại pin
nhiên liệu sẽ được lần lượt giới thiệu sau đây [3].
1.2.1. AFC (Alkaline Fuel Cell) - pin nhiên liệu kiềm
Pin nhiên liệu kiềm sử dụng hydro và oxy nén làm nhiên liệu, dùng dung dịch
kiềm KOH làm chất điện giải. Hiệu suất pin khoảng 70% và hoạt động từ 150 đến
200
o
C. Công suất đầu ra khoảng từ 300W đến 5kW. Do kích thước nhỏ, nhẹ, hiệu
suất cao nên pin nhiên liệu này thường được dùng trong các phương tiện xe cộ, giao
thông.
Phản ứng hóa học xảy ra trên điện cực diễn ra như sau:
Phản ứng trên anot: 2H
2
+ 4OH
-
→ 4H
2
O + 4e
-

Phản ứng trên catot: O
2
+ 2H
2

O + 4e
-
→ 4OH
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 8 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
Tổng quát: 2H
2
+ O
2
→ 2H
2
O + năng lượng (điện)

1.2.2. MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) - pin nhiên liệu muối carbonate
nóng chảy
MCFC dùng muối carbonate của Na và Mg ở nhiệt độ cao làm chất điện giải.
Hiệu suất pin đạt từ 60% đến 80% vận hành ở nhiệt độ khoảng 600-700
o
C. Hệ pin có
công suất đầu ra 2 MW và có thể đạt đến 100MW khi được thiết kế tối ưu. MCFC
dùng xúc tác điện cực niken nên không đắt so với xúc tác điện cực bạch kim của
AFC. Tuy nhiên, nhiệt độ cao cũng có mặt hạn chế về vật liệu và an toàn. Bên cạnh
đó, ion carbonate từ chất điện giải sẽ bị tiêu hao trong phản ứng, đòi hỏi phải tiếp
thêm khí carbonic bù vào.
Phản ứng hóa học xảy ra trên điện cực diễn ra như sau:
Phản ứng trên anot: CO
3
2-
+ H
2

→ H
2
O + CO
2
+ 2e
-
Phản ứng trên catot: CO
2
+
½ O
2
+ 2e
-
→ CO
3
2-

Tổng quát: H
2
(k) + ½ O
2
(k) + CO
2
(catot) → H
2
O(k) + CO
2
(anot)+ điện năng
1.2.3. PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) - pin nhiên liệu axit phosphoric
PAFC dùng axit phosphoric làm chất điện giải, hiệu suất pin đạt từ 40 đến

80% và nhiệt độ vận hành từ 150 đến 200
o
C. PAFC có công suất đến 200 kW
và đã thử nghiệm đạt 11 MW. PAFC có thể chịu được nồng độ CO khoảng
1,5% do đó dễ dàng chọn lựa loại nhiên liệu. PAFC đòi hỏi điện cực bạch kim
và các bộ phận bên trong phải chống chịu được ăn mòn axit.
Phản ứng hóa học xảy ra trên điện cực diễn ra như sau:
Phản ứng trên anot: 2H
2
→ 4H
+
+ 4e
-
Phản ứng trên catot: O
2
+ 4H
+
+ 4e
-
→ 2H
2
O
Tổng quát: 2H
2
+ O
2
→ 2H
2
O + năng lượng (điện)
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 9 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

Đồ án tốt nghiệp đại học Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
1.2.4. PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) - pin nhiên liệu màng
trao đổi proton
PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell - pin nhiên liệu màng điện
phân polymer) hoạt động với một màng điện giải mỏng, hiệu suất pin từ 40% đến
50% và vận hành ở nhiệt độ thấpkhoảng 80
o
C. Công suất linh hoạt có thể chỉ 2 kW
cho các ứng dụng nhỏ di động hay từ 50 đến 250 kW cho các ứng dụng lớn hơn. Vận
hành ở nhiệt độ thấp nên PEMFC thích hợp cho các ứng dụng trong gia đình và xe cộ.
Tuy nhiên, nhiên liệu cung cấp cho PEM đòi hỏi phải được tinh sạch (không lẫn
nhiều tạp chất) và PEMFC cũng cần xúc tác bạch kim đắt tiền ở cả hai điện cực, gia
tăng chi phí.
Phản ứng hóa học xảy ra trên điện cực diễn ra như sau:
Phản ứng trên anot: 2H
2
→ 4H
+
+ 4e
-
Phản ứng trên catot: O
2
+ 4H
+
+ 4e
-
→ 2H
2
O
Tổng quát: 2H

2
+ O
2
→ 2H
2
O + năng lượng (điện)
1.2.5. SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) - pin nhiên liệu oxit rắn
SOFC sử dụng hợp chất oxit kim loại rắn (như canxi hay kẽm) làm chất điện
giải, hiệu suất đạt được khoảng 60% và vận hành ở nhiệt độ từ 600
o
C đến 1000
o
C.
Được phát triển từ cuối những năm 50 của thế kỉ trước, đây là dạng pin nhiên liệu vận
hành ở nhiệt độ cao nhất hiện nay. Nhiệt độ cao cho phép pin có thể sử dụng được
nhiều loại nhiên liệu đầu vào như: khí thiên nhiên, sinh khối hydrocarbon (trích xuất
lấy hydro trực tiếp mà không cần phải qua chuyển hóa nhiệt). Công suất đầu ra của
pin đến 100 kW. Vận hành ở nhiệt độ cao như vậy chất điện giải là vật liệu oxit rắn,
mỏng và cho phép ion oxy (O
2-
) đi qua.
Phản ứng hóa học xảy ra trên điện cực diễn ra như sau:
Phản ứng trên anot: 2H
2
+ 2O
2
-
→ 2H
2
O + 4e

-

Phản ứng trên catot: O
2
+ 4e
-
→ 2O
2-
Tổng quát: 2H
2
+ O
2
→ 2H
2
O + năng lượng (điện)
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 10 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
1.2.6. DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) - pin nhiên liệu dùng metanol trực
tiếp
DMFC tương tự như PEMFC ở chỗ chất điện giải là polyme và điện tích vận
chuyển là ion hydro (proton).Với DMFC, nhiên liệu metanol lỏng (CH
3
OH) bị oxy
hóa trong nước ở anot, sinh ra khí carbonic, ion H
+
đi qua chất điện giải, phản ứng
với oxy và các electron từ dòng điện tạo thành nước ở anot, hoàn thành chu trình.
DMFC hoạt động ở nhiệt độ 50
o
C-120

o
C, với nhiệt độ vận hành thấp và không đòi hỏi
phải qua bước chuyển hóa thành hydro mà có thể dung trực tiếp nhiên liệu methanol.
Phản ứng hóa học xảy ra trên điện cực diễn ra như sau:
Phản ứng trên anot: CH
3
OH + H
2
O → CO
2
+ 6H
+
+ 6e
-
Phản ứng trên catot: 3/2O
2
+ 6H
+
+ 6e
-
→ 3H
2
O
Tổng quát: CH
3
OH + 3/2 O
2
→ CO
2
+ 2H

2
O + năng lượng (điện)
Bảng 1.2. So sánh đặc điểm giữa các loại pin nhiên liệu [1].
AFC PAFC MCFC SOFC PEMFC DMFC
Ứng
dụng
chính
Phương
tiện
không
gian và
nước
uống
Trạm phát
năng lượng
Năng
lượng cố
định
Năng
lượng
phương
tiện phụ
Ôtô, trạm
phát năng
lượng
Năng
lượng di
động
Chất
điện giải

Kiềm
KOH đặc
(30-50%)
dung môi
nước
Acid
phosphoric
đặc 100%
Muối
carbonate
nóng chảy
trong
khung
gốm
LiAlO
2
Y
2
O
3
hoặc
ZrO
2
Màng
polyme
Màng
polyme
Khoảng
nhiệt độ
hoạt

50-200
o
C 150-220
o
C 600-700
o
C 700-
1000
o
C
50-100
o
C 0-60
o
C
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 11 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
động
(
o
C)
Điện tích
trao đổi
OH
-
H
+
CO
3
2-

O
2-
H
+
H
+
Thành
phần chủ
yếu
Carbon Graphite thép Gốm Carbon Carbon
Chất xúc
tác
Pt Pt Ni CaTiO
3
Pt Pt-Pt/Ru
Nhiên
liệu
chính
H
2
H
2
H
2
, CO,
CH
4
H
2
, CO H

2
Metanol
Thời
gian
khởi
động
vài giờ vài giờ vài giờ
khoảng 2
phút
khoảng 2
phút
Mật độ
công
suất
(kW/m
3
)
~1 0.8-1.9 1.5-2.6 0.1-1.5 3.8-6.5 ~0.6
Hiệu
suất hệ
thống
50-60% 55% 55-65% 55-65% 50-60% 30-40%
Kết quả tìm hiểu và thu thập được ở trên cho thấy các điểm mạnh của pin nhiên liệu nói
chung cũng như PEMFC nói riêng, từ đó chọn PEMFC là mục tiêu nghiên cứu chính của đồ
án này. PEMFC được đề cập rõ ở mục 1.3.
1.3. Pin nhiên liệu màng trao đổi proton PEMFC
PEMFC lần đầu tiên được sử dụng vào những năm 60 của thế kỉ trước trong
chương trình không gian Gemini của NASA, đến nay PEMFC đã được phát triển
với những hệ thống công suất từ 1W đến 2kW. So với các dạng pin nhiên liệu khác,
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 12 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

Đồ án tốt nghiệp đại học Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
PEMFC đạt hiệu suất cao hơn nhiều. Hơn nữa, nhiệt độ vận hành dưới 100
o
C cho
phép khởi động nhanh.
Chất điện giải trong pin nhiên liệu này là màng trao đổi ion, có khả năng trao
đổi ion rất tốt. Chất lỏng duy nhất trong PEMFC là nước nên vấn đề ăn mòn rất
nhỏ. Thông thường điện cực giấy carbon phủ xúc tác Platin được sử dụng cho cả
catot và anot thông qua liên kết C - Pt.
Việc kiểm soát nước trong màng là rất quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất hệ
thống. PEMFC phải hoạt động ở điều kiện mà tốc độ bay hơi của nước không nhanh
hơn tốc độ tạo thành của chúng (vì màng trao đổi phải được hydrate hóa).
Nhiệt độ hoạt động tùy thuộc vào từng loại polyme trong khoảng 60-80
o
C và
luôn nhỏ hơn 100
o
C. Nhiên liệu hydro đầu vào phải tinh khiết hàm lượng khí CO
phải ở mức tối thiểu, tốt nhất là không có CO (vì CO là chất ức chế hoạt động ở
nhiệt độ thấp).
Lượng xúc tác được sử dụng nhiều hơn (thường dùng là Platin) so với PAFC
cho cả catot và anot. Quá trình xử lý nhiên liệu được yêu cầu giống các loại nguyên
liệu khác vì anot dễ bị ngộ độc bởi hàm lượng nhỏ của CO, hợp chất sulfur và
halogen [1].
1.3.1. Ưu và nhược điểm
a) Ưu điểm
PEMFC có hiệu suất cao nên có thể ứng dụng cho các thiết bị di động, cầm tay
đặc biệt là ứng dụng cho ngành công nghiệp sản xuất ô tô chạy trực tiếp từ nhiên
liệu hydro. Với màng ngăn polyme dẫn truyền ion H
+

nên pin có nhiệt độ hoạt động
thấp.
Nhiệt độ hoạt động thấp của PEMFC cho phép khởi động nhanh chóng.
Không có các tác nhân gây ăn mòn, vì thế không yêu cầu cao về vật liệu trong các
pin ghép (stacks).
PEMFC có khả năng đạt mật độ công suất trên 2 kW/dm
3
.
Các vấn đề như: lắp ráp, đóng gói, xử lý khác ít phức tạp hơn so với hầu hết
các pin nhiên liệu khác.
b) Nhược điểm
Phạm vi nhiệt độ hoạt động thấp và hẹp, khó điều chỉnh nhiệt, đặc biệt là ở các
mật độ dòng cao, sử dụng nhiệt sinh ra từ hệ thống gặp nhiều khó khăn.
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 13 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
Điều khiển lượng nước là một thách thức lớn cho việc thiết kế, kỹ thuật.
Ngoài ra, PEMFC hoạt động khá nhạy với hàm lượng nhỏ của các hợp chất
chứa CO, sulfur, và halogen.
1.3.2. Môi tường trong PEMFC
Môi trường trong PEMFC là một môi trường axit gồm các ion sulphate và
fluoride, khí ẩm là hydro tại anot và oxy tại catot. Trong thực tế môi trường PEMFC
phụ thuộc vào điều kiện hoạt động và thiết kế của pin, dung dịch nước thu hồi từ
PEMFC là axit (pH = 1-4) lúc bắt đầu hoạt động và gần như nước tinh khiết (pH =
6-7) sau khi hoạt động trong một thời gian. Một số tài liệu cho rằng nước ra từ
PEMFC có pH =1-2 lúc khởi động và tăng lên pH = 4 sau vài giờ. Giá trị pH thấp
lúc đầu là do axit dư từ màng, vì màng trao đổi proton thường được xử lý hòa tan
ion kim loại trước khi sử dụng trong axit sulfuric đặc. Tài liệu khác đề nghị rằng
điều kiện hoạt động PEMFC có pH = 3.6 với nồng độ F
-
là 1,8 ppm tại anot và

pH=4,02 với nồng độ F
-
là 1,1 ppm tại catot. Nước từ anot và catot PEMFC khác
nhau sau 500 giờ hoạt động còn được phân tích, kết quả là nước anot chứa ít ion
hơn dung dịch catôt. Một số nồng độ H
2
SO
4
và HF lọc ra từ màng trong suốt thời
gian hoạt động của PEMFC là 10
-5
M H
2
SO
4
+ 5,5.10
-5
M HF (pH = 4,66) và 10
-4
M
H
2
SO
4
+ 9.10
-5
M HF (pH = 4,29) là gần với môi trường anot và catot PEMFC thực
[4].
1.3.3. Cấu tạo của PEMFC
Thông thường PEMFC gồm có 3 thành phần cơ bản:

- Màng điện giải là chất điện giải rắn, thường dùng màng Nafion.
- Điện cực: anot, catot.
- Tấm lưỡng cực (Bipolar Plate)
Bên cạnh đó còn kể đến các bộ phận cấu thành nên một pin nhiên liệu hoàn chỉnh
như: tấm điện cực góp, tấm vỏ ngoài, gioăng đệm, …
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 14 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
Hình 1.3. Mô hình cấu tạo PEMFC.
Cơ chế hoạt động trong PEMFC
Nhờ chất xúc tác ở anot (thường là Platin) quá trình oxy hóa hydro thành
proton H
+
và electron, đối với electron thì màng Nafion chỉ cho đi thông qua một
dây dẫn ra ngoài và tạo thành dòng điện, proton (H
+
) đi qua màng Nafion và tác
dụng lại với khí oxy và electron ở catot thành nước. PEMFC cho hiệu suất cao vì
quá trình tạo thành dòng điện trực tiếp từ năng lượng hoá học mà không qua giai
đoạn trung gian chuyển thành nhiệt năng như các hệ thống khác (thủy điện, nhiệt
điện, ) [1].
Có 3 nguyên nhân chính khiến H
2
là nhiên liệu được ưa chuộng trong pin nhiên
liệu. Thứ nhất, so với các nhiên liệu khác (methanol, ethanol, acid formic,…) thì khí
H
2


có mật độ năng lượng lớn nhất (33,3 Wh/g). Thứ hai, trong số các nhiên liệu linh
động (như chất rắn nóng chảy, chất lỏng, chất hơi, chất khí) thì khí H

2
là khí dễ bị
oxy hóa nhất ở điều kiện phòng. Thứ ba, nếu nhiên liệu là H
2
và nguồn oxy hóa là
không khí (khí O
2
trong không khí) thì sản phẩm tạo ra ngoài điện năng là H
2
O
hoàn toàn thân thiện với môi trường [2].
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 15 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lí hoạt động của PEMFC.
a) Màng điện giải (electrolyte)
Trong PEMFC, màng Nafion được sử dụng làm màng điện giải rắn đảm nhận
chức năng trao đổi proton. Nafion được phát triển bởi Tiến sĩ Walther Grot tại
DuPont trong cuối những năm 1960 bằng cách thay đổi Teflon. Trong các loại
màng trao đổi proton, Nafion là polyme tổng hợp đầu tiên và là một ionome
(polyme dẫn điện theo cơ chế ion).
Nafion dẫn ion được là nhờ gắn thêm vào nhóm acid sulfonic (có tính acid) ở
cuối dây polyme. Ban đầu, Nafion được sản xuất ở dạng muối với các nhóm acid
sulfonic bị vô hiệu hóa, ở dạng này Nafion là nhựa nhiệt dẻo nhưng không có hoạt
tính. Sau khi ép đúc (thường là tấm hoặc ống), Nafion được hoạt hóa bằng cách
chuyển đổi từ dạng muối thành dạng acid, ở giai đoạn này, Nafion là một loại nhựa
trong suốt tương tự thù hình của Teflon, nhưng đục hơn. Khi được kích hoạt,
Nafion ngay lập tức phản ứng với môi trường xung quanh.
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 16 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
CF
2

CF
2
CF
CF
2
O
CF
2
CF
O
CF
2
CF
2
SO
3
H
CF
3
x
y
n
CF
2
CF
2
CF
CF
2
O

CF
2
CF
O
CF
2
CF
2
SO
3
H
CF
3
x
y
n
Đồ án tốt nghiệp đại học Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
Độ ẩm trong không khí được hấp thụ và điều tiết với Nafion. Các tạp chất
trong không khí có thể phản ứng với màng, theo thời gian, tạp chất đó bám dần trên
bề mặt của Nafion. Màu sắc của Nafion thay đổi dần dần từ trắng đục sang màu
vàng, sau đó màu nâu, thậm chí là đen nhưng hóa tính của Nafion như tính thấm
nước, trao đổi ion và xúc tác acid không bị ảnh hưởng.
Công thức hóa học của Nafion được đề nghị với cấu trúc:
Hình 1.5. Cấu trúc Nafion.
Nafion kết hợp cả lý tính và hóa tính của Teflon, nhóm acid sulfonic với tính
trao đổi ion tạo nên những đặc tính ưu việt.
Nafion trơ về mặt hóa học, chỉ kim loại kiềm (đặc biệt là natri) mới có thể phá
hủy trực tiếp trong điều kiện bình thường. Nafion có nhiệt độ làm việc tương đối
cao so với các polyme khác, Nafion được sử dụng trong một số ứng dụng ở nhiệt độ
lên đến 190°C. Nafion là chất dẫn ion tốt, có tính chọn lọc cao và siêu thấm nước.

Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng quá cao, tính bền cơ lý của màng sẽ bị phá vỡ. Độ dẫn
của màng phụ thuộc rất lớn vào độ ẩm của màng (độ hydrate hóa của màng) [1].
b) Điện cực anot và catot
Cực âm (anot) có nhiệm vụ chính là: dẫn những điện tử tách ra từ phân tử
hydro để sử dụng cho mạch điện bên ngoài. Có cấu trúc với những khe rất nhỏ, rất
đều đặn để khí hydro được phân bố đều trên mặt điện cực khi gặp chất xúc tác,
thường được làm bằng carbon xốp có phủ chất xúc tác điện hóa để xúc tác cho các
quá trình catot, anot.
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 17 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Đồ án tốt nghiệp đại học Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
Cực dương (catot) cũng có cấu trúc bề mặt là các rãnh nhỏ như cực âm, có
nhiệm vụ dẫn khí oxy tới mặt chất xúc tác. Đồng thời nó cũng dẫn điện từ mạch
điện bên ngoài, kết hợp với ion hydro và oxy tạo ra nước tinh khiết.
Hiện nay, điện cực thường được chế tạo từ giấy carbon (carbon paper) phủ
Platin (cho cả anot và catot) hoặc hỗn hợp Pt - Ru (anot).
Anot, catot thường được chế tạo kết hợp chung với màng Nafion tạo thành tổ
hợp màng điện cực (Membrane Electrode Assembly - MEA) [1].
Hình 1.6. Ảnh thực tế tấm MEA.
c) Tấm lưỡng cực (bipolar plate)
Tấm lưỡng cực là tấm dẫn điện trong một ngăn xếp pin nhiên liệu hoạt động
như một cực âm cho một pin và cực dương cho các pin tiếp theo. Tấm lưỡng cực có
thể làm bằng kim loại, carbon hoặc hỗn hợp polymer dẫn điện (thường là kết hợp
carbon). Tấm lưỡng cực có một số chức năng bên trong pin nhiên liệu:
• Phân phối khí đồng nhất trên toàn bộ diện tích của các pin đơn.
• Tách khí giữa các pin (các khí phản ứng và thoát nước).
• Cung cấp một môi trường dẫn điện giữa cực dương và cực âm.
• Tạo ra các đường rãnh khuếch tán cho khí phản ứng.
Yêu cầu cho tấm lưỡng cực là phải kín khí, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và phải trơ
về mặt hóa học. Ngoài ra, tấm lưỡng cực còn phải hoạt động tốt trong môi trường
điện tích ổn định, ẩm ướt của nước tinh khiết, pH thấp (pH ≈ 4), nhiệt độ khoảng

80
o
C (PEMFC nhiệt độ thấp) hay 180
o
C (PEMFC nhiệt độ cao). Cuối cùng, tấm
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 18 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm