Pin nhiên liệu dùng mêtanol trực tiếp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
BỘ MÔN: KỸ THUẬT HÓA LÝ

DIRECT METHANOL FUEL
CELLS
GVHD: Nguyễn Trường Sơn
Nhóm:
1. Lê Thị Thanh Mai:

62102090

2. Lê Ngọc Thiên Trang: 61203954
3. Trần Thị Thanh Tuyền: 61204344

1


Giới thiệu tổng quan

Màng điện phân polyme

Một số ảnh hưởng

2


I. Giới thiệu về pin nhiên liệu:

1.1 Khái niệm:

 Các

pin nhiên liệu biến đổi năng lượng hóa
học của nhiên liệu.

 Pin nhiên liệu hoạt động liên tục khi nhiên liệu
(hiđrô) và chất ôxi hóa (ôxy) được đưa từ
ngoài vào.

 Pin nhiên liệu là loại thiết bị năng lượng sạch
nhưng giá thành cao

3


1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu:

4


1.3 Phân loại pin nhiên liệu:

5


2. Pin nhiên liệu dùng Metanol trực tiếp (DMFC):

 Metanol:
+ Tồn tại ở trạng thái lỏng ở nhiệt độ thường, điều chế từ dầu
mỏ hay than đá.

+ Nhiệt độ sôi của mêtanol thấp.

 DMFC: nhỏ gọn, không phải sạc lại, dễ sử dụng, thích hợp

cho các thiết bị di động… nhưng giá thành còn cao, hiệu suất
thấp

6


2.1 Cấu tạo của DMFC:

•
•
•
•
•

Catot
Anot
Lớp màng trao đổi proton
Lớp xúc tác
Lớp khuếch tán

7


II. Màng điện phân polymer cho DMFC:

 Nafion được trộn thêm với các polymer khác

 Giảm hiện tượng methanol crossover, cải thiên tính dẫn điện của proton; nâng cao tính xúc tác của các hạt
kim loại…..

 Polymerization của 1-methylpyrrole trong Nafion giảm sự thấm của methanol xuống dưới 50% .

8


Non-Fluorinated Ionomers
1. Polyethersulfones (PES)

 Có đặt tính nhiệt và cơ tốt, là quá trình oxy hóa và chống thủy phân axit và có thể dễ dàng làm phim
 Tính dẫn điện 0.11-0.17 S/cm ở 30oC
 Hỗn hợp PES và SPSf có mật độ năng lượng 0.25 W/cm2 tại 110OC.

9


2. Polybenzimidazole (PBI)
o
Tại T >100 C có ưu điểm so Nafion:



Độ dẫn proton cao



Hoạt động nhiệt độ cao và khí ẩm



Giảm MCO



Chi phí thấp

10


3. Polyimides

 Cấu trúc liên mạng, có thể kiểm soát được độ thấm của methanol.
 Bền nhiệt và cơ học cao, có khả năng chống sự ăn mòn.


So với Nafion:
Hấp thu hơn 5 lần
Kích thước nhỏ (16nm, 23nm)

 4. Polyphosphazenes
•

Sự ổn định về mặt hóa học và nhiệt giúp cải

thiện sự trao đổi của nước và methanol

•

o
Độ dẫn điện tốt (ở 65 C_ 0.082 S/cm)

•

Giảm MCO ít nhất là bốn mươi lần so với

Nafion
11


5. Poly (acrylic acid) PAA

 Giảm hiện tương thấm methanol và dẫn proton.
 Tại nhiệt độ phòng:
Độ thấm là 6.49x10^-8 cm2/s
Độ dẫn điện 2.66x10^-3 S/cm.
6. Poly (ether ether) ketone (PEEK)

 Làm giảm hiện tượng MCO.
 Khi mức sulfonation 54% cho hiệu suất cao hơn Nafion-115 tại 65 và 85OC dù giảm độ dày và độ dẫn điện
thấp hơn. (0.0070 S/cm tại 80OC).

12


7. Màng đa lớp

•

Yang và Manthiram báo cáo rằng một lớp mỏng của sulfonate poly (etheretherketone) (SPEEK) kết hợp với
2 lớp ngoài của Nafion có thể giảm MCO bằng 37 lần so với một Nafion màng đơn.

•

Kreuer và đồng nghiệp đã chỉ ra rằng Nafion PVDF có thể được pha trộn với kết quả PEM giảm methanol
thấm so với Nafion. Tuy nhiên, methanol liên kế ngang là thấp hơn do tính kỵ nước của PVDF.Khoảng 30
0
wt% thêm PVDF để Nafion giảm độ dẫn bởi một yếu tố từ 0,11 đến 0,66 mS / cm ở 60 C sử dụng màng có
độ dày 10 mm.

13


3. Một số ảnh hưởng:
3.1 Chất xúc tác oxy hóa metanol



Platinum từ lâu đã được công nhận là một kim loại tuyệt vời cho quá trình oxy hóa methanol do khả năng hoạt hóa liên kết C-H của chúng.



Nguyên tắc nghiên cứu của methanol phân hủy trên Pt và nghiên cứu tế bào nửa hỗ trợ giới hạn tốc độ như methanol ban đầu là sự cắt OH phản
ứng, với tác động bắt buộc rất mạnh của CO. Đối với một điện cực bạch kim tinh khiết, quá trình oxy hóa của methanol sẽ không xảy ra dưới
0,4V và cần phải được nâng cao hơn đáng kể.



Platinum là một kim loại tương đối đắt tiền, và giảm tải là một rào cản quan trọng mà DMFC phải vượt qua để nhập vào thị trường thương mại.



Hỗn hợp lưỡng phân tử của Pt - Ru đã được sử dụng trong việc cải thiện hiệu suất của DMFC anode và vẫn được coi là hầu hết các chất xúc tác
hoạt động của quá trình oxy hóa methanol

14


3.2 Chất xúc tác oxy hóa metanol


Điều tra ban đầu xác định tỷ lệ tối ưu của Pt-Ru được xác định bằng cách đo CO bảo vệ. Điều này dường như là rất quan trọng của các
nguyên tử bề mặt Pt cần thiết cho việc khai thác H2.



Thông thường, chất xúc tác không được hỗ trợ là cần thiết để đạt được tăng mật độ năng lượng. . Các nghiên cứu chất mang cực thấp
cho thấy một tổn thất điện mật độ 35% khi Pt tải được giảm 20 lần cho các hệ thống Ru- Pt không được hỗ trợ, mặc dù mật độ 150 mW /
2
0
2
cm điện đã đạt được tại 130 C sử dụng 0,1 mg / cm chất xúc tác. PT-Ru làm chất xúc tác do quá trình sol gel cũng cho thấy triển
2
0
vọng rất lớn, tạo ra những hạt nhỏ hơn 10 nm với một mật độ đỉnh cao là 140 mW / cm ở 90 C và 1 M methanol.



0

Các nghiên cứu trên các điện cực Pt-Sn cho thấy hoạt động so sánh với Pt-Ru lớn nhất được tìm thấy ở nhiệt độ vượt quá 140 C. Cơ chế
của quá trình oxy hóa methanol trên Pt-Sn là nghịch lý, Sn là không hoạt động để oxy hóa methanol, tuy nhiên nó lại hoạt động hoạt
động để oxy hóa cho CO.

15


3.3 Các chất xúc tác giảm oxy



Đối với hầu hết các chất xúc tác DMFC tương tự như sử dụng cho H 2-PEMFCs. Các phản ứng khử oxy (ORR) có thể tiến hành
bằng hai con đường khác nhau, mặc dù quá trình oxy hóa 4-electron trực tiếp chiếm ưu thế trên các chất xúc tác DMFC.



Một vài nghiên cứu báo cáo giảm oxy đồng thời và quá trình oxy hóa methanol ở các điện cực Pt để xác định rõ hơn tác động của
MCO trên điện cực DMFC. Hai phản ứng được hiển thị để xảy ra đồng thời, không có thay đổi trong cơ chế giảm O 2. Methanol
có tác dụng giảm đáng kể của O2 do ức chế bởi chất trung gian bề mặt và các loại ngộ độc.

16


DMFC phát triển cho các thiết bị di động


Los Alamos National Labs, kết hợp với Motorola, cũng phát triển cho điện thoại di động sử dụng các tấm nhiên liệu gốm với các kênh truyền hình
vi lỏng cho phân phối hiệu quả của methanol và nước và loại bỏ CO2.



Toshiba đã phát triển một nguyên mẫu có triển vọng DMFC ngăn xếp cho một máy tính xách tay. Pin có một công suất bình quân 12 W và có thể
được sử dụng liên tục trong 5 giờ với một hộp lưu trữ 50ml

17


Cảm ơn Thầy và các bạn đã lắng nghe!

18