Nghiên cứu tổng hợp và đánh giá tính chất vật liệu xúc tác pt và hợp kim pt có kích thước nanô trên nền vật liệu cacbon áp dụng làm điện cực trong pin nhiên liệu màng trao đổi ion

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

ĐỖ CHÍ LINH

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT VẬT
LIỆU XÚC TÁC Pt VÀ HỢP KIM Pt CÓ KÍCH THƯỚC NANÔ
TRÊN NỀN VẬT LIỆU CACBON ÁP DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC
TRONG PIN NHIÊN LIỆU MÀNG TRAO ĐỔI PROTON

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU

HÀ NỘI – 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

ĐỖ CHÍ LINH

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT VẬT

LIỆU XÚC TÁC Pt VÀ HỢP KIM Pt CÓ KÍCH THƯỚC NANÔ
TRÊN NỀN VẬT LIỆU CACBON ÁP DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC
TRONG PIN NHIÊN LIỆU MÀNG TRAO ĐỔI PROTON

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU
Chuyên ngành: Kim loại học
Mã số: 62.44.01.29

Người hướng dẫn khoa học:
1. TS. Phạm Thi San
2. TS. Nguyễn Ngọc Phong

Hà Nội – 2018


LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy hướng dẫn là
TS. Phạm Thi San và TS. Nguyễn Ngọc Phong đã tận tình chỉ đạo và hướng dẫn
em trong suốt quá trình hoàn thành bản luận án này.
Tôi xin chân thành cám ơn Ban Lãnh đạo và Bộ phận đào tạo Viện Khoa
học vật liệu đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành
luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các đồng nghiệp tại Phòng Ăn mòn và Bảo vệ
vật liệu – Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam đã đồng hành, động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin gửi lời cám ơn đặc biệt tới Dr. Chang Rae Lee, Chương trình hợp
tác KIMS – ASEAN và Viện Khoa học vật liệu Hàn Quốc KIMS đã tạo điều kiện
cho tôi thực hiện các ý tưởng nghiên cứu của mình.
Cuối cùng, tôi xin cám ơn gia đình, người thân và các bạn bè đã động viên

và giúp đỡ trong suốt thời gian học tập của mình.

i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả
nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa được
công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đó.
Hà Nội, ngày 02 tháng 8 năm 2018
Tác giả luận án

Đỗ Chí Linh

ii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................. xii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT.......................................... xiv
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN ................................................................................. 6
1.1. Lịch sử phát triển của pin nhiên liệu ........................................................ 6
1.2. Pin nhiên liệu màng trao đổi proton. ........................................................ 8
1.3. Các ứng dụng của PEMFC ........................................................................ 8
1.4. Cơ chế và động học của các phản ứng điện hóa xảy ra trong PEMFC . 10
1.4.1. Các phản ứng cơ bản của pin nhiên liệu ............................................... 10
1.4.2. Phản ứng ôxy hóa điện hóa hyđrô ......................................................... 10
1.4.2.1. Cơ chế của phản ứng ôxy hóa điện hóa hyđrô trong môi

trường axit ..................................................................................... 10
1.4.2.2. Nhiệt động học của phản ứng ôxy hóa hyđrô .............................. 11
1.4.2.3. Động học của phản ứng ôxy hóa hyđrô ....................................... 11
1.4.3. Phản ứng khử ôxy ORR ......................................................................... 15
1.4.3.1. Các phản ứng khử O2 điện hóa .................................................... 15
1.4.3.2. Động học của phản ứng khử O2 .................................................. 16
1.5. Nhiệt động học trong pin nhiên liệu ........................................................ 18
1.5.1. Điện thế lý thuyết của pin nhiên liệu ..................................................... 18
1.5.2. Hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu ................................................... 19
1.6. Vật liệu xúc tác dùng trong PEMFC ....................................................... 19
1.6.1. Quá trình phát triển của các vật liệu xúc tác trong PEMFC ................. 20
1.6.2. Phát triển các vật liệu xúc tác anot trong PEMFC ................................ 22
1.6.3. Phát triển vật liệu xúc tác hợp kim Pt cho ORR .................................... 25
1.6.4. Vật liệu nền cacbon ................................................................................ 29
1.6.4.1. Vật liệu cacbon đen..................................................................... 29
1.6.4.2. Vật liệu cacbon nanotube ............................................................ 30
1.6.4.3. Vật liệu cacbon sợi (CNF) .......................................................... 31
1.6.4.4. Vật liệu cacbon xốp..................................................................... 31

iii


1.6.4.5. Vật liệu Graphene ....................................................................... 32
1.7. Một số phương pháp điều chế xúc tác Pt và hợp kim của Pt. ................ 33
1.7.1. Phương pháp kết tủa hóa học ................................................................ 33
1.7.2. Các quá trình Polyol .............................................................................. 34
1.7.3. Phương pháp mạ điện ............................................................................ 35
1.7.4. Phương pháp phún xạ ........................................................................... 36
1.7.5. Phương pháp nhũ tương ........................................................................ 36
Chương 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .. 38

2.1. Điều chế vật liệu xúc tác Pt và hợp kim Pt3M (M = Ni, Co, Fe) trên nền
vật liệu cacbon Vulcan XC-72. ....................................................................... 38
2.2. Chuẩn bị mực xúc tác .............................................................................. 39
2.3. Chế tạo điện cực màng (MEA) ................................................................ 39
2.4. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................... 40
2.4.1. Các phương pháp vật lý ......................................................................... 40
2.4.1.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ............................................. 40
2.4.1.2. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua TEM ............................. 41
2.4.1.3. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) ....................... 42
2.4.2. Các phương pháp điện hóa .................................................................... 42
2.4.2.1. Phương pháp quét thế vòng (CV – Cyclic Voltammetry) ............. 42
2.4.2.2. Phương pháp quét thế tuyến tính (LSV) ....................................... 44
2.4.2.3. Phương pháp đo đường cong phân cực U-I................................. 44
Chương 3. NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP XÚC TÁC KIM LOẠI Pt/C BẰNG
PHƯƠNG PHÁP KẾT TỦA HÓA HỌC ....................................................... 46
3.1. Nghiên cứu tổng hợp xúc tác kim loại Pt/C bằng phương pháp kết tủa
hóa học sử dụng ethylene glycol ..................................................................... 46
3.1.1. Qui trình tổng hợp xúc tác Pt/C ............................................................. 46
3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ........................................................................ 47
3.1.3. Đánh giá tính chất của vật liệu xúc tác Pt/C bằng phương pháp
CV ............................................................................................................... 51
3.1.3.1. Đánh giá hoạt tính của vật liệu xúc tác Pt/C ............................... 51
3.1.3.2. Đánh giá độ bền của vật liệu xúc tác Pt/C .................................. 53
3.1.4. Ảnh hưởng của hàm lượng nước đến kích thước hạt xúc tác ............... 55

iv


3.1.5. Ảnh hưởng của hàm lượng nước trong dung môi hỗn hợp đến
tính chất điện hóa của mẫu xúc tác ............................................................ 60

3.2. Nghiên cứu tổng hợp xúc tác Pt/C bằng kết tủa hóa học sử dụng chất
khử NaBH4 kết hợp ethylene glycol ............................................................... 62
3.2.1. Qui trình tổng hợp xúc tác ..................................................................... 63
3.2.2. Ảnh hưởng của pH lên kích thước hạt xúc tác Pt/C .............................. 63
3.2.3 Ảnh hưởng của giá trị pH lên tính chất điện hóa cuả xúc tác Pt/C........ 66
3.2.4. Qui trình tổng hợp xúc tác Pt/C ............................................................. 69
Chương 4 – NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT
VẬT LIỆU XÚC TÁC HỢP KIM Pt-M/C (M=Ni, Co và Fe) ...................... 71
4.1. Qui trình tổng hợp vật liệu xúc tác Pt-M/C ............................................ 71
4.2. Đánh giá tính chất vật liệu xúc tác hợp kim Pt3M1/C............................. 71
4.2.1. Đánh giá tính chất mẫu xúc tác bằng XRD ........................................... 72
4.2.2. Đánh giá tính chất vật lý của các mẫu xúc tác Pt3M1/C ........................ 74
4.2.3. Đánh giá hoạt tính xúc tác của các mẫu Pt3M1/C.................................. 76
4.2.4. Đánh giá độ bền của các mẫu xúc tác Pt3M1/C ..................................... 77
4.2.5. Đánh giá hoạt tính cho ORR của các mẫu Pt3M1/C .............................. 78
4.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng kim loại Ni đến tính chất
của vật liệu xúc tác hợp kim PtNi/C ......................................................... 82
4.4. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến tính chất của xúc tác hợp kim PtNi/C. 86
4.5. Qui trình tổng hợp vật liệu xúc tác PtNi/C. ............................................ 90
Chương 5. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT CỦA
BỘ PIN ĐƠN PEMFC .................................................................................... 93
5.1. Thiết kế và chế tạo các thành phần của bộ pin đơn ............................... 93
5.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện vận hành đến tính chất của bộ pin
đơn PEMFC .................................................................................................... 95
5.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ vận hành đến tính chất của pin nhiên
liệu .............................................................................................................. 95
5.2.2. Ảnh hưởng của lưu lượng khí nhiên liệu .............................................. 99
5.3. Đánh giá tính chất điện cực màng MEA chế tạo với các vật liệu xúc tác
tổng hợp trong phòng thí nghiệm..................................................................101
KẾT LUẬN ....................................................................................................104

v


CÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN .....................................................106
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .....................................107
Tài liệu tham khảo .........................................................................................108

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý làm việc của FEMFC ................................................ 8
Hình 1.2. Ảnh TEM của mẫu xúc tác Pt/C điển hình dùng trong pin nhiên liệu 21
Hình 1.3. Mô hình mặt cắt ngang của lớp xúc tác minh họa cấu trúc xốp tạo bới
các hạt kim loại Pt được phủ chất dẫn ion và biểu diễn cơ chế vận chuyển của
các proton. ........................................................................................................ 22
Hình 1.4. Giản đồ dạng núi lửa của các vật liệu xúc tác cho phản ứng HOR [38]
......................................................................................................................... 23
Hình 1.5. Ảnh TEM mẫu xúc tác Pt/CNT [99] .................................................. 30
Hình 1.6. Ảnh TEM của vật liệu sợi cacbon CNF[104] ................................... 31
Hình 1.7. Ảnh TEM của vật liệu cacbon xốp cấu trúc nanô [105] .................... 31
Hình 1.8. Ảnh TEM của mẫu xúc tác Pt/graphene [108] .................................. 32
Hình 2.1. Quy trình chế tạo điện cực màng ...................................................... 40
Hình 2.2. Đồ thị CV điển hình của mẫu xúc tác Pt/C trong dung dịch H2SO4
0,5M ................................................................................................................. 43
Hình 2.3. Pin đơn đã lắp ghép MEA và các thành phần ................................... 44
Hình 2.4. Sơ đồ hệ đo thử nghiệm pin nhiên liệu PEM ..................................... 45
Hình 3.1. Qui trình tổng hợp vật liệu xúc tác Pt/C bằng phương pháp kết tủa hóa
học sử dụng EG ................................................................................................ 46
Hình 3.2. Ảnh TEM của mẫu xúc tác Pt/C tổng hợp tại 80 0C .......................... 47

Hình 3.3. Đồ thị CV của mẫu xúc tác Pt/C tổng hợp tại 80 0C .......................... 47
Hình 3.4. Kết quả phân tích EDX của mẫu xúc tác Pt/C bằng phương pháp kết
tủa hóa học sử dụng EG tại 140 0C ................................................................... 48
Hình 3.5. Ảnh TEM của vật liệu Cacbon Vulcan-XC72 với các độ phóng đại
40.000 và 80.000 lần ........................................................................................ 48
Hình 3.6. Ảnh TEM của mẫu xúc tác và đồ thị phân bố kích thước hạt của vật
liệu xúc tác Pt/C tổng hợp tại 140 0C ................................................................ 49
Hình 3.7. Ảnh TEM và đồ thị phân bố kích thước hạt Pt của mẫu đối chứng. ... 49

vii


Hình 3.8. Minh họa cơ chế của quá trình tạo thành các hạt xúc tác Pt bằng
phương pháp kết tủa hóa học ............................................................................ 50
Hình 3.9. Đồ thị CV của vật liệu cacbon Vulcan-XC72, vật liệu xúc tác đối
chứng và vật liệu xúc tác tổng hợp Pt/C 20%klg. với mật độ kim loại 0.4mg/cm2
trong dung dịch H2SO4 0,5M............................................................................. 52
Hình 3.10. Đồ thị đo 200 vòng CV để đánh giá độ bền của vật liệu xúc tác Pt/C
điều chế bằng phương pháp sử dụng EG........................................................... 53
Hình 3.11. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi giá trị ESA của các mẫu xúc tác tổng
hợp bằng EG và mẫu đối chứng sau thử nghiệm độ bền 1000 chu kỳ ................ 54
Hình 3.12. Mô hình minh họa các quá trình ảnh hưởng tới độ bền của vật liệu
xúc tác Pt/C ...................................................................................................... 55
Hình 3.13. Ảnh TEM và đồ thị phân bố kích thước hạt của mẫu xúc tác Pt/C tổng
hợp với dung môi EG:W=9:1 ............................................................................ 58
Hình 3.14. Ảnh TEM và đồ thị phân bố kích thước hạt của mẫu xúc tác Pt/C tổng
hợp với dung môi EG:W=7:1 ............................................................................ 58
Hình 3.15. Ảnh TEM và đồ thị phân bố kích thước hạt của mẫu xúc tác Pt/C tổng
hợp với dung môi EG:W=5:1 ............................................................................ 58
Hình 3.16. Ảnh TEM và đồ thị phân bố kích thước hạt của mẫu xúc tác Pt/C tổng

hợp với dung môi EG:W=3:1 ............................................................................ 59
Hình 3.17. Đồ thị CV của mẫu xúc tác Pt/C tổng hợp với dung môi EG và dung
môi hỗn hợp có tỉ lệ theo thể tích thay đổi là 9:1 và 7:1 tại 140 0C ................... 60
Hình 3.18. Đồ thị CV của mẫu xúc tác Pt/C tổng hợp với dung môi EG và dung
môi hỗn hợp có tỉ lệ theo thể tích thay đổi là 5:1 và 3:1 tại 1400C .................... 60
Hình 3.19. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi giá trị ESA của các mẫu xúc tác tổng
hợp tại các tỉ lệ EG:W khác nhau sau thử nghiệm độ bền 1000 chu kỳ.............. 62
Hình 3.20. Qui trình tổng hợp xúc tác Pt/C bằng kết tủa hóa học sử dụng chất
khử NaBH4 kết hợp sử dụng EG ........................................................................ 63
Hình 3.21. Ảnh TEM và đồ thị phân bố kích thước hạt của mẫu xúc tác Pt/C tổng
hợp tại pH=12 .................................................................................................. 64

viii


Hình 3.22. Ảnh TEM và đồ thị phân bố kích thước hạt của mẫu xúc tác Pt/C tổng
hợp tại pH=10 .................................................................................................. 64
Hình 3.23. Ảnh TEM và đồ thị phân bố kích thước hạt của mẫu xúc tác Pt/C tổng
hợp tại pH=7 .................................................................................................... 65
Hình 3.24. Ảnh TEM và đồ thị phân bố kích thước hạt của mẫu xúc tác Pt/C tổng
hợp tại pH=4 .................................................................................................... 65
Hình 3.25. Ảnh TEM và đồ thị phân bố kích thước hạt của mẫu xúc tác Pt/C tổng
hợp tại pH=2 .................................................................................................... 65
Hình 3.26. Kết quả phân tích EDS của mẫu xúc tác Pt/C tổng hợp bằng phương
pháp kết tủa hóa học sử dụng chất khử NaBH4 tại các giá trị pH =4 ................ 66
Hình 3.27. Đồ thị CV của mẫu đối chứng và mẫu xúc tác Pt/C tổng hợp bằng
phương pháp kết tủa hóa học sử dụng chất khử NaBH4 tại các giá trị pH = 2, 4
và 7; tốc độ quét thế 50mV/s. ............................................................................ 67
Hình 3.28. Đồ thị CV của mẫu xúc tác Pt/C tổng hợp bằng phương pháp kết tủa
hóa học sử dụng chất khử NaBH4 tại các giá trị pH = 7, 10 và 12; tốc độ quét thế

50mV/s. ............................................................................................................. 67
Hình 3.29. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi giá trị ESA của các mẫu xúc tác tổng
hợp tại các giá trị pH khác nhau sau thử nghiệm độ bền 1000 chu kỳ .............. 68
Hình 3.30. Qui trình tổng hợp vật liệu xúc tác Pt/C 20 %klg ............................ 69
Hình 4.1. Qui trình tổng hợp vật liệu xúc tác hợp kim Pt3M1/C bằng phương
pháp kết tủa hóa học. ........................................................................................ 71
Hình 4.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu xúc tác (a) Pt/C, (b) Pt3Ni1/C, (c)
Pt3Co1/C và (d) Pt3Fe1/C .................................................................................. 72
Hình 4.3. Ảnh TEM và đồ thị phân bố kích thước hạt mẫu xúc tác Pt3Ni1/C ..... 75
Hình 4.4. Ảnh TEM và đồ thị phân bố kích thước hạt mẫu xúc tác Pt3Co1/C .... 75
Hình 4.5. Ảnh TEM và Đồ thị phân bố kích thước hạt mẫu xúc tác Pt3Fe1/C .... 75
Hình 4.6. Đồ thị CV của mẫu xúc tác Pt3Ni1/C, Pt3Co1/C và Pt3Fe1/C tổng hợp
bằng phương pháp kết tủa hóa học .................................................................. 76
Hình 4.7. Đồ thị thay đổi giá trị ESA của các mẫu xúc tác Pt3Ni1/C, Pt3Co1/C và
Pt3Fe1/C trong thử nghiệm độ bền quét thế 1000 chu kỳ ................................... 77
ix


Hình 4.8. Đồ thị LSV của mẫu xúc tác Pt3Ni1/C, Pt3Co1/C và Pt3Fe1/C tổng hợp
bằng phương pháp kết tủa hóa học ................................................................... 78
Hình 4.9. Minh họa cơ chế phản ứng khử ô xy xảy ra trên các hạt xúc tác kim
loại Pt và hợp kim của Pt .................................................................................. 80
Hình 4.10. Đồ thị CV của các mẫu xúc tác PtNi/C với các tỉ lệ nguyên tử
Pt:Ni=3:1; 2:1; 1:1; 1:2; 1:3 trong dung dịch H2SO4 0.5M .............................. 83
Hình 4.11. Đồ thị LSV của các mẫu xúc tác PtNi/C với các tỉ lệ nguyên tử thay
đổi khác nhau Pt:Ni= 2:1; 1:1; 1:2; 1:3 trong dung dịch H2SO4 0.5M; tốc độ
quét thế 1mV/s. ................................................................................................. 84
Hình 4.12. Giản đồ hoạt tính xúc tác phản ứng khử ôxy của các kim loại khác
nhau xác định theo năng lượng liên kết với ôxy................................................. 85
Hình 4.13. Đồ thị thay đổi giá trị ESA của các mẫu xúc tác PtNi/C với các tỉ lệ

nguyên tử thay đổi khác nhau Pt:Ni= 2:1; 1:1; 1:2; 1:3 trong thử nghiệm độ bền
quét thế 1000 chu kỳ ......................................................................................... 85
Hình 4.14. Đồ thị phần trăm thay đổi giá trị ESA của các mẫu xúc tác PtNi/C
với các tỉ lệ nguyên tử thay đổi khác nhau Pt:Ni=3:1; 2:1; 1:1; 1:2; 1:3 sau
1000 chu kỳ quét thế ......................................................................................... 86
Hình 4.15. Giản đồ XRD của các mẫu Pt/C, Pt1Ni1/C khi không có và có xử lý
nhiệt tại các nhiệt độ khác nhau. ....................................................................... 87
Hình 4.16. Ảnh TEM và đồ thị phân bố kích thước hạt mẫu xúc tác Pt1Ni1/C
không xử lý nhiệt............................................................................................... 88
Hình 4.17. Ảnh TEM và đồ thị phân bố kích thước hạt mẫu xúc tác Pt1Ni1/C xử
lý nhiệt tại 300oC .............................................................................................. 88
Hình 4.18 Ảnh TEM và đồ thị phân bố kích thước hạt mẫu xúc tác Pt1Ni1/C xử lý
nhiệt tại 500oC .................................................................................................. 88
Hình 4.19. Ảnh TEM và đồ thị phân bố kích thước hạt mẫu xúc tác Pt1Ni1/C xử
lý nhiệt tại 700oC .............................................................................................. 89
Hình 4.20. Đồ thị CV của các mẫu xúc tác Pt1Ni1/C khi không có và có xử lý
nhiệt tại các nhiệt độ khác nhau. ....................................................................... 89
Hình 4.21. Qui trình tổng hợp vật liệu xúc tác hợp kim PtNi/C ........................ 90
x


Hình 5.1. Thiết kế và cấu hình của bộ pin nhiên liệu đơn PEMFC .................. 93
Hình 5.2. Hình ảnh các thành phần cấu tạo của bộ pin đơn PEMFC với diện tích
làm việc khoảng 5cm2 ....................................................................................... 94
Hình 5.3. Đường cong phân cực lý tưởng của một pin nhiên liệu PEMFC ....... 96
Hình 5.4. Đồ thị đường cong phân cực U-I của các pin nhiên liệu làm việc tại
các nhiệt độ vận hành khác nhau ...................................................................... 98
Hình 5.5. Đồ thị đường cong U-I và P-I của MEA sử dụng vật liệu xúc tác chế
tạo tại phòng thí nghiệm. ................................................................................ 102

xi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Phân loại các dạng pin nhiên liệu ...................................................... 7
Bảng 1.2. Các giá trị điện thế điện cực nhiệt động của phản ứng khử O2 điện hóa
......................................................................................................................... 15
Bảng 1.3. Các giá trị mật độ dòng điện trao đổi của ORR trên các loại vật liệu
điện cực khác nhau ........................................................................................... 16
Bảng 2.1. Danh mục hóa chất sử dụng trong tổng hợp vật liệu xúc tác ............. 38
Bảng 3.1. Các thông số vật lý của dung môi hỗn hợp EG:W với các hàm lượng
nước khác nhau tại 25oC ................................................................................... 56
Bảng 3.2. Kích thước hạt trung bình của các hạt xúc tác kim loại Pt được tổng
hợp trong các dung môi hỗn hợp có các tỷ lệ EG:W khác nhau ........................ 57
Bảng 3.3. Giá trị ESA của các mẫu xúc tác Pt/C tổng hợp trong hỗn hợp dung
môi có tỉ lệ EG: W khác nhau ........................................................................... 61
Bảng 3.4. Sự thay đổi giá trị ESA sau thử nghiệm độ bền 1000 chu kỳ của các
mẫu xúc tác Pt/C tổng hợpcác tỉ lệ EG: W khác nhau ....................................... 62
Bảng 3.5. Sự thay đổi kích thước hạt trung bình của các mẫu xúc tác Pt/C tổng
hợp tại các giá trị pH khác nhau ....................................................................... 66
Bảng 3.6. Giá trị ESA của các mẫu xúc tác Pt/C tổng hợp bằng phương pháp kết
tủa hóa học sử dụng chất khử NaBH4 tại các giá trị pH khác nhau ................... 68
Bảng 3.7. Sự thay đổi giá trị ESA của các mẫu xúc tác Pt/C tổng hợp tại các pH
khác nhau sau 1000 chu kỳ thử nghiệm độ bền ................................................. 69
Bảng 4.1. Cấu trúc mạng tinh thể và lớp vỏ điện tử của các nguyên tố kim loại
Pt, Ni, Co và Fe ................................................................................................ 74
Bảng 4.2. Sự thay đổi kích thước hạt trung bình của các mẫu xúc tác Pt/C tổng
hợp tại các giá trị pH khác nhau ....................................................................... 76
Bảng 4.3. Giá trị diện tích bề mặt điện hóa của các mẫu xúc tác Pt3M1/C ........ 76
Bảng 4.4. Thay đổi giá trị diện tích bề mặt điện hóa ESA của các mẫu xúc tác

hợp kim Pt3M1/C sau 1000 chu kỳ thử nghiệm độ bền ....................................... 77

xii


Bảng 4.5. Giá trị mật độ dòng điện tại điện thế 0.9V (NHE) của các mẫu xúc tác
hợp kim có hàm lượng Fe khác nhau ................................................................ 79
Bảng 4.6. Giá trị ESA của các mẫu xúc tác PtNi/C với tỉ lệ nguyên tử khác nhau
......................................................................................................................... 83
Bảng 4.7. Giá trị mật độ dòng điện tại điện thế 0.9V (NHE) của các mẫu xúc tác
hợp kim có hàm lượng Ni khác nhau ................................................................. 84
Bảng 4.8. Sự thay đổi ESA sau thử nghiệm độ bền của các mẫu xúc tác Pt1Ni1/C
khi không có và có xử lý nhiệt tại các nhiệt độ khác nhau ................................. 90
Bảng 5.1. Giá trị mật độ công suất cực đại của pin nhiên liệu làm việc tại các
nhiệt độ khác nhau ............................................................................................ 99
Bảng 5.2. Lưu lượng khí nhiên liệu O2 và H2 sử dụng cho pin nhiên liệu đơn có
diện tích làm việc 5cm2 ................................................................................... 100
Bảng 5.3. Giá trị công suất cực đại của pin nhiên liệu tại các điều kiện vận hành
có các hệ số sử dụng nhiên liệu khác nhau...................................................... 100

xiii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu
C

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Concentration

Nồng độ

CNT

Carbon nanotube

Vật liệu cacbon ống

CV

Cyclic Voltametry

E

Electrode potential

Phương pháp quét thế tuần hoàn
CV
Điện thế điện cực

Electrochemical surface area

diện tích bề mặt điện hóa

F

Faraday constant

Hằng số Faraday

G

Free energy Gibb

Năng lượng tự do Gibb

Hydrogen oxidation reaction

Phản ứng ôxy hóa hyđrô

i

Current density

Mật độ dòng điện

io

Exchange current density

Mật độ dòng điện trao đổi

k

Reaction rate constant

Hằng số tốc độ phản ứng

MEA

Membrane electrode assembly

Điện cực màng

NHE

Normal hydrogen electrode

Điện cực hyđrô thông thường

ORR

Oxidation reduction reaction

Phản ứng khử ôxy

ESA

HOR

PEMFC Proton exchange membrane fuel
cell
T
Temperature

Pin nhiên liệu màng trao đổi

proton
Nhiệt độ

U

Voltage

Điện áp

α

Charge transfer coefficient

Hệ số chuyển điện tích

η

Overpotential

Quá thế

θ

Surface coverage coefficient

Hệ số che phủ bề mặt

µ

Chemical potential

Thế hóa học

xiv


MỞ ĐẦU
Sự phát triển kinh tế trong thời đại ngày nay làm gia tăng nhu cầu sử dụng
năng lượng trên phạm vi toàn thế giới. Các nguồn năng lượng hiện đang được sử
dụng phổ biến chủ yếu dựa trên các nguồn nhiên liệu hóa thạch như: dầu mỏ, khí
thiên nhiên, than đá…. Trữ lượng các nguồn nhiên liệu này đang dần cạn kiệt và
việc sử dụng các nhiên liệu hóa thạch đã phát thải ra các khí nhà kính gây ô
nhiễm môi trường cũng như làm trái đất ấm lên. Do đó, nhu cầu tìm kiếm các
nguồn năng lượng mới thân thiện với môi trường và có khả năng tái tạo như:
năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng sóng biển.... đang trở nên cấp
thiết trên phạm vi toàn thế giới và Việt Nam cũng không nằm ngoài xu thế phát
triển đó.
Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) là một trong các nguồn
năng lượng tái tạo tiềm năng có khả năng ứng dụng rộng rãi đang được tập trung
nghiên cứu trên toàn thế giới. PEMFC là một thiết bị chuyển đổi hóa năng thành
điện năng với các nhiên liệu đầu vào khác nhau như hyđrô, methanol, khí thiên
nhiên…. Ưu điểm của các PEMFC là làm việc tại nhiệt độ không cao (<100oC),
hiệu suất chuyển hóa cao, khởi động nhanh, qui mô công suất thay đổi theo mục
đích sử dụng và đặc biệt rất thân thiện với môi trường. Thêm nữa, so với các thiết
bị tích trữ điện như: pin, ắc quy, siêu tụ điện…, hiện nay PEMFC được xem như
là nguồn duy nhất có khả năng tích trữ được điện trong thời gian dài khi kết hợp
sử dụng với các nguồn năng lượng khác: điện dư thừa, năng lượng mặt trời, sức
gió…. Ứng dụng của PEMFC tập trung chủ yếu trong ba lĩnh vực chính: giao
thông vận tải, nguồn điện cho các khu dân cư và nguồn điện cho các thiết bị điện
tử xách tay [1-5].

Platin là vật liệu xúc tác lý tưởng sử dụng trong PEMFC do có hoạt tính
xúc tác cao đối với các phản ứng điện hóa ôxy hóa hyđrô (HOR) và khử oxy
(ORR) cũng như rất bền trong môi trường làm việc pH rất thấp tại catốt. Tuy
nhiên, Pt là một kim loại quý và rất đắt nên việc sử dụng vật liệu xúc tác này sẽ
làm tăng chi phí của PEMFC lên rất nhiều. Thông thường, chi phí cho xúc tác Pt
chiếm khoảng 34 % tổng chi phí của một hệ thống PEMFC và Bộ năng lượng
1


Mỹ (DOE) đã đặt mục tiêu giảm chi phí của PEMFC xuống khoảng $30/kW
trong năm 2015 [6-7]. Đây là một trong những trở ngại chính làm hạn chế khả
năng thương mại hóa rộng rãi của các PEMFC trên thế giới.
Để tăng tính cạnh tranh của PEMFC với các nguồn năng lượng tái tạo
khác, việc nghiên cứu nhằm làm giảm hàm lượng Pt sử dụng trong khi vẫn đảm
bảo các tính chất và độ bền của PEMFC là rất cần thiết. Có hai phương pháp
chính để giải quyết giảm hàm lượng xúc tác kim loại sử dụng: (1) giảm kích
thước của các hạt xúc tác Pt để tăng diện tích bề mặt làm việc và làm tăng hoạt
tính xúc tác; (2) sử dụng vật liệu xúc tác hợp kim của Pt.
Trong nghiên cứu làm tăng hoạt tính xúc tác, sự phát triển của công nghệ
nano đã đóng vai trò quan trọng bằng phát kiến phân tán các hạt kim loại Pt lên
trên vật liệu nền cacbon trong những năm 1970 [8]. Bằng kỹ thuật này, các hạt
xúc tác kim loại kích thước nhỏ hơn 10nm đã được phân tán trên trên vật liệu nền
cacbon có diện tích bề mặt riêng cao. Diện tích riêng của các vật liệu nền cacbon
này lên đến 200-1500 m2/g đã cho phép phân tán tốt các hạt xúc tác kích thước
nano với mật độ kim loại lên tới 60% tổng trọng lượng của toàn bộ xúc tác. Khả
năng phân tán các hạt xúc tác kích thước rất nhỏ đồng nghĩa với các hạt xúc tác
không bị tích tụ nên làm tăng diện tích bề mặt kim loại xúc tác sử dụng, thậm chí
có thể lên tới 120 m2/g [9-10]. Do đó, hoạt tính của vật liệu xúc tác được cải
thiện đáng kể và mật độ kim loại Pt sử dụng đã giảm xuống tới 0.4mg/cm2 mà
vẫn đảm bảo được tính chất của PEMFC. Ngoài ra, việc nghiên cứu phát triển

trong lĩnh vực vật liệu cacbon cũng đã đóng góp nhiều vào quá trình phát triển
cải thiện tính chất xúc tác Pt/C. Nhiều vật liệu cacbon mới đã được nghiên cứu
ứng dụng trong tổng hợp xúc tác cho pin nhiên liệu như vật liệu cacbon ống
(CNT) đơn tường và đa tường, vật liệu cacbon xốp... và đặc biệt là các vật liệu
mới graphen [11-12].
Sử dụng các xúc tác hợp kim của platin với các kim loại khác rẻ tiền hơn
làm vật liệu điện cực cũng là một giải pháp rất hiệu quả để làm giảm giá thành
PEMFC. Đối với vật liệu xúc tác anot, nhiều hợp kim Pt đã được nghiên cứu sử
dụng với các kim loại thành phần thứ hai hay thành phần thứ ba là Ru, W, Sn,
Pd, Co, Ir, Mn, Cr, Au, Ag, Rh hay W2C. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, sử dụng
xúc tác hợp kim có thể cải thiện hoạt tính xúc tác điện cực cho các phản ứng điện
2


hóa HOR. Thêm nữa, khi sử dụng các hệ thống chuyển đổi nhiên liệu tạo khí
hyđrô từ các nguồn nguyên liệu khác như CH4, cồn ... tại anôt của PEMFC
thường có mặt tạp chất khí CO trong nhiên liệu đầu vào gây ngộ độc xúc tác. Do
đó, để giải quyết vấn đề ngộ độc CO trong PEMFC, nhiều hệ xúc tác hợp kim nhị
nguyên với Pt bền CO đã được nghiên cứu phát triển trong đó vật liệu xúc tác
hợp kim Pt-Ru/C được sử dụng phổ biến nhất [13-16].
Đối với vật liệu điện cực catôt, khi sử dụng kim loại Pt tinh khiết, quá thế
của ORR > 250mV nên tại điện áp mạch hở chỉ đạt 0,7V, hiệu suất của PEMFC
chỉ là 47% trong khi theo lý thuyết là 83% tại 1,23V. Do đó, việc sử dụng các
hợp kim của Pt làm vật liệu xúc tác không những giảm chi phí sản xuất mà còn
làm tăng tốc độ phản ứng ORR tại catốt và góp phần cải thiện tính chất của pin
nhiên liệu. Các xúc tác hợp kim Pt–M (với M là các kim loại chuyển tiếp như
Mn, Cr, Fe, Co và Ni) được nghiên cứu rộng rãi nhất do có tốc độ phản ứng ORR
cao hơn so với Pt tinh khiết. Các xúc tác hợp kim nâng cao hoạt tính theo hướng
khử ôxy bằng phản ứng 4 điện tử trực tiếp không liên quan tới giai đoạn trung
gian tạo H2O2. Hoạt tính của xúc tác hợp kim phụ thuộc nhiều vào loại và khối

lượng nguyên tố kim loại chuyển tiếp được sử dụng. Một số nghiên cứu đã chỉ ra
xu hướng tăng hoạt tính của các hợp kim Pt-M thay đổi theo chiều Pt < Pt3Ti <
Pt3V < Pt3Fe < Pt3Ni ~ Pt3Co. Đối với phản ứng ORR, việc sử dụng xúc tác hợp
kim đã cải thiện tính chất xúc tác tăng lên 3-5 lần so với xúc tác Pt/C tinh khiết.
Trong nghiên cứu xúc tác hợp kim, quá trình xử lý nhiệt trong các môi trường khí
bảo vệ đóng vai trò quan trọng, nó ảnh hưởng đến tính chất của các vật liệu xúc
tác [17-21].
Ở nước ta hiện nay, việc nghiên cứu về pin nhiên liệu PEMFC chưa được
quan tâm nhiều và có rất ít cơ sở khoa học nghiên cứu về pin nhiên liệu. Trong
những năm vừa qua có một số nhóm nghiên cứu bắt đầu tiến hành nghiên cứu về
pin nhiên liệu. Nhóm nghiên cứu của Viện Vật lý Thành phố Hồ Chí Minh do
PGS.TS. Nguyễn Mạnh Tuấn lãnh đạo đã có các nghiên cứu về pin nhiên liệu
trực tiếp methanol (DMFC). Trong những nghiên cứu này, vật liệu xúc tác Pt/C
và xúc tác hợp kim PtRu/C đã được phát triển áp dụng trong bộ pin nhiên liệu
DMFC [22]. Nhóm nghiên cứu của PGS. TS. Nguyễn Thị Phương Thoa, trường
Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh cũng có những
3


nghiên cứu về tổng hợp vật liệu xúc tác Pt/C ứng dụng trong ôxy hóa các hợp
chất alcohol của pin nhiên liệu. Các vật liệu xúc tác đã được tổng hợp trong môi
trường có pH trong khoảng 7,9 – 9,5. Kết quả nghiên cứu cho thấy các hạt kim
loại Pt thu được có kích thước nhỏ hơn 3nm và có hoạt tính xúc tác cao hơn mẫu
thương mại Pt/C 10%klg của hãng Aldrich Sigma [23]. Gần đây, cũng trong lĩnh
vực nghiên cứu về pin nhiên liệu DMFC nhóm nghiên cứu của TS. Vũ Thị Thu
Hà tại Viện Hóa công nghiệp đã nghiên cứu phát triển các vật liệu xúc tác PtSiO2/graphene Pt/rGO phân tán trên vật liệu nền graphene. Nhóm nghiên cứu đã
đưa ra kết luận về mật độ xúc tác Pt tối ưu trên nền vật liệu graphene là 40% đối
với phản ứng ôxy hóa methanol [24, 25]. Từ năm 2011 đến nay, Viện Khoa học
vật liệu được sự giúp đỡ của Viện Khoa học vật liệu Hàn Quốc (KIMS) đã triển
khai nghiên cứu về PEMFC sử dụng nhiên liệu là hydrô và ôxy. Với mong muốn

phát triển các nghiên cứu pin nhiên liệu PEMFC tiếp cận và hòa nhập với sự phát
triển của thế giới, nên việc nghiên cứu về vật liệu xúc tác là rất cần thiết để từ đó
có thể chủ động và tối ưu hóa trong việc chế tạo pin PEMFC. Dựa trên tính cấp
thiết của vấn đề, đề tài của luận án đã được lựa chọn là: “Nghiên cứu tổng hợp
và đánh giá tính chất vật liệu xúc tác Pt và hợp kim Pt có kích thước nano trên
nền vật liệu cacbon áp dụng làm điện cực trong pin nhiên liệu màng trao đổi
proton”
Mục tiêu của luận án:
- Nghiên cứu phát triển các vật liệu xúc tác Pt/C và hợp kim Pt-M/C kích thước
nanô có hoạt tính và độ bền cao ứng dụng trong pin nhiên liệu màng trao đổi
proton sử dụng trực tiếp nhiên liệu hyđrô PEMFC
- Nghiên cứu phát triển bộ pin nhiên liệu PEMFC đơn có mật độ công suất cao
với diện tích làm việc 5cm2.
Các nội dung chính của luận án:
- Tổng quan sơ lược về pin nhiên liệu và các nghiên cứu phát triển của vật liệu
xúc tác Pt và xúc tác hợp kim Pt trong PEMFC.

4


- Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác Pt/C 20%klg. bằng phương pháp kết tủa
hóa học. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số thực nghiệm như pH, nhiệt độ, …
trong quá trình tổng hợp đến tính chất của vật liệu xúc tác Pt/C 20%klg..
- Lựa chọn qui trình tối ưu tổng hợp vật liệu xúc tác Pt/C có hoạt tính và độ bền
cao làm vật liệu điện cực trong PEMFC.
- Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác hợp kim Pt-M/C 20%klg. (M=Ni, Co và
Fe) bằng phương pháp kết tủa hóa học. Nghiên cứu đánh giá tính chất của các vật
liệu xúc tác hợp kim với các hàm lượng nguyên tố chuyển tiếp khác nhau nhằm
lựa chọn thành phần xúc tác tối ưu có hoạt tính xúc tác cao cho phản ứng ORR
tại catôt trong PEMFC.

- Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các thành phần của bộ pin đơn có diện tích làm
việc 5cm2. Nghiên cứu điều kiện vận hành tối ưu cho bộ pin nhiên liệu đơn có
mật độ công suất cao.

5


Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Lịch sử phát triển của pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu được khám phá đầu tiên vào năm 1883 bởi Christian F.
Schonbein khi nối các điện cực hyđrô và ôxy hay clo để phản ứng tạo ra điện và
được ông gọi là “hiệu ứng phân cực”. Một thời gian ngắn sau, William R. Grove
đã phát minh ra một “pin điện áp khí” khi tạo ra một dòng điện giữa hai tấm Pt,
một đặt trong hyđrô và một tấm khác đặt trong ôxy ở hai phần riêng biệt chứa
đầy axit sulfuric loãng. Tuy phát minh này được ghi nhận là pin nhiên liệu đầu
tiên nhưng thuật ngữ pin nhiên liệu phải đợi đến tận năm 1889 mới được đưa ra
bởi Ludwig Mond và Charles Langer khi họ cố gắng xây dựng thiết bị pin nhiên
liệu thực tế đầu tiên sử dụng khí than công nghiệp làm nhiên liệu và không khí
làm chất ôxy hóa. Tại thời gian này, họ nhận thấy rằng khi tăng diện tích bề mặt
của Pt có thể làm tăng cường độ dòng điện. Do đó, họ đã bắt đầu sử dụng muội
Pt làm điện cực và đã chế tạo được một hệ tạo ra được 6A/ft2 tại điện áp ra
0,73V. Tuy nhiên, sự thiếu hiểu biết về nền tảng của pin nhiên liệu và sự phụ
thuộc vào các nguồn nhiên liệu đắt tiền cũng như yêu cầu của điện cực Pt đã làm
cho pin nhiên liệu trở nên không thể thương mại hóa công nghệ ở thời điểm này.
Thêm nữa, sự khai thác và sử dụng nhiên liệu hóa thạch và sự nổi lên của các
động cơ đốt trong cuối thế kỷ 19 đã đưa ra một nguồn nhiên liệu kinh tế hơn so
với pin nhiên liệu. Kết quả là ý tưởng thương mại hóa pin nhiên liệu đã dần biến
mất và các nghiên cứu về pin nhiên liệu chỉ được tiếp tục trong qui mô phòng thí
nghiệm của các nhà khoa học có nhiều quan tâm. Mặc dù chưa thu hút được sự
quan tâm của thị trường thương mại, các phát minh mới về pin nhiên liệu vẫn

được liên tục ghi nhận trong giai đoạn này. Năm 1932, Francis Bacon đã hiệu
chỉnh cấu trúc thiết bị của Mond và Langer đã tạo ra pin nhiên liệu kiềm đầu tiên
bằng cách sử dụng chất điện ly kiềm và các điện cực Ni. Cho đến tận những năm
1950, pin nhiên liệu mới bắt đầu nhận được sự quan tâm thương mại đầu tiên khi
công ty GE chế tạo ra bộ pin nhiên liệu màng trao đổi proton đầu tiên PEMFC
dùng cho dự án tàu vũ trụ Apollo và Gemini. Tuy nhiên, thành công ban đầu của
PEMFC đã bị giới hạn trong lĩnh vực tàu vũ trụ do vấn đề chi phí cao [2, 3, 26].
6


Tương tự như pin thông thường, pin nhiên liệu là một thiết bị chuyển hóa
năng lượng hóa học trực tiếp thành năng lượng điện. Tuy nhiên, nếu cung cấp
nhiên liệu liên tục thì pin nhiên liệu hoạt động mãi mãi và tạo ra năng luợng điện
ổn định. Hai thành phần cơ bản sử dụng để pin nhiên liệu hoạt động là hyđrô và
ôxy và chúng phản ứng với nhau bên trong pin nhiên liệu để sinh ra điện, nhiệt
và nước. Nguồn năng lượng mới này sẽ không bao giờ cạn kiệt vì chúng ta có
một nguồn cung cấp ôxy vô tận trên trái đất. Hyđrô có thể được chế tạo từ nước,
xăng dầu, khí tự nhiên, khí than, khí metan, metanol và etanol. Chính vì vậy, pin
nhiên liệu hứa hẹn mang lại cho chúng ta nguồn năng lượng trong sạch trong
tương lai.
Bảng 1.1. Phân loại các dạng pin nhiên liệu

Tùy thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng, chất mang, và môi trường điện ly
mà pin nhiên liệu được chia thành 5 loại chính: pin nhiên liệu màng trao đổi
proton PEMFC, pin nhiên liệu kiềm AFC, pin nhiên liệu axit photphoric PAFC,
pin nhiên liệu muối cacbonat nóng chảy MCFC và pin nhiên liệu ôxit rắn SOFC.
Tổng hợp tính chất và các đặc trưng của 5 loại pin nhiên liệu được tổng hợp trên
bảng 1.1 [3, 5].

7

1.2. Pin nhiên liệu màng trao đổi proton.
Pin nhiên liệu FEMFC là một trong các nguồn năng lượng tái tạo tiềm
năng, có khả năng ứng dụng rộng rãi và đang được nghiên cứu trên toàn thế giới.
Hình 1.1 là sơ đồ nguyên lý làm việc đơn giản của một PEMFC sử dụng nhiên
liệu hyđrô bao gồm các điện cực anốt, catốt và một màng điện ly. Các điện cực
được phủ một lớp rất mỏng kim loại xúc tác. Nhiên liệu hyđrô được đưa vào
khoang anốt, còn tại catốt nhiên liệu sử dụng là ôxy hoặc không khí. Tại anốt,
hyđrô được ôxy hóa trên xúc tác điện cực tạo thành proton đi vào màng điện ly
và các electron, trong khi đó tại catốt, ôxy bị khử trên điện cực kết hợp với
proton và electron được đưa đến từ anôt tạo thành sản phẩm nước theo phản ứng:
H2 +1/2O2 → H2O

(1.1)

Không khí
H2O

H2

H 2O
H2

O2
Không khí

H2
Anốt

Catốt
Màng điện ly

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý làm việc của FEMFC
1.3. Các ứng dụng của PEMFC
Các pin nhiên liệu PEMFC được ứng dụng trong 3 lĩnh vực chính: giao
thông, trạm phát điện và nguồn điện xách tay. Nguồn điện cho xe điện chở
khách, các xe tiện ích và xe buýt thay đổi từ 20 đến 250kW. Trạm phát điện bằng
pin nhiên liệu có khoảng công suất thay đổi lớn hơn 1-50MW. Một số trạm điện
nhỏ ví dụ cho các ứng dụng viễn thông điều khiển từ xa là 100-1kW. Ứng dụng

8


pin nhiên liệu làm nguồn điện cầm tay thường có công suất nằm trong khoảng 550W [27].
Những quan tâm về ôtô pin nhiên liệu có thể đã bắt đầu từ những năm
1970 và đã nhận sự quan tâm nhiều trong những năm gần đây. Năm 2007, GM
qua chương trình ‘Project Driveway’ đã chuyển hơn 100 ôtô pin nhiên liệu
Chevrolet Equinox tới California, Washington DC và New York, và đến tháng 92009 đã đi được hơn 1000000 dặm [28]. Huyndai-Kia đã thông báo sản xuất Kia
Borrego SUV trong khi hãng Daimler hy vọng công bố được dòng xe B-class
mới sử dụng pin nhiên liệu [29]. Gần đây, một vài kế hoạch được đầu tư từ chính
phủ đã được ra đời tại một số quốc gia như chương trình National Fuel Cell Bus
tại Mỹ và chương trình Fuel Cell and Hydrogen Joint Technology Initiative tại
Châu Âu. Xe buýt pin nhiên liệu Mercedes-Benz Citaro có hai bộ pin nhiên liệu
với điện năng tổng 250kW và bình chứa hyđrô 40kg tại áp suất 350 bar đảm bảo
cung cấp nhiên liệu cho quãng đường vận hành 200km đã được vận hành thử
nghiệm tại Stockholm [30].
Trong lĩnh vực ứng dụng trạm phát điện, các pin nhiên liệu có thể được
ứng dụng kết hợp với nhiệt điện để làm nguồn điện cấp cho khu dân cư/hộ gia
đình. Một vài hệ thống pin nhiên liệu đã sẵn có ở thị trường: hệ thống GenSys™

Blue CHP (kết hợp nhiệt và điện) bởi Plug Power đã được phát triển tương thích
với các hệ thống nhiệt sẵn có trong gia đình. Bộ pin FCgen™- 1030V3 được phát
triển bởi Ballard Power Systems có thể làm việc cùng với các hệ thống CHP cho
khu dân cư trên thị trường [31, 32].
Bên cạnh các ứng dụng cho điện thoại di động và laptop, các pin nhiên
liệu còn được sử dụng làm nguồn điện cho các ôtô điều khiển từ xa, các tàu,
robot và các đèn cấp cứu (ví dụ như trong khai khoáng). Thêm nữa, pin nhiên
liệu cũng được quan tâm ứng dụng trong lĩnh vực quân sự với các dụng cụ cầm
tay như radio [33, 34].

9