Báo cáo nghiên cứu khoa học: Chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa nano PT/C ứng dụng cho pin nhiên liệu metanol trực tiếp
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.59 MB, 85 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA – THỰC PHẨM
BÁO CÁO
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
ĐỀ TÀI:
CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC ĐIỆN
HÓA NANO Pt/C ỨNG DỤNG CHO PIN
NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP
VŨ MINH HÀO
BIÊN HÒA, THÁNG 12/2012
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA – THỰC PHẨM
BÁO CÁO
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
ĐỀ TÀI:
CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC ĐIỆN
HÓA NANO Pt/C ỨNG DỤNG CHO PIN
NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP
Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG PHONG
Sinh viên thực hiện : VŨ MINH HÀO
BIÊN HÒA, THÁNG 12/2012
i
LỜI CÁM ƠN
Ca dao Việt Nam vẫn có câu để nhắn nhủ những người trẻ trong xã
hội:“Công cha, nghĩa mẹ ơn thầy, nghĩ sao cho bõ những ngày ước ao”. Đó tuy
chỉ là một câu thật ngắn gọn nhưng lại chứa đựng toàn bộ truyền thống tốt đẹp
của dân tộc ta. Hôm nay, tôi cũng xin mượn nó để nói lên tâm tình biết ơn đối với
bậc sinh thành cũng như quý thầy cô là những người đã giúp đỡ tôi hoàn tất tốt
luận văn tốt nghiệp này.
Đầu tiên, tôi xin gửi lời biết ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Thị
Phương Phong, người đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong toàn bộ quá trình thực
hiện đề này. Tôi vô cùng cảm kích vì sự giúp đỡ rất tận tâm của cô. Mặc dù,
trong cương vị PGS.TS và công việc giảng viên bận rộn với trăm công ngàn việc
nhưng cô vẫn dành thời gian để sửa bài và góp ý một cách chân thành cho đề tài
của tôi.
Tôi cũng xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến quý thầy cô, anh chị trong khoa
hóa lý trường ĐHKHTN, Tp.HCM đã tận tình hướng dẫn trong quá trình tôi thí
nghiệm ở đây. Cách riêng cho anh Ngô Thanh Liêm, người luôn đồng hành trong
những bước đi chập chững và suốt cả thời gian tham gia nghiên cứu của tôi.
Đối với các thầy cô trong khoa hóa trường ĐH Lạc Hồng, tôi không biết
lấy gì để nói lên lời cám ơn trước những điều kiện vô cùng thuận lợi, mà các
thầy cô đã dành cho để quá trình nghiên cứu của tôi được diễn ra và kết thúc thật
tốt đẹp.
Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến các cơ sở, phòng thí nghiệm đã cho tôi
được làm việc ở tại những nơi đây.
Lời biết ơn cuối cùng, con xin gửi đến cha mẹ là những người đã sinh
thành và vất vả bao ngày tháng qua để con có được kết quả như ngày hôm nay.
Sau cùng, tôi xin cảm ơn vì tất cả, thiết nghĩ rằng sẽ khó mà đáp trả lại tất cả
ii
những ân tình ấy. Song ước mong mọi người sẽ đón nhận nó như lời cảm tạ
chân thành nhất từ chính bản thân tôi.
MỤC LỤC
Sinh viên thực hiện : VŨ MINH HÀO......................................................ii
LỜI CÁM ƠN.......................................................................................................i
MỤC LỤC............................................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG BIỂU..................................................................................iv
PHẦN MỞ ĐẦU..................................................................................................1
LỜI MỞ ĐẦU......................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU VÀ XÚC TÁC ĐIỆN CỰC
TRONG PIN NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP.........................................5
CHƯƠNG 2.........................................................................................................1
CHƯƠNG 3.......................................................................................................23
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN....................................................36
KẾT LUẬN .......................................................................................................56
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
BET
Máy đo diện tích bề mặt
CV
Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn (Cyclic voltammetry)
Eb
Thế oxy hóa cực đại trên đường quét về (V)
Ef
Thế oxy hóa cực đại trên đường quét tới (V)
ipa
Mật độ dòng của mũi trên đường quét tới tính theo diện tích
điện cực (mA/cm2)
ipc
Mật độ dòng của mũi trên đường quét về tính theo diện tích
điện cực (mA/cm2)
iii
i’pa
Mật độ dòng của mũi trên đường quét tới tính theo khối
lượng Platin trên điện cực (mA/mmPt)
i’pc
Mật độ dòng của mũi trên đường quét về tính theo khối
lượng Platin trên điện cực (mA/mmPt)
Pt/C
Vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Platin trên Carbon
Pt/VulcanXC72R
Vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Platin trên Carbon
Vulcan XC72R
Pt/VC2511
Vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Platin trên Carbon
Vulcan XC72R không xử lý với hàm lượng Platin là 25% và
môi trường pH=11
Pt/VCXL2511
Vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Platin trên Carbon
Vulcan XC72R xử lý trong HNO3 với hàm lượng Platin là
25% và môi trường pH=11
SEM
Kính hiển vi điện tử quét (Scaning electron microscopy)
TEM
Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission electron
microscopy)
XRD
Nhiễu xạ tiaX (XRay diffaction)
iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Số liệu để pha dung dịch HNO3 với nồng độ khác nhau.....................24
Bảng 3.1: Hoạt tính của vật liệu nanocomposit Pt/VulcanXC72R xử lý và không
xử lý trong dung dịch HNO3 với những nồng độ khác nhau..................................36
Bảng 3.2: Hoạt tính xúc tác của vật liệu nanocomposit Pt/Vulcan XC72R đã xử
lý và không xử lý trong những khoảng thời gian khác nhau..................................39
Bảng 3.3 Hoạt tính xúc tác của vật liệu nanocomposit Pt/VC với sự thay đổi
thành phần khối lượng của tiền chất H2PtCl6.6H2O..............................................40
Bảng 3.4: Hoạt tính xúc tác của vật liệu nanocomposit Pt/VC với môi trường pH
khác nhau.................................................................................................................42
Bảng 3.5: Hoạt tính xúc tác của vật liệu nanocomposit Pt/VCXL25 trong môi
trường pH=11 với sự thay đổi hàm lượng của tiền chất H2PtCl6.6H2O...............46
Bảng 3.6: Hoạt tính xúc tác của nanocomposit Pt/VCXL25 trong những môi
trường pH khác nhau...............................................................................................48
.Bảng 3.7: Kết quả đo diện tích bề mặt của vật liệu nanocomposit Pt/VulcanXC
72R đã xử lý và không xử lý...................................................................................53
v
DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Sơ đồ một pin nhiên liệu..........................................................................4
Hình 1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc pin nhiên liệu..........................................6
Hình 1.3 Sơ đồ một hệ thống pin nhiên liệu..........................................................8
Hình 1.4 Hiệu suất của pin nhiên liệu so với một số thiết bị tạo ra điện khác...12
Hình 2.1 Bể siêu âm.............................................................................................23
Hình 2.2 Mấy khuấy từ IKA RET controlvis và pipet BIOHIT Proline.............23
Hình 2.3 Lò vi sóng SANYO 20L EMS2182W...................................................24
Hình 2.4 Máy ly tâm UNIVERSAL 32R HETTICH ZENTRIFUGEN................24
Hình 2.5 Quy trình chế tạo vật liệu nano Pt/C bằng phương pháp polyol...........26
Hình 2.6 Máy đo BET Nova 3200e ......................................................................28
Hình 2.7 Sơ đồ khối thiết bị nhiễu xạ tia X........................................................28
Hình 2.8 Thiết bị nhiễu xạ tia X BRUKER XRDD8 ADVANCE.......................29
Hình 2.9 Hệ thống kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FESEM JSM ......30
Hình 2.10 Hệ thống kính hiển vi điện tử truyền qua,TEM JEM1400 Nhật.......31
Hình 2.11 Đồ thị quét thế vòng tuần hoàn............................................................32
Hình 2.12 Máy AutolabPGSTAT302N.................................................................33
Hình 2.13 Các loại điện cực..................................................................................33
Hình 2.14 Hệ thống ba điện cực...........................................................................34
Hình 2.15 Đường cong CV của vật liệu nanocomposite Pt/Vulcan XC72R.......34
Hình 3.1 Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/Vulcan XC72R xử lý
và không xử lý trong dung dịch HNO3 với những nồng độ khác nhau..................37
Hình 3.2 Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/Vulcan XC72R đã
xử lý và không xử lý trong những khoảng thời gian khác nhau.............................39
Hình 3.3 Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC với thành phần
tiền chất H2PtCl6.6H2O khác nhau..........................................................................40
vi
Hình 3.4 Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC trong những môi
trường pH khác nhau...............................................................................................42
Hình 3.5 Cơ chế quá trình oxy hóa EG trong điều chế nano Platin......................42
Hình 3.6 Phản ứng loại proton tạo thành anion Glycolate của axit Glycolic.......43
Hình 3.7 Ảnh chụp TEM và biểu đồ phân bố kích thước hạt nano Platin trên vật
liệu nanocomposit Pt/VC2511..............................................................................44
Hình 3.8 Ảnh chụp TEM và biểu đồ phân bố kích thước hạt nano Platin trên vật
liệu nanocomposit Pt/VC256,5.............................................................................44
Hình 3.9 Giản đồ nền CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VCXL với hàm
lượng Platin khác nhau............................................................................................45
Hình 3.10 Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VCXC với hàm
lượng Platin khác nhau............................................................................................47
Hình 3.11 Giản đồ nền CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VCXL25 với
môi trường pH khác nhau.......................................................................................47
Hình 3.12 Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VCXL25 với môi
trường pH khác nhau...............................................................................................48
Hình 3.13 Ảnh chụp TEM và biểu đồ phân bố kích thước hạt nano Platin trên
vật liệu nanocomposit Pt/VCXL2511.................................................................49
Hình 3.14 Ảnh chụp TEM và biểu đồ phân bố kích thước hạt nano Platin trên vật
liệu nanocomposit Pt/VCXL256,5......................................................................50
Hình 3.15 Kết quả chụp XRD của Vulcan XC72R xử lý và không xử lý...........51
Hình 3.16 Phổ đồ XRD của nanocomposit Pt/VC2511......................................51
Hình 3.17 Gian đồ XRD của nanocomposit Pt/VCXL2511 ..............................52
Hình 3.18 Ảnh FE SEM của nanocomposit Pt/VCXL2511.............................53
Hình 3.19 Giản đồ đo nền của hai loại carbon Vulcan XC72R..........................54
Hình 3.20 (1) Giản đồ đo nền và (2) giản đồ CV của hai loại vật liệu xúc tác điện
hóa nanocmposit Pt/Vulcan XC72R.......................................................................54
PHẦN MỞ ĐẦU
1
LỜI MỞ ĐẦU
Không biết trong mỗi người đã có ai từng nghĩ đến việc nền văn minh
của chúng ta đã phát triển mạnh mẽ từ giai đoạn nào chăng? Theo tôi thì đó là khi
con người biết tạo ra điện, một nguồn năng lượng mà ngày nay có mặt hầu hết
trong mọi lĩnh vực. Chúng ta có thể hình dung đơn giản từ việc học của mình
nếu không có điện thì làm sao mỗi người có đủ ánh sáng học tập, nghiên cứu,
việc mà những thế hệ đi trước đã không có được. Nguồn sáng mà họ có chỉ là
những ngọn đèn dầu. Điện giúp cho việc chuẩn bị những bữa ăn của mỗi gia
đình mất ít thời gian hơn nhờ các thiết bị như ấm điện, nồi cơm điện. Điện như
một “người bạn đồng hành” của nhiều nhà máy, xí nghiệp.
Lý do chọn đề tài
Do sự ảnh hưởng lớn trên mà nguồn nguyên liệu để sản xuất điện và
thiết bị để xử lý nguồn nguyên liệu như than, xăng, nước, gió đã được quan tâm
một cách đặc biệt. Trong khi các nguồn như gió, mặt trời, nước hay năng lượng
hạt nhân lại gặp những khó khăn nhất định. Bên cạnh đó, vấn đề môi trường lại
nổi lên khi khí độc được thải ra làm ô nhiễm và khiến nhiệt độ thay đổi quá
nhanh. Vì vậy, một thiết bị “đa năng” và một nguồn nguyên liệu dồi dào đã được
tập trung tìm kiếm và nghiên cứu. Cuối cùng tất cả sự chú ý đã đổ dồn về pin
nhiên liệu.
Theo dòng thời gian thì loại pin nhiên liệu sử dụng Metanol trực tiếp
(Direct methanol fuel cell DMFC) xuất hiện và đang rất thịnh hành. Tuy hệ
thống đôi khi vẫn tạo ra khí cacbonic nhưng lượng khí thải ra không đáng kể.
Yếu tố xúc tác trong pin nhiên liệu sử dụng metanol trực tiếp là vấn đề được đặt
lên hàng đầu và quan tâm hơn cả. Chất xúc tác đã được nghiên cứu và phổ biến
nhất là platin. Qua đề tài:“ Chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa nano Pt/Carbon
ứng dụng cho pin nhiên liệu methanol trực tiếp” tôi hy vọng sẽ góp phần trong
2
việc đưa nguồn năng lượng điện “sạch” này vào ứng dụng một cách rộng rãi
cho cuộc sống năng động ngày nay.
Tình hình nghiên cứu về đề tài
Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Tính chất của chất mang và điều khiển kích thước hạt nano là hai việc
được quan tâm nhất trong quá trình điều chế. Nguồn chất mang được xử lý bằng
nhiều loại hóa chất như KOH [3], H2O2 [10], Ozon [15] và HNO3 [13].
Năm 2006, nhóm Zhen. Bo. Vary đã nghiên cứu ảnh hưởng của chất
mang khi xử lý bằng ozon và chất xúc tác là hợp kim của PtRu trên pin nhiên
liệu methanol trực tiếp [15].
H2O2 là hóa chất dùng để xử lý nguồn carbon đen mà nhóm Marcelo
Carmo sử dụng năm 2007. Nhóm này đã dùng chất mang này cho thiết bị pin
nhiên liệu dạng màng [10].
Năm 2008, nhóm Du,H. Y đã điều khiển kích thước hạt nano platin và
gắn chúng lên chất mang carbon nanotubes giúp cho quá trình oxy hóa methanol
[5].
Năm 2010, Chaoxing He và cộng sự đã dùng hóa chất KOH để xử lý
nguồn carbon và gắn hạt nano platin hỗ trợ cho phản ứng oxy hóa khử [3].
Năm 2011, S. M. Senthil Kumar và cộng sự đã nghiên cứu về ảnh hưởng
của kích thước hạt nano platin trên nguồn carbon Vulcan XC72R đã xử lý cho
phản ứng oxy hóa khử [13].
Tình hình nghiên cứu trong nước
Trong nước, việc nghiên cứu này cũng mới được tiến hành trong những
năm gần đây ở các trường Đại học Khoa học Tự Nhiên ở TP. Hồ Chí Minh và Hà
Nội cũng như Viện vật lý TP. Hồ Chí Minh
Mục tiêu nghiên cứu
3
Chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa, chế tạo vật liệu nano Pt/Carbon (thay
đổi các thông số hàm lượng của H2PtCl6 , pH, nhiệt độ, xử lý nguồn Carbon)
Khảo sát tính chất xúc tác điện hóa bằng phương pháp đo điện thế dòng
tuần hoàn trên phản ứng oxyhóa methanol,
Khảo sát các tính chất lý hóa: XRD, TEM, BET, để xác định kích thước
hạt, diện tích bề mặt của hệ xúc tác
Nội dung nghiên cứu
Vật liệu xúc tác điện hóa nano platin trên carbon Vulcan XC72R được
chế tạo bằng phương pháp polyol. Etylen glycol là rượu đa chức được sử dụng
cho quá trình khử platin từ Pt4+ về Pt0. Bên cạnh đó, một số yếu tố ảnh hưởng
cũng được khảo sát như hàm lượng của H2PtCl6 , môi trường pH, nhiệt độ xử lý
nguồn carbon Vulcan XC72R, tính chất của nguồn Carbon.
Vật liệu đã chế tạo được mang khi khảo sát tính chất xúc tác điện hóa
trên máy AutolabPGSTAT302N, với hệ thống ba điện cực: điện cực làm việc
(WE), điện cực đối (CE) và điện cực so sánh (RE). Đầu tiên, làm sạch điện cực
với dung dịch H2SO4 0,5M. Quá trình quét được tiến hành 2 lần với các vận tốc là
100mV/s, 50mV/s trong khoảng thế từ 01V và quét 1 vòng. Quét thế tuần hoàn
để khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu. Khoảng thế từ 00,9V, dung dịch
H2SO4 0,5M được thay bằng hỗn hợp dung dịch H2SO4 0,5M + CH3OH 1M. Ngoài
2 lần quét như trên, mẫu được quét thêm 1 lần với vận tốc 10 mV/s.
Vật liệu sẽ được khảo sát tính chất hóa lý thông qua một số máy móc
hiện đại như máy BET để đo diện tích bề mặt, TEM để xác định kích thước hạt
nano trên bề mặt chất mang, FESEM xác định hàm lượng tiền chất trong mẫu và
khi điều chế có phù hợp với nhau và XRD giúp ta kết luận được sự có mặt của
các tinh thể platin và carbon trong mẫu.
Phương pháp nghiên cứu
4
Xây dựng quy trình chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa nano platin trên
carbon Vulcan XC72R, với tiền chất là axit Chloplatinic (H2PtCl6.6H2O), chất
khử là Etylen glycol trong các môi trường pH từ 6,5 đên 11,3.
Xử dụng các phương pháp phân tích hiện đại như XRD, FESEM, TEM,
BET.
Bố cục
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Thực nghiệm
Chương 3: Kết quả và thảo luận
5
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU VÀ XÚC TÁC ĐIỆN CỰC
TRONG PIN NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP
1.1 Tổng quan về pin nhiên liệu
1.1.1 Khái niệm về pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu là một hệ thống dùng để biến đổi trực tiếp hóa năng thành
điện năng bằng quá trình oxy hóa nguyên liệu.
Thành phần nguyên liệu trong pin nhiên liệu bao gồm nguồn cung cấp
ion như: hydro (H2), metan (CH4), metanol (CH3OH), etanol (C2H5OH)…và oxy
lấy từ không khí. Sản phẩm của quá trình chuyển hóa này gồm có nhiệt, điện
năng, nước và khí cacbonic. Sau đây là một hệ thống đơn giản của pin nhiên liệu:
Hydro, metanol..
oxy
Pin nhiên liệu
Điện + cacbonic
nước
Hình 1.1 Sơ đồ một pin nhiên liệu
Như đã nói ở trên, pin nhiên liệu biến đổi trực tiếp hóa năng thành điện
năng thông qua phản ứng H2 + O2 H2O + dòng điện, nhờ tác động của những
chất xúc tác như: màng platin nguyên chất, hỗn hợp platin với kim loại khác và
6
một số chất điện phân như kiềm, muối cacbonat, oxit rắn… bản chất thực sự
của nó tương tự như pin điện hóa.
1.1.2
Lịch sử hình thành và phát triển của pin nhiên liệu
Đầu thế kỷ XIX, đã có nhiều nhà khoa học đưa ra khái niệm về pin nhiên
liệu tiêu biểu trong số đó là Humphry Davy.
Năm 1839, William Grove, một nhà hóa học, vật lý, luật sư và là người
đầu tiên phát minh ra Acqui khí (Gas battery). Ông đã tiến hành một loạt thí
nghiệm mà ông gọi nó là pin Volta khí, và cuối cùng đã chứng minh rằng dòng
điện có thể được sản xuất từ một phản ứng điện hóa học giữa hydro và oxy
trong một chất xúc tác bạch kim (Platin).
Năm 1889, Charles Langer và Ludwig Mond đã tiếp tục phát triển thành
quả mà trước đó William Grove đã làm được. Họ đã thay thế nguồn hydro bằng
khí than và họ cũng là những người đầu tiên đưa ra thuật ngữ “Pin nhiên liệu”
(Fuel cell). Tuy nhiên, do còn nhiều hạn chế nên những nghiên cứu của họ không
được ứng dụng rộng rãi.
Năm 1932, Giáo sư Francis Bacon đã tiếp tục phát triển thêm mô hình
bằng cách thay thế điện cực Platin bằng Niken và thay chất điện giải axit
sulphuric bằng một chất ít ăn mòn là Kali hydroxyt (KOH). Ông đã đặt tên cho
sản phẩm này là pin Bacon (Bacon cell). Đây cũng là loại pin nhiên liệu kiềm đầu
tiên.
Những năm 1950, một khái niệm rất mới là pin nhiên liệu màng trao đổi
proton (PEMFC) đã xuất hiện và trong giai đoạn này pin nhiên liệu thật sự được
nhiều lĩnh vực quan tâm hơn đặc biệt là lĩnh vực vũ trụ. Sở dĩ như vậy là do một
số nguyên nhân đã gặp phải khi sử dụng những nguồn năng lượng khác như
7
trọng lượng khá lớn của acquy, năng lượng hạt nhân thì nguy hiểm còn năng
lượng mặt trời thì vẫn còn khá mới lạ.
Vào những năm 1960, pin nhiên liệu đã được đưa vào ứng dụng trong
lĩnh vực quân sự và nó được sử dụng để cung cấp điện trên những loại tàu ngầm
thời đó. Tiếp sau nó được Liên Xô đưa vào chương trình không gian có người lái.
Những năm 1970 đến 1980, ảnh hưởng của cuộc khủng hoảng năng
lượng cùng với những nhận thức sâu sắc về việc bảo vệ môi trường, đã thúc
đẩy nhiều tổ chức nghiên cứu và dùng pin nhiên liệu như một nguồn năng lượng
hữu ích, nhằm thay thế những loại năng lượng có chi phí rất cao và khả năng gây
ô nhiễm môi trường lớn kia. DMFC cũng đã xuất hiện và phát triển trong khoảng
thời gian này.
Đầu những năm 1990, pin nhiên liệu đã tiến lên thêm một bước mới.
Nếu như trước đây hầu như ứng dụng chủ yếu trong những lĩnh vực nông
nghiệp và một ít về không gian thì ở giai đoạn này nó được đưa vào một lĩnh vực
rất quan trọng đó là công nghiệp. Giai đoạn cũng gắn liền với sự chuyển công
nghệ từ PEMFC (Proton exchange membrance fuel cell PEMFC) sang SOFC
(Solid oxide fuel cell SOFC), đồng thời cũng nhem nhóm lên khả năng thương
mại hóa trên thị trường.
Ngày nay, nay pin nhiên liệu đã được thương mại hóa sử sụng một cách
rộng rãi trong đời sống hằng ngày, hơn hết trong những phương tiện đi lại.
Nhiều công ty sản xuất ôtô lớn trên thế giới đã đưa ra những mẫu xe có sử dụng
pin nhiên liệu như: General Motor, Ford (Mỹ), Daimler Benz (Đức), Renaul
(Pháp), Toyota, Nissan, Honda ... (Nhật bản), Hyundai (Hàn Quốc)….Tuy vậy
đến giai đoạn này, việc phổ biến sử dụng rộng rãi loại “pin” mới này vẫn còn
gặp một số trở ngại do sự nghi ngờ về lợi nhuận của một s ố công ty về nó
nhưng chúng ta có quyền nghĩ đến và hy vọng nhiều cơ hội hứa hẹn phát triển
sẽ được mở ra trong tương lai không xa.
8
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu
1.1.3
Sau đây là một hệ thống pin nhiên liệu cơ bản:
Hình 1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của pin nhiên liệu
1.1.3.1 Cấu tạo
Một hệ thống pin nhiên liệu gồm có hai điện cực là anot (nơi xảy ra quá
trình oxy hóa) và catot (nơi xảy ra quá trình khử). Thông thường hai điện cực
được làm từ những chất có khả năng dẫn điện cao như những kim loại hoặc
cacbon.
Ở giữa hai điện cực là chất điện giải (Electrolyte), nó có tác dụng giúp
vận chuyển nhanh các ion từ điện cực này sang điện cực kia. Chất điện giải có
nhiều loại như axit, kiềm và cả muối nóng chảy tương ứng với chúng là các
dạng rắn, lỏng hay cấu trúc màng. Loại màng được dùng là Nafion với mục đích
để cho các ion thích hợp đi qua. Tùy vào mục đích và thời đại, người ta sẽ chọn
ra loại tối ưu nhất.
Ngoài ra còn một lớp xúc tác giúp tăng tốc độ phản ứng. Chất xúc tác có
thể được đặt ở giữa dung dịch điện phân và các điện cực. Trường hợp khác,
người ta có thể dùng nó trực tiếp như một điện cực hoặc phủ trên bề mặt của
9
điện cực tùy thuộc vào từng loại pin nhiên liệu khác nhau. Chất xúc tác không chỉ
có tác dụng làm tăng tốc độ phản ứng mà còn làm giảm đi năng lượng hoạt hóa
của quá trình hóa học. Thông thường, người ta dùng platin hoặc các hợp kim của
platin với kim loại như Ni, Ru, Co…, làm chất xúc tác.
1.1.3.2 Nguyên lý hoạt động
Tuy có nhiều loại pin nhiên liệu khác nhau nhưng nhìn chung nguyên lý
hoạt động của chúng đều có chung những nét tương đồng như:
Nhiên liệu đi vào ở cực âm (Anot), nơi đây sẽ diễn ra quá trình oxy hóa
để tạo thành các ion hydro (H+) và electron (e). Khi tiếp xúc với lớp màng nơi
điện cực thì chỉ duy nhất các ion hydro hay còn gọi là proton đi xuyên trực tiếp từ
anot sang catot, còn các electron thì bị giữ lại và phải đi theo một hệ thống dây
dẫn để qua catot. Chính do sự di chuyển như vậy mà sinh ra dòng điện một
chiều. Dòng điện này sẽ di chuyển tử catot sang anot, vì vậy nên gọi catot là cực
dương còn anot là cực âm. Cũng trong thời gian đó, khí oxy được lấy từ không
khí cũng đi vào cực dương (Catot). Sau khi tiến đến gần cực dương khí oxy này
sẽ tiếp xúc và nhận các electron để hình thành nên các ion oxy (O 2). Tùy vào từng
loại pin nhiên liệu mà các ion oxy này có thể sử dụng với mục đích khác nhau.
Chúng có thể trực tiếp tác dụng với ion hydro ở cực dương để tạo thành nước,
hoặc đi xuyên qua lớp màng ở điện cực dương tiến đến các ion hydro ở cực âm
và tạo ra nước. Ở một số pin nhiên liệu sử dụng nguồn nhiên liệu là Metanol
(CH3OH), Metan (CH4) thì sản phẩm cuối được tạo ra có thêm Cacbonic (CO2).
Nhưng lượng khí Cacbonic được tạo ra thấp hơn rất nhiều lần so với lượng khí
này thải ra ở động cơ đốt trong.
1.1.4 Hệ thống pin nhiên liệu
10
Hình 1.3 Sơ đồ một hệ thống pin nhiên liệu
Các bộ phận chính trong một hệ thống pin nhiên liệu bao gồm:
+ Bộ xử lý nhiên liệu (Fuel Processor): bộ xử lý này có tác dụng chuyển
đổi những khí hay những dạng nhiên liệu lỏng hoặc thành nguồn nguyên liệu
thích hợp cho quá trình hoạt động của pin. Ngoài ra, khi có bộ xử lý này chúng ta
có thể yên tâm hơn về nguồn nhiên liệu vì khi qua bộ xử lý sẽ loại bỏ đi thành
phần có hại và làm sạch nguồn nhiên liệu hơn.
+ Thiết bị biến đổi năng lượng (Power Section): thiết bị này dùng để biến
nguồn hóa năng thành điện năng. Cấu tạo của bộ phận này gồm nhiều hệ thống
pin nhiên liệu đơn được nối ghép với nhau còn gọi là cụm pin nhiên liệu (Fuel
cell stacks).
+ Bộ điều hòa công suất (Power conditioner): dòng điện được tạo ra trong
pin nhiên liệu không thể sử dụng trực tiếp cho tải điện được nhưng cần phải có
một thiết bị chuyển hóa thành dòng điện trước khi sử dụng. Ngày nay, người ta
thường dùng bộ nghịch lưu để chuyển từ dòng một chiều thành dòng xoay chiều
để sử dụng.
11
+ Bộ phận thu hồi nhiệt được lắp đặt nhằm mục đích tận dụng triệt để
lượng nhiệt được sinh ra trong pin nhiên liệu. Chúng có thể được dùng để làm
nóng nước hoặc tiếp tục chuyển thành điện năng thông qua các turbin hay một
thiết bị nào có chức năng tương tự.
Ngoài những thiết bị được kể trên còn một số thiết bị phụ chưa được kể
như: hệ thống xử lý độ ẩm, nhiệt độ, áp suất khí và cả nước thải khi qua pin
nhiên liệu. Một số yếu tố cần quan tâm khi thiết kế một hệ thống pin nhiên liệu
là loại pin nhiên liệu, loại nhiên liệu, điều kiện làm việc và lĩnh vực sử dụng.
1.1.5 Phân loại pin nhiên liệu
Người ta phân loại pin nhiên liệu theo điện cực hoặc chất xúc tác nhưng
thông dụng nhất vẫn là theo loại chất điện giải. Sau đây là một số loại pin nhiên
liệu rất phổ biến:
1.1.5.1 Pin nhiên liệu axit phosphoric (Phosphoric acid fuel cell PAFC)
PAFC xuất hiện và phát triển vào những năm 1970, sử dụng chất điện
giải là axit photphoric (H3PO4). Các điện cực được làm từ giấy cacbon với một
lớp màng Platin được phủ trên bề mặt. Hiệu suất pin nằm trong khoảng từ 40
80% và nhiệt độ làm việc khá cao từ 120 – 250oC.
Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực:
Trên catot: O2 4 H
Trên anot: 2 H 2
4e
4H
Tổng quát: 2 H 2 O2
2H 2O
4e
2 H 2 O + điện năng + nhiệt năng.
1.1.5.2 Pin nhiên liệu cacbon nóng chảy (Molten carbonate fuel cell
MCFC)
12
MCFC có hiệu suất làm việc cao nhất trong các loại pin như SOFC,
PEMFC và PAFC. Hiệu suất thông thường của nó là 60% nhưng nếu ta tận dụng
tất cả các lượng nhiệt sinh ra thì hiệu suất có thể lên tới 85%. Ngoài hiệu suất
cao thì nhiệt độ làm việc cũng cao không kém là từ 600 – 700oC.
Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực:
Trên catot: 2CO2
O2
Trên anot: 2CO32
Tổng quát: 2 H 2
4e
2H 2
2CO32
2H 2O
2CO2
4e
2 H 2 O + điện năng + nhiệt năng.
O2
1.1.5.3 Pin nhiên liệu kiềm (Alkaline fuel cell AFC)
AFC là loại pin nhiên liệu được chế tạo và phát triển sớm nhất. Nó đã
được ứng dụng trong chương trình không gian của NASA nhằm tạo ra điện và
nước phục vụ trên những con tàu vũ trụ. Chất điện giải được sử dụng trong loại
pin này là kali hydroxit (KOH), nhiệt độ làm việc thấp khoảng từ 65 – 220oC
nhưng nhiệt độ điển hình là 70oC. Do nhiệt độ làm việc thấp nên ta không cần
thiết dùng Platin, một kim loại quý hiếm và mắc tiền làm chất xúc ta nhưng có
thể dùng Nikel (Ni) thay thế.
Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực:
Trên catot: O2 2 H 2 O 4e
Trên anot: 2 H 2
4OH
Tổng quát: 2 H 2 O2
4OH
4 H 2 O 4e
2 H 2 O + điện năng + nhiệt năng.
1.1.5.4 Pin nhiên liệu màng trao đổi prton (Proton exchange
membrance fuel cell PEMFC)
13
PEMFC xuất hiện vào những năm 1980. Điểm khác biệt so với các loại
pin nhiên liệu khác là việc nó sử dụng chính lớp màng rắn có tính axit và nước
làm chất điện giải với điện cực làm bằng Platin. Hiệu suất pin nằm trong
khoảng từ 40 50% và nhiệt độ làm việc dưới 120 oC. Nguồn nguyên liệu chính
sử dụng là hydro nguyên chất. Ngoài ra, chúng ta còn biết thêm một dạng khác
của PEMFC nhiệt độ cao nhờ thay thế nước bằng một dung dịch axitbazơ vô cơ.
Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực:
Trên catot: O2 4 H
Trên anot: 2 H 2
4e
2H 2O
4H
Tổng quát: 2 H 2
4e
2 H 2 O + điện năng + nhiệt năng.
O2
1.1.5.5 Pin nhiên liệu methanol trực tiếp (Direct methanol fuel cell
DMFC)
DMFC xuất hiện cùng một thời điểm với PEMFC và nó cũng có 2 dạng
là kiểu axit và bazơ. Nếu ở kiểu axit CO2 được lấy ra ngoài hết thì ở kiểu bazơ
CO2 vẫn còn giữ lại bởi natri hoăc kali hydroxit ở dạng cacbonat trung tính. Nhiệt
độ làm việc khoảng 27 120oC.
Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực:
Trên anot: CH 3 OH
Trên catot:
3
O2
2
6H
Tổng quát: CH 3 OH
H 2O
6e
3
O2
2
CO2
6H
6e
3H 2 O
CO2
2 H 2 O + điện năng + nhiệt năng.
1.1.5.6 Pin nhiên liệu oxit rắn (Solid oxide fuel cell SOFC)
14
Vào những năm 1990, một sự chuyển giao công nghệ đã hình thành từ
loại pin PEMFC vẫn đang thịnh hành sang SOFC, một loại pin có chất điện giải
hoàn toàn mới. Chất điện giải của pin là những lớp gốm nặng, không thấm (phổ
biến nhất là loại oxit bazơ của Zirconi . Với chất điện giải là một loại oxit rắn
nên nhiệt độ làm việc khá cao từ 600 – 1000oC. Hiệu suất pin nằm trong khoảng
từ 70%. SOFC có thể chia thành 3 loại dựa trên cấu hình phẳng, đồng phẳng và
vi ống.
Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực:
3
Trên catot: O2 6 H
2
6e
Trên anot: CH 3 OH
H 2O
Tổng quát: CH 3 OH
3
O2
2
3H 2 O
CO2
CO2
6H
6e
2 H 2 O + điện năng + nhiệt năng.
1.1.6 Một số ưu nhược điểm của pin nhiên liệu
1.1.6.1 Ưu điểm
Pin nhiên liệu có khả năng gây ô nhiễm môi trường thấp hơn rất nhiều so
với những động cơ nhiệt. Nguyên nhân này có thể được giải thích do nguồn
nguyên liệu “sạch” là hydro nên khi tạo ra sản phẩm chỉ là nhiệt và nước. Hơn
nữa, nếu nguyên liệu đầu vào là metanol thì sản phẩm có thêm một lượng khí
cacbonic nhưng lượng này khá nhỏ để có thể gây ô nhiễm môi trường.
Hiệu suất làm việc của pin nhiên liệu cao (trên 50%) so với những thiết
bị sản xuất điện khác. Đối với các động cơ nhiệt, chẳng hạn như động cơ đốt
15
trong và tua bin khí, năng lượng hóa học được chuyển thành nhiệt bằng cách đốt
cháy và sử dụng nhiệt này để làm công có ích, hiệu suất nhiệt động học của
chúng bị giới hạn bởi hiệu suất nhiệt của chu trình Catot. Còn đối với pin nhiên
liệu thì không có quá trình cháy tạo nhiệt nên không bị giới hạn bởi chu trình
Catot thêm vào đó nó còn hoạt động ở nhiệt độ thấp.
Hình 1.4 Hiệu suất của pin nhiên liệu so với một số thiết bị tạo ra điện
khác
Sử dụng pin nhiên liệu giúp ta tiết kiệm được nhiều chi phí về nguồn
nguyên liệu hơn. Như ta biết thì nguồn nguyên liệu chính là khí hydro và oxy có
sẵn trong không khí, cao hơn nữa cũng là metanol, etanol nếu so với những nguồn
nguyên liệu hóa thạch mà các thiết bị sản xuất điện khác sử dụng thì không đáng
kể. Nhất là khi mà nguồn nguyên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và chi phí
trên thị trường luôn biến động thất thường.
Sử dụng pin nhiên liệu có thể giúp chúng ta chủ động hơn trong việc tạo
ra điện ở mọi nơi mọi lúc khi ta cung cấp đầy đủ nhiên liệu. Trong khi với
