(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu cấu trúc của màng ETFE trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton bằng các kỹ thuật phân tích phổ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.34 MB, 97 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
Hồ Diệu Linh
NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC CỦA MÀNG ETFE
TRONG PIN NHIÊN LIỆU MÀNG TRAO ĐỔI PROTON
BẰNG CÁC KỸ THUẬT PHÂN TÍCH PHỔ
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội – Năm 2018
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
Hồ Diệu Linh
NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC CỦA MÀNG ETFE
TRONG PIN NHIÊN LIỆU MÀNG TRAO ĐỔI PROTON
BẰNG CÁC KỸ THUẬT PHÂN TÍCH PHỔ
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 8440130.05
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Hồng Chí Hiếu
TS. Nguyễn Tiến Cường
LỜI CẢM ƠN
Bằng tấm lịng chân thành nhất, Tơi xin được gửi lời cảm ơn đặc biệt tới TS.
Hồng Chí Hiếu và TS. Nguyễn Tiến Cường – những người thầy với lịng nhiệt
huyết đã ln chỉ bảo tận tình cho tôi từ những ngày đầu học tập và đã tạo điều kiện
thuận lợi để tơi có thể hồn thành luận văn này. Tôi đã học được ở Thầy không chỉ
những kiến thức chun mơn mà cịn cả kỹ năng làm việc, kỹ năng sống.
Tiếp theo, Tôi xin được gửi lời cảm ơn tới nhóm nghiên cứu của TS. Trần
Duy Tập (Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh)
đã giúp tơi có những dữ liệu thực nghiệm đáng quý. Tôi cũng xin được gửi lời cảm
ơn sâu sắc tới các Thầy, Cô trong Bộ môn Quang lượng tử và Bộ môn Tin vật lý đã
giúp đỡ tơi trong q trình nghiên cứu và thực hiện luận văn.
Tôi cũng xin được cảm ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu Nhà Trường, Phòng
Sau Đại học, Khoa Vật Lý đã tạo mọi điều kiện cho Tôi trong suốt q trình học tập
tại nhà trường.
Cuối cùng, Tơi muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè, những người
luôn ủng hộ và động viên tôi vượt qua những khó khăn trong cuộc sống để tơi có
thể hồn thành luận văn này.
Mặc dù Tôi đã rất cố gắng để hoàn thiện luận văn, nhưng do hạn chế về thời
gian, kinh nghiệm và kiến thức nên không tránh khỏi những thiếu sót. Tơi mong
nhận được sự thơng cảm và những ý kiến đóng góp, chỉ bảo của các Thầy Cơ, anh
chị và các bạn để tơi có điều kiện bổ sung, nâng cao kiến thức bản thân hơn nữa.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 28 tháng 11 năm 2018
Học viên cao học
i
MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................. ii
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ v
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... vii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU MÀ NG TRAO ĐỞI
PROTON ....................................................................................................................4
1.1. Tở ng quan về pin nhiên liêụ ..............................................................................4
1.1.1. Lich
̣ sử ...............................................................................................................4
1.1.2. Cấ u ta ̣o và nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng ........................................................................4
1.1.3. Phân loa ̣i ............................................................................................................6
1.1.4. Hiê ̣u suấ t............................................................................................................7
1.1.4.1. Hiê ̣u suấ t theo lý thuyế t..................................................................................8
1.1.4.2. Trong thực tế ..................................................................................................8
1.1.5. Ưu, nhươ ̣c điể m.................................................................................................9
1.1.6. Ứng du ̣ng .........................................................................................................11
1.2. Tổ ng quan về Pin nhiên liêụ màng trao đổ i proton ......................................12
1.2.1. Cấ u ta ̣o ............................................................................................................12
1.2.2. Nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng .......................................................................................13
1.2.3. Ưu, nhươ ̣c điể m và ứng du ̣ng ..........................................................................14
1.2.4. Các loa ̣i pin nhiên liê ̣u màng trao đổ i proton ..................................................16
1.2.5. Các kỹ thuật phân tích phổ ..............................................................................19
1.2.6. Tổng quan các nghiên cứu gần đây .................................................................19
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, THỰC NGHIỆM VÀ TÍ NH TOÁN PHỔ
RAMAN....................................................................................................................25
2.1. Cơ sở lý thuyế t về phương pháp phân tích phổ dao đô ̣ng Raman ..............25
2.1.1. Lich
̣ sử quang phổ ho ̣c Raman ........................................................................25
2.1.2. Nguồ n gố c và cấ u trúc.....................................................................................26
2.1.3. Các quan điể m lý thuyế t về phổ tán xa ̣ Raman ..............................................27
2.1.4. Ưu điểm, nhươ ̣c điể m......................................................................................30
ii
2.1.5. Ứng du ̣ng .........................................................................................................31
2.2. Kỹ thuâ ̣t kích thích và thu phổ tán xa ̣ Raman ..............................................31
2.2.1. Sơ đồ kích thić h tán xa ̣ Raman .......................................................................31
2.2.2. Kỹ thuâ ̣t thu phổ tán xa ̣ Raman .......................................................................33
2.3. Tính toán và mô phỏng ....................................................................................36
2.3.1. Lý thuyết phiếm hàm mật độ ..........................................................................36
2.3.2. Tính tốn phổ Raman ......................................................................................41
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ PHÂN TÍCH PHỔ RAMAN THỰC NGHIỆM .....42
3.1. Quy trình tổng hợp mẫu và đo phổ Raman ...................................................42
3.1.1. Quy trình tổng hợp mẫu ..................................................................................42
3.1.2. Quy trình đo phổ Raman .................................................................................43
3.2. Phổ Raman thực nghiệm của ETFE nguyên thủy ........................................44
3.3. Phổ ETFE ghép mạch ......................................................................................45
3.3.1. Phổ ETFE ghép mạch 15,8% ..........................................................................45
3.3.2. Phổ ETFE ghép mạch 21,3% ..........................................................................48
3.3.3. Phổ ETFE ghép mạch 35,9% ..........................................................................49
3.4. Phổ ETFE sunfo hóa ........................................................................................52
3.4.1. Mẫu ETFE sunfo hóa theo tỷ lệ phần trăm đo bởi laser 632,81nm ................52
3.4.2 So sánh phổ ETFE sunfo hóa theo tỷ lệ phần trăm ..........................................55
3.5. So sánh phổ Raman thực nghiệm của ETFE nguyên thủy, ETFE ghép
mạch và ETFE sunfo hóa. ......................................................................................56
CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ TÍNH TỐN MƠ PHỎNG PHỔ RAMAN .............59
4.1. Mơ hình và các tham số tính tốn ...................................................................59
4.2. ETFE ngun thủy ........................................................................................... 60
4.3. ETFE ghép mạch Styrene ................................................................................65
4.3.1. Phổ Raman của Styrene ..................................................................................66
4.3.2 Phổ Raman của ETFE ghép mạch styrene .......................................................68
4.3.3. So sánh phổ Raman của 3 mẫu ETFE nguyên thủy, Styrene và ETFE ghép
mạch. ......................................................................................................................... 71
4.4. Phổ Raman của ETFE sunfo hóa....................................................................73
4.4.1. Phổ Raman của Benzensulfonic acid .............................................................. 73
iii
4.4.2. Phổ Raman của ETFE sunfo hóa ....................................................................74
4.4.3. So sánh phổ Raman của ba mẫu ETFE nguyên thủy, axit Benzensulfonic,
ETFE sunfo hóa.........................................................................................................76
4.4.4. So sánh phổ Raman của các màng ETFE nguyên thủy, ghép mạch và sunfo
hóa ............................................................................................................................. 79
4.5. So sánh phổ Raman thực nghiệm và mô phỏng ............................................80
KẾT LUẬN ..............................................................................................................83
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................... 85
iv
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo của pin nhiên liệu .................................................................5
Hình 1.2. Cấ u ta ̣o của pin nhiên liê ̣u màng trao đở i proton. .....................................12
Hình 1.3. Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu hydro .........................................14
Hình 1.4. Cấu trúc của Nafion ..................................................................................16
Hình 1.5. Hình trích lược từ nghiên cứu [27] ........................................................... 20
Hình 1.6. Hình trích lược từ nghiên cứu [28] ........................................................... 20
Hình 1.7. Hình trích lược từ khóa luận tốt nghiệp [6] ..............................................21
Hình 1.8. Hình trích lược từ [5] ................................................................................21
Hình 1.9. Hình trích lược từ [3] ................................................................................22
Hình 1.10. Hình trích lược từ [4] ..............................................................................24
Hình 2.1. Cơ chế phát xa ̣ quang phổ Raman............................................................. 27
Hình 2.2. Sự chuyể n dời các mức năng lươ ̣ng trong tán xa ̣ Raman. ........................29
Hình 2.3. Mô ̣t số sơ đồ kić h thić h phổ tán xa ̣ Raman bằ ng laser ............................. 32
Hình 2.4. Sơ đồ phổ kế raman laser ..........................................................................34
Hình 2.5. Sơ đồ quang ho ̣c của phở kế FT-Raman ...................................................35
Hình 2.6. Sơ đồ Kohn-Sham trong tính tốn DFT ....................................................40
Hình 3.1. Quy trình tổng hợp mẫu ETFE ghép mạch và sunfo hóa từ mẫu ETFE
nguyên thủy [3]. ........................................................................................................42
Hình 3.2. Phổ Raman của mẫu ETFE nguyên thủy khi đo với laser 632,81nm trong
vùng số sóng từ 0-4000 cm-1. ....................................................................................44
Hình 3.3. Phổ Raman của mẫu ETFE ghép mạch 15,8% khi đo với laser 632,81nm
trong vùng số sóng từ 0-4000 cm-1. ..........................................................................46
Hình 3.4. Phổ Raman của mẫu ETFE ghép mạch 21,3 % khi đươ ̣c chiế u bởi laser
632,81 nm vùng phổ từ 0 - 4000 cm-1 .......................................................................48
Hình 3.5. Phở Raman của mẫu ETFE ghép mạch 35,9 % khi đươ ̣c chiế u bởi laser
632,81 nm vùng phổ từ 0- 4000 cm-1 ........................................................................50
Hình 3.6. Phổ Raman của mẫu ETFE ghép mạch đo với bước sóng 632,81nm trong
vùng số sóng từ 0-4000 cm-1 .....................................................................................51
Hình 3.7. Phổ Raman của ETFE sunfo hóa 15,9% khi đo với laser 632.81 nm trong
vùng số sóng từ 0-4000 cm-1 .....................................................................................53
v
Hình 3.8. Phổ Raman của ETFE sunfo hóa 22,1% khi đo với laser 632.81 nm trong
vùng số sóng từ 0-4000 cm-1 .....................................................................................54
Hình 3.9. Phổ Raman của ETFE sunfo hóa 38% khi đo với laser 632.81 nm trong
vùng số sóng từ 0-4000 cm-1 .....................................................................................54
Hình 3.10. Phổ Raman của mẫu ETFE sunfo hóa khi được chiếu bởi laser
632,81nm. ..................................................................................................................55
Hình 4.1. Các mơ hình tính tốn cho (a) ETFE ngun thủy, (b) ETFE ghép mạch
và (c) ETFE sunfo hóa .............................................................................................. 59
Hình 4.2. Phổ Raman của ETFE nguyên thủy (n=2) ................................................61
Hình 4.3. Phổ Raman của ETFE nguyên thủy (n=3) ................................................62
Hình 4.4. Phổ Raman của ETFE nguyên thủy (n=4) ................................................62
Hình 4.5. Phổ Raman của Styrene (n=3) ..................................................................66
Hình 4.6. Phổ Raman của ETFE ghép mạch styrene ................................................69
Hình 4.7. Phổ Raman của ETFE nguyên thủy, Styrene và ETFE ghép mạch ..........72
Hình 4.8. Phổ Raman của Benzensulfonic acid ........................................................73
Hình 4.9. Phổ Raman của mẫu ETFE sunfo hóa. .....................................................75
Hình 4.10. Phổ Raman của ba mẫu ETFE nguyên thủy, axit Benzensulfonic .........78
và ETFE sunfo hóa. ...................................................................................................78
Hình 4.11. Phổ Raman của ba mẫu ETFE nguyên thủy, ETFE ghép mạch và ETFE
sunfo hóa. ..................................................................................................................79
Hình 4.12. Phổ Raman của 3 mẫu ETFE ngun thủy, ETFE ghép mạch, ETFE
sunfo hóa: (a) theo lý thuyết và (b) theo tính tốn mơ phỏng ...................................81
vi
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Phân loa ̣i pin nhiên liê ̣u theo chấ t điê ̣n phân ..............................................7
Bảng 3.1. Thông số của chế độ đo với laser có bước sóng 632,81 nm. ....................43
Bảng 3.2. Các số sóng khi đo với laser 632,81nm của mẫu ETFE nguyên thủy ......45
Bảng 3.3. Các số sóng khi đo với laser 632,81nm của mẫu ETFE ghép mạch 15,8%
...................................................................................................................................47
Bảng 3.4. Các số sóng khi đo với laser của mẫu ETFE ghép mạch 21,3% ..............48
Bảng 3.5. Các số sóng khi đo với laser của mẫu ETFE ghép mạch 35.9% ..............50
Bảng 3.6. Các số sóng khi đo với laser 632.81 nm của mẫu ETFE theo tỷ lệ ghép
mạch. ......................................................................................................................... 52
Bảng 3.7. Các số sóng khi đo với laser 632,81nm của mẫu ETFE sunfo hóa ..........55
Bảng 4.1. Các tham số tính tốn tối ưu hóa cấu trúc. ...............................................60
Bảng 4.2. Các tham số tính tốn phổ Raman và các mode dao động. ......................60
Bảng 4.2. Số sóng và mode dao động tương ứng của ETFE nguyên thủy khi đo với
laser 632,81 nm .........................................................................................................63
Bảng 4.3. Một số mode dao động đặc trưng của ETFE nguyên thủy .......................64
Bảng 4.4. Số sóng và mode dao động tương ứng của Styrene..................................66
Bảng 4.5. Số sóng và mode dao động của ETFE ghép mạch styrene. ......................69
Bảng 4.6. Một vài số sóng và mode dao động tương ứng của Benzensulfonic acid.74
vii
MỞ ĐẦU
Ngày nay, cuộc sống của chúng ta sử dụng rất nhiều năng lượng. Tuy nhiên,
các nguồn nhiên liệu hóa thạch có trong tự nhiên trên thế giới như dầu hỏa, than đá,
khí gas tự nhiên,… đang ngày càng cạn kiệt và ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường
xung quanh. Chính vì thế việc tìm kiếm các nguồn năng lượng mới thân thiện với
môi trường trở nên cấp thiết. Trong các nguồn năng lượng mới có khả năng lựa
chọn như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng hạt nhân, địa năng
lượng,…. Ngồi ra, có một nguồn năng lượng có nhiều tiềm năng chính là Pin nhiên
liệu (Fuel Cell).
Trong số các loại pin nhiên liê ̣u thì pin nhiên liê ̣u màng dẫn proton (PEMFCProton exchange membrane fuel cell) được quan tâm hàng đầu vì có nhiều ưu điểm
như: Sử dụng nhiên liệu đầu vào là Hydro và Oxy trong khơng khí, sản phẩm đầu ra
thân thiện với mơi trường, thời gian khởi động nhanh, hiệu suất chuyển hóa năng
lượng cao, có thể tạo ra dịng điện liên tục khi có nguồn cung cấp liên tục,… Ở một
số nước tiên tiến như Hoa Kỳ, Nhật Bản, pin nhiên liệu màng dẫn proton ETFE
(Ethylene Tetraflourothylene) được ứng dụng như một thiết bị phát điện của xe ơ tơ
vì nhiên liệu sạch và hiệu suất cao. Trên thị trường hiện nay có một số màng thương
mại như: Nafion, Aquivion, Acipex, Dais,…nổi bật nhất là Nafion - vật liệu sử dụng
phổ biến cho pin nhiên liệu. Tuy nhiên tính dẫn proton của Nafion bị ảnh hưởng bởi
nhiệt độ, giá thành đắt và khó khăn trong q trình tổng hợp [16, 17]. Chính vì thế,
cần tìm vật liệu lai hóa Nafion để khắc phục những nhược điểm này của nó. Với
hướng nghiên cứu ấy, PEM ETFE (Polystyrenesulfonic acid grafted polyethyleneco-tetraflouroethylene) đang trở thành vật liệu đầy tiềm năng cho màng dẫn proton
trong pin nhiên liệu.
Trong quá trình tổng hợp PEM ETFE, ta cần nghiên cứu cấu trúc của màng
điện cực polymer bằng các kỹ thuật phân tích phổ như phổ tán xạ góc nhỏ, phổ hủy
positon, phổ tần số tổng, phổ FT-IR,… Trong đó, kỹ thuật phân tích phổ Raman có
nhiều ưu điểm như độ nhạy cao, phân tích khơng phá hủy mẫu, có sẵn thư viện phổ
1
để tra cứu cho khoảng 16000 hợp chất, chi phí thấp, có thể phân tích cả phổ thực
nghiệm cũng như tiến hành tính tốn, mơ phỏng trên máy tính. Vì vậy, đề tài
“Nghiên cứu cấu trúc của màng ETFE trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton
bằng các kỹ thuật phân tích phổ” được chọn để nghiên cứu trong luận văn này.
Mục tiêu của luận văn: Luận văn này tập trung nghiên cứu tính chất cấu
trúc của màng ETFE trong 3 trường hợp ETFE nguyên thủy, khi đã ghép mạch
styrene và khi sunfo hóa, sử dụng kỹ thuật phân tích phổ FT-Raman thực nghiệm và
tính tốn mơ phỏng phổ Raman trên máy tính dựa trên lý thuyết phiếm hàm mật độ.
Mục tiêu nhằm tìm hiểu bản chất cấu trúc, phát hiện các nhóm và đặc trưng liên kết,
các mode dao động, sự thay đổi các mode dao động và dịch chuyển số sóng của
màng ETFE khi tăng chiều dài mạch, khi tăng tỷ lệ ghép mạch styrene và tỷ lệ
sunfo hóa.
Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phương pháp phân tích phổ FT-Raman
thực nghiệm kết hợp với tính tốn mơ phỏng phổ Raman trên máy tính dựa trên lý
thuyết phiếm hàm mật độ.
Bố cục luận văn: mở đầu,4 chương I, II, III, IV, kết luận, tài liệu tham khảo.
Chương I: Tổng quan về pin nhiên liê ̣u màng trao đổi proton.
Trình bày tổng quan về pin nhiên liệu và pin nhiên liê ̣u màng trao đổ i Proton.
Chương II: Cơ sở lý thuyết, thực nghiệm và tính tốn phổ Raman.
Trình bày về cơ sở lý thuyết, kỹ thuật thực nghiệm, phương pháp tính tốn và mơ
phỏng phổ Raman trên máy tính.
Chương III: Kết quả phân tích phổ Raman thực nghiệm.
Trình bày các kết quả phân tích phổ và thảo luận về phổ Raman thực nghiệm của
các mẫu ETFE nguyên thủy, ETFE ghép mạch styrene và ETFE sunfo hóa.
Chương IV: Kết quả tính tốn mơ phỏng phổ Raman.
2
Trình bày các kết quả thu được và thảo luận về tính tốn mơ phỏng phổ Raman của
mẫu ETFE ngun thủy, ETFE ghép mạch styrene và ETFE sunfo hóa. Việc thảo
luận và so sánh kết quả phổ Raman giữa thực nghiệm và tính tốn mơ phỏng cũng
được đưa ra trong chương này.
3
CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU MÀ NG TRAO ĐỞI PROTON
1.1. Tở ng quan về pin nhiên liêụ
1.1.1. Lich
̣ sử
Năm 1839, Sir William Robert Grove đã chế tạo ra mơ hình thực nghiệm đầu
tiên của tế bào nhiên liệu (fuel cell), bao gồm hai điện cực platin được bao trùm bởi
hai ống hình trụ bằng thủy tinh, một ống chứa hiđrô và ống kia chứa ôxy [26] Hai
điện cực được nhúng trong axit sulfuric loãng là chất điện phân tạo thành dịng điện
một chiều. Vì việc chế tạo các hệ thống tế bào nhiên liệu quá phức tạp và giá thành
đắt nên công nghệ này dừng lại [25].
Đến đầu thập niên 1950, ngành du hành vũ trụ và kỹ thuật quân sự cần dùng
một nguồn năng lượng nhỏ gọn và có năng suất cao. NASA đã quyết định dùng
cách sản xuất điện trực tiếp bằng phương pháp hóa học thơng qua tế bào nhiên liệu
trong các chương trình du hành vũ trụ Gemini và Apollo. Các tế bào nhiên liệu sử
dụng trong chương trình Gemini được NASA phát triển vào năm 1965. Với công
suất khoảng 1 kW, các tế bào nhiên liệu này đã cung cấp đồng thời điện
và nước uống cho các phi hành gia vũ trụ.
Đầu thập niên 1990, nhờ chế tạo được các màng (membrane) có hiệu quả
cao, các vật liệu có khả năng chống ăn mịn hóa học tốt hơn và nhờ có cơng cuộc
tìm kiếm một nguồn năng lượng thân thiện môi trường cho tương lai, tế bào nhiên
liệu được phát triển mạnh. Thông qua đó việc sử dụng tế bào nhiên liệu dành cho
các mục đích dân sự đã trở thành hiện thực. Ngày nay khả năng sử dụng trải dài từ
vận hành ô tô, sưởi nhà qua các nhà máy phát điện có cơng suất hằng 100 kW cho
đến những ứng dụng bé nhỏ như trong điện thoại di động hoặc máy vi tính xách tay.
1.1.2. Cấ u ta ̣o và nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng
Cấ u ta ̣o chung của pin nhiên liê ̣u gồ m có 2 điê ̣n cực là cực dương (anode) và
cực âm (cathode), giữa hai điê ̣n cực còn chứa chấ t điê ̣n phân (electrolyte) dùng để
vâ ̣n chuyể n các ha ̣t tải điện từ điê ̣n cực này sang điê ̣n cực khác và chấ t xúc tác làm
tăng tố c đô ̣ phản ứng. Hai điê ̣n cực (electrodes) đươ ̣c làm bằ ng chấ t dẫn điê ̣n (kim
4
loa ̣i, carbon,…). Nhiên liê ̣u (hydro hoă ̣c các nhiên liê ̣u giàu hydro) đươ ̣c cung cấ p
đế n anode, oxy (thường từ không khi)́ đươ ̣c cung cấ p đế n cathode [15]. Hai khí này
muố n tác du ̣ng với nhau nhưng đã bi ̣ ngăn cách bởi chấ t điê ̣n phân khiế n hydro bi ̣
phân ly thành mô ̣t proton và mô ̣t điê ̣n tử. Các phản ứng hóa ho ̣c ta ̣o ra dòng điê ̣n
xảy ra ta ̣i hai điê ̣n cực này. Proton di chuyể n tự do qua lớp chấ t điê ̣n phân trong khi
điê ̣n tử buô ̣c phải mấ t mô ̣t con đường khác xung quanh nó, ta ̣o ra mô ̣t dòng điê ̣n
trước khi tái kế t hơ ̣p với H+ và O2- tạo ra một phân tử H2O.
Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo của pin nhiên liệu
Tùy thuô ̣c vào từng loại pin nhiên liê ̣u mà chấ t điê ̣n phân có thể ở thể rắn,
lỏng hoặc có cấu trúc màng. Loa ̣i màng trong các pin nhiên liê ̣u hoa ̣t đô ̣ng ở nhiê ̣t
độ thấp thường là Nafion, chỉ cho phép những ion thích hơ ̣p đi qua giữa anode và
cathode của pin nhiên liê ̣u mà khơng cho phép các electron di chủ n qua nó.
Ngoài ra, đề thúc đẩ y các phản ứng hóa ho ̣c xảy ra, người ta bổ sung chấ t
xúc tác vào giữa các điê ̣n cực và chấ t điê ̣n giải bằ ng nhiề u cách khác nhau tùy từng
loa ̣i pin nhiên liê ̣u. Chấ t xúc tác có thể là vâ ̣t liê ̣u của điê ̣n cực, hoă ̣c là mô ̣t chấ t
khác đươ ̣c đă ̣t tiế p xúc giữa các điê ̣n cực và lớp điê ̣n phân hoă ̣c đươ ̣c phủ trực tiế p
lên chấ t điê ̣n phân. Mă ̣c dù chấ t xúc tác trong các loa ̣i pin nhiên liê ̣u có thể khác
nhau về vâ ̣t liê ̣u và cấ u ta ̣o, nhưng chúng đề u có cùng công du ̣ng là thúc đẩ y các
5
phản ứng hóa ho ̣c, giảm năng lươ ̣ng hoa ̣t hóa của các quá trình hóa ho ̣c. Chấ t xúc
tác thường dùng trong pin nhiên liê ̣u là Platin và hơ ̣p kim của platin với kim loa ̣i
khác như Ru, Ni, Co,…
Tuy có nhiều loại pin nhiên liệu nhưng nhiǹ chung nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng của
chúng đều có những nét tương đờ ng là: nhiên liê ̣u đi vào anode, nơi đây sẽ diễn ra
quá trình oxy hóa để ta ̣o thành các ion H+ và electron. Khi tiếp xúc với lớp màng
nơi điê ̣n cực thì chỉ duy nhất các ion H+ hay proton đi xuyên trực tiếp từ anode sang
cathode, còn các electron thì bi ̣ giữ la ̣i và phải đi theo mô ̣t hê ̣ thố ng dây dẫn để qua
cathode. Sự di chuyể n của electron sinh ra dòng điê ̣n mô ̣t chiề u từ cathode sang
anode. Cũng trong thời gian đó, khí oxy được lấ y từ không khí đi vào cathode. Khi
tiến đến dần cathode, khí oxy này sẽ tiế p xúc và nhâ ̣n các electron để hình thành
nên các ion oxy. Tùy vào từng loa ̣i pin nhiên liê ̣u mà các ion oxy này có thể sử du ̣ng
với mục đích khác nhau. Chúng có thể trực tiế p tác du ̣ng với ion hydro ở cathode để
ta ̣o thành nước, hoặc đi xuyên qua lớp màng ở điê ̣n cực dương tiến đế n các ion H+ ở
cực âm và ta ̣o ra nước. Ở mô ̣t số pin nhiên liê ̣u sử du ̣ng nguồ n nhiên liê ̣u là
Methanol (CH3OH), CH4 thì sản phẩ m cuố i đươ ̣c ta ̣o ra có thêm CO2. Nhưng lươ ̣ng
khí này đươ ̣c ta ̣o ra thấ p hơn rấ t nhiề u lần so với lươ ̣ng khí thải ra ở đô ̣ng cơ đố t
trong.
1.1.3. Phân loa ̣i
Pin nhiên liệu được phân loại theo nhiều cách khác nhau như sau:
Phân loại theo nhiệt độ hoạt động.
Phân loại theo các chất tham gia phản ứng.
Phân loại theo điện cực.
Phân loại theo các chất điện phân (cách phân loại phổ biến nhất).
6
Bảng 1.1. Phân loa ̣i pin nhiên liê ̣u theo chấ t điê ̣n phân
Chấ t
T
1
2
điê ̣n
Tên
T
Công
suấ t
phân
Nhiệt
đô ̣ hoa ̣t
đô ̣ng
Pin1 nhiên liệu màng trao
Màng
1W- 500 50-
đổ i proton (PEMFC –
polymer
kW
(tế bào)
Hiệu
suấ t (hê ̣
thố ng)
50-70%
30-50%
20-30%
10-25%
55%
40%
60-70%
62%
55%
45-55%
60-65%
55-60%
100oC
proton exchange
(Nafion
membrane fuel cell)
)
Pin2 nhiên liệu dùng
Màng
100
90-
methanol trực tiế p
polymer
mW-
1200C
(DMFC- Direct Methanol
Hiệu suấ t
1kW
Fuel Cell)
3
Pin3 nhiên liê ̣u axit
Axit
photphoric (PAFC-
photphor
phosphoric acid fuel cell)
ic
<10 MW 1502000C
nóng
chảy
4
5
Pin4 nhiên liê ̣u kiề m
Dung
10-
(AFC- Alkaline Fuel
dich
̣
200kW
Cell)
kiề m
Pin5 nhiên liệu muố i
Muối
cacbonat nóng chảy
kiềm
(MCFC- Molten
cacbonat
carbonate fuel cell)
nóng
<800C
100 MW 6006500C
chảy
6
Pin5 nhiên liê ̣u oxit rắ n
Oxit
<100
500-
(SOFC - Solid oxide fuel
nóng
MW
11000C
cell)
chảy
1.1.4. Hiê ̣u suấ t
7
1.1.4.1. Hiê ̣u suấ t theo lý thuyế t
Hiệu suất năng lượng của một hệ thống hay một thiết bị biến đổi năng lượng
được tính bằng tỉ số giữa năng lượng có ích đi ra từ hệ và tổng năng lượng đưa vào,
hoặc bằng năng lượng ra có ích theo tỉ lệ phần trăm của tổng năng lượng đầu vào.
Trong trường hợp của pin nhiên liệu, năng lượng đầu ra hữu ích được tính
bằng năng lượng điện được sản xuất ra bởi hệ thống. Năng lượng đầu vào là năng
lượng trong nhiên liệu. Theo bộ năng lượng Mỹ, các pin nhiên liệu thường có hiệu
suất khoảng 40-60% [29], cao hơn so với vài hệ thống sản sinh năng lượng khác
(chẳng hạn động cơ đốt trong của một chiếc ô tô là 25%). Khi tính cả nhiệt và năng
lượng của hệ, nhiệt được sinh ra từ pin nhiên liệu được thu lại và đưa vào sử dụng
thì hiệu suất của hệ tăng lên đến 85-90% [10]. Hiệu suất tối đa trên lý thuyết của bất
kỳ loại hệ thống phát điện nào cũng không bao giờ đạt được trong thực tế và khơng
xem xét các bước khác trong q trình phát điện như sản xuất, vận chuyển và lưu
trữ nhiên liệu và chuyển đổi điện năng thành cơ năng. Tuy nhiên, phép tính này cho
phép so sánh các kiểu phát điện khác nhau. Hiệu quả năng lượng lý thuyết tối đa
của pin nhiên liệu là 83%, hoạt động ở mật độ năng lượng thấp và sử dụng hydro và
oxy tinh khiết làm chất phản ứng (giả sử không thu hồi nhiệt). Theo Hội đồng Năng
lượng Thế giới, hiệu quả lý thuyết tối đa 58% cho động cơ đốt trong [10].
1.1.4.2. Trong thực tế
Một chiếc xe chạy pin nhiên liệu có hiệu suất hơn 45% khi tải trọng thấp và
cho giá trị trung bình khoảng 36%, trong khi một chiếc xe chạy diesel là 22%. Năm
2008, Honda đã cho ra đời chiếc xe điện chạy bằng pin nhiên liệu với hiệu suất
60%, cao hơn hẳn so với các nhiên liệu khác.
Việc tính tới sự hao hụt do quá trình sản xuất, vận chuyển và lưu trữ nhiên
liệu cũng quan trọng. Những chiếc xe pin nhiên liệu chạy bằng hydro nén có thể có
hiệu suất (từ nhà máy điện tới bánh xe) đạt 22% nếu hydrogen được lưu giữ dưới áp
suất cao và 17% nếu nó được lưu giữ dưới dạng hydro lỏng. Các tế bào nhiên liệu
không thể lưu trữ năng lượng như pin, ngoại trừ hydro, nhưng trong một số ứng
dụng, chẳng hạn như các nhà máy điện độc lập dựa trên các nguồn không liên tục
8
như năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió, chúng được kết hợp với các thiết bị
điện phân và lưu trữ để hình thành một hệ thống lưu trữ năng lượng. Tuy nhiên,
phần lớn khí hydro được tạo ra bởi q trình chuyển đổi khí metan, và do đó hầu hết
sản xuất hydro phát ra CO2 [22]. Hiệu suất tổng thể (điện chuyển thành hydro và trở
lại điện) của các nhà máy như vậy (được gọi là hiệu quả khứ hồi), sử dụng khí
hydro tinh khiết và oxy tinh khiết có thể là "từ 35 đến 50%", tùy thuộc vào mật độ
khí và các loại điều kiện khác. Mặc dù pin axit chì có thể trở lại khoảng 90%, hệ
thống điện phân / pin nhiên liệu có thể lưu trữ lượng hydro rất nhiều và do đó thích
hợp hơn để lưu trữ lâu dài.
Các tế bào nhiên liệu oxit rắn sản xuất ra nhiệt từ sự tái tổ hợp của oxy và
hydro. Gốm có thể hoạt động ở nhiệt độ đạt 800o C. Lượng nhiệt này có thể được
thu lại và đốt nóng nước trong một vi ứng dụng kết hợp nhiệt và năng lượng. Khi
nhiệt được thu lại, tổng hiệu suất có thể đạt 80-90% trên một đơn vị, khơng tính đến
tổn thất sản xuất và phân phối.
1.1.5. Ưu, nhươ ̣c điể m
Ưu điể m: Pin nhiên liê ̣u có nhiều ưu điểm vượt trội như sau
Hiệu suất cao: pin nhiên liê ̣u có hiệu suất cao hơn pin bình thường là do pin
nhiên liệu có thể sản sinh ra điện một cách liên tục, trong khi pin bình thường phải
trải qua quá trình sạc xả để tái sử dụng. Vì vậy, về mặt lý thuyết, pin nhiên liệu có
thể chạy mãi chừng nào cịn nhiên liệu. Hiệu suất của pin có thể đa ̣t tới 40% đế n
70% điê ̣n, ngoài ra có thể hơn 85% khi tâ ̣n du ̣ng cả điê ̣n và nhiê ̣t.
Thời gian na ̣p nhiên liê ̣u ngắ n so với pin trù n thớ ng. Đó là lý do vì sao
Toyota cho rằng sẽ tiện lợi hơn khi thay vì sạc lại điện cho xe thì họ sẽ tiếp thêm
nhiên liệu cho pin nhiên liệu trên xe. Như vậy những chiếc xe như Toyota Mirai sẽ
chỉ cần mất 5 phút để có thể di chuyển tiếp thay vì mất hàng giờ để sạc lại điện cho
xe. Lợi thế này không chỉ áp dụng được trong lĩnh vực xe điện mà còn trong rất
nhiều lĩnh vực khác nữa. Các công ty Plug Power và Ballard Power System đã
dùng những cell pin nhiên liệu thay vì pin truyền thống cho xe nâng của họ trong
kho hàng, do những chiếc xe này cần chạy liên tục 24/24h. Dù các xe nâng này
9
cũng đang chạy bằng pin thông thường nhưng nếu dùng pin nhiên liệu sẽ giúp tiết
kiệm thời gian và tiền bạc khi có thể tiếp nhiên liệu một cách nhanh chóng thay vì
phải mất một ngày để sạc đầy pin cho một xe. Theo EIA, hơn 2500 cell pin nhiên
liệu dùng cho phương tiện chuyên chở vật liệu đã được bán năm 2014, và con số
này sẽ tiếp tục tăng trong các năm tới đây.
Khối lượng lưu trữ lớn: không chỉ có ưu điểm về mặt thời gian nạp nhiên
liệu so với pin truyền thống, mà trong lĩnh vực lưu trữ, pin nhiêu liệu hydro cũng
có ưu điểm vượt trội về khối lượng. Mặc dù pin truyền thống là vật lưu trữ tuyệt
vời với lượng điện hữu hạn trong khoảng thời gian ngắn, nhưng với lượng điện lớn
thì lại là nhược điểm của pin truyền thống. Trong khi đó, với các thùng chứa đủ
lớn, các trạm sản xuất hydro có thể sản xuất hydro sạch và lưu trữ nhiên liệu đó
nhiều tuần thậm chí nhiều tháng. Đây sẽ là một tùy chọn khác cho việc lưu trữ năng
lượng để tối đa giá trị sử dụng và loại bỏ được nhiều thách thức đối với năng lượng
tái tạo. Quy mô thị trường pin nhiên liệu gia tăng đồng nghĩa với việc chi phí sẽ
giảm, và có thể ngành cơng nghiệp lưu trữ điện năng bằng pin nhiên liệu sẽ mang
lại lợi nhuận đáng kể.
Là loại nhiên liệu thân thiê ̣n với môi trường: vâ ̣n hành không phát ra tiế ng
ồ n. Sản phẩm chỉ là H2O (và CO2 nế u dùng tới nhiên liệu hóa tha ̣ch), giảm sự phu ̣
thuô ̣c vào dầ u mỏ, giảm lươ ̣ng khí CO2 thải ra môi trường.
Các pin nhiên liệu không cần động cơ quay hay các bộ phâ ̣n cơ ho ̣c chuyể n
đô ̣ng, do đó tăng tuổ i tho ̣ và đô ̣ tin câ ̣y.
Nhiê ̣t đô ̣ vâ ̣n hành khác nhau của tế bào nhiên liê ̣u cho phép dùng cùng với
turbine hay những ứng dụng hơi nước nóng.
Tiề m năng vô cùng lớn: nhờ sự tăng trưởng bùng nổ của xe điện, pin nhiên
liê ̣u đã có bước phát triển liên tục trong vài năm qua. Nhưng nếu nhìn trong dài
hạn, tiềm năng phát triển của pin nhiên liệu vẫn cịn có thể lớn hơn nữa. Với giá trị
2.2 tỷ USD chỉ riêng cho thị trường Mỹ, đó dường như vẫn là quá nhỏ bé, nhưng
thị trường này đang tăng trưởng nhanh chóng. Với rất nhiều ứng dụng trong các
10
lĩnh vực khác nhau, pin nhiên liệu có thể được sản xuất với quy mơ lớn hơn, chi phí
thấp hơn và trở thành sản phẩm hấp dẫn hơn cho thị trường năng lượng.
Nhược điể m: Những điểm ưu việt của pin nhiên liệu là không phải bàn cãi, tuy
nhiên thực tế cũng tồn ta ̣i những nhươ ̣c điểm của pin nhiên liê ̣u.
Sản xuất hydro không đơn giản: các phương pháp thông thường có chi phí
đắt đỏ mà hiệu suấ t thấ p, phương pháp quang điện phân và sinh học phu ̣ thuộc ảnh
hưởng thời tiết do cần có ánh sáng Mặt Trời để hoạt động.
Chất đốt hydro khó bảo quản và vận chuyển: tốn nhiều thời gian để nén và
hóa lỏng hydro, chưa kể cần đến phương tiện đặc dụng, khiến việc lưu trữ và vận
chuyển hydro cũng là vấn đề nan giải. Hydro tuy không nguy hiểm như xăng nhưng
vẫn dễ bắt cháy, nên vẫn chưa thực sự an tồn. Hơn nữa, hydro cịn khơng mùi, nên
cần phải cảnh giác khi sử dụng hydro.
Giá thành sản xuất pin nhiên liệu quá cao để sản xuất đại trà do pin có các bộ
phận sử dụng cơng nghệ chế tạo và vật liệu đắt tiền như chất xúc tác (bạch kim),
màng trao đổi, điện cực.
Pin nhiên liệu có thể tích cồng kềnh, nhất là khi người ta muốn nhập vào bên
trong xe cộ. Các pin nhiên liệu cần có tuổi thọ tối thiểu 40.000h trong các ứng dụng
trong các cơng trình về trạm phát điện. Đây là một ngưỡng khơng dễ gì vượt qua
với cơng nghệ hiện hành.
1.1.6. Ứng du ̣ng
Tế bào nhiên liệu được sử dụng đầu tiên trong những lĩnh vực mà phí tổn
khơng đóng vai trò quan trọng. Tế bào nhiên liệu nhẹ và hiệu quả hơn ắc quy đồng
thời đáng tin cậy và ít ồn ào hơn động cơ Diesel. Những điều này giải thích tại sao
giới quân sự và ngành du hành vũ trụ quan tâm đến công nghệ này rất sớm. Một số
tàu thuyền trên biển cũng dùng tế bào nhiên liệu.
Động cơ thúc đẩy cho các ứng dụng dân sự xuất phát từ nhận thức trữ
lượng dầu mỏ trên Trái Đất là có hạn nhưng vẫn mong muốn tiếp tục kinh doanh xe
thời kỳ sau dầu mỏ vốn đang mang về nhiều lợi nhuận.
11
Từ 20 năm nay nhiều hãng sản xuất xe (Daimler Chrysler, Ford, Honda,
Opel) đã nghiên cứu về xe có nhiên liệu là hydro, sử dụng tế bào nhiên liệu để
chuyển hóa năng lượng và dùng động cơ điện về vận hành. Kỹ thuật này đã được
phát triển cho xe buýt, xe du lịch, xe tải nhẹ. Ở Hamburg và Stuttgart (Đức) người
ta đang thử nghiệm chạy xe buýt sử dụng nhiên liệu hydro trên các tuyến đường xe
buýt bình thường. 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 hoặc từ một hệ
thống tế bào nhiên liệu hiđrô.
Các tế bào nhiên liệu sử dụng khí đốt đang chuẩn bị đẩy lùi các thiết bị kết
hợp phát điện và sưởi (combined heat and power plant). Ở hệ thống này khí đốt
được biến đổi thành hydro đưa vào tế bào nhiên liệu.
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.
1.2. Tổ ng quan về Pin nhiên liêụ màng trao đở i proton
1.2.1. Cấ u ta ̣o
Hình 1.2. Cấ u ta ̣o của pin nhiên liê ̣u màng trao đổ i proton.
Giố ng như các loa ̣i pin nhiên liê ̣u khác, pin nhiên liê ̣u màng trao đổ i proton
có cấu ta ̣o gồm các phầ n:
Cực dương (anode) có cấu tạo từ các màng điê ̣n cực bao gồ m: kim loa ̣i, than
chì, than chì mề m dẻo, hơ ̣p chấ t C-C, hơ ̣p chấ t cacbon-polymer… Chúng có vai trị
12
dẫn những điện tử tách ra từ phân tử hydro để được sử dụng cho mạch điện bên
ngồi. Nó có những đường gạch rất nhỏ, rất đều đặn để khí hydro được phân bố đều
trên mặt bằng khi gặp chất xúc tác.
Cực âm (cathode) cấu tạo trên mặt cũng có những đường gạch như cực
dương, có nhiệm vụ dẫn khí oxy tới mặt của chất xúc tác. Đồng thời nó cũng dẫn
những điện tử sau khi phản ứng từ mạch điện ngoài, nhập lại với ion hydro và oxy
tạo ra nước tinh khiết.
Hệ màng - điện cực (MEA - Membrane Electrode Assembly) là một bộ phận
rất quan trọng cho quá trình phản ứng hóa học trong pin nhiên liệu. Cấu tạo từ
polymer đã được sulfon hóa (trơng giống như miếng chất dẻo gói thức ăn trong
bếp). Màng được gắn các nhóm chức axit cho phép các proton ở cực dương đi qua
nhưng ngăn chặn electron đi xuyên qua nó.
Chất xúc tác: một chất hóa học đặc biệt làm cho phản ứng của oxy và hydro
xảy ra dễ dàng hơn. Đặc biệt, nó làm thay đổi trạng thái hóa học của hydro và oxy
nhưng không bao giờ tự thay đổi. Chất này có giá thành cao, làm bằng bột bạch
kim, phủ rất mỏng lên giấy than hoặc vãi than, rất nhám và rỗ với những lỗ rất nhỏ.
Mặt nhám tiếp xúc với khí hydro và oxy, mặt phẳng mềm tiếp xúc với mạng tác
nhân hóa học.
1.2.2. Ngun lý hoa ̣t đơ ̣ng
Một tế bào nhiên liệu màng trao đổ i proton trao đở i năng lươ ̣ng hóa ho ̣c đươ ̣c
giải phóng trong q trình phản ứng điê ̣n hóa của hydro và oxy với năng lươ ̣ng
điện, trái ngươ ̣c với sự phản ứng trực tiế p của hydro và khí oxy để sản sinh ra năng
lươ ̣ng nhiê ̣t. Mơ ̣t dòng hydro được chủ n tới phía cực dương của màng điê ̣n cực,
nó đươ ̣c phân tách theo xúc tác thành proton và điện tử.
13
Hình 1.3. Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu hydro
4 H 4e
Tại cực dương: 2 H 2
Các proton mới hiǹ h thành thấm qua màng polymer điê ̣n phân đế n phía
cathode. Các electron di chuyển theo một mạch tải bên ngoài tới phía cathode của
màng điện cực, ta ̣o thành dòng điện 1 chiều của pin nhiên liê ̣u. Cùng lúc đó, mô ̣t
dòng oxy đươ ̣c dẫn tới phiá cathode của màng điê ̣n cực. Ở đây có sự phản ứng của
các phân tử oxy với các proton thấm qua màng polymer điê ̣n phân và các electron đi
qua ma ̣ch bên ngoài đế ta ̣o thành phân tử nước [15].
2 H 2O
Ta ̣i cực âm: O2 4 H 4e
2 H 2O + điê ̣n năng + nhiê ̣t năng
Phản ứng tổ ng quát: 2 H 2 O2
1.2.3. Ưu, nhươ ̣c điể m và ứng du ̣ng
Ưu điể m
Khả năng thay đổi linh hoa ̣t công suấ t đầu ra: công suấ t đa ̣t thông thường từ
1W đế n 2kW cho phép sử du ̣ng đươ ̣c với đa da ̣ng các loa ̣i thiế t bi ̣ từ công suấ t nhỏ
tới lớn, phù hợp với mu ̣c đić h của đa số người dùng, đă ̣c biê ̣t là các thiế t bi ̣ máy
tính và phương tiê ̣n giao thông.
Vâ ̣n hành ở nhiê ̣t đô ̣ thấ p (dưới 1000C): cho phép khởi đơ ̣ng nhanh chóng,
khơng địi hỏi nhiều cấu trúc phức tạp và tốn kém.
Có thể vâ ̣n hành với oxy trong không khí: tiế t kiệm chi phí
14
Sinh ra nhiều năng lươ ̣ng hơn với cùng một thể tić h hay khối lươ ̣ng nhiên
liê ̣u cho trước.
Có tiề m năng là nhiên liê ̣u thay thế cho các đô ̣ng cơ đố t trong cha ̣y bằ ng
xăng dầ u, diesel.
Nhược điể m
Bên ca ̣nh những nhươ ̣c điể m nói chung của pin nhiên liê ̣u, PEMFC còn có
nhươ ̣c điể m là giá thành cao. Vì vâ ̣n hành ở nhiệt độ thấp, người ta phải cần dùng
đến các chất xúc tác để đưa phản ứng vào hoạt động. Ở mơi trường có độ chua và
tính ăn mịn cao nên các chất xúc tác phải được làm bằng các kim loại quý
như platin hoặc hợp kim của platin nên tố n chi phi.́
Ứng dụng
Các lĩnh vực ứng dụng tiềm năng của loại tế bào nhiên liệu này là điện thoại
di động, một số ô tô hay nhà máy phát điện cỡ nhỏ, đă ̣c biê ̣t sử dụng nhiều nhất
trong các xe thực nghiệm như ô tô, xe buýt, tàu điện.
NASA đã sử dụng loại tế bào nhiên liệu này trong chương trình du hành vũ
trụ Gemini lầ n đầ u tiên vào thâ ̣p kỷ 60.
Năm 1999 DaimlerChrysler hợp tác cùng Ford và Ballard Power Systems
giới thiệu xe NECAR 4 ( New Electric Car 4) dùng PEMFC được cung cấp chất đốt
từ một bình hydrogen lỏng có tầm hoạt động 450 km và vận tốc nhanh nhất là
140 km/h.
Năm 2001 Opel và General Motor giới thiệu loại xe HydroGen3 với bình
hydrogen lỏng dung tích 68 lít, có tầm hoạt động 400 km và vận tốc nhanh nhất là
150 km/h.
Các loại xe buýt của DaimlerChrysler và của MAN sử dụng PEMFC cũng
đang được chạy thực nghiệm ở nhiều thành phố trên thế giới. Nhiều thiết bị kết hợp
phát điện và sưởi từ PEMFC của hãng Ballard Power Systems cũng đang được thử
nghiệm tại Berlin (Đức).
15
1.2.4. Các loa ̣i pin nhiên liê ̣u màng trao đổ i proton
Màng trao đổi proton trong pin nhiên liệu có nhiều vai trò như, hàng rào chắn
điện tử, chỉ cho phép proton đi qua. Đây chính là thành phầ n cố t lõi của tế bào pin
nhiên liê ̣u. Các yêu cầu thiế t yếu của màng điê ̣n phân [21]:
Độ dẫn proton cao.
Tính ổ n đinh
̣ hóa ho ̣c.
Tiń h ổ n đinh
̣ nhiê ̣t.
Tiń h chấ t cơ ho ̣c (bền, linh đơ ̣ng, có thể gia công).
Tính thấ m khí thấ p.
Giá thành rẻ.
Có sẵn.
Màng là thành phầ n cố t lõi của pin nhiên liê ̣u. Mă ̣c dù sự quan tâm đế n viê ̣c
tổ ng hơ ̣p các màng trao đổi proton cho các ứng du ̣ng tế bào nhiên liê ̣u đã diễn ra
trong khoảng mô ̣t thế kỷ nhưng những phát triể n lớn trong liñ h vực này chỉ đươ ̣c
thực hiê ̣n trong thời gian gầ n đây. Vào những năm 1968-1971, Nafion được phát
triể n bởi Dr.Walther Grot ta ̣i DuPont (tên một công ty của Hoa Kỳ). Nafion kết hợp
các tính chấ t vâ ̣t lý và hóa ho ̣c của vâ ̣t liê ̣u nề n Teflon với đă ̣c tiń h ion, nó có độ dẫn
điện tốt hơn và thời gian sống lâu hơn.
Hình 1.4. Cấu trúc của Nafion
Màng PFSA (Per Flouro Sulfonic Acid), nơi những nhóm acid sulfonic đươ ̣c
đính vào mô ̣t ma ̣ch chính Teflon hoàn toàn có flo. Trong số đó đươ ̣c nghiên cứu và
sử du ̣ng nhiề u nhấ t là Nafion. Màng Nafion có cấ u trúc của copolymer từ flouro 3,6
dioxo 4, 6-octane sulfonic acid và polytetra-flourethylene (PTFE) cung cấ p sự hỗ
16
