Nghiên cứu chế tạo điện cực và một số yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp methanol (DMFC)

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

----------------------

TRẦN QUỐC BÌNH

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC VÀ MỘT SỐ YẾU
TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HOẠT ĐỘNG CỦA PIN NHIÊN
LIỆU SỬ DỤNG TRỰC TIẾP METHANOL (DMFC)

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2008.

Luận văn thạc só

DMFC


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: Tiến só Nguyễn Hữu Lương

chữ ký:

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TSKH Lưu Cẩm Lộc

chữ ký:

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Nguyễn Đình Thành

chữ ký:

Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 28 tháng 07 năm 2008.

Luận văn thạc só

DMFC


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
------------------oOo--Tp. HCM, ngày 07 tháng 07 năm 2007.

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Trần Quốc Bình

Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 04.05.1982.

Nơi sinh : Tiền Giang

Chun ngành : Công Nghệ Hoá Học.
Khố (Năm trúng tuyển) : 2005.
1- TÊN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC VÀ MỘT SỐ YẾU TỐ
ẢNH HƯỞNG ĐẾN HOẠT ĐỘNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU SỬ
DỤNG TRỰC TIẾP METHANOL – DMFC” .
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
- Tổng quan về pin nhiên liệu.
- Nghiên cứu lý thuyết về các quá trình nhiệt động và động học của pin nhiên liệu.
- Nghiên cứu lý thuyết về Pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp Methanol – DMFC.
- Nghiên cứu chế tạo điện cực của DMFC.
- Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của DMFC.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 30.06.2007
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30.06.2008
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến só Nguyễn Hữu Lương.
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

TS. Nguyễn Hữu Lương

Luận văn thạc só

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN
QUẢN LÝ CHUN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
TS. Nguyễn Ngọc Hạnh

DMFC

LỜI CẢM ƠN
Để có được vinh dự hoàn thành luận văn tốt nghiệp, tác giả xin gởi lời
cảm ơn chân thành và sâu sắc đến tất cả thầy cô đã tận tình truyền đạt những
kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập, cũng như sự giúp đỡ rất nhiều
trong quá trình thực hiện đề tài này.
Tác giả chân thành cảm ơn Tiến só Nguyễn Hữu Lương, người trực tiếp
hướng dẫn, quan tâm động viên và giúp đỡ hết sức tận tình trong suốt quá trình
thực hiện đề tài.
Xin gởi lời cảm ơn đến tập thể cán bộ và nhân viên phòng Hoá Nghiệm
Trung Tâm, Tổng kho Xăng dầu Nhà Bè, Công ty Xăng dầu Khu Vực II _
Petrolimex Saigon đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất trong suốt quá trình
thực nghiệm.
Xin gởi lời cảm ơn đến các thầy cô khoa Công Nghệ Hoá Học, các thầy
cô trong Hội đồng bảo vệ Luận văn Thạc só đã có những ý kiến đóng góp rất
thiết thực để tác giả bổ sung và hoàn thành các phần còn thiếu sót của đề tài.
Xin gởi lời cảm ơn đến tập thể các thầy cô phòng Đào tạo sau đại học đã
tạo mọi điều kiện thuận lợi khi quản lý và giúp đỡ trong suốt khoá học.
Cuối cùng xin gởi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn động viên và
giúp đỡ để tác giả có thể hoàn thành luận văn và kết thúc khoá học.
Tác giả
Trần Quốc Bình

Luận văn thạc só

DMFC


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, nhu cầu về năng lượng ngày càng gia tăng trên toàn thế giới.

Tuy nhiên, các nguồn nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, than đá đang dần cạn
kiệt vì các hoạt động của con người. Hơn nữa, con người đang phải đối mặt với
tình trạng ô nhiễm môi trường do quá trình đốt cháy nhiên liệu làm sản sinh ra
các loại khí độc hại như Cacbonic, Nitơ oxit,…. Hiện nay, rất nhiều các trung
tâm nghiên cứu năng lượng trên thế giới đang nỗ lực tìm ra các nguồn năng
lượng mới thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống và pin nhiên liệu là
một trong những đề tài hứa hẹn có thể tạo ra nguồn “năng lượng xanh” và đồng
thời đáp ứng nhu cầu về năng lượng.
Pin nhiên liệu là một công nghệ quan trọng trong các chương trình, chiến
lược tìm kiếm các nguồn năng lượng và nhiên liệu sạch. Nó được xem là một
cuộc cách mạng trong lónh vực năng lượng và giao thông, mang lại sự thay thế
sạch hơn và hiệu quả hơn các nguồn nhiên liệu truyền thống.
Về nguyên lý, pin nhiên liệu là một thiết bị biến đổi năng lượng hoá học
thành năng lượng điện dựa trên nguyên tắc của quá trình điện hoá. Nhiên liệu
được sử dụng ở đây là Hydro và các hợp chất chứa Hydro.
nước ta hiện nay, loại năng lượng này còn tương đối mới mẻ, do vậy
mục tiêu của luận văn này là giới thiệu tổng quan về Pin nhiên liệu nói chung
và Pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp Methanol (Direct Methanol Fuel Cell DMFC) nói riêng, từ đó vận dụng để nghiên cứu chế tạo điện cực và một số yếu
tố ảnh hưởng đến hoạt động của DMFC.
Trần Quốc Bình

Luận văn thạc só

DMFC


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Về mặt lý thuyết, các quá trình nhiệt động và động học của pin nhiên
liệu nói chung là rất phức tạp, các phản ứng xảy ra liên tục trên bề mặt của điện
cực, do vậy luận văn sẽ nghiên cứu lý thuyết tổng quát và tóm tắt về các quá

trình hình thành, truyền dẫn ion và electron của pin nhiên liệu.
Trên cơ sở lý thuyết chung về pin nhiên liệu, luận văn tập trung nghiên
cứu cấu tạo riêng của pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp Methanol (DMFC), xác
định một số yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động và hiệu suất của DMFC.
Phần nghiên cứu, tập trung vào phản ứng oxi hoá khử tổng hợp xúc tác
Pt.Ru/C, xác định các tỉ lệ xúc tác và than Vulcan XC72R sau phản ứng. Phần
chế tạo, trên cơ sở những điều kiện sẵn có, tiến hành tẩm xúc tác lên nền giấy
cacbon của hãng Toray để hình thành điện cực Anode của DMFC. Với điện cực
chế tạo trên, kết hợp với các chi tiết sẵn có của một mô hình DMFC, thành lập
một DMFC mới với công suất và hiệu suất thay đổi theo từng điều kiện khảo
sát.
Hoạt động của DMFC phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, luận văn chủ yếu
khảo sát ảnh hưởng của tải mạch ngoài, xúc tác và nồng độ của Methanol trong
khi một số điền kiện khác được giữ ở một khoảng dao động nhất định. Kết quả
thu được là các giá trị hiệu điện thế và cường độ dòng điện mạch ngoài của pin,
từ đó xác định các công suất theo từng điều kiện hoạt động, xây dựng các giản
đồ đặt tính hoạt động của pin theo các yếu tố khảo sát. Dựa vào các giản đồ, ta
rút ra một số kết luận:


Nồng độ Methanol nhiên liệu và xúc tác là hai yếu tố rất quan
trọng, trong sử dụng và vận hành hoạt động của DMFC, chúng
không thể tách rời nhau, luôn tồn tại song song và bổ sung cho nhau.

Luận văn thạc só

DMFC


 Với DMFC, dung dịch nhiên liệu có thể tái sử dụng hoặc bổ sung

thêm Methanol, nên khi sử dụng nhiên liệu ít gây lãng phí. Tuy
nhiên, xúc tác ở các điện cực có vai trò rất quan trọng và giá thành
cũng rất cao, do vậy cần khảo sát, tìm ra loại và lượng xúc tác sử
dụng cho hợp lý.
 Khi một pin nhiên liệu được đưa đi ứng dụng thực tế, trước hết nó
phải được vận hành với một nhiên liệu phù hợp, tiếp theo là nó
phải được thiết kế phù hợp với công suất cần thiết của mạch ngoài.
Do vậy, tuy phạm vi ứng dụng của DMFC nói riêng và pin nhiên
liệu nói chung là rất rộng, nhưng trong từng trường hợp cụ thể, ta
cần có sự khảo sát và tra cứu với các đường đặt tính hoạt động của
pin để có sự lựa chọn phù hợp, tránh các trường hợp chọn pin có
công suất quá thấp hay quá cao so với nhu cầu sử dụng.
Với các kết quả thu được, luận văn tiến hành so sánh với mẫu DMFC có
sẵn, rút ra những kết luận về hoạt động của pin, đặc biệt là hoạt động của nó ở
điều kiện nhiệt độ thường, điều kiện mà ở đó DMFC có ứng dụng rất rộng rãi
trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng.

Luận văn thạc só

DMFC


ABSTRACT
In theory, thermodynamic process and kinetic process of fuel cell, in
general, are very complicated; reactions occur continuously on the surface of
electrode; therefore, this thesis studies the general theory and summarizes the
forming, conducting ion and electron of Fuel cell.
Base on the general theory of Fuel cell, the thesis concentrates on
researching the specific structure (composition) of Direct Methanol Fuel cell –
DMFC, determining some factors which affect to the operation and productivity

of DMFC.
The researching part concentrates on the oxidation –reduction reaction
to synthesize catalyst Pt.Ru/C; determining the ratio of catalyst and Vulcan
XC72R coal after reaction. In the manufacturing part, basing on available
conditions, we carry on dissolving catalyst on carbon paper of Toray to form the
Anode electrode of DMFC; setting up a new DMFC in which the output
capacity and productivity change corresponding to each studying condition.
The operation of DMFC depends on many factors. This thesis mainly
studies the influences of resistance, catalyst and concentration of Methanol
when other conditions are controlled within fixed amplitude of fluctuation;
thence, determining the output capacity following each operation conditions,
establishing diagrams between operating property of the cell and other studying
factors. Due to the diagrams, we can reach the following conclusions :
 The concentration of fuel Methanol and catalyst are 2 important
factors. In using and operating of the cell, these 2 factors can not
be considered separately, they always exist in parallel and
supplement each other.
Luaän văn thạc só

DMFC


 With DMFC, liquid fuel can be reused or added with Methanol, so
we can reduce the waste when using fuel. However, catalysts in
the electrodes have important part and high cost, research is
needed to find out the kind and the volume of catalyst which is
reasonably used.
 When a Fuel cell is applied in practice, first it must be operated
with a suitable fuel, then it must be manufactured corresponding
to the necessary output capacity of outing circuit. For this reason,

thought the applying field of DMFC in particular and Fuel cell in
general is very large , for specific case, we need to have a study
and lookup on the operating property lines of the cell in order to
have a suitable choice as well as prevent choosing a cell having
capacity which is much lower or higher than expected.
With the achieved results, the thesis carries on comparing with the
results on sample of available DMFC to withdraw the conclusions regarding the
operations of cell, especially in condition of normal temperature in which
DMFC can be common applied, particularly in Vietnam and generally all over
the world.

Luận văn thạc só

DMFC


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
LỜI MỞ ĐẦU
TÓM TẮT LUẬN VĂN
ABSTRACT
QUI ƯỚC VÀ KÝ HIỆU………………………………………………………………………………………………………1
PHẦN MỞ ĐẦU………………………………………………………………………………………………………………………3
I. Đặt vấn đề………………………………………………………………………………………………………………..4
II. Phương hướng nghiên cứu ……………………………………………………………………………..4
III. Giới hạn của đề tài …………………………………………………………………………………………..5
PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU ……………………………………………………….6
I.

Lịch sử hình thành và phát triển ………………………………………………………..7

II.

Khái niệm về hệ thống Pin nhiên liệu………………………………………………….8
II.1. Khái niệm Pin nhiên liệu…………………………………………………….…8
II.2. Nguyên lý hoạt động ……………………………………………………….…….8
II.3. Cấu tạo…………………………………………………………………………….…….10
II.3.1. Chất điện phân……………………………………...10
II.3.2. Chất xúc tác…………………………….…………..11
II.3.3. Lớp khuếch tán khí………………………….……...11
II.3.4. Thanh góp và kênh dẫn khí trong pin nhiên liệu....11

III. Các loại pin nhiên liệu ....................................……………………………….…….12
IV. So sánh các loại Pin nhiên liệu……………………………………………………………………13
V. Ưu nhược điểm của Pin nhiên liệu………………………………………………………………14
V.1. Ưu điểm………………………………………………………………………………….14
V.2. Nhược điểm…………………………………………………………………………….14

Luận văn thạc só

DMFC


VI. Một số nghiên cứu phát triển pin nhiên liệu trên thế giới…………….15
VI.1. Phương pháp cổ điển………………………………………15
VI.2. Phương pháp muối Na……………………………………...16
VI.3. Phương pháp tổng hợp Pt.Ru/C bằng cách sử dụng chùm tia
electron…………………………………………………………….16
VI.4. Các nghiên cứu mới………………………………………...22
VI.4.1. Sử dụng Cr thay thế cho Ru………………………22

VI.4.2. Phương pháp tổng hợp xúc tác sử dụng kin loại Co
thay cho Ru……………………………………………………………25
VI.4 2. Xu hướng cải tiến xúc tác và chất nền xúc tác trên
điện cực…………………………………………………………………36
VII. Tình hình nghiên cứu và khả năng ứng dụng của pin nhiên liệu
trên thế giới………………………………………………………………………………………………………38
VIII. Tình hình nghiên cứu và khả năng ứng dụng của pin nhiên liệu ở
Việt Nam……………………………………………………………………………………………………………43
PHẦN II: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG
VÀ ĐỘNG HỌC CỦA PIN NHIÊN LIỆU.......................................46
I. I. Các phản ứng hố học xảy ra trong pin nhiên liệu……....47
I.1. Các phản ứng xảy ra trong pin nhiên liệu…………………………….47
I.2. Cơ chế phản ứng ở các điện cực……………………………..47
I.2.1. Quá trình phản ứng ở anode………………………..48
I.2.2. Q trình phản ứng ở cathode……………………...49
II. Các quá trình nhiệt động của pin nhiên liệu………………………………………...49
II.1. Q thế của pin nhiên liệu…………………………………..49
II.2. Hiệu điện thế lý thuyết của pin nhiên liệu………………………….51
II.3. Hiệu suất của pin………………………………………………………………….52

Luận văn thạc só

DMFC


II.3.1. Hiệu suất nhiệt động……..……………………………………….52
II.3.2. Hiệu suất điện hoá....................................................52
II.3.3. Hiệu suất Faraday....................................................52
II.3.4. Hiệu suất sử dụng nhiên liệu………………………………….53
II.3.5. Hiệu suất tổng quát…………………………………………….….53

III. Động học của pin nhiên liệu……………………………………………………………………….53
III.1. Phản ứng ở các điện cực……………………………………………………..53
III.2. Động học phản ứng ở anode…………………………………………….…54
III.3. Động học phản ứng ở cathode……………………………………….……55
IV. nh hưởng của CO đến hoạt động của pin nhiên liệu...................56
V. Kết luận................................................................................................57
PHẦN III: PIN NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG TRỰC TIẾP METHANOL –
DMFC.............................................................................................58
I. Pin nhiên liệu DMFC…………………………………………………………………………………………59
I.1. Tính chất phản ứng điện hóa và hiện tượng thẩm thấu
Methanol trên pin DMFC…………………………………….………………...59
I.1.1. Phản ứng điện hóa và tính chất điện hóa của phản
ứng…………………………………………………………………………..59
a. Phản ứng trên Anode………………………………………….59
b. Phản ứng trên Cathode........................................60
c. Phản ứng chung trên pin DMFC……………………….60
I.1.2. Hiện tượng thẩm thấu Methanol qua màng dẫn
Proton........................................................................60
I.2. Năng lượng tự do GIBBS và phương trình NERNST………….... 61
I.2.1. Phản ứng tổng quát………………………………………………….61
Luận văn thạc só

DMFC


I.2.2. Phản ứng trên pin DMFC…………………………….…………62
I.2.3. Sự phụ thuộc của sức điện động E vào nhiệt độ…….63
I.3. Quá thế và sự phân cực trong pin DMFC…………………………….64
I.3.1. Sự phân cực hoá học……………………………………………….64
I.3.2. Sự phân cực nồng độ……………………………………………….65

I.3.3. Sự phân cực điện hoá……………………………………….………67
I.4. Xác định hiệu điện thế của pin DMFC…………………………….…..68
I.4.1. Điện thế trên Anode……………………………………….…………68
I.4.2. Điện thế trên cathode……………………………………………….68
I.4.3. Điện thế của pin……………………………………………………….68
I.5. Hiệu suất của pin…………………………………………………….……………..69
II. Kết luận………………………………………………………………………………………………….…………….70
PHẦN IV: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC CỦA PIN NHIÊN LIỆU
SỬ DỤNG TRỰC TIẾP METHANOL – DMFC…………………….….…..71
I. I. Cấu tạo của pin DMFC……………………………………………………………….…..….……72
II. II. Phần vỏ pin………………………………………………………………………………………….……….75
II.1 Vỏ phía Anode ……………………………………………………………..…………..……..75
II.2 Vỏ phía Cathode……………………………………………………………………….….…..75
III.

III. Chế tạo điện cực ……………………………………………………………………………...77
III.1. Cấu tạo của điện cực……………………………………….………….………..……77
III.2. Chế tạo điện cực………………………………………………………….….….78
III.2.1 Thực hiện phản ứng tổng hợp Pt-Ru và cho hấp phụ
trên than Vulcan XC-72R…………………………………….79

Luận văn thạc só

DMFC


III.2.2. Qui trình kiểm tra tỉ lệ các thành phần trong xúc
tác………………………………………………………………………….81
III.2.3. Quy trình chế tạo điện cực…………………………….…….68

IV. Màng dẫn proton……………………………………………………………………………………………..82
PHẦN V: KHẢO SÁT MỘT SỐ YẾU TỐ CẤU TẠO VÀ CÁC ĐIỀU KIỆN
HOẠT ĐỘNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU DMFC............................87
I. Các thiết bị, hoá chất sử dụng và điều kiện môi trường trong quá
trình khảo sát......................................................................................88
II. Khảo sát DMFC ban đầu với anode mẫu.........................................90
III. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của DMFC.....90
III.1. Khảo sát ảnh hưởng của tải mạch ngoài.............................90
III.2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Methanol đến công suất
của DMFC...........................................................................90
III.2.1. Các điều kiện khảo sát..........................................90
III.2.2. Quá trình khảo sát và ghi nhận số liệu...............91
III.3. Khảo sát ảnh hưởng của xúc tác đến công suất của pin….92
III.3.1. nh hưởng của hàm lượng xúc tác…………….………92
III.3.2. nh hưởng của lượng xúc tác trên điện cực..……..92
PHẦN VI: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN…………………………………………………………….………..93
I. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của pin có
anode mẫu và pin có anode đã biến tính......................…………………....94
II. Kết quả ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát ………………………………….......94
II.1 nh hưởng của nồng độ Methanol.………………………………........95

Luận văn thạc só

DMFC


II.2. nh hưởng của lượng xúc tác trên điện cực đến hoạt động
của pin…………………………………………………………………………………106
II.2.1. nh hưởng của hàm lượng xúc tác...........................106
II.2.2. nh hưởng của lượng xúc tác trên điện cực.............109

II.2.3. nh hưởng đồng thời của tỉ lệ Pt.Ru:C và lượng xúc
tác trên điện cực…………………………………………………......112
III. Kết Luận…………………………………………….………………………………………………………..117
PHẦN VII: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................119
I. Kết luận……………………………………………………………………………………………………………..120
II. Hướng phát triển của đề tài ………………………………………………….…..………...121
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………………………..……………122
PHỤ LỤC…………………………………………….………………………………………………………………………...123
Phụ lục 1: Bảng kết quả khảo sát với mẫu pin A20080111M1C1…..….123
Phụ lục 2: Bảng kết quả khảo sát với mẫu pin A20080113M 1C2……..123
Phụ lục 3: Bảng kết quả khảo sát với mẫu pin A20080118M 1C3……..124
Phụ lục 4: Bảng kết quả khảo sát với mẫu pin A20080205M2C1……….124
Phụ lục 5: Bảng kết quả khảo sát với mẫu pin A20080212M2C2….…..125
Phụ lục 6: Bảng kết quả khảo sát với mẫu pin A20080302M 2C3……..125
Phụ lục 7: Bảng kết quả khảo sát với mẫu pin A20080314M 3C1……..126
Phụ lục 8: Bảng kết quả khảo sát với mẫu pin A20080326M3C2……..126
Phụ lục 9: Bảng kết quả khảo sát với mẫu pin A20080402M 3C3……...127
Phụ lục 10: Bảng kết quả khảo sát với mẫu pin A20080411N1C1…..…127
Phụ lục 11: Bảng kết quả khảo sát với mẫu pin A20080413N 1C2……128
Phụ lục 12: Bảng kết quả khảo sát với mẫu pin A20080421N 1C3……128
Phụ lục 13: Bảng kết quả khảo sát với mẫu pin A20080426N 2C1……129
Luận văn thạc só

DMFC


Phụ lục 14: Bảng kết quả khảo sát với mẫu pin A20080429N 2C2……129
Phụ lục 15: Bảng kết quả khảo sát với mẫu pin A20080502N2C3……130
Phụ lục 16: Bảng kết quả khảo sát với mẫu pin A20080508N 3C1……130
Phụ lục 17: Bảng kết quả khảo sát với mẫu pin A20080508N 3C2……131

Phụ lục 18: Bảng kết quả khảo sát với mẫu pin A20080512N 3C3……131
Phụ lục 19: Bảng kết quả khảo sát với Anode mẫu AM20071215C1.132
Phụ lục 20: Bảng kết quả khảo sát với Anode mẫu AM20071218C2.132
Phụ lục 21: Bảng kết quả khảo sát với Anode mẫu AM20071218C3.133

Luận văn thạc só

DMFC


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình I.1: Ngun lý hoạt động của pin nhiên liệu……………..................8
Hình I.2: Biểu đồ phân bố của các mẫu xúc tác......................................13
Hình I.3: Biểu đồ Von-Ampe của các mẫu xúc tác.................................19
Hình I.4: Biểu đồ Von-Ampe theo nồng độ của MeOH........................19
Hình I.5: Giản đồ cường độ dòng theo thời gian………………………….……….......20
Hình I.6: Sự phân tán và kích thước tinh thể Pt của xúc tác Pt.Cr/C được
chế tạo bằng hai phương pháp khác nhau………………..…............24
Hình I.7: Hình I.7: Phân tích CV của các xúc tác khác nhau trong dung
dịch hỗn hợp của N2 bão hoà, 0.5M H2SO4 và Methanol 1M
với tốc độ quét là 5 mV.s-1 ……………………………………………………….…….24
Hình I.8: Phân tích TEM của Pt.Co/C tổng hợp từ

Basic Cobalt

Carbonate (bảng 1.2, mẫu 1).........................................……..28
Hình I.9: Phân tích TEM của Pt.Co/C tổng hợp từ Cobalt Acetate (bảng 1.2
mẫu 2).…………………………………………………………………………………………..…………28

Hình I.10: Phân tích TEM của Pt.Co/C tổng hợp từ Basic Cobalt Carbonate

(bảng 1.2, mẫu 3)……………………………………………………….……………….………..29

Hình I.11: Phân tích TEM của Pt.Co/C tổng hợp từ Cobalt Acetate (bảng1 .2
mẫu 4).…………………………………………………………………….……….……………………..29

Hình I.12: Phân tích qua tia X của xúc tác Pt.Co/C được tổng hợp từ
(EA)2Pt ………………………………………………………………………….……………………….30
Hình I.13: Phân tích qua tia X với Pt:Co với các tỉ lệ 3:1, 2:1 và
1:1......................................................................................31
Hình I.14: TEM của xúc tác Pt.Co/C với Pt:Co = 2:1................................31
Hình I.15: TEM của xúc tác Pt.Co/C với Pt:Co = 1:1...........................32

Luận văn thạc só

DMFC


Hình III.1: Hiện tượng thẩm thấu methanol trong DMFC.....................61
Hình IV.1: Cấu trúc của một DMFC………………………………………………….…………….72
Hình IV.2: Cấu trúc của vỏ pin DMFC……………………………………………………………76
Hình IV.3: Mảnh nhựa định vị giấy cacbon………………………………………………….84
Hình IV.4: Điện cực Anode………………………………………………………………………………….84
Hình IV.5: Điện cực Anode hoàn chỉnh……………….………………………………………..84
Hình IV.6: Vỏ phía anode.....................................................................86
Hình IV.7: Lắp vòng đệm anode..........................................................86
Hình IV.8: Lắp điện cực anode............................................................86
Hình IV.9: Lắp màng PEM...................................................................86
Hình IV.10: Vòng đệm phía Cathode..................................................86
Hình IV.11: Lắp vỏ phía Cathode.........................................................86
Hình V.1: Thiết bị đo R, E, I.................................................................88

Hình V.2: Sơ đồ lắp ghép hệ thống.......................................................89
Hình VI.1: Hoạt động của pin với anode mẫu......................................95
Hình

VI.2:

Hoạt

động

của

pin

khi

Anode

có

0.045g

(Pt.Ru(20%)/C)/2.6cm2..............................................95
Hình

VI.3:

Hoạt

động

của

pin

khi

Anode

có

0.030g

(Pt.Ru(20%)/C)/2.6cm2..............................................96
Hình

VI.4:

Hoạt

động

của

pin

khi

Anode

có

0.015g

(Pt.Ru(20%)/C)/2.6cm2..............................................96
Hình VI.5: Giản đồ đường đặt tính P.I của pin với Anode mẫu...........98
Hình

VI.6:

Công

suất

của

pin

khi

Anode

có

0.045g

(Pt.Ru(20%)/C)/2.6cm2..............................................98

Luận văn thạc só

DMFC


Hình

VI.7:

Công

suất

của

pin

khi

Anode

có

0.030g

(Pt.Ru(20%)/C)/2.6cm2..............................................99
Hình

VI.8:

Công

suất

của

pin

khi

Anode

có

0.015g

(Pt.Ru(20%)/C)/2.6cm2..............................................99
Hình VI.9: Phân bố các vùng hoạt động của pin................................100
Hình VI.10: Giản đồ đường đặt tính R.P của pin với Anode mẫu.......89
Hình

VI.11:

Công

suất

pin

theo

tải

Anode

có

0.045g

(Pt.Ru(20%)/C)/2.6cm2…………………………………………………….103
Hình

VI.12:

Công

suất

pin

theo

tải

Anode

có

0.030g

(Pt.Ru(20%)/C)/2.6cm2……………………………………………………..104
Hình

VI.13:

Công

suất

pin

theo

tải

Anode

có

0.015g

(Pt.Ru(20%)/C)/2.6cm2………………………………………………………104
Hình VI.14 : Công suất pin khi hai tỉ lệ Pt.Ru:C khác nhau với nồng độ
C1 =1.00M…………………………………………………………………………………….107
Hình VI.15: Công suất pin khi hai tỉ lệ Pt.Ru:C khác nhau với nồng độ
C2= 0.50M…………………………………………………………………………………….108
Hình VI.16: Công suất pin khi hai tỉ lệ Pt.Ru:C khác nhau với nồng độ
C3= 0.25M……………………………………………………………………………………108
Hình VI.17: Công suất pin theo khối lượng xúc tác N, C1= 1.00M…110
Hình VI.18 : Công suất pin theo khối lượng xúc tác N, C2= 0.50M…110
Hình VI.19: Công suất pin theo khối lượng xúc tác N, C3= 0.25M…111
Hình VI.20: So sánh công suất pin theo tỉ lệ và khối lượng xúc tác với

nồng độ C1= 1.00M………………………………………………………………….114
Hình VI.21: So sánh công suất pin theo tỉ lệ và khối lượng xúc tác với
nồng độ C2= 0.50M……………………………………………………….………….115

Luận văn thạc só

DMFC


Hình VI.22: So sánh công suất pin theo tỉ lệ và khối lượng xúc tác với
nồng độ C3= 0.25M……………………………………………………………………116

Luận văn thạc só

DMFC


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng I.1: So sánh các loại Pin nhiên liệu với nhau..............................13
Bảng I.2: Thông số của các bốn mẫu thực nghiệm…………………………….……….27
Bảng I.3: Thông số hoá lý xúc tác Pt.Co tổng hợp bằng alcon, xúc tác
AB50……………………………………………………………………………………………………..………………32
Bảng II.1: Các phản ứng xảy ra trong pin nhiên liệu……………………….………….47
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ
Sơ đồ IV.1: Sơ đồ phương pháp thực nghiệm.......................................74
Sơ đồ IV.2: Qui trình chế tạo GDL.......................................................77
Sơ đồ IV.3: Qui trình tổng hợp Pt.Ru/C................................................79
Sơ đồ IV.4: Qui trình chế tạo điện cực.................................................83
Sơ đồ V.1 : Sơ đồ khảo sát mẫu DMFC................................................89
Sơ đồ V.2 : Thiết kế mạch đo hiệu điện thế và cường độ dòng điện....91

Luận văn thạc só

DMFC


1

QUI ƯỚC VÀ KÝ HIỆU.
Qui ước.
[1,C3,T3]

Tài liệu 1, chương 3, trang 3.

(3.2)

Phương trình 2 trong phần 3.

Bảng IV.1

Bảng 1 trong phần IV.

Hình IV.1

Hình 1 trong phần IV.

Ký hiệu.
DMFC

Direct Methanol Fuel Cell (Pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp

Methanol).

GDL

Gas Diffusion Layer (lớp phân phối khí).

TCP

Toray Carbon Paper (giấy cacbon của hãng Toray).

PEM

Proton Exchange Membrane (màng trao đổi proton).

MEA

Membrane Electrode Assymbly (bộ gồm điện cực và màng
trao đổi proton).

 0A

Thế điện cực chuẩn trên Anode (V).

 0C

Thế điện cực chuẩn trên Cathode (V).

A

Thế điện cực trên Anode (V).

C

Thế điện cực trên Cathode (V).

A

Quá thế tại Anode (V).

C

Quá thế tại Cathode (V).

Eo

Sức điện động chuẩn của pin (V).

ECell

Sức điện động của pin (V).

Uideal

Hiệu điện thế lý tưởng của pin (V).

UCell

Hiệu điện thế của pin (V).

UA

Điện thế trên Anode (V).

Luận văn thạc só

DMFC


2

UC

Điện thế trên Cathode (V) .

I

Mật độ dòng điện (A/cm2).

R

Điện trở mạch ngoài (Ω).

P

Công suất của pin (W).

α

Hệ số vận chuyển electron.

D

Hệ số khuếch tán (cm2/s).



Hiệu suất của pin (%).

Luận văn thạc só

DMFC


3

PHẦN MỞ ĐẦU.

Luận văn thạc só

DMFC


4

I. Đặt vấn đề.
An ninh năng lượng là vấn đề rất quan trọng và luôn mang tính thời
sự toàn cầu. Vì vậy nó ảnh hưởng lớn đến an ninh quốc gia và thế giới.
Nguồn nhiên liệu hóa thạch chiếm 78% trong tổng lượng nhiên liệu
sử dụng đang có xu hướng cạn dần. Dự báo một số nguồn năn g lượng khác
có xu hướng tăng dần: năng lượng nguyên tử sẽ chiếm 10 - 15%, năng

lượng tái tạo 15 - 20% [11].
CO2 và các khí thải độc hại khác thải ra môi trường với số lượng lớn
khi sử dụng nhiên liệu hoá thạch, gây ảnh hưởng ngày càng nghiêm trọng
đến môi trường.
Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và chất lượng cuộc sống ngày
càng cao đã thúc đẩy việc tìm ra các nguồn năng lượng sạch, đáp ứng được
yêu cầu của thời đại mới. Trong các dạng năng lượng mới này, năng lượng
Hydro đáp ứng rất tốt những yêu cầu trên và Pin nhiên liệu là một dạng
điển hình thu hút nhiều sự quan tâm và nghiên cứu.
II. Phương hướng nghiên cứu.
Phần lý thuyết: tìm hiểu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của các loại
Pin nhiên liệu, xác lập các phương trình nhiệt động và động học, từ đó vận
dụng để nghiên cứu chế tạo và khảo sát hoạt động của pin nhiên liệu sử
dụng trực tiếp Methanol (DMFC).
Phần thực nghiệm: nghiên cứu chế tạo điện cực (với xúc tác Pt.Ru/C),
khảo sát một số yếu tố hoạt động và thử nghiệm pin nhiên liệu DMFC.

Luận văn thạc só

DMFC