Bước đầu nghiên cứu lắp đặt hệ thống thử nghiệm pin nhiên liệu màng trao đổi proton

Năng lượng rất quan trọng, cần thiết đối với mọi hoạt động sống của con người. Hầu hết nguồn năng lượng sử dụng hiện nay đều bắt nguồn từ nhiên liệu hóa thạch như: than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên…, và không thể tái tạo được. Đó là những nguồn năng lượng có nhiều bất lợi, chúng gây ô nhiễm môi trường và dẫn đến tình trạng thay đổi khí hậu toàn cầu, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và gây ra thiên tai như: hạn hán, lũ lụt, nước biển dâng,… đe dọa tới ngôi nhà chung Trái Đất. Các nguồn năng lượng khác và thiết bị chuyển hóa năng lượng đang dần được chú trọng phát triển để tìm ra kết quả tối ưu. Thành công lớn trong hướng phát triển trên là pin nhiên liệu với hiệu suất làm việc cao cũng như khả năng hoạt động tốt. Hiện nay, pin nhiên liệu được cải tiến liên tục và đã được thương mại hóa. Dựa vào nguyên liệu đầu vào và nguyên lý hoạt động mà chia pin nhiên liệu thành các loại khác nhau, trong đó pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) có khả năng hoạt động và hiệu suất tối ưu nhất. Phần lớn pin nhiên liệu sử dụng hydro và oxy làm nguồn chạy pin, một số khác dùng metan và metanol lỏng. Kết quả khảo sát được công bố tháng 122004 của Fuel Cells Today cho thấy số hệ thống pin nhiên liệu hoàn chỉnh (có khả năng sản xuất điện độc lập) trên toàn thế giới đã vượt qua con số 11.000 đơn vị. Pin nhiên liệu được sản xuất dưới nhiều kích cỡ, tạo ra lượng điện vừa phải để chạy các thiết bị xách tay, ôtô hoặc lượng điện lớn để phục vụ sản xuất, sinh hoạt gia đình và quân sự (trạm phát điện).

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan tự thực hiện đồ án dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn.Kết quả trình bày trong đồ án là do tôi thu thập được trong quá trình thực nghiệm và

sử dụng tài liệu được trích dẫn trong phần tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệukhác Nếu có sai phạm tôi xin chịu trách nhiệm

Tp Vũng Tàu, ngày 01 tháng 07 năm 2014

Sinh viên thực hiện(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Đồ án này được thực hiện tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Đại Học Quốc GiaTp.HCM - Hóa Lý Ứng Dụng và Bộ môn hóa lý trường Đại Học Khoa Học Tựnhiên thành phố Hồ Chí Minh Để đồ án này được hoàn thành, tôi nhận được rấtnhiều sự giúp đỡ quý báu từ thầy cô, anh chị và các bạn Xin nhận từ tôi lời cảm ơnchân thành và lòng biết ơn sâu sắc

Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của quý Thầy Cô trường Đạihọc Bà Rịa-Vũng Tàu đã tin tưởng và tạo điều kiện để tôi có thể học tập, nghiên cứu

và hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Tiếp theo, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến Cô ThS Vũ ThịHồng Phượng, Thầy TS.Trần Văn Mẫn, đã tận tình giúp đỡ, theo sát quá trình làmviệc của tôi, cho tôi những lời khuyên, lời chỉ dẫn chân tình và tận tụy Có thể nói,tôi không thể hoàn thành trọn vẹn đồ án tốt nghiệp của mình nếu không có sự giúp

đỡ của Thầy Cô

Xin chân thành cảm ơn đến các anh chị, các bạn trong phòng Hóa Lý ỨngDụng những người luôn nhiệt tình giúp đỡ, khuyến khích tôi trong suốt thời gianqua

Cuối cùng là lời cảm ơn đến gia đình, những người thân, người bạn đã luônbên tôi, động viên, khích lệ tiếp thêm sức mạnh để tôi có thể hoàn thành đồ án tốtnghiệp của mình

Tp Vũng Tàu, Ngày 01 tháng 07 năm 2014

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

LỜI MỞ ĐẦU 1

1.1 Giới thiệu pin nhiên liệu 3

1.1.1 Định nghĩa pin nhiên liệu 3

1.1.2 Nguyên lý hoạt động 3

1.1.3 Ưu và nhược điểm 4

1.1.4 Ứng dụng của pin nhiên liệu 6

1.2 Phân loại pin nhiên liệu 8

1.2.1 AFC (Alkaline Fuel Cell) - pin nhiên liệu kiềm 8

1.2.2 MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) - pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy 9

1.2.3 PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) - pin nhiên liệu axit phosphoric 9

1.2.4 PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) - pin nhiên liệu màng trao đổi proton 9

1.2.5 SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) - pin nhiên liệu oxit rắn 10

1.2.6 DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) - pin nhiên liệu dùng metanol trực tiếp… 10

1.3 Pin nhiên liệu màng trao đổi proton PEMFC 12

1.3.1 Ưu và nhược điểm 13

1.3.2 Môi tường trong PEMFC 13

1.3.3 Cấu tạo của PEMFC 14

1.3.4 Cấu tạo một hệ thống pin nhiên liệu hoàn chỉnh 20

1.4 Thiết bị Fuel Cell Testers (FCT - 50s) 21

1.4.1 Giới thiệu về FCT - 50s 21

1.4.2 Cấu tạo chung của FCT - 50s 22

1.4.3 Thông số kỹ thuật 23

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 27

2.1 Thiết kế lắp đặt hệ thống khí cho thiết bị FCT-50s 27

2.1.1 Lựa chọn van và ống dẫn khí cho hệ đo FCT-50s 27

2.1.2 Lắp đặt hệ thống dẫn khí cho thiết bị FCT-50s 27

2.1.3 Kiểm tra rò khí trên đường ống 28

2.2 Thiết lập thông số hệ thống cho FCT-50s 28

2.2.1 Quy trình vận hành thiết bị FCT-50s 29

2.2.2 Thông số lưu lượng khí 29

2.2.3 Thông số áp suất khí của hệ đo FCT-50s 29

2.3 Bước đầu thử nghiệm bộ stacks thương mại Horizon 20W 30

2.3.1 Thiết lập các thông số kỹ thuật cho bộ Horizon 20W 30

2.3.2 Kiểm tra khả năng hoạt động bộ stacks Horizon 20W 32

2.4 Thử nghiệm và đánh giá một số tính chất của một vài thành phần trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton 34

2.4.1 Khắc phục rò khí tấm lưỡng cực 34

2.4.2 Đánh giá vật liệu phủ tấm lưỡng cực 35

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 40

3.1 Thiết kế hệ thống khí cho FCT-50s 40

3.1.1 Lựa chọn van và ống dẫn khí cho hệ đo FCT-50s 40

3.1.2 Lắp đặt hệ thống dẫn khí cho thiết bị FCT-50s 41

3.1.3 Kiểm tra rò khí trên đường ống 43

3.2 Thiết lập thông số hệ thống cho FCT-50s 43

3.2.1 Quy trình vận hành thiết bị FCT-50s 43

3.2.2 Thông số lưu lượng khí ra khỏi FCT-50s 46

3.2.3 Thông số áp suất khí của hệ đo FCT-50s 50

3.3 Bước đầu thử nghiệm bộ stacks thương mại Horizon 20W 52

3.3.1 Thiết lập các thông số kỹ thuật cho bộ Horizon 20W 52

3.3.2 Kiểm tra khả năng hoạt động bộ stacks Horizon 20W 54

3.4 Thử nghiệm và đánh giá một số tính chất của một vài thành phần trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton 55

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHỤ LỤC 61

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AFC : Pin nhiên liệu kiềm (Alkaline Fuel Cell)

ASTM : Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Hoa kỳ (American Society for

Testing and Materials)DMFC : Pin nhiên liệu methanol trực tiếp (Direct Methanol Fuel Cells)FCT-50s : Thiết bị đo điện hóa pin nhiên liệu - 50s (Fuel Cell Testers -

50s)MCFC : Pin nhiên liệu carbonate nóng chảy (Molten Carbonate Fuel

Cells)MEA : Tổ hợp màng điện cực (Membrane Electrode Assembly)

PAFC : Pin nhiên liệu acid phosphoric (Phosphoric Acid Fuel Cells)

PC : Máy tính để bàn (Personal Computer)

PEMFC : Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton Exchange

Membrane Fuel Cells)SOFC : Pin nhiên liệu oxit rắn (Solid Oxide Fuel Cell)

OCV : Thế mạch hở (Open Circuit Voltage)

ORR : Phản ứng khử oxy (Oxygen reduction reaction)

XRF : Phương pháp huỳnh quang tia X (X-ray Flourescene)

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo của pin nhiên liệu 4

Hình 1.2 Một vài ứng dụng của pin nhiên liệu 7

Hình 1.3 Mô hình cấu tạo PEMFC 15

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lí hoạt động của PEMFC 16

Hình 1.5 Cấu trúc Nafion 17

Hình 1.6 Ảnh thực tế tấm MEA 18

Hình 1.7 Một tấm lưỡng cực thường dùng 19

Hình 1.8 Hình ảnh thực tế của tấm điện cực góp 20

Hình 1.9 Thiết bị FCT – 50s 22

Hình 1.10 Mô tả mặt trước và sau của FCT-50s 23

Hình 2.1 Bộ stacks thương mại Horizon 20W……….31

Hình 2.2 Bộ stacks thương mại Horizon 20W kết nối với thiết bị đo pin FCT-50s 32

Hình 2.3 Mạch điện mắc nối tiếp 33

Hình 2.4 Sơ đồ mạch điện thực tế 34

Hình 2.5 Các tấm bipolar mẫu sau khi phủ keo với các kích thước khác nhau 36

Hình 2.6 Các mẫu vật liệu sau khi cắt trước khi đo 38

Hình 2.7 Máy đo cơ lý Tensilon And RTC 1210A 39

Hình 3.1 Ống dẫn khí Inox 304 cho hệ đo FCT - 50s……… 41

Hình 3.2 Van khí cho hệ FCT-50s 41

Hình 3.3 Hình ảnh sơ bộ về đường ống dẫn khí 42

Hình 3.4 Trạm khí cung cấp cho hệ FCT-50s 42

Hình 3.6 Giao diện chính của phần mềm FC-Lab 45

Hình 3.7 Phần mềm FC-Lab kết nối với FCT-50s 45

Hình 3.8 Cột bên trái của giao diện tại thẻ “Gas” 47

Hình 3.9 Kiểm tra hoạt động của dòng khí với các lưu lượng khác nhau 48

Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn thông số lưu lượng khí H2 ổn định tại các giá trị khác nhau 49

Hình 3.11 Đồ thị biểu diễn thông số lưu lượng khí O2 ổn định tại các giá trị khác nhau 50

Hình 3.12 Ổn định áp suất khí H2 1 (bar) với lưu lượng 100ml/mn trong hệ đo FCT-50s 50

Hình 3.13 Ổn định áp suất khí H2 1 (bar) với lưu lượng 300ml/mn trong hệ đo FCT-50s 51

Hình 3.14 Ổn định áp suất khí H2 1 (bar) với lưu lượng 600ml/mn trong hệ đo FCT-50s 51

Hình 3.15 Điện áp đạt được của bộ stacks sinh ra ở thời gian ban đầu thử nghiệm 53

Hình 3.16 Kết quả đo thế mạch hở OVC 53

Hình 3.17 Sụt thế của bộ stacks sinh ra sau một thời gian sử dụng 54

Hình 3.18 Dòng điện đo được của bộ stacks 55

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Ứng dụng của pin nhiên liệu được chia thành 3 loại chính 7

Bảng 1.2 So sánh đặc điểm giữa các loại pin nhiên liệu 11

Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật của thiết bị FCT-50s 23

Bảng 2.1 Lưu lượng các dòng khí ra khỏi FCT-50s……… 29

Bảng 2.2 Ổn định áp suất của hệ 1 bar với lưu lượng khí H2 100 ml/mn 30

Bảng 2.3 Ổn định áp suất của hệ 1 bar với lưu lượng khí H2 300 ml/mn 30

Bảng 2.4 Ổn định áp suất của hệ 1 bar với lưu lượng khí H2 600 ml/mn 30

Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật của bộ stacks thương mại Horizon 20W 30

Bảng 2.6 Các thiết bị cho mạch điện một chiều 33

Bảng 2.7 Kích thước keo phủ của các tấm lưỡng cực 36

Bảng 2.8 Thể tích keo phủ của các tấm than 36

Bảng 2.9 Kết quả kiểm tra rò khí tấm lưỡng cực 37

Bảng 2.10 Mô tả điều kiện thí nghiệm các tấm lưỡng cực phủ Silicone D = 4mm.38 Bảng 3.1 Thành phần kim loại ống dẫn Inox 40

Bảng 3.2 Thông số của đường ống Inox 304 40

Bảng 3.3 Kết quả đo thử rò khí của tấm lưỡng cực với D = 4 mm 55

Bảng 3.4 Kết quả đo cơ lý của các mẫu Silicone phủ tấm lưỡng cực 56

Bảng P.1.1 Phân tích XRF của Inox-304 61

Bảng P.1.2 Phân tích XRF của Inox-201 62

Bảng P.1.3 Kết quả đo cơ lý mẫu Silicon 63

LỜI MỞ ĐẦU

Năng lượng rất quan trọng, cần thiết đối với mọi hoạt động sống của conngười Hầu hết nguồn năng lượng sử dụng hiện nay đều bắt nguồn từ nhiên liệu hóathạch như: than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên…, và không thể tái tạo được Đó là nhữngnguồn năng lượng có nhiều bất lợi, chúng gây ô nhiễm môi trường và dẫn đến tìnhtrạng thay đổi khí hậu toàn cầu, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và gây ra thiêntai như: hạn hán, lũ lụt, nước biển dâng,… đe dọa tới ngôi nhà chung Trái Đất Cácnguồn năng lượng khác và thiết bị chuyển hóa năng lượng đang dần được chú trọngphát triển để tìm ra kết quả tối ưu Thành công lớn trong hướng phát triển trên là pinnhiên liệu với hiệu suất làm việc cao cũng như khả năng hoạt động tốt Hiện nay,pin nhiên liệu được cải tiến liên tục và đã được thương mại hóa Dựa vào nguyênliệu đầu vào và nguyên lý hoạt động mà chia pin nhiên liệu thành các loại khácnhau, trong đó pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) có khả năng hoạt động

và hiệu suất tối ưu nhất Phần lớn pin nhiên liệu sử dụng hydro và oxy làm nguồnchạy pin, một số khác dùng metan và metanol lỏng Kết quả khảo sát được công bốtháng 12/2004 của Fuel Cells Today cho thấy số hệ thống pin nhiên liệu hoàn chỉnh(có khả năng sản xuất điện độc lập) trên toàn thế giới đã vượt qua con số 11.000đơn vị Pin nhiên liệu được sản xuất dưới nhiều kích cỡ, tạo ra lượng điện vừa phải

để chạy các thiết bị xách tay, ôtô hoặc lượng điện lớn để phục vụ sản xuất, sinh hoạtgia đình và quân sự (trạm phát điện)

Trước những lợi ích mang lại bởi pin nhiên liệu, mà ngày càng có nhiềunghiên cứu để cải tiến giúp làm giảm giá thành mà hiệu suất đạt tối đa, đưa pinnhiêu liệu trở thành nguồn năng lượng gần gũi, dễ sử dụng và hữu ích cho conngười Từ những kết quả đạt được của Phòng thí nghiệm trọng điểm Đại Học QuốcGia TP.HCM-Hóa Lý Ứng Dụng đã chế tạo thành công một số thành phần trong pinnhiên liệu màng trao đổi proton Vì vậy, đề tài nghiên cứu này tập trung vào nhữngmục tiêu sau: Thiết kế lắp đặt hệ thống khí cho thiết bị FCT-50s; Nghiên cứu thiếtlập thông số hệ thống cho FCT-50s khi vận hành; Bước đầu thử nghiệm bộ stacksthương mại Horizon 20W; Thử nghiệm và đánh giá tính chất của một vài thành

phần trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton thông qua báo cáo “Bước đầu

nghiên cứu lắp đặt hệ thống thử nghiệm pin nhiên liệu màng trao đổi proton”.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu pin nhiên liệu

1.1.1 Định nghĩa pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu là thiết bị chuyển hóa điện năng trực tiếp từ phản ứng hóa học củanhiên liệu với oxy hoặc tác nhân oxy hóa khác Nguồn nhiên liệu sử dụng ở dạngkhí hoặc lỏng (thường là khí H2) thay vì tác chất rắn (kim loại và oxit kim loại) nhưcác nguồn điện trước đây Về cơ bản, pin nhiên liệu có bản chất là pin điện hóa, hoạtđộng với nguyên tắc tương tự như các loại pin khác Tuy nhiên, so với các pin sơcấp và pin thứ cấp thông thường, pin nhiên liệu vẫn có những điểm khác: nhiên liệu

và tác nhân oxy hóa cần thiết phải được cung cấp liên tục để pin có thể hoạt động

và điện năng sẽ được giải phóng liên tục khi nhiên liệu vẫn được nạp liên tục vàopin Nhiên liệu được oxy hóa ở anot trong khi tác nhân oxy hóa (thường là khí oxy)được cung cấp ở catot [6]

Với việc chuyển đổi năng lượng trực tiếp thành năng lượng điện giúp cho pinnhiên liệu đạt hiệu suất cao nên mức độ gây ô nhiễm của nó thực sự thấp nhất sovới các thiết bị chuyển đổi năng lượng khác, ngoài ra còn do nhiên liệu đầu vàokhông hoặc rất ít gây ô nhiễm Nhờ những phản ứng hóa học diễn ra trong môitrường đặc biệt mà pin nhiên liệu tạo ra được dòng điện mà không giống như nhữngphản ứng thông thường khác [1]

1.1.2 Nguyên lý hoạt động

Để tạo được dòng điện thì trong pin nhiên liệu phải có các phản ứng hóa họcđặc biệt, với nhiên liệu, thường là hydro đi vào ngăn anot trong pin sẽ bị phân lythành H+ và electron Electron mang điện tích âm sẽ đi qua dây dẫn ra ngoài tạothành dòng điện một chiều Oxy ở catot sẽ kết hợp với H+ sau khi đi qua chất điện giải

và electron tạo thành nước

Chất điện giải chỉ cho phép những ion mong muốn đi qua giữa anot và catot vìnếu electron hay các chất khác cũng có thể đi qua thì chúng sẽ xảy ra các quá trìnhkhông mong muốn [2]

Phản ứng tổng là phản ứng nghịch của quá trình điện phân nước Dưới đây làphương trình mô tả hai bán phản ứng cơ bản trong pin nhiên liệu:

Phản ứng trên anot: 2H2→ 4H+ + 4e-

Phản ứng trên catot: O2 + 4H+ + 4e- → H2O

Tổng quát: 2H2 + O2→2H2O + năng lượng (điện)

Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo của pin nhiên liệu

Mặc dù có thế lý thuyết ban đầu là 1,18V (ở 80oC), pin nhiên liệu H2 - O2

không bao giờ đạt được giá trị thế này do trong quá trình hoạt động, thế bị mất mátthông qua quá trình chuyển khối lượng, điện trở của thiết bị hay động học của phảnứng ORR Nhưng thông thường một đơn pin chỉ đạt 0,7V nên cần ghép nối các đơnpin tạo ra dòng điện mong muốn thường gọi là stacks [2]

Ưu điểm

Pin nhiên liệu có hiệu suất cao so với thiết bị chuyển đổi năng lượng khác màkhông phụ thuộc vào kích thước pin do việc sử dụng trực tiếp nhiên liệu hydro cóhiệu năng cao gấp hai lần khi sử dụng nhiên liệu hóa thạch Hiệu suất sử dụng hydrocao từ 40% đến 75% khi hoạt động bình thường, hiệu suất tiềm năng đến 85% [4].Khả năng tối ưu hóa cả nhiệt năng lẫn điện năng của pin nhiên liệu đóng góp một

hoạt động với hiệu suất 60% sẽ thải ra ít hơn 35% – 60% CO2 so với nhiên liệu hóathạch và ít hơn đến 80% khi sử dụng nhiên liệu hydro Khi so sánh với pin-ăcquythông thường, pin nhiên liệu có những lợi thế: cùng một dung lượng thì pin nhiênliệu gọn, nhẹ, và tiện dụng hơn Nếu muốn tăng năng lượng cung cấp từ pin nhiênliệu, nhiên liệu sẽ phải được cung cấp nhiều hơn Nếu muốn tăng năng lượng chopin-ăcquy, phải lắp một hệ gồm nhiều pin-ăcquy mắc nối tiếp Do vậy, với cùngmột hiệu quả năng lượng, pin có giá thành đắt hơn và hệ thống trở nên phức tạp hơn

so với pin nhiên liệu Ngoài ra, pin nhiên liệu sẽ không bao giờ “xuống cấp” vì mộtkhi nhiên liệu còn được cung cấp, pin nhiên liệu sẽ còn hoạt động Trong khi đó,pin-ăcquy sẽ xuống cấp vì chỉ hoạt động trong một số chu kỳ phóng - sạc nhất định.Thế hệ pin Lithium được sử dụng rất mạnh ngày nay trong các thiết bị như: laptop,điện thoại di động,… thật ra vẫn còn vướng phải một điểm trừ lớn đến từ thời gianlàm việc hạn chế của pin Thêm nữa, trong khi với pin thứ cấp, thời gian sạc pin lâuthì thời gian sạc pin nhiên liệu rất nhanh và thời gian sạc nhanh không ảnh hưởngđến khả năng hoạt động của pin nhiên liệu [2]

Vận hành pin nhiên liệu không gây ồn và sản phẩm thải ra chỉ là nước vàdioxit cacbon Pin nhiên liệu giúp giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ, giảm lượng dioxitcacbon (một trong các khí gây ra hiệu ứng nhà kính), oxit lưu huỳnh và nitơ là cáckhí gây ô nhiễm môi trường đang là vấn đề lớn cho xã hội Pin nhiên liệu không cócác bộ phận chuyển động cơ học do đó pin nhiên liệu có tuổi thọ và độ tin cậy cao.Những điều trên cho thấy pin nhiên liệu xứng đáng là một trong những mục tiêuhàng đầu để nghiên cứu, phát triển và thay thế nhiên liệu hóa thạch trong tương lai[5]

Nhược điểm

Giá thành sản xuất pin nhiên liệu quá cao để sản xuất đại trà do pin có các bộphận sử dụng công nghệ chế tạo hiện đại và vật liệu đắt tiền (như xúc tác bạch kim),màng trao đổi, điện cực

Một số loại pin nhiên liệu có thể tích lớn nên gặp nhiều khó khăn trong việcứng dụng vào phương tiện giao thông, trạm phát điện Đây là một khó khăn vớicông nghệ hiện nay

Việc sản xuất, lưu trữ và vận chuyển khí hydro gặp nhiều khó khăn do dễ cháy

nổ vì vậy chi phí sản xuất và bảo quản tốn kém [5]

1.1 Ứng dụng của pin nhiên liệu

Rất nhiều chương trình nghiên cứu nhằm vào phát triển pin nhiên liệu cho cácphương tiện giao thông vận tải do hiện nay vẫn chủ yếu dùng xăng là nguồn cungcấp năng lượng chính Công nghệ hiện nay đã cho phép sử dụng pin nhiên liệu vàocác loại ô tô và xe buýt Ô tô điện chạy bằng pin nhiên liệu có khả năng vận hànhvới bán kính chạy xe tương đương với ô tô dùng động cơ đốt trong Hiện nay cácloại pin nhiên liệu được dùng nhiều do pin có thể phát ra công suất đủ lớn trong điềukiện nhiệt độ khí trời (mặc dù chế độ nhiệt chuẩn của nó là 80oC) Loại pin này đảmbảo sự chuyển đổi các chế độ làm việc của ô tô khi có tải cũng như khi dừng xe [9].Các hãng ô tô lớn như De NORA (Ý), Ballard, Power System (Canada) đã phát triểncác loại pin nhiên liệu rất nhỏ gọn Canada đã phát triển pin nhiên liệu cho ô tô vớicông suất 120kW

Tháng 7/1998, công ty ZEVCO (the Zero Emission Vehicle Company) đã tung rachiếc taxi mẫu đầu tiên tại London nước Anh Chiếc taxi sử dụng một bộ pin nhiênliệu kiềm 5kW, xe chạy không sinh ra khí độc và vận hành rất êm, gần như khônggây tiếng động như những taxi chạy bằng động cơ đốt trong thông thường

Năm 1999, Daimler Chrysler hợp tác cùng với Ford và Ballar Power Systemsgiới thiệu xe NECAR 4 (New Electric Car 4) dùng PEMFC được cung cấp nhiênliệu từ một bình hydro lỏng có tầm hoạt động 450km và vận tốc nhanh nhất là 140km/h

Năm 2001, Opel và General Motor giới thiệu loại xe HydroGen 3 với bìnhhydro lỏng dung tích 68 lít có tầm hoạt động 400 km/h và vận tốc nhanh nhất là 150km/h

Các loại xe buýt của Daimler Chrysler và của MA dùng PEMFC cũng đangđược chạy thực nghiệm ở nhiều thành phố trên thế giới Nhiều thiết bị kết hợp phátđiện và sưởi ấm từ PEMFC của hãng Ballard Power Systems cũng đang được thửnghiệm tại Berlin (Đức)

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 và từ một hệ thống pin nhiên liệuhyđro.

Một số vật dụng cầm tay như điện thoại di động, máy vi tính xách tay, máyquay phim, vật liệu cắm trại hay quân sự cũng đang tiến tới ứng dụng loại nguồncung cấp năng lượng này [4]

Hình 1.2 Một vài ứng dụng của pin nhiên liệu

Bảng 1.1 Ứng dụng của pin nhiên liệu được chia thành 3 loại chính [7]

Định Nghĩa FC được thiết kế

để dễ dàng dichuyển, bao gồm

cả nguồn nănglượng phụ trợ(APU)

Trạm FC cung cấpđiện (đôi khi cảnhiệt)

FC cung cấp nguồndẫn động chophương tiện giaothông

PEMFCDMFC

Ví Dụ APU không động

cơ (tàu thuyền,đèn,…)

Ứng dụng quân sự(nguồn điện cầmtay, máy phát điện,

…)Thiết bị di động(đèn pin, bộ sạcpin…)

Thiết bị điện tử cánhân (máy nghenhạc mp3, máyảnh,…)

Trạm cố định lớn

tổ hợp nhiệt vàđiện (CHP)

Trạm nhỏ CHP

micro-Nguồn cung cấpđiện liên tục (UPS)

Bộ vận hành xe

Xe tải và xe buýt

Xe điện pin nhiênliệu (FCEV)

2 Phân loại pin nhiên liệu

Hiện nay, có nhiều cách phân loại pin nhiên liệu dựa trên: chất điện giải, loạinhiên liệu, nhiệt độ vận hành,… tuy nhiên, thường được phân loại dựa vào chất điệngiải được sử dụng phổ biến nhất Tên chất điện giải được lấy làm tên gọi để phân biệtcác loại pin nhiên liệu khác nhau như: AFC, PEMFC, PAFC, MCFC, Từng loại pinnhiên liệu sẽ được lần lượt giới thiệu sau đây [3]

1.2.1 AFC (Alkaline Fuel Cell) - pin nhiên liệu kiềm

Pin nhiên liệu kiềm sử dụng hydro và oxy nén làm nhiên liệu, dùng dung dịchkiềm KOH làm chất điện giải Hiệu suất pin khoảng 70% và hoạt động từ 150 đến

200oC Công suất đầu ra khoảng từ 300W đến 5kW Do kích thước nhỏ, nhẹ, hiệusuất cao nên pin nhiên liệu này thường được dùng trong các phương tiện xe cộ, giaothông

Phản ứng hóa học xảy ra trên điện cực diễn ra như sau:

Phản ứng trên anot: 2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

Phản ứng trên catot: O2 + 2H2O + 4e- → 4OH

Tổng quát: 2H2 + O2 → 2H2O + năng lượng (điện)

1.2.2 MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) - pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy

MCFC dùng muối carbonate của Na và Mg ở nhiệt độ cao làm chất điện giải.Hiệu suất pin đạt từ 60% đến 80% vận hành ở nhiệt độ khoảng 600-700oC Hệ pin cócông suất đầu ra 2 MW và có thể đạt đến 100MW khi được thiết kế tối ưu MCFCdùng xúc tác điện cực niken nên không đắt so với xúc tác điện cực bạch kim củaAFC Tuy nhiên, nhiệt độ cao cũng có mặt hạn chế về vật liệu và an toàn Bên cạnh

đó, ion carbonate từ chất điện giải sẽ bị tiêu hao trong phản ứng, đòi hỏi phải tiếpthêm khí carbonic bù vào

Phản ứng hóa học xảy ra trên điện cực diễn ra như sau:

Phản ứng trên anot: CO32- + H2 → H2O + CO2 + 2e

-Phản ứng trên catot: CO2 ½ O2 + 2e- → CO32-

Tổng quát: H2(k) + ½ O2(k) + CO2 (catot) → H2O(k) + CO2 (anot)+ điện năng

2.1 PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) - pin nhiên liệu axit phosphoric

PAFC dùng axit phosphoric làm chất điện giải, hiệu suất pin đạt từ 40 đến 80%

và nhiệt độ vận hành từ 150 đến 200oC PAFC có công suất đến 200 kW và đã thửnghiệm đạt 11 MW PAFC có thể chịu được nồng độ CO khoảng 1,5% do đó dễ dàngchọn lựa loại nhiên liệu PAFC đòi hỏi điện cực bạch kim và các bộ phận bên trongphải chống chịu được ăn mòn axit

Phản ứng hóa học xảy ra trên điện cực diễn ra như sau:

Phản ứng trên anot: 2H2 → 4H+ + 4e-

Phản ứng trên catot: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O

Tổng quát: 2H2 + O2 → 2H2O + năng lượng (điện)

2.2 PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) - pin nhiên liệu màng

trao đổi proton

PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell - pin nhiên liệu màng điệnphân polymer) hoạt động với một màng điện giải mỏng, hiệu suất pin từ 40% đến50% và vận hành ở nhiệt độ thấpkhoảng 80oC Công suất linh hoạt có thể chỉ 2 kWcho các ứng dụng nhỏ di động hay từ 50 đến 250 kW cho các ứng dụng lớn hơn Vận

hành ở nhiệt độ thấp nên PEMFC thích hợp cho các ứng dụng trong gia đình và xe cộ.Tuy nhiên, nhiên liệu cung cấp cho PEM đòi hỏi phải được tinh sạch (không lẫnnhiều tạp chất) và PEMFC cũng cần xúc tác bạch kim đắt tiền ở cả hai điện cực, giatăng chi phí.

Phản ứng hóa học xảy ra trên điện cực diễn ra như sau:

Phản ứng trên anot: 2H2 → 4H+ + 4e-

Phản ứng trên catot: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O

Tổng quát: 2H2 + O2 → 2H2O + năng lượng (điện)

2.3 SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) - pin nhiên liệu oxit rắn

SOFC sử dụng hợp chất oxit kim loại rắn (như canxi hay kẽm) làm chất điệngiải, hiệu suất đạt được khoảng 60% và vận hành ở nhiệt độ từ 600oC đến 1000oC.Được phát triển từ cuối những năm 50 của thế kỉ trước, đây là dạng pin nhiên liệu vậnhành ở nhiệt độ cao nhất hiện nay Nhiệt độ cao cho phép pin có thể sử dụng đượcnhiều loại nhiên liệu đầu vào như: khí thiên nhiên, sinh khối hydrocarbon (trích xuấtlấy hydro trực tiếp mà không cần phải qua chuyển hóa nhiệt) Công suất đầu ra củapin đến 100 kW Vận hành ở nhiệt độ cao như vậy chất điện giải là vật liệu oxit rắn,mỏng và cho phép ion oxy (O2-) đi qua

Phản ứng hóa học xảy ra trên điện cực diễn ra như sau:

Phản ứng trên anot: 2H2 + 2O2- → 2H2O + 4e-

Phản ứng trên catot: O2 + 4e- → 2O2-

Tổng quát: 2H2 + O2 → 2H2O + năng lượng (điện)

2.4 DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) - pin nhiên liệu dùng metanol trực

tiếp

DMFC tương tự như PEMFC ở chỗ chất điện giải là polyme và điện tích vậnchuyển là ion hydro (proton).Với DMFC, nhiên liệu metanol lỏng (CH3OH) bị oxyhóa trong nước ở anot, sinh ra khí carbonic, ion H+ đi qua chất điện giải, phản ứngvới oxy và các electron từ dòng điện tạo thành nước ở anot, hoàn thành chu trình.DMFC hoạt động ở nhiệt độ 50oC-120oC, với nhiệt độ vận hành thấp và không đòi hỏiphải qua bước chuyển hóa thành hydro mà có thể dung trực tiếp nhiên liệu methanol

Phản ứng hóa học xảy ra trên điện cực diễn ra như sau:

Phản ứng trên anot: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e

-Phản ứng trên catot: 3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O

Tổng quát: CH3OH + 3/2 O2 → CO2 + 2H2O + năng lượng (điện)

Bảng 1.2 So sánh đặc điểm giữa các loại pin nhiên liệu [1]

Ứng

dụng

chính

Phươngtiệnkhônggian vànướcuống

Trạm phátnăng lượng

Nănglượng cốđịnh

Nănglượngphươngtiện phụ

Ôtô, trạmphát nănglượng

Nănglượng diđộng

Chất

điện giải

KiềmKOHđặc (30-50%)dungmôinước

Acidphosphoricđặc 100%

Muốicarbonatenóng chảytrongkhunggốmLiAlO2

Y2O3

hoặcZrO2

Màngpolyme

Màngpolyme

án này PEMFC được đề cập rõ ở mục 1.3.

3 Pin nhiên liệu màng trao đổi proton PEMFC

PEMFC lần đầu tiên được sử dụng vào những năm 60 của thế kỉ trước trongchương trình không gian Gemini của NASA, đến nay PEMFC đã được phát triểnvới những hệ thống công suất từ 1W đến 2kW So với các dạng pin nhiên liệu khác,PEMFC đạt hiệu suất cao hơn nhiều Hơn nữa, nhiệt độ vận hành dưới 100oC chophép khởi động nhanh

Chất điện giải trong pin nhiên liệu này là màng trao đổi ion, có khả năng traođổi ion rất tốt Chất lỏng duy nhất trong PEMFC là nước nên vấn đề ăn mòn rất nhỏ.Thông thường điện cực giấy carbon phủ xúc tác Platin được sử dụng cho cả catot vàanot thông qua liên kết C - Pt

Việc kiểm soát nước trong màng là rất quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất hệthống PEMFC phải hoạt động ở điều kiện mà tốc độ bay hơi của nước không nhanhhơn tốc độ tạo thành của chúng (vì màng trao đổi phải được hydrate hóa)

Nhiệt độ hoạt động tùy thuộc vào từng loại polyme trong khoảng 60-80oC vàluôn nhỏ hơn 100oC Nhiên liệu hydro đầu vào phải tinh khiết hàm lượng khí COphải ở mức tối thiểu, tốt nhất là không có CO (vì CO là chất ức chế hoạt động ởnhiệt độ thấp)

Lượng xúc tác được sử dụng nhiều hơn (thường dùng là Platin) so với PAFCcho cả catot và anot Quá trình xử lý nhiên liệu được yêu cầu giống các loại nguyênliệu khác vì anot dễ bị ngộ độc bởi hàm lượng nhỏ của CO, hợp chất sulfur vàhalogen [1]

1.3.1 Ưu và nhược điểm

a) Ưu điểm

PEMFC có hiệu suất cao nên có thể ứng dụng cho các thiết bị di động, cầm tayđặc biệt là ứng dụng cho ngành công nghiệp sản xuất ô tô chạy trực tiếp từ nhiênliệu hydro Với màng ngăn polyme dẫn truyền ion H+ nên pin có nhiệt độ hoạt độngthấp

Nhiệt độ hoạt động thấp của PEMFC cho phép khởi động nhanh chóng

Không có các tác nhân gây ăn mòn, vì thế không yêu cầu cao về vật liệu trong cácpin ghép (stacks)

PEMFC có khả năng đạt mật độ công suất trên 2 kW/dm3

Các vấn đề như: lắp ráp, đóng gói, xử lý khác ít phức tạp hơn so với hầu hếtcác pin nhiên liệu khác

b) Nhược điểm

Phạm vi nhiệt độ hoạt động thấp và hẹp, khó điều chỉnh nhiệt, đặc biệt là ở cácmật độ dòng cao, sử dụng nhiệt sinh ra từ hệ thống gặp nhiều khó khăn

Điều khiển lượng nước là một thách thức lớn cho việc thiết kế, kỹ thuật

Ngoài ra, PEMFC hoạt động khá nhạy với hàm lượng nhỏ của các hợp chấtchứa CO, sulfur, và halogen

1.3.2 Môi tường trong PEMFC

Môi trường trong PEMFC là một môi trường axit gồm các ion sulphate vàfluoride, khí ẩm là hydro tại anot và oxy tại catot Trong thực tế môi trường PEMFCphụ thuộc vào điều kiện hoạt động và thiết kế của pin, dung dịch nước thu hồi từPEMFC là axit (pH = 1-4) lúc bắt đầu hoạt động và gần như nước tinh khiết (pH =6-7) sau khi hoạt động trong một thời gian Một số tài liệu cho rằng nước ra từPEMFC có pH =1-2 lúc khởi động và tăng lên pH = 4 sau vài giờ Giá trị pH thấplúc đầu là do axit dư từ màng, vì màng trao đổi proton thường được xử lý hòa tanion kim loại trước khi sử dụng trong axit sulfuric đặc Tài liệu khác đề nghị rằngđiều kiện hoạt động PEMFC có pH = 3.6 với nồng độ F- là 1,8 ppm tại anot vàpH=4,02 với nồng độ F- là 1,1 ppm tại catot Nước từ anot và catot PEMFC khácnhau sau 500 giờ hoạt động còn được phân tích, kết quả là nước anot chứa ít ionhơn dung dịch catôt Một số nồng độ H2SO4 và HF lọc ra từ màng trong suốt thờigian hoạt động của PEMFC là 10-5 M H2SO4 + 5,5.10-5 M HF (pH = 4,66) và 10-4 M

H2SO4 + 9.10-5 M HF (pH = 4,29) là gần với môi trường anot và catot PEMFC thực[4]

1.3.3 Cấu tạo của PEMFC

Thông thường PEMFC gồm có 3 thành phần cơ bản:

- Màng điện giải là chất điện giải rắn, thường dùng màng Nafion

- Điện cực: anot, catot

- Tấm lưỡng cực (Bipolar Plate)

Bên cạnh đó còn kể đến các bộ phận cấu thành nên một pin nhiên liệu hoàn chỉnhnhư: tấm điện cực góp, tấm vỏ ngoài, gioăng đệm, …

Hình 1.3 Mô hình cấu tạo PEMFC.

Cơ chế hoạt động trong PEMFC

Nhờ chất xúc tác ở anot (thường là Platin) quá trình oxy hóa hydro thànhproton H+ và electron, đối với electron thì màng Nafion chỉ cho đi thông qua mộtdây dẫn ra ngoài và tạo thành dòng điện, proton (H+) đi qua màng Nafion và tácdụng lại với khí oxy và electron ở catot thành nước PEMFC cho hiệu suất cao vìquá trình tạo thành dòng điện trực tiếp từ năng lượng hoá học mà không qua giaiđoạn trung gian chuyển thành nhiệt năng như các hệ thống khác (thủy điện, nhiệtđiện, ) [1]

Có 3 nguyên nhân chính khiến H2 là nhiên liệu được ưa chuộng trong pin nhiênliệu Thứ nhất, so với các nhiên liệu khác (methanol, ethanol, acid formic,) thì khí

H2 có mật độ năng lượng lớn nhất (33,3 Wh/g) Thứ hai, trong số các nhiên liệu linhđộng (như chất rắn nóng chảy, chất lỏng, chất hơi, chất khí) thì khí H2 là khí dễ bịoxy hóa nhất ở điều kiện phòng Thứ ba, nếu nhiên liệu là H2 và nguồn oxy hóa làkhông khí (khí O2 trong không khí) thì sản phẩm tạo ra ngoài điện năng là H2Ohoàn toàn thân thiện với môi trường [2]

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lí hoạt động của PEMFC.

a) Màng điện giải (electrolyte)

Trong PEMFC, màng Nafion được sử dụng làm màng điện giải rắn đảm nhậnchức năng trao đổi proton Nafion được phát triển bởi Tiến sĩ Walther Grot tạiDuPont trong cuối những năm 1960 bằng cách thay đổi Teflon Trong các loạimàng trao đổi proton, Nafion là polyme tổng hợp đầu tiên và là một ionome(polyme dẫn điện theo cơ chế ion)

Nafion dẫn ion được là nhờ gắn thêm vào nhóm acid sulfonic (có tính acid) ởcuối dây polyme Ban đầu, Nafion được sản xuất ở dạng muối với các nhóm acidsulfonic bị vô hiệu hóa, ở dạng này Nafion là nhựa nhiệt dẻo nhưng không có hoạttính Sau khi ép đúc (thường là tấm hoặc ống), Nafion được hoạt hóa bằng cáchchuyển đổi từ dạng muối thành dạng acid, ở giai đoạn này, Nafion là một loại nhựatrong suốt tương tự thù hình của Teflon, nhưng đục hơn Khi được kích hoạt,Nafion ngay lập tức phản ứng với môi trường xung quanh

Công thức hóa học của Nafion được đề nghị với cấu trúc:

b) Điện cực anot và catot

Cực âm (anot) có nhiệm vụ chính là: dẫn những điện tử tách ra từ phân tửhydro để sử dụng cho mạch điện bên ngoài Có cấu trúc với những khe rất nhỏ, rấtđều đặn để khí hydro được phân bố đều trên mặt điện cực khi gặp chất xúc tác,thường được làm bằng carbon xốp có phủ chất xúc tác điện hóa để xúc tác cho cácquá trình catot, anot

Cực dương (catot) cũng có cấu trúc bề mặt là các rãnh nhỏ như cực âm, cónhiệm vụ dẫn khí oxy tới mặt chất xúc tác Đồng thời nó cũng dẫn điện từ mạchđiện bên ngoài, kết hợp với ion hydro và oxy tạo ra nước tinh khiết.

Hiện nay, điện cực thường được chế tạo từ giấy carbon (carbon paper) phủPlatin (cho cả anot và catot) hoặc hỗn hợp Pt - Ru (anot)

Anot, catot thường được chế tạo kết hợp chung với màng Nafion tạo thành tổhợp màng điện cực (Membrane Electrode Assembly - MEA) [1]

Hình 1.6 Ảnh thực tế tấm MEA

c) Tấm lưỡng cực (bipolar plate)

Tấm lưỡng cực là tấm dẫn điện trong một ngăn xếp pin nhiên liệu hoạt độngnhư một cực âm cho một pin và cực dương cho các pin tiếp theo Tấm lưỡng cực cóthể làm bằng kim loại, carbon hoặc hỗn hợp polymer dẫn điện (thường là kết hợpcarbon) Tấm lưỡng cực có một số chức năng bên trong pin nhiên liệu:

 Phân phối khí đồng nhất trên toàn bộ diện tích của các pin đơn

 Tách khí giữa các pin (các khí phản ứng và thoát nước)

 Cung cấp một môi trường dẫn điện giữa cực dương và cực âm

 Tạo ra các đường rãnh khuếch tán cho khí phản ứng

Yêu cầu cho tấm lưỡng cực là phải kín khí, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và phải trơ

về mặt hóa học Ngoài ra, tấm lưỡng cực còn phải hoạt động tốt trong môi trườngđiện tích ổn định, ẩm ướt của nước tinh khiết, pH thấp (pH ≈ 4), nhiệt độ khoảng

80oC (PEMFC nhiệt độ thấp) hay 180oC (PEMFC nhiệt độ cao) Cuối cùng, tấm

lưỡng cực phải có giá thành hợp lý giúp tiết kiệm chi phí Dựa vào các tiêu chí trên,vật liệu được lựa chọn làm tấm lưỡng cực thường là kim loại, carbon và hợp chấtcủa carbon.

Tấm lưỡng cực làm bằng kim loại có độ dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, tính chất cơ

lý tốt, độ thấm khí không đáng kể và vật liệu phải chống ăn mòn cao

Tấm lưỡng cực làm bằng carbon nguyên chất có tính trơ về mặt hóa học, độdẫn điện và dẫn nhiệt không cao như kim loại Mặt khác, việc gia công với độ chínhxác cao hơn

Nếu làm bằng hợp chất carbon (từ polyme, trộn chất kết dính với carbon vàchất phụ gia) thì tấm lưỡng cực có nhiều ưu điểm hơn: dễ dàng da công, đúc, épkhuôn chi phí tiết kiệm Như vậy, hợp chất carbon là hợp lý nhất dùng làm tấmlưỡng cực

Hình 1.8 Hình ảnh thực tế của tấm điện cực góp.

1.3.4 Cấu tạo một hệ thống pin nhiên liệu hoàn chỉnh

Pin nhiên liệu hoạt động dựa trên phản ứng của oxy và hydro Để hoạt độngđược thì ngoài thành phần hoá học, một máy phát điện loại này còn cần có: đầu vào,đầu ra, phần phụ, hệ thống điều khiển

Điện năng: điện phát ra trên hai cực của pin là điện một chiều, có giá trị ít nhất

là tối thiểu để pin hoạt động Điểm làm việc (điện áp ra) này sẽ được cố định nhờ

các bộ biến đổi điện, nếu chúng ta muốn có điện xoay chiều thì cần thêm vào một

bộ biến đổi nữa (từ một chiều thành xoay chiều)

Các hệ thống phụ khác

Muốn khởi động pin nhiên liệu cần dùng đến hệ thống pin điện hoá, dùng đểnâng nhiệt độ của pin đến ngưỡng cần thiết, đảm bảo hoạt động của các bộ phậntrong pin lúc khởi động, đồng thời cũng đảm bảo an toàn cho pin trong các trườnghợp xảy ra sự cố

Khối điều khiển

Gồm tất cả các bộ đo, đồng hồ cho biết trạng thái vận hành của hệ thống, tìnhtrạng, thông số của tất cả các phần tử Nó được lập trình chính xác cho các quá trìnhkhởi động, quá độ, dừng và thiết lập chế độ làm việc tối ưu

1.4. Thiết bị Fuel Cell Testers (FCT - 50s)

1.4.1 Giới thiệu về FCT - 50s

Hai hãng sản suất thiết bị thí nghiệm Bio-Logic Science Instrument vàPaxiTech của Pháp đã bắt tay thiết kế, chế tạo ra dòng sản phẩm mới nhỏ gọn FuelCell Testers (FCT) với hai dòng sản phẩm hiện có trên thị trường: FCT - 50s choPEMFC có kích thước 25 cm2 và FCT - 150s cho PEMFC kích thước 50 cm2, trong

đó FCT-50s với giá hơn 60,000 USD là một thiết bị thí nghiệm điện dành cho cácmôi trường chuyên nghiệp và được sử dụng trong các phòng thí nghiệm, thươngmại và công nghiệp nhẹ FCT - 50s được dùng cho công việc kiểm tra điện hóa pinnhiên liệu màng trao đổi proton PEMFC, chúng được tạo ra nhằm mục đích duynhất nghiên cứu các pin đơn (single cell), đây là thiết bị linh hoạt nhất trên thịtrường hiện nay đáp ứng được các yêu cầu cần thiết của người dùng thiết bị FCTđược thiết kế nhỏ gọn như một chiếc máy tính có nhiệm vụ điều khiển, kiểm tra, lậptrình và tích hợp các chức năng điều khiển sẵn có như: tải điện, nhiệt độ, nhiên liệu,

áp suất, quản lý nước, thu thập dữ liệu và điều khiển thông tin liên lạc qua cổng kếtnối Ethernet Cổng thông tin liên lạc Ethernet cho phép cài đặt FCT thông qua mạngnội bộ (LAN) Công nghệ được thiết kế hướng tới mức tiêu thụ điện thế rất thấp.Phần mềm giám sát, điều khiển FCT (FC - Lab) rất dễ sử dụng Nó cung cấptất cả các chức năng điều khiển cho việc thử nghiệm pin nhiên liệu trên một số thẻ

“tab” và “menu” Nhiệt độ, áp suất, dòng chảy và nước được phần mềm kiểm soáttrên thẻ "Gas" riêng trong khi kỹ thuật điện hóa được cài đặt trong một thẻ riêngbiệt "Load" Các chức năng đồ họa cung cấp một màn hình hiển thị thời gian thựccủa thực nghiệm đối với mỗi biến đo hoặc kiểm soát các biến

Một số tính năng an toàn (trong phần mềm và phần cứng) được tích hợp và tựđộng ngừng (shutdown) hệ thống FCT

Hình 1.9 Thiết bị FCT – 50s

1.4.2 Cấu tạo chung của FCT - 50s

FCT - 50s là một khối thống nhất, mặt trước được phân chia thành hai phầnhiển thị riêng biệt Phần bên trái bao gồm phần điện với phần cứng điều khiển củathiết bị và quản lý điện Phần bên phải của hệ thống chứa hai đường khí, một bên làanot (nhiên liệu) và một bên là catot (khí oxy hóa) Cổng kết nối, khí đầu vào và rađược đặt ở mặt sau của thiết bị

Điện áp, cường độ dòng điện và nhiệt độ được thể hiện ở góc bên trái trêncùng phía trước của thiết bị, ngay bên dưới, khung trạng thái chứa một vài đèn báoLED và một nút dừng khẩn cấp Đèn LED ở điều kiện hoạt động bình thường đènmàu xanh, khi suất hiện các vấn đề (ví dụ: áp suất khí đầu vào quá cao hoặc quáthấp, hay với tải điện hoặc pin bị quá nhiệt), tương ứng với đèn LED màu đỏ thì

FCT ở điều kiện thiếu sót Ở góc phía dưới cùng bên trái có các cổng kết nối điềukhiển và đo đạc từ thiết bị đến pin nhiên liệu Có khả năng kết nối bao gồm: đầu thudòng điện của pin, cảm biến điện áp của pin, cực dò nhiệt độ và đầu gia nhiệt chopin Hệ thống bao gồm một tải điện có thể điều khiển cường độ dòng hoặc điện ápqua pin Nó có thể hình thành việc đo đồng thời cường độ dòng và điện áp của pin.Phần anot và catot phía trước thiết bị tương tự nhau Backpressure được hiểnthị trên thiết bị ở phía trên cùng, backpressure ứng dụng trong hệ thống có thể đượcđiều khiển bằng núm tay vặn ngay phía dưới đồng hồ đo áp Một đường bypass phíatrên cho phép cả dòng khí trực tiếp đi qua hoặc khí từ bình làm ẩm đi ra phụ thuộcvào độ ẩm của khí đi ra Mực nước để tạo độ ẩm được hiển thị trên một ống thẳngđứng làm bằng nhựa Đầu khí ra khỏi FCT được kết nối tới pin nhiên liệu.

Hình 1.10 Mô tả mặt trước và sau của FCT-50s

1.4.3. Thông số kỹ thuật

Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật của thiết bị FCT-50s

Nguồn điện Điện áp đầu vào 90-120V hoặc 200-240V

Bộ lọc khí đầu vào tiêu chuẩn IEC

Thiết bị gia nhiệt dòng khí 40W/2x110VThiết bị gia nhiệt cho pin 175W/2x110VMôi trường Sử dụng trong nhà

Nhiệt độ hoạt động 10 đến 35°CNhiệt độ bảo quản 0 đến 50°CMức độ ô nhiễm 1 (không gây ô nhiễm)

Độ cao hoạt động < 2000 trên mực nước biển

Thể tích (tối đa): H2 = 2L; O2/Air = 2L

Áp suất làm việc (tối đa): 6 bar

Một số nghiên cứu đã và đang thực hiện của Nhóm Điện Hóa - Phòng ThíNghiệm Trọng Điểm Hóa Lý Ứng Dụng trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, ĐạiHọc Quốc Gia TP Hồ Chí Minh về pin nhiên liệu như:

1 Nghiên cứu ăn mòn Tấm lưỡng cực

2 Bước đầu mô phỏng hoạt động PEMFC nhiệt độ thấp

3 Tổng hợp, biến tính hạt silica ứng dụng cho màng điện giải

5 Phản ứng khử oxy (ORR) trên vật liệu nano Pt100-xCox/CM (CM C-Vulcan,CNT).

6 Đánh giá tính chất của một vài thành phần trong pin nhiên liệu màng traođổi proton

Dựa trên những nghiên cứu có được, đặt ra mục tiêu của đồ án này:

 Thiết kế lắp đặt hệ thống khí cho thiết bị FCT-50s

Được sự tư vấn và hổ trợ của công ty Air-Liquide đã:

- Lựa chọn van và ống dẫn khí cho hệ FCT-50s

- Lắp đặt hệ thống dẫn khí cho thiết bị FCT-50s

- Kiểm tra rò khí của hệ thống khí bằng dung dịch xà phòng

 Thiết lập thông số hệ thống cho FCT-50s

FCT - 50s là thiết bị ưu việt nhất trên thị trường hiện nay được sự dụng chocông việc kiểm tra các tính năng hoạt động của pin nhiên liệu Cho đến nay,thiết bị này vẫn còn khá mới mẻ với đại đa số người dùng nghiên cứu pinnhiên liệu và là thiết bị duy nhất có ở khu vực Đông Nam Á Để sử dụngthiết bị thì việc nghiên cứu bước đầu rất cần thiết Vì thế, đã tiến hành:

- Thiết lập quy trình vận hành thiết bị FCT-50s

- Cài đặt các thông số cơ bản cho hệ đo

 Bước đầu thử nghiệm bộ stacks Horizon 20W

Dùng bộ stacks Horizon 20W để thử và kiểm tra hoạt động của thiết bị đoFCT-50s Bộ Horizon 20W là pin nhiên liệu màng trao đổi proton PEMFCđược thương mại hóa với giá hơn 3000 USD, sản xuất bởi công ty Horizoncủa Pháp Vì thế đã tiến hành:

- Thiết lập các thông số cơ bản cho bộ Horizon 20W: lưu lượng dòng,

áp suât dòng khí vào pin

- Kiểm tra khả năng hoạt động của bộ stacks thông qua phần mềmđiều khiển FC-Lab

 Thử nghiệm và đánh giá tính chất của một vài thành phần trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton

Với những nghiên cứu trước đây của nhóm Điện Hóa - Phòng Thí NghiệmTrọng Điểm Hóa Lý Ứng Dụng trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, đãchọn vật liệu cacbon làm tấm lưỡng cực cho pin nhiên liệu nhưng vấn đề ròkhí trên tấm lưỡng cực vẫn chưa khắc phục được Vì thế, trong đồ án nàythực hiện:

- Khắc phục hiện tượng rò khí bằng cách phủ keo Silicone SealantApolo – A300

- Kiểm tra độ bền của vật liệu phủ bằng phương pháp đo cơ lý