Ứng dụng công nghệ vật liệu nano vào pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp methanol (DMFC)

Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- NGUYỄN VĂN HƯỜNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU NANO VÀO PIN NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG TRỰC TIẾP METHANOL DMFC Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ NHIỆT Mã số ngà

Trang 1

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN VĂN HƯỜNG

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU NANO

VÀO PIN NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG TRỰC TIẾP METHANOL (DMFC)

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ NHIỆT

Mã số ngành: 60.52.80

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2005

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRUNG TÂM R&D THUỘC KHU CÔNG NGHỆ CAO TP.HCM & TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

TSKH Nguyễn Chánh Khê:

TS Nguyễn Thế Bảo:

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trang 3

Tp HCM, ngày 15 tháng 09 năm 2005

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 25/02/1979 Nơi sinh: Bắc Giang

Chuyên ngành: Công Nghệ Nhiệt MSHV: 00603157

I TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU NANO VÀO PIN

NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG TRỰC TIẾP METHANOL (DMFC)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Giới thiệu tổng quan về Pin nhiên liệu

- Đưa ra cơ sở lý thuyết phân tích Pin nhiên liệu sử dung trực tiếp Methanol

- Giới thiệu về than Nano “Lỏng”

- Nghiên cứu chế tạo pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp Methanol

- Ứng dụng than Nano “Lỏng” vào Pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp

Methanol

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20/01/2005

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/09/2005

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

- Cán bộ hướng dẫn 1: TSKH Nguyễn Chánh Khê

- Cán bộ hướng dẫn 2: TS Nguyễn Thế Bảo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2 CHỦ NHIỆM NGÀNH

Trang 4

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đă được Hội Đồng Chuyên ngành thông

qua

Ngày: tháng: năm

Trang 5

LỜI CẢM ƠN

Để có được vinh dự hoàn thành bài luận văn tốt nghiệp ngày hôm nay, tác giả xin gửi những lời cám ơn chân thành và sâu sắc nhất đến tất cả các thầy cô đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt quá trình học, cũng như giúp đỡ tác giả rất nhiều trong quá trình thực hiện đề tài tốt nghiệp kỳ này

Đặc biệt, tác giả xin chân thành cám ơn TSKH Nguyễn Chánh Khê, TS

Nguyễn Thế Bảo, những người đã trực tiếp hướng dẫn tác giả thực hiện đề tài tốt

nghiệp, đã tận tình quan tâm, giúp đỡ cũng như truyền đạt những kiến thức rất quý báu và luôn là nguồn động viên to lớn trong suốt quá trình tác giả thực hiện luận văn này

Xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn về chuyên môn trong suốt khóa học và xin cảm ơn Ngọc Trâm, Thanh Sinh và các

anh, chị trong Trung tâm R&D Khu Công Nghệ Cao TP.HCM đã tận tình giúp

đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Xin gửi lời cảm ơn đến toàn bộ các thầy cô trong Hội đồng bảo vệ Luận văn Thạc sĩ đã tạo điều kiện cho tác giả hoàn tất bài luận này Cám ơn những ý kiến đóng góp thiết thực của các thầy cô nhằm giúp tác giả có thể bổ sung thêm những

ý còn thiếu sót

Xin gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo và tập thể các thầy cô phòng Quản lý sau đại học đã tạo mọi điều kiện, giúp đỡ tác giả trong suốt khóa học

Cuối cùng xin gửi những lời cám ơn chân thành nhất đến toàn thể gia đình, những người đã tạo mọi điều kiện, giúp đỡ, động viên tác giả vượt qua những khó khăn, thử thách để có được ngày hôm nay Xin cám ơn tất cả các bạn bè, những người luôn bên cạnh tác giả những lúc khó khăn cũng như thuận lợi trong suốt khóa học

Tác giả

Nguyễn Văn Hường

Trang 6

LỜI NÓI ĐẦU

Với tình hình nền kinh tế hiện nay, đi kèm với sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp, mức sống của con người ngày càng được nâng cao Hệ quả của nó là chúng ta cần phải cómột nguồn năng lượng lớn để đáp ứng nhu cầu sử dụng trong sinh hoạt và sản xuất công nghiệp Tuy nhiên các nguồn nhiên liệu truyền thống như than, dầu mỏ, khí đốt…ngày càng cạn kiệt Vì vậy, vấn đề nghiên cứu và phát triển các nguồn năng lượng tái tạo và năng lượng mới để phục vụ cho sự phát triển toàn cầu đang được toàn thế giới quan tâm

Một vấn đề khác cũng đang được chú trọng hiện nay là vấn đề bảo vệ môi trường Cho nên, việc tìm ra các nguồn năng lượng mới có thể phục vụ sinh hoạt và sản xuất mà vẫn đảm bảo không gây nguy hại đến môi trường là hết sức cần thiết Một trong những loại năng lượng đáp ứng được tiêu chí này là năng lượng Hydro Pin nhiên liệu (Fuel Cell) là một dạng năng lượng Hydro Về nguyên lý, Pin nhiên liệu đã được biết đến từ năm 1839, nhưng đến những năm 1950 thì nó mới được quan tâm nghiên cứu

Ở nước ta hiện nay loại năng lượng này còn tương đối mới mẻ Do đó, mục đích của Luận văn này là tác giả muốn giới thiệu tổng quan về Pin nhiên liệu và

đi vào nghiên cứu ứng dụng các nguồn nguyên liệu có sẵn ở Việt Nam vào Pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp methanol (DMFC- Direct Methanol Fuel Cell) Đây là một loại Pin nhiên liệu mới và đang được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu, phát triển

Nguyễn Văn Hường

Trang 7

LUẬN VĂN THẠC SĨ Trang 7

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Ngày nay, nhu cầu về năng lượng đang ngày càng gia tăng trên toàn thế giới [9] Tuy nhiên, các nguồn nhiên liệu thiên nhiên như dầu mỏ, than đá đang dần cạn kiệt vì các hoạt động của con người Hơn nữa, hiện nay con người đang phải đối mặt với nguy cơ ô nhiễm môi trường vì quá trình đốt cháy nhiên liệu làm sản sinh ra các khí độc hại như cacbonic, nitơ oxit,… [16] 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 được nguồn “năng lượng xanh” và đồng thời đáp ứng được nhu cầu về năng lượng Mặc dù pin nhiên liệu đã xuất hiện từ đầu những năm 40 của thế kỷ 20 [10] nhưng cho đến nay giá thành của nó vẫn còn quá cao nên chưa thể cạnh tranh được với xăng dầu Trong bài luận văn

này, tác giả tập trung vào chủ đề: “Ứng dụng công nghệ vật liệu nano vào pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp methanol (DMFC)” với mục tiêu chế tạo pin

nhiên liệu có hiệu năng bằng hoặc cao hơn nhưng với giá thành thấp hơn so với thế giới Công nghệ nano đã được biết đến trên thế giới từ những năn 1959 [17] bởi Tiến sĩ Richard Feymann Hiện tại, công nghệ nano đã đạt được kích thước nhỏ hơn 100nm Cách đây hai năm, tháng 8 năm 2005, Phòng Thí nghiệm của Khu Công nghệ cao TP.Hồ Chí Minh kết hợp với Khoa Công nghệ Vật liệu của Trường Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh đã thành công trong việc chế tạo than nano “lỏng” Trong đề tài này tác giả đang cố gắng ứng dụng kỹ thuật than nano “lỏng” vào việc chế tạo màng dẫn proton (PEM) cho pin DMFC Chúng tôi đã đạt được một số kết quả khả quan trong việc tạo ra màng PEM có ưu điểm hơn màng PEM Nafion thương mại do Dupont sản xuất như thế năng cao hơn, mật độ dòng cao hơn và đặc biệt là giá thành rẻ hơn từ 100 đến 1000 lần khi sử

Trang 8

dụng nguồn nguyên liệu nội địa Chúng tôi hi vọng rằng với kết quả nghiên cứu này sẽ mang lại triển vọng mới cho công nghệ pin nhiên liệu trên thế giới và ở Việt Nam

NHỮNG NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN:

Chương 1: Tổng quan về pin nhiên liệu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp Methanol (DMFC) Chương 3: Than Nano “lỏng”

Chương 4: Các phương pháp thực nghiệm

Chương 5: Kết quả và bàn luận

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

Trang 9

ABSTRACT

The requirement of energy has been increased more and more rapidly all over the world [9] However, natural fuel sources on the earth such as petrolium and coal have been gradually exhausted by various mankind activities Moreover, people have to face to the risk of environmental pollution originated

by the gasoline burning vice products such as the emission of COx,NOx toxic gases …[16] Nowadays, much more energy research centers in the world are making a lot of efforts in finding new energy sources replacing the fossil based energy and fuel cells become one of the most promissing topics as it can create the green environment and it may fill out the demands of the energy shortage However, eventhough the fuel cell technologies have been around in the world since the early 1940’s [10], the cost of the current fuel cell technologies still doesn’t reach the needs of the energy‘s global market yet In the present study,

we focussed on the subject : “Applications of Nano Materials in the fabrication

of Direct Methanol Fuel Cell ” as our thesis study ‘s goals, aiming at novel fuel

cell technology which should provide equivalent or better performance and much

lower cost compared to the current technology The concept of “nano “has been

known since 1959 [17] by Dr Richard Feymann Today, nanotechnology is dealing with scientific phenomena of substances, particles having the scale less than 100nm The worldwide current nanotechnology finds challenges in achieving materials, devices, tools needed to develop nano scale products It has been quite new in the world and in Viet Nam Last 2 years, July 2003, the Research Laboratories of Saigon Hi Tech Park in collaboration with the Department of Material Science of the University of Technologies in Ho Chi Minh City have successfully manufactured the so- called “liquid” nano cartbon

Trang 10

[21] Now, we are trying to use “liquid” nano cartbon technology in the fabrication of proton exchange membrane (PEM) for DMFC We had some succesfull results revealing the possibility of a novel PEM material compared to the commerciallized product Nafion of Dupont Company in terms of better performance (higher voltage, better current density, better reliability) and especially much cheapper than Nafion at least 100 to 1000 X as our PEM material is completely based on domestic materials found in natural resources of Viet Nam We expected that the study results can bring some insights into fuel cell technology for the world and for Viet Nam

MAIN CONTENTS OF THE THESIS:

Chapter 1: Overview of fuel cells technologies

Chapter 2: Basic theory of DMFC

Chapter 3: Liquid carbon nano

Chapter 4: Methods of Experimental

Chapter 5: Results and Discussion

Chapter 6: Conclusion and steps forward

Trang 11

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 5

LỜI NÓI ĐẦU 6

TÓM TẮT LUẬN VĂN 7

ABSTRACT 9

MỤC LỤC 11

QUI ƯỚC VÀ KÝ HIỆU 16

DANH MỤC CÁC BẢNG 17

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ 18

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 18

Phần mở đầu: ĐẶT VẤN ĐỀ 20

I ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .21

II PHƯƠNG HƯỚNG CỦA ĐỀ TÀI 23

III GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI .24

Phần I: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT 25

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU 26

I LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN PIN NHIÊN LIỆU 27

II KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG PIN NHIÊN LIỆU 28

2.1 Khái niệm 28

2.2 Nguyên lý hoạt động của Pin nhiên liệu .28

2.3 Nguyên lý cấu tạo của Pin nhiên liệu 30

III PIN NHIÊN LIỆU DMFC 33

3.1 Nguyên lý hoạt động .33

3.2 Cấu tạo của pin DMFC đơn 34

3.2.1 Điện cực 34

Trang 12

3.2.2 Màng dẫn Proton (PEM) .34

IV MỘT SỐ LOẠI PIN NHIÊN LIỆU KHÁC 35

4.1 Pin nhiên liệu AFC (Alkaline Fuel Cell) 36

4.2 Pin nhiên liệu MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) 37

4.3 Pin nhiên liệu PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) 38

4.4 Pin nhiên liệu PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 39

4.5 Pin nhiên liệu SOFC (Solid Oxyde Fuel Cell) .41

V ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA PIN NHIÊN LIỆU 42

5.1 Ưu điểm 42

5.2 Nhược điểm .43

VI KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA PIN NHIÊN LIỆU DMFC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 43

VII THỊ TRƯỜNG PIN NHIÊN LIỆU TRÊN THẾ GIỚI 45

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PIN NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG TRỰC TIẾP METHANOL (DMFC) 47

I TÍNH CHẤT PHẢN ỨNG ĐIỆN HOÁ VÀ HIỆN TƯỢNG THẨM THẤU METHANOL TRÊN PIN DMFC 48

1.1 Phản ứng điện hóa và tính chất điện hóa của phản ứng 48

a Phản ứng trên Anode 48

b Phản ứng trên Cathode .49

c Phản ứng chung trên Pin DMFC 49

1.2 Hiện tượng thẩm thấu Methanol qua màng dẫn Proton (Methanol crossover) và tác hại của nó .49

II NĂNG LƯỢNG TỰ DO GIBBS VÀ PHƯƠNG TRÌNH NERNST 50

2.1 Phản ứng tổng quát 50

2.2 Phản ứng trên Pin DMFC .51

Trang 13

2.3 Sự phụ thuộc của sức điện động E vào nhiệt độ 52

III QUÁ THẾ – SỰ PHÂN CỰC TRONG PIN DMFC .53

3.1 Sự phân cực hóa học 53

3.2 Sự phân cực nồng độ 54

3.3 Sự phân cực điện hóa 56

IV XÁC ĐỊNH HIỆU ĐIỆN THẾ CỦA PIN DMFC .56

4.1 Điện thế trên Anode 57

4.2 Điện thế trên Cathode .57

4.3 Hiệu điện thế của Pin .57

V HIỆU SUẤT CỦA PIN .57

Chương 3: THAN NANO “LỎNG” 59

I KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ NANO .60

II THAN NANO “LỎNG” .61

III QUI TRÌNH CHẾ TẠO THAN NANO “LỎNG” [21, C2] 63

IV PHÂN TÍCH TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA THAN NANO “LỎNG” 64

Phần II: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 66

Chương 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 67

I MÔ TẢ CẤU TẠO CỦA PIN DMFC 68

II THIẾT KẾ VỎ PIN 68

2.1 Vỏ phía Anode .68

2.2 Vỏ phía Cathode 69

III PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC 71

3.1 Cấu tạo của điện cực .71

3.2 Các phương pháp chế tạo điện cực 73

3.3 Chế tạo điện cực 74

Trang 14

IV PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG DẪN PROTON (PEM) TỪ THAN

NANO “LỎNG” .75

4.1 Thống kê các loại than có thể sử dụng 75

4.2 Thống kê và phân tích lựa chọn chất kết dính 76

4.3 Phân tích lựa chọn phương pháp chế tạo màng PEM .77

4.4 Chế tạo màng PEM .78

4.5 Ước lượng chiều dày của một lớp màng (khi dùng cọ quét một lớp) .79

V PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO BỘ MEAs 80

5.1 Khái niệm MEAs (Membrane Electrode Assembly) .80

5.2 Qui trình chế tạo MEAs 81

VI PHƯƠNG PHÁP ĐO .82

6.1 Sơ đồ nguyên lý mạch đo .82

6.2 Mạch đo 82

6.3 Phương pháp đo .83

Chương 5: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 85

I ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN CỰC ĐẾN CÔNG SUẤT PIN 86

1.1 Ảnh hưởng của điện trở GDL .86

1.2 Ảnh hưởng của độ dày điện cực (electrocatalyst) đến công suất pin 88

II NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG PEM TỪ THAN NANO”LỎNG” 92

2.1 Yêu cầu của màng PEM 92

2.2 Khả năng dẫn proton của than nano “lỏng” 94

2.3 Khảo sát hàm lượng than/polymer 95

2.4 Khảo sát bề dày của màng PEM 99

Trang 15

2.5 Khảo sát tính năng của màng PEM than nano “lỏng” trên điện cực

có GDL là giấy TCP 104

III SO SÁNH TÍNH NĂNG VÀ GIÁ TRỊ KINH TẾ GIỮA MÀNG THAN NANO “LỎNG” VÀ MÀNG NAFION 105

Chương 6: KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 109

I CÁC KẾT QUẢ THU ĐƯỢC 110

II HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .110

Phần III: PHỤ LỤC 111

Phụ lục 1: Kết quả mẫu pin 200410 -66 -1 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 117

Trang 16

QUI ƯỚC VÀ KÝ HIỆU QUI ƯỚC

[1,C4,T4] Tài liệu 1, chương 4, trang 4

(3.1) Phương trình số 1 trong chương 3

DMFC Pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp Methanol (Direct

Methanol Fuel cells)

GDL Lớp phân phối ( Gas Diffusion Layer)

TCP Giấy carbon của hãng Toray (Toray carbon paper) Electrocatalyst Chất xúc tác

PEM Màng dẫn Proton (Proton Exchange Membrane) MEA là một bộ bao gồm: Điện cực – màng dẫn proton đã

ghép lại với nhau (Membrane Electrode Assembly)

Trang 17

E Sức điện động của Pin ở điều kiện chuẩn (V)

ECell Sức điện động của Pin

Uideal Hiệu điện thế lý tưởng của Pin (V)

UCell Hiệu điện thế của Pin đơn (V)

UA Điện thế trên Anode (V)

UC Điện thế trên Cathode (V)

i Mật độ dòng điện (A/cm2)

α Hệ số vận chuyển electron

D Hệ số khuếch tán (cm2/s)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 0.1 Năng lượng tiêu thụ và lượng khí thải CO2 trên toàn thế giới 1990–2025 22 Bảng 4.1: Bảng thống kê than Nano “lỏng” hiện có 76 Bảng 4.2 Thống kê khả năng tạo màng của các loại polymer có trong phòng thí

nghiệm trên đế silicone/DCM 77 Bảng 4.3 Bảng số liệu tính toán chiều dày màng PEM than nano “lỏng” .80

Trang 18

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ

Sơ đồ 3.1 Qui trình chế tạo than Nano “Lỏng” 63

Sơ đồ 4.1 Qui trình chế tạo GDL từ giấy lọc 73

Sơ đồ 4.2 Qui trình chế tạo điện cực 75

Sơ đồ 4.3 Qui trình chế tạo màng PEM than nano “lỏng” 79

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: (a) Điện phân nước thành H2 và O2 bằng cách cho một dòng điện đi qua (b) Thay nguồn điện ở hình (a) bằng một Ampe kế ta sẽ thấy xuất hiện một dòng điện khi tái hợp H2 và O2 .27

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của Pin nhiên liệu 28

Hình 1.3 Nguyên lý cấu tạo của Pin nhiên liệu .30

Hình 1.4a Cơ chế liên kết pin sử dụng tấm lưỡng cực .31

Hình 1.4b Cơ chế liên kết pin sử dụng tấm đơn cực .32

Hình 1.5 Pin nhiên liệu 32

Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động của Pin nhiên liệu DMFC 33

Hình 1.7 Cấu tạo của Pin DMFC đơn 34

Hình 1.8 Công thức hóa học của Nafion 35

Hình 1.9 Công thức hóa học của than nano “lỏng” 35

Hình 1.10 Nguyên lý hoạt động của Pin AFC 37

Hình 1.11 Nguyên lý hoạt động của Pin MCFC 38

Hình 1.12 Nguyên lý hoạt động của Pin PAFC 39

Hình 1.13 Nguyên lý hoạt động của Pin PEMFC 40

Hình 1.14 Nguyên lý hoạt động của Pin SOFC 42

Hình 1.15 Xe máy Scooters sử dụng pin DMFC .44

Hình 1.16 Điện thoại cầm tay sử dụng pin DMFC .44

Trang 19

Hình 1.17 Máy tính Laptop sử dụng pin DMFC 45

Hình 1.18 Thị trường pin nhiên liệu trên thế giới 46

Hình 2.1: Các quá trình diễn ra trên pin DMFC .50

Hình 2.2 Đường đặc tính của Pin nhiên liệu 56

Hình 3.1 Ống than nano 60

Hình 3.2 Aûnh AFM than Nano “lỏng” trong H2O 61

Hình 3.3 Than Nano “lỏng” trong H2O 62

Hình 3.4 Aûnh AFM của than Nano “lỏng” 62

Hình 3.1 Phổ IR của mẫu than sau Diazo hóa 64

Hình 4.1 Cấu trúc pin DMFC thí nghiệm 68

Hình 4.2 Vỏ phía Anode 69

Hình 4.3 Vỏ phía Cathode 70

Hình 4.4 Cấu tạo điện cực 71

Hình 4.5 Cơ chế truyền dẫn điện tử trong pin 71

Hình 4.6 Minh họa GDL chế tạo tại trung tâm R&D 72

Hình 4.7 Cấu trúc MEAs 81

Hình 4.8 Sơ đồ ép nhiệt tạo MEAs 81

Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý mạch đo pin DMFC 82

Hình 4.10 Mạch đo Pin DMFC 83

Hình 4.11 Đường đặc tuyến Điện thế – Cường độ dòng điện 84

Hình 4.12 Đường cong công suất của Pin 84

Trang 20

Phần mở đầu

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trang 21

I ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Năng lượng đang là vấn đề thời sự trên toàn cầu Vì vậy, các quốc gia đang hướng tới một liên minh toàn cầu nhằm giải quyết vấn đề an ninh năng lượng đi đôi với phát triển bền vững

Hiện nay, các nước đang phát triển với khoảng ¾ dân số thế giới tiêu thụ khoảng 25% tổng năng lượng toàn cầu [9] Bắc Mỹ tiêu thụ cao nhất, khoảng 7.8 tấn dầu quy đổi (TOE/người/năm) [9] Thấp nhất là vùng Nam Á và Châu Phi, khoảng 0.5TOE (năm 1995) [9] Trong đó, năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch chiếm đến 78%, năng lượng nguyên tử chiếm 6.25%, thủy điện chiếm 6.11%, các nguồn năng lượng khác (mặt trời, gió, địa nhiệt, thủy triều…) chiếm khoảng trên 1% [9] Theo dự báo của cơ quan năng lượng quốc tế (IEA), nhiên liệu hoá thạch vẫn đóng vai trò chủ yếu chiếm khoảng 70% vào giữa thế kỷ này, trong khi đó năng lượng nguyên tử tăng lên, chiếm từ 10-15%, năng lượng tái tạo chiếm 15-20% [9]

Bảng 0.1 dưới đây đưa ra số liệu cụ thể về mức độ sử dụng năng lượng và lượng khí CO2 thải ra trên thế giới trong những năm gần đây:

Trang 22

Bảng 0.1 Năng lượng tiêu thụ và lượng khí thải CO 2 trên toàn thế giới

1990–2025 [16]

Năng lượng tiêu tụ (10 15 btu)

Lượng CO 2 thải ra (10 6 tấn) Khu vực 1990 2001 2010 2025 1990 2001 2010 2025

Trang 23

DC, Feb 2003) 2010, and 2025: EIA, System for the Analysis of Global Energy Markets (2004) Web: www.eia.doe.gov/iea/

Do nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày càng lớn, trong khi nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt dần và gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường từ lượng khí CO2 thải ra trong quá trình sử dụng, nên các quốc gia trên thế giới đang phải cùng nhau đương đầu giải quyết nhu cầu năng lượng để phát triển kinh tế song song với việc bảo vệ môi trường

Một vấn đề bức thiết được đặt ra đối với ngành năng lượng là phải tìm và phát triển những nguồn năng lượng có khả năng phục vụ sản xuất mà không hoặc ít gây ô nhiễm môi trường Năng lượng Hydro là một nguồn năng lượng có khả năng đáp ứng được yêu cầu này mà Pin nhiên liệu là một dạng của nó

Với mong mỏi đóng góp một phần vào xu hướng phát triển chung của ngành

năng lượng Việt Nam và thế giới, tác giả đã quyết định chọn đề tài “Ứng dụng công nghệ vật liệu Nano vào pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp Methanol (DMFC)” làm đề tài tốt nghiệp kỳ này

II PHƯƠNG HƯỚNG CỦA ĐỀ TÀI

Hiện nay, Trung Tâm R&D – Khu công nghệ cao TPHCM, đã nghiên cứu thành công than Nano “lỏng” từ những nguồn nguyên liệu trong nước như xơ dừa, trấu, đất đèn,… Loại than này có tính phân cực và qua phân tích phổ hồng ngoại của nó cho thấy trong than chứa một hàm lượng lớn gốc SO3H, một loại gốc hóa học có khả năng truyền dẫn Ion H+ trong pin nhiên liệu PEMFC và DMFC

Trang 24

Từ những lý do trên, ý tưởng sử dụng than Nano “lỏng” vào trong pin nhiên liệu DMFC, PEMFC, làm tăng hiệu năng và giảm giá thành của pin đã được hình thành

III GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Mặc dầu kết quả nghiên cứu của trong luận văn này cho thấy tính năng của pin nhiên liệu Việt Nam đã vượt sản phẩm thương mại của Mỹ, Nhật về tính năng (performance) và về giá thành (cost) nhưng tác giả vẫn chưa đi đến được việc thực hiện các sản phẩm thương mại cụ thể ví dụ như pin dùng cho thương phẩm điện tử cầm tay như điện thoại di động, máy chụp hình, máy quay phim kỹ thuật số, máy tính xách tay do sự khó khăn trong vấn đề thu thập vật liệu chế tạo và nghiên cứu pin như vật liệu thẩm thấu (GDL Gas Diffusion Layer), Vật liệu xúc tác (electro catalyst) , vật liệu dẫn ion ,

…và sự hạn chế của thời gian nghiên cứu nên Tác giả sẽ cố gắng triển khai hướng nghiên cứu để đạt được thương phẩm trong thời gian gần nhất sắp tới

Trang 25

Phần I

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT

Trang 26

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU

Trang 27

Nguyên lý cơ bản của Pin nhiên liệu

đã được biết đến từ năm 1839 bởi một

luật gia người Anh, tên là William

Grove Ban đầu ông dùng điện để

điện phân nước thành Hydro và Oxy,

từ đây ông cho rằng để tách nước

thanh Hydro và Oxy cần phải dùng

một dòng điện thì ngược lại để sản xuất điện chúng ta có thể cho Hydro phản ứng với Oxy Và đây cũng chính là nguyên lý hoạt động của Pin nhiên liệu Thí nghiệm của ông được tiến hành như hình vẽ 1.1:

Hình 1.1: (a) Điện phân nước thành H 2 và O 2 bằng cách cho một dòng điện đi qua (b) Thay nguồn điện ở hình (a) bằng một Ampe kế ta sẽ thấy xuất hiện một dòng điện khi tái hợp H 2 và O 2

Pin nhiên liệu đầu tiên là loại AKFC (Alkaline Fuel Cell) ra đời từ những thập niên 1950s, và đã được Trung tâm Không gian Hoa Kỳ NASA sử dụng trong các phi thuyền không gian Gemini, Apollo Từ những thành công trong việc ứng dụng Pin nhiên liệu trong các công trình không gian người ta đã tiếp tục triển khai ứng dụng Pin nhiên liệu vào các phương tiện

Trang 28

giao thông, máy vi tính, điện thoại cầm tay, thiết bị điện dùng trong nhà,

văn phòng, … đến những nhà máy phát điện công suất lớn

II KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG PIN NHIÊN LIỆU

2.1 Khái niệm

Pin nhiên liệu là công nghệ sử dụng hiện tượng điện hóa của khí Hydro

cho ra điện năng Trong Pin nhiên liệu hóa năng sẽ chuyển trực tiếp

thành điện năng mà không cần qua quá trình cháy

2.2 Nguyên lý hoạt động của Pin nhiên liệu

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của Pin nhiên liệu

Xả Oxi thừa và sản phẩm khí ra

Xả nhiên liệu thừa

Và sản phẩm khí ra

H2

H2O Nạp nhiện liệu

Màng dẫn Ion

Ion dương Ion âm hoặc

Tải 2e-

Nạp Oxi

1/2O 2

H2O

Trang 29

Khí Hydro được dẫn qua Anode (cực âm) chứa chất xúc tác (có thể là Platinum, Nickel…), và được Oxy hoá thành Proton H+ và cho ra điện tử

Proton H+ tiếp tục đi qua chất điện giải về Cathode (cực dương), còn điện tử do không thể đi qua chất điện giải được nên sẽ đi theo mạch ngoài để cung cấp điện năng và đến Cathode Tại Cathode, điện tử kết hợp với Proton H+ và oxy để tạo ra nước

Hoặc:

Ion âm (Anion) OH-, CO32-, O22-… sẽ đi qua chất điện giải về Anode Tại Anode các Ion âm sẽ kết hợp với Hydro tạo ra điện tử, nước và khí Điện tử sẽ theo mạch ngoài (tạo ra dòng điện năng) đi từ Anode đến Cathode Tại Cathode Oxy sẽ kết hợp với điện tử để tạo ra các Ion âm Có rất nhiều loại pin nhiên liệu, mỗi loại hoạt động khác nhau Nhưng chung qui lại các phản ứng xảy ra trên anode và cathode vẫn là:

đi qua chất điện giải, chúng có thể sẽ bẻ gãy các phản ứng hoá học hoặc làm giảm hiệu suất của Pin

Trang 30

2.3 Nguyên lý cấu tạo của Pin nhiên liệu

Từ nguyên lý hoạt động của Pin nhiên liệu ta thấy: Cấu trúc cơ bản của Pin nhiên liệu bao gồm một môi chất điện giải (Electrolyte), chất xúc tác (Electrocatalyst) kẹp giữa 2 điện điện cực âm (Anode) và điện cực dương (Cathode) Nguyên lý cấu tạo cơ bản của Pin nhiên liệu được thể hiện trên hình 1.3 như sau:

Hình 1.3 Nguyên lý cấu tạo của Pin nhiên liệu

Tuy nhiên, trên thực tế cấu trúc của Pin nhiên liệu được tối ưu hoá bởi những thành phần khác như bộ phận lọc khí Hydro (fuel reformer), cơ chế liên kết nhiều màng dẫn Proton (Fuel cell stack) nhằm gia tăng cường độ điện năng ở đầu ra, và bộ biến thế (Power conditioner) để chuyển điện 1 chiều thành điện xoay chiều…

LỚP DẪN ĐIỆN (GDL)

LỚP XÚC TÁC(Electrocatalyst)LỚP DẪN ION (PEM)ANODE (-)

CATHODE (+)

Trang 31

Do điện năng của một Pin nhiên liệu đơn sinh ra là rất nhỏ (khoảng 0.7V) nên trong thực tế Pin nhiên liệu thường được ghép lại thành khối theo cơ chế liên kết nhiều màng dẫn Proton (Fuel Cells Stack), cathode của pin này sẽ được nối với anode của pin kia Hiện nay có 2 phương pháp liên kết các pin đơn lại thành khối là: Sử ø dụng tấm lưỡng cực (Bipolar) và sử dụng tấm đơn cực (Monopolar) Trong đó chỉ sử dụng monopolar khi diện tích của điện cực là nhỏ và điện cực sử dụng vật liệu dẫn điện tốt do khi dùng phương pháp này thì các cạnh cathode của pin này được nối với cạnh anode của pin kia bằng dây dẫn, do đó diện tích tiếp xúc nhỏ và sẽ tổn thất nhiều khi diện tích điện cực lớn Hai cơ chế này được mô tả như ở hình vẽ sau:

Hình 1.4a Cơ chế liên kết pin sử dụng tấm lưỡng cực

+

Trang 32

-LUẬN VĂN THẠC SĨ Trang 32

OXI

NHIÊN LIỆU VÀO VÀO VÀOLIỆU

NHIÊN

VÀO

OXI

VÀO LIỆU

NHIÊN

VÀO

OXI

VÀO LIỆU

NHIÊN

VÀO OXI

Hình 1.4b Cơ chế liên kết pin sử dụng tấm đơn cực

Hình 1.5 Pin nhiên liệu

Trang 33

III PIN NHIÊN LIỆU DMFC

3.1 Nguyên lý hoạt động

Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động của Pin nhiên liệu DMFC

- Hiệu suất làm việc khoảng 20 - 40% [7]

- Vận hành tối ưu ở nhiệt độ khoảng 50 – 120oC [7]

- Sản phẩm nước ở thể hơi hoặc lỏng

- Phản ứng trên anode:

CO2

Trang 34

3.2 Cấu tạo của pin DMFC đơn

Hình 1.7 Cấu tạo của Pin DMFC đơn

3.2.1 Điện cực

Điện cực sử dụng trong pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp Methanol thường dùng than với chất xúc tác Pt/Ru trên Anode và Pt trên Cathode (xem giải thích cơ chế ở mục I, chương 2)

3.2.2 Màng dẫn Proton (PEM)

a Màng chuyển hóa proton đã được thương mại hóa

Hiện nay trên thị trường người ta thường hay sử dụng Polymer Nafion của hãng Dupont để chế tạo màng dẫn Proton, và nó có công thức như sau:

anode

PEM cathode

Trang 35

Hình 1.8 Công thức hóa học của Nafion

b Màng dẫn Proton sẽ nghiên cứu trong đề tài

Trong đề tài này tác giả sẽ nghiên cứu ứng dụng than Nano “Lỏng”

để chế tạo màng dẫn Proton

Hình 1.9 Công thức hóa học của than nano “lỏng”

IV MỘT SỐ LOẠI PIN NHIÊN LIỆU KHÁC

Ứng với những chất điện giải khác nhau người ta phân ra nhiều loại pin nhiên

liệu khác nhau chủ yếu dựa vào tính năng của chất điện giải, nhiệt độ vận

hành (Operating temperature), độ bền cơ hoá,…

SO3H

N N SO3H OH

OH

N N COOH

THAN BỒ HÓNG

THAN NANO “LỎNG”

Trang 36

4.1 Pin nhiên liệu AFC (Alkaline Fuel Cell)

- Chất điện giải được sử dụng là dung dịch kali hydrôxit ( KOH)

- Chất xúc tác là Platinum [7]

- Nhiên liệu sử dụng là Hydro tinh khiết

- Cần phải có thêm bộ lọc Hydro (Reformer)

- Hiệu suất khoảng 70% [4,C1,T23]

- Nhiệt độ vận hành:

• Vận hành ở nhiệt độ 80 - 120oC khi nồng độ dung dịch KOH trong khoảng (35-50%) [10]

• Nhiệt độ vận hành có thể đến 250oC khi nồng độ dung dịch KOH 85% [10]

- Sản phẩm nước ở thể hơi

- Dải công suất từ 1KW đến 10kW [4,C1,T23]

Trang 37

Hình 1.10 Nguyên lý hoạt động của Pin AFC

Pin nhiên liệu Alkali được sử dụng trong các phương tiện vận tải như các tàu không gian Chúng yêu cầu nhiên liệu hyđro tinh khiết Tuy nhiên các thanh điện cực bằng bạch kim rất đắt tiền

4.2 Pin nhiên liệu MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)

- Chất điện giải được sử dụng là các hợp chất của muối carbonate nhiệt độ cao (như natri hay magiê)

- Chất xúc tác là Nickel [7]

- Nhiên liệu được sử dụng là Hydro, khí tự nhiên, dầu mỏ, Propane, dầu diesel…

- Hiệu suất làm việc khoảng 60 đến 80% [7]

- Vận hành ở nhiệt độ khoảng 600-700oC [7]

- Sản phẩm nước ở thể khí

- Dải công suất từ 1MW đến 10 MW [4, C1, T23]

CO32- + H2 H2O + CO2 + 2e

Trang 38

-LUẬN VĂN THẠC SĨ Trang 38

- Phản ứng trên cathode:

CO2 + 1/2O2 + 2e- CO3

2 Phản ứng tổng:

H2 + 1/2O2 + CO2(Cathode) H2O + CO2(Anode)

Hình 1.11 Nguyên lý hoạt động của Pin MCFC

Nhiệt độ cao giới hạn tổn thất từ carbon monoxit ( CO ) của pin nhiệt thải có thể tái sử dụng để sinh thêm điện Cặp điện cực và chất xúc tác bằng nickel không đắt so với bạch kim của các loại pin khác Nhưng nhiệt độ cao cũng hạn chế vật liệu sử dụng và mức độ an toàn của MCFC, nhiệt độ của nó quá cao cho các thiết bị gia dụng, ngoài ra các ion carbonate từ chất điện phân trong quá trình phản ứng hoàn toàn có thể tạo thành CO2

4.3 Pin nhiên liệu PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)

- Chất điện giải được sử dụng là axit phosphoric H3PO4, nồng độ có khi đến 100% [7]

Trang 39

- Nhiên liệu được sử dụng là Hydro, xăng, khí tự nhiên…

- Hiệu suất làm việc khoảng 40% và nếu sử dụng hệ thống Cogeneration thì có thệ đạt đến 80% [7]

- Vận hành ở nhiệt độ khoảng 150 đến 220oC [7]

- Sản phẩm nước ở thể hơi

- Dải công suất từ 10KW đến 1MW [4, C1, T23]

Hình 1.12 Nguyên lý hoạt động của Pin PAFC

4.4 Pin nhiên liệu PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

- Chất điện giải được sử dụng là một màng mỏng bằng polyme

Trang 40

- Nhiên liệu được sử dụng là Hydro tinh khiết

- Hiệu suất làm việc khoảng 40 đến 50% [7]

- Vận hành ở nhiệt độ khoảng 40-80oC, vật liệu mới có thể lên đến

160oC [7]

- Sản phẩm nước ở thể hơi hoặc lỏng

- Dải công suất từ 1W đến 1MW [4, C1, T23]

Tiêu đề	Ứng Dụng Công Nghệ Vật Liệu Nano Vào Pin Nhiên Liệu Sử Dụng Trực Tiếp Methanol (Dmfc)
Tác giả	Nguyễn Văn Hường
Người hướng dẫn	TSKH. Nguyễn Chánh Khê, TS. Nguyễn Thế Bảo
Trường học	Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Nhiệt
Thể loại	Luận Văn Thạc Sĩ
Năm xuất bản	2005
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	119
Dung lượng	1,66 MB