Báo cáo môn học giới thiệu ngành hóa học pin nhiên liệu

Hiện nay, sự nóng lên toàn cầu hoá, băng tan ở hai cực và ô nhiễm môi trường đang là hồi chuông cảnh báo của thiên nhiên đối với con người. Như chúng ta đã biết, môi trường ngày nay đang ở mức ô nhiễm đáng báo động, một thế giới hướng đến công nghiệp hoá, hiện đại hoá đòi hỏi sử dụng một nguồn năng lượng rất lớn, đó cũng chính là lý do mà chúng ta cần tìm ra các dạng năng lượng sạch để bảo vệ ngôi nhà chung này. Nếu như chúng ta đã quá quen thuộc với các dạng năng lượng như: năng lượng gió, năng lượng mặt trời, nặng lượng hạt nhân... Thì pin nhiên liệu-chính là một trong những nguồn năng lượng sạch, sẽ được sử dụng rộng rãi trong lai. Cùng với sự tìm tòi các tư liệu, thông tin về pin nhiên liệu trong suốt 10 tuần vừa qua, nhóm 11 của môn giới thiệu ngành Hoá học đã có những kiến thức về pin nhiên liệu. Bài luận lần này sẽ cung cấp những kiến thức về khái niệm, nguyên lí, cấu tạo, phân loại, ứng dụng của pin nhiên liệu. Nhằm để mọi người có cái nhìn tổng quát, rõ nét hơn về những ưu điểm từ nguồn năng lượng pin nhiên liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA HÓA HỌC



Báo cáo môn học GIỚI THIỆU NGÀNH HÓA HỌC

PIN NHIÊN LIỆU

Mentor: Huỳnh Thị Kim Tuyên Assistant: Phạm Trúc Vy

Thực hiện: Nhóm 11

Nguyễn Bảo Phúc (Leader) Ngô Triệu Ngọc Mai Cao Thanh

Đỗ Thị Vân Anh

Lê Minh Bảo Ngô Thị Hồng Yến Nguyễn Đình Sơn Nguyễn Thị Kim Châu Nguyễn Trung Dũng Trần Thị Thúy Diễm

Năm học 2019-2020

MỤC LỤC

Trang

Lời nói đầu 2

1 Khái niệm và lịch sử hình thành 2

2 Cấu tạo 4

3 Phân loại 6

3.1 Pin nhiên liệu kiềm (AFC) 7

3.2 Pin nhiên liệu nóng chảy (MCFC) 8

3.3 Pin nhiên liệu axit photphoric (PAFC) 8

3.4 Pin nhiên liệu ôxít rắn (SOFC) 9

3.5 Pin nhiên liệu trao đổi proton qua màng lọc (PEMFC) 10

3.6 Pin nhiên liệu methanol (DMFC) 11

4 Nguyên lý hoạt động 12

5 Ứng dụng 13

5.1 Cố định 14

5.2 Di động 14

5.3 Vận chuyển 15

6 Kết luận 19 Tài liệu tham khảo

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, sự nóng lên toàn cầu hoá, băng tan ở hai cực và ô nhiễm môi trường đang là hồi chuông cảnh báo của thiên nhiên đối với con người Như chúng ta đã biết, môi trường ngày nay đang ở mức ô nhiễm đáng báo động, một thế giới hướng đến công nghiệp hoá, hiện đại hoá đòi hỏi sử dụng một nguồn năng lượng rất lớn, đó cũng chính là lý do mà chúng ta cần tìm ra các dạng năng lượng sạch để bảo vệ ngôi nhà chung này

Nếu như chúng ta đã quá quen thuộc với các dạng năng lượng như: năng lượng gió, năng lượng mặt trời, nặng lượng hạt nhân Thì pin nhiên liệu-chính là một trong những nguồn năng lượng sạch, sẽ được sử dụng rộng rãi trong lai

Cùng với sự tìm tòi các tư liệu, thông tin về pin nhiên liệu trong suốt 10 tuần vừa qua, nhóm 11 của môn giới thiệu ngành Hoá học đã có những kiến thức về pin nhiên liệu Bài luận lần này sẽ cung cấp những kiến thức về khái niệm, nguyên lí, cấu tạo, phân loại, ứng dụng của pin nhiên liệu Nhằm để mọi người có cái nhìn tổng quát, rõ nét hơn về những

ưu điểm từ nguồn năng lượng pin nhiên liệu

I Giới thiệu về pin nhiên liệu

1 Khái niệm về pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu ( -fuel cells- ) là một thiết bị điện hóa cho phép chuyển hóa trực tiếp năng lượng của một phản ứng hóa học thành năng lượng điện Có rất nhiều loại pin nhiên liệu, mỗi loại có đặc điểm và hoạt động riêng Nhiên liệu cho pin cho có thể là hydro hay các hydrocarbon, chẳng hạn như khí thiện nhiên, methanol hoặc xăng Pin nhiên liệu chỉ hoạt động khi được cung cấp đầy đủ nhiện liệu và sinh ra dòng điện trực tiếp

Pin nhiên liệu có nhiều ưu điểm trong thiết kế và triển khai, xây dựng Bên cạnh đó nếu so sánh một số năng lượng khác thì hiệu suất của pin nhiên liệu là cao hơn hẳn Ví dụ đối với các hệ thống phát điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch thì hiệu suất đạt khoảng 35%, trong khi đó các hệ thống phát điện sử dụng công nghệ pin nhiên liệu có thể đạt hiệu suất cao hơn, khoảng 47%, hoặc cao hơn nữa trong trường hợp kết hợp pin nhiên liệu với một tuabin hoạt động nhờ vào sản phẩm phụ của pin nhiên liệu là nhiệt và hơi nước

Khí thải từ pin nhiên liệu thấp hơn so với đốt cháy Với tỷ lệ phát thải các chất gây ô nhiễm môi trường như nitrogen oxit (NOx), sunfua oxit (SOx), và đặc biệt là carbona dioxit (CO2) khá thấp, pin nhiên liệu thu hút sự quan tâm của nhà hoạch định phát triển năng lượng của nhiều quốc gia trên thế giới Đây là điểm tuyệt đối của pin nhiên liệu so với hệ thống phát điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch

Hinh I.1 Pin nhiên liệu

2 Lịch sử hình thành pin nhiên liệu

Năm 1839, nhà khoa học người xứ Wales Sir, William Robert Grove đã chế tạo ra

mô hình thực nghiệm đầu tiên của pin nhiên liệu, bao gồm hai điện cực platin được bao trùm bởi hai ống hình trụ bằng thủy tinh, một ống chứa hiđrô và ống kia chứa ôxy Hai

điện cực được nhúng trong acid sulfuric loãng là chất điện phân tạo thành dòng điện một chiều Vì việc chế tạo các hệ thống pin nhiên liệu quá phức tạp và giá thành đắt, công nghệ này dừng lại ở đấy cho đến thập niên 1950

Hình I.2.a Cha đẻ của pin nhiên liệu William Robert Grove

Thời gian này ngành du hành vũ trụ và kỹ thuật quân sự cần dùng một nguồn năng lượng nhỏ gọn và hiệu suất cao Các tàu du hành vũ trụ và tàu ngầm cần dùng năng lượng điện không thông qua động cơ đốt trong NASA đã quyết định dùng cách sản xuất điện trực tiếp bằng phương pháp hóa học thông qua pin nhiên liệu trong các chương trình du hành vũ trụ Gemini và Apollo Các pin nhiên liệu sử dụng trong chương trình Gemini được NASA phát triển vào năm 1965 Với công suất khoảng 1 kW pin nhiên liệu này đã cung cấp đồng thời điện và nước uống cho các phi hành gia vũ trụ Các pin nhiên liệu của chương trình Gemini chỉ dài 60 cm và có đường kính là 20 cm

Công việc nghiên cứu về công nghệ pin nhiên liệu không phải bị ngưng đến thập niên 50 của thế kỷ 20 mà nó vẫn được tiếp tục phát triển để hoàn thiện

Nhờ chế tạo được các màng (membrane) có hiệu quả cao và các vật liệu điện cực có khả năng chống ăn mòn hóa học tốt hơn và cũng nhờ vào công cuộc tìm kiếm một nguồn năng lượng thân thiện môi trường cho tương lai pin nhiên liệu được phát triển mạnh vào đầu thập niên 1990 Thông qua đó việc sử dụng pin nhiên liệu dành cho các mục đích dân

sự đã trở thành hiện thực Ngày nay khả năng sử dụng trải dài từ vận hành ô tô qua các nhà máy phát điện có công suất hằng 100 kW cho đến những ứng dụng bé nhỏ như trong điện thoại di động hoặc máy vi tính xách tay

II.Cấu tạo pin nhiên liệu

Hình II.a Cấu tạo pin nhiên liệu cơ bản

Pin nhiên liệu có cấu tạo đơn giản bao gồm ba thành phần cơ bản: Màng điện giải, điện cực và tấm lưỡng cực

– Điện cực: Hiện nay, điện cực thường chế tạo từ giấy carbon có phủ chất xúc tác Yêu

cầu đối với điện cực là loại bỏ các phản ứng phụ, cũng như dẫn điện và proton tốt Chất xúc tác phủ trên hai điện cực có thể giống nhau nhưng tác dụng thì khác nhau:

+ Điện cực anode: là nơi xảy ra quá trình oxi hóa hydro thành ion hydro và electron, khuếch tán nhiên liệu đến bề mặt điện cực Anode được chọn cần thỏa mãn những tiêu chí sau: có khả năng dẫn điện cao, bền, dễ chế tạo và giá thành rẻ… Trong thực tế, kim loại được sử dụng nhiều nhất để làm chất hoạt động anode Điện cực anode thường là các kim loại quý như: Au, Pt, ngoài ra còn các kim loại với giá thành thấp hơn như: Ni, Ru,

Pd

+Điện cực cathode sẽ diễn ra quá trình khử oxy Cathode là nơi ion hydro và oxy kết hợp với nhau để tạo thành nước Cathode được chọn cần thỏa mãn những tiêu chí: tính bền cao khi tiếp xúc với chất điện li, là vật liệu dẫn điện

Anode và cathode được chế tạo chung với màng nafion để tạo thành tổ hợp màng điện cực (Membrane electrode assembly-MEA)

Tổ hợp màng điện cực (MEA): thành phần cốt lõi của một pin nhiên liệu giúp tạo ra phản ứng điện hóa cần thiết Các chất xúc tác cho phép phản ứng diễn ra và màng Nafion cho phép proton đi qua mà vẫn giữ được các khí riêng biệt Bằng cách này điện thế pin nhiên liệu được duy trì và electron đi ra mạch ngoài để sản suất điện Một màng MEA điển hình bao gồm một điện giải, hai lớp chất xúc tác và hai lớp phân phối khí (GPL) Một MEA với cấu tạo như vậy được gọi là MEA 5 lớp Một cấu tạo khác của MEA là MEA 3 lớp bao gòm một màng điện giải và lớp xúc tác được sử dụng cho cả hai mặt anode và cathode MEA 7 lớp tương ứng với một MEA 5 lớp có miếng đệm phẳng (sợ thủy tinh gia cố silicon) xung quanh hai điện cực

Hình II.b Cấu tạo MEA

Các loại MEA được thực hiện ở Hoa Kỳ bởi Gottesfeld và Zawodzinski (năm 1997) tại phòng thí nghiệm quốc tế Los Alamos và Srinivasan (năm 1991) ở Trung tâm Điện hóa

và Ứng dụng Hydro đại học Texas A&M Cuối thập niên 1990, công ty của Mỹ E-tek đã bắt đầu sản xuất thương mại một số phiên bản hoàn chỉnh của MEA được các công ty khác sử dụng chế tạo các loại pin nhiên liệu khác nhau

Tấm lưỡng cực: Trong PEMFC, một pin đơn chỉ cung cấp hiệu điện thế khoảng 0,7 V –

0,82 V điều này gây khó khăn cho việc ứng dụng thực tế Người ta đã nghĩ đến cách ghép các pin đơn lại để tăng hiệu điện thế cho pin tổng (Stack) Các tấm lưỡng cực có tác dụng nối các pin đơn và phân phối khí nhiên liệu đều khắp hệ thống pin Chức năng của tấm lưỡng cực là vận chuyển chất phản ứng, là đường di chuyển của electron giữa các pin đơn, mang nước ra khỏi pin nhiên liệu và còn có tác dụng làm mát Yêu cầu đối với tấm lưỡng cực là dẫn điện dẫn nhiệt trơ về mặt hóa học Ngoài ra tấm lưỡng cực còn hoạt động ổn định ở nhiệt độ cao và khoảng pH thiết kế, cuối cùng là vật liệu làm tấm lưỡng cực phải có giá cả hợp lý giúp tiết kiệm chi phí Các vật liệu phổ biến được sử dụng trong

Xi gắn vật liệu Lớp khuếch

tán khí Chất xúc tác (A)

Màng (B)

Lớp khuếch tán khí

Xi gắn vật liệu

tấm lưỡng cực là than chì, kim loại chẳng hạn như thép không gỉ, nhôm hoặc vật liệu composite Tấm lưỡng cực bằng graphite đáp ứng hầu các yêu cầu để hiệu suất pin nhiên liệu đạt tối ưu, tuy nhiên nhược điểm của than chì là quá trình gia công tốn nhiều chi phí Tấm lưỡng cực bằng kim loại có giá thành rẻ dễ sản xuất nhưng có điện trở cao do lớp oxide tạo thành giữa các tấm bằng km loại và lớp khuếch tán, tấm lưỡng cực bằng kim loại cũng dễ bị ăn mòn trong môi trường có tính ăn mòn, dẫn đến tuổi thọ ngắn Cuối cùng các tấm lưỡng cực là hỗn hợp của kim loại với than chì có ưu điểm hiệu suất cao và chi phí sản xuất thấp

Màng điện giải: Một trong các thành phần quan trọng của pin nhiên liệu là chất điện giải,

cấu tạo màng điện giải của PEMFC là một màng polyme phân các anode và cathode Các đặc tính mong muốn của màng điện giải là không cho electron di chuyển qua nhưng phải dẫn proton tốt, bền với hóa chất và hoạt động ổn định, cuối cùng là chi phí sản suất thấp Một loại màng đáp ứng được hầu hết yêu cầu này là Nafion, đây là lý do màng Nafion thông dung nhất PEMFC Nafion được sử dụng làm màng điện giải đảm bảo nhận chức năng trao đổi proton Nafion là sự kết hợp giữa sườn comonomer ether perfourinat (TFE) không phân cực và nhóm tận cùng liên kết và nhóm acid sulfonic có cực, các acid phân tử được cố định với polymer và không thể di chuyển, nhưng các proton của nhóm acid được

tự do di chuyển qua màng Nafion sẽ ngăn cách hai bề mặt phản ứng, khí hydro bi oxy hóa tạo thành proton H+ và electron Các electron sẽ chuyển hướng đến anode của màng nơi phản ứng với proton và oxy để tạo thành nước

Hình II.c: Cấu trúc màng Nafion

III Phân loại

Chất điện giải chủ yếu được dùng trong pin nhiên liệu thường là chất lỏng (acid, kiềm, muối, muối nóng chảy…) tuy nhiên, hiện nay chất điện giải rắn đang ngày càng được phát triển mạng (polymer hữu cơ dẫn ion, hợp chất oxit…) Việc sử dụng chất điện giải rắn trong pin nhiên liệu có thể hạn chế được nguy cơ rò rỉ dung dịch điện giải, hạn chế quá trình ăn mòn vỏ pin Ngoài ra, chất này còn đóng vai trò là màng ngăn, ngăn cản sự tiếp xúc điện giữa hai điện cực Theo cách phân loại trên, pin nhiên liệu có thể tạm chi thành 6 loại chính:

- Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC: Polymer electrolyte membrane fuel cell)

- Pin nhiên liệu methanol trực tiếp (DMFC: Direct methanol fuel cell)

- Pin nhiên liệu kiềm (AFC: Alkeline fuel cell)

- Pin nhiên liệu dùng muối carbonat nóng chảy (MCFC: Molten carbonate fuel cell)

- Pin nhiên liệu dùng acid phostphoric (PAFC: Phosphoric acid fuel cell)

- Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC: Solide oxide fuel cell)

1.Pin nhiên liệu kiềm (AFC)

AFC là pin nhiên liệu được chế tạo, nghiên cứu phát triển sớm nhất và đã từng được NASA sử dụng trong các chương trình không gian như đội tàu con thoi và các du thuyền Apolo Theo nghiên cứu, quá trình oxi hóa trong môi trường kiềm tốt hơn trong môi trường axit, đồng thời KOH có độ dẫn điện tốt nhất trong các hidroxit kiềm nên KOH được chọn làm chất điện li cho pin AFC

Hình III.1: Cấu tạo pin nhiên liệu kiềm

Ưu điểm: Khả năng sử dụng chất xúc tác không chứa platin trong các điện cực Việc thay thế Pt tinh khiết bằng những vật liệu biến tính, tổ hợp có thể cho hiệu quả cao hơn so với Pt tinh khiết, đồng thời còn giảm sự nhiễm độc của điện cực bởi các sản phẩm của quá trình oxi hóa Ngoài ra điều đó còn giảm chi phí của pin rất nhiều lần Do sử dụng môi trường điện li là kiềm nên pin ít bị ăn mòn, tuổi thọ được kéo dài hơn

-Nhược điểm: Một yếu tố ảnh hưởng không nhỏ đến AFC là quá trình cacbonat hóa của chất điện giải là dung dịch kiềm (do CO2 từ không khí hoặc từ chính sản phẩm oxi hóa nhiên liệu)

2OH- + CO2 -> CO32- + H2O

Phản ứng trên vừa làm giảm nồng độ OH-, tạo kết tủa trên bề mặt hai điện cực, dẫn đến làm giảm khả năng hòa trộn nhiên liệu và trao đổi chất xảy ra trong pin, làm giảm hiệu suất pin Nhưng hiện nay vấn đề này đã được giải quyết khi sử dụng màng trao đổi ion

OH- (AAEMS) , giải quyết được vấn đề mất mát nhiên liệu, kết tủa cacbonat, đồng thời nước được kiểm soát dễ dàng hơn

2.Pin nhiên liệu nóng chảy Carbonate (MCFC)

Pin nhiên liệu nóng chảy Carbonate (MCFC) sử dụng các hợp chất muối có nhiệt độ cao (như Na2CO3 hoặc MgCO3) làm chất điện giải Hiệu suất hoạt động từ 60% đến 80%

và nhiệt độ hoạt động là khoảng 650 0C (1 200 0F) MCFC thích hợp cho công nghệ lớn như nhà máy phát điện sử dụng hơi nước để chạy turbin Các ion carbonate (CO32- ) từ chất điện phân được sử dụng hầu hết trong các phản ứng được bù lại bằng cách bơm carbon dioxide (CO2)

Hình III.2: Cấu tạo pin nhiên liệu nóng chảy carbonate

Ưu điểm: Nhiệt độ cao hạn chế thiệt hại do "ngộ độc" CO từ pin và lượng nhiệt thải ra có thể được tận dụng để tạo thêm điện Chất xúc tác điện cực là Niken rẻ hơn so với các loại pin khác sử dụng điện cực platinum làm xúc tác

Nhược điểm: Nhiệt độ cao cũng hạn chế các chất liệu và độ an toàn của MCFCs, và nhiệt

độ của loại pin này có thể rất cao khi sử dụng tại nhà, tính bền của pin không cao, dễ bị

ăn mòn và đánh thủng các thành phần của pin

3.Pin nhiên liệu axit photphoric (PAFC)

Pin nhiên liệu axit photphoric (PAFC) sử dụng axit photphoric (H3PO4) làm chất điện giải Hiệu suất hoạt động từ 40% đến 80% và nhiệt độ hoạt động là từ 150 0C đến 200 0C (khoảng 300 0F đến 4000 0F)

Hình III.3 Pin nhiên liệu axit photphoric

Ưu điểm: Các pin axit photphoric hiện có có công suất lên tới 200 mã lực và đã được thử nghiệm với 11 MW PAFC chịu được nồng độ CO khoảng 1,5 %, giúp chúng ta

có nhiều sự lựa chọn hơn khi sử dụng Nhược điểm: Tốn nhiều thời gian để hâm nóng

Nó sử dụng nhiều nhiên liệu hơn và không thể đưa vào thị trường ôtô

4.Pin nhiên liệu ôxít rắn (SOFC)

Pin nhiên liệu ôxít rắn (SOFC) sử dụng hợp chất gốm cứng của kim loại (như canxi hoặc zirconi) làm chất điện giải Hiệu suất khoảng 60% và nhiệt độ hoạt động là khoảng 1.0000C (khoảng 1800 oF)

Hình III.4 Pin nhiên liệu Oxit rắn

Ưu điểm: Sản lượng pin lên tới 100 kW, năng suất tương đối cao Có thể sử dụng hơi nước với sức ép cao nạp và turbin sản xuất thêm điện năng SOFC không bị nhiễm độc bởi CO do không sử dụng chất xúc tác Pt Ở nhiệt độ cao quá trình tách hidro ra khỏi nhiên liệu xảy ra dễ dàng Loại pin nhiên liệu này rất thích hợp cho những công nghệ lớn như nhà máy phát điện

Nhược điểm: Việc thiết kế khác phức tạp, yêu cầu bão dưỡng nhiều hơn, hoạt động ở nhiệt độ quá cao nên độ tin cậy trong suốt quá trình không được đảm bảo Vì lisdo antoàn nên nó hông được đưa vào thị trường

5 Pin nhiên liệu trao đổi proton qua màng lọc ( PEMFC )