Luận án Nghiên cứu chế tạo và khảo sát ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến đặc tính của pin nhiên liệu màng trao đổi proton

Tên luận án:

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ LÊN ĐẶC TÍNH CỦA PIN NHIÊN LIỆU MÀNG TRAO ĐỔI PROTON

Ngành:

KHOA HỌC VẬT LIỆU

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án tập trung nghiên cứu chế tạo và khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ lên đặc tính của pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC), một nguồn năng lượng tái tạo đầy hứa hẹn. Bối cảnh nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu năng lượng gia tăng, sự cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch và ô nhiễm môi trường. Mặc dù PEMFC có nhiều ưu điểm như trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn, công suất cao, độ ổn định và thân thiện môi trường, việc nghiên cứu và phát triển công nghệ chế tạo pin nhiên liệu tại Việt Nam còn hạn chế, chủ yếu tập trung vào vật liệu xúc tác mà ít quan tâm đến công nghệ chế tạo bộ pin hoàn chỉnh.

Mục tiêu chính của luận án là nghiên cứu chế tạo PEMFC, đánh giá và lựa chọn vật liệu xúc tác tối ưu (Pt/C và Nafion), khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ chế tạo điện cực màng MEA (nhiệt độ, thời gian, lực ép) và phát triển một mô hình giải thích cơ chế chuyển hóa năng lượng. Đồng thời, luận án hướng tới thiết kế, chế tạo và vận hành một bộ pin nhiên liệu PEMFC hoàn chỉnh công suất 100W.

Kết quả nghiên cứu đã xác định vật liệu xúc tác Pt/C 40%klg của hãng Johnson Matthey với kích thước hạt trung bình 3,2 nm và diện tích bề mặt điện hóa 74,91 m²/g là tối ưu về hoạt tính và độ bền. Hàm lượng Nafion thích hợp trong xúc tác là 40% khối lượng rắn. Quy trình chế tạo điện cực màng MEA chất lượng tốt nhất bằng phương pháp phủ xúc tác lên lớp khuếch tán (CCS) được tối ưu với nhiệt độ ép 130 °C, thời gian ép 180 s và lực ép 19 kg/cm². Luận án cũng phát triển một mô hình cấu tạo và tương tác của các phản ứng điện hóa trong MEA để giải thích ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ.

Cuối cùng, một bộ pin nhiên liệu PEMFC hoàn chỉnh công suất khoảng 100W, gồm 10 pin đơn mắc nối tiếp, đã được thiết kế và chế tạo. Các thông số vận hành của bộ pin như lưu lượng khí nhiên liệu, độ ẩm và nhiệt độ hoạt động đã được khảo sát. Tại điều kiện vận hành tối ưu (khí hydro 1,5 lít/phút, oxy 2,5 lít/phút, độ ẩm tương đối 100%, áp suất 2 bar cho cả hai khí), bộ pin đạt công suất cực đại khoảng 137 W. Những đóng góp mới bao gồm quy trình chế tạo MEA tối ưu, thiết kế và chế tạo bộ pin hoàn chỉnh, và mô hình giải thích các quá trình điện hóa.

Mục lục chi tiết:

• MỞ ĐẦU

• Chương I. TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU MÀNG TRAO ĐỔI PROTON

  • 1.1. Giới thiệu sơ lược về pin nhiên liệu
  • 1.2. Pin nhiên liệu màng trao đổi proton PEMFC
    • 1.2.1. Nguyên lý hoạt động
    • 1.2.2. Cấu tạo
      • 1.2.2.1. Điện cực màng
        • a. Lớp xúc tác trong MEA
        • b. Kỹ thuật ép nóng chế tạo MEA

• Chương II. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

  • 2.1. Hóa chất và vật liệu
  • 2.2. Quá trình thực nghiệm
    • 2.2.1. Đánh giá vật liệu xúc tác Pt/C
    • 2.2.2. Chế tạo điện cực màng MEA
      • 2.2.2.1. Chế tạo điện cực màng bằng phương pháp CCS
      • 2.2.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng Nafion trong mực xúc tác tới tính chất MEA được nghiên cứu đánh giá lựa chọn
      • 2.2.2.3. Chế tạo điện cực màng bằng kỹ thuật DTM
    • 2.2.3. Thiết kế, chế tạo bộ pin nhiên liệu PEMFC công suất 100W
  • 2.3. Thiết bị và dụng cụ
  • 2.4. Các phương pháp nghiên cứu
    • 2.4.1. Các phương pháp đặc trưng vật lý
      • 2.4.1.1. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM
      • 2.4.1.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua TEM
      • 2.4.1.3. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)
      • 2.4.1.4. Phương pháp đo đường cong phân cực U-I
    • 2.4.2. Các phương pháp đo đạc các đặc trưng điện hóa
      • 2.4.2.1. Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn (CV)
      • 2.4.2.2. Phương pháp phổ tổng trở điện hóa

• Chương III. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT ĐIỆN CỰC MÀNG MEA

  • 3.1. Đánh giá tính chất và lựa chọn vật liệu xúc tác Pt/C sử dụng trong pin nhiên liệu (PEMFC)
    • 3.1.1. Đánh giá tính chất điện hóa của các mẫu xúc tác Pt/C
      • 3.1.1.1. Đánh giá hoạt tính xúc tác của các mẫu Pt/C
      • 3.1.1.2. Đánh giá độ bền của các mẫu xúc tác Pt/C
    • 3.1.2. Đánh giá tính chất vật lý của vật liệu xúc tác Pt/C
  • 3.2. Nghiên cứu chế tạo điện cực màng MEA bằng phương pháp phủ xúc tác lên trên lớp khuếch tán
    • 3.2.1. Ảnh hưởng của các thông số ép nóng lên đặc trưng tính chất của MEA
      • 3.2.1.1. Ảnh hưởng của giá trị lực ép đến tính chất điện của các MEA
        • a. Đánh giá trính chất điện của các MEA qua đường cong phân cực U-I
        • b/ Đánh giá điện thế mạch hở mạch của các điện cực màng
        • c. Đánh giá tính chất điện của các MEA bằng EIS
      • 3.2.1.2. Ảnh hưởng của lực ép lên sự biến dạng của điện cực màng MEA
      • 3.2.1.3. Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ ép lên tính chất của MEA
    • 3.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng nafion trong lớp xúc tác đến tính chất của điện cực màng MEA
    • 3.2.3. Quy trình thích hợp chế tạo điện màng MEA bằng phương pháp CCS
  • 3.3. Nghiên cứu chế tạo điện cực màng bằng phương pháp đề can

  • Kết luận chương III

• Chương IV. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ PIN NHIÊN LIỆU CÔNG SUẤT 100W

  • 4.1. Nghiên cứu cấu hình kênh dẫn khí trên tấm lưỡng cực.
  • 4.2. Thiết kế, chế tạo các bộ phận của bộ pin nhiên liệu PEMFC
    • 4.2.1. Tính toán lựa chọn thiết kế cho bộ pin nhiên liệu PEMFC
    • 4.2.2. Thiết kế và chế tạo các bộ phận của bộ pin nhiên liệu công suất 100 W
      • 4.2.2.1. Thiết kế, chế tạo các tấm lưỡng cực
      • 4.2.2.2. Thiết kế, chế tạo các tấm thu điện, tấm vỏ pin và gioăng
  • 4.3. Ảnh hưởng của điều kiện vận hành đến tính chất của pin nhiên liệu
    • 4.3.1. Tính toán và thiết kế hệ thống phân phối khí nhiên liệu
    • 4.3.2. Ảnh hưởng của lưu lượng khí nhiên liệu đến đặc trưng của pin nhiên liệu
    • 4.3.3. Ảnh hưởng của độ ẩm đến tính chất của pin nhiên liệu
    • 4.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt động
  • 4.4. Đặc tính của bộ pin PEMFC 100 W hoàn chỉnh

  • Kết luận chương IV

• KẾT LUẬN

• NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN