Công nghệ pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) và tính ứng dụng

Bài báo này đề cập đến nội dung nghiên cứu cơ sở lý thuyết pin nhiên liệu loại PEMFC, cấu tạo và nguyên lý hoạt động pin PEMFC, những ứng dụng thực tiễn của pin PEMFC, từ đó đưa ra được các định hướng nghiên cứu về pin PEMFC trong tương lai gần tại Việt Nam.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Công nghệ pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) và tính ứng dụngCÔNG NGHỆ PIN NHIÊN LIỆU MÀNG TRAO ĐỔI PROTON (PEMFC) VÀ TÍNH ỨNG DỤNG Trần Xuân Dung1, Trần Lương Thụy1 1. Viện Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Thủ Dầu MộtTÓM TẮT Ngày nay với sự ô nhiễm ngày càng trầm trọng và cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch.Do đó, việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo là một hướng đột phá nhằm mục đích bảo vệ môitrường. Gần đây, việc nghiên cứu và sử dụng pin nhiên liệu ngày càng phổ biến đặc biệt là loạiPEMFC. Đây là một loại pin nhiên liệu sử dụng trong các ứng dụng cố định, di động và phươngtiện công cộng cụ thể là Ô tô. PEMFC hoạt động bằng cách chuyển đổi trực tiếp năng lượnghóa học thành năng lượng điện. Màng trao đổi proton trong PEMFC chịu trách nhiệm cho việcchuyển proton của hydrogen xuyên qua lớp màn, tạo ra dòng điện thông qua phản ứng hóa học.Bên cạnh đó sản phẩm tạo ra còn bao gồm nhiệt và nước. Bài báo này đề cập đến nội dungnghiên cứu cơ sở lý thuyết pin nhiên liệu loại PEMFC, cấu tạo và nguyên lý hoạt động pinPEMFC, những ứng dụng thực tiễn của pin PEMFC, từ đó đưa ra được các định hướng nghiêncứu về pin PEMFC trong tương lai gần tại Việt Nam. Từ khóa: cơ sở lý thuyết về pin nhiên liệu, pin nhiên liệu PEMFC, ứng dụng pin nhiên liệu PEMFC.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Pin nhiên liệu được xem như là nguồn năng lượng có triển vọng trong tương lai. Trongnhững thập kỷ gần đây xu hướng phát triển về nguồn năng lượng này ngày càng gia tăng. Bởivì, nhiên liệu hóa thạch có nhiều nhược điểm, có tác động xấu đến môi trường. Trong khi đópin nhiên liệu lại có những ưu điểm vượt trội hơn so với nhiên liệu hóa thạch, cụ thể là nó ítgây ô nhiễm môi trường, và nguồn năng lượng này không có giới hạn, tức là nó đa dạng phongphú ở cách sản xuất khí hydrogen. Khí hydrogen có thể sản xuất từ dầu mỏ (nhiên liệu hóathạch) hoặc khí đồng hành từ quá trình khai thác dầu mỏ, từ nước ngọt, nước biển, từ nhiên liệusinh khối, cồn,... Pin nhiên liệu ngày nay “đến gần” hơn với chúng ta. Nó có khả năng đáp ứngtất cả các vấn đề về năng lượng toàn cầu, tính hiệu quả và đáp ứng những kỳ vọng về môitrường. Pin nhiên liệu dùng màn rắn để trao đổi proton được gọi là PEMFC (Proton ExchangMembrane Fuel Cells) là loại pin nhiên liệu gần như được dùng phổ biến, dùng nguồn nhiênliệu chính là khí hydrogen. Các nguồn liệu khác nhau để tạo ra khí hydrogen được cung cấpnhiên liệu cho pin có thể cung cấp trực tiếp từ khí hydrogen tinh khiết hoặc qua quá trình tinhchế rồi sau đó cung cấp cho pin nhiên liệu. Ở Việt Nam, một số nghiên cứu có thể kể đến: Bài viết “Pin nhiên liệu hydro: Hiện trạngvà tương lai” của Trần Duy Tập. Trong nghiên cứu này, tác giả đã đề cập đến ứng dụng quantrọng trong 2 lĩnh vực là: lĩnh vực vận tải, trạm phát điện [1]. Một nghiên cứu khác do TS. PhạmThi San làm chủ nhiệm: “Nghiên cứu phát triển Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC)sử dụng nhiên liệu hyđrô”. Đề tài đã tập trung nghiên cứu điều chế thành công vật liệu xúc tácvà đã đưa ra 04 qui trình tổng hợp điều chế vật liệu xúc tác Pt/C, Pt3Ni/C, Pt3Co/C vàPt3Fe/C20%Wt ở mức độ phòng thí nghiệm (>200mg/mẻ). Qua quá trình đánh giá và thử 639nghiệm, đề tài đã lựa chọn xúc tác Pt/C 20% Wt làm xúc tác anot và Pt3Ni/C 20%Wt làm xúctác catot cho pin nhiên liệu. Xúc tác Pt/C 20% Wt điều chế được có kích thước hạt trung bình~ 2,45 nm và diện tích bề mặt điện hóa ESA là 78,88 m2/g. Xúc tác catot Pt3Ni/C 20%Wt cókích thước hạt trung bình ~ 2,79 nm và diện tích bề mặt điện hóa ESA là 76,14 m2/g. Bên cạnh việc nghiên cứu các vật liệu xúc tác, đề tài cũng đã thành công trong nghiêncứu các kỹ thuật chế tạo điện cực màng MEA và đưa ra được quy trình chế tạo điện cực màngMEA cho chất lượng cao. Việc áp dụng các xúc tác chế tạo được vào điện cực màng MEA đãcho kết quả rất tốt khi đánh giá. Thế mạch mở của pin Voc ~ 1,0V và giá trị mật độ công suấtcực đại của pin đơn đạt được Pmax ~ 640mW/cm2 tại điện thế 0,42V [2]. Ở nước ngoài, các nghiên cứu về Pin PEMFC đã nhiều, có thể kể đến các nghiên cứu:“Powering the Future: Progress and Hurdles in Developing Proton Exchange Membrane FuelCell Components to Achieve Department of Energy Goals - A Systematic Review”. Trongnghiên cứu này, nhóm tác giả đã nghiên cứu về thành phần và hiệu suất của PEMFC: tập trungvào cải thiện thành phần của PEMFC, bao gồm các vật liệu xúc tác, màng trao đổi proton, lớpkhuếch tán khí và các tấm phân cực. Một bài báo của Moreno và các đồng nghiệp đã chỉ ra rằngviệc giảm 30% kích thước của tổ hợp màng điện cực (MEA) có thể đạt được mục tiêu chi phí40 USD/kW vào năm 2020. Tuy nhiên, chi phí của chất xúc tác, chủ yếu là bạch kim, chiếmmột phần lớn trong tổng chi phí và có thể không giảm khi tăng sản lượng sản xuất. Các chiếnlược để giảm sự phụ thuộc vào chất ...