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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- GIANG HỒNG THÁI 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 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2020 luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- GIANG HỒNG THÁI 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 Chuyên ngành: Kim loại học Mã số: 9440129 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Phạm Thi San 2. Vũ Đình Lãm Hà Nội – 2020 luan an LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Thi San và GS.

Hầu hết các số liệu, kết quả nêu trong luận án được trích dẫn lại từ các báo cáo tại các Hội nghị khoa học, các bài báo được đăng trên tạp chí của tôi và nhóm nghiên cứu. Các số liệu, kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Giang Hồng Thái i luan an LỜI CẢM ƠN Tôi xin dành những lời cảm ơn đầu tiên và sâu sắc nhất gửi tới TS. Phạm Thi San và GS.

Các thầy đã trực tiếp hướng dẫn tôi, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi hoàn thành bản luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn các đồng nghiệp tại phòng Ăn mòn và bảo vệ vật liệu và phòng Cảm biến và Thiết bị đo khí, Viện Khoa học vật liệu đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Khoa học vật liệu, Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thiện luận án. Tôi xin chân thành cảm chương trình hợp tác KIMS – ASEAN, Viện Khoa học vật liệu Hàn Quốc, và đặc biệt cảm ơn sự giúp đỡ của Dr.

Lee Chang Rea trong quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng tôi xin dành tình cảm đặc biệt tới bố, mẹ, vợ, con gái và những người bạn của tôi luôn đồng hành, động viên, giúp đỡ tôi. Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả Giang Hồng Thái ii luan an MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ. vi DANH MỤC BẢNG BIỂU.

ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT. xi MỞ ĐẦU…. TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU MÀNG TRAO ĐỔI PROTON. Giới thiệu sơ lược về pin nhiên liệu.

Phân loại pin nhiên liệu. Ứng dụng của pin nhiên liệu. Pin nhiên liệu màng trao đổi proton. Nguyên lý hoạt động.

Nhiệt động học trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton. Năng lượng tự do Gibbs. Công điện lý thuyết. Hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu.

Điện thế hở mạch của pin nhiên liệu. Cấu tạo của pin nhiên liệu. Điện cực màng. Các tấm lưỡng cực.

Các kênh dẫn khí. Các bộ phận khác. Bộ pin nhiên liệu PEMFC. Cấu hình kênh rãnh dẫn khí trong pin đơn.

Cấu hình cấp khí cho từng pin đơn trong bộ pin. Các thông số hoạt động của PEMFC. Nhiệt độ hoạt động. Ảnh hưởng của độ ẩm đến hoạt động của bộ pin nhiên liệu.

Ảnh hưởng của lưu lượng và áp suất khí nhiên liệu đến hoạt động của pin nhiên liệu. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .44 Kết luận chương I .46 iii luan an Chương II. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Hóa chất và vật liệu.

Quá trình thực nghiệm. Đánh giá vật liệu xúc tác Pt/C. Chế tạo điện cực màng MEA. Chế tạo điện cực màng bằng phương pháp CCS.

Ảnh hưởng của hàm lượng Nafion trong mực xúc tác tới tính chất MEA. Chế tạo điện cực màng bằng kỹ thuật DTM. Thiết kế, chế tạo bộ pin nhiên liệu PEMFC công suất ~100W. Thiết bị và dụng cụ.

Các phương pháp nghiên cứu. Các phương pháp đặc trưng vật lý. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua TEM.

Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX). Phương pháp đo đường cong phân cực U-I. Các phương pháp đo đạc các đặc trưng điện hóa. Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn (CV).

Phương pháp phổ tổng trở điện hóa .55 Kết luận chương II .56 Chương III. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT ĐIỆN CỰC MEA. Đánh giá tính chất và lựa chọn vật liệu xúc tác Pt/C sử dụng trong pin nhiên liệu (PEMFC). Đánh giá tính chất điện hóa của các mẫu xúc tác Pt/C.

Đánh giá hoạt tính xúc tác của các mẫu Pt/C. Đánh giá độ bền của các mẫu xúc tác Pt/C. Đánh giá tính chất vật lý của vật liệu xúc tác Pt/C. Nghiên cứu chế tạo điện cực màng MEA bằng phương pháp phủ xúc tác lên trên lớp khuếch tán.

Ảnh hưởng của các thông số ép nóng lên đặc trưng tính chất của MEA 69 iv luan an 3. Ảnh hưởng của giá trị lực ép đến tính chất điện của các MEA. Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ ép lên tính chất của MEA. Ảnh hưởng của hàm lượng nafion trong lớp xúc tác đến tính chất của điện cực màng MEA.

Quy trình thích hợp chế tạo điện màng MEA bằng phương pháp CCS. Nghiên cứu chế tạo điện cực màng bằng phương pháp đề can .91 Kết luận chương III .95 Chương IV. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ PIN NHIÊN LIỆU CÔNG SUẤT 100W. Nghiên cứu cấu hình kênh dẫn khí trên tấm lưỡng cực.

Thiết kế, chế tạo các bộ phận của bộ pin nhiên liệu PEMFC. Tính toán lựa chọn thiết kế cho bộ pin nhiên liệu PEMFC. Thiết kế và chế tạo các bộ phận của bộ pin nhiên liệu công suất 100 W. Thiết kế, chế tạo các tấm lưỡng cực.

Thiết kế, chế tạo các tấm thu điện, tấm vỏ pin và gioăng. Ảnh hưởng của điều kiện vận hành đến tính chất của pin nhiên liệu. Tính toán và thiết kế hệ thống phân phối khí nhiên liệu. Ảnh hưởng của lưu lượng khí nhiên liệu đến đặc trưng của pin nhiên liệu.

Ảnh hưởng của độ ẩm đến tính chất của pin nhiên liệu. Ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt động. Đặc tính của bộ pin PEMFC 100 W hoàn chỉnh .115 Kết luận chương IV .119 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN .120 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .121 TÀI LIỆU THAM KHẢO .122 PHỤ LỤC: Các bản vẽ thiết kế các chi tiết của pin nhiên liệu PEMFC v luan an DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1. Một số ứng dụng của pin nhiên liệu.

Nguyên lý hoạt động của PEMFC. Các quá trình xảy ra khi PEMFC vận hành. Cấu tạo của một PEMFC điển hình. Cấu tạo của điện cực màng trong PEMFC.

Cấu trúc phân tử của màng polymer Nafion. Cấu trúc của một lớp xúc tác trong PEMFC. Cấu hình của MEA với hai phương pháp chế tạo CCS (a), và CCM (b). Các phương pháp chế tạo MEA .Thiết bị ép nóng thủy lực.

Tấm lưỡng cực chế tạo bằng vật liệu graphit. Các loại vật liệu chế tạo tấm lưỡng cực trong pin nhiên liệu. Các kiểu định hướng ghép bộ pin nhiên liệu. Các cấu trúc làm mát cho bộ pin nhiên liệu.

Quá trình cân bằng lượng nước trong pin nhiên liệu. Quy trình chế tạo MEA bằng phương pháp phủ xúc tác lên lớp khuếch tán. Quy trình chế tạo MEA bằng phương pháp phủ xúc tác lên màng. Sơ đồ bố trí thử nghiệm pin nhiên liệu.

Đồ thị CV điển hình của mẫu xúc tác Pt/C trong dung dịch H2SO4 0,5M55 Hình 3. Cấu tạo của điện cực màng trong PEMFC. Đồ thị CV của vật liệu cacbon Vulcan-72 và các vật liệu xúc tác Pt/C của các hãng FE và JM trong dung dịch H2SO4 0,5M. Các cơ chế làm suy giảm độ bền của vật liệu xúc tác Pt/C.

Đồ thị CV đánh giá độ bền trong 1000 chu kỳ của mẫu xúc tác FE-30 trong dung dịch H2SO4 0,5M. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi giá trị ESA của các mẫu xúc tác khác nhau sau thử nghiệm độ bền 1000 chu kỳ.62 vi luan an Hình 3. Kết quả phân tích EDX của các mẫu xúc tác FE -20 (a) và 30 (b). Kết quả phân tích EDX của các mẫu xúc tác JM -20(a) và 40(b).

Ảnh TEM của vật liệu Cacbon Vulcan-72 với các độ phóng đại 40. Ảnh TEM với độ phóng đại 80.000 lần và đồ thị phân bố kích thước hạt của vật liệu xúc tác FE-20. Ảnh TEM với độ phóng đại 80.000 lần và đồ thị phân bố kích thước hạt của vật liệu xúc tác FE-30 .Ảnh TEM với độ phóng đại 80.000 lần và đồ thị phân bố kích thước hạt của vật liệu xúc tác JM-20. Ảnh TEM với độ phóng đại 80.000 lần và đồ thị phân bố kích thước hạt của vật liệu xúc tác JM-40.

Đồ thị đường cong phân cực U-I của các MEA chế tạo tại các giá trị lực ép khác nhau: 17, 19, 21, 24, và 28 kg/cm2. Đường cong phân cực lý tưởng của một pin nhiên liệu PEMFC. Đồ thị thay đổi giá trị mật độ công suất cực đại Pmax của các MEA chế tạo tại các giá trị lực ép khác nhau. Điện thế mạch hở ( OCV) của các điện cực màng MEA chế tạo tại các giá trị lực ép khác nhau:17, 19, 21, 24, 28 kg/cm2.

Đồ thị Nyquist của các MEA chế tạo bằng phương pháp ép nhiệt tại các giá trị lực ép 17, 19, 21, 24 và 28kg/cm2. Mô hình mạch tương đương của phổ EIS cho một pin nhiên liệu PEMFC. Ảnh chụp điển hình điện cực màng MEA chế tạo tại các lực ép khác nhau: a) 28 kg/cm2, b) 21 kg/cm2, c) 19 kg/cm2. Đồ thị thay đổi chiều dày của các MEA chế tạo tại các giá trị lực ép khác nhau: 17, 19, 21, 24, 28 kg/cm2.

Mô hình phản ứng xảy ra bên phần catot của điện cực màng MEA. Mô hình giải thích quá trình phản ứng trong điện cực màngMEA. Mô hìnhquá trình chế tạo mực xúc tác. Mô hình quá trình tạo lớp xúc tác lên trên lớp khuếch tán .81 vii luan an Hình 3.

Mô hình cấu trúc của MEA sau khi ép nóng.