Ứng dụng công nghệ Nano

Luận văn: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU NANO VÀO PIN NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG TRỰC TIẾP METHANOL (DMFC)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ 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: 60.52.80

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2005

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Ngày nay, nhu cầu về năng lượng đang càng ngày càng gia tăng trên toàn thế giới. 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,…. Hiện nay, rất nhiều các trung tâm nghiên cứu năng lượng trên thế giới đang nổ 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 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 nano và 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 năm 1959 bởi Tiến sĩ Richard Feymann. Hiện tại, công ngệ 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 Koa 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 tế năng cao hơn, mật độ dòng cao hơn và đặc biệt là gái thành rẻ hơn từ 100 đến 1000 lần khi sử 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.

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN …………………………………………………………………………………………………………… 5

LỜI NÓI ĐẦU ………………………………………………………………………………………………………….. 6

TOM TẮT LUẬN VĂN ……………………………………………………………………………………………… 7

ABSTRACT ……………………………………………………………………………………………………………… 9

MỤC LỤC ………………………………………………………………………………………………………………. 11

QUI ƯỚC VA KÝ HIỆU …………………………………………………………………………………………. 16

DANH MỤC CAC BẢNG ……………………………………………………………………………………….. 17

DANH MỤC CAC SƠ ĐỒ ………………………………………………………………………………………. 18

DANH MỤC CAC HINH VẼ …………………………………………………………………………………… 18

PHẦN MỞ ĐẦU: ĐẶT VẤN ĐỀ ……………………………………………………………………………. 20

1. ĐẶT VẦN ĐỀ NGHIÊN CỨU ………………………………………………………………………. 21
2. PHƯƠNG HƯỚNG CỦA ĐỀ TAI …………………………………………………………………. 23
3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TAI ……………………………………………………………………………… 24

PHẦN I: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ………………………………………………………………….. 25

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU ………………………………………………… 26

1. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN PIN NHIÊN LIỆU ……………………… 27
2. 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

3. 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

3.2.2        Màng dẫn proton (PEM) ……………………………………………………………………………. 34

4. 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

5. ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA PIN NHIÊN LIỆU …………………………………………………. 42

5.1  Ưu điểm ………………………………………………………………………………………………………… 42

5.2  Nhược điểm ………………………………………………………………………………………………….. 43

6. KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA PIN NHIEN LIỆU DMFC TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM ……………………………………………………………………………………………………………. 43
7. 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

1. TINH CHẤT PHẢN ỨNG ĐIỆN HÓA 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

1. Phản ứng trên Anode ……………………………………………………………………………………… 48
2. Phản ứng trên Cathode …………………………………………………………………………………… 49
3. Phản ứng chung trên pin DMFC ………………………………………………………………………. 49

1.2  Hiện tượng thẩm thấu methanol qua màng dẫn proton (Metanol crossover) và tác hại của nó         49

2. 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

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

3. 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

4. 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

5. HIỆU SUẤT CỦA PIN …………………………………………………………………………………. 57

CHƯƠNG 3: THAN NANO “LỎNG” …………………………………………………………………….. 59

1. KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ NANO ………………………………………………………… 60
2. THAN NANO “LỎNG” ………………………………………………………………………………… 61
3. QUI TRÌNH CHẾ TẠO THAN NANO “LỎNG” …………………………………………….. 63
4. 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

1. MÔ TẢ CẤU TẠO CỦA PIN DMFC ……………………………………………………………… 68
2. THIẾT KẾ VỎ PIN ……………………………………………………………………………………….. 68

2.1  Vỏ phía anode ……………………………………………………………………………………………….. 68

2.2  Vỏ phía cathode …………………………………………………………………………………………….. 69

3. 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

4. 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

5. PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO BỘ MEAS …………………………………………………………. 80

5.1  Khái niệm MEAs (Membrane Electrode Assembly) ……………………………………………. 80

5.2  Qui trình chế tạo MEAs ………………………………………………………………………………….. 81

6. 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

1. 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

2. 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

2.5  Khảo sát tính năng của màng PEM than nano “lỏng” trên điện cực có GDL là giấy TCP    104

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

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ………………………………………………………….. 109

1. Các kết quả thu được ……………………………………………………………………………………. 110
2. Hướng phát triển của đề tài …………………………………………………………………………… 110

PHẦN III: PHỤ LỤC ……………………………………………………………………………………………. 111

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

Phụ lục 2: Kết quả mẫu pin 200410-96-1 ………………………………………………………… 112

Phụ lục 3: Kết quả mẫu pin 200427-2-1 ………………………………………………………….. 112

Phụ lục 4: Kết quả mẫu pin 200427-22-1 ………………………………………………………… 113

Phụ lục 5: Kết quả mẫu pin 200427-23-1 ………………………………………………………… 113

Phụ lục 6: Kết quả mẫu pin 200427-29-1 ………………………………………………………… 113

Phụ lục 7: Kết quả mẫu pin 200427-39-1 ………………………………………………………… 114

Phụ lục 8: Kết quả mẫu pin 200427-39-2 ………………………………………………………… 114

Phụ lục 9: Kết quả mẫu pin 200427-56-1 ………………………………………………………… 115

Phụ lục 10: Kết quả mẫu pin 200427-56-2 ………………………………………………………. 115

Phụ lục 11: Kết quả mẫu pin 200427-57-1 ………………………………………………………. 116

TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………………………………….. 117