REPORT CẤU TẠO, TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG PIN NHIÊN LIỆU ALCOHOL

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT HÓA HỌC

CẤU TẠO, TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG PIN NHIÊN LIỆU ALCOHOL GVHD: PGS.TS Nguyễn Ngọc Hạnh NHÓM 5: Nguyễn Ngọc Trâm Phan Bích Phượng

L/O/G/O 0

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Tại sao phải nghiên cứu pin nhiên liệu?

Sạch và hiệu quả

www.daykemquynhon.ucoz.com

n ơ Nh

+D / m

m è K y ạ

y u Q

o c . le

G

g o o

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

1

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Pin nhiên liệu H2 Khó khăn: Sản xuất H2, vận chuyển, chứa đựng, dễ cháy nổ, giá thành???

www.daykemquynhon.ucoz.com

n ơ Nh

+D / m

m è K y ạ

y u Q

o c . le

G

g o o

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

2

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Pin nhiên liệu Alcohol

www.daykemquynhon.ucoz.com

Pin Alcohol: n ơ h N Pin nhiên liệu dùng Alcoholuy trực tiếp-DAFC Q m è Pin nhiên liệu dùng Alcohol gián tiếp-IAFC K y ạ D + / Ưu, nhược điểm m o c . le Ứng dụng g o o G Khả năng phát triển sản xuất

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

3

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Cấu tạo pin DAFC

n ơ Nh

Tấm lưỡng cực

+D / m

o c .

Chất xúc tác le G

g o o

m è K y ạ

y u Q

Điện cực

Chất điện phân Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

4

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.daykemquynhon.ucoz.com

n ơ Nh

+D / m

m è K y ạ

y u Q

o c . le

G

g o o

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

5

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Chất điện phân Màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane – PEM): Polymer Nafion Tấm lưỡng cực n

www.daykemquynhon.ucoz.com

ơ h N

+D / m

m è K y ạ

y u Q

o c . le

G

g o o

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

6

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Sắp xếp lớp màng điện cực-MEA

www.daykemquynhon.ucoz.com

n ơ Nh

+D / m

m è K y ạ

y u Q

o c . le

G

g o o

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

7

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Ghép pin Để tăng khả năng cung cấp của pin người ta tiến hành ghép pin. n ơ Nh

www.daykemquynhon.ucoz.com

Single DMFC y u Q - Hiệu suất pin: m è K khoảng 40% y ạ - Nhiệt độ hoạt +D / m o động: 60-750C c .

- Công suất đầu ra:ogle o G 5-25W

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

8

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Hiệu suất một số pin Alcohol

www.daykemquynhon.ucoz.com

n ơ Nh

+D / m

m è K y ạ

y u Q

o c . le

G

g o o

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

9

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Nguyên tắc hoạt động DMFC

www.daykemquynhon.ucoz.com

Tại Anode: CnH2n+1OH + (2n-1)H2O → n nCO2 + 6nH+ + 6eơ h N y u Tại Cathode: Q m è K + 3n/2O2 + 6nH + 6ne →Dạy + / 3nH2O .com le g Phản ứng tổng: oo G CnH2n+1 + 3/2nO2 → nCO2 + (n+1)H2O Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

10

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.daykemquynhon.ucoz.com

Lấy ví dụ về pin sử dụng nguyên liệu Alcohol là Methanol và xúc tác là hỗn hợp kim loại Pt-M (M là Ru, Mo, Ir…) Các phản ứng xảy ra trong pin là: Tại Anode: n ơ h3OH)ads Pt + CH3OH → Pt-(CH N y u + + eQ Pt-(CH3OH)ads → Pt-(CH O) + H m3 ads è K y + + eạ Pt-(CH3O)ads → Pt-(CH O) + H 2 ads +D / m Pt-(CHO) + + eo Pt-(CH2O)ads → + H c ads . e l g o → Pt-(CO)ads + H+ + ePt-(CHO)ads o G M + H2O → M-(H2O)ads Pt-(CO)ads + M-(H2O)ads → Pt + M + CO2 + 2H+ + 2eNơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

11

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.daykemquynhon.ucoz.com

Vậy tại Anode có phản ứng là: CH3OH + H2O → CO2 + 6Hn+ + 6eơ h N y Tại Cathode: u Q m+ è 3/2O2 + 6H + y6e K → 3H2O ạ D + / Phản ứng tổng của pin m o c .

CH3OH o+gle3/2 O2 → CO2 + H2O o G

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

12

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Pin IMFC

www.daykemquynhon.ucoz.com

n ơ Nh

+D / m

m è K y ạ

y u Q

o c . le

G

g o o

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

13

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Nguyên tắc hoạt động pin IAFC

www.daykemquynhon.ucoz.com

n ơ Nh

+D / m

m è K y ạ

y u Q

o c . le

G

g o o

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

14

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Ưu điểm khi dùng Alcohol làm nhiên liệu?

www.daykemquynhon.ucoz.com

Đơn phân tử =>Ít khắt khe về xúc tác hơn. n ơ Nguyên liệu từ khí tự nhiên, nguồn tái tạo => h N y u chi phí thấp, ổn định.

Q m è K áp suất bình thường y Dạng lỏng tại nhiệt độDvà ạ + / =>mật độ năng lượng m cao, dễ dàng hơn khi xây o c . dựng hệ thống othiết gle bị. o G Nhiệt độ vận hành thấp.

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

15

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Nhược điểm

www.daykemquynhon.ucoz.com

n ơ Nh

+D / m

m è K y ạ

y u Q

o c . le

G

g o o

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

16

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Ứng dụng

www.daykemquynhon.ucoz.com

n ơ Nh

+D / m

m è K y ạ

y u Q

o c . le

G

g o o

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

17

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Ứng dụng pin DAFC

n ơ Nh

m è K y ạ

y u Q

Hệ thống sử dụng +D Micro-DMFC

/ m

o c . le

G

OorjaPac DMFC Power

g o o

Hệ thống SFC DMFC Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

18

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Fuel cell powered toy car

www.daykemquynhon.ucoz.com

n ơ Nh

+D / m

m è K y ạ

y u Q

o c . le

G

g o o

- Nạp nhanh - Khởi động nhanh - Chạy 6h chỉ với 5cc Methanol

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

19

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Fuel cell powered Fan

www.daykemquynhon.ucoz.com

-Nạp nhanh n ơ -Khởi độngNhnhanh uy chỉ với 2cc Methanol -Chạy Q 20h m è K y ạ D + / m

o c . le

G

g o o

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

20

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Ứng dụng pin IAFC Ứng dụng đặc biệt của pin IMFC

www.daykemquynhon.ucoz.com

n ơ Nh

+D / m

m è K y ạ

y u Q

o c . le

G

g o o

Thiết kế hệ thống IMFC đầu tiên với một pin nhiên liệu SOFC.

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

Xe hơi sử dụng pin IMFC

21

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Khả năng thương mại hóa

www.daykemquynhon.ucoz.com

n ơ Nh

+D / m

m è K y ạ

y u Q

o c . le

G

g o o

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

22

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.daykemquynhon.ucoz.com

n ơ Nh

+D / m

m è K y ạ

y u Q

o c . le

G

g o o

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

23

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Nghiên cứu tại Việt Nam Ở Việt Nam - Năm 2004, TS. Nguyễn Mạnh Tuấn nghiên cứu sử dụng pin nhiên liệu ơn dùng cồn Methanol thay thế choyNh u Q nhiên liệu Hydrogen . m

è K ạy

D - Năm 2005, TS. Nguyễn/+Chánh Khê om proton. chế tạo màng chuyển.chóa le g o

o G

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

24

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Kết luận

www.daykemquynhon.ucoz.com

Pin Alcohol có khả năng thay thế phần lớn pin nhiên liệu khác. n ơ h quả.

Hứa hẹn một nguồn nhiên liệu sạch vàyNhiệu u Q Cần xúc tác rẻ hơn. m è K y Có thể là pin nhiên liệu cho +hiện Dạ nay. / m o c . le g o o G

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

25

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

n ơ Nh

y u Q

XIN CHÂN THÀNH èCẢM ƠN CÔ VÀ m K y BÁC BẠN ĐÃ LẮNG NGHE ạ D + / m

o c . le

G

g o o

L/O/G/O Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC

NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT HÓA HỌC

Tiểu luận

n ơ h

PIN NHIÊN LIỆU ALCOHOL N

y u Q

VẬN HÀNH - ƯU & NHƯỢC m ĐIỂM - ỨNG DỤNG

è K yTRIỂN SẢN XUẤT KHẢ NĂNG PHÁT ạ +D / m o c . e l GVHD: g PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hạnh o o G Nhóm thực hiện:

Nhóm 9

Hồ Thủy Trúc – 13050200 Phạm Duy Quốc Trường – 13050201 Phan Thị Phượng - 13050001

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2013

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

MỤC LỤC

Trang I. GIỚI THIỆU CHUNG ....................................................................................... 2 II. VẬN HÀNH ....................................................................................................... 3 II. 1. Cấu tạo pin Alcohol ................................................................................. 3 II. 1. 1 Chất điện phân ................................................................................ 3 II. 1. 2 Chất xúc tác ..................................................................................... 4 II. 1. 3 Tấm lưỡng cực - Bipolar plate ....................................................... 4 II. 2. Hoạt động của pin nhiên liệu DMFC..................................................... 5 II. 3. Hoạt động của pin nhiên liệu IMFC ...................................................... 8

n ơ h III. ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM ..................................................................................

11 N y III. 1. Ưu điểm ..................................................................................................

11 u Q III. 2. Nhược điểm ............................................................................................

11 m IV. ỨNG DỤNG VÀ KHẢ NĂNG PHÁT TRIỂNèSẢN XUẤT ........................ 12 K y IV. 1. Ứng dụng ................................................................................................

12 ạ IV. 2. Hướng phát triển....................................................................................

14 +D / m o c TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................

15 e l g o o G II. 4. Hoạt động của pin nhiên liệu DEFC ...................................................... 9

1 Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

I. GIỚI THIỆU CHUNG “Tôi tin rằng một ngày nào đó, nước sẽ được sử dụng như nhiên liệu, rằng hydrogen và oxy, hai thành phần tạo nên nước, được sử dụng đơn lẻ hay kết hợp, sẽ cung cấp một nguồn nhiệt và ánh sáng vô tận với mức độ mà than đá không thể so sánh được. Tôi tin rằng khi các mỏ than cạn kiệt, chúng ta sẽ sưởi ấm mình nhờ năng lượng từ nước. Nước sẽ là “than đá” của tương lai.” - Jules Vernes (1874).

Hơn 100 năm trước Jules Vernes trong cuốn tiểu thuyết viễn tưởng “Hòn đảo huyền bí” đã từng dự báo rằng nước sẽ là nguồn năng lượng cho tương lai, giống như than đá đang thịnh hành thời bấy giờ. Từ đó một ý niệm đã được gợi mở, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học về nguồn năng lượng lý tưởng, sạch và gần như vô tận cho con

n ơ Ngày nay điều tiên đoán năm xưa dần trở thành hiện thực khi mà nguồn năng lượng h Nđến các thế hệ tương lai; đang dần cạn kiệt, ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính, đe y dọa ulượng sạch và “Pin nhiên liệu” và có thể nói, thế kỷ 21 chính là kỷ nguyên cho nguồn năng Q m chính là cuộc cách mạng xanh. è K y Các nước phát triển trên thế giới đang phải nghiên cứu và phát triển những nguồn ạ năng lượng thay thế như năng lượng mặt +Dtrời, gió, pin nhiên liệu với đòi hỏi ít phát thải khí / m cầu. carbonic ảnh hưởng đến khí hậu toàn o c được nhiều nước phát triển quan tâm, đầu tư nghiên cứu và .

Pin nhiên liệu ngày nay e l g ứng dụng. Một trong o những loại pin nhiên liệu rất có tiềm năng hiện nay là pin nhiên liệu o alcohol. Với G những ưu điểm nổi bật, pin nhiên liệu sử dụng methanol trực tiếp DMFC người.

(Direct Methanol Fuel Cell) và IMFC (Indirect Methanol Fuel Cell) hay RMFC (Reformed Methanol Fuel Cell) đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi, được đánh giá là một nguồn năng lượng đầy hứa hẹn.

2 Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

II. VẬN HÀNH DMFC là một thiết bị điện hóa, có thể chuyển trực tiếp năng lượng hóa học (của rượu Methanol) thành năng lượng điện.

Mô hình của một pin nhiên liệu DMFC được trình bày ở hình dưới đây.

n ơ h

N y u

Q m è

+D / m

K y ạ

Hình 1. Mô hình của một pin nhiên liệu DMFC.

o c . le

g o o

II. 1. Cấu tạo pin Alcohol

G

II. 1. 1 Chất điện phân Chất điện phân đóng vai trò quan trọng đối với một pin nhiên liệu. Chất điện phân được cho tiếp xúc với hai điện cực anode và cathode và chỉ cho phép chọn lọc những ion thích hợp đi qua giữa anode và cathode. Đối với DMFC, chất điện phân phải có khả năng dẫn proton.

Chất điện phân có thể được dùng là dung dịch kiềm hoặc màng polymer trao đổi proton (PEM). * Với chất điện giải là dung dịch kiềm: - Phản ứng tại anode trong pin DMFC: CH3OH + 6OH− → CO2 + 5H2O + 6e3 Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Carbon dioxide (CO2) sinh ra sẽ tác dụng với kiềm tạo carbonate làm giảm tính kiềm của chất điện giải dẫn đến làm giảm tuổi thọ pin.

Vì vậy, dung dịch kiềm không được ứng dụng nhiều trong thực tế. * Với chất điện giải là màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane - PEM): - PEM được làm bằng polymer Nafion hoặc màng lọc thủy tinh có lỗ thấm siêu nhỏ.

- Chức năng của màng: chỉ trao đổi proton, không cho các thành phần khác qua màng.

n ơ h

www.daykemquynhon.ucoz.com

N y u

Q m è

+D / m

K y ạ

o c . le

g o o

G

Hình 2. Sơ đồ pin nhiên liệu DMFC dùng PEM.

II. 1. 2 Chất xúc tác Chất xúc tác là một lớp mỏng, nằm giữa chất điện phân với các điện cực.

Chất xúc tác thường dùng chủ yếu là những hợp kim của bạch kim mang tính bazơ (Pt-Sn, Pt-Re, Pt-Ru) và thường được gọi là vật liệu Catalyst.

II. 1. 3 Tấm lưỡng cực - Bipolar plate Là các tấm lưỡng cực, gồm có nhiều kênh để phân phối nguyên liệu đầu vào sao cho hợp lý để đạt hiệu xuất cao nhất.

Vật liệu làm các bipolar rất nhiều: carbon, polymer resins, thermalplastic polymer…

4 Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

n ơ h

N y u

Hình 3. Lớp xúc tác và tấm lưỡng cực bên trong pin DMFC .

Q m II. 2. Hoạt động của pin nhiên liệu DMFCè K y ạ * Anode D + (Ruteni). / - Chất xúc tác thường dùng: Pt/Ru m o - Methanol và Nước .được c cung cấp vào anode. e l hóa tại anode sinh ra điện tử và ion H g - Methanol bị oxy o o CH OH G+ H O → CO + 6H + 6e +

3

2

+

-

2

Ion H+ sẽ di chuyển qua màng điện giải để đến cathode, các electron sẽ di chuyển ra mạch ngoài để đến cathode tạo thành mạch kín.

Kết quả, một phân tử Methanol tạo được 6 electron chạy trong mạch ngoài. * Cathode - Chất xúc tác thường dùng: Pt hoặc Pt/C; - Khí Oxy được cung cấp vào cathode; - Phản ứng điện cực 3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O 5 Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Phản ứng tổng CH3OH + 3/2O2 → CO2 + 2H2O

n ơ h

www.daykemquynhon.ucoz.com

N y u

Q m è

+D / m

K y ạ

o c . le

g o o

G

Hình 4. Cơ chế phản ứng ở pin nhiên liệu DMFC.

Như vậy, Methanol và Nước được dẫn liên tục vào anode, đồng thời Oxy được dẫn vào cathode. Phản ứng điện hóa xảy ra ở các điện cực sẽ làm sản sinh dòng điện chạy trong mạch ngoài.

6 Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Thực tế, phản ứng oxy hóa Methanol trong DMFC không phải là một quá trình đơn giản mà trải qua nhiều giai đoạn khác nhau. Tốc độ quá trình nhanh hay chậm phụ thuộc rất nhiều vào chất xúc tác tại các điện cực.

Dưới đây là một ví dụ về các bước oxy hóa Methanol với điện cực xúc tác hai thành phần Pt-M (M là Ru, Mo, Ir…).

n ơ h

www.daykemquynhon.ucoz.com

N y u

Q m è

+D / m

-

K y ạ

o c .

Hình 5.

Cấu tạo và hoạt động của pin nhiên liệu DMFC. e l g o Hấp phụ Methanol lên Platinium: o G Pt + CH3OH → Pt-(CH3OH)ads

-

Chia tách ion H+: Pt-(CH3OH)ads → Pt-(CH3O)ads + H+ + e-

-

Pt-(CH3O)ads

→ Pt-(CH2O)ads + H+ + e-

Pt-(CH2O)ads

→ Pt-(CHO)ads + H+ + e-

Pt-(CHO)ads

→ Pt-(CO)ads + H+ + e-

Hấp phụ Nước: M + H2O → M-(H2O)ads 7

Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

-

Oxy hóa CO: Pt-(CO)ads + M-(H2O)ads → Pt + M + CO2 + 2H+ + 2e-

-

Tổng kết quá trình tại anode: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6eỞ 25°C và 1 atm, phản ứng tổng của DMFC có ΔG = -698,2 (KJ.mol-1).

Như vậy, suất điện động của pin nhiên liệu DMFC về lý thuyết là 1,21 V. Tuy nhiên, suất điện động thực tế thu được tại lại thấp hơn nhiều so với giá trị này.

n ơ h

N y u

II. 3. Hoạt động của pin nhiên liệu IMFC

Q m è

* Fuel cartridge

Vừa là bình chứa nhiên liệu, đồng thời là nơi biến đổi nhiệt. * Reformer

+D / m

K y ạ

Là hệ thống chuyển hóa Methanol thành H2 và CO2, đồng thời không tiêu thụ khí

o c .

CH OH → 2H e+ CO l g CO + HoOo → H + G * Anode sinh ra.

3

2

2

H2 → 2H+

2

+

CO2

2e-

* Catode 1/2O2 + 2H+ + 2e-

→ H2 O

8 Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

n ơ h

N y u

Hình 6. Cơ chế phản ứng ở pin nhiên liệu IMFC.

K y ạ

II. 4. Hoạt động của pin nhiên liệu DEFC

+D / m

Q m è

o c . le

* Anode

g o o

G

C2H5OH

+

3H2O → 2CO2

+

12H+ +

12e-

* Catode 3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O

9 Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

n ơ h

www.daykemquynhon.ucoz.com

N y u

Q m è

+D / m

K y ạ

o c . le

g o o

G

Hình 7. Cơ chế phản ứng ở pin nhiên liệu DEFC.

10 Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

III. ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM III. 1. Ưu điểm - Nhiên liệu ở dạng lỏng, việc tiếp nhiên liệu nhanh chóng.

- Hoạt động khá yên tĩnh, không gây ồn vì không có chuyển động cơ học.

- Có độ ổn định và độ bền cao do hoạt động ở nhiệt độ thấp, do đó ít phải bảo quản và giá thành bảo dưỡng rẻ.

- Hiệu quả cao, có thể thiết kế kích thước tuỳ ý và dễ dàng lắp đặt cho các ứng dụng khác nhau.

- Gần như không gây ô nhiễm môi trường: không cháy, không thải khí độc SOx, còn

n ơ - Nguồn nguyên liệu Methanol dồi dào, rẻ, dễ vận chuyển hơnhnhiều so với Hydro.

N y u Q III. 2. Nhược điểm m è K tạo, đặc biệt là tính năng xúc tác tại các Cần có nhiều cải tiến trong công nghệychế ạ điện cực, để cải thiện hiệu suất pin, cải D thiện khả năng ngăn chặn sự khuếch tán Methanol + của PEM làm giảm điện thế pin, hư hại các điện / cũng như electron từ anode sang cathode m o cực. c . e ltrung gian trong quá trình phản ứng (ví dụ như CO) có thể hấp phụ Vấn đề sản phẩm g o trên bề mặt điện o cực, làm hư hại xúc tác, làm giảm hiệu suất pin.

G COx thì thấp hơn 2 lần và NOx thì thấp hơn 50 lần so với máy phát nhiệt điện.

Methalnol độc hại.

Giá thành còn cao.

11 Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

IV. ỨNG DỤNG VÀ KHẢ NĂNG PHÁT TRIỂN SẢN XUẤT IV. 1. Ứng dụng - Ứng dụng văn phòng: DMFC, IMFC và DEFC được dùng như là nguồn cung cấp điện chính và dự phòng cho các hoạt động văn phòng (bệnh viện, trường học, khách sạn, văn phòng làm việc…).

n ơ h

N y u

Q m Hình 8. Pin nhiên liệu do Phân viện Vật lý tại TP.HCM chế tạo (hình trái) è K y Nam do SHTP chế tạo (hình phài).

Pin nhiên liệu bằng công nghệ nano Việt ạ - Ứng dụng đời sống: +D / m o DMFC, IMFC và DEFC có thể được sử dụng như là nguồn cung cấp điện bổ sung và c . e dự phòng cho khu vực dân l sinh, hộ gia đình (tủ lạnh, máy nước nóng, máy sưởi…). g o và DEFC còn được ứng dụng trong các trạm phát điện, tuy nhiên vẫn DMFC, IMFC o G còn nhiều hạn chế ở lĩnh vực này.

- Ứng dụng hỗ trợ cho các thiết bị di động: DMFC, IMFC và DEFC có kích thước nhỏ có thể dùng để cung cấp điện cho điện thoại di động, máy tính sách tay, pin cũng có thể dùng thay thế cho các loại pin thông thường dùng trong các thiết bị điện tử.

Hãng Kurita Water của Nhật đã phát triển thành công một phương pháp mới, biến chất methanol, từng bị coi là độc hại, thành nguồn năng lượng an toàn cho thiết bị di động.

12 Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

Pin nhiên liệu methanol cho phép máy tính xách tay và điện thoại di động có thể hoạt động trong vài ngày, thậm chí vài tuần. Những công ty như Toshiba, IBM và Sanyo cũng đã thử nghiệm công nghệ cho laptop và nhiều sản phẩm khác, nhưng chất này có tỷ lệ độc hại cao, dễ cháy và có khả năng gây nổ trong một số tình huống. Tuy nhiên, bằng việc kết hợp methanol với một chất mà Kurita chưa tiết lộ, hãng này đã tạo ra pin nhiên liệu "methanol thể rắn" hoạt động ổn định và không ảnh hưởng đến người sử dụng.

Hợp chất "bí ẩn" được lưu dưới dạng bột hoặc theo những hình dạng khác nhau tùy ý. Chúng giữ methanol trong một mạng lưới phân tử và giải phóng chất này khi kết hợp với nước. Pin cũng có thể được sạc và sử dụng lại.

n ơ h

N y u

Q m è

+D / m

K y ạ

Hình 9 . Pin nhiên liệu DMFC dạng USB.

o c . le

- Ứng dụng trong giao thông vận tải:

g o vận tải như: xe hơi o (Honda, Toyota…), xe buýt, xe lửa, xe gắn máy (tay ga), xe điện sân G golf…, trong tương lai không xa NASA còn đặt mục tiêu ứng dụng vào các tàu du hành vũ DMFC, IMFC và DEFC còn được dùng làm nguồn cung cấp điện cho các thiết bị

trụ.

- Ứng dụng trong hàng hải: DMFC, IMFC và DEFC được dùng như là nguồn cung cấp điện ổn định cho các thiết bị sinh hoạt trên tàu chở dầu xuyên đại dương, du thuyền, thuyền câu cá…

- Ứng dụng trong quân sự: DMFC, IMFC và DEFC còn được ứng dụng trong quân sự: máy bay không người lái, robot thăm dò.

13 Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

IV. 2. Hướng phát triển Dựa trên một số điểm bất lợi của DMFC như: động học phản ứng oxy hoá diễn ra chậm, hiện tượng “Methanol crossover”, và hiện tượng tụ khí ở anode, nhiều nghiên cứu nhằm cải tiến DMFC đã được thực hiện: -

Nghiên cứu các loại xúc tác mới có thể giảm thiểu sự đầu độc và làm gia tăng tốc độ phản ứng, nghiên cứu giảm thiểu hiện tượng “Methanol crossover” và kiểm soát quá trình tụ khí ở anode.

-

Pin nhiên liệu IMFC (Indirect Methanol Fuel Cell) hay RMFC (Reformed Methanol Fuel Cell), hiện nay Mỹ đã nghiên cứu đến giai đoạn cuối cùng và đang nghiên cứu nâng cao hiệu suất của pin.

-

n ơ h

Hiện nay thế giới đang chú trọng việc nghiên cứu pin nhiên liệu DEFC (Direct Ethanol Fuel Cell) dùng thay thế cho pin DMFC nhằm để :

N y + nguồn nhiên liệu dễ tìm, có thể lên men trực tiếp từumột vài nguyên liệu như : mía, Q lúa mì, ngô và thậm chí cả rơm rạ … m è K + dễ lưu trữ y ạ + khả năng chịu được ảnh hưởng D của môi trường cao, an toàn + + mật độ năng lượng cao hơn /pin Methanol mdụng trong pin Ethanol là: Pt-Sn (3 : 1), nhưng giá thành o + xúc tác hiện nay được sử c . e rất cao. Ngày nayl ở Mỹ, người ta đã nghiên cứu và ứng dụng thành công xúc tác của g loại rẻ tiền. Hợp chất Fe-Ni-Co được sử dụng ở anode và Fe, Ni o các hợp chất kim o G hoặc Co được sử dụng ở catode cho mật độ năng lượng 140mW/cm ở mức 0.5V tại + giảm thiểu độc hại

2

nhiệt độ 250C.

14 Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. How fuel cells works www.howstuffworks.com/fuel-efficiency/alternative-fuels/fuel-cell.htm 2. Home_fuel cells energy www.fuelcellenergy.com 3. Direct methanol fuel cell-wikipedia www.wikipedia.org/wiki/direct-methanol-fuel-cell 4. Refermed methanol fuel cell-wikipedia www.wikipedia.org/wiki/reformed-methanol-fuel-cell 5. Direct ethanol fuel cell-wikipedia

n ơ h

www.wikipedia.org/wiki/direct-ethanol-fuel-cell 6. Direct methanol fuel cells-platinum metals review www.platinummaterialsreview.com

N y u

Q m www.americanhistory.si.edu/fuelcells/basic.htm è K 8. New analyst view: methanol and fuel cells y ạ www.fuelcelltoday.com D + / 9. Bipolar for PEM fuel cells: a review-ScienceDirect m o www.sciencedirect.com c . e l 10. Fuel cell-wikipedia g o www.wikipediw.org/wiki/fuel-cell o G 11. “Preparation and characterization of multiwalled carbon nanotube – supported 7. A basic overview of fuel cell technology

platinum for cathode catalysts of Direct Methanol Fuel Cells” Wenzhen Li, changhai Liang, Weijiang Zhou, …J. Phys. Chem. B 2003, 107, 6292-6299.

15 Nơi bồi dưỡng kiến thức Toán - Lý - Hóa cho học sinh cấp 2+3 / Diễn Đàn Toán - Lý - Hóa 1000B Trần Hưng Đạo Tp.Quy Nhơn Tỉnh Bình Định