Tóm tắt 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

m2. - Điện cực được chế tạo bằng kỹ thuật ép nóng Ảnh hưởng của các thông số ép nóng: nhiệt độ ép, thời gian ép và lực ép được đánh giá. 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 - Kỹ thuật bar coating được sử dụng để phủ xúc tác lên trên màng Nafion. 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) Các phép đo điện hóa được thực hiện trong dung dịch H2SO4 0,5 M và thiết bị điện hóa sử dụng là PARSTAT2273 (EG&G –USA) với các phần mềm chuyên dụng. 2.4.2.2. Phương pháp phổ tổng trở điện hóa Phương pháp tổng trở điện hoá được sử dụng. Khoảng tần số đo được thay đổi trong khoảng 100 kHz – 10 mHz và giá trị điện áp xoay chiều sử dụng là 10 mV. 5 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) Trong nghiên cứu này, các vật liệu xúc tác Pt/C 20 %klg và 30 %klg sản xuất bởi hãng Fuelcellearth (mẫu FE - 20 và FE – 30) và Pt/C 20 và 40 %klg sản được xuất bởi hãng Johnson Matthey (mẫu JM - 20 và JM – 30) đã được nghiên cứu đánh giá tính chất bằng các phương pháp vật lý và điện hóa. Dựa vào các kết quả thu được, một loại vật liệu xúc tác Pt/C có hoạt tính và độ bền cao sẽ được lựa chọn sử dụng trong các nghiên cứu chế tạo pin nhiên liệu PEMFC. 3.1.1. Đánh giá tính chất điện hóa của các mẫu xúc tác Pt/C Tính chất quan trọng nhất của vật liệu xúc tác trong pin nhiên liệu là hoạt tính và độ bền của xúc tác trong môi trường hoạt động của pin. Vì vậy, việc tiến hành đánh giá các tính chất này quyết định đến việc lựa chọn loại xúc tác nào sử dụng trong những nghiên cứu tiếp theo. 3.1.1.1. Đánh giá hoạt tính xúc tác của các mẫu Pt/C Hình 3.2 biểu diễn đồ thị CV của vật liệu carbon Vulcan XC-72 và vật liệu Pt/C của các hãng FE và JM với hàm lượng 0,4 mg/cm2 trong dung dịch H2SO4 0,5 M. Từ đường cong CV, các giá trị ESA đã được tính toán từ các pic hấp phụ H2 trong khoảng điện thế 0-0,4 V. Giá trị diện tích ESA của các mẫu xúc tác được tổng hợp trên bảng 3.1. Các mẫu xúc tác của hãng JM có giá trị diện tích ESA cao hơn so với của các mẫu hãng FE. Như vậy các mẫu xúc tác của hãng JM có hoạt tính xúc tác cao hơn và đạt tới giá trị ESA cao nhất với mẫu xúc tác JM-40 lên tới khoảng 74,91 m2/g. Bảng 3.1. Giá trị diện tích hoạt hóa điện hóa ESA của các mẫu xúc tác Pt/C của các hãng FE và JM Các mẫu vật liệu xúc tác Kí hiệu mẫu FE-20 FE-30 JM-20 JM-40 ESA (m2/g) 56,99 62,88 64,91 74,91 Hình 3.2. 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 6 3.1.1.2. Đánh giá độ bền của các mẫu xúc tác Pt/C Hình 3.4 biểu diễn đồ thị CV của mẫu xúc tác FE-30 đo 1000 vòng trong thử nghiệm đánh giá độ bền. Sau mỗi 200 vòng CV, các đánh giá hoạt tính và sự suy giảm giá trị ESA được đo đạc và trình bày trong bảng 3.2 và 3.5. Các mẫu xúc tác JM có sự suy giảm giá trị ESA thấp hơn so với các mẫu xúc tác FE và mẫu JM-40 đạt giá trị thấp nhất 29,95 %. Hiện tượng suy giảm độ bền của vật liệu xúc tác Pt/C gây ra bởi: Thứ nhất, các hạt Pt sẽ bị hòa tan thành các ion theo các phương trình: Pt → Pt2+ + 2e (3.3) PtO + 2H+ → Pt2+ + H2O (3.4) Thứ hai, sự ăn mòn cacbon sẽ làm tách ra một phần các hạt cacbon nhỏ có mang xúc tác Pt. Ngoài ra, sự ăn mòn của nền cacbon có thể còn gây ra hiện tượng ngộ độc xúc tác do sự tạo thành sản phẩm khí CO. Bảng 3.2. Sự thay đổi giá trị ESA sau thử nghiệm độ bền 1000 chu kỳ của các mẫu xúc tác Pt/C khác nhau Hình 3.3. Mô hình minh họa các quá trình ảnh hưởng tới độ bền của vật liệu xúc tác Pt/C Các mẫu vật liệu xúc tác FE-20 FE-30 JM-20 JM-40 Tỉ lệ thay đổi ESA (%) 34 35,7 32,3 29,9 Hình 3.4. Đồ thị CV đánh giá độ bền trong 1000 chu kỳ của mẫu xúc tác FE-30 trong dung dịch H2SO4 0,5M Hình 3.5. 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 Như vậy, xúc tác JM-40 thể hiện hoạt tính và độ bền tốt nhất và được lựa chọn sử dụng trong các nghiên cứu tiếp theo. 7 3.1.2. Đánh giá tính chất vật lý của vật liệu xúc tác Pt/C Ảnh TEM của bốn loại xúc tác chỉ ra kích thước hạt Pt phổ biến nằm trong khoảng 3-4 nm. Hình 3.9, 3.10; 3.11; 3.12 trình bày ảnh TEM và đồ thị phân bố kích thước hạt xúc tác của các mẫu xúc tác Pt/C. So với mẫu xúc tác của FE, các mẫu xúc tác của JM dường như có kích thước nhỏ hơn và có độ phân bố đồng đều hơn. Kết quả chỉ ra trong bảng 3.3. Hình 3.9. Ảnh TEM và đồ thị phân bố kích thước hạt của vật liệu xúc tác FE-20 Hình 3.10. Ảnh TEM và đồ thị phân bố kích thước hạt của vật liệu xúc tác FE-30 Bảng 3.3. Kích thước trung bình của các hạt kim loại trong các mẫu xúc tác Pt/C Các mẫu vật liệu xúc tác FE-20 FE-30 JM-20 JM-40 Kích thước hạt trung bình (nm) 3, 3,5 3,1 3,2 Hình 3.11.Ảnh TEM và đồ thị phân bố kích thước hạt của vật liệu xúc tác JM-20. Hình 3.12. Ảnh TEM và đồ thị phân bố kích thước hạt của vật liệu xúc tác JM-40. Như vậy, xúc tác Pt/C 40% klg của hãng Johnson Matthey cho khả năng xúc tác và độ bền tốt nhất và được lựa chọn làm xúc tác trong nghiên cứu. 8 3.2. 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: nhiệt độ, thời gian, lực ép đến phẩm chất của điện cực màng được nghiên cứu. Ảnh hưởng của thành phần mực xúc tác gồm ảnh hưởng của hàm lượng chất dẫn ion nafion cũng được tiến hành. Điện cực màng được chế tạo từ: vật liệu xúc tác Pt/C 40%klg của hãng JM, hàm lượng Nafion 40%, mật độ xúc tác 0,4 mg Pt/cm2; Màng sử dụng Nafion 212, kích thước (5 x5) cm2 bằng quét phủ và được ép nóng tại các chế độ khác nhau. 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 MEA chế tạo từ: giá trị lực ép thay đổi khác nhau: 17, 19, 21, 24, 28 kg/cm2. Nhiệt độ ép T = 130 0C và thời gian ép 180 s. a. Đánh giá trính chất điện của các MEA qua đường cong phân cực U-I Hình 3.13 là đồ thị đường cong phân cực U-I của các MEA chế tạo tại các giá trị lực ép khác nhau. Với các giá trị lực ép trong khoảng 17-21 kg/cm2, các đường cong U- I dịch chuyển dần về phía bên trái ứng với sự tăng dần của giá trị dòng điện cùng tại cùng một giá trị điện thế. Điều này cho thấy rằng tính chất điện của các MEA trở nên tốt hơn khi tăng giá trị lực ép trong khoảng lực ép nghiên cứu. Còn ở lực ép cao hơn thì theo hướng ngược lại, tức là MEA xấu đi. Hình 3.13. 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 Hình 3.15 thể hiện sự thay đổi công suất cực đại của màng theo lực ép. Giá trị Pmax cao nhất đạt được là 365 và 374 mW/cm2 của các MEA chế tạo tại các giá trị lực ép 21 và 19 kg/cm2 tương ứng. 9 Hình 3.15. 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 Như vậy, qua khảo sát đánh giá ảnh hưởng của lực ép đến tính chất của MEA, các MEA chế tạo tại các giá trị lực ép 19 và 21 kg/cm2 sẽ cho tính chất điện tốt hơn cả. b/ Đánh giá điện thế mạch hở mạch của các điện cực màng Theo lý thuyết, thì điện áp tiêu chuẩn của một pin đơn sẽ là 1,23 V. Tuy nhiên, trong thực tế OCV của pin đơn sẽ thay đổi trong khoảng 0,9 đến 0,99 V. Hình 3.16 là đồ thị thay đổi OCV của các MEA chế tạo tại các giá trị lực ép khác nhau. Trên đồ thị có thể thấy rằng các MEA chế tạo tại các giá trị lực ép cao thì cho giá trị OCV bị giảm. Bảng 3.4. Sự thay đổi điện thế hở mạch theo lực ép Lực ép (kg/cm2) 17 19 21 24 28 OCV (mV) 920 955 965 960 9 6 Hình 3.16. 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 c. Đánh giá tính chất điện của các MEA bằng EIS Hình 3.17 biểu diễn đồ thị tổng trở của các MEA chế tạo tại các giá trị lực ép khác nhau. Mạch tương đương của các đồ thị tổng trở có thể được mô phỏng như trên hình 3.18. Trong đó: Rs là điện trở Ohm tổng điện trở của hệ; L là một cuộn cảm đặc trưng cho các ảnh hưởng tạo ra bởi các tấm thu điện và tất cả các thành phần kim loại có trong hệ. Rct là điện trở chuyển điện tích của hệ. 10 Bảng 3.5. Các giá trị Rs và Rct ngoại suy từ phổ EIS của các MEA chế tạo tại các giá trị lực ép khác nhau. Lực ép (kg/cm2) Rs (Ω.cm2) Rct (Ω.cm2) 17 0.215 5.739 19 0.241 3.015 21 0.425 18.80 24 0.611 40.233 28 0.824 76.737 Hình 3.17. Đồ thị Nyquist của các MEA chế tạo bằng phương pháp ép nhiệt tại các giá trị lực ép 17, 19, 21, 24 và 28 kg/cm2 Hình 3.18. Mô hình mạch tương đương của phổ EIS cho một pin nhiên liệu PEMFC Từ dữ liệu tính toán được (bảng 3.5) có thể thấy rằng các giá trị điện trở của các MEA bị ảnh hưởng nhiều của các giá trị lược ép. Khi giá trị lực ép vượt quá 24 kg/cm2, giá trị Rs có sự thay đổi lớn đặc biệt là tại giá trị lực ép 28 kg/cm2. Điện cực màng MEA chế tạo tại lực ép 19 kg/cm2, giá trị Rct đạt được là nhỏ nhất có thể do tiếp xúc của lớp xúc tác với màng Nafion khi chế tạo tại điều kiện ép nhiệt này đạt hiệu quả tối ưu nhất nên tính chất điện có thể được cải thiện. 3.2.1.2. Ảnh hưởng của lực ép lên sự biến dạng của điện cực màng MEA Từ các kết quả đo đạc tính chất điện của điện cực màng chế tạo tại những lực ép khác nhau. Ta nhận thấy rằng tính chất điện của điện cực đạt được tốt nhất trong khoảng từ 19-21 kg/cm2. Như vậy, lực ép có ảnh hưởng tới các tính chất điện của điện cực màng, điều này được dự đoán là do sự biến dạng trong cấu trúc của MEA. Sự thay đổi giá trị lực ép làm điện cực có những mức độ biến dạng khác nhau mà trước tiên là thể hiện sự biến đổi của chiều dày (kết quả được tổng hợp trên bảng 3.6), sự biến dạng cơ học của điện cực màng MEA (hình 3.19 và 3.20) và sự biến dạng của màng điện ly (bảng 3.17). Hình 3.21 và hình 3.22 là hình ảnh kết quả phân tích của một điện cực màng MEA điển hình chế tạo tại điều kiện ép nóng: lực ép 19 kg/cm2, nhiệt độ ép 130 oC và thời gian ép 180 s. Các kết quả phân tích EDX của lớp xúc tác cho thấy thành phần của lớp này chỉ bao gồm vật liệu xúc tác Pt/C được bao bọc bởi các chất dẫn ion là Nafion dạng rắn. Trong khi đó, kết quả thành phần của màng trao đổi proton chủ yếu là các nguyên tố C, O và F và 11 điều này xác nhận thành phần cấu tạo chủ yếu của màng là hợp chất Nafion. Chính sự đồng nhất trong sử dụng hợp chất nNafion trong lớp xúc tác và màng trao đổi proton Nafion sẽ làm cho liên kết của các lớp này chặt chẽ hơn và làm tăng tính chất của điện cực màng. Bảng 3.6. Sự thay đổi chiều dày của các MEA theo lực ép Lực ép (kg/cm2) 17 19 21 24 28 Chiều dày (µm) 671 662 663 618 614 Bảng 3.7. Chiều dày và sự biến dạng của màng Nafion 212 trong MEA chế tạo bằng phương pháp ép nóng tại các giá trị lực ép khác nhau Lực ép (kg/cm2) 17 19 21 24 28 Chiều dày (µm) 48,3 45,7 42,1 33,7 30,8 Thay đổi chiều dày (%) 3,2 8,9 15,4 25,5 46,8 Hình 3.19. Ảnh chụp điển hình điện cực màng MEA chế tạo tại các lực ép khác nhau Hình 3.20. 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 Hình 3.21. Kết quả phân tích EDX của mặt cắt ngang mẫu điện cực màng MEA tại vị trí lớp xúc tác Hình 3.22. Kết quả phân tích EDX của mặt cắt ngang mẫu điện cực màng MEA tại vị trí màng trao đổi proton. 12 Từ các kết quả phân tích EDX và dựa trên một số mô hình cấu trúc của điện cực màng [95], chúng tôi đã tiến hành xây dựng một mô hình cụ thể hơn để có thể từ đó giải thích được các quá trình ảnh hưởng đến tính chất của điện cực màng MEA. Chúng tôi xây dựng mô hình bổ xung (hình 3.24) cho phù hợp với quá trình phản ứng xảy ra trong vùng anot và catot của điện cực màng MEA. Trên cơ sở mô hình được đề xuất chúng tôi áp dụng để giải thích các cơ chế của quá trình công nghệ (hình 3.25 đến hình 3.28). Hình 3.24. Mô hình giải thích quá trình phản ứng trong điện cực màng MEA Hình 3.25. Mô hình quá trình chế tạo mực xúc tác Hình 3.26. Mô hình quá trình tạo lớp xúc tác lên trên lớp khuếch tán Hình 3.27. Mô hình cấu trúc của MEA sau khi ép nóng a). Lực ép nhỏ b). Lực ép vừa đủ c). Lực ép lớn Hình 3.28. Mô hình cấu trúc MEA với các lực ép khác nhau 3.2.1.3. Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ ép lên tính chất của MEA 13 Từ thí nghiệm trên lực ép 19 kg/cm2 được chọn và giữ cố định trong các khảo sát tiếp theo. Nhiệt độ ép nóng được lựa chọn ba giá trị là 100, 130, và 140 oC; thời gian ép được thay đổi lần lượt là 90, 120, 180, 240, và 300 s. Bảng 3.8. Sự thay đổi công suất của các MEA theo nhiệt độ và thời gian ép Thời gian ép Công suất cực đại (mW) Hình 3.32. Đặc trưng công suất phụ thuộc thời gian và nhiệt độ ép 100 oC 130 oC 140 oC 90 s 266 329 283 120 s 273 351 292 180 s 280 369 306 240 s 278 363 298 300 s 268 355 289 Sự ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ ép lên tính chất của các MEA được tổng hợp trong Bảng 3.8 và được biểu diễn trên đồ thị trong hình 3.31. Kết quả tốt nhất nhận được ở giá trị lực ép 19 kg/cm2, nhiệt độ ép 130 oCvà thời gian ép 180 s. Đây chính là thông số tối ưu của phương pháp chế tạo MEA bằng kỹ thuật CCS. 3.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng nafion trong lớp xúc tác đến tính chất của điện cực màng MEA Ảnh hưởng của Nafion tới tính chất MEA được thực hiện với hàm lượng Nafion thay đổi từ 20, 30, 40 và 50% khối lượng của mực xúc tác. Đồ thị phân cực U-I và P-I (hình 3.34 và 3.35) cho thấy điện cực MEA với hàm lượng Nafion 40% cho chất lượng tốt nhất. Mật độ công suất cực đại đạt được lên tới 751 mW/cm2 như trình bày trên bảng 3.9. Hình 3.34. Đường cong phân cực U-I của các MEA với hàm lượng Nafion khác nhau Hình 3.35. Đường cong P-I của các MEA với hàm lượng Nafion khác nhau 14 Bảng 3.9. Giá trị công suất cực đại tại 0,4 V của các MEA với hàm lượng Nafion khác nhau Hàm lượng Nafion (% k.lg) Phần trăm khối lượng rắn 20 30 40 50 Mật độ công suất Pmax (mW/cm2) 196 355 751 680 3.2.3. Quy trình thích hợp chế tạo điện màng MEA bằng phương pháp CCS Qui trình chế tạo MEA bằng phương pháp CCS đã được đưa ra như trên hình 3.37. Hình 3.37. Quy trình chế tạo MEA bằng phương pháp phủ xúc tác trực tiếp lên trên lớp khuếch tán 3.3. Nghiên cứu chế tạo điện cực màng bằng phương pháp đề can MEA chế tạo bằng phương pháp đề can (DTM) đã được thực hiện. Các đặc trưng tính chất của điện cực này đã được đánh giá và so sánh với điện cực màng MEA chế tạo bằng phương pháp CCS. Giá trị công suất cực đại của MEA chế tạo bằng phương pháp DTM là 0,905 W/cm2 cao hơn khoảng 18% so với MEA chế tạo bằng phương 15 pháp CCS là 0,768 W/cm2. Như vậy, khi sử dụng phương pháp đề can (DTM), tính chất điện của điện cực màng MEA đã cải thiện tới 18%. Sở dĩ chất lượng có thể đạt được như vậy là do lớp mực xúc tác mỏng, đồng đều và liên kết tốt với màng Nafion. Tuy nhiên, phương pháp đề can tương đối phức tạp, tỉ lệ tổn hao xúc tác khá lớn. Hơn nữa, sử dụng phương pháp DTM cần thực hiện 2 quá trình ép nóng, điều này có thể gây ra các vết nứt, gãy trong lớp xúc tác và gây ra sự biến dạng, giảm phẩm chất của màng Nafion và làm giảm phẩm chất, tuổi thọ của pin nhiên liệu. Hình 3.39. Ảnh SEM mặt cắt ngang của điện cực màng MEA chế tạo bằng phương pháp đề can Hình 3.40. Các đồ thị đường cong phân cực U-I và P-I của các MEA chế tạo bằng phương pháp đề can (DTM) và CCS Bảng 3.10. Tổng hợp các đặc trưng phát điện của các MEA chế tạo bằng các phương pháp DTM và CCS OCV (V) I (A/cm2) V (V) P max (W/cm 2) DTM 0,983 2,26 0,4 0,905 CCS 0,95 1,92 0,4 0,768 Trong điều kiện nước ta hiện nay kỹ thuật DTM còn chưa phù hợp và việc nghiên cứu của luận án vẫn tập trung sử dụng phương pháp truyền thống là CCS và nghiên cứu về hoạt động của pin nhiên liệu PEMFC. Kết luận chương III Tóm lại, kết quả nghiên cứu trong phần này cho chúng ta thấy rằng: - Vật liệu xúc Pt/C 40%klg của hãng Johnson Matthey cho tính năng tốt hơn so với một số vật liệu xúc tác thương mại Pt/C phổ biến trên thị trường và đã được lựa chọn làm xúc tác sử dụng trong nghiên cứu này. 16 - Hàm lượng Nafion trong xúc tác, một yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới tính chất của điện cực màng MEA cũng đã được nghiên cứu. Thành phần Nafion thích hợp đã được tìm ra là khoảng 40% khối lượng rắn của xúc tác. - Chế độ công nghệ thích hợp cho việc chế tạo điện cực màng MEA chất lượng tốt được tìm ra. Đó là chế tạo điện cực màng MEA với lớp mực xúc tác có thành phần 60% Pt và 40% Nafion được phủ bằng kỹ thuật quét và ép nóng với các thông số: nhiệt độ 130 oC, thời gian ép là 180 s và lực ép 19 kg/cm2. - Một mô hình cấu tạo và tương tác của các phản ứng điện hóa xảy ra trong điện cực màng MEA được phát triển. Mô hình này đã được sử dụng để giải thích các yếu tố công nghệ ảnh hưởng tới chất lượng của MEA. Chương IV. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ PIN NHIÊN LIỆU CÔNG SUẤT 100W Với mục đích là chế tạo hoàn thiện được một bộ pin nhiên liệu (PEMFC) công suất ~ 100 W. Bộ pin PEMFC bao gồm 10 pin đơn mắc nối tiếp nhau, mỗi pin đơn có diện tích hoạt động là 25 cm2. 4.1. Nghiên cứu cấu hình kênh dẫn khí trên tấm lưỡng cực. Trong nghiên cứu này, ba cấu hình kênh dẫn khí được lựa chọn là: 1 rãnh, 3 rãnh và 5 rãnh trong cấu trúc gấp khúc được thiết kế và chế tạo trên các tấm lưỡng cực có diện tích vùng khắc rãnh là (5 x 5) cm2 với kích thước rãnh rộng và sâu là 1 mm. Các bản vẽ thiết kế được thực hiện bằng phần mềm Autocard 2007. Sau đó, các thiết kế được chuyển qua máy cơ khí CNC để gia công. Vật liệu được sử dụng để chế tạo BP là tấm graphite HK3 (Tokai, Nhật) có kích thước 130x1300x10 mm. Hình 4.2; 4.4 và 4.6 là hình vẽ thiết kế các cấu hình kênh dẫn khí gồm 1 rãnh, 3 rãnh và 5 rãnh. Mỗi bộ pin gồm một cặp lưỡng cực BP. Hình 4.3; 4.5 và 4.6 là ảnh chụp các tấm lưỡng cực đã được chế tạo. Các kết quả đo phân cực U-I tại cùng một thông số vận hành: nhiệt độ, độ ẩm, lưu lượng được trình bày trên hình 4.8 và 4.9. 17 Hình 4.2. Thiết kế cấu hình Bipolar 1 rãnh gấp khúc Hình 4.3. Bipolar chế tạo được có cấu hình Bipolar 1 rãnh gấp khúc Hình 4.4. Thiết kế cấu hình Bipolar 3 rãnh gấp khúc Hình 4.5. Bipolar chế tạo được có cấu hình Bipolar 3 rãnh gấp khúc Hình 4.6. Thiết kế cấu hình Bipolar 5 rãnh gấp khúc Hình 4.7. Bipolar chế tạo được có cấu hình Bipolar 5 rãnh gấp khúc Các kết quả đo phân cực U-I và P-I tại cùng một thông số vận hành như: nhiệt độ, độ ẩm, lưu lượng khí được trình bày trên hình 4.8 và 4.9. 18 Hình 4.8. Đường cong phân cực của các mẫu Bipolar có cấu hình kênh dẫn khác nhau Hình 4.9. Đặc trưng công suất của các mẫu Bipolar có cấu hình kênh dẫn khác nhau Trong vùng mật độ dòng điện từ 0,3 A/cm2 – 0,9 A/cm2 cấu hình 5 rãnh khí cho chất lượng tốt hơn 3 rãnh, 1 rãnh. Vì ở vùng này, sự sụt giảm điện áp gần như tuyến tính sự tăng của mật độ dòng điện trong pin. Sự sụt giảm này chủ yếu ảnh hưởng bởi điện trở nội của pin. Do vậy, vì cấu hình 5 rãnh cho sự phân bố khí đồng đều hơn nên cho giá trị công suất lớn hơn. Vùng mật độ dòng điện lớn hơn 0,9 A/cm2 cấu hình 5 rãnh khí và 3 rãnh có xu hướng bằng nhau. Trong vùng mật độ dòng điện lớn, ảnh hưởng chủ yếu là các quá trình vận chuyển và khống chế chuyển khối của dòng khí nhiên liệu. Cấu hình 5 rãnh có sự chênh lệch áp suất giữa hai đầu vào và ra của khí thấp hơn nên khả năng giải phóng nước của cấu hình này kém hơn 3 rãnh và vì vậy có thể do bị ngập úng nên chất lượng của MEA 5 rãnh giảm đi và MEA 3 rãnh tăng lên. Trong bộ ghép nối tiếp các pin nhiên liệu, phẩm chất của hệ được quyết định bởi đơn cell có phẩm chất kém nhất. Nên việc lựa chọn cấu hình kênh dẫn phải đảm bảo sao cho mỗi pin đơn hoạt động ổn định nhất, được cấp khí phản ứng đầy đủ nhất và không bị ngập úng cục bộ. Do đó, cấu hình 3 rãnh được chọn cho việc ứng dụng trong bộ pin 100 W. 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 Công suất đầu ra của bộ được tính bởi công thức: P = iA.nVcell 4.2.2. Thiết kế và chế tạo các bộ phận của bộ pin nhiên liệu công suất 100 W Với yêu cầu công suất đầu ra khoảng 100 W, chúng tôi lựa chọn thiết kế bộ gồm 10 pin đơn mắc nối tiếp nhau, mỗi pin đơn có diện tích hoạt động là 25 cm2. Các pin đơn được mắc nối tiếp và sử dụng mô hình cấp khí dạng chữ U. Các bản vẽ thiết kế và các tấm lưỡng cực đã chế tạo được trình bày trên Hình 4.11 và 4.12. 19 4.2.2.1. Thiết kế, chế tạo các tấm lưỡng cực Từ các yêu cầu thiết kế chế tạo các tấm lưỡng cực được thiết kế và chế tạo như trình bày trên hình 4.11 và 4.12. Hình 4.11. Thiết kế tấm lưỡng cực Bipolar Hình 4.12.Các lưỡng cực Bipolar đã gia công chế tạo 4.2.2.2. Thiết kế, chế tạo các tấm thu điện, tấm vỏ pin và gioăng Từ các yêu cầu thiết kế chế tạo các tấm thu điện, tấm vỏ được thiết kế và chế tạo như trình bày trên hình 4.13, 4.14, 4.15 và 4.16. Hình 4.13. Thiết kế tấm thu điện Hình 4.15. Thiết kế các tấm vỏ của pin nhiên liệu Hình 4.14. Chế tạo tấm thu điện Hình 4.16. Chế tạo tấm vỏ của pin nhiên liệu Hình 4.17. Hình ảnh của các gioăng tấm nhựa phủ Nafion và gioăng cầu cao su 20 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 Tính toán lượng khí nhiên liệu cần thiết cho quá trình vận hành pin nhiên liệu. Khi pin nhiên liệu vận hành sẽ tạo ra một giá trị dòng điện dựa trên một lượng nhất định nhiên liệu bị tiêu thụ. Quan hệ giữa dòng điện tạo ra và khối lượng nhiên liệu được tính toán dựa trên định luật Faraday. Phương trình này được sử dụng để tính lượng oxy và hydro cần thiết sử dụng trong pin nhiên liệu PEM. Lưu lượng khí oxy là FV MP m c O O .4 . )( 2 2  Lưu lượng khí hydro là FV MP m c H H .2 . )( 2 2  4.3.2. Ảnh hưởng của lưu lượng khí nhiên liệu đến đặc trưng của pin nhiên liệu Trong thực tế, người ta thường đưa vào lượng nhiên liệu lớn mức tiêu thụ trong pin theo tính toán lý thuyết. Do đó, xuất hiện khái niệm hệ số sử dụng nhiên liệu S bằng hiệu của Vin là tốc độ nhiên liệu cấp vào chia cho tốc độ tiêu thụ nhiên liệu theo lý thuyết Vlt . Bảng 4.3 Các giá trị lưu lượng khí hydro và oxy được khảo sát Cell (cm2) P (W) Lưu lượng hydro (ml/phút) Lưu lượng oxy (ml/phút) S= 1 S=1,2 S=1,5 S= 2 S = 1 S=1,2 S=1,5 S= 2 25 10 83 100 125 167 125 150 187 250 Hình 4.18 là đồ thị đường cong phân cực U-I của pin đơn với các lưu lượng khí Hydro cấp khác nhau. Như vậy, với sự thay đổi nồng độ khí hydro cấp vào cho pin nhiên liệu PEM ta thấy rằng các giá trị hệ số sử dụng nhiên liệu hydro là 1,5 và 2 đều có thể lựa chọn là các giá trị thích hợp để cho pin hoạt động tốt nhất trên quan điểm nguồn cấp khí; Đường cong phân cực của các pin đơn ứng với sự thay đổi nồng độ khí oxy được trình bày trên hình 4.19. Giá trị nồng độ oxy ứng với s = 2 cho đặc trưng tốt nhất. Như vậy, chúng tôi xác định được lưu lượng khí oxy và hydro phù hợp nhất để cung cấp cho một pin đơn có diện tích hiệu dụng 25 cm2 hoạt động hiệu quả là: khí hydro với lưu lượng 125 sccm, hệ số sử dụng nhiên liệu s = 1,5 và khí oxy với lưu lượng 250 sccm, hệ số sử dụng nhiên liệu s = 2. 21 Hình 4.18. Ảnh hưởng của lưu lượng khí Hydro đến hiệu suất của PEMFC Hình 4.19. Ảnh hưởng của lưu lượng khí Oxy đến hiệu suất của PEMFC 4.3.3. Ảnh hưởng của độ ẩm đến tính chất của pin nhiên liệu Đặc trưng phát điện của các điện cực màng khi hoạt động ở các độ ẩm khác nhau được trình bày trên hình 4.21 và 4.22. Từ các đồ thị các đường cong phân cực U-I, và P-I có thể thấy rằng công suất và đường cong phân cực tăng khi độ ẩm của khí phản ứng tăng. Giá trị độ ẩm tương đối phù hợp cho vận hành pin nhiên liệu nằm trong khoảng 80 - 100%