Tiểu luận: NGHIÊN CỨU ĐIỆN CỰC TÍCH HỢP TRONG PIN NHIÊN LIỆU ETANOL SỬ DỤNG MÀNG TRAO ĐỔI ANION

Tổng quan về pin nhiên liệu sử dụng etanol làm nhiên liệu DAFC (Direct alcohol fuel cells) chuyển hóa trực tiếp năng lượn hóa học của alcohol thành năng lượng điện, hứa hẹn là một nguồn cung cấp năng lượng điện thân thiện với môi trường. Trong số những alcohol sử dụng làm nhiên liệu cho pin nhiên liệu, etanol ít độc và có thể sản xuất từ các sản phẩm nông nghiệp hoặc sinh khối bên cạnh ưu điểm năng lượng cao.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tiểu luận:NGHIÊN CỨU ĐIỆN CỰC TÍCH HỢP TRONG PIN NHIÊN LIỆU ETANOL SỬ DỤNG MÀNG TRAO ĐỔI ANION ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU KHÍ Môn học: Nhiên liệu sinh học và sinh học tái tạoNGHIÊN CỨU ĐIỆN CỰC TÍCH HỢP TRONGPIN NHIÊN LIỆU ETANOL SỬ DỤNG MÀNG TRAO ĐỔI ANION GVHD: TS.NGUYỄN HỮU LƯƠNG HV: HOÀNG MẠNH HÙNG MSHV: 10400156 Tp.HCM, 2011 Trang 0/8I. Tổng quan về pin nhiên liệu sử dụng etanol làm nhiên liệuDAFC (Direct alcohol fuel cells) chuyển hóa trực tiếp năng lượn hóa học củaalcohol thành năng lượng điện, hứa hẹn là một nguồn cung cấp năng lượng điệnthân thiện với môi trường. Trong số những alcohol sử dụng làm nhiên liệu chopin nhiên liệu, etanol ít độc và có thể sản xuất từ các sản phẩm nông nghiệphoặc sinh khối bên cạnh ưu điểm năng lượng cao. Do đó, nhiều nghiên cứu tậptrung để phát triển DEFCs, bao gồm DEFCs sử dụng màng trao đổi proton(PEM) và màng trao đổi anion (AEM). Tuy nhiên, DEFCs sử dụng màng traođổi proton sử dụng xúc tác kim loại Pt có hoạt tính thấp, cụ thể là etanol khó bịoxy hóa trong môi trường axit. Trong môi trường bazơ của DEFCs sử dụngmàng trao đổi anion sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng oxy hóa etanol vàphản ứng khử oxy, DEFCs màng trao đổi anion hoạt động mạnh hơn so vớiDEFCs màng trao đổi proton, ngay cả khi sử dụng kim loại không phải là Pt làmxúc tác. Hơn thế nữa DEFCs màng trao đổi anion nguyên liệu lỏng có những ưuđiểm của DMFCs (pin nhiên liệu sử dụng metanol), đó là: cấu trúc hệ thống đơngiản, năng lượng riêng cao. Với những đặc điểm nêu trên, DEFCs màng trao đổianion được tập trung nghiên cứu trong thời gian gần đây.Hơn một thập kỷ vừa qua, các nghiên cứu về pin nhiên liệu tập trung vào việcphát triển vật liệu chế tạo DEFCs màng trao đổi anion, bao gồm màng trao đổianion và xúc tác, và nghiên cứu cơ chế của các phản ứng oxy hóa ethanol vàphản ứng khử oxy. Vấn đề cốt lõi của hệ thống DEFCs màng trao đổi anion làkết cấu điện cực màng (MEA). Thiết kế cua MEA ảnh hưởng đến diện tích bềmặt hoạt động điện hóa và tính chất vận chuyển, điều này dẫn đến những ảnhhưởng đối với hoạt động của pin nhiên liệu. Hình 1 minh họa cấu trúc của MEAcủa một DEFCs màng trao đổi anion, được cấu tạo từ một cặp điện cực bao gồmlớp khuếch tán, lớp xúc tác và một màng trao đổi anion giữa các lớp xúc tác.Trong DEFCs, loại MEA này cho hiệu quả hoạt động không cao, điều này là dođộ dẫn ion thấp của cả màng trao đổi ion và ionomer. Hiện nay, một biện pháphiệu quả được sử dụng để tăng cường độ dẫn ion của màng là bổ sung kiềm (vídụ KOH) vào nhiên liệu. DEFC màng trao đổi anion cho hiệu quả hoạt động caohơn, chủ yếu là do giá trị pH tăng không chỉ làm tăng độ dẫn của màng trao đổianion mà còn tạo điều kiện thuận lợi để phản ứng oxy hóa etanol xảy ra dễ dànghơn.Điện cực được cấu tạo bởi một lớp bọt niken với nhựng lớp xúc tác mỏng bámtrên khung của lớp bọt. Thiết kế điện cực như vậy đảm bảo sự kết hợp giữa cáclớp khuếch tán và xúc tác, dẫn đến tăng diện tích bề mặt hoạt động và tạo điềukiện thuận lợi cho quá trình truyền khối. Trang 1/8Hình 1: Mô tả cấu trúc hình học của điện cực màng theo hai phương phápchuẩn bị khác nhau. a) điện cực anot tổng hợp theo phương pháp truyền thống; b) điện cực anot tích hợpII. Thực nghiệm II.1. Tổng hợp cấu trúc điện cực màng DEFCs màng trao đổi anion được tạo thành từ một MEA với diện tích hoạtđộng 1,0 cm x 1,0 cm, được kẹp giữa giữa 2 thiết bị thu hồi dòng điện và đượcgiữ bởi 2 tấm cố định. MEA bao gồm một điện cực catot với xúc tác fe-CoHYPERMEC K14, một màng trao đổi anion (A201, Tokuyyama) và một điệncực anot. Trên cực ano, xúc tác được chuẩn bị bằng cách trộn xúc tác PdNi/C(kích thước hạt trung bình là 3,5 nm) và polytetraflour etylen (PTFE) với etanolđóng vao trò là dung mô. Hàm lượng của PTEE được duy trì khoảng 5%kl. Hỗnhợp xúc tác được khuấy được liên tục trong bồn siêu âm 10 phút sao cho đạt đếnđộ phân tán yêu cầu. Hỗn hợp xúc tác được quét lên bề mặt bọt Ni (50 PPI,chiều dày 1mm) để tạo thành điện cực anot. Ngoài ra, hỗn hợp xúc tác được phaloãng bằng etanol và được khuấy liên tục trong bồn siêu âm, bọt xúc tác đượcnhúng vào hỗn hợp xúc tác trong thời gian 1 phút sau đó được đưa ra và làm khôbằng không khí, bằng cách này xúc tác và binder sẽ bám vào khung sườn củabọt niken. Lặp lại quá trình trên cho đến khi thu được điện cực anot tích hợptheo yêu cầu. Phương pháp nhúng phủ sử dụng PTEE như binder để bind các hạtxúc tác nhỏ (kích cỡ trung bình 3,5 nm) trên khung bọt Niken, điều này dẫn đếnhoạt tính cao hơn cho xúc tác. Hơn nữa, lớp xúc tác mỏng trên bề mặt điện cựcanot tích hợp được loại bỏ để làm giảm trở lực tiếp xúc giữa điện cực và thiết bịthu hồi dòng điện. ...