Thiết kế màng điện cực lắp ráp trong pin nhiên liệu methanol trực tiếp (dmfc) ứng dụng cho xe chạy điện

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ HỮU VIỆT THIẾT KẾ MÀNG ĐIỆN CỰC LẮP RÁP TRONG PIN NHIÊN LIỆU METHANOL TRỰC TIẾP (DMFC) ỨNG DỤNG CHO XE CHẠY ĐIỆN Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2010 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày………tháng……… năm ……… Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) ……………………………………………… ……………………………………………… ……………………………………………… ……………………………………………… ……………………………………………… Xác định Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành sau luận văn sữa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành iii LỜI CẢM ƠN Tác giả cảm thấy hạnh phúc học tập hoàn thành luận văn tốt nghiệp Xin gởi lời cảm ơn đến thầy giáo, gia đình, bạn bè giúp đỡ nhiều trình thực đề tài Đầu tiên, tác giả chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Đặng Văn Nghìn, người trực tiếp tận tình hướng dẫn, quan tâm, động viên giúp đỡ suốt trình thực đề tài Xin gởi lời cảm ơn đến cán Thầy Cơ giáo khoa Cơ Khí, Thầy Cô Hội đồng bảo vệ Luận văn Thạc sĩ có đóng góp chân thành để tác giả bổ sung hoàn thiện đề tài Xin gởi lời cảm ơn đến tập thể cán thầy phịng Đào tạo sau đại học tạo điều kiện thuận lợi suốt khóa học Xin gởi lời cảm ơn đến tập thể lớp cao học, bạn bè giúp đỡ, động viên tác giả suốt q trình học tập hồn thành luận văn Cuối xin gởi lời cảm ơn đến gia đình ln bên cạnh động viên giúp đỡ để tác giả kết thúc khóa học hồn thành luận văn Tác giả Lê Hữu Việt iv LỜI MỞ ĐẦU Cùng với phát triển kinh tế nhu cầu sử dụng nhiên liệu để phục vụ đời sống sản xuất sinh hoạt ngày tăng cao toàn giới Tuy nhiên, hầu hết nguồn lượng cung cấp từ nhiên liệu hóa thạch nguồn lượng bị khai thác triệt để dẫn đến ngày cạn kiệt Đồng thời, người phải đối mặt với trình trạng nhiễm mơi trường chất thải từ việc sử dụng loại nhiên liệu Vì vậy, cần tìm kiếm nguồn lượng thay nguồn nhiên liệu Pin nhiên liệu loại nhiên liệu phát triển mạnh thời gian gần Hiện nay, giới có nhiều trung tâm nghiên cứu lượng nổ lực nghiên cứu phát triển công nghệ nguồn lượng Ở Việt Nam nguồn lượng mẻ, nên mục tiêu luận văn giới thiệu tổng quan pin nhiên liệu nói chung pin nhiên liệu methanol trực tiếp nói riêng, từ vận dụng thiết kế màng điện cực lắp ráp cho pin nhiên liệu methanol trực tiếp Tác giả Lê Hữu Việt v TÓM TẮT LUẬN VĂN Pin nhiên liệu thiết bị chuyển hóa lượng hóa học thành lượng điện với nhiều loại pin nhiên liệu khác có kết thành phần, phản ứng hóa học khác Luận văn nghiên cứu lý thuyết tổng quát trình hoạt động loại pin thơng dụng Luận văn tập trung trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu methanol trực tiếp (DMFC: Direct Methanol Fuel Cell), xác định yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động hiệu suất vấn đề thương mại DMFC Từ nghiên cứu thiết kế chế tạo màng điện cực lắp ráp (MEA: Membrane Electrode Assymbly) pin nhiên liệu DMFC Kết thu màng điện cực lắp ráp thiết kế, chế tạo với hình dạng sóng tam giác Màng dùng để lắp ráp với thành phần khác để tạo pin nhiên liệu DMFC hoạt động với công suất 300W ứng dụng nhằm cung cấp lượng cho xe chạy điện vi QUI ƯỚC VÀ KÝ HIỆU Qui ước Hình 2.5 Hình chương Bảng 2.1 Bảng chương Ký hiệu MEA Màng điện cực lắp ráp (Membrane Electrode Assymbly) PEM màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane) GDL Lớp khuếch tán khí (Gas Diffusion Layer) PAFC Pin nhiên liệu axit phosphoric (phosphoric acid fuel cell) PEMFC Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) DMFC Pin nhiên liệu methanol trực tiếp (direct methanol fuel cell) AFC Pin nhiên liệu kiềm (alkaline fuel cell) MCFC Pin nhiên liệu carbonate nóng chảy (molten carbonate fuel cell) SOFC Pin nhiên liệu oxít rắn (solid oxide fuel cell) RFC Pin nhiên liệu tái sinh (regenerative fuel cell) ZAFC Pin nhiên liệu kẽm – khơng khí (zinc - air fuel cell) BFC Pin nhiên liệu sinh học (bio-fuel cell) PCFC Pin nhiên liệu gốm proton (protonic ceramic fuel cell) vii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI MỞ ĐẦU TÓM TẮT LUẬN VĂN ABSTRACT QUI ƯỚCVÀ KÝ HIỆU MỤC LỤC Chương GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Xe máy, xe đạp chạy pin nhiên liệu 1.3 Mục tiêu luận văn 11 Chương NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU 12 2.1 Lịch sử hình thành phát triển pin nhiên liệu 12 2.2 Cấu tạo 13 2.3 Nguyên lý hoạt động 14 2.4 Phân loại 15 2.5 Ưu nhược điểm pin nhiên liệu 27 2.6 Phạm vi ứng dụng 28 2.7 Kết luận 33 Chương PIN NHIÊN LIỆU METHANOL TRỰC TIẾP (DMFC) 34 3.1 Pin nhiên liệu methanol trực tiếp 34 3.1.1 Thành phần cấu tạo DMFC 35 3.1.2 Phản ứng hóa học DMFC 38 3.1.3 Hiệu điện DMFC 40 3.1.4 Ưu nhược điểm DMFC 41 3.2 Chọn công suất động thiết kế 41 viii 3.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu 41 3.3.1 Các nghiên cứu nước 42 3.3.2 Các nghiên cứu nước 43 3.3.2.1 Các nghiên cứu 43 3.3.2.2 Hiện tượng methanol thẩm thấu qua màng .45 3.3.2.3 Tốc độ phản ứng chậm 46 3.3.2.4 Vấn đề bọt khí CO2 47 3.3.2.5 Tích hợp hệ thống .48 3.3.2.6 Kỹ thuật sản xuất chế tạo 49 3.3.2.7 Vấn đề chi phí độ bền 51 3.4 Kết luận 52 Chương THIẾT KẾ MÀNG ĐIỆN CỰC LẮP RÁP (MEA) TRONG PIN NHIÊN LIỆU METHANOL TRỰC TIẾP 53 4.1 Thông số thiết kế pin 53 4.2 Chế tạo màng điện cực lắp ráp cho pin nhiên liệu methanol trực tiếp 55 4.3 Thiết kế hình dạng hình học MEA 57 4.4 Tạo hình màng điện cực lắp ráp 69 4.5 Kết luận 71 Chương KẾT LUẬN 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 73 Chương GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề Hầu hết nguồn lượng giới cung cấp từ nhiên liệu hóa thạch nguồn lượng ngày cạn kiệt với phát triển xã hội Đồng thời chất thải từ nguồn gây ô nhiễm môi trường ngày nghiêm trọng Theo dự đốn, với đà tiêu thụ nguồn lượng bị cạn kiệt vào nửa sau kỷ 21 Đây toán lớn giới kỷ 21 cần phải giải cách tìm kiếm nguồn lượng để thay nhằm đáp ứng yêu cầu thời đại Ơ tơ, xe máy phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu từ xăng, dầu Cũng điều mà lượng khí thải từ loại phương tiện gây lớn Thời gian gần đây, phương tiện xe máy điện, xe đạp điện mà đặc biệt phương tiện giao thông sử dụng pin nhiên liệu nguồn cung cấp ngày ý đến phương tiện thay cho phương tiện sử dụng loại nguyên liệu gây ô nhiễm môi trường để giải vấn đề Pin nhiên liệu thiết bị chuyển đổi trực tiếp lượng hóa học thành lượng điện Nó hoạt động dựa việc cấp nhiên liệu oxy mà không cần cung cấp nguồn lượng khác Đó lý có lợi khơng thể phủ nhận so với pin thông thường khác Bên cạnh đó, pin nhiên liệu trọng phát triển nhờ vào ưu điểm không gây ô nhiễm môi trường, không ồn không độc hại sử dụng Pin nhiên liệu cung cấp dòng điện chiều (DC) dùng cho mơ tơ, đèn điện, hay thiết bị gia dụng Nếu cần, dòng điện DC chuyển sang dịng điện xoay chiều (AC) qua máy chuyển điện Trong tương lai, pin nhiên liệu hay gọi tế bào nhiên liệu có khả thay ứng dụng rộng rãi giao thông, công nghiệp lượng máy phát điện, máy tur-bin, động xăng dầu xe, điện cho máy vi tính cầm tay, điện thoại di động, thiết bị văn phòng thiết bị điện tử cầm tay Động tur-bin hay xăng dầu sử dụng áp suất tạo khí nóng đốt cháy, nóng giãn nở tạo thành áp suất, từ áp suất tạo điều kiện cho động làm việc Pin chuyển lượng hóa học thành lượng điện Pin nhiên liệu có khả làm hai nhiệm vụ hiệu quả, vừa tạo lượng điện, vừa tạo sức nóng cho động làm việc Hình 1.1 Pin nhiên liệu Theo thống kê Bộ Năng Lượng Hoa Kỳ (Department of Energy) năm 2009 cho biết nhu cầu sử dụng nhiên liệu thị trường Mỹ sau: 62 Hình 4.6 Pin nhiên liệu với thiết kế MEA có hình dạng sóng chữ nhật Hệ số mật độ bề mặt phản ứng:       2           2 ¾ Dạng sóng tam giác MEA với biên dạng hình tam giác cân có hai góc đáy α Khi đó, hệ số giãn dài sóng , diện tích thể tích tổng thể pin nhiên liệu xác định công thức: 2 63    2 Hình 4.7 Pin nhiên liệu với thiết kế MEA có hình dạng sóng tam giác Hệ số mật độ bề mặt phản ứng:       2 ¾ Dạng hình khối Hình 4.8 Pin nhiên liệu với thiết kế MEA có dạng hình khối 64 Với hình dạng khối MEA chế tạo thành khối 3D với chiều dài cạnh a chiều cao c số khối 3D tạo MEA pin xác định sau: số khối theo chiều rộng MEA Vậy tổng số khối , số khối theo chiều dài Hệ số giãn dài hình dạng khối , Diện tích phản ứng thể tích tổng thể pin xác định sau:          2 2 Hệ số mật độ bề mặt phản ứng:       Khảo sát mối quan hệ A/V dạng hình học MEA khác với pin nhiên liệu có thơng số sau ta có sơ đồ hình 4.9 c = 0.4cm e = 0.03cm d = 0.0125cm f = 0.3cm Dựa vào sơ đồ trên, ta thấy tỷ lệ A/V MEA có dạng phẳng có giá trị số khơng đổi Tỷ lệ A/V MEA hình dạng tam giác thấp dạng hình chữ nhật hình khối 3D Tỷ lệ A/V phụ thuộc vào hệ số giãn dài chiều cao chiều rộng kênh dẫn Tỷ lệ chiều cao chiều rộng MEA hình dạng tam giác phụ thuộc vào góc nghiên α đáy tam giác Giả định rằng, tổng thể tích pin khơng đổi Khi đó, mối liên quan A/V góc α trường hợp MEA 65 A/V (cm2/cm3) hình dạng tam giác thể sơ đồ hình 4.10 A/V (cm2/cm3) Hình 4.9 Biểu đồ mối quan hệ hệ số dãn dài mật độ bề mặt phản ứng Góc nghiên tam giác: α Hình 4.10 Biểu đồ mối quan hệ hệ số dãn dài mật độ bề mặt phản ứng Khi góc α tiến đến 900 tỷ lệ A/V tiến đến vơ Khi đó, hình dạng MEA tương tự hình dạng hình chữ nhật 66 Hình 4.11 Biểu đồ mối quan hệ hệ số giãn dài mật độ công suất Giả sử hiệu suất MEA biên dạng sóng phẳng nhau, mối quan hệ mật độ cơng suất với hệ số giãn dài thể hình 4.11 Dựa vào biểu đồ, mật độ công suất MEA phẳng đường thẳng khơng đổi Do đó, hệ số giãn dài u cầu hình dạng sóng giao điểm đường thẳng đường cong MEA dạng sóng Có nghĩa hệ số giãn dài yêu cầu sóng tam giác 1, sóng hình tam giác 0.5 hình khối 0.1250 Thể tích tổng thể pin phụ thuộc vào hệ số giãn dài MEA Từ phân tích đưa giá trị hệ số giãn dài thích hợp cho trường hợp hình dạng thiết kế MEA Vì hình dạng màng điện cực lắp ráp có hệ số giãn dài tương ứng nên tác giả chọn hình dạng tam giác chế tạo luận văn 67 Thiết kế sóng tam giác với thơng số sau: Số sóng N=3 Bước sóng n+m=7; với: n=5mm; m=2mm hệ số giãn dài Chiều dài l1 sóng: l m n m cosα Chiều dài MEA trường hợp là: → l m l 10 n m N cosα N m (1) α Diện tích MEA l w → 10 n m N cosα m α w N m w 347mm (2) Hệ số giãn dài tính theo công thức n m tanα n m 347mm   68 → → tanα α= 66,80 (3) Từ (1),(2) (3) suy l=33.1mm w=10.48mm chiều cao sóng: c tanα 3.5mm màng điện cực lắp ráp có hình dạng sóng với thơng số Apin= 347mm2; l = 33.1mm; w = 10.48mm; α = 66.80; c = 3.5mm; N= 3; n+m = 7; 69 4.4 Tạo hình màng điện cực lắp ráp 4.4.1 Thiết kế khuôn dập Sau MEA thiết kê chế tạo thành công, màng MEA gia cơng tạo hình cách thiết kế khn dập để dập MEA phẳng thành hình dạng sóng lựa chọn ban đầu Khuôn dập làm từ kim loại có độ cứng độ bền cao vật liệu màng điện cực lắp ráp Trong loại vật liệu thép khơng rỉ nhơm hai loại vật liệu thường dùng để thiết kế khuôn dập Vì nhơm vật liệu dễ gia cơng cắt gọt phí gia cơng khí thấp thép khơng rỉ Bên cạnh đó, màng điện cực có kết cấu mỏng tính khơng cứng nên nhơm làm vật liệu để chế tạo khuôn dập tạo hình sóng cho màng điện cực lắp ráp Hình 4.12 Khuôn dập dùng để dập MEA Trước thiết kế khuôn dập, cần phải thiết kế sản phẩm khuôn dập Theo kết tính tốn phần trên, diện tích màng điện cực 3.47cm2 thiết kế vẽ 2D mơ hình 3D phần mềm MasterCam 9.1 Sau tạo mô hình 3D sản phẩm, tiến hành thiết kế hình dạng khuôn dập Khuôn dập thiết kế bao gồm hai nửa hình 4.13: khn đực khn Sau thiết kế xong hai nửa khuôn dập, lập quy trình gia cơng mơ gia cơng khn dập phần mềm MasterCam 9.1 từ xuất file NC gia công máy phay CNC 70 4.4.2 Tạo hình MEA Khn dập sau chế tạo xong đặt hai phận kẹp máy ép nóng Màng điện cực lắp ráp có hình dạng phẳng đặt hai nửa phân khuôn Khi nhiệt độ đạt đến mức định, áp suất sinh lực tác dụng lên nửa khuôn, đẩy nửa xuống ép màng điện cực lắp ráp vào nửa khuôn làm biến dạng màng điện cực lắp ráp phẳng Màng điện cực lắp ráp có hình dạng sóng tạo thành theo hình dạng khn dập Hình 4.13 Q trình tạo hình MEA Khi màng điện cực lắp ráp ép đến biên dạng thiết kế, công đoạn trình tạo hình cho màng điện cực lắp ráp làm mát màng điện cực lắp ráp đơn phân tử Nafion định dạng lại hình dạng chúng Với cách ứng suất nhiệt biến dạng nhiệt không sinh q trình làm mát Sau sản phẩm lấy khỏi khuôn dập 71 4.5 Kết luận Với công suất yêu cầu thiết kế ban đầu 300W, từ tính tốn diện tích phản ứng màng điện cực lắp ráp Apin= 3,47cm2 Quá trình thiết kế, chế tạo màng thực để tạo MEA phẳng Tính tốn hình dạng MEA với hình dạng hình phẳng, hình sóng tam giác, sóng hình vng hình khối 3D Chọn kiểu thiết kế MEA hình dạng tam giác để gia cơng từ MEA phẳng Sau màng điện cực lắp ráp thiết kế chế tạo thành công, kết hợp với thành phần khác để lắp ráp thành pin nhiên liệu methanol trực tiếp với công suất 300W để cung cấp lượng cho xe chạy điện 72 Chương KẾT LUẬN Do nhiều hạn chế, luận văn hạn chế việc đề cập đến vấn đề giá cả, hiệu suất hoạt động pin trình nhiệt động khác trình hoạt động pin Màng điện cực lắp ráp chế tạo từ cách dùng màng điện phân polymer Nafion 115 hãng Du Pont dùng để chế tạo MEA DMFC 600C, 35% khối lượng Nafion dung dịch MeOH 1M Màng điện cực lắp ráp tính tốn để pin cho công suất 300W kết sau: số lượng pin cụm pin n=24pin, diện tích màng pin Apin=3,47cm2 Hình dạng MEA thiết kế chế tạo với hình dạng sóng tam giác có hệ số giãn dài Hình dạng chế tao phương pháp ép nóng với khuôn thiết kế với nửa gồm nửa nửa Dùng máy ép nóng để ép tạo hình MEA teo biên dạng tam giác MEA thiết kế kết hợp với phận khác để lắp ráp thành pin nhiên liệu sử dụng methanol trực tiếp 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] C.Spiegel “Designing and building fuel cells” Mc Graw Hill, 2007 [2] W Preidel cộng sự, "Status of the Development of a Direct Methanol Fuel Cell 2nd IEA Advanced Fuel Cell Workshop on Fuel Processing for Modular (