suất và độ ẩm
a) Ảnh hưởng của áp suất
Khi áp suất làm việc của pin nhiên liệu tăng thì điện áp của pin nhiên liệu tăng và ngược lại. Vì khi áp suất cao sẽ giúp đẩy oxy và hydro vào bên trong tiếp xúc với chất điện phân nhiều hơn.
Tuy nhiên, để tăng áp suất làm việc, hệ thống phải yêu cầu thêm máy nén không khí sẽ làm mất mát thêm năng lượng và hệ thống cồng kềnh hơn. Những cơ cấu khác phải được thiết kế lại cho phù hợp,
một số bộ phận phải tăng thêm kích thước sẽ dẫn đến tăng chi phí.
b) Ảnh hưởng của nhiệt độ
Cũng giống như sự ảnh hưởng của áp suất, khi nhiệt độ làm việc pin nhiên liệu tăng hay giảm thì điện áp của pin nhiên liệu cũng tăng và giảm tương ứng.
Hình 2.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện áp của
pin nhiên liệu PEM
Khi ở nhiệt độ cao hơn thì cải thiện được lượng nhiên liệu di chuyển trong phạm vi của pin nhiên liệu và kết quả là điện trở trong pin nhiên liệu sẽ giảm xuống (khi nhiệt độ tăng lên, tính dẫn điện trong kim loại sẽ giảm xuống nhưng tính dẫn ion trong chất điện phân lại tăng lên). Đồng thời, ảnh hưởng của việc tăng nhiệt độ sẽ cải thiện được mức độ phản ứng.
Giới hạn nhiệt độ hoạt động của pin nhiên liệu có hiệu quả là dưới 212oF (100 oC). Do sự có mặt của sản phẩm nước sau phản ứng ở cathode, thì nhiệt độ đó làm cho nước sôi lên và kết quả là dòng hơi nước mãnh liệt sẽ làm giảm áp suất cục bộ của oxi. Nó sẽ làm giảm hiệu suất của pin do thiếu oxi. Điều đó có thể gây nguy hại đến pin nhiên liệu và làm giảm tuổi thọ của chúng.
Điện áp pin (% điện áp
đỉnh)
Khi pin hoạt động ở áp suất cao thì nhiệt độ đạt được cao hơn, điều đó sẽ làm tăng điểm sôi của nước. Tuy nhiên, trong thực tế thì áp suất ảnh hưởng ít đến sự hoạt động của pin nhiên liệu kiểu màng trao đổi proton.
Phạm vi nhiệt độ ảnh hưởng đến sự tăng điện áp của pin nhiên liệu là nhiệt độ gần đến điểm sôi của nước, còn tại điểm sôi thì điện áp của pin bắt đầu giảm xuống. Nhiệt độ tối ưu xuất hiện gần 175 oF (80
oC).
c) Ảnh hưởng của độ ẩm
Khí phản ứng được làm ẩm đầy đủ là điều cần thiết cho sự làm việc của pin nhiên liệu kiểu màng trao đổi proton vì các phân tử nước di chuyển cùng với các ion hydro trong quá trình phản ứng trao đổi ion.
Nếu sự làm ẩm không đủ có thể dẫn đến khử nước trong màng và sẽ dẫn đến rạn nứt hay bị rỗ màng chuyển đổi proton. Kết quả đó có thể dẫn đến sự ngắn mạch hóa học, những điểm nóng và có thể làm cháy màng.
Ngược lại, nước được làm ẩm quá mức trong khí phản ứng sẽ dẫn đến sự ngưng tụ và ngập nước bên trong đĩa khuếch tán nhiên liệu. Quá trình đó vẫn tiếp tục thì kết quả có thể dẫn đến một hiện tuợng được hiểu như là hiện tượng đảo chiều pin. Nếu điện áp âm đủ lớn thì pin bị hư hỏng sẽ bắt đầu làm việc như một máy điện phân. Điều đó sẽ sinh ra nhiều nhiệt và có thể là nguyên nhân gây phá hủy pin. Thông thường, một hệ thống giám sát pin được lắp đặt để phát hiện hiện tượng đảo chiều pin trước khi xảy ra hư hại cho pin.
Ngoài ra, phần nước còn lại trong bộ làm ẩm phải không được dẫn điện. Nếu phần nước này dẫn điện sẽ gây ngắn mạch và sinh ra dòng điện ăn mòn trong cụm pin nhiên liệu. Nước trở nên dẫn điện khi nó hút các ion xung quanh nó. Để khử những ion đó thì nước phải được liên tục chảy qua một bộ lọc khử ion.
2.2.2.Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC)
Đối với pin nhiên liệu loại này, methanol được sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu cho pin mà không cần phải qua các bước chuyển hóa thành hydro ở bên ngoài. Ở đây, methanol lỏng bị oxy hóa trong nước ở anode, sinh ra khí carbonic, ion hydro (proton) và các electron.
Các electron sẽ di chuyển qua mạch điện bên ngoài về cathode và tạo thành dòng điện. Các proton sẽ đi qua chất điện phân và phản ứng với oxy từ không khí và các electron từ dòng điện tạo thành nước ở cathode. Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực: Phản ứng trên anode: − + + + → +H O CO H e OH CH3 2 2 6 6 Phản ứng trên cathode: O2 6H 6e 3H2O 2 3 + + + − → Tổng quát: CH3OH O2 CO2 2H2O 2 3 → + + + điện năng + nhiệt năng.
Hình 2.6. Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu
dùng methanol trực tiếp
So với hydro thì methanol có ưu điểm là tồn tại ở trạng thái lỏng ở nhiệt độ bình thường nên nó rất dễ dự trữ và phân phối. Nhiệt độ sôi của methanol ở áp suất khí quyển là dưới 650C, khiến cho nhiệt độ vận hành của pin nhiên liệu chừng 60-700C. Hơn nữa, có thể tận dụng cơ sở hạ tầng cũ hiện có của các loại nhiên liệu hóa thạch để phân phối methanol mà không cần phải thay đổi nhiều.
Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp đã được thử nghiệm ở khoảng nhiệt độ từ 50-1200C. Với nhiệt độ vận hành thấp và có thể dùng trực tiếp nhiên liệu methanol mà không đòi hỏi phải qua bước chuyển hóa thành hydro, pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp đã trở thành ứng cử viên sáng giá cho các ứng dụng cỡ