Mẫu io ( µA/cm2) Eoer (VAg/AgCl) Tổng điện tích chu kỳ 1 (C/cm2.mg) Suy giảm hoạt tính sau 1000 chu kỳ (%) Ir0.7Ru0.3O2 16 1,140 38,2 7,8 IrRuSnO2 38 1,220 33,7 19,4 IrRuTiO2 28 1,220 26,7 16,7 IrRuCoO2 49 1,138 42,6 18,84
3.4. Chế tạo và đánh giá tính chất của bộ PEMWE đơn
3.4.1. Thiết kế bộ PEMWE đơn
Hình 3.33 là thiết kế của một bộ PEMWE đơn có diện tích làm việc của điện cực 5cm2. Tấm vỏ ngồi cùng được chế tạo bằng nhựa acrylic ở trên có bố trí các lỗ dẫn nước và dẫn khí. Tấm dẫn điện được làm bằng đồng mạ vàng và tấm tách dòng làm bằng graphit bên trên có các rãnh dẫn nước. Các tấm gioăng được làm bằng polime, ở giữa là điện cực màng MEA.
Hình 3.33. Thiết kế của một bộ PEMWE đơn
Sau khi đã lựa chọn được cấu hình, các bộ phận của bộ PEMWE đơn được thiết kế bao gồm: tấm phân dịng với các kênh dẫn nước (hình 3.34), tấm dẫn điện (hình 3.35), tấm vỏ (hình 3.36) và tấm đệm (hình 3.37). Các bộ phận này được gia cơng chính xác trên máy cơ khí CNC.
Điện cực màng MEA được chế tạo bằng phương pháp nhiệt ép thủy lực các lớp xúc tác anôt và catôt với màng nafion N-117. Các lớp xúc được chuẩn bị bằng kỹ thuật quét mực xúc tác lên các tấm khuếch tán giấy cacbon GDL. Với điện cực anôt, vật liệu xúc tác được chuẩn bị là các bột Ir0.7Ru0.3O2 với mật độ kim loại xúc tác khoảng 4 mg/cm2. Với điệc cực catôt, vật liệu xúc tác được chuẩn bị là các bột Pt/C với mật độ xúc tác khoảng 1 mg/cm2. Vật liệu GDL đã phủ các lớp xúc tác và màng nafion được đặt theo thứ tự trong khn ép có sử dụng gia nhiệt rồi đặt một lực lên khuôn ép trong khoảng thời gian nhất định sẽ tạo thành điện cực màng MEA. Một điện cực MEA điển hình đã chế tạo được trình bày trên hình 3.38.
Hình 3.38. Ảnh điện cực màng MEA
Khi đã chế tạo xong các bộ phận của bộ PEMWE đơn, tiến hành lắp ghép các bộ phận chế tạo được theo sơ đồ hình 1.5 và hình 3.39 là hình ảnh của bộ PEMWE đơn đã được lắp ghép.
3.4.2. Thiết kế hệ thống thử nghiệm PEMWE đơn
Hệ thống thử nghiệm bộ PEMWE được xây dựng như trên sơ đồ hình 2.6 và được triển khai lắp ghép trong phịng thí nghiệm (hình 3.40).
Hình 3.40. Hệ thống thử nghiệm PEMWE đơn thực tế
3.4.3. Nghiên cứu đánh giá tính chất của điện cực màng MEA trong PEMWE. PEMWE.
Hiệu suất chuyển hóa năng lượng của PEMWE được quyết định bởi tính chất của MEA. Trong bộ PEMWE, các phản ứng điện hóa sẽ xảy ra tại bề mặt phân chia ba pha giữa chất lỏng điện ly, khí sản phẩm và các hạt rắn xúc tác trong MEA. Tính chất của MEA sẽ bị ảnh hưởng bởi các thông số quan trọng như mật độ xúc tác, hàm lượng nafion và đặc biệt là phương pháp chế tạo MEA.
Trong phương pháp ép nóng được sử dụng để chế tạo MEA thì q trình ép tại nhiệt độ cao đóng vai trị rất quan trọng. Có ba thơng số quan trọng trong q trình ép sẽ ảnh hưởng lên tính chất của MEA là lực ép, nhiệt độ và thời gian ép. Đối với màng nafion, nhiệt độ phân hủy của màng sẽ xảy ra tại 280oC và nhiệt độ biến dạng khoảng 100oC. Đặc biệt đối với màng N-117 thì nhiệt độ chuyển pha thủy tinh nằm trong khoảng 100-120oC. Nhiệt độ ép để chế tạo MEA thường được lựa chọn trong khoảng nhiệt độ này. Khi nhiệt độ ép cao hơn nhiệt độ chuyển pha thủy tinh thì màng nafion bắt đầu mềm ra và gắn vào điện cực dưới lực ép cao. Khi đó vi cấu trúc của màng bắt đầu chịu một sự thay đổi và làm mất nước thấm trong màng nên có thể làm giảm đi độ dẫn proton của màng. Vì vậy nhiệt độ ép cho MEA thường không quá cao thường không quá 140oC. Đối với giá trị lực ép thì khơng được q nhỏ sẽ không đủ lực cần thiết để liên kết màng với điện cực. Khi sử dụng lực quá
cao thì sẽ dẫn tới làm biến dạng điện cực, làm giảm độ xốp và làm tăng điện trở vận chuyển ơxy trong lớp xúc tác catốt. Bên cạnh đó MEA có thể bị chịu những phá hủy vật lý và nhiệt khi thời gian ép cao. Để nghiên cứu đánh giá tính chất của MEA, nhóm nghiên cứu cố định thơng số nhiệt độ ép (130oC) thời gian ép (180 giây) chỉ thay đổi giá trị lực ép: 18; 20; 22 và 24 kg/cm2. Bốn loại điện cực màng MEA này được lắp trong bộ PEMWE đã chế tạo ở trên để nghiên cứu so sánh tính chất điện hóa bằng phương pháp đo đường cong phân cực.
3.4.2.1. Ảnh hưởng của lực ép trong q trình ép nóng đến sự biến dạng của màng MEA của màng MEA
Hình 3.41 là đồ thị ảnh hưởng của giá trị lực ép đến chiều dày của MEA. Tại cùng điều kiện nhiệt độ 130oC và thời gian ép 180 giây, khi tăng giá trị lực ép thì chiều dày của MEA giảm đi. Khi tăng lực ép từ 18 lên 20 kg/cm2 thì chiều dày của
MEA giảm khá nhiều từ 530 µm xuống cịn 499 µm, khi tiếp tục tăng giá trị lực ép lên 22 kg/cm2 thì chiều dày của MEA khơng thay đổi nhiều. Tuy nhiên khi tăng lực
ép lên đến 24 kg/cm2 thì chiều dày lớp MEA lại giảm nhanh. Như vậy, khi giá trị
lực ép đạt tới 22 kg/cm2 thì dường như chiều dày của MEA đã khơng bị thay đổi nữa. Đây có thể là giới hạn của giá trị lực ép có thể làm biến dạng các vật liệu màng và lớp khuếch tán khí trong các thí nghiệm của các nghiên cứu này.
Hình 3.41. Sự thay đổi chiều dày của MEA tại các giá trị lực ép khác nhau ở cùng
Ảnh hưởng của lực ép còn được thể hiện qua giá trị tỉ lệ nén R, tỉ lệ nén R tăng khi tăng lực ép. Tỉ lệ ép có thể liên quan đến những thay đổi trong độ xốp điện cực. Bảng 3.6 là tỉ lệ nén tại các lực ép khác nhau, từ các giá trị R có thể thấy rằng với lực ép 18 kg/cm2 thì giá trị R chỉ đạt thấp nhất 35,76%, khi lực ép tăng lên từ 20- 22 kg/cm2 tỉ lệ nén đạt khoảng 40%.