Nghiên cứu phát triển Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) sử dụng nhiên liệu hyđrô

Hiện nay, các nguồn nhiên liệu hóa thạch có trong tự nhiên trên thế giới như dầu hỏa, than đá, khí ga tự nhiên… ngày càng cạn kiệt, vì vậy việc tìm kiếm các nguồn năng lượng mới thay thế thân thiện với môi trường trở nên cấp thiết. Trong các nguồn năng lượng mới có khả năng lựa chọn như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng hạt nhân, địa năng lượng,… có một nguồn năng lượng hứa hẹn là Pin nhiên liệu. 

Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) sử dụng nguyên liệu đầu vào là hyđrô và ôxy trong không khí. Pin nhiên liệu màng trao đổi proton được các nhà khoa học trên thế giới tập trung nghiên cứu do nó có nhiều ưu điểm như không gây ồn, linh hoạt, có hiệu suất chuyển hóa năng lượng khá cao (có thể lên tới trên 60 %), mật độ năng lượng và điện năng rất lớn, thời gian khởi động nhanh, làm việc tại nhiệt độ không cao (< 800C), sử dụng nguồn năng lượng sạch nên không tạo ra các chất thải cho môi trường. PEMFC hứa hẹn là nguồn điện thay thế và áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống, từ các thiết bị điện tử xách tay tới các trạm phát điện gia đình và trong giao thông vận tải. Hiện nay PEMFC được xem như là nguồn duy nhất có khả năng tích trữ điện trong thời gian dài.

Ở Việt Nam việc nghiên cứu về PEMFC vẫn chưa nhiều, do chúng ta chưa chủ động được về vật liệu cốt lõi trong nghiên cứu PEMFC, đặc biệt là các vật liệu xúc tác để làm xúc tác cho bộ pin nhiên liệu. Giá nhập ngoại các vật liệu này tương đối cao, nên để có thể phát triển mạnh nghiên cứu về PEMFC tại Việt Nam thì việc nghiên cứu điều chế các vật liệu xúc tác, nhằm chủ động về vật liệu cốt lõi trong nghiên cứu cũng như giảm nhập ngoại là rất cần thiết. Thấu hiểu vấn đề này, trong thời gian từ 01/2014 đến 6/2016, một nhóm các nhà khoa học thuộc Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm KHCNVN đã triển khai thực hiện đề tài VAST03.08/14-15: “Nghiên cứu phát triển Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) sử dụng nhiên liệu hyđrô” do TS. Phạm Thi San làm chủ nhiệm. Ngày 07/10/2016, tại phiên họp nghiệm thu cấp Viện Hàn lâm KHCNVN, đề tài được Hội đồng nghiệm thu đánh giá xếp loại Xuất sắc. 

Đề tài đã tập trung nghiên cứu điều chế thành công vật liệu xúc tác và đã đưa ra 04 qui trình tổng hợp điều chế vật liệu xúc tác Pt/C, Pt3Ni/C, Pt3Co/C và Pt3Fe/C20%Wt ở mức độ phòng thí nghiệm (>200mg/mẻ). Qua quá trình đánh giá và thử nghiệm, đề tài đã lựa chọn xúc tác Pt/C 20% Wt làm xúc tác anot và Pt3Ni/C 20%Wt làm xúc tác catot cho pin nhiên liệu. Xúc tác Pt/C 20% Wt điều chế được có kích thước hạt trung bình ~ 2,45 nm và diện tích bề mặt điện hóa ESA là 78,88 m2/g. Xúc tác catot Pt3Ni/C 20%Wt có kích thước hạt trung bình ~ 2,79 nm và diện tích bề mặt điện hóa ESA là 76,14 m2/g.

Bên cạnh việc nghiên cứu các vật liệu xúc tác, đề tài cũng đã thành công trong nghiên cứu các kỹ thuật chế tạo điện cực màng MEA (trái tim của pin nhiên liệu) và đưa ra được quy trình chế tạo điện cực màng MEA cho chất lượng cao. Việc áp dụng các xúc tác chế tạo được vào điện cực màng MEA đã cho kết quả rất tốt khi đánh giá. Thế mạch mở của pin Voc ~ 1,0V và giá trị mật độ công suất cực đại của pin đơn đạt được Pmax ~ 640mW/cm2 tại điện thế 0,42V.

Từ những kết quả nhận được, đề tài đã tiến hành thiết kế chế tạo thành công bộ pin nhiên liệu nhỏ, chế tạo các phụ kiện của pin như bipolar, bộ thu, mặt ghép… và tiến hành thử nghiệm đánh giá các đặc trưng phát điện của pin đơn và bộ ghép pin. Các cấu trúc thiết kế được đề tài hoàn thiện và chế tạo. Bộ pin nhiên liệu 16W đã được lắp ghép và vận hành thành công.

Ngoài các sản phẩm khoa học, đề tài đã góp phần đào tạo 02 nghiên cứu sinh, công bố 05 bài báo khoa học, trong đó có một bài trên tạp chí quốc tế thuộc danh mục ISI; 04 báo cáo đăng trong các tạp chí khoa học trong nước và 01 báo cáo hội nghị.

Nguồn: TS. Phạm Thi San, Viện Khoa học vật liệu
Xử lý tin: Minh Tâm