Nhận viết luận văn Đại học , thạc sĩ - Zalo: 0917.193.864 Tham khảo bảng giá dịch vụ viết bài tại: vietbaocaothuctap.net Download luận án tiến sĩ ngành khoa học công nghệ với đề tài: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát ảnh hưởng của một số thông số công nghệ lên đặc tính của pin nhiên liệu màng trao đổi proton

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------
GIANG HỒNG THÁI
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG
CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ LÊN ĐẶC TÍNH
CỦA PIN NHIÊN LIỆU MÀNG TRAO ĐỔI PROTON
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU
Hà Nội – 2020

2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------
GIANG HỒNG THÁI
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG
CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ LÊN ĐẶC TÍNH
CỦA PIN NHIÊN LIỆU MÀNG TRAO ĐỔI PROTON
Chuyên ngành: Kim loại học
Mã số: 9440129
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC VẬT LIỆU
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. Phạm Thi San
2. GS. TS. Vũ Đình Lãm
Hà Nội – 2020

3. i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới
sự hướng dẫn của TS. Phạm Thi San và GS.TS. Vũ Đình Lãm. Hầu hết
các số liệu, kết quả nêu trong luận án được trích dẫn lại từ các báo cáo
tại các Hội nghị khoa học, các bài báo được đăng trên tạp chí của tôi và
nhóm nghiên cứu. Các số liệu, kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa
được công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả
Giang Hồng Thái

4. ii
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin dành những lời cảm ơn đầu tiên và sâu sắc nhất gửi tới TS.
Phạm Thi San và GS.TS. Vũ Đình Lãm. Các thầy đã trực tiếp hướng dẫn tôi,
giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi hoàn thành bản luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các đồng nghiệp tại phòng Ăn mòn và bảo vệ
vật liệu và phòng Cảm biến và Thiết bị đo khí, Viện Khoa học vật liệu đã tạo
những điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Khoa học vật liệu, Học viện Khoa học
và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều
kiện, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm chương trình hợp tác KIMS – ASEAN, Viện
Khoa học vật liệu Hàn Quốc, và đặc biệt cảm ơn sự giúp đỡ của Dr. Lee Chang
Rea trong quá trình thực hiện luận án.
Cuối cùng tôi xin dành tình cảm đặc biệt tới bố, mẹ, vợ, con gái và
những người bạn của tôi luôn đồng hành, động viên, giúp đỡ tôi.
Hà Nội, ngày tháng năm 2020
Tác giả
Giang Hồng Thái

5. iii
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................ vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... ix
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT................................................................ xi
MỞ ĐẦU….................................................................................................................1
Chương I. TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU MÀNG TRAO ĐỔI PROTON....6
1.1.Giới thiệu sơ lược về pin nhiên liệu .....................................................................6
1.1.1.Phân loại pin nhiên liệu .............................................................................6
1.1.2.Ứng dụng của pin nhiên liệu......................................................................8
1.2.Pin nhiên liệu màng trao đổi proton .....................................................................9
1.2.1.Nguyên lý hoạt động..................................................................................9
1.2.2.Nhiệt động học trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton .....................11
1.2.2.1. Năng lượng tự do Gibbs..................................................................12
1.2.2.2. Công điện lý thuyết.........................................................................13
1.2.3.Hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu .....................................................14
1.2.4.Điện thế hở mạch của pin nhiên liệu .......................................................14
1.2.5.Cấu tạo của pin nhiên liệu .......................................................................16
1.2.5.1. Điện cực màng ................................................................................17
1.2.5.2. Các tấm lưỡng cực ..........................................................................30
1.2.5.3. Các kênh dẫn khí.............................................................................34
1.2.5.4. Các bộ phận khác............................................................................36
1.3.Bộ pin nhiên liệu PEMFC ..................................................................................37
1.3.1.Cấu hình kênh rãnh dẫn khí trong pin đơn ..............................................37
1.3.2.Cấu hình cấp khí cho từng pin đơn trong bộ pin.....................................39
1.3.3.Các thông số hoạt động của PEMFC.......................................................40
1.3.3.1. Nhiệt độ hoạt động..........................................................................40
1.3.3.2. Ảnh hưởng của độ ẩm đến hoạt động của bộ pin nhiên liệu...........42
1.3.3.3. Ảnh hưởng của lưu lượng và áp suất khí nhiên liệu đến hoạt động
của pin nhiên liệu............................................................................43
1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước........................................................44
Kết luận chương I......................................................................................................46

6. iv
Chương II. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.............47
2.1. Hóa chất và vật liệu............................................................................................47
2.2. Quá trình thực nghiệm .......................................................................................47
2.2.1. Đánh giá vật liệu xúc tác Pt/C.................................................................47
2.2.2. Chế tạo điện cực màng MEA..................................................................49
2.2.2.1. Chế tạo điện cực màng bằng phương pháp CCS ............................49
2.2.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng Nafion trong mực xúc tác tới tính chất
MEA................................................................................................50
2.2.2.3. Chế tạo điện cực màng bằng kỹ thuật DTM...................................50
2.2.3. Thiết kế, chế tạo bộ pin nhiên liệu PEMFC công suất ~100W...............51
2.3. Thiết bị và dụng cụ.............................................................................................51
2.4.Các phương pháp nghiên cứu.............................................................................51
2.4.1.Các phương pháp đặc trưng vật lý...........................................................51
2.4.1.1. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM..................................51
2.4.1.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua TEM .......................52
2.4.1.3. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)..........................52
2.4.1.4. Phương pháp đo đường cong phân cực U-I....................................52
2.4.2.Các phương pháp đo đạc các đặc trưng điện hóa ....................................54
2.4.2.1. Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn (CV) ..................................54
2.4.2.2. Phương pháp phổ tổng trở điện hóa................................................55
Kết luận chương II ....................................................................................................56
Chương III. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT ĐIỆN CỰC
MEA ......................................................................................................57
3.1. Đánh giá tính chất và lựa chọn vật liệu xúc tác Pt/C sử dụng trong pin nhiên
liệu (PEMFC) ...................................................................................................58
3.1.1. Đánh giá tính chất điện hóa của các mẫu xúc tác Pt/C ...........................58
3.1.1.1. Đánh giá hoạt tính xúc tác của các mẫu Pt/C..................................58
3.1.1.2. Đánh giá độ bền của các mẫu xúc tác Pt/C.....................................60
3.1.2. Đánh giá tính chất vật lý của vật liệu xúc tác Pt/C .................................62
3.2. Nghiên cứu chế tạo điện cực màng MEA bằng phương pháp phủ xúc tác lên
trên lớp khuếch tán ...........................................................................................68
3.2.1.Ảnh hưởng của các thông số ép nóng lên đặc trưng tính chất của MEA 69

7. v
3.2.1.1. Ảnh hưởng của giá trị lực ép đến tính chất điện của các MEA......69
3.2.1.3. Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ ép lên tính chất của MEA....85
3.2.2.Ảnh hưởng của hàm lượng nafion trong lớp xúc tác đến tính chất của
điện cực màng MEA..............................................................................87
3.2.3.Quy trình thích hợp chế tạo điện màng MEA bằng phương pháp CCS..90
3.3.Nghiên cứu chế tạo điện cực màng bằng phương pháp đề can ..........................91
Kết luận chương III...................................................................................................95
Chương IV. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ PIN NHIÊN LIỆU CÔNG SUẤT
100W .....................................................................................................96
4.1. Nghiên cứu cấu hình kênh dẫn khí trên tấm lưỡng cực. ....................................96
4.2. Thiết kế, chế tạo các bộ phận của bộ pin nhiên liệu PEMFC ..........................102
4.2.1. Tính toán lựa chọn thiết kế cho bộ pin nhiên liệu PEMFC ..................102
4.2.2. Thiết kế và chế tạo các bộ phận của bộ pin nhiên liệu công suất 100 W
.............................................................................................................103
4.2.2.1. Thiết kế, chế tạo các tấm lưỡng cực .............................................104
4.2.2.2. Thiết kế, chế tạo các tấm thu điện, tấm vỏ pin và gioăng.............105
4.3.Ảnh hưởng của điều kiện vận hành đến tính chất của pin nhiên liệu...............107
4.3.1.Tính toán và thiết kế hệ thống phân phối khí nhiên liệu .......................107
4.3.2.Ảnh hưởng của lưu lượng khí nhiên liệu đến đặc trưng của pin nhiên liệu
.............................................................................................................109
4.3.3.Ảnh hưởng của độ ẩm đến tính chất của pin nhiên liệu ........................111
4.3.4.Ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt động........................................................114
4.4. Đặc tính của bộ pin PEMFC 100 W hoàn chỉnh..............................................115
Kết luận chương IV.................................................................................................118
KẾT LUẬN.............................................................................................................119
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN .......................................................120
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ.......................................................121
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................122
PHỤ LỤC: Các bản vẽ thiết kế các chi tiết của pin nhiên liệu PEMFC

8. vi
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Một số ứng dụng của pin nhiên liệu............................................................8
Hình 1.2. Nguyên lý hoạt động của PEMFC ............................................................10
Hình 1.3. Các quá trình xảy ra khi PEMFC vận hành ..............................................11
Hình 1.4. Cấu tạo của một PEMFC điển hình ..........................................................17
Hình 1.5. Cấu tạo của điện cực màng trong PEMFC................................................18
Hình 1.6. Cấu trúc phân tử của màng polymer Nafion.............................................18
Hình 1.7. Cấu trúc của một lớp xúc tác trong PEMFC.............................................21
Hình 1.8. Cấu hình của MEA với hai phương pháp chế tạo CCS (a), và CCM (b)..26
Hình 1.9. Các phương pháp chế tạo MEA................................................................28
Hình 1.10.Thiết bị ép nóng thủy lực .........................................................................30
Hình 1.11. Tấm lưỡng cực chế tạo bằng vật liệu graphit..........................................31
Hình 1.12. Các loại vật liệu chế tạo tấm lưỡng cực trong pin nhiên liệu .................32
Hình 1.14. Các kiểu định hướng ghép bộ pin nhiên liệu ..........................................38
Hình 1.16. Các cấu trúc làm mát cho bộ pin nhiên liệu............................................41
Hình 1.17. Quá trình cân bằng lượng nước trong pin nhiên liệu..............................42
Hình 2.1. Quy trình chế tạo MEA bằng phương pháp phủ xúc tác lên lớp khuếch tán
...................................................................................................................................49
Hình 2.2. Quy trình chế tạo MEA bằng phương pháp phủ xúc tác lên màng...........50
Hình 2.3. Sơ đồ bố trí thử nghiệm pin nhiên liệu .....................................................53
Hình 2.4. Đồ thị CV điển hình của mẫu xúc tác Pt/C trong dung dịch H2SO4 0,5M55
Hình 3.1. Cấu tạo của điện cực màng trong PEMFC................................................57
Hình 3.2. Đồ thị CV của vật liệu cacbon Vulcan-72 và các vật liệu xúc tác Pt/C của
các hãng FE và JM trong dung dịch H2SO4 0,5M ....................................................59
Hình 3.3. Các cơ chế làm suy giảm độ bền của vật liệu xúc tác Pt/C.......................60
Hình 3.4. Đồ thị CV đánh giá độ bền trong 1000 chu kỳ của mẫu xúc tác FE-30
trong dung dịch H2SO4 0,5M ....................................................................................62
Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi giá trị ESA của các mẫu xúc tác khác nhau
sau thử nghiệm độ bền 1000 chu kỳ..........................................................................62

9. vii
Hình 3.6. Kết quả phân tích EDX của các mẫu xúc tác FE -20 (a) và 30 (b)...........63
Hình 3.7. Kết quả phân tích EDX của các mẫu xúc tác JM -20(a) và 40(b) ............64
Hình 3.8. Ảnh TEM của vật liệu Cacbon Vulcan-72 với các độ phóng đại
40.000 và 80.000 lần.................................................................................................65
Hình 3.9. Ảnh TEM với độ phóng đại 80.000 lần và đồ thị phân bố kích thước hạt
của vật liệu xúc tác FE-20.........................................................................................65
Hình 3.10. Ảnh TEM với độ phóng đại 80.000 lần và đồ thị phân bố kích thước hạt
của vật liệu xúc tác FE-30.........................................................................................66
Hình 3.11.Ảnh TEM với độ phóng đại 80.000 lần và đồ thị phân bố kích thước hạt
của vật liệu xúc tác JM-20 ........................................................................................67
Hình 3.12. Ảnh TEM với độ phóng đại 80.000 lần và đồ thị phân bố kích thước hạt
của vật liệu xúc tác JM-40 ........................................................................................67
Hình 3.13. Đồ thị đường cong phân cực U-I của các MEA chế tạo tại các giá trị lực
ép khác nhau: 17, 19, 21, 24, và 28 kg/cm2
..............................................................70
Hình 3.14. Đường cong phân cực lý tưởng của một pin nhiên liệu PEMFC............72
Hình 3.15. Đồ thị thay đổi giá trị mật độ công suất cực đại Pmax của các MEA chế
tạo tại các giá trị lực ép khác nhau............................................................................73
Hình 3.16. Điện thế mạch hở ( OCV) của các điện cực màng MEA chế tạo tại các
giá trị lực ép khác nhau:17, 19, 21, 24, 28 kg/cm2
....................................................74
Hình 3.17. Đồ thị Nyquist của các MEA chế tạo bằng phương pháp ép nhiệt tại các
giá trị lực ép 17, 19, 21, 24 và 28kg/cm2
..................................................................75
Hình 3.18. Mô hình mạch tương đương của phổ EIS cho một pin nhiên liệu PEMFC
...................................................................................................................................75
Hình 3.19. Ảnh chụp điển hình điện cực màng MEA chế tạo tại các lực ép khác
nhau: a) 28 kg/cm2
, b) 21 kg/cm2
, c) 19 kg/cm2
......................................................77
Hình 3.20. Đồ thị thay đổi chiều dày của các MEA chế tạo tại các giá trị lực ép khác
nhau: 17, 19, 21, 24, 28 kg/cm2
.................................................................................77
Hình 3.23. Mô hình phản ứng xảy ra bên phần catot của điện cực màng MEA.......80
Hình 3.24. Mô hình giải thích quá trình phản ứng trong điện cực màngMEA.........80
Hình 3.25. Mô hìnhquá trình chế tạo mực xúc tác....................................................81
Hình 3.26. Mô hình quá trình tạo lớp xúc tác lên trên lớp khuếch tán .....................81

10. viii
Hình 3.27. Mô hình cấu trúc của MEA sau khi ép nóng...........................................82
Hình 3.28. Mô hình cấu trúc MEA với các lực ép khác nhau...................................83
Hình 3.29. Ảnh SEM mặt cắt ngang của MEA chế tạo tại giá trị lực ép 19 kg/cm2
83
Hình 3.30. Ảnh SEM mặt cắt ngang của MEA chế tạo tại giá trị lực ép 24 kg/cm2
84
Hình 3.31. Ảnh SEM mặt cắt ngang của MEA chế tạo tại giá trị lực ép 28 kg/cm2
84
Hình 3.32. Đặc trưng công suất phụ thuộc thời gian và nhiệt độ ép.........................87
Hình 3.33. Mô hình vật liệu xúc tác phủ chất dẫn ion Nafion (catot) ......................87
Hình 3.34. Đường cong phân cực U-I của các MEA với các hàm lượng Nafion khác
nhau...........................................................................................................................89
Hình 3.35. Đặc trưng công suất theo dòng điện của các MEA với các hàm lượng
Nafion khác nhau ......................................................................................................89
Hình 3.36. Mô hình lớp xúc tác sử với các hàm lượng Nafion khác nhau. a) Nafion
với hàm lượng thấp; b) Nafion với hàm lượng tối ưu; c) Nafion với hàm lượng cao
...................................................................................................................................90
Hình 3.37. Quy trình chế tạo MEA bằng phương pháp phủ xúc tác trực tiếp lên trên
lớp khuếch tán ...........................................................................................................91
Hình 3.38. Một số hình ảnh trong quá trình chế tạo điện cực màng theo phương
pháp đề can................................................................................................................92
Hình 3.39.Ảnh SEM mặt cắt ngang của điện cực màng MEA chế tạo bằng phương
pháp đề can................................................................................................................93
Hình 3.40. Các đồ thị đường cong phân cực U-I và P-I của các MEA chế tạo bằng
phương pháp đề can (DTM) và phương pháp CCS. .................................................94
Hình 4.1. Mô hình và cấu trúc bộ pin nhiên liệu ......................................................96
Hình 4.2. Thiết kế cấu hình Bipolar 1 rãnh gấp khúc ...............................................98
Hình 4.4. Thiết kế cấu hình Bipolar 3 rãnh gấp khúc ...............................................98
Hình 4.5. Bipolar chế tạo được có cấu hình Bipolar 3 rãnh gấp khúc......................99
Hình 4.6. Thiết kế cấu hình Bipolar 5 rãnh gấp khúc ...............................................99
Hình 4.7. Bipolar chế tạo được có cấu hình Bipolar 5 rãnh gấp khúc......................99
Hình 4.8. Đường cong phân cực của các mẫu Bipolar có cấu hình kênh dẫn khác
nhau.........................................................................................................................100

11. ix
Hình 4.9. Đặc trưng công suất của các mẫu Bipolar có cấu hình kênh dẫn khác nhau
.................................................................................................................................100
Hình 4.10. Cấu hình cấp khí “kiểu chữ U” cho bộ pin nhiên liệu PEM.................103
Hình 4.11. Thiết kế tấm lưỡng cực Bipolar ............................................................105
Hình 4.12.Các lưỡng cực Bipolarđã gia công chế tạo ............................................105
Hình 4.13. Thiết kế tấm thu điện ...........................................................................105
Hình 4.14. Chế tạo tấm thu điện .............................................................................106
Hình 4.15. Thiết kế các tấm vỏ của pin nhiên liệu.................................................106
Hình 4.16. Chế tạo tấm vỏ của pin nhiên liệu........................................................107
Hình 4.17. Hình ảnh của các gioăng tấm nhựa phủ nafion và gioăng cầu cao su ..107
Hình 4.18. Ảnh hưởng của lưu lượng khí Hydro đến hiệu suất của PEMFC.........109
Hình 4.19. Ảnh hưởng của lưu lượng khí Oxy đến hiệu suất của PEMFC ............111
Hình 4.20. Mối liên hệ giữa độ ẩm, nhiệt độ hoạt động và nhiệt độ bình tạo ẩm của
PEMFC....................................................................................................................112
Hình 4.21. Đồ thị đường cong phân cực U-I của các pin nhiên liệu làm việc tại các
độ ẩm tương đối khác nhau của khí nhiên liệu đầu vào..........................................113
Hình 4.22. Đồ thị đường cong phân cực U-I của các pin nhiên liệu làm việc tại các
độ ẩm tương đối khác nhau của khí nhiên liệu đầu vào..........................................113
Hình 4.23. Đồ thị đường cong phân cực U-I của các pin nhiên liệu làm việc tại các
nhiệt độ hoạt động khác nhau..................................................................................115
Hình 4.24. Phân bố cường độ dòng điện của pin theo nhiệt độ hoạt động .............115
Hình 4.25. Bộ pin nhiên liệu PEM gồm 10 pin đơn ...............................................116
Hình 4.26. Sự phân bố điện thế của các pin đơn trong bộ pin nhiên liệu...............117
Hình 4.27. Đặc trưng U-I và công suất của bộ pin nhiên liệu PEM chế tạo...........117
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Đặc trưng của các loại pin nhiên liệu được sử dụng phổ biến hiện nay.....7
Bảng 1.2. Phân loại các ứng dụng của pin nhiên liệu theo công suất đầu ra..............9
Bảng 1.3. Các loại màng Nafion thương mại............................................................19
Bảng 1.4. Tổng hợp các giá trị hàm lượng Nafion đã được nghiên cứu...................24

12. x
Bảng 1.5. So sánh ưu và nhược điểm của các phương pháp chế tạo MEA ..............28
Bảng 1.6. So sánh ưu và nhược điểm của các loại vật liệu làm tấm lưỡng cực........33
Bảng 1.7. Các cấu hình kênh dẫn khí đã được nghiên cứu.......................................35
Bảng 2.1. Hóa chất và vật liệu sử dụng trong luận án ..............................................47
Bảng 3.1. Giá trị diện tích hoạt hóa điện hóa ESA của các mẫu xúc tác Pt/C của các
hãng FE và JM ..........................................................................................................60
Bảng 3.2. Sự thay đổi giá trị ESA sau thử nghiệm độ bền 1000 chu kỳ của các mẫu
xúc tác Pt/C khác nhau..............................................................................................61
Bảng 3.3. Kích thước trung bình của các hạt kim loại trong các mẫu xúc tác Pt/C .66
Bảng 3.4. Sự thay đổi điện thế hở mạch theo lực ép.................................................74
Bảng 3.5. Các giá trị Rs và Rct ngoại suy từ phổ EIS của các MEA chế tạo tại các
giá trị lực ép khác nhau. ............................................................................................76
Bảng 3.6. Sự thay đổi chiều dày của các MEA theo lực ép......................................77
Bảng 3.7. Chiều dày và sự biến dạng của màng nafion 212 trong MEA chế tạo bằng
phương pháp ép nóng tại các giá trị lực ép khác nhau..............................................85
Bảng 3.8. Sự thay đổi công suất của các MEA theo nhiệt độ và thời gian ép..........86
Bảng 3.9. Giá trị công suất cực đại tại điện áp 0,4V của các MEA với hàm lượng
Nafion khác nhau ......................................................................................................89
Bảng 3.10. Tổng hợp các đặc trưng phát điện của các MEA chế tạo bằng các
phương pháp DTM và CCS ......................................................................................94
Bảng 4.1. Các thông số yêu cầu thiết kế chế tạo bộ pin nhiên liệu.........................104
Bảng 4.2. Các thông số yêu cầu thiết kế chế tạo tấm lưỡng cực ............................104
Bảng 4.3 Các giá trị lưu lượng khí Hydro và Oxy được khảo sát...........................109
Bảng 4.4. Giá trị mật độ công suất cực đại của pin nhiên liệu làm việc tại các nhiệt
độ khác nhau ...........................................................................................................115
Bảng 4.5. Thông số kỹ thuật của bộ pin nhiên liệu công suất 137 W.....................116

13. xi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
AFC Alkaline fuel cell Pin nhiên liệu kiềm
BP Bipolar plate Tấm lưỡng cực
CCM Catalyst coated on membrane Phương pháp phủ xúc tác lên màng
CCS Catalyst coated on substrate Phương pháp phủ xúc tác lên đế
CE Counter electrode Điện cực đối
CV Cyclic voltametry Phương pháp quét thế vòng tuần
DI Deionized water Nước khử ion
DMFC Direct methanol fuel cell Pin nhiên liệu dùng metanol trực
EDX Energy dispersive X-ray Phổ tán xạ tia X
EIS
Electrochemical impedance
spectroscopy
Phổ tổng trở điện hóa
ESA Electrochemical surface area Diện tích bề mặt điện hóa
GDL Gas diffusion layer Lớp khuếch tán khí
HOR Hydrogen oxidation reaction Phản ứng oxi hóa Hydro
MCFC Molten carbonate fuel cell Pin nhiên liệu muối cacbonat nóng
MEA Membrane electrode assembly Điện cực màng
NHE Normal hydrogen electrode Điện cực Hydro tiêu chuẩn
ORR Oxygen reduction reaction Phản ứng khử ôxi
PAFC Photphoric acid fuel cell Pin nhiên liệu axit photphoric
PEM Proton exchange membrane Màng trao đổi proton
PEMFC
Proton exchange membrane fuel
cell
Pin nhiên liệu màng trao đổi proton
PTFE Polytetrafluoroethylene Nhựa PTFE không bám dính bề
Rct Charge transfer resistantce Điện trở chuyển điện tích
RE Reference electrode Điện cực so sánh
Rct Contact resistance Điện trở tiếp xúc
Rs Resistance Điện trở tổng
SCE Saturated calomel electrode Điện cực so sánh calomel bão hòa
SEM Scanning electron microscopy Kính hiển vi điện tử quét
SHE Standard hydrogen electrode Điện cực hydro tiêu chuẩn
SOFC Solid oxide fuel cell Pin nhiên liệu oxit rắn
TEM Transmission electron microscopy Phổ điện tử truyền qua
WE Working electrode Điện cực làm việc

14. 1
MỞ ĐẦU
Nhu cầu sử dụng năng lượng của con người gia tăng nhanh chóng cùng với sự
phát triển của kinh tế - xã hội. Những nguồn năng lượng hiện đang được sử dụng rộng
rãi có nguồn gốc từ năng lượng hóa thạch: dầu mỏ, khí đốt tự nhiên, than đá... Các
nguồn nhiên liệu này có trữ lượng hữu hạn, đang dần cạn kiệt. Việc khai thác và sử
dụng nhiên liệu hóa thạch đang tạo ra những vấn đề lớn về môi trường như ô nhiễm
môi trường khí, ô nhiễm dầu trên biển, trên đất… Những thách thức về nhu cầu năng
lượng và phát triển bền vững đã thúc đẩy tất cả các nhà khoa học trên thế giới tập
trung nghiên cứu nhằm tìm kiếm các nguồn năng lượng mới thay thế có khả năng tái
tạo. Trong số tất cả các nguồn năng lượng tái tạo có thể lựa chọn như: năng lượng
mặt trời, năng lượng gió, thủy điện, năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng
lượng thủy triều.., có một nguồn năng lượng đầy hứa hẹn là nhiên liệu hydro và được
coi là một ứng viên sáng giá cho tương lai. Cho đến nay, nhiều nước phát triển trên
thế giới đã bắt đầu hoạch định mục tiêu hướng đến nền kinh tế hydro trong chiến lược
năng lượng của mình. Nhiên liệu hydro là nguồn nhiên liệu sạch lí tưởng, bởi vì khi
bị đốt cháy trực tiếp sản phẩm duy nhất được tạo thành là nước, khi được sử dụng
làm nhiên liệu trong pin nhiên liệu thì sản phẩm tạo ra là điện, nhiệt và nước. Mặt
khác, hydro là một chất khí không màu, không mùi, chiếm 75% khối lượng của toàn vũ trụ.
Vì vậy, hydro là nguồn năng lượng gần như vô tận hay có thể tái sinh được [1].
Pin nhiên liệu là thiết bị điện hóa biến đổi trực tiếp năng lượng hóa học của
nhiên liệu hydro thành điện năng. Với hiệu suất chuyển hóa năng lượng cao và ít ảnh
hưởng đến môi trường, sản phẩm của quá trình phát điện chỉ gồm điện, và nước (một
số loại còn có thêm khí CO2), pin nhiên liệu được coi là nguồn năng lượng tiềm năng,
đầy hứa hẹn trong tương lai. Khác với động cơ đốt trong, pin nhiên liệu không có sự
chuyển hóa nhiệt năng thành cơ năng nên hiệu suất của nó không bị giới hạn bởi hiệu
suất nhiệt của chu trình Carnot, kể cả khi vận hành ở nhiệt độ tương đối thấp. Hơn
nữa, pin nhiên liệu và động cơ điện sử dụng pin nhiên liệu không gây tiếng ồn như
động cơ đốt trong. Cấu tạo của “động cơ điện” khi sử dụng pin nhiên liệu hydro cũng
sẽ đơn giản hơn, tin cậy và bền hơn.
Trong các dạng thiết bị phát điện điện hóa đã biết, ắc quy có thể tích trữ năng
lượng điện dưới dạng hóa năng, tuy nhiên, sự tích trữ này là hữu hạn. Sau một thời

15. 2
gian sử dụng, ắc quy cần phải được nạp lại để có thể tái sử dụng được. Còn pin năng
lượng mặt trời chỉ có thể hoạt động được vào ban ngày, khi có ánh nắng mặt trời
chiếu vào và thường phải kết hợp với ắc quy để tích điện. Trong khi đó, pin nhiên
liệu có thể hoạt động liên tục chỉ cần đảm bảo nhiên liệu được cung cấp đầy đủ, liên
tục. Hydro và oxy là hai nhiên liệu chính sử dụng cho pin nhiên liệu. Oxy thì sẵn có
trong không khí, còn hydro có thể thu được từ nhiều nguồn khác nhau như: tổng hợp
từ nhiên liệu hóa thạch, sinh khối, chế tạo bằng phương pháp sinh học, điện phân
nước… Việc tích trữ nhiên liệu hydro đồng nghĩa với việc pin nhiên liệu sử dụng
hydro có thể tích trữ năng lượng.
Trong số các loại pin nhiên liệu khác nhau như pin nhiên liệu kiềm, axit
photphoric, oxit rắn, màng điện phân polymer (PEMFC) và muối cacbonat nóng chảy.
Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC/pin nhiên liệu PEM) sử dụng nhiên liệu
hydro được các nhà khoa học và công nghệ trên thế giới quan tâm nhiều nhất trong
ba thập kỷ qua do những ưu điểm của loại pin nhiên liệu này là: trọng lượng nhẹ, kích
thước nhỏ gọn, công suất cao, độ ổn định cao, độ phát xạ thấp, không gây ồn, không
gây ô nhiễm môi trường. Pin nhiên liệu có công suất đầu ra linh hoạt nên được ứng
dụng rộng rãi cho các thiết bị điện tử xách tay, điện thoại, máy tính, các phương tiện
giao thông, các trạm không gian, các trạm phát điện [2, 3].
Tính chất, hiệu suất và khả năng áp dụng của pin nhiên liệu phụ thuộc rất nhiều
vào quá trình công nghệ chế tạo pin nhiên liệu. Vì vậy, việc nghiên cứu phát triển
công nghệ chế tạo pin nhiên liệu cũng được các nhà khoa học và các công ty trên thế
giới đầu tư nghiên cứu mạnh. Các công ty cũng như cơ sở nghiên cứu đều giữ bí mật
bản quyền công nghệ, mỗi cơ sở giữ các bí quyết kỹ thuật riêng của mình và không
truyền bá ra bên ngoài. Chính vì vậy, để có thể phát triển pin nhiên liệu tại Việt Nam,
chúng ta cần đầu tư nghiên cứu phát triển công nghệ riêng của mình và phát triển
công nghệ lõi trong chế tạo pin nhiên liệu làm bước đi ban đầu làm tiền đề cho sự
phát triển tiếp theo cho ứng dụng các pin nhiên liệu.
Ở nước ta hiện nay, việc nghiên cứu về pin nhiên liệu hầu như còn chưa được
quan tâm và có rất ít cơ sở khoa học nghiên cứu về vấn đề này. Các nghiên cứu về
pin nhiên liệu ở nước ta hiện nay đều đang trong giai đoạn bắt đầu, chủ yếu là nghiên
cứu hiệu ứng vật liệu xúc tác trong phòng thí nghiệm và hầu như chưa có nghiên cứu

16. 3
quan tâm đến công nghệ chế tạo bộ pin nhiên liệu (stack).
Từ những lí do trên, tập thể các thầy hướng dẫn và nghiên cứu sinh lựa chọn đề
tài nghiên cứu là: “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát ảnh hưởng của một số thông số
công nghệ lên đặc tính của pin nhiên liệu màng trao đổi proton”.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án:
- Nghiên cứu chế tạo pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC).
- Đánh giá lựa chọn vật liệu xúc tác và thành phần tối ưu cho lớp xúc tác trong
điện cực màng MEA. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ chế tạo đến
tính chất điện cực màng, trên cơ sở đó làm chủ công nghệ lõi và xây dựng quy trình
chế tạo điện cực màng MEA.
- Xây dựng mô hình và giải thích cơ chế các quá trình chuyển hóa hóa năng
thành điện năng trong điện cực màng MEA.
- Thiết kế, chế tạo và vận hành một bộ pin nhiên liệu PEMFC hoàn chỉnh có
công suất ~ 100 W.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:
Đối tượng nghiên cứu: tập trung vào nghiên cứu chế tạo thành phần cơ bản
nhất của pin nhiên liệu là điện cực màng MEA: thành phần mực xúc tác, công nghệ
tạo lớp xúc tác và công nghệ ép nóng tạo điện cực màng. Ngoài ra còn nghiên cứu
chế tạo các thành phần khác trong pin nhiên liệu như tấm lưỡng cực và cuối cùng là
thiết kế chế tạo hoàn chỉnh một bộ pin ~ 100 W.
Phương pháp nghiên cứu:
Luận án được tiến hành bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. Để đánh
giá hoạt tính xúc tác, độ bền xúc tác… các phương pháp điện hóa: như quét thế vòng,
tổng trở điện hóa được sử dụng nhằm xác định và lựa chọn vật liệu xúc tác chất lượng.
Để đánh giá hình thái và cấu trúc của vật liệu, thành phần của pin nhiên liệu, các
phương pháp vật lý như: hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi điện tử truyền qua
(TEM), nhiễu xạ tia X, tán xạ năng lượng tia X (EDX) đã được sử dụng. Để đánh giá
chất lượng pin, phương pháp đo điện được sử dụng nhằm tìm ra được tổ hợp vật liệu,
các chế độ công nghệ và chế độ hoạt động của pin cho chất lượng tốt nhất.

17. 4
Các nội dung công việc trong luận án được nghiên cứu, thực hiện tại phòng
Ăn mòn và bảo vệ vật liệu, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công
nghệ Việt Nam.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:
Ý nghĩa khoa học
 Xác định được thành phần mực xúc tác thích hợp cho chất lượng lớp xúc tác
của điện màng MEA tốt nhất.
 Xác định được các khâu và các thông số công nghệ ảnh hưởng tới chất lượng
màng và đưa ra các thông số chế tạo mang lại chất lượng cao.
 Xây dựng mô hình giải thích cơ chế các quá trình xảy ra trong điện cực màng
MEA.
Ý nghĩa thực tiễn
 Nắm được công nghệ lõi chế tạo điện cực màng MEA.
 Chế tạo và vận hành bộ pin ~ 100W.
 Tạo tiền đề về kiến thức và công nghệ cho việc phát triển pin nhiên liệu có
công suất cao ở Việt Nam.
Nội dung nghiên cứu của luận án:
Để thực hiện các mục tiêu trên, nội dung nghiên cứu cụ thể đã được tiến hành
thực hiện như sau:
 Nghiên cứu, đánh giá, lựa chọn thành phần mực xúc tác phục vụ cho quá trình
tạo lớp xúc tác điện cực: vật liệu xúc tác Pt/C, hàm lượng Nafion - chất dẫn
proton.
 Nghiên cứu chế tạo và đánh giá điện cực màng MEA chế tạo bằng những kỹ
thuật: CCS, DTM và quá trình ép nóng tạo điện cực màng. Ảnh hưởng của các
thông số công nghệ tới chất lượng điện cực và đưa quy trình chế tạo điện cực
màng MEA cho chất lượng tốt nhất.
 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một bộ pin nhiên liệu PEMFC hoàn chỉnh công
suất ~100 W. Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số công nghệ tới tính chất
của bộ pin và đưa ra điều kiện vận hành thích hợp.

18. 5
Bố cục của luận án:
Luận án bao gồm 120 trang với 88 hình vẽ và đồ thị, 23 bảng, 111 tài liệu tham
khảo và có cấu trúc như sau:
Phần mở đầu: Giới thiệu lý do chọn đề tài, mục đích, đối tượng, phương
pháp, phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.
Chương I: Tổng quan trình bày các vấn đề chính:
- Giới thiệu về phân loại, cấu tạo và nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu màng
trao đổi proton.
- Các vấn đề kỹ thuật chế tạo, vận hành ghép bộ pin nhiên liệu PEMFC được
trình bày.
- Tóm tắt các phương pháp nghiên cứu.
Chương II. Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu trình bày:
- Hóa chất, vật liệu sử dụng trong quá trình nghiên cứu.
- Quá trình thực nghiệm.
- Thiết bị và dụng cụ sử dụng trong nghiên cứu.
- Các phương pháp nghiên cứu.
Chương III: Trình bày các kết quả nghiên cứu trong quá trình chế tạo điện cực màng
MEA.
Chương IV: Trình bày các kết quả nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và vận hành bộ pin
nhiên liệu ~100 W.
Phần kết luận: Các kết quả chính của luận án.
Các kết quả chủ yếu của luận án đã được công bố ở 04 bài báo đã đăng trên
các tạp chí khoa học trong nước và Tuyển tập công trình Hội thảo khoa học quốc tế.

19. 6
Chương I. TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU MÀNG TRAO ĐỔI PROTON
1.1.Giới thiệu sơ lược về pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu (fuel cell) là một thiết bị điện hóa, chuyển đổi trực tiếp năng
lượng hóa học từ nhiên liệu hydro thành điện năng. Với hiệu suất chuyển hóa năng
lượng cao, và ít ảnh hưởng đến môi trường, sản phẩm của quá trình phát điện chỉ gồm
điện và nước (một số loại còn có thêm khí CO2), pin nhiên liệu được coi là nguồn
năng lượng tiềm năng, đầy hứa hẹn trong tương lai.
Pin nhiên liệu có cấu trúc gồm một lớp điện ly được đặt giữa 2 điện cực anot
và catot. Tùy theo từng loại pin nhiên liệu mà chất điện ly có thể ở dạng rắn, dạng
lỏng hay dạng màng. Chất điện ly này chỉ cho phép những ion thích hợp đi qua, và
không cho phép điện tử di chuyển qua nó. Trên các điện cực anot và catot có chứa
chất xúc tác để làm tăng tốc độ phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực.
1.1.1. Phân loại pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu được chia thành nhiều loại; chúng khác nhau về loại nhiên liệu
sử dụng, nhiệt độ hoạt động, công suất đầu ra…và đặc biệt, sự khác nhau cơ bản
nhất là về chất điện phân. Người ta thường phân loại dựa trên sự khác nhau về chất
điện phân đồng thời lấy tên chất điện phân đó làm tên gọi cho pin nhiên liệu, chúng
được chia thành 5 loại chính như sau:
1. Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) hay Pin nhiên liệu màng
điện phân polyme (PEFC). Pin nhiên liệu loại này dùng một màng polymer mỏng
đóng vai trò là chất điện phân. Loại pin này sử dụng nhiên liệu hydro và oxy. Trong
pin nhiên liệu sử dụng màng trao đổi proton này còn có một loại khác là pin nhiên
liệu sử dụng trực tiếp rượu (alcohol) làm nhiên liệu mà không cần bước xử lý chuyển
hóa thành hydro. Điển hình của loại này là loại pin nhiên liệu sử dụng methanol trực
tiếp (DMFC – Direct methanol fuel cell).
2. Pin nhiên liệu kiềm (Alkaline fuel cell – AFC) dùng dung dịch kiềm làm
chất điện phân.Với loại AFC hoạt động ở nhiệt độ dưới 120 o
C chất điện ly là dung
dịch KOH 35-50 %; với loại hoạt động ở nhiệt độ cao cỡ 250 o
C thì chất điện ly là
dung dịch KOH 85 %. Vật liệu điện cực anot được làm bằng Ni, catot bằng NiO.
Vật liệu xúc tác chủ yếu vẫn là Pt.
3. Pin nhiên liệu axit Phosphoric (PAFC) dùng axit phosphoric đậm đặc

20. 7
(~100 %) làm chất điện phân. Xúc tác điện cực cho cả anot và catot đều là Pt. Nhiệt
độ hoạt động từ 150 - 220 o
C.
4. Pin nhiên liệu muối cacbonat nóng chảy (MCFC) dùng muối cacbonat
nóng chảy của các alkali (Li, Na, K) làm chất điện phân. Chất điện phân này được
chứa trong ngăn gốm LiAlO2. Với nhiệt độ hoạt động từ 600 - 700 o
C, các muối
cacbonat tạo thành muối nóng chảy có độ dẫn điện cao với các ion cacbonat. Pin
nhiên liệu này không cần sử dụng các chất xúc tác là các kim loại quý hiếm.
5. Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) dùng oxit rắn, thường là hợp chất của oxit
Y2O3 và ZrO2 (YSZ) làm chất điện phân. Chất điện phân là một lớp mỏng và chỉ cho
phép ion O2-
đi qua. Pin này có nhiệt độ hoạt động từ 800 – 1000 o
C. Nhiệt độ hoạt
động cao cho phép sử dụng nhiều loại nhiên liệu đầu vào như khí thiên nhiên, các
hydrocarbon; đồng thời nhiệt độ cao cho phép kết hợp lượng nhiệt thừa để tái sử dụng
phát điện. Công suất đầu ra của pin có thể đạt 100 kW; hiệu suất khoảng 60%.
Bảng 1.1. Đặc trưng của các loại pin nhiên liệu được sử dụng phổ biến hiện nay [4]
Dạng pin
nhiên liệu
Chất
điện ly
Vật liệu
xúc tác
Nhiệt
độ
làm
việc
Phản ứng điện cực
Anot Catot
Pin nhiên liệu
màng trao đổi
proton (PEMFC)
Màng
trao đổi
proton
Pt tại
anot và
catot
60 –
140 o
C
H2 = 2H+
+
2e
1/2O2 + 2H+
+ 2e = H2O
Pin nhiên liệu sử
dụng trực tiếp
Methanol
(DMFC)
Màng
trao đổi
proton
Pt-Ru tại
anot và
Pt tại
catot
30 –
80 o
C
CH3OH+H2O
=
CO2+6H+
3/2O2 + 6H+
+ 6e = 3H2O
Pin nhiên liệu
kiềm (AFC)
KOH
Kim loại
không
quí hiếm
150 –
200 o
C
H2+2OH-
=
H2O+2e
1/2O2+H2O+2
e=
2OH-
Pin nhiên
liệu axit
photphoric
(PAFC)
H3PO4
Pt tại
anot và
catot
180 –
200 o
C
H2 = 2H+
+
2e
1/2O2 + 2H+
+ 2e = H2O
Pin nhiên liệu
muối cacbonat
nóng chảy
(MCFC)
Li2CO3/
K2CO3
Kim loại
không
quí hiếm
650 o
C
H2+CO3
2-
=
H2O+CO2+2e
1/2O2 + CO2
+ 2e = CO3
2-
Pin nhiên liệu
màng oxit rắn
(SOFC)
Zr bền
hóa bởi
Yt
Ni và
oxit
perovkite
1000
o
C
H2+O2-
=
H2O+2e
1/2O2+2e=O2-

21. 8
Sự lựa chọn chất điện phân quyết định đến khoảng nhiệt độ hoạt động của
pin nhiên liệu. Nhiệt độ hoạt động và tuổi thọ của pin lại ảnh hưởng đến các tính
chất cơ nhiệt, hóa lý của vật liệu được sử dụng trong pin nhiên liệu (ví dụ như: điện
cực, chất điện ly, các bản cực thu điện...). Pin nhiên liệu sử dụng các chất điện ly
lỏng thường bị giới hạn nhiệt độ hoạt động dưới 200 o
C hoặc thấp hơn bởi vì sự bay
hơi và suy giảm phẩm chất ở nhiệt độ cao. Đối với pin nhiên liệu hoạt động ở nhiệt
độ thấp, tất cả các nhiên liệu phải được chuyển hóa thành hydro trước khi đưa vào
pin nhiên liệu (trừ pin nhiên liệu sử dụng Methanol trực tiếp - DMFC). Đối với pin
nhiên liệu hoạt động tại nhiệt độ cao, nhiên liệu hydro hoặc giàu hydro có thể được
đưa trực tiếp vào pin nhiên liệu, quá trình chuyển hóa thành hydro, hoặc thậm chí
trực tiếp bị oxi hóa điện hóa có thể được thực hiện từ bên trong pin. Trong nghiên
cứu này chúng tôi tập trung vào pin nhiên liệu màng trao đổi proton sử dụng trực
tiếp nhiên liệu là hydro và oxy.
1.1.2. Ứng dụng của pin nhiên liệu
Hình 1.1. Một số ứng dụng của pin nhiên liệu [5]
Pin nhiên liệu có thể tạo ra nguồn điện có công suất từ vài W đến hàng nghìn
kW do đó nó được ứng dụng rộng rãi từ các thiết bị cầm tay như là nguồn điện cho
thiết bị di động đến các ứng dụng cho giao thông vận tải và các ứng dụng nguồn cung
cấp điện sử dụng, hoặc nguồn điện dự phòng cho các tòa nhà chung cư, các trạm viễn
thông…Hình 1.1 trình bày hình ảnh một số ứng dụng thực tế của pin nhiên liệu. Dựa

22. 9
theo công suất sử dụng người ta có thế tóm lược như sau: i) Pin nhiên liệu có công
suất nằm trong khoảng 5 - 50 W thường được áp dụng là nguồn xác tay. ii) Pin công
suất thay đổi từ 20 đến 250 kW thường áp dụng cho giao thông vận tải và iii) Trạm
điện bằng pin nhiên liệu có khoảng công suất thay đổi lớn hơn 1 - 50 MW và được
tóm tắt trong bảng 1.2.
Bảng 1.2. Phân loại các ứng dụng của pin nhiên liệu theo công suất đầu ra
Công suất của
PEMFC Các ứng dụng
< 10 W Các thiết bị di động, nhỏ, điện thoại di động
10 W – 100 W Các thiết bị có thể di động được như các thiết bị quân sự, pin
dự phòng, nguồn điện cho chiếu sáng …
100 W- 1 kW Các phương tiện giao thông nhỏ như xe đạp, xe lăn…các nguồn
dự phòng cho máy tính, cho thông tin liên lạc…
1 kW- 10 kW Các phương tiện giao thông như xe máy điện, ôtô điện, các máy
công cụ, tàu thuyền nhỏ, các nguồn điện dự phòng cho hệ thống
máy chủ, thang máy …
10 kW-100 kW Các xe lớn như xe bus, tàu thuyền, các trạm phát nhỏ
100 W-1 MW Các xe vận tải lớn, tàu biển, trạm phát điện tầm trung
> 1 MW Trạm phát điện cỡ lớn
1.2.Pin nhiên liệu màng trao đổi proton
Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) sử dụng nguyên liệu đầu vào là
hydro và oxy trong không khí có nhiều ưu điểm: 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, khởi động tương đối nhanh, nhiệt độ làm việc không cao (< 80 o
C), sử
dụng nguồn năng lượng sạch nên không tạo ra các chất thải gây ô nhiễm môi trường.
1.2.1. Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu màng trao đổi proton
Pin nhiên liệu màng trao đổi proton là thiết bị điện hóa biến đổi năng lượng
phản ứng hóa học trực tiếp thành điện bằng cách kết hợp nhiên liệu hydro với oxy từ
không khí. Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer
được giải thích như sau (hình 1.2): khí hydro được cấp vào phía anot và khí oxy được

23. 10
cấp vào từ phía catot của pin nhiên liệu. Khi hydro đi đến màng điện phân polymer
(PEM), chất xúc tác sẽ tách nó ra thành các proton và các electron; các proton sau khi
tách ra sẽ đi xuyên qua PEM, còn các electron thì bị PEM ngăn lại không cho đi
xuyên qua mà phải đi vòng qua một mạch điện bên ngoài để về catot của pin nhiên
liệu. Quá trình di chuyển này của các electron sẽ tạo ra dòng điện một chiều. Ở phía
catot, oxy được cung cấp vào sẽ kết hợp với các electron từ dòng điện và proton vừa
từ anot chuyển đến để tạo thành nước.
Phương trình phản ứng hóa học tại các điện cực của pin nhiên liệu PEM được
viết như sau:
Phản ứng trên anot: 
 eHH 442 2 (1.1)
Phản ứng trên catot: OHeHO 22 244  
(1.2)
Tổng quát: OHOH 222 22  + điện năng + nhiệt năng (1.3)
Hình 1.2. Nguyên lý hoạt động của PEMFC
Trên hình 1.3 mô tả các quá trình xảy ra trong pin. Các quá trình này xảy ra
đồng thời. Các hiện tượng liên quan tới sự vận hành pin nhiên liệu là phức tạp; đặc
biệt chúng liên quan tới các quá trình truyền nhiệt, chuyển điện tích và vật chất, dòng
đa pha và các phản ứng điện hóa. Các hiện tượng này xuất hiện tại các bộ phận khác
nhau như điện cực màng MEA gồm lớp xúc tác và màng, lớp khuếch tán (GDL), kênh
dẫn khí (GFC) và các tấm lưỡng cực (BP). Các quá trình xảy ra trong khi vận hành
pin nhiên liệu PEMFC như sau:
(1) Khí oxy và hydro được làm ẩm và thổi qua catot và anot;
(2) H2 và O2 chạy qua GDL xốp và khuếch tán vào lớp xúc tác;

24. 11
(3) Các phản ứng điện hóa xảy ra đồng thời tại các điện cực (H2 bị oxi hóa tạo
thành proton và electron ở anot và O2 bị khử với proton và electron để tạo thành nước
tại catot);
(4) Proton được vận chuyển qua màng điện ly;
(5) Các electron được dẫn qua nền cacbon tới bộ phận thu dòng điện anot và
sau đó đi tới bộ phận thu dòng điện catot qua một mạch ngoài;
(6) Nước được vận chuyển qua màng polymer;
(7) Sản phẩm nước được vận chuyển ra khỏi GDL và ra khỏi catot;
(8) Hai dòng khí đi ra khỏi pin kéo theo các giọt nước bị ngưng tụ;
(9) Nhiệt được tạo thành do các phản ứng điện hóa được dẫn ra khỏi hệ nhờ
nền cacbon và tấm lưỡng cực.
Hình 1.3. Các quá trình xảy ra khi PEMFC vận hành
1.2.2. Nhiệt động học trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton
Một pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) gồm một màng trao đổi
proton nằm giữa hai điện cực anot và catot được phủ vật liệu xúc tác. Các phản ứng
điện hóa xảy ra tại bề mặt tiếp giáp của hai điện cực với màng trao đổi proton. Pin
nhiên liệu màng trao đổi proton chuyển đổi hóa năng dự trữ trong nhiên liệu hydro
thành năng lượng điện thông qua các phản ứng điện hóa giữa hydro và oxy. Tại điện

25. 12
cực anot xảy ra phản ứng oxi hóa hydro (HOR) và phản ứng khử oxy (ORR) xảy ra
tại điện cực catot. Các phản ứng xảy ra tại hai điện cực như sau:
Phản ứng tại điện cực anot: H2 2H+
+ 2e-
(1.4)
Tương ứng với điện thế điện cực anot Ea
o
= 0,00 V (điều kiện tiêu chuẩn) so
với thế điện cực hydro tiêu chuẩn (SHE).
Phản ứng xảy ra tại điện cực catot 1/2 O2 + 2H+
+ 2e-
 H2O (1.5)
Tương ứng điện thế điện cực catot Ec
o
= 1,229 V (điều kiện tiêu chuẩn).
Phương trình tổng quát của phản ứng xảy ra trong pin là:
H2 + 1/2O2  H2O (1.6)
Với sức điện động ở điều kiện tiêu chuẩn của pin được tính bằng 1,229 V.
Enthalpy của phản ứng
Trong pin nhiên liệu hydro, phản ứng hóa học tổng quát (phương trình 1.6) có
dạng giống như phản ứng đốt cháy hydro, và cũng là phản ứng tỏa nhiệt.
H2 + 1/2O2  H2O + nhiệt (1.7)
Nhiệt hay là enthalpy của phản ứng hóa học khác với nhiệt tạo thành là sản
phẩm của các chất phản ứng. Đối với phương trình trên, nhiệt hay enthalpy là:
∆H = (hf)H2O - (hf)H2 - (hf)1/2O2 (1.8)
Nhiệt tạo thành nước là -286 kJ mol-1
tại 25 o
C và nhiệt tạo thành các phân tử
được định nghĩa bằng 0. Do đó:
∆H = (hf)H2O - (hf)H2 - (hf)1/2O2 = -286 kJ mol-1
– 0 – 0 = -286 kJ mol-1
(1.9)
Dấu “-” của enthalpy, được quy ước là phản ứng tỏa nhiệt. Phương trình (1.7)
viết lại thành:
OHO
2
1
H 222  +286 kJ mol-1
(1.10)
Viết +286 kJ mol-1
, có nghĩa nhiệt là một sản phẩm của phản ứng.
Phương trình này chỉ đúng với hệ tại nhiệt độ 25 o
C, áp suất khí quyển và nước
ở dạng lỏng.
1.2.2.1. Năng lượng tự do Gibbs
Sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs (∆Gf) của phản ứng khác với năng lượng
tự do Gibbs của sản phẩm và năng lượng tự do của các chất phản ứng. Sự thay đổi
năng lượng tự do của phản ứng trong pin nhiên liệu hydro/oxy là:

26. 13
∆Gf = Gf, products - Gf, reactants = Gf, H2O - Gf, H2 - Gf, O2 (1.11)
Năng lượng tự do Gibbs biến đổi theo nhiệt độ và áp suất
∆G = ∆G − RTln[
/
] (1.12)
Trong đó ∆G là sự thay đổi năng lượng tự do tại áp suất tiêu chuẩn và thay
đổi theo nhiệt độ T của pin nhiên liệu. PH2, PO2 và PH2O là các giá trị áp suất riêng
phần tương ứng của hydro, oxy và hơi nước. R là hằng số khí lý tưởng (8,314 J/kg.K).
Trong thực tế, ∆G có giá trị âm, điều này có nghĩa là năng lượng được giải phóng ra
từ phản ứng.
1.2.2.2. Công điện lý thuyết
Trong pin nhiên liệu, điện năng được sinh ra bởi công hữu ích của phản ứng
hóa học xảy ra trong pin. Vì pin nhiên liệu thực hiện việc chuyển đổi trực tiếp năng
lượng hóa học thành năng lượng điện nên công điện cực đại Wel được định nghĩa bằng
tích của điện tích với sức điện động của pin:
Wel = qE (1.13)
Trong đó:
Wel là công điện (Jmol-1
)
q là điện tích (Coulombs mol-1
)
E là sức điện động của pin (Volts)
Tổng điện tích trao đổi trong phản ứng của pin nhiên liệu đối với mỗi mol H2
tiêu thụ bằng: q = n. NAvg.qel (1.14)
Trong đó:
n là số điện tử trên một phân tử H2 = 2 điện tử/1 phân tử
NAvg là số phân tử trên một mol (số Avogadro) = 6,022. 1023
phân tử/mol
qel là điện tích của một điện tử = 1,602 x1019
coulombs/ electron
Tích số của số Avogadro và điện tích của 1 điện tử chính là hằng số Faraday:
F = NAvg.qel = 96,485 coulombs/ electron mol
Công điện lúc này được viết lại bằng: Wel = nFE (1.15)
Mặt khác, công điện cực đại của quá trình vận hành pin nhiên liệu trong cùng
điều kiện tương ứng với sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs, ∆G:
Wel = nFE = -∆G (1.16)
Điện áp lý thuyết của pin nhiên liệu xác định được là: E = -∆G/nF (1.17)

27. 14
Vì ∆G, n, F đã biết nên điện áp lý thuyết của pin nhiên liệu H2/O2 có thể xác
định được bằng:
E = -∆G/nF = 237,340 (J/mol)/2x96485 As/mol = 1,23 V (1.18)
Như vậy, tại nhiệt độ 23 o
C, điện áp lý thuyết của pin nhiên liệu H2/O2 là 1,23 V.
1.2.3. Hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu
Như đã biết, khi hoạt động pin nhiên liệu tạo ra cả điện năng và nhiệt năng. Sự
thay đổi trong mỗi phản ứng hóa học thường tạo ra sự thay đổi entropy và enthalpy,
bởi vì có một phần năng lượng hóa học không thể chuyển thành công có ích.
Tại nhiệt độ không đổi T, sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs còn có thể được
biểu diễn bằng biểu thức sau:
∆G = ∆H - T∆S (1.19)
Trong đó, ∆H là sự thay đổi enthalpy, đặc trưng cho tổng năng lượng nhiệt có
mặt trong phản ứng; T∆S đặc trưng cho năng lượng mất mát do sự thay đổi entropy
(∆S) của phản ứng trong pin nhiên liệu.
Về mặt lý thuyết, hiệu suất của một thiết bị chuyển hóa năng lượng được định
nghĩa là tỉ số năng lượng có ích đầu ra chia cho năng lượng đầu vào. Trong pin nhiên
liệu, năng lượng có ích đầu ra là điện năng, và năng lượng đầu vào là năng lượng hóa
học – enthalpy của nhiên liệu đưa vào pin. Hiệu suất lý thuyết lý tưởng của pin nhiên
liệu có thể được tính bằng công thức:
η = = 1 − (1.20)
Giả sử toàn bộ năng lượng tự do Gibbs được chuyển đổi thành điện năng; tại
điều kiện tiêu chuẩn (298 K, 1 atm), hiệu suất lý thuyết cực đại của pin nhiên liệu là:
η = =
,
,
= 83 % (1.21)
Hiệu suất lý thuyết đôi khi cũng được gọi là hiệu suất nhiệt động học hoặc
hiệu suất giới hạn cực đại.
1.2.4. Điện thế hở mạch của pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu màng trao đổi proton chuyển đổi hóa năng lượng dự trữ trong
nhiên liệu hydro thành năng lượng điện thông qua các phản ứng điện hóa giữa hydro

28. 15
và oxy. Các phản ứng xảy ra tại hai điện cực như sau:
Phản ứng tại điện cực anot: H2  2H+
+ 2e-
(1.22)
Phản ứng xảy ra tại điện cực catot: 1/2 O2 + 2H+
+ 2e-
 H2O (1.23)
Phương trình tổng quát của phản ứng xảy ra trong pin là:
H2 + 1/2O2  H2O (1.24)
Giả sử rằng các phản ứng trên xảy ra ở trạng thái cân bằng, điện thế nhiệt động
học của các điện cực có thể được biểu diễn qua các phương trình Nernst:
(1.25)
(1.26)
Trong phương trình (1.25), là điện thế điện cực anot thuận nghịch (V) tại
nhiệt độ T, à là hoạt độ tương ứng của H2 và H+
; là điện thế điện cực
của cặp oxy hóa khử H2/H+
ở điều kiện tiêu chuẩn (= 0 ở điều kiện tiêu chuẩn); nH là
số điện tử trao đổi (= 2 đối với cặp oxi hóa khử H2/H+
); R là hằng số khí (8,314 JK-
1
mol-1
); F là hằng số Faraday (96,487 C mol-1
).
Trong phương trình (1.26), là điện thế điện cực catot thuận nghịch (V)
tại nhiệt độ T, à là hoạt độ tương ứng của O2 và H+
; là điện thế điện
cực của cặp oxi hóa khử O2/H2O ở điều kiện tiêu chuẩn (= 1,229V ở điều kiện tiêu
chuẩn); nO là số điện tử trao đổi (= 4 đối với cặp oxi hóa khử O2/H2O); là hoạt
độ của H2O.
Kết hợp phương trình (1.25) và (1.26) ta thu được điện thế nhiệt động học hoặc
điện thế lý thuyết của pin (VOCV):
(1.27)
Trong đó / − = 1,229
Do vậy, điện thế lý thuyết của pin dưới các điều kiện khác nhau có thể tính
được từ phương trình (1.26); Điện thế luôn bằng không với mọi nhiệt độ; trong
khi đó / phụ thuộc vào các hệ số , và . Do đó, / có thể
được biểu diễn bởi phương trình:

29. 16
/ = 1,229 – 0,000846 x (T-298,15) (1.28)
Vì vậy, điện thế lý thuyết hở mạch:
VOCV = 1,229 - 0,000846 x (T-298,15) + 2,303 log( ) (1.29)
Ở điều kiện tiêu chuẩn, điện thế lý thuyết có giá trị bằng VOCV=1,229 V.
Tính toán một cách gần đúng, các giá trị , và có thể được thay
thế bằng các giá trị áp suất riêng phần tương ứng: PO2, PH2 và PH2O vì thế, phương
trình (1.28) viết lại là:
VOCV = 1,229 - 0,000846 x (T-298,15) + 2,303 log( ) (1.30)
Khi pin hoạt động, nhiệt độ và các giá trị áp suất riêng phần PO2, PH2 và PH2O
có thể đo được. Vì vậy, VOCV có thể tính được dựa vào các thông số trên. Tại nhiệt
độ gần với nhiệt độ ở điều kiện tiêu chuẩn, giá trị VOCV gần bằng 1,229 V. Tuy nhiên,
trong thực tế, giá trị VOCV đo được luôn nhỏ hơn giá trị lý thuyết tính toán được theo
phương trình (1.30). Điều này được giải thích là do điện thế hở mạch bị ảnh hưởng
bởi một vài thông số như nhiệt độ hoạt động, trạng thái của xúc tác bề mặt Pt và sự
khuếch tán của hydro qua màng.
Như vậy, đo đạc giá trị điện thế hở mạch của pin nhiên liệu PEM có vai trò
quan trọng cho phép ta đánh giá phẩm chất của điện cực màng hay của Pin. Sự bất
thường trong điện thế hở mạch có thể cho những gợi ý về những sai hỏng trong pin
như: rò rỉ khí qua màng, hoặc màng bị gãy, hoặc các sai hỏng trong tấm lưỡng cực.
1.2.5. Cấu tạo của pin nhiên liệu màng trao đổi proton
Cấu tạo cơ bản của một pin nhiên liệu màng trao đổi proton được thể hiện trên
hình 1.4 bao gồm các thành phần:
a. Màng trao đổi proton (PEM)
b. Các điện cực anot và catot là các lớp khuếch tán khí (GDL) được phủ
lớp xúc tác
c. Các lớp gioăng
d. Các tấm lưỡng cực chứa các kênh dẫn khí (BL). Các tấm lưỡng cực
thường được làm bằng vật liệu graphit
e. Các tấm thu điện
f. Các tấm vỏ nhôm

30. 17
Hình 1.4. Cấu tạo của một PEMFC điển hình
1.2.5.1. Điện cực màng
Bộ phận quan trọng nhất trong một PEMFC là điện cực màng (MEA). MEA
được cấu tạo bởi hai lớp vật liệu xúc tác điện cực là anot và catot nằm đối xứng với
nhau qua một màng nafion có chức năng làm môi trường điện ly vận chuyển proton
từ anot sang catot. Hiệu suất chuyển hóa năng lượng của PEMFC được quyết định
bởi tính chất của MEA. Trong hệ thống pin nhiên liệu, các phản ứng điện hóa sẽ xảy
ra tại bề mặt phân chia ba pha giữa chất điện ly, khí nhiên liệu và các hạt xúc tác rắn
trong MEA. Tính chất của MEA sẽ bị ảnh hưởng bởi các thông số quan trọng như
mật độ xúc tác, hàm lượng chất dẫn ion và đặc biệt là phương pháp chế tạo MEA.
Các thành phần của một điện cực màng bao gồm màng trao đổi proton nằm
xen giữa, tiếp đến là hai lớp xúc tác anot và catot, phía ngoài cùng là hai lớp môi
trường khuếch tán khí (GDL). Trong lớp khuếch tán gồm 2 lớp đó là lớp khuếch tán
khí phía bên ngoài được làm bằng giấy cacbon hay vải cacbon, và lớp vi xốp mịn phía
bên trong. Các thành phần này thông thường được liên kết với nhau nhờ quá trình ép
nóng. Hình 1.5 là hình ảnh minh họa cấu tạo của một MEA.

31. 18
Hình 1.5. Cấu tạo của điện cực màng trong PEMFC
a. Màng trao đổi proton
Màng trao đổi proton (PEM) là một màng điện ly polymer mỏng (độ dày
khoảng 10-200 µm), có vai trò dẫn các proton từ anot sang catot. Vật liệu màng lý
tưởng có độ dẫn ion cao, không cho electron chuyển qua và ngăn cách các khí nhiên
liệu tiếp xúc trực tiếp với nhau. Thêm nữa vật liệu màng phải có được các phẩm chất
như: có độ bền hóa học trong môi trường làm việc khắc nghiệt, độ bền nhiệt tại nhiệt
độ vận hành khoảng 80-100 o
C và độ bền cơ học cao. Có hai quá trình vận chuyển
vật chất xảy ra trong màng: vận chuyển nước và ion. Động lực chính của quá trình
vận chuyển proton qua màng chủ yếu do chênh lệch điện thế giữa hai bề mặt màng.
Do nước tồn tại trong trong màng nên cơ chế của quá trình vận chuyển proton được
giải thích do ảnh hưởng của khuếch tán. Ngoài ra, khi hàm lượng của nước trong
màng đủ cao các proton có thể dịch chuyển trực tiếp từ một vị trí này sang vị trí khác
trên bề mặt của các nhóm sulfonic. Độ ẩm của màng đóng vai trò rất quan trọng trong
vận hành pin nhiên liệu. Nếu độ ẩm thấp sẽ làm tăng trở kháng của màng, tạo ra nhiệt
cục bộ làm nứt hay tạo ra rất nhiều lỗ nhỏ trên màng dẫn tới sự khuếch tán nhiên liệu
qua màng và chúng phản ứng trực tiếp gây hư hại màng.
Hình 1.6. Cấu trúc phân tử của màng polymer Nafion

32. 19
Các màng hiện nay chủ yếu là các axít perfluorosulfonic và nổi bật nhất là
màng Nafion được nghiên cứu đầu tiên bởi công ty DuPont năm 1960 [6]. Màng
Nafion có độ bền vật lý cao với cấu trúc khung xương của polytetrafluoroethylene
(PTFE) như trình bày trên hình 1.6. Các nhóm chức axít sulfonic cung cấp các tâm
tích điện cho vận chuyển proton. Nhóm HSO3
-
được thêm vào liên kết bởi liên kết
ion và vì thế phần cuối của mạch bên thực sự chỉ là ion SO3-
. Sự có mặt của ion SO3-
và H+
tạo ra một trường lực hút rất mạnh giữa phần dương và âm trong mỗi phân tử.
Kết quả là các phân tử mạch bên có khuynh hướng liên kết thành nhóm trong toàn bộ
cấu trúc vật liệu. Tính chất chính của nhóm sulfonic acid là tính ưa nước cao. Vùng
ưa ẩm xung quanh nhóm sulfonated của mạch bên có thể hấp thụ một lượng lớn nước
làm tăng khối lượng của vật liệu lên 50%. Trong vùng đã thủy hóa ion H+
bị hút khá
yếu bởi các ion SO3-
, và có thể di chuyển. Để có thể vận chuyển tốt proton H+
thì các
vùng điện giải cần độ rộng hết mức có thể. Một vùng điện giải tốt cần có khoảng 20
phân tử nước cho mỗi mạch bên chứa SO3-
, có độ dẫn khoảng 0,1 Scm−1
.
Ngoài ra, các vật liệu perfluorinated khác như là Neosepta-F™ (Tokuyama),
Gore-Select™ (W.L. Gore and Associates, Inc.), Flemion™ (Asahi Glass Compnay),
Asiplex™ (Asahi Chemical Industry) cũng được nghiên cứu cho pin nhiên liệu. Một
số loại màng có thể làm việc ở nhiệt độ cao (100 - 200 o
C) dùng cho các pin nhiên
liệu nhiệt độ cao có khả năng chịu ăn mòn của CO và làm mát tốt hơn cho pin nhiên
liệu [7]. Hiện nay, các màng Nafion vẫn là lựa chọn chính cho chế tạo pin nhiên liệu
mặc dù có giá thành cao. Trên bảng 1.3 trình bày tổng hợp các loại màng Nafion hiện
đang được sử dụng trong chế tạo và phát triển pin nhiên liệu.
Bảng 1.3. Các loại màng Nafion thương mại [8]
Loại màng Nafion Độ dày (µm) Đương lượng (g/mol)
Nafion 112 25,0 1026
Nafion 115 127,0 1012
Nafion 117 183,0 1071
Nafion 212 50,8 1100
Nafion 1035 87,0 960

33. 20
b. Lớp xúc tác trong MEA
Trong pin nhiên liệu PEM, các phản ứng điện hóa xảy ra tại lớp xúc tác điện
cực, nơi phân giới giữa ba pha: pha khí, pha chất điện ly và bề mặt xúc tác. Hiệu suất
của pin nhiên liệu bị giới hạn bởi động học điện hóa của ba thành phần; trong đó vật
liệu xúc tác quyết định động học điện hóa của các phản ứng oxy hóa khử, màng
Nafion quyết định đến độ dẫn proton và pha khí quyết định các vấn đề về sự chuyển
khối. Vai trò của lớp xúc tác là làm tăng tốc độ các phản ứng này, các lớp xúc tác cần
cho phép sự vận chuyển các chất phản ứng, các ion, các điện tử và các chất sản phẩm
và cần đảm bảo một diện tích bề mặt lớn cho các phản ứng.
Cấu trúc lớp xúc tác được minh họa đơn giản trong hình 1.7. Độ dày lớp xúc
tác thường từ 5 -100 µm, với độ xốp khoảng 40-70 % và được phân tán bởi các hạt
xúc tác Pt kim loại kích thước 1-10 nm [9]. Hình dạng lớp xúc tác có thể được mô tả
như một tập hợp các khối kết tụ. Mỗi khối kết tụ này chứa các hạt xúc tác Pt trên nền
cacbon được bao quanh bởi chất dẫn ion. Giữa các khối kết tụ là các lỗ xốp. Khí oxy
khuếch tán qua các lỗ và hòa tan vào trong lớp dẫn ion. Ở đây, nó kết hợp với các
proton và các electron để tạo thành nước. Sản phẩm nước sau đó hòa tan vào trong
chất dẫn ion và khuếch tán đi tới các lỗ. Từ các lỗ, nước được vận chuyển bởi hoạt
động bay hơi hay thẩm thấu đi ra ngoài lớp xúc tác.
Lớp xúc tác đóng nhiều vai trò khác nhau đòi hỏi các tính chất trái ngược nhau.
Lớp xúc tác lý tưởng sẽ cần những tính chất sau: chiều dày nhỏ, điện trở chuyển khối
thấp, độ dẫn ion và điện cao, diện tích bề mặt Pt cao. Một yếu tố khác là lớp xúc tác
nên đảm bảo khối lượng Pt nhỏ để giảm thiểu chi phí của Pt. Chiều dày lớp xúc tác
ảnh hưởng lên hiệu quả sử dụng của xúc tác và năng lực vận chuyển khí. Tại các mật
độ dòng điện cao, diện tích hoạt động của lớp xúc tác bị hạn chế tới một vùng mỏng
do giới hạn của chuyển khối. Bằng cách chế tạo lớp xúc tác mỏng hơn sẽ có nhiều
hơn các xúc tác Pt tham gia vào phản ứng làm tăng hiệu quả sử dụng Pt trong toàn bộ
lớp xúc tác. Thêm nữa, các lớp xúc tác mỏng hơn làm giảm đường dẫn các khí phản
ứng, các điện tử và proton cần vận chuyển tới các vị trí phản ứng.
Lớp xúc tác yêu cầu có điện trở chuyển khối nhỏ để đảm bảo rằng có đủ các
chất phản ứng có thể đi tới các vị trí xúc tác. Để đạt được một điện trở chuyển khối
thấp đòi hỏi lớp xúc tác có độ xốp cao và điện trở khuếch tán thấp. Điện trở khuếch

34. 21
tán thấp làm cho sự vận chuyển các chất phản ứng dễ dàng qua Nafion tới các vị trí
xúc tác Pt. Điện trở khuếch tán bị ảnh hưởng bởi chiều dày của lớp Nafion mà các
khí phản ứng cần khuếch tán qua.
Vật liệu xúc tác lý tưởng cho các phản ứng oxy hóa hydro (HOR) trên điện
cực anot và phản ứng khử oxy (ORR) trên điện cực catot trong PEMFC là Platin. Do
khả năng hấp phụ H2 của Pt rất lớn nên lượng Pt sử dụng làm xúc tác cho anot sẽ
không đòi hỏi cao. Đối với phản ứng ORR, mật độ dòng trao đổi trên Pt chỉ đạt 10-9
A/cm2
nên hàm lượng Pt sử dụng tại catot đòi hỏi nhiều hơn so với anot. Tuy nhiên,
Pt rất bền trong môi trường làm việc pH thấp tại catot.
Hình 1.7. Cấu trúc của một lớp xúc tác trong PEMFC
Để có được một MEA có phẩm chất tốt, có độ dẫn điện và dẫn ion cao đòi hỏi
có một lượng hiệu quả của Pt và cacbon. Tuy nhiên, có quá nhiều các vật liệu sẽ chặn
các lỗ và tăng chiều dày của lớp xúc tác. Do đó điều này cần một mức độ tối ưu của
chất dẫn ion và cacbon trong toàn bộ lớp xúc tác. Diện tích bề mặt Pt cao sẽ làm tăng
diện tích tham gia phản ứng của xúc tác. Điều này không chỉ đơn giản là có thêm
lượng Pt trong lớp xúc tác mà còn là phần diện tích bề mặt của các hạt Pt. Vì vậy, các
hạt Pt nhỏ hơn có diện tích bề mặt lớn hơn với cùng một lượng Pt sử dụng sẽ cho hiệu
quả xúc tác tốt hơn. Vấn đề phân tán các hạt Pt cũng rất cần thiết nếu các hạt xúc tác
chạm vào nhau trong toàn bộ lớp xúc tác sẽ làm giảm một phần diện tích bề mặt của
xúc tác.
Nhiều nghiên cứu cải tiến thành phần lớp xúc tác đã được thực hiện góp phần
nâng cao hiệu suất và tính chất của các PEMFC. Watanabe [10] và các đồng nghiệp
đã tìm ra rằng 0,2 µm của Nafion che phủ vật liệu xúc tác Pt là tối ưu qua các thí
nghiệm trên điện cực đĩa quay. Họ đã sử dụng các điện cực Pt rắn được phủ 1 màng

35. 22
Nafion để xác định ảnh hưởng của Nafion lên HOR và ORR. Với chiều dày lớn hơn
nhiều 0,2 µm, tốc độ khuếch tán của các khí phản ứng là yếu tố khống chế tính chất
của pin nhiên liệu. Họ đã kết luận rằng những kết quả thu được có thể giúp đỡ cho
thiết kế các điện cực pin nhiên liệu. Poltarzewski [11] và các đồng nghiệp đã nghiên
cứu ảnh hưởng của mật độ và phân bố của Nafion trong lớp xúc tác. Họ đã chế tạo
các MEA bằng cách thả một điện cực khuếch tán khí có mang xúc tác trong một dung
dịch Nafion và đã thay đổi mật độ Nafion từ 0,2 đến 1,7 mg/cm2
bằng cách thay đổi
thời gian tiếp xúc của điện cực trong dung dịch. Các tác giả đã tìm ra rằng một mật
độ Nafion 0,9 mg/cm2
là tối ưu; mật độ này có điện trở dẫn ion thấp nhất và hoạt tính
điện hóa cao nhất. Họ cũng tìm ra khi mật độ Nafion lớn hơn 0,9 mg/cm2
có một thể
tích lỗ không đổi nghĩa là khi tăng mật độ Nafion cao hơn 0,9 mg/cm2
sẽ chỉ làm lắng
đọng một lớp Nafion trên bề mặt điện cực.
Uchida [12] và các đồng nghiệp đã nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng chất
dẫn ion trong lớp xúc tác sử dụng vật liệu Pt/C 25% klg với mật độ chất dẫn ion từ
0,1 đến 1,4 mg/cm2
, và mật độ Pt là 0,5 mg/cm2
. Các tác giả đã xác định mật độ chất
dẫn ion 1,0 mg/cm2
đã làm tăng tính chất của pin trong tất cả các khoảng điều kiện
làm việc. Kết quả đo độ xốp thủy ngân đã chứng tỏ rằng các lỗ xốp trong khoảng 0,02
– 0,04 µm không thay đổi dù tăng mật độ chất dẫn ion nhưng các lỗ trong khoảng
0,04 – 1,0 µm sẽ giảm khi tăng hàm lượng chất dẫn ion. Các tác giả đã kết luận rằng
các chất dẫn ion chỉ tồn tại trong các lỗ lớn này do thể tích của các lỗ nhỏ không đổi
khi tăng hàm lượng Nafion.
Paganin [13] và các đồng nghiệp đã nghiên cứu ảnh hưởng của cả hai tỉ lệ Pt
và cacbon với mật độ Nafion lên tính chất của PEMFC. Mật độ Nafion từ 0,87 đến
2,6 mg/cm2
sử dụng xúc tác Pt/C 10 %klg. Các tác giả ngoại suy các dữ liệu phân cực
từ dạng các phương trình 1.31 và 1.32 để nhận điện thế, E là một hàm của mật độ
dòng điện i.
= − log( ) − (1.31)
= + log( ) (1.32)
Trong đó E0
là điện áp thuận nghịch, b là hệ số Tafel, io là mật độ dòng trao
đổi của ORR và R là điện trở của các thành phần phân cực tuyến tính như là điện trở
chuyển điện tích, điện trở môi trường điện ly và điện trở khuếch tán. Họ đã tìm ra giá

36. 23
trị Eo
không thay đổi nhiều trong khoảng mật độ Nafion 1,75 – 2,2 mg/cm2
. Các tác
giả đã kết luận rằng điều này cho thấy các diện tích hoạt hóa điện hóa, các điện trở
màng và các thành phần phân cực tuyến tính là giống nhau trong khoảng này và đây
là khoảng mật độ Nafion lý tưởng cho lớp xúc tác dựa trên vật liệu xúc tác 10 %klg.
Các nghiên cứu cũng đã thực hiện với các loại xúc tác khác nhau thay đổi từ 10 đến
80 %klg. Với hàm lượng Nafion trong khoảng lý tưởng trên. Tính chất tổng thể tốt
nhất đạt được với xúc tác 20 %klg. Tại mật độ xúc tác 0,4 mg/cm2
và 1,1 mg/cm2
Nafion dựa trên các phép đo đường cong phân cực. Lớp xúc tác này có điện trở tuyến
tính thấp nhất và giá trị Eo
cao nhất khi các kết quả phân cực được mô phỏng theo
phương trình Tafel. Antolini [14] và các đồng nghiệp cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng
của mật độ Nafion lên tính chất điện cực khuếch tán khí. Các thử nghiệm đã được
thực hiện trên các điện cực cho phản khử oxy ORR trong dung dịch H2SO4. Họ đã
chế tạo các điện cực sử dụng xúc tác 20 %klg và Nafion bằng cách quét hỗn hợp lên
trên lớp khuếch tán. Mật độ Nafion từ 0 đến 1,46 mg/cm2
đã được khảo sát. Các tác
giả đã tìm thấy mật độ Nafion 0,67 mg/cm2
cho tính chất tốt nhất. Mật độ này đã tối
thiểu quá thế hoạt hóa và điện trở phân cực, đồng thời cũng đã tối đa diện tích bề mặt
hoạt hóa điện hóa. Passalacqua [15] và các đồng nghiệp đã nghiên cứu các điện cực
mật độ Pt thấp với hàm lượng Nafion thay đổi. Họ đã được ra khái niệm NFP biểu
diễn phần trăm trọng lượng của Nafion trong lớp xúc tác tính theo phương trình:
= (1.33)
Trong đó LNaf, LPt, và LC là mật độ Nafion, Pt và cacbon tương ứng với đơn vị
tính mg/cm2
.
Bên cạnh các nghiên cứu về thành phần, các nhà nghiên cứu cũng tập trung
vào độ xốp của lớp xúc tác. Lớp xúc tác bao gồm Pt 20 %klg trên nền cacbon Vulcan
XC-72 với mật độ Pt 0,4 mg/cm2
. Nafion được quét lên lớp khuếch tán sử dụng
phương pháp phủ nóng để đạt được mật độ 0,75 mg/cm2
. Kết quả nghiên cứu của
Uchida cho thấy các lỗ xốp nằm trong khoảng 20 - 40 nm không bị thay đổi khi tăng
hàm lượng Nafion. Escribano [16] và các đồng nghiệp đã tìm ra khi tăng tỉ lệ Nafion
trong lớp xúc tác sẽ làm giảm kích thước lỗ trung bình, khoảng kích thước lỗ và độ
xốp của lớp. Các giá trị hàm lượng nafion tối ưu khác nhau đã công bố được tổng hợp
trên bảng 1.4. Các giá trị này trải dài từ 25 % đến 50 %, tuy nhiên một số công bố đã

37. 24
chỉ ra rằng hàm lượng nafion phụ thuộc vào mật độ xúc tác Pt [17]. Khi mật độ xúc
tác càng lớn thì hàm lượng Nafion càng nhỏ, và ngược lại.
Bảng 1.4. Tổng hợp các giá trị hàm lượng Nafion đã được nghiên cứu
Tác giả Pt/C Mật độ Nafion Tỉ lệ Nafion tối ưu
Wilison [18] 20% Pt/C, n/a 25-28%
Poltarzewski [11] - 0,9 mg/cm2
23%
Uchida [12] 20% Pt/C, 1,0 mg/cm2
33%
Paganin [13] 0,5 mg/cm2
1,75-2,2 mg/cm2
33%
Antolini [14] 25% Pt on C, 0,67 mg/cm2
40%
Passalacqua [15] 0,5 mg/cm2
0,24 mg/cm2
33%
Th. Frey [19] 20% Pt/C - 50%
c. Lớp khuếch tán khí
Lớp khuếch tán khí (GDL) là một vật liệu hỗ trợ quan trọng trong cấu trúc của
điện cực màng. Các lớp khuếch tán là một môi trường vật liệu xốp, chủ yếu là các sợi
cacbon có vai trò:
- Dẫn điện, kết nối điện tử giữa các tấm lưỡng cực với cấu trúc kênh dẫn và điện
cực.
- Các chất khí phản ứng được đưa đến các điện cực thông qua các lớp môi trường
khuếch tán khí này. Các lớp GDL này còn cho phép loại bỏ nước, nhiệt trong pin.
- Cấu tạo từ các sợi cacbon, các GDL có vai trò quan trọng trong việc gia cố cơ học
cho các MEA.
- Bảo vệ các vật liệu xúc tác khỏi ăn mòn, mài mòn gây ra bởi các dòng vật chất và
các yếu tố khác.
Sự vận chuyển bên trong GDL đóng một vai trò quan trọng chuyển hóa năng
lượng của pin nhiên liệu và có liên quan đến tính chất và cấu trúc của GDL. Các GDL
thường dày khoảng 100 - 300 µm. Vật liệu chế tạo GDL phổ biến là sợi cacbon do
môi trường xốp: các sợi hoặc dệt thành vải hoặc kết dính với nhau bởi nhựa để tạo
thành giấy. Sự tạo thành nước của phản ứng khử oxy trên điện cực catot là mấu chốt
cho việc xử lý nước trong pin nhiên liệu. Sự có mặt của quá nhiều nước làm giảm sự
vận chuyển chất phản ứng tới vị trí xúc tác, tăng phân cực nồng độ. Hiện tượng này
được gọi là sự ngập nước có thể liên quan nhiều tới sự giảm độ bền và thiếu nhiên

38. 25
liệu. Các vật liệu GDL thường kị nước để dễ dàng cho việc thoát nước. Người ta thêm
vào GDL một lượng vật liệu chống thấm Polytetrafluoroethylene (PTFE, DuPont’s
Teflon™) để hiệu chỉnh độ thấm ướt. Sinha và Wang [20] sử dụng mô hình dạng lỗ
của GDL, họ thấy rằng nước ưu tiên chảy qua các mạng lỗ kị nước đã kết nối của
GDL. Shadeghifar [21] đã nghiên cứu tác động của hàm lượng PTFE đến hàm lượng
nước trong toàn bộ GDL, kết quả chỉ ra rằng lượng PTFE thấp hơn có thể có độ bền
tốt hơn và điện trở chuyển khối tốt hơn.
Thực tế GDL rất không đều về các tính chất ưa nước và kị nước; ở một số vị
trí có mặt cacbon thì thấm nước cao trong khi ở nơi có nhiều Teflon thì kị nước cao.
Thêm nữa GDL có thể bị phá hủy sau thời gian làm việc dài như là thay đổi độ thấm
ướt do giảm PTFE và hiện tượng gãy sợi cacbon. Các tính chất bề mặt được đánh giá
bởi Wood [22] và đồng nghiệp, họ nhận thấy góc tiếp xúc sợi cacbon đơn ảnh hưởng
đến khả năng giải phóng nước. Mukherjee [23] đã giới thiệu một mô hình số về tác
động của độ bền GDL với tính chất của pin nhiên liệu. Hiện nay, các nghiên cứu
nhằm cải thiện phẩm chất và hiệu quả của lớp GDL vẫn tiếp tục được thực hiện.
d. Các phương pháp tạo lớp xúc tác cho điện cực màng MEA
Hai phương pháp chế tạo điện cực màng được sử dụng chủ yếu hiện nay là
phương pháp chế tạo lớp xúc tác lên trên lớp khuếch tán (gọi tắt là phương pháp CCS)
và phương pháp chế tạo lớp xúc tác lên màng trao đổi proton (gọi tắt là phương pháp
CCM). Trong phương pháp CCS, đầu tiên lớp xúc tác (CL) được phủ lên trên lớp
khuếch tán (GDL), sau đó thực hiện việc ép nóng với màng Nafion (M) để tạo thành
điện cực màng như hình vẽ mô tả trên hình 1.8. Đối với phương pháp CCM, lớp xúc
tác được phủ lên trên màng trước rồi sau đó mới thực hiện việc ép nóng với các lớp
khuếch tán để tạo thành MEA như trên hình 1.8b [24].

39. 26
Hình 1.8. Cấu hình của MEA với hai phương pháp chế tạo CCS (a), và CCM (b)
Phương pháp phổ biến nhất được thực hiện là chế tạo lớp xúc lên trên bề mặt
lớp khuếch tán khí (GDL), phương pháp này thường được gọi là phương pháp phủ
xúc tác trên đế (CCS). Trên hình 1.9, quy trình phủ lớp xúc tác trên lớp khuếch tán
(CCS) được thực hiện bằng việc phủ mực xúc tác lên tấm giấy cacbon bằng các kỹ
thuật như quét bằng chổi [25], phun phủ bằng súng hơi [26], in lưới [24]. Phương
pháp tạo lớp xúc tác trên lớp khuếch tán (CCS) có thể dễ dàng thực hiện với diện tích
lớn, giá thành rẻ; hơn nữa khi phủ xúc tác lên lớp khuếch tán khí sẽ dễ dàng hơn so
với phủ xúc tác trên màng vì khả năng bám dính của lớp xúc tác trên bề mặt lớp vi
xốp tốt hơn trên bề mặt màng Nafion. Tuy nhiên, khi phủ xúc tác lên lớp vi xốp có
thể dẫn đến tiêu hao vật liệu xúc tác do một phần xúc tác bị thấm, lọt vào sâu trong
lớp vi xốp, hoặc thậm chí là vào tận sâu bên trong lớp khuếch tán. Do đó, điều khiển
được độ sâu thẩm thấu của các hạt xúc tác có thể tạo ra được lớp điện cực tốt hơn với
điện trở chuyển điện tích thấp hơn, thay vì điện cực trên bề mặt của lớp xúc tác phủ
trên màng.
Phương pháp phủ lớp xúc tác trên màng (CCM) được phát triển và sử dụng
một cách thường xuyên thời gian gần đây [27]. Trong phương pháp này, vật liệu xúc
tác được phủ trực tiếp lên trên màng Nafion. Kỹ thuật phủ lớp xúc tác có thể bằng in
lưới, phun phủ [25], mạ điện [28] hoặc phún xạ [29] trực tiếp lên màng. Phương pháp
này cho phép tạo ra MEA có phẩm chất tốt, với hiệu quả sử dụng vật liệu xúc tác cao,
có thể tạo ra lớp xúc tác với mật độ rất nhỏ khoảng 0,02 mg/cm2
. Tuy nhiên, phương
pháp này yêu cầu trang thiết bị hiện đại, chủ yếu được sử dụng trong các phòng thí
nghiệm lớn.

40. 27
Ngoài ra, một phương pháp khác được phát triển từ phương pháp CCM là
phương pháp phủ gián tiếp lớp xúc tác bằng đề can (DTM) [27]. Trong phương pháp
này, vật liệu xúc tác được phủ lên lớp đề can (thường làm bằng PTFE), sau đó thực
hiện việc ép nóng với màng để chuyển xúc tác lên màng. MEA được tạo thành bằng
cách ép nóng một lần nữa giữa màng có xúc tác với 2 lớp khuếch tán. Phương pháp
này cũng có thể tạo được MEA có phẩm chất tốt như phương pháp CCM, đồng thời lại
dễ dàng thực hiện hơn so với phương pháp CCM. Tuy nhiên, nó đòi hỏi 2 lần ép nóng
để tạo được MEA. Sự ép nóng để chuyển lớp xúc tác từ đề can lên màng có thể làm
lớp xúc tác bị gãy, hoặc qua hai lần ép nóng có thể làm giảm độ xốp của lớp xúc tác.
Một số nghiên cứu đã được thực hiện nhằm đánh giá, so sánh các phương pháp
trên. Tang [30] và đồng nghiệp so sánh hiệu suất của MEA được chế tạo bởi hai
phương pháp CCM và CCS. Phương pháp CCM tạo ra điện cực màng có đặc tính tốt
hơn so với phương pháp CCS thông thường như tạo ra được sự liên kết tốt giữa chất
xúc tác, màng và lớp khuếch tán khí và cho hiệu suất điện hóa, mật độ công suất và
diện tích bề mặt điện hóa cao hơn, điện trở tiếp xúc và điện trở chuyển điện tích thấp
hơn so với MEA được chế tạo bằng phương pháp CCS. Cấu trúc tối ưu giữa các lớp
trong MEA cho phép cải thiện hiệu quả sử dụng Pt, hay nói khác đi làm giảm lượng
Pt và cải thiện các tính chất chuyển khối trong quá trình hoạt động [31]. Thanasilp
[25] nghiên cứu ảnh hưởng của ba kỹ thuật chế tạo điện cực màng MEA đến đặc
trưng của lớp xúc tác Pt-Pd/C cho phản ứng khử oxy tại điện cực catot; các kỹ thuật
được thực hiện bao gồm kỹ thuật phun phủ xúc tác lên trên bề mặt lớp khuếch tán khí
(CCS), kỹ thuật phun phủ trực tiếp trên màng (CCM) và kỹ thuật phủ xúc tác trên
màng qua đề can (DTM). Kết quả cho thấy kỹ thuật chế tạo điện cực màng chỉ ảnh
hưởng rất nhỏ đến điện trở tiếp xúc của PEMFC nhưng lại ảnh hưởng đáng kể đến
điện trở chuyển điện tích và thế hở mạch (OCV). Pin được chế tạo bằng phương pháp
CCM và phương pháp DTM cho điện thể hở mạch cao. Hơn nữa, diện tích bề mặt
điện hóa của lớp xúc tác được chế tạo bằng phương pháp DTM lớn hơn 1,05 và 1,76
lần so với các phương pháp CCS và CCM.
Hình 1.9 trình bày tóm tắt các bước thực hiện của ba phương pháp chế tạo điện
cực màng được sử dụng rộng rãi hiện nay. Các ưu điểm và nhược điểm của mỗi
phương pháp được tổng hợp trên bảng 1.5.

41. 28
Hình 1.9. Các phương pháp chế tạo MEA
Bảng 1.5. So sánh ưu và nhược điểm của các phương pháp chế tạo MEA
Phương
pháp
Ưu điểm Hạn chế
CCM - Tạo được lớp xúc tác mỏng
- Điện trở tiếp xúc và điện trở
chuyển điện tích thấp.
- Diện tích bề mặt hoạt hóa cao
- Hiệu quả sử dụng xúc tác cao
- Yêu cầu máy móc, thiết bị hiện đại,
kỹ thuật cao
- Thực hiện quy mô lớn, phòng thí
nghiệm hiện đại
- Khó thực hiện vì màng luôn có xu
hướng quăn khi bị mất nước.
- Bề mặt màng nhẵn nên khó tạo liên
kết khi phủ xúc tác
- Chi phí cao
CCM-
DT
- Tạo được lớp xúc tác mỏng
- Diện tích bề mặt hoạt hóa cao
- Hiệu quả sử dụng xúc tác cao
- Dễ đứt, gãy lớp xúc tác, ảnh hưởng
đến cấu trúc xốp của điện cực.
- Yêu cầu máy móc, thiết bị hiện đại,
kỹ thuật cao
- Lãng phí vật liệu xúc tác
- Chi phí cao
CCS - Lớp xúc tác tương đối mỏng.
- Dễ dàng thực hiện.
- Quy mô nhỏ
- Khó thực hiện với yêu cầu mật độ
xúc tác thấp dưới 0,1 mg/cm2
.
- Hiệu quả sử dụng xúc tác không cao
bằng các phương pháp CCM, DTM

42. 29
e. Kỹ thuật chế tạo MEA
Kỹ thuật ép nóng là bước quan trọng để liên kết các thành phần cấu tạo điện
cực màng. Quá trình ép nóng tạo nên liên kết giữa lớp khuếch tán khí với lớp xúc tác
và màng Nafion để hình thành điện cực màng. Vùng tiếp xúc giữa lớp khuếch tán,
lớp xúc tác và màng còn được gọi là vùng ranh giới ba pha trong đó các phản ứng
điện hóa xảy ra và ngay trên bề mặt các hạt xúc tác. Quá trình ép nóng tối ưu có thể
cải thiện được tính chất, cấu trúc của vùng ranh giới ba pha. Ba thông số chính của
quá trình ép nóng gồm nhiệt độ, áp lực ép và thời gian ép cần được điều khiển tối ưu
trong quá trình ép nóng. Thông thường, nhiệt độ ép nóng được lựa chọn gần vùng
nhiệt độ chuyển pha thủy tinh của màng Nafion (Tg = 120-140o
C) [32]. Tại nhiệt độ
ép trong khoảng nhiệt độ chuyển pha màng trở nên mềm hơn và có thể tạo liên kết
với điện cực nhờ lực ép lớn. Tại nhiệt độ lớn hơn nhiều so với nhiệt độ chuyển pha,
màng Nafion sẽ bị biến dạng thay đổi vi cấu trúc và làm mất đi các kênh dẫn nước
mà không thể hồi phục được do đó làm giảm độ dẫn proton. Hơn nữa, nếu ép với lực
ép quá nhỏ thì sẽ không đủ lực để tạo được liên kết giữa các thành phần của MEA,
nhưng nếu lực ép quá lớn sẽ làm biến dạng mạnh các cấu trúc điện cực, điều này làm
giảm độ xốp và làm tăng sự cản trở vận chuyển khí trong các lớp xúc tác [33]. Bên
cạnh đó, màng Nafion có thể bị thay đổi cấu trúc và các tính chất vật lý nếu bị ép ở
nhiệt độ và áp lực cao trong thời gian dài.
Quá trình ép nóng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của MEA, tác động lớn
đến cấu trúc điện cực và sự sử dụng xúc tác do đó ảnh hưởng đến sự vận chuyển của
các ion, điện tử, nước và các chất phản ứng trong hệ thống PEMFC [34]. Tùy thuộc
vào các vật liệu sử dụng như hàm lượng chất xúc tác, độ dày mỏng của lớp xúc tác,
nhiệt độ chuyển pha của các loại màng trao đổi proton mà sử dụng các thông số ép
khác nhau. Thông thường, các nghiên cứu PEMFC chủ yếu thực hiện trên hệ màng
trao đổi proton Nafion nên nhiệt độ ép được lựa chọn trong khoảng 100 -140 o
C, lực
ép khoảng 10 - 80 kg/cm2
và thời gian ép trong khoảng từ 90 – 360 giây [35-37].
Hình 1.10 mô tả thiết bị ép thủy lực. Máy ép thủy lực hoạt động dựa trên định
luật Pascal. Hai pittong có diện tích mặt cắt là A1 và A2 được thông nhau (nối với
nhau bằng ống dẫn) và bên trong chứa đầy chất lỏng như hình 1.10. Dưới tác dụng
của lực F1 sẽ tạo ra một áp suất trong chất lỏng P1=F1/A1 gọi là áp suất thủy tĩnh.