Tài liệu PIN NHIEN LIEU pdf

Sơ đồ mô tả pin nhiên liệu Động cơ hydro cũng dùng khí hydro, nhưng khác với động cơ hydro ở chỗ, pin nhiên liệu không trực tiếp đốt cháy hydro mà dùng chất xúc tác để tách các electron

Trang 1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

CHƯƠNG 1 7

KHÁI QUÁT VỀ 7

PIN NHIÊN LIỆU 7

Chương 1 8

KHÁI QUÁT VỀ PIN NHIÊN LIỆU 8

1.1.KHÁI NIỆM VỀ PIN NHIÊN LIỆU 8

1.2.LỊCH SỬ HÌNH THÀNH PIN NHIÊN LIỆU 9

1.3.CẤU TẠO CHUNG VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA PIN NHIÊN LIỆU 12

1.3.1.Cấu tạo chung của pin nhiên liệu đơn giản 12

1.3.2.Nguyên lý hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu 13

1.4.SỨC ĐIỆN ĐỘNG THUẬN NGHỊCH CỦA PIN NHIÊN LIỆU 15

1.5.CỤM PIN NHIÊN LIỆU VÀ HỆ THỐNG PIN NHIÊN LIỆU 18

1.5.1.Cụm pin nhiên liệu 18

1.5.2.Hệ thống pin nhiên liệu 19

CHƯƠNG 2 21

CÁC KIỂU 21

Chương 2 22

CÁC KIỂU PIN NHIÊN LIỆU 22

2.1.PHÂN LOẠI PIN NHIÊN LIỆU 22

2.2.GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI PIN NHIÊN LIỆU CHÍNH 23

2.2.1.Pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer (PEMFC) 23

2.2.2.Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC) 28

2.2.3.Pin nhiên liệu kiềm (AFC) 30

2.2.4.Pin nhiên liệu axit phosphoric (PAFC) 32

2.2.5.Pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy (MCFC) 33

2.2.6.Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) 35

CHƯƠNG 3 37

CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ PIN NHIÊN LIỆU 37

Chương 3 38

3.1.HIỆU SUẤT CỦA PIN NHIÊN LIỆU 38

3.1.1.Hiệu suất lý tưởng của pin nhiên liệu 38

3.1.2.Hiệu suất điện áp của pin nhiên liệu 39

3.1.3.Hiệu suất sử dụng nhiên liệu 41

3.1.4.Hiệu suất tổng quát của pin nhiên liệu 42

Trang 2

3.2.NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG CHO PIN NHIÊN LIỆU 42

3.2.1.Sản xuất hydro 42

3.2.2.Lưu chứa hydro 45

3.2.3.Phân phối hydro 48

3.2.4.Sản xuất hydro trực tiếp trên hệ thống pin nhiên liệu 49

3.2.5.Vấn đề an toàn của nhiên liệu hydro 50

3.2.6.Tỉ lệ hòa trộn giữa nhiên liệu và chất oxy hóa 52

3.3.SỰ TÁC ĐỘNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU ĐẾN MÔI TRƯỜNG 53

3.4.CHI PHÍ CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG PIN NHIÊN LIỆU 54

3.5.PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU 55

3.5.1.Các ứng dụng cầm tay 55

3.5.2.Các ứng dụng tĩnh tại 56

3.5.3.Các ứng dụng di động 56

3.6.ĐÁNH GIÁ ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA PIN NHIÊN LIỆU 57

3.6.1.Ưu điểm 57

3.6.2.Nhược điểm 60

CHƯƠNG 4 61

ỨNG DỤNG CỦA 61

TRÊN ÔTÔ 61

Chương 4 62

ỨNG DỤNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU TRÊN ÔTÔ 62

4.1.KHÁI QUÁT VỀ ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 62

4.2.PHÂN LOẠI ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 65

4.2.1.Ôtô pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu thứ cấp 65

4.2.2 Ôtô pin nhiên liệu sử dụng hydro trực tiếp 65

4.3.CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH TRÊN ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 66

4.3.2.Thùng chứa nhiên liệu 66

4.3.3.Bộ chuyển đổi nhiên liệu (thiết bị tạo ra hydro) 67

4.3.4.Nguồn công suất cực đại 69

4.3.5.Động cơ điện 72

4.3.6.Bộ chuyển đổi điện 73

4.4.BỐ TRÍ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC TRÊN ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU .74 4.5.HOẠT ĐỘNG CỦA ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 75

4.5.1.Các chế độ vận hành của ôtô pin nhiên liệu 75

4.5.2.Sự dao động năng lượng của PPS 83

4.6.GIỚI THIỆU MỘT SỐ ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 84

4.6.1.Ôtô pin nhiên liệu của General Motors (GM) 84

4.6.2.Ôtô pin nhiên liệu của Pininfarina 85 4.7.SO SÁNH HIỆU SUẤT NĂNG LƯỢNG CỦA ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU

Trang 3

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

MỤC LỤC 1

CHƯƠNG 1 7

Chương 1 8

CHƯƠNG 2 21

CÁC KIỂU 21

Chương 2 22

2.2.1.1 Cấu tạo của PEMFC 23

2.2.1.2 Nguyên lý hoạt động của PEMFC 26

2.2.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất và độ ẩm 27

2.2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 30

2.2.3.2 Các đặc điểm 31

CHƯƠNG 3 37

Trang 4

Chương 3 38

3.6.1.Ưu điểm 57

CHƯƠNG 4 61

TRÊN ÔTÔ 61

Chương 4 62

Trang 5

4.5.HOẠT ĐỘNG CỦA ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 75

4.5.2.Sự dao động năng lượng của PPS 83

4.6.GIỚI THIỆU MỘT SỐ ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 84

4.6.1.Ôtô pin nhiên liệu của General Motors (GM) 84

4.6.2.Ôtô pin nhiên liệu của Pininfarina 85

4.7.SO SÁNH HIỆU SUẤT NĂNG LƯỢNG CỦA ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU VỚI CÁC LOẠI ÔTÔ KHÁC 87

MỤC LỤC 1

CHƯƠNG 1 7

Chương 1 8

CHƯƠNG 2 21

CÁC KIỂU 21

Chương 2 22

CHƯƠNG 3 37

Chương 3 38

Trang 6

3.6.1.Ưu điểm 57

CHƯƠNG 4 61

TRÊN ÔTÔ 61

Chương 4 62

4.4.BỐ TRÍ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC TRÊN ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU .74 4.5.HOẠT ĐỘNG CỦA ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 75

Trang 7

4.6.GIỚI THIỆU MỘT SỐ ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 844.6.1.Ôtô pin nhiên liệu của General Motors (GM) 844.6.2.Ôtô pin nhiên liệu của Pininfarina 854.7.SO SÁNH HIỆU SUẤT NĂNG LƯỢNG CỦA ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU VỚI CÁC LOẠI ÔTÔ KHÁC 87

CHƯƠNG 1

KHÁI QUÁT VỀ

PIN NHIÊN LIỆU

o0o

Trang 8

-Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ PIN NHIÊN LIỆU

1.1 KHÁI NIỆM VỀ PIN NHIÊN LIỆU

Pin nhiên liệu là một thiết bị có thể chuyển đổi trực tiếp hóa năng của nhiên liệu thành điện năng nhờ vào các quá trình điện hóa

Hai nhiên liệu cơ bản cần thiết cho pin nhiên liệu vận hành là hydro (hoặc nhiên liệu giàu hydro) và oxy (thường là oxy từ không khí) Quá trình biến đổi năng lượng trong pin nhiên liệu được thực hiện theo phản ứng hóa học tổng quát sau:

O H O

2

+ + điện năng + nhiệt năng.

Hình 1.1 Sơ đồ mô tả pin nhiên liệu

Động cơ hydro cũng dùng khí hydro, nhưng khác với động cơ hydro ở chỗ, pin nhiên liệu không trực tiếp đốt cháy hydro mà dùng chất xúc tác để tách các electron từ các nguyên tử hydro có trong nhiên liệu để tạo thành các ion, sau đó hướng các ion và các electron này theo một chiều nhất định để tạo

Trang 9

dụng là hydro nguyên chất và oxy thì pin nhiên liệu chỉ sinh ra nhiệt và sản phẩm phụ là nước (một số loại còn có thêm CO2) Mặt khác, nó không có sự chuyển hóa nhiệt thành cơ năng nên hiệu suất của nó không bị giới hạn bởi hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot, ngay cả khi vận hành ở nhiệt độ tương đối thấp.

Và cũng tương tự như accu, pin nhiên liệu cũng là một thiết bị tạo ra dòng điện thông qua cơ chế phản ứng điện hóa Tuy nhiên, điểm khác biệt nằm ở chỗ, pin nhiên liệu có thể tạo ra dòng điện liên tục khi cung cấp đầy đủ nhiên liệu cho nó, trong khi đó, accu cần phải được nạp điện lại (sạc) từ một nguồn điện bên ngoài sau một thời gian sử dụng Như vậy, muốn tái sử dụng lại accu thì cần phải có một thời gian dài để nạp điện lại, trong khi pin nhiên liệu thì chỉ cần cung cấp nhiên liệu thì có thể có điện để sử dụng

So với năng lượng gió và năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu không phụ thuộc vào thời tiết và độ dài của ngày, nó có thể đảm bảo cung cấp năng lượng 24/24 giờ Khi nào còn được cung cấp hóa chất, pin sẽ cung cấp điện

Nguồn nhiên liệu sử dụng cho pin nhiên liệu rất dồi dào Oxy thì đã có sẵn trong không khí, còn hydro có thể thu được từ nhiều nguồn khác nhau như: nhiên liệu hóa thạch, những nguồn nhiên liệu tái sinh, năng lượng hạt nhân, nguồn tài nguyên có trong nước,… Điều này làm giảm sự phụ thuộc dầu mỏ vào các nước khác

Như vậy, có thể thấy, pin nhiên liệu là một trong những nguồn năng lượng tiên tiến nhất hiện nay, nó đóng vai trò như một máy sản xuất điện thực thụ với nhiên liệu đầu vào chỉ cần hydro và oxy

1.2 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH PIN NHIÊN LIỆU

Pin nhiên liệu đã được nhiều người nghiên cứu từ thế kỉ 19, nhưng phát minh đầu tiên về pin nhiên liệu được ghi nhận là của ông William Robert Grove (1811-1896) – nhà khoa học tự nhiên xứ Wales – vào năm 1839 Phát minh này dựa trên cơ sở của quá trình điện phân nước Ông Grove tin rằng, nếu có thể tách nước thành hydro và oxy nhờ vào năng lượng điện thì quá trình ngược lại cũng có thể xảy ra, tức là có thể sản xuất ra dòng điện bằng cách kết hợp hydro và oxy Và ở thời điểm này, platin được xem là chất xúc tác cho phản ứng giữa hydro và oxy Dựa vào các giả thiết đó, ông Grove đã chế tạo thành công mô hình thực nghiệm đầu tiên của pin nhiên liệu, bao gồm hai điện cực platin được bao trùm bởi hai ống hình trụ bằng thủy tinh, một ống chứa hydro và ống kia chứa oxy Khi chúng được nhúng trong axit sulfuric loãng, một dòng điện xuất hiện giữa hai điện cực và nước được sinh ra trong các ống Để tăng điện áp đầu ra, ông Grove đã liên kết nhiều thiết bị như vậy với nhau và tạo thành một thiết bị mà ông gọi là “accu khí” (gas battery)

Trang 10

Năm 1889, hai nhà hóa học Ludwig Mond và Charles Langer đã cố gắng phát triển mô hình của Grove vào ứng dụng trong thực tế bằng việc sử dụng không khí và khí than đá làm nhiên liệu Và thuật ngữ “pin nhiên liệu” (fuel cell) cũng được hình thành từ đây Tuy nhiên, do những hạn chế về mặt vật liệu và kỹ thuật nên những nghiên cứu của họ không được ứng dụng rộng rãi Mặt khác, sự phát triển ồ ạt của động cơ đốt trong và sự phổ biến của nhiên liệu hóa thạch vào khoảng cuối thế kỉ thứ 19 đã làm cho pin nhiên liệu không được thế giới chú ý đến.

Đến năm 1932, Dr Francis Thomas Bacon – một kỹ sư người Anh – đã tiếp tục phát triển mô hình pin nhiên liệu với những cải tiến mới Ông đã thay thế các điện cực platin bằng vật liệu niken ít tốn kém hơn và thay thế chất điện phân axit sulfuric bằng kali hydroxit, một chất có tính ăn mòn ít hơn Thiết bị này được đặt tên là “pin Bacon” (Bacon cell) – pin nhiên liệu kiềm đầu tiên trên thế giới Và mãi đến 27 năm sau, tức là vào năm 1959, Bacon mới sản xuất ra một pin nhiên liệu thật sự khả thi Loại pin này có công suất 5kW, đủ cung cấp cho một máy hàn điện

Vào những năm 1950, pin nhiên liệu mới thật sự được quan tâm Lúc này, NASA (National Aeronautics and Space Administration) đang tìm cách để sản xuất điện cho hàng loạt các chuyến bay có người lái vào không gian Phương án sử dụng accu đã gặp trở ngại về vấn đề trọng lượng; năng lượng mặt trời thì quá đắt vào thời điểm này và năng lượng hạt nhân thì quá nguy hiểm Trong các giải pháp của NASA thì pin nhiên liệu là khả thi nhất Và NASA đã quyết định đầu tư để nghiên cứu và phát triển pin nhiên liệu thành thiết bị có thể ứng dụng trong các chương trình du hành vũ trụ

Vào khoảng thời gian giữa năm 1955 và năm 1958, hai nhà hóa học làm việc tại tập đoàn điện tử General Electric (Mỹ) là Willard Thomas Grub và Leonard Niedrach đã nghiên cứu thành công và cho ra đời một loại pin nhiên liệu sử dụng màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane - PEM) đóng vai trò làm chất điện phân Và “pin nhiên liệu Grub-Niedrach” đã được NASA sử dụng trong chương trình du hành vũ trụ Gemini Với công suất 1kW, các tế bào nhiên liệu này đã cung cấp đồng thời điện và nước uống cho các phi hành gia vũ trụ Các tế bào nhiên liệu của chương trình Gemini chỉ dài 60cm và có đường kính là 20cm

Vào đầu những năm 1960, nhà sản xuất động cơ máy bay Pratt & Whitney (Canada) đã cấp bằng sáng chế cho Bacon về pin nhiên liệu kiềm (AFC - Alkaline Fuel Cell) Với mục tiêu giảm trọng lượng của pin nhiên liệu sử dụng màng trao đổi proton của General Electric, Pratt & Whitney đã cải thiện thiết kế ban đầu của Bacon Và kết quả là Pratt & Whitney đã giành được hợp đồng của NASA trong việc cung cấp các pin nhiên liệu cho các tàu

du hành vũ trụ Apollo Kể từ đó, pin nhiên liệu kiềm đã được sử dụng trong

Trang 11

Năm 1966, General Motors đã cho thử nghiệm một ôtô sử dụng pin nhiên liệu kiềm, chiếc xe có tên gọi là “GM Electrovan” sử dụng pin nhiên liệu kiềm Pin nhiên liệu mà “GM Electrovan” sử dụng được sản xuất bởi công

ty Union Carbide, nó có công suất 32 kW, sử dụng nhiên liệu hydro lỏng, tuổi thọ chỉ 1000 giờ Chiếc “GM Electrovan” có phạm vi hoạt động 200km, tốc độ cao nhất đạt được là 105 km/h Tuy nhiên, sau khi “GM Electrovan” được thử nghiệm và công bố thì dự án này phải tạm hoãn vì chi phí quá đắt Mặt khác, việc sử dụng hydro lỏng vào thời điểm này được xem là không an toàn trên đường công cộng, nên nó không được cho lưu thông mà chỉ được xem là tài sản của General Motors

Hình 1.2 Chiếc “GM Electrovan” của General Motors

Các cuộc khủng hoảng dầu hỏa vào những năm 1970 đã thúc đẩy một số công ty và tổ chức chính phủ nghiên cứu để thương mại hóa rộng rãi pin nhiên liệu Và bắt đầu từ những năm 1980, pin nhiên liệu đã có những ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của đời sống, nhất là trong các nhà máy điện

Nhờ chế tạo được các vật liệu có hiệu quả cao và có khả năng chống ăn mòn tốt cũng như những nổ lực tìm kiếm một nguồn năng lượng thân thiện với môi trường cho tương lai, pin nhiên liệu được phát triển mạnh vào đầu những năm 1990

Hiện nay, hầu hết các các công ty sản xuất ôtô lớn trên thế giới đều đã công bố những mẫu xe chạy bằng pin nhiên liệu như: NECAR, F-Cell của DaimlerChrysler; BMW 745H của BMW; MOVE FCV-KII của Daihatsu; FCX, FCX-V1, FCX-V2 của Honda; FCHV của Toyota,… Ngoài ra, các cuộc thử nghiệm pin nhiên liệu trên xe buýt ở Chicago (Mỹ), Vancouver (Canada) và các thành phố khác ở Bắc Mỹ và Châu Âu đã cho thấy khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên ôtô sẽ có nhiều triển vọng trong tương lai gần

Ở Việt Nam, vào cuối năm 2004, Tiến sĩ Nguyễn Mạnh Tuấn, Phân viện Vật lý tại TP.HCM đã công bố những kết quả nghiên cứu đầu tiên của

Trang 12

mình về pin nhiên liệu Loại pin mà Tiến sĩ Nguyễn Mạnh Tuấn nghiên cứu là pin sử dụng nhiên liệu cồn methanol thay thế cho nhiên liệu hydro (do hydro khó bảo quản, dễ rò rỉ và dễ phát nổ khi gặp tia lửa điện trong không khí) Trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học ở Phân viện Vật lý tại TP.HCM đã nghiên cứu, chế tạo các điện cực dùng màng hấp thụ carbon có độ dẫn điện cao và cho chất khí đi ngang qua Đồng thời, các nhà khoa học cũng chế tạo chất điện phân dùng giấy màng lọc thủy tinh có lỗ thấm siêu nhỏ Quá trình nghiên cứu đã cho ra loại pin nhiên liệu có hiệu suất chuyển hóa điện năng 50%, với 250ml cồn có thể cấp 600 W/giờ điện.

Một nghiên cứu khác được Tiến sĩ Nguyễn Chánh Khê và các cộng sự tại Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển – Khu công nghệ cao TP.HCM công bố năm 2005 Đó là việc chế tạo thành công màng chuyển hóa proton, vốn là cái lõi chính của công nghệ và đang được nghiên cứu từ vật liệu nano trong nước Bên cạnh đó, nhóm cũng đang bắt đầu sử dụng carbon nanotube trong việc tạo ra một chất xúc tác mới có khả năng dẫn đến tăng hiệu suất chuyển hóa điện năng, giảm chi phí và kích thước của pin nhiên liệu

1.3 CẤU TẠO CHUNG VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA PIN NHIÊN LIỆU

1.3.1 Cấu tạo chung của pin nhiên liệu đơn giản

Một pin nhiên liệu đơn giản gồm có hai điện cực là anode (là điện cực mà trên đó xảy ra quá trình oxy hóa) và cathode (là điện cực mà trên đó xảy ra quá trình khử) Giữa hai điện cực còn chứa chất điện phân (electrolyte) dùng để vận chuyển các hạt ion từ điện cực này sang điện cực khác, và chất xúc tác nhằm làm tăng tốc độ phản ứng

Trang 13

Hình 1.3 Cấu tạo của một pin nhiên liệu đơn giản

Hai điện cực được làm bằng chất dẫn điện (kim loại, carbon,…) Nhiên liệu (hydro hoặc các nhiên liệu giàu hydro) được cung cấp đến anode và oxy (thường là oxy từ không khí) được cung cấp đến cathode Các phản ứng hóa học tạo ra dòng điện xảy ra tại hai điện cực này

Tùy thuộc vào từng loại pin nhiên liệu mà chất điện phân có thể ở thể rắn, có thể ở thể lỏng hoặc có cấu trúc màng Nó chỉ cho phép những ion thích hợp đi qua giữa anode và cathode của pin nhiên liệu chớ không cho phép các electron di chuyển qua nó

Ngoài ra, để thúc đâåy các phản ứng hóa học xảy ra, người ta còn bổ sung chất xúc tác vào giữa các điện cực và chất điện phân bằng nhiều cách khác nhau tùy theo từng loại pin nhiên liệu Ở một số kiểu pin nhiên liệu, chất xúc tác là vật liệu của điện cực, trong khi một số loại pin khác thì chất xúc tác là một chất khác được đặt tiếp xúc giữa các điện cực và lớp điện phân hoặc được phủ trực tiếp lên chất điện phân Mặc dù chất xúc tác trong các loại pin nhiên liệu có thể khác nhau về vật liệu và cấu tạo, nhưng chúng đều có cùng công dụng là thúc đẩy các phản ứng hóa học xảy ra ở các điện cực Chất xúc tác có thể làm thay đổi trạng thái hóa học của các chất khác trong khi bản thân chúng không bị thay đổi Chất xúc tác thường dùng trong pin nhiên liệu là các kim loại quí như platin

1.3.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu

Trang 14

Hình 1.4 Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu

Các phản ứng hóa học tạo ra dòng điện xảy ra tại các điện cực chính là chìa khóa trong cơ chế hoạt động của pin nhiên liệu Có nhiều kiểu pin nhiên liệu và mỗi kiểu vận hành một cách khác nhau tùy thuộc vào loại nhiên liệu và chất điện phân sử dụng trong pin Tuy nhiên, tất cả các loại pin nhiên liệu hiện nay đều có cùng một nguyên lý hoạt động cơ bản như sau:

Khi các nguyên tử hydro có trong nhiên liệu đi vào anode của pin nhiên liệu, các phản ứng hóa học xảy ra tại đây sẽ lấy các electron của chúng Những nguyên tử hydro lúc này bị ion hóa, tạo thành ion hydro mang điện tích dương (proton)

Các electron mang điện tích âm bị ngăn cản bởi chất điện phân nên không thể di chuyển trực tiếp từ anode sang cathode mà phải đi vòng qua một mạch điện bên ngoài, tạo ra dòng điện một chiều Cùng lúc đó, khí oxy được cung cấp đến cathode của pin nhiên liệu sẽ nhận các electron này, tạo thành các ion oxy (O2 −) Và trong một số dạng pin nhiên liệu, các ion oxy này sẽ kết hợp với các ion hydro vừa đi qua chất điện phân từ anode của pin nhiên liệu để tạo thành nước; ở một số dạng pin nhiên liệu khác, các ion oxy sẽ di chuyển qua chất điện phân đến anode, gặp và kết hợp với các ion hydro ở đó để tạo thành nước

Trang 15

Như vậy, dù hydro và oxy cùng gặp nhau và kết hợp với nhau ở anode hay cathode nhưng cuối cùng cũng tạo ra nước, thoát ra khỏi pin Pin nhiên liệu sẽ liên tục phát điện khi vẫn được cung cấp hydro và oxy.

Trong pin nhiên liệu, các electron di chuyển từ anode sang cathode thông qua một mạch điện bên ngoài, nên dòng điện đi qua mạch điện có chiều từ cathode sang anode Vì vậy, cathode là điện cực dương và anode là điện cực âm của pin nhiên liệu

Dưới đây là sơ đồ mô tả hai phản ứng cơ bản trong pin nhiên liệu mà phản ứng tổng quát của chúng chính là phản ứng nghịch của quá trình điện phân nước:

Phản ứng trên anode: 2H2 →4H+ +4e−

Phản ứng trên cathode: O2 +4H+ +4e− →2H2O

Tổng quát: 2H2 +O2 →2H2O + điện năng + nhiệt năng.

Ở một số loại pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu hóa thạch, sản phẩm tạo ra của pin còn có thể có CO2, nhưng lượng CO2 do pin nhiên liệu tạo ra ít hơn nhiều so với động cơ đốt trong thông thường

Lượng điện thu được từ pin nhiên liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: loại pin nhiên liệu, kích cỡ pin, nhiệt độ khi nó hoạt động, áp suất không khí được cung cấp vào pin,… Tùy theo từng loại pin nhiên liệu mà điện áp của pin sẽ khác nhau, nhưng thông thường nằm trong khoảng từ 0,3 đến 0,9V

1.4 SỨC ĐIỆN ĐỘNG THUẬN NGHỊCH CỦA PIN NHIÊN LIỆU

Điện năng do pin nhiên liệu sinh ra chính là nhờ công hữu ích của phản ứng hóa học xảy ra trong pin Vì pin nhiên liệu thực hiện sự chuyển đổi trực tiếp năng lượng hóa học thành năng lượng điện, nên công điện cực đại (W ) el

có thể thu được trong quá trình vận hành của pin nhiên liệu ở điều kiện áp suất

và nhiệt độ không đổi được tính bằng sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs ( G∆ ) của phản ứng điện hóa Do đó:

nFE G

trong đó:

n – là số electron tham gia phản ứng

F – là hằng số Faraday (F = 96487 Coulomb.mol-1)

E – sức điện động thuận nghịch của pin nhiên liệu

Trang 16

Sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs (∆G) trong một phản ứng hóa học được tính theo công thức:

G - là năng lượng tự do của chất tạo thành thứ i

G - là năng lượng tự do của chất tham gia phản ứng thứ j j

Nếu phản ứng trong pin xảy ra ở điều kiện áp suất tiêu chuẩn 1atm và nhiệt độ tuyệt đối T thì:

E - là sức điện động thuận nghịch của pin nhiên liệu ở

điều kiện áp suất tiêu chuẩn 1atm và nhiệt độ tuyệt đối T.Xét phản ứng tổng quát:

dD cC bB

aA+ → +trong đó:

A, B – là các chất tham gia phản ứng

C, D – là các sản phẩm của phản ứng

a, b, c, d – là các hệ số cân bằng của phản ứng.Sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs của phản ứng được biểu thị bằng biểu thức:

b B

a A

d D

c C

f f

f f RT G G

.ln

0 +

∆

=

trong đó: f - là hoạt độ của chất i (i = A, B, C, D) i

R- là hằng số khí lý tưởng (R=8,314J.mol− 1.K− 1)Thế biểu thức (1-1) và (1-3) vào biểu thức (1-4), ta được:

b B

a A

d D

c C

f f

f f RT nFE nFE

.ln

c C

f f

f f nF

RT E E

.ln

0 −

Trang 17

Trong tính toán, người ta thường thay các giá trị của hoạt độ của các chất A, B, C, D bằng các giá trị áp suất riêng phần ( P ) của các chất đó i

B

c A

d D

c C

P P

P P nF

RT E E

.ln

Ví dụ, xét pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu tinh khiết và phản ứng

2

1

2 2

2 O H O l

Từ biểu thức (1-3) ta có thể tính được sức điện động thuận nghịch của pin nhiên liệu ở điều kiện áp suất tiêu chuẩn 1atm và nhiệt độ tuyệt đối 298 độ K như sau:

V

487,96.2

3,237

7,228

0

298 = ≈ .

Từ biểu thức (1-6), ta có thể thấy sức điện động của pin ở nhiệt độ T tăng khi tăng áp suất riêng phần của những chất tham gia phản ứng hoặc giảm áp suất riêng phần của các sản phẩm

Bảng 1-1 Biến thiên enthalpy, entropy và năng lượng tự do Gibbs ở điều kiện

tiêu chuẩn của một số chất tiêu biểu

0 298

H

∆

(kJ/mol)

0 298

S

∆

(kJ/mol K)

0 298

Trang 18

Ethanol C2H5OH (lỏng) -277,7 -0,345 -174,8Carbon

Bảng 1-2 Các thông số nhiệt động học của một số phản ứng tiêu biểu ở 250C

và áp suất 1atm

Phản ứng

0 298

H

∆

(kJ/mol)

0 298

S

∆

(kJ/mol K)

0 298

G

∆

)(2

1

2 2

2 O H O l

)(2

1

2 2

2 O H O g

)(2

Trang 19

Hình 1.5 Sơ đồ cấu tạo một cụm pin nhiên liệu

1.5.2 Hệ thống pin nhiên liệu

Do pin nhiên liệu chỉ sinh ra dòng điện một chiều và thường sử dụng nhiên liệu đã qua xử lý, vì thế, hệ thống tạo ra điện năng của pin nhiên liệu đòi hỏi phải có sự tổ hợp của nhiều bộ phận

Việc xây dựng hệ thống pin nhiên liệu phụ thuộc vào loại pin nhiên liệu, nhiên liệu sử dụng, điều kiện làm việc và lĩnh vực áp dụng,… Tùy theo yêu cầu sử dụng mà người ta sẽ bố trí một hệ thống pin nhiên liệu với các thành phần phù hợp Hình 1.6 giới thiệu sơ đồ khối của một hệ thống pin nhiên liệu cơ bản Các bộ phận chính của hệ thống này bao gồm:

+ Bộ xử lý nhiên liệu (Fuel Processor): dùng để chuyển đổi những khí thương mại sẵn có hay các nhiên liệu khác ở dạng lỏng hoặc rắn thành các nhiên liệu phù hợp với các phản ứng xảy ra ở các điện cực của pin nhiên liệu Mục đích của việc xử lí nhiên liệu nhằm làm sạch và loại bỏ những thành phần có hại có trong nhiên liệu

Trang 20

Hình 1.6 Mô hình một hệ thống pin nhiên liệu

+ Thiết bị biến đổi năng lượng (pin nhiên liệu hay cụm pin nhiên liệu): nhằm biến đổi hóa năng của nhiên liệu thành điện năng

+ Bộ điều hòa công suất (Power Conditioner): Dòng điện do pin nhiên liệu tạo ra thường không sử dụng trực tiếp cho tải điện mà phải thông qua bộ phận biến đổi dòng điện (DC-DC converter) Mặt khác, do pin nhiên liệu chỉ sản sinh ra dòng điện một chiều, cho nên, tùy theo yêu cầu của thiết bị sử dụng mà người ta có thể sử dụng bộ biến đổi dòng điện để chuyển dòng điện từ một chiều sang xoay chiều (bộ nghịch lưu)

+ Hệ thống thu hồi nhiệt: nhằm tận dụng nhiệt tạo ra của pin nhiên liệu Nhiệt lượng này có thể tận dụng để tạo hơi nước, nước nóng hoặc chuyển tiếp thành điện năng thông qua một turbine khí hay sử dụng cho một công nghệ nào đó nhằm tận dụng triệt để nhiệt độ phát sinh

Ngoài ra, trong hệ thống pin nhiên liệu còn có các hệ thống phụ để xử lý độ ẩm, nhiệt độ, áp suất khí và nước thải của pin nhiên liệu,…

Trang 21

CHƯƠNG 2

CÁC KIỂU PIN NHIÊN LIỆU

o0o

Trang 22

-Chương 2 CÁC KIỂU PIN NHIÊN LIỆU

2.1 PHÂN LOẠI PIN NHIÊN LIỆU

Hiện nay, có rất nhiều kiểu pin nhiên liệu, sự khác nhau của chúng chủ yếu là ở chất điện phân, loại nhiên liệu mà chúng sử dụng, nhiệt độ vận hành của chúng,… Tuy nhiên, người ta thường dựa vào chất điện phân để phân loại cho chúng Theo cách phân loại này, pin nhiên liệu hiện nay có 5 loại chính sau:

- Pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer, viết tắt là PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell): loại pin nhiên liệu này sử dụng một màng polymer mỏng đóng vai trò làm chất điện phân Một số tài liệu còn gọi loại này là pin nhiên liệu dùng màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), hay pin nhiên liệu màng điện phân plastic (Plastic Electrolyte Membrane Fuel Cell)

- Pin nhiên liệu kiềm, viết tắt là AFC (Alkaline Fuel Cell): dùng dung dịch kiềm làm chất điện phân

- Pin nhiên liệu axit phosphoric,viết tắt là PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell): dùng axit phosphoric làm chất điện phân

- Pin nhiên liệu oxit rắn ,viết tắt là SOFC (Solid Oxide Fuel Cell): dùng oxit rắn làm chất điện phân

- Pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy, viết tắt là MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell): dùng muối carbonate nóng chảy làm chất điện phân

Ngoài các loại pin nhiên liệu chính trên, hiện nay, còn có một loại pin nhiên liệu đang được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là trong các thiết bị nhỏ gọn như điện thoại di động, máy tính xách tay,… đó là, pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp, viết tắt là DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) Loại pin này có cấu tạo tương tự như PEMFC và có thể xem là một dạng đặc biệt của PEMFC, nhưng điểm khác biệt so với PEMFC thông thường là loại pin này sử dụng nhiên liệu methanol trực tiếp mà không cần phải chuyển hóa thành hydro từ bên ngoài

Trang 23

2.2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI PIN NHIÊN LIỆU CHÍNH

2.2.1 Pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer (PEMFC)

2.2.1.1 Cấu tạo của PEMFC

Pin nhiên liệu loại này có hiệu suất từ 40 đến 50% và vận hành ở nhiệt độ thấp, khoảng từ 600C đến 800C Công suất dòng ra khá linh hoạt, có thể chỉ là 2 kW cho các ứng dụng nhỏ gọn hay cả trong khoảng từ 50 kW đến 250 kW cho các ứng dụng trong gia đình, xe cộ hay cho các ứng dụng tĩnh lớn hơn Tuy nhiên, nhiên liệu cung cấp cho PEMFC đòi hỏi phải được tinh sạch (không lẫn nhiều tạp chất) và PEMFC cũng cần xúc tác bạch kim đắt tiền ở cả hai mặt màng điện phân Mỗi pin đơn có thể tạo ra điện áp 1,1 V

Cấu tạo của pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer thường có các bộ phận cơ bản sau:

- Các điện cực, bao gồm anode và cathode, thông thường dược làm bằng carbon

- Màng trao đổi proton ở giữa hai điện cực

- Lớp chất xúc tác, thường là platin

Ngoài ra, để pin hoạt động có hiệu quả thì việc quản lí nước trong pin là vấn đề then chốt Pin nhiên liệu loại này phải được hoạt động trong điều kiện mà nước không bay hơi nhanh hơn so với nước được sản xuất ra, bởi vì màng phải được hydrat hóa để đảm bảo tính dẫn ion của màng Vì thế, pin nhiên liệu loại này cần có một bộ phận quan trọng khác là bộ làm ẩm

Hình 2.1 Cấu tạo của pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer

Trang 24

Công dụng của các bộ phận như sau:

a) Anode

Anode của pin nhiên liệu có công dụng dẫn khí hydro đến bề mặt của chất xúc tác và dẫn các electron được tách ra từ phân tử hydro để sử dụng cho mạch điện bên ngoài Nó có những đường gạch rất nhỏ và đều đặn để khí hydro được phân bố đều khi gặp chất xúc tác

b) Cathode

Cathode cũng có cấu tạo tương tự như anode và có công dụng dẫn khí oxy tới mặt của chất xúc tác, đồng thời nó cũng dẫn những electron sau khi phản ứng từ mạch điện bên ngoài, kết hợp với ion hydro và oxy tạo ra nước

c) Màng trao đổi proton

Màng trao đổi proton là một bộ phận rất quan trọng trong pin nhiên liệu, nó có công dụng dẫn các proton, đồng thời ngăn cản các electron di chuyển từ anode sang cathode của pin nhiên liệu

d) Chất xúc tác

Chất xúc tác là một chất hóa học đặc biệt làm cho phản ứng của hydro và oxy dễ dàng hơn Đặc biệt, nó làm thay đổi trạng thái hóa học của hydro và oxy nhưng không bao giờ tự thay đổi Chất này thường là bột bạch kim Ở một số loại, nó được phủ trực tiếp lên màng trao đổi ion; một số loại khác, nó được phủ rất mỏng lên giấy than hoặc vải than, rất nhám và rỗ với những lỗ rất nhỏ, mặt nhám tiếp xúc với khí hydro và oxy, mặt phẳng mềm tiếp xúc với màng trao đổi proton

Hình 2.2 Sơ đồ bố trí các thành phần của PEMFC đơn

Trang 25

e) Bộ làm ẩm

Làm ẩm khí phản ứng là một khía cạnh quan trọng cho sự hoạt động của pin nhiên liệu kiểu màng trao đổi proton Sự làm ẩm không đầy đủ thì khả năng dẫn ion không thể xảy ra, điều đó là mối nguy hại cho pin nhiên liệu Lượng nước mà khí phản ứng có thể hấp thụ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ của quá trình làm ẩm (đặc biệt là tại áp suất thấp) Khí nóng hơn sẽ giữ nhiều nước hơn là khí lạnh

Hình 2.3 Bộ làm ẩm

Một số pin nhiên liệu có bộ làm ẩm được tích hợp luôn bên trong, số còn lại thì bộ làm ẩm được đặt riêng bên ngoài

Bộ làm ẩm đặt bên trong gồm những tấm làm bằng graphit đặt nối tiếp nhau ngay bên trong cụm pin nhiên liệu

Bộ làm ẩm được đặt bên trong, với nước làm ẩm được lấy trực tiếp từ nước làm mát pin sẽ giúp cho hệ thống đơn giản hơn Tuy nhiên, cách bố trí này thì nước làm mát cho pin nhiên liệu phải sử dụng nước tinh khiết Tuy nhiên, nước tinh khiết sẽ bị đóng băng khi gặp thời tiết lạnh sẽ làm tăng thêm vấn đề cho khởi động lạnh Hơn nữa việc kết hợp cụm pin nhiên liệu với bộ làm ẩm làm cho nó trở nên đồ sộ hơn và bảo dưỡng phức tạp hơn

Bộ làm ẩm đặt bên ngoài là loại phổ biến nhất nó có thể được thiết kế theo kiểu màng hay theo kiểu tiếp xúc Bộ làm ẩm kiểu màng hoạt động giống như kiểu bộ làm ẩm đặt bên trong pin nhiên liệu Bộ làm ẩm kiểu tiếp xúc hoạt động bằng cách phun nước làm ẩm lên trên một bề mặt nóng hoặc vào trong một buồng có diện tích bề mặt lớn để khí phản ứng chảy xuyên qua đó, như vậy sẽ làm cho khí phản ứng được bão hòa nước Với bộ làm ẩm đặt bên ngoài thì nước làm ẩm được lấy từ nước làm mát hay được lấy từ mạch nước đã được làm ấm

Trang 26

2.2.1.2 Nguyên lý hoạt động của PEMFC

Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer được giải thích như sau:

Khí hydro được cấp vào phía anode và khí oxy được cấp vào từ phía cathode 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 cathode của pin nhiên liệu Quá trình di chuyển này của các electron sẽ tạo ra dòng điện một chiều

Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động của PEMFC

Ở phía cathode, oxy được cung cấp vào sẽ kết hợp với các electron từ dòng điện và proton vừa từ anode 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:

Trang 27

2.2.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ, áp 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

Điện áp pin

(% điện áp đỉnh)

Nhiệt độ (0C)

Trang 28

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

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

Trang 29

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: CH3OH+H2O→CO2 +6H+ +6e−

Phản ứng trên cathode: O2 6H 6e 3H2O

2

3

→+

+ + −

Tổng quát: CH3OH O2 CO2 2H2O

2

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 từ rất nhỏ đến trung bình như điện thoại di động và các sản phẩm tiêu dùng khác

Trang 30

Khi mới bắt đầu phát triển từ đầu những năm 1990, pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp lúc ấy chưa được chú ý nhiều bởi hiệu suất và mật độ năng lượng thấp cũng như một số vấn đề khác nên nó chỉ ứng dụng cho những thiết

bị cỡ nhỏ Tuy nhiên, những cải tiến trong chất xúc tác và những phát triển gần đây đã gia tăng mật độ năng lượng lên gấp 20 lần và hiệu suất cuối cùng đã có thể đạt được đến 40% Và hiện nay, người ta cũng đang nghiên cứu để ứng dụng loại pin này vào các phương tiện vận tải như ôtô, môtô,…

2.2.3 Pin nhiên liệu kiềm (AFC)

2.2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Pin nhiên liệu kiềm thường dùng dung dịch kali hydroxit (KOH) làm chất điện phân, với nồng độ dung dịch thay đổi từ 30-45% tùy theo từng hệ thống Lý do KOH được chọn làm chất điện phân vì quá trình oxy hóa xảy ra trong chất điện phân kiềm thường tốt hơn trong chất điện phân axit; mặt khác, trong các hydroxit kiềm thì KOH có độ dẫn điện cao nhất

Anode thường được làm bằng Ni, còn cathode thường dùng NiO và chất xúc tác thường là platin

Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu kiềm

Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực điễn ra như sau:

Phản ứng trên anode: 2H2 +4OH− →4H2O+4e−

Phản ứng trên cathode: O2 +2H2O+4e− →4OH−

Trang 31

Như vậy, ở anode, hydro bị oxy hóa để tạo thành các electron, các electron này cũng sẽ di chuyển qua mạch điện bên ngoài đi về cathode của pin nhiên liệu Còn ở cathode, oxy bị khử, sinh ra các ion hydroxit (OH-) Các ion

OH- sẽ di chuyển từ cathode sang anode kết hợp với hydro để tạo thành nước Như vậy, đối với pin nhiên liệu loại này, sản phẩm nước được sinh ra tại anode của pin nhiên liệu

2.2.3.2 Các đặc điểm

Pin nhiên liệu kiềm có hiệu suất khoảng 70% và hoạt động ở nhiệt độ từ 65 đến 2200C Công suất đầu ra khoảng từ 300W đến 5kW Mỗi pin đơn có thể tạo ra điện áp từ 1,1 V đến 1,2 V Do nhỏ, nhẹ, hiệu suất cao nên phần lớn loại pin nhiên liệu này thường được dùng trong các phương tiện xe cộ, giao thông

Pin nhiên liệu kiềm đã từng được NASA sử dụng trong các chương trình không gian như đội tàu con thoi và các du thuyền Apollo Nó đòi hỏi nhiên liệu hydro tinh khiết và chất xúc tác điện cực thường bằng platin Vì thế mà pin nhiên liệu kiềm vẫn còn khá đắt để thương mại cho những sản phẩm thông thường

Tuy nhiên, một số công ty đã tìm cách giảm giá thành của loại pin nhiên liệu này bằng cách thay thế chất xúc tác platin bằng kim loại khác rẻ hơn Tháng 7/1998, công ty Zero Emission Vehicle (ZEVCO) đã tung ra chiếc

xe taxi mẫu đầu tiên tại London (Anh) sử dụng một bộ pin nhiên liệu kiềm 5kW dùng chất xúc tác cobalt Chiếc xe này vận hành rất êm và không sinh ra khí ô nhiễm

Hình 2.8 Chiếc xe taxi chạy bằng pin nhiên liệu đầu tiên của ZEVCO ở

London, Anh

Vì dung dịch kiềm có tính hấp thụ CO2, làm giảm hiệu quả của chất điện phân Vì vậy, nhiên liệu đòi hỏi phải là hydro tinh khiết và không khí phải được làm sạch CO2 trước khi đưa vào sử dụng cho pin nhiên liệu kiềm

Trang 32

Tác động xấu của CO2 bắt nguồn từ phản ứng của nó với OH-:

O H CO OH

2.2.4 Pin nhiên liệu axit phosphoric (PAFC)

Pin nhiên liệu axit phosphoric dùng axit phosphoric làm chất điện phân Vật liệu các điện cực thường là carbon; và platin hoặc các hợp kim của platin thường được dùng làm chất xúc tác trong pin nhiên liệu kiềm

Nguyên lý hoạt động của PAFC cũng tương tự như của PEMFC, các ion mang điện tích là H+ cũng di chuyển từ anode sang cathode và nước cũng được tạo thành tại cathode của pin nhiên liệu

Tổng quát: 2H2 +O2 →2H2O + điện năng + nhiệt năng

Hình 2.9 Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu axit phosphoric

Trang 33

Hiệu suất pin nhiên liệu axit phosphoric có thể đạt từ 40 đến 80%, và nhiệt độ vận hành thường cao, nằm trong khoảng 150 đến 2050C vì ở nhiệt độ thấp axit phosphoric dẫn ion rất yếu Mỗi pin đơn có thể tạo ra điện áp 1,1 V

Các pin nhiên liệu PAFC hiện tại có công suất đến 200 kW, và thậm chí 11 MW đã được thử nghiệm PAFC có thể chịu được nồng độ CO khoảng 1,5%, do đó mở rộng khoảng chọn lựa loại nhiên liệu mà chúng có thể sử dụng Tuy nhiên, PAFC đòi hỏi điện cực bạch kim, và các bộ phận bên trong phải chống chịu được ăn mòn axit

PAFC đã được phát triển, kiểm tra thực nghiệm từ giữa thập kỉ 60 và 70 của thế kỉ trước, là dạng pin nhiên liệu đầu tiên được thương mại hóa trên thị trường nên đến ngày nay PAFC đã có được nhiều cải tiến đáng kể nhằm giảm chi phí và tăng tính ổn định, chất lượng hoạt động Hệ thống PAFC thường được cài đặt cho các tòa nhà, khách sạn, bệnh viện, các thiết bị điện (các ứng dụng tĩnh tương đối lớn) và công nghệ này đã được phổ biến ở Nhật Bản, châu Âu và Hoa Kỳ

2.2.5 Pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy (MCFC)

Hình 2.10 Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu carbonate nóng chảy

Pin nhiên liệu carbonate nóng chảy dùng các muối carbonate của Na hoặc Mg ở nhiệt độ cao làm chất điện phân

Trang 34

Pin nhiên liệu carbonate nóng chảy là một loại pin hoạt động ở nhiệt độ cao (khoảng 6500C) nên chúng có thể dùng chất xúc tác điện cực nikel, không đắt lắm so với xúc tác điện cực platin.

Phản ứng trên anode: 2CO2 − +2H2 →2H2O+2CO2 +4e−

3

3 2

Tổng quát: 2H2 +O2 →2H2O + điện năng + nhiệt năng.Trong pin nhiên liệu carbonate nóng chảy, các hạt ion mang điện tích âm 2 −

3

CO sẽ di chuyển qua chất điện phân để đến anode của pin nhiên liệu, kết hợp với các ion hydro có ở anode để tạo thành nước và CO2 Các electron vừa được tách ra từ các nguyên tử hydro ở anode vẫn di chuyển qua mạch điện bên ngoài để sang cathode Oxy tại cathode sẽ nhận các electron này rồi kết hợp với khí CO2(thu từ anode và nguồn bổ sung bên ngoài) để tạo thành các ion

Hiệu suất của pin nhiên liệu carbonate nóng chảy đạt từ 60 đến 80%, nhiệt độ vận hành khoảng 6500C, công suất đầu ra có thể lên đến 2 MW Mỗi pin đơn có thể tạo ra điện áp từ 0,7 đến 1,0 V

Do nhiệt độ hoạt động cao, nên đa số các ứng dụng của pin nhiên liệu carbonate nóng chảy thường là các nhà máy và trạm phát điện lớn Nhiệt độ cao của quá trình vận hành có thể được tận dụng để tạo năng lượng sưởi ấm, dùng cho các quá trình công nghiệp hay động cơ hơi nước để sinh ra thêm điện năng Ngoài ra, nhờ hoạt động ở nhiệt độ cao như vậy nên việc tách hydro từ các nhiên liệu khác có thể thực hiện bên trong pin, vì thế, nhiên liệu sử dụng cho pin nhiên liệu loại này không cần phải là hydro tinh khiết, chúng có thể là các hydrocarbon, khí thiên nhiên, khí than đá,… Tuy nhiên, nhiệt độ cao cũng có mặt hạn chế về vật liệu và an toàn Bên cạnh đó, ion carbonate từ chất điện phân sẽ bị sử dụng hết trong phản ứng, đòi hỏi phải tiếp thêm khí carbonic bù vào

Trang 35

2.2.6 Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC)

Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu oxit rắn

Pin nhiên liệu oxit rắn sử dụng một hợp chất oxit kim loại rắn (như calcium hay ziconium) làm chất điện phân Đây là dạng pin nhiên liệu vận hành ở nhiệt độ cao nhất hiện nay Nhiệt độ cao cho phép pin có thể sử dụng được nhiều loại nhiên liệu đầu vào như khí thiên nhiên, các hydrocarbon,… Mặc dù chúng không trực tiếp tiêu dùng các hydrocarbon nhưng nhờ nhiệt độ vận hành cao, nên chúng có khả năng tách hydro từ các hydrocarbon ngay trong pin nhiên liệu mà không cần phải thông qua các bước xử lí bên ngoài

Chất điện phân là vật liệu oxit rắn, mỏng và cho phép ion O2- đi qua Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực điễn ra như sau:

Phản ứng trên anode: 2H +2O2 − →2H2O+4e−

2

Phản ứng trên cathode: + − → 2 −

2 4e 2O O

Pin nhiên liệu oxit rắn hoạt động ở nhiệt độ từ 600 đến 10000C, hiệu suất pin đạt được khoảng 60%, công suất đầu ra của pin có thể đạt 100 kW Mỗi pin đơn có thể tạo ra điện áp từ 0,8 đến 1,0 V

Cũng giống như pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy, do vận hành

ở nhiệt độ khá cao nên dạng pin nhiên liệu này thường ứng dụng giới hạn trong

Trang 36

các hệ thống tĩnh tại khá lớn và nhiệt thừa có thể được tái tận dụng để tạo thêm nguồn điện bổ sung.

Năm 2007, Giáo sư Shriram Ramanathan, chuyên ngành Khoa học vật liệu phát triển thuộc Trường Đại học Harvard (Mỹ) qua đã chế tạo ra các chất điện phân ôxít rắn chất lượng cao, có thể giúp cho ra đời những chiếc pin nhiên liệu kiểu mới với khả năng sử dụng các loại nhiên liệu sẵn có hiện nay thay cho hyđro Mẫu pin này hoạt động khá ổn định so với các loại SOFC trước nay vẫn sử dụng trong một số nhà máy phát điện hay các ứng dụng cố định khác Theo đó, các cực điện phân chỉ có độ dày vào khoảng 25 nanomét (bằng khoảng 1/1000 bề dày các cực điện phân trong các mẫu SOFC hiện thời), cho phép các pin nhiên liệu kiểu mới hoạt động tốt ở nhiệt độ 300oC, thấp hơn nhiều so với 600oC – 1000oC ở các SOFC thông thường Sử dụng mẫu pin này sẽ giúp giảm chi phí sản xuất, vận chuyển và phân phối hydro và dễ tạo thành khối pin nhỏ gọn để sử dụng cho các phương tiện giao thông cũng như cho các máy phát điện cầm tay

Bảng 2-1 Tóm tắt các đặc điểm của các loại pin nhiên liệu chính

Chất điện

phân

Màng polymer trao đổi proton

Dung dịch kiềm (thường là KOH)

Axit phosphoric

Muối carbonate nóng chảy

Oxit kim loại rắn

Vật liệu

Nickel và Nickel Oxide

Nickel hoặc CobaltChất xúc

tác Platin Platin Platin điện cựcVật liệu PerovskitesHạt mang

2 3

Trang 37

CHƯƠNG 3

CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ PIN NHIÊN LIỆU

o0o

Trang 38

-Chương 3 CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ PIN NHIÊN LIỆU

Để đánh giá ưu điểm, nhược điểm của nguồn năng lượng này so với nguồn năng lượng khác, người ta thường dựa vào rất nhiều chỉ tiêu tùy theo lĩnh vực áp dụng như: hiệu suất, tuổi thọ, chi phí chế tạo và sử dụng, mức độ gây ô nhiễm môi trường, nguồn nhiên liệu, sự phù hợp về mặt cấu tạo,… Để đánh giá ưu điểm và nhược điểm của pin nhiên liệu, chúng em xin dựa vào một số chỉ tiêu quan trọng sau:

- Về hiệu suất của pin nhiên liệu

- Về chi phí chế tạo và sử dụng pin nhiên liệu

- Về nguồn nhiên liệu sử dụng cho pin nhiên liệu

- Về mức độ gây ô nhiễm môi trường của pin nhiên liệu

- Về phạm vi ứng dụng của pin nhiên liệu

3.1 HIỆU SUẤT CỦA PIN NHIÊN LIỆU

3.1.1 Hiệu suất lý tưởng của pin nhiên liệu

Sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs ở biểu thức (1-2) còn có thể được biểu diễn bằng biểu thức sau:

S T H

G =∆ − ∆

trong đó, H∆ và ∆S lần lượt là sự thay đổi enthalpy và entropy của

phản ứng ở nhiệt độ tuyệt đối T

Như vậy, có thể xem H∆ là tổng năng lượng hóa học (của nhiên liệu) đưa vào pin, năng lượng có ích sẵn sàng sinh công là ∆G và năng lượng mất mát từ sự thay đổi entropy của phản ứng trong pin nhiên liệu là T∆S Những phản ứng có sự thay đổi entropy âm sẽ sinh nhiệt (như phản ứng oxy hóa hydro), trong khi đó, những phản ứng có sự thay đổi entropy dương (như phản ứng oxy hóa trực tiếp carbon rắn) có thể lấy nhiệt từ môi trường bên ngoài

Do đó, về mặt lý thuyết, hiệu suất lý tưởng của pin nhiên liệu có thể được tính bằng công thức:

H

S T H

Trang 39

Xét một pin nhiên liệu hoạt động trong điều kiện tiêu chuẩn (2980K,

atm

1 ) có phản ứng hóa học tổng quát:

)(2

1

2 2

2 O H O l

Tra bảng 1-2, ta tính được hiệu suất lý tưởng của pin nhiên liệu như sau:

83,02,286

3,237

0 298

3.1.2 Hiệu suất điện áp của pin nhiên liệu

Sức điện động E của pin nhiên liệu tính theo biểu thức (1-5) và (1-6) chỉ là giá trị tương ứng lúc mở mạch (dòng điện do pin tạo ra bằng không) Thực tế, khi pin nhiên liệu vận hành, điện áp do nó tạo ra thường thấp hơn do sự sụt áp Sự sụt áp chủ yếu bao gồm: sụt áp do sự kích hoạt, sụt áp do điện trở trong của pin nhiên liệu và sụt áp do nồng độ các chất phản ứng

Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn sự sụt áp của pin nhiên liệu

3.1.2.1 Sụt áp do kích hoạt (∆V a)

Đây là năng lượng kích hoạt của phản ứng điện hóa tại các điện cực Sự mất mát này phụ thuộc vào phản ứng xảy ra, vật liệu và cấu trúc của chất xúc tác điện cực, mức độ hoạt động các các chất phản ứng, mật độ dòng điện

Độ sụt áp này thường được tính bằng phương trình Tafel:

Trang 40

i F n

n F i0

RT a

α

−

F n

RT b

α

=

α – là hệ số di chuyển electron của phản ứng tại điện cực.

i– là mật độ dòng điện

0

i – là mật độ dòng điện trao đổi ở trạng thái cân bằng.

3.1.2.2 Sụt áp do điện trở trong của pin nhiên liệu (∆V R)

Đây là sự sụt áp do điện trở của các thành phần cấu tạo nên pin nhiên liệu (điện trở trong của pin nhiên liệu) Độ sụt áp này được xác định bằng công thức sau:

i R

V R = fc

trong đó: R – là điện trở trong của pin nhiên liệu fc

i – là cường độ dòng điện trên một đơn vị diện tích (mật độ dòng điện)

3.1.2.3 Sụt áp do nồng độ các chất phản ứng (∆V c)

Đây là sự sụt áp do nồng độ các chất phản ứng giảm đi trong quá trình pin hoạt động

Khi pin nhiên liệu hoạt động, nồng độ của chất điện phân bị giảm khi mức độ tiêu thụ ion lớn hơn mức độ mà nó được tạo ra, gây nên sự cản trở phản ứng tại các điện cực, làm giảm điện áp pin nhiên liệu Mặt khác, các sản phẩm tạo ra tại các điện cực cũng có ảnh hưởng đến nồng độ chất điện phân tại đó

Khi mật độ dòng điện nhỏ, sự sụt áp này thường nhỏ Tuy nhiên, khi mật độ dòng điện tăng đến một giới hạn nào đó, nồng độ chất điện phân tại điện cực có xu hướng giảm về không

Sụt áp do nồng độ chất điện phân tại điện cực mà các ion bị lấy đi được tính bằng công thức:

Định dạng
Số trang	93
Dung lượng	4,55 MB