NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ PIN NHIÊN LIỆU doc

NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ PIN NHIÊN LIỆU LỚP 08LT - Ô NSVTH : NHÓM 5 GVHD : VÕ ĐẮC THỊNH 1 L ỜI NÓI ĐẦU Hi ện nay, tất cả các nước trên thế giới, từ các nước tiên tiến đến các nước đang phát tri ển và chậm phát triển đang rất quan tâm đến vấn đề ô nhiễm không khí và s ự cạn kiệt nguồn nhiên liệu truyền thống.Tình hình nguồn nhiên liệu dầu mỏ hi ện nay không ổn định, giá dầu thường thay đổi lớn theo những b i ến động chính trị, khó d ự báo. K hí th ải của động cơ đốt trong chính là các tác nhân chủ yếu gây nên ô nhi ễm không khí. Các tác h ại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong có thể làm cho cơ th ể bị thiếu Oxy, nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn, gây viêm, ho, khó thở và làm h ủy hoại các tế bào cơ quan hô hấp, gây ra căn bệnh ung thư máu, gây rối lo ạn hệ thần kinh, gây ra các bệnh về gan và làm trẻ em chậm phát triển trí tuệ…. Ngoài ra khí thải động c ơ c òn làm thay đổi nhiệt độ khí quyển và ảnh hưởng đến môi trư ờng sinh thái. Hi ện nay giải pháp xử lý ô nhiễm môi tr ường có hai cách: Xử lý ô nhiễm v ới các động c ơ đang sử dụng và tìm kiếm sử dụng các nguồn năng lượng sạch . Trong đó có năng lư ợn g đi ện v à sử dụng pin nhiên liệu cho vận hành ô tô , làm giảm khí th ải của động c ơ đốt trong , giảm gây ô nhi ểm môi tr ường và gi ảm gây tác h ại đến sức khoẻ con người. NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ PIN NHIÊN LIỆU LỚP 08LT - Ơ NSVTH : NHĨM 5 GVHD : VÕ ĐẮC THỊNH 2 L ỜI CẢM ƠN Chân thành cảm ơn Thầy VÕ ĐẮC THỊNH đã tận tâm giảng dạy , chỉ bảo và giới thiệu nhiều tài liệu về môn học Ơ TƠ SỬ DỤNG NĂNG L ƯỢNG MỚI . Trong thời gian học tập thực hiện các tiểu luận , Chúng em đã đúc k ết được nhiều kinh nghiệm và kiến thức bổ ích. Việc thu thập các bài viết trong sách , trên m ạng hay các tiểu luận giúp cho Chúng em có điều kiện tiếp xúc với những phương pháp hay những cơng nghệ tiên tiến , trong vi ệc sử dụng năng l ượng mới cho nghành cơng nghi ệp ơtơ , đ ảm bảo khơng gây ơ nhiểm cho mơi trường , tiệ n ích cho cuộc sống. Nhờ đó làm nâng cao hơn nữa kiến thức và khả năng chuyên môn cho bản thân . Với khả năng ban đầu này Chúng em hy vọng sẽ ứng dụng và phát huy được những kiến thức từ môn học vận dụng vào trong học tập tại nhà trư ờng và trang bị th êm ki ến thức khi ra tr ường đ ể l àm việ c . Kính chúc Thầy VÕ ĐẮC THỊNH luôn mạnh khỏe để đào tạo ra nhiều cử nhân , hay k ỹ sư tương lai cho nước nhà. Chúng em chân thành c ảm ơn Th ầy . NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ PIN NHIÊN LIỆU LỚP 08LT - Ô NSVTH : NHÓM 5 GVHD : VÕ ĐẮC THỊNH 3 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VI ÊN ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… …………………………… NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ PIN NHIÊN LIỆU LỚP 08LT - Ô NSVTH : NHÓM 5 GVHD : VÕ ĐẮC THỊNH 4 TRANG M ỤC LỤC I. Năng lư ợng điện v à pin năng lượng : trang 5-11 1. Đ ịnh nghĩa pin năng lư ợng : trang 5 2. Pin nhiên liệu ( FUEL CELL (FC) ) : trang 5 a. Sơ đồ cấu tạo pin nhi ên liệu ( FC ) : b. Ưu điểm và nhược điểm của FC : c. Các hệ thống của FC : d. Khả năng thải nhiệt và thu hồi nhiệt trong pin nhiên liệu : e. Cấu tạo ô tô FC : f. Sản xuất Hydro : II. L ịch sử phát triển của pin nhiên liệu : trang 11 III. Đặc điểm c ủa pin nhi ên liệu : trang 12-19 1. Đ ộ tin cậ y và hi ệu suất cao : 2. Đ ặc tính về môi trường và bảng so sánh với xe sử dụng nhiên liệu thường a. Đ ặc tính về môi tr ường : b. So sánh xe s ử dụng pin nhiên liệu với các xe sử dụng nhiên liệu thường: 3. Pin nhiên li ệu như một bộ chuyển hóa năng lượng : 4. Ưu và như ợc điểm của pin nhi ên liệu : 5. Phân loại pin nhiên liệu : 6. Ti ềm năng của pin nhiên liệu : 7. S ử dụng cho ôtô điện: IV. ph ần đề nghị trang 20 V. Danh m ục t ài liệu tham khảo trang 21 NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ PIN NHIÊN LIỆU LỚP 08LT - Ô NSVTH : NHÓM 5 GVHD : VÕ ĐẮC THỊNH 5 NĂNG LƯỢNG ĐIỆN I.Năng lư ợng điện và pin năng lượng : 1. Định nghĩa pin năng lư ợng : Pin nhiên li ệu là một pin tạo ra dòng điện trực tiếp từ một phản ứng hoá học. Gi ống như một ắcquy, nhưng khác nhau ở chỗ là pin nhiên liệu được thiết kế sao cho ch ất p h ản ứng được cung cấp liên tục cho đến hết , nó tạo ra điện từ nguồn nhiên li ệu cung cấp bên ngoài và oxy ngược lại khả năng tích trữ năng lượng bên trong gi ới hạn của ắcquy. Hơn nữa, trong khi điện tích bên trong ắcquy phản ứng và thay đ ổi nh ư là một ắcqu y tích ho ặc phóng điện, điện tích của pin nhi ên liệu thì xúc tác và tương đ ối ổn định . 2.Pin nhiên liệu ( FUEL CELL FC ) a. Sơ đồ cấu tạo pin nhi ên li ệu ( FC ) :  FC là một thiết bị dùng Hydro ( hay các nhiên liệu giàu Hydro ) và Oxy để tạo ra điện bằng một quá trình đi ện hóa .  Các loại FC : Màng ngăn chuyển đổi Proton, axitPhotphoric , Metanol trực tiếp , kiềm , muối Cacbonate nóng chảy , oxit kim loại . NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ PIN NHIÊN LIỆU LỚP 08LT - Ô NSVTH : NHÓM 5 GVHD : VÕ ĐẮC THỊNH 6 Hình 5.1: Sơ đồ cấu tạo FC kiềm. Hình 5.2: S ơ đ ồ FC màng ngăn chuyển đổi Proton. NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ PIN NHIÊN LIỆU LỚP 08LT - Ô NSVTH : NHÓM 5 GVHD : VÕ ĐẮC THỊNH 7  FC màng ngăn chuyển đổi Proton và axit Photphoric, các proton di chuyển trong chất điện phân đến cực âm để kết hợp với Oxy và các electron để sinh ra nước .  FC kiềm , muối Cacbonat nóng chảy và Oxit kim loại các ion âm di chuyển trong chất điện phân sang cực dương (anode) , tại đó chúng kết hợp với Hydro để tạo thành nước và các electron .  Lượng điện thu được từ FC phụ thuộc vào nhiều yếu tố như : Loại FC , kích cỡ pin , nhiệt độ hoạt động và áp suất không khí được cung cấp vào pin . Các FC riêng rẽ được ghép nối tiếp với nhau tạo thành cụm FC . b. Ưu điểm và nhược điểm của FC :  Ưu điểm của FC :  Hiệu suất cao .  Dường như không có ô nhiễm môi trường .  Động cơ điện sử dụng FC có hiệu suất cao, không có tiếng ồn, có đường đặt tính tốt hơn so với động cơ đốt trong, ít bảo trì, bảo dưỡng, dễ sửa chữa .  Hydro có thể được điều chế từ nước .  So với bình đi ện (ắcquy) thì pin nhiên có khối lượng và thể tích nhỏ hơn .  Nhược điểm FC :  Chi phí đầu tư ban đầu cho ô tô FC rất cao .  Hydro không tồn tại ở trạng thái đơn chất , điều chế, sản xuất Hydro rất khó khăn và tốn kém đôi khi nó dẫn đến ô nhiễm môi trường .  Yêu cầu kỹ thuật bình chứa nhiên liệu rất khắt khe .  Cơ sở hạ tầng cho Hydro chưa có , thói quen sử dụng Hydro còn hạn chế . c. Các hệ thống của FC :  Bộ xử lý nhiên liệu .  Thiết bị biến đổi năng lượng (FC hay cụm FC) .  Máy biến đổi dòng điện .  Hệ thống thu hồi nhiệt .  Các hệ thống phụ để xử lý độ ẩm , nhiệt độ , áp suất khí và nước thải của FC . NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ PIN NHIÊN LIỆU LỚP 08LT - Ô NSVTH : NHÓM 5 GVHD : VÕ ĐẮC THỊNH 8 Hình 5.3: Sơ đồ cấu tạo hệ thống FC. d. Khả năng thải nhiệt và thu hồi nhiệt trong pin nhiên liệu :  Hiệu suất hệ thống FC hoạt động ở công suất cực đại là khoảng 40%. Do đó đối với một hệ thống FC ta có sự cân bằng năng lượng giữa các phần gần đúng như sau : Công suất / làm mát / khí thải = 40 / 50 / 10% .  Nhiệt độ chất làm mát của FC đặc biệt thấp , khoảng 800C .  Vấn đề đặt ra là nâng cao hiệu quả giải nhiệt và giải phàp thu hồi năng lượng nhiệt này, nâng cao công suất mạng điện ra . Một trong các giải pháp là tăng kích thước bộ tản nhiệt, tăng kích thước của cụm FC . e. Cấu tạo ô tô FC : Gồm các thành phần như sau :  Một bộ xử lý nhiên liệu .  Cụm FC và một máy nén khí để cung cấp Oxy nén áp suất cao đến cụm FC .  Một hệ thống làm mát .  Hệ thống quản lý n ư ớc để quản lý độ ẩm và hơi nước trong hệ thống FC .  Bộ chuyển đổi DC / DC , DC / AC .  Động cơ điện xoay chiều AC, bộ truyền lực .  Bình ắcquy và một tụ điện hỗ trợ được nối chung qua hệ thống FC để cung ấp năng lượng bổ sung và cũng dùng để khởi động . NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ PIN NHIÊN LIỆU LỚP 08LT - Ô NSVTH : NHÓM 5 GVHD : VÕ ĐẮC THỊNH 9  FC không vận hành bằng Hydro thì gắn thêm thùng xăng hay Methanol lên ô tô . Hình 5.4: Sơ đồ cấu tạo một hệ thống ô tô FC . d. Sản xuất Hydro :  Chuyển đổi hơi : Các nhiên liệu chứa Hydro phân hủy trong hơi nước dưới chất xúc tác là Nicken để tạo ra hỗn hợp Hydro và CO . CnHm + nH2O + Q(Nhiệt) → nCO + (n + m/2)H2 .  Chuyển đổi Oxy hóa từng phần : Phản ứng nghèo của Oxy (trong không khí) với nhiên liệu để tạo ra Hydro va CO. CnHm + n/2O2 → nCO + m/2H2 + Q (Nhiệt) . NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ PIN NHIÊN LIỆU LỚP 08LT - Ô NSVTH : NHÓM 5 GVHD : VÕ ĐẮC THỊNH 10  Chuyển đổi nhiệt tự động : Nhiên liệu, hơi nước và Oxy (trong không khí) được cấp thông qua hỗn hợp chất đệm xúc tác cho cả hai phản ứng Oxy hóa từng phần và chuyển đổi hơi, loại bỏ bộ cháy hoặc nguồn nhiệt bên ngoài cần thiết . CnHm + n/2O2 → nCO + m/2H2 + Q (Nhiệt) CnHm + nH2O + Q(Nhiệt) → nCO + (n + m/2)H2  Chuyển đổi phân ly nhiệt : Sử dụng nhiệt để phá hủy nhiên liệu , sinh ra Hydro v à và Cacbon rắn . CnHm + Q(Nhiệt) → nC + m/2H2  Điện phân nước : Hình5.5: Sơ đồ quá trình đi ện phân điển hình . [...]... ắcquy, năng lượng hóa năng được lưu trữ trong vật chất nằm bên trong pin Khi năng lượng này được chuyển đổi sang năng lượng điện, pin điện bỏ đi NSVTH : NHÓM 5 GVHD : VÕ ĐẮC THỊNH 15 NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ PIN NHIÊN LIỆU LỚP 08LT - Ô sau khi dùng (primary batteries) hoặc sạc ở chế độ thích hợp Trong pin nhiên liệu, năng lượng hóa năng được cung cấp bởi nhiên liệu và chất oxy-hóa được lưu trữ bên trong pin, ... như một bộ chuyển hóa năng lượng : Pin nhiên liệu là một pin điện hóa Pin có thể chuyển đổi liên tục năng lượng hóa năng của nhiên liệu và chất oxy-hóa thành năng lượng điện thông qua quá trình cơ bản gồm hệ thống điện cực - chất điện phân Pin nhiên liệu hoạt động ở một hiệu suất cao với mức phát thải rất thấp đối với hầu hết các mức chuẩn Pin nhiên liệu có đặc điểm của một module và vì thế có thể gắn... thị, tiết kiệm năng lượng thu được bằng cách t hay thế xe thường bởi xe điện là: Năng lượng tiết kiệm[kWh / năm Tiết kiệm năng lượng chuyển thành khối / xe] lượng nhiên liệu [lít / năm / xe] Ôtô 4210 Xe van 6380 Xe tải nhỏ 9100 438 709 846 Bảng 2: Năng lượng và tiết kiệm nhiên liệu do xe điện NSVTH : NHÓM 5 GVHD : VÕ ĐẮC THỊNH 14 NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ PIN NHIÊN LIỆU LỚP 08LT - Ô 3 Pin nhiên liệu như một... Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) và pin nhiên liệu dạng màng (PEFC) được phá t triển vào thập niên 1990, trong đó pin PEFC có công suất rất cao NSVTH : NHÓM 5 GVHD : VÕ ĐẮC THỊNH 11 NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ PIN NHIÊN LIỆU LỚP 08LT - Ô III Đặc điểm của pin nhiên liệu : Pin nhiên liệu có các đặc điểm tốt về hiệu suất, độ tin cậy, tính kinh tế, tích sạch cho môi trường và tiềm năng phát triển cho tương lai Pin. .. Ô NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ PIN NHIÊN LIỆU Hình5 6: Sơ đồ trạm sản xuất và cung cấp Hydro tại II Lịch sử phát triển của pin nhiên liệu : William Robert Grove (1811 – 1896), một luật gia – nhà vật lý người Anh đã tạo ra pin nhiên liệu đầu tiên vào năm 1839 Vào năm 1900 các nghiên cứu đã chuyển trực tiếp năng lượng hoá học của các dạng năng lượng hoá thạch sang điện năng, tiêu biểu là hệ thống pin nhiên liệu. .. thân nhiên liệu thành điện năng và nhiệt Hiện tại thiết kế của pin nhiên liệu dạng axit phosphoric (PAFC) có hiệu suất chuyển đổi điện là 42%, và gần đây với hiệu suất chuyển đổi điện có thể tăng đến 46% Viện nghiên cứu năng lượng điện đánh giá rằng tiến bộ trong pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy có thể đạt được hiệu suất điện hơn 60% và còn có thể tăng lên nữa Hơn nữa, hiệu suất của pin nhiên liệu. .. nhà máy phát điện Có thể hydro sẽ có mặt ở hệ thống năng lượng chính của thế kỷ 21, cũng như là nhiều kỹ thuật học đã vạch ra, sau đó pin nhiên liệu sẽ là đặc điểm không thể tranh cải trong tất cả các bộ chuyển đổi năng lượng nào khác Chuyển đổi năng lương nhiệt Hóa năng của nhiên liệu Chuyển đổi năng lượng cơ Chuyển đổi năng lượng điện Hình: Bộ chuyển đổi năng lượng trực tiếp với pin nhiên liệu so sánh... 13 LỚP 08LT - Ô NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ PIN NHIÊN LIỆU b So sánh xe sử dụng pin nhiên liệu với các xe sử dụng nhiên liệu thường: Xe thường Nhiên liệu tiêu hao Điện tương đương Ôtô Xe điện Điện năng tiêu thụ 8,5 lít xăng Xe tải nhỏ 488 Wh / km 12 lít xăng Xe van 909 Wh / km 1.283 Wh / km 600 Wh / km 16 lít dầu diesel 1.910 Wh / km 1.000 Wh / km Bảng 1: Trung bình tiêu thụ xe thường và xe điện  Những con... thống pin nhiên liệu loại màng khoảng 1000 đến 20.000 $ trên một đơn vị KW ) 5 Phân loại pin nhiên liệu : Dựa vào đặc điểm của chúng ta có thể phân thành các loại sau:  Pin trực tiếp  Pin gián tiếp  Pin nhiên liệu tái tạo Ở pin nhiên liệu kiểu trực tiếp, sản phẩm phản ứng của pin được thải ra, trong khi ở pin nhiên liệu tái tạo, chất phản ứng đã dùng rồi được tái sinh từ kết quả của của một vài phương... ĐẮC THỊNH 12 NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ PIN NHIÊN LIỆU LỚP 08LT - Ô 2 Đặc tính về môi trường và bảng so sánh với xe sử dụng nhiên liệu thường a Đặc tính về môi trường : Sự thay thế của pin nhiên liệu cho nhà máy năng lượng thường sẽ cải thiện được chất lượng của không khí Sự phát thải của nhà máy pin nhiên liệu thấp hơn 10 lần so với các qui định nghiêm ngặt về môi trường Pin nhiên liệu cũng sản sinh ra mức CO2 . 21 NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ PIN NHIÊN LIỆU LỚP 08LT - Ô NSVTH : NHÓM 5 GVHD : VÕ ĐẮC THỊNH 5 NĂNG LƯỢNG ĐIỆN I .Năng lư ợng điện và pin năng lượng : 1. Định nghĩa pin. năng lượng hóa năng của nhiên liệu và chất oxy-hóa thành năng lượng điện thông qua quá trình cơ bản gồm hệ thống điện cực - chất điện phân. Pin nhiên liệu