Pin nhiên liệu alcohol

Bài trình bày về "PIN NHIÊN LIỆU ALCOHOL, VẬN HÀNH - ƯU & NHƯỢC ĐIỂM - ỨNG DỤNG, KHẢ NĂNG PHÁT TRIỂN SẢN XUẤT

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC

NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT HÓA HỌC

Tiểu luận

PIN NHIÊN LIỆU ALCOHOL VẬN HÀNH - ƯU & NHƯỢC ĐIỂM - ỨNG DỤNG

KHẢ NĂNG PHÁT TRIỂN SẢN XUẤT

Hồ Thủy Trúc – 13050200 Phạm Duy Quốc Trường – 13050201 Phan Thị Phượng - 13050001

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2013

MỤC LỤC

Trang

I GIỚI THIỆU CHUNG 2

II VẬN HÀNH 3

II 1 Cấu tạo pin Alcohol 3

II 1 1 Chất điện phân 3

II 1 2 Chất xúc tác 4

II 1 3 Tấm lưỡng cực - Bipolar plate 4

II 2 Hoạt động của pin nhiên liệu DMFC 5

II 3 Hoạt động của pin nhiên liệu IMFC 8

II 4 Hoạt động của pin nhiên liệu DEFC 9

III ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM 11

III 1 Ưu điểm 11

III 2 Nhược điểm 11

IV ỨNG DỤNG VÀ KHẢ NĂNG PHÁT TRIỂN SẢN XUẤT 12

IV 1 Ứng dụng 12

IV 2 Hướng phát triển 14

TÀI LIỆU THAM KHẢO 15

I GIỚI THIỆU CHUNG

“Tôi tin rằng một ngày nào đó, nước sẽ được sử dụng như nhiên liệu, rằng hydrogen

và oxy, hai thành phần tạo nên nước, được sử dụng đơn lẻ hay kết hợp, sẽ cung cấp một nguồn nhiệt và ánh sáng vô tận với mức độ mà than đá không thể so sánh được Tôi tin rằng khi các mỏ than cạn kiệt, chúng ta sẽ sưởi ấm mình nhờ năng lượng từ nước Nước sẽ là

“than đá” của tương lai.” - Jules Vernes (1874)

Hơn 100 năm trước Jules Vernes trong cuốn tiểu thuyết viễn tưởng “Hòn đảo huyền bí” đã từng dự báo rằng nước sẽ là nguồn năng lượng cho tương lai, giống như than

đá đang thịnh hành thời bấy giờ Từ đó một ý niệm đã được gợi mở, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học về nguồn năng lượng lý tưởng, sạch và gần như vô tận cho con người

Ngày nay điều tiên đoán năm xưa dần trở thành hiện thực khi mà nguồn năng lượng đang dần cạn kiệt, ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính, đe dọa đến các thế hệ tương lai;

và có thể nói, thế kỷ 21 chính là kỷ nguyên cho nguồn năng lượng sạch và “Pin nhiên liệu” chính là cuộc cách mạng xanh

Các nước phát triển trên thế giới đang phải nghiên cứu và phát triển những nguồn năng lượng thay thế như năng lượng mặt trời, gió, pin nhiên liệu với đòi hỏi ít phát thải khí carbonic ảnh hưởng đến khí hậu toàn cầu

Pin nhiên liệu ngày nay được nhiều nước phát triển quan tâm, đầu tư nghiên cứu và ứng dụng Một trong những loại pin nhiên liệu rất có tiềm năng hiện nay là pin nhiên liệu alcohol Với những ưu điểm nổi bật, pin nhiên liệu sử dụng methanol trực tiếp DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) và IMFC (Indirect Methanol Fuel Cell) hay RMFC (Reformed Methanol Fuel Cell) đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi, được đánh giá là một nguồn năng lượng đầy hứa hẹn

II VẬN HÀNH

DMFC là một thiết bị điện hóa, có thể chuyển trực tiếp năng lượng hóa học (của rượu Methanol) thành năng lượng điện

Mô hình của một pin nhiên liệu DMFC được trình bày ở hình dưới đây

Hình 1 Mô hình của một pin nhiên liệu DMFC

II 1 Cấu tạo pin Alcohol

II 1 1 Chất điện phân

Chất điện phân đóng vai trò quan trọng đối với một pin nhiên liệu Chất điện phân được cho tiếp xúc với hai điện cực anode và cathode và chỉ cho phép chọn lọc những ion thích hợp đi qua giữa anode và cathode Đối với DMFC, chất điện phân phải có khả năng dẫn proton

Chất điện phân có thể được dùng là dung dịch kiềm hoặc màng polymer trao đổi proton (PEM)

* Với chất điện giải là dung dịch kiềm:

- Phản ứng tại anode trong pin DMFC:

CH3OH + 6OH− → CO2 + 5H2O + 6e-

Carbon dioxide (CO2) sinh ra sẽ tác dụng với kiềm tạo carbonate làm giảm tính kiềm của chất điện giải dẫn đến làm giảm tuổi thọ pin

Vì vậy, dung dịch kiềm không được ứng dụng nhiều trong thực tế

* Với chất điện giải là màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane - PEM):

- PEM được làm bằng polymer Nafion hoặc màng lọc thủy tinh có lỗ thấm siêu nhỏ

- Chức năng của màng: chỉ trao đổi proton, không cho các thành phần khác qua màng

Hình 2 Sơ đồ pin nhiên liệu DMFC dùng PEM.

II 1 2 Chất xúc tác

Chất xúc tác là một lớp mỏng, nằm giữa chất điện phân với các điện cực

Chất xúc tác thường dùng chủ yếu là những hợp kim của bạch kim mang tính bazơ (Pt-Sn, Pt-Re, Pt-Ru) và thường được gọi là vật liệu Catalyst

II 1 3 Tấm lưỡng cực - Bipolar plate

Là các tấm lưỡng cực, gồm có nhiều kênh để phân phối nguyên liệu đầu vào sao cho hợp lý để đạt hiệu xuất cao nhất

Vật liệu làm các bipolar rất nhiều: carbon, polymer resins, thermalplastic polymer…

Hình 3 Lớp xúc tác và tấm lưỡng cực bên trong pin DMFC

II 2 Hoạt động của pin nhiên liệu DMFC

* Anode

- Chất xúc tác thường dùng: Pt/Ru (Ruteni)

- Methanol và Nước được cung cấp vào anode

- Methanol bị oxy hóa tại anode sinh ra điện tử và ion H+

CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-

Ion H+ sẽ di chuyển qua màng điện giải để đến cathode, các electron sẽ di chuyển ra mạch ngoài để đến cathode tạo thành mạch kín

Kết quả, một phân tử Methanol tạo được 6 electron chạy trong mạch ngoài

* Cathode

- Chất xúc tác thường dùng: Pt hoặc Pt/C;

- Khí Oxy được cung cấp vào cathode;

- Phản ứng điện cực

3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O

Phản ứng tổng

CH3OH + 3/2O2 → CO2 + 2H2O

Hình 4 Cơ chế phản ứng ở pin nhiên liệu DMFC

Như vậy, Methanol và Nước được dẫn liên tục vào anode, đồng thời Oxy được dẫn vào cathode Phản ứng điện hóa xảy ra ở các điện cực sẽ làm sản sinh dòng điện chạy trong mạch ngoài

Thực tế, phản ứng oxy hóa Methanol trong DMFC không phải là một quá trình đơn giản mà trải qua nhiều giai đoạn khác nhau Tốc độ quá trình nhanh hay chậm phụ thuộc rất nhiều vào chất xúc tác tại các điện cực

Dưới đây là một ví dụ về các bước oxy hóa Methanol với điện cực xúc tác hai thành phần Pt-M (M là Ru, Mo, Ir…)

Hình 5 Cấu tạo và hoạt động của pin nhiên liệu DMFC

- Hấp phụ Methanol lên Platinium:

Pt + CH3OH → Pt-(CH3OH)ads

- Chia tách ion H+:

Pt-(CH3OH)ads → Pt-(CH3O)ads + H+ + e-

Pt-(CH3O)ads → Pt-(CH2O)ads + H+ + e-

Pt-(CH2O)ads → Pt-(CHO)ads + H+ + e-

Pt-(CHO)ads → Pt-(CO)ads + H+ + e-

- Hấp phụ Nước:

M + H2O → M-(H2O)ads

- Oxy hóa CO:

Pt-(CO)ads + M-(H2O)ads → Pt + M + CO2 + 2H+ + 2e-

- Tổng kết quá trình tại anode:

CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-

Ở 25°C và 1 atm, phản ứng tổng của DMFC có ΔG = -698,2 (KJ.mol-1)

Như vậy, suất điện động của pin nhiên liệu DMFC về lý thuyết là 1,21 V Tuy nhiên, suất điện động thực tế thu được tại lại thấp hơn nhiều so với giá trị này

II 3 Hoạt động của pin nhiên liệu IMFC

* Fuel cartridge

Vừa là bình chứa nhiên liệu, đồng thời là nơi biến đổi nhiệt

* Reformer

Là hệ thống chuyển hóa Methanol thành H2 và CO2, đồng thời không tiêu thụ khí sinh ra

CH3OH → 2H2 + CO

CO + H2O → H2 + CO2

* Anode

H2 → 2H+ + 2e-

* Catode

1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O

Hình 6 Cơ chế phản ứng ở pin nhiên liệu IMFC

II 4 Hoạt động của pin nhiên liệu DEFC

* Anode

C2H5OH + 3H2O → 2CO2 + 12H+ + 12e-

* Catode

3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O

Hình 7 Cơ chế phản ứng ở pin nhiên liệu DEFC

III ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM

III 1 Ưu điểm

- Nhiên liệu ở dạng lỏng, việc tiếp nhiên liệu nhanh chóng

- Hoạt động khá yên tĩnh, không gây ồn vì không có chuyển động cơ học

- Có độ ổn định và độ bền cao do hoạt động ở nhiệt độ thấp, do đó ít phải bảo quản

và giá thành bảo dưỡng rẻ

- Hiệu quả cao, có thể thiết kế kích thước tuỳ ý và dễ dàng lắp đặt cho các ứng dụng khác nhau

- Gần như không gây ô nhiễm môi trường: không cháy, không thải khí độc SOx, còn

COx thì thấp hơn 2 lần và NOx thì thấp hơn 50 lần so với máy phát nhiệt điện

- Nguồn nguyên liệu Methanol dồi dào, rẻ, dễ vận chuyển hơn nhiều so với Hydro

III 2 Nhược điểm

Cần có nhiều cải tiến trong công nghệ chế tạo, đặc biệt là tính năng xúc tác tại các điện cực, để cải thiện hiệu suất pin, cải thiện khả năng ngăn chặn sự khuếch tán Methanol cũng như electron từ anode sang cathode của PEM làm giảm điện thế pin, hư hại các điện

cực

Vấn đề sản phẩm trung gian trong quá trình phản ứng (ví dụ như CO) có thể hấp phụ

trên bề mặt điện cực, làm hư hại xúc tác, làm giảm hiệu suất pin

Methalnol độc hại

Giá thành còn cao

IV ỨNG DỤNG VÀ KHẢ NĂNG PHÁT TRIỂN SẢN XUẤT

IV 1 Ứng dụng

- Ứng dụng văn phòng:

DMFC, IMFC và DEFC được dùng như là nguồn cung cấp điện chính và dự phòng cho các hoạt động văn phòng (bệnh viện, trường học, khách sạn, văn phòng làm việc…)

Hình 8 Pin nhiên liệu do Phân viện Vật lý tại TP.HCM chế tạo (hình trái)

Pin nhiên liệu bằng công nghệ nano Việt Nam do SHTP chế tạo (hình phài)

- Ứng dụng đời sống:

DMFC, IMFC và DEFC có thể được sử dụng như là nguồn cung cấp điện bổ sung và

dự phòng cho khu vực dân sinh, hộ gia đình (tủ lạnh, máy nước nóng, máy sưởi…)

DMFC, IMFC và DEFC còn được ứng dụng trong các trạm phát điện, tuy nhiên vẫn còn nhiều hạn chế ở lĩnh vực này

- Ứng dụng hỗ trợ cho các thiết bị di động:

DMFC, IMFC và DEFC có kích thước nhỏ có thể dùng để cung cấp điện cho điện thoại di động, máy tính sách tay, pin cũng có thể dùng thay thế cho các loại pin thông thường dùng trong các thiết bị điện tử

Hãng Kurita Water của Nhật đã phát triển thành công một phương pháp mới, biến chất methanol, từng bị coi là độc hại, thành nguồn năng lượng an toàn cho thiết bị di động

Pin nhiên liệu methanol cho phép máy tính xách tay và điện thoại di động có thể hoạt động trong vài ngày, thậm chí vài tuần Những công ty như Toshiba, IBM và Sanyo cũng đã thử nghiệm công nghệ cho laptop và nhiều sản phẩm khác, nhưng chất này có tỷ lệ độc hại cao, dễ cháy và có khả năng gây nổ trong một số tình huống Tuy nhiên, bằng việc kết hợp methanol với một chất mà Kurita chưa tiết lộ, hãng này đã tạo ra pin nhiên liệu "methanol thể rắn" hoạt động ổn định và không ảnh hưởng đến người sử dụng

Hợp chất "bí ẩn" được lưu dưới dạng bột hoặc theo những hình dạng khác nhau tùy

ý Chúng giữ methanol trong một mạng lưới phân tử và giải phóng chất này khi kết hợp với nước Pin cũng có thể được sạc và sử dụng lại

Hình 9 Pin nhiên liệu DMFC dạng USB

- Ứng dụng trong giao thông vận tải:

DMFC, IMFC và DEFC còn được dùng làm nguồn cung cấp điện cho các thiết bị vận tải như: xe hơi (Honda, Toyota…), xe buýt, xe lửa, xe gắn máy (tay ga), xe điện sân golf…, trong tương lai không xa NASA còn đặt mục tiêu ứng dụng vào các tàu du hành vũ trụ

- Ứng dụng trong hàng hải:

DMFC, IMFC và DEFC được dùng như là nguồn cung cấp điện ổn định cho các thiết

bị sinh hoạt trên tàu chở dầu xuyên đại dương, du thuyền, thuyền câu cá…

- Ứng dụng trong quân sự:

DMFC, IMFC và DEFC còn được ứng dụng trong quân sự: máy bay không người lái, robot thăm dò

IV 2 Hướng phát triển

Dựa trên một số điểm bất lợi của DMFC như: động học phản ứng oxy hoá diễn ra chậm, hiện tượng “Methanol crossover”, và hiện tượng tụ khí ở anode, nhiều nghiên cứu

nhằm cải tiến DMFC đã được thực hiện:

- Nghiên cứu các loại xúc tác mới có thể giảm thiểu sự đầu độc và làm gia tăng tốc độ phản ứng, nghiên cứu giảm thiểu hiện tượng “Methanol crossover” và kiểm soát quá

trình tụ khí ở anode

- Pin nhiên liệu IMFC (Indirect Methanol Fuel Cell) hay RMFC (Reformed Methanol Fuel Cell), hiện nay Mỹ đã nghiên cứu đến giai đoạn cuối cùng và đang nghiên cứu

nâng cao hiệu suất của pin

- Hiện nay thế giới đang chú trọng việc nghiên cứu pin nhiên liệu DEFC (Direct

Ethanol Fuel Cell) dùng thay thế cho pin DMFC nhằm để :

+ giảm thiểu độc hại

+ nguồn nhiên liệu dễ tìm, có thể lên men trực tiếp từ một vài nguyên liệu như : mía, lúa mì, ngô và thậm chí cả rơm rạ …

+ dễ lưu trữ

+ khả năng chịu được ảnh hưởng của môi trường cao, an toàn

+ mật độ năng lượng cao hơn pin Methanol

+ xúc tác hiện nay được sử dụng trong pin Ethanol là: Pt-Sn (3 : 1), nhưng giá thành rất cao Ngày nay ở Mỹ, người ta đã nghiên cứu và ứng dụng thành công xúc tác của các hợp chất kim loại rẻ tiền Hợp chất Fe-Ni-Co được sử dụng ở anode và Fe, Ni hoặc Co được sử dụng ở catode cho mật độ năng lượng 140mW/cm2 ở mức 0.5V tại nhiệt độ 250C

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 How fuel cells works

www.howstuffworks.com/fuel-efficiency/alternative-fuels/fuel-cell.htm

2 Home_fuel cells energy

www.fuelcellenergy.com

3 Direct methanol fuel cell-wikipedia

www.wikipedia.org/wiki/direct-methanol-fuel-cell

4 Refermed methanol fuel cell-wikipedia

www.wikipedia.org/wiki/reformed-methanol-fuel-cell

5 Direct ethanol fuel cell-wikipedia

www.wikipedia.org/wiki/direct-ethanol-fuel-cell

6 Direct methanol fuel cells-platinum metals review

www.platinummaterialsreview.com

7 A basic overview of fuel cell technology

www.americanhistory.si.edu/fuelcells/basic.htm

8 New analyst view: methanol and fuel cells

www.fuelcelltoday.com

9 Bipolar for PEM fuel cells: a review-ScienceDirect

www.sciencedirect.com

10 Fuel cell-wikipedia

www.wikipediw.org/wiki/fuel-cell

11 “Preparation and characterization of multiwalled carbon nanotube – supported platinum for cathode catalysts of Direct Methanol Fuel Cells” Wenzhen Li, changhai Liang, Weijiang Zhou, …J Phys Chem B 2003, 107, 6292-6299