I. Nguyên lý hoạt động chung của pin nhiên liệu II. Các công nghệ pin nhiên liệu 1. Tế bào nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) 2. Tế bào nhiên liệu kiềm (AFC) 3.Tế bào nhiên liệu vi sinh vật (MFC) 4.Tế bào nhiên liệu Metanol trực tiếp (DMFC) 5. Pin nhiên liệu axit photphoric (PAFC) 6. Tế bào nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC) 7. Tế bào nhiên liệu oxit rắn
Mục lục I Nguyên lí hoạt động chung pin nhiên liệu II Các công nghệ pin nhiên liệu Tế bào nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) Tế bào nhiên liệu kiềm (AFC) .4 Tế bào nhiên liệu Metanol trực tiếp (DMFC) Tế bào nhiên liệu vi sinh vật (MFC) Pin nhiên liệu axit photphoric (PAFC) Tế bào nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC) 7 Tế bào nhiên liệu oxit rắn (SOFC) Tài liệu tham khảo 11 I Nguyên lí hoạt động chung pin nhiên liệu Nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu :là trình ngược phản ứng điện phân nước Pin nhiên liệu hoạt động nguyên tắc tổ hợp oxy hydro để tạo thành nước, cung cấp điện nhiệt mà không thải chất gây nhiễm Khí hydro cấp vào khoang cực âm (anode), xảy q trình oxy hóa theo phản ứng: H2 – 2e → 2H+ Các ion H+ tạo thành khuếch tán qua dung dịch điện ly tới bề mặt cực dương (cathode), nơi xảy phản ứng khử oxy theo phương trình (2) giải phóng nước tinh khiết: O2 + 4e + 4H+ → 2H2 O Phản ứng tổng: H2 + 1/2O2 → H2 O Tại đầu điện cực anode cathode, xuất sức điện động Tại điều kiện tiêu chuẩn (25o C, [H+] = 1mol, PH2 = PO2 = 1atm), sức điện động chuẩn tế bào nhiên liệu là: Eo = ϕo H2 O/O2 - ϕo H+ /H2 =o H2 O/O2 - ϕo H2 O/O2 - ϕo H+ /H2 =o H+ /H2 = 1,23 – = 1,23 (V) Khi nối tế bào pin nhiên liệu với mạch ngoài, điện tử chuyển từ anode qua mạch ngồi sang cathode, dịng điện chuyển dịch theo chiều ngược lại cung cấp cho mạch tạo mạch điện khép kín Hình Hình Sơ đồ nguyên tắc tế bào pin nhiên liệu Về nguyên tắc, pin nhiên liệu hoạt động tương tự pin điện/ắc quy, nhiên pin điện/ắc quy thơng thường cung cấp lượng điện giới hạn, ngừng hoạt động chất phản ứng phản ứng hết, pin nhiên liệu thiết bị sản xuất điện nhiên liệu cung cấp cách liên tục Về lý thuyết, chất bị oxy hóa cung cấp liên tục dạng dòng chảy để xảy phản ứng sử dụng nhiên liệu cung cấp cho anode pin nhiên liệu Tương tự, chất oxy hóa thường dịng lưu chất mà bị khử với tốc độ đủ lớn Việc sử dụng nhiên liệu thơng dụng, giàu tiềm năng, tái tạo dễ dàng không độc hại mục tiêu hướng tới pin nhiên liệu Tuy nhiên ngày nay, loại pin nhiên liệu phát triển chủ yếu sử dụng nhiên liệu khí hydro khí tổng hợp giàu hydro II Các cơng nghệ pin nhiên liệu Theo loại chất điện phân nhiên liệu xác định phản ứng điện cực, có số loại pin nhiên liệu khác chất điện phân hoạt động khác: Pin nhiên liệu kiềm (AFC) Pin nhiên liệu màng trao đổi Proton (PEMFC) Pin nhiên liệu kiềm (AFC) ) Tế bào nhiên liệu Metanol trực tiếp (DMFC) Tế bào nhiên liệu vi sinh vật(MFC) Tế bào nhiên liệu axit photphoric (PAFC) Tế bào nhiên liệu oxit rắn (SOFC) Tế bào nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC) Tế bào nhiên liệu kiềm (AFC) Chất mang điện tích ion hydroxyl (HO - ) chất điện phân dung dịch kiềm, thường 30–45% trọng lượng KOH nước Đặc biệt, dung dịch điện phân cố định rắn, điển hình amiăng Phạm vi nhiệt độ hoạt động thay đổi từ 65 đến 220 ° C với chất xúc tác bạch kim kim loại chuyển tiếp cho điện cực Ở cực dương, hydro bị oxy hóa phản ứng với ion hydroxyl di động, giải phóng điện tử tạo nước: 2H2+ 4OH-→ 4H2O + 4eKết electron chuyển đến catốt thông qua mạch điện bên ngồi tạo dịng điện Phản ứng cực âm bao gồm khử oxy với điện tử đến từ cực dương, có mặt nước, tạo thành HO, tiếp tục vận chuyển điện tích: O2+ 4e-+ 2H2O → OHPhản ứng tổng thể là: 2H2+O2→ 2H2O Ngay phản ứng tổng thể giống PEMFC, nửa phản ứng điện cực khác Tế bào nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) Sử dụng proton (H + ) ion di động có sẵn màng trao đổi proton ngậm nước với vai trò chất điện phân PEMFCs hoạt động nhiệt độ từ 30 - 100 ° C, với chất xúc tác điện bạch kim điện cực dựa cacbon Các nửa phản ứng điện cực là: Q trình oxi hóa hiđro thành cực dương: H2→ 2H++ 2e- Sự khử oxi đến catot: Ở phía cực âm, phân tử oxy phản ứng với proton thấm qua màng điện phân polyme electron qua mạch bên để tạo thành phân tử nước ½ O2+ 2e-→O2-e Phản ứng tổng thể là: H2+ ½ O2↔H2O + Q Q hiệu ứng nhiệt - nhiệt - sinh phản ứng Tế bào nhiên liệu Metanol (DMFC) Là loại pin nhiên liệu điện phân polyme đặc biệt nạp trực tiếp với metanol Cả Tế bào Nhiên liệu Axit Kiềm cấp liệu trực tiếp với metanol, có khác biệt xét đến ion di động phản ứng điện cực Trong pin nhiên liệu axit, hỗn hợp metanol nước cung cấp cực dương, nơi xảy trình oxy hoá metanol : CH3OH + H2O → 6H+ + 6e- + CO2 Một nửa phản ứng điện hoá catot khử oxi: O2+ 6e- → 3O22 Trong Pin nhiên liệu kiềm, q trình oxy hóa metanol xảy cực dương có mặt ion hydroxyl: CH3OH + 6HO-→ CO2+ 5H2O + 6eĐối với cực âm, khử oxy xảy có nước tạo hydroxyl: O2+ 3H2O + 6e-→ 6HO2 Đối với hai pin nhiên liệu, phản ứng tổng thể là: CH3OH + 3O2→ CO2+ 4H2O Pin nhiên liệu axit photphoric (PAFC) Là pin nhiên liệu loại axit với dẫn điện ion cung cấp vận chuyển proton (H + ) Chất điện phân axit photphoric đậm đặc (100%), cố định, pha lỏng, thành ma trận cacbua silic (SiC) Axit photphoric có tính dẫn điện ion nhiệt độ thấp 100 ° C thể độ dẫn điện tối ưu khoảng từ 150 đến 220 ° C Ở nhiệt độ này, chất xúc tác điện platin chịu ngộ độc CO Cả chất xúc tác cực dương cực âm hợp kim Pt / C Pt cacbon Các phản ứng xảy điện cực giống xảy PEMFC ( Phương trình (1) - (3) ) Các ứng dụng PAFC nhà máy điện tĩnh nhà máy điện phát điện chỗ Tế bào nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC) Chất điện phân hỗn hợp nhị phân muối cacbonat nóng chảy, chẳng hạn liti kali / natri cacbonat Các muối này, có tính dẫn điện cao trạng thái nóng chảy 600–700 ° C đưa vào ma trận gốm oxit kép LiAlO Ion di động cacbonat (CO 3)2− , tạo từ khí cacbonic đưa vào catốt Các nửa phản ứng điện cực là: Phản ứng catốt: CO2 +O2 + 4e- ↔ CO32- Cực dương:phản ứng tạo CO2, H2O ,điện tích ,do sản sinh CO2 q trình nên MCFC khơng phải cơng nghệ xanh hồn tồn, có triển vọng độ tin cậy hiệu chúng (đủ nhiệt để đồng phát điện) H2 + CO32-↔ CO2+H2O + 4ePhản ứng tổng thể: 2H2 + CO32 - ↔ 2H2O +CO2( tái chế ) Ở nhiệt độ cao này, Ni (cực dương) NiO (cực âm) chất xúc tác thích hợp để thúc đẩy phản ứng điện hóa, cịn chất xúc tác kim loại q khơng cần thiết MCFC sử dụng nhiên liệu hydrocacbon thơng thường làm nguồn cung cấp hydro CO cách tái tạo bên Chất điện phân bị ăn mòn nghiêm trọng nhiệt độ hoạt động cao đòi hỏi vật liệu đặc biệt niken thép không gỉ cao cấp cho phần cứng tế bào Tế bào nhiên liệu oxit rắn (SOFC) Là tổng số thiết bị rắn hoạt động phạm vi nhiệt độ cao 600 ° C -1000 ° C Tuy nhiên, vài năm gần đây, việc giảm nhiệt độ vận hành nỗ lực đáng ý Không cần chất xúc tác kim loại động học phản ứng cải thiện cách sử dụng nhiệt độ vận hành cao, tạo nên ưu điểm công nghệ pin nhiên liệu So với loại pin nhiên liệu khác, SOFC tương đối bền với lượng nhỏ lưu huỳnh nhiên liệu sử dụng với khí than Q trình dẫn ion thực ion oxy O 2− , qua chất điện phân cấu tạo từ zirconia (ZrO ) pha tạp chất với 8–10% tỷ lệ mol yttria (Y O ) Các thành phần tế bào SOFC riêng lẻ bao gồm chất điện phân, cực âm cực dương phản ứng sau diễn ra: H2 + O2- →H2O + 2ehoặc CO +O2- → CO2+ 2ePhản ứng catốt: ½O2+ 2e- → O2 Phản ứng tổng thể: H2+ ½ O2↔ 2H2O Chất điện phân, chẳng hạn oxit zirconi ổn định oxit yttrium, xác định nhiệt độ hoạt động pin nhiên liệu sử dụng để ngăn hai điện cực tiếp xúc điện tử cách chặn điện tử Nó cho phép dịng chảy ion tích điện từ điện cực sang điện cực khác để trì cân điện tích tổng thể Hình 2:Nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) i anot, xảy trình oxy hóa điện hóa khí nhiên liệu hydro H carbon monoxide CO ( Phương trình (17) (18) ) , sử dụng làm nguồn điện mạch ngồi Ơxy, thường mang theo khơng khí, bị khử phản ứng xảy cực âm, mơ tả phương trình từ ( Phương trình (19) ) Cực âm phân phối oxy cung cấp cho lên bề mặt dẫn electron trở lại từ mạch bên ngoài, nơi chúng tái kết hợp với ion oxy, qua chất điện phân hydro để tạo thành nước Phản ứng tổng thể ( Phương trình (20) ) tạo nước Vật liệu anốt dựa hỗn hợp gốm kim loại, có tên cermet, điển hình Ni-ZrO , Co-ZrO vật liệu catốt chất bán dẫn loại p thường LaMnO pha tạp với stronti Cả hai điện cực có cấu trúc xốp cao để vận chuyển nhanh chóng chất phản ứng sản phẩm thể khí Sự lựa chọn vật liệu thỏa hiệp số yếu tố cần thiết để đáp ứng số yêu cầu: độ ổn định hóa học, pha hình thái học, tính tương thích hóa học với thành phần khác, chất điện ly đậm đặc, v.v Đối với chất điện phân, zirconia làm bền yttria đề cập trên, coi chế phẩm ceria pha tạp gadolinium zirconia pha tạp scandium Các chế phẩm dẫn điện zirconia ổn định yttria, cho phép giảm thêm nhiệt độ hoạt động 50–100 ° C Hiện nay, hầu hết cực âm làm từ manganite có pha tạp chất lantan manganite pha tạp stronti vật liệu khác có cấu trúc perovskite Hầu hết sử dụng cho vật liệu cực dương kim loại niken zirconia ổn định yttria Vật liệu nhạy cảm với chất gây ô nhiễm lưu huỳnh yêu cầu khử lưu huỳnh nguồn cấp cực dương Một số vật liệu khác đồng - cực dương oxit xeri phát triển Hình phẳng hình ống dạng hình học khác pin nhiên liệu oxit rắn Khơng khí hydro chảy qua đơn vị ngăn xếp phẳng qua kênh tích hợp với cực dương cực âm thiết kế phẳng Thiết kế dạng ống có ưu điểm dễ dàng làm kín khơng khí khỏi nhiên liệu nhiều Trong dạng hình học này, dịng khơng khí nhiên liệu qua bên ống khí khác dọc theo bên ống Từ quan điểm hiệu suất, thiết kế phẳng thời điểm tốt hiệu suất thiết kế hình ống SOFC hữu ích ứng dụng rộng rãi ứng dụng pin nhiên liệu tĩnh cho hệ thống giao thông Tế bào nhiên liệu vi sinh vật (MFC) Là hệ thống điện hóa sinh học sử dụng vi sinh vật để sản xuất điện từ nhiều loại hợp chất hữu khác , coi nguồn lượng bền vững đầy hứa hẹn, chúng coi lĩnh vực nghiên cứu pin nhiên liệu phát triển nhanh Vì pin nhiên liệu phi sinh học sử dụng bạch kim làm chất xúc tác (đắt tiền), MFC sử dụng vi sinh vật làm chất xúc tác sinh học, nên MFCs có lợi so với pin nhiên liệu phi sinh học Trong MFC, chuyển giao electron đến bề mặt anốt trước hết xảy thông qua biến đổi chất hữu từ buồng anốt thường thành CO2 tạo điện tử, cuối phóng bề mặt cực dương, proton Lượng proton dư thừa di chuyển đến catốt thông qua phân tách (tức Nafion) , chất oxy hóa oxy nhận điện tử bề mặt catốt, tạo dịng điện qua mạch ngồi Các q trình điện hóa MFC điển hình mơ tả phương trình hóa học chung sau: Cực dương: C6H12O6+ 6H2O → 6CO2 + 24H+ + 24e- Cực âm: 4H+ + O2 + 4e-→ 2H2O ( E= 0,816 V) Tuy nhiên, điện áp MFC tạo tương đối nhỏ (trong hầu hết trường hợp từ 0,5 đến 0,8 V), nhiều hệ thống MFC xếp chồng lên để tăng điện áp công suất tổng thể , song song để tăng dòng điện tổng thể cường độ Tuy nhiên, cách tiếp cận kỹ thuật gặp nhiều thách thức đảo ngược điện áp vấn đề khác (ví dụ: tổn thất lượng, dao động công suất đầu ra, v.v.) liên quan đến chất phi tuyến tính hệ thống sinh học(tức biến đổi phát triển theo cấp số nhân vi sinh vật, v.v.) Do đó, cần có nghiên cứu sâu lĩnh vực MFC để biến chúng thành công cụ đáng tin cậy việc tạo lượng bền vững Tài liệu tham khảo https://www.intechopen.com/chapters/72605#E1 DOI: 10.5772 / intechopen.93032 http://www.pvn.vn/DataStore/Documents/2019/TapchiDK/so%207.%202019/pin%20Nguyen%20Thi %20Le%20Hien.pdf