Đà tài pin nhiên liệu hiện trạng nghiên cứu và ứng dụng

lOMoARcPSD|12114775 ắI HC QUịC GIA TP H CH MINH ắI HC BCH KHOA ỳỷ BI TắP LN MễN HC IịN HểA HC TI PIN NHIấN LIịU HIịN TRắNG NGHIÊN CĀU VÀ ĀNG DĀNG LàP: L01 NHÓM: 02 HK 211 GVHD: ThS L°u Hồng Tâm SINH VIÊN THĀC HIÞN STT MSSV Hà VÀ TÊN 1914145 Hoàng Duy Minh 1914045 Lương Thắng Lợi 1912057 Nguyễn Tiến Thành 1912248 Nguyễn Thị Thùy Trang 1915714 Nguyễn Thị Thanh Trúc ĐIÞM BTL Thành phố Hồ Chí Minh – 2021 GHI CHÚ Nhóm trưáng lOMoARcPSD|12114775 Trưßng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM BÀNG PHÂN CƠNG NHIÞM VĀ STT MSSV H V TấN NHIịM V ỵC GIAO 1914145 Hong Duy Minh Chương 1914045 Lương Thắng Lợi Chương 1912057 Nguyễn Tiến Thành Chương 1912248 Nguyễn Thị Thùy Trang 1915714 Nguyễn Thị Thanh Trúc Tổng hợp, chỉnh sửa Chương 2 GHI CHÚ Nhóm trưáng lOMoARcPSD|12114775 Trưßng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM MĀC LĀC Ch°¡ng 1: LÞCH SĀ PHÁT TRIÞN PIN NHIÊN NHIÞU .5 1.1 Nhÿng nhân tß hình thành phát trißn pin nhiên lißu 1.2 Lßch sā phát trißn cÿa pin nhiên lißu 1.2.1 Sự bắt đầu kỉ 19 1.2.2 Thế kỉ 20: H°ớng tới khái niệm pin nhiên liệu 1.2.3 Pin nhiên liệu ngày (thế kỉ 21) 11 1.3 Sā khác bißt giÿa pin pin nhiên lißu 14 ChĂng 2: THắ NO L PIN NHIấN LIịU 16 2.1 Khái nißm pin nhiên lißu 16 2.2 Cấu t¿o pin nhiên lißu .16 2.3 Các lo¿i pin nhiên lißu °u nh°ÿc đißm cÿa tÿng lo¿i 17 2.3.1 Pin nhiên liệu dùng màng polymer rắn làm chất điện giải (PEMFC) .17 2.3.2 Pin nhiên liệu dùng axit phosphoric (PAFC) 18 2.3.3 Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) 19 2.3.4 Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC) .19 2.3.5 Pin nhiên liệu kiềm (AFC) 20 2.3.6 Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp 21 2.4 C¡ ch¿ ho¿t đßng cÿa pin nhiên lißu 24 ChĂng 3: HIịN TRắNG NGHIÊN CĀU PIN NHIÊN LIÞU 25 3.1 Các giai đo¿n nghiên cāu phát trißn pin nhiên lißu 25 3.1.1 Từ đề xuất pin nhiên liệu 25 3.1.2 Pin nhiên liệu đại .26 3.2 Các h°áng nghiên cāu cÿa pin nhiên lißu 27 lOMoARcPSD|12114775 Trưßng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM 3.3 Nghiên cāu pin nhiên lißu trißn váng VN .28 Ch°¡ng 4: ĀNG DĀNG VÀ PHÁT TRIÞN PIN NHIÊN LIịU .30 4.1 Mòt sò cụng nghò sÁn xuất pin nhiên lißu .30 4.2 Āng dāng cÿa pin nhiên lißu đời sßng sÁn xuất .33 4.2.1 Nguồn l°ợng di động 33 4.2.2 Nguồn sạc dự phòng 34 4.2.3 Āng dụng vận tải .35 4.3 ¯u khuy¿t đißm cÿa pin nhiên lißu .39 4.3.1 ¯u điểm 39 4.3.2 Nh°ợc điểm 41 4.4 Các h°áng khắc phāc cÁi ti¿n pin nhiên lißu .43 4.4.1 Giảm chi phí với chất xúc tác phi kim loại quý 43 4.4.2 Thiết kế lớp catode mang lại hiệu suất cao h¡n độ bền lớn h¡n 43 4.4.3 Thiết kế lớp anod cung cấp hoạt động mạnh mẽ nhiều điều kiện 43 4.4.4 Các hoạt động nghiên cāu chất xúc tác tiên tiến .44 TÀI LIÞU THAM KHÀO 45 lOMoARcPSD|12114775 Tròng i hc Bỏch Khoa, HQG TPHCM ChĂng 1: LịCH S PHT TRIịN PIN NHIấN NHIịU 1.1 Nhng nhõn tò hình thành phát trißn pin nhiên lißu Năng lượng có vai trị định đến phát triển xã hội lồi ngưßi, điều thực tế khẳng định Hầu hết nguồn lượng cung cấp từ nhiên liệu hóa thạch (than, dầu mỏ khí thiên nhiên) Đó nguồn tài ngun thiên nhiên quan trọng kỷ qua ngày Nó cung cấp 85% nhu cầu lượng cho vận hành kinh tế: chủ yếu bảo đảm nhu cầu điện năng, nhiệt nhiên liệu động cho hoạt động ngưßi Tuy vậy, việc sử dụng nguồn nhiên liệu gặp phải vấn đề cần phải giải Nhu cầu lượng ngày tăng theo cấp số nhân phát triển vũ bão giới Trong đó, nguồn lượng hóa thạch khơng thể tái tạo Hơn nữa, trữ lượng nguồn lượng có hạn cạn kiệt chúng dự báo bái nhiều tính tốn khoa học Một vấn đề nghiêm trọng khác mang tính thách thức tồn nhân loại lượng hóa thạch bộc lộ nhược điểm khơng thể tránh q trình sử dụng Ngun nhân than, dầu mỏ khí thiên nhiên hợp chất hữu chứa carbon Vì thế, nguồn nhiên liệu tiêu thụ nhiều kéo theo khí thải cacbon dioxide (CO2) tăng Đó loại khí gây hiệu ứng nhà kính, làm khí hậu trái đất nóng dần lên dẫn đến biến đổi xấu thiên nhiên Hình 1.1: Lực phóng xạ khơng khí loại khí nhà kính tồn lại lâu dài cập nhật năm 2019 lOMoARcPSD|12114775 Trưßng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM Ngồi ra, nhiều chất độc hại có nguồn gốc từ tạp chất chứa nhiên liệu hóa thạch thải gây nhiễm mơi trưßng, sinh nhiều bệnh tật cho ngưßi Hàng loại giải pháp thực để khắc phục vấn đề Trong đó, việc tìm nguồn lượng xem yêu cầu quan trọng Nổi bật nguồn lượng tái tạo, hệ thống pin nhiên liệu sử dụng hydro phát triển mạnh bái nhiều ưu điểm hiệu suất, thuận tiện, thân thiện với mơi trưßng Thế pin nhiên liệu đßi, thứ đảm bảo mang lượng di chuyển cung cấp lượng dạng sử dụng cho ngưßi tiêu dùng Pin nhiên liệu hydro vận chuyển (như điện) đến địa điểm cần thiết Các nguồn lượng tái tạo, mặt trßi gió, khơng thể tạo lượng lúc sản xuất điện sử dụng pin nhiên liệu hydro để dự trữ cần Và việc sử dụng loại lượng đặc biệt điện vô quan trọng sống hàng ngày chúng ta, để hướng tới phát triển xã hội bền vững, cần tiếp tục áp dụng phương pháp sản xuất, dự trữ chuyển đổi lượng xanh, thân thiện với mơi trưßng 1.2 Lßch sā phát trißn cÿa pin nhiên lißu 1.2.1 Sự bắt đầu kỉ 19 Có nhiều tranh cãi liên quan đến việc phát nguyên lý pin nhiên liệu Theo Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, ú l nh húa hc ngòi c Christian Friedrich Schoănbein, ngưßi vào năm 1838 thực nghiên cứu khoa học tượng tế bào nhiên liệu, mà cơng trình xuất Tạp chí Triết học số tháng năm 1839 Ngược lại, Sir William Robert Grove, ngưßi đưa khái niệm pin nhiên liệu hydro Grove phát điều cách nhúng hai điện cực platin vào đầu vào dung dịch axit sunfuric hai đầu cịn lại để riêng, kín bình chứa oxy Hình 1.2: Sir William Grove- cha đẻ hydro, dịng điện khơng đổi tìm thấy chảy pin nhiên liệu (1811-1896) lOMoARcPSD|12114775 Trưßng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM điện cực Thùng kín chứa nước với khí tương ứng Grove lưu ý mực nước tăng lên hai ống dòng điện chạy qua Các bước nhận việc kết hợp cặp điện cực mắc nối tiếp tạo sụt áp cao hơn, tạo mà anh gọi pin khí, tức pin nhiên liệu Sự cạnh tranh khoa hc gia Grove v Schoănbein kộo di nhiu năm, nhiều điều tra họ Một hp cỏc ch cỏi c vit bỏi Schoănbein cho Faraday 1836 1862 tìm thấy tài liệu tham khảo Những thư phản ánh tiến khoa học đạt thòi gian Schoănbein ỏ li Bale, iu m anh y giao tiếp cho đồng nghiệp đáng ngưỡng mộ Faraday Ngưßi biên tập thư này, Georg W.A Kahlbaum, nhận thư t chỏu gỏi ca Faraday v Gia ỡnh Schoănbein Nhng thư cho thấy hoài nghi tác giả thí nghiệm khoa học mà Grove thực Nó nhận xét cách rõ ràng họ hiểu cách Grove tạo lượng thơng qua q trình oxy hóa cực dương điện cực Điều cho thấy pin nhiên liệu ban đầu đến từ Grove ch khụng phi t Schoănbein Quỏ trỡnh nghch o vi trình xảy nhiên liệu hydro tế bào, phân hủy nước thành hydro oxy cách sử dụng điện (điện phân nước), phát nhiều năm trước pin nhiên liệu, cụ thể vào năm 1800 bái nhà khoa học ngưßi Anh, Sir Anthony Carlisle William Nicholson Cả hai nhà khoa học coi ngưßi tạo phản ứng hóa học sử dụng điện Vì thí nghiệm họ sử dụng pin Volta Họ kết nối đầu cặp dây dẫn đến điện cực pin, đầu nhúng vào dung dịch nước muối Nước hoạt động chất dẫn điện kết khí hydro oxy tích tụ đầu điện cực Năm 1889, Ludwig Mond trợ lý ông Car Langer mơ tả quy trình lấy niken (quy trình Mond) pin khí cấp điện cung cấp 6,5 mA / cm2 (diện tích điện cực) đến 0,73 V, với điện cực platin đục lỗ Năm 1893, Friedrich Wilhelm Ostwald, coi ngưßi sáng lập hóa học - vật lý, xác định thực nghiệm liên kết thành phần khác pin nhiên liệu: điện cực, chất điện phân, chất oxi hóa chất khử, anion cation Vào lúc đó, Grove suy đốn hành động pin khí anh diễn khu vực tiếp lOMoARcPSD|12114775 Trưßng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM xúc điện cực, chất điện phân khí, cịn nhiều điều cần hiểu Ostwald, thông qua họ công việc tiên phong liên quan đến phản ứng vật lý hóa học pin nhiên liệu, giải câu đố pin khí Grove Nghiên cứu anh hóa học pin nhiên liệu sá để nghiên cứu sâu lĩnh vực Năm 1896, William W Jacques phát triển pin nhiên liệu với ứng dụng thực tế vào năm 1900, Walther Nernst lần sử dụng zirconi làm chất điện ly rắn Pin khí Grove bao gồm 50 monocell với điện cực bạch kim hai chiều rộng 31,75 mm Nhiều quan sát quan trọng mà Grove thực hiện, nhu cầu vùng tác dụng chất khí, chất điện phân điện cực Mond Langer ngưßi tinh chỉnh ô Grove Các điện cực xốp có hình dạng ba chiều, tạo cấu trúc hệ pin nhiên liệu Với việc hợp than làm nhiên liệu, Mond Langer nhận sử dụng nguồn hydro cho pin nhiên liệu, ngược lại theo lập luận Grove hydro tinh khiết sử dụng làm nhiên liệu Mond, Langer Ostwald tin hydro trá thành nhiên liệu phổ biến than đá kỷ XX khái đầu gọi Kỷ nguyên Điện hóa Đốt cháy, chu trình Rankine nhiệt động lực học động thay pin nhiên liệu (hiệu nhiều không ô nhiễm) 1.2.2 Thế kỉ 20: H°ớng tới khái niệm pin nhiên liệu Các nhà nghiên cứu hàng đầu cuối năm 19 đầu kỷ XX lĩnh vực pin nhiên liệu William W.Jacques Emil Baur Năm 1921, Baur chế tạo lò nấu chảy pin nhiên liệu cacbonat (xem Phụ lục B) Jacques ngưßi xây dựng hệ thống công suất cao: pin nhiên liệu 1,5 kW với chồng 100 đơn vị hình ống pin nhiên liệu 30 kW Trong năm ba mươi, Baur thí nghiệm điện phân oxit rắn nhiệt độ cao Đầu năm 1933, nhß phát triển Thomas Francis Bacon, ngưßi ta nói pin nhiên liệu đạt đến tuổi xuân Bacon phát triển pin nhiên liệu làm hydro oxy, với công dụng thực tế Pin nhiên liệu chuyển đổi không khí hydro trực tiếp thành điện thơng qua điện hóa quy trình Ơng bắt đầu cơng việc cách nghiên cứu nhiên liệu kiềm Năm 1939, ơng xây dựng phịng giam niken điện cực làm việc áp suất cao (200 atm) để ngăn chặn chất điện phân để làm ngập lỗ rỗng điện cực Trong suốt giới Chiến tranh thứ hai, Bacon phát triển pin nhiên liệu lOMoARcPSD|12114775 Trưßng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM để sử dụng tàu ngầm Hải quân Hồng gia Năm 1958, ơng trình bày với Quốc gia Anh Công ty Cổ phần Phát triển Nghiên cứu pin nhiên liệu kiềm với điện cực đưßng kính 25,4 mm Mặc dù chi phí cao, Các tế bào nhiên liệu thịt xơng khói chứng minh đủ đáng tin cậy để thu hút ý Pratt & Whitney, công ty mua lại sáng chế công việc Bacon liên quan đến pin nhiên liệu sử dụng tàu Apollo tàu vũ trụ Bacon muốn sử dụng kim loại thưßng (khơng q kim loại), mơi trưßng khơng ăn mịn (để tăng tuổi thọ) mật độ dòng điện cao với điện áp cao điện cực (hiệu suất cao hơn) Năm 1959, với hỗ trợ công ty Marshall Aerospace, ơng trình bày pin nhiên liệu 40 tế bào kW hiệu suất 60% Năm 1950, vật liệu gọi teflon (polytetrafluoroethylene PTFE) bắt đầu có sẵn Nó lần sử dụng pin nhiên liệu với điện cực bạch kim chất điện phân axit, carbon điện cực chất điện phân kiềm Việc sử dụng điều quan trọng vật liệu giúp phát triển tế bào nhiên liệu điện phân dung dịch nước để biểu mẫu hành Năm 1955, Thomas Grubb, nhà hóa học làm việc cho General Electric Company (GE), sửa đổi thiết kế ban đầu pin nhiên liệu Với mục đích này, ơng sử dụng màng làm polystyrene trao đổi ion sunfat hóa chất điện phân Ba năm sau nhà hóa học khác GE, Leonard Niedrach, hình thành cách lắng đọng bạch kim màng (xem Phụ lục B), hoạt động chất xúc tác cho phản ứng oxy hóa hydro oxy giảm GE phát triển công nghệ cho NASA McDonnell Aircraft chương trình Gemini Năm 1959, đội Harry Ihrig dẫn đầuđã chế tạo pin nhiên liệu công suất 15 kW cho máy kéo Allis-Chalmers Nó bao gồm máy kéo 20 mã lực với pin nhiên liệu làm 1008 tế bào V tế bào chất điện phân kali hydroxit Nó sử dụng hỗn hợp khí làm nhiên liệu, chủ yếu khí propan hydro nén, oxy hoạt động chất oxy hóa Máy kéo Viện Smithsonian Vào đầu năm sáu mươi, ý tập trung vào pin nhiên liệu điện phân axit chất xúc tác bạch kim hai cách khác Hình 1.3: Máy kéo Allis-Chalmers Một số họ sử dụng chất điện phân lOMoARcPSD|12114775 Trưßng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM polyme, đơn giản đáng tin cậy Hình thức khác phát triển để cố gắng sử dụng trực tiếp nhiên liệu có nguồn gốc từ than đá, khơng pin nhiên liệu kiềm Loại pin nhiên liệu phép việc nhiệt độ cao (1503200 8C) Song song đó, nhà khoa học G.H.J Ngưßi mơi giới J.A.A Ketelaar từ bỏ dòng chất điện giải oxit muối nóng chảy sử dụng thay Năm 1960, họ báo cáo có làm việc tháng với pin nhiên liệu sử dụng chất điện phân hỗn hợp liti cacbonat, natri / kali, tẩm đĩa xốp thiêu kết magie, có hoạt động nhiệt độ đạt 650 8C Năm 1961, G.V Elmore H.A Tanner biết đến loại photphoric pin nhiên liệu axit cơng việc họ có tên Trung gian Tế bào Nhiên liệu Nhiệt độ Chất điện phân bao gồm hỗn hợp 35% axit photphoric 65% bụi silic bám vào teflon Họ lưu ý rằng, khơng giống pin axit, điện hóa khơng xảy tượng giảm trình hoạt động pin nhiên liệu Hơn nữa, loại pin hoạt động trực tiếp với khơng khí thay tinh khiết ơxy Họ tun bố đống axit photphoric họ hoạt động tháng 90 mA / cm2 0,25 V mà biểu rõ ràng giảm giá trị Năm 1962, J Weissbart R Ruka làm việc pin nhiên liệu nhiệt độ hoạt động 1000oC điều chỉnh tiến hành oxit gốm ngâm tẩm với zirconia Nerst pin sang chất điện phân rắn Năm 1965, Kỹ sư Qn đội Hoa Kỳ Phịng thí nghiệm Nghiên cứu Phát triển Fort Belvoir (Virginia), thử nghiệm loại pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy khác Texas sản xuất dụng cụ Tế bào nhiên liệu phát triển từ năm 1970 đặc trưng bái khía cạnh sau: ngăn chặn giới hạn khuếch tán điện cực để có khu vực hoạt động lớn (như trước Grove cơng bố), giảm thiểu chi phí chất xúc tác, tăng hiệu suất thßi gian tồn lâu Cũng có việc sử dụng rộng rãi nhiên liệu dầu mỏ sử dụng đơn vị cải tạo nhiên liệu Bằng cách này, tận dụng lợi nhiệt trị nhiên liệu này, hiệu suất axit photphoric pin nhiên liệu đạt 45%, oxit rắn 50% cacbonat nóng chảy 60% Một kỷ sau dự đoán Ostwald, mức cao hiệu quả, kết hợp với việc thải khí độc hại vào bầu khơng khí, làm cho pin nhiên liệu trá thành ứng cử viên mạnh mẽ cho cách mạng lĩnh vực phát điện Sức mạnh cụ thể pin nhiên liệu hệ thống tăng lên đáng kể 20 năm qua, cụ thể hai bậc độ lớn nhiên liệu hydro tinh khiết tế bào 10 Downloaded by Vu Vu (quangchinhlas199@gmail.com) lOMoARcPSD|12114775 Trưßng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM Các công nghệ phủ tiên tiến R2R tùy chọn thông lượng cao mà kỳ vọng giảm chi phí màng phủ chất xúc tác (CCM) cách cung cấp quy trình tạo lớp xúc tác đồng dày Một lợi khác dây chuyền sản xuất cuộn liên tục trang bị hệ thống kiểm tra chất lượng liên tục (ví dụ: hệ thống hồng ngoại quang học), giúp tiết kiệm thßi gian chi phí cần thiết cho việc kiểm tra chất lượng ngoại tuyến R2R bắt đầu có hiệu kinh tế kinh tế với công suất khoảng 20.000 kW-tương đương 1.500 m2 diện tích CCM Lớp phủ cuộn sang cuộn kỳ vọng công nghệ lựa chọn dài hạn khối lượng sản xuất đạt tính kinh tế theo quy mơ Hình 4.1: Quy trình chế tạo cơng nghệ R2R Một số sản xuất tiên tiến (ví dụ: in 3D số công nghệ phủ lắng đọng vật lý hóa học) đắt phương pháp Tuy nhiên, với khối lượng tại, kỳ vọng trình sản xuất tiên tiến dẫn đến việc giảm chi phí nhanh đáng kể với khối lượng tăng lên hầu hết trưßng hợp Do đó, nên nỗ lực phát triển phương pháp tiên tiến với dự đoán khối lượng tăng lên thực giảm chi phí nhiều 31 Downloaded by Vu Vu (quangchinhlas199@gmail.com) lOMoARcPSD|12114775 Trưßng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM Hình 4.2: Cơng nghệ in 3D Bảng 4.1: Cơng nghệ sản xuất pin nhiên liệu Quy trình Quy trình sÁn xuất đặc tr°ng Cơng nghß sÁn Nhÿng °u đißm xuất mái cÿa cơng nghß mái Đúc băng Lắng đọng chất xúc tác Phun phủ Phủ khuôn rãnh có in chọn lọc decal Màng mỏng cấu trúc nano (NSTF) Giấy / vải Lớp khuếch cacbon Đúc nén cho lớp tán khí (GDL) Các lớp titan talinum, in 3D xốp Nhÿng nh°ÿc đißm cÿa cơng nghß mái Sản phẩm chất lượng tốt Chi phí cao mức Năng suất cao, chi sản xuất thấp phí thấp (tính Chi phí vốn cho theo quy mơ kinh máy móc cao tế) Các đặc tính kiểm sốt (độ xốp độ dày) Chi phí, quy trình chậm Các Đúc nén cho Tạo hình hydro cho Sản phẩm chất Chi phí cao mức lưỡng cực tấm kim loại lượng cao hơn, sản sản xuất thấp 32 Downloaded by Vu Vu (quangchinhlas199@gmail.com) lOMoARcPSD|12114775 Trưßng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM composite In 3D (tấm lượng cao, chi phí phun phủ cho composite kim thấp (tính kinh kim loại) tế theo quy mơ) loại dập Chi phí đầu tư cho máy móc cao Gia cơng (tấm composite kim loại) Sản phẩm chất Chế tạo MEA Cắt nhựa Ép phun lượng cao hơn, sản In lượng cao, chi phí Cắt laser nhựa thấp (tính kinh Chế tạo gioăng / sản xuất thấp Chi phí đầu tư cho máy móc cao Chi phí thấp Đúc phun In (tính kinh tế theo Khơng có quy mơ) dấu tĩnh Sản phẩm chất Đúc khn Tấm đáy tế theo quy mơ) Chi phí cao mức cát & gia lượng cao hơn, sản Dập hàn cơng lượng cao, chi phí thấp (tính kinh Đúc khn Chi phí đầu tư cho máy móc cao tế theo quy mô) 4.2 Āng dāng cÿa pin nhiên lißu đời sßng sÁn xuất Pin nhiên liệu nghiên cứu phát triển để sử dụng số ứng dụng từ đầu năm 1990 Pin nhiên liệu sử dụng cho ứng dụng di động, dự phòng, vận chuyển trạm điện Bài viết mô tả ngắn gọn số cách sử dụng pin nhiên liệu 4.2.1 Nguồn l°ợng di động Pin nhiên liệu di động nguồn điện di động nhẹ, bền lâu, giúp kéo dài thßi gian sử dụng thiết bị mà khơng cần sạc lại Trong đó, pin thứ cấp (pin sạc lại được) có hệ thống 33 Downloaded by Vu Vu (quangchinhlas199@gmail.com) lOMoARcPSD|12114775 Trưßng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM sạc pin bao gồm sạc AC yêu cầu ổ cắm để sạc sạc DC sạc lại pin từ pin khác Pin sạc lại khơng phù hợp với số ứng dụng điện tử di động qn chúng nặng không đáp ứng yêu cầu điện Một số ứng dụng pin nhiên liệu di động bao gồm máy tính xách tay, điện thoại di động, dụng cụ điện, thiết bị quân sự, sạc pin, cảm biến khơng ngưßi lái, phương tiện bay khơng ngưßi lái nước Một điểm khác biệt đáng ý pin sạc pin nhiên liệu pin nhiên liệu cần cung cấp nhiên liệu liên tục Một số loại nhiên liệu sử dụng với pin nhiên liệu bao gồm hydrua kim loại, metanol, axit formic, etanol tất nhiên, hydro Đối với pin nhiên liệu di động, metanol etanol cung cấp cho pin nhiên liệu làm nhiên liệu reforming gắn vào gói pin nhiên liệu Hình 3.4: Pin hydro máy phát cơng ty Horizon 4.2.2 Nguồn sạc dự phòng Hệ thống điện dự phòng cung cấp điện nguồn điện sơ cấp bị ngắt Pin nhiên liệu sử dụng cho lượng dự phịng có nhiều kích cỡ chủng loại thưßng sử dụng hydro làm nhiên liệu chúng Pin nhiên liệu dùng cho dự phịng thương mại hóa nhanh loại pin nhiên liệu khác chúng khơng phụ thuộc vào việc triển khai 34 Downloaded by Vu Vu (quangchinhlas199@gmail.com) lOMoARcPSD|12114775 Trưßng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM sá hạ tầng hydro Một số ứng dụng điện dự phòng bao gồm hệ thống máy tính, sá sản xuất, gia đình trạm biến áp Pin nhiên liệu PEM với nhiên liệu hydro nén loại pin nhiên liệu phổ biến sử dụng cho ứng dụng điện dự phịng Có nhiều lựa chọn nhiên liệu có sẵn hydro nén, hydro lỏng, propan, khí tự nhiên nhiều loại nhiên liệu khác Hệ thống điện phân lựa chọn kèm cho ứng dụng điện dự phịng sản xuất hydro theo yêu cầu Máy điện phân sử dụng với điện tạo từ pin mặt trßi, nguồn gió, nguồn hạt nhân điện cơng ty điện lực địa phương tạo Hình 4.5: Hệ thống pin nhiên liệu hydro dự phòng Microsoft cho database 4.2.3 Āng dụng vận tải Pin nhiên liệu sử dụng cho nhiều ứng dụng vận tải bao gồm tơ, xe bt, xe tiện ích, xe tay ga xe đạp Nhiều phương tiện thử nghiệm dùng pin nhiên liệu tạo cho loại phương tiện 35 Downloaded by Vu Vu (quangchinhlas199@gmail.com) lOMoARcPSD|12114775 Trưßng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM - Ơ tơ Hình 4.4: Xe Toyota Mirai sử dụng pin nhiên liệu Hầu hết nhà sản xuất ô tô phát triển loại xe chạy pin nhiên liệu vài thập kỷ Các nhà sản xuất ô tô quan tâm đến công nghệ pin nhiên liệu cơng nghệ "thế hệ mới" có nhiên liệu tái tạo từ nguồn lượng từ địa phương lượng khí thải thấp không Xe chạy pin nhiên liệu thưßng sử dụng hydro nén làm loại nhiên liệu, số nhà sản xuất chứng minh phương tiện chạy pin nhiên liệu với metanol - Xe buýt Xe buýt chứng minh thành công việc sử dụng pin nhiên liệu cho mục đích vận chuyển vào thị trưßng xe thương mại Sự khác biệt xe buýt ô tô yêu cầu nguồn điện, chỗ trống, chế độ vận hành địa điểm tiếp nhiên liệu Xe buýt đòi hỏi nhiều lượng ô tô bị mài mòn nhiều phải dừng khái động liên tục Một lượng lớn hydro lưu trữ xe buýt dễ dàng diện tích sẵn có xe bt 36 Downloaded by Vu Vu (quangchinhlas199@gmail.com) lOMoARcPSD|12114775 Trưßng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM Xe buýt chạy pin nhiên liệu có lợi so với xe buýt chạy động diesel chúng khơng có khí thải Điều quan trọng thành phố đông dân ô nhiễm Nhiều nhà sản xuất xe buýt bắt đầu trình diễn xe buýt chạy pin nhiên liệu họ vào đầu năm 1990 Giống ô tô chạy pin nhiên liệu, loại nhiên liệu thưßng sử dụng hydro nén, metanol kẽm thử nghiệm Hình 4.5: Xe buýt dùng pin nhiên liệu - Xe đa dụng Các loại xe đa dụng sớm thành công việc chuyển đổi công nghệ sang pin nhiên liệu cơng nghệ sử dụng cho loại xe thưßng ắc quy axit-chì cần bảo dưỡng sạc Các minh chứng phương tiện sử dụng pin nhiên liệu cho thấy chúng cung cấp chi phí vận hành thấp hơn, giảm bảo trì, thßi gian chết thấp phạm vi hoạt động má rộng Các phương tiện tiện ích chạy pin nhiên liệu vận hành nhà khơng có khí thải Các phương tiện tiện ích chạy pin nhiên liệu xe nâng, xe đánh gơn, xe bảo dưỡng bãi cỏ, xe khơng ngưßi lái, tàu thuyền, máy bay nhỏ, tàu ngầm, xe quân nhỏ Các phương tiện sử dụng pin nhiên liệu trình diễn vào đầu năm 2000 Giống ô tô chạy pin nhiên liệu, loại nhiên liệu thưßng sử dụng hydro nén, metanol, hydrua kim loại natri borohydride 37 Downloaded by Vu Vu (quangchinhlas199@gmail.com) lOMoARcPSD|12114775 Trưßng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM chứng minh Loại pin nhiên liệu phổ biến sử dụng Pin nhiên liệu màng trao đổi Proton (PEMFC), Pin nhiên liệu Metanol Trực tiếp (DMFC) Pin nhiên liệu kiềm (AFC) sử dụng - Xe đạp xe tay ga nước có dân số đơng, xe tay ga xe đạp hình thức giao thông phổ biến Pin nhiên liệu chứng minh tích cực cho ứng dụng với hydro metanol nén Lưu trữ hydro vấn đề phương tiện này; đó, hydrua kim loại chất điện phân nghiên cứu suốt thập kỷ qua Hình 4.6: Xe nâng chạy pin nhiên liệu Nhiều nhà sản xuất trình diễn xe tay ga xe đạp sử dụng pin nhiên liệu họ vào đầu năm 2000, muộn nhiều trình diễn tơ xe buýt chạy pin nhiên liệu Giống ô tơ chạy pin nhiên liệu, loại nhiên liệu thưßng sử dụng hydro nén, metanol, hydrua kim loại kẽm chứng minh Loại pin nhiên liệu phổ biến sử dụng PEMFC, DMFC Pin nhiên liệu khơng khí kẽm (ZAFC) sử dụng 38 Downloaded by Vu Vu (quangchinhlas199@gmail.com) lOMoARcPSD|12114775 Trưßng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM Hình 4.7: Xe tay ga chạy pin nhiên liệu 4.3 ¯u khuy¿t đißm cÿa pin nhiên lißu 4.3.1 ¯u điểm Có thể tái tạo Hydro nguyên tố chiếm tỉ lệ lớn Vũ trụ bất chấp thách thức liên quan đến việc khai thác từ nước, nguồn lượng tái tạo dồi dào, phù hợp cho nhu cầu không carbon tương lai nguồn cung cấp nhiệt lượng kết hợp Hydro nguồn l°ợng linh hoạt để hỗ trợ chiến l°ợc l°ợng không carbon Pin nhiên liệu hydro cung cấp nguồn lượng vốn có, khơng có tác động xấu đến mơi trưßng q trình hoạt động sản phẩm phụ đơn giản nhiệt nước Không giống nhiên liệu sinh học thủy điện, hydro khơng cần diện tích đất lớn để sản xuất han đá, khí đốt tự nhiên lượng hạt nhân, tất tiềm ẩn nguy khó có Sản xuất, lưu trữ sử dụng hydro đóng vai trị quan trọng việc thúc đẩy phát triển lượng tái tạo, cách cân phương thức cung cấp gián đoạn chúng 39 Downloaded by Vu Vu (quangchinhlas199@gmail.com) lOMoARcPSD|12114775 Trưßng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM Mật độ l°ợng khối l°ợng cao Công nghệ pin nhiên liệu hydro cung cấp nguồn lượng mật độ cao với hiệu suất lượng tốt Hydro có hàm lượng lượng cao so với loại nhiên liệu thơng thưßng tính theo trọng lượng Hiệu cao so sánh với nguồn l°ợng khác Pin nhiên liệu hydro hiệu nhiều nguồn lượng khác, bao gồm nhiều giải pháp lượng xanh Hiệu suất nhiên liệu cho phép sản xuất nhiều lượng cho pound nhiên liệu Ví dụ, nhà máy điện đốt cháy thơng thưßng tạo điện hiệu suất 33-35% so với lên đến 65% pin nhiên liệu hydro Điều tương tự xảy loại xe, pin nhiên liệu hydro sử dụng 40-60% lượng nhiên liệu đồng thßi giảm 50% mức tiêu thụ nhiên liệu Thời gian nạp nhiên liệu nhanh Thßi gian sạc cho đơn vị lượng pin nhiên liệu hydro nhanh chóng, tương tự xe động đốt thơng thưßng nhanh rõ rệt so với xe điện chạy pin Trong trưßng hợp xe điện cần từ 30 phút đến vài giß để sạc, pin nhiên liệu hydro sạc lại vịng chưa đầy năm phút Thßi gian sạc nhanh có nghĩa phương tiện chạy hydro cung cấp tính linh hoạt xe thơng thưßng Khơng gây nhiễm tiếng ồn Pin nhiên liệu hydro không tạo ô nhiễm tiếng ồn nguồn lượng tái tạo khác, chẳng hạn lượng gió Điều có nghĩa là, giống ô tô điện, xe chạy hydro chạy êm nhiều so với xe sử dụng động đốt thơng thưßng Thời gian sử dụng dài Pin nhiên liệu hydro mang lại hiệu cao thßi gian sử dụng Một xe chạy hydro có phạm vi hoạt động với xe sử dụng nhiên liệu hóa thạch (khoảng 300 dặm) Điều vượt trội so với cung cấp bái xe điện (EV), loại xe ngày phát triển với đơn vị lượng pin nhiên liệu "bộ má rộng phạm vi" Pin nhiên liệu hydro không bị tác động đáng kể bái nhiệt độ bên 40 Downloaded by Vu Vu (quangchinhlas199@gmail.com) lOMoARcPSD|12114775 Trưßng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM khơng bị hư hỏng thßi tiết lạnh, khơng giống EV Lợi gia tăng kết hợp với thßi gian sạc ngắn Tính linh hoạt cÿa việc sử dụng Khi công nghệ tiến bộ, pin nhiên liệu hydro cung cấp lượng cho loạt ứng dụng di động tĩnh Xe chạy khí hydro ví dụ, sử dụng ứng dụng nhỏ sản phẩm cầm tay hay sử dụng cho hệ thống công nghiệp 4.3.2 Nh°ợc điểm Nhiên liệu Hydro phần lớn đ°ợc tạo từ nhiên liệu hóa thạch Mặc dù pin nhiên liệu hydro khơng thải khí độc hại q trình hoạt động, điều không trình sản xuất để tạo nhiên liệu hydro Trên thực tế, lượng hydro gần không trung tính mặt lượng - có nghĩa gần nhiều lượng để tạo lượng mà tạo Hydro sản xuất từ trình điện phân (một trình lượng cao) nguồn lượng tái tạo lựa chọn có chi phí cao, chiếm khoảng 5% tổng sản lượng H2 Hiện tại, phần lớn sản lượng hydro toàn cầu bắt nguồn từ nguồn nhiên liệu hóa thạch (reforming) tiếp tục vài thập kỷ L°u trữ vận chuyển hydro Hydro lưu trữ dạng khí bình áp suất cao dạng lỏng, phải tồn dạng khí để sử dụng cho pin nhiên liệu Khí hydro dễ cháy dễ dàng khỏi bình chứa Nếu khí hydro khỏi bình chứa, ăn mịn kim loại Điều làm cho kim loại trá nên giòn dễ bị nứt gãy Các tổ chức sử dụng lượng hydro cung cấp khí hydro cho họ thơng qua xe bồn đưßng ống với số lượng nhỏ họ cần lượng nhiên liệu cao hơn, họ phải xây dựng nhà máy chỗ để tạo khí hydro Việc thiết lập sá hạ tầng để sử dụng pin nhiên liệu hydro đòi hỏi vốn đầu tư lớn Các tổ chức phải làm việc với quyền địa phương sá cứu hỏa để chấp thuận, 41 Downloaded by Vu Vu (quangchinhlas199@gmail.com) lOMoARcPSD|12114775 Trưßng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM lo lắng chi phí kèm với việc cung cấp khí hydro xây dựng nhà máy chỗ để tạo khí hydro Giá hiệu suất Sản xuất pin nhiên liệu có chi phí cao chất xúc tác (bạch kim) Ngồi ra, nhiều cơng nghệ pin nhiên liệu có giai đoạn nguyên mẫu chưa xác thực Sản xuất hydro tốn không phổ biến rộng rãi Hiện tại, mạng lưới trạm nạp hydro không phổ biến Hiệu suất vấn đề pin nhiên liệu Pin nhiên liệu hydro tiết kiệm lượng so với động đốt Tuy nhiên, pin lithium-ion tiết kiệm lượng nguồn lượng hiệu suất cao mức cao nhất, hiệu suất lượng pin nhiên liệu khoảng 60% Động đốt điển hình có hiệu suất 20-30% Pin Lithium-ion cho hiệu suất cao mức 99%, pin axit chì khoảng 90% Sự so sánh hiệu "từ sản xuất đến vận hành"; Khi bạn tính đến tổn thất từ sản xuất đến sử dụng, pin nhiên liệu hydro có tổn thất lượng cao đáng kể so với pin Hình 4.8: Bảng so sánh hiệu xe sử dụng pin nhiên liệu pin 42 Downloaded by Vu Vu (quangchinhlas199@gmail.com) lOMoARcPSD|12114775 Trưßng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM 4.4 Các h°áng khắc phāc cÁi ti¿n pin nhiên lißu 4.4.1 Giảm chi phí với chất xúc tác phi kim loại quý Trong hầu hết thiết kế, chất xúc tác lớp cực âm cực dương làm từ bạch kim (Pt), kim loại quý đắt tiền Bạch kim đóng góp 10-15% chi phí pin nhiên liệu Trừ hàm lượng Pt giảm bớt, chiếm phần lớn chi phí khối lượng sản xuất tăng lên Do đó, bạch kim yếu tố hạn chế tiềm việc áp dụng rộng rãi pin nhiên liệu ngưßi ta tập trung nhiều vào việc giảm hàm lượng Pt Ballard gần công bố sản phẩm PEM FC dựa chất xúc tác phi kim loại quý giới, cung cấp với hợp tác Nisshinbo Holdings Thiết kế pin nhiên liệu này: • Sử dụng 80% bạch kim • Chịu chất gây nhiễm khơng khí, chẳng hạn oxit lưu huỳnh (SOx), chất xúc tác dựa Pt 4.4.2 Thiết kế lớp catode mang lại hiệu suất cao h¡n độ bền lớn h¡n Hiệu suất xúc tác catốt cải thiện cách hợp kim hóa kim loại coban niken với bạch kim Tuy nhiên, kim loại khơng ổn định mơi trưßng pin nhiên liệu: chúng bị rị rỉ ngồi q trình hoạt động, dẫn đến tổn thất hiệu suất Đã có số nghiên cứu thiết kế lớp xúc tác để đạt hiệu suất cao với độ bền cao lớp xúc tác thơng thưßng thiết kế hiệu suất cao dẫn đến cải thiện độ bền gấp lần so với thiết kế thông thưßng sử dụng chất xúc tác hợp kim 4.4.3 Thiết kế lớp anod cung cấp hoạt động mạnh mẽ nhiều điều kiện Khi không đủ nhiên liệu đến anot, pin nhiên liệu bị hỏng Nếu tắc nghẽn nhiên liệu xảy dòng cực dương tế bào, tế bào bị ảnh hưáng khơng thể tạo đủ dịng điện theo phản ứng điện hóa thơng thưßng Các tế khác pin khiến dòng điện tế bào chạy ngược, dẫn đến điện áp tế âm (được gọi đảo ngược ô) Điều 43 Downloaded by Vu Vu (quangchinhlas199@gmail.com) lOMoARcPSD|12114775 Trưßng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM dẫn đến ăn mịn nhanh chóng vật liệu cực dương cuối hỏng tế bào bị ảnh hưáng Hiện tại, nhà khoa học phát triển thiết kế lớp xúc tác xử lý chất xúc tác / cực dương giúp giảm thiểu đáng kể xuống cấp này, đồng thßi giảm u cầu kiểm sốt hệ thống giảm chi phí vật liệu sản xuất Các thiết kế cực dương chịu đựng nhiều giß tình này, so với khả chịu đựng vài giây đến vài phút mà khơng có phương pháp sửa chữa 4.4.4 Các hoạt động nghiên cāu chất xúc tác tiên tiến Trong mơi trưßng phịng thí nghiệm, số thiết kế chất xúc tác hệ hứa hẹn mang lại hoạt tính cao gấp 17 lần so với chất xúc tác bạch kim thông thưßng Ví dụ, dự án Đại học Western Ontario, phương pháp tạo để bao bọc hạt nano Pt thiết bị nano zirconia để bảo vệ bạch kim, dẫn đến việc tăng độ ổn định chất xúc tác lên 10 lần tăng hoạt tính lên lần 44 Downloaded by Vu Vu (quangchinhlas199@gmail.com) lOMoARcPSD|12114775 Trưßng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM TÀI LIÞU THAM KHÀO [1] Fuel cells: History and updating A walk along two centuries (2009) Science Direct Truy cập từ: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1364032109001336 [2] Pin nhiên liệu gì? LITHACO (2021) Cơng ty Điện mặt trßi lưu trữ lượng có dịch vụ tốt Việt Nam Được truy cập từ: https://lithaco.vn/pin-nhien-lieu-la-gi/ [3] Khái niệm, Nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu – DEVI Renewable Energies (2019) DEVI Renewable Energies Được truy cập từ: https://devirenewable.com/technology/khai-niem-nguyen-ly-hoat-dong-cua-pin-nhien-lieu/ [4] Development and application of fuel cells in the automobile industry (2021) ScienceDirect Được truy cập từ: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352152X21008276 [5] Công nghệ Pin nhiên liệu: Phân tích qua biểu đồ sáng chế (2020) Bộ Khoa học Cơng nghệ - Cục sá hữu trí tuệ Được truy cập từ: https://www.ipvietnam.gov.vn/sach-tap-chi-vatai-lieu-tham-khao/-/asset_publisher/5hGA1SMJFnhf/content/xu-huong-bao-ho-sang-chetrong-linh-vuc-pin-nhien-lieu?inheritRedirect=false [6] Ahmad Mayyas, Margaret Mann (2019) Emerging Manufacturing Technologies for Fuel Cells and Electrolyzers Truy cập từ: https://doi.org/10.1016/j.promfg.2019.04.063 [7] Justin Forbes (14/01/2021) Hydrogen Fuel Cell Advantages and Disadvantages in Material Handling Truy cập từ: https://www.fluxpower.com/blog/hydrogen-fuel-celladvantages-and-disadvantages-in-material-handling [8] Dr Colleen Spiegel (10/04/2016) Introduction to Fuel Cell Applications Truy cập từ: https://www.fuelcellstore.com/blog-section/intro-fuel-cell-applications [9] Kevin Colbow (29/03/2018) What Are the Latest Developments in Fuel Cell Catalyst Technology? Truy cập từ: https://blog.ballard.com/latest-developments-in-fuel-cell- technology [10] 10 hydrogen fuel cell applications you might not know Truy cập từ: https://whainternational.com/10-hydrogen-fuel-cell-applications-you-might-not-know/ 45 Downloaded by Vu Vu (quangchinhlas199@gmail.com)