Tiểu luận giữa kì đề tài công nghệ pin nhiên liệu và ứng dụng

Bằng cách tập trung vào pin nhiên liệu và ứng dụng của chúng, chúng ta có thể không chỉ hiểu rõ về cơ sở lý thuyết của công nghệ này mà còn đưa ra những giải pháp thực tế cho các thách t

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

BỘ MÔN NĂNG LƯỢNG VÀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG

TIỂU LUẬN GIỮA KÌ

ĐỀ TÀI:

CÔNG NGHỆ PIN NHIÊN LIỆU VÀ ỨNG DỤNG

Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Trần Phú Nhóm thực hiện: Nhóm 7

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2023

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA VIẾT TIỂU LUẬN

HỌC KỲ 1 NĂM HỌC 2023-2024

Nhóm: ( Lớp thứ 4 _Tiết 5-6) 7 Tên đề tài: CÔNG NGHỆ PIN NHIÊN LIỆU VÀ ỨNG DỤNG

STT HỌ VÀ TÊN SINH VIÊN MÃ SỐ SINH VIÊN TỈ LỆ % HOÀN

THÀNH

2 Trần Ngọc Thanh Ngân 21147214 100%

Ghi chú:

 Tỷ lệ % = 100%: Mức độ phần trăm của từng sinh viên tham gia

Trưởng nhóm: Võ Khánh

Nhận xét của giáo viên

Ngày 15 tháng 11 năm 2023

3

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 1

PHẦN NỘI DUNG 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU 2

1 Định nghĩa pin nhiên liệu ( Fuel Cell ) 2

2 Một số loại tế bào nhiên liệu 2

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU 5

1 Ứng dụng của pin nhiên liệu trong dân dụng 5

2 Ứng dụng của pin nhiên liệu trong lĩnh vực vận tải 5

3 OFF-GRID 5

4 Ứng dụng trong sản xuất điện 5

CHƯƠNG 3: THỰC TRANG ỨNG DỤNG PIN NHIÊN LIỆU 6

1 Thực trang ứng dụng pin nhiên liệu trên thế giới 6

2 Thực trạng ứng dụng pin nhiên liệu ở Việt Nam 6

3 Thách thức và triễn vọng 7

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 10

DANH MỤC HÌNH ẢNH 11

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong bối cảnh thế giới đang chuyển đổi nhanh chóng từ năng lượng truyền thống sang các nguồn năng lượng sạch, sự quan tâm đối với các công nghệ tiên tiến như pin nhiên liệu đang ngày càng tăng lên Pin nhiên liệu, với khả năng chuyển đổi nhanh chóng và sạch sẽ, đang trở thành một trong những lựa chọn hứa hẹn nhất trong việc cung cấp nguồn năng lượng ổn định và bền vững Bằng cách tập trung vào pin nhiên liệu và ứng dụng của chúng, chúng ta có thể không chỉ hiểu rõ về cơ sở lý thuyết của công nghệ này mà còn đưa

ra những giải pháp thực tế cho các thách thức năng lượng mà thế giới đang đối mặt

2 Mục tiêu nghiên cứu

Tìm hiểu định nghĩa về độ ẩm, các phương pháp đo độ ẩm và các loại ẩm kế được ứng dụng trong cuộc sống

3 Phương pháp nghiên cứu

 Tìm hiểu các tài liệu giảng viên đã chỉ dẫn và giới thiệu

 So sánh, phân tích, tổng hợp và khái quát lại bằng ngôn ngữ dễ hiểu về vấn đề đang nghiên cứu

4 Bố cục đề tài

Chương 1: Tổng quan về pin nhiên liệu

Chương 2: Ứng dụng của pin nhiên liệu

Chương 3: Thực trạng ứng dụng pin nhiên liệu

1

PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU

1 Định nghĩa pin nhiên liệu ( Fuel Cell )

Pin nhiên liệu là pin có khả năng chuyển đổi trực tiếp hóa năng của nhiên liệu sang điện năng mà không cần thông qua quá trình trung gian biến đổi sang cơ năng do đó mức phát thải của pin nhiên liệu gần như là không

Với cấu tạo đơn giản gồm 3 lớp nằm trên nhau:

- Lớp thứ nhất là điện cực nhiên liệu (cực dương)

- Lớp thứ hai là chất điện phân dẫn ion

- Lớp thứ ba là điện cực khí oxy (cực âm)

2 Một số loại tế bào nhiên liệu

Các tế bào nhiên liệu khác nhau về nhiệt độ hoạt động, hiệu suất, ứng dụng và chi phí sản xuất Các tế bào nhiên liệu thường được chia làm 06 loại dựa trên loại nhiên liệu sử dụng và loại dung dịch điện phân:

+ Fuel cell kiềm (AFC)

+ Fuel cell điện ly polymer (PEMFC) điều kiện hoạt động từ

80-220 độ C

+ Fuel cell methanol (DMFC) điều kiện hoạt động trong khoảng 60-120 độ C

+ Fuel cell acid phosphoric (PAFC) nhiệt độ hoạt động từ

160-220 độ C

2

+ Fuel cell carbonate nóng chảy (MCFC) nhiệt độ hoạt động

600-700 độ C

+ Fuel cell oxide rắn (SOFC) nhiệt độ hoạt động trong khoảng từ 800-1000 độ C

Trong đó, fuel cell điện ly polymer (PEMFC) là loại được sử dụng rộng rãi

2.1 Fuel cell methanol (DMFC)

Pin nhiên liệu metanol trực tiếp (DMFC) được cung cấp năng lượng bằng metanol tinh khiết

Phản ứng anot: MeOH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-

Phản ứng catốt: 3(½O2) + 6H+ + 6e- → 3H2O

Phản ứng chung: MeOH + H2O+ 3(½O2) → CO2 + 3H2O

2.2 Fuel cell carbonate nóng chảy (MCFC)

Trong pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy, chất điện phân bao gồm hỗn hợp nóng chảy của kali cacbonat và liti cacbonat để vận chuyển các ion cacbonat từ cực âm sang cực dương

Phản ứng anot: H2 + CO32- → CO2 + H2O +

Phản ứng catốt: ½O2 + CO2 + 2e- →

Phản ứng chung: H2 + ½O2 → H2O

2.3 Fuel cell điện ly polymer (PEMFC)

Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) sử dụng một màng polymer rắn giống như một tấm phim mỏng để thực hiện chức năng của chất điện phân

Phản ứng anot: H2 → 2H+ + 2e-

Phản ứng catốt: ½O2 +2H+ + 2e- → H2O

3

Phản ứng chung: H2 + ½O2 → H2O

2.4 Fuel cell oxide rắn (SOFC)

Pin nhiên liệu oxit rắn được chế tạo hoàn toàn từ vật liệu ở trạng thái rắn, sử dụng gốm oxit dẫn điện ion làm chất điện phân và hoạt động trong khoảng nhiệt độ 900-1000 °C

Phản ứng anot: H2 + O2- → H2O +2e-

CO + O2- → CO2 + 2e-

Phản ứng catốt: O2 + 4e- →

22-Phản ứng chung: H2 + O2 + CO → H2O + CO2

2.5 Fuel cell kiềm (AFC)

Các tế bào điện phân kiềm chứa nước ở nhiệt độ thấp có ưu điểm là có thể hoạt động dễ dàng ở nhiệt độ thấp và thường hoạt động ở 60-80 °C

Phản ứng anot: H2 + 2OH- → 2H2O +

2e-Phản ứng catốt: ½O2 + H2O + 2e- →

2OH-Phản ứng chung: H2 + ½O2 → H2O

2.6 Fuel cell acid phosphoric (PAFC)

PAFC dùng axit phosphoric làm chất điện phân,cơ chế phản ứng như sơ đồ Hiệu suất pin có thể đạt từ 40 đến 80%, và nhiệt độ vận hành nằm trong khoảng 150 đến 200 độ C

Phản ứng anot: H2 → 2H+ + 2e-

Phản ứng catốt: ½O2 +2H+ + 2e- → H2O

4

Phản ứng chung: H2 + ½O2 → H2O

Hì

nh 1 :Tóm tắt các phản ứng điện hóa của các loại pin nhiên liệu

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU

1 Ứng dụng của pin nhiên liệu trong dân dụng

Pin nhiên liệu đặt ra giải lưu trữ năng lượng giúp tận dụng tối đa nguồn điện dư thừa được sản xuất ra từ năng lượng tái tạo Vừa cung cấp nguồn năng lượng lưu trữ, lượng nhiệt tạo ra có thể dùng để ứng dụng trong đun sôi nước

2 Ứng dụng của pin nhiên liệu trong lĩnh vực vận tải

 Cung cấp giải pháp thay thế cho xe truyền thống và điện với các ưu điểm kế thừa từ 2 dòng xe Đã được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực xe nâng và đang mở rộng ra các lĩnh vực khác

 Bên cạnh đó Fuel cell cũng đang dần được đưa vào lĩnh vực hàng hải nhờ sự thân thiện với mô trường

5

3 OFF-GRID

Cung cấp giải pháp năng lượng cho những vùng hẻo lánh và nhu cầu

du lịch của các cá nhân hộ gia đình

4 Ứng dụng trong sản xuất điện

Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (International Energy Agency - IEA), điện là nguồn phát thải CO2 lớn thứ 3 trên thế giới Khoảng 64,5% điện năng sản xuất thông qua việc đốt nhiên liệu hóa thạch

Do đó ứng dụng pin nhiên liệu trong sản xuất điện quy mô công nghiệp sẽ giúp khắc phục phần nào vấn đề phát thải ô nhiễm

Hình 2: Ứng dụng của các loại pin nhiên liệu

CHƯƠNG 3: THỰC TRANG ỨNG DỤNG PIN NHIÊN LIỆU

1 Thực trang ứng dụng pin nhiên liệu trên thế giới

 Tính đến cuối năm 2019, hơn 19.000 FCEV đã được bán trên toàn cầu; trong đó riêng năm 2019 đã có 7.500 xe lăn bánh (tăng 90% so với năm trước), hơn một nửa trong số đó là ở Hàn Quốc Tính đến năm 2019, Hoa Kỳ có hơn 8.000, châu Âu có hơn 2.500 FCEV đã hoạt động

6

Hình 3: Sản lượng tiêu thụ FCEV

 15/11/2011 Hàn Quốc khánh thành nhà máy điện fuel cell với công suất 11.2 mW

 26/10/2021 Hàn Quốctiếp tục khánh thành nhà máy điện fuel cell lớn nhất thế giới với công suất 78.96 mW với tổng sản lượng 7 tỷ kwh/ năm

2 Thực trạng ứng dụng pin nhiên liệu ở Việt Nam

 Hiện nay, Việt Nam chưa có cơ chế hỗ trợ phát triển lĩnh vực công nghệ pin nhiên liệu một cách tổng thể Gần đây, để khuyến khích sản xuất, lắp ráp các loại xe thân thiện môi trường, Chính phủ đã bổ sung các loại xe ô tô chạy điện, xe ô

tô sử dụng pin nhiên liệu, xe ô tô hybrid,… vào đối tượng áp dụng chương trình ưu đãi thuế

 Vì giá thành khá cao và chưa phù hợp trong điều kiện thiếu cơ

sở hạ tầng hỗ trợ nên pin nhiên liệu chưa được sử dụng rộng rãi

ở Việt Nam Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn nhận định đây

là nguồn năng lượng vô tận, có thể tái sinh được, giữ vai trò chủ đạo thay thế nhiên liệu hóa thạch, không gây ô nhiễm môi trường

 Nghiên cứu pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) sử dụng nhiên liệu hyđrô của Viện Khoa học vật liệu (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) đã điều chế thành công vật liệu xúc tác; đưa ra được 4 quy trình tổng hợp điều chế vật liệu xúc tác Pt/C,

7

Pt3Ni/C, Pt3Co/C và Pt3Fe/C20%Wt ở mức độ phòng thí nghiệm (>200mg/mẻ) Việc điều chế thành công vật liệu xúc tác để sản xuất PEMFC đã giúp Việt Nam có cơ hội chủ động được vật liệu cốt lõi trong nghiên cứu PEMFC, loại vật liệu vốn chỉ được nhập khẩu với chi phí tương đối cao

3 Thách thức và triễn vọng

3.1 Thách thức

Hydro xanh dương: Dạng hydro này được tạo ra từ khí tự nhiên và sau đó trải qua quá trình khử cacbon bằng kỹ thuật thu giữ và lưu trữ carbon, biến nó thành một lựa chọn thân thiện với môi trường hơn so với hydro xám

Hydro xanh lá: Hydro xanh trở nên sống động thông qua quá trình điện phân, trong đó nước được phân tách bằng cách sử dụng điện được khai thác hoàn toàn từ các nguồn bền vững như năng lượng gió hoặc mặt trời Nó tỏa sáng như một biểu tượng của sự bền vững và ý thức sinh thái

Hydro xám: Hydro xám được sản xuất bằng năng lượng có nguồn gốc từ hydrocarbon, đặc biệt là khí tự nhiên Mặc dù không bằng sự thân thiện với môi trường của hydro xanh, nhưng nó vẫn có những

ưu điểm so với nhiên liệu hóa thạch thông thường

Hình 4: Các loại hydrogen

8

- Mặc dù pin nhiên liệu có rất nhiều ưu điểm, thân thiện với môi trường Nhưng một trong những thách thức lớn của pin nhiên liệu là giá thành cao hơn rất nhiều so với các loại nhiên liệu khác

Hình 5: So sánh giá nhiên liệu hóa thạch và nhiên liệu hydrogen

Hình 6: Giá hydrogen xanh LCOH tại châu Âu, Mỹ và Australia năm

2020 Theo hình 7, so với các nhiên liệu khác, hydrogen dễ cháy trong phạm vi nồng độ rất rộng (giới hạn 4%-77%) Khi bị đốt cháy trong không khí, hydrogen phát ra ngọn lửa khó nhìn thấy dưới ánh sáng

9

ban ngày Khi hình thành một hỗn hợp hydrogen/oxygen 2:1 và khi nhiệt độ đến khoảng 600 độ C, phản ứng cháy này có thể dẫn đến sự làn truyền bùng nổ của hỗn hợp khí

Hình 7 :Các thông số an toàn cơ bản của hydrogen so với các chất

đốt Việc xử lý hydrogen nói chung đòi hỏi sự cẩn thận và đặc biệt tuân thủ các quy định theo tiểu chuẩn an toàn cho sản xuất, lưu trữ, phân phối và sử dụng hydrogen

3.2 Triễn vọng phát triển

Pin nhiên liệu, đặc biệt là pin nhiên liệu hydro, được coi là một trong những giải pháp tiềm năng để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng mà không gây hại cho môi trường Dưới đây là một số triển vọng phát triển của pin nhiên liệu:

 Tăng cường hiệu suất năng lượng pin nhiên liệu

 Phát triển pin nhiên liệu có thể tích hợp linh hoạt vào nhiều ứng dụng khác nhau, từ thiết bị cầm tay đến các ứng dụng công nghiệp lớn

 Hướng tới việc sử dụng vật liệu rẻ hơn và quy trình sản xuất hiệu quả hơn để giảm chi phí sản xuất pin nhiên liệu

 Sự phát triển của vật liệu mới có thể cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của pin nhiên liệu

10

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Pin nhiên liệu tuy còn vài hạn chế song nó vẫn là một trong những giải pháp đầy tiềm năng trong việc thay thế nhiên liệu hóa thạch và cải thiện tình hình môi trường

Nghiên cứu phương pháp sản xuất hydrogen bằng nhiệt phân khí tự nhiên để tiến tới áp dụng vào Việt Nam.Tiến hành thành lập “Tổ hợp hydrogen xanh” gồm các cơ sở trong nước sẽ sử dụng hydrogen xanh để tạo nguồn lực tổng hợp quốc gia

Hợp tác xây dựng 1 - 2 dự án thí điểm sản xuất hydrogen xanh dùng điện từ năng lượng tái tạo , công suất nhỏ khoảng 4 - 10 MW sử dụng công nghệ điện phân nước PEM và kiềm Nghiên cứu các công nghệ sản xuất hydrogen tiên tiến trên thế giới, áp dụng trong điều kiện đặc thù của Việt Nam Cung cấp đầy đủ thông tin về hydrogen xanh đến người dân để tăng cường sử dụng dạng năng lượng mới này

11

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Tóm tắt phản ứng điện hóa của các loại pin nhiên liệu Hình 2: Ứng dụng của các loại pin nhiên liệu

Hình 3: Sản lượng tiêu thụ FCEV

Hình 4: Các loại hydrogen

Hình 5: So sánh giá nhiên liệu hóa thạch và nhiên liệu hydrogen Hình 6: Giá hydrogen xanh LCOH tại châu Âu, Mỹ và Australia năm 2020

Hình 7 :Các thông số an toàn cơ bản của hydrogen so với các chất đốt

12