tiểu luận giữa kì đề tài công nghệ nhiên liệu và ứng

2 Địnghĩa nhiên ệPin 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

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

BỘ MÔN NĂNG LƯỢNG VÀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG

TIỂU LUẬN GIỮA KÌ

ĐỀ TÀI:

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

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 nă

2

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA VIẾT TIỂU LUẬN

HỌC KỲ 1 NĂM HỌC 2023

Nhóm: ( Lớp thứ 4 _Tiết

Tên đề tài: CÔNG NGHỆ NHIÊN LIỆU VÀ ỨNG DỤNG

Ọ VÀ TÊN SINH VIÊN MÃ SỐ SINH VIÊN Ỉ Ệ % HOÀN

THÀNH

Võ Khánh

ầ ọc Thanh Ngân

Đặ Khôi Nguyên

Ghi chú:

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

Trưởng nhóm: Võ Khánh

Nhận xét của giáo viên

Ngày tháng năm

MỤC LỤC

Ầ Ở ĐẦ

CHƯƠNG 1: TỔ ỀPIN NHIÊN LIỆ

1 Định nghĩa pin nhiên liệ

ộ ố ạ ế bào nhiên liệ

CHƯƠNG 2: Ứ Ụ ỦA PIN NHIÊN LIỆ

Ứ ụ ủa pin nhiên liệu trong dân dụ

Ứ ụ ủa pin nhiên liệu trong lĩnh vự ậ ả

Ứ ụ ả ất điệ

CHƯƠNG 3: THỰ Ứ ỤNG PIN NHIÊN LIỆ

ự ứ ụng pin nhiên liệu trên thế ớ

ự ạ ứ ụng pin nhiên liệ ở ệ

3 Thách thức và triễ ọ

Ế ẬN VÀ KIẾ Ị

ỤC HÌNH Ả

1

1 Lý do chọn đề tài

Trong bối cảnh thế giới đang chuyển đổi nhanh chóng từ nă ượng truyền thống sang các nguồn nă ượng sạch, sự quan tâm đối với các công nghệ tiên tiến như nhiên liệu đang ngày càng tă 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 nă ượng 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 a ra những giải pháp thực tế cho các thách thức năđư ượng

mà thế giới đ 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 nhiên liệu

Chương 2: Ứng dụng của nhiên liệu

Chương 3: Thự trạng ứng dụng nhiên liệu

2

Đị nghĩa nhiên ệ

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 lớp nằm trên

Lớp thứ nhất là điện cực nhiên liệu (cực dươ

Lớp thứ hai là chất điện phân dẫn ion

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

ộ ố ạ ế bào nhiên ệ

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)

điện ly polymer (PEMFC) điều kiện hoạt động từ 80 độ C

điều kiện hoạt động trong khoảng 60 độ C + Fuel cell acid phosphoric (PAFC) nhiệt độ hoạt động từ 160 độ C + Fuel cell carbonate nóng chảy (MCFC) nhiệt độ hoạt động 600 độ C + Fuel cell oxide rắn (SOFC) nhiệt độ hoạt động trong khoảng từ 800 độ C

đó điện ly polymer (PEMFC) là loại được sử dụng rộng rãi

in nhiên liệu metanol trực tiếp (DMFC) được cung cấp nă ượng bằng metanol tinh khiết

ả ứng anot: MeOH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e

3

ả ứ ốt: 3(½O2) + 6H+ + 6e → 3H2O

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

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 dươ

ả ứ ốt: ½O2 + CO2 + 2e → CO32

ả ứng chung: H2 + ½O2 → H2O

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

ả ứng anot: H2 → 2H+ + 2e

ả ứ ốt: ½O2 +2H+ + 2e → H2O

ả ứng chung: H2 + ½O2 → H2O

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

1000 °C

Phản ứng anot: H2 + O2 → H2O +2e

→ CO2 + 2e

Phản ứng catốt: O2 + 4e → 22

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

Fuel cell kiềm (AFC)

4

Các tế bào điện phân kiềm chứa nước ở nhiệt độ thấp có ư 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

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

độ C

Phản ứng anot: H2 → 2H+ + 2e

Phản ứng catốt: ½O2 +2H+ + 2e → H2O

Phản ứng chung: H2 + ½O2 → H2O

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

5

Pin nhiên liệu đặt ra giải lưu trữ nă ượng giúp tận dụng tối đa nguồn điện dưthừa được sản xuất ra từ nă ượng tái tạo Vừa cấp ồnnăng lượng lưu trữ, lượng nhiệt tạo có thể dùng để ứng dụng đun sôi nước

• Cung cấp giải pháp thay thế cho xe truyền thống và điện với các ư 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

Cung cấp giải pháp năng lượng cho những vùng hẻo lánh và nhu cầu du lịch của các

cá nhân hộ gia đình

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 nhiễ

Hình Ứng dụng của các loại nhiên liệu

6

− 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 châu Âu có hơn 2.500 FCEV đã hoạt động

Hình Sản lượng tiêu thụ

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

− 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/ nă

− Hiện nay, Việt Nam chưa có cơ chế hỗ trợ phát triển lĩnh vực công nghệ pin nhiên liệu một cách tổng thể Gầ đâ để khuyến khích sản xuất, lắp ráp các loại xe thân thiện môi trường, Chí ủ đã ổ á ại xe ô tô chạy điện,

xe ô tô sử dụng pin nhiên liệu, xe ô tô hybrid,… à đố ượ á ụ ươ

ì ư đã ế

− Vì giá thành khá cao và chưa phù hợp trong điều kiện thiếu cơsở hạ tầng hỗ trợ nên pin nhiên liệu chư được sử dụng rộng rãi ở ệt Nam Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn nhận định đây là nguồn nă ượng vô tận, có thể tái sinh được, giữ vai trò chủ đạo thay thế nhiên liệu hóa thạch, không gây ô nhiễm môi trường

7

− Nghiên cứu pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) sử dụng nhiên liệu đrô của Viện Khoa học vật liệu (Việ àn lâm KH&CN Việ đã điều chế thành công vật liệu xúc tác; đư được 4 quy trình tổng hợp điều chế vật liệu xúc tác Pt/C, 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

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 tươ đối

Thách ứ và ễ ọ

Thách thức

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

lá: Hydro xanh trở nên sống động thông qua quá trình điện phân, trong đó ước được phân tách bằng cách sử dụng điện được khai thác hoàn toàn từ các nguồn bền vững như ă ượng 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 nă ượng có nguồn gốc từ hydrocarbon, đặc biệt là khí tự nhiên Mặc dù không bằng sự thân thiện với môi trường của hydro ưng nó vẫn có những ư điểm so với nhiên liệu hóa thạch thông thường

Hình Các loại

8

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

Hình sánh giá nhiên liệu hóa thạch và nhiên liệu

Hình Giá tại châu Âu, Mỹ và năm hình với các nhiên liệu khác, dễ cháy phạm nồng độ rất rộng (giới hạn bị đốt cháy không khí, phát ngọn lửa khó nhìn thấy dưới ánh sáng ngày hình thành một hỗn hợp

và nhiệt độ đến khoảng độ phản ứng cháy này có thể dẫn đến sự làn truyền bùng nổ của hỗn hợp khí

9

Hình Các thông số toàn cơ bản của với các chất đốt Việc xử lý nói đòi hỏi sự cẩn thận và đặc biệt tuân thủ các định tiểu chuẩn toàn sản xuất, lưu trữ, phân phối và sử dụng

Triễn vọng phát triển

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

• Tăng cường hiệu suất năng lượng 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

• ướng tới việc sử dụng vật liệu rẻ hơn và quy trình sản xuất hiệu quả hơ để giảm chi phísản xuất nhiên liệu

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

10

Pin nhiên liệu tuy còn vài hạn chế song nó vẫn là một trong những giải pháp đầy tiềm ăng 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 ung cấp đầy đủ thông tin về hydrogen xanh đến người dân để tăng cường sử dụng dạng năng lượng mới này

11

ỤC HÌNH Ả

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