Thiết kế và mô phỏng pin nguyên liệu Để sản xuất Điện

Giới thiệu ; Pin nhiên liệu tiếng Anh là fuel cell là một tế bào điện hóa có chức năng chuyên đôi năng lượng hóa học của nhiên liệu thường là hidro và chât oxy hóa thường là oxy thành đi

ĐẠI HỌC LẠC HỎNG KHOA CƠ ĐIỆN ĐIỆN TỬ

ot

DAI HOC LAC HONG

MON: UNG DUNG MAY TINH TRONG THIET KE VA MO

PHONG O TO

DE TAI:

THIET KE VA MO PHONG PIN NGUYEN LIEU DE

SAN XUAT DIEN

GVHD: Hoang Ngoc Tan SVTH: Tran Huynh Hung

Mục lục

CHUONG 1: CAU TẠO VÉ CÁC LOẠI PIN NHIÊN LIỆU 1

1.1 Các đặc điêm thiết kê trong pin nhiên liệu 2 2225-22 52252 2 1.2 Tế bào nhiên liệu màng trao đôi proton - s22 2zxzzx2 3 1.3 Quản lý nhiệt độ - 0 20221121121 2211112111 121287115282 2e rrreg 4 1.4 Độ bền, tuôi thọ sử dụng và các yêu cầu đặc biệt đối với một số loại tế

1.5 Khả năng chịu carbon monoxide hạn chế của một số catot 6

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU °-5 7

2.1 Sử dụng làm năng lượng chính 2 22 2212212222112 2exse2 8

2.2 Dùng pin nhiên liệu làm hệ thống đồng phát - 2 225zc5z2 9

2.3 Pin nhiên liệu trên Ô tÔ 1111111120111 11111111 1111511 111k 10

CHƯƠNG 3: MO PHONG PIN NHIEN LIEU DE SAN XUAT DIEN TREN

Giới thiệu

; Pin nhiên liệu (tiếng Anh là fuel cell) là một tế bào điện hóa có chức năng chuyên đôi năng lượng hóa học của nhiên liệu (thường là hidro) và chât oxy hóa (thường là oxy) thành điện năng thông qua một cặp phản ứng oxy hóa khử

Pin nhiên liệu khác với hầu hết các loại pin ở chỗ nó đòi hỏi nguồn nhiên liệu

và oxy liên tục (thường là từ không khí) để duy trì phản ứng hóa học còn năng lượng hóa học thường đến từ các chất đã có trong pin Pin nhiên liệu có thế sản xuất điện liên tục miễn là cung cấp đủ nhiên liệu và oxy

Các pin nhiên liệu đầu tiên được phat minh boi Sir William Grove vao nam

1838 Gan mét thập ký sau đó, pin nhiên liệu mới được thương mại hóa sau khi Francis Thomas Bacon phat minh ra pin nhiên liệu hydro-oxy vào năm 1932 Pin nhiên liệu kiềm, còn được gọi là như pin nhiên liệu Bacon theo tên người phát minh

ra nó, đã được sử dụng trong các chương trình không ø1an của NASA từ piữa những năm 1960 để tạo ra năng lượng cho các vệ tỉnh và viên nang không gian Kê từ đó, pin nhiên liệu đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác

Cực dương có một chất xúc tác làm cho nhiên liệu trải qua các phản ứng oxy hóa tạo ra các 1on (thường là các 1on hidro tích điện dương) và cac electron Cac ion

di chuyến từ cực dương sang cực âm qua bình điện phân Đồng thời, dòng điện từ cực đương sang cực âm qua mạch ngoài sẽ tạo ra dòng điện một chiều Tại cực âm, một chất xúc tác khác làm cho các ion, electron và oxy phản ứng, tạo thành nước hoặc có thể là các sản phẩm khác

Pin nhiên liệu được phân loại theo loại chất điện phân mà chúng sử dụng và

sự khác biệt về thời gian khởi động, từ 1 giây đối với pin nhiên liệu màng trao đổi

proton (pin nhiên liệu PEM, hoặc PEMFC) đến 10 phút đối với pin nhiên liệu oxit ran (SOFC)

Một công nghệ liên quan là pin dòng chảy, trong đó nhiên liệu có thê được tái tạo bằng cách sạc lại Các tế bảo nhiên liệu riêng lẻ tạo ra điện thế tương đôi nhó, khoảng 07 vôn Do đó, các tế bảo được "xếp chồng lên nhau" hoặc đặt nỗi tiếp, để tạo ra đủ điện áp đáp ứng yêu cầu của ứng dụng Ngoải điện năng, pin nhiên liệu tạo ra hơi nước, nhiệt và một lượng rất nhỏ nitơ đioxít và các khí thải khác tùy thuộc vào nguồn nhiên liệu

Hiệu suất năng lượng của pin nhiên liệu nói chung là từ 40 đến 60%; tuy nhiên, nêu nhiệt thải được thu giữ trong sơ đồ đồng phát, có thể đạt được hiệu suất lên đên 85%

CHƯƠNG I1: CẤU TẠO VẺ CÁC LOẠI PIN NHIÊN LIỆU

Tế bào nhiên liệu có nhiều loại nhưng tất cả chúng đều hoạt động theo cùng một cách thức chung từ 3 bộ phận: cực dương, chất điện phân và cực âm Hai phản ứng hóa học xảy ra ở mặt phân cách của ba bộ phận Kết quả của hai phản ứng là nhiên liệu được tiêu thụ tạo ra nước hoặc carbon dioxide và một dòng điện được tạo ra, có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện, thường được gor là tải

1.1 Các đặc điểm thiết kế trong pin nhiên liệu

Chất điện phân, thường xác định loại pin nhiên liệu và có thể được tạo ra từ một

so chat nhu kali hidroxit, muoi cacbonat va axit photphoric

¢ Nhién ligu được sử dụng Nhiên liệu phô biến nhất là hidro

« - Chất xúc tác cực dương, thường là bột bạch kim mịn, phân hủy nhiên liệu thanh cac electron va ion

trong đó nước là loại chất thải phổ biến nhất

1.2 Té bao nhiên liệu mang trao déi proton

Trong thiết kế tế bảo nhiên ligu mang trao déi proton hidro-oxit nguyén mau (PEMFC), một mảng polyme dan proton (thuong 1a nafion) chira dung dịch điện phân ngăn cách các bên cực dương và cực âm Đây được gọi là pin nhiên liệu điện phân polyme rắn (SPEFC) vào đầu những năm 1970, trước khi cơ chế trao đôi proton được hiểu rõ (Lưu ý rằng màng điện phân polyme từ đồng nghĩa và cơ chế trao đổi proton dẫn đến cùng một từ viết tắt.)

Các thành phần khác nhau của PEMEC:

« Tam lưỡng cực,

Điện cực,

Chất xúc tác,

Màng,

Phần cứng cần thiết như bộ thu dòng vả vòng đệm

1.3 Quản lý nhiệt độ

Nhiệt độ giống nhau phải được duy trì trong toàn bộ tế bào để ngăn chặn sự

phá hủy tế bào do tải nhiệt Điều này đặc biệt khó khăn vì phản ứng 2H2 +

O2 — 2H2O tỏa nhiệt cao, do đó, một lượng lớn nhiệt được tạo ra trone pin nhiên liệu hydro

1.4 Độ bền, tuổi thọ sử dụng và các yêu cầu đặc biệt đối với một số loại

tế bào Các ứng dụng pin nhiên liệu tỉnh thường yêu cầu hơn 40.000 giờ hoạt động dang tin cậy ở nhiệt độ từ —35°C dén 40°C (—31°F đến 104°F), trong khi pin

150.000 dặm) dưới nhiệt độ khắc nghiệt

Tuy nhiên tuôi thọ hiện tại chỉ là 2.500 giờ (khoảng 120.000 km hoặc 75.000

m1) Động cơ ô tô cũng phải có khả năng khởi động đáng tin cậy ở —309C

(—22°F) và có tỷ lệ công suất trên thê tích cao (thường là 2,5 kW/L)

1.5 Khả năng chịu carbon monoxide hạn chế của một số catot (không

phải PEDOT)

Khí hựdro Mang traco

d6i proto

chất xức tác Tấm lưỡng

CƯC

Không khi

Hình 1.5 Cau tao pin nhién liéu hydro

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU

2.1 Sử dụng làm năng lượng chính

Pin nhiên liệu tĩnh được sử dụng để phát điện chính và dự phòng cho thương mại, công nghiệp và dân dụng Pin nhiên liệu rất hữu ích làm nguôn nang lượng ở các địa điểm xa xôi, chắng hạn như tàu vũ trụ, trạm thời tiết ở xa, công viên lớn, trung tâm thông tin liên lạc, các địa điểm nông thôn bao gồm các trạm nghiên cứu và trong một số ứng dụng quân sự nhất định

Hệ thống pin nhiên liệu chạy bằng hidro có thê nhỏ gọn và nhẹ và không có bộ phận chuyên động chính Bởi vì pin nhiên liệu không có bộ phận chuyên động và không liên quan đến quá trình đốt cháy, trong điều kiện lý tưởng, chúng có thế đạt được độ tin cậy lên tới 99.9999%4, Điều này tương đương với thời gian ngừng hoạt động ít hơn một phút trone khoảng thời gian sáu năm

Vị hệ thống điện phân pin nhién liệu không tự tích trữ nhiên liệu mà dựa vào các

bộ lưu trữ bên ngoài, chúng có thể được áp dụng thành công trong việc lưu trữ năng lượng quy mô lớn, các vùng nông thôn là một ví dụ Có nhiều loại pm nhiên liệu tĩnh khác nhau nên hiệu suất cũng khác nhau, nhưng hầu hết đều tiết kiệm năng lượng từ 40% đến 60%

Tuy nhiên, khi nhiệt thải của pm nhiên liệu được sử dụng để sưởi ấm một tòa nhà trong hệ thống đồng phát, hiệu suất này có thé tăng lên 85% Điều này hiệu quả hơn đáng kể so với các nhà máy điện than truyền thống, chỉ tiết kiệm năng lượng khoảng một phần ba

2.2 Dùng pin nhiên liệu làm hệ thống đồng phát

Hệ thong pin nhiên liệu kết hợp nhiệt và điện (CHP), bao gồm hệ thống nhiệt

và điện kết hợp vi m6 (MicroCHP) duoc str dung dé tao ra ca dién va nhiét cho gia đình (xem pin nhiên liệu gia đình), tòa nhà văn phòng và nhà máy Hệ thống tạo ra

công suất điện không đổi (bán điện năng dư thừa trở lại lưới điện khi nó không

được tiêu thụ), đồng thời tạo ra không khí nóng và nước từ nhiệt thải

Kết quả là các hệ thống CHP có tiềm năng tiết kiệm năng lượng sơ cấp vỉ chúng có thê tận dụng nhiệt thải vốn thường bị các hệ thống chuyên đổi nhiệt năng loại bỏ Phạm vị công suật điện hình của pin nhiên liệu gia đình là 1—3 kW el, 4-8

kW th Hệ thống CHP liên kết với thiết bị làm lạnh hấp thụ sử dụng nhiệt thải của

chúng đề làm lạnh

2.3 Pim nhiên liệu trên ô tô

Đến cuối năm 2019, khoảng 18.000 FCEV đã được cho thuê hoặc bán trên

toàn thế giới Ba mẫu xe điện chạy bằng pin nhiên liệu đã được giới thiệu để cho thuê và bán thương mại: Honda Clarity, Toyota Mirai va Hyundai 1x35 FCEV Cac

mô hình trinh dién b6 sung bao g6m Honda FCX Clarity va Mercedes-Benz F-Cell Tính đến tháng 6 năm 2011, FCEV trình diễn đã chạy hơn 4.800.000 km

(3.000.000 đặm), với hơn 27.000 lân tiếp nhiên liệu Xe điện chạy bang pin nhiên

liệu có phạm vi hoạt động trung bình là 505 km (314 mi) giữa các lần tiếp nhiên liệu Chúng có thể được tiếp nhiên liệu trong vòng chưa đây 5 phút Chương trình Công nghệ Tế bào Nhiên liệu của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ tuyên bố rằng, tính đến

năm 2011, pin nhiên liệu trên ô tô đạt hiệu suất 53-59% ở mức một phân tư công

suất và 42-53% hiệu suất của xe ở mức toàn bộ công suất và độ bền của trên

120.000 km (75.000 mi) với độ xuống cấp dưới 10%

Trong một phân tích mô phóng Well-to-Wheels năm 2017 "không giải quyết được các hạn chế về kinh tế và thị trường", General Motors và các đối tác đã ước tính rằng, đối với một hành trình tương đương, một chiếc xe điện pin nhiên liệu

chạy bằng khí hidro khí nén được sản xuất từ khí tự nhiên có thể sử dụng năng

lượng ít hơn khoảng 40% và thải ra ít khí nhà kính hơn 45% so với phương tién dot trong

Vào năm 2015, Toyota đã giới thiệu chiếc xe chay pin nhiên liệu đầu tiên của mình, Mirai, với mức giá 57.000 USD Hyundai giới thiệu chiếc Hyundai ¡x35 FCEV sản xuất giới hạn theo hợp đồng cho thuê Năm 2016, Honda bắt đầu cho thuê Honda Clarity Fuel Cell Nam 2020, Toyota gidi thiéu thé hé thw hai cua thương hiệu Mữai, cải thiện hiệu suất nhiên liệu và mớ rộng phạm vi so với mẫu

Ắc quy

Pin nhién _ Mien ap cao

điện DC/DO 4 5

Bình chửa khi hydro

Bộ đào điện

Ắc quy 12V

Sedan 2014 ban dau

Hinh2.3 Cac b6 phan của xe chạy bang pin nhién liéu hydro

CHUONG 3: MO PHONG PIN NHIEN LIEU DE SAN XUAT DIEN TREN

SIMULIMK

5e-05 s

AirFr

_—

_

<Stack Efficiency (%)> | |

R <voltage>

<Current> Fl

Hinh 3.1 1/6 phong pin nhién ligu đề sản xuất điện Giải thích ý nghĩa của các khôi

Hình 3.2 Ngăn xếp pin nhiên liệu

<Stack Efficiency (%)>

<Voltage>

Hinh 3.3 Hiéu qua ngdn xép, điện áp

+

Hinh 3.4 Khoi tai

-H +

oo

Hình 3.5 Khó: đo điện áp

Kết quả mô phỏng thu được thông qua Scope:

tack Efficiency (%)>

loltage>

urrent>

Ready Somple bored T=7.000

Hình 3.8 Điều đồ mô phóng thông qua Scope

Discrete

y (%

powergui <Stack Efficiency (%)>

<Voltage>

<Current>

Scope1

max nl

5 + : ao

5

Hình 3.7 Điều đồ mô phóng thông qua Scope

Tài liệu tham khảo

[I] Lmk video mô phỏng: