Định nghĩa: Pin nhiên liệu là pin điện hóa, thực hiện chuyển hóa năng lượng hóa học thành năng lượng điện. Pin nhiên liệu được phát minh vào năm 1838 bởi nhà hóa học người Đức Christian Friedrich Schönbein Trong Pin nhiên liệu, điện được sinh ra từ phản ứng giữa một nhiên liệu và một tác nhân ô xy hóa. Tác nhân phản ứng được đưa vào và sản phẩm phản ứng được đưa ra liên tục trong suốt thời gian hoạt động của pin. Pin nhiên liệu khác với pin điện hóa truyền thống với đặc điểm pin nhiên liệu tiêu thụ tác nhân phản ứng từ nguồn bên ngoài và phải được bổ sung (hệ nhiệt động mở).
BÁO CÁO PIN NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG ETHNOL LÀM NHIÊN LIỆU TRỰC TiẾP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU KHÍ HV : HOÀNG MẠNH HÙNG GVHD : TS. NGUYỄN HỮU LƯƠNG LỚP : KTHD K2010 HCM , 5/2010 HCM , 5/2010 NỘI DUNG 2 2 GIỚI THIỆU PIN NHIÊN LIỆU 1 1 PIN NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG ETANOL LÀM NHIÊN LIỆU TRỰC TIẾP (DEFCs) 2 2 NGHIÊN CỨU VỀ AEM DEFCs VỚI ANOT TÍCH HỢP 3 3 GIỚI THIỆU PIN NHIÊN LIỆU Định nghĩa: Pin nhiên liệu là pin điện hóa, thực hiện chuyển hóa năng lượng hóa học thành năng lượng điện. Pin nhiên liệu được phát minh vào năm 1838 bởi nhà hóa học người Đức Christian Friedrich Schönbein Trong Pin nhiên liệu, điện được sinh ra từ phản ứng giữa một nhiên liệu và một tác nhân ô xy hóa. Tác nhân phản ứng được đưa vào và sản phẩm phản ứng được đưa ra liên tục trong suốt thời gian hoạt động của pin. Pin nhiên liệu khác với pin điện hóa truyền thống với đặc điểm pin nhiên liệu tiêu thụ tác nhân phản ứng từ nguồn bên ngoài và phải được bổ sung (hệ nhiệt động mở). 3 3 GIỚI THIỆU PIN NHIÊN LIỆU Cấu tạo pin nhiên liệu:Pin nhiên liệu được tạo nên từ 3 phần (anot, catot và chất điện phân). Tại anot, nhiên liệu được oxy hóa trong sự có mặt của xúc tác sẽ chuyển thành một ion dương và một electron. Chất điện phân có đặc điểm: ion có thể đi qua nhưng không cho phép electron đi qua. Electron đi qua dây dẫn và tạo nên dòng điện. Ion dương đi qua dung dịch điện phân qua bên catot. Tại catot, các ion kết hợp với các electron và phản ứng với oxy để tạo ra nước hoặc CO2 Xúc tác tại anot thông thường bột platin Xúc tác tại tại catot được chế tạo từ kim loại Niken 4 4 GIỚI THIỆU PIN NHIÊN LIỆU 5 5 Fuel cell name Electrolyte Qualified power (W) Working temperature (°C) Efficiency (ce ll) Efficiency (system) Status Cost (USD/W) Metal hydride fuel cell Aqueous alkaline solution > -20 Commercial / Resea rch (50% P peak @ 0°C) Electro-galvanic fuel cell Aqueous alkaline solution < 40 Commercial / Research Direct formic acid fuel cell (DFAFC) Polymer membrane (ionomer) < 50 W < 40 Commercial / Research Zinc-air battery Aqueous alkaline solution < 40 Mass production Microbial fuel cell Polymer membrane or humic acid < 40 Research Upflow microbial fuel cell (UMFC) < 40 Research Regenerative fuel cell Polymer membrane (ionomer) < 50 Commercial / Research Direct borohydride fuel cell Aqueous alkaline solution 70 Commercial Alkaline fuel cell Aqueous alkaline solution 10 – 100 kW < 80 60–70% 62% Commercial / Research Direct methanol fuel cell Polymer membrane (ionomer) 100 mW – 1 kW 90–120 20–30% 10–20% Commercial / Research 125 Reformed methanol fuel cell Polymer membrane (ionomer) 5 W – 100 kW 250–300 (Reformer) 50–60% 25–40% Commercial / Research 125–200 (PBI) Direct-ethanol fuel cell Polymer membrane (ionomer) < 140 mW/cm² > 25 Research Proton exchange membrane fuel cel l Polymer membrane (ionomer) 100 W – 500 kW 50–120 (Nafion) 50–70% 30–50% Commercial / Research 30–35 125–220 (PBI) RFC - Redox Liquid electrolytes with redox sh uttle and polymer membrane (Ionom er) 1 kW – 10 MW Research Phosphoric acid fuel cell Molten phosphoric acid (H3PO4) < 10 MW 150-200 55% 40% Commercial / Research 4–4.50 GIỚI THIỆU PIN NHIÊN LIỆU 6 6 Fuel cell name Electrolyte Qualified power (W) Working temperature (°C) Efficiency (ce ll) Efficiency (system) Status Cost (USD/W) Metal hydride fuel cell Aqueous alkaline solution > -20 Commercial / Resea rch Proton exchange membrane fuel cel l Polymer membrane (ionomer) 100 W – 500 kW 125–220 (PBI) 50–70% 30–50% Commercial / Research 30–35 RFC - Redox Liquid electrolytes with redox sh uttle and polymer membrane (Ionom er) 1 kW – 10 MW Research Phosphoric acid fuel cell Molten phosphoric acid (H3PO4) < 10 MW 150-200 55% 40% Commercial / Research 4–4.50 Co-Gen: 90% Molten carbonate fuel cell Molten alkaline carbonate 100 MW 600-650 55% 47% Commercial / Research Tubular solid oxide fuel cell (TSOFC) O2 conducting ceramic oxide < 100 MW 850-1100 60–65% 55–60% Commercial / Research Protonic ceramic fuel cell H + -conducting ceramic oxide 700 Research Direct carbon fuel cell Several different 700-850 80% 70% Commercial / Research Planar Solid oxide fuel cell O2 conducting ceramic oxide < 100 MW 500-1100 60–65% 55–60% Commercial / Research Enzymatic Biofuel Cells Any that will not denature the enzyme < 40 Research Magnesium-Air Fuel Cell salt water -75 90% Commercial / Research GIỚI THIỆU PIN NHIÊN LIỆU Ứng dụng: - Cung cấp điện, đặc biệt hữu ích cho những khu vực biệt lập như tàu không gian, trạm dự báo thời tiết và một số ứng dụng trong quân sự; - Cung cấp năng lượng cho động cơ trong phương tiện giao thông đường bộ, hàng không và đường thủy; - Và một số ứng dụng khác. 7 7 DEFCs DEFCs sử dụng ethanol làm nhiên liệu. Etanol có những đặc điểm thuận lợi sau để chế tạo pin nhiên liệu: • Etanol có tỷ lệ lớn hydro trong phân tử, mật độ năng lượng (8.0 kWh/kg) cao hơn so với metanol (6,1 kWh/kg); • Một lượng lớn etanol có thể thu được từ quá trình lên men từ nguồn nguyên liệu tái tạo như rỉ đường, bột mỳ, ngô; • Bồn chứa và cơ sở hạ tầng không khó khăn như pin nhiên liệu sử dụng hydro; • So với đa phần các phân tử hữu cơ khác, etanol có kích thước khá nhỏ, điều này tạo điều kiện thuận lợi cho xúc tác trên cơ sở kim loại Pt thường được sử dụng để chế tạo pin nhiên liệu 8 8 PEM DEFC 9 9 Tại anot: C 2 H 5 OH + 3H 2 O ⇒ 12H + + 12e - + 2CO 2 Tại catot: 3O 2 + 12H + + 12e - ⇒ 6H 2 O Phương trình tổng cộng C 2 H 5 OH + 3O 2 ⇒ 2CO 2 + 3H 2 O AEM DEFCs 10 10 Tại anot: C 2 H 5 OH + 12OH - ⇒ 2CO 2 + 9H 2 O + 12 e - Tại catot: 3O 2 + 6H 2 O + 12e - ⇒ 12 OH - Phương trình tổng cộng C 2 H 5 OH + 3O 2 ⇒ 2CO 2 + 3H 2 O [...]... hóa của cả hai phản ứng oxy hóa etanol tại anot và khử oxy tại catot, điều này làm tăng điện thế của pin; tăng nhiệt độ sẽ làm tăng tốc độ truyền khối và truyền điện tích 19 KẾT LUẬN Anot tích hợp được tạo thành bởi lớp bọt niken với mảng xúc tác mỏng bám vào khung sườn của lớp bọt hoạt động tốt hơn so với pin nhiên liệu sử dụng anot truyền thống, thực nghiệm đã chứng minh trên đã chứng minh do những... 85 đến 74 mWcm-2, có nghĩa hiệu quả hoạt động của pin giảm Hiệu quả hoạt động của pin đạt được tốt nhất khi lượng Pd trong anot đạt 2,0 mg.cm-2 17 Kết quả nghiên cứu và giải thích Hiện tượng này có thể được giải thích là do nếu lượng Pd quá lớn sẽ làm giảm các lỗ trống mở của bọt niken, điều này không chỉ làm giảm EASA của màng xúc tác mỏng mà còn làm tăng trở lực truyền khối và truyền điện ⇒ Tồn tại... có thể được dẫn nhanh qua lớp bọt Niken tạo thành đường dẫn liên tục làm giảm điện trở của pin 16 Kết quả nghiên cứu và giải thích Ảnh hưởng của hàm lượng kim loại Pd Khi tăng lượng Pd từ 1,5 đến 2,0 mg.cm-2, hiệu quả hoạt động của pin tăng lên đáng kể, cụ thể là mật độ năng lượng tại đỉnh tăng từ 66 đến 102 mWcm -2 Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng lượng Pd trong anot tích hợp từ 2,5 đến 3,0 mg.cm-2 sẽ...NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HOẠT ĐỘNG CỦA PIN AEM DEFCs SỬ DỤNG ĐIỆN CỰC TÍCH HỢP 11 Thực nghiệm Kết cấu điện cực màng (membrane electrode assembies-MEA) •Diện tích hoạt động của MEA: 1cm x 1cm •Điện cực anot và catot được làm bằng thép không gỉ •Điện cực catot với xúc tác Fe-Co HYPERMEC K14 •Màng trao đổi anion (A201) •Điện cực anot,... tích hợp sao cho hoạt động của pin là tốt nhất 18 Kết quả nghiên cứu và giải thích Ảnh hưởng của nhiệt độ Hoạt động của pin sẽ được cải thiện khi tăng nhiệt độ Mật độ năng lượng tại đỉnh là 87 mW cm-2 ở nhiệt độ 50oC và sẽ tăng đến 130mW cm-2 ở nhiệt độ 80oC Hơn thế nữa, mật độ dòng điện tối đa là 820 mA-2 tại 50oC và tăng đến 1.060 mAcm-2 tại 80oC Tăng nhiệt độ sẽ làm tăng động học điện hóa của cả... đáng kể; Cấu trúc lỗ rỗng lớn và đều trong anot tích hợp đã tăng cường khả năng vận chuyển tác nhân phản ứng/sản phẩm và các io; Anot tích hợp làm giảm điện trở của pin; Điện cực anot tích hợp với lượng Pd 2,0 mg/cm 2 cho hiệu quả hoạt động cao nhất; Pin DEFCs màng trao đổi anion có thể cho mật độ năng lượng tại đỉnh là 130 mWcm-2 và mật độ dòng điện đạt 1060 mA cm-2 tại 80oC 20 ... thích Hoạt động của pin Nhận xét: anot tích hợp hoạt động tốt hơn anot được thiết kế truyền thống: mật độ điện năng tại đỉnh của anot tích hợp là 74 mWcm-2, cao hơn 37% so với anot truyền thống Anot tích hợp tạo ra mật độ dòng điện lớn nhất 580 mAcm-2, cao hơn 21% so với thiết kế truyền thống Kết quả này là do: Diện tích bề mặt hoạt động tăng; Tốc độ truyền khối tăng; Điện trở của pin giảm 14 Kết quả . điểm pin nhiên liệu tiêu thụ tác nhân phản ứng từ nguồn bên ngoài và phải được bổ sung (hệ nhiệt động mở). 3 3 GIỚI THIỆU PIN NHIÊN LIỆU Cấu tạo pin nhiên liệu: Pin nhiên liệu được tạo nên từ. THIỆU PIN NHIÊN LIỆU 1 1 PIN NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG ETANOL LÀM NHIÊN LIỆU TRỰC TIẾP (DEFCs) 2 2 NGHIÊN CỨU VỀ AEM DEFCs VỚI ANOT TÍCH HỢP 3 3 GIỚI THIỆU PIN NHIÊN LIỆU Định nghĩa: Pin nhiên liệu là. hóa học thành năng lượng điện. Pin nhiên liệu được phát minh vào năm 1838 bởi nhà hóa học người Đức Christian Friedrich Schönbein Trong Pin nhiên liệu, điện được sinh ra từ phản ứng giữa một nhiên