Tích trữ năng lượng (tiếp theo)

408004 Năng lượng tái tạo Giảng viên: TS Nguyễn Quang Nam 2013 – 2014, HK1 http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php nqnam@hcmut.edu.vn Bài giảng 11 Ch 5: Tích trữ lượng 5.8 Giới thiệu pin nhiên liệu 5.9 Bộ điện phân 5.10 Nhiệt động học pin nhiên liệu 5.11 Hiệu suất lý thuyết pin nhiên liệu 5.12 Đặc tính pin nhiên liệu (lý tưởng thực) 5.13 Các loại pin nhiên liệu Bài giảng 11 Giới thiệu pin nhiên liệu Bài giảng 11 Giới thiệu pin nhiên liệu  Quá trình tạo lưu trữ điện từ nguồn lượng tái tạo, dùng pin nhiên liệu Bài giảng 11 Giới thiệu pin nhiên liệu Bài giảng 11 Ứng dụng pin nhiên liệu Bài giảng 11 Ứng dụng pin nhiên liệu Bài giảng 11 Ứng dụng pin nhiên liệu Daiamler B-Class (2010) GM Equinox Honda FCX Bài giảng 11 Ứng dụng pin nhiên liệu Nạp điện từ lưới điện cố định Xe điện Pin nhiên liệu Bài giảng 11 Ứng dụng pin nhiên liệu Nạp điện từ pin mặt trời lúc chạy Xe điện lai Pin nhiên liệu Bộ quản lý lượng Bài giảng 11 10 Ví dụ 4.9  Giả sử pin nhiên liệu hoạt động 25 °C (298 K) atm tạo nước lỏng (nghĩa là, sử dụng nhiệt trị cao HHV nhiên liệu hydrô): H2 + ½O2 → H2O(l) ∆H = –285,8 kJ/mol H2 a) Tìm nhiệt lượng tối thiểu sinh mol H b) Hiệu suất cực đại pin nhiên liệu bao nhiêu?  Sự sụt giảm entropy chất phản ứng Σ Sreactants = 0,13 × + 0,205 × 0,5 = 0,2325 kJ/K  Sự gia tăng entropy sản phẩm nước lỏng Σ Sproducts = 0,0699 kJ/mol-K × mol = 0,0699 kJ/K Bài giảng 11 28 Ví dụ 4.9  Nhiệt lượng tối thiểu sinh trình Qmin = T(Σ Sreactants – Σ Sproducts) = 298(0,2325 – 0,0699) = 48,45 kJ/mol H2  Enthalpy thừa trình tạo thành nước lỏng từ H O2 H = 285,8 kJ/mol H2 Hiệu suất cực đại xảy Q tối thiểu η max Qmin 48,45 = 1− = 1− = 0,83 = 83% H 285,8 Bài giảng 11 29 Năng lượng tự Gibbs hiệu suất PNL  Hóa giải phóng phản ứng coi gồm hai phần: phần không liên quan đến entropy, gọi lượng tự ∆G, chuyển hóa trực tiếp thành điện hay công học, cộng với phần phải tồn dạng nhiệt  Năng lượng tự Gibbs ∆G tương ứng với điện (hoặc năng) ngõ cực đại, không liên quan đến entropy, có từ phản ứng hóa học ∆G = ∑ Gproducts − ∑ Greactants Bài giảng 11 η max 30 ∆G = ∆H Ví dụ 4.10  Hiệu suất cực đại STP pin nhiên liệu PEM dựa vào nhiệt trị cao (HHV) hyđrô bao nhiêu? H2 + ½O2 → H2O(l) ∆H = –285,8 kJ/mol H2  Từ bảng 4.6 lượng tự Gibbs H2 O2 0, giá trị sản phẩm, nước lỏng, −237,2 kJ ∆G = −237,2 − (0 + 0) = −237,2 kJ/mol  Vậy, η max ∆G − 237,2 kJ/mol = = = 0,83 = 83% ∆H − 285,8 kJ/mol Bài giảng 11 31 Ngõ pin nhiên liệu lý tưởng  Với pin nhiên liệu hyđrô lý tưởng, điện ngõ cực đại với độ lớn ∆G Bên đại lượng điện số số: q = điện tích điện tử = 1,602 × 10−19 coulombs N = số Avogadro = 6,022 × 1023 phân tử/mol v = thể tích mol khí lý tưởng STP = 22,4 lít/mol n = tốc độ hyđrô vào pin nhiên liệu (mol/s) I = dòng điện (A), với A = coulomb/s VR = điện áp lý tưởng hai điện cực (volts) P = công suất điện sinh (W) Bài giảng 11 32 Ngõ pin nhiên liệu lý tưởng  Dòng điện qua tải I (A) = 192.945n  Với pin nhiên liệu tạo nước lỏng, ∆G = 237,2 kJ/mol (H2), công suất lý tưởng (W) cung cấp cho tải P (W) = 237.200n  Và điện áp sinh cực pin nhiên liệu lý tưởng VR = P (W)/I (A) = 1,229 V  Suất tiêu thụ hyđrô pin nhiên liệu lý tưởng Suất tiêu thụ hyđrô = Khối lượng/Năng lượng = 30,35 g H2/kWh Bài giảng 11 33 Đặc tính điện pin nhiên liệu thực  PNL thực không cung cấp toàn lượng tự Gibbs, có tổn hao  Các tổn hao bao gồm tổn hao kích hoạt (cho chất xúc tác), tổn hao ohm (do điện trở nội), tổn hao fuel crossover (nhiên liệu ngang mà không giải phóng điện tử), tổn hao truyền khối (khí hyđrô ôxy gặp khó khăn việc đến điện cực)  Vì lý lý khác, pin nhiên liệu thực, nói chung, tạo khoảng 60 – 70% giá trị cực đại lý thuyết Bài giảng 11 34 Đặc tính điện pin nhiên liệu thực 0,25 V = 0,85 − 0,25 J = 0,85 − I A Bài giảng 11 35 Ví dụ 4.11  Một PNL 1-kW hoạt động liên tục để cung cấp toàn nhu cầu điện cho nhà điển hình Mỹ Nếu PNL tạo 48 V dc pin với điện áp pin 0,6 V, cần pin nhiên liệu diện tích màng trao đổi proton pin bao nhiêu?  48/0,6 = 80 pin nhiên liệu mắc nối tiếp để tạo 48 VDC Dòng điện cần phải chạy pin nhiên liệu I = P / V = 1000 / 48 = 20,83 A  Dùng đường cong xấp xỉ, diện tích cần có A = 0,25 × I / (0,85 - Vcell) = 20,83 cm2 Bài giảng 11 36 Các loại pin nhiên liệu Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) Direct Methanol Fuel Cells (DMFC) Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC) Alkaline Fuel Cells (AFC) Molten-Carbonate Fuel Cells (MCFC) Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) Bài giảng 11 37 Các loại pin nhiên liệu Bài giảng 11 38 Các loại pin nhiên liệu  Đồng phát điện nhiệt nâng hiệu suất lên đến 70% Bài giảng 11 39 Các loại pin nhiên liệu Bài giảng 11 40 Các loại pin nhiên liệu Bài giảng 11 41 Thí nghiệm GPL Bài giảng 11 42 [...]... hệ thống phân cấp các dạng năng lượng, một số dạng “tốt hơn” các dạng khác Điện năng và cơ năng (sinh công) có chất lượng cao nhất Nhiệt năng có chất lượng thấp hơn nhiều, trong đó nhiệt năng ở nhiệt độ thấp có giá trị thấp hơn nhiệt năng ở nhiệt độ cao  Hóa năng tốt hơn nhiệt năng, nhưng kém hơn điện năng và cơ năng  Khi có một nhiệt lượng Q (kJ) được lấy khỏi một bộ trữ nhiệt với nhiệt độ T (°K)... bao nhiêu năng lượng được giải phóng và có bao nhiêu trong số đó có thể được chuyển thành điện năng  Ba đại lượng từ nhiệt động học: enthalpy, năng lượng tự do, và entropy  Định nghĩa enthalpy: Enthalpy là tổng nội năng U và tích số của thể tích V và áp suất P Enthalpy H = U + PV Bài giảng 11 19 Nhiệt động học PNL: Enthalpy  Khi xét đến pin nhiên liệu, ta quan tâm đến sự thay đổi hóa năng, và những... 285,8 Bài giảng 11 29 Năng lượng tự do Gibbs và hiệu suất PNL  Hóa năng được giải phóng trong một phản ứng có thể được coi như gồm hai phần: một phần không liên quan đến entropy, được gọi là năng lượng tự do ∆G, có thể được chuyển hóa trực tiếp thành điện năng hay công cơ học, cộng với một phần phải tồn tại ở dạng nhiệt  Năng lượng tự do Gibbs ∆G tương ứng với điện năng (hoặc cơ năng) ngõ ra cực đại,... pin nhiên liệu lý tưởng sẽ là VR = P (W)/I (A) = 1,229 V  Suất tiêu thụ hyđrô của pin nhiên liệu lý tưởng này Suất tiêu thụ hyđrô = Khối lượng /Năng lượng = 30,35 g H2/kWh Bài giảng 11 33 Đặc tính điện của pin nhiên liệu thực  PNL thực không cung cấp toàn bộ năng lượng tự do Gibbs, vì có các tổn hao  Các tổn hao chính bao gồm tổn hao kích hoạt (cho chất xúc tác), tổn hao ohm (do điện trở nội), tổn...  Từ bảng 4.6 năng lượng tự do Gibbs của H2 và O2 đều là 0, và giá trị đó của sản phẩm, nước lỏng, là −237,2 kJ ∆G = −237,2 − (0 + 0) = −237,2 kJ/mol  Vậy, η max ∆G − 237,2 kJ/mol = = = 0,83 = 83% ∆H − 285,8 kJ/mol Bài giảng 11 31 Ngõ ra của một pin nhiên liệu lý tưởng  Với một pin nhiên liệu hyđrô lý tưởng, điện năng ngõ ra cực đại do đó bằng với độ lớn của ∆G Bên dưới là các đại lượng điện và một... (nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, STP)  Một cách hiểu về enthalpy là nó là năng lượng cần thiết để tạo thành chất đó từ các chất thành phần của nó Bài giảng 11 20 Nhiệt động học PNL: Enthalpy  Trong các phản ứng hóa học, sự khác biệt enthalpy của sản phẩm và enthalpy của các chất phản ứng cho chúng ta biết có bao nhiêu năng lượng được giải phóng hay hấp thụ trong phản ứng  Khi có ít enthalpy trong... H2O(l) ∆H = –285,8 kJ/mol H2 a) Tìm nhiệt lượng tối thiểu sinh ra đối với mỗi mol H 2 b) Hiệu suất cực đại của pin nhiên liệu là bao nhiêu?  Sự sụt giảm entropy của các chất phản ứng Σ Sreactants = 0,13 × 1 + 0,205 × 0,5 = 0,2325 kJ/K  Sự gia tăng entropy trong sản phẩm nước lỏng Σ Sproducts = 0,0699 kJ/mol-K × 1 mol = 0,0699 kJ/K Bài giảng 11 28 Ví dụ 4.9  Nhiệt lượng tối thiểu sinh ra trong quá trình...  Với một pin nhiên liệu hyđrô lý tưởng, điện năng ngõ ra cực đại do đó bằng với độ lớn của ∆G Bên dưới là các đại lượng điện và một số hằng số: q = điện tích của điện tử = 1,602 × 10−19 coulombs N = số Avogadro = 6,022 × 1023 phân tử/mol v = thể tích của 1 mol khí lý tưởng tại STP = 22,4 lít/mol n = tốc độ hyđrô đi vào pin nhiên liệu (mol/s) I = dòng điện (A), với 1 A = 1 coulomb/s VR = điện áp lý... reactants − ∑ S products ) Bài giảng 11 PNL Enthalpy ra We Nhiệt sinh ra Q 26 Hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu  Phải có một lượng nhiệt tối thiểu trong pin nhiên liệu Chúng ta có thể dễ dàng xác định hiệu suất cực đại của pin nhiên liệu  Từ sơ đồ H = We + Q  Điện năng ra We là phần mong muốn, hiệu suất của pin nhiên liệu có thể được định nghĩa là We H − Q Q η= = = 1− H H H  Hiệu suất cực đại... V dc bằng các pin với điện áp mỗi pin bằng 0,6 V, cần bao nhiêu pin nhiên liệu và diện tích màng trao đổi proton của mỗi pin là bao nhiêu?  48/0,6 = 80 pin nhiên liệu mắc nối tiếp để tạo ra 48 VDC Dòng điện cần phải chạy trong mỗi pin nhiên liệu là I = P / V = 1000 / 48 = 20,83 A  Dùng đường cong xấp xỉ, diện tích cần có là A = 0,25 × I / (0,85 - Vcell) = 20,83 cm2 Bài giảng 11 36