NGHIÊN cứu THIẾT kế mô HÌNH hệ THỐNG PIN NHIÊN LIỆU PEMFC

HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP HCM NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG PIN NHIÊN LIỆU PEMFC Lê Thanh Long, Phạm Quang Trung Khoa Cơ khí - Trường Đại học Bách Khoa TP HCM TÓM TẮT: Trong lĩnh vực lượng tồn cầu nay, có hai vấn đề cấp bách mà người đối mặt là: nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày cạn kiệt tình trạng nhiễm mơi trường khí thải q trình đốt cháy nhiên liệu thải Có nhiều giải pháp nhà nghiên cứu khoa học đề xuất số có phát triển pin nhiên liệu – loại pin có khả thay tốt nguồn nhiên liệu hóa thạch mà đảm bảo khơng gây ô nhiễm môi trường Bài báo giới thiệu loại pin nhiên liệu PEMFC, số loại pin nhiên liệu chế tạo giới Hệ thống pin nhiên liệu dạng tạo nguồn lượng cung cấp cho thiết bị lĩnh vực công nghiệp dân dụng điện thoại, laptop, quạt gió, đặc biệt ứng dụng xe máy, tơ, Từ khóa: Fuel Cell, PEMFC, hệ thống pin nhiên liệu GIỚI THIỆU Ngày nay, nhu cầu lượng ngày gia tăng toàn giới, kinh tế giới bị phụ thuộc nặng nề vào nhiên liệu hóa thạch Tuy nhiên, nguồn nhiên liệu hóa thạch dầu mỏ, than đá lại cạn kiệt hoạt động khai thác mức Hơn nữa, người phải đối mặt với vấn đề lớn nhiễm mơi trường, biến đổi khí hậu tồn cầu q trình đốt cháy nhiên liệu làm sản sinh khí độc hại cacbonic, nitơ oxit,… Chính lý mà nhà nghiên cứu trường đại học, viện nghiên cứu tồn giới nỗ lực tìm nguồn lượng thay cho nguồn lượng truyền thống Trong pin nhiên liệu nguồn lượng hứa hẹn sử dụng nhiều tương lai không xa Mô hình pin nhiên liệu chế tạo vào năm 1839 nhà khoa học người xứ Wales – Sir William Robert Grove Mơ hình bao gồm điện cực platanium bao trùm hai ống hình trụ thủy tinh, ống chứa hydro ống chứa oxy [1] Hai điện cực nhúng dung dịch acid sunfuric loãng – chất điện phân tạo dòng điện chiều Vì việc chế tạo hệ thống pin nhiên liệu phức tạp giá thành đắt nên công nghệ không áp dụng rộng rãi thập niên 1950 Trang 274 Hình Mơ hình pin nhiên liệu với điện cực platanium Thời gian này, ngành du hành vũ trụ kỹ thuật quân cần dùng nguồn lượng nhỏ gọn có suất cao Các tàu du hành vũ trụ tàu ngầm cần dùng lượng điện không thông qua động đốt NASA định dùng cách sản xuất điện trực tiếp phương pháp hóa học thơng qua pin nhiên liệu chương trình du hành vũ trụ Gemini Apollo [2] Các pin nhiên liệu sử dụng chương trình Gemini NASA phát triển vào năm 1965 Với công suất khoảng 1kW pin nhiên liệu cung cấp đồng thời điện nước uống cho phi hành gia vũ trụ Các pin nhiên liệu chương trình Gemini dài 60 cm có đường kính 20 cm HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP HCM Công việc nghiên cứu công nghệ pin nhiên liệu bị ngưng đến thập niên 50 kỷ 20 mà tiếp tục phát triển để hoàn thiện Nhờ chế tạo màng PEM có hiệu cao vật liệu có khả chống ăn mòn hóa học tốt nhờ vào cơng tìm kiếm nguồn lượng thân thiện môi trường cho tương lai nên pin nhiên liệu phát triển mạnh vào đầu thập niên 1990 Thơng qua đó, việc sử dụng pin nhiên liệu dành cho mục đích dân trở thành thực Ngày nay, nhu cầu sử dụng pin nhiên liệu ngày tăng ưu điểm vượt trội nó, từ ứng dụng thiết bị điện tử di động, laptop, máy nghe nhạc… ứng dụng lớn lĩnh vực vận chuyển PIN NHIÊN LIỆU PEMFC 2.1 Khái niệm pin nhiên liệu Pin nhiên liệu hay tế bào nhiên liệu loại tế bào điện hóa học biến lượng hóa học nhiên liệu hydro trực tiếp thành lượng điện Điện phát thông qua phản ứng hóa học, kích hoạt có mặt chất điện phân nhiên liệu (cực anode) chất oxy hóa (cực cathode) Khơng giống pin với ắc quy thông thường tế bào nhiên liệu không bị điện khơng có khả tích điện Các tế bào nhiên liệu hoạt động liên tục nhiên liệu (hydro) chất oxy hóa (oxy) đưa từ vào chất biến đổi chúng thành nước Hình Nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu Trên lý thuyết chất thực phản ứng oxy hóa khử trì sử dụng để chế tạo pin nhiên liệu Tuy nhiên thực tế hoạt động pin lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố, giá lượng tạo nên ảnh hưởng lớn Vì yếu tố mà hydro methanol thường lựa chọn sử dụng cho loại pin hoạt động nhiệt độ thấp [2] Các loại tế bào nhiên liệu chung nguyên tắc mô tả dựa vào tế bào nhiên liệu PEM (Proton Exchange Membrane) – tế bào nhiên liệu màng trao đổi proton sau: Ở bề mặt anode khí hydro bị oxy hóa: H  H   4e (1) Các điện tử giải phóng từ anode qua mạch điện bên ngồi cathode Các proton H+ di chuyển chất điện phân xuyên qua màng có khả cho proton qua cathode kết hợp với khí oxy điện tử tạo thành nước O2  4H   4e  H 2O (2) Tổng cộng: H  O2  H 2O  QE Hình Tế bào nhiên liệu PEMFC 2.2 Nguyên lý hoạt động Về phương diện hóa học, q trình xảy pin nhiên liệu phản ứng ngược lại điện phân Trong trình điện phân, nước bị tách thành khí hydro khí oxy nhờ vào lượng điện Tế bào lượng lấy hai (3) Như từ nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu, ta thấy lượng tạo từ q trình cao khơng gây nhiễm mơi trường, vấn đề lại giá khả ứng dụng rộng rãi thực tế đời sống 2.3 Cấu tạo pin nhiên liệu PEMFC Một pin nhiên liệu có cấu tạo đơn giản gồm ba lớp Lớp thứ điện cực nhiên liệu (anode), lớp thứ hai chất điện phân dẫn ion lớp thứ ba điện cực khí oxy (cathode) Hai điện cực làm chất dẫn điện (kim loại, than chì,…) Chất điện phân dùng nhiều chất Trang 275 HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP HCM khác tùy thuộc vào loại pin nhiên liệu, có loại thể rắn, có loại thể lỏng có cấu trúc màng Hình Mơ hình cấu tạo pin nhiên liệu PEMFC 2.3.1 Chất điện phân Tùy thuộc vào loại pin nhiên liệu mà ta sử dụng chất điện phân cho phù hợp Tuy nhiên, tất chất điện phân phải có tính khơng thấm nước, khơng dẫn electron, độ dẫn ion cao, đáp ứng yêu cầu độ bền điện hóa, bền hóa học học mơi trường phản ứng Vai trò chất điện phân dẫn ion từ anode đến cathode hay ngược lại tùy thuộc loại pin nhiên liệu Theo thời gian khả hoạt động pin giảm dần biến tính chất điện phân, kết ion khơng dẫn điện cực, chí dẫn đến tượng đoạn mạch, dòng điện khơng sinh pin không hoạt động [3] 2.3.2 Chất xúc tác Tương tự chất điện phân, chất xúc tác pin nhiên liệu phụ thuộc vào loại pin Chất xúc tác phải chất có hoạt tính xúc tác tốt với phản ứng điện hóa, dẫn nhiệt tốt Hiện nay, Platinium kim loại có giá thành cao có hoạt tính xúc tác cao Điều làm cho giá thành pin nhiên liệu cao loại lượng khác, khó có khả thương mại hóa Do vậy, giới nhà khoa học không ngừng nghiên cứu cải tiến xúc tác Trong chất xúc tác hợp kim Platinium với kim loại khác cho hiệu tốt làm giảm giá thành cho pin nhiên liệu Ví dụ điển hình hợp kim tiêu biểu Pt-Ru, Pt-V, PtCr, Pt-Ni,… 2.3.3 Lớp khuếch tán khí Trong pin nhiên liệu, lớp khuếch tán khí thường làm chất dẫn điện kim loại, cacbon, than chì,… Mặt khác phải có độ xốp để dòng ngun liệu khuếch tán Trang 276 đến lớp xúc tác Như vậy, ta thấy tốc độ phản ứng pin phụ thuộc nhiều cấu tạo điện cực 2.3.4 Thanh góp kênh dẫn khí pin nhiên liệu Ngoài thành phần trên, cấu tạo lớp vỏ bên ngồi đóng vai trò quan trọng, góp tiếp xúc với bên ngồi lớp khuếch tán khí hai điện cực, chúng thường có dạng đĩa lưỡng cực Cơng dụng đĩa tích góp điện tích sinh từ phản ứng oxy hóa khử anode truyền dòng electron qua dây dẫn đến cathode Trên đĩa có bố trí rãnh nhỏ tạo thành kênh dẫn khí phân phối đến điện cực, đưa sản phẩm hay tải chất làm mát cho pin 2.4 Ưu nhược điểm pin nhiên liệu PEMFC 2.4.1 Ưu điểm Trong ưu điểm pin nhiên liệu so với hệ thống chuyển đổi cạnh tranh khác phải kể đến độ hiệu cao không phụ thuộc vào độ lớn hệ thống Chúng cung cấp suất lượng điện từ 40% đến 70%, 85% tận dụng điện nhiệt Ngồi ra, việc vận hành pin nhiên liệu khơng phát sinh tiếng ồn sản phẩm phản ứng nước dioxit carbonate (nếu sử dụng nhiên liệu hóa thạch) Pin nhiên liệu giảm phụ thuộc vào dầu mỏ, giảm lượng dioxit carbonate, khí gây hiệu ứng nhà kính, oxit lưu huỳnh nitơ khí gây nhiễm môi trường vấn đề lớn cho xã hội Các pin nhiên liệu không cần động quay hay phận học chuyển động, tăng tuổi thọ độ tin cậy Nhiệt độ vận hành khác pin nhiên liệu cho phép dùng với turbine hay ứng dụng nước 2.4.2 Nhược điểm Giá pin nhiên liệu cao cho việc cạnh tranh phận pin chất xúc tác (bạch kim), màng trao đổi, điện cực Pin nhiên liệu tích cồng kềnh người ta muốn đưa vào bên xe tơ Các pin nhiên liệu cần có tuổi thọ tối thiểu 40.000 h ứng dụng cơng trình trạm phát điện Đây ngưỡng khơng dễ vượt qua với cơng nghệ hành HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP HCM 2.5 Ứng dụng pin nhiên liệu PEMFC Pin nhiên liệu PEMFC với nhiều ưu điểm lớn không tốn thời gian cho việc sạc pin mà nạp nhiên liệu, tuổi thọ cao khơng sử dụng tái chế gần hồn tồn, chất thải sau q trình chuyển hóa điện nước Do vậy, pin nhiên liệu PEMFC sử dụng rộng rãi lĩnh vực khác Cụ thể ứng dụng sau: - Pin nhiên liệu PEM dùng thiết bị điện tử di động laptop, điện thoại, máy ảnh, máy mp3,… Bơm Bộ lọc khí Oxi khí Oxi Bộ chuyển đổi áp suất khí Module làm ẩm Bộ lọc Khí Oxi Nguồn Hydro Van kiểm tra Cụm pin nhiên liệu PEM Công DC/AC suất Sản phẩm bên ngồi Lỗ nước Bộ lọc khí thải Bộ chuyển đổi áp suất Van xả khí làm Khí Hydro làm thải ngồi Hình Hệ thống pin nhiên liệu sử dụng lọc proton 3.1 Cụm stack PEMFC Việc xếp điện cực, đệm chồng lên Hình gọi cụm stack Mỗi cụm stack pin nhiên liệu PEMFC tạo điện khoảng 0,7 V Do đó, để tạo điện lớn đủ để làm nguồn cho thiết bị khác ta phải ghép nối tiếp cụm stack lại với Hình Máy tính xách tay sử dụng pin nhiên liệu - Ứng dụng lĩnh vực vận chuyển loại xe máy, ô tô, thuyền, máy bay nhỏ, tàu ng ầm phương tiện qn loại nhỏ Hình Mơ hình xe điện sử dụng pin nhiên liệu PEMFC Thiết kế hệ thống pin nhiên liệu PEMFC Một hệ thống pin nhiên liệu PEMFC đầy đủ bao gồm thành phần: cụm stack, hệ thống làm ẩm, hệ thống quạt gió, máy nén khí, turbines hệ thống điện Hệ thống pin nhiên liệu PEMFC đạt hiệu suất cao sử dụng thiết bị đơn giản kết hợp với hệ thống điện làm việc tin cậy, hiệu Hình Mơ hình cụm stack pin nhiên liệu PEMFC Tuy nhiên, việc ghép nối tiếp cụm stack phải tính tốn cẩn thận cụm stack lớn hệ thống pin nhiên liệu trở nên phức tạp Khi nhiệt độ, áp suất hệ thống phải giám sát chặt chẽ đòi hỏi nhiều thiết bị xử lý Hiệu suất cụm stack tính gần theo cơng thức sau: Vcell (4) 1.482 3.2 Hệ thống làm ẩm Hệ thống làm ẩm hydro giúp bảo vệ màng trao đổi proton (PEM) khỏi hút ẩm tác dụng tải Ngồi khí oxy hydro phải làm ẩm ngõ vào hệ thống pin Stack  Trang 277 HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP HCM Pin nhiên liệu H2 O2 Buồng mở rộng W Làm ẩm cách phun nước Buồng mở rộng Khí hydro lọc xã ngồi Hình Làm ẩm khí cách phun nước Khi thiết kế hệ thống làm ẩm cần ý số điều sau: - Tối thiểu hóa lượng nhiệt bị tổn thất hệ thống - Nước phải phân phối giai đoạn khí bốc gần nhiệt độ khí đầu vào - Độ ẩm cần điều khiển dựa việc thiết kế hệ thống pin nhiên liệu Khối lượng nước cần thiết để phun làm ẩm tính theo cơng thức: M H2O  Psat (T ) amb Psat (Tamb ) mH 2O  mair  (5) M air P   Psat (T ) Pamb  amb Psat (Tamb )  Trong đó: CP nhiệt dung riêng đẳng áp (J/kgK) 3.5 Turbines Turbines tạo lượng cần thiết góp phần hỗ trợ việc nén khí vào pin nhiên liệu Vì hiệu suất turbines ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống pin nhiên liệu PEMFC amb Không khí   (v2  v1 )2  Wact  V  P     Thiết bị làm ẩm Pin nhiên liệu W Turbine Khí bão hòa xã ngồi Hình 10 Sử dụng turbines hệ thống PEMFC Hiệu suất turbines: turbine  độ ẩm tương đối T Tamb nhiệt độ nhiên liệu cấp vào khơng khí xung quanh P Pamb áp suất nhiên liệu cấp vào khơng khí xung quanh 3.3 Hệ thống quạt gió Quạt gió phương pháp kinh tế để làm mát pin nhiên liệu cung cấp khí cho pin Quạt gió điều khiển động điện có công suất phù hợp với hệ thống PEMFC Công suất thực quạt gió: Máy nén T1  T2  1    P2     T1      P1     (8) Thiết kế cụm stack pin nhiên liệu PEMFC Việc thiết kế cụm stack đóng vai trò quan trọng trình thiết kế hệ thống pin nhiên liệu PEMFC ảnh hưởng đến cơng suất đầu pin Khi thiết kế cụm stack cần quan tâm đến yếu tố vật liệu làm pin, kích thước, khối lượng thể tích pin cho đạt công suất yêu cầu Sau số thành phần cụm stack pin nhiên liệu PEMFC: (6) Trong V lưu lượng thể tích (m3/s) ∆P áp suất hút cánh (Pa)  mật độ lưu chất (kg/m3) v2, v1 tốc độ dòng khí đầu vào đầu pin (m/s) 3.4 Máy nén khí Máy nén khí dùng để nén khí vào hệ thống qua nhằm tăng tập trung oxy đơn vị thể tích Vì tăng hiệu suất pin nhiên liệu Công suất thực máy nén: W  c p (T2  T1 )m (7) Trong m lưu lượng dòng khí (g/s) T1, T2 nhiệt độ khí cấp vào (K) Trang 278 Hình 11 Tấm vật liệu phía bên ngồi pin (vỏ pin) HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP HCM KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu thiết kế mơ hình hệ thống pin nhiên liệu PEMFC khẳng định việc đẩy mạnh phát triển mơ hình pin quy mơ phòng thí nghiệm phù hợp khả thi Xa việc ứng dụng mơ hình để phục vụ đào tạo Hình 12 Tấm điện cực anode Với ưu điểm trội hẳn nguồn lượng khác, pin nhiên liệu PEMFC lựa chọn tốt để thay cho nguồn dầu mỏ có giá thành cao có nguy cạn kiệt dần Tuy nhiên, để loại pin sử dụng rộng rãi sống thách thức nhà nghiên cứu không nhỏ Chúng ta phải xây dựng trạm tiếp nhiên liệu H2, cải tiến kỹ thuật để sản xuất hàng loạt với giá thành thấp, tăng hiệu suất pin Ngồi bể chứa, bình chứa nhiên liệu phải an tồn sử dụng TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 13 Tấm đệm Hình 14 Màng trao đổi proton (PEM) Hình 15 Tấm điện cực cathode [1] James Larminie - Andrew Dicks, Fuel Cell Systems Explained, Oxford Brookes University, UK 2003 [2] L.Carrette, K.A.Friedrich, U.Stimming Fuel Cells Fundamentals and Applications, 2007 [3] Colleen Spiegel, Designing and Building Fuel Cells, United States of America 2007 [4] J H Hirschenhofer,D.B.Stauffer,R.R Engleman and M G Klett, Fuel Cell Handbook Ten Edition, 2007 [5] Mahesh B Biradar, Design, Scale-Up, and Integration of an Ammonia Electrolytic Cell with a Proton Exchange Membrane (PEM) Fuel Cell, Ohio University 2007 [6] http://hydrogenfuelcell.blogspot.com/2005/06/hydrogen-mclc.html [7] http://www.eere.energy.gov/hydrogenandf uelcells/fuelcells/fc_types.html [8] http://www.fctec.com/fctec_types.asp [9] http://www.h-tech.com/education.html [10] http://www.entegrisfuelcells.com Trang 279 HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP HCM STUDY ON DESIGNING THE MODEL OF PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL SYSTEM (PEMFC) ABSTRACT In the global energy sector today, there are two important problem that people have to face them: the fossil fuels increasingly exhausted and environmental pollution caused by emission of fuel combustion There are much solution have been the making of scientific research and of which the invention of a fuel cell - a battery Keywords: Fuel Cell, PEMFC, Fuel Cell system Trang 280 capable of replacing fossil fuels while ensuring no environmental pollution This paper introduces PEMFC - one of the fuel cells built on the world This fuel cell system will generate the energy supply for the devices in the field of civil industry as phone, laptop, fan, and especially apply on motorcycles, cars, ... nhiên liệu PEMFC Thiết kế hệ thống pin nhiên liệu PEMFC Một hệ thống pin nhiên liệu PEMFC đầy đủ bao gồm thành phần: cụm stack, hệ thống làm ẩm, hệ thống quạt gió, máy nén khí, turbines hệ thống. .. thống điện Hệ thống pin nhiên liệu PEMFC đạt hiệu suất cao sử dụng thiết bị đơn giản kết hợp với hệ thống điện làm việc tin cậy, hiệu Hình Mơ hình cụm stack pin nhiên liệu PEMFC Tuy nhiên, việc... trọng trình thiết kế hệ thống pin nhiên liệu PEMFC ảnh hưởng đến cơng suất đầu pin Khi thiết kế cụm stack cần quan tâm đến yếu tố vật liệu làm pin, kích thước, khối lượng thể tích pin cho đạt