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

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ 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 năng lượng trên toàn cầ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ 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 năng lượng trên toàn cầu hiện

nay, có hai vấn đề cấp bách mà con người đã và

đang đối mặt đó là: nguồn nhiên liệu hóa thạch

ngày càng cạn kiệt và tình trạng ô nhiễm môi

trường do khí thải của quá trình đốt cháy nhiên

liệu thải ra Có rất nhiều giải pháp đã được các

nhà nghiên cứu khoa học đề xuất và trong số đó

có sự phát triển pin nhiên liệu – một loại pin có

khả năng thay thế tốt nguồn nhiên liệu hóa thạch

mà vẫn đảm bảo không gây ô nhiễm môi trường Bài báo này giới thiệu loại pin nhiên liệu PEMFC, là một trong số các loại pin nhiên liệu đã được chế tạo trên thế giới Hệ thống pin nhiên liệu dạng này sẽ tạo ra nguồn năng lượng cung cấp cho các thiết bị trong lĩnh vực công nghiệp dân dụng như điện thoại, laptop, quạt gió, và đặc biệt là ứng dụng trên xe máy, ô tô,

Từ khóa: Fuel Cell, PEMFC, hệ thống pin nhiên liệu

1 GIỚI THIỆU

Ngày nay, nhu cầu về năng lượng đang ngày

càng gia tăng trên toàn thế giới, nền kinh tế thế giới

đang bị phụ thuộc nặng nề vào nhiên liệu hóa

thạch Tuy nhiên, các nguồn nhiên liệu hóa thạch

như dầu mỏ, than đá lại đang dần dần cạn kiệt vì

các hoạt động khai thác quá mức Hơn nữa, con

người đang phải đối mặt với các vấn đề lớn hiện

nay như ô nhiễm môi trường, biến đổi khí hậu toàn

cầu do quá trình đốt cháy nhiên liệu làm sản sinh ra

các khí độc hại như cacbonic, nitơ oxit,… Chính vì

những lý do đó mà các nhà nghiên cứu tại các

trường đại học, các viện nghiên cứu trên toàn thế

giới đang nỗ lực tìm ra các nguồn năng lượng mới

thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống

Trong đó pin nhiên liệu là một trong những nguồn

năng lượng hứa hẹn sẽ được sử dụng nhiều trong

tương lai không xa

Mô hình pin nhiên liệu đầu tiên được chế tạo

vào năm 1839 bởi nhà khoa học người xứ Wales

– Sir William Robert Grove

Mô hình trên bao gồm 2 điện cực platanium

được bao trùm bởi hai ống hình trụ bằng thủy tinh,

một ống chứa hydro và ống kia chứa oxy [1] Hai

điện cực được nhúng trong dung dịch acid

sunfuric loãng – chất điện phân tạo dòng điện một

chiều Vì việc chế tạo các hệ thống pin nhiên liệu

quá phức tạp và giá thành đắt nên công nghệ này

không được áp dụng rộng rãi cho đến thập niên

1950

platanium Thời gian này, ngành du hành vũ trụ và kỹ thuật quân sự cần dùng một nguồn năng lượng nhỏ gọn và có năng suất cao Các tàu du hành

vũ trụ và tàu ngầm cần dùng năng lượng điện không thông qua động cơ đốt trong NASA đã quyết định dùng cách sản xuất điện trực tiếp bằng phương pháp hóa học thông qua pin nhiên liệu trong các chương trình du hành vũ trụ Gemini và Apollo [2] Các pin nhiên liệu sử dụng trong chương trình Gemini được NASA phát triển vào năm 1965 Với công suất khoảng 1kW các pin nhiên liệu này đã cung cấp đồng thời điện và nước uống cho các phi hành gia vũ trụ Các pin nhiên liệu của chương trình Gemini chỉ dài 60 cm

và có đường kính là 20 cm

Công việc nghiên cứu về công nghệ pin

nhiên liệu không phải bị ngưng đến thập niên 50

của thế kỷ 20 mà nó vẫn được tiếp tục phát triển

để hoàn thiện

Nhờ chế tạo được các màng PEM có hiệu

quả cao và các vật liệu có khả năng chống ăn

mòn hóa học tốt hơn và cũng nhờ vào công cuộc

tìm kiếm một nguồn năng lượng thân thiện môi

trường cho tương lai nên pin nhiên liệu được

phát triển mạnh vào đầu thập niên 1990 Thông

qua đó, việc sử dụng pin nhiên liệu dành cho các

mục đích dân sự đã trở thành hiện thực Ngày

nay, nhu cầu sử dụng pin nhiên liệu ngày càng

tăng do những ưu điểm vượt trội của nó, từ

những ứng dụng trong các thiết bị điện tử như di

động, laptop, máy nghe nhạc… cho đến những

ứng dụng lớn hơn trong lĩnh vực vận chuyển

2 PIN NHIÊN LIỆU PEMFC

2.1 Khái niệm pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu hay tế bào nhiên liệu là một

loại tế bào điện hóa học biến năng lượng hóa

học của nhiên liệu như hydro trực tiếp thành

năng lượng điện Điện được phát ra thông qua

phản ứng hóa học, được kích hoạt trong sự có

mặt của chất điện phân giữa nhiên liệu (cực

anode) và chất oxy hóa (cực cathode) Không

giống như pin với ắc quy thông thường tế bào

nhiên liệu không bị mất điện và cũng không có

khả năng tích điện Các tế bào nhiên liệu hoạt

động hầu như liên tục khi nhiên liệu (hydro) và

chất oxy hóa (oxy) được đưa từ ngoài vào

2.2 Nguyên lý hoạt động

Về phương diện hóa học, quá trình xảy ra

trong pin nhiên liệu là phản ứng ngược lại của sự

điện phân Trong quá trình điện phân, nước bị

tách ra thành khí hydro và khí oxy nhờ vào năng

lượng điện Tế bào năng lượng lấy chính hai

chất này biến đổi chúng thành nước

Trên lý thuyết thì bất cứ chất nào thực hiện được phản ứng oxy hóa khử và duy trì đều có thể

sử dụng để chế tạo pin nhiên liệu Tuy nhiên trên thực tế thì hoạt động của pin lại phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, trong đó giá cả và năng lượng tạo nên ảnh hưởng lớn nhất Vì những yếu tố trên mà hydro và methanol thường được lựa chọn sử dụng cho các loại pin hoạt động ở nhiệt độ thấp [2]

Các loại tế bào nhiên liệu đều cùng chung một nguyên tắc được mô tả dựa vào tế bào nhiên liệu PEM (Proton Exchange Membrane) – tế bào nhiên liệu màng trao đổi bằng proton như sau:

Ở bề mặt anode khí hydro bị oxy hóa:

2H2  4H  4e (1)

Các điện tử được giải phóng đi từ anode qua

di chuyển trong chất điện phân xuyên qua màng có khả năng chỉ cho proton đi qua về cathode kết hợp với khí oxy và các điện tử tạo thành nước

Tổng cộng:

Như vậy từ nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu, ta thấy rằng năng lượng tạo ra từ quá trình này là khá cao và không gây ô nhiễm môi trường, vấn đề còn lại là giá cả và khả năng ứng dụng rộng rãi của nó trong 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 nhất là điện cực nhiên liệu (anode), lớp thứ hai là chất điện phân dẫn ion và lớp thứ

ba là điện cực khí oxy (cathode) Hai điện cực được làm bằng chất dẫn điện (kim loại, than chì,…) Chất điện phân được dùng là nhiều chất

khác nhau tùy thuộc vào loại của pin nhiên liệu, có

loại ở thể rắn, có loại ở thể lỏng và có cấu trúc

màng

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

cả các chất điện phân này đều phải có tính không

thấm nước, không dẫn electron, độ dẫn ion cao,

đáp ứng các yêu cầu về độ bền điện hóa, bền hóa

học và cơ học trong môi trường phản ứng

Vai trò của chất điện phân là dẫn ion từ anode

đến cathode hay ngược lại tùy thuộc loại pin

nhiên liệu Theo thời gian thì khả năng hoạt động

của pin giảm dần do sự biến tính của chất điện

phân, kết quả là ion không còn dẫn giữa các điện

cực, thậm chí có thể dẫn đến hiện tượng đoạn

mạch, dòng điện không sinh ra và pin không hoạt

động được [3]

2.3.2 Chất xúc tác

Tương tự như chất điện phân, chất xúc tác

trong pin nhiên liệu sẽ phụ thuộc vào loại pin

Chất xúc tác phải là những chất có hoạt tính xúc

tác tốt với các phản ứng điện hóa, dẫn nhiệt tốt

Hiện nay, Platinium là kim loại có giá thành

cao nhưng có hoạt tính xúc tác cao nhất Điều này

làm cho giá thành của pin nhiên liệu cao hơn các

loại năng lượng khác, khó có khả năng thương

mại hóa Do vậy, trên thế giới các nhà khoa học

không ngừng nghiên cứu và cải tiến xúc tác

Trong các chất xúc tác đó thì hợp kim của

Platinium với các kim loại khác cho hiệu quả tốt và

làm giảm giá thành cho pin nhiên liệu Ví dụ điển

hình là các hợp kim tiêu biểu như Ru, V,

Pt-Cr, Pt-Ni,…

2.3.3 Lớp khuếch tán khí

Trong pin nhiên liệu, các lớp khuếch tán khí

thường được làm bằng các chất dẫn điện như

kim loại, cacbon, than chì,… Mặt khác nó phải có

độ xốp để dòng nguyên liệu có thể khuếch tán

đến các lớp xúc tác Như vậy, ở đây ta thấy rằng tốc độ của phản ứng trong pin cũng phụ thuộc nhiều cấu tạo của điện cực

2.3.4 Thanh góp và kênh dẫn khí trong pin nhiên liệu

Ngoài các thành phần trên, cấu tạo của lớp vỏ bên ngoài cũng đóng vai trò rất quan trọng, đó là thanh góp tiếp xúc với bên ngoài của các lớp khuếch tán khí ở hai điện cực, chúng thường có dạng đĩa lưỡng cực

Công dụng của các đĩa này là tích góp điện tích sinh ra từ phản ứng oxy hóa khử trên anode

và truyền dòng electron này qua dây dẫn đến cathode Trên các đĩa này có bố trí các rãnh nhỏ tạo thành một kênh dẫn khí phân phối đến các điện cực, đưa sản phẩm ra ngoài hay tải chất làm mát cho pin

2.4 Ưu nhược điểm của pin nhiên liệu PEMFC

2.4.1 Ưu điểm

Trong các ưu điểm của pin nhiên liệu so với các hệ thống chuyển đổi cạnh tranh khác phải kể đến độ hiệu quả cao không phụ thuộc vào độ lớn của hệ thống Chúng cung cấp năng suất năng lượng điện từ 40% đến 70%, ngoài ra có thể hơn 85% khi tận dụng cả điện và nhiệt

Ngoài ra, việc vận hành pin nhiên liệu không phát sinh tiếng ồn và sản phẩm của phản ứng chỉ

là nước và dioxit carbonate (nếu sử dụng các nhiên liệu hóa thạch) Pin nhiên liệu giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ, giảm lượng dioxit carbonate, một trong các khí gây ra hiệu ứng nhà kính, các oxit của lưu huỳnh và nitơ là các khí gây ô nhiễm môi trường đang là vấn đề lớn cho xã hội

Các pin nhiên liệu không cần động cơ quay hay các bộ phận cơ học chuyển động, do đó tăng tuổi thọ và độ tin cậy

Nhiệt độ vận hành khác nhau của pin nhiên liệu cho phép dùng cùng với turbine hay những

ứng dụng trong hơi nước

2.4.2 Nhược điểm

Giá cả của pin nhiên liệu khá cao cho việc cạnh tranh như trong các bộ phận của pin như chất xúc tác (bạch kim), màng trao đổi, điện cực Pin nhiên liệu có thể tích cồng kềnh nhất là khi người ta muốn đưa vào bên trong xe ô tô Các pin nhiên liệu cần có tuổi thọ tối thiểu

trình về trạm phát điện Đây là một ngưỡng không dễ gì vượt qua với công nghệ hiện hành

2.5 Ứng dụng của pin nhiên liệu PEMFC

Pin nhiên liệu PEMFC với nhiều ưu điểm lớn

như không tốn thời gian cho việc sạc pin mà chỉ

nạp nhiên liệu, tuổi thọ cao và khi không còn sử

dụng có thể tái chế gần như hoàn toàn, các chất

thải sau quá trình chuyển hóa điện năng chỉ là

nước Do vậy, pin nhiên liệu PEMFC được sử

dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau Cụ

thể các ứng dụng đó như sau:

điện tử di động như laptop, điện thoại, máy ảnh,

máy mp3,…

các loại xe máy, ô tô, thuyền, máy bay nhỏ, tàu ng

ầm và những phương tiện quân sự loại nhỏ

PEMFC

3 Thiết kế hệ thống pin nhiên liệu PEMFC

Một hệ thống pin nhiên liệu PEMFC đầy đủ

bao gồm các thành phần: cụm stack, hệ thống

làm ẩm, hệ thống quạt gió, máy nén khí, turbines

và hệ thống điện Hệ thống pin nhiên liệu PEMFC

sẽ đạt hiệu suất cao khi sử dụng các thiết bị đơn

giản kết hợp với hệ thống điện làm việc tin cậy,

hiệu quả

Cụm pin nhiên liệu PEM

DC/AC Khí Oxi

Bộ lọc khí Oxi Bơm khí Oxi

Bộ chuyển đổi

áp suất khí Bộ lọc

Module làm ẩm

Van kiểm tra

Công suất Sản phẩm bên ngoài

Lỗ thoát nước

Nguồn Hydro

Bộ lọc sạch khí thải

Bộ chuyển đổi áp suất Van xả khí đã làm sạch Khí Hydro làm sạch thải ra ngoài

proton

3.1 Cụm stack PEMFC

Việc xếp các tấm điện cực, tấm đệm chồng lên nhau như trong Hình 8 gọi là cụm stack Mỗi cụm stack của pin nhiên liệu PEMFC có thể tạo ra một điện thế khoảng 0,7 V Do đó, để tạo ra điện thế lớn hơn đủ để làm nguồn cho các thiết bị khác ta phải ghép nối tiếp các cụm stack lại với nhau

Tuy nhiên, việc ghép nối tiếp các cụm stack như vậy phải được tính toán cẩn thận bởi vì cụm stack càng lớn thì hệ thống pin nhiên liệu sẽ càng trở nên phức tạp Khi đó nhiệt độ, áp suất trong

hệ thống phải được giám sát chặt chẽ và đòi hỏi nhiều thiết bị xử lý hơn

Hiệu suất của cụm stack có thể được tính gần đúng theo công thức sau:

Stack 1.482cell (4)

V

3.2 Hệ thống làm ẩm

Hệ thống làm ẩm hydro giúp bảo vệ màng trao đổi proton (PEM) khỏi hút ẩm dưới tác dụng của tải Ngoài ra cả khí oxy và hydro phải được làm

ẩm tại ngõ vào của hệ thống pin

Pin nhiên liệu

Làm ẩm bằng cách phun hơi hoặc nước

Buồng mở rộng

Buồng mở

rộng

nước

Khi thiết kế hệ thống làm ẩm cần chú ý một số

điều sau:

- Tối thiểu hóa lượng nhiệt bị tổn thất trong hệ

thống

- Nước phải được phân phối trong giai đoạn khí

bốc hơi hoặc gần bằng nhiệt độ khí đầu vào

- Độ ẩm cần được điều khiển dựa trên việc thiết

kế hệ thống pin nhiên liệu

Khối lượng nước cần thiết để phun làm ẩm

được tính theo công thức:

2

air

( ) ( )

(5) ( ) ( )

H O

sat amb amb sat amb

M P T P T

m m

M P P T P P T

và không khí xung quanh

và không khí xung quanh

3.3 Hệ thống quạt gió

Quạt gió là một phương pháp kinh tế để làm

mát pin nhiên liệu và cung cấp khí cho pin Quạt

gió được điều khiển bởi một động cơ điện có công

suất phù hợp với hệ thống PEMFC

Công suất thực của quạt gió:

2

act

/s) ∆P là áp suất hút của cánh (Pa)

)

v2, v1 là tốc độ dòng khí đầu vào

và đầu ra của pin (m/s)

3.4 Máy nén khí

Máy nén khí dùng để nén khí vào hệ thống qua

đó nhằm tăng sự tập trung của oxy trên một đơn

vị thể tích Vì vậy có thể tăng hiệu suất của pin

nhiên liệu

Công suất thực của máy nén:

W c p(T2T m1) (7)

Trong đó m là lưu lượng của dòng khí

(g/s)

(K)

3.5 Turbines

Turbines sẽ tạo ra năng lượng cần thiết góp phần hỗ trợ việc nén khí vào pin nhiên liệu Vì vậy hiệu suất của turbines sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống pin nhiên liệu PEMFC

Thiết bị làm

ẩm Pin nhiên liệu Không

khí Máy nén

W

Khí hydro

đã lọc xã

ra ngoài

Turbine

W

Khí bão hòa

xã ra ngoài

Hiệu suất của turbines:

2 1

1

(8) 1

t bine

T T P T

P





Việc thiết kế cụm stack đóng vai trò quan trọng trong quá trình thiết kế hệ thống pin nhiên liệu

của pin Khi thiết kế cụm stack chúng ta cần quan tâm đến các yếu tố như vật liệu làm pin, kích thước, khối lượng và thể tích của pin sao cho đạt được công suất yêu cầu

Sau đây là một số thành phần cơ bản của cụm stack pin nhiên liệu PEMFC:

Hình 12 Tấm điện cực anode

5 KẾT LUẬN

Từ kết quả nghiên cứu thiết kế mô hình hệ thống pin nhiên liệu PEMFC có thể khẳng định việc đẩy mạnh phát triển mô hình pin ở quy mô phòng thí nghiệm là phù hợp và khả thi nhất hiện nay Xa hơn nữa là việc ứng dụng mô hình này để phục vụ trong đào tạo

Với những ưu điểm nổi trội hơn hẳn các nguồn năng lượng khác, pin nhiên liệu PEMFC sẽ là sự lựa chọn tốt nhất để thay thế cho nguồn dầu mỏ

có giá thành cao và đang có nguy cơ cạn kiệt dần Tuy nhiên, để loại pin này có thể sử dụng rộng rãi trong cuộc sống thì thách thức đối với các nhà nghiên cứu cũng không hề nhỏ Chúng ta phải

thuật để sản xuất hàng loạt với giá thành thấp, tăng hiệu suất của pin Ngoài ra bể chứa, bình chứa nhiên liệu phải an toàn khi sử dụng

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Systems Explained, Oxford Brookes University, UK 2003

Fuel Cells Fundamentals and Applications,

2007

Fuel Cells, United States of America 2007

Engleman and M G Klett, Fuel Cell

Handbook Ten Edition, 2007

and Integration of an Ammonia Electrolytic Cell with a Proton Exchange Membrane (PEM) Fuel Cell, Ohio University 2007

http://hydrogen- fuelcell.blogspot.com/2005/06/hydrogen-mc-lc.html

uelcells/fuelcells/fc_types.html

[10] http://www.entegrisfuelcells.com

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

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,

Keywords: Fuel Cell, PEMFC, Fuel Cell system