GIÁO TRÌNH NGUỒN ĐIỆN HÓA HỌC

CHƯƠNG NGUỒN ĐIỆN HÓA HỌC • Tổng quan nguồn điện hóa học • Nguồn điện sơ cấp • Nguồn điện thứ cấp • Pin nhiên liệu 4.1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN HÓA HỌC  Nguồn điện hóa học thiết bị sản sinh dòng điện nhờ vào lượng hóa học phản ứng oxi hóa – khử  Nguồn điện hóa học ứng dụng rộng rãi nguồn điện độc lập cung cấp lượng cho thiết bị điện nhiều lĩnh vực khác  Nguồn điện hóa học cung cấp lượng từ vài chục mWh (trong đồng hồ đeo tay, máy tạo nhịp tim đặt thể…) hàng trăm kWh (chạy ôto) đến hàng chục MWh (trạm phát điện pin nhiên liệu) 4.1.1 PHÂN LOẠI NGUỒN ĐIỆN HÓA HỌC Pin (Nguồn điện sơ cấp - Primary batteries) Ắc quy (Nguồn điện thứ cấp Secondary batteries) Pin nhiên liệu (Fuel cells) Nguyên lí cấu tạo chung nguồn điện hóa học 4.1.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CHO NGUỒN ĐIỆN HÓA HỌC a Hiệu điện Hiệu điện pin điện áp danh định mà pin tạo hoạt động, tính Volt (V) Hiệu điện pin luôn nhỏ sức điện động: Ucell = Ec – Ea – ∑ - iRcell ∑ - tổng phân cực battery gồm có phân cực điện hóa, phân cực nồng độ phân cực hóa học i – cường độ dòng điện Rcell – điện trở battery b Dung lượng dung lượng riêng Dung lượng điện lượng mà pin tạo điện áp danh định, thường tính đơn vị miliampe (mA.h) Dung lượng riêng điện lượng tích trữ đơn vị khối lượng (Ah/kg) đơn vị thể tích chiếm chỗ nguồn điện (Ah/dm3 Ah/m3) Dung lượng riêng vật liệu nguồn điện hóa học phổ biến chì (260 Ah/kg), kẽm (820 Ah/kg), Liti (3860 Ah/kg) c Mật độ lượng Mật độ lượng lượng riêng, tức lượng đơn vị khối lượng đơn vị thể tích d Chu kỳ sống (Cycle life) – dành cho ắc quy Nó cho ta biết số chu kì nạp phóng điện (sạc/xả) hồn chỉnh ắc quy hỗ trợ (chu cấp) trước mà dung lượng giảm xuống 80-85% dung lượng ban đầu Nói chung, chu kỳ sống ắc quy số chu kỳ sạc/xả hoàn chỉnh trước ắc quy bắt đầu giảm rõ rệt hiệu suất 4.2 NGUỒN ĐIỆN SƠ CẤP (PRIMARY BATTERIES) 4.1.1 PIN MANGAN-KẼM  Hàng năm, giới sản xuất 10 tỷ thỏi pin mangan-kẽm Theo vài số liệu 90% nguồn điện hóa học sản xuất giới hệ Zn-MnO2  Kẽm chất khử tốt (-0.76 V), tương đối bền đối ăn mòn, tương đối rẻ không độc hại Dung lượng riêng lý thuyết kẽm 830 Ah/kg  Pin mangan-kẽm sản xuất dạng: pin muối pin kiềm a Pin muối (Pin Leclanché) Sơ đồ mạch: (-)ZnZnCl2, NH4ClMnO2 (+) Anode – kẽm (≥ 99.94%), vỏ nguồn điện Chứa lượng nhỏ Pb, Ga Cd (khoảng vài 0.10 0.01%) đóng vai trò chất ức chế ăn mòn kẽm Hoạt chất cathode – EMD (electrochemical maganese dioxide) với than chì bồ hóng K2Cr2O7 Cr2(SO4)3, ngăn ngừa chảy nước chất điện giải tăng nhiệt độ Chất điện li – NH4Cl, ZnCl2 NH4Cl với ZnCl2 Những lợi ích kinh tế hydrogen • Khơng gây nhiễm • Khơng thải khí gây hiệu ứng nhà kính • Khơng phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch • Hydrogen sản xuất từ nhiều nguồn khác 26 PIN NHIÊN LIỆU HYDROGEN • Biến đổi lượng hóa học nhiên liệu, thí dụ hydrogen, trực tiếp thành lượng điện • Tế bào nhiên liệu hoạt động liên tục nhiên liệu (hydrogen) chất ôxi hóa (oxygen) đưa từ ngồi vào • Mức thải ô nhiễm gần "bằng 0", thân thiện với môi trường nhiên giá thành khơng nhỏ • Các module pin nhiên liệu thường kết nối với nhau, song song hay trực tiếp để tạo thiết bị có mức cơng suất phát điện khác lớn 27 PHOSPHORIC ACID FUEL CELLS (AFC) Phản ứng anode:         H2 – 2e = 2H+     Phản ứng cathode:   O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O           Tổng quát:                      • 2H = 2Hquả power PAFCs 85% sử + O2 hiệu 2O +     dụng đồng thời điện nhiệt, hiệu tạo điện (37-42%) • Vận hành khoảng 150 đến 200 độ C • Phát điện cố định, bus 28 Five 200 kW Phosphoric Acid Fuel Cells Installed at the Anchorage Mail Processing Center in Alaska 29 ALKALINE FUEL CELLS (AFC) • 150 đến 200 độ C • 300W đến 5kW • chất xúc tác điện cực Pt • dễ bị nhiễm độc CO2 • Cung cấp điện nước cho tàu không gian Phản ứng anode:         H2 – 2e = 2H+     Phản ứng cathode:       O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-           Tổng quát:                        2H2 + O2  = 2H2O + điện 30 PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELLS POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FUEL CELLS (PEMFC) • Chỉ cần hydrogen oxygen từ khơng khí nước để hoạt động • Hoạt động nhiệt độ tương đối thấp (80oC) • Cần xúc tác kim loại (Pt) • Ứng dụng giao thông vận tải 31 32 DIRECT METHANOL FUEL CELL (DMFC ) • Methanol trộn với nước đưa trực tiếp vào anode • Khơng gặp vấn đề lưu trữ Dễ vận chuyển • DMFC thường dùng để cung cấp lượng cho ứng dụng pin nhiên liệu di động điện thoại, máy tính xách tay • Xúc tác Pt methanol chất độc Ở anode: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e− Ở cathode: 1.5O2 + 6H+ + 6e− → 3H2O Phản ứng tổng quát: CH3OH + 1,5O2 → CO2 + 2H2O 33 Toshiba Launches Direct Methanol Fuel Cell in Japan as External Power Source for Mobile Electronic Devices 34 MOLTEN CARBONATE FUEL CELL (MCFC) • Muối carnonate Na, Li, K • Chất xúc tác điện cực nikel • Vận hành nhiệt độ khoảng 650 độ C • Chuyển hóa thành hydrogen bên cell q trình internal reforming • Nhiệt độ cao chất điện li có tính ăn mòn làm tăng tốc vỡ ăn mòn, làm giảm tuổi thọ cell • Nhà máy, trạm phát điện lớn Phản ứng anode:         CO32- + H2 = H2O + CO2 + 2e-   Phản ứng cathode:       CO2+ ½ O2 + 2e- = CO32-              Tổng quát: H2 + ½ O2 + CO2 =  H2O + CO2 + điện 35 Gills Onions in Oxnard, California, has been operating this 600kw molten carbonate fuel cell system supplied by FuelCell Energy since 2009 It runs on biogas from fermented onion juice and emits practically zero NOx, SOx, and particulate matter emissions while it quietly just gets its job done 24/7 (Photo credit: FuelCell Energy) 36 SOLID OXIDE FUEL CELL (SOFC) Nhiệt độ hoạt động: 700–1000oC Không cần xúc tác Màng ion: vật liệu ceramic (trên dioxide ziconium) Tại anode: 2H2 + 2O2- = 2H2O + 4e Tại cathode: O2 + 4e = 2O2Tổng quát: 2H2 + O2  =  2H2O + điện 37 SOFC kết hợp với tuabin khí 38 SO SÁNH CÁC DẠNG PIN NHIÊN LIỆU 39 ...4.1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN HÓA HỌC  Nguồn điện hóa học thiết bị sản sinh dòng điện nhờ vào lượng hóa học phản ứng oxi hóa – khử  Nguồn điện hóa học ứng dụng rộng rãi nguồn điện độc lập cung... PHÂN LOẠI NGUỒN ĐIỆN HÓA HỌC Pin (Nguồn điện sơ cấp - Primary batteries) Ắc quy (Nguồn điện thứ cấp Secondary batteries) Pin nhiên liệu (Fuel cells) Ngun lí cấu tạo chung nguồn điện hóa học 4.1.2... 4.1.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CHO NGUỒN ĐIỆN HÓA HỌC a Hiệu điện Hiệu điện pin điện áp danh định mà pin tạo hoạt động, tính Volt (V) Hiệu điện pin luôn nhỏ sức điện động: Ucell = Ec – Ea – ∑