PIN NHIÊN LIỆU TRÊN Ô TÔ

FUEL CELL Các tế bào nhiên liệu (tiếng Anh: fuel cell) biến đổi lượng hóa học nhiên liệu thí dụ hiđrơ trực tiếp thành lượng điện Không giống pin ắc quy, tế bào nhiên liệu khơng bị điện khơng có khả tích điện Tế bào nhiên liệu hoạt động liên tục nhiên liệu (hiđrơ) chất ơxi hóa (ơxy) đưa từ ngồi vào Hình 1: Xe Toyota Fine N sử dụng pin nhiên liệu Cấu tạo Một tế bào nhiên liệu có cấu tạo đơn giản bao gồm ba lớp nằm Lớp thứ điện cực nhiên liệu (cực dương), lớp thứ hai chất điện phân dẫn ion lớp thứ ba điện cực khí ơxy (cực âm) Hai điện cực làm chất dẫn điện (kim loại, than chì, ) Chất điện phân dùng nhiều chất khác tùy thuộc vào loại tế bào nhiên liệu, có loại thể rắn, có loại thể lỏng có cấu trúc màng Vì tế bào riêng lẻ tạo điện thấp tùy theo điện cần dùng nhiều tế bào riêng lẻ nối vào nhau, tức chồng lên Người ta thường gọi lớp chồng lên stack Ngoài ra, hệ thống đầy đủ cần có thiết bị phụ trợ máy nén, máy bơm, để cung cấp khí đầu vào, máy trao đổi nhiệt, hệ thống kiểm tra yêu cầu, chắn vận hành máy, hệ thống dự trữ điều chế nhiên liệu Nguyên lý hoạt động Về phương diện hóa học tế bào nhiên liệu phản ứng ngược lại điện phân Trong trình điện phân nước bị tách thành khí hiđrơ khí ơxy nhờ vào lượng điện Tế bào lượng lấy hai chất biến đổi chúng thành nước Qua đó, lý thuyết, phần lượng điện đưa vào giải phóng thật thất qua q trình hóa học vật lý lượng thu 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 cực dương khí hiđrơ bị ơxy hóa hóa điện: Phân loại Các hệ thống tế bào nhiên liệu phân loại theo nhiều cách khác tùy theo cách Phân loại Phân theo theo loại Phân nhìn: nhiệt chất loại độ hoạt tham gia theo động phản điện ứng cực Phân theo loại chất điện phân cách phân loại thông dụng ngày Liệt AFC kê (Alkaline fuel loại cell tế bào tế - nhiên bào liệu nhiên khác nhau: liệu kiềm) PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - trao đổi hạt nhân qua mạng lọc) PAFC (Phosphoric acid fuel cell - tế bào nhiên liệu axit phosphoric) MCFC (Molten carbonate fuel cell - tế bào nhiên liệu carbonat nóng chảy) SOFC (Solid oxide fuel cell - tế bào nhiên liệu oxit rắn) DMFC (Direct methanol fuel cell - tế bào nhiên liệu methanol trực tiếp) Trong loại PEMFC có nhiều triển vọng dùng loại xe cộ SOFC APU có khả ứng dụng ô tô PEMFC, MCFD SOFC có tương lai ứng dụng trạm phát điện PAFC công nghệ nghiên cứu nhiên nhiều vấn đề kĩ thuật DMFC tạo bước đột phá lĩnh vực thiết bị di dộng AFC được ứng dụng ngành hàng không vũ trụ Nhiệt độ vận hành loại tế bào nhiên liệu khác (nằm khoảng từ 60 tới 1000 độ C) Sự khác nằm cấu trúc điện cực, tinh khiết hydro anode (DMFC dùng methanol) Ứng dụng Xe Toyota Fine N sử dụng pin nhiên liệu.Tế bào nhiên liệu sử dụng lĩnh vực mà phí tổn khơng đóng vai trò quan trọng Tế bào nhiên liệu nhẹ hiệu ắc quy đồng thời đáng tin cậy ồn động Diesel Những điều giải thích giới quân ngành du hành vũ trụ quan tâm đến công nghệ sớm Một số tàu thuyền biển dùng tế bào nhiên liệu Động thúc đẩy cho ứng dụng dân xuất phát từ nhận thức trữ lượng dầu mỏ Trái Đất có hạn mong muốn tiếp tục kinh doanh xe thời kỳ sau dầu mỏ vốn mang nhiều lợi nhuận Từ 20 năm nhiều hãng sản xuất xe (DaimlerChrysler, Ford, Honda, Opel) nghiên cứu xe có nhiên liệu hiđrô, sử dụng tế bào nhiên liệu để chuyển hóa lượng dùng động điện để vận hành Kỷ thuật phát triển cho xe buýt, xe du lịch, xe tải nhẹ.Ở Hamburg (Đức) Stuttgart (Đức) người ta thử nghiệm chạy xe buýt sử dụng nhiên liệu hydro tuyến đường xe bt bình thường Từ năm 2003 hai hãng đóng tàu Đức cung cấp loại tàu ngầm vận hành điện cung cấp từ máy phát điện Diesel từ hệ thống tế bào nhiên liệu hiđrô Các tế bào nhiên liệu sử dụng khí đốt chuẩn bị đẩy lùi thiết bị kết hợp phát điện sưởi (combined heat and power plant) Ở hệ thống khí đốt biến đổi thành hiđrơ đưa vào tế bào nhiên liệu Một số vật dụng cầm tay điện thoại di động, máy vi tính xách tay, máy quay phim, vật liệu cắm trại hay quân tiến tới ứng dụng loại nguồn cung Ưu cấp điểm lượng nhược điểm Ưu điểm Trong ưu điểm tế bào 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 tăng từ 40% đến 70% điện, ngồi 85% tận dụng điện nhiệt Ngoài việc vận hành tế bào nhiên liệu không phát sinh tiếng ồn sản phẩm phản ứng nước dioxit cácbon (nếu sử dụng nhiên liệu hóa thạch) Tế bào nhiên liệu giảm phụ thuộc vào dầu mỏ, giảm lượng dioxit cácbon, khí gây hiệu ứng nhà kính, oxit lưu huỳnh nitơ khí gây nhiễm mơi trường vấn đề lớn cho xã hội Các tế bào nhiên liệu không cần động quay hay phận học chuyển động, tăng tuổi thọ độ tin cậy Nhiệt dộ vận hành khác tế bào nhiên liệu cho phép dùng với turbine hay áp dụng nước nóng Nhược điểm Giá pin nhiên liệu cao cho việc cạnh tranh phận pin chất xúc tác (bạch kim), màng trao đổi, điện cực cực Pin nhiên liệu tích cồng kềnh, người ta muốn nhập vào bên xe cộ Các pin nhiên liệu cần có tuổi thọ tối thiểu 40.000h ứng dụng cơng trình trạm phát điện Đây ngưỡng không dễ vượt qua Chất với đốt cơng hydro Vấn khó nghệ bảo đề quản vận môi hành chuyển trường Để thật thân thiện với môi trường khí hậu, mặt tế bào nhiên liệu phép thải khí nhà kính chất có hại khác tốt, mặt khác q trình khai thác chất đốt khơng phép thải chất khí Vấn đề chổ khí hiđrơ khơng có tự nhiên mà phải dùng lượng để sản xuất Nước hợp chất hydrocacbon khí tự nhiên, dầu mỏ mêthanol xem nguồn để sản xuất khí hiđrơ Việc tách nước qua điện phân nguyên tắc phù hợp với môi trường sinh thái lượng cần dùng sản xuất từ nguồn lượng tái sinh nước, Mặt Trời gió khơng phải từ phương pháp sản xuất điện thông thường Trong nhiều loại tế bào lượng ngày thật khơng phải khí hiđrơ tinh khiết dùng làm khí đốt mà lại chất đốt hóa thạch khí tự nhiên, xăng hay methanol Các loại tế bào nhiên liệu sử dụng nhiều công nghiệp ô tô để tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển đổi từ động thông thường sang loại động thay khác Trong kiểu động hỗn hợp khí tự nhiên chuyển hóa nhiệt lượng thành oxit cacbon hiđrô Hiđrô dùng tế bào nhiên liệu làm chất đốt tiêu thụ hồn tồn khí oxit cacbon lại, phản ứng với nước tạo thành đioxit cacbon, khí nhà kính tác hại đến khí hậu Theo nghiên cứu Hội mơi trường bảo vệ tự nhiên Đức (Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland – BUND) ô tô dùng tế bào nhiên liệu thải khí chổ so với động thông dụng việc sản xuất hiđrơ từ nguồn lượng hóa thạch lại tạo khí thải nên tổng cộng lại, lượng khí tạo hiệu ứng nhà kính thải tăng lên nhiều Việc thải khí di chuyển từ ô tô nơi sản xuất hiđrơ Thay hiđrơ, sử dụng nguồn lượng hóa thạch khác methanol tác động đến khí hậu động Otto Nhưng hợp chất lưu huỳnh chất độc hại đến sức khỏe thải từ ô tơ tế bào nhiên liệu giảm nhiều Tóm lại nghiên cứu cho xe tế bào nhiên liệu thật lựa chọn cho tương lai hiđrô sản xuất tái sinh khối lượng lớn đủ dùng tích trử Mặc dù vậy, theo quan điểm chuyên gia, xe tế bào nhiên liệu vận hành chất đốt hóa thạch có ý nghĩa: Chúng giúp công nghệ phổ biến, phát triển chấp nhận tốt lâu dài dọn đường cho xe thật không phát sinh khí thải Khí tự nhiên xem chất đốt thích hợp cho thiết bị sử dụng tế bào nhiên liệu nhà máy phát điện cho thiết bị nhỏ dùng cho nhà Kết nghiên cứu so sánh BUND cho thấy khí hiđrơ sản xuất tái sinh phương cách phù hợp với sinh thái nhất, thiết bị tế bào nhiên liệu vận hành khí tự nhiên thải lượng oxit nitơ gấp ba lần thải hợp chất lưu huỳnh nhiều Nếu sử dụng nhà máy phát điện chuyên gia dự tính việc phát thải khí nhà kính giảm đến khoảng 4% năm 2010 Thêm nữa, việc sản xuất điện nhiệt để sưởi ấm phân tản tiếp tục, thiết bị nhỏ dùng cho nhà thực dễ dàng có hiệu nhiều so với công nghệ thông thường nhiều Tổng kết lại chuyên gia khẳng định phần công nghệ tế bào nhiên liệu thân thiện với môi trường phương pháp sản xuất điện thông dụng nhiều Xem video tại: http://www.digitalsplashstudios.com/fuel-cell.html Trong phần giới thiệu sơ Fuel Cell (lý thuyet, nguyen tac, số dạng Fuel cell nghiên cứu triển khai vào ứng dung Hiện có nhiều nhiều đề tài nghiên cứu hướng này, có Handbook, sách Fuel Cell Yugi đưa lên tóm tắt Fuel Cell (bằng tiếng Anh, có nhiều từ chuyên ngành dễ hiễu) cho bạn tham khảo Enjoy it Phân loại Các hệ thống tế bào nhiên liệu phân loại theo nhiều cách khác tùy theo cách Phân loại Phân theo theo loại Phân nhìn: nhiệt chất loại độ tham theo hoạt gia động phản điện ứng cực Phân theo loại chất điện phân cách phân loại thông dụng ngày Liệt AFC kê (Alkaline fuel loại cell tế bào tế - nhiên bào liệu nhiên khác nhau: liệu kiềm) PEMFC (Polymer electrolyte membrane fuel cell - tế bào nhiên liệu màng điện phân polymer) PAFC (Phosphoric acid fuel cell - tế bào nhiên liệu axit phosphoric) MCFC (Molten carbonate fuel cell - tế bào nhiên liệu carbonat nóng chảy) SOFC (Solid oxide fuel cell - tế bào nhiên liệu oxit rắn) DMFC (Direct methanol fuel cell - tế bào nhiên liệu methanol trực tiếp) Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) are believed to be the best type of fuel cell as the vehicular power source to eventually replace the gasoline and diesel internal combustion engines Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) coi có loại tốt tế bào nhiên liệu nguồn lượng vehicular để thay cho xăng diesel động đốt First used in the 1960s for the NASA Gemini program, PEMFCs are currently being developed and demonstrated for systems ranging from 1W to 2kW Lần sử dụng năm 1960 cho chương trình NASA Gemini, PEMFCs phát triển chứng minh cho hệ thống khác nhau, từ 1W đến 2KW PEM fuel cells use a solid polymer membrane (a thin plastic film) as the electrolyte PEM tế bào nhiên liệu sử dụng màng polymer rắn (một phim nhựa mỏng) điện This polymer is permeable to protons when it is saturated with water, but it does not conduct electrons Đây polymer proton permeable đến bão hòa với nước, khơng thực điện tử The fuel for the PEMFC is hydrogen and the charge carrier is the hydrogen ion (proton) Các nhiên liệu cho PEMFC hydro tàu sân bay phí ion hydro (proton) At the anode, the hydrogen molecule is split into hydrogen ions (protons) and electrons Tại anode, phân tử hydro chia thành ion hydro (proton) electron The hydrogen ions permeate across the electrolyte to the cathode while the electrons flow through an external circuit and produce electric power Oxygen, usually in the form of air, is supplied to the cathode and combines with the electrons and the hydrogen ions to produce water Các ion hydro thấm qua điện để cathode lưu thông qua mạch điện tử bên sản xuất điện lực oxy, Thường dạng khí, cung cấp cho cathode kết hợp với điện tử ion hyđrô để sản xuất nước The reactions at the electrodes are as follows: Các phản ứng điện cực sau: Anode Reactions: Reactions: Cathode Reactions: Anode 2H => 4H+ + 4e- 2H => 4H + + 4e - Cathode O + 4H+ + 4e- => H O O + 4H + Reactions: + 4e-=> H O Overall Cell Reactions: Tổng thể 2H + O => H O 2H + O => H di phản ứng: 2O Compared to other types of fuel cells, PEMFCs generate more power for a given volume or weight of fuel cell So với loại tế bào nhiên liệu, PEMFCs tạo sức mạnh nhiều cho khối lượng định hay trọng lượng tế bào nhiên liệu This high-power density characteristic makes them compact and lightweight Điều đặc trưng quyền lực cao độ làm cho chúng nhỏ gọn nhẹ In addition, the operating temperature is less than 100ºC, which allows rapid start-up Ngoài ra, nhiệt độ hoạt động 100 º C, cho phép bắt đầu lên nhanh chóng These traits and the ability to rapidly change power output are some of the characteristics that make the PEMFC the top candidate for automotive power applications Những đặc điểm khả thay đổi nhanh chóng lượng đầu số đặc điểm làm cho PEMFC ứng cử viên hàng đầu cho ứng dụng điện ô tô Other advantages result from the electrolyte being a solid material, compared to a liquid Kết lợi khác từ điện vật liệu rắn, so với chất lỏng The sealing of the anode and cathode gases is simpler with a solid electrolyte, and therefore, less expensive to manufacture The solid electrolyte is also more immune to difficulties with orientation and has less problems with corrosion, compared to many of the other electrolytes, thus leading to a longer cell and stack life Việc niêm phong anơt khí cực âm đơn giản với điện rắn, đó, tốn để sản xuất Các điện rắn miễn dịch với khó khăn với định hướng có vấn đề với ăn mòn, so với nhiều điện giải khác, dẫn đến tế bào lâu ngăn xếp sống One of the disadvantages of the PEMFC for some applications is that the operating temperature is low Một nhược điểm PEMFC cho số ứng dụng hoạt động nhiệt độ thấp Temperatures near 100ºC are not high enough to perform useful cogeneration Nhiệt độ gần 100 º C khơng đủ cao để thực cogeneration có ích Also, since the electrolyte is required to be saturated with water to operate optimally, careful control of the moisture of the anode and cathode streams is important Ngoài ra, kể từ điện yêu cầu để bão hòa với nước để hoạt động tối ưu, kiểm sốt cẩn thận độ ẩm dòng anode cathode quan trọng Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) are believed to be the best type of fuel cell as the vehicular power source to eventually replace the gasoline and diesel internal combustion engines Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) coi có loại tốt tế bào nhiên liệu nguồn lượng vehicular để thay cho xăng diesel động đốt First used in the 1960s for the NASA Gemini program, PEMFCs are currently being developed and demonstrated for systems ranging from 1W to 2kW Lần sử dụng năm 1960 cho chương trình NASA Gemini, PEMFCs phát triển chứng minh cho hệ thống khác nhau, từ 1W đến 2KW PEM fuel cells use a solid polymer membrane (a thin plastic film) as the electrolyte PEM tế bào nhiên liệu sử dụng màng polymer rắn (một phim nhựa mỏng) điện This polymer is permeable to protons when it is saturated with water, but it does not conduct electrons Đây polymer proton permeable đến bão hòa với nước, khơng thực điện tử The fuel for the PEMFC is hydrogen and the charge carrier is the hydrogen ion (proton) Các nhiên liệu cho PEMFC hydro tàu sân bay phí ion hydro (proton) At the anode, the hydrogen molecule is split into hydrogen ions (protons) and electrons Tại anode, phân tử hydro chia thành ion hydro (proton) electron The hydrogen ions permeate across the electrolyte to the cathode while the electrons flow through an external circuit and produce electric power Oxygen, usually in the form of air, is supplied to the cathode and combines with the electrons and the hydrogen ions to produce water Các ion hydro thấm qua điện để cathode lưu thông qua mạch điện tử bên sản xuất điện lực oxy, Thường dạng khí, cung cấp cho cathode kết hợp với điện tử ion hyđrô để sản xuất nước The reactions at the electrodes are as follows: Các phản ứng điện cực sau: Anode Reactions: Reactions: Cathode Reactions: Reactions: Anode 2H => 4H+ + 4e- 2H => 4H + + 4e - Cathode O + 4H+ + 4e- => H O O + 4H + + 4e-=> H O Overall Cell Reactions: Tổng thể 2H + O => H O 2H + O => H di phản ứng: 2O Compared to other types of fuel cells, PEMFCs generate more power for a given volume or weight of fuel cell So với loại tế bào nhiên liệu, PEMFCs tạo sức mạnh nhiều cho khối lượng định hay trọng lượng tế bào nhiên liệu This high-power density characteristic makes them compact and lightweight Điều đặc trưng quyền lực cao độ làm cho chúng nhỏ gọn nhẹ In addition, the operating temperature is less than 100ºC, which allows rapid start-up Ngoài ra, nhiệt độ hoạt động 100 º C, cho phép bắt đầu lên nhanh chóng These traits and the ability to rapidly change power output are some of the characteristics that make the PEMFC the top candidate for automotive power applications Những đặc điểm khả thay đổi nhanh chóng lượng đầu số đặc điểm làm cho PEMFC ứng cử viên hàng đầu cho ứng dụng điện ô tô Other advantages result from the electrolyte being a solid material, compared to a liquid Kết lợi khác từ điện vật liệu rắn, so với chất lỏng The sealing of the anode and cathode gases is simpler with a solid electrolyte, and therefore, less expensive to manufacture The solid electrolyte is also more immune to difficulties with orientation and has less problems with corrosion, compared to many of the other electrolytes, thus leading to a longer cell and stack life Việc niêm phong anôt khí cực âm đơn giản với điện rắn, đó, tốn để sản xuất Các điện rắn miễn dịch với khó khăn với định hướng có vấn đề với ăn mòn, so với nhiều điện giải khác, dẫn đến tế bào lâu ngăn xếp sống One of the disadvantages of the PEMFC for some applications is that the operating temperature is low Một nhược điểm PEMFC cho số ứng dụng hoạt động nhiệt độ thấp Temperatures near 100ºC are not high enough to perform useful cogeneration Nhiệt độ gần 100 º C không đủ cao để thực cogeneration có ích Also, since the electrolyte is required to be saturated with water to operate optimally, careful control of the moisture of the anode and cathode streams is important Ngoài ra, kể từ điện yêu cầu để bão hòa với nước để hoạt động tối ưu, kiểm sốt cẩn thận độ ẩm dòng anode cathode quan trọng ... Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) are believed to be the best type of fuel cell as the vehicular... Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) are believed to be the best type of fuel cell as the vehicular... nhiều Xem video tại: http://www.digitalsplashstudios.com /fuel- cell.html Trong phần giới thiệu sơ Fuel Cell (lý thuyet, nguyen tac, số dạng Fuel cell nghiên cứu triển khai vào ứng dung Hiện có nhiều