Tổng quan về pin nhiên liệu

Tổng quan sử dụng pin nhiên liệu ôtô TỔNG QUAN SỬ DỤNG PIN NHIÊN LIỆU TRÊN ÔTÔ Pin nhiên liệu gì? Pin nhiên liệu cho phép chuyển trực tiếp hóa nhiên liệu thành điện Khác với phương pháp truyền thống để sản xuất nhiệt hay dạng lượng khác từ hóa phương pháp đốt cháy, hiệu suất chuyển đổi lượng pin nhiên liệu không phụ thuộc vào chu trình Các-nơ Cách dễ để hiểu pin nhiên liệu loại pin có anh em với loại ắc-quy thơng thường Cả hai loại sinh điện thơng qua phản ứng điện hóa sinh học Sự khác chổ pin nhiên liệu có khả tạo nguồn điện liên tục có nguồn nhiên liệu, ắc-quy thường cần phải nạp điện lại lượng lưu trữ dạng hóa tùy theo dung lượng ắc-quy Do pin nhiên liệu không chứa lượng bên nên khơng bị yếu điện ắc-quy thường Pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu hyđrô ôxy để tạo thành điện Hyđrô nguyên tố nhiều trái đất, tìm thấy dạng tinh khiết Phần lớn pin nhiên liệu thường sử dụng thành phần gọi chuyển đổi để tách hyđrơ khỏi nhiên liệu hóa thạch nhiều hyđrơ Các sản phẩm phụ q trình các-bon đi-ơxít chiếm chưa đến nửa mà phương pháp tạo nguồn điện truyền thống tạo lượng nhỏ ơxít-nitơ u cầu tinh khiết hyđrô yêu cầu chuyển đổi phụ thuộc vào loại pin nhiên liệu sử dụng Thơng qua quy trình điện hóa học riêng, pin nhiên liệu sinh điện, nước nóng sử dụng nhiên liệu lấy ơxy khơng khí Nước thành phần bay hyđrô nhiên liệu Lịch sử Pin nhiên liệu: Pin nhiên liệu khám phá từ năm 1839 nhà hóa học người Anh William Grove, nghiên cứu bị quên lãng phòng thí nghiệm Mãi đến năm thập kỷ 1950, số công ty Mỹ để mắt đến chúng Và chương trình vũ trụ bắt đầu, lơi khỏi Trang Tổng quan sử dụng pin nhiên liệu ôtô phòng thí nghiệm trở thành xu hướng công nghệ đại Trong khoảng từ năm 1980 đến năm đầu 1990, có nhiều tác giả quan tâm đến vấn đề này: xi nghiệp, viện nghiên cứu, trường đại học phủ Những mẫu mơ hình thử nghiệm thực hiện: ôtô, nạp điện cho ắc-quy, hệ thống cấp nhiệt điện, pin nhiên liệu kỹ thuật phát triển loài người phải đợi 10 đến 15 năm sau thành thực Nguyên lý làm việc: Nguyên lý làm việc pin nhiên liệu thật đơn giản: tế bào pin tạo thành hai điện cực (điện cực dương điện cực âm) cách chất điện phân Hyđrô ôxy nạp vào pin Ở cực dương, H phản ứng tạo thành hai proton H + hai electron e − Các proton qua chất điện phân, electron qua mạch điện Chúng kết hợp lại với ôxy điện cực âm cho nước ( H O ) (xem Tải hình 1) Sát bên cạnh điện cực Hiđrơ vào Ơxy vào có lưỡng cực dùng để góp dòng điện, đưa khí ( H O ) từ Ion dương Hoặc bên vào pin tạo dòng nước Các lưỡng cực phải có tính dẫn điện cho phép khuyếch tán đồng khí đến điện cực Đồng thời phải thoát Sản phẩm thải Sản phẩm thải Anốt Chất điện phân Catốt Hình 1: Nguyên lý làm việc pin nhiên liệu nước khỏi vùng điện cực Các chất xúc tác làm kim loại quý bạch kim Pt, phodium Rh, ruthenium Ru, paladi Pd, crôm Cr hay niken Ni Các kim loại quý phân bố dạng hạt nhỏ điện cực dương than hoạt tính Ở gần âm cực với pin làm việc nhiệt độ thấp, người ta sử dụng kim loại quý crôm, niken làm chất xúc tác hay tốt dùng điện cực than hoạt tính với vàng hay bạc Chất điện phân thay đổi tùy theo loại pin: KOH cho pin AFC, màng trao đổi ion cho pin PEMFC hay pin DMFC, axít phốtphoríc cho pin PAFC, cácbonnat nóng Trang Tổng quan sử dụng pin nhiên liệu ôtô chảy cho pin MCFC ôxít rắn cho pin SOFC Chúng cho phép ion chuyển từ cực dương sang cực âm Xác định chất điện phân phụ thuộc nhiệt độ làm việc pin Hiệu suất cụm pin nhiên liệu từ 40% đến 70%, cao nhiều so với hiệu suất động đốt từ 30% đến 40% Một tế bào pin nhiên liệu tạo điện khoảng từ 0,6V đến 0,8V Trong thực tế, nhiều tế bào ghép lại, nối thành dãy nối tiếp hay song song, tạo thành cụm (stack) để đạt điện công suất mong muốn Công suất cụm phụ thuộc vào số lượng tế bào diện tích chúng, từ vài kW vài trăm kW, làm bé lại làm loại pin có cơng suất vài Watt Pin nhiên liệu đạt hiệu suất cao tải thấp động đốt đạt hiệu suất cao tải lớn Những kết cấu vừa mô tả thực tế chưa đủ tạo hệ thống pin Một hệ thống pin đầy đủ phải có thêm máy nén, bơm, tạo biến đổi điện thành xoay chiều, trao đổi nhiệt, hệ thống kiểm tra điều khiển để đảm bảo làm việc tin cậy Ngồi ra, phải có bình chứa nhiên liệu chuẩn bị nhiên liệu Sự lựa chọn pin nhiên liệu: Hiện có nhiều loại pin nhiên liệu nghiên cứu phát triển Có thể phân loại pin nhiên liệu theo loại nhiên liệu mà sử dụng dùng trực tiếp hay thông qua chuyển đổi nhiên liệu, theo chất chất điện phân, theo nhiệt độ hoạt động, … Nhiệt độ thời gian tuổi thọ loại pin phụ thuộc vào tính chất hóa học tính chịu nhiệt vật liệu chế tạo pin Giới hạn hoạt động loại có chất điện phân lỏng 200oC áp suất hóa cao giảm khả làm việc Nhiệt độ hoạt động đóng vai trò quan trọng việc lựa chọn loại nhiên liệu sử dụng loại pin Pin nhiên liệu hoạt động nhiệt độ thấp với chất điện phân lỏng sử dụng nhiên liệu hyđrô Với loại pin hoạt động nhiệt độ cao, CO CH4 sử dụng tính hoạt động mạnh cần đến chất xúc tác Tuy nhiên, chất khí chuyển thành hyđrô để sử dụng Trang Tổng quan sử dụng pin nhiên liệu ôtô ▪ Pin PEMFC (Polymer Exchange Membran Fuel Cell): Tế bào nhiên liệu có màng trao đổi proton chất dẻo Chất lỏng loại pin nước, giảm thiểu rắc rối Việc quản lý nước màng có ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động nó; nước tạo phải đảm bảo điều kiện khơng bị hóa hết khơng màng bị hyđrát hóa Do màng chất dẻo để đảm bảo cân băng nước nhiệt độ hoạt động khơng q 120oC Nhiên liệu sử dụng Hyđrơ chứa tạp chất Do nhiệt độ hoạt động thấp nên loại cần sử dụng nhiều chất xúc tác Pt cần thiết cho phản ứng xảy cực anốt catốt Một loại đặc biệt PEMFC tế bào nhiên liệu dùng khí methanol trực tiếp (Direct Methanol-Air Fuel Cell - DMFC), việc sử dụng methanol này, kết hợp với nước, cách trực tiếp nhiên liệu lấy oxy từ khơng khí xung quanh Điều làm giảm giá thành, nhiều thuận lợi mặt cơng nghệ sử dụng nhiên liệu lỏng khơng cần thiết cần chuyển đổi tích hợp thêm vào ▪ Pin AFC (Alkaline Fuel Cell): Tế bào nhiên liệu kiềm, chất điện phân sử dụng KOH (85%) với nhiệt độ hoạt động gần 250 oC KOH (35%) với nhiệt độ hoạt động