Tế bào nhiên liệu là thiết bị điện hóa chuyển đổi từ năng lượng hóa học thành năng lượng điện và nhiệt. Tương tự như ắc quy, xảy ra phản ứng oxy hóa của nhiên liệu và phản ứng khử chất oxy hóa (thường là khí O2 từ không khí) xảy ra tại hai vị trí khác nhau gọi là điện cực. Khi đó, điện cực là nơi có electron dẫn, chất điện phân chứa các ion dẫn. Tùy thuộc vào bản chất của chất điện phân mà phân loại như tế bào nhiên liệu dùng chất điện phân kiềm, axit, polyme dẫn điện hay muối nóng chảy.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU BỘ MÔN VẬT LIỆU SILICAT BÁO CÁO TIỂU LUẬN KỸ THUẬT SẢN XUẤT GỐM SỨ TẾ BÀO NHIÊN LIỆU GỐM (Ceramic fuel cells) Tp.HCM, tháng 10/2018 Báo cáo tiểu luận Kỹ thuật sản xuất gốm sứ Tế bào nhiên liệu gốm MỤC LỤ MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH ẢNH iii DANH MÚC KÝ TỰ VIẾT TẮT iv Chương TỔNG QUAN VỀ TẾ BÀO NHIÊN LIỆU GỐM 1.1 Giới thiệu tổng quan tế bào nhiên liệu gốm 1.2 Vai trò tế bào nhiên liệu gốm hệ thống lượng .1 1.3 Hệ thống tế bào nhiên liệu gốm ứng dụng 1.4 Hiệu suất nguyên lý tế bào nhiên liệu gốm 1.5 Tổng quan lịch sử tế bào nhiên liệu gốm Chương SOFC VÀ MỘT SỐ TẾ BÀO NHIÊN LIỆU GỐM 10 2.1 Vật liệu số tính chất SOFC 10 2.1.1 Chất điện phân 10 2.1.2 Điện cực 12 2.1.2.1 Anốt 12 2.1.2.2 Catốt 17 2.2 Một số hệ tế bào nhiên liệu gốm .19 2.2.1 Tế bào nhiên liệu proton (PCFC) .19 2.2.2 Tế bào μ-SOFC 20 2.2.3 Pin nhiên liệu cacbon 21 2.3 Kết luận 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO .24 Báo cáo tiểu luận Kỹ thuật sản xuất gốm sứ Tế bào nhiên liệu gốm DANH MỤC HÌNH ẢN Hình 1.1 Cấu tạo tế bào nhiên liệu [2] Hình 1.2 Lượng than đá cần sử dụng hệ thống lượng cơng suất Hình 1.3 Hiệu suất chuyển đổi nguồn điện [1] Hình 1.4 Mơ tả hế thống SOFC quy mơ hệ gia đình[1] Hình 1.5 Mô cụm SOFC SteelCell CeresPower [6] Hình 1.6 Một hệ thống SOFC CeresPower .5 dùng cho trung tâm liệu [6] Hình 1.7 Nguyên lý tế bào nhiên liệu gốm dựa vào ion oxy pronton dẫn [1] Hình 1.8 Sự phát triển thiết kế SOFC [1] Hình 1.9 Xu hướng phát triển cho tế bào SOFC dạng phẳng Hình 1.10 Một cấu trúc vi mô đại diện SOFC hỗ trợ anode Các lớp khác chất điện phân rắn, điện cực nhiên liệu (cực dương) điện cực khơng khí (cathode) định, lớp hỗ trợ (hỗ trợ anode) Hình 2.1 Phản ứng oxy hóa hydro điện cực Ni-cermet 13 Hình 2.2 Hình ảnh hiển vi điện tử quét chất xúc tác nano Ni xương LSCT [29] 16 Hình 2.3 Quá trình giảm oxi điện cực catode .17 Hình 2.4 (a) Cấu trúc LSM; (b) Cathode bị thâm nhập với Sm [34] 18 Hình 2.5 So sánh cathode thông thường (khu vực trên) cathodes thâm nhập LSC (khu vực thấp hơn) 19 Hình 2.6 Vấn đề điện giải PCFCs, dựa barium zirconate-cerates .20 Hình 2.7 Thiết kế chuẩn bị kỹ thuật quang khắc kỹ thuật màng mỏng [41] 21 Hình 2.8 Khái niệm a hybrid SOFC-molten carbonate fuel cell 22 cho q trình oxi hóa than .22 Báo cáo tiểu luận Kỹ thuật sản xuất gốm sứ Tế bào nhiên liệu gốm DANH MÚC KÝ TỰ VIẾT TẮT SOFC: Solid oxide fuel cell PCFC: Proton-Conducting Fuel Cells Báo cáo tiểu luận Kỹ thuật sản xuất gốm sứ Tế bào nhiên liệu gốm Chương TỔNG QUAN VỀ TẾ BÀO NHIÊN LIỆU GỐM 1.1 Giới thiệu tổng quan tế bào nhiên liệu gốm Tế bào nhiên liệu thiết bị điện hóa chuyển đổi từ lượng hóa học thành lượng điện nhiệt [1] Tương tự ắc quy, xảy phản ứng oxy hóa nhiên liệu phản ứng khử chất oxy hóa (thường khí O từ khơng khí) xảy hai vị trí khác gọi điện cực Khi đó, điện cực nơi có electron dẫn, chất điện phân chứa ion dẫn Tùy thuộc vào chất chất điện phân mà phân loại tế bào nhiên liệu dùng chất điện phân kiềm, axit, polyme dẫn điện hay muối nóng chảy Hình 1.1.1.1 Cấu tạo tế bào nhiên liệu [2] Các tế bào nhiên liệu gốm hiểu tế bào nhiên liệu sử dụng gốm oxide làm chất điện phân 1.2 Vai trò tế bào nhiên liệu gốm hệ thống lượng Một tế bào nhiên liệu chuyển đổi trực tiếp từ lượng hóa học sang lượng điện mà bỏ qua việc mát lượng nhiệt, hiệu suất chuyển hóa lượng tế bào nhiên liệu cao so với hệ thống thơng thường Ngồi hiệu suất chuyển đổi cao (45÷60%), tế bào nhiên liệu có đặc điểm: tác động đến môi trường, dễ tháo lắp, vị trí lắp đặt linh hoạt, tính đa nhiên liệu [3] Trang Báo cáo tiểu luận Kỹ thuật sản xuất gốm sứ Tế bào nhiên liệu gốm Ít tác động môi trường: pin nhiên liệu không xảy cháy động đốt trong, sinh lượng khí nhà kính khí gây nhiễm mơi trường nhiều Dễ tháo lắp: tế bào nhiên liệu chế tạo kích thước modul, kích thước hệ tế bào nhiên liệu tăng lên giảm dễ dàng Vì hiệu suất tế bào nhiên liệu tương đối độc lập với kích thước hệ thống, hệ thống tế bào nhiên liệu thiết kế theo lượng tải với thời gian ngắn Vị trí lắp đặt linh hoạt: chế tạo với kích thước đa dạng, hệ thống tế bào nhiên liệu đặt vị trí khác với yêu cầu kích thước nhỏ Tế bào nhiên liệu hoạt động không gây tiếng ồn khơng có cấu tạo phần chuyển động, điều thích hợp cho việc lắp đặt điểm dân cư Hình 1.1.1.1 Lượng than đá cần sử dụng hệ thống lượng cơng suất Tính đa nhiên liệu: loại tế bào nhiên liệu tương thích với nhiều loại nhiên liệu Một đặc điểm tế bào nhiên liệu gốm chất điện phân gốm Việc sử dụng chất điện phân rắn tế bào nhiên liệu gốm cải thiện tính chống ăn Trang Báo cáo tiểu luận Kỹ thuật sản xuất gốm sứ Tế bào nhiên liệu gốm mòn hoạt động nhiệt độ cao Sự dẫn điện chất điện phân gốm yêu cầu hoạt động nhiệt độ cao (600÷1000oC) Các công nghệ chuyển đổi lượng so sánh vùng sử dụng lượng khác hình 2.1 Tế bào nhiên liệu gốm phổ biến hệ SOFC bật với hiệu suất chuyển đổi cao vùng sử dụng lượng rộng so với công nghệ chuyển đổi khác, đặc biệt vùng sử dụng lượng nhỏ, tế bào nhiên liệu thể vượt trội với động đốt Hình 1.1.1.1 Hiệu suất chuyển đổi nguồn điện [1] 1.3 Hệ thống tế bào nhiên liệu gốm ứng dụng Từ năm 1960, SOFC thu hút quan tâm mạnh mẽ từ thay cho nhà máy điện cố định, công suất từ KW đến GW, cho tuổi thọ tối thiểu buộc đến 80 000 Ngoài ra, trạm phát cung cấp nhiệt điện công suất nhỏ từ 1÷250KW Trang Báo cáo tiểu luận Kỹ thuật sản xuất gốm sứ Tế bào nhiên liệu gốm Hình 1.1.1.1 Mô tả hế thống SOFC quy mô hệ gia đình[1] Một tiềm ứng dụng khác hệ cung cấp nhiệt điện siêu nhỏ, dựa nhiên liệu khí tự nhiên có cơng suất vài KW quy mơ hộ gia đình Dựa vào khả chuyển đổi nhiên liệu hydrocacbon thành lượng điện diesel, hệ thống SOFC gây ý ứng dụng thiết bị di động xe ô tô xe tải hay thiết bị vận tải lớn tàu Năm 2017, Missubishi Hitachi vận hành thử hệ thống điện từ SOFC hai nhà máy Toyota Nhật Bản [4] Tháng 08/2018, Bosch ký kết bảng hợp tác chiến lược với Ceres Power trị giá triệu bảng Anh mảng phát triển SOFC mang tên SteelCell ứng dụng xe điện [5] Hình 1.1.1.1 Mô cụm SOFC SteelCell CeresPower [6] Trang Báo cáo tiểu luận Kỹ thuật sản xuất gốm sứ Tế bào nhiên liệu gốm Hình 1.1.1.1 Một hệ thống SOFC CeresPower dùng cho trung tâm liệu [6] Thiết kế hệ thống SOFC phụ thuộc vào nhiên liệu, lĩnh vực ứng dụng mức công suất Trong thực tế, hệ thống SOFC bao gồm thiết bị phụ trợ cụm tế bào nguyên liệu xếp chồng Nguồn nhiên liệu khí hydrocacbon phải chuyển thành hỗn hợp khí H2 CO trước đưa vào cụm tế bào nhiên liệu, nguồn nhiên liệu khí có chứa lưu huỳnh cần khử lưu huỳnh trước chuyển đổi Khí nóng từ cụm tế bào nhiên liệu tận dụng hồi lưu vào buồng đốt nóng khơng khí đầu vào 1.4 Hiệu suất nguyên lý tế bào nhiên liệu gốm Hiệu suất điện của pin nhiên liệu phụ thuộc vào loại nhiên liệu, cách thiết kế vật liệu cấu trúc vi mô tế bào Ưu điểm thường đề cập tế bào nhiên liệu gốm hiệu suất cao thường đươc ý phần Tương tự hiệu suất Carnot động đốt trong, đạt tế bào hoạt động Hiệu suất toàn phần tế bào nhiên liệu phụ thuộc vào thông số khác [1]: FC H th V U F Trong đó: Trang Báo cáo tiểu luận Kỹ thuật sản xuất gốm sứ Tế bào nhiên liệu gốm nhiên, không phù hợp việc mở rộng nhiệt (CTE) xu hướng Ni để kết tụ dẫn đến phát triển gọi điện cực Ni-cermet Ni-cermet vật liệu tổng hợp làm từ NiO YSZ (hoặc ScYSZ) giảm, tạo Ni YSZ (hoặc ScYSZ), tất ba giai đoạn Ni thấm ướt vào lỗ xốp gốm phép dẫn điện tử vận chuyển khí Tùy thuộc vào hạt, độ thấm đạt tới 30-35 % nồng độ Ni, dẫn đến CTE phù hợp hoàn toàn Tại Ni khoảng 40% gốm kim loại dây dẫn điện tử [16] hiển thị CTE gần với YSZ Nguyên tắc hoạt động điện cực Ni-cermet thể hình 9.9 Các q trình phản ứng oxy hóa hydro điện cực gốm Ni-YSZ nghiên cứu cho điện cực kỹ thuật hệ thống mơ hình Mặc dù chế phản ứng chi tiết không hiểu cặn kẽ, kết cho thấy phản ứng thực bị hạn chế độ dài ranh giới ba pha (TPB) [2,3] Hình 2.1.2.1 Phản ứng oxy hóa hydro điện cực Ni-cermet Thực tế phản ứng điện hóa diễn ranh giới ba pha có ảnh hưởng định thiết kế điện cực Các hạt Ni điện phân nhỏ có nhiều điểm TPB mong đợi Ngồi ra, phản ứng mở rộng từ bề mặt đến chất điện phân rắn thành thể tích anơt Mơ hình hóa thử nghiệm đóng góp khối lượng điện cực bên theo cấp số nhân - bù trừ với độ bền từ điện cực, 10–20mm coi điện cực hoạt động Trang 13 Báo cáo tiểu luận Kỹ thuật sản xuất gốm sứ Tế bào nhiên liệu gốm [1] Ni-YSZ cermet, vật liệu anode đại, phát triển thành hiệu suất cao cho q trình oxy hóa hydro Hoạt động điện hóa điện cực Ni-YSZ (được biểu diễn điện trở phân cực Rp) đạt tới giá trị Rp= 0.15Ω cm -2 850℃và RF