Mô hình hóa và thiết kế cụm stack của pin nhiên liệu PEM

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ PHÚ CƯỜNG MƠ HÌNH HĨA VÀ THIẾT KẾ CỤM STACK CỦA PIN NHIÊN LIỆU PEM Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH – 12/2010 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH -X W - Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ-TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM, ngày tháng năm 2010 i LỜI CẢM ƠN W X Xin kính lời cảm ơn PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ tận tình hướng dẫn giúp đỡ điều kiện thuận lợi suốt trình thực hồn chỉnh luận văn Xin cảm ơn: - Q thầy Khoa Cơ Khí-Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh cung cấp, truyền thụ kiến thức kinh nghiệm suốt thời gian học tập thực luận văn - Q thầy phịng Quản Lý Khoa Học Sau Đại Học- Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh quan tâm, giúp đỡ trình học tập thực luận văn - Xin cảm ơn bạn lớp cao học CNCTM 2007 giúp đỡ suốt trình học tập thực luận văn Đặc biệt xin gửi lời cảm ơn chia sẻ niềm vui đến gia đình người thân động viên, hỗ trợ khích lệ tinh thần cho tơi suốt q trình học tập thực luận văn TP HỒ CHÍ MINH, ngày tháng 12 năm 2010 TÓM TẮT LUẬN VĂN Khái niệm pin nhiên liệu đời lâu việc nghiên cứu vào sản xuất Việt Nam hạn chế Trong nguồn nhiên liệu giới ngày cạn kiệt giải pháp pin nhiên liệu mang đến cho người nguồn lượng mới, đặc biệt pin nhiên liệu sử dụng hydrogen làm nhiên liệu mang đến triển vọng cung cấp cho giới nguồn điện bền vững Xuất phát từ yêu cầu cần nguồn lượng bền vững luận văn đề xuất mơ hình hóa thiết kế cụm stack pin nhiên liệu PEM (thành phần quan trọng pin nhiên liệu), từ làm sở để sản xuất pin nhiên liệu việt nam Luận văn đề xuất vấn đề liên quan đến đề tài nghiên cứu sâu rộng sau MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PIN NHIÊN LIỆU 1.1 Nhu cầu nguồn lượng 1.2 Khái niệm đặc điểm 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Đặc điểm 1.3 Phân loại 11 1.4 Nguyên tắc hoạt động pin nhiên liệu PEM 13 1.5 Tình hình nghiên cứu pin nhiên liệu Việt Nam 15 1.6 Tình hình nghiên cứu pin nhiên liệu giới 16 1.7 Mục tiêu phương pháp nghiên cứu 18 CHƯƠNG 2: CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA PIN NHIÊN LIỆU 2.1 Khí hydro 20 2.2 Sản xuất hydro 22 2.2.1 Sản xuất hydro công nghiệp 22 2.2.2 Điều chế hydro phân hủy Metal 26 2.2.3 Sản xuất hydro từ than đá 26 2.2.4 Sản xuất hydro từ sinh khối rắn 29 2.2.5 Sản xuất hydro từ điện phân nước 30 2.2.6 Sản xuất hydro từ xăng Diesel 31 2.3 Tính an tồn hydro chứa bình 32 2.4 Vận chuyển Hydro 33 2.5 Điện cực 34 2.6 Màng điện cực 35 CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH HĨA PIN NHIÊN LIỆU PEM 3.1 Phân đọan chung tế bào chung 37 3.2 Mơ hình rãnh Anode Cathode 39 3.3 Mơ hình lớp khuyếch tán khí Anode Cathode 41 3.3.1 Điều kiện bão hòa 43 3.3.2 Điều kiện bão hịa 45 3.4 Mơ hình màng hydrát hóa 50 3.5 Mơ hình điện áp phân đoạn 52 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CỤM STACK CỦA PIN NHIÊN LIỆU PEM 4.1 Rãnh lưu lượng 55 4.2 Điện cực 55 4.3 Màng điện cực 56 4.4 Lớp khí khuyếch tán 57 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 5.1 Các kết đạt 59 5.2 Đánh giá kết đạt 59 5.3 Đề xuất 59 CBHD: PGS TS Thái Thị Thu Hà CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU 1.1 NHU CẦU VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI: Ngày nay, xã hội hầu hết nguồn lượng cung cấp từ nhiên liệu hóa thạch Xã hội phát triển nguồn nhiên liệu tiêu thụ nhiều kéo theo khí thải cacbon dioxide (CO2) tăng Trong xã hội phát triển tơ đóng vai trị phát triển cơng nghiệp kinh tế thõa mãn nhu cầu sống Vì tơ nguồn gây nhiễm lớn đến môi trường, lượng ô tô khoảng 740 triệu ngày tăng nhanh Theo dự đoán, với đà tiêu thụ nguồn lượng bị cạn kiệt vào nửa sau kỷ 21 Vì vậy, cần cải tiến hiệu suất động tìm nguồn lượng để thay chúng Hình: 1.1 Dự báo xu hướng nhu sử dụng nguồn nhiên liệu giới KS: Lê Phú Cường CBHD: PGS TS Thái Thị Thu Hà Ơ tơ sử dụng nguồn lượng hóa thạch ngồi chất độc hại NOX, CO, HC PM cịn có lượng khí thải lớn CO2 khơng thể khơng chế (vì sản phẩm tất yếu q trình oxi hóa chất hữu cơ) Mà CO2 chất gây hiệu ứng nhà kính nguyên nhân làm tăng dần nhiệt độ trái đất Theo tính tốn lượng CO2 xe giới thải chím khoảng 18% Hình: 1.2 Lượng CO2 thải trình đốt cháy nhiên liệu tăng lên Theo tốc độ phát triển ô tô với khan nguồn lượng hố thạch sử dụng, vấn đề cấp bách khơng đặt tình trạng nhiễm mơi trường ô tô gây Để khắc phục điều hàng loạt giải pháp thực như: ứng dụng kỹ thuật đốt nghèo động cơ, tìm nguồn lượng mới, nguồn lượng cho ô tô thay nguồn lượng hóa thạch Trong đó, nguồn lượng điện mà đặc biệt phát triển hệ thống pin nhiên liệu sử dụng nguyên liệu H2 phát triển mạnh KS: Lê Phú Cường CBHD: PGS TS Thái Thị Thu Hà Hình 1.3 Xu hướng phát triển động ôtô Hydro nguồn lượng lý tưởng có nhiệt riêng cao đồng thời không gây ô nhiễm môi trường Mặt khác hydro điều chế từ nhiều nguồn nguyên kiệu khác nên không phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch Từ đó, ý tưởng pin nhiên liệu sử dụng hydro đời Hình: 1.4 Các nguồn nguyên liệu điều chế hydro KS: Lê Phú Cường CBHD: PGS TS Thái Thị Thu Hà Người ta dự đoán pin nhiên liệu tạo nên cách mạng lượng giới tương lai Pin nhiên liệu sử dụng hydrogen làm nhiên liệu, mang đến triển vọng cung cấp cho giới nguồn điện bền vững 1.2 KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC ĐIỂM: 1.2.1 Khái niệm: Pin nhiên liệu thiết bị tạo điện thông qua chế phản ứng điện hóa Trong pin nhiên liệu tạo dịng điện liên tục có nguồn nhiên liệu cung cấp cho nó, đó, ắc quy cần phải nạp điện lại (sạc) sau thời gian sử dụng Vì mà pin nhiên liệu không chứa lượng bên trong, chuyển hóa trực tiếp nhiên liệu thành điện năng, ắc quy cần phải nạp điện lại từ nguồn bên 1.2.2 Đặc điểm pin nhiên liệu: Pin nhiên liệu cung có đặc điểm thuận lợi hiệu suất, độ tin cậy, tính kinh tế, tính mơi trường, đặc điểm hoạt động khác thường, kế hoạch linh động, tiềm phát triển tương lai Pin nhiên liệu có đặc điểm hoạt động có ích mà khơng kỹ thuật sánh Các đặc điểm tiết kiệm chi phí yêu cầu hoạt động Động lực hoạt động có lợi cho khả tải, cơng suất, đáp ứng nhanh chóng thiếu điện KS: Lê Phú Cường CBHD: PGS TS Thái Thị Thu Hà 49 Thay sử dụng cơng thức Leverett’s (3.50) để tính áp suất mao dẫn Natarajan [14] dùng độ chênh lệch áp suất thực nghiệm coi khơng ảnh hưởng đến độ bão hòa cố định: dPc = −3, 7.0, 0173(exp[ −3, 7( s − 0, 0494)] + exp[3, 7( s − 0, 494)]) (3.53) dS Vì cơng thức 3.52 trở thành: N ca , w, gdl = − ρ w KK rw dPc dS ( ) (3.54) M w µ w dS dz Mơ hình dịng chảy pha Pasaogullari natarajan miêu tả độ bão hòa chất lỏng lớp khuyếch tán khí rãnh thể hình 3.3 Hai kết khác rõ ràng, Pasaogullari sử dụng mơ hình hai chiều miêu tả phân bố độ bão hòa chất lỏng lớp khuyếch tán khí rãnh, kết độ bão hòa chất lỏng 0.07 Natarajan sử dụng mơ hình chiều để khảo sát phân bố độ bão hòa chất lỏng lớp khuyếch tán khí rãnh gờ tản nhiệt Độ bão hòa chất lỏng lớp khuyếch tán khí gờ tản nhiệt cao 0.9 lớp khuyếch tán khí rãnh 0.88 KS: Lê Phú Cường CBHD: PGS TS Thái Thị Thu Hà 50 Hình 3.4 cấu tạo nước dịch chuyển xuyên qua lớp khuyếch tán khí Hình 3.4 a nước xuất lớp xúc tác cathode Còn h3.4 b nước tập trung gờ lớp khuyếch tán khí Nước cảm ứng áp suất mao dẫn dịch chuyển xuyên qua lỗ hổng lớp khuyếch tán khí, chồng lên bên cạnh gờ hình c Nếu gờ lớp khuyếch tán khí khơng thể chứa nước nước tập trung góc gờ rãnh lớp khuyếch tán khí Nước sau bị mang dịng khí hình d Hình 3.4 Nước dịch chuyển phân bố lớp khuyếch tán khí gờ 3.4 MƠ HÌNH MÀNG HYDRÁT HÓA: Nước dịch chuyển bên màng thể hình 3.3 Mơ hình màng hydrát hóa dùng để xác định nước dịch chuyển xuyên qua lớp khuyếch tán khí cathode/anode lưu lượng nước ch việc xác định độ dẫn điện màng Như hình 3.2 có phận cho dung dịch nước màng Chúng điện thẩm kéo từ anode sang cathode, sau khuyếch tán nước tạo lớp xúc tác cathode Điện thẩm cản định nghĩa là: N w,osmotic = K osmotic KS: Lê Phú Cường I seg F (3.55) CBHD: PGS TS Thái Thị Thu Hà 51 Với K osmotic hệ số cản thẩm thấu Một vài nghiên cứu cho số, số nghiên cứu khác cho phụ thuộc vào nước chứa màng Vậy ta dùng công thức Spring’s: K osmotc = 2,5λ pem (3.56) 22 Với λ pem lượng nước chứa màng, xác định lượng nước hoạt động màng a pem λ pem = 0, 043 + 17,81a pem − 39,85a 2pem + 36a 3pem , < a pem ≤ (3.57) Lượng nước trung bình họat động anode cathode sử dụng để tính tốn lượng nước màng: a pem = aan + aca (3.58) Trong cơng thức (3.58), aan aca độ ẩm tương đối anode cathode Lượng nước dịch chuyển trở lại khuyếch tán tính tốn: N w,diff = K diff cw,ca − cw, an t pem (3.59) Với cw nước tập trung màng t pem độ dày màng Nước tập trung tính sau: cw,an = cw,ca = ρ pem M pem ρ pem M pem λan (3.60) λca λan λca cơng thức tính tốn lượng nước hoạt động anode cathode: λan = 0, 043 + 17,81aan − 39,85aan2 + 36aan , < aan ≤ λca = 0, 043 + 17,81aca − 39,85aca2 + 36aca3 , < aca ≤ KS: Lê Phú Cường (3.61) CBHD: PGS TS Thái Thị Thu Hà 52 Trong cơng thức (3.59) K diff hệ số trở lại khuyếch tán hàm chức nhiệt độ K diff = K λ exp(2416( 1 − )) (3.62) 303 Tseg Với: ⎧10−10 ⎪ −10 ⎪10 (1 + 2(λ pem − 2)) K λ = ⎨ −10 ⎪10 (3 − 1,167(λ pem − 3)) ⎪ −10 ⎩1, 25.10 ,λpem < ,2 ≤ λpem ≤ ,3