Pin Nhiên Liệu Kẽm Không Khí

Pin nhiên liệu đã được nhiều người nghiên cứu từ thế kỉ 19, nhưng phát minh đầu tiên về pin nhiên liệu được ghi nhận là của ông William Robert Grove (18111896) nhà khoa học tự nhiên xứ Wales vào năm 1839. Phát minh dựa trên cơ sở của quá trình điện phân nước. Ông Grove tin rằng, nếu có thể tách nước thành hydro và oxy nhờ vào năng lượng điện thì quá trình ngược lại cũng có thể xảy ra, tức là có thể sản xuất ra dòng điện bằng cách kết hợp hydro và oxy. Ở thời điểm này, platin được xem là chất xúc tác cho phản ứng giữa hydro và oxy. Dựa vào các giả thiết đó, ông Grove đã chế tạo thành công mô hình thực nghiệm đầu tiên của pin nhiên liệu, bao gồm hai điện cực platin được bao trùm bởi hai ống hình trụ bằng thủy tinh, một ống chứa hydro và ống kia chứa oxy. Khi chúng được nhúng trong axit sulfuric loãng, một dòng điện xuất hiện giữa hai điện cực và nước được sinh ra trong các ống. Để tăng điện áp đầu ra, ông đã liên kết nhiều thiết bị với nhau và tạo thành một thiết bị gọi là acquy khí”. Năm 1889, hai nhà hóa học Ludwig Mond và Charles Langer đã cố gắng phát triển mô hình của Grove vào ứng dụng trong thực tế bằng việc sử dụng không khí và khí than đá làm nhiên liệu. Thuật ngữ “pin nhiên liệu” cũng bắt nguồn từ đây.Mới đây nhất, các nhà khoa học tại Đại học Stanford Mỹ đứng đầu là Giáo sư hóa học Hongjie Dai đã phát triển một thế hệ pin mới là pin kim loại không khí với hoạt tính xúc tác cao hơn, bền hơn, chi phí thấp hơn các loại pin được sử dụng rộng rãi hiện nay.Trong đó pin nhiên liệu kẽm không khí lựa khả thi nhất về mặt kỹ thuật và kinh thế với sự kết hợp giữa oxi trong không khí và kẽm được điện phân trong môi trường kiềm lỏng để sản xuất điện với một sản phẩm phụ là oxit kẽm. Khi quá trình này được đảo ngược trong thời gian sạc thì oxi và kẽm kim loại được tái sinh. Trong đó đáng chú ý nhất là sự kết hợp giữa cabaltoxit và hydroxit của hợp kim NiFe tạo ra pin kẽm không khí có mật độ năng lượng cao gấp 2 lần pin lithiumion hiện tại. Phát hiện này là một bước quan trọng hướng đến việc phát triển pin kẽm không khí có thể sạc lại mặc dù còn nhiều thách thức khác liên quan đến thời gian hoạt động của điện cực kẽm.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH  KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY TIỂU LUẬN Đề tài : “Pin Nhiên Liệu Kẽm/ Khơng Khí” Giảng viên hướng dẫn: HỒNG TRÍ Sinh viên thực hiện: TRẦN MINH TRÍ MSSV: 10203087 Lớp: Khố: 102030A 2010 - 2014 Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2014 LỜI CẢM ƠN Chân thành cảm ơn Thầy HỒNG TRÍ tận tâm giảng dạy, hướng dẫn em môn học Năng Lượng đặc biệt đề tài “ Pin nhiên liệu Kẽm/khơng khí” Trong thời gian học thực tiểu luận, em đúc kết nhiều kinh nghiệm kiến thức bổ ích Việc thu thập tài liệu sách, mang hay thực tiễn tiểu luận giúp em có điều kiện tiếp xúc với phương pháp hay công nghệ tiên tiến, việc sử dụng lượng cho ngành công nghiệp phát triển, đảm bảo khơng gây nhiễm mơi trường, tiện ích cho sống Nhằm nâng cao kiến thức khả chuyên môn cho thân Với khả em hy vọng vận dụng phát huy hết kiến thức từ môn học vận dụng vào học tập trường trang bị thêm kiến thức trường để làm việc TRẦN MINH TRÍ PIN NHIÊN LIỆU KẼM- KHƠNG KHÍ A/ LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN: Pin nhiên liệu nhiều người nghiên cứu từ kỉ 19, phát minh pin nhiên liệu ghi nhận ông William Robert Grove (1811-1896) nhà khoa học tự nhiên xứ Wales vào năm 1839 Phát minh dựa sở q trình điện phân nước Ơng Grove tin rằng, tách nước thành hydro oxy nhờ vào lượng điện trình ngược lại xảy ra, tức sản xuất dòng điện cách kết hợp hydro oxy Ở thời điểm này, platin xem chất xúc tác cho phản ứng hydro oxy Dựa vào giả thiết đó, ơng Grove chế tạo thành cơng mơ hình thực nghiệm pin nhiên liệu, bao gồm hai điện cực platin bao trùm hai ống hình trụ thủy tinh, ống chứa hydro ống chứa oxy Khi chúng nhúng axit sulfuric lỗng, dịng điện xuất hai điện cực nước sinh ống Để tăng điện áp đầu ra, ông liên kết nhiều thiết bị với tạo thành thiết bị gọi "là acquy khí” Năm 1889, hai nhà hóa học Ludwig Mond Charles Langer cố gắng phát triển mơ hình Grove vào ứng dụng thực tế việc sử dụng khơng khí khí than đá làm nhiên liệu Thuật ngữ “pin nhiên liệu” bắt nguồn từ Mới nhất, nhà khoa học Đại học Stanford- Mỹ đứng đầu Giáo sư hóa học Hongjie Dai phát triển hệ pin pin kim loại / khơng khí với hoạt tính xúc tác cao hơn, bền hơn, chi phí thấp loại pin sử dụng rộng rãi Trong pin nhiên liệu kẽm khơng khí lựa khả thi mặt kỹ thuật kinh với kết hợp oxi khơng khí kẽm điện phân môi trường kiềm lỏng để sản xuất điện với sản phẩm phụ oxit kẽm Khi trình đảo ngược thời gian sạc oxi kẽm kim loại tái sinh Trong đáng ý kết hợp cabalt-oxit hydroxit hợp kim Ni-Fe tạo pin kẽm /khơng khí có mật độ lượng cao gấp lần pin lithium-ion Phát bước quan trọng hướng đến việc phát triển pin kẽm/ khơng khí sạc lại cịn nhiều thách thức khác liên quan đến thời gian hoạt động điện cực kẽm B/ ĐỊNH NGHĨA, PHÂN LOẠI, CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG: I/ Định nghĩa : Pin nhiên liệu pin tạo dòng điện trực tiếp từ phản ứng hóa học Giống ắc quy, khác chỗ pin nhiên liệu thiết kế cho chất phản ứng cung cấp liên tục hết, tạo điện từ nguồn nhiên liệu cung cấp bên ngồi oxi khác với khả tích trữ lượng bên giới hạn ắc quy Hơn nữa, điện tích bên ắc quy phản ứng thay đổi ắc quy tích điện phóng điện, điện tích pin nhiên liệu xúc tác tương đối ổn định II/.Phân loại : pin nhiên liệu có loại + Pin nhiên liệu dùng màng điện phân + Pin nhiên liệu kiềm + Pin nhiên liệu axit photphoric + Pin nhiên liệu oxit rắn + Pin nhiên liệu muối cacbonate nóng chảy III/.Cấu tạo : Pin nhiên liệu Kẽm / khơng khí gồm có Anode : dẫn khí hydro đến bề mặt chất xúc tác dẫn electron tách từ phân tử hydro để sử dụng cho mạch điện bên ngồi Khí hydro phân bố gặp chất xúc tác Cathode : dẫn khí oxi tới mặt chất xúc tác, đồng thời dẫn electron sau phản ứng từ mạch điện bên ngoài, kết hợp với ion hydro oxi tạo nước Hình: Cấu tạo pin nhiên liệu kẽm/khơng khí Màng trao đổi proton : phận quan trọng pin nhiên liệu, có cơng dụng dẫn proton, đồng thời ngăn cản electron di chuyển từ anode sang cathode Chất xúc tác : chất hóa học đặc biệt làm cho phản ứng hydro oxi dễ dàng Nó làm thay đổi trạng thái hóa học hydro oxi không tự thay đổi IV/ Hệ thống pin nhiên liệu : + Bộ xử lý nhiên liệu : dùng để chuyển đổi khí thương mại sẵn có hay nhiên liệu khác dạng lỏng rắn thành nhiên liệu phù hợp với phản ứng xảy điện cực Hình : xử lý nhiên liệu + Thiết bị biến đổi lượng : nhằm biến đổi hóa nhiên liệu thành điện + Bộ điều hịa cơng suất : dịng điện pin tạo thường không sử dụng trực tiếp cho tải điện mà phải thơng qua phận biến đổi dịng điện Do pin sản sinh dòng điện chiều, tùy theo yêu cầu sử dụng mà ta sử dụng biến đổi dòng điện để chuyển dòng điện chiều sang xoay chiều + Hệ thống thu hồi nhiệt : nhiệt lượng tận dụng để tạo nước, nước nóng chuyển tiếp thành điện thơng qua turbine khí hay sử dụng cho cơng nghệ nhằm tận dụng triệt để nhiệt độ phát sinh Ngoài ra, hệ thống pin nhiên liệu cịn có hệ thống phụ để xử lý độ ẩm, nhiệt độ, áp suất khí nước thải pin nhiên liệu,… V/ Nguyên lý hoạt động: Các phản ứng hóa học tạo dịng điện xảy điện cực chìa khóa chế hoạt động pin nhiên liệu Có nhiều kiểu pin nhiên liệu kiểu vận hành cách khác tùy thuộc vào loại nhiên liệu chất điện phân sử dụng pin Tuy nhiên, tất loại pin nhiên liệu có nguyên lý hoạt động Khi nguyên tử hydro có nhiên liệu vào anode pin nhiên liệu, phản ứng hóa học xảy lấy electron chúng Những nguyên tử hydro lúc bị ion hóa, tạo thành ion hydro mang điện tích dương Hình : Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu Các electron mang điện tích âm bị ngăn cản chất điện phân nên di chuyển trực tiếp từ anode sang cathode mà phải vòng qua mạch điện bên ngồi, tạo dịng điện chiều Cùng lúc đó, khí oxi cung cấp đến cathode pin nhận electron này, tạo thành ion oxi Và số dạng pin nhiên liệu, ion oxi kết hợp với ion hydro vừa qua chất điện phân từ anode pin nhiên liệu để tạo thành nước, số dạng pin nhiên liệu khác, ion oxi di chuyển qua chất điện phân đến anode, gặp kết hợp với ion hydro để tạo thành nước Như vậy, dù hydro oxi gặp kết hợp với anode hay cathode cuối tạo nước, thóa khỏi pin Pin nhiên liệu liên tục phát điện cung cấp hydro oxi Trong pin nhiên liệu, electron di chuyển từ anode sang cathode thông qua mạch điện bên ngồi, nên dịng điện qua mạch điện có chiều từ cathode sang anode C/ ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM 1/ ưu điểm : + Hiệu suất cao + Dường khơng có nhiễm mơi trường + Động điện sử dụng pin nhiên liệu có hiệu suất cao, khơng có tiếng ồn, có + Đặc tính tốt so với động đốt trong, bảo trì, bảo dưỡng, dễ sửa chữa + Hydro điều chết từ nước + So với ắc quy pin nhiên liệu có khối lượng thể tích nhỏ 2/ Nhược điểm : + Chi phí đầu tư ban đầu cao + Hydro không tồn trạng thái đơn chất, điều chế, sản xuất hydro khó khăn tốn đơi dẫn đến ô nhiễm môi trường + Yêu cầu kỹ thuật bình chứa nhiên liệu khắt khe + Cơ sở hạ tầng cho hydro chưa có, thói quen sử dụng hydro hạn chế MỤC LỤC Trang LỜI CÁM ƠN A/ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN B/ ĐỊNH NGHĨA, PHÂN LOẠI, CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ I/ ĐỊNH NGHĨA II/ PHÂN LOẠI III/ CẤU TẠO IV/ HỆ THỐNG V/ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG C/ ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM (Mẫu) DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Báng 1.1: Báng 1.2: Báng 1.3: … Báng 3.4: 23 25 24 34 Ghi chú: Chữ số thứ tên chương Chữ số thứ hai thứ tự bảng biểu chương Ở cuối bảng biểu chương phải có ghi chú, giải thích, nêu rõ nguồn trích chụp, … 10 (Mẫu) DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ Trang Sơ đồ 1.1: 11 Sơ đồ 1.2: 12 Sơ đồ 1.3: 16 … Sơ đồ 3.7: 37 … Hình 1.1: 13 Hình 1.2: 15 Hình 1.3: 18 … Hình 4.3: 43 Ghi chú: Chữ số thứ tên chương Chữ số thứ hai thứ tự sơ đồ, hình, … chương Ở cuối sơ đồ, hình, … chương phải có ghi chú, giải thích, nêu rõ nguồn trích chụp, … 11 (Mẫu) DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT CAD Computer Aided Design CAM Computer Aided Manufacturing CAP Computer Aided Planning CNC Computerized Numerical Control … 12 (Mẫu) CHƯƠNG 1: …… (size 13, Bold, IN HOA) Size 13: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Size 13: ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Ghi chú: Size 13, Font Times New Roman Format - Paragraph: + Alignment: Justified + Spacing before: pt + Spacing after: pt + Line spacing: multiple: 1,3 13 (Mẫu) TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Bộ Giáo dục Đào tạo, Báo cáo tổng kết năm (1992 - 1996) phát triển giáo dục tiền tiểu học Hà Nội, 2006 ( TLTK khơng có tác giả) [2] Trần Văn Địch, Công nghệ chế tạo bánh răng, NXB KHKT, Hà Nội 2006 ( TLTK SÁCH) [3] Đặng Thiện Ngơn, Trần Quốc Hùng, Dương Bình Nam, Quy trình thiết bị sản xuất muối tơm, pp 20-26, Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, số 21, ĐHSPKT TPHCM, 2011 ( TLTK BÀI BÁO) [4] Nguyễn Vĩnh Phối, Lê Chí Cương (HD), Ảnh hưởng tính đẳng hướng đến hàm hấp thu tổng quát q trình tính tốn ứng suất dùng nhiễu xạ X-quang, LVTN Thạc sĩ, ĐHSPKT TP HCM, 2009 ( TLTK LVTN) … Tiếng Anh [6] Dang Thien Ngon, CAD/CAM/CNC Technology - Present applications and development trends in the future, International Conferenceon Science and Technology, pp 670-677, Hanoi – Vietnam, Nov 2011 ( TLTK BÀI BÁO CÁO Hội nghị) … Nguồn khác [11] Screw Conveyor Corporation, Screw Conveyor Catalog & Engineering Manual, link www.screwconveyor.com/SCC%20EngCat10_LR.pdf, 9/2011 … 14 15 ... định II/.Phân loại : pin nhiên liệu có loại + Pin nhiên liệu dùng màng điện phân + Pin nhiên liệu kiềm + Pin nhiên liệu axit photphoric + Pin nhiên liệu oxit rắn + Pin nhiên liệu muối cacbonate... khóa chế hoạt động pin nhiên liệu Có nhiều kiểu pin nhiên liệu kiểu vận hành cách khác tùy thuộc vào loại nhiên liệu chất điện phân sử dụng pin Tuy nhiên, tất loại pin nhiên liệu có nguyên lý... hóa học hydro oxi không tự thay đổi IV/ Hệ thống pin nhiên liệu : + Bộ xử lý nhiên liệu : dùng để chuyển đổi khí thương mại sẵn có hay nhiên liệu khác dạng lỏng rắn thành nhiên liệu phù hợp với