tiểu luận hóa lý 1 đề tài pin nhiên liếukfhjgưkjsdddddddddddddddddddddddddddddddddddddgnvkjhbdsvn kạdnlkvnalkdmvklndklvnkladklvndnvklsmdvsdb sb sdqeiwghuoaoônnwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwgggggggggggggggggggvvvvvvvvmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmfffffewwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwfoaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaàiwoooooooodkmckmvknaklnvla;
Đại Học Công Nghệ Đồng Nai Khoa Khoa Học-Ứng Dụng-Sức Khỏe Tiểu Luận Mơn Học Hóa Lý Đề tài nghiên cứu:Pin Nhiên Liệu Gv:Nguyễn Hải Đăng Nhóm SVTH:Nhóm Niên khóa:2019-2023 Đồng Nai,Tháng Năm 2020 Pin nhiên liệu Nhóm Danh sách sinh viên Stt Họ & Tên Mssv Nhiệm vụ Lê Xuân Hoàng Long(nt) 151901763 Soạn chương 3,Hỗ trợ trình bày Ngơ Dương Đức Chính 151901597 Soạn chương 4,tổng hợp trình bày Lê Hồi Bảo 151901748 Soạn chương Lê Đình Đơng 151901596 Soạn chương Đánh giá ++++ ++++ +++ +++ (Dấu + tương ứng với mức độ tích cực,tối đa 4+;nt:Nhóm trưởng) Pin nhiên liệu Nhóm Mục lục I.Chương I:Các Khái Niệm Cơ Bản 1.Sơ Lược Về Pin Nhiên Liệu 2.Cấu tạo pin nhiên liệu II.Chương II.Hoạt Động & Phân Loại Pin Nhiên Liệu 1.Mô tả khái quát .7 2.Hoạt động mặt hóa học 3.Các loại pin nhiên liệu a)Pin nhiên liệu dùng màng polymer rắn làm chất điện giải (PEMFC) .8 b)Pin nhiên liệu dùng axit phosphoric (PAFC) .9 c)Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) d)Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC) 10 e)Pin nhiên liệu kiềm (AFC) .11 f)Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp(DMFC) 12 III.Chương III.Ứng Dụng Và Sản Xuất Pin Nhiên Liệu Trong Thực Tế 14 1.Quá Trình Sản Xuất Pin Nhiên Liệu 14 2.Ứng dụng phát triển pin nhiên liệu tương lai 16 Một số công nghệ sản xuất pin nhiên liệu .18 Chương IV:Pin Nhiên Liệu Và Vấn Đề Môi Trường 19 1.Ảnh Hưởng Của Pin Nhiên Liệu Đến Môi Trường 19 2.Ưu,Nhược Điểm Của Pin Nhiên Liệu 19 Chương V: Kết Luận Và Đánh Giá 22 Tài Liệu Tham Khảo 23 Pin nhiên liệu Nhóm I.Chương I:Các Khái Niệm Cơ Bản 1.Sơ Lược Về Pin Nhiên Liệu T heo Wikipedia: Các tế bào nhiên liệu (Tiếng anh: fuel cell), hay gọi "pin nhiên liệu", biến đổi lượng hóa học nhiên liệu, thí dụ hidro, trực tiếp thành lượng điện Khác với pin acquy, tế bào nhiên liệu khơng bị điện khơng có khả tích điện Tế bào nhiên liệu hoạt động liên tục nhiên liệu (hiđrơ) chất oxi hóa (oxi) đưa từ vào T heo devi-reneweble:Pin nhiên liệu thiết bị điện hóa biến đổi trực tiếp hóa (thường khí hydro, methanol, ethanol,và chất oxy hóa oxy) thành điện P in nhiên liệu sản phẩm mới,có phần chưa phổ biến So sánh với loại pin cổ điện lithium,acquy,lipo…Pin nhiên liệu tạo dòng điện cách sử dụng phản ứng hóa học thường cung cấp khí hidro vào để trì dịng điện pin chỉ”hết điện” dịng khí hidro ngừng cung cấp nên có hiệu suất cao đồng thời hạn chế tạo chất thải gây ô nhiễm môi trường 2.Cấu tạo pin nhiên liệu Pin nhiên liệu Nhóm (I.2.1 Cấu tạo pin nhiên liệu) Từ hình ảnh mơ ta thấy: Pin nhiên liệu có cấu tạo đơn giản bao gồm ba lớp nằm nhau: – Lớp thứ điện cực nhiên liệu – anode – Lớp thứ hai chất điện giải dẫn proton – màng – Lớp thứ ba điện cực khí oxy – cathode Hai điện cực làm chất dẫn điện (kim loại, than chì, …) Trên bề mặt điện cực có phủ lớp chất xúc tác Chất xúc tác làm bột platinum, phủ mỏng lên giấy than vải than, nhám rổ với lỗ nhỏ Mặt nhám tiếp xúc với khí hydro oxy, mặt phẳng mềm tiếp xúc với tác nhân hóa học Chất điện giải dùng từ nhiều chất khác tùy thuộc vào loại pin: có loại thể rắn, có loại thể lỏng có cấu trúc màng Vì pin riêng lẻ tạo điện thấp tùy theo điện cần dùng nhiều pin ghép lại với nhau, tức chồng lên Người ta thường gọi chồng lớp 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 Pin nhiên liệu Nhóm thống kiểm tra yêu cầu, chắn vận hành máy, hệ thống dự trữ điều chế nhiên liệu… Pin nhiên liệu Nhóm II.Chương II.Hoạt Động & Phân Loại Pin Nhiên Liệu 1.Mô tả khái quát (II.1.1 Minh họa hoạt động pin nhiên liệu) -Khí hidro vào áp suất cao xúc tác Pt,mỗi phân tử H2 2e để trở thành ion H+ tập trung Anote(+) -Ở Catot,khí oxi vào nhận 2e để trở thành O2- tập trung bề mặt catot -Trong điều kiện xúc tác đầy đủ,hai ion H+ O2- kết hợp tạo H2O đồng thời dòng e di chuyển từ anot sang catot tạo thành dòng chuyển dịch có hướng electron(định nghĩa dịng điện) tạo dịng điện 2.Hoạt động mặt hóa học Về phương diện hóa học pin nhiên liệu phản ứng ngược lại điện phân Trong trình điện phân, nước bị tách thành khí hydro oxy nhờ vào lượng điện Pin nhiên liệu lấy hai chất biến đổi chúng thành nước tạo dịng điện mạch ngồi Nhiên liệu (khí H2) dẫn liên tục vào điện cực anot; chất oxy hóa, thơng thường oxy, đưa vào catot Pin nhiên liệu Nhóm * H2 qua màng xúc tác tác dụng áp suất Khi phân tử H2 đến tiếp xúc Pt, bị phân tách thành 2H+ 2ePhản ứng anot: H2 →2H+ +2e* Các proton H+ di chuyển chất điện giải xuyên qua màng đến catot Các điện tử giải phóng từ anot qua mạch bên ngồi catot kết hợp với khí oxy ion H+ sinh nước đồng thời tạo dòng điện mạch Phản ứng cathode: 1/2O2 + 2e- + 2H+ → H2O * Phản ứng tổng quát pin nhiên liệu: H2 + 1/2 O2 →H2O 3.Các loại pin nhiên liệu a)Pin nhiên liệu dùng màng polymer rắn làm chất điện giải (PEMFC) PEMFC sử dụng màng polymer rắn làm chất điện giải nên giảm ăn mòn dễ bảo dưỡng Nhiệt độ hoạt động 500C- 800C Loại pin sản xuất nhiều để sử dụng cho phương tiện vận tải cơng suất lớn, nhiệt độ vận hành thấp ổn định Tuy nhiên, sản phẩm tham gia phản ứng phải có độ tinh khiết cao (II.3.1 Pin nhiên liệu dùng màng polymer) b)Pin nhiên liệu dùng axit phosphoric (PAFC) Pin nhiên liệu Nhóm Loại pin nhiên liệu dùng acid phosphoric, có nhiều hứa hẹn thành cơng thị trường nhỏ máy phát điện tư nhân Loại hoạt động với nhiệt độ 1500C- 2000C cao PEMFC phải tốn nhiều thời gian hâm nóng Vì vậy, sử dụng nhiều nhiên liệu đưa vào thị trường xe ô tô (II.3.2Pin nhiêu liệu dung axit photphoric) c)Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) Năng suất SOFC tương đối cao, sử dụng nước với sức ép cao nạp vào turbin sản xuất thêm điện SOFC không bị nhiễm độc CO không sử dụng chất xúc tác Pt Ở nhiệt độ cao, trình tách hydro khỏi nhiên liệu xảy dễ dàng Yêu cầu tinh khiết nhiên liệu thấp Loại pin nhiên liệu thích hợp cho cơng nghệ lớn nhà máy phát điện Pin nhiên liệu Nhóm (II.3.3 Pin nhiên liệu dung oxit rắn) *Tuy nhiên, việc thiết kế pin phức tạp, yêu cầu bảo dưỡng nhiều Hoạt động nhiệt độ cao khoảng 7000C- 10.000 độ C nên độ tin cậy suốt q trình khơng đảm bảo Vì lý an tồn mà SOFC khơng thể đưa vào thị trường d)Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC) Loại pin nhiên liệu giống SOFC, hoạt động nhiệt độ cao, khoảng 6000C – 6500C MCFC thích hợp cho công nghệ lớn nhà máy phát điện, sử dụng nước để chạy turbin Với tầm hoạt động nhiệt độ tương đối thấp, MCFC sử dụng chất liệu hóa học khác lạ giá thiết kế thấp SOFC 10 Pin nhiên liệu Nhóm (II.3.4 Pin nhiên liệu dùng cacbonat nóng chảy) *Tuy nhiên, tính bền pin khơng cao Pin hoạt động nhiệt độ cao nên dễ bị ăn mòn đánh thủng thành phần nhanh dần e)Pin nhiên liệu kiềm (AFC) Đây loại pin nhiên liệu sử dụng chất điện giải kiềm dùng chương trình Không Gian Hoa Kỳ (NASA) từ năm 1960 Năng suất AFC bị ảnh hưởng nhiều ô nhiễm Do đó, AFC cần phải có hydro oxy tinh khiết Nhiệt độ hoạt động 600C – 900C Ngoài ra, thiết kế loại pin tốn tung thị trường cạnh tranh với loại pin nhiên liệu khác Hiệu suất pin cao 11 Pin nhiên liệu Nhóm (II.3.5 Pin nhiên liệu kiềm) f)Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp(DMFC) DMFC sử dụng nhiên liệu methanol, hoạt động nhiệt độ 300C – 1300C, khơng địi hỏi chuyển đổi nhiên liệu bên ngồi DMFC có tượng methanol bị thấm qua màng nên hiệu suất bị giảm Bao gồm hai loại: pin nhiên liệu kiềm pin nhiên liệu acid 12 Pin nhiên liệu Nhóm (II.3.6Pin nhiên liệu dùng methanol) * Pin nhiên liệu kiềm: CO2 giữ lại chất điện giải ăn da (như KOH, NaOH) tạo thành carbonate trung tính Khơng cần nhiều chất xúc tác kim loại quí *Pin nhiên liệu acid: CO2 rút hết ngồi Chất điện giải khơng đổi thực việc quản lý nước phù hợp 13 Pin nhiên liệu Nhóm III.Chương III.Ứng Dụng Và Sản Xuất Pin Nhiên Liệu Trong Thực Tế 1.Quá Trình Sản Xuất Pin Nhiên Liệu *Mô tả khái quát -Chuẩn bị tế bào nhiên liệu(thường mỏng xếp lớp lên nhau) -Ghép ép chặt nhiều lớp tế bào nhiên liệu lên -Lõi tế bào màng điện cực hội tụ(MEA) có độ dày khoảng 50μm -Ghép hai lớp khuếch tán khí(GDL) dày 200μm vào hai bên -Ghép hai lưỡng cực(Biolar plantes) dày từ 2-5mm vào hai bên -Tiếp tục ghép hai lớp nén vào bên để bảo vệ ->tất xếp nên ép chặt Và cell đơn lẻ.Việc lặp lặp lại bước đến đủ số lượng để ghép lại thành pin nhiên liệu Sau đó,q trình chế tạo điện cực,cửa cấp khí , 14 Pin nhiên liệu Nhóm *Đánh giá:Q trình sản xuất pin nhiên liệu yêu cầu công nghệ kỹ thuật cao,địi hỏi trình độ hỗ trợ cao máy móc,đồng thời q trình sử dụng pin nhiên liệu cần kiểm soát chặt chẽ cuả máy móc đại 15 Pin nhiên liệu Nhóm 2.Ứng dụng phát triển pin nhiên liệu tương lai -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 làm lượng hoạt động… -Những năm gần đây,một số hang sản xuất xe Toyota, Ford, Honda,Opel… để ý đến loại lượng - III.2.1Xe Toyota chạy pin nhiên liệu -Ở Hamburg Stuttgart(Đức),một số xe buýt chạy lượng khí hidro đưa vào chạy thử nghiệm… 16 Pin nhiên liệu Nhóm (III.2.2Xe buýt chạy lượng hidro) -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 cấp lượng (III.2.3 Điện thoại sử dụng pin nhiên liệu methanol) *Với thực trạng đà phát triển tại,trong tương lai,pin nhiên liệu có tiềm thay số nguồn cũ đà cạn kiệt 17 Pin nhiên liệu Nhóm 3 Một số công nghệ sản xuất pin nhiên liệu -Sản xuất điện cực cacbon-chất xúc tác dạng tổ ong xốp, rỗng cho pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (Hàn Quốc) -Phương pháp sản xuất pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp dạng phẳng (Nhật Bản) -Sử dụng màng điện phân polymer cho pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (Nhật Bản) -Điện cực anode Pt-Ru có cấu trúc nano dùng pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp(Mỹ) -Hoạt động pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp methanol nguyên chất (Anh) -Tại Việt Nam,Viện Vật lí kĩ thuật Tp HCM thực tìm hiểu nghiên cứu pin nhiên liệu sử dụng metanol trực tiếp 18 Pin nhiên liệu Nhóm Chương IV:Pin Nhiên Liệu Và Vấn Đề Môi Trường 1.Ảnh Hưởng Của Pin Nhiên Liệu Đến Mơi Trường q trình điện phân.Nguồn lượng cần tiêu tốn để sản xuất hidro so khơng thua việc sử dụng xăng dầu lượng hóa thạch… Nếu pin sử dụng nguyên liệu methanol hay chất hóa thạch chất thải không thua động sử dụng xăng dầu bao a)Trong trình sản xuất Như trình bày trên,q trình sản xuất pin nhiên liệu địi hỏi cơng nghệ,kỹ thuật cao nên trình sản xuất hẳn có sinh chất thải ảnh hưởng đến mơi trường Đồng thời pin sử dụng khí hidro làm nhiên liệu nên cần phải sản xuất hidro từ nước thông qua 19 *Tuy nhiên,việc phương tiện giao thông sử dụng pin nhiên liệu sản phẩm thải trực tiếp có nước,cịn khí thải độc hại khác vốn tập chung nhà máy sản xuất hidro hay methanol,thuận lợi cho việc xử lí… b)Trong q trình hoạt động Trong trình hoạt động,pin nhiên liệu sử dụng khí hydro làm chất nguyên liệu nên sản phẩm gần có nước sạch,hầu hết khơng ảnh hưởng đến mơi trường c)Sau q trình hoạt động Khơng giống acquy hay pin lipi,lithium… sau hư hỏng thải môi trường lượng lớn chất thải độc hại axit sunfuric,chì,thủy ngân,cadimi,pin nhiên liệu tạo nên từ tế bào nhiên liệu thân thiện với môi trường nên q trình thải bỏ khơng đáng ngại 2.Ưu,Nhược Điểm Của Pin Nhiên Liệu *Ưu Điểm: -So sánh với hệ thống chuyển đổi lượng khác mặt độ lớn pin nhiên liệu cho hiệu suất chuyển đổi cao,từ 40%-70% lên đến 85% tận dụng nhiệt điện -Quá trình vận hành pin nhiên liệu gần khơng phát sinh khói bụi,sản phẩm chủ yếu nước khí CO2(nếu sử dụng nguyên liệu hóa thạch),điều làm giảm đáng kể lượng khí thải CO2 gây hiệu ứng nhà kính vấn đề lớn toàn xã hội Đồng thời lượng từ khí H2 góp phần làm giảm nguy cạn kiệt nguồn tài nguyên từ dầu mỏ,than đá tài nguyên thiên nhiên khác -Nếu pin nhiên liệu sử dụng H2 nói lượng gần vô tận H2 sản xuất từ việc chưng cất nước trình hoạt động lại tạo nước ban đầu -Thời gian nạp nhiên liệu nhanh: Chỉ cần nạp trực tiếp nhiên liệu vào bình sử dụng Khác với pin truyền thống phải nạp điện thời gian dài dùng -Các tế bào nhiên liệu không cần động quay hay phận học chuyển động,giảm nguy mòn ma sát yếu tố gây hại khác, tăng tuổi thọ độ tin cậy -Nhiệt độ vận hành khác tế bào nhiên liệu cho phép dùng với turbine hay áp dụng nước nóng - Vận hành yên tĩnh: Phản ứng hóa học sinh điện nhằm vận hành xe diễn cách yên lặng không gây ồn động đốt -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 *Nhược Điểm: -Giá thành sản xuất pin nhiên liệu cao để sản xuất đại trà pin có phận sử dụng công nghệ chế tạo vật liệu đắt tiền chất xúc tác (bạch kim), màng trao đổi, điện cực -Phương pháp sản xuất hidro hành chủ yếu chưng cất phân đoạn khơng khí điện phân nước,tất tiêu tốn nhiều lượng địi hỏi cơng nghệ cao -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 khơng dễ vượt qua với cơng nghệ hành -Hidro chất khí nhẹ dễ cháy,nó phát nổ mạnh khơng khí nên khó bảo quản vận chuyển - Công nghệ xe chưa phổ biến: Các thông tin nhiên liệu hydro chưa phổ biến với công chúng Dòng xe chưa tạo bật để thực thu hút thị hiếu người tiêu dùng Chương V: Kết Luận Và Đánh Giá -Qua phân tích ta thấy,pin nhiên liệu nguồn lượng có tiềm phát triển tương lai với ưu điểm vượt trội so với lượng hóa thạch cũ dần cạn kiệt Bên cạnh đó,nhiều hạn chế chất thải nguồn nguyên liệu cần khắc phục triệt để nhằm khẳng định vị trí sàn lượng giới -Nếu pin nhiên liệu sử dụng lượng hóa thạch vấn đề môi trường không thua nguyên liệu hành Nếu pin nhiên liệu sử dụng khí hidro vấn đề mơi trường khơng cịn đáng ngại thay vào vấn đề sản xuất,vận chuyển,sử dụng hidro lại thách thức lớn -Tại Việt Nam,thuật ngữ pin nhiên liệu chưa phổ biến rộng điều kiện cơng nghệ,kỹ thuật kinh tề cịn chưa cao,việc sử dụng rộng rãi pin nhiên liệu nguồn lượng giống xăng,dầu trở ngại lớn mà tương lai cần phải khắc phục Tài Liệu Tham Khảo -Pin nhiên liệu-Wikipedia -10 nguồn lượng quan trọng người-redsvn.com -Hoạt động pin nhiên liệu-Youtube -How to make a fuel cell-energy -Hydrogen fuel cell-google -Quy trình sản xuất pin nhiên liệu-technologymag.net … -The end- ... liệu (hiđrô) chất oxi hóa (oxi) đưa từ ngồi vào T heo devi-reneweble:Pin nhiên liệu thiết bị điện hóa biến đổi trực tiếp hóa (thường khí hydro, methanol, ethanol,và chất oxy hóa oxy) thành điện... dịng chuyển dịch có hướng electron(định nghĩa dòng điện) tạo dòng điện 2.Hoạt động mặt hóa học Về phương diện hóa học pin nhiên liệu phản ứng ngược lại điện phân Trong trình điện phân, nước bị tách... tiêu tốn để sản xuất hidro so khơng thua việc sử dụng xăng dầu lượng hóa thạch… Nếu pin sử dụng nguyên liệu methanol hay chất hóa thạch chất thải khơng thua động sử dụng xăng dầu bao a)Trong trình