Bài báo này tác giả trình bày kết quả nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ vận hành tới hiệu quả làm việc của pin nhiên liệu kiểu màng trao đổi. Trong nghiên cứu này mô hình 3-D tính toán pin được xây dựng và giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ VẬN HÀNH TỚI HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA PIN NHIÊN LIỆU TRANG BỊ TRÊN PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG EVALUATE THE EFFECTS OF OPERATING TEMPERATURES ON PERFORMANCE OF FUEL CELL EQUIPPED ON VEHICLES ĐỖ VĂN TRẤN Khoa Cơ khí, Trường Đại học Giao thơng vận tải Email liên hệ: dotran@utc.edu.vn Tóm tắt Bài báo tác giả trình bày kết nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ vận hành tới hiệu làm việc pin nhiên liệu kiểu màng trao đổi Trong nghiên cứu mơ hình 3-D tính tốn pin xây dựng giải phương pháp phần tử hữu hạn Điều kiện nhiệt độ vận hành nghiên cứu điều tra ảnh hưởng đến tham số làm việc pin Kết nhiệt độ cao làm tăng thơng lượng dịng điện tăng mật độ công suất pin Tuy nhiên, nhiệt độ hoạt động pin cao thơng lượng mật độ dịng mật độ cơng suất giảm Khi tăng nhiệt độ vận hành độ dẫn điện màng trao đổi nồng độ chất tham gia phản ứng điện hóa có xu hướng tăng dần, nhiệt độ tăng cao hai tham số lại có xu hướng giảm Từ khóa: PEMFCs, nhiệt độ vận hành pin nhiên liệu, mơ hình 3-D pin nhiên liệu Abstract This article presents the results of the research effection of operating temperatures on the performance of proton exchange membrane fuel cell In this study, the 3-D fuel cell calculation model was created and solved using the extended finite element method Effect operating temperatures on the parameters of the fuel cell were investigated The results showed that the fuel cell operating at high temperature increases the current density flux on the plates and the power density However, the operating temperature of the fuel cell is too high lead to the current density flux on the plates and the power density reduction The fuel cell operates at a high temperature that the concentration of electrochemical reactants and protonic conductivity of the membrane increases However, the operating temperature of the fuel 178 cell is too high lead to both these parameters reduction Keywords: PEMFCs, fuel cell temperatures, fuel cell model 3-D operating Mở đầu Pin nhiên liệu kiểu màng trao đổi (PEMFCs) công nghệ tiên tiến thay cho cơng nghệ chuyển đổi lượng truyền thống [1], nhu cầu sử dụng lượng bền vững giới ngày tăng [2], thêm vào hiệu suất chuyển đổi lượng cao so với loại pin nhiên liệu khác [3, 4] Trong thời gian gần số lượng lớn nghiên cứu đề cập đến việc thiết kế pin nhiên liệu kiểu màng trao đổi để giúp cải thiện hiệu suất, giảm chi phí độ bền chúng [5, 6] Việc thiết kế phát triển PEMFCs chủ yếu dựa điều tra số, thiết kế giúp đưa pin vào thử nghiệm ứng dụng nhanh Thêm vào đó, phương pháp điều tra số cho phép ta nghiên cứu nhiều cấu trúc phức tạp điều kiện hoạt động khác pin nhiên liệu Với nhiều lợi vượt trội so với phương pháp thực nghiệm việc xây dựng mơ hình lý thuyết mơ hình số thực cần thiết [7] Hiệu hoạt động PEMFCs phụ thuộc nhiều yếu tố cấu trúc hình học pin (kích thước kênh dẫn, kiểu dáng độ dày lớp chất khí khuếch tán, cấu trúc màng trao đổi, ), điều kiện vận hành (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm chất phản ứng, ), vấn đề kiểm soát nước tạo làm mát cho pin nhiên liệu, Vì vậy, để khảo sát ảnh hưởng yếu tố cần phải xây dựng mơ hình số để tính tốn đánh giá ảnh hưởng tham số đến vận hành PEMFCs Nhiệt độ vận hành nhiều yếu tố ảnh hưởng lớn đến hiệu hoạt động PEMFCs, nên việc phải xác định nhiệt độ vận hành tối ưu pin nhiên liệu cần thiết [8] Trong nghiên cứu tác giả xây dựng mơ hình 3D tính tốn cho PEMFCs sử dụng phần mềm AnsysCFD Mơ hình tính tốn cho phép đánh giá ảnh SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 hưởng nhiệt độ đến khả vận hành PEMFCs Kết nghiên cứu sở để xác định khoảng nhiệt độ vận hành tối ưu cho PEMFCs Cơ sở lý thuyết tính tốn pin nhiên liệu 2.1 Mơ hình tính tốn phản ứng điện hóa pin nhiên liệu Mơ hình tính tốn phản ứng điện hóa tính tốn tốc độ phản ứng cực Anode Cathode Động lực phản ứng điện bề mặt, khác biệt điện pha chất rắn điện pha chất điện phân màng Mơ hình điện hóa pin nhiên liệu mơ tả qua hai phương trình (1), (2) sau [9-11]: =0 (1) =0 Trong đó: λ: Lượng nước chứa màng trao đổi Lượng nước chứa màng tính tốn theo cơng thức sau [12]: λ = 0,043 + 17,8a - 39,85a2 + 36a (a1) (10) Trong đó: s phần trăm theo thể tích nước dạng lỏng; a nước hoạt động; Pwv áp suất hóa nước; Psat áp suất bão hịa nước 2.2 Định luật bảo tồn phương trình chủ đạo Phương trình định luật bảo tồn khối lượng [13]: (2) Trong đó: σsol, σmem: Lần lượt độ dẫn điện pha rắn màng [Ω-1.m-1] w (11) Phương trình bảo tồn mơ men [13]: − (12) − (13) ϕsol, ϕmem: Lần lượt điện điện tích pha rắn màng [V] Rsol, Rsol: Lần lượt dịng dịch chuyển thể tích pha rắn màng [A/m3] Mật độ dòng cục bên lớp xúc tác tính tốn sử dụng công thức chung Butler-Volmer [9-11]: − − − − (3) (4) Trong đó: H2/H 2,ref O2/O2,ref đại diện cho nồng độ loài tham chiếu cực dương cực âm; Jref mật độ dòng trao đổi tham chiếu; α hệ số dịch chuyển; γ hệ số nồng độ; F số Faraday; η vùng bề mặt thế, gây tổn thất cho kích hoạt Sự khác điện chất rắn màng cực Anode tính theo phương trình (5) Sự khác điện pha rắn, màng điện hở mạch Voc tính tốn theo cơng thức (6) [9-11]: ηan = φsol - φmem (5) ηcat = φsol - φmem - Voc (6) Đối với màng coi vùng xốp, độ dẫn điện protonic tính tốn sau [12]: σmem = (0,514λ - 0,326).e1268 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 1 303 T (8) (9) − − − (14) − (15) Trong đó: u, v, w vận tốc theo phương x, y, z; ρ mật độ khí; P áp suất tĩnh; μ eff hệ số vận tốc; μ vận tốc khí; k x, ky, kz độ thẩm thấu lớp xúc tác lớp khí khuếch tán Phương trình nhiệt [13]: (16) ℎ Sh = hreact - Ran, cat.ηan, cat +I2Rohm + hL (17) Trong đó: S h tổng nguồn nhiệt; k eff điều kiện nguồn tương ứng với độ dẫn nhiệt hiệu dụng; hreact thay đổi enthalpy phản ứng điện hóa; Ran,cat dòng dịch chuyển; ηan,cat điện cực; Rohm điện trở thuần; hL thay đổi enthalpy hóa nước (7) 179 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Phương trình dịch chuyển lồi pin [13]: (18) Trong đó: Di độ khuếch tán loài thứ i; Si điều kiện nguồn cho lồi mơ tả theo cơng thức [13]: − − − (19) W Các chế độ tính tốn mơ hình: tính tốn pin điều kiện nhiệt độ vận hành khác để đánh giá ảnh hưởng tới hiệu làm việc pin Tại chế độ nhiệt độ, pin vận hành với nhiều mức điện áp khác Các thơng số pin khảo sát gồm: dự đoán thay đổi đường cong phân cực, mật độ công suất pin thay đổi áp suất vận hành Đánh giá khả ngậm nước độ dẫn điện màng trao đổi Phân tích quy luật phân bố mật độ dòng điện phân bố trường nhiệt độ pin (20) W (21) Sử dụng Định luật khuếch tán Fick dùng để phân tích tính toán lưu lượng khối lượng khuếch tán [13] (22) Trong đó: Dio khối lượng khếch tán lồi thứ i nhiệt độ áp suất tham chiếu (T o = 300K, Po = 101325Pa) 2.3 Thiết lập mơ hình tính tốn pin nhiên liệu Mơ hình tính toán pin nhiên liệu xây dựng phần mềm Ansys, kết cấu mơ hình tính pin thể Hình 1, thơng số kích thước pin lựa chọn theo Bảng Bảng Thông số pin nhiên liệu [14] Tham số Giá trị Đơn vị Chiều sâu kênh khí 50 mm Chiều dài kênh khí mm Chiều rộng kênh khí mm 0,3 mm Chiều dầy lớp xúc tác 0,0129 mm Chiều dầy lớp màng 0,108 mm Độ xốp màng, εm 0,25 - Điện áp mở mạch 0,96 V 20 A/m2 Chiều dầy lớp khuếch tán Mật độ dòng tham chiếu Cathode Mật độ dòng tham chiếu Anode Lưu lượng cấp khí H2 Lưu lượng cấp khơng khí 5000 1,5.10 -4 A/m2 g.s-1 1.10-3 g.s-1 Độ ẩm khí H2 20 % Độ ẩm khơng khí 15 % Áp suất vận hành pin atm 180 Hình Mơ hình tính tốn PEMFCs phần mềm Ansys-CFD Kết thảo luận 3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ vận hành tới độ dẫn điện lượng nước chứa màng Độ dẫn điện (σ) lượng nước chứa màng (λ) có mối quan hệ mật thiết với Khi màng chứa nhiều nước màng khô làm cho khả dẫn điện màng kém, điều làm tăng tổn thất điện áp pin Hình rằng, nhiệt độ 298K λ lớn có xu hướng giảm dần tăng nhiệt độ, nhiệt độ 373K λ đạt giá trị nhỏ Quy luật cho toàn dải điện áp hoạt động pin Trên toàn dải điện áp vận hành pin, độ dẫn điện màng σ có xu hướng tăng tăng nhiệt độ giảm dần nhiệt độ tăng giới hạn cho phép Tại ba giá trị nhiệt độ tính tốn 298K, 353K 373K σ đạt giá trị lớn nhiệt độ 353K Khi pin vận hành dải điện áp 0,6V giá trị λ σ khơng ổn định biến động mạnh Ở dải điện áp 0,6V giá trị λ σ thay đổi có xu hướng ổn định SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 18 12 16 Độ dẫn điện màng σ [Ω-1.m-1] 10 14 12 10 4 2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Điện pin nhiên liệu [V] λ nhiệt độ 298 [K] λ nhiệt độ 353 [K] σ nhiệt độ 298 [K] σ nhiệt độ 353 [K] σ nhiệt độ 373 [K] λ nhiệt độ 373 [K] Hình Ảnh hưởng nhiệt độ tới độ dẫn điện lượng nước chứa màng 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ vận hành tới tới nồng độ chất phản ứng hóa học Z1 Z6,72 Z,33 Z4 Kết Hình khảo sát mặt cắt Z1 =0mm; Z2 = 16,7mm; Z3 = 33,3mm; Z4 = 50mm Tại nhiệt độ T1 = 289K; T = 353K; T = 373K Hình thể thay đổi nồng độ chất phản ứng (H2, O2) hai cực Anode Cathode theo nhiệt độ vận hành khác Kết tính toán nhiệt độ vận hành pin ảnh hưởng lớn đến nồng độ chất tham gia phản ứng điện hóa Cụ thể, nhiệt độ 353K H2 O2 tham gia phản ứng nhiều kết nồng độ chất hai cực nhỏ so với trường hợp nhiệt độ vận hành 298K 373K Kết tính toán pin giá trị nhiệt độ phân bố nồng độ chất không đều, vùng tiếp giáp với chất xúc tác nồng độ chất nhỏ nhất, vùng xa lớp chất xúc tác nồng độ chất tập chung nhiều Như vậy, để tăng hiệu hoạt động pin cần thiết phải thiết kế kênh dẫn khí cho chúng có khả tiếp xúc với lớp xúc tác nhiều để phản ứng điện hóa diễn mạnh nhất, điều làm tăng mật độ công suất pin 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ vận hành tới thông lượng mật độ dịng điện, mật độ cơng suất pin, phân bố mật độ dòng điện phân bố trường nhiệt độ T1 T3 Hình Ảnh hưởng nhiệt độ tới nồng độ H2 Điện pin nhiên liệu [V] T2 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 Z1 Z2 Z4 Z3 z=50mm z=33,3mm Mật độ công suất pin [W.cm-2] Lượng nước chứa màng λ [-] HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 Thơng lượng mật độ dịng điện [A.cm-2] Mật độ dịng 298 [K] Mật độ dòng 353 [K] Mật độ dịng 373 [K] Mật độ cơng suất 298 [K] Hình Ảnh hưởng nhiệt độ đến thơng lượng T1 mật độ dịng điện mật độ cơng suất pin Thơng lượng mật độ dịng điện mật độ công suất pin hai thông số bản, định đến tiêu kỹ thuật pin nhiên liệu kích thước pin Hình nhiệt độ tăng thơng lượng mật độ dịng điện mật độ cơng suất có xu hướng tăng, nhiên nhiệt độ tăng mức hai giá trị giảm Tại giá trị nhiệt độ tính tốn 298K, 353K 373K thơng lượng mật T2 T3 Hình Ảnh hưởng nhiệt độ tới nồng độ O2 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 181 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 độ dịng mật độ công suất đạt giá trị lớn nhiệt độ 353K Nguyên nhân hai giá trị nhiệt độ 298K 373K có nồng độ chất tham gia phản ứng điện hóa giảm độ dẫn điện màng giảm (điều ngăn cản khả trao đổi proton qua màng), kết thông lượng mật độ dịng điện mật độ cơng suất pin giảm Pin phát huy mật độ cơng suất cao điện áp vận hành khoảng 0,5V, mức điện áp lớn nhỏ 0,5V mật độ cơng suất có xu hướng giảm điều cho ba giá trị nhiệt độ vận hành pin Z =0 Z 16,7 Z3 Z4 Kết luận Kết tính tốn pin nhiên liệu theo chế độ nhiệt độ vận hành khác đưa số kết luận sau: kích thước pin mật độ cơng suất nâng cao tăng nhiệt độ vận hành chúng Tuy nhiên, nhiệt độ tăng cao hiệu làm việc pin giảm mạnh tổn thất điện áp tăng Khi tăng nhiệt độ phản ứng điện hóa xảy mạnh mẽ hơn, dẫn đến làm tăng thơng lượng mật độ dịng điện mật độ công suất pin Tuy nhiên, nhiệt độ vận hành pin không nên lớn phản ứng hóa học cực diễn chậm Khi tăng nhiệt độ làm cho lượng nước chứa màng giảm dần, nhiệt độ màng tăng lên dẫn đến màng bị khô Tăng nhiệt độ độ dẫn điện màng có xu hướng tăng, nhiên tăng cao độ dẫn điện màng giảm màng bị khô T1 T2 Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Giao thông vận tải đề tài mã số T2021-CK-008 Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Giao thông vận tải tài trợ kinh phí nghiên cứu T3 Hình Ảnh hưởng nhiệt độ vận hành tới phân bố mật độ dịng điện cực Hình Ảnh hưởng nhiệt độ đến phân bố trường nhiệt độ pin Hình thể kết tính tốn phân bố trường nhiệt độ pin theo nhiệt độ khác Kết trường nhiệt độ cao tập chung chủ yếu phần pin màng trao đổi Phía cực Cathode có nhiệt độ cao phía cực Anode Kết lý giải phần pin xảy phản ứng điện hóa phản ứng sinh 182 nhiệt Các phản ứng điện hóa cực Cathode sinh nhiều nhiệt so với phản ứng cực Anode TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A Arvay, E Yli-Rantala, C.H Liu, X.H Peng, P Koski, L Cindrella, et al, Characterization techniques for gas diffusion layers for proton exchange membrane fuel cells - A review, Journal of Power Sources, Vol.213, pp.317-337, 2012 [2] L Cindrella, A.M Kannan, J.F Lin, K Saminathan, Y Ho, C.W Lin, et al, Gas diffusion layer for proton exchange membrane fuel cells - A review, Journal of Power Sources, Vol.194, pp.146-160, 2009 [3] D.M Fadzillah, M.I Rosli, M.Z.M Talib, S.K Kamarudin, W.R.W Daud, Review on microstructure modelling of a gas diffusion layer for proton exchange membrane fuel cells, Renewable Sustainable Energy Rev, Vol.77, pp.1001-1009, 2017 [4] A.P Manso, F.F Marzo, J Barranco, X Garikano, M Garmendia Mujika, Influence of geometric parameters of the flow fields on the performance of a PEM fuel cell A review, Int J Hydrogen Energy, Vol.37, pp.15256-15287, 2012 [5] C Siegel, Review of computational heat and mass transfer modeling in polymer-electrolyte-membrane (PEM) fuel cells, Energy, Vol.33, pp.1331-1352, 2008 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 [6] J Mahmoudimehr, A Daryadel, Influences of feeding conditions and objective function on the optimal design of gas flow channel of a PEM fuel cell, Int J Hydrogen Energy, Vol.42, pp.23141-23159, 2017 [7] A Biyikoglu, RETRACTED: Review of proton exchange membrane fuel cell models, Int J Hydrogen Energy, Vol.30, pp.1181-1212, 2005 [8] F Barbir, PEM fuel cells: Theory and Practice, Second edition, Academic Press, 2012 [9] A Kulikovsky, J Divisek, A Kornyshev, Modeling the Cathode Compartment of Polymer Electrolyte Fuel Cells: Dead and Active Reaction Zones, Electrochemical Society, Vol.146, pp.3981-3991, 1999 [10] S Mazumder, J V Cole, Rigorous 3-D Mathematical Modeling of PEM Fuel Cells II Model Predictions with Liquid Water Transport, Electrochemical Society, Vol.150, pp.1510-1517, 2003 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) [11] Sukkee Um, C Y Wang, K S Chen, Computational Fluid Dynamics Modeling of Proton Exchange Membrane Fuel Cells, Electrochemical Society, Vol.147, pp.4485-4493, 2000 [12] T.E Springer, T.A Zawodzinski, and S Gottesfeld, Polymer Electrolyte Fuel Cell Model, Journal, Electrochemical Society, Vol.138, pp.2334-2342, 1991 [13] Abdallah Mohammedia, Youcef Sahlib, and Hocine Ben Moussaa, Optimization study of the produced electric power by planar PEMFC-SCG, Renewable Energy Focus, Vol.35, pp.72-83, 2020 [14] Lin Wang, Attila Husar, Tianhong Zhou, Hongtan Liu, A parametric study of PEM fuel cell performances, International Journal of Hydrogen Energy, Vol.28, pp.1263-1272, 2003 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 29/6/2021 07/8/2021 18/8/2021 183 ... mơ hình: tính tốn pin điều kiện nhiệt độ vận hành khác để đánh giá ảnh hưởng tới hiệu làm việc pin Tại chế độ nhiệt độ, pin vận hành với nhiều mức điện áp khác Các thơng số pin khảo sát gồm:... điều làm tăng mật độ công suất pin 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ vận hành tới thông lượng mật độ dịng điện, mật độ cơng suất pin, phân bố mật độ dòng điện phân bố trường nhiệt độ T1 T3 Hình Ảnh hưởng nhiệt. .. σ nhiệt độ 353 [K] σ nhiệt độ 373 [K] λ nhiệt độ 373 [K] Hình Ảnh hưởng nhiệt độ tới độ dẫn điện lượng nước chứa màng 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ vận hành tới tới nồng độ chất phản ứng hóa học Z1