NĂNG LƯỢNG ĐIỆN VÀ PIN NHIÊN LIỆU doc

Hiện nay giải pháp xử lý ô nhiễm môi trường có hai cách: Xử lý ô nhiễmvới các động cơ đang sử dụng và tìm kiếm sử dụng các nguồn năng lượng sạch .Trong đó có năng lượng điện và sử dụng p

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, tất cả các nước trên thế giới, từ các nước tiên tiến đến các nướcđang phát triển và chậm phát triển đang rất quan tâm đến vấn đề ô nhiễm không khí

và sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu truyền thống.Tình hình nguồn nhiên liệu dầu mỏhiện nay không ổn định, giá dầu thường thay đổi lớn theo những b iến động chính trị,khó dự báo Khí thải của động cơ đốt trong chính là các tác nhân chủ yếu gây nên ônhiễm không khí

Các tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ đốt trong có thểlàm cho cơ thể bị thiếu Oxy, nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn, gây viêm, ho, khó thở

và làm hủy hoại các tế bào cơ quan hô hấp, gây ra căn bệnh ung thư máu, gây rốiloạn hệ thần kinh, gây ra các bệnh về gan và làm trẻ em chậm phát triển trí tuệ….Ngoài ra khí thải động cơ còn làm thay đổi nhiệt độ khí quyển và ảnh hưởng đếnmôi trường sinh thái

Hiện nay giải pháp xử lý ô nhiễm môi trường có hai cách: Xử lý ô nhiễmvới các động cơ đang sử dụng và tìm kiếm sử dụng các nguồn năng lượng sạch Trong đó có năng lượng điện và sử dụng pin nhiên liệu cho vận hành ô tô , làm giảmkhí thải của động cơ đốt trong , giảm gây ô nhiểm môi trường và giảm gây tác hạiđến sức khoẻ con người

Với khả năng ban đầu này Chúng em hy vọng sẽ ứng dụng và phát huyđược những kiến thức từ môn học vận dụng vào trong học tập tại nhà trường vàtrang bị thêm kiến thức khi ra trường để làm việc

Kính chúc Thầy VÕ ĐẮC THỊNH luôn mạnh khỏe để đào tạo ra nhiều cửnhân , hay kỹ sư tương lai cho nước nhà Chúng em chân thành cảm ơn Thầy

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

TRANG MỤC LỤC

I Năng lượng điện và pin năng lượng : trang 5-11

1 Định nghĩa pin năng lượng : trang 5

2 Pin nhiên liệu ( FUEL CELL (FC) ) : trang 5

a Sơ đồ cấu tạo pin nhiên liệu ( FC ) :

b Ưu điểm và nhược điểm của FC :

c Các hệ thống của FC :

d Khả năng thải nhiệt và thu hồi nhiệt trong pin nhiên liệu :

e Cấu tạo ô tô FC :

f Sản xuất Hydro :

II Lịch sử phát triển của pin nhiên liệu : trang 11III Đặc điểm của pin nhiên liệu : trang 12-19

1 Độ tin cậy và hiệu suất cao :

2 Đặc tính về môi trường và bảng so sánh với xe sử dụng nhiên liệu thường

a Đặc tính về môi trường :

b So sánh xe sử dụng pin nhiên liệu với các xe sử dụng nhiên liệu thường:

3 Pin nhiên liệu như một bộ chuyển hóa năng lượng :

4 Ưu và nhược điểm của pin nhiên liệu :

5 Phân loại pin nhiên liệu :

6 Tiềm năng của pin nhiên liệu :

7 Sử dụng cho ôtô điện:

IV phần đề nghị trang 20

V Danh mục tài liệu tham khảo trang 21

N ĂNG LƯỢNG ĐIỆN

I N ăng lượng điện và pin năng lượng :

1 Định nghĩa pin năng lượng :

Pin nhiên liệu là một pin tạo ra dòng điện trực tiếp từ một phản ứng hoá học.Giống như một ắcquy, nhưng khác nhau ở chỗ là pin nhiên liệu được thiết kế saocho chất phản ứng được cung cấp liên tục cho đến hết , nó tạo ra điện từ nguồn nhiênliệu cung cấp bên ngoài và oxy ngược lại khả năng tích trữ năng lượng bên tronggiới hạn của ắcquy Hơn nữa, trong khi điện tích bên trong ắcquy phản ứng và thayđổi như là một ắcquy tích hoặc phóng điện, điện tích của pin nhiên liệu thì xúc tác

và tương đối ổn định

2 Pin nhiên liệu ( FUEL CELL FC )

a Sơ đồ cấu tạo pin nhiên liệu ( FC ) :

 FC là một thiết bị dùng Hydro ( hay các nhiên liệu giàu Hydro ) và Oxy để tạo

ra điện bằng một quá trình điện hóa

 Các loại FC : Màng ngăn chuyển đổi Proton, axitPhotphoric , Metanol trựctiếp , kiềm , muối Cacbonate nóng chảy , oxit kim loại

Hình 5.1: Sơ đồ cấu tạo FC kiềm.

Hình 5.2: Sơ đồ FC màng ngăn chuyển đổi Proton.

 FC màng ngăn chuyển đổi Proton và axit Photphoric, các proton di chuyểntrong chất điện phân đến cực âm để kết hợp với Oxy và các electron để sinh

ra nước

 FC kiềm , muối Cacbonat nóng chảy và Oxit kim loại các ion âm di chuyểntrong chất điện phân sang cực dương (anode) , tại đó chúng kết hợp với

Hydro để tạo thành nước và các electron

 Lượng điện thu được từ FC phụ thuộc vào nhiều yếu tố như : Loại FC , kích

cỡ pin , nhiệt độ hoạt động và áp suất không khí được cung cấp vào pin Các

FC riêng rẽ được ghép nối tiếp với nhau tạo thành cụm FC

b Ưu điểm và nhược điểm của FC :

 Ưu điểm của FC :

 Hiệu suất cao

 Dường như không có ô nhiễm môi trường

 Động cơ điện sử dụng FC có hiệu suất cao, không có tiếng ồn, có đường đặttính tốt hơn so với động cơ đốt trong, ít bảo trì, bảo dưỡng, dễ sửa chữa

 Hydro có thể được điều chế từ nước

 So với bình điện (ắcquy) thì pin nhiên có khối lượng và thể tích nhỏ hơn

 Nhược điểm FC :

 Chi phí đầu tư ban đầu cho ô tô FC rất cao

 Hydro không tồn tại ở trạng thái đơn chất , điều chế, sản xuất Hydro rất khókhăn và tốn kém đôi khi nó dẫn đến ô nhiễm môi trường

 Yêu cầu kỹ thuật bình chứa nhiên liệu rất khắt khe

 Cơ sở hạ tầng cho Hydro chưa có , thói quen sử dụng Hydro còn hạn chế

c Các hệ thống của FC :

 Bộ xử lý nhiên liệu

 Thiết bị biến đổi năng lượng (FC hay cụm FC)

 Máy biến đổi dòng điện

 Hệ thống thu hồi nhiệt

 Các hệ thống phụ để xử lý độ ẩm , nhiệt độ , áp suất khí và nước thải của FC

Hình 5.3: Sơ đồ cấu tạo hệ thống FC.

d Khả năng thải nhiệt và thu hồi nhiệt trong pin nhiên liệu :

 Hiệu suất hệ thống FC hoạt động ở công suất cực đại là khoảng 40% Do đóđối với một hệ thống FC ta có sự cân bằng năng lượng giữa các phần gần đúngnhư sau : Công suất / làm mát / khí thải = 40 / 50 / 10%

 Nhiệt độ chất làm mát của FC đặc biệt thấp , khoảng 800C

 Vấn đề đặt ra là nâng cao hiệu quả giải nhiệt và giải phàp thu hồi năng lượngnhiệt này, nâng cao công suất mạng điện ra Một trong các giải pháp là tăng kíchthước bộ tản nhiệt, tăng kích thước của cụm FC

e Cấu tạo ô tô FC :

 Động cơ điện xoay chiều AC, bộ truyền lực

 Bình ắcquy và một tụ điện hỗ trợ được nối chung qua hệ thống FC để cung ấpnăng lượng bổ sung và cũng dùng để khởi động

 FC không vận hành bằng Hydro thì gắn thêm thùng xăng hay Methanol lên ôtô

.

Hình 5.4: Sơ đồ cấu tạo một hệ thống ô tô FC

d Sản xuất Hydro :

 Chuyển đổi hơi :

Các nhiên liệu chứa Hydro phân hủy trong hơi nước dưới chất xúc tác là Nicken

để tạo ra hỗn hợp Hydro và CO

CnHm + nH2O + Q(Nhiệt) → nCO + (n + m/2)H2

 Chuyển đổi Oxy hóa từng phần :

Phản ứng nghèo của Oxy (trong không khí) với nhiên liệu để tạo ra Hydro va CO.CnHm + n/2O2 → nCO + m/2H2 + Q (Nhiệt)

 Chuyển đổi nhiệt tự động :

Nhiên liệu, hơi nước và Oxy (trong không khí) được cấp thông qua hỗn hợp chấtđệm xúc tác cho cả hai phản ứng Oxy hóa từng phần và chuyển đổi hơi, loại bỏ bộcháy hoặc nguồn nhiệt bên ngoài cần thiết

CnHm + n/2O2 → nCO + m/2H2 + Q (Nhiệt)

CnHm + nH2O + Q(Nhiệt) → nCO + (n + m/2)H2

 Chuyển đổi phân ly nhiệt :

Sử dụng nhiệt để phá hủy nhiên liệu , sinh ra Hydro v à và Cacbon rắn

CnHm + Q(Nhiệt) → nC + m/2H2

 Điện phân nước :

Hình5.5: Sơ đồ quá trình điện phân điển hình

Hình5 6: Sơ đồ trạm sản xuất và cung cấp Hydro tại

II Lịch sử phát triển của pin nhiên liệu :

William Robert Grove (1811 – 1896), một luật gia – nhà vật lý người Anh đã tạo

ra pin nhiên liệu đầu tiên vào năm 1839

Vào năm 1900 các nghiên cứu đã chuyển trực tiếp năng lượng hoá học của cácdạng năng lượng hoá thạch sang điện năng, tiêu biểu là hệ thống pin nhiên liệuHydro ra đời

Vào năm 1920, A Schmid là người tiên phong trong việc xây dựng bộ phân tíchbằng Platium, các điện cực carbon – hydro xốp dưới hình thức ống

Năm 1970 K.Kordesh xây dựng bộ pin nhiên liệu kết hợp ắcquy trên một ô tô lai 4chỗ và đã hoạt động được 3 năm ở thành phố thường xảy ra kẹt xe

Đến giữa năm 1970 tế bào nhiên liệu dùng hệ thống axit photphoric ra đời

Vào những năm 1980 pin nhiên liệu dùng cacbon nấu chảy (MCFC) phát triểnmạnh

Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) và pin nhiên liệu dạng màng (PEFC) được phá ttriển vào thập niên 1990, trong đó pin PEFC có công suất rất cao

III Đặc điểm của pin nhiên liệu :

Pin nhiên liệu có các đặc điểm tốt về hiệu suất, độ tin cậy, tính kinh tế, tích sạchcho môi trường và tiềm năng phát triển cho tương lai

Pin nhiên liệu có thể dễ dàng hiệu chỉnh bất cứ độ lệch nào từ bộ tạo tần trênphạm vi vùng cơ bản Lợi ích này dẫn đến độ ổn định của toàn thể hệ thống tăng lên,

và khắc phục được những bất lợi của pin hiện tại

Bộ pin nhiên liệu có tỉ nhiệt tải từn g phần rất tốt và có thể đáp ứng dần cho tảitrong thời gian ngắn

1 Độ tin cậy và hiệu suất cao :

Pin nhiên liệu có thể chuyển đổi đến 90 % năng lượng có trong bản thân nhiênliệu thành điện năng và nhiệt Hiện tại thiết kế của pin nhiên liệu dạng axitphosphoric (PAFC) có hiệu suất chuyển đổi điện là 42%, và gần đây với hiệu suấtchuyển đổi điện có thể tăng đến 46% Viện nghiên cứu năng lượng điện đánh giárằng tiến bộ trong pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy có thể đạt được hiệu suất điệnhơn 60% và còn có thể tăng lên nữa Hơn nữa, hiệu suất của pin nhiên liệu phụ thuộcvào độ lớn của kích thước riêng Pin nhiên liệu có thể hoạt động ở một nửa dunglượng trong khi duy trì năng suất sử dụng nhiên liệu cao

Một thuộc tính quan trọng của pin nhiên liệu là khả năng đồng phát; như sản sinh

ra nước nóng và hơi nước ở cùng một thời gian khi nó phát ra điện năng Hệ số đầu

ra điện – nhiệt độ thì tương đương với 1.0, trong khi hệ số của tua-bin khí vàokhoảng 0.5 Đặc điểm này có nghĩa là pin nhiên liệu hợp với tải nhiệt Với kíchthước nhỏ hơn và hệ thống năng lượng công cộng tiện dụng

Do có chứa vài phần chuyển động, nên pin nhiên liệu phải có độ tin cậy cao sovới động cơ đốt trong Bởi vậy, pin nhiên liệu sẽ không có sự cố nghiêm tọng, trongkhi các tua-bin hay động cơ đốt trong sẽ gặp phải nếu các phần chuyển đông quay bịhỏng

a Đặc tính về môi trường :

Sự thay thế của pin nhiên liệu cho nhà máy năng lượng thường sẽ cải thiện đượcchất lượng của không khí Sự phát thải của nhà máy pin nhiên liệu thấp hơn 10 lần

so với các qui định nghiêm ngặt về môi trường Pin nhiên liệu cũng sản sinh ra mức

CO2 thấp hơn so với các qui định về môi trường của các nhà máy, một vấn đề liênquan tới “hiệu ứng nhà kính”

Phản ứng điện hóa của pin nhiên liệu sản sinh ra nước nhưng nhà máy điện vẫncần một ít nước bên ngoài để hoạt động Cách dùng này đánh dấu một điểm tráingược lớn với các nhà máy điện hơi nước là cần một lượng nước rất lớn cho quátrình làm mát Lượng nước hao phí được thải ra từ hệ thống pin nhiên liệu cũngthấp, và số lượng được so sánh hơn với qui ước của các nhà máy điệ n dùng nhiênliệu địa khai Khử pin nhiên liệu hoặc làm giảm số lượng nước là những vấn đề kếthợp với quá trình thải nhiệt

Quá trình điện hoá tự nhiên của pin nhiên liệu khử được nhiều nguồn gây ồn và

bộ chuyển đổi năng lượng của pin nhiên liệu có trong số phương pháp chiếm ít rủi ronhất, bởi vì các lý do kích thước tương đối nhỏ của chúng, không có đốt cháy, mứcthải ô nhiễm thấp

Khí thải tại Châu Âu 2002

Xe tải nhỏ 16 lít dầu diesel 1.910 Wh / km 1.000 Wh / km

Bảng 1: Trung bình tiêu thụ xe thường và xe điện

 Những con số này cho thấy, xe điện, xe tải nhỏ, tương ứng tiêu thụ 54%, 4 7%

và 52% của năng lượng cơ bản cần thiết của xe đốt trong Rõ ràng là xe điện

có nhiều năng lượng hiệu quả

 Điều này sẽ làm tăng lợi thế khi nó sẽ có thể nạp tiền xe bằng cách kết nốitrực tiếp với các nguồn sản xuất điện với hiệu quả tổng sản lượng vượt quá50% (thực vật kết hợp với khí / hơi nước chu kỳ, các tế bào nhiên liệu, pinđệm, vv)

 Có tính đến một số dặm trung bình là 10.000 km / năm, là con số tiêu chuẩncho các loại xe tại các đô thị, tiết kiệm năng lượng thu được bằng cách t haythế xe thường bởi xe điện là:

Năng lượng tiết kiệm[kWh / năm

/ xe]

Tiết kiệm năng lượng chuyển thành khốilượng nhiên liệu [lít / năm / xe]Ôtô 4210

Pin nhiên liệu là một pin điện hóa Pin có thể chuyển đổi liên tục năng lượnghóa năng của nhiên liệu và chất oxy-hóa thành năng lượng điện thông qua quá trình

cơ bản gồm hệ thống điện cực - chất điện phân Pin nhiên liệu hoạt động ở một hiệusuất cao với mức phát thải rất thấp đối với hầu hết các mức chuẩn

Pin nhiên liệu có đặc điểm của một module và vì thế có thể gắn liền với mộtdiện rộng công suất yêu cầu từ vài trăm Watt đến hàng chục kW, hàng MW Pinnhiên liệu cho một mức phát thải thấp, nhà máy pin nhiên liệu có thể lắp đặt vào vịtrí, những nơi năng lượng bị lãng phí, thậm chí ở những nơi đông dân Kết quả làđường đặc tuyến công suất truyền động thì kinh tế hơn và sự hao phí truyền độngđược giảm xuống

Nguyên lý cơ bản của pin nhiên liệu được biết đến nhiều ở pin điện hóa, liênquan đến nhiều hoạt động trong cuộc sống của con người Sự khác biệt lớn nhất,

năng lượng hóa năng được cung cấp bởi nhiên liệu và chất oxy-hóa được lưu trữ bêntrong pin, nơi các phản ứng hóa học thay thế Với điều kiện là pin được cung cấpnhiên liệu và chất oxi-hóa năng lượng điện có thể thu được như hình 1.6.

Hình: Bộ chuyển đổi năng lượng trực tiếp với pin nhiên liệu so sánh với kỹ thuật

biến đổi thông thường (trong công nghiệp).

Pin nhiên liệu chắc chắn sẽ là vai trò mấu chốt ở viễn cảnh năng lượng ở tươnglai Đặc điểm quan trọng nhất của chúng là hiệu suất cao và mức phát thải và độ ồn

ở mức thấp, tương lai sẽ có tính bắt buộc ở các nhà máy phát điện Có thể hydro sẽ

có mặt ở hệ thống năng lượng chính của thế kỷ 21, cũng như là nhiều kỹ thuật học

đã vạch ra, sau đó pin nhiên liệu sẽ là đặc điểm không thể tranh cải trong tất cả các

bộ chuyển đổi năng lượng nào khác

Hình: Bộ chuyển đổi năng lượng trực tiếp với pin nhiên liệu so sánh với kỹ thuật

biến đổi thông thường (trong ô tô).

Chuyển đổi năng

 Ưu điểm :

Pin nhiên liệu có thể được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như: bệnh viện,các phương tiện vận chuyển, trạm không gian, khách sạn, các nhu cầu sinh hoạt củacon người…

So với năng lượng truyền thống, pin nhiên liệu không gây ô nhiễm môi trường;sản phẩm thải ra là H2O

 Hiệu suất cao > 60%

 Độ tin cậy cao

 Không gây ra tiếng ồn

 Nhược điểm :

Giá thành cao (hệ thống pin nhiên liệu loại màng khoảng 1000 đến 20.000 $ trênmột đơn vị KW )

5 Phân loại pin nhiên liệu :

Dựa vào đặc điểm của chúng ta có thể phân thành các loại sau:

 Pin trực tiếp

 Pin gián tiếp

 Pin nhiên liệu tái tạo

Ở pin nhiên liệu kiểu trực tiếp, sản phẩm phản ứng của pin được thải ra, trong khi

ở pin nhiên liệu tái tạo, chất phản ứng đã dùng rồi được tái sinh từ kết quả của củamột vài phương pháp như đã chỉ trong bảng Hai kiểu pin nhiên liệu trực tiếp và kiểutái tạo có thể so sánh với loại pin sơ cấp và pin thứ cấp Kiểu thứ ba là kiểu pinnhiên liệu gián tiếp, thí dụ như pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu hữu cơ để chuyểnhóa thành hydro Pin nhiên liệu hóa sinh cũng tương tự: bản chất của hóa sinh làphân hủy, nghĩa là một dung dịch có chứa enzym (đôi khi bổ sung thêm vi khuẩn) đểsản xuất hydro

Tuỳ theo phạm vi nhiệt độ hoạt động trong mỗi pin nhiên liệu lại được chia thànhbốn nhóm chính:

• Nhiệt độ của pin nhiên liệu mức thấp 25 -100oC