PIN NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG ETHNOL LÀM NHIÊN LIỆU TRỰC TiẾP

Định nghĩa: Pin nhiên liệu là pin điện hóa, thực hiện chuyển hóa năng lượng hóa học thành năng lượng điện. Pin nhiên liệu được phát minh vào năm 1838 bởi nhà hóa học người Đức Christian Friedrich Schönbein Trong Pin nhiên liệu, điện được sinh ra từ phản ứng giữa một nhiên liệu và một tác nhân ô xy hóa. Tác nhân phản ứng được đưa vào và sản phẩm phản ứng được đưa ra liên tục trong suốt thời gian hoạt động của pin. Pin nhiên liệu khác với pin điện hóa truyền thống với đặc điểm pin nhiên liệu tiêu thụ tác nhân phản ứng từ nguồn bên ngoài và phải được bổ sung (hệ nhiệt động mở).

BÁO CÁO

PIN NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG ETHNOL

LÀM NHIÊN LIỆU TRỰC TiẾP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

GVHD : TS NGUYỄN HỮU LƯƠNG

HCM , 5/2010

GIỚI THIỆU PIN NHIÊN LIỆU

Định nghĩa: Pin nhiên liệu là pin điện hóa, thực hiện chuyển hóa năng lượng hóa học thành năng lượng điện

Pin nhiên liệu được phát minh vào năm 1838 bởi nhà hóa học người Đức Christian Friedrich Schönbein

Trong Pin nhiên liệu, điện được sinh ra từ phản ứng giữa một nhiên liệu

và một tác nhân ô xy hóa Tác nhân phản ứng được đưa vào và sản phẩm phản ứng được đưa ra liên tục trong suốt thời gian hoạt động của pin.

Pin nhiên liệu khác với pin điện hóa truyền thống với đặc điểm pin nhiên liệu tiêu thụ tác nhân phản ứng từ nguồn bên ngoài và phải được bổ sung (hệ nhiệt động mở).

3

GIỚI THIỆU PIN NHIÊN LIỆU

Cấu tạo pin nhiên liệu:Pin nhiên liệu được tạo nên từ 3 phần (anot, catot và chất điện phân).

Tại anot, nhiên liệu được oxy hóa trong sự có mặt của xúc tác sẽ chuyển thành một ion dương và một electron

Chất điện phân có đặc điểm: ion có thể đi qua nhưng không cho phép electron đi qua Electron đi qua dây dẫn và tạo nên dòng điện Ion dương

đi qua dung dịch điện phân qua bên catot Tại catot, các ion kết hợp với các electron và phản ứng với oxy để tạo ra nước hoặc CO2

Xúc tác tại anot thông thường bột platin

Xúc tác tại tại catot được chế tạo từ kim loại Niken

GIỚI THIỆU PIN NHIÊN LIỆU

5

Fuel cell name Electrolyte Qualified power

(W) Working temperature (°C) Efficiency (cell)

Efficiency (system) Status (USD/W)Cost

Metal hydride fuel cell Aqueous alkaline solution > -20 Commercial / Rese

arch

(50% Ppeak @ 0°C)

Electro-galvanic fuel cell Aqueous alkaline solution < 40 Commercial / Research

Direct formic acid fuel cell (DFAFC) Polymer membrane (ionomer) < 50 W < 40 Commercial / Research

Zinc-air battery Aqueous alkaline solution < 40 Mass production

Microbial fuel cell Polymer membrane or humic acid < 40 Research

Upflow microbial fuel cell

Regenerative fuel cell Polymer membrane (ionomer) < 50 Commercial / Research

Direct borohydride fuel cell Aqueous alkaline solution 70 Commercial

Alkaline fuel cell Aqueous alkaline solution 10 – 100 kW < 80 60–70% 62% Commercial / Research

Direct methanol fuel cell Polymer membrane (ionomer) 100 mW – 1 kW 90–120 20–30% 10–20% Commercial / Research 125

Reformed methanol fuel cell Polymer membrane (ionomer) 5 W – 100 kW

250–300 (Reformer) 50–60% 25–40% Commercial / Research125–200 (PBI)

Direct-ethanol fuel cell Polymer membrane (ionomer) < 140 mW/cm² > 25 Research

Proton exchange membrane fuel cel

l Polymer membrane (ionomer) 100 W – 500 kW 50–120 (Nafion) 50–70% 30–50% Commercial / Research 30–35

125–220 (PBI)

RFC - Redox Liquid electrolytes with redox shu

ttle and polymer membrane (Iono mer)

Phosphoric acid fuel cell Molten phosphoric acid (H3PO4) < 10 MW 150-200 55% 40% Commercial / Research 4–4.50

GIỚI THIỆU PIN NHIÊN LIỆU

Fuel cell name Electrolyte Qualified power

(W) Working temperature (°C) Efficiency (cell)

Efficiency (system) Status (USD/W)Cost

Metal hydride fuel cell Aqueous alkaline solution > -20 Commercial / Rese

arch Proton exchange membrane fuel cel

l Polymer membrane (ionomer) 100 W – 500 kW 125–220 (PBI) 50–70% 30–50% Commercial / Research 30–35

RFC - Redox Liquid electrolytes with redox shu

ttle and polymer membrane (Iono mer)

Phosphoric acid fuel cell Molten phosphoric acid (H3PO4) < 10 MW 150-200 55% 40% Commercial / Research 4–4.50

Co-Gen: 90%

Molten carbonate fuel cell Molten alkaline carbonate 100 MW 600-650 55% 47% Commercial / Research

Tubular solid oxide fuel cell (TSOFC) O2 conducting ceramic oxide < 100 MW 850-1100 60–65% 55–60% Commercial / Research

Protonic ceramic fuel cell H + -conducting ceramic oxide 700 Research

Direct carbon fuel cell Several different 700-850 80% 70% Commercial / Research

Planar Solid oxide fuel cell O2 conducting ceramic oxide < 100 MW 500-1100 60–65% 55–60% Commercial / Research

Enzymatic Biofuel Cells Any that will not denature the

Magnesium-Air Fuel Cell salt water -75 90% Commercial / Research

GIỚI THIỆU PIN NHIÊN LIỆU

Ứng dụng:

- Cung cấp điện, đặc biệt hữu ích cho những khu vực biệt lập như tàu không gian, trạm dự báo thời tiết và một số ứng dụng trong quân sự;

- Cung cấp năng lượng cho động cơ trong phương tiện giao thông đường

bộ, hàng không và đường thủy;

-Và một số ứng dụng khác.

7

DEFCs sử dụng ethanol làm nhiên liệu.

Etanol có những đặc điểm thuận lợi sau để chế tạo pin nhiên liệu:

• Etanol có tỷ lệ lớn hydro trong phân tử, mật độ năng lượng (8.0 kWh/

kg) cao hơn so với metanol (6,1 kWh/kg);

•Một lượng lớn etanol có thể thu được từ quá trình lên men từ nguồn

nguyên liệu tái tạo như rỉ đường, bột mỳ, ngô;

•Bồn chứa và cơ sở hạ tầng không khó khăn như pin nhiên liệu sử

dụng hydro;

•So với đa phần các phân tử hữu cơ khác, etanol có kích thước khá

nhỏ, điều này tạo điều kiện thuận lợi cho xúc tác trên cơ sở kim loại Pt thường được sử dụng để chế tạo pin nhiên liệu

PEM DEFC

9

Phương trình

AEM DEFCs

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HOẠT ĐỘNG CỦA

PIN AEM DEFCs SỬ DỤNG ĐIỆN CỰC TÍCH HỢP

Thực nghiệm

Kết cấu điện cực màng (membrane electrode assembies-MEA)

•Diện tích hoạt động của MEA: 1cm x 1cm

•Điện cực anot và catot được làm bằng thép không gỉ

•Điện cực catot với xúc tác Fe-Co HYPERMEC K14

•Màng trao đổi anion (A201)

•Điện cực anot, với xúc tác được chuẩn bị theo 2 cách như sau

Thành phần Xúc tác PdNi/C (3,5 nm) PTFE (chất kết dính, 5%kl) Etanol (dung môi)

Khuấy 10 phút để đảm bảo thành phần trong hỗn hợp được phân bố đồng đều

Cách 1:

Hỗn hợp được quét lên bề mặt của lớp bọt Niken

Cách 2 Hỗn hợp được pha loãng với etanol và khuấy liên tục;

Thực nghiệm

•Dung dịch chứa etanol 3,0M và KOH 5,0 M, được bơm vào anot với tốc độ 1 ml/phút

•Oxy tinh khiết 99,5% tại áp suất khí quyển được đưa vào catot với lưu lượng 100 cm3/phút

13

Kết quả nghiên cứu và giải thích

Nhận xét: anot tích hợp hoạt động tốt hơn anot được thiết kế truyền thống: mật độ điện năng tại đỉnh của anot tích hợp là 74 mWcm-2, cao hơn 37% so với anot truyền thống Anot tích hợp tạo ra mật độ dòng điện lớn nhất 580 mAcm-2, cao hơn 21% so với thiết kế truyền thống Kết quả này là do:

Diện tích bề mặt hoạt động tăng;

 Hoạt động của pin

Kết quả nghiên cứu và giải thích

Tốc độ truyền khối tăng: độ xốp cao và kích thước lỗ rỗng lớn, tạo điều kiện thuận lợi hơn cho vật chất đi qua;

 Điện trở giảm:

Kết quả nghiên cứu và giải thích

- Độ xốp và kich thước lỗ trống cao hơn tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình vận chuyển ion OH-

- Electron tạo ra từ phản ứng oxy hóa etanol trong lớp xúc tác có thể được dẫn nhanh qua lớp bọt Niken tạo thành đường dẫn liên tục làm giảm điện trở của pin

Kết quả nghiên cứu và giải thích

Khi tăng lượng Pd từ 1,5 đến 2,0 mg.cm-2, hiệu quả hoạt động của pin tăng lên đáng kể, cụ thể là mật độ năng lượng tại đỉnh tăng từ 66 đến 102 mWcm-2 Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng lượng Pd trong anot tích hợp từ 2,5 đến 3,0 mg.cm-2 sẽ dẫn đến mật độ năng lượng giảm từ

85 đến 74 mWcm-2, có nghĩa hiệu quả hoạt động của pin giảm Hiệu quả hoạt động của pin đạt được tốt nhất khi lượng Pd trong anot đạt 2,0 mg.cm-2

Hiện tượng này có thể được giải thích là do nếu lượng Pd quá lớn sẽ làm giảm các lỗ trống

mở của bọt niken, điều này không chỉ làm giảm EASA của màng xúc tác mỏng mà còn làm

tăng trở lực truyền khối và truyền điện

 Tồn tại giá trị lượng Pd tối ưu trong điện cực anot tích hợp sao cho hoạt động của pin là

tốt nhất

Kết quả nghiên cứu và giải thích

Kết quả nghiên cứu và giải thích

Hoạt động của pin sẽ được cải thiện khi tăng nhiệt độ Mật độ năng lượng tại đỉnh là 87 mW

cm-2 ở nhiệt độ 50oC và sẽ tăng đến 130mW cm-2 ở nhiệt độ 80oC Hơn thế nữa, mật độ dòng điện tối đa là 820 mA-2 tại 50oC và tăng đến 1.060 mAcm-2 tại 80oC

Tăng nhiệt độ sẽ làm tăng động học điện hóa của cả hai phản ứng oxy hóa etanol tại anot và khử oxy tại catot, điều này làm tăng điện thế của pin; tăng nhiệt độ sẽ làm tăng tốc độ truyền khối và truyền điện tích

KẾT LUẬN

Anot tích hợp được tạo thành bởi lớp bọt niken với mảng xúc tác mỏng bám vào khung sườn của lớp bọt hoạt động tốt hơn so với pin nhiên liệu sử dụng anot truyền thống, thực nghiệm đã chứng minh trên đã chứng minh do

những nguyên nhân sau

màng, dẫn đến diện tích bề mặt hoạt động tăng lên đáng kể;

vận chuyển tác nhân phản ứng/sản phẩm và các io;

cao nhất;