Tích trữ năng lượng (tiếp theo)

Ứng dụng của pin nhiên liệuPin nhiên liệu Nạp điện từ pin mặt trời ngay lúc đang chạy Xe điện lai Bộ quản lý năng lượng... 11 Bài giảng 11Bộ điện phân  Dòng điện chạy cưỡng bức qua một

Trang 1

1 Bài giảng 11

408004 Năng lượng tái tạo

Giảng viên: TS Nguyễn Quang Nam

2013 – 2014, HK1

http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php

nqnam@hcmut.edu.vn

Trang 2

Ch 5: Tích trữ năng lượng

5.8 Giới thiệu về pin nhiên liệu

5.9 Bộ điện phân

5.10 Nhiệt động học của pin nhiên liệu

5.11 Hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu

5.12 Đặc tính của pin nhiên liệu (lý tưởng và thực) 5.13 Các loại pin nhiên liệu

Trang 3

3 Bài giảng 11

Giới thiệu về pin nhiên liệu

Trang 4

 Quá trình tạo ra và lưu trữ điện năng từ các nguồn năng lượng tái tạo, dùng pin nhiên liệu

Trang 5

5 Bài giảng 11

Trang 6

Ứng dụng của pin nhiên liệu

Trang 7

7 Bài giảng 11

Trang 8

Trang 9

9 Bài giảng 11

Pin nhiên liệu

Nạp điện từ lưới điện cố định

Xe điện

Trang 10

Pin nhiên liệu

Nạp điện từ pin mặt trời

ngay lúc đang chạy

Xe điện lai

Bộ quản lý năng lượng

Trang 11

11 Bài giảng 11

Bộ điện phân

 Dòng điện chạy cưỡng bức qua một chất điện ly có thể được dùng để tách các phân tử nước thành khí hyđrô và ôxy Hiệu suất tổng có thể đến 85%

Trang 12

 Nước đã khử ion phân ly thành proton, điện tử, và ôxy Proton xuyên qua màng, và tái hợp với điện tử để tạo thành khí hyđrô

Trang 13

13 Bài giảng 11

Trang 14

Pin nhiên liệu

 Màng mỏng cho phép ion dương đi qua, nhưng không cho phép điện tử hay khí trung hòa

Trang 15

15 Bài giảng 11

Hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu

Trang 16

Trang 17

17 Bài giảng 11

 Để tạo điện áp đủ lớn, có thể mắc nối tiếp các pin nhiên liệu, và các đĩa tạo dòng chảy trong bộ pin nhiên liệu được thiết kế để dẫn cả ôxy lẫn hyđrô

Trang 18

Trang 19

19 Bài giảng 11

Trang 20

Nhiệt động học PNL: Enthalpy

 Khi xét đến pin nhiên liệu, ta quan tâm đến sự thay đổi hóa năng, và những thay đổi này được diễn tả tốt nhất bằng sự thay đổi enthalpy

 Khi xét enthalpy, ta giả thiết nhiệt độ là 25 °C và áp suất là

1 atm (nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, STP)

 Một cách hiểu về enthalpy là nó là năng lượng cần thiết để tạo thành chất đó từ các chất thành phần của nó

Trang 21

21 Bài giảng 11

 Trong các phản ứng hóa học, sự khác biệt enthalpy của

sản phẩm và enthalpy của các chất phản ứng cho chúng ta biết có bao nhiêu năng lượng được giải phóng hay hấp thụ trong phản ứng

 Khi có ít enthalpy trong sản phẩm sau cùng hơn so với

trong các chất phản ứng, nhiệt được giải phóng – nghĩa là, phản ứng tỏa nhiệt

 Ngược lại, nhiệt được hấp thụ và phản ứng được gọi là thu nhiệt

Trang 22

 Khi sản phẩm là nước lỏng:

 Khi sản phẩm là hơi nước:

 Dấu trừ của độ thay đổi enthalpy trong các phản ứng trên cho ta biết chúng là các phản ứng tỏa nhiệt; nghĩa là nhiệt được sinh ra

 Sự khác biệt giữa enthalpy của nước lỏng và hơi nước là

( ) l O H

O

( ) g O

H O

Trang 23

23 Bài giảng 11

Trang 24

Ví dụ 4.8

 Tìm nhiệt trị cao (HHV) của mêtan CH4 trong đơn vị kJ/mol

và kJ/kg khi nó bị ôxy hóa thành CO2 và H2O (lỏng)

2 , 890

0 2

9 , 74 8

, 285 2

5 ,

393

−

=

× +

−

× +

−

=

kJ/kg 490

55 g/kg

1000 g/mol

043 ,

16

kJ/mol 2

Trang 25

25 Bài giảng 11

Hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu

 Trong hệ thống phân cấp các dạng năng lượng, một số dạng “tốt hơn” các dạng khác Điện năng và cơ năng (sinh công) có chất lượng cao nhất Nhiệt năng có chất lượng thấp hơn nhiều, trong

đó nhiệt năng ở nhiệt độ thấp có giá trị thấp hơn nhiệt năng ở nhiệt độ cao.

 Hóa năng tốt hơn nhiệt năng, nhưng kém hơn điện năng và cơ năng.

 Khi có một nhiệt lượng Q (kJ) được lấy khỏi một bộ trữ nhiệt với nhiệt độ T ( ° K) không đổi, sự hao hụt entropy ∆ S từ bộ trữ được định nghĩa là

T

Q

S =

∆

Trang 26

 Xét một sơ đồ pin nhiên liệu, thỏa mãn định luật thứ hai nhiệt

động học (có một sự gia tăng entropy, xét tổng thể).

 Xét độ thay đổi entropy

 Nếu quá trình là đẳng nhiệt

 Định luật nhiệt động học thứ hai

H O

Trang 27

27 Bài giảng 11

 Phải có một lượng nhiệt tối thiểu trong pin nhiên liệu Chúng ta có thể dễ dàng xác định hiệu suất cực đại của pin nhiên liệu

H = e +

H

Q H

Q

H H

Trang 28

Ví dụ 4.9

 Giả sử một pin nhiên liệu hoạt động ở 25 ° C (298 K) và 1 atm tạo ra nước lỏng (nghĩa là, chúng ta sử dụng nhiệt trị cao

HHV của nhiên liệu hydrô):

H 2 + ½O 2 → H 2 O(l) ∆ H = –285,8 kJ/mol H 2

a) Tìm nhiệt lượng tối thiểu sinh ra đối với mỗi mol H 2

b) Hiệu suất cực đại của pin nhiên liệu là bao nhiêu?

 Sự sụt giảm entropy của các chất phản ứng

Σ S reactants = 0,13 × 1 + 0,205 × 0,5 = 0,2325 kJ/K

 Sự gia tăng entropy trong sản phẩm nước lỏng

Trang 29

29 Bài giảng 11

Ví dụ 4.9

 Nhiệt lượng tối thiểu sinh ra trong quá trình là

Qmin = T(Σ Sreactants – Σ Sproducts) = 298(0,2325 – 0,0699)

= 48,45 kJ/mol H2

 Enthalpy thừa ra trong quá trình tạo thành nước lỏng từ H2

và O2 là H = 285,8 kJ/mol H2 Hiệu suất cực đại xảy ra khi

Q là tối thiểu

% 83 83

,

0 8

, 285

45 ,

48 1

1 min max = − = − = =

H Q

η

Trang 30

Năng lượng tự do Gibbs và hiệu suất PNL

 Hóa năng được giải phóng trong một phản ứng có thể được coi như gồm hai phần: một phần không liên quan đến

entropy, được gọi là năng lượng tự do ∆G, có thể được

chuyển hóa trực tiếp thành điện năng hay công cơ học,

cộng với một phần phải tồn tại ở dạng nhiệt

 Năng lượng tự do Gibbs ∆G tương ứng với điện năng

(hoặc cơ năng) ngõ ra cực đại, không liên quan đến

Trang 31

31 Bài giảng 11

Ví dụ 4.10

 Hiệu suất cực đại tại STP của một pin nhiên liệu PEM dựa vào nhiệt trị cao (HHV) của hyđrô là bao nhiêu?

H2 + ½O2 → H2O(l) ∆H = –285,8 kJ/mol H2

 Từ bảng 4.6 năng lượng tự do Gibbs của H2 và O2 đều là 0,

và giá trị đó của sản phẩm, nước lỏng, là −237,2 kJ

∆G = −237,2 − (0 + 0) = −237,2 kJ/mol

 Vậy,

% 83 83

,

0 kJ/mol

8 , 285

kJ/mol 2

η

Trang 32

Ngõ ra của một pin nhiên liệu lý tưởng

 Với một pin nhiên liệu hyđrô lý tưởng, điện năng ngõ ra cực đại do đó bằng với độ lớn của ∆G Bên dưới là các đại

lượng điện và một số hằng số:

q = điện tích của điện tử = 1,602 × 10 −19 coulombs

N = số Avogadro = 6,022 × 10 23 phân tử/mol

v = thể tích của 1 mol khí lý tưởng tại STP = 22,4 lít/mol

n = tốc độ hyđrô đi vào pin nhiên liệu (mol/s)

I = dòng điện (A), với 1 A = 1 coulomb/s

VR = điện áp lý tưởng giữa hai điện cực (volts)

P = công suất điện sinh ra (W)

Trang 33

33 Bài giảng 11

Ngõ ra của một pin nhiên liệu lý tưởng

 Dòng điện qua tải sẽ là

 Suất tiêu thụ hyđrô của pin nhiên liệu lý tưởng này

Suất tiêu thụ hyđrô = Khối lượng/Năng lượng = 30,35 g H 2 /kWh

Trang 34

Đặc tính điện của pin nhiên liệu thực

 PNL thực không cung cấp toàn bộ năng lượng tự do Gibbs,

vì có các tổn hao

 Các tổn hao chính bao gồm tổn hao kích hoạt (cho chất xúc tác), tổn hao ohm (do điện trở nội), tổn hao fuel crossover (nhiên liệu đi ngang mà không giải phóng điện tử), và tổn

hao truyền khối (khí hyđrô và ôxy gặp khó khăn trong việc

đến được điện cực)

 Vì những lý do này và các lý do khác, các pin nhiên liệu

thực, nói chung, chỉ tạo ra khoảng 60 – 70% giá trị cực đại

lý thuyết

Trang 35

35 Bài giảng 11

Đặc tính điện của pin nhiên liệu thực

I A J

V = 0,85−0,25 = 0,85− 0,25

Trang 36

 48/0,6 = 80 pin nhiên liệu mắc nối tiếp để tạo ra 48 VDC Dòng điện cần phải chạy trong mỗi pin nhiên liệu là

I = P / V = 1000 / 48 = 20,83 A

 Dùng đường cong xấp xỉ, diện tích cần có là

A = 0,25 × I / (0,85 - Vcell) = 20,83 cm2

Trang 37

37 Bài giảng 11

Các loại pin nhiên liệu

1 Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)

2 Direct Methanol Fuel Cells (DMFC)

3 Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC)

4 Alkaline Fuel Cells (AFC)

5 Molten-Carbonate Fuel Cells (MCFC)

6 Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)

Trang 38

Trang 39

39 Bài giảng 11

 Đồng phát điện nhiệt có thể nâng hiệu suất lên đến 70%

Trang 40

Trang 41

41 Bài giảng 11

Trang 42

Thí nghiệm tại GPL

Định dạng
Số trang	42
Dung lượng	4,25 MB