Chuyên đề Năng lượng mới trên ô tô Pin nhiên liệu Fuel Cell

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 của con người….. P

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

Chương I: KHÁI QUÁT VỀ FUEL CELLS

 Do nguồn nhiên liệu hoá thạch ngày càng cạn kiệt.

 Do ô nhiễm môi trường khi sử dụng nguồn nhiên liệu hoá thạch

• Để giải quyết 2 vấn đề trên cần tìm một nguồn

nhiên liệu mới thay thế, pin nhiên liệu phát triển

II> Lịch sử của pin nhiên liệu - fuel cells

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 các dạng năng lượng hoá thạch sang điện năng, tiêu biểu là hệ thống pin nhiên liệu Hydro ra đời

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

 Ơû Anh, F.T Bacon đã chế tạo ra hệ thống pin nhiên liệu alkine sử dụng điện cực kim loại xốp là nền tảng cho NASA chế tạo tàu vũ trụ sử dụng pin nhiên liệu để đưa người lên mặt trăng vào năm 1968.

hợp acqui trên một ô tô lai 4 chỗ và đã hoạt động được

axit photphoric ra đời.

 Vào những năm 1980 pin nhiên liệu dùng cacbon nấu chảy (MCFC) phát triển mạnh.

 Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) được phát triển vào thập niên 1990.

(MFC) xuất hiện với mật độ công suất thu được rất cao

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 của con 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

III> Ưu và nhược điểm của pin nhiên liệu:

IV>Đặc điểm pin nhiên liệu:

• 1 Độ tin cậy và hiệu suất cao:

lượng có trong bản thân nhiên liệu thành điện năng và nhiệt.

suất chuyển đổi điện là 42% đến 46%, còn pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy(MCFC) có thể đạt hiệu suất điện >60%.

 Một thuộc tính quan trọng của pin nhiên liệu là khả năng cùng sản sinh ra nước nóng, hơi nước và phát ra điện năng ở cùng một thời gian.

 Do có ít chi tiết chuyển động nên pin nhiên liệu có độ tin cậy cao hơn so với động cơ đốt trong

2 Đặc tính về môi trường:

cải tiến chất lượng không khí , giảm việc sử dụng nước và thải ra ít nước hơn.

về môi trường.

các qui định của các nhà máy

Nhà máy năng

3 Đặc điểm hoạt động và tính kinh tế của pin nhiên liệu:

 Pin nhiên liệu có đặc điểm hoạt động có ích là tiết

kiệm được chi phí trong các hoạt động yêu cầu.

bằng bộ tạo tần, điều này dẫn đến độ ổn định của

toàn hệ thống và khắc phục những nhược điểm của

pin nhiên liệu hiện nay.

4 Pin nhiên liệu như một bộ chuyển hoá năng lượng:

hoá năng của nhiên liệu và chất ôxy – hoá thành năng lượng điện thông qua quá trình cơ bản gồm hệ thống điện cực – chất điện phân.

có thể đáp ứng công suất yêu cầu từ vài trăm W đến hàng chục KW thậm chí hàng chục MW.

Trong pin nhiên liệu, năng lượng hoá được cung cấp bởi nhiên liệu và chất oxy hoá được lưu trữ bên trong pin nơi các phản ứng hoá thay thế như sơ đồ sau:

Chuyển đổi năng lượng nhiệt

Hoá năng của nhiên liệu Chuyển đổi năng lượng điện

Chuyển đổi năng

lượng cơ

Sơ đồ chuyển hoá năng lượng của pin nhiên liệu ứng

dụng trong công nghiệp.

Chuyển đổi năng lượng nhiệt

Hoá năng của nhiên liệu Chuyển đổi năng lượng điện

Chuyển đổi năng

lượng cơ

Sơ đồ chuyển hoá năng lượng của pin nhiên liệu ứng dụng trong ôtô.

V>Phân loại pin nhiên liệu:

bào được thải ra.

được tái sinh bằng các phương pháp: nhiệt độ, điện năng, quang hoá, hoá học phóng xạ….

 Pin nhiên liệu gián tiếp: dùng bộ cải tiến tế bào

nhiên liệu sử dụng nhiên liệu hữu cơ hoặc hoá sinh chuyển hoá thành Hydro

Pin nhiên liệu

Trực tiếp

Nhiệt độ thấp

Nhiệt độ TB Nhiệt độ cao sinh hoáPin NL Pin NL Cải tạo 1.Nhiệt độ

2.Điện năng

3 Quang năng 4.Hoá học Phóng xạ 3HC N2– O2

2.Hữu cơ- O2 2.CO -O2

1.H2- O2

 Phân loại pin nhiên liệu theo nhiệt độ làm việc bao

- Hệ thống nhiệt độ cao.

- Hệ thống nhiệt độ trung bình.

- Hệ thống nhiệt độ thấp

- Hệ thống áp suất cao.

- Hệ thống áp suất trung bình.

- Hệ thống áp suất thấp.

 Phân loại theo nhiên liệu hay chất oxy hoá sử dụng:

- Pin nhiên liệu sử dụng chất phản ứng là khí như:

hydro, amoniac, không khí và oxi.

- Pin nhiên liệu sử dụng chất phản ứng là nhiên liệu lỏng như: cồn, hydrazine, hydrocacbon…

- Pin nhiên liệu sử dụng chất phản ứng là nhiên liệu rắn như: than đá, các hydrua…

 Phân loại theo chất điện phân sử dụng:

 Pin nhiên liệu ankaline (AFC): đây là loại tế bào nhiên liệu ra đời sớm nhất, nó được sử dụng vào các chương trình không

gian của thập niên 60, AFC dễ bị nhiễm bẩn do đó nó phải sử dụng H2 và O2 tinh khiết

 Pin nhiên liệu axit phosphoric(PAFC): loại này thường được sử dụng ở các hệ thống máy phát điện tĩnh tải nhỏ Loại này hoạt động ở nhiệt độ cao hơn pin nhiên liệu PEM, do đó không phù hợp cho xe ôtô

 Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC): loại này thường được sử dụng trên các phát điện tĩnh tại cỡ lớn, nhiệt độ làm việc khoảng

10000C

 Pin nhiên liệu Cacbonat nóng chảy (MCFC): loại này thường được sử dụng trên các phát điện tĩnh tải lớn, nhiệt độ làm việc khoảng 6000C

 Pin nhiên liệu màng biến đổi proton (PEMFC)

Hệ thống pin nhiên

liệu

Pin nhiên liệu

không gian,phương tiện vận chuyển Pin nhiên liệu chất

điện phân là

polyme(PEFC)

không gian,phương tiện vận chuyển Pin nhiên liệu

Bộ phát năng lượng

Pin nhiên liệu oxit

rắn(SOFC)

CHƯƠNG 2: NHỮNG NHIÊN LIỆU LIÊN QUAN ĐẾN

CÔNG NGHỆ PIN NHIÊN LIỆU

• Hydro là nhiên liệu thiết thực duy nhất để dùng trong việc sản xuất pin nhiên liệu hiện nay bởi vì:

 Khả năng phản ứng điện hoá học của Hydro cao hơn nhiều

so với các nhiên liệu thông thường mà nó bắt nguồn như các

HC, cồn hoặc than

 Cơ chế phản ứng dễ dàng, tương đối đơn giản và không sinh

ra các sản phẩm phụ

 Sản xuất hydro

• - Các HC chủ yếu gồm khí thiên nhiên và dầu mỏ là nguồn sản xuất Hydro chính trên quy mô công nghiệp Tuy nhiên quá trình này gây ô nhiễm môi trường bởi sự phát ra

• - Nước là nguồn sản xuất Hydro lớn hơn HC, ngoài ra khi H được dùng như nhiên liệu, nước lại được tái chế sản xuất 1 lần nữa, nó không ô nhiễm môi trường

Các nguồn năng lượng dùng để sản xuất hydro

Khí thiên nhiên

LPG Naphtha Heavy oil oil Water

Giá trị nhiệt trị cao

kJ/kg kJ/kmol

50.050

890

46.130 2.480 44.300 41.300 38.100 Các sản phẩm phụ CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2

Sản lượng của các sản

phẩm phụ đặc trưng

0,002-0.5

Tiêu thụ năng lượng

theo lý thuyết

(kJ/kmol H)

41280 37500 38350 59300 57150 242000

Những khía cạnh an toàn của H

Hydrogen Methane Propane Gasoline

Tỉ trọng khí (STP) [kg/m3] 0.084 0,65 0,42 4.4 a

Nhiệt bay hơi [J/g] 445.6 509.9 350-400 Nhiệt trị thấp [kJ/g] 119.93 50.02 46.35 44.5 Nhiệt trị cao[kJ/g] 141.8 55.3 50.41 48 Tính dẫn nhiệt của khí (STP)

Hệ số oxi giới hạn [vol.%] 5 12.1 11.6 h

Thành phần tỉ lượng trong không khí

Năng lượng nổd [gTNT/g] 24 11 10 10

Những đặc tính cháy và nổ của Hydrogen, Methane,

Propane, Gasoline

• a : 100 kPa và 15,5 0C; b : giá trị trung bình cho một hỗn

hợp của C1 - C4 và những HC cao hơn bao gồm :

benzene; c : dựa trên những đặc tính của n-pentane và

benzene; d : những phạm vi nổ lí thuyết.

 Sự rò rỉ thể tích của khí H sẽ lớn bằng (1,3-1,8) lần sự rò rỉ khí CH4 và khoảng 4 lần so với không khí dưới những điều kiện giống nhau (“gốc khí không phải là gốc H”)

• 1.Sản xuất hydro công nghiệp

 H có thể được sản xuất với một số lượng lớn từ những nguồn năng lượng ban đầu như những năng lượng hoá thạch (than, dầu hoặc khí tự nhiên)

 H có thể được sản xuất từ một loại của những sản phẩm hoá học trung gian (những sản phẩm nhà máy tinh luyện,

amoniac, metannol)

 H còn được sản xuất từ những nguồn tài nguyên khác như

sinh khối, khí sinh vật và những vật liệu phế thải

 H được sản xuất bởi sự điện phân nước, dùng điện để tách H và O và có thể được đánh giá như một nguồn năng lượng thứ yếu Ngoài ra còn có thể điện phân than, reforming sắt xốp

2 Sản xuất hydro từ khí tự nhiên bằng phương pháp

tái chế hơi xúc tác

• Qúa trình này gồm 3 bước chính : sản sinh khí tổng hợp,

chuyển đổi nước – khí, tinh chế khí theo sơ đồ sau:

Loại bỏ S Lò tái

chế Thu hồi nhiệt Lò chuyển hóa tinh chếThiết bị H2

CO, CO2

CH4

Sulphur

Hơi

• Những phản ứng sau xảy ra tại lò tái chế :

CO + H2O  CO2 + H2

Khi n =1 và m = 4 nếu nguyên liệu HC là metan thì 50% khí

H được sản xuất từ nước và n = 1 và m = 2,2 nếu nó là

naphtha (xăng dung môi) thì 64,5% H được sản xuất

Thành phần của khí được tái chế (S/C = 2,5, nhiệt độ phản ứng 684 0C)

H2CO

CO2

CH4

72,04 15,17 10,82 1,96

71,95 14,19 10,92 1,88

3.Sản xuất H từ khí hóa than:

• H được sản xuất từ sự khí hóa than được dùng trong các phản ứng của pin nhiên liệu loại MCFCs (Molten Carbonate Fuel

Cells) và SOFCs (Solid Oxides Fuel Cells)

• Hầu hết những quá trình khí hoá than được dựa trên khái niệm đốt cháy trực tiếp một phần nguyên liệu với O2 hoặc không khí được đưa vào cùng bình nơi mà sự khí hoá xảy ra Khi sự cháy hoặc sự khí hoá xảy ra dưới điều kiện ổn định, sự cân bằng

năng lượng trong hệ thống đó do đó bằng không

• Sự phối hợp của những phản ứng được liệt kê như sau:

Phản ứng Entalpy phản ứng (kJ/mol)

4 Sản xuất hydro từ sự điện phân nước

• Sự điện phân nước dựa trên công nghệ dòng điện là

phương pháp sản xuất H công nghiệp duy nhất mà không hoàn toàn là dựa vào năng lượng hoá thạch

Sơ đồ đơn giản hóa quá trình sản xuất H từ sự điện phân nước

Nước

cất

Thiết bị khử ion hóa

Electrolysis modules

Thiết bị

2 /H2O DC

• 1.1 Cấu tạo, nguyên lý:

• Dung d ch đi n phân là KOH ịch điện phân là KOH ện phân là KOH

với độ đ m đ c khoảng 30-45 % ậm đặc khoảng 30-45 % ặc khoảng 30-45 %

kh i l ng ối lượng ượng.

Chương 3- NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

I Pin nhiên li u ki u Ankaline (AFC) ệu kiểu Ankaline (AFC) ểu Ankaline (AFC)

Anode: H + 2OH - -> 2H O + 2e

-Điện cực là vật liệu thường, với

chất xúc tác là Pt và WC

Nhiệt độ hoạt động 150-200 0 C

Hiệu suất 70%

Công suất 300W-5000W

Ưùng dụng cho tàu vũ trụ Apollo

1.2 Loại dung dịch điện

phân không tuần hoàn

Chú ý: hơi nước và H 2 hình thành

bao quanh anode sẽ làm giảm

hiệu suất pin

CO 2 có thể làm bít các lỗ xốp

CO 2 + 2OH- CO 3 2- + H 2 O

Để loại bỏ ảnh hưởng của

tổn thất này ta dùng các

điện cực là Ni và Ag.

1.3 Loại dung dịch điện phân tuần

hoàn

CO 2 có trong không khí Không khí đã lọc sạch CO 2

1.3 Aûnh hưởng của CO2 trong không khí đối với cực cathodes có phủ

Pt (0.2mg/cm 2 ).

: Không khí đã lọc sạch CO 2

: Không khí có chứa CO 2

1.3 Aûnh hưởng của CO2 trong không khí đối với cực cathodes có phủ

Pt (0.2mg/cm 2 ).

B ng 4-4 Các ho t đ ng nghiên c u AFC châu Aâu ảng 4-4 Các hoạt động nghiên cứu AFC ở châu Aâu ạt động nghiên cứu AFC ở châu Aâu ộng nghiên cứu AFC ở châu Aâu ứu AFC ở châu Aâu ở châu Aâu

1 Cấu tạo, nguyên lý:

Dung d ch đi n phân ịch điện phân là KOH ện phân là KOH là màng polyme Màng

này cách điện nhưng cho

phép các ion hydrogen đi

qua.

Màng cấâu tạo từ tefon, H2SO4 được giữ trong

màng nên không rò rỉ ra

ngoài, nhưng các ion có

thể thấm qua màng này.

II Các loại pin nhiên liệu điện phân polyme (PEFC)

Ơû anode: 2H  4H + + 4 e

-Các ưu điểm của PEFC so với AFC

 Không có chất ăn mòn trong dung dịch của PEFC

 Dễ chế tạo

 Có thể chịu được sự thay đổi áp suất lớn

 Sự ăn mòn vật liệu rất nhỏ

 Có tuổi thọ cao

Các nhược điểm của PEFC so với AFC

 Dung dịch điện phân (cluorinated polymer) khá đắt nên giá thành

của pin cao

 Xử lý nước trong màng là yếu tố quyết định cho hiệu quả hoạt

động của pin.

 Khả năng chịu tác động CO kém

 Tuổi thọ cao, đặc tính cao ứng với chất xúc tác phủ lên điện cực cần được làm rõ.

 Rất khó xử lý nhiệt.

 Các tấm lưỡng cực graphite được ép chặt với màng điện cực

 Các tấm có các đường ống dẫn khí đến các điện cực.

 Là vật dẫn điện cho dòng điện phát ra đến ngăn khác

•Màng này có hai chức năng:

•Là chất điện phân cung cấp sự trao đổi ion giữa anot và

catot

•Là bộ tách hai khí tham gia phản ứng

Sự tối ưu hóa đặc tính trao đổi proton và nước của màng

điện phân và kiểm soát nước ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt

động của pin

Sự khử nước của màng điện phân làm giảm sự lưu thông các hạt proton và lượng nước có thể dẫn đến làm đầy các điện cực giảm các đặc tính của pin

Sơ đồ tuần hoàn V-A tại 50 0 C trên điện cực

a Không có chất xúc tác

b Có 10% trọng lượng Pt/C

2 Điện cực:

Là điện cực khuyếch tán khí,

phần chính là một lớp cacbon xốp có

phủ hydrôphobic.

Platin là chất xúc tác cho các phản ứng oxy hóa khử và phản ứng

oxy hóa hyđro (4mg/cm 2 Pt).

Với một ôtô, lượng Pt yêu cầu,

giá khoảng US-$10 000 (diện tích

phủ 25 –140 m 2 /g)

Hình 4-20: nh h ng c a Naflon Ảnh hưởng của Naflon ưở châu Aâu ủa Naflon đến đi n th trên anode và cathode ện thế trên anode và cathode ế trên anode và cathode

Chất xúc tác phải ở dạng khí và phải

được tiếp xúc với cả 2 vật dẫn electron

và proton Cho thấm vào điện cực chất

xúc tác- nền một vật liệu dẫn proton

Điều này có thể thực hiện bằng cách

phủ trên bề mặt bằng một dung dịch của

vật liệu màng hòa tan (Naflon)

So sánh lượng O 2 sinh ra c a đặc tính phân c c giữa đi n c c ủa đặc tính phân cực giữa điện cực ực giữa điện cực ện cực ực giữa điện cực PT/C có dùng PSIT và đi n c c chu n 10% PT/C ện cực ực giữa điện cực ẩn 10% PT/C.

3 Các màng- chất điện phân

Khung chính bằng polymer fluorocacbon, giống như Teflon và các nhóm acid sulfonic được liên kết với nhau Các phân tử acid và

polymer được kết chặt với nhau nhưng các proton trên các nhóm acid này phải được di chuyển tự do xuyên qua chất điện phân này

(CF2CF2)X – (CFCF2) –

O (CF2CF2)n – (CF2)m – SO -

3 H +

CF3

MÀNG Trọng lượng

tương đương g/mol SO -

Đặc tính của các loại pin chất điện phân

polyme (PEFC)

Aûnh hưởng của nhiệt độ

(0.45mg/cm 2 Pt, màng Dow, 5atm)

: 500 C không khí

: 950 C không khí

: 50 0 C oxy

: 95 0 C oxy

Aûnh hưởng của áp suất và các chất tham gia phản ứng ở cathode

(0.45mg/cm 2 , màng Dow, tại 50 0 C)

: 1 atm không khí

: 5 atm không khí

: 1 atm oxy

: 5 atm oxy

III Pin nhiên liệu axit photphoric (PAFC).

1 Cấu tạo và nguyên lý PAFC có chất điện phân là axit phôtphoric dùng nhiên liệu tái sinh

sạch (khí thiên nhiên, LPG , chưng cất ) hoặc khí than đá làm sạch từ một thiết bị hóa hơi

Bảng 4.6 : Sự phân cực với các cathode (oxy) trong các pin nhiên liệu khác nhau

Pin nhiên liệu Anode Cathod

e

Nhiệt độ ( 0 T) Sự phân cực (V)

Nguyên lý làm việc

IV Pin nhiên liệu carbonate nóng chảy (MCFC)

1.Cấu tạo và nguyên lý

Chất điện phân hỗn hợp

muối cacbonate (Na2CO3,

Điện áp thuận nghịch đối với pin MCFC tương ứng với một

lượng biến đổi CO2 được cho bởi phương trình sau:

E = E0 +

a A CO P

c CO

P Ln F

RT H

P

H

P Ln F

RT

2

2 2

Điện thế pin không những phụ thuộc vào áp suất cục bộ H2, O2mà còn của H2O Điển hình, áp suất cục bộ CO2 ở các ngăn điện cực là khác nhau và điện áp của các ngăn ảnh hưởng lẫn nhau