Bài giảng: NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

Giới thiệu tích trữ năng lượng dùng pin nhiên liệuBộ điện phân ElectrolyserPin nhiên liệu – Fuel cellMô hình tích trữ pin nhiên liệuỨng dụng pin nhiên liệuPhân tích pin nhiên liệuGiới thiệu tích trữ năng lượng dùng pin nhiên liệuBộ điện phân ElectrolyserPin nhiên liệu – Fuel cellMô hình tích trữ pin nhiên liệuỨng dụng pin nhiên liệuPhân tích pin nhiên liệu

Trang 2

C5: PIN NHIÊN LIỆU

1. Giới thiệu tích trữ năng lượng dùng pin nhiên liệu

2. Bộ điện phân - Electrolyser

3. Pin nhiên liệu – Fuel cell

4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệu

5. Ứng dụng pin nhiên liệu

6. Phân tích pin nhiên liệu

Trang 3

Năng lượng tái

1 Giới thiệu pin nhiên liệu

Trang 4

Trang 5

– Mô hình tích trữ năng lượng dùng Pin nhiên liệu

Bộ điện phân

Bộ tích trữ khí

Pin nhiên liệu

Trang 6

– Mô hình tích trữ năng lượng dùng Pin nhiên liệu

Trang 7

2 Bộ điện phân – Electrolyser

Trang 8

Trang 9

Trang 10

H H

Trang 11

H H

Trang 12

H H

O2

-2 Bộ điện phân – Electrolyser

Trang 13

Trang 14

Électrolyte solide

Cathode Anode

Trang 15

Trang 16

-O2

-2 Bộ điện phân – Electrolyser

Trang 17

Trang 18

O O

Trang 19

O O

Trang 20

O O

Trang 21

Électrolyte solide

Trang 23

Trang 24

Trang 25

Mô hình tích trữ năng lượng dùng Pin nhiên liệu

Bộ điện phân

Bộ tích trữ khí

Pin nhiên liệu

3 Pin nhiên liệu – Fuel cell

Trang 26

Hoạt động của Pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu tổng hợp Hydro và Oxy thành nước, trong quá trình đó sinh ra dòng điện cung cấp cho các thiết bị điện hoạt động

Trang 27

Trang 28

Trang 29

Trang 30

Trang 31

Trang 32

Trang 33

Trang 34

Trang 35

Trang 36

4 Mô hình tích trữ pin nhiên liệu

Trang 37

Electrolyser

I (A)

V (volt)

2 1

Trang 38

Bộ điện phân – Electrolyser

Trang 39

Pin nhiên liệu – Fuel cell

Trang 40

Trang 41

Trang 42

Trang 43

Thí nghiệm Pin nhiện liệu

Trang 44

Thí nghiệm Pin nhiện liệu tại GPL

Trang 45

Trang 46

Trang 47

Sinh viên làm LVTN dùng Bộ điện phân

Trang 48

Mô hình mạch nạp cho bộ điện phân.

Trang 49

5 Ứng dụng pin nhiên liệu

Trang 50

Surveillance Robotics

Trang 51

Trang 52

Pin nhiên liệu

Sạc điện từ lưới điện cố định

Xe điện

Trang 53

Pin nhiên liệu

Sạc điện từ pin mặt trời

ngay lúc đang chạy

Xe điện lai

Bộ quản lý năng lượng

Trang 54

1 Nguyên lý hoạt động

2 Enthalpy

3 Entropy và hiệu suất lý tưởng của pin nhiên liệu

4 Gibbs Free Energy và Hiệu suất thực pin nhiên liệu

5 Pin nhiên liệu lý tưởng (tính dòng điện)

6 Đặc tuyến của pin nhiên liệu thực tế

7 Các loại pin nhiên liệu

8 Sản xuất hydrogen

6 Phân tích pin nhiên liệu

Trang 55

Nguyên lý hoạt động

Trang 56

Enthalpy

Trang 57

Điều kiện nhiệt độ và công suất tiêu chuẩn là 1atm, 25 o C

(Standard Temperature and Pressure - STP )

Trang 58

Enthalpy

Trang 59

Enthalpy

Trang 60

H = (-393,5) + 2x(-285,8) - (-74,9) - 2x(0)

= -890,2 kJ/mol (khí CH4)

Nhiệt tỏa ra nhiều nhất là HHV = 890,2 kJ/mol

Trang 61

Entropy và hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu

Enthalpy: lượng năng lượng cung cấp cho phản ứng

Entropy: thường gia tăng khi có phản ứng.

Entropy :

Trang 62

S = S (chất phản ứng) – S (chất tạo thành)

Q  T.S Qmin = T S

Q > 0: phản ứng tỏa nhiệt!!!

CH4(khí) + 2 O2(khí)  CO2(khí) + 2 H2O(lỏng) + Q(0,186) 2x(0,205)  (0,213) 2x(0,0699) (>T S)

S = (0,186) + 2x(0,205) - (0,213) - 2x(0,0699)

= 0,2432 kJ/K/mol (khí CH4)

Qmin=T.S=(273,15+25)*0,2432 =72,51 kJ/mol khí CH 4

max = 1- Qmin/ H = 1 - 72,51 / 890,2 =91,85%

Trang 63

Hoạt động của Pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu tổng hợp Hydro và Oxy thành nước, trong quá trình đó sinh ra dòng điện cung cấp cho các thiết bị điện hoạt động

Trang 64

max = 1- Qmin/ H = 1 - 72,51 / 890,2 =91,85%

Trang 65

Gibbs Free Energy và Hiệu suất của pin nhiên liệu

Free energry:

Hiệu suất:

Trang 66

Gibbs Free Energy và Hiệu suất của pin nhiên liệu

G = G (chất tạo thành) - G (chất phản ứng)

CH4 (khí) + 2 O2 (khí)  CO2 (khí) + 2 H2O (lỏng) (-50,8) 2x(0)  (-394,4) 2x(-237,2)

G = (-394,4) + 2x(-237,2) - (-50,8) - 2x(0)

= -818 kJ/mol (khí CH4)

max = G/ H = (-818) / (-890,2) = 91,89%

Trang 67

Pin nhiên liệu lý tưởng

• q = điện tích 1 electron = 1,602 10-19 Cuolombs

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

• V = thể tích một mol khí lý tưởng ở STP = 22,4l/mol

• n = lưu lượng khí cấp cho pin nhiên liệu (mol/s)

• I = dòng điện 1 (A) = 1 Coulombs/s

• Vr = điện áp lý tưởng qua 2 cực pin nhiên liệu (V)

• P = công suất pin nhiên liệu phát ra (W)

Trang 68

pin nhiên liệu lý tưởng để tạo ra 1kWh điện? Biết pin hoạt động ở điều kiện tiêu chuẩn, và nước tạo ra ở thể lỏng.

Trang 69

Điện áp lý thuyết của 1 tế bào

pin nhiên liệu (EMFmax):

Trang 70

H2 (khí) + 1/2 O2 (khí)  H2O (lỏng)

Trang 71

Đặc tuyến của pin nhiên liệu thực tế

Trang 72

Đặc tuyến của pin nhiên liệu thực tế

điện áp 48V, điện áp trên mỗi tế bào là 0,6V Tính số tế bào và diện tích màng lọc của mỗi tế bào? Biết pin nhiên liệu có đặc tuyến như hình 4.29:

V = 0,85 – 0,25J = 0,85 – 0,25 I/A

Trang 73

Các loại pin nhiên liệu

1. Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)

– Pin nhiên liệu trao đổi hạt nhân qua màn lọc

2. Direct Methanol Fuel Cells (DMFC) – Pin nhiên

liệu methanol trực tiếp

3. Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC) – Pin nhiên

liệu axit phosphoric

4. Alkaline Fuel Cells (AFC) – Pin nhiên liệu kiềm

5. Molten-Carbonate Fuel Cells (MCFC) – Pin nhiên

liệu carbon nóng chảy

6. Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) – Pin nhiên liệu

oxit rắn

Trang 74

Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)

Direct Methanol Fuel Cells (DMFC)

Eff ≈ 45%

Trang 75

Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC)

Alkaline Fuel Cells (AFC)

Trang 76

Molten-Carbonate Fuel Cells (MCFC)

Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)

Trang 77

Trang 78

Trang 79

Trang 80

Sản xuất hydrogen

1 Methane Steam Reforming (MSR)

2 Partial Oxidation (POX)

3 Gasification of Biomass, Coal, or Wastes

4 Electrolysis of Water

Trang 81

Methane Steam Reforming (MSR)

Partial Oxidation (POX)

Gasification of Biomass, Coal, or Wastes

Electrolysis of Water

Trang 82

Trang 83

Trang 84

Bài tập

Trang 85

Bài tập

Trang 86

Bài tập

Bài tập 1: Tính toán nhiệt lượng và hiệu suất lý

thuyết của pin nhiên liệu dùng CH3OH ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC)? Biết nước tạo ra ở thể lỏng

Bài tập 2: Pin nhiện liệu dùng khí H2 để phát điện cho tải? Biết pin tiêu thụ 5lit H2 /giờ ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC) Nước tạo ra ở thể lỏng a) Tính công suất lý thuyết của pin?

b) Giả sử hiệu suất của pin là 50% Tính toán công suất của pin?

c) Tính dòng điện của pin? Biết pin nhiên liệu chỉ gồm 1 tế bào

Trang 87

Bài tập

Bài tập 3: Tính toán dòng điện và công suất cấp

điện cho tải từ 1 tế bào pin nhiện liệu dùng khí

CH4? Biết pin tiêu thụ 10lit CH4 /giờ ở 1atm, 25oC) Nước tạo ra ở thể lỏng Giả sử hiệu suất của pin bằng ½ hiệu suất lý thuyết

Bài tập 4: Tính toán lưu lượng khí H2 cung cấp cho pin nhiện liệu dùng để phát điện cho tải bóng đèn 50W ở 1atm, 25oC) Nước tạo ra ở thể lỏng Giả sử hiệu suất của pin bằng 60% hiệu suất lý thuyết Khi đó tính dòng điện và điện áp trên bóng đèn Biết pin nhiên liệu có 20 tế bào ghép nối tiếp

Trang 88

Bài tập

Bài tập 5: Tính toán khối lượng CH3OH cung cấp cho pin nhiện liệu để tạo ra 1kWh điện ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC) Biết nước tạo ra ở thể lỏng Giả sử hiệu suất của pin bằng 60% hiệu suất lý thuyết

Bài tập 6: Tính toán lượng điện năng tạo ra từ 1

kg CH3OH cung cấp cho pin nhiện liệu ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC) Biết nước tạo ra ở thể lỏng Giả sử hiệu suất của pin bằng 50% hiệu suất lý thuyết

Trang 89

Bài tập

Bài tập 7: Tính toán lượng điện năng tạo ra từ 1 lit

CH4 cung cấp cho pin nhiện liệu ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC) Biết nước tạo ra ở thể lỏng Giả sử hiệu suất của pin bằng 60% hiệu suất

lý thuyết

kg H2 hóa lỏng cung cấp cho pin nhiện liệu ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC) Biết nước tạo

ra ở thể lỏng Giả sử hiệu suất của pin bằng 50% hiệu suất lý thuyết

Trang 90

Bài tập

kg CH4 cung cấp cho pin nhiện liệu ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC) Biết nước tạo ra ở thể khí Giả sử hiệu suất của pin là 40%

lit H2 hóa lỏng cung cấp cho pin nhiện liệu ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC) Biết nước tạo

ra ở thể lỏng Giả sử hiệu suất của pin bằng là 50%

Trang 91

Bài tập

Bài tập 11: Tế bào pin nhiên liệu dùng khí hydro, đang cung cấp cho tải 10W, điện áp 0,6V Biết pin nhiên liệu có hiệu suất chuyển đổi khí hydro là 90% ,

có đặc tuyến: V = 0,85 – 0,25J = 0,85 – 0,25 I/A

a) Tính lưu lượng khí hydro cung cấp cho pin?

b) Tính diện tích màng lọc của pin?

c) Tính hiệu suất của pin? Biết nước tạo ra ở thể lỏng, pin làm việc ở STP.

Trang 92

Bài tập

Bài tập 12: Bộ pin nhiện liệu loại 20 tế bào giống nhau, ghép nối tiếp dùng khí CH4? Biết bộ pin tiêu thụ 10lit CH4 /giờ ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm,

25oC) Hiệu suất chuyển đổi khí là CH4 là 95% Nước tạo ra ở thể lỏng Giả sử hiệu suất của pin bằng ½ hiệu suất lý tưởng

a) Tính công suất cấp cho tải?

b) Tính dòng điện cấp cho tải?

c) Tính điện áp cấp cho tải?

d) Tính toán diện tích màng lọc của mỗi tế bào? Giả

sử mật độ dòng điện của tế bào ở điểm làm việc này

là 1A/cm2.

Trang 93

Tài liệu tham khảo

1 Gilbert M Masters, "Renewable and Efficient

Electric -Power Systems" -JOHN WILEY & SONS, 2004.

2 Chris Rayment, Scott Sherwin, "Introduction to Fuel

Cell Technology", Department of Aerospace and Mechanical Engineering, University of Notre Dame, 2003.

Định dạng
Số trang	94
Dung lượng	11,53 MB