FUEL CELL (pin nhiên liệu trên ô tô)

pin nhiên liệu trên ô tô

Lượng khí thải từ động cơ đốt trong là một vấn đề đáng quan tâm cho môi trường sống và con người hiện nay.

Số lượng ô tô và xe gắn máy gia tăng ngày càng nhiều.

Do những dự báo về nguồn dự trữ của dầu mỏ có hạn và sẽ bị cạn kiệt trong tương lai gần

 Đòi hỏi phải tìm ra các giải pháp và các giải pháp các

nguồn năng lượng thay thế

nguồn năng lượng thay thế theo chiều hướng có lợi cho việc bảo vệ môi trường.

Pin nhiên liệu – fuel cell

Giới thiệu Lịch sử Cấu tạo Phân loại

Ưu điểm và nhược điểm

Khái quát về pin nhiên liệu

1

AFC ( Alkaline Fuel Cell ) PAFC ( Phosphoric Acid Fuel Cell ) SOFC ( Solid Oxide Fuel Cell )

PEMFC ( Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 MCFC ( Molten Carbonate Fuel Cell )

 Fuel cell là thiết bị điện hóa, nó biến đổi hóa năng thành điện năng nhờ quá trình oxi hóa nhiên liệu

 Phản ứng chuyển hóa năng lượng:

Pin nhiên liệu sử dụng hydro

Hydro

Dầu Khí thiên nhiên

Than Chất khác

Nước

Điện phân

Lịch sử của pin nhiên liệu – Fuel Cell

 Năm 1839 nhà khoa học người Anh William

Robert Grove (1811-1896) đã chế tạo ra mô hình thực nghiệm đầu tiên của tế bào nhiên liệu.

 Vào đầu thập niên 1900, các nghiên cứu đã

chuyển trực tiếp năng lượng hóa học của các dạng năng lượng hóa thạch sang điện năng.

 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.

 Ở Anh, F.T Bacon đã chế tạo ra hệ thống pin

nhiên liệu alkine (AFC) 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

 Ở Anh, F.T Bacon đã chế tạo ra hệ thống pin nhiên liệu alkine (AFC) 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.

 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 triển mạnh.

 - Năm 1990 pin nhiên liệu oxít rắn (SOFC)

được phát triển.

 - Vào những năm 1990 pin nhiên liệu dạng

màng (PEMFC) xuất hiện với hiệu suất rất cao.

 - Năm 2003, lần đầu tiên ở châu Âu xuất hiện

xe buýt chạy bằng pin nhiên liệu.

Cấu tạo của pin nhiên liệu

Hai điện cực làm từ chất dẫn điện (kim loại hoặc than chì).

Chất điện phân có thể ở thể rắn, có thể ở thể lỏng hoặc có cấu trúc màng

Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu

 Dùng chất xúc tác để tách electron của

các nguyên tử hydro có trong nhiên liệu.

 Các electron này bị ngăn cản bởi chất

điện phân nên không thể đi trực tiếp từ

cực âm sang cực dương mà phải đi vòng

qua một mạch điện bên ngoài của pin

Phân loại pin nhiên liệu

(Theo chất điện phân)

 PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell): Pin nhiên liệu dùng màng trao đổi Proton

 Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell

 Plastic Electrolyte Membrane Fuel Cell

AFC (Alkaline Fuel Cell): PNL kiềm

 SOFC (Solid Oxide Fuel Cell): PNL oxit rắn

PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)

MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell): PNL cacbơnat nĩng chảy

DMFC (Direct Methanol Fuel Cell)

Ưu điểm:

Ưu, nhược điểm

 Được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.

 Không gây ô nhiễm môi trường, khí thải là H 2 O.

 Hiệu suất cao hơn 60 %.

 Độ tin cậy cao, không gây ra tiếng ồn.

Nhược điểm:

 Giá cả của pin nhiên liệu quá cao (20.000$/kW).

 Điều chế và sản xuất H gặp nhiều khó khăn.

Đặc điểm của pin nhhiên liệu

 Có thể chuyển 90 % năng lượng có trong

bản nó sang điện năng và nhiệt năng.

 Hiệu suất chuyển đổi 42-46% có thể >60 %

 Phát ra nước nóng và hơi nước nhiệt độ

thấp.

Sự phát thải < 10 lần qui định về môi trường.

Cần ít nước để hoạt động (>< nmáy nhđiện).

Không có chu kỳ đốt cháy, không tạo tro,

mức thải ô nhiễm thấp nhất.

2.1 Nguyên lý hoạt động của PEMFC

(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

2.1.1 Cấu tạo và chức năng của các bộ phận.

Catalyst Cathode

PEM - Proton Exchange Membrane

(Màng trao đổi proton)

4 Nguyên lý hoạt động của PEMFC

4H.2 Nguyên lý hoạt động.

Anode : 2H 2  4HH + + 4He

-Cathode: O + 4HH + + 4He -  2H O

4H.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của pin.

 Ảnh hưởng của nhiệt độ

: 50 0 C không khí

: 95 0 C không khí

: 50 0 C oxy

: 95 0 C oxy

4 Nguyên lý hoạt động của PEMFC

4H.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của pin.

 Ảnh hưởng của áp suất khí O2.

Ở 93 0 C, điện cực

Pt, 2mg/cm 2 , PH2=

3atm.

 Dung dịch kali hydroxit (KOH) làm chất

điện phân, nồng độ 30-45%.

AFC (Alkaline Fuel Cell): PNL kiềm

 Quá trình oxy hóa xảy ra trong chất điện

phân kiềm thường tốt hơn trong chất điện

phân axit; mặt khác, trong các hydroxit kiềm thì KOH có độ dẫn điện cao nhất.

Tuy nhiên, dung dịch kiềm có tính hấp thụ

CO 2 , làm giảm hiệu quả của chất điện phân Vì vậy, nhiên liệu đòi hỏi phải là hydro tinh khiết và không khí phải được làm sạch CO 2 trước

khi đưa vào sử dụng cho pin nhiên liệu kiềm.

PEMFC: các proton sẽ di chuyển qua màng

trong khi các electron di chuyển qua mạch

điện bên ngoài.

PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)

Pin nhiên liệu axit phosphoric

 Pin nhiên liệu axit phosphoric dùng axit phosphoric làm chất điện phân

 Đây là loại tế bào nhiên liệu đầu tiên được thương mại hĩa trên thế giới Hầu hết các máy

cĩ phạm vi cơng suất từ 50 đến 200 kW

 Pin nhiên liệu axit phosphoric

thường hoạt động ở nhiệt độ cao, vì

ở nhiệt độ thấp axit phosphoric dẫn ion rất yếu Nó đòi hỏi điện cực

bạch kim và các bộ phận bên trong phải có tính chống ăn mòn của axit

NHẬN XÉT

SOFC (Solid Oxide Fuel Cell):

Pin nhieân lieäu oxit r n ắn

Năm 1962, các nhà khoa học J Weissbart và R Ruka của công ty Siemens Westinghouse lần đầu tiên công bố tính khả thi của quá trình tạo điện năng từ SOFC Trải qua hơn 4H0 năm nghiên cứu và phát triển, Siemens Westinghouse đã xây dựng và test thử nhà máy điện SOFC ở Hà Lan

và cho kết quả khả quan Kết quả tương tự cũng thu được của công ty Ceramic Fuel Cells, Úc Gần đây Siemens Westinghouse đã tung ra sản phẩm tiền thương mại (pre-commercial) SOFC với công suất 125kW.

SOFC (Solid Oxide Fuel Cell):

Pin nhieân lieäu oxit r n ắn

Một số kiểu thiết kế SOFC

Một số kiểu thiết kế SOFC

Một số kiểu thiết kế SOFC

Một số kiểu thiết kế SOFC

MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell): Pin nhiên liệu cacbơnat nĩng chảy

Pin nhiên liệu carbonate nóng chảy dùng

các muối carbonate của Na hoặc Mg ở nhiệt

độ cao làm chất điện phân

Pin nhiên liệu carbonate nóng chảy có thể dùng chất xúc tác điện cực nikel nên không đắt lắm so với xúc tác điện cực platin Tuy nhiên, nhiệt độ cao cũng có mặt hạn chế về vật liệu và an toàn Bên cạnh đó, ion carbonate từ chất điện phân sẽ bị sử dụng hết trong phản ứng, đòi hỏi phải tiếp thêm khí carbonic bù vào.

Pin nhiên liệu carbonate nóng chảy vận

hành ở nhiệt độ khá cao, vì thế đa số các ứng dụng của nó là các nhà máy và

trạm phát điện lớn Nhiệt độ cao của quá trình vận hành có thể được tận dụng để tạo năng lượng sưởi ấm, dùng

cho các quá trình công nghiệp hay động

cơ hơi nước để sinh ra thêm điện năng.

MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell): Pin nhiên liệu cacbơnat nĩng chảy

# Phản ứng trên cực âm:

2CO 3 + 2H 2 2H 2 O + 2CO 2 + 4He -

# Phản ứng trên cực dương: 2CO 2 + O 2 + 4He -

 2CO 3

2-# Tổng quát:

2H 2 + O 2 2H 2O + E + T

Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp

tương tự như pin nhiên liệu dùng màng

trao đổi proton ở chỗ chất điện phân là

màng polymer và điện tích vận chuyển

là ion hydro (proton) Tuy nhiên, với pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp thì

methanol lỏng bị oxy hóa trong nước ở

cực âm, sinh ra khí carbonic, ion hydro

(proton) và các electron.

DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp

Các electron sẽ di chuyển qua mạch

điện bên ngoài về cực âm và tạo thành

dòng điện Các proton sẽ đi qua chất

điện phân và phản ứng với oxy từ không khí và các electron từ dòng điện tạo

thành nước ở cực dương.

DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp

Trên cực âm

Trên cực dương

Nhận xét

Khi mới bắt đầu phát triển từ đầu những năm 1990, pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp lúc ấy chưa được chú ý nhiều bởi hiệu suất và mật độ năng lượng thấp cũng như một số vấn đề khác Tuy

nhiên, những cải tiến trong chất xúc tác và những phát triển gần đây đã gia tăng mật độ năng lượng lên gấp 20 lần và

hiệu suất cuối cùng đã có thể đạt được đến 40%.

Nhận xét

Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp đã được thử nghiệm ở khoảng nhiệt độ từ 50-120 o C Với nhiệt độ vận hành thấp và có thể dùng trực tiếp nhiên liệu

methanol mà không đòi hỏi phải qua

bước chuyển hóa thành hydro, pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp đã trở

thành ứng cử viên sáng giá cho các ứng dụng cỡ từ rất nhỏ đến trung bình như điện thoại di động và các sản phẩm tiêu dùng khác.

Việc sử dụng loại pin nhiên liệu này đã khắc phục các nhược điểm của nhiên liệu hydro là khó lưu trữ, chưa có cơ sở hạ tầng (dùng methanol có thể tận dụng

cơ sở hạ tầng sẵn có)

DMFC đòi hỏi nồng độ methanol không được vượt quá 3% vì có thể làm hỏng

màng

Nhận xét