Thiết kế bản điện cực trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton (pemfc) sử dụng cho xe chạy điện

- Phân tích các phương án thiết kế bản điện cực trong pin nhiên liệu PEMFC.. Với mong muốn thúc đẩy sự phát triển pin nhiên liệu ở Việt Nam, tác giả thực hiện luận văn thạc sỹ có tên gọi

HOÀNG VĂN LINH

THIẾT KẾ BẢN ĐIỆN CỰC TRONG PIN NHIÊN LIỆU MÀNG TRAO ĐỔI PROTON (PEMFC) SỬ DỤNG CHO XE CHẠY ĐIỆN

Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2010

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học :PGS TS Đặng Văn Nghìn

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Hoàng Văn Linh Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh: 10/02/1982 Nơi sinh : Thanh Hóa Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Khoá (Năm trúng tuyển): 2009

1- TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BẢN ĐIỆN CỰC TRONG PIN NHIÊN LIỆU MÀNG

TRAO ĐỔI PROTON (PEMFC) SỬ DỤNG CHO XE CHẠY ĐIỆN

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

- Nghiên cứu tổng quan về pin nhiên liệu và xe điên

- Phân tích các phương án thiết kế bản điện cực trong pin nhiên liệu PEMFC

- Tính toán thiết kế bản điện cực trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton

(PEMFC) sử dụng cho xe điện chạy chậm (Neighborhooh Electric Vehicle (NEV)) công suất 3,96 Kw

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ngày 02 tháng 7 năm 2010

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : ngày 01 tháng 12 năm 2010

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Đặng Văn Nghìn

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký)

Nghìn - người trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em thực hiện thành công luận văn này Những ý kiến và định hướng giá trị của thầy giúp em giải quyết các vướng mắc trong quá trình thực hiện luận văn

Em xin cám ơn các thầy cô trong khoa Cơ Khí, trường ĐH Bách Khoa và ĐHQG TP Hồ Chí Minh - những người dạy bảo và truyền đạt tri thức cho em trong suốt thời gian học tập tại trường ĐH Bách Khoa

Em xin cám ơn các thầy cô phòng sau đại học - những người luôn giải đáp và hướng dẫn em thực hiện tốt học vụ tại trường

Cuối cùng, xin cám ơn gia đình, bạn bè và tập thể lớp cao học khóa 2009 ngành Chế tạo máy - những người luôn bên cạnh tôi, chia sẻ, cổ vũ và động viên tôi trong suất thời gian qua

Tác giả

Hoàng Văn Linh

ứng nhu cầu phát triển kinh tế và sự gia tăng dân số Nhiên liệu của đa số các phương tiện giao thông hiện tại: xe hơi, xe lửa, máy bay… là xăng dầu Hơn nữa, một tỉ lệ khá cao các nhà máy điện là nhiệt điện dùng dầu hỏa, khí thiên nhiên hay than đá Cả thế giới hiện nay đang phụ thuộc vào các dạng năng lượng hóa thạch như dầu mỏ và than đá

Các nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày một cạn kiệt và trong tương lai gần chúng sẽ hết Mặt khác, chất thải từ việc sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch

có tác động rất xấu tới môi trường Các vấn đề toàn cầu hiện nay như là thay đổi khí hậu, nóng lên trái đất, thủng tầng ôzon, dâng nước biển có nguyên nhân trực tiếp từ khí thải khi sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch này

Để giải quyết mâu thuẫn trên, các nguồn năng lượng mới thân thiện với môi trường đã và đang được phát triển trên thế giới Và một trong những dạng năng lượng đó là pin nhiên liệu Pin nhiên liệu có ưu điểm rất lớn là nguồn nguyên liệu đầu vào là hydro và oxi - những chất sẵn có và có trữ lượng vô hạn trong thiên nhiên Mặt khác sản phẩm của nó là năng lượng điện và nước không tác động xấu tới môi trường

Ở Việt Nam, tuy đã có một vài nghiên cứu và thành công ban đầu về pin nhiên liệu sử dụng cồn methanol nhưng vẫn chưa được đầu tư và quan tâm đúng mức của nhà nước cũng như các tổ chức và các nhà khoa học

Với mong muốn thúc đẩy sự phát triển pin nhiên liệu ở Việt Nam, tác giả thực

hiện luận văn thạc sỹ có tên gọi”Thiết kế bản điện cực trong pin nhiên liệu màng

trao đổi proton (PEMFC) sử dụng cho xe chạy điện” Mục tiêu luận văn là Thiết

kế bản điện cực trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) sử dụng cho

xe điện chạy chậm (NEV)

Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu

Chương 3: Phân tích các phương án thiết kế bản điện cực pin nhiên liệu

màng trao đổi proton (PEMFC) Chương 4: Thiết kế bản điện cực

Chương 5: Kết luận

Chương 1 trình bày tổng quan về pin nhiên liệu và xe địên Pin nhiên liệu đề cập tới các chủ đề: nguyên lý, cấu tạo, phân loại và ứng dụng Phần xe điên đi sâu vào xu hướng phát triển xe điện: kết cấu và năng lượng sử dụng

Chương 2 tóm tắt một số nghiên cứu về pin nhiên liệu với nội dung: các thành phần của pin và tối ưu các thông số vận hành

Chương 3 trình bày các vật liệu đã và đang được sử dụng: graphite, kim loại và vật liệu composit Các phương án thiết kế cấu trúc và dạng kênh được phân tích từ

đó lựa chọn phương án cho thiết kế

Chương 4 nêu ra một số lưu ý khi thiết kế pin nhiên liệu, các thông số giới hạn:

áp suất, nhiệt độ vận hành, độ ẩm chất phản ứng Tiếp theo, đưa ra trình tự thiết kế

và tính toán một số đáp ứng của pin

Chương 5 Tóm lược công việc đã thực hiện

Cho tới nay chưa có một tài liệu chính thống nào về thiết kế bản điện cực và pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) nên thực hiện đề tài này gặp nhiều khó khăn, luận văn tập trung vào phân tích tổng hợp các tài liệu là những sách, các bài báo khoa học, luận văn và một số bằng sáng chế (paten) có liên quan…vv lập nên trình tự thiết kế bản điện cực

Hoàng Văn Linh

lượng khí thải bằng không PEMFC rất phù hợp sử dụng cho các phương tiện giao thông bởi vì pin có hiệu suất cao, nhiệt độ vận hành thấp, thời gian khởi động nhanh và hệ thống đơn giản Bản điện cực là thành phần quan trọng của PEMFC, chúng đảm nhiệm các chức năng: cung cấp hydro và oxy cho các phản ứng, hấp thụ điện tích truyền ra mạch điện ngoài và tạo điều kiện thuận lợi quản lý nước và nhiệt trong pin Bản điện cực chiếm hơn 60% khối lượng và 30% chi phí cụm pin PEMFC Khối lượng và giá thành cụm pin giảm bằng cách phát triển cấu trúc kênh dẫn và lựa chon vật liệu nhẹ hơn

Luận văn tập trung phân tích tổng hợp các tài liệu khoa học, làm rõ các đặc điểm hoạt động pin nhiên liệu, các điểm cần lưu ý khi thiết kế Vật liệu chế tạo bản điện cực và cấu trúc kênh, dạng kênh được phân tích ưu nhược điểm và ứng dụng của từng loại giúp cho quá trình lựa chọn phương án thiết kế thuận lợi hơn PEMFC ứng dụng phù hợp nhất cho các phương giao thông Luận văn thực hiện tính toán thiết kế bản điện cực trong pin nhiên liệu PEM cho loại xe điện chạy chậm – chúng là loại xe điện phổ biến sử dụng rộng rãi nơi công cộng

Lời cám ơn

Lời mở đầu

Tóm tắt luận văn thạc sĩ

Danh mục các hình vẽ

Danh mục các bảng

Quy ước và ký hiệu

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1.1 Giới thiệu về pin nhiên liệu – Fuel Cell 2

1.1.1 Định nghĩa 2

1.1.2 Cấu tạo 2

1.1.3 Nguyên lý hoạt động 2

1.1.4 Phân loại 3

1.1.5 Lịch sử phát triển 5

1.1.6 Ứng dụng 12

1.2 Giới thiệu pin nhiên liệu màng trao đổi proton – PEMFC 16

1.2.1 Nguyên lý và cấu tạo 16

1.2.2 Các thành phần cơ bản của pin nhiên liệu PEMFC 17

1.2.3 Cụm pin nhiên liệu – Fuel cell Stack 18

1.2.4 Hệ thống pin PEM – Fuel Cell System 19

1.3 Xe chạy điện 20

1.3.1 Xu hướng phát triển xe điện 20

1.3.1.1 Kết cấu xe 20

1.3.1.2 Nguồn năng lượng cho xe 27

1.3.2.3 Xe điện chạy chậm - NEV (neighborhood electric vehicle) 36

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 40

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ BẢN ĐIỆN CỰC TRONG PIN NHIỆN LIỆU PEM 43

3.1 Vật liệu chế tạo điện cực 45

3.1.1 Vật liệu Graphite 45

3.1.2 Vật liệu kim loại 46

3.1.3 Vật liệu composit 46

3.2 Các phương án thiết kế kênh dẫn 48

3.2.1 Pin-type flow field 49

3.2.2 Straight flow field 49

3.2.3 Serpentine flow field 50

3.2.4 Intergrated flow field 51

3.2.5 Interdigitated flow field 51

3.2.6 Bản điện cực chế tạo từ kim loại tấm 51

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BẢN ĐIỆN CỰC 54

4.1 Một số đặc điểm cần lưu ý khi thiết kế PEMFC 55

4.1.1 Kích thước cụm pin 55

4.1.2 Thông số vận hành 58

4.2 Thiết kế bản điện cực – bipolar plates 62

4.2.1 Yêu cầu 61

4.2.2 Trình tự thiết kế 63

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của một pin nhiên liệu 3

Hình 1.3 Mô hình pin của William Grrove 11

Hình 1.4 Một số hình ảnh ứng dụng trong thực tế pin nhiên liệu trong các thiêt bị sách tay 12

Hình 1.5 Một số hình ảnh ứng dụng trong thực tế pin nhiên liệu trong các phương tiện giao thông 13

Hình 1.6 Tàu Apolo sừ dụng pin nhiên liệu AFC 14

Hình 1.7 Một số trạm phát điện trong thực tế sử dụng pin nhiên liệu 14

Hình 1.8 Sơ đồ miền ứng dụng của pin nhiên liệu 15

Hình 1.9 Nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu PEMFC 16

Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo một pin PEMFC 17

Hình 1.11 Sơ đồ cụm pin PEM – Stack 18

Hình 1.12 Mô hình cụm PEM – Stack 19

Hình 1.13 Sơ đồ hệ thống pin nhiên liệu PEMFC 19

Hình 1.14 Cấu trúc cơ bản xe điện 20

Hình 1.15 Thành phần chung của xe điện 21

Hình 1.16 Các cấu trúc khác nhau của xe điện 22

Hinh 1.17 Sở đồ cấu trúc dòng năng lượng của xe điện Hybrid 24

Hình 1.20 Xe điện sử dụng pin nhiên liệu của Honda 26

Hình 1.21 Ắc quy axit – chì 27

Hình 1.22 Pin Lithium-ion 29

Hình 1.23 Mẫu xe điện của Ányos Jedlik, 1828, Hungary 30

Hình 1.24 Edison và Mẫu xe điện 47, 1914 30

Hình 1.25 Xe điện, 1912 31

Hình 1.26 Mẫu xe EV1 của GM 34

Hình 1.27 Mẫu xe NEV 37

Hình 3.1 Khối lượng trong cụm pin 33 KW 44

Hình 3.2 Phân loại vật liệu sử dụng cho bản điện cực - bipolar pates trong pin PEM 47

Hình 3.3 Pin-type flow 49

Hình 3.4 Straight flow field 49

Hình 3.5 Dạng straight 49

Hình 3.6 Serpentine flow field 50

Hình 3.7 Serpentine flow field 50

Hình 3.8 Serpentine flow field 50

Hình 3.9 Interdigitated flow field 51

Hình 3.12 Chế tạo từ kim loại tấm ……… 52

Hình 4.1 Đường đặc tính E.i 56

Hình 4.2 Ảnh hưởng của áp suất tới hoạt động của pin 59

Hình 4.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hoạt động của pin 60

Hình 4.4 Ảnh hưởng của độ ẩm tới hoạt động của pin 60

Hình 4.5 Ảnh hưởng của tỉ số S tới hoạt động của pin 61

Hình 4.6 Mẫu xe NEV – E825 62

Bảng 3.1 so sánh các dạng kênh dẫn………52

Bảng 4.1 Công suất lớn nhất, công suất trung bình và hiệu điện thế yêu cầu cho một số ứng dụng………55

Bảng 4.2 Giá trị trung bình hiệu điện thế và mật độ dòng điện cho các loại pin khác nhau……… ……… 58

Bảng 4.3 Thông số thiết kế bản điện cực ……… …………73

Bảng 4.4 Đặc điểm cụm pin……… ……….74

Bảng 4.5 Đặc điểm cực âm……… ……… 74

Bảng 4.6 Đặc điểm cực dương……… ………….74

ACell Diện tích bề mặt hoạt động pin (cm2)

AFC Alkaline Fuel Cell - pin nhiên liệu alkali (kiềm)

BEVs Battery electric vehicles - xe địên sử dụng acquy

dc Chiều sâu kênh dẫn (mm)

DMFC Direct Methanol Fuel Cell – pin nhiên liệu dùng methanol

trực tiế

F Hằng số Faraday

FCEVs Fuel cell electric vehicles - xe điện pin nhiên liệu

GDL Gas diffusion layer – Lớp khuếch tán khí

HEVs Hybrid electric vehicles - xe điện lai

I Cường độ dòng điện (mA)

i Mật độ dòng điện (mA/cm2)

i Mật độ dòng điên (mmA/cm2)

i0 Mật độ trao đổi dòng điện do sự khử ôxy (A/cm2)

iL Mật độ dòng điện giới hạn (A/cm2)

MCFC Molten Carbonate Fuel Cell - pin nhiên liệu muối carbonate

nóng chảy MEA Membrance Electrode Assembly (bộ gồm màng điện cực và

màng trao đổi proton)

N Cell Số pin trong cụm pin

NEV Neighborhood Electric Vehicle - xe điện chạy chậm

PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell – pin nhiên liệu axit phosphoric PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell – pin nhiên liệu màng

trao đổi proton PHEVs Plug-in hybrid electric vehicles - xe điện lai có đầu cắm sạc

S Stoimetric – hệ số tỉ lệ giữa tốc độ cung cấp và tốc độ

thurwc của các chất tham gia phản ứng SOFC Solid Oxide Fuel Cell – pin nhiên liệu oxit rắn

T Nhiệt độ vận hành (K)

V Hiệu điện thế thực của pin (V)

Vact Hiệu điện tổn thất do phân cực hóa học (V)

Vconc Hiệu điện tổn thất do phân cực nồng độ (V)

Vrev Hiệu điện thế lý tưởng (V)

VSt Hiệu điện thế cụm pin (V)

Wc Bề rộng kênh dẫn (mm)

WL Khoảng cách hai kênh dẫn liền kề (mm)

WSt Công suất cụm pin (V)

ZAFC Zinc-Air Fuel Cell – pin nhiên liệu kẽm/không khí

α Hệ số vận chuyển ion

σ Độ dẫn ion tấm điện phân (S/cm)

∆G Biến đổi năng lượng tự do của phản ứng (kJ/mol)

∆H Biến đổi anthalpy của phản ứng (kJ/mol)

∆S Biến đổi entropy của phản ứng (kJ/mol)

µ Hiệu suất pin (%)

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu về pin nhiên liệu – Fuel Cell

1.1.2 Cấu tạo: mỗi pin nhiên liệu gồm có hai điện cực âm (cathode) và dương

(anode) Giữa hai điện cực còn chứa chất điện phân, vận chuyển các hạt điện tích từ cực này sang cực khác và chất xúc tác nhằm làm tăng tốc độ phản ứng

Hình 1.1 Mô hình cấu tạo của một pin nhiên liệu 1.1.3 Nguyên lý hoạt động

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của một pin nhiên liệu

Phản ứng trên anode: 2 H2 => 4 H+ + 4e- (1.1) Phản ứng trên cathode: O2 + 4 H+ + 4e- => 2 H2O (1.2) Tổng quát: 2 H2 + O2 => 2 H2O + năng lượng (điện) (1.3)

Có nhiều loại pin nhiên liệu và mỗi loại cách vận hành khác nhau nhưng cùng chung nguyên tắc cơ bản Khi những nguyên tử hydro đi vào cực dương của pin nhiên liệu, phản ứng hóa học xảy ra ở anode sẽ lấy đi electron của chúng Những nguyên tử hydro lúc này bị ion hóa và mang điện tích dương Electron điện tích âm

sẽ chạy qua dây dẫn tạo ra dòng điện một chiều

Oxygen đi vào cathode, và trong một số dạng pin nhiên liệu chúng sẽ kết hợp với các electron từ dòng điện và những ion hydrogen vừa đi qua chất điện phân từ anode Ở một số dạng pin nhiên liệu khác, oxygen lấy electron rồi đi qua chất điện phân đến anode gặp và kết hợp với các ion hydrogen tại đó

Chất điện phân có tính chất đặc biệt, nó chỉ cho phép những ion thích hợp đi qua giữa anode và cathode

1.1.4 Phân loại

Pin nhiên liệu có một số dạng khác nhau và chúng được phân loại số tiêu chí như: nhiệt độ hoạt động, các chất tham gia phản ứng, điện cực và chất điện phân Thông dụng hơn cả là cách phân loại dựa trên sự khác nhau về chất điện phân, theo

đó có các loại sau:

• AFC - pin nhiên liệu alkali (kiềm)

• MCFC - pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy

• PAFC - pin nhiên liệu axit phosphoric

• PEMFC - pin nhiên liệu màng trao đổi proton

• SOFC - pin nhiên liệu oxit rắn

• DMFC - pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp

• ZAFC - pin nhiên liệu kẽm/không khí

Mỗi dạng pin nhiên liệu có chế độ vận hành và những ứng dụng khác nhau sẽ được lần lượt giới thiệu dưới đây

a) AFC (Alkaline Fuel Cell) - pin nhiên liệu alkali (kiềm)

Pin nhiên liệu alkali (kiềm) vận hành với khí hydrogen nén và oxy, dùng dung dịch kiềm KOH làm chất điện phân Hiệu suất pin khoảng 70%, và hoạt động ở từ

1500C đến 2000 C Công suất đầu ra khoảng từ 300W đến 5kW Do nhỏ, nhẹ, hiệu suất cao nên phần lớn loại pin nhiên liệu alkali này thường được dùng trong các xe

cộ, phương tiện giao thông

Phản ứng trên anode: 2 H2 + 4 OH- => 4 H2O + 4e- (1.4)

Phản ứng trên cathode: O2 + 2 H2O + 4e- => 4 OH- (1.5)

Tổng quát: 2 H2 + O2 => 2 H2O + năng lượng (điện) (1.6)

Do đòi hỏi nhiên liệu hydrogen tinh khiết và chất xúc tác điện cực bằng Platin (bạch kim) nên pin nhiên liệu alkali vẫn còn khá đắt đỏ để thương mại hóa cho các sản phẩm thông thường

b) MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) - pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy

MCFC dùng các muối carbonate của Na và Mg ở nhiệt độ cao làm chất điện phân Hiệu suất pin đạt từ 60 đến 80%, vận hành ở nhiệt độ khoảng 6500C Các đơn

vị có công suất đầu ra 2 MW được kết hợp với nhau và có thể thiết kế cho công suất đến 100 MW MCFC dùng chất xúc tác điện cực nikel nên không đắt lắm so với xúc tác điện cực bạch kim của AFC 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

Phản ứng trên anode: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e- (1.7) Phản ứng trên cathode: CO2+ ½ O2 + 2e- => CO32- (1.8)

Tổng quát: H2(k) + ½ O2(k) + CO2 (cathode) => H2O(k) + CO2 (anode)+ điện năng

(1.9)

Pin nhiên liệu MCFC vận hành ở nhiệt độ khá cao, vì thế đa số các ứng dụng của

nó là các nhà máy, trạm phát điện lớn (ứng dụng tĩnh) Nhiệt độ cao của quá trình vận hành có thể được tận dụng tạo nên thêm một nguồn năng lượng bổ sung từ nhiệt thừa để sưởi ấm, dùng cho các quá trình công nghiệp hay động cơ hơi nước sinh ra thêm điện năng Nhiều nhà máy nhiệt điện chạy bằng gas đã áp dụng hệ thống này, gọi là cogeneration (phát điện kết hợp) Nhật Bản, Hoa Kỳ đã ứng dụng công nghệ này, xây dựng các nhà máy điện pin nhiên liệu MC từ thập kỉ 90 của thế kỉ trước

c) PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) – pin nhiên liệu axit phosphoric

PAFC dùng axit phosphoric làm chất điện phân, có cơ chế phản ứng như sơ đồ (1.1) - (1.3) Hiệu suất pin có thể đạt từ 40 đến 80%, và nhiệt độ vận hành nằm trong khoảng 1500C đến 2000C Các pin nhiên liệu PAFC hiện tại có công suất đến 200kW, và thậm chí 11MW đã được thử nghiệm PAFC có thể chịu được nồng độ

CO khoảng 1,5%, do đó mở rộng khoảng chọn lựa loại nhiên liệu mà chúng có thể

sử dụng PAFC đòi hỏi điện cực bạch kim, và các bộ phận bên trong phải chống chịu được ăn mòn axit

PAFC được phát triển, kiểm tra thực nghiệm từ giữa thập kỉ 60 và 70 của thế kỉ trước, là dạng pin nhiên liệu đầu tiên được thương mại hóa trên thị trường nên đến ngày nay PAFC đã có được nhiều cải tiến đáng kể nhằm giảm chi phí và tăng tính

ổn định, chất lượng hoạt động Hệ thống PAFC thường được cài đặt cho các tòa nhà, khách sạn, bệnh viện, các thiết bị điện (các ứng dụng tĩnh tương đối lớn) và công nghệ này đã được phổ biến ở Nhật Bản, châu Âu và Hoa Kỳ

d) PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) – pin nhiên liệu màng trao

đổi proton

PEMFC, (còn gọi là “Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell” - pin nhiên liệu màng điện phân polymer) có cơ chế phản ứng như sơ đồ (1.1) - (1.3) Pin nhiên liệu PEM hoạt động với một màng điện phân bằng plastic mỏng Hiệu suất pin từ 40 đến 50%, và vận hành ở nhiệt độ thấp, chỉ chừng 800C Công suất dòng ra khá linh hoạt

có thể chỉ là 2 kW cho các ứng dụng nhỏ, di động hay cả trong khoảng từ 50 đến

250 kW cho các ứng dụng tĩnh lớn hơn Vận hành ở nhiệt độ thấp nên PEM thích hợp cho các ứng dụng trong gia đình và xe cộ Tuy nhiên, nhiên liệu cung cấp cho PEM đòi hỏi phải được tinh sạch (không lẫn nhiều tạp chất) và PEM cũng cần xúc tác bạch kim đắt tiền ở cả hai mặt màng điện phân, gia tăng chi phí

PEMFC lần đầu tiên được sử dụng vào thập kỉ 60 của thế kỉ trước trong chương trình không gian Gemini của NASA, đến nay pin nhiên liệu PEM đã được phát triển với những hệ thống công suất thông thường từ 1 W đến 2 kW Người ta tin rằng PEMFC sẽ là dạng pin nhiên liệu thích hợp nhất cung cấp năng lượng cho các xe, phương tiện giao thông, và cuối cùng về lâu dài sẽ thay thế các động cơ đốt trong chạy bằng xăng dầu, diesel So với các dạng pin nhiên liệu khác, PEMFC sinh ra nhiều năng lượng hơn với cùng một thể tích hay khối lượng nhiên liệu cho trước Hơn nữa, nhiệt độ vận hành dưới 1000C cho phép khởi động nhanh Những ưu điểm

này cùng với khả năng thay đổi linh hoạt, nhanh chóng công suất đầu ra đã làm cho pin nhiên liệu PEM trở thành ứng cử viên hàng đầu cho các loại xe hơi hay những ứng dụng di động khác như máy tính xách tay…v.v

Mặt khác, do chất điện phân là vật liệu rắn (màng), chứ không phải là chất lỏng như những dạng pin nhiên liệu khác, việc nút kín các khí phát ra từ điện cực cũng đơn giản hơn và do đó làm giảm chi phí sản xuất Màng điện phân rắn cũng ít gặp khó khăn trong khi vận hành, ít bị ăn mòn hơn so với các dạng chất điện phân khác, dẫn đến kéo dài tuổi thọ của pin hơn

e) SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) – pin nhiên liệu oxit rắn

SOFC sử dụng một hợp chất oxit kim loại rắn (như calcium hay ziconium) làm chất điện phân Hiệu suất đạt được khoảng 60% và vận hành ở nhiệt độ từ 6000C đến cả 10000C Được phát triển từ cuối những năm 50 của thế kỉ trước, đây là dạng pin nhiên liệu vận hành ở nhiệt độ cao nhất hiện nay Nhiệt độ cao cho phép pin có thể sử dụng được nhiều loại nhiên liệu đầu vào, như khí thiên nhiên, sinh khối hydrocarbon (trích xuất lấy hydrogen trực tiếp mà không cần phải qua chuyển hóa nhiệt) Công suất đầu ra của pin đến 100 kW

Phản ứng trên anode: 2 H2 + 2 O2- => 2 H2O + 4 e- (1.10)

Phản ứng trên cathode: O2 + 4e- => 2 O2- (1.11)

Tổng quát: 2 H2 + O2 => 2 H2O + năng lượng (điện) (1.12)

Cũng giống như pin nhiên liệu muối carbon nóng chảy, do vận hành ở nhiệt độ khá cao như vậy nên dạng pin nhiên liệu này thường ứng dụng giới hạn trong các hệ thống tĩnh khá lớn và nhiệt thừa có thể được tái tận dụng để tạo thêm nguồn điện bổ sung

f) DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) – pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp

Dù công nghệ vẫn mới chỉ chập chững ở những bước ban đầu nhưng đã thể hiện được một số thành công trong những ứng dụng như điện thoại di động và máy tính xách tay (laptop), đem lại triển vọng đầy tiềm năng cho tương lai DMFC tương tự như PEMFC ở chỗ chất điện phân là polymer và điện tích vận chuyển là ion hydrogen (proton) Tuy nhiên, với DMFC, methanol lỏng (CH3OH) bị oxygen hóa trong nước ở anode, sinh ra khí carbonic, ion hydrogen đi qua chất điện phân và phản ứng với oxygen từ không khí và các electron từ dòng điện tạo thành nước ở anode, hoàn thành chu trình

Phản ứng trên anode: CH3OH + H2O => CO2 + 6 H+ + 6e- (1.13)

Phản ứng trên cathode: 3/2 O2 + 6 H+ + 6e- => 3 H2O (1.14)

Tổng quát: CH3OH + 3/2 O2 => CO2 + 2 H2O + năng lượng (điện) (1.15)

Khi mới bắt đầu phát triển từ đầu những năm 90 của thế kỉ trước, DMFC 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%

DMFC đã được thử nghiệm ở khoảng nhiệt độ từ 500C - 1200C Với nhiệt độ vận hành thấp và không đòi hỏi phải qua bước chuyển hóa thành hydrogen mà có thể dung trực tiếp nhiên liệu methanol, DMFC 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

Một trong những nhược điểm của DMFC đó là nhiệt độ vận hành thấp đòi hỏi chất xúc tác phải hiệu lực hơn, có nghĩa lượng xúc tác bạch kim đắt tiền cần dùng cũng lớn hơn so với dạng PEMFC thông thường Ngoài ra, methanol còn là một chất độc Vì thế mà một số công ty đã bắt tay vào việc phát triển các pin nhiên liệu

sử dụng ethanol trực tiếp (DEFC – direct ethanol fuel cell) Hiệu suất của DEFC

hiện nay mới chỉ khoảng một nửa so với DMFC, nhưng dự đoán khoảng cách này

sẽ ngày càng được rút ngắn trong tương lai

g) ZAFC (Zinc-Air Fuel Cell) – pin nhiên liệu kẽm/không khí

ZAFC vừa có những đặc tính của pin nhiên liệu vừa mang những tính chất của pin ắc quy Chất điện phân trong ZAFC là chất sứ rắn dùng ion hydroxyl (OH-) làm chất mang điện tích Để đạt được hiệu suất điện/nhiên liệu cao với các nhiên liệu hydrocarbon và một độ dẫn cao cho chất mang điện tích, ZAFC vận hành ở 7000C Điện cực dương, anode, được làm từ kẽm và được cung cấp hydrogen hay thậm chí

cả các hydrocarbon Điện cực âm, cathode, được tách khỏi nguồn không khí cấp vào nhờ một điện cực phân tán khí GDE (gas diffusion electrode), một màng thẩm thấu cho phép oxygen không khí đi qua Ở cực âm, oxygen phản ứng với hydrogen để tạo nên ion hydroxyl và nước

Phản ứng trên anode: CH4 + H2O => CO2 + 6 H+ + 6e- (1.16)

Zn + OH- => ZnO + H + e- (1.17)

Phản ứng trên cathode: O2 + 2 H+ + 2e- => 2 OH- (1.18)

O2 + 4 H+ + 4e- => 2 H2O (1.19)

Tổng quát: CH4 + 2 O2 => CO2 + 2 H2O + năng lượng (điện) (1.20)

Nhiệt độ vận hành cao của ZAFC làm cho nó có khả năng chuyển hóa nhiệt hydrocarbon trực tiếp, không cần một thiết bị chuyển hóa bên ngoài để tạo ra hydrogen Một thuận lợi khác của việc hoạt động ở nhiệt độ cao này đó là nhiệt thừa có thể được tận dụng để tạo ra hơi nước áp suất cao, hữu ích cho nhiều ứng dụng công nghiệp và thương mại

Chất điện phân của ZAFC cũng có một số ưu điểm trội hơn so với các chất điện phân khác Nó không đòi hỏi nước bão hòa như màng polymer của PEMFC và do vậy không bị khô đi hết nên không cần các thiết bị để kiểm tra giám sát độ ẩm ở hai

điện cực Hơn nữa, vì là chất rắn, sự rò rỉ chất điện phân cũng không xảy ra như với các chất điện phân lỏng Tuy nhiên, do điện cực dương bằng kẽm sẽ bị hao mòn nên

bộ phận này thỉnh thoảng cần được thay thế

Bảng 1.1 So sánh các dạng pin nhiên liệu chính[13]:

Dung dịch axit hosphoric

Muối carbonate nóng chảy của Li, Na và

K

Oxit zirconium rắn

-Thiết bị điện -Giao thông vận tải

-Trạm phát điện (lớn)

-Trạm phát điện (lớn)

- Hiệu suất lên đến 85% khi kết hợp phát điện và nhiệt

- Có thể sử dụng nhiên liệu không tinh khiết

-Hiệu suất cao -Có thể dùng được nhiều loại nhiên liệu đầu vào khác nhau -Có thể dùng được các loại xúc tác khác nhau

-Hiệu suất cao -Có thể dùng được nhiều loại nhiên liệu đầu vào khác nhau -Có thể dùng được các loại xúc tác khác nhau

-Giảm thiểu những vấn đề

ăn mòn và bảo trì

Nhược

điểm

-Xúc tác đắt

tiền -Nhạy cảm

cao với tạp

chất của

nhiên liệu

-Tốn chi phí cho việc khử CO2 khỏi nhiên liệu

và dòng không khí

-Đòi hỏi xúc tác bạch kim (Platinium) -Cho dòng điện cường độ thấp -Nặng, kích cỡ

to lớn

-Nhiệt độ cao làm tăng

ăn mòn và

có thể làm giòn vỡ cấu trúc của pin

-Nhiệt độ cao làm tăng ăn mòn và có thể làm giòn vỡ cấu trúc của pin

1.1.5 Lịch sử phát triển

Lịch sử pin nhiên liệu được bắt đầu từ năm 1839 bởi ông William Grove người

đã phát triển mô hình pin nhiên liệu đầu tiên ở Anh Ý tưởng về một thiết bị mà sau nay gọi là pin nhiên liệu xuất phát từ thí nghiệm sử dụng điện để tách nước thành hydro và oxy mà ông thực hiện trong thời gian này Ông tin rằng sẽ có quá trình tạo

ra điện từ phản ứng của oxy với hydro Để kiểm tra lý thuyết này, ông sử dụng hai lớp bạch kim trong ống kín riêng biệt, một có chứa hydro và một ống chứa oxy Khi chúng được nối với nhau nhúng trong axít sulfuric loãng, xuất hiện dòng điện hình thành giữa hai điện cực và nước tạo ra trong chai khí

Hình 1.3 Mô hình pin của William Grrove

Tiến sĩ Francis Bacon Thomas, tại Đại học Cambridge ở Anh, đã viết tiếp cho lịch sử pin nhiên liệu Năm 1932, ông Bacon phát triển pin nhiên liệu điện cực Niken mạ bạch kim và chất điện phân KOH

Sự phát triển pin nhiên liệu có một số mốc quan trọng dưới đây:

• Năm 1955, W Thomas Grubb thiết kế pin nhiên liệu sử dụng màng trao đổi ion sunfonat làm chất điện phân

• Năm 1959, ông Bacon phát minh ra pin Ankali Fuel Cell – AFC công suất 5

KW

• Giai đoạn 1950 – 1960: NASA triển khai ứng dụng pin nhiên liệu trong không gian

• Trong những năm 1970s, phát triển mạnh các hệ thống cung cấp năng lượng

• Trong những năm 1980s, bắt đầu ứng dụng trong phương tiện giao thông và vào năm 1993, công ty Canadian và Ballard đưa ra thị trường xe đầu tiên chạy bằng pin nhiên liệu

• Vào những năm gần đây, pin nhiên liệu phát triển rất nhanh và ứng dụng rộng rãi: nguồn cung cấp cho các thiết bị dân dụng, các trạm phát điện và phương tiện giao thông

1.1.6 Ứng dụng

Pin nhiên liệu đã và đang được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng khác nhau từ dân dụng tới công nghiệp, như: thiết bị di động, nguồn dự phòng, phương tiện giao thông, trạm cấp điện Các ứng dụng này đã được kiểm chứng trong thực tiễn và mang lại nhiều lợi ích thương mại Hình 1.4 tới hình 1.7 trình bày một số sản phảm thương mại đã có trên thị trường

Hình 1.4 Một số hình ảnh ứng dụng trong thực tế pin nhiên liệu trong các thiêt bị

sách tay

Hình 1.5 Một số hình ảnh ứng dụng trong thực tế pin nhiên liệu trong các

phương tiện giao thông

2Hình 1.6 Tàu Apolo sừ dụng pin nhiên liệu AFC

Hình 1.7 Một số trạm phát điện trong thực tế sử dụng pin nhiên liệu

Hình 1.8 Sơ đồ miền ứng dụng của pin nhiên liệu [27]

1.2 Giới thiệu pin nhiên liệu màng trao đổi proton - PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

1.2.1 Nguyên lý và cấu tạo:

Như đề cập phần 1.1.3 và d) mục 1.4, PEMFC cấu tạo gồm: một màng polymer

dẫn proton (chất điện phân) phân cách hai điện cực dương và âm Tại dương cực, hydro bị phân tách thành các proton và electron, dưới tác dụng chất xúc Các proton

di chuyển qua các màng đến cực âm, còn các điện tử chậy trong một mạch bên ngoài vì màng là điện cách điện Dưới tác dụng chất xúc tác, các phân tử oxy phản ứng với các điện tử (di chuyển qua mạch điện bên ngoài) và proton để tạo thành nước như hình 1.9

Hình 1.9 Nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu PEMFC

1.2.2 Các thành phần cơ bản của pin nhiên liệu PEMFC

Một pin nhiên liệu PEMFC có sáu bộ phận cấu thành: màng MEA (bộ bao gồm màng điện cực, chất xúc tác và màng trao đổi proton), lớp khuếch tán (GDL), miếng đệm, bản điện cực (bipolar plate), tấm gom điện và tấm đáy, trình bày hình 1.10

Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo một pin PEMFC[10]

1) Màng trao đổi proton - MEA

MEA cơ bản có ba lớp: một màng trao đổi proton, các lớp chất xúc tác và bản điện cực anot và catot Hiện nay, MEA có năm lớp và bảy lớp đã được phát triển Trong MEA, màng trao đổi proton là quan trọng nhất

4) Bản điện cực – Bipolar plate

Bản điện cực là bộ phận quan trọng trong pin, đảm nhiệm một số chức năng thiết yếu: cung cấp chất phản ứng, hấp thụ electron, tạo điều kiện thuận lợi quản lý nước Trên bản điện cực có các kênh dẫn nơi chứa các chất phản ứng

5) Tấm gom điện – current collector plate

Chức năng chính của nó là gom các electron Vật liệu chế tạo tấm này có tính dẫn điện tốt và đồng thường được sử dụng

6) Tấm đáy – End plate

Chức năng của tấm đáy là giữ các tấm: màng, tấm gom điện, điện cực thành một khối

1.2.3 Cụm pin nhiên liệu – Fuel cell Stack

Mỗi pin (cell) có hiệu điện thế 0.3 V tới 0.9 V vì vậy để tạo hiệu điện thế lớn hơn

các pin ghép nối tiếp nhau thành cụm pin – stank, như hình 1.11

Hình 1.11 Sơ đồ cụm pin PEM - Stack

Hình 1.1

1.2.4 Hệ thống pin PEM

Hệ thống pin nhiên liệ

dụng và hiệu suất mong mu

nhiên liệu PEM

Hình 1.13

Hình 1.12 Mô hình cụm PEM - Stack

g pin PEM – Fuel Cell System

ệu được thiết kế từ đơn giản rất phức tạp phụ

t mong muốn, hình 1.13 thể hiện sơ đồ nguyên lý củ

Sơ đồ hệ thống pin nhiên liệu PEMFC

ụ thuộc vào ứng

ủa hệ thống pin

1.3 Xe chạy điện

1.3.1 Xu hướng phát triển

Xe điện là xe sử dụng động cơ điện để dẫn động thay vì động cơ đốt trong Lịch sử của chiếc xe điện bắt đầu vào giữa thế kỷ 19 Cho tới nay, xe điện phát triển khá đa dạng với nhiều loại và sử dụng nguồn cung cấp năng lượng khác nhau như: pin hóa học, pin nhiên liệu,…

1 . 3.1.1 Kết cấu

Xe địên - Battery electric vehicles (BEVs)

Xe điện có kết cấu giống với xe động cơ đốt trong được thay thế động cơ và bình chứa nhiên liệu bằng động cơ điện và bình ắc quy, còn khung và các thành phần khác giữ nguyên

Hình 1.14 Cấu trúc cơ bản xe điện [20]

Xe địên sử dụng ác quy lắp đặt trong xe cung cấp điện cho động cơ điện Ắc quy cần được sạc lại cho lần sử dụng tiếp từ nguồn điện bên ngoài Loại xe này không mấy chú ý vì trọng lượng lớn, không linh hoạt và khả năng vận hành giảm dần Một đời xe mới được phát triển nhằm tăng khả năng linh hoạt cho xe

Mẫu xe mới này có cấu trúc như hình 1.15, cấu trúc gồm có ba hệ thống chính gồm: dẫn động điện, nguồn năng lượng và hệ thống hỗ trợ

Hình 1.15 Thành phần chung của xe điện [20]

Có nhiều kết cấu cho xe điện khác nhau truyền dòng năng lượng đến hệ thống dẫn động Chúng bao gồm động cơ điện, ly hợp, hộp số và bộ truyền động như hình1.16:

C: Ly hợp, D: Cân bằng tốc độ, FG: Bộ truyền bánh răng tích hợp, G: Hộp số, M: Động cơ điện

Hình 1.16 Các cấu trúc khác nhau của xe điện [20]

a) Cấu trúc này loại bỏ ly hợp, động cơ điện tạo ra tốc độ không đổi và hộp số

có nhiều cấp Cấu trúc này không những giảm kích thước và khối lượng xe mà còn làm đơn giản bộ phận điều khiển

b) Toàn bộ động cơ điện, hộp số và bộ vi sai được liên kết với nhau trên trục bánh xe, đây là kết cấu đơ giản và chắc chắn

c) Động cơ điện kết hợp hộp số lắp trực tiếp với hai bánh xe

d) Động cơ đặt bên trong bánh xe, một hệ bánh răng hành tinh mỏng cho phép động cơ giảm tốc và tăng mo men xoắn

e) Động cơ điện với tốc độ thấp kết nối trực tiếp với bánh xe dẫn động Tốc độ bánh xe thay đổi qua điều khiển tốc độ động cơ Động cơ điện cần có mô men cao

hơn để khởi động và tăng tốc

Xe điện Hybrid - Hybrid electric vehicles (HEVs)

Xe sử dụng động cơ đốt trong truyền thống có ưu điểm là vận hành tốt và cự ly hoạt động dài Tuy nhiên, hiệu quả kinh tế thấp và ô nhiễm môi trường là nhược điểm của loại này Xe điện có một số ưu điểm hơn so xe động cơ đốt trong như hiệu suất cao và không có khí thải ô nhiễm Tuy nhiên khi vận hành, ắc quy cần được sạc

so với xe sử dụng động cơ đốt trong vẫn kém cạnh tranh hơn Xe Hybrid sử dụng hai nguồn công suất trên ra đời có được cả hai ưu điểm của hai loại

Xe Hybrid có hệ thống cung cấp năng lượng là kết hợp giữa năng lượng điện dự trữ trong ắc quy và động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng hay diesel Trong quá trình hoạt động của xe, ắc quy được sạc tự động

Bộ truyền của xe Hybrid cung cấp công suất có một số lựa chọn, hình 1.17:

1) Công suất kéo được cung cấp từ bộ truyền 1

2) Công suất kéo được cung cấp từ bộ truyền 2

3) Công suất kéo được cung cấp từ đồng thời cả hai bộ truyền 1 và 2

4) Công suất của bộ truyền 2 thu được từ tải (phanh xe)

5) Công suất của bộ truyền 2 thu được từ bộ truyền 1

6) Công suất của bộ truyền 2 thu được đồng thời từ tải và bộ truyền 1

Hình 1.17 Sở đồ cấu trúc dòng năng lượng của xe điện Hybrid [20]

7) Công suất của bộ truyền 1 cung cấp đồng thời cho tải và bộ truyền 2 8) Công suất của bộ truyền 1 cung cấp cho bộ truyền 2, bộ truyền 2 truyền cho tải

9) Công suất của bộ truyền 1 cung cấp cho tải và tải truyền cho bộ truyền

Cấu trúc xe Hybrid có một số dạng như hình 1.18: