Tiểu luận môn hóa lý

tiểu luận hóa lý 1 đề tài pin nhiên liếukfhjgưkjsdddddddddddddddddddddddddddddddddddddgnvkjhbdsvn kạdnlkvnalkdmvklndklvnkladklvndnvklsmdvsdb sb sdqeiwghuoaoônnwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwgggggggggggggggggggvvvvvvvvmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmfffffewwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwfoaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaàiwoooooooodkmckmvknaklnvla;

Khoa Khoa Học-Ứng Dụng-Sức Khỏe

Tiểu Luận Môn Học

Hóa Lý

Đề tài nghiên cứu:Pin Nhiên Liệu

Gv:Nguyễn Hải Đăng Nhóm SVTH:Nhóm 3 Niên khóa:2019-2023

Đồng Nai,Tháng 5 Năm 2020

Danh sách sinh viên

(Dấu + tương ứng với mức độ tích cực,tối đa 4+;nt:Nhóm

trưởng)

Mục lục

I.Chương I:Các Khái Niệm Cơ Bản 4

1.Sơ Lược Về Pin Nhiên Liệu 4

2.Cấu tạo cơ bản của một pin nhiên liệu 4

II.Chương II.Hoạt Động & Phân Loại Pin Nhiên Liệu 7

1.Mô tả khái quát 7

2.Hoạt động về mặt hóa học 7

3.Các loại pin nhiên liệu 8

a)Pin nhiên liệu dùng màng polymer rắn làm chất điện giải (PEMFC) 8

b)Pin nhiên liệu dùng axit phosphoric (PAFC) 9

c)Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) 9

d)Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC) 10

e)Pin nhiên liệu kiềm (AFC) 11

f)Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp(DMFC) 12

III.Chương III.Ứng Dụng Và Sản Xuất Pin Nhiên Liệu Trong Thực Tế 14

1.Quá Trình Sản Xuất Pin Nhiên Liệu 14

2.Ứng dụng và phát triển của pin nhiên liệu trong tương lai 16

3 Một số công nghệ sản xuất pin nhiên liệu 18

Chương IV:Pin Nhiên Liệu Và Vấn Đề Môi Trường 19

1.Ảnh Hưởng Của Pin Nhiên Liệu Đến Môi Trường 19

2.Ưu,Nhược Điểm Của Pin Nhiên Liệu 19

Chương V: Kết Luận Và Đánh Giá 22

Tài Liệu Tham Khảo 23

I.Chương I:Các Khái Niệm Cơ Bản

1.Sơ Lược Về Pin Nhiên Liệu

heo Wikipedia: Các tế bào nhiên liệu (Tiếng anh: fuel cell), hay còn gọi là "pin nhiên liệu", biến đổi năng lượng hóa học của nhiên liệu, thí dụ như là hidro, trực tiếp thành năng lượng điện Khác với

pin hoặc acquy, tế bào nhiên liệu không bị mất điện và cũng không

có khả năng tích điện Tế bào nhiên liệu hoạt động liên tục khi nhiên liệu (hiđrô)

và chất oxi hóa (oxi) được đưa từ ngoài vào

T

heo devi-reneweble:Pin nhiên liệu là thiết bị điện hóa biến đổi trực tiếp hóa năng (thường là khí hydro, methanol, ethanol,và chất oxy hóa như oxy) thành điện năng

T

in nhiên liệu là một sản phẩm mới,có phần chưa được phổ biến So

sánh với các loại pin cổ điện như lithium,acquy,lipo…Pin nhiên liệu tạo ra dòng điện bằng cách sử dụng các phản ứng hóa học thường là cung cấp khí hidro vào để duy trì dòng điện và pin chỉ”hết điện” khi dòng khí hidro ngừng cung cấp nên có hiệu suất cao hơn đồng thời hạn chế tạo

ra chất thải gây ô nhiễm môi trường

P

2.Cấu tạo cơ bản của một pin nhiên liệu

(I.2.1 Cấu tạo một pin nhiên liệu)

Từ hình ảnh mô phỏng ta có thể thấy:

Pin nhiên liệu có cấu tạo đơn giản bao gồm ba lớp nằm trên nhau:

– Lớp thứ nhất là điện cực nhiên liệu – anode

– Lớp thứ hai là chất điện giải dẫn proton – màng

– Lớp thứ ba là điện cực khí oxy – cathode

Hai điện cực được làm bằng chất dẫn điện (kim loại, than chì, …) Trên bề mặt các điện cực có phủ một lớp chất xúc tác Chất xúc tác làm bằng bột platinum, phủ rất mỏng lên giấy than hoặc vải than, rất nhám và rổ với những lỗ rất nhỏ Mặt nhám tiếp xúc với khí hydro và oxy, mặt phẳng mềm tiếp xúc với tác nhân hóa học

Chất điện giải được dùng từ nhiều chất khác nhau tùy thuộc vào loại của pin: cóloại ở thể rắn, có loại ở thể lỏng và có cấu trúc màng Vì một pin riêng lẻ chỉ tạođược một điện thế rất thấp cho nên tùy theo điện thế cần dùng thì nhiều pin

được ghép lại với nhau, tức là chồng lên nhau Người ta thường gọi sự chồng lớp lên nhau như vậy là stack Ngoài ra, hệ thống đầy đủ cần có các thiết bị phụ

thống kiểm tra các yêu cầu, sự chắc chắn của vận hành máy, hệ thống dự trữ và điều chế nhiên liệu…

II.Chương II.Hoạt Động & Phân Loại Pin Nhiên Liệu

1.Mô tả khái quát

(II.1.1 Minh họa hoạt động của pin nhiên liệu)

-Khí hidro đi vào dưới áp suất cao và xúc tác của Pt,mỗi phân tử H2 sẽ mất đi 2e

để trở thành ion H+ tập trung ở Anote(+)

-Ở Catot,khí oxi đi vào và nhận 2e để trở thành O2- tập trung tại bề mặt catot

-Trong điều kiện xúc tác đầy đủ,hai ion H+ và O2- sẽ kết hợp nhau tạo ra H2O

đồng thời dòng e di chuyển từ anot sang catot tạo thành dòng chuyển dịch có hướng của các electron(định nghĩa về dòng điện) tạo ra dòng điện

2.Hoạt động về mặt hóa học

Về phương diện hóa học pin nhiên liệu là phản ứng ngược lại của sự điện

phân Trong quá trình điện phân, nước bị tách ra thành khí hydro và oxy nhờ vào năng lượng điện Pin nhiên liệu lấy hai chất này biến đổi chúng thành nước

và tạo ra dòng điện ở mạch ngoài.

Nhiên liệu (khí H2) được dẫn liên tục vào điện cực anot; còn chất oxy hóa,

thông thường là oxy, được đưa vào catot

* H2 đi qua màng xúc tác dưới tác dụng của áp suất Khi một phân tử H2 đến

tiếp xúc Pt, sẽ bị phân tách thành 2H+ và 2e

-Phản ứng tại anot: H2 →2H+ +2e

-* Các proton H+ di chuyển trong chất điện giải xuyên qua màng đi đến catot

Các điện tử được giải phóng đi từ anot qua mạch bên ngoài về catot kết hợp với khí oxy và các ion H+ sinh ra nước đồng thời tạo ra dòng điện ở mạch ngoài

Phản ứng tại cathode: 1/2O2 + 2e- + 2H+ → H2O

* Phản ứng tổng quát trong pin nhiên liệu: H2 + 1/2 O2 →H2O

3.Các loại pin nhiên liệu

a)Pin nhiên liệu dùng màng polymer rắn làm chất điện giải (PEMFC)

PEMFC sử dụng màng polymer rắn làm chất điện giải nên giảm sự ăn mòn và

dễ bảo dưỡng Nhiệt độ hoạt động 500C- 800C Loại pin này được sản xuất

nhiều nhất để sử dụng cho các phương tiện vận tải vì công suất lớn, nhiệt độ vậnhành thấp và ổn định Tuy nhiên, sản phẩm tham gia phản ứng phải có độ tinh khiết cao

(II.3.1 Pin nhiên liệu dùng màng polymer) b)Pin nhiên liệu dùng axit phosphoric (PAFC).

Loại pin nhiên liệu này dùng acid phosphoric, có rất nhiều hứa hẹn sẽ thành

công trong thị trường nhỏ như máy phát điện tư nhân Loại này chỉ hoạt động với nhiệt độ 1500C- 2000C cao hơn PEMFC cho nên phải tốn nhiều thời gian hâm nóng Vì vậy, nó sử dụng nhiều nhiên liệu hơn và không thể đưa vào thị

ra dễ dàng Yêu cầu về sự tinh khiết đối với nhiên liệu thấp Loại pin nhiên liệu này rất thích hợp cho những công nghệ lớn như nhà máy phát điện

(II.3.3 Pin nhiên liệu dung oxit rắn)

*Tuy nhiên, việc thiết kế pin phức tạp, yêu cầu bảo dưỡng nhiều hơn Hoạt động ở nhiệt độ quá cao khoảng 7000C- 10.000 độ C nên độ tin cậy trong

suốt quá trình này không được đảm bảo Vì lý do an toàn mà SOFC không thể đưa vào thị trường.

d)Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC)

Loại pin nhiên liệu này cũng giống như SOFC, chỉ hoạt động ở nhiệt độ cao,

khoảng 6000C – 6500C MCFC thích hợp cho công nghệ lớn như nhà máy phát điện, sử dụng hơi nước để chạy turbin Với tầm hoạt động trong nhiệt độ tương đối thấp, MCFC sử dụng ít chất liệu hóa học khác lạ và giá thiết kế thấp hơn

SOFC

(II.3.4 Pin nhiên liệu dùng cacbonat nóng chảy)

*Tuy nhiên, tính bền của pin không cao Pin hoạt động ở nhiệt độ cao nên dễ

bị ăn mòn và sự đánh thủng các thành phần nhanh dần.

e)Pin nhiên liệu kiềm (AFC)

Đây là loại pin nhiên liệu sử dụng chất điện giải là kiềm được dùng trong

chương trình Không Gian Hoa Kỳ (NASA) từ năm 1960 Năng suất của AFC sẽ

bị ảnh hưởng rất nhiều nếu ô nhiễm Do đó, AFC cần phải có hydro và oxy tinh khiết Nhiệt độ hoạt động 600C – 900C Ngoài ra, thiết kế loại pin này rất tốn kém cho nên không thể nào tung ra thị trường cạnh tranh với các loại pin nhiên liệu khác Hiệu suất pin cao.

(II.3.5 Pin nhiên liệu kiềm) f)Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp(DMFC)

DMFC sử dụng nhiên liệu là methanol, hoạt động ở nhiệt độ 300C – 1300C,

không đòi hỏi một bộ chuyển đổi nhiên liệu bên ngoài DMFC có hiện tượng methanol bị thấm qua màng nên hiệu suất bị giảm Bao gồm hai loại: pin nhiên liệu kiềm và pin nhiên liệu acid

(II.3.6Pin nhiên liệu dùng methanol)

* Pin nhiên liệu kiềm: CO2 được giữ lại bởi chất điện giải ăn da (như

KOH, NaOH) tạo thành carbonate trung tính Không cần nhiều chất xúc tác kim loại quí.

*Pin nhiên liệu acid: CO2 được rút hết ra ngoài Chất điện giải vẫn

không đổi nếu thực hiện việc quản lý nước phù hợp.

III.Chương III.Ứng Dụng Và Sản Xuất Pin Nhiên Liệu Trong Thực Tế

1.Quá Trình Sản Xuất Pin Nhiên Liệu

*Mô tả khái quát

-Chuẩn bị tế bào nhiên liệu(thường là các tấm mỏng xếp lớp lên nhau)

-Ghép và ép chặt nhiều lớp tế bào nhiên liệu lên nhau

-Lõi tế bào là tấm màng điện cực hội tụ(MEA) có độ dày khoảng 50μm

-Ghép hai lớp khuếch tán khí(GDL) dày 200μm vào hai bên

-Ghép hai tấm lưỡng cực(Biolar plantes) dày từ 2-5mm vào hai bên

-Tiếp tục ghép hai lớp tấm nén vào 2 bên để bảo vệ

->tất cả được xếp lần lượt nên nhau và ép chặt Và đó mới chỉ là một cell đơn lẻ.Việc lặp đi lặp lại các bước như trên đến khi đủ số lượng để ghép lại thành một pin nhiên liệu

Sau đó,quá trình chế tạo điện cực,cửa cấp thoát khí ,

*Đánh giá:Quá trình sản xuất pin nhiên liệu yêu cầu một công nghệ và

kỹ thuật cao,đòi hỏi một trình độ và sự hỗ trợ cao của máy móc,đồng thời

2.Ứng dụng và phát triển của pin nhiên liệu trong tương lai

-Tế bào nhiên liệu được sử dụng đầu tiên trong những lĩnh vực mà phí tổn không đóng vai trò quan trọng Tế bào nhiên liệu nhẹ và hiệu quả hơn ắc quy đồng thời đáng tin cậy và ít ồn ào hơn động cơ Diesel Những điều này giải thích tại sao giới quân sự và ngành du hành vũ trụ quan tâm đến công nghệ này rất sớm Một số tàu thuyền trên biển cũng dùng tế bào nhiên liệu làm năng lượng hoạt động…

-Những năm gần đây,một số hang sản xuất xe như Toyota,

Ford, Honda,Opel… cũng đã để ý đến loại năng lượng mới này

-III.2.1Xe Toyota chạy bằng pin nhiên liệu

-Ở Hamburg và Stuttgart(Đức),một số chiếc xe buýt chạy bằng năng lượng khí hidro đã được đưa vào chạy thử nghiệm…

(III.2.2Xe buýt chạy bằng năng lượng hidro)

-Một số vật dụng cầm tay như điện thoại di động, máy vi tính xách tay, máyquay phim, vật liệu cắm trại hay quân sự cũng đang tiến tới ứng dụng loại nguồn cung cấp năng lượng này

(III.2.3 Điện thoại sử dụng pin nhiên liệu methanol)

*Với thực trạng đang trên đà phát triển như hiện tại,trong tương lai,pin nhiên liệu có tiềm năng thay thế một số nguồn năng đã cũ và trên đà cạn

3 Một số công nghệ sản xuất pin nhiên liệu

-Sản xuất điện cực cacbon-chất xúc tác dạng tổ ong xốp, rỗng cho pin nhiên liệudùng methanol trực tiếp (Hàn Quốc)

-Phương pháp sản xuất pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp dạng tấm phẳng (Nhật Bản)

-Sử dụng màng điện phân polymer cho pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (Nhật Bản)

-Điện cực anode Pt-Ru có cấu trúc nano dùng trong pin nhiên liệu dùng

Chương IV:Pin Nhiên Liệu Và Vấn Đề Môi Trường

1.Ảnh Hưởng Của Pin Nhiên Liệu Đến Môi Trường

a)Trong quá trình sản xuất

Như đã trình bày trên,quá trình sản

xuất pin nhiên liệu đòi hỏi công

nghệ,kỹ thuật cao nên trong quá

trình sản xuất ắt hẳn có sinh ra chất

thải ảnh hưởng đến môi trường

Đồng thời pin sử dụng khí hidro làm

nhiên liệu nên cần phải sản xuất ra

hidro từ nước thông qua

quá trình điện phân.Nguồn năng lượng cần tiêu tốn để sản xuất ra hidro so ra cũng không thua kém gì việc sử dụng xăng dầu và năng lượng hóa thạch… Nếu pin sử dụng nguyên liệu là methanol hay chất hóa thạch thì chất thải không thua kém động cơ sử dụng xăng dầu là bao

thải trực tiếp chỉ có nước,còn các khí thải độc hại khác vốn tập chung tại nhà máy sản xuất hidro hay methanol,thuận lợi cho việc xử lí…

b)Trong quá trình hoạt động

Trong quá trình hoạt động,pin nhiên liệu sử dụng khí hydro làm chất nguyên liệu nên sản phẩm gần như chỉ có nước sạch,hầu hết không ảnh hưởng đến môi trường

c)Sau quá trình hoạt động

Không giống như acquy hay pin lipi,lithium… sau khi hư hỏng sẽ thải ra môi trường một lượng lớn chất thải độc hại như axit sunfuric,chì,thủy

ngân,cadimi,pin nhiên liệu tạo nên từ các tế bào nhiên liệu thân thiện với môi trường nên quá trình thải bỏ không đáng ngại

-Quá trình vận hành của pin nhiên liệu gần như không phát sinh khói bụi,sản phẩm chủ yếu là nước sạch hoặc khí CO2(nếu sử dụng nguyên liệu hóa

thạch),điều này làm giảm đáng kể lượng khí thải CO2 gây hiệu ứng nhà kính đang là vấn đề lớn của toàn xã hội Đồng thời năng lượng từ khí H2 cũng góp phần làm giảm nguy cơ cạn kiệt nguồn tài nguyên từ dầu mỏ,than đá và các tài nguyên thiên nhiên khác

-Nếu pin nhiên liệu sử dụng H2 thì có thể nói năng lượng gần như vô tận do H2

được sản xuất từ việc chưng cất nước và quá trình hoạt động lại tạo ra nước nhưban đầu

-Thời gian nạp nhiên liệu nhanh: Chỉ cần nạp trực tiếp nhiên liệu vào bình là sử dụng được ngay Khác với pin truyền thống phải nạp điện trong thời gian dài

tuổi thọ và độ tin cậy.

-Nhiệt độ vận hành khác nhau của tế bào nhiên liệu cho phép dùng cùng với turbine hay những áp dụng hơi nước nóng

- Vận hành yên tĩnh: Phản ứng hóa học sinh ra điện năng nhằm vận hành xediễn ra một cách yên lặng và không gây ồn như động cơ đốt trong

-Nếu sử dụng trong các nhà máy phát điện các chuyên gia dự tính việc phát thảicác khí nhà kính có thể giảm đến khoảng 4% cho đến năm 2010 Thêm nữa,việc sản xuất điện và nhiệt để sưởi ấm được phân tản tiếp tục, các thiết bị nhỏdùng cho nhà ở được thực hiện dễ dàng hơn và có hiệu quả nhiều hơn so vớicác công nghệ thông thường rất nhiều

→Tổng kết lại các chuyên gia cũng khẳng định ở phần này là công nghệ tế bào nhiên liệu vẫn thân thiện với môi trường hơn các phương pháp sản xuất điện thông dụng rất nhiều.

*Nhược Điểm:

-Giá thành sản xuất pin nhiên liệu quá cao để sản xuất đại trà do pin có các bộphận sử dụng công nghệ chế tạo và vật liệu đắt tiền như chất xúc tác (bạch kim),màng trao đổi, điện cực

-Phương pháp sản xuất hidro hiện hành chủ yếu là chưng cất phân đoạn khôngkhí và điện phân nước,tất cả đều tiêu tốn rất nhiều năng lượng và đòi hỏi côngnghệ cao

-Pin nhiên liệu có thể tích cồng kềnh, nhất là khi người ta muốn nhập vào bêntrong xe cộ

-Các pin nhiên liệu cần có tuổi thọ tối thiểu 40.000h trong các ứng dụng trongcác công trình về trạm phát điện Đây là một ngưỡng không dễ gì vượt qua vớicông nghệ hiện hành

-Hidro là một chất khí nhẹ và dễ cháy,nó có thể phát nổ mạnh trong không khínên rất khó bảo quản và vận chuyển

-Qua bài phân tích ta có thể thấy,pin nhiên liệu là một nguồn năng lượng cótiềm năng phát triển trong tương lai với những ưu điểm vượt trội so với nănglượng hóa thạch đã cũ và dần cạn kiệt Bên cạnh đó,nhiều hạn chế về chất thải

về nguồn nguyên liệu cũng cần được khắc phục triệt để nhằm khẳng định vị trítrên sàn năng lượng thế giới

-Nếu pin nhiên liệu sử dụng năng lượng hóa thạch thì vấn đề môi trườngkhông thua kém các nguyên liệu hiện hành Nếu pin nhiên liệu sử dụng khíhidro thì vấn đề môi trường không còn đáng ngại nhưng thay vào đó vấn đề sảnxuất,vận chuyển,sử dụng hidro lại là một thách thức lớn

-Tại Việt Nam,thuật ngữ pin nhiên liệu chưa được phổ biến rộng do điềukiện về công nghệ,kỹ thuật và kinh tề còn chưa cao,việc sử dụng rộng rãi pinnhiên liệu như một nguồn năng lượng cơ bản giống xăng,dầu vẫn là một trởngại lớn mà trong tương lai cần phải khắc phục

-Pin nhiên liệu-Wikipedia

-10 nguồn năng lượng quan trọng của con người-redsvn.com -Hoạt động của pin nhiên liệu-Youtube

-How to make a fuel cell-energy

-Hydrogen fuel cell-google

-Quy trình sản xuất pin nhiên liệu-technologymag.net

…