15.7. các loại pin nhiên

Chia sẻ: Nguyen Phuonganh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:12

Thêm vào BST

Báo xấu

420
lượt xem 99
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

. các loại pin nhiên liệu: Pin nhiên liệu cũng có một số kiểu khác nhau, chủ yếu ở chất điện phân mà chúng sử dụng. Trong khi có chất chỉ cho phép proton (H+) đi qua thì có chất khác chỉ cho các phân tử phức tạp đi xuyên qua màng. Các chất điện phân chúng sử dụng cũng được lấy làm tên gọi để phân biệt các dạng pin nhiên liệu khác nhau, ví dụ như: AFC – pin nhiên liệu kiềm, PEMFC –pin nhiên liệu màng trao đổi proton), PAFC – pin nhiên liệu axit phosphoric, MCFC...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: 15.7. các loại pin nhiên

Hydrogen & Pin nhiên liệu (Các loại pin nhiên liệu-P1) 15.7. các loại pin nhiên liệu: Pin nhiên liệu cũng có một số kiểu khác nhau, chủ yếu ở chất điện phân mà chúng sử dụng. Trong khi có chất chỉ cho phép proton (H+) đi qua thì có chất khác chỉ cho các phân tử phức tạp đi xuyên qua màng. Các chất điện phân chúng sử dụng cũng được lấy làm tên gọi để phân biệt các dạng pin nhiên liệu khác nhau, ví dụ như: AFC – pin nhiên liệu kiềm, PEMFC –
pin nhiên liệu màng trao đổi proton), PAFC – pin nhiên liệu axit phosphoric, MCFC – pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy, SOFC – pin nhiên liệu oxit rắn… 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 150 đến 200 độ 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 phương tiện xe cộ, giao thông. Phản ứng trên anode: 2 H2 + 4 OH- => 4 H2O + 4e- (15.10)
Phản ứng trên cathode: O2 + 2 H2O + 4e- => 4 OH- (15.11) ______________________________________ __________________ Tổng quát: 2 H2 + O2 => 2 H2O + năng lượng (điện) (15.12) Pin nhiên liệu alkali đã từng được NASA chọn sử dụng trong các chương trình không gian như đội tàu Con Thoi và các phi thuyền Apollo, chủ yếu bởi vì năng lượng sinh ra đạt hiệu suất đến 70%. Điều thú vị là, không chỉ cung cấp năng lượng dưới dạng điện năng, pin nhiên liệu alkali còn cung cấp nước uống cho các phi hành gia. Nó đòi hỏi nhiên liệu hydrogen tinh khiết và chất xúc tác điện cực bằng Platin (bạch kim). Vì thế mà pin nhiên liệu alkali vẫn còn khá đắt đỏ để thương mại hóa cho các sản phẩm thông thường. Tuy nhiên, một số công ty đang tìm
cách giảm giá thành và tăng tính đa dụng của loại pin nhiên liệu này. Tháng 7/1998, công ty “xe cộ không phát thải” ZEVCO (the Zero Emission Vehicle Company) đã tung ra chiếc taxi mẫu đầu tiên tại London nước Anh . Chiếc taxi sử dụng một bộ pin nhiên liệu alkali 5kW, chất xúc tác cobalt được thay cho bạch kim (platin) để giảm chi phí, xe chạy không sinh ra khí độc và vận hành rất êm, gần như không gây tiếng động như những taxi chạy bằng động cơ đốt trong thông thường. b) MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) – pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy. MCFC dùng các muối carnonate 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- (15.13) Phản ứng trên cathode: CO2+ ½ O2 + 2e- => CO32- (15.14) ______________________________________ ______________________________ Tổng quát: H2(k) + ½ O2(k) + CO2 (cathode) => H2O(k) + CO2 (anode)+ điện năng (15.15) Pin nhiên liệu MC 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, cơ chế phản ứng như sơ đồ (15.7)-(15.9). Hiệu suất pin có thể đạt từ 40 đến 80%, và nhiệt độ vận hành nằm trong khoảng 150 đến 200 độ C. Các pin nhiên liệu PAFC hiện tại có công suất
đến 200 kW, và thậm chí 11 MW 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 (15.7)-(15.9). 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 cộ, 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 khôn 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 zỉconium) 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. Vận hành ở nhiệt độ cao như vậy, chất điện phân là vật liệu oxit rắn, mỏng và cho phép ion oxygen (O2-) đi qua. Phản ứng trên anode: 2 H2 + 2 O2- => 2 H2O + 4 e- (15.16) Phản ứng trên cathode: O2 + 4e- => 2 O2- (15.17) ______________________________________ ____________________ Tổng quát: 2 H2 + O2 => 2 H2O + năng lượng (điện) (15.18) 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. 5 dạng pin nhiên liệu trên đã được ứng dụng trên thực nghiệm từ lâu. Ngoài ra, một số dạng pin nhiên liệu khác hứa hẹn nhiều triển vọng vẫn đang còn trong những bước đầu giai đoạn nghiên cứu cũng sẽ được tiếp tục giới thiệu dưới đây.