ĐH BÁCH KHOA TP.HCM
Bài gi ng:ả
NĂNG L
NG TÁI
ƯỢ T OẠ
Giảng viên: ThS. Trần Công Binh
1
11/2013 11/2013
C5: PIN NHIÊN LIỆU
1.G
ớ
ữ
ệ
ượ
ệ
i
i thi u tích tr năng l
ng dùng pin nhiên li u
2.B
ộ ệ
đi n phân Electrolyser
3.P
ệ in nhiên li u – Fuel cell
4.M
ệ ữ ô hình tích tr pin nhiên li u
5.Ứ
ụ
ệ
ng d ng pin nhiên li u
6.P
2
hân tích pin nhiên li uệ
ượ ạ Năng l ng tái t o
1. Giới thiệu pin nhiên liệu
3
ượ ạ Năng l ng tái t o
1. Giới thiệu pin nhiên liệu
4
ượ ạ Năng l ng tái t o
1. Giới thiệu pin nhiên liệu
–M
ữ
ượ
ệ
ô hình tích tr năng l
ng dùng Pin nhiên li u
Nguồn điện
Tải
Bộ điện phân
Bộ tích trữ khí
Pin nhiên liệu
5
ượ ạ Năng l ng tái t o
1. Giới thiệu pin nhiên liệu
–M
ữ
ượ
ệ
ô hình tích tr năng l
ng dùng Pin nhiên li u
6
ượ ạ Năng l ng tái t o
2. Bộ điện phân – Electrolyser
7
ượ ạ Năng l ng tái t o
2. Bộ điện phân – Electrolyser
8
ượ ạ Năng l ng tái t o
2. Bộ điện phân – Electrolyser
ộ ệ
– B đi n phân – Electrolyser
Membrane Électrolyte solide +
H2O
Cathode
Anode
9
ượ ạ Năng l ng tái t o
2. Bộ điện phân – Electrolyser
e
H
O
H
e
10
ượ ạ Năng l ng tái t o
2. Bộ điện phân – Electrolyser
H
H
e O e
11
ượ ạ Năng l ng tái t o
2. Bộ điện phân – Electrolyser
2
H
O
H
12
ượ ạ Năng l ng tái t o
2. Bộ điện phân – Electrolyser
H
H
2
O
13
ượ ạ Năng l ng tái t o
2. Bộ điện phân – Electrolyser
Membrane Électrolyte solide +
H
H
H2
E
H2O + 2e O2 + H2
2
O
H
O
H2O
H
Cathode
Anode
14
ượ ạ Năng l ng tái t o
2. Bộ điện phân – Electrolyser
Membrane Électrolyte solide +
O 2
O 2
O 2
O 2
O 2
O 2
O 2
O 2
O 2
O 2
O 2
O 2
O 2
O 2
O 2
O 2
O 2
O 2
Cathode
Anode
15
ượ ạ Năng l ng tái t o
2. Bộ điện phân – Electrolyser
2
O
2
O
16
ượ ạ Năng l ng tái t o
2. Bộ điện phân – Electrolyser
e
e O
O
e
e
17
ượ ạ Năng l ng tái t o
2. Bộ điện phân – Electrolyser
e
e
e
e
O
O
18
ượ ạ Năng l ng tái t o
2. Bộ điện phân – Electrolyser
O O
19
ượ ạ Năng l ng tái t o
2. Bộ điện phân – Electrolyser
O
O
20
ượ ạ Năng l ng tái t o
2. Bộ điện phân – Electrolyser
Électrolyte solide +
O2
E
O O
2
O
2 O2 O2 + 4e
2
O
Cathode
Anode
21
ượ ạ Năng l ng tái t o
2. Bộ điện phân – Electrolyser
Membrane Électrolyte solide +
½ O2
H2
E
H2O + 2e O2 + H2
O2 ½ O2 + 2e
O2
H2O
Cathode
Anode
22
ượ ạ Năng l ng tái t o
2. Bộ điện phân – Electrolyser
23
ượ ạ Năng l ng tái t o
2. Bộ điện phân – Electrolyser
24
ượ ạ Năng l ng tái t o
3. Pin nhiên liệu – Fuel cell
ữ
ượ
ệ
Mô hình tích tr năng l
ng dùng Pin nhiên li u
Nguồn điện
Tải
Bộ điện phân
Bộ tích trữ khí
Pin nhiên liệu
25
ượ ạ Năng l ng tái t o
3. Pin nhiên liệu – Fuel cell
ạ ộ
ủ
ệ
Ho t đ ng c a Pin nhiên li u
4H
4e
2H
2e
2O
O22H
H2
2H2 + O2 = 2H2O
ệ ổ
Pin nhiên li u t ng h p Hydro và Oxy thành n
c,
ấ
ợ ệ
ạ ộ
trong quá trình đó sinh ra dòng đi n cung c p cho các thi
ướ ế ị ệ t b đi n ho t đ ng
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
26
ượ ạ Năng l ng tái t o
3. Pin nhiên liệu – Fuel cell
27
ượ ạ Năng l ng tái t o
3. Pin nhiên liệu – Fuel cell
28
ượ ạ Năng l ng tái t o
3. Pin nhiên liệu – Fuel cell
29
ượ ạ Năng l ng tái t o
3. Pin nhiên liệu – Fuel cell
30
ượ ạ Năng l ng tái t o
3. Pin nhiên liệu – Fuel cell
31
ượ ạ Năng l ng tái t o
3. Pin nhiên liệu – Fuel cell
32
ượ ạ Năng l ng tái t o
3. Pin nhiên liệu – Fuel cell
33
ượ ạ Năng l ng tái t o
3. Pin nhiên liệu – Fuel cell
34
ượ ạ Năng l ng tái t o
3. Pin nhiên liệu – Fuel cell
ệ Pin nhiên li u – PEMFC
Er = 1.23 V
35
ượ ạ Năng l ng tái t o
4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệu
36
ượ ạ Năng l ng tái t o
4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệu
I (A)
Electrolyser
Electric Energy (Solar, …)
Hydrogen for energy
0,5
1
1,5
2
Flux vector
V (volt)
Stock vector
Fuel cell
I (A)
37
ượ ạ Năng l ng tái t o
4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệu
ộ ệ
B đi n phân – Electrolyser
38
ượ ạ Năng l ng tái t o
4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệu
ệ Pin nhiên li u – Fuel cell
39
ượ ạ Năng l ng tái t o
4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệu
40
ượ ạ Năng l ng tái t o
4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệu
– H2 /O2
H2 /không khí
41
ượ ạ Năng l ng tái t o
4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệu
42
ượ ạ Năng l ng tái t o
4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệu
ệ
ệ
ệ Thí nghi m Pin nhi n li u
43
ượ ạ Năng l ng tái t o
4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệu
ệ ạ
ệ
ệ
Thí nghi m Pin nhi n li u t
i GPL
44
ượ ạ Năng l ng tái t o
4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệu
ệ
ệ
ệ Thí nghi m Pin nhi n li u
45
ượ ạ Năng l ng tái t o
4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệu
ệ
ệ
ệ Thí nghi m Pin nhi n li u
46
ượ ạ Năng l ng tái t o
4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệu
ộ ệ
Sinh viên làm LVTN dùng B đi n phân
47
ượ ạ Năng l ng tái t o
4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệu
ộ ệ
ạ
ạ
Mô hình m ch n p cho b đi n phân.
48
ượ ạ Năng l ng tái t o
5. Ứng dụng pin nhiên liệu
49
ượ ạ Năng l ng tái t o
5. Ứng dụng pin nhiên liệu
Surveillance Robotics Surveillance Robotics
50
ượ ạ Năng l ng tái t o
5. Ứng dụng pin nhiên liệu
Daiamler BClass (2010)
Honda FCX
GM Equinox
51
ượ ạ Năng l ng tái t o
5. Ứng dụng pin nhiên liệu
ệ ừ ướ
S c đi n t
i
ạ l ệ ố ị đi n c đ nh
Xe đi nệ
Pin nhiên li uệ
52
ượ ạ Năng l ng tái t o
5. Ứng dụng pin nhiên liệu
ệ ừ
ặ
S c đi n t ờ
ệ Xe đi n lai
ạ pin m t tr i ngay lúc đang ch yạ
Pin nhiên li uệ
ả ộ B qu n lý ngượ năng l
53
ượ ạ Năng l ng tái t o
6. Phân tích pin nhiên liệu
ạ ộ
1. Nguyên lý ho t đ ng
ệ
ấ
ng c a pin nhiên li u
ự
ệ ấ th c pin nhiên li u
ưở
ng
(tính dòng đi n)ệ
ệ
ặ
ự ế
ả
2. Enthalpy ủ ưở ệ 3. Entropy và hi u su t lý t ệ 4. Gibbs Free Energy và Hi u su t ệ 5. Pin nhiên li u lý t ế ủ 6. Đ c tuy n c a pin nhiên li u th c t ạ ệ 7. Các lo i pin nhiên li u ấ 8. S n xu t hydrogen
54
ượ ạ Năng l ng tái t o
Nguyên lý hoạt động
55
ượ ạ Năng l ng tái t o
Enthalpy
56
ượ ạ Năng l ng tái t o
Enthalpy
Enthalpy: H = U + PV
Với U là nội năng của hợp chất, áp suất P, và thể tích V
Enthalpy H của một hợp chất là lượng năng lượng cần để kết hợp các nguyên tố thành hợp chất.
Điều kiện nhiệt độ và công suất tiêu chuẩn là 1atm, 25oC (Standard Temperature and Pressure - STP)
57
ượ ạ Năng l ng tái t o
Enthalpy
58
ượ ạ Năng l ng tái t o
Enthalpy
59
ượ ạ Năng l ng tái t o
Enthalpy
(cid:0) H = H (chất tạo thành) – H (chất phản ứng)
(cid:0) H < 0, phản ứng tỏa nhiệt
High heating value: HHV = |(cid:0) H|
CO2 (khí) + 2 H2O (lỏng)
CH4 (khí) + 2 O2 (khí) (cid:0) (-74,9) 2x(0) (cid:0)
(-393,5) 2x(-285,8)
(cid:0) 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
60
ượ ạ Năng l ng tái t o
Entropy và hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu
Entropy:
Enthalpy: lượng năng lượng cung cấp cho phản ứng. Entropy: thường gia tăng khi có phản ứng.
61
ượ ạ Năng l ng tái t o
Entropy và hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu
(cid:0) S = S (chất phản ứng) – S (chất tạo thành)
(cid:0)
Q (cid:0)
T.(cid:0) S Qmin = T.(cid:0) S
Q > 0: phản ứng tỏa nhiệt!!!
CH4(khí) + 2 O2(khí) (cid:0) (0,186) 2x(0,205) (cid:0)
CO2(khí) + 2 H2O(lỏng) + Q (0,213) 2x(0,0699) (>T.(cid:0) S)
(cid:0) S = (0,186) + 2x(0,205) - (0,213) - 2x(0,0699) = 0,2432 kJ/K/mol (khí CH4) Qmin=T.(cid:0) S=(273,15+25)*0,2432 =72,51 kJ/mol khí CH4 max = 1- Qmin/ (cid:0) H = 1 - 72,51 / 890,2 =91,85%
(cid:0)
62
ượ ạ Năng l ng tái t o
Entropy và hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu
ạ ộ
ủ
ệ
Ho t đ ng c a Pin nhiên li u
4H
4e
2H
2e
2O
O22H
H2
2H2 + O2 = 2H2O
ệ ổ
Pin nhiên li u t ng h p Hydro và Oxy thành n
c,
ấ
ợ ệ
ạ ộ
trong quá trình đó sinh ra dòng đi n cung c p cho các thi
ướ ế ị ệ t b đi n ho t đ ng
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
63
ượ ạ Năng l ng tái t o
Entropy và hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu
max = 1- Qmin/ (cid:0) H = 1 - 72,51 / 890,2 =91,85%
(cid:0)
64
ượ ạ Năng l ng tái t o
Gibbs Free Energy và Hiệu suất của pin nhiên liệu
Free energry:
Hiệu suất:
65
ượ ạ Năng l ng tái t o
Gibbs Free Energy và Hiệu suất của pin nhiên liệu
(cid:0) G = G (chất tạo thành) - G (chất phản ứng)
CO2 (khí) + 2 H2O (lỏng)
CH4 (khí) + 2 O2 (khí) (cid:0) (-50,8) 2x(0) (cid:0)
(-394,4) 2x(-237,2)
(cid:0) G = (-394,4) + 2x(-237,2) - (-50,8) - 2x(0) = -818 kJ/mol (khí CH4) max = (cid:0) G/ (cid:0) H = (-818) / (-890,2) = 91,89%
(cid:0)
66
ượ ạ Năng l ng tái t o
Pin nhiên liệu lý tưởng
Năng lượng điện sinh ra: We = |(cid:0) G|
/mol
ệ ằ ể
ưở
• q = đi n tích 1 electron = 1,602 .10 ố • N = h ng s Avogadro = 6,022 .10 ộ • V = th tích m t mol khí lý t ng
19 Cuolombs ử 23 phân t ở STP =
ệ
ấ
22,4l/mol • n = l u l •
ư ượ ng khí c p cho pin nhiên li u (mol/s) ệ
I = dòng đi n 1 (A) = 1 Coulombs/s ưở
ự
ệ
ng qua 2 c c pin nhiên li u (V)
ệ
ấ
ệ • Vr = đi n áp lý t • P = công su t pin nhiên li u phát ra (W)
67
ượ ạ Năng l ng tái t o
Pin nhiên liệu lý tưởng
ấ
ng CH ưở
ế
ệ
ầ 4 c n cung c p ể ạ ng đ t o ra 1kWh ệ đi u ki n tiêu
ướ ạ
ố ượ Ví d : ụ Tính kh i l ệ cho pin nhiên li u lý t đi n? Bi ẩ chu n, và n
ạ ộ t pin ho t đ ng c t o ra
ở ề ở ể ỏ th l ng.
68
ượ ạ Năng l ng tái t o
Pin nhiên liệu lý tưởng
ệ
ế ủ ệ
Đi n áp lý thuy t c a 1 t bào pin nhiên li u (EMF
ế max):
69
ượ ạ Năng l ng tái t o
Pin nhiên liệu lý tưởng
H2 (khí) + 1/2 O2 (khí) (cid:0)
H2O (lỏng)
70
ượ ạ Năng l ng tái t o
Đặc tuyến của pin nhiên liệu thực tế
71
ượ ạ Năng l ng tái t o
Đặc tuyến của pin nhiên liệu thực tế
ộ
ệ
B pin nhiên li u dùng H ỗ ế
ệ ệ
ọ ủ ế
ư
ệ
ặ
2, công su t ấ bào là 0,6V. ỗ ế bào và di n tích màng l c c a m i t t pin nhiên li u có đ c tuy n nh hình
ụ Ví d 4.11: ệ 1kW, đi n áp 48V, đi n áp trên m i t ố ế Tính s t ế bào? Bi 4.29:
V = 0,85 – 0,25J = 0,85 – 0,25 I/A
72
ượ ạ Năng l ng tái t o
Các loại pin nhiên liệu
ổ ạ
ệ
1. Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) ọ – Pin nhiên li u trao đ i h t nhân qua màn l c 2. Direct Methanol Fuel Cells (DMFC) – Pin nhiên
ệ
ự ế li u methanol tr c ti p
3. Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC) – Pin nhiên
ệ
li u axit phosphoric
ệ
ề
4. Alkaline Fuel Cells (AFC) – Pin nhiên li u ki m 5. MoltenCarbonate Fuel Cells (MCFC) – Pin nhiên
ệ
ả li u carbon nóng ch y
6. Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) – Pin nhiên li u ệ
oxit r nắ
73
ượ ạ Năng l ng tái t o
Các loại pin nhiên liệu
Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)
Eff ≈ 45%
Direct Methanol Fuel Cells (DMFC)
74
ượ ạ Năng l ng tái t o
Các loại pin nhiên liệu
Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC)
Alkaline Fuel Cells (AFC)
75
ượ ạ Năng l ng tái t o
Các loại pin nhiên liệu
MoltenCarbonate Fuel Cells (MCFC)
Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)
76
ượ ạ Năng l ng tái t o
Các loại pin nhiên liệu
77
ượ ạ Năng l ng tái t o
Các loại pin nhiên liệu
78
ượ ạ Năng l ng tái t o
Các loại pin nhiên liệu
79
ượ ạ Năng l ng tái t o
Sản xuất hydrogen
1. Methane Steam Reforming (MSR) 2. Partial Oxidation (POX) 3. Gasification of Biomass, Coal, or Wastes 4. Electrolysis of Water
80
ượ ạ Năng l ng tái t o
Sản xuất hydrogen
Methane Steam Reforming (MSR)
Partial Oxidation (POX)
Gasification of Biomass, Coal, or Wastes
Electrolysis of Water
81
ượ ạ Năng l ng tái t o
Sản xuất hydrogen
82
ượ ạ Năng l ng tái t o
Sản xuất hydrogen
83
ượ ạ Năng l ng tái t o
Bài tập
84
ượ ạ Năng l ng tái t o
Bài tập
85
ượ ạ Năng l ng tái t o
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.
86
ượ ạ Năng l ng tái t o
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.
87
ượ ạ Năng l ng tái t o
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.
88
ượ ạ Năng l ng tái t o
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.
Bài tập 8: Tính toán lượng điện năng tạo ra từ 1 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.
89
ượ ạ Năng l ng tái t o
Bài tập
Bài tập 9: Tính toán lượng điện năng tạo ra từ 1 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%.
Bài tập 10: Tính toán lượng điện năng tạo ra từ 1 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%.
90
ượ ạ Năng l ng tái t o
Bài tập
ế
ả
ấ
ế
ổ
ệ
ệ ể
ệ i 10W, đi n áp 0,6V. Bi ấ
ư ượ
ng khí hydro cung c p cho pin?
ế ướ ạ
c t o ra
ở ể th
Bài tập 11: T bào pin nhiên li u dùng khí hydro, t pin đang cung c p cho t ệ nhiên li u có hi u su t chuy n đ i khí hydro là ế V = 0,85 – 0,25J = 0,85 – 0,25 ặ 90%, có đ c tuy n: I/A ấ a)Tính l u l ọ ủ ệ b)Tính di n tích màng l c c a pin? ấ ủ ệ t n c)Tính hi u su t c a pin? Bi ệ ở ỏ l ng, pin làm vi c
STP.
91
ượ ạ Năng l ng tái t o
Bài tập
ố
ệ
ệ
ụ
ệ ể
ướ ạ
ệ
ả
ệ
ệ
ọ ủ ế s m t đ dòng đi n c a t
ủ bào
ế ạ Bài tập 12: Bộ pin nhi n li u lo i 20 t bào gi ng ế ộ ố ế t b pin tiêu nhau, ghép n i ti p dùng khí CH 4? Bi ẩ ờ ở ề đi u ki n tiêu chu n (STP, 4 /gi th 10lit CH ổ ấ ệ 4 là 1atm, 25oC). Hi u su t chuy n đ i khí là CH ấ ả ử ệ ở ể ỏ s hi u su t th l ng. Gi 95%. N c t o ra ằ ½ hi u su t lý t ưở . ấ ệ ủ c a pin b ng ng ả ấ ấ i? a) Tính công su t c p cho t ả ệ ấ i? b) Tính dòng đi n c p cho t ấ c) Tính đi n áp c p cho t i? ỗ ế bào? d) Tính toán di n tích màng l c c a m i t ở ể ả ử ậ ộ đi m làm Gi ệ vi c này là
1A/cm2.
92
ượ ạ Năng l ng tái t o
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.
93
ượ ạ Năng l ng tái t o
ầ
Tr n Công Binh GV ĐH Bách Khoa TP.HCM Phone: 0908 468 100 Email: tcbinh@hcmut.edu.vn binhtc@yahoo.com Website: www4.hcmut.edu.vn/~tcbinh
T(cid:0) B
94

