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

ượ

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

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

ượ

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

ượ

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

H

O

H

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 O

O

17

ượ ạ Năng l ng tái t o

2. Bộ điện phân – Electrolyser

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

ượ

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

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,

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 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

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 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 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

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

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

ng c a pin nhiên li u

ệ ấ th c pin nhiên li u

ưở

ng

(tính dòng đi n)ệ

ự ế

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

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,

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 =

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

ng qua 2 c c pin nhiên li u (V)

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

ng CH ưở

ế

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

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

B   pin  nhiên  li u  dùng  H ỗ ế

ệ ệ

ọ ủ ế

ư

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

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

ự ế li u methanol tr c ti p

3. Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC) – Pin nhiên

li u axit phosphoric

4. Alkaline Fuel Cells (AFC) – Pin nhiên li u ki m 5. Molten­Carbonate Fuel Cells (MCFC) – Pin nhiên

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

ế

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

ệ ể

ướ ạ

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

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