intTypePromotion=1

Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 5: Pin nhiên liệu - ThS. Nguyễn Bá Thành

Chia sẻ: Minhle Tr | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:14

0
63
lượt xem
21
download

Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 5: Pin nhiên liệu - ThS. Nguyễn Bá Thành

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chương này được biên soạn nhằm cung cấp cho sinh viên: Pin nhiên liệu, nguyên lý làm việc của pin nhiên liệu, cách chế tạo pin nhiên liệu trong phòng thí nghiệm. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 5: Pin nhiên liệu - ThS. Nguyễn Bá Thành

  1. Chương 5 Pin nhiên liệu 1 Chương này được biên soạn nhằm cung cấp cho sinh viên: o Pin nhiên liệu. o Nguyên lý làm việc của pin nhiên liệu. o Cách chế tạo pin nhiên liệu trong phòng thí nghiệm. Câu hỏi chương 5: 1. Anh/chị hãy cho biết cấu tạo, nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu? 2. Anh/chị hãy cho biết một số ứng dụng công nghệ pin nhiên liệu? ThS. Nguyễn Bá Thành
  2. Chương 5 Pin nhiên liệu 2 Chương 5 Pin nhiên liệu 5.1 Nhiên liệu hydro/pin nhiên liệu là gì? Pin nhiên liệu là một thiết bị chuyển hóa nhiên liệu như khí hydro, rượu, xăng, hay khí   metan trực tiếp thành dòng điện. Pin nhiên liệu hydrogen tạo ra được dòng điện mà  không gây ra bất kỳ sự ô nhiễm nào, vì sản phẩm tạo ra là nước tinh khiết. Pin nhiên   liệu hydrogen được sử dụng cho tàu du hành vũ trụ và các ứng dụng kỹ thuật cao khác   hay những nơi cần tránh sự ô nhiễm, hay nơi cần nguồn năng lượng có hiệu quả cao. 5.2 Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu Pin nhiên liệu có hai cực, hydrogen được cho vào cực dương (anode), còn oxygen (từ  không khí) vào cực âm (cathode).  Pin nhiên  liệu là một thiết bị chuyển đổi năng lượng điện hóa dựa trên phản ứng hóa học giữa   khí hyđrô và ôxy để tạo thành nước. Thiết bị chuyển đổi năng lượng điện hóa khá gần  gũi trong đời sống là  ắc quy. Điểm khác biệt giữa loại này và pin nhiên liệu là hóa  ThS. Nguyễn Bá Thành
  3. Chương 5 Pin nhiên liệu 3 chất nằm  trong ắc quy nên dùng một thời gian ắc quy "sẽ chết". Ở pin nhiên liệu, hóa   chất được thổi qua pin một cách liên tục. Hầu hết các pin nhiên liệu hiện nay dùng  hyđrô và ôxy. Khí hyđrô được nén và thổi vào pin nhiên liệu ở phía cực âm (anode). Tại đây, phân tử  hyđrô   tiếp   xúc   với   platin   và   phân  hủy   thành  hai    iôn   H+,   giải  phóng  hai  điện  tử  (electron). Dòng điện tử  chạy trong dây dẫn ra mạch ngoài, tạo thành dòng điện làm  quay động cơ. Còn protons H+ chuyển đến cực âm qua mạng lọc (membrane), họp lại  với electrons và oxygen tạo thành nhiệt và nước tinh khiết theo cách như sau: Tổng cộng: Trong khi đó, ở cực dương, khí ôxy được thổi qua cực dương và hình thành hai nguyên   tử ôxy hút các iôn hyđrô để tạo thành nước. Phản ứng như vậy sẽ tạo ra dòng điện có  hiệu điện thế 0,7 V. Khi ta đặt nhiều pin nhiên liệu với nhau, sẽ tạo thành một dòng   điện mạnh. 5.3  Lịch sử phát triển pin nhiên liệu ThS. Nguyễn Bá Thành
  4. Chương 5 Pin nhiên liệu 4 Năm 1839, William Robert Grove (1811 – 1896), một luật gia – nhà vật lý người Anh đã   tạo ra pin nhiên liệu đầu tiên. Năm 1900, các nghiên cứu đã chuyển trực tiếp năng lượng hoá học của các dạng năng   lượng hoá thạch sang điện năng, tiêu biểu là hệ thống pin nhiên liệu Hydro ra đời. Năm 1920, TS. Alfred Schmid là người tiên phong trong việc xây dựng bộ  phân tích  bằng Platium, các điện cực cacbon – hydro xốp dưới hình thức ống. Năm 1932, Francis Thomas Bacon, một giáo sư công nghệ tại Đại học Cambridge, Anh,  đã chế tạo ra hệ  thống pin nhiên liệu alkine (AFC) sử dụng điện cực kim loại xốp là   nền tảng cho NASA chế tạo tàu vũ trụ  sử  dụng pin nhiên liệu để  đưa người lên mặt   trăng vào năm 1968. Năm 1963, pin nhiên liệu sử  dụng màng được phát triển bởi hãng GE nhờ  công trình   của Thomas Grubb và Leonard Niedrach. Năm 1970, Karl Kordesh xây dựng bộ  pin nhiên liệu kết hợp acqui trên một ô tô lai 4   chỗ và đã hoạt động được 3 năm ở thành phố thường xảy ra kẹt xe. Giữa năm 1970, tế bào nhiên liệu dùng hệ thống axit photphoric ra đời. Năm 1980, pin nhiên liệu dùng cacbon nấu chảy (MCFC) phát triển mạnh. Năm 1990, pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) được phát triển. Những năm 1990s, pin nhiên liệu dạng màng (PEFC) xuất hiện với mật độ  công suất  thu được rất cao. Pin nhiên liệu sẽ có thể  nắm giữ  vai trò chủ  đạo trong viễn cảnh nguồn năng lượng  của thế giới trong tương lai. Những đặc điểm ưu việt của nó như  hiệu suất cao,  ổn   định lớn, độ  phát xạ  thấp, không gây  ồn, không gây ô nhiễm môi trường,…sẽ  bắt   buộc pin nhiên liệu sử dụng trong các nhà máy điện trong tương lai. Có thể nói Hydro   sẽ trở thành nguồn năng lượng của thế kỷ 21, mà như  các nghiên cứu chỉ ra rằng, pin  nhiên liệu có một  ưu thế  không thể  nghi ngờ  hơn tất cả  các thiết bị  biến đổi năng  lượng khác. ThS. Nguyễn Bá Thành
  5. Chương 5 Pin nhiên liệu 5 Ưu và nhược điểm của pin nhiên liệu: Ưu điểm: o Pin nhiên liệu có thể được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như: bệnh  viện, các phương tiện vận chuyển, trạm không gian, khách sạn, các nhu   cầu sinh hoạt của con người…. o So với năng lượng truyền thống, pin nhiên liệu không gây ô nhiễm môi  trường; sản phẩm thải ra là H2O. o Hiệu suất cao > 60%. o Độ tin cậy cao. o Không gây ra tiếng ồn.  Nhược điểm: giá thành cao (hệ thống pin nhiên liệu loại màng khoảng 20.000 $   trên một đơn vị KW). 5.4 Phân loại  Các hệ  thống pin nhiên liệu được phân loại theo nhiều cách khác nhau tùy theo cách   nhìn: Phân loại theo nhiệt độ hoạt động. Phân theo loại các chất tham gia phản ứng. Phân loại theo điện cực. Phân theo loại các chất điện phân là cách phân loại thông dụng ngày nay. Liệt kê dưới đây là 6 loại tế bào nhiên liệu khác nhau: AFC (Alkaline fuel cell ­ tế bào nhiên liệu kiềm). PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell ­ trao đổi hạt nhân qua mạng  lọc). PAFC (Phosphoric acid fuel cell ­ tế bào nhiên liệu axit phosphoric). ThS. Nguyễn Bá Thành
  6. Chương 5 Pin nhiên liệu 6 MCFC (Molten carbonate fuel cell ­ tế bào nhiên liệu carbonat nóng chảy). SOFC (Solid oxide fuel cell ­ tế bào nhiên liệu oxit rắn). DMFC (Direct methanol fuel cell ­ tế bào nhiên liệu methanol trực tiếp). Trong các loại trên thì PEMFC có nhiều triển vọng dùng trong các loại xe cộ. SOFC và  APU cũng đều có khả năng trong ứng dụng trên ô tô. PEMFC, MCFD và SOFC cùng có  trong tương lai trong ứng dụng trên các trạm phát điện. PAFC là công nghệ mới được  nghiên cứu tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề  kĩ thuật. DMFC có thể tạo bước đột phá  trong lĩnh vực thiết bị  di dộng. AFC được có thể  được  ứng dụng trong ngành hàng   không vũ trụ. Nhiệt độ vận hành của những loại tế bào nhiên liệu khác nhau (nằm trong khoảng từ  60 tới 1000 độ C). Sự khác nhau còn nằm ở cấu trúc điện cực, sự tinh khiết của hydro   ở anode (DMFC dùng methanol). 5.5 Cách tạo một pin nhiên liệu hidrogen đơn giản Pin nhiên liệu là một thiết bị chuyển hóa nhiên liệu như khí hydro, rượu, xăng, hay khí   metan trực tiếp thành dòng điện. Pin nhiên liệu hydrogen tạo ra được dòng điện mà  không gây ra bất kỳ sự ô nhiễm nào, vì sản phẩm tạo ra là nước tinh khiết. Pin nhiên   liệu hydrogen được sử dụng cho tàu du hành vũ trụ và các ứng dụng kỹ thuật cao khác   hay những nơi cần tránh sự ô nhiễm, hay nơi cần nguồn năng lượng có hiệu quả cao. ThS. Nguyễn Bá Thành
  7. Chương 5 Pin nhiên liệu 7  Bạn có thể tạo được một pin nhiên liệu chỉ  với 10 phút trong nhà bếp và thấy được   khí hydro và khí oxy kết hợp với nhau như thế nào để tạo thành năng lượng điện sạch.  Để làm một pin nhiên liệu chúng ta cần: ­ Một dây Nickel phủ Platin, hay platin nguyên chất. ­ Một que kem, một mảnh gỗ, hay một mảnh nhựa hình chữ nhật. ­ Một đầu kẹp pin 9 vol. ­ Một pin 9 vol. ­ Một vài mảnh băng keo trong suốt. ThS. Nguyễn Bá Thành
  8. Chương 5 Pin nhiên liệu 8 ­ Một ly thủy tinh. ­ Một vol kế. ­Dây điện. Đầu tiên cắt dây platin thành hai dây nhỏ  chiều dài khoảng 10 cm, xoắn 2 dây này  thành hai cuộn xoắn nhỏ để làm điện cực cho pin nhiên liệu. Kế tiếp, Gọt bỏ phần nhựa bên ngoài ở đầu còn lại của hai dây dẫn nối với đầu kẹp  pin. Nối hai đầu này vào hai cuộn platin. Hai dây điện khác được nối từ hai cuộn Platin   ra và đầu còn lại nối vào vol kế. Hai điện cực được dán dính cứng vào thanh gỗ. Cuối cùng thanh gỗ được đặt lên trên,  nằm ngang và được dán cứng vào ly nước, sao cho hai điện cực bị  ngập trong nước   gần hết chiều dài của chúng. Dây điện nối với hai cuộn điện cực phải không được   chạm mặt nước, chỉ  có phần mạ  platin tiếp xúc với nước. Nối dây màu đỏ  vào đầu  cực dương của vol kế, và dây màu đen nối với đầu âm của vol kế. Giá trị  trên vol kế  sẽ báo là zero, hay trường hợp có thể giá trị dao động lên một chút như 0.01 V. ThS. Nguyễn Bá Thành
  9. Chương 5 Pin nhiên liệu 9  Quá trình làm pin nhiên liệu hoàn tất, Để  vận hành pin nhiên liệu ta cần phải có  những bọt khí hydro bám vào một điện cực, và khí oxy bám vào một điện cực khác.   Để làm được như vậy một phương pháp rất đơn giản được tiến hành như  sau. Chúng   ta đặt hai đầu cực của pin 9 vol vào đầu kẹp của chúng (không cần phải gắn cứng  vào, do chỉ cần cho tiếp xúc khoảng vài giây). Gắn Pin vào đầu kẹp thì nước tiếp xúc   với các điện cực platin bị phân ly thành khí hydro và khí oxy, quá trình này gọi là điện   phân. Có thể  thấy những bọt khí nhỏ  được sinh ra  ở  các điện cực khi pin được gắn   vào.  Bây giờ  gỡ  bỏ  pin ra. Nếu không có lớp phủ  platin thì giá trị  trên vol kế  sẽ  trở  về  zero, do đã gỡ Pin ra. Nhưng  ở đây khi gỡ Pin ra thì giá trị  trên vol kế vẫn hiển trị, do   Platin kim loại như  là chất xúc tác, cho phép hydrogen và oxygen kết hợp với nhau.  Quá trình phản ứng sẽ đảo ngược trở lại. Thay vì cung cấp điện để phân ly nước, thì   bây giờ hydrogen và oxygen kết hợp lại tạo thành dòng điện và nước.   ThS. Nguyễn Bá Thành
  10. Chương 5 Pin nhiên liệu 10  Chúng ta bắt đầu có giá trị hơn 2 vol của pin nhiên liệu. Những bọt khí hòa tan trong  nước được sử dụng để phản ứng. Điện thế của pin nhiên liệu ban đầu giảm nhanh và  dần dần giảm chậm lại sau thời gian khoảng 1 phút. Giá trị thế nhỏ và giảm chậm là do những bọt khí còn sót lại lở lửng trong nước tạo ra   điện. Quá trình trên chúng ta đã chuyển năng lượng điện 9 vol thành các bọt khí hydro  và oxy. Đây là quá trình nạp điện. Chúng ta có thể lấy các bọt khí hydro và oxy từ các   nguồn khác để  có được dòng điện. Chúng ta có thể  sản xuất khí hydro và oxy từ  nguồn năng lượng mặt trời vào ban ngày. Sau đó dự trữ chúng và sử dụng để tạo dòng  điện vào ban đêm. Chúng ta cũng có thể dự trữ khí hydro trong các bình khí nén trên xe  hơi chạy bằng năng lượng điện. Chúng ta có hai quá trình: điện phân nước tạo khí  hydro và khí oxy, và kết hợp trở lại của hai khí này để tạo thành điện. Quá trình điện phân nước: Điện cực nối với đầu âm của pin cung cấp electron. Điện cực âm sẽ cho 4 electron kết   hợp với 4 phân tử nước tạo thành 2 phân tử hydrogen và 4 ion OH­.   ThS. Nguyễn Bá Thành
  11. Chương 5 Pin nhiên liệu 11  Những bọt khí hydro và ion âm OH­ di chuyển ra khỏi điện cực và đi vào lòng chất   lỏng.  Ở  điện cực khác, điện cực nối với đầu dương của Pin, điện cực nhiễm điện  dương và thiếu electron, nên lấy electron từ  phân tử  nước, tạo ra ion dương H+ và   phân tử khí oxy. Bọt khí Oxy và ion H+ rời khỏi điện cực và di chuyển vào lòng chất   lỏng.  Proton ( ion H+) kết hợp với OH­ tạo thành lại phân tử nước Quá trình tạo dòng điện: Khi Pin được lấy ra, các phân tử Hydrogen dưới dạng các bọt khí tiến đến điện cực,   vỡ ra và xảy ra phản ứng với xúc tác Platin tạo ra H+ (proton) và các electron. ThS. Nguyễn Bá Thành
  12. Chương 5 Pin nhiên liệu 12   Ở điện cực còn lại, phân tử oxygen chứa trong các bọt khí tiến đến bề mặt điện cực,   dưới xúc tác Platin và Oxygen sẽ nhận electron đồng thời kết hợp với H+ trong nước (  mới vừa được tạo thành) tạo thành phân tử nước.  Điện cực oxygen sẽ mất 2 electron cho mỗi phân tử  khí Oxy. Điện cực Hydrogen sẽ  nhận 2 electron cho mỗi phân tử khí hydro. Electron ở điện cực hydrogen sẽ chạy sang   điện cực oxygen, và tạo thành dòng điện trên dây dẫn nối hai điện cực. Trên dây dẫn   nối các thiết bị tiêu thụ  điện như  đèn hay vol kế. Quá trình tạo ra điện được tóm tắt   với hình sau:  ThS. Nguyễn Bá Thành
  13. Chương 5 Pin nhiên liệu 13 5.6 Ứng dụng pin nhiên liệu 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. Động cơ  thúc đẩy cho các  ứng dụng dân sự  xuất phát từ  nhận thức trữ  lượng  dầu  mỏ trên Trái Đất là có hạn nhưng vẫn mong muốn tiếp tục kinh doanh xe thời kỳ sau   dầu mỏ vốn đang mang về nhiều lợi nhuận. Từ 20 năm nay nhiều hãng sản xuất xe (DaimlerChrysler, Ford, Honda, Opel) đã nghiên  cứu về xe có nhiên liệu là hiđrô, sử dụng tế bào nhiên liệu để chuyển hóa năng lượng   và dùng động cơ điện để vận hành. Kỷ thuật này đã được phát triển cho xe buýt, xe du  lịch, xe tải nhẹ.  Ở Hamburg (Đức) và Stuttgart (Đức) người ta đang thử  nghiệm chạy  xe   buýt  sử   dụng  nhiên  liệu  hydro   trên  các   tuyến  đường  xe   buýt  bình  thường.   Từ  năm 2003 hai hãng đóng tàu của Đức đã cung cấp loại tàu ngầm vận hành bằng điện  được cung cấp từ máy phát điện Diesel hoặc từ một hệ thống tế bào nhiên liệu hiđrô. Các tế bào nhiên liệu sử dụng khí đốt đang chuẩn bị đẩy lùi các thiết bị  kết hợp phát  điện và sưởi (combined heat and power plant). Ở hệ thống này khí đốt được biến đổi  thành hiđrô đưa vào tế bào nhiên liệu. ThS. Nguyễn Bá Thành
  14. Chương 5 Pin nhiên liệu 14 Một số  vật dụng cầm tay như điện thoại di động, máy vi tính xách tay, máy quay  phim, vật liệu cắm trại hay quân sự cũng đang tiến tới ứng dụng loại nguồn cung cấp  năng lượng này. ThS. Nguyễn Bá Thành

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản