Bài giảng Năng lượng tái tạo: Chương 5 (Bài 11) - TS. Nguyễn Quang Nam [Chuẩn Nhất]

408004

Năng lượng tái tạo

Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam

2013 – 2014, HK1

Bài giảng 11

http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/lecture.php nqnam@hcmut.edu.vn

Ch. 5: Tích trữ năng lượng

5.8. Giới thiệu về pin nhiên liệu

5.9. Bộ điện phân

5.10. Nhiệt động học của pin nhiên liệu

5.11. Hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu

5.12. Đặc tính của pin nhiên liệu (lý tưởng và thực)

5.13. Các loại pin nhiên liệu

Bài giảng 11

Giới thiệu về pin nhiên liệu

Bài giảng 11

Giới thiệu về pin nhiên liệu

 Quá trình tạo ra và lưu trữ điện năng từ các nguồn năng

Bài giảng 11

lượng tái tạo, dùng pin nhiên liệu.

Giới thiệu về pin nhiên liệu

Nguồn điện

Tải

Bộ điện phân

Bộ tích trữ khí

Pin nhiên liệu

Bài giảng 11

Ứng dụng của pin nhiên liệu

Bài giảng 11

Ứng dụng của pin nhiên liệu

Surveillance Robotics Surveillance Robotics

Bài giảng 11

Ứng dụng của pin nhiên liệu

Daiamler BClass (2010)

GM Equinox

Honda FCX

Bài giảng 11

Ứng dụng của pin nhiên liệu

Nạp điện từ lưới điện cố định

Xe điện

Pin nhiên liệu

Bài giảng 11

Ứng dụng của pin nhiên liệu

Xe điện lai

Pin nhiên liệu

Bộ quản lý năng lượng

Bài giảng 11

Nạp điện từ pin mặt trời ngay lúc đang chạy

Bộ điện phân

 Dòng điện chạy cưỡng bức qua một chất điện ly có thể

được dùng để tách các phân tử nước thành khí hyđrô và

Bài giảng 11

ôxy. Hiệu suất tổng có thể đến 85%.

Bộ điện phân

 Nước đã khử ion phân ly thành proton, điện tử, và ôxy.

Proton xuyên qua màng, và tái hợp với điện tử để tạo

Bài giảng 11

thành khí hyđrô.

Bộ điện phân

Bài giảng 11

Pin nhiên liệu

 Màng mỏng cho phép ion dương đi qua, nhưng không cho

Bài giảng 11

phép điện tử hay khí trung hòa.

Hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu

Bài giảng 11

Hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu

Bài giảng 11

Hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu

 Để tạo điện áp đủ lớn, có thể mắc nối tiếp các pin nhiên

liệu, và các đĩa tạo dòng chảy trong bộ pin nhiên liệu được

Bài giảng 11

thiết kế để dẫn cả ôxy lẫn hyđrô.

Hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu

Bài giảng 11

Nhiệt động học PNL: Enthalpy

 Phản ứng toàn thể trong một pin nhiên liệu là phản ứng tỏa

nhiệt. Hai câu hỏi quan trọng: Có bao nhiêu năng lượng

được giải phóng và có bao nhiêu trong số đó có thể được

chuyển thành điện năng.

 Ba đại lượng từ nhiệt động học: enthalpy, năng lượng tự

do, và entropy.

 Định nghĩa enthalpy: Enthalpy là tổng nội năng U và tích số

của thể tích V và áp suất P.

Bài giảng 11

Enthalpy H = U + PV

Nhiệt động học PNL: Enthalpy

 Khi xét đến pin nhiên liệu, ta quan tâm đến sự thay đổi hóa

năng, và những thay đổi này được diễn tả tốt nhất bằng sự

thay đổi enthalpy.

 Khi xét enthalpy, ta giả thiết nhiệt độ là 25 (cid:0) C và áp suất là 1

atm (nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, STP).

 Một cách hiểu về enthalpy là nó là năng lượng cần thiết để

Bài giảng 11

tạo thành chất đó từ các chất thành phần của nó.

Nhiệt động học PNL: Enthalpy

 Trong các phản ứng hóa học, sự khác biệt enthalpy của

sản phẩm và enthalpy của các chất phản ứng cho chúng ta

biết có bao nhiêu năng lượng được giải phóng hay hấp thụ

trong phản ứng.

 Khi có ít enthalpy trong sản phẩm sau cùng hơn so với

trong các chất phản ứng, nhiệt được giải phóng – nghĩa là,

phản ứng tỏa nhiệt.

 Ngược lại, nhiệt được hấp thụ và phản ứng được gọi là thu

Bài giảng 11

nhiệt.

Nhiệt động học PNL: Enthalpy

(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)

H

(cid:0) H

kJ 8,285

O 2

1 2

(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)  Khi sản phẩm là nước lỏng: (cid:0)lOH  Khi sản phẩm là hơi nước: (cid:0)gOH

H

(cid:0) H

kJ 8,241

O 2

1 2

 Dấu trừ của độ thay đổi enthalpy trong các phản ứng trên

cho ta biết chúng là các phản ứng tỏa nhiệt; nghĩa là nhiệt

được sinh ra.

 Sự khác biệt giữa enthalpy của nước lỏng và hơi nước là

Bài giảng 11

44,0 kJ/mol.

Nhiệt động học PNL: Enthalpy

Bài giảng 11

Ví dụ 4.8

 Tìm nhiệt trị cao (HHV) của mêtan CH4 trong đơn vị kJ/mol

và kJ/kg khi nó bị ôxy hóa thành CO2 và H2O (lỏng).

CH4(g) + 2O2(g) (cid:0) CO2(g) + 2H2O(l)

(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)

(cid:0) H

(–74,9) 2 (cid:0) 2

5,393

(0) (–393,5) 2 (cid:0) 9,74

8,285

(–285,8) 2 0

(cid:0) (cid:0)

2,890

kJ/mol

4CH

(cid:0) (cid:0) (cid:0)

HHV

1000 g/kg

.55

490 kJ/kg

2,890 043 ,16

kJ/mol g/mol

Bài giảng 11

Hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu

 Trong hệ thống phân cấp các dạng năng lượng, một số dạng “tốt hơn” các dạng khác. Điện năng và cơ năng (sinh công) có chất lượng cao nhất. Nhiệt năng có chất lượng thấp hơn nhiều, trong đó nhiệt năng ở nhiệt độ thấp có giá trị thấp hơn nhiệt năng ở nhiệt độ cao.

 Hóa năng tốt hơn nhiệt năng, nhưng kém hơn điện năng và cơ

năng.

 Khi có một nhiệt lượng Q (kJ) được lấy khỏi một bộ trữ nhiệt với nhiệt độ T ((cid:0) K) không đổi, sự hao hụt entropy (cid:0) S từ bộ trữ được định nghĩa là

S (cid:0)

Q T

Bài giảng 11

(cid:0)

Hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu

 Xét một sơ đồ pin nhiên liệu, thỏa mãn định luật thứ hai nhiệt

động học (có một sự gia tăng entropy, xét tổng thể).

 Xét độ thay đổi entropy

Enthalpy vào H

(cid:0) (cid:0) (cid:0)

H

QOH

O 2

1 2

 Nếu quá trình là đẳng nhiệt

Enthalpy ra We

PNL (cid:0)

S (cid:0)

Q T

 Định luật nhiệt động học thứ hai

Nhiệt sinh ra Q

dẫn đến

(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)

TQ

S

reactants

products

Bài giảng 11

Hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu

 Phải có một lượng nhiệt tối thiểu trong pin nhiên liệu.

Chúng ta có thể dễ dàng xác định hiệu suất cực đại của pin nhiên liệu.

 Từ sơ đồ

(cid:0) (cid:0)

QWH e

 Điện năng ra We là phần mong muốn, hiệu suất của pin

nhiên liệu có thể được định nghĩa là

(cid:0)

(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)

1 We H

QH H

Q H

Bài giảng 11

 Hiệu suất cực đại ứng với Q tối thiểu.

Ví dụ 4.9

 Giả sử một pin nhiên liệu hoạt động ở 25 (cid:0) C (298 K) và 1 atm tạo ra nước lỏng (nghĩa là, chúng ta sử dụng nhiệt trị cao HHV của nhiên liệu hydrô):

H2 + ½O2 (cid:0) H2O(l) (cid:0) H = –285,8 kJ/mol H2

a) Tìm nhiệt lượng tối thiểu sinh ra đối với mỗi mol H2

b) Hiệu suất cực đại của pin nhiên liệu là bao nhiêu?

 Sự sụt giảm entropy của các chất phản ứng

(cid:0) 1 + 0,205 (cid:0) 0,5 = 0,2325 kJ/K Sreactants = 0,13 (cid:0)

 Sự gia tăng entropy trong sản phẩm nước lỏng

Bài giảng 11

(cid:0) 1 mol = 0,0699 kJ/K Sproducts = 0,0699 kJ/mol-K (cid:0)

Ví dụ 4.9

 Nhiệt lượng tối thiểu sinh ra trong quá trình là

Qmin = T((cid:0) Sproducts) = 298(0,2325 – 0,0699)

Sreactants – (cid:0) = 48,45 kJ/mol H2

 Enthalpy thừa ra trong quá trình tạo thành nước lỏng từ H2

(cid:0)

và O2 là H = 285,8 kJ/mol H2. Hiệu suất cực đại xảy ra khi Q là tối thiểu

83,0

%83

max

Q min H

45,48 8,285

Bài giảng 11

(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)

Năng lượng tự do Gibbs và hiệu suất PNL

 Hóa năng được giải phóng trong một phản ứng có thể được

coi như gồm hai phần: một phần không liên quan đến entropy, được gọi là năng lượng tự do (cid:0) G, có thể được chuyển hóa trực tiếp thành điện năng hay công cơ học, cộng với một phần phải tồn tại ở dạng nhiệt.

 Năng lượng tự do Gibbs (cid:0) G tương ứng với điện năng (hoặc cơ năng) ngõ ra cực đại, không liên quan đến entropy, có thể có từ một phản ứng hóa học.

(cid:0)

(cid:0) (cid:0) (cid:0)

(cid:0)

(cid:0) (cid:0) (cid:0)

G

products

reactants

max

(cid:0)

G H

Bài giảng 11

Ví dụ 4.10

 Hiệu suất cực đại tại STP của một pin nhiên liệu PEM dựa

vào nhiệt trị cao (HHV) của hyđrô là bao nhiêu?

H2 + ½O2 (cid:0) H2O(l) (cid:0) H = –285,8 kJ/mol H2

 Từ bảng 4.6 năng lượng tự do Gibbs của H2 và O2 đều là 0,

và giá trị đó của sản phẩm, nước lỏng, là −237,2 kJ.

(cid:0) G = −237,2 − (0 + 0) = −237,2 kJ/mol

 Vậy,

(cid:0)

(cid:0) (cid:0)

83,0

%83

max

(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)

G H

2,237 8,285

kJ/mol kJ/mol

Bài giảng 11

(cid:0) (cid:0)

Ngõ ra của một pin nhiên liệu lý tưởng

q = điện tích của điện tử = 1,602 × 10−19 coulombs

N = số Avogadro = 6,022 × 1023 phân tử/mol

v = thể tích của 1 mol khí lý tưởng tại STP = 22,4 lít/mol

n = tốc độ hyđrô đi vào pin nhiên liệu (mol/s)

I = dòng điện (A), với 1 A = 1 coulomb/s

VR = điện áp lý tưởng giữa hai điện cực (volts)

P = công suất điện sinh ra (W)

Bài giảng 11

 Với một pin nhiên liệu hyđrô lý tưởng, điện năng ngõ ra cực đại do đó bằng với độ lớn của (cid:0) G. Bên dưới là các đại lượng điện và một số hằng số:

Ngõ ra của một pin nhiên liệu lý tưởng

 Dòng điện qua tải sẽ là

I (A) = 192.945n  Với pin nhiên liệu tạo ra nước lỏng, (cid:0) G = 237,2 kJ/mol (H2),

công suất lý tưởng (W) cung cấp cho tải sẽ là

P (W) = 237.200n

 Và điện áp sinh ra giữa các cực của pin nhiên liệu lý tưởng

sẽ là

VR = P (W)/I (A) = 1,229 V

Suất tiêu thụ hyđrô = Khối lượng/Năng lượng = 30,35 g H2/kWh

Bài giảng 11

 Suất tiêu thụ hyđrô của pin nhiên liệu lý tưởng này

Đặc tính điện của pin nhiên liệu thực

 PNL thực không cung cấp toàn bộ năng lượng tự do Gibbs,

vì có các tổn hao.

 Các tổn hao chính bao gồm tổn hao kích hoạt (cho chất xúc tác), tổn hao ohm (do điện trở nội), tổn hao fuel crossover (nhiên liệu đi ngang mà không giải phóng điện tử), và tổn hao truyền khối (khí hyđrô và ôxy gặp khó khăn trong việc đến được điện cực).

 Vì những lý do này và các lý do khác, các pin nhiên liệu

Bài giảng 11

thực, nói chung, chỉ tạo ra khoảng 60 – 70% giá trị cực đại lý thuyết.

Đặc tính điện của pin nhiên liệu thực

85,0

25,0 A

J 85,0 25,0 Bài giảng 11

(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)

Ví dụ 4.11

 Một PNL 1-kW hoạt động liên tục để cung cấp toàn bộ nhu cầu điện cho một ngôi nhà điển hình ở Mỹ. Nếu một bộ PNL như vậy tạo ra 48 V dc bằng các pin với điện áp mỗi pin bằng 0,6 V, cần bao nhiêu pin nhiên liệu và diện tích màng trao đổi proton của mỗi pin là bao nhiêu?

 48/0,6 = 80 pin nhiên liệu mắc nối tiếp để tạo ra 48 VDC.

Dòng điện cần phải chạy trong mỗi pin nhiên liệu là

I = P / V = 1000 / 48 = 20,83 A

 Dùng đường cong xấp xỉ, diện tích cần có là

Bài giảng 11

A = 0,25 (cid:0) I / (0,85 - Vcell) = 20,83 cm2