TIểu luận năng lượng và môi trường Ứng dụng năng lượng Hydro

Transportation Mechanical
Engineering
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG
KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG
ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG HYDRO
GV hướng dẫn: Nguyễn Quang Trung
Nhóm sinh viên: 1. Dương Văn Tùng Lớp: 08C4B
2. Trương Thanh Hải Lớp: 08C4B
3. Nguyễn Đức Thuận Lớp: 08C4A
4. Võ Anh Vũ Lớp: 08C4A
5. Trần Thượng Khang Lớp: 07C4A
Các kí hiệu viết tắt
-
AFC (Alkaline Fuel Cell) - pin nhiên liệu alkali (kiềm).
-
MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) - pin nhiên liệu muối carbonate nóng
chảy.
-
PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) – pin nhiên liệu axit phosphoric.
-
PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) – pin nhiên liệu màng trao
đổi proton.
-
SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) – pin nhiên liệu oxit rắn.
-
DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) – pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp.
-
RFC (Regenerative Fuel Cell) – pin nhiên liệu tái sinh.
-
ZAFC (Zinc-Air Fuel Cell) – pin nhiên liệu kẽm/không khí.

Transportation Mechanical Engineering
Nội dung
Tổng quan về nguyên cứu và ứng dụng năng lượng Hydro
1
Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Hydro
2
Sơ đồ nguyên lý và thiết bị của ứng dụng năng lượng Hydro
3
Phát điện và động cơ ứng dụng năng lượng Hydro
4
Transportation Mechanical Engineering
Kết luận và ý kiến của nhóm
5
Tổng quan về nguyên cứu và ứng dụng năng lượng Hydro
1
1.1. Vì sao phải nghiên cứu và ứng
dụng năng lượng hydro ?
Thế giới đang phụ thuộc vào nhiên
liệu hóa thạch.
Nguồn nhiên liệu này đang dần cạn
kiệt và đang ảnh hưởng tiêu cực đến
con người, ô nhiễm môi trường, hiệu
ứng nhà kính, tăng nhiệt độ toàn cầu
Một nguồn năng lượng sạch, dồi
dào như nguồn năng lượng hydro là
một giải pháp đầy tiềm năng.
Transportation Mechanical
Engineering
Ưu điểm
Hydro là chất khí dồi dào trong

vũ trụ, có thể sản xuất Hydro với
nhiều cách khác nhau, trong đó có
tách hydro từ nước biển .
Là nhiên liệu rất "sạch”, không
mùi và cháy hoàn toàn trong O2 tạo
H2O, không thải ra các chất gây ô
nhiễm như nhiên liệu truyền thống.
Tổng quan về nguyên cứu và ứng dụng năng lượng Hydro
1
1.2. Ưu-nhược điểm của năng lượng
Hydro
Transportation Mechanical
Engineering
Tổng quan về nguyên cứu và ứng dụng năng lượng Hydro
1
1.2. Ưu-nhược điểm của năng lượng
Hydro
Nhược điểm
Khí hydro làm cho bình chứa bằng kim loại trở
nên giòn hơn.
Khó khăn trong việc vận chuyển và lưu trữ, nhất
là khi dùng trên các phương tiện vận tải.
Giá cả của pin nhiên liệu quá cao do phải sử
dụng các vật liệu quý hiếm làm các bộ phận của
pin như chất xúc tác (platium…), màng trao đổi.
điện cực.
Transportation Mechanical Engineering
Tổng quan về nguyên cứu và ứng dụng năng lượng Hydro
1
1.3. Các ứng dụng của năng lượng Hydro

Động cơ hydro của Honda
Pin nhiên liệu sản
xuất điện tại nhà
máy xử lý nước thải
ở Washington
Xe buýt chạy bằng pin
nhiên liệu do Trung
Quốc sản xuất
Pin nhiên liệu HydroSTIK của hãng Horizon dùng
cho các thiết bị điện tử
Transportation Mechanical Engineering
Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Hydro
2
Vào năm 1766-1781, Henry Cavendish là người đầu tiên nhận ra rằng
hydro là một chất riêng biệt và rằng khi bị đốt trong không khí nó tạo ra sản
phẩm là H2O, là nguồn gốc của cái tên "hydrogen", trong tiếng Hi
Lạp nghĩa là "sinh ra nước".
Là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, tạo nên khoảng 75% tổng khối
lượng vũ trụ và trên 90% tổng số nguyên tử.
Là nguyên tố nhẹ nhất, đơn giản nhất được biết đến. Ở điều kiện thường,
các nguyên tử hydro kết hợp với nhau tạo thành những phân tử gồm hai
nguyên tử H2 . Ở nhiệt độ cao, quá trình ngược lại xảy ra.
Trong các hợp chất ion, hydro ở hai dạng: anion H- (trong hợp chất với
kim loại) và cation H+.
2.1. Bản chất của Hydro
Transportation Mechanical Engineering
Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Hydro
2
Dạng
nguyên tử

Ký hiệu H
Số proton, electron, nơtron 1, 1, 0
Trạng thái ôxy hóa 1, -1
Khối lượng nguyên tử 1,00794(u)
Dạng
phân tử
Ký hiệu H2
Độ dẫn nhiệt 0,1805 W·m−1·K−1
Nhiệt độ sôi 20,27 K (-252,87 °C)
Nhiệt độ nóng chảy 14,02 K (-259,14 °C)
Transportation Mechanical Engineering
Một số tính chất vật lí của hydro
2.1. Bản chất của Hydro
Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Hydro
2
Transportation Mechanical
Engineering
Đại lượng Hydro
(H2)
Metan
(CH4)
Propan
(C3H8)
Xăng Diezel
Nhiệt độ tự cháy (0C) 585 540 432 340 260
Nhiệt độ cháy trong oxy
(0C)
3000 2148 2385 2800 2200
Nhiệt độ bay hơi (0C) -252,87 -161,5 - 42,09 20 175 ÷370
Tỷ trọng (Kg/m3 khí) 0,08988 0,7175 2,011

Nhiệt trị thấp (MJ/kg) 119,97 50,02 46,35 44 42,9
Nhiệt trị cao (MJ/kg) 141,89 55,53 50,41 47,3 44,8
Bảng so sánh nhiên liệu hydro so với các loại nhiên liệu khác
2.1. Bản chất của Hydro
Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Hydro
2
2.2. Các phương pháp sản xuất Hydro
Phòng thí nghiệm
Điều chế bằng
phản ứng giữa
axit với kim loại
Hydrogen
Trong công nghiệp
Nhiều cách khác
nhau
Transportation Mechanical
Engineering
Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Hydro
2
2.2. Các phương pháp sản xuất Hydro
Natura gas
Biomass
Water
Petroleum
Coal
Công
nghiệp
thương
mại
Transportation Mechanical Engineering

Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Hydro
2
2.2. Các phương pháp sản xuất Hydro
Natura gas, xử lý bằng hơi nước nóng. Ở nhiệt độ cao (700-1.100 °C)
Hydrogen
CH4 + H2O → CO + 3H2
Phổ biến nhất
hiện nay
Transportation Mechanical
Engineering
Tài nguyên
hữu hạn
Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Hydro
2
2.2. Các phương pháp sản xuất Hydro
Natural
gas
Petroleum
Coal
Nhiên
liệu hóa
thạch
Transportation Mechanical
Engineering
Tài nguyên vô
hạn
Water
Biomass
Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Hydro
2

2.3. Các phương pháp sản xuất Hydro
Transportation Mechanical
Engineering
Nhiên
liệu
xanh
Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Hydro
2
2.3. Các phương pháp sản xuất Hydro
Điện phân nước là biện pháp đơn giản nhưng không kinh tế để sản xuất
hàng loạt Hyđro.
2H2O → 2H2 + O2
Transportation Mechanical
Engineering
2.2. Các phương pháp sản xuất Hydro
Điện phân dung dịch có màng ngăn: 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + H2 + Cl2

Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Hydro
2
Transportation Mechanical Engineering
Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Hydro
2
2.2. Các phương pháp sản xuất Hydro
Sử dụng quá trình quang phân ly nước ở tảo lục hay việc chuyển hóa các
dẫn xuất sinh học như glucoza hay sorbitol ở nhiệt độ thấp bằng các
chất xúc tác mới.
Transportation Mechanical Engineering
Cấu tạo
Hầu hết các loại pin nhiên
liệu đều gồm có 4 thành

phần:
• Ống chứa nhiên liệu (cell
stack)
• Bộ phận xử lý nhiên liệu
• Bộ chuyển đổi điện năng
• Hệ thống phục hồi nhiệt
Transportation Mechanical Engineering
2.3. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của pin nhiên liệu
Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Hydro
2
Nguyên lý hoạt động
Tại điện cực âm: Các phân tử H2 tiến đến
điện cực, xảy ra phản ứng với xúc tác và
vỡ ra tạo ra H+ (proton) và các electron.
2H2 → 4H+ + 4e-
Tại điện cực dương: Phân tử O2 tiến đến bề
mặt điện cực, dưới xúc tác Platin O2 sẽ
nhận electron đồng thời kết hợp với H+
( mới vừa được tạo thành ở diện cực âm)
tạo thành phân tử nước.
O2 + 4H+ + 4e-→ 2H2O
Tổng cộng: 2H2 + O2 → 2H2O
Transportation Mechanical Engineering
Cơ sở lý thuyết của ứng dụng năng lượng Hydro
2
2.3. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của pin nhiên liệu
3
Sơ đồ nguyên lý và thiết bị của ứng dụng năng lượng Hydro
3.1. Các loại pin nhiên liệu
- Nhiên liệu vận hành: khí hydrogen nén và oxy.

-
Chất điện phân: dung dịch kiềm KOH .
-
Hiệu suất pin: khoảng 70%.
-
Nhiệt độ hoạt động: từ 150 đến 200 độ C.
-
Công suất đầu ra khoảng từ 300W đến 5kW.
-
Ứng dụng: Tàu Con Thoi,phi thuyền Apollo của
NASA (hiệu suất cao,cung cấp nước uống); taxi
của công ty ZEVCO ở London .
-
Cơ chế phản ứng:
Tại Anode: 2 H2 + 4 OH- => 4 H2O + 4e-
Tại Cathode: O2 + 2 H2O + 4e- => 4 OH-
__________________________________
Tổng quát: 2 H2 + O2 => 2 H2O + điện năng
a. AFC - pin nhiên liệu alkali (kiềm).
Transportation Mechanical Engineering
3
Sơ đồ nguyên lý và thiết bị của ứng dụng năng lượng Hydro
-
Chất điện phân: muối carnonate của Na và Mg
-
Hiệu suất 60 đến 80%.
- Nhiệt độ vận hành khoảng 6500C.
- Công suất ra : 1 đơn vị 2 MW,kết hợp100 MW.
- Chất xúc tác điện cực nikel nên giá rẻ.
-

Hạn chế về vật liệu và an toàn ở nhiệt độ cao.
-
Ứng dụng: các nhà máy, trạm phát điện ở Nhật Bản
và Hoa Kì.
-
Cơ chế phản ứng:
Tại Anode: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Tại Cathode: CO2+ ½ O2 + 2e- =>CO32
_____________________________________
Tổng quát: H2(k) + ½ O2(k) + CO2 => H2O(k) +
CO2 (anode)+ điện năng
3.1. Các loại pin nhiên liệu
b. MCFC - pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy.
Transportation Mechanical Engineering
3
Sơ đồ nguyên lý và thiết bị của ứng dụng năng lượng Hydro
-
Chất điện phân: axit phosphoric.
-
Hiệu suất: từ 40 đến 80%.
-
Nhiệt độ vận hành:150 đến 200 độ C.
-
Công suất: đến 200 kW,thậm chí 11 MW.
-
Điện cực: bạch kim.
-
Các bộ phận bên trong phải chịu được ăn mòn
axit.
-

Ứng dụng: cài đặt cho các tòa nhà, khách sạn,
bệnh viện, các thiết bị điện.
-
Cơ chế phản ứng:
Tại Anode: 2 H2 => 4 H+ + 4e-
Tại Cathode: O2 + 4 H+ + 4e- => 2 H2O
__________________________________
Tổng quát: 2 H2 + O2 => 2 H2O + điện năng
c. PAFC – pin nhiên liệu axit phosphoric.
3.1. Các loại pin nhiên liệu
Transportation Mechanical Engineering
3
Sơ đồ nguyên lý và thiết bị của ứng dụng năng lượng Hydro
-
Màng điện phân: bằng plastic mỏng.
-
Hiệu suất pin từ 40 đến 50%.
-
Nhiệt độ vận hành: thấp, khoảng 800C.
-
Công suất ra: linh hoạt từ 2 kW đến 250 kW.
-
Nhiên liệu phải tinh sạch,xúc tác bạch kim ở
cả hai mặt màng điện phân, gia tăng chi phí.
-
Ứng dụng: ứng dụng trong gia đình và xe
cộ,thiết bị di động…(vì nhiệt độ vận hành
thấp).
-
Cơ chế phản ứng:

Tại Anode: 2 H2 => 4 H+ + 4e-
Tại Cathode: O2 + 4 H+ + 4e- => 2
H2O
__________________________________
Tổng quát: 2 H2 + O2 => 2 H2O + điện năng
d. PEMFC– pin nhiên liệu màng trao đổi proton.
3.1. Các loại pin nhiên liệu
Transportation Mechanical Engineering