Chuyên đề Năng lượng mới trên ô tô Pin nhiên liệu Fuel Cell

FUEL CELLS – PIN NHIÊN LIỆU
GVHD: ThS. VĂN THỊ BÔNG.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
--------------- --------------Báo cáo:

PIN NHIÊN LIỆU - FUEL CELL
GVHD: ThS. Văn Thò Bông.
HVTH : KS Huỳnh Quốc Việt
KS Lý Vónh Đạt
10/22/16


FUEL CELLS – PIN NHIÊN LIỆU
GVHD: ThS. VĂN THỊ BÔNG.

Chương I: KHÁI QUÁT VỀ FUEL CELLS
I>Nguyên nhân sự phát triển của Pin nhiên liệu:

 Do nguồn nhiên liệu hoá thạch ngày càng cạn kiệt.

 Do ô nhiễm môi trường khi sử dụng nguồn nhiên liệu hoá
thạch
•

Để giải quyết 2 vấn đề trên cần tìm một nguồn nhiên liệu
mới thay thế, pin nhiên liệu phát triển

10/22/16

FUEL CELLS – PIN NHIEÂN LIEÄU
GVHD: ThS. VAÊN THÒ BOÂNG.

10/22/16


FUEL CELLS – PIN NHIEÂN LIEÄU
GVHD: ThS. VAÊN THÒ BOÂNG.

10/22/16


FUEL CELLS – PIN NHIÊN LIỆU
GVHD: ThS. VĂN THỊ BÔNG.

II> Lòch sử của pin nhiên liệu - fuel cells
William Robert Grove (1811 – 1896), một luật gia –nhà vật lý
người Anh đã tạo ra pin nhiên liệu đầu tiên vào năm 1839.
Vào 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.
Vào năm 1920 , A. Schmid là người tiên phong trong việc xây
dựng bộ phân tích bằng Platium, các điện cực cacbon – hydro xốp
dưới hình thức ống.

10/22/16


FUEL CELLS – PIN NHIÊN LIỆU

GVHD: ThS. VĂN THỊ BÔNG.

 Anh, F.T. Bacon đã chế tạo ra hệ thống pin nhiên liệu
alkine 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 1970 K.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.
 Đến giữa năm 1970 tế bào nhiên liệu dùng hệ thống axit
photphoric ra đời.

10/22/16


FUEL CELLS – PIN NHIÊN LIỆU
GVHD: ThS. VĂN THỊ BÔNG.

 Vào những năm 1980 pin nhiên liệu dùng cacbon nấu chảy
(MCFC) phát triển mạnh.
 Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) được phát triển vào thập niên
1990.
 Vào những năm 1990 pin nhiên liệu dạng màng (MFC) xuất
hiện với mật độ công suất thu được rất cao.

10/22/16


FUEL CELLS – PIN NHIÊN LIỆU
GVHD: ThS. VĂN THỊ BÔNG.

III> Ưu và nhược điểm của pin nhiên liệu:
 Ưu điểm:
 Pin nhiên liệu có thể được sử dụng rộng rãi trong các lónh vực
như: bệnh viện, các phương tiện vận chuyển, trạm không gian,
khách sạn, các nhu cầu sinh hoạt của con người….
 So với năng lượng truyền thống, pin nhiên liệu không gây ô
nhiễm môi trường; sản phẩm thải ra là H2O.
 Hiệu suất cao >60%.
 Độ tin cậy cao.
 Không gây ra tiếng ồn.
 Nhược điểm: giá thành cao (hệ thống pin nhiên liệu loại màng
khoảng 20.000 $ trên một đơn vò KW)
10/22/16


FUEL CELLS – PIN NHIÊN LIỆU
GVHD: ThS. VĂN THỊ BÔNG.

IV>Đặc điểm pin nhiên liệu:
• 1. Độ tin cậy và hiệu suất cao:
 Pin nhiên liệu có thể chuyển đổi đến 90% năng lượng có
trong bản thân nhiên liệu thành điện năng và nhiệt.
 Pin nhiên liệu dạng axit phosphoric (PAFC) có hiệu suất
chuyển đổi điện là 42% đến 46%, còn pin nhiên liệu
cacbonat nóng chảy(MCFC) có thể đạt hiệu suất điện >60%.

10/22/16

FUEL CELLS – PIN NHIÊN LIỆU
GVHD: ThS. VĂN THỊ BÔNG.

 Một thuộc tính quan trọng của pin nhiên liệu là khả năng
cùng sản sinh ra nước nóng, hơi nước và phát ra điện năng ở
cùng một thời gian.
 Do có ít chi tiết chuyển động nên pin nhiên liệu có độ tin cậy
cao hơn so với động cơ đốt trong.

10/22/16


FUEL CELLS – PIN NHIÊN LIỆU
GVHD: ThS. VĂN THỊ BÔNG.

2. Đặc tính về môi trường:
 Pin nhiên liệu dùng cho các nhà máy năng lượng đã cải tiến
chất lượng không khí , giảm việc sử dụng nước và thải ra ít
nước hơn.
 Pin nhiên liệu sản sinh ra các chất độc hại như: SO3 và NOx
thấp hơn 10 lần so với các qui đònh nghiêm ngặt về môi
trường.
 Pin nhiên liệu cũng sinh ra khí CO2 thấp hơn so với các qui
đònh của các nhà máy
Bảng kết quả kiểm tra mức độ phát thải NOx:

10/22/16


FUEL CELLS – PIN NHIÊN LIỆU

GVHD: ThS. VĂN THỊ BÔNG.

Nhà máy năng
lượng

Trữ
lượng[KW]2

Nhiên liệu

NOx[ppm]

NEDO(kansai
EPC)
Tohoku EPC

1000

LNG

10

50

LNG/LPG

4.5/null

Tokyo Gas

50

LNG

2

Okiawa EPC

200

Methanol

<2

Shikuko EPC

4

Methanol

null

Foklift Truck

5

Methanol

null

Bus (DOE)

25

Methanol

null

10/22/16


FUEL CELLS – PIN NHIÊN LIỆU
GVHD: ThS. VĂN THỊ BÔNG.

3. Đặc điểm hoạt động và tính kinh tế của pin nhiên liệu:
 Pin nhiên liệu có đặc điểm hoạt động có ích là tiết kiệm
được chi phí trong các hoạt động yêu cầu.
 Pin nhiên liệu có thể dễ dàng hiệu chỉnh độ lệch bằng bộ
tạo tần, điều này dẫn đến độ ổn đònh của toàn hệ thống và
khắc phục những nhược điểm của pin nhiên liệu hiện nay.

10/22/16


FUEL CELLS – PIN NHIÊN LIỆU
GVHD: ThS. VĂN THỊ BÔNG.

4. Pin nhiên liệu như một bộ chuyển hoá năng lượng:
 Pin nhiên liệu có thể chuyển đổi liên tục năng lượng hoá năng
của nhiên liệu và chất ôxy – hoá thành năng lượng điện thông

qua quá trình cơ bản gồm hệ thống điện cực – chất điện phân.
 Pin nhiên liệu có đặc điểm của một module vì vậy nó có thể
đáp ứng công suất yêu cầu từ vài trăm W đến hàng chục KW
thậm chí hàng chục MW.

10/22/16


FUEL CELLS – PIN NHIÊN LIỆU
GVHD: ThS. VĂN THỊ BÔNG.

Trong pin nhiên liệu, năng lượng hoá được cung cấp bởi
nhiên liệu và chất oxy hoá được lưu trữ bên trong pin nơi
các phản ứng hoá thay thế như sơ đồ sau:
Chuyển đổi năng
lượng nhiệt

Hoá năng của
nhiên liệu

10/22/16

Chuyển đổi năng
lượng cơ

Chuyển đổi năng
lượng điện

Sơ đồ chuyển hoá năng lượng của pin nhiên liệu ứng
dụng trong công nghiệp.

FUEL CELLS – PIN NHIÊN LIỆU
GVHD: ThS. VĂN THỊ BÔNG.

Chuyển đổi năng
lượng nhiệt

Hoá năng của
nhiên liệu

Chuyển đổi năng
lượng cơ

Chuyển đổi năng
lượng điện

Sơ đồ chuyển hoá năng lượng của pin nhiên liệu ứng
dụng trong ôtô.
10/22/16


FUEL CELLS – PIN NHIÊN LIỆU
GVHD: ThS. VĂN THỊ BÔNG.

V>Phân loại pin nhiên liệu:
 Phân loại theo phương pháp phản ứng:
 Pin nhiên liệu trực tiếp: sản phẩm phản ứng của tế bào
được thải ra.
 Pin nhiên liệu tái sinh: chất phản ứng đã dùng rồi được

tái sinh bằng các phương pháp: nhiệt độ, điện năng, quang
hoá, hoá học phóng xạ….
 Pin nhiên liệu gián tiếp: dùng bộ cải tiến tế bào nhiên liệu
sử dụng nhiên liệu hữu cơ hoặc hoá sinh chuyển hoá thành
Hydro
10/22/16


FUELphâ
CELLS
PIN NHIÊ
N LIỆ
U
Sơ đồ
n–loạ
i pin
nhiê
n liệu:
GVHD: ThS. VĂN THỊ BÔNG.

Pin nhiên liệu
Trực tiếp
Nhiệt độ thấp Nhiệt độ TB
1.H2 –O2

1.H2- O2

2Hữu cơ- O2 2.Hữu cơ- O2
3.Amoniac3HC N2– O2
O2

4.H2 –
Halogen
5.Metan –
O2
10/22/16

Gián tiếp
Nhiệt độ cao
1.H2- O2
2.CO -O2

Pin NL
sinh hoá

Tái sinh
Pin NL
Cải tạo

1.Nhiệt độ
2.Điện năng
3. Quang
năng
4.Hoá học
Phóng xạ


FUEL CELLS – PIN NHIÊN LIỆU
GVHD: ThS. VĂN THỊ BÔNG.

Phân loại pin nhiên liệu theo nhiệt độ làm việc bao

gồm:
- Hệ thống nhiệt độ cao.
- Hệ thống nhiệt độ trung bình.
- Hệ thống nhiệt độ thấp.
 Phân loại pin nhiên liệu theo áp suất hoạt động bao
gồm:
- Hệ thống áp suất cao.
- Hệ thống áp suất trung bình.
- Hệ thống áp suất thấp.
10/22/16


FUEL CELLS – PIN NHIÊN LIỆU
GVHD: ThS. VĂN THỊ BÔNG.

Phân loại theo nhiên liệu hay chất oxy hoá sử dụng:
- Pin nhiên liệu sử dụng chất phản ứng là khí như:
hydro, amoniac, không khí và oxi.
- Pin nhiên liệu sử dụng chất phản ứng là nhiên liệu
lỏng như: cồn, hydrazine, hydrocacbon…
- Pin nhiên liệu sử dụng chất phản ứng là nhiên liệu
rắn như: than đá, các hydrua…

10/22/16


FUEL CELLS – PIN NHIÊN LIỆU
GVHD: ThS. VĂN THỊ BÔNG.

Phân loại theo chất điện phân sử dụng:

 Pin nhiên liệu ankaline (AFC): đây là loại tế bào nhiên liệu ra

đời sớm nhất, nó được sử dụng vào các chương trình không
gian của thập niên 60, AFC dễ bò nhiễm bẩn do đó nó phải sử
dụng H2 và O2 tinh khiết.

 Pin nhiên liệu axit phosphoric(PAFC): loại này thường được
sử dụng ở các hệ thống máy phát điện tónh tải nhỏ. Loại này
hoạt động ở nhiệt độ cao hơn pin nhiên liệu PEM, do đó không
phù hợp cho xe ôtô.

10/22/16


FUEL CELLS – PIN NHIÊN LIỆU
GVHD: ThS. VĂN THỊ BÔNG.

 Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC): loại này thường được sử dụng
trên các phát điện tónh tại cỡ lớn, nhiệt độ làm việc khoảng
10000C.
 Pin nhiên liệu Cacbonat nóng chảy (MCFC): loại này thường
được sử dụng trên các phát điện tónh tải lớn, nhiệt độ làm việc
khoảng 6000C
 Pin nhiên liệu màng biến đổi proton (PEMFC)

10/22/16


FUEL CELLS – PIN NHIÊN LIỆU
GVHD: ThS. VĂN THỊ BÔNG.

Hệ thống pin nhiên
liệu

Dãy nhiệt độ

Hiệu suất

Chất điện phân

Phạm vi ứng dụng

Pin nhiên liệu
alkaline(AFC)

60-900C

50-60%

35-50% KOH

Pin nhiên liệu chất
điện phân là
polyme(PEFC)
Pin nhiên liệu
axitphosphoric(PAFC)

50-800C

50-60%

Màng polyme

160-2200C

55%

Axit phosphoric
đậm đặc

Pin nhiên liệu
cacbonat nóng
chảy(MCFC)

620-6600C

60-65%

Cacbonat nóng
chảy(Li2CO3/

ng dụng trong
không gian,phương
tiện vận chuyển
ng dụng trong
không gian,phương
tiện vận chuyển
Phần lớn phân tán ở
ứng dụng NL(50500KW,1MW,5MW,1
1MW

Bộ phát năng lượng

Pin nhiên liệu oxit
rắn(SOFC)

800-10000C

10/22/16

55-65%

Na2CO3
ZrO2/Y2O3

Bộ phát năng lượng


FUEL CELLS – PIN NHIÊN LIỆU
GVHD: ThS. VĂN THỊ BÔNG.

CHƯƠNG 2: NHỮNG NHIÊN LIỆU LIÊN QUAN ĐẾN
CÔNG NGHỆ PIN NHIÊN LIỆU
• Hydro là nhiên liệu thiết thực duy nhất để dùng trong việc
sản xuất pin nhiên liệu hiện nay bởi vì:
 Khả năng phản ứng điện hoá học của Hydro cao hơn nhiều
so với các nhiên liệu thông thường mà nó bắt nguồn như các
HC, cồn hoặc than.
 Cơ chế phản ứng dễ dàng, tương đối đơn giản và không sinh
ra các sản phẩm phụ.

10/22/16


FUEL CELLS – PIN NHIÊN LIỆU
GVHD: ThS. VĂN THỊ BÔNG.

Sản xuất hydro
• - Các HC chủ yếu gồm khí thiên nhiên và dầu mỏ là nguồn
sản xuất Hydro chính trên quy mô công nghiệp. Tuy nhiên
quá trình này gây ô nhiễm môi trường bởi sự phát ra của
CO2, hợp chất sunfua, NO2 và nhiệt.
• - Nước là nguồn sản xuất Hydro lớn hơn HC, ngoài ra khi H
được dùng như nhiên liệu, nước lại được tái chế sản xuất 1
lần nữa, nó không ô nhiễm môi trường.

10/22/16