Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực MỤC LỤC MỤC LỤC 1 CHƯƠNG 1 7 KHÁI QUÁT VỀ 7 PIN NHIÊN LIỆU 7 Chương 1 8 KHÁI QUÁT VỀ PIN NHIÊN LIỆU 8 1.1.KHÁI NIỆM VỀ PIN NHIÊN LIỆU 8 1.2.LỊCH SỬ HÌNH THÀNH PIN NHIÊN LIỆU 9 1.3.CẤU TẠO CHUNG VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA PIN NHIÊN LIỆU 12 1.3.1.Cấu tạo chung của pin nhiên liệu đơn giản 12 1.3.2.Nguyên lý hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu 13 1.4.SỨC ĐIỆN ĐỘNG THUẬN NGHỊCH CỦA PIN NHIÊN LIỆU 15 1.5.CỤM PIN NHIÊN LIỆU VÀ HỆ THỐNG PIN NHIÊN LIỆU 18 1.5.1.Cụm pin nhiên liệu 18 1.5.2.Hệ thống pin nhiên liệu 19 CHƯƠNG 2 21 CÁC KIỂU 21 PIN NHIÊN LIỆU 21 Chương 2 22 CÁC KIỂU PIN NHIÊN LIỆU 22 2.1.PHÂN LOẠI PIN NHIÊN LIỆU 22 2.2.GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI PIN NHIÊN LIỆU CHÍNH 23 2.2.1.Pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer (PEMFC) 23 2.2.2.Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC) 28 2.2.3.Pin nhiên liệu kiềm (AFC) 30 2.2.4.Pin nhiên liệu axit phosphoric (PAFC) 32 2.2.5.Pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy (MCFC) 33 2.2.6.Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) 35 CHƯƠNG 3 37 CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ PIN NHIÊN LIỆU 37 Chương 3 38 CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ PIN NHIÊN LIỆU 38 3.1.HIỆU SUẤT CỦA PIN NHIÊN LIỆU 38 3.1.1.Hiệu suất lý tưởng của pin nhiên liệu 38 3.1.2.Hiệu suất điện áp của pin nhiên liệu 39 3.1.3.Hiệu suất sử dụng nhiên liệu 41 3.1.4.Hiệu suất tổng quát của pin nhiên liệu 42 Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell) 1 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực 3.2.NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG CHO PIN NHIÊN LIỆU 42 3.2.1.Sản xuất hydro 42 3.2.2.Lưu chứa hydro 45 3.2.3.Phân phối hydro 48 3.2.4.Sản xuất hydro trực tiếp trên hệ thống pin nhiên liệu 49 3.2.5.Vấn đề an toàn của nhiên liệu hydro 50 3.2.6.Tỉ lệ hòa trộn giữa nhiên liệu và chất oxy hóa 52 3.3.SỰ TÁC ĐỘNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU ĐẾN MÔI TRƯỜNG 53 3.4.CHI PHÍ CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG PIN NHIÊN LIỆU 54 3.5.PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU 55 3.5.1.Các ứng dụng cầm tay 55 3.5.2.Các ứng dụng tónh tại 56 3.5.3.Các ứng dụng di động 56 3.6.ĐÁNH GIÁ ƯU ĐIỂM VÀ NHƯC ĐIỂM CỦA PIN NHIÊN LIỆU 57 3.6.1.Ưu điểm 57 3.6.2.Nhược điểm 60 CHƯƠNG 4 61 ỨNG DỤNG CỦA 61 PIN NHIÊN LIỆU 61 TRÊN ÔTÔ 61 Chương 4 62 ỨNG DỤNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU TRÊN ÔTÔ 62 4.1.KHÁI QUÁT VỀ ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 62 4.2.PHÂN LOẠI ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 65 4.2.1.Ôtô pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu thứ cấp 65 4.2.2. Ôtô pin nhiên liệu sử dụng hydro trực tiếp 65 4.3.CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH TRÊN ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 66 4.3.1.Hệ thống pin nhiên liệu 66 4.3.2.Thùng chứa nhiên liệu 66 4.3.3.Bộ chuyển đổi nhiên liệu (thiết bò tạo ra hydro) 67 4.3.4.Nguồn công suất cực đại 69 4.3.5.Động cơ điện 72 4.3.6.Bộ chuyển đổi điện 73 4.4.BỐ TRÍ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC TRÊN ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU. .74 4.5.HOẠT ĐỘNG CỦA ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 75 4.5.1.Các chế độ vận hành của ôtô pin nhiên liệu 75 4.5.2.Sự dao động năng lượng của PPS 83 4.6.GIỚI THIỆU MỘT SỐ ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 84 4.6.1.Ôtô pin nhiên liệu của General Motors (GM) 84 4.6.2.Ôtô pin nhiên liệu của Pininfarina 85 4.7.SO SÁNH HIỆU SUẤT NĂNG LƯNG CỦA ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU VỚI CÁC LOẠI ÔTÔ KHÁC 87 Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell) 2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 MỤC LỤC 1 CHƯƠNG 1 7 KHÁI QUÁT VỀ 7 PIN NHIÊN LIỆU 7 Chương 1 8 KHÁI QUÁT VỀ PIN NHIÊN LIỆU 8 1.1.KHÁI NIỆM VỀ PIN NHIÊN LIỆU 8 1.2.LỊCH SỬ HÌNH THÀNH PIN NHIÊN LIỆU 9 1.3.CẤU TẠO CHUNG VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA PIN NHIÊN LIỆU 12 1.3.1.Cấu tạo chung của pin nhiên liệu đơn giản 12 1.3.2.Nguyên lý hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu 13 1.4.SỨC ĐIỆN ĐỘNG THUẬN NGHỊCH CỦA PIN NHIÊN LIỆU 15 1.5.CỤM PIN NHIÊN LIỆU VÀ HỆ THỐNG PIN NHIÊN LIỆU 18 1.5.1.Cụm pin nhiên liệu 18 1.5.2.Hệ thống pin nhiên liệu 19 CHƯƠNG 2 21 CÁC KIỂU 21 PIN NHIÊN LIỆU 21 Chương 2 22 CÁC KIỂU PIN NHIÊN LIỆU 22 2.1.PHÂN LOẠI PIN NHIÊN LIỆU 22 2.2.GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI PIN NHIÊN LIỆU CHÍNH 23 2.2.1.Pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer (PEMFC) 23 2.2.1.1. Cấu tạo của PEMFC 23 2.2.1.2. Nguyên lý hoạt động của PEMFC 26 2.2.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất và độ ẩm 27 2.2.2.Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC) 28 2.2.3.Pin nhiên liệu kiềm (AFC) 30 2.2.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 30 2.2.3.2. Các đặc điểm 31 2.2.4.Pin nhiên liệu axit phosphoric (PAFC) 32 2.2.4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 32 2.2.4.2. Các đặc điểm 33 2.2.5.Pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy (MCFC) 33 2.2.5.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 33 2.2.5.2. Các đặc điểm 34 2.2.6.Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) 35 2.2.6.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 35 2.2.6.2. Các đặc điểm 35 CHƯƠNG 3 37 Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell) 3 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ PIN NHIÊN LIỆU 37 Chương 3 38 CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ PIN NHIÊN LIỆU 38 3.1.HIỆU SUẤT CỦA PIN NHIÊN LIỆU 38 3.1.1.Hiệu suất lý tưởng của pin nhiên liệu 38 3.1.2.Hiệu suất điện áp của pin nhiên liệu 39 3.1.3.Hiệu suất sử dụng nhiên liệu 41 3.1.4.Hiệu suất tổng quát của pin nhiên liệu 42 3.2.NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG CHO PIN NHIÊN LIỆU 42 3.2.1.Sản xuất hydro 42 3.2.2.Lưu chứa hydro 45 3.2.3.Phân phối hydro 48 3.2.4.Sản xuất hydro trực tiếp trên hệ thống pin nhiên liệu 49 3.2.5.Vấn đề an toàn của nhiên liệu hydro 50 3.2.6.Tỉ lệ hòa trộn giữa nhiên liệu và chất oxy hóa 52 3.3.SỰ TÁC ĐỘNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU ĐẾN MÔI TRƯỜNG 53 3.4.CHI PHÍ CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG PIN NHIÊN LIỆU 54 3.5.PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU 55 3.5.1.Các ứng dụng cầm tay 55 3.5.2.Các ứng dụng tónh tại 56 3.5.3.Các ứng dụng di động 56 3.6.ĐÁNH GIÁ ƯU ĐIỂM VÀ NHƯC ĐIỂM CỦA PIN NHIÊN LIỆU 57 3.6.1.Ưu điểm 57 3.6.2.Nhược điểm 60 CHƯƠNG 4 61 ỨNG DỤNG CỦA 61 PIN NHIÊN LIỆU 61 TRÊN ÔTÔ 61 Chương 4 62 ỨNG DỤNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU TRÊN ÔTÔ 62 4.1.KHÁI QUÁT VỀ ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 62 4.2.PHÂN LOẠI ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 65 4.2.1.Ôtô pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu thứ cấp 65 4.2.2. Ôtô pin nhiên liệu sử dụng hydro trực tiếp 65 4.3.CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH TRÊN ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 66 4.3.1.Hệ thống pin nhiên liệu 66 4.3.2.Thùng chứa nhiên liệu 66 4.3.3.Bộ chuyển đổi nhiên liệu (thiết bò tạo ra hydro) 67 4.3.4.Nguồn công suất cực đại 69 4.3.5.Động cơ điện 72 4.3.6.Bộ chuyển đổi điện 73 4.4.BỐ TRÍ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC TRÊN ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU. .74 Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell) 4 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực 4.5.HOẠT ĐỘNG CỦA ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 75 4.5.1.Các chế độ vận hành của ôtô pin nhiên liệu 75 4.5.2.Sự dao động năng lượng của PPS 83 4.6.GIỚI THIỆU MỘT SỐ ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 84 4.6.1.Ôtô pin nhiên liệu của General Motors (GM) 84 4.6.2.Ôtô pin nhiên liệu của Pininfarina 85 4.7.SO SÁNH HIỆU SUẤT NĂNG LƯNG CỦA ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU VỚI CÁC LOẠI ÔTÔ KHÁC 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 MỤC LỤC 1 CHƯƠNG 1 7 KHÁI QUÁT VỀ 7 PIN NHIÊN LIỆU 7 Chương 1 8 KHÁI QUÁT VỀ PIN NHIÊN LIỆU 8 1.1.KHÁI NIỆM VỀ PIN NHIÊN LIỆU 8 1.2.LỊCH SỬ HÌNH THÀNH PIN NHIÊN LIỆU 9 1.3.CẤU TẠO CHUNG VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA PIN NHIÊN LIỆU 12 1.3.1.Cấu tạo chung của pin nhiên liệu đơn giản 12 1.3.2.Nguyên lý hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu 13 1.4.SỨC ĐIỆN ĐỘNG THUẬN NGHỊCH CỦA PIN NHIÊN LIỆU 15 1.5.CỤM PIN NHIÊN LIỆU VÀ HỆ THỐNG PIN NHIÊN LIỆU 18 1.5.1.Cụm pin nhiên liệu 18 1.5.2.Hệ thống pin nhiên liệu 19 CHƯƠNG 2 21 CÁC KIỂU 21 PIN NHIÊN LIỆU 21 Chương 2 22 CÁC KIỂU PIN NHIÊN LIỆU 22 2.1.PHÂN LOẠI PIN NHIÊN LIỆU 22 2.2.GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI PIN NHIÊN LIỆU CHÍNH 23 2.2.1.Pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer (PEMFC) 23 2.2.2.Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC) 28 2.2.3.Pin nhiên liệu kiềm (AFC) 30 2.2.4.Pin nhiên liệu axit phosphoric (PAFC) 32 2.2.5.Pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy (MCFC) 33 2.2.6.Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) 35 CHƯƠNG 3 37 CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ PIN NHIÊN LIỆU 37 Chương 3 38 CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ PIN NHIÊN LIỆU 38 Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell) 5 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực 3.1.HIỆU SUẤT CỦA PIN NHIÊN LIỆU 38 3.1.1.Hiệu suất lý tưởng của pin nhiên liệu 38 3.1.2.Hiệu suất điện áp của pin nhiên liệu 39 3.1.3.Hiệu suất sử dụng nhiên liệu 41 3.1.4.Hiệu suất tổng quát của pin nhiên liệu 42 3.2.NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG CHO PIN NHIÊN LIỆU 42 3.2.1.Sản xuất hydro 42 3.2.2.Lưu chứa hydro 45 3.2.3.Phân phối hydro 48 3.2.4.Sản xuất hydro trực tiếp trên hệ thống pin nhiên liệu 49 3.2.5.Vấn đề an toàn của nhiên liệu hydro 50 3.2.6.Tỉ lệ hòa trộn giữa nhiên liệu và chất oxy hóa 52 3.3.SỰ TÁC ĐỘNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU ĐẾN MÔI TRƯỜNG 53 3.4.CHI PHÍ CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG PIN NHIÊN LIỆU 54 3.5.PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU 55 3.5.1.Các ứng dụng cầm tay 55 3.5.2.Các ứng dụng tónh tại 56 3.5.3.Các ứng dụng di động 56 3.6.ĐÁNH GIÁ ƯU ĐIỂM VÀ NHƯC ĐIỂM CỦA PIN NHIÊN LIỆU 57 3.6.1.Ưu điểm 57 3.6.2.Nhược điểm 60 CHƯƠNG 4 61 ỨNG DỤNG CỦA 61 PIN NHIÊN LIỆU 61 TRÊN ÔTÔ 61 Chương 4 62 ỨNG DỤNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU TRÊN ÔTÔ 62 4.1.KHÁI QUÁT VỀ ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 62 4.2.PHÂN LOẠI ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 65 4.2.1.Ôtô pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu thứ cấp 65 4.2.2. Ôtô pin nhiên liệu sử dụng hydro trực tiếp 65 4.3.CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH TRÊN ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 66 4.3.1.Hệ thống pin nhiên liệu 66 4.3.2.Thùng chứa nhiên liệu 66 4.3.3.Bộ chuyển đổi nhiên liệu (thiết bò tạo ra hydro) 67 4.3.4.Nguồn công suất cực đại 69 4.3.5.Động cơ điện 72 4.3.6.Bộ chuyển đổi điện 73 4.4.BỐ TRÍ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC TRÊN ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU. .74 4.5.HOẠT ĐỘNG CỦA ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 75 4.5.1.Các chế độ vận hành của ôtô pin nhiên liệu 75 4.5.2.Sự dao động năng lượng của PPS 83 Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell) 6 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực 4.6.GIỚI THIỆU MỘT SỐ ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 84 4.6.1.Ôtô pin nhiên liệu của General Motors (GM) 84 4.6.2.Ôtô pin nhiên liệu của Pininfarina 85 4.7.SO SÁNH HIỆU SUẤT NĂNG LƯNG CỦA ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU VỚI CÁC LOẠI ÔTÔ KHÁC 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ PIN NHIÊN LIỆU o0o Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell) 7 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ PIN NHIÊN LIỆU 1.1. KHÁI NIỆM VỀ PIN NHIÊN LIỆU Pin nhiên liệu là một thiết bò có thể chuyển đổi trực tiếp hóa năng của nhiên liệu thành điện năng nhờ vào các quá trình điện hóa. Hai nhiên liệu cơ bản cần thiết cho pin nhiên liệu vận hành là hydro (hoặc nhiên liệu giàu hydro) và oxy (thường là oxy từ không khí). Quá trình biến đổi năng lượng trong pin nhiên liệu được thực hiện theo phản ứng hóa học tổng quát sau: OHOH 222 2 1 →+ + điện năng + nhiệt năng. Hình 1.1. Sơ đồ mô tả pin nhiên liệu Động cơ hydro cũng dùng khí hydro, nhưng khác với động cơ hydro ở chỗ, pin nhiên liệu không trực tiếp đốt cháy hydro mà dùng chất xúc tác để tách các electron từ các nguyên tử hydro có trong nhiên liệu để tạo thành các ion, sau đó hướng các ion và các electron này theo một chiều nhất đònh để tạo ra dòng điện. Như vậy, trong pin nhiên liệu hoàn toàn không có sự cháy như trong động cơ đốt trong, do đó, nó sinh ra lượng khí gây hiệu ứng nhà kính ít hơn nhiều và không sinh ra các khí thải gây ô nhiễm môi trường. Nếu nhiên liệu sử Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell) 8 PIN NHIÊN LIỆU Nhiên liệu (hydro) Không khí (oxy) Điện năng Nhiệt Nước, CO 2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực dụng là hydro nguyên chất và oxy thì pin nhiên liệu chỉ sinh ra nhiệt và sản phẩm phụ là nước (một số loại còn có thêm 2 CO ). Mặt khác, nó không có sự chuyển hóa nhiệt thành cơ năng nên hiệu suất của nó không bò giới hạn bởi hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot, ngay cả khi vận hành ở nhiệt độ tương đối thấp. Và cũng tương tự như accu, pin nhiên liệu cũng là một thiết bò tạo ra dòng điện thông qua cơ chế phản ứng điện hóa. Tuy nhiên, điểm khác biệt nằm ở chỗ, pin nhiên liệu có thể tạo ra dòng điện liên tục khi cung cấp đầy đủ nhiên liệu cho nó, trong khi đó, accu cần phải được nạp điện lại (sạc) từ một nguồn điện bên ngoài sau một thời gian sử dụng. Như vậy, muốn tái sử dụng lại accu thì cần phải có một thời gian dài để nạp điện lại, trong khi pin nhiên liệu thì chỉ cần cung cấp nhiên liệu thì có thể có điện để sử dụng. So với năng lượng gió và năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu không phụ thuộc vào thời tiết và độ dài của ngày, nó có thể đảm bảo cung cấp năng lượng 24/24 giờ. Khi nào còn được cung cấp hóa chất, pin sẽ cung cấp điện. Nguồn nhiên liệu sử dụng cho pin nhiên liệu rất dồi dào. Oxy thì đã có sẵn trong không khí, còn hydro có thể thu được từ nhiều nguồn khác nhau như: nhiên liệu hóa thạch, những nguồn nhiên liệu tái sinh, năng lượng hạt nhân, nguồn tài nguyên có trong nước,… Điều này làm giảm sự phụ thuộc dầu mỏ vào các nước khác. Như vậy, có thể thấy, pin nhiên liệu là một trong những nguồn năng lượng tiên tiến nhất hiện nay, nó đóng vai trò như một máy sản xuất điện thực thụ với nhiên liệu đầu vào chỉ cần hydro và oxy. 1.2. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH PIN NHIÊN LIỆU Pin nhiên liệu đã được nhiều người nghiên cứu từ thế kỉ 19, nhưng phát minh đầu tiên về pin nhiên liệu được ghi nhận là của ông William Robert Grove (1811-1896) – nhà khoa học tự nhiên xứ Wales – vào năm 1839. Phát minh này dựa trên cơ sở của quá trình điện phân nước. Ông Grove tin rằng, nếu có thể tách nước thành hydro và oxy nhờ vào năng lượng điện thì quá trình ngược lại cũng có thể xảy ra, tức là có thể sản xuất ra dòng điện bằng cách kết hợp hydro và oxy. Và ở thời điểm này, platin được xem là chất xúc tác cho phản ứng giữa hydro và oxy. Dựa vào các giả thiết đó, ông Grove đã chế tạo thành công mô hình thực nghiệm đầu tiên của pin nhiên liệu, bao gồm hai điện cực platin được bao trùm bởi hai ống hình trụ bằng thủy tinh, một ống chứa hydro và ống kia chứa oxy. Khi chúng được nhúng trong axit sulfuric loãng, một dòng điện xuất hiện giữa hai điện cực và nước được sinh ra trong các ống. Để tăng điện áp đầu ra, ông Grove đã liên kết nhiều thiết bò như vậy với nhau và tạo thành một thiết bị mà ông gọi là “accu khí” (gas battery). Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell) 9 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực Năm 1889, hai nhà hóa học Ludwig Mond và Charles Langer đã cố gắng phát triển mô hình của Grove vào ứng dụng trong thực tế bằng việc sử dụng không khí và khí than đá làm nhiên liệu. Và thuật ngữ “pin nhiên liệu” (fuel cell) cũng được hình thành từ đây. Tuy nhiên, do những hạn chế về mặt vật liệu và kỹ thuật nên những nghiên cứu của họ không được ứng dụng rộng rãi. Mặt khác, sự phát triển ồ ạt của động cơ đốt trong và sự phổ biến của nhiên liệu hóa thạch vào khoảng cuối thế kỉ thứ 19 đã làm cho pin nhiên liệu không được thế giới chú ý đến. Đến năm 1932, Dr. Francis Thomas Bacon – một kỹ sư người Anh – đã tiếp tục phát triển mô hình pin nhiên liệu với những cải tiến mới. Ông đã thay thế các điện cực platin bằng vật liệu niken ít tốn kém hơn và thay thế chất điện phân axit sulfuric bằng kali hydroxit, một chất có tính ăn mòn ít hơn. Thiết bò này được đặt tên là “pin Bacon” (Bacon cell) – pin nhiên liệu kiềm đầu tiên trên thế giới. Và mãi đến 27 năm sau, tức là vào năm 1959, Bacon mới sản xuất ra một pin nhiên liệu thật sự khả thi. Loại pin này có công suất 5kW, đủ cung cấp cho một máy hàn điện. Vào những năm 1950, pin nhiên liệu mới thật sự được quan tâm. Lúc này, NASA (National Aeronautics and Space Administration) đang tìm cách để sản xuất điện cho hàng loạt các chuyến bay có người lái vào không gian. Phương án sử dụng accu đã gặp trở ngại về vấn đề trọng lượng; năng lượng mặt trời thì quá đắt vào thời điểm này và năng lượng hạt nhân thì quá nguy hiểm. Trong các giải pháp của NASA thì pin nhiên liệu là khả thi nhất. Và NASA đã quyết đònh đầu tư để nghiên cứu và phát triển pin nhiên liệu thành thiết bò có thể ứng dụng trong các chương trình du hành vũ trụ. Vào khoảng thời gian giữa năm 1955 và năm 1958, hai nhà hóa học làm việc tại tập đoàn điện tử General Electric (Mỹ) là Willard Thomas Grub và Leonard Niedrach đã nghiên cứu thành công và cho ra đời một loại pin nhiên liệu sử dụng màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane - PEM) đóng vai trò làm chất điện phân. Và “pin nhiên liệu Grub-Niedrach” đã được NASA sử dụng trong chương trình du hành vũ trụ Gemini. Với công suất 1kW, các tế bào nhiên liệu này đã cung cấp đồng thời điện và nước uống cho các phi hành gia vũ trụ. Các tế bào nhiên liệu của chương trình Gemini chỉ dài 60cm và có đường kính là 20cm. Vào đầu những năm 1960, nhà sản xuất động cơ máy bay Pratt & Whitney (Canada) đã cấp bằng sáng chế cho Bacon về pin nhiên liệu kiềm (AFC - Alkaline Fuel Cell). Với mục tiêu giảm trọng lượng của pin nhiên liệu sử dụng màng trao đổi proton của General Electric, Pratt & Whitney đã cải thiện thiết kế ban đầu của Bacon. Và kết quả là Pratt & Whitney đã giành được hợp đồng của NASA trong việc cung cấp các pin nhiên liệu cho các tàu du hành vũ trụ Apollo. Kể từ đó, pin nhiên liệu kiềm đã được sử dụng trong hầu hết các tàu du hành vũ trụ có người lái của Mỹ, kể cả tàu con thoi. Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell) 10 [...]... ứng 1.5 n CỤM PIN NHIÊN LIỆU VÀ HỆ THỐNG PIN NHIÊN LIỆU 1.5.1 Cụm pin nhiên liệu Vì một pin nhiên liệu đơn riêng lẻ chỉ tạo được một điện áp và công suất rất thấp, cho nên tùy theo điện áp và công suất cần dùng là bao nhiêu mà người ta sẽ dùng nhiều pin đơn để kết nối với nhau tạo thành một cụm pin nhiên liệu (fuel cell stack) Một cụm pin nhiên liệu điển hình có thể gồm hàng trăm pin nhiên liệu đơn Chuyên... một số loại pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu hóa thạch, sản phẩm tạo ra của pin còn có thể có CO2 , nhưng lượng CO2 do pin nhiên liệu tạo ra ít hơn nhiều so với động cơ đốt trong thông thường Lượng điện thu được từ pin nhiên liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: loại pin nhiên liệu, kích cỡ pin, nhiệt độ khi nó hoạt động, áp suất không khí được cung cấp vào pin, … Tùy theo từng loại pin nhiên liệu mà điện... đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell) 18 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực Hình 1.5 Sơ đồ cấu tạo một cụm pin nhiên liệu 1.5.2 Hệ thống pin nhiên liệu Do pin nhiên liệu chỉ sinh ra dòng điện một chiều và thường sử dụng nhiên liệu đã qua xử lý, vì thế, hệ thống tạo ra điện năng của pin nhiên liệu đòi hỏi phải có sự tổ hợp của nhiều bộ phận Việc xây dựng hệ thống pin nhiên liệu. .. nhiên liệu phù hợp với các phản ứng xảy ra ở các điện cực của pin nhiên liệu Mục đích của việc xử lí nhiên liệu nhằm làm sạch và loại bỏ những thành phần có hại có trong nhiên liệu Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell) 19 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực Hình 1.6 Mô hình một hệ thống pin nhiên liệu + Thiết bò biến đổi năng lượng (pin nhiên liệu hay cụm pin nhiên liệu) :... cách phân loại này, pin nhiên liệu hiện nay có 5 loại chính sau: - Pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer, viết tắt là PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell): loại pin nhiên liệu này sử dụng một màng polymer mỏng đóng vai trò làm chất điện phân Một số tài liệu còn gọi loại này là pin nhiên liệu dùng màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), hay pin nhiên liệu màng điện phân... áp suất, khi nhiệt độ làm việc pin nhiên liệu tăng hay giảm thì điện áp của pin nhiên liệu cũng tăng và giảm tương ứng Điện áp pin (% điện áp đỉnh) Nhiệt độ (0C) Hình 2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện áp của pin nhiên liệu PEM Khi ở nhiệt độ cao hơn thì cải thiện được lượng nhiên liệu di chuyển trong phạm vi của pin nhiên liệu và kết quả là điện trở trong pin nhiên liệu sẽ giảm xuống (khi nhiệt độ... trong pin nhiên liệu là các kim loại q như platin 1.3.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell) 13 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực Hình 1.4 Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu Các phản ứng hóa học tạo ra dòng điện xảy ra tại các điện cực chính là chìa khóa trong cơ chế hoạt động của pin nhiên liệu Có nhiều kiểu pin. .. thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực CHƯƠNG 2 CÁC KIỂU PIN NHIÊN LIỆU - o0o - Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell) 21 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực Chương 2 CÁC KIỂU PIN NHIÊN LIỆU 2.1 PHÂN LOẠI PIN NHIÊN LIỆU Hiện nay, có rất nhiều kiểu pin nhiên liệu, sự khác nhau của chúng chủ yếu là ở chất điện phân, loại nhiên liệu mà chúng sử dụng, nhiệt độ vận hành của chúng,…... của pin nhiên liệu sẽ nhận các electron này, tạo thành các ion oxy ( O 2− ) Và trong một số dạng pin nhiên liệu, các ion oxy này sẽ kết hợp với các ion hydro vừa đi qua chất điện phân từ anode của pin nhiên liệu để tạo thành nước; ở một số dạng pin nhiên liệu khác, các ion oxy sẽ di chuyển qua chất điện phân đến anode, gặp và kết hợp với các ion hydro ở đó để tạo thành nước Chuyên đề về pin nhiên liệu. .. PEMFC thông thường là loại pin này sử dụng nhiên liệu methanol trực tiếp mà không cần phải chuyển hóa thành hydro từ bên ngoài Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell) 22 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực 2.2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI PIN NHIÊN LIỆU CHÍNH 2.2.1 Pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer (PEMFC) 2.2.1.1 Cấu tạo của PEMFC Pin nhiên liệu loại này có hiệu suất từ . THUẬN NGHỊCH CỦA PIN NHIÊN LIỆU 15 1.5.CỤM PIN NHIÊN LIỆU VÀ HỆ THỐNG PIN NHIÊN LIỆU 18 1.5.1.Cụm pin nhiên liệu 18 1.5.2.Hệ thống pin nhiên liệu 19 CHƯƠNG. THUẬN NGHỊCH CỦA PIN NHIÊN LIỆU 15 1.5.CỤM PIN NHIÊN LIỆU VÀ HỆ THỐNG PIN NHIÊN LIỆU 18 1.5.1.Cụm pin nhiên liệu 18 1.5.2.Hệ thống pin nhiên liệu 19 CHƯƠNG