Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 5: Pin nhiên liệu - Trần Công Binh
1. Giới thiệu tích trữ năng lượng dùng pin nhiên liệu
2. Bộ điện phân - Electrolyser
3. Pin nhiên liệu – Fuel cell
4. Mô hình tích trữ pin nhiên liệu
5. Ứng dụng pin nhiên liệu
6. Phân tích pin nhiên liệu
1. Nguyên lý hoạt động
2. Enthalpy
3. Entropy và hiệu suất lý tưởng của pin nhiên liệu
4. Gibbs Free Energy và Hiệu suất thực pin nhiên liệu
5. Pin nhiên liệu lý tưởng (Tính dòng điện)
6. Đặc tuyến của pin nhiên liệu thực tế
7. Các loại pin nhiên liệu
8. Sản xuất hydrogen
Tóm tắt nội dung Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 5: Pin nhiên liệu - Trần Công Binh, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút "TẢI VỀ" ở trên
min/ H = 1 - 48,5 / 258,8 =83% Ví dụ 4.9: Nhiệt lượng phát sinh tối thiểu từ phản ứng: Giả sử một pin nhiên liệu hoạt động ở 25oC (298K) và 1 atm tạo thành nước: a) Tìm nhiệt lượng Qmin phát sinh từ phản ứng cho mỗi mol H2? b) Tìm hiệu suất cực đại của pin nhiên liệu? NLTT Trần Công Binh ĐH Bách Khoa TP.HCM 12 Năng lượng tái tạo 66 Gibbs Free Energy và Hiệu suất của pin nhiên liệu Free energry: Hiệu suất: Ví dụ 4.10: Tìm hiệu suất cực đại của pin nhiên liệu PEM (Proton-Exchange-Membrane) oxy hóa hydro theo HHV, và theo Gibbs Free Energy? Năng lượng tái tạo 67 Gibbs Free Energy và Hiệu suất của pin nhiên liệu G = G (chất tạo thành) - G (chất phản ứng) CH4 (khí) + 2 O2 (khí) CO2 (khí) + 2 H2O (lỏng) (-50,8) 2x(0) (-394,4) 2x(-237,2) G = (-394,4) + 2x(-237,2) - (-50,8) - 2x(0) = -818 kJ/mol (khí CH4) max = G/ H = (-818) / (-890,2) = 91,89% Ví dụ: Tìm hiệu suất cực đại của khi oxy hóa khí metan theo Gibbs Free Energy của hydro? Năng lượng tái tạo 68 Pin nhiên liệu lý tưởng • q = điện tích 1 electron = 1,602 .10-19 Cuolombs • N = hằng số Avogadro = 6,022 .1023 phân tử/mol • V = thể tích một mol khí lý tưởng ở STP =22,4-l/mol • n = lưu lượng khí cấp cho pin nhiên liệu (mol/s) • I = dòng điện 1 (A) = 1 Coulombs/s • Vr = điện áp lý tưởng qua 2 cực pin nhiên liệu (V) • P = công suất pin nhiên liệu phát ra (W) • ne = số electron tạo ra dòng điện từ mỗi phân tử Năng lượng điện sinh ra: We = |G| Năng lượng tái tạo 69 Pin nhiên liệu lý tưởng Ví dụ : Cho 1 tế bào pin nhiên liệu lý thuyết dùng khí CH4, hoạt động ở điều kiện tiêu chuẩn, nước tạo ra ở thể lỏng. a) Tính khối lượng CH4 cần cung cấp cho pin nhiên liệu lý tưởng để tạo ra 1kWh điện? Tính hiệu suất lý tưởng? b) Nếu lưu lượng tiêu thụ CH4 là 1-lit/phút, tính dòng điện và công suất lý thuyết? Tính điện áp lý tưởng? c) Tính lại câu b nếu 10% lượng khí CH4 thất thoát? d) Tính lại câu b nếu hiệu suất thực bằng 60% lý thuyết? Tính lại điện áp THỰC của tế bào? Tính hiệu suất thực? (W) (A) Năng lượng tái tạo 70 Pin nhiên liệu lý tưởng Điện áp lý thuyết của 1 tế bào pin nhiên liệu (EMFmax): Năng lượng tái tạo 71 Pin nhiên liệu lý tưởng H2 (khí) + 1/2 O2 (khí) H2O (lỏng) NLTT Trần Công Binh ĐH Bách Khoa TP.HCM 13 Năng lượng tái tạo 72 Đặc tuyến của pin nhiên liệu thực tế Năng lượng tái tạo 73 Đặc tuyến của pin nhiên liệu thực tế Đặc tuyến của 1 tế bào pin nhiên liệu H2. Chú ý A tính theo (cm 2). Năng lượng tái tạo 74 Đặc tuyến của pin nhiên liệu thực tế Ví dụ 4.11: Bộ pin nhiên liệu dùng H2, công suất 1kW, điện áp 48V, điện áp trên mỗi tế bào là 0,6V. Tính số tế bào và diện tích màng lọc của mỗi tế bào? Biết pin nhiên liệu có đặc tuyến như hình 4.29: V = 0,85 – 0,25J = 0,85 – 0,25 I/A Năng lượng tái tạo 75 Các loại pin nhiên liệu 1. Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) – Pin nhiên liệu trao đổi hạt nhân qua màn lọc 2. Direct Methanol Fuel Cells (DMFC) – Pin nhiên liệu methanol trực tiếp 3. Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC) – Pin nhiên liệu axit phosphoric 4. Alkaline Fuel Cells (AFC) – Pin nhiên liệu kiềm 5. Molten-Carbonate Fuel Cells (MCFC) – Pin nhiên liệu carbon nóng chảy 6. Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) – Pin nhiên liệu oxit rắn Năng lượng tái tạo 76 Các loại pin nhiên liệu Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) Direct Methanol Fuel Cells (DMFC) Eff ≈ 45% Năng lượng tái tạo 77 Các loại pin nhiên liệu Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC) Alkaline Fuel Cells (AFC) NLTT Trần Công Binh ĐH Bách Khoa TP.HCM 14 Năng lượng tái tạo 78 Các loại pin nhiên liệu Molten-Carbonate Fuel Cells (MCFC) Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) Năng lượng tái tạo 79 Các loại pin nhiên liệu Năng lượng tái tạo 80 Các loại pin nhiên liệu Năng lượng tái tạo 81 Các loại pin nhiên liệu Năng lượng tái tạo 82 Sản xuất hydrogen 1. Methane Steam Reforming (MSR) 2. Partial Oxidation (POX) 3. Gasification of Biomass, Coal, or Wastes 4. Electrolysis of Water Năng lượng tái tạo 83 Sản xuất hydrogen Methane Steam Reforming (MSR) Partial Oxidation (POX) Gasification of Biomass, Coal, or Wastes Electrolysis of Water NLTT Trần Công Binh ĐH Bách Khoa TP.HCM 15 Năng lượng tái tạo 84 Sản xuất hydrogen Năng lượng tái tạo 85 Sản xuất hydrogen Năng lượng tái tạo 86 Bài tập Năng lượng tái tạo 87 Bài tập Năng lượng tái tạo 88 Bài tập Bài tập 1: Tính toán nhiệt lượng (kJ/mol, kJ/kg) và hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu dùng CH3OH ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC)? Biết nước tạo ra ở thể lỏng. Bài tập 2: Pin nhiện liệu dùng khí H2 để phát điện cho tải? Biết pin tiêu thụ 5lit H2 /giờ ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC). Nước tạo ra ở thể lỏng. a) Tính công suất lý thuyết của pin? b) Giả sử hiệu suất của pin là 50%. Tính toán công suất của pin? c) Giả sử hiệu suất của pin là 50% hiệu suất lý thuyết. Tính toán công suất của pin? d) Tính dòng điện của pin? Biết pin nhiên liệu chỉ gồm 1 tế bào. Năng lượng tái tạo 89 Bài tập Bài tập 3: Tính toán dòng điện và công suất cấp điện cho tải từ 1 tế bào pin nhiện liệu dùng khí CH4? Biết pin tiêu thụ 10lit CH4 /giờ ở 1atm, 25 oC). Nước tạo ra ở thể lỏng. Giả sử hiệu suất của pin bằng ½ hiệu suất lý thuyết. Bài tập 4: Tính toán lưu lượng khí H2 cung cấp cho pin nhiện liệu dùng để phát điện cho tải bóng đèn 50W ở 1atm, 25oC). Nước tạo ra ở thể lỏng. Giả sử hiệu suất của pin bằng 60% hiệu suất lý thuyết. Khi đó tính dòng điện và điện áp trên bóng đèn. Biết pin nhiên liệu có 20 tế bào ghép nối tiếp. NLTT Trần Công Binh ĐH Bách Khoa TP.HCM 16 Năng lượng tái tạo 90 Bài tập Bài tập 5: Tính toán khối lượng CH3OH cung cấp cho pin nhiện liệu để tạo ra 1kWh điện ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC). Biết nước tạo ra ở thể lỏng. Giả sử hiệu suất của pin bằng 60% hiệu suất lý thuyết. Bài tập 6: Tính toán lượng điện năng tạo ra từ 1 kg CH3OH cung cấp cho pin nhiện liệu ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC). Biết nước tạo ra ở thể lỏng. Giả sử hiệu suất của pin bằng 50% hiệu suất lý thuyết. Năng lượng tái tạo 91 Bài tập Bài tập 7: Tính toán lượng điện năng tạo ra từ 1 lit khí CH4 cung cấp cho pin nhiện liệu ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC). Biết nước tạo ra ở thể lỏng. Giả sử hiệu suất của pin bằng 60% hiệu suất lý thuyết. Bài tập 8: Tính toán lượng điện năng tạo ra từ 1 kg H2 hóa lỏng cung cấp cho pin nhiện liệu ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC). Biết nước tạo ra ở thể lỏng. Giả sử hiệu suất của pin bằng 50% hiệu suất lý thuyết. Năng lượng tái tạo 92 Bài tập Bài tập 9: Tính toán lượng điện năng tạo ra từ 1 kg CH4 cung cấp cho pin nhiện liệu ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC). Biết nước tạo ra ở thể khí. Giả sử hiệu suất của pin là 40%. Bài tập 10: Tính toán lượng điện năng tạo ra từ 1 lit CH3OH (lỏng) cung cấp cho pin nhiện liệu ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC). Biết nước tạo ra ở thể lỏng. Giả sử hiệu suất của pin bằng là 50%. Biết khối lượng riêng của CH3OH là 792kg/m3. Năng lượng tái tạo 93 Bài tập Bài tập 11: Tế bào pin nhiên liệu dùng khí hydro, đang cung cấp cho tải 10W, điện áp 0,6V. Biết pin nhiên liệu có hiệu suất chuyển đổi khí hydro là 90%, có đặc tuyến: V = 0,85 – 0,25J = 0,85 – 0,25 I/A a) Tính lưu lượng khí hydro cung cấp cho pin? b) Tính diện tích màng lọc của pin? c) Tính hiệu suất của pin? Biết nước tạo ra ở thể lỏng, pin làm việc ở STP. Năng lượng tái tạo 94 Bài tập Bài tập 12: Bộ pin nhiện liệu loại 20 tế bào giống nhau, ghép nối tiếp dùng khí CH4? Biết bộ pin tiêu thụ 10lit CH4 /giờ ở điều kiện tiêu chuẩn (STP, 1atm, 25oC). Hiệu suất chuyển đổi khí là CH4 là 95%. Nước tạo ra ở thể lỏng. Giả sử hiệu suất của pin bằng ½ hiệu suất lý tưởng. a) Tính công suất cấp cho tải? b) Tính dòng điện cấp cho tải? c) Tính điện áp cấp cho tải? d) Tính toán diện tích màng lọc của mỗi tế bào? Giả sử mật độ dòng điện của tế bào ở điểm làm việc này là 1A/cm2. Năng lượng tái tạo 95 Bài tập Bài tập 13: 1 tế bào pin nhiên liệu hydro phản ứng oxy tạo thành nước ở thể lỏng (ở STP: 1 atm, 25 C). a) Tính hiệu suất lý thuyết cực đại? b) Biết hiệu suất thực bằng 50% hiệu suất lý thuyết, tính lượng điện năng (kWh) được tạo ra từ 1 kg hydro? Pin tiêu thụ 2 lít khí hydro /giờ: c) Tính dòng điện, công suất lý thuyết cực đại của pin? d) Giả sử hiệu suất thực bằng 60% hiệu suất lý thuyết, khí hydro được chuyển đổi giải phóng electron hoàn toàn, tính công suất và điện áp thực của pin? e) Giả sử mật độ dòng điện qua màng lọc của mỗi tế bào là 0,45 A/cm2. Tính diện tích màng lọc của pin? NLTT Trần Công Binh ĐH Bách Khoa TP.HCM 17 Năng lượng tái tạo 96 Bài tập Bài tập 14: 1 tế bào pin nhiên liệu methanol CH3OH tạo thành nước ở thể lỏng (ở STP: 1atm, 25C). a) Tính HHV (kJ/mol, kJ/kg CH3OH) và hiệu suất lý thuyết cực đại của pin? b) Tính điện năng (kWh) được tạo ra từ 1 kg methanol? Biết hiệu suất thực bằng 60% hiệu suất lý thuyết. Biết khối lượng riêng CH3OH là 792kg/m3. Phản ứng phát 6 electron. Methanol chuyển đổi giải phóng được 90% electron: c) Pin tiêu thụ 4 lít methanol lỏng/giờ. Tính dòng điện và công suất cực đại theo lý thuyết của pin? Tính điện áp hở mạch của tế bào pin? d) Nếu hiệu suất thực bằng 60% hiệu suất cực đại trên, tính dòng điện, công suất và điện áp của pin với 4 lit/giờ? Năng lượng tái tạo 97 Tài liệu tham khảo 1. Gilbert M. Masters, "Renewable and Efficient Electric -Power Systems" -JOHN WILEY & SONS, 2004. 2. Chris Rayment, Scott Sherwin, "Introduction to Fuel Cell Technology", Department of Aerospace and Mechanical Engineering, University of Notre Dame, 2003. 98 TB Trần Công Binh GV ĐH Bách Khoa TP.HCM Phone: 0908 468 100 Email: tcbinh@hcmut.edu.vn binhtc@yahoo.com Website: www4.hcmut.edu.vn/~tcbinh
File đính kèm:
bai_giang_nang_luong_tai_tao_chuong_5_pin_nhien_lieu_tran_co.pdf
