Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 5: Pin nhiên liệu - Trần Công Binh - Năm học 2013-2014

yên 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
6. Phân tích pin nhiên liệu
NLTT Trần Công Binh
ĐH Bách Khoa TP.HCM 28
Năng lượng tái tạo 54
Nguyên lý hoạt động
Năng lượng tái tạo 55
Enthalpy
NLTT Trần Công Binh
ĐH Bách Khoa TP.HCM 29
Năng lượng tái tạo 56
Enthalpy
Enthalpy H của một hợp chất là lượng năng lượng cần để kết 
hợp các nguyên tố thành hợp chất.
Với U là nội năng của hợp 
chất, áp suất P, và thể tích V
Enthalpy: H = U + PV
Điều kiện nhiệt độ và công suất tiêu chuẩn là 1atm, 25oC
(Standard Temperature and Pressure - STP)
Năng lượng tái tạo 57
Enthalpy
NLTT Trần Công Binh
ĐH Bách Khoa TP.HCM 30
Năng lượng tái tạo 58
Enthalpy
Năng lượng tái tạo 59
Enthalpy
∆H = H (chất tạo thành) – H (chất phản ứng)
∆H < 0, phản ứng tỏa nhiệt
High heating value: HHV = |∆H|
CH4 (khí) + 2 O2 (khí) → CO2 (khí) + 2 H2O (lỏng)
(-74,9) 2x(0) → (-393,5) 2x(-285,8)
∆H = (-393,5) + 2x(-285,8) - (-74,9) - 2x(0)
= -890,2 kJ/mol (khí CH4)
Nhiệt tỏa ra nhiều nhất là HHV = 890,2 kJ/mol
NLTT Trần Công Binh
ĐH Bách Khoa TP.HCM 31
Năng lượng tái tạo 60
Entropy và hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu
Enthalpy: lượng năng lượng cung cấp cho phản ứng. 
Entropy: thường gia tăng khi có phản ứng.
Entropy:
Năng lượng tái tạo 61
Entropy và hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu
∆S = S (chất phản ứng) – S (chất tạo thành)
Q ≥ T.∆S Qmin = T.∆S
Q > 0: phản ứng tỏa nhiệt!!!
CH4(khí) + 2 O2(khí) → CO2(khí) + 2 H2O(lỏng) + Q
(0,186) 2x(0,205) → (0,213) 2x(0,0699) (>T.∆S)
∆S = (0,186) + 2x(0,205) - (0,213) - 2x(0,0699)
= 0,2432 kJ/K/mol (khí CH4)
Qmin=T.∆S=(273,15+25)*0,2432 =72,51 kJ/mol khí CH4
ηmax = 1- Qmin/ ∆H = 1 - 72,51 / 890,2 =91,85%
NLTT Trần Công Binh
ĐH Bách Khoa TP.HCM 32
Năng lượng tái tạo 62
Hoạt động của Pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu tổng hợp Hydro và Oxy thành nước,
trong quá trình đó sinh ra dòng điện cung cấp cho các thiết bị điện hoạt động
2H2 + O2 = 2H2O
−
+
+
→ 2e2HH 2 O22H2O4e4H →+
−
+
+
Entropy và hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu
Năng lượng tái tạo 63
Entropy và hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu
ηmax = 1- Qmin/ ∆H = 1 - 72,51 / 890,2 =91,85%
NLTT Trần Công Binh
ĐH Bách Khoa TP.HCM 33
Năng lượng tái tạo 64
Gibbs Free Energy và Hiệu suất của pin nhiên liệu
Free energry:
Hiệu suất:
Năng lượng tái tạo 65
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)
ηmax = ∆G/ ∆H = (-818) / (-890,2) = 91,89%
NLTT Trần Công Binh
ĐH Bách Khoa TP.HCM 34
Năng lượng tái tạo 66
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 = 22,4l/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)
Năng lượng điện sinh ra: We = |∆G|
Năng lượng tái tạo 67
Pin nhiên liệu lý tưởng
Ví dụ : Tính khối lượng CH4 cần cung cấp cho 
pin nhiên liệu lý tưởng để tạo ra 1kWh điện? 
Biết pin hoạt động ở điều kiện tiêu chuẩn, và 
nước tạo ra ở thể lỏng.
NLTT Trần Công Binh
ĐH Bách Khoa TP.HCM 35
Năng lượng tái tạo 68
Pin nhiên liệu lý tưởng
Điện áp lý thuyết của 1 tế bào 
pin nhiên liệu (EMFmax):
Năng lượng tái tạo 69
Pin nhiên liệu lý tưởng
H2 (khí) + 1/2 O2 (khí) → H2O (lỏng)
NLTT Trần Công Binh
ĐH Bách Khoa TP.HCM 36
Năng lượng tái tạo 70
Đặc tuyến của pin nhiên liệu thực tế
Năng lượng tái tạo 71
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
NLTT Trần Công Binh
ĐH Bách Khoa TP.HCM 37
Năng lượng tái tạo 72
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 73
Các loại pin nhiên liệu
Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)
Direct Methanol Fuel Cells (DMFC)
Eff ≈ 45%
NLTT Trần Công Binh
ĐH Bách Khoa TP.HCM 38
Năng lượng tái tạo 74
Các loại pin nhiên liệu
Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC)
Alkaline Fuel Cells (AFC)
Năng lượng tái tạo 75
Các loại pin nhiên liệu
Molten-Carbonate Fuel Cells (MCFC)
Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)
NLTT Trần Công Binh
ĐH Bách Khoa TP.HCM 39
Năng lượng tái tạo 76
Các loại pin nhiên liệu
Năng lượng tái tạo 77
Các loại pin nhiên liệu
NLTT Trần Công Binh
ĐH Bách Khoa TP.HCM 40
Năng lượng tái tạo 78
Các loại pin nhiên liệu
Năng lượng tái tạo 79
Sản xuất hydrogen
1. Methane Steam Reforming (MSR)
2. Partial Oxidation (POX)
3. Gasification of Biomass, Coal, or Wastes
4. Electrolysis of Water
NLTT Trần Công Binh
ĐH Bách Khoa TP.HCM 41
Năng lượng tái tạo 80
Sản xuất hydrogen
Methane Steam Reforming (MSR)
Partial Oxidation (POX)
Gasification of Biomass, Coal, or Wastes
Electrolysis of Water
Năng lượng tái tạo 81
Sản xuất hydrogen
NLTT Trần Công Binh
ĐH Bách Khoa TP.HCM 42
Năng lượng tái tạo 82
Sản xuất hydrogen
Năng lượng tái tạo 83
Bài tập
NLTT Trần Công Binh
ĐH Bách Khoa TP.HCM 43
Năng lượng tái tạo 84
Bài tập
Năng lượng tái tạo 85
Bài tập
Bài tập 1: Tính toán nhiệt lượng 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) Tính dòng điện của pin? Biết pin nhiên liệu
chỉ gồm 1 tế bào.
NLTT Trần Công Binh
ĐH Bách Khoa TP.HCM 44
Năng lượng tái tạo 86
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, 25oC).
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.
Năng lượng tái tạo 87
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.
NLTT Trần Công Binh
ĐH Bách Khoa TP.HCM 45
Năng lượng tái tạo 88
Bài tập
Bài tập 7: Tính toán lượng điện năng tạo ra từ 1 lit
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 89
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 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 là
50%.
NLTT Trần Công Binh
ĐH Bách Khoa TP.HCM 46
Năng lượng tái tạo 90
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 80%,
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 91
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 85%.
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.
NLTT Trần Công Binh
ĐH Bách Khoa TP.HCM 47
Năng lượng tái tạo 92
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.
93
TB
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