Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương V: Tích trữ năng lượng (Phần 2) - Nguyễn Quang Nam

1Bài giảng 11
408004
Năng lượng tái tạo
Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK1
nqnam@hcmut.edu.vn
2Bài giảng 11
Ch. 5: Tích trữ năng lượng
5.8. Giới thiệu về pin nhiên liệu
5.9. Bộ điện phân
5.10. Nhiệt động học của pin nhiên liệu
5.11. Hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu
5.12. Đặc tính của pin nhiên liệu (lý tưởng và thực)
5.13. Các loại pin nhiên liệu
3Bài giảng 11
Giới thiệu về pin nhiên liệu
4Bài giảng 11
Giới thiệu về pin nhiên liệu

 Quá trình tạo ra và lưu trữ điện năng từ các nguồn năng 
lượng tái tạo, dùng pin nhiên liệu.
5Bài giảng 11
Giới thiệu về pin nhiên liệu
6Bài giảng 11
Ứng dụng của pin nhiên liệu
7Bài giảng 11
Ứng dụng của pin nhiên liệu
8Bài giảng 11
Ứng dụng của pin nhiên liệu
Honda
FCX
Daiamler B-Class 
(2010)
GM
Equinox
9Bài giảng 11
Ứng dụng của pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu
Nạp điện từ lưới 
điện cố định
Xe điện
10Bài giảng 11
Ứng dụng của pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu
Nạp điện từ pin mặt trời 
ngay lúc đang chạy
Xe điện lai
Bộ quản lý 
năng lượng
11Bài giảng 11
Bộ điện phân

 Dòng điện chạy cưỡng bức qua một chất điện ly có thể 
được dùng để tách các phân tử nước thành khí hyđrô và
ôxy. Hiệu suất tổng có thể đến 85%.
12Bài giảng 11
Bộ điện phân

 Nước đã khử ion phân ly thành proton, điện tử, và ôxy. 
Proton xuyên qua màng, và tái hợp với điện tử để tạo 
thành khí hyđrô.
13Bài giảng 11
Bộ điện phân
14Bài giảng 11
Pin nhiên liệu

 Màng mỏng cho phép ion dương đi qua, nhưng không cho 
phép điện tử hay khí trung hòa.
15Bài giảng 11
Hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu
16Bài giảng 11
Hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu
17Bài giảng 11
Hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu

 Để tạo điện áp đủ lớn, có thể mắc nối tiếp các pin nhiên 
liệu, và các đĩa tạo dòng chảy trong bộ pin nhiên liệu được 
thiết kế để dẫn cả ôxy lẫn hyđrô.
18Bài giảng 11
Hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu
19Bài giảng 11
Nhiệt động học PNL: Enthalpy

 Phản ứng toàn thể trong một pin nhiên liệu là phản ứng tỏa 
nhiệt. Hai câu hỏi quan trọng: Có bao nhiêu năng lượng 
được giải phóng và có bao nhiêu trong số đó có thể được 
chuyển thành điện năng.

 Ba đại lượng từ nhiệt động học: enthalpy, năng lượng tự
do, và entropy.

 Định nghĩa enthalpy: Enthalpy là tổng nội năng U và tích số
của thể tích V và áp suất P.
Enthalpy H = U + PV
20Bài giảng 11
Nhiệt động học PNL: Enthalpy

 Khi xét đến pin nhiên liệu, ta quan tâm đến sự thay đổi hóa 
năng, và những thay đổi này được diễn tả tốt nhất bằng sự 
thay đổi enthalpy.

 Khi xét enthalpy, ta giả thiết nhiệt độ là 25 °C và áp suất là
1 atm (nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, STP).

 Một cách hiểu về enthalpy là nó là năng lượng cần thiết để
tạo thành chất đó từ các chất thành phần của nó.
21Bài giảng 11
Nhiệt động học PNL: Enthalpy

 Trong các phản ứng hóa học, sự khác biệt enthalpy của 
sản phẩm và enthalpy của các chất phản ứng cho chúng ta 
biết có bao nhiêu năng lượng được giải phóng hay hấp thụ
trong phản ứng.

 Khi có ít enthalpy trong sản phẩm sau cùng hơn so với 
trong các chất phản ứng, nhiệt được giải phóng – nghĩa là, 
phản ứng tỏa nhiệt.

 Ngược lại, nhiệt được hấp thụ và phản ứng được gọi là thu 
nhiệt.
22Bài giảng 11
Nhiệt động học PNL: Enthalpy

 Khi sản phẩm là nước lỏng:

 Khi sản phẩm là hơi nước:

 Dấu trừ của độ thay đổi enthalpy trong các phản ứng trên 
cho ta biết chúng là các phản ứng tỏa nhiệt; nghĩa là nhiệt 
được sinh ra.

 Sự khác biệt giữa enthalpy của nước lỏng và hơi nước là
44,0 kJ/mol.
( )lOHOH 22212 →+ kJ 8,285−=∆H
( )gOHOH 22212 →+ kJ 8,241−=∆H
23Bài giảng 11
Nhiệt động học PNL: Enthalpy
24Bài giảng 11
Ví dụ 4.8

 Tìm nhiệt trị cao (HHV) của mêtan CH4 trong đơn vị kJ/mol 
và kJ/kg khi nó bị ôxy hóa thành CO2 và H2O (lỏng).
CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l)
(–74,9) 2 × (0) (–393,5) 2 × (–285,8)
( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]
4CH kJ/mol 2,890
029,748,28525,393
−=
×+−−−×+−=∆H
kJ/kg 490.55g/kg 1000
g/mol 043,16
kJ/mol 2,890
=×=HHV
25Bài giảng 11
Hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu

 Trong hệ thống phân cấp các dạng năng lượng, một số dạng “tốt 
hơn” các dạng khác. Điện năng và cơ năng (sinh công) có chất 
lượng cao nhất. Nhiệt năng có chất lượng thấp hơn nhiều, trong 
đó nhiệt năng ở nhiệt độ thấp có giá trị thấp hơn nhiệt năng ở
nhiệt độ cao.

 Hóa năng tốt hơn nhiệt năng, nhưng kém hơn điện năng và cơ 
năng.

 Khi có một nhiệt lượng Q (kJ) được lấy khỏi một bộ trữ nhiệt với 
nhiệt độ T (°K) không đổi, sự hao hụt entropy ∆S từ bộ trữ được 
định nghĩa là
T
QS =∆
26Bài giảng 11
Hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu

 Xét một sơ đồ pin nhiên liệu, thỏa mãn định luật thứ hai nhiệt 
động học (có một sự gia tăng entropy, xét tổng thể).

 Xét độ thay đổi entropy

 Nếu quá trình là đẳng nhiệt

 Định luật nhiệt động học thứ hai 
dẫn đến
PNL
Enthalpy vào H
Enthalpy
ra We
Nhiệt sinh ra Q
QOHOH +→+ 22212
T
QS =∆
( )∑∑ −≥ productsreactants SSTQ
27Bài giảng 11
Hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu

 Phải có một lượng nhiệt tối thiểu trong pin nhiên liệu. 
Chúng ta có thể dễ dàng xác định hiệu suất cực đại của 
pin nhiên liệu.

 Từ sơ đồ

 Điện năng ra We là phần mong muốn, hiệu suất của pin 
nhiên liệu có thể được định nghĩa là

 Hiệu suất cực đại ứng với Q tối thiểu.
QWH e +=
H
Q
H
QH
H
We
−=
−
== 1η
28Bài giảng 11
Ví dụ 4.9

 Giả sử một pin nhiên liệu hoạt động ở 25 °C (298 K) và 1 
atm tạo ra nước lỏng (nghĩa là, chúng ta sử dụng nhiệt trị
cao HHV của nhiên liệu hydrô):
H2 + ½O2 → H2O(l) ∆H = –285,8 kJ/mol H2
a) Tìm nhiệt lượng tối thiểu sinh ra đối với mỗi mol H2
b) Hiệu suất cực đại của pin nhiên liệu là bao nhiêu?

 Sự sụt giảm entropy của các chất phản ứng
Σ Sreactants = 0,13 × 1 + 0,205 × 0,5 = 0,2325 kJ/K

 Sự gia tăng entropy trong sản phẩm nước lỏng
Σ Sproducts = 0,0699 kJ/mol-K × 1 mol = 0,0699 kJ/K
29Bài giảng 11
Ví dụ 4.9

 Nhiệt lượng tối thiểu sinh ra trong quá trình là
Qmin = T(Σ Sreactants – Σ Sproducts) = 298(0,2325 – 0,0699)
= 48,45 kJ/mol H2

 Enthalpy thừa ra trong quá trình tạo thành nước lỏng từ H2
và O2 là H = 285,8 kJ/mol H2. Hiệu suất cực đại xảy ra khi 
Q là tối thiểu
%8383,0
8,285
45,4811 minmax ==−=−= H
Qη
30Bài giảng 11
Năng lượng tự do Gibbs và hiệu suất PNL

 Hóa năng được giải phóng trong một phản ứng có thể 
được coi như gồm hai phần: một phần không liên quan đến 
entropy, được gọi là năng lượng tự do ∆G, có thể được 
chuyển hóa trực tiếp thành điện năng hay công cơ học, 
cộng với một phần phải tồn tại ở dạng nhiệt.

 Năng lượng tự do Gibbs ∆G tương ứng với điện năng 
(hoặc cơ năng) ngõ ra cực đại, không liên quan đến 
entropy, có thể có từ một phản ứng hóa học.
∑∑ −=∆ reactantsproducts GGG H
G
∆
∆
=maxη
31Bài giảng 11
Ví dụ 4.10

 Hiệu suất cực đại tại STP của một pin nhiên liệu PEM dựa 
vào nhiệt trị cao (HHV) của hyđrô là bao nhiêu?
H2 + ½O2 → H2O(l) ∆H = –285,8 kJ/mol H2

 Từ bảng 4.6 năng lượng tự do Gibbs của H2 và O2 đều là 0, 
và giá trị đó của sản phẩm, nước lỏng, là −237,2 kJ.
∆G = −237,2 − (0 + 0) = −237,2 kJ/mol

 Vậy,
%8383,0
kJ/mol 8,285
kJ/mol 2,237
max ==
−
−
=
∆
∆
=
H
Gη
32Bài giảng 11
Ngõ ra của một pin nhiên liệu lý tưởng

 Với một pin nhiên liệu hyđrô lý tưởng, điện năng ngõ ra cực 
đại do đó bằng với độ lớn của ∆G. Bên dưới là các đại 
lượng điện và một số hằng số:
q = điện tích của điện tử = 1,602 × 10−19 coulombs
N = số Avogadro = 6,022 × 1023 phân tử/mol
v = thể tích của 1 mol khí lý tưởng tại STP = 22,4 lít/mol
n = tốc độ hyđrô đi vào pin nhiên liệu (mol/s)
I = dòng điện (A), với 1 A = 1 coulomb/s
VR = điện áp lý tưởng giữa hai điện cực (volts)
P = công suất điện sinh ra (W)
33Bài giảng 11
Ngõ ra của một pin nhiên liệu lý tưởng

 Dòng điện qua tải sẽ là
I (A) = 192.945n

 Với pin nhiên liệu tạo ra nước lỏng, ∆G = 237,2 kJ/mol (H2), 
công suất lý tưởng (W) cung cấp cho tải sẽ là
P (W) = 237.200n

 Và điện áp sinh ra giữa các cực của pin nhiên liệu lý tưởng 
sẽ là
VR = P (W)/I (A) = 1,229 V

 Suất tiêu thụ hyđrô của pin nhiên liệu lý tưởng này
Suất tiêu thụ hyđrô = Khối lượng/Năng lượng = 30,35 g H2/kWh
34Bài giảng 11
Đặc tính điện của pin nhiên liệu thực

 PNL thực không cung cấp toàn bộ năng lượng tự do Gibbs, 
vì có các tổn hao.

 Các tổn hao chính bao gồm tổn hao kích hoạt (cho chất xúc 
tác), tổn hao ohm (do điện trở nội), tổn hao fuel crossover 
(nhiên liệu đi ngang mà không giải phóng điện tử), và tổn 
hao truyền khối (khí hyđrô và ôxy gặp khó khăn trong việc 
đến được điện cực).

 Vì những lý do này và các lý do khác, các pin nhiên liệu 
thực, nói chung, chỉ tạo ra khoảng 60 – 70% giá trị cực đại 
lý thuyết.
35Bài giảng 11
Đặc tính điện của pin nhiên liệu thực
I
A
JV 25,085,025,085,0 −=−=
36Bài giảng 11
Ví dụ 4.11

 Một PNL 1-kW hoạt động liên tục để cung cấp toàn bộ nhu 
cầu điện cho một ngôi nhà điển hình ở Mỹ. Nếu một bộ 
PNL như vậy tạo ra 48 V dc bằng các pin với điện áp mỗi 
pin bằng 0,6 V, cần bao nhiêu pin nhiên liệu và diện tích 
màng trao đổi proton của mỗi pin là bao nhiêu?

 48/0,6 = 80 pin nhiên liệu mắc nối tiếp để tạo ra 48 VDC. 
Dòng điện cần phải chạy trong mỗi pin nhiên liệu là
I = P / V = 1000 / 48 = 20,83 A

 Dùng đường cong xấp xỉ, diện tích cần có là
A = 0,25 × I / (0,85 - Vcell) = 20,83 cm2
37Bài giảng 11
Các loại pin nhiên liệu
1. Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)
2. Direct Methanol Fuel Cells (DMFC)
3. Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC)
4. Alkaline Fuel Cells (AFC)
5. Molten-Carbonate Fuel Cells (MCFC)
6. Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)
38Bài giảng 11
Các loại pin nhiên liệu
39Bài giảng 11
Các loại pin nhiên liệu

 Đồng phát điện nhiệt có thể nâng hiệu suất lên đến 70%
40Bài giảng 11
Các loại pin nhiên liệu
41Bài giảng 11
Các loại pin nhiên liệu
42Bài giảng 11
Thí nghiệm tại GPL