Bài giảng NĂNG LƯỢNG TÁI TẠOtcbinh/File_2014/NLTT/C5_NLTT_Va.3... · 2014-03-25 · Entropy và hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu Enthalpy: lượng năng

NLTT Trần Công Binh

ĐH Bách Khoa TP.HCM 1

0

Bài giảng:

NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

ĐH BÁCH KHOA TP.HCM

Giảng viên: ThS. Trần Công Binh

11/2013 Năng lượng tái tạo 1

C5: PIN NHIÊN LIỆU

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

Năng lượng tái tạo 2

1. Giới thiệu pin nhiên liệu




– Mô hình tích trữ năng lượng dùng Pin nhiên liệu

Bộ điện

phân

Bộ tích

trữ khí

Pin nhiên

liệuNguồn điện Tải



– Mô hình tích trữ năng lượng dùng Pin nhiên liệu





2. Bộ điện phân – Electrolyser




– Bộ điện phân – Electrolyser

Membrane

- +

Électrolyte solide

Cathode Anode

H2O



H

H

O

e-

e-



H

H

O

e-

e-



H

H

O

2

-





H H

O

2

-



Membrane

- +

E

H2O

H2

H2O + 2e- O2- + H2

H H

O

2

-

H

H

O

Électrolyte solide

Cathode Anode



Membrane

- +

O 2 -

Électrolyte solide

Cathode Anode

O 2 -

O 2 -

O 2 -

O 2 -

O 2 -

O 2 -

O 2 -

O 2 -

O 2 -

O 2 -

O 2 -

O 2 -

O 2 -

O 2 -

O 2 -

O 2 -

O 2 -



O

2

-

O

2

-



O

e-

e-

O

e-

e-



O

O

e-

e-

e-

e-





O

O



O

O



2 O2- O2 + 4e-

- +

E O2

Cathode Anode

O

2

-

O

2

-

O O

Électrolyte solide



O2- ½ O2 + 2e-

Membrane

- +

E

O2-

½ O2

H2O

H2

Cathode Anode

H2O + 2e- O2- + H2

Électrolyte solide









Mô hình tích trữ năng lượng dùng Pin nhiên liệu

Bộ điện

phân

Bộ tích

trữ khí

Pin nhiên

liệuNguồn điện Tải



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

2e2HH2O22H2O4e4H





















Pin nhiên liệu – PEMFC

Er = 1.23 V







Electric Energy

(Solar, …)

Flux vector

Hydrogen

for energy

Stock vector

Electrolyser

I (A)

V (volt)

2 1 0,5 1,5

I (A)

Fuel cell



Bộ điện phân – Electrolyser



Pin nhiên liệu – Fuel cell





– H2 /O2

H2 /không khí







Thí nghiệm Pin nhiện liệu



Thí nghiệm Pin nhiện liệu tại GPL









Sinh viên làm LVTN dùng Bộ điện phân



Mô hình mạch nạp cho bộ điện phân.







Surveillance RoboticsSurveillance Robotics



Honda

FCX

Daiamler B-Class (2010)

GM

Equinox



Pin nhiên liệu

Sạc điện từ lưới

điện cố định

Xe điện



Pin nhiên liệu

Sạc điện từ pin mặt trời

ngay lúc đang chạy Xe điện lai

Bộ quản lý

năng lượng



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

6. Phân tích pin nhiên liệu




Nguyên lý hoạt động


Enthalpy


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)


Enthalpy


Enthalpy


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




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:



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

max = 1- Qmin/ H = 1 - 72,51 / 890,2 =91,85%


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

2e2HH2O22H2O4e4H




max = 1- Qmin/ H = 1 - 72,51 / 890,2 =91,85%


Gibbs Free Energy và Hiệu suất của pin nhiên liệu

Free energry:

Hiệu suất:


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%




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|



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.



Điện áp lý thuyết của 1 tế bào

pin nhiên liệu (EMFmax):



H2 (khí) + 1/2 O2 (khí) H2O (lỏng)


Đặc tuyến của pin nhiên liệu thực tế


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




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


Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)

Direct Methanol Fuel Cells (DMFC)

Eff ≈ 45%



Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC)

Alkaline Fuel Cells (AFC)



Molten-Carbonate Fuel Cells (MCFC)

Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)










Sản xuất hydrogen

1. Methane Steam Reforming (MSR)

2. Partial Oxidation (POX)

3. Gasification of Biomass, Coal, or Wastes

4. Electrolysis of Water



Methane Steam Reforming (MSR)

Partial Oxidation (POX)

Gasification of Biomass, Coal, or Wastes

Electrolysis of Water






Bài tập




Bài tập


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.


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.


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.


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.


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%.




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.


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.


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

TB

Trần Công Binh

GV ĐH Bách Khoa TP.HCM

Phone: 0908 468 100

Email: [email protected]

[email protected]

Website: www4.hcmut.edu.vn/~tcbinh

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

Documents

Bài giảng NĂNG LƯỢNG TÁI TẠOtcbinh/File_2014/NLTT/C5_NLTT_Va.3... · 2014-03-25 · Entropy và hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu Enthalpy: lượng năng