Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 5: Tích trữ năng lượng (Phần 2) - Nguyễn Quang Nam

408004 
Năng lượng tái tạo 
Giảng viên: TS. Nguyễn Quang Nam 
2013 – 2014, HK1 
nqnam@hcmut.edu.vn 
1 
Bài 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 
2 
Bài giảng 11 
Giới thiệu về pin nhiên liệu 
3 
Bài 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. 
4 
Bài giảng 11 
Giới thiệu về pin nhiên liệu 
5 
Bài giảng 11 
Ứng dụng của pin nhiên liệu 
6 
Bài giảng 11 
Ứng dụng của pin nhiên liệu 
7 
Bài giảng 11 
Ứng dụng của pin nhiên liệu 
Honda 
FCX 
Daiamler B-Class (2010) 
GM 
Equinox 
8 
Bài giảng 11 
Ứng dụng của pin nhiên liệu 
Pin nhiên liệu 
Nạp điện từ lưới điện cố định 
Xe điện 
9 
Bài 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 
10 
Bài 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%. 
11 
Bài 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. 
12 
Bài giảng 11 
Bộ điện phân 
13 
Bài giảng 11 
Pin nhiên liệu 
Màng mỏng cho phép ion dương đi qua, nhưng không cho phép điện tử hay khí trung hòa. 
14 
Bài giảng 11 
Hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu 
15 
Bài giảng 11 
Hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu 
16 
Bài 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. 
17 
Bài giảng 11 
Hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu 
18 
Bài 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 
19 
Bài 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. 
20 
Bài 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. 
21 
Bài 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. 
22 
Bài giảng 11 
Nhiệt động học PNL: Enthalpy 
23 
Bài giảng 11 
Ví dụ 4.8 
Tìm nhiệt trị cao (HHV) của mêtan CH 4 trong đơn vị kJ/mol và kJ/kg khi nó bị ôxy hóa thành CO 2 và H 2 O (lỏng). 
CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(l) 
 ( – 74,9) 2 (0) ( – 393,5) 2 ( – 285,8) 
24 
Bài 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 D S từ bộ trữ được định nghĩa là 
25 
Bài 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 W e 
Nhiệt sinh ra Q 
26 
Bài 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 W e 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. 
27 
Bài 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): 
H 2 + ½ O 2 H 2 O(l) D H = – 285,8 kJ/mol H 2 
Tìm nhiệt lượng tối thiểu sinh ra đối với mỗi mol H 2 
Hiệu suất cực đại của pin nhiên liệu là bao nhiêu? 
Sự sụt giảm entropy của các chất phản ứng 
 S reactants = 0,13 1 + 0,205 0,5 = 0,2325 kJ/K 
Sự gia tăng entropy trong sản phẩm nước lỏng 
 S products = 0,0699 kJ/mol-K 1 mol = 0,0699 kJ/K 
28 
Bài giảng 11 
Ví dụ 4.9 
Nhiệt lượng tối thiểu sinh ra trong quá trình là 
Q min = T(  S reactants –  S products ) = 298(0,2325 – 0,0699) 
 = 48,45 kJ/mol H 2 
Enthalpy thừa ra trong quá trình tạo thành nước lỏng từ H 2 và O 2 là H = 285,8 kJ/mol H 2 . Hiệu suất cực đại xảy ra khi Q là tối thiểu 
29 
Bài 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 D 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 D 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. 
30 
Bài 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? 
H 2 + ½ O 2 H 2 O(l) D H = – 285,8 kJ/mol H 2 
Từ bảng 4.6 năng lượng tự do Gibbs của H 2 và O 2 đều là 0, và giá trị đó của sản phẩm, nước lỏng, là −237,2 kJ. 
D G = − 237,2 − (0 + 0) = − 237,2 kJ/mol 
Vậy, 
31 
Bài 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 D 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 × 10 23 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 
V R = điện áp lý tưởng giữa hai điện cực (volts) 
P = công suất điện sinh ra (W) 
32 
Bài giảng 11 
Ngõ ra của một pin nhiên liệu lý tưởng 
Dòng điện qua tải sẽ là 
I (A) = 192.945 n 
Với pin nhiên liệu tạo ra nước lỏng, D G = 237,2 kJ/mol (H 2 ), công suất lý tưởng (W) cung cấp cho tải sẽ là 
P (W) = 237.200 n 
Và điện áp sinh ra giữa các cực của pin nhiên liệu lý tưởng sẽ là 
V R = 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 H 2 /kWh 
33 
Bài 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. 
34 
Bài giảng 11 
Đặc tính điện của pin nhiên liệu thực 
35 
Bài 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 - V cell ) = 20,83 cm 2 
36 
Bài giảng 11 
Các loại pin nhiên liệu 
Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) 
Direct Methanol Fuel Cells (DMFC) 
Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC) 
Alkaline Fuel Cells (AFC) 
Molten-Carbonate Fuel Cells (MCFC) 
Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) 
37 
Bài giảng 11 
Các loại pin nhiên liệu 
38 
Bài giảng 11 
Các loại pin nhiên liệu 
Đồng phát điện nhiệt có thể nâng hiệu suất lên đến 70% 
39 
Bài giảng 11 
Các loại pin nhiên liệu 
40 
Bài giảng 11 
Các loại pin nhiên liệu 
41 
Bài giảng 11 
Thí nghiệm tại GPL 
42 
Bài giảng 11