15.7. các loại pin nhiên

. các loại pin nhiên liệu: Pin nhiên liệu cũng có một số kiểu khác nhau, chủ yếu ở chất điện phân mà chúng sử dụng. Trong khi có chất chỉ cho phép proton (H+) đi qua thì có chất khác chỉ cho các phân tử phức tạp đi xuyên qua màng. Các chất điện phân chúng sử dụng cũng được lấy làm tên gọi để phân biệt các dạng pin nhiên liệu khác nhau, ví dụ như: AFC – pin nhiên liệu kiềm, PEMFC –pin nhiên liệu màng trao đổi proton), PAFC – pin nhiên liệu axit phosphoric, MCFC...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
15.7. các loại pin nhiên Hydrogen & Pin nhiên liệu(Các loại pin nhiên liệu-P1)15.7. các loại pin nhiên liệu:Pin nhiên liệu cũng có một số kiểu khác nhau,chủ yếu ở chất điện phân mà chúng sử dụng.Trong khi có chất chỉ cho phép proton (H+) điqua thì có chất khác chỉ cho các phân tử phứctạp đi xuyên qua màng. Các chất điện phânchúng sử dụng cũng được lấy làm tên gọi đểphân biệt các dạng pin nhiên liệu khác nhau, vídụ như: AFC – pin nhiên liệu kiềm, PEMFC –pin nhiên liệu màng trao đổi proton), PAFC – pinnhiên liệu axit phosphoric, MCFC – pin nhiênliệu muối carbonate nóng chảy, SOFC – pinnhiên liệu oxit rắn… Mỗi dạng pin nhiên liệu cóchế độ vận hành và những ứng dụng khác nhausẽ được lần lượt giới thiệu dưới đây.a) AFC (Alkaline Fuel Cell) – pin nhiên liệu alkali(kiềm).Pin nhiên liệu alkali (kiềm) vận hành với khíhydrogen nén và oxy, dùng dung dịch kiềm KOHlàm chất điện phân. Hiệu suất pin khoảng 70%,và hoạt động ở từ 150 đến 200 độ C. Công suấtđầu ra khoảng từ 300W đến 5kW. Do nhỏ, nhẹ,hiệu suất cao nên phần lớn loại pin nhiên liệualkali này thường được dùng trong các phươngtiện xe cộ, giao thông.Phản ứng trên anode: 2 H2 + 4 OH- => 4 H2O +4e- (15.10)Phản ứng trên cathode: O2 + 2 H2O + 4e- => 4OH- (15.11)________________________________________________________Tổng quát: 2 H2 + O2 => 2 H2O + năng lượng(điện) (15.12)Pin nhiên liệu alkali đã từng được NASA chọnsử dụng trong các chương trình không gian nhưđội tàu Con Thoi và các phi thuyền Apollo, chủyếu bởi vì năng lượng sinh ra đạt hiệu suất đến70%. Điều thú vị là, không chỉ cung cấp nănglượng dưới dạng điện năng, pin nhiên liệu alkalicòn cung cấp nước uống cho các phi hành gia.Nó đòi hỏi nhiên liệu hydrogen tinh khiết và chấtxúc tác điện cực bằng Platin (bạch kim). Vì thếmà pin nhiên liệu alkali vẫn còn khá đắt đỏ đểthương mại hóa cho các sản phẩm thôngthường. Tuy nhiên, một số công ty đang tìmcách giảm giá thành và tăng tính đa dụng củaloại pin nhiên liệu này.Tháng 7/1998, công ty “xe cộ không phát thải”ZEVCO (the Zero Emission Vehicle Company)đã tung ra chiếc taxi mẫu đầu tiên tại Londonnước Anh . Chiếc taxi sử dụng một bộ pin nhiênliệu alkali 5kW, chất xúc tác cobalt được thaycho bạch kim (platin) để giảm chi phí, xe chạykhông sinh ra khí độc và vận hành rất êm, gầnnhư không gây tiếng động như những taxi chạybằng động cơ đốt trong thông thường.b) MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) – pinnhiên liệu muối carbonate nóng chảy.MCFC dùng các muối carnonate của Na và Mgở nhiệt độ cao làm chất điện phân. Hiệu suất pinđạt từ 60 đến 80%, vận hành ở nhiệt độ khoảng6500C. Các đơn vị có công suất đầu ra 2 MWđược kết hợp với nhau và có thể thiết kế chocông suất đến 100 MW. MCFC dùng chất xúctác điện cực nikel nên không đắt lắm so với xúctác điện cực bạch kim của AFC. Tuy nhiên, nhiệtđộ cao cũng có mặt hạn chế về vật liệu và antoàn. Bên cạnh đó, ion carbonate từ chất điệnphân sẽ bị sử dụng hết trong phản ứng, đòi hỏiphải tiếp thêm khí carbonic bù vào.Phản ứng trên anode: CO32- + H2 => H2O +CO2 + 2e- (15.13)Phản ứng trên cathode: CO2+ ½ O2 + 2e- =>CO32- (15.14)____________________________________________________________________Tổng quát: H2(k) + ½ O2(k) + CO2 (cathode) =>H2O(k) + CO2 (anode)+ điện năng (15.15)Pin nhiên liệu MC vận hành ở nhiệt độ khá cao,vì thế đa số các ứng dụng của nó là các nhàmáy, trạm phát điện lớn (ứng dụng tĩnh). Nhiệtđộ cao của quá trình vận hành có thể được tậndụng tạo nên thêm một nguồn năng lượng bổsung từ nhiệt thừa để sưởi ấm, dùng cho cácquá trình công nghiệp hay động cơ hơi nướcsinh ra thêm điện năng. Nhiều nhà máy nhiệtđiện chạy bằng gas đã áp dụng hệ thống này,gọi là cogeneration (phát điện kết hợp). NhậtBản, Hoa Kỳ đã ứng dụng công nghệ này, xâydựng các nhà máy điện pin nhiên liệu MC từthập kỉ 90 của thế kỉ trước.c) PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) – pin nhiênliệu axit phosphoric.PAFC dùng axit phosphoric làm chất điện phân,cơ chế phản ứng như sơ đồ (15.7)-(15.9). Hiệusuất pin có thể đạt từ 40 đến 80%, và nhiệt độvận hành nằm trong khoảng 150 đến 200 độ C.Các pin nhiên liệu PAFC hiện tại có công suấtđến 200 kW, và thậm chí 11 MW đã được thửnghiệm. PAFC có thể chịu được nồng độ COkhoảng 1,5%, do đó mở rộng khoảng chọn lựaloại nhiên liệu mà chúng có thể sử dụng. PAFCđòi hỏi điện cực bạch kim, và các bộ phận bêntrong phải chống chịu được ăn mòn axit.PAFC được phát triển, kiểm tra thực nghiệm từgiữa thập kỉ 60 và 70 của thế kỉ trước, là dạngpin nhiên liệu đầu tiên được thương mại hóatrên thị trường nên đến ngày nay PAFC đã cóđược nhiều cải tiến đáng kể nhằm giảm chi phívà tăng tính ổn định, chất lượng hoạt động. Hệthống PAFC thường được cài đặt cho các tòanhà, khách sạn, bệnh viện, các thiết bị điện (cácứng dụng tĩnh tương đối lớn) và công nghệ nàyđã được phổ biến ở Nhật Bản, châu Âu và HoaKỳ.d) PEMFC (Proton Exchange Membrane FuelCell) – pin nhiên liệu màng trao đổi proton.PEMFC, (còn gọi là “Polymer ElectrolyteMembrane Fuel Cell” – pin nhiên liệu màng điệnphân polymer) có cơ chế phản ứng như sơ đồ(15.7)-(15.9). Pin nhiên liệu PEM hoạt động vớimột màng điện phân bằng plastic mỏng. Hiệusuất pin từ 40 đến 50%, và vận hành ở nhiệt độthấp, chỉ chừng 800C. Công suất dòng ra khálinh hoạt có thể chỉ là 2 kW cho các ứng dụngnhỏ, di động hay cả trong khoảng từ 50 đến 250kW cho các ứng dụng tĩnh lớn hơn. Vận hành ởnhiệt độ thấp nên PEM thích hợp cho các ứngdụng trong gia đình và xe cộ. Tuy nhiên, nhiênliệu cung cấp cho PEM đòi hỏi phải được tinhsạch (không lẫn nhiều tạp chất) và PEM cũngcần xúc tác bạch kim đắt tiền ở cả hai mặt màngđiện phân, gia tăng chi phí.PEMFC lần đầu tiên được sử dụng vào thập kỉ60 của thế kỉ trước trong chương trình khônggian Gemini của NASA, đến nay pin nhiên liệuPEM đã được phát triển với những hệ thốngcông suất thông thường từ 1 W đến 2 kW.Người ta tin rằng PEMFC sẽ là dạng pin nhiênliệu th ...