Năng lượng tái
tạo 55
Nguyên lý hoạt động
Enthalpy
Năng lượng tái
tạo 57
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
Năng lượng tái
tạo 59
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
Năng lượng tái
tạo 61
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:
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
max = 1- Qmin/ H = 1 - 72,51 / 890,2 =91,85%
Năng lượng tái
tạo 63
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
2H 2e
H2 4H 4e O2 2H2O
Entropy và hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu
Entropy và hiệu suất lý thuyết của pin nhiên liệu
max = 1- Qmin/ H = 1 - 72,51 / 890,2 =91,85%
Năng lượng tái
tạo 65
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%
Năng lượng tái
tạo 67
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|
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.
Năng lượng tái
tạo 69
Pin nhiên liệu lý tưởng
Điện áp lý thuyết của 1 tế bào pin nhiên liệu (EMFmax):
Pin nhiên liệu lý tưởng
H2 (khí) + 1/2 O2 (khí) H2O (lỏng)
Năng lượng tái
tạo 71
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
Năng lượng tái
tạo 73
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
Các loại pin nhiên liệu
Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)
Direct Methanol Fuel Cells (DMFC)
Eff ≈ 45%
Năng lượng tái
tạo 75
Các loại pin nhiên liệu
Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC)
Alkaline Fuel Cells (AFC)
Các loại pin nhiên liệu
Molten-Carbonate Fuel Cells (MCFC)
Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)
Năng lượng tái
tạo 77
Các loại pin nhiên liệu
Các loại pin nhiên liệu
Năng lượng tái
tạo 79
Các loại pin nhiên liệu
Sản xuất hydrogen
1. Methane Steam Reforming (MSR)
2. Partial Oxidation (POX)
3. Gasification of Biomass, Coal, or Wastes
4. Electrolysis of Water
Năng lượng tái
tạo 81
Sản xuất hydrogen
Methane Steam Reforming (MSR)
Partial Oxidation (POX)
Gasification of Biomass, Coal, or Wastes Electrolysis of Water
Sản xuất hydrogen
Năng lượng tái
tạo 83
Sản xuất hydrogen
Bài tập
Năng lượng tái
tạo 85
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.
Năng lượng tái
tạo 87
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 ẵ 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.
Năng lượng tái
tạo 89
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%.
Năng lượng tái
tạo 91
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 ẵ 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.
Năng lượng tái
tạo 93