Fuel Cell

[bluemonster]

Bài của Yugi:
Trong phần này giới thiệu sơ bộ về Fuel Cell (lý thuyet, nguyen tac, và một số dạng Fuel cell đã được nghiên cứu và triển khai vào ứng dung. Hiện nay có rất nhiều và rất nhiều đề tài nghiên cứu về hướng này, đã có Handbook, sách về Fuel Cell.

Yugi đưa lên tóm tắt này về Fuel Cell (bằng tiếng Anh, trong đây có nhiều từ chuyên ngành dễ hiễu) cho các bạn cùng tham khảo. Enjoy it





Nguyên lý hoạt động

Về phương diện hóa học tế bào nhiên liệu là phản ứng ngược lại của sự điện phân. Trong quá trình điện phân nước bị tách ra thành khí hiđrô và khí ôxy nhờ vào năng lượng điện. Tế bào năng lượng lấy chính hai chất này biến đổi chúng thành nước. Qua đó, trên lý thuyết, chính phần năng lượng điện đã đưa vào sẽ được giải phóng nhưng thật ra vì những thất thoát qua các quá trình hóa học và vật lý năng lượng thu được ít hơn. Các loại tế bào nhiên liệu đều cùng chung một nguyên tắc được mô tả dựa vào tế bào nhiên liệu PEM (Proton Exchange Membrane - tế bào nhiên liệu màng trao đổi bằng proton) như sau:

Ở bề mặt cực dương khí hiđrô bị ôxy hóa bằng hóa điện:

2H2 -->4H+ + 4e-


Các điện tử được giải phóng đi từ cực dương qua mạch điện bên ngoài về cực âm. Các proton H+ di chuyển trong chất điện phân xuyên qua màng có khả năng chỉ cho proton đi qua về cực âm kết hợp với khí ôxy và các điện tử tạo thành nước:

O2 + 4H+ + 4e- --> 2H2O

Tổng cộng:

2H2 + O2 --> 2H2O





Phân loại

Các hệ thống tế bào nhiên liệu được phân loại theo nhiều cách khác nhau tùy theo cách nhìn:

Phân loại theo nhiệt độ hoạt động
Phân theo loại các chất tham gia phản ứng
Phân loại theo điện cực
Phân theo loại các chất điện phân là cách phân loại thông dụng ngày nay
Liệt kê dưới đây là 6 loại tế bào nhiên liệu khác nhau:


AFC (Alkaline fuel cell - tế bào nhiên liệu kiềm)
PEMFC (Polymer electrolyte membrane fuel cell - tế bào nhiên liệu màng điện phân polymer)
PAFC (Phosphoric acid fuel cell - tế bào nhiên liệu axit phosphoric)
MCFC (Molten carbonate fuel cell - tế bào nhiên liệu carbonat nóng chảy)
SOFC (Solid oxide fuel cell - tế bào nhiên liệu oxit rắn)
DMFC (Direct methanol fuel cell - tế bào nhiên liệu methanol trực tiếp)

[Yugi]

[Yugi]

Một số ứng dụng của FC

[chocolatenoir]

Bài viết của Yugi rất hay!!!

Triển vọng sử dụng Fuelcell trong các hệ di động như laptop hay mobile phone đang gặp những khó khăn rất lớn về mặt an toàn cho thiết bị và cho người dùng, nhất là trong thời buổi an ninh hàng không bị thắt chặt như bây giờ.

Tuy nhiên các hệ fuellcell thiết kế cho ô tô với công suất lớn đang có nhiều triển vọng. Bài toán hiện nay là hệ thống phân phối.

Các lab và các hãng công nghiệp đã tiến tới lắp đặt thành công nhiều hệ thống fuelcell có công suất từ 500W trở lên. Có nhiều vấn đề mới về mặt kỹ thuật đang được đặt ra như rò rỉ khí, điện tử công suất...

Mình gửi 2 bài báo về vấn đề này để các bạn quan tâm tham khảo

[C.H.V]

Pin nhiên liệu là một thiết bị chuyển hóa nhiên liệu như khí hydro, rượu, xăng, hay khí metan trực tiếp thành dòng điện. Pin nhiên liệu hydrogen tạo ra được dòng điện mà không gây ra bất kỳ sự ô nhiễm nào, vì sản phẩm tạo ra là nước tinh khiết.

Pin nhiên liệu hydrogen được sử dụng cho tàu du hành vũ trụ và các ứng dụng kỹ thuật cao khác hay những nơi cần tránh sự ô nhiễm, hay nơi cần nguồn năng lượng có hiệu quả cao.

Bạn có thể tạo được một pin nhiên liệu chỉ với 10 phút trong nhà bếp và thấy được khí hydro và khí oxy kết hợp với nhau như thế nào để tạo thành năng lượng điện sạch.



- Để làm một pin nhiên liệu chúng ta cần:
- Một dây Nickel phủ Platin, hay platin nguyên chất.
- Một que kem, một mảnh gỗ, hay một mảnh nhựa hình chữ nhật.
- Một đầu kẹp pin 9 vol.
- Một pin 9 vol.
- Một vài mảnh băng keo trong suốt.
- Một ly thủy tinh.
- Một vol kế.
- Dây điện.

Đầu tiên cắt dây platin thành hai dây nhỏ chiều dài khoảng 10 cm, xoắn 2 dây này thành hai cuộn xoắn nhỏ để làm điện cực cho pin nhiên liệu.



Kế tiếp, Gọt bỏ phần nhựa bên ngoài ở đầu còn lại của hai dây dẫn nối với đầu kẹp pin. Nối hai đầu này vào hai cuộn platin. Hai dây điện khác được nối từ hai cuộn Platin ra và đầu còn lại nối vào vol kế.



Hai điện cực được dán dính cứng vào thanh gỗ. Cuối cùng thanh gỗ được đặt lên trên, nằm ngang và được dán cứng vào ly nước, sao cho hai điện cực bị ngập trong nước gần hết chiều dài của chúng. Dây điện nối với hai cuộn điện cực phải không được chạm mặt nước, chỉ có phần mạ platin tiếp xúc với nước.

Nối dây màu đỏ vào đầu cực dương của vol kế, và dây màu đen nối với đầu âm của vol kế. Giá trị trên vol kế sẽ báo là zero, hay trường hợp có thể giá trị dao động lên một chút như 0.01 V.



Quá trình làm pin nhiên liệu hoàn tất.

Để vận hành pin nhiên liệu ta cần phải có những bọt khí hydro bám vào một điện cực, và khí oxy bám vào một điện cực khác. Để làm được như vậy một phương pháp rất đơn giản được tiến hành như sau.
Chúng ta đặt hai đầu cực của pin 9 vol vào đầu kẹp của chúng (không cần phải gắn cứng vào, do chỉ cần cho tiếp xúc khoảng vài giây).

Gắn Pin vào đầu kẹp thì nước tiếp xúc với các điện cực platin bị phân ly thành khí hydro và khí oxy, quá trình này gọi là điện phân. Có thể thấy những bọt khí nhỏ được sinh ra ở các điện cực khi pin được gắn vào.



Bây giờ gỡ bỏ pin ra. Nếu không có lớp phủ platin thì giá trị trên vol kế sẽ trở về zero, do đã gỡ Pin ra. Nhưng ở đây khi gỡ Pin ra thì giá trị trên vol kế vẫn hiển trị, do Platin kim loại như là chất xúc tác, cho phép hydrogen và oxygen kết hợp với nhau.

Quá trình phản ứng sẽ đảo ngược trở lại. Thay vì cung cấp điện để phân ly nước, thì bây giờ hydrogen và oxygen kết hợp lại tạo thành dòng điện và nước.



Chúng ta bắt đầu có giá trị hơn 2 vol của pin nhiên liệu. Những bọt khí hòa tan trong nước được sử dụng để phản ứng. Điện thế của pin nhiên liệu ban đầu giảm nhanh và dần dần giảm chậm lại sau thời gian khoảng 1 phút.



Giá trị thế nhỏ và giảm chậm là do những bọt khí còn sót lại lở lửng trong nước tạo ra điện.

Quá trình trên chúng ta đã chuyển năng lượng điện 9 vol thành các bọt khí hydro và oxy. Đây là quá trình nạp điện.

Chúng ta có thể lấy các bọt khí hydro và oxy từ các nguồn khác để có được dòng điện. Chúng ta có thể sản xuất khí hydro và oxy từ nguồn năng lượng mặt trời vào ban ngày. Sau đó dự trữ chúng và sử dụng để tạo dòng điện vào ban đêm. Chúng ta cũng có thể dự trữ khí hydro trong các bình khí nén trên xe hơi chạy bằng năng lượng điện.

to be continued..

[C.H.V]

Chúng ta có hai quá trình: điện phân nước tạo khí hydro và khí oxy, và kết hợp trở lại của hai khí này để tạo thành điện.

Quá trình điện phân nước:

Điện cực nối với đầu âm của pin cung cấp electron. Điện cực âm sẽ cho 4 electron kết hợp với 4 phân tử nước tạo thành 2 phân tử hydrogen và 4 ion OH-.

Những bọt khí hydro và ion âm OH- di chuyển ra khỏi điện cực và đi vào lòng chất lỏng.

Ở điện cực khác, điện cực nối với đầu dương của Pin, điện cực nhiễm điện dương và thiếu electron, nên lấy electron từ phân tử nước, tạo ra ion dương H+ và phân tử khí oxy. Bọt khí Oxy và ion H+ rời khỏi điện cực và di chuyển vào lòng chất lỏng.

Proton ( ion H+) kết hợp với OH- tạo thành lại phân tử nước.

Quá trình tạo dòng điện:

Khi Pin được lấy ra, các phân tử Hydrogen dưới dạng các bọt khí tiến đến điện cực, vỡ ra và xảy ra phản ứng với xúc tác Platin tạo ra H+ (proton) và các electron.

Ở điện cực còn lại, phân tử oxygen chứa trong các bọt khí tiến đến bề mặt điện cực, dưới xúc tác Platin và Oxygen sẽ nhận electron đồng thời kết hợp với H+ trong nước ( mới vừa được tạo thành) tạo thành phân tử nước.

Điện cực oxygen sẽ mất 2 electron cho mỗi phân tử khí Oxy. Điện cực Hydrogen sẽ nhận 2 electron cho mỗi phân tử khí hydro. Electron ở điện cực hydrogen sẽ chạy sang điện cực oxygen, và tạo thành dòng điện trên dây dẫn nối hai điện cực. Trên dây dẫn nối các thiết bị tiêu thụ điện như đèn hay vol kế.
Quá trình tạo ra điện được tóm tắt với hình sau:

Video ứng dụng của Fuel Cell trong công nghệ xe hơi:

(Nguồn: sci-toys.com, India)

Thân