Điện hóa
Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
BIN NHIÊN LIỆU Lịch sử Bin nhiên liệu được William Grove phát hiện vào năm 1839.Tuy nhiên,nó bị bỏ lại trong quên lãng cho đến chương trình không gian vào năm 1960.Từ cuối năm 1980 đến 1990,phần lớn những mặt chủ chốt đẩu liên quan đến những thông tin mới vê:trung tâm nghiên cứu,trường đại học và chính phủ.Những yêu cầu đã được thực hiện: xe cộ,nạp lại nhiên liệu cho những vật di động,hệ thống chung của nhiệt điện nhưng bin vẫn còn là một công nghệ về sự phát triển mà người ta chờ đợi một khám phá mới 10 đến 15 năm tuỳ theo lĩnh vực. Nguyên tắc hoạt động Nguyên tắc hoạt động đơn giản: một tế bào cơ bản đươc cấu thành từ hai điện cưc (anode và cathode) chia ra bởi một màng.Bin được tiếp liệu bởi hydrogène và oxigène.Tại anode, hydrogène (H2) phản ứng chia ra hai proton và hai điện tử.Những proton vượt ngang qua màng và những điện tử qua vùng lưu thông của điện tử.Chúng phối hợp lại ở cathode với oxygène (O2) để cho ra nước. Phần cạnh các cực có tấm bảng lưỡng cực để nạp thêm tạo ra dòng điện Trong thực nghiệm,những tế bào cơ bản được tập hợp ở những dạng khác hay song song để tạo ra một Stack.Công suất của Stack tuỳ thuộc vào số lượng của bin và diện tích của nó chẳng hạn như có thể phủ lên vùng phổ rộng lớn của công suất một vài kW đến nhiều MW.Người ta cũng có những loại pin để cung cấp vài Watts. Điều đó không đủ để thưc hiện hệ thống một cách đấy đủ.Nên phải nâng cấp lên cho: máy nén,máy bơm,máy trao đổi nhiệt,hệ thống kiểm tra các yêu cầu,sự chắc chắn của sự vận hành máy,sự dự trữ và điều chế xăng. Các loại bin nhiên liệu. Có 6 loại: AFC(ALKALINE FUEL CELL). PEMFC(POLYMER EXCHANGE MEMBRAN FUEL CELL). DMFC(DIRECT METHANOL FUEL CELL). PAFC(PHOSPHORIC ACID FUEL CELL). MCFC(MOLTEN CARBONATE FUEL CELL). SOFC(SOLID OXID FUEL CELL). Trong các loại trên thì nổi tiến nhất là PEMFC dùng trong các loại xe cộ.Nhiệt độ vận hành của những loại bin khác nhau nằm trong khoảng ( từ 60 tới 10000C),điện cực của nó,sự tinh khiết của hydrogène ở anode (để giữ DMFC,người dùng méthanol).ngoài ra,còn có những hậu quả của những ứng dụng của nó. Ứng dụng. Những loại bin nhiên liệu có nhiều ứng dụng và chia nó ra thành các lĩnh vực sau: Tự động hóa: xe cộ riêng,xe bus,xe đánh golf… Những trạm công trình:sản sinh ra nhiệt điện(khu nhà ở,công trình công cộng dạng bể bơi,bệnh viện,trường học,nơi cư trú,nhà thương… Vật dụng cầm tay: điện thọai,máy vi tính xách tay,máy quay phim,vật liệu cắm trại hayquân sự… Công nghệ về vũ trụ,tàu thuyền trên biển… Những ưu điểm và nhược điểm Những cái bin nhiên liệu thường được giới thiệu giống như giải pháp trong tương lai về những lĩnh vực sản xuất năng lương điện,tự động hóa.sức lôi cuốn của nó còn được chứng minh qua nhiều ưu điểm: Cung cấp năng suất năng lượng điện tăng từ:40 đến 70% điện,ngoài ra có thể hơn 85% ( điện và nhiệt. Giảm bớt âm thanh. Một vài chương trình tùy theo bin nhiên liệu dùng trong dạng ứng dụng nào. Xây dựng cơ học. Nhiệt dộ vận hành khác nhau:nó cho phép dùng nhiệt cùng với turbine hay những áp dụng nước nóng ở thể khí.. Không cần động cơ quay. Bên cạnh rất nhiều ưu điểm cũng còn lại những điểm yếu: Về mặt giá cả: giá cả của bin quá cao cho việc cạnh tranh nhu trong các bộ phận của bin:về chất xúc tác(platine),màng,tấm bảng lưỡng cực…. Vể thể tích:nhất là khi người ta muốn nhập vào bên trong xe cộ. Về sự tồn tại: cần phải đưa lên hơn 40000h trong các ứng dụng trong các công trình về trạm. Về khả năng nhiệt độ: tăng hay giảm nhiệt tùy theo bin và ứng dụng. Về chất đốt:không thể dùng hydrogène mà phải dùng những chất đốt khác hoặc hydrogène phục hồi.cũng như về mặt giá cả cho các phần của bin,hydrogène là một vấn đề. Trong tương lai. Khi nào con người thấy những bin đầu tiên trong nhà hay trong xe ô tô của họ?Đó là một thách chức lớn,không phải ngay lập tức.Nhưng đầu năm 2003,người ta thấy sự xuất hiện của nhiều công dụng của bin được thay thế trong cuộc sống hàng ngày.Đặc biệt là trong lĩnh vực tự động hóa với xe bus và những cái bin dùng trong ngành xây dựng…Từ 2004-2005,người ta đã thấy những cái máy vi tính xách tay đầu tiên dùng bin… Liên quan tới xe cộ,còn nhiều mặt hạn chế về giá cả.trong vấn đề này.PEMFC được dự kiến về việc dẫn đầu hướng nghiên cứu,trong khi đó SOFC và APU cũng đều có khả năng. Liên quan đến những công trình về trạm, PEMFC,MCFD,SOFC sẽ cùng có trong tương lai.PAFC,là công nghệ mới được nghiên cứu tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề kĩ thuật.pemfc có cơ hội tham gia vào những ứng dụng như bệnh viện,hồ bơi….Ngoài ra,còn xuất hiện những yếu tố rất cần thiết làm giảm giá thành và tăng hiệu suất. Về lĩnh vực di dộng,DMFC có thể tạo bước đột phá.pemfc cũng rất cần thiết.ngoài ra,những loại bin mcfc đang được nghiên cứu,AFC được đặt làm chỗ dựa cho các ứng dụng mạnh trong tương lai (hàng không vũ trụ…) Làm ngạc nhiên nhất là bin hydrogène lỏng được xem xét trong lĩnh vực hàng không.hiện nay,có nhiều những nghiên cứu đặt ra trong khỏang thời gian 15 đến 20 năm.
Fonctionnement d'une pile à membrane (PEMFC
DMFC DMFC(DIRECT METHANOL FUEL CELL) là một loại bin: sự khác nhau của bin nằm ở hydrogène bị oxi hóa ở anode,được sinh ra trực tiếp từ méthanol.Méthanol rất khó phản ứng với hydrogène giống như glycol,ammoniac hay hydrazine,chúng có những đặc điểm oxh để có thể dùng trong bin và làm chất đốt cháy vận hành trong các bộ phận nhiệt.Các loại pin tương đối mới,thông dụng có ý nghĩa đã được thực hiện vào năm ngoái về. Ưu thế quyết định đối với PEMFC là vận hành trực tiếp từ méthanol,hydrocarbon hơi độc tuy nhiên,chất lỏng ở nhiệt bình thường,chủ yếu sản phẩm là khí tự nhiên,cũng có khả năng là dầu mỏ than đá… Đặ c điểm: Những phản ứng hóa học Chất đốt là một hỗn hợp của nước và méthanol,phản ứng trực tiếp từ anode là:
Nhiệt độ sôi của méthanol ở áp suất khí quyển là dưới (65°C),nó cũng cần thiết cho nhiệt độ vãn hành của máy (60-70°C) có thể tránh được áp suất khí quá lớn.Cơ chế phản ứng rất phức tạp với sư xuất hiện của chất hấp thụ như là: HCOH,HCOOH.Nếu người ta xét như phản ứng này với chất xúc tác Pt/Ru,phản ứng có thể xảy ra với giai đoạn như sau:
Những hợp chất PtCOH, PtCO là những chất độc,thêm Ruthenium để cho hạn chế sự độc hại.
Phản ứng điện hóa này tương ứng một thế bên anode Ea = 0,016 V.Bên cực cathode,oxygene đóng vai trò là chất oxh theo:
Thế ở cực cathode là Ec = 1,23 V,phản ứng tổng cộng là:
Vậy ta có được thế tương ứng là 1,21 V trong điều kiện tiêu chuẩn (25°C và dưới 1 bar).Theo lý thuyết,người ta có thể đạt đến hiệu suất 96%.Tuy nhiên,còn các giới hạn sau: Một phần, phản ứng oxh luôn luôn không hoàn toàn:có có thể tạo ra acide formique (HCOOH) và aldéhyde formique (HCOH). Mặt khác,các thế điện cực thì rất khác nhau theo lý thuyết nguyên nhân quan trọng là do sự quá điện áp (0,3 V ở anode và 0,4 V ở cathode).Người ta cũng có thể bị nhiễm độc do những sản phẩm trung gian của những phản ứng (HCCOH….). Những chất xúc tác đủ mạnh để oxh méthanol và bền ở 60°C chủ yếu là những hợp kim mang tính base của platine (Pt-Sn, Pt-Re, Pt-Ru).Tại viện nghiên cứu của (University of California-Davis) đã dẫn ra kế hoạch "Catalysts for Direct Methanol Fuel Cells" để tìm ra những hợp kim mới mớI manh tính base của platine và những cấu trúc mới dùng làm điện cực.Ngoài ra,một số nhóm khác tiến hành nghiên cứu về nhiệt độ vận hành ở 150. Màng Màng che của loại bin này là dạng acide,là một màng ngăn polymère,là màng chất lỏng. Với loại màng alcacil, CO2 sản xuất ra do quá trình oxh méthanol khi phản ứng với những ion hydroxyde.Người ta thường dùng các loại màng như trên cho các dạng bin của PEMFC. Một vấn để khác là khả năng thấm ngang qua màng về phía cathode et quá trình oxh cuàng với oxygène trong dioxyde de carbone và nước (không cung cấp cho dòng).Hiện tượng này đươc gọi là (cross over) làm mất mát nhiên liệu đốt cháy khoảng 10%.Energy Visionss Inc. (EVI, ex Energy Ventures),một nơi chế tạo bin DMFC,đã phát triển công nghệ để thu hồi méthanol và tránh hiện tượng những hiện tượng những sản phẩm ô nhiễm môi trường.Công nghệ trên thưc hiện nhờ vào những tấm màng lưu động:hệ thống này cho phép kiểm tra những nồng độ của những sản phẩm,đo pH,sự ẩm ướt và nhiệt độ của bin.EVI đã làm thu nhỏ lại lượng xúc tác trong điện cực. Những đặc điểm khác Sự bốc hơi của CO2 cần thiết cho sự thanh lọc khí trước khi loại trừ nó khí quyển. Nhờ vào nhiệt độ vận hành nhỏ nên khởi động nhanh phù hợp cho những nhu cầu về cung cấp năng lượng và vể công suất. Những công dụng của bin DMFC Loại bin có rất nhiều điều thú vị mặc dù vẫn còn những vấn đề về kỹ thuật. Những loại bin với kích thước cực nhỏ thường dùng để cung điện cho các máy điện thoại di động,máy vi tính xách tay..Bin này có thể thay thế cho cá loại bin thông thường dùng trong các nhiều máy điện tử.Đó là trường hợp của những nhà máy Mechanical Technology, Medis,những nhà máy muốn phát triển và thương phẩm hóa như bin có kích thước cực nhỏ dùng cho các công nghệ xách tay hay lich điện tử.Nhà máy DuPont đã cộng tác vớI Mechanical Technology cùng làm việc với H Power Corporation trên những loại bin 100-1000 Watts. Manhattan Scientific Inc. cho rằng sự đột phá của DMFC trong lĩnh vực xách tay có hiệu quả(Wh/kg) tăng lên 5 lần so vớI bin Li-Ion. Một lĩnh vực khác như lĩnh vực di động hóa.Energy Visions Inc(EVI) cũng đã sản xuất DMFC với công suất 300W có thể cung cấp cho các phương tiện về quân sự.Mục đích của EVI là thử nghiệm và đưa ra thị trường những phương tiện nhỏ (xe đánh golf,moto..).Ta có thể thấy những loại bin trong xe đạp điện.. Trên lĩnh vực về các trạm,DMFC có thể có một vài ứng dụng nhưng giới hạn.EVI cũng quan tâm tới sự phát triển của quân sự..
Principe de la DMFC