BÁO CÁO CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT HYDROGEN BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BÁO CÁO KỸ THUẬT HỆ THỐNG SINH HỌC

Đề tài:CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT HYDROGEN BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC GVHD: PGS.TS Trương Vĩnh SVTH: Nhóm 4

TP. HCM, 4/2015

i

DANH SÁCH NHÓM 1. Nguyễn Thị Quỳnh Như

12139081

2. Nguyễn Thị Phương Thảo

12139028

3. Phạm Thị Bích Hằng

12139049

4. Bùi Ngọc Yến Nhi

12139013

5. Đoàn Thị Thu Hà

12139048

6. Nguyễn Khánh Duy

12139163

7. Đinh Quốc Hùng

12139139

ii

MỤC LỤC TRANG TỰA ....................................................................................................................... i MỤC LỤC .......................................................................................................................... iii DANH SÁCH HÌNH ........................................................................................................... v DANH SÁCH BẢNG .......................................................................................................... v Chương 1Giới thiệu về Hydrogen ....................................................................................... 1 1.1 Tình hình sản xuất hydrogen ......................................................................................... 1 1.2 Tính chất hydrogen ........................................................................................................ 1 1.2.1 Tính chất vật lý ....................................................................................................... 1 1.2.2 Tính chất hóa học ................................................................................................... 2 1.3 Ứng dụng nhiên liệu hydrogen ...................................................................................... 3 Chương 2Công nghệ sản xuất hydrogen .............................................................................. 6 2.1 Một số phương pháp sản xuất ........................................................................................ 6 2.2 Công nghệ sản xuất hydrogen bằng phương pháp hóa học ........................................... 6 2.2.1 Steam Methane Reforming .................................................................................... 6 2.2.2 Partial Oxidation of Hydrocarbons ......................................................................... 8 2.2.3 Electrolysis ........................................................................................................... 10 2.2.4 Thermochemical ................................................................................................... 12 2.2.5 Phản ứng water gas – shift (WGF) ....................................................................... 14 2.2.6 Coal gasification ................................................................................................... 16 2.3 Tồn trữ Hydro .............................................................................................................. 19 2.3.1 Dưới dạng khí nén áp suất cao ............................................................................. 19 2.3.2 Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng ....................................................... 19 2.3.3. Lưu chứa hydrogen nhờ hấp thụ hóa học ............................................................ 20 2.3.4. Lưu chứa hydrogen trong các hyđrua kim loại (metal hydride) .......................... 20 2.3.5. Lưu chứa hydrogen trong ống carbon nano rỗng ................................................ 21 2.4 Vấn đề an toàn ............................................................................................................. 22 2.5 Ứng dụng khí Hydro .................................................................................................... 23

iii

2.5.1 Ứng dụng hydrogen trong lĩnh vực nhiên liện .......................................................... 23 2.5.2 Pin nhiên liệu ............................................................................................................ 23 Tài liệu tham khảo ............................................................................................................. 25

iv

DANH SÁCH HÌNH Hình 1: Cấu tạo nguyên tử H2 ............................................................................................. 2 Hình 2: So sánh khả năng cháy của khí hydro với các nhiên liệu khác .............................. 3 Hình 3: Xe ô tô chạy bằng nhiên liệu khí H2 ...................................................................... 4 Hình 4: Quy trình oxy hóa riêng phần .............................................................................. 10 Hình 5: Quá trình điện phân nước và ứng dụng ............................................................... 11 Hình 6: Sơ đồ điện cực của quá trình điện phân nước ...................................................... 11 Hình 7: Mô tả quá trình thermochemical từ năng lượng mặt trời ..................................... 12 Hình 8: Mô tả quá trình the sunfur - iodine ...................................................................... 14 Hình 9: Moving bed .......................................................................................................... 16 Hình 10:Entrained bed ...................................................................................................... 17

DANH SÁCH BẢNG Bảng 1: Tính chất vật lý của hydrogen ............................................................................... 1 Bảng 2: Nhiệt trị của một số khí đốt ................................................................................... 4 Bảng 3: Xúc tác SK – 201-2 của Haldor Topsoe .............................................................. 15

v

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HYDROGEN Hydrogen là một nguyên tố hóa học có ký hiệu hóa học H và số nguyên tử 1.

Khối lượng nguyên tử bằng 1,00794 u nên hydro là nguyên tố nhẹ trong bảng tuần hoàn.

1.1 Tình hình sản xuất hydrogen Ngày nay, khoảng 55 triệu tấn hydrogen được sản xuất hàng năm và phần lớn được đưa vào trong sản xuất phân bón. Nitrogen và hydrogen được dùng làm một phần của quá trình Haber-Bosch, quá trình sử dụng khí thiên nhiên và không khí để sản xuất ammonia – một chất liệu thô quan trọng trong sản xuất phân bón. Fritz Haber đã giành Giải Nobel Hóa học năm 1918 cho khám phá này và người đồng nghiệp của ông, Carl Bosch, thì giành Giải Nobel năm 1931 cho sự phát triển các phương pháp áp suất cao trong hóa học.

1.2 Tính chất hydrogen 1.2.1 Tính chất vật lý Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, hydrogen là một chất khí không màu, không mùi, tồn tại ở dạng lưỡng nguyên tử H2 (lưỡng nguyên tử nghĩa là phân tử của nó gồm hai nguyên tử).

Hình 1: Cấu tạo nguyên tử H2

1

Bảng 1: Tính chất vật lý của hydrogen Màu

Không màu

Trạng thái

Khí

Tỉ trọng

(00C, 101.325 kPa) 0.08988 g/L

Tỉ trọng lỏng ở điểm chảy

0.07 (0.0763 solid) g.cm-3

Tỉ trọng lỏng ở điểm sôi

0.07099 g.cm-3

Điểm chảy

14.01K, -259.140C, -434.45 0F

Điểm sôi

20.28K, -252.870C, -423.17 0F

Điểm 3 pha

13.0833 K (-2590C), 7.042 kPa

Điểm tới hạn

32.97 K, 1.293 Mpa

Nhiệt tạo thành

0.117 kJ.mol-1

Nhiệt hóa hơi

0.904 kJ.mol-1

Nhiệt dung riêng (250C)

28.836 j.mol-1K-1

1.2.2 Tính chất hóa học Khả năng cháy Khí hydrogen được biết như là một khí dễ cháy nhất. Đây cũng chính là tính chất nguy hiểm nhất của khí hydro. Khí hydro khi bị rò rỉ sẽ mang nguy cơ cháy nổ rất cao.

Mặt khác, khí hydro không màu, không mùi, nên việc phát hiện và phòng ngừa cũng hết sức khó khăn.

Khí hydro cháy êm dịu trong không khí và tạo ra lượng nhiệt rất lớn (ngọn lửa hydro tinh khiết với oxy tinh khiết có nhiệt độ khoảng 25000C).

Khả năng cháy nổ của hổn hợp khí hydro và không khí.

Khí hydro bền ở nhiệt độ thường, rất khó phân ly, khí hydro chỉ bị phân ly khi nhiệt độ khoảng 2000oC. Tuy nhiên, hydro ở nhiệt độ cao rất hoạt động và dễ dàng kết hợp với nhiều nguyên tố như kim loại kiềm, kiềm thổ, phi kim loại. Ở nhiệt độ cao, áp suất cao đặc biệt là có mặt xúc tác, khí hydro rất hoạt động và thể hiện tính khửmạnh, đây cũng là tính chất rất quan trọng của khí hydro.

2

Với những tính chất đó, hydro có khả năng tham gia các phản ứng khử các dị tố trong các hydrocarbon (kim loại, Oxy, S…). Ở các điều kiện khác nhau, khí hydro có thể tham gia phản ứng hydro hoá hay hydro phân trên nền xúc tác kim loại. Trong công nghiệp chế biến dầu khí, tính chất này của hydro được ứng dụng để chế biến sâu và chế biến sạch dầu thô, các quy trình quan trọng được sử dụng như: hydrogenolysis(HDS, HDN, cracking), hydrogenation.

Hình 2:So sánh khả năng cháy của khí hydro với các nhiên liệu khác 1.3 Ứng dụng nhiên liệu hydrogen H2 có thể thay thế khí thiên nhiên để cung cấp năng lượng cho các nhu cầu dân dụng như: đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng,…

H2 là một nhiên liệu cho nhiệt năng cao nhất → tiết kiệm chi phí rất lớn cho các doanh nghiệp sản xuất.

Nhiệt năng H2: 2.2000C (so với than chỉ 1.600 – 1.7000C).

3

Bảng 2: Nhiệt trị của một số khí đốt Chỉ tiêu

H2

CH4

C3H8

Nhiệt trị, kJ/kg

119,97

50,02

46,35

KLR, kg/m3

0,089

0,717

2,011

H2 đem đốt không thải ra khí độc → không gây ô nhiễm môi trường, không gây độc hại trực tiếp cho người sản xuất. ❖ Pin nhiên liệu: H2 làm nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống pin nhiên liệu, nhờ quá trình điện hóa để tạo ra điện năng.

Anod:

2 H2 → 4 H+ + 4 e-

Cathod:

O 2 + 4 H + + 4 e- → 2 H 2 O

Tổng quát:

2 H2 + O2 → 2 H2O + E

Khi những nguyên tử H2 vào pin nhiên liệu, phản ứng hóa học xảy ra ở anod:  Những nguyên tử H2 bị ion hóa và mang điện tích dương (H+).  Electron âm sẽ chạy qua dây dẫn tạo ra dòng điện một chiều. 

O2 đi vào cathod kết hợp với e- từ dòng điện và các ion H+ ra khỏi chất điện

phân từ anod (hoặc O2 lấy e- rồi đi qua chất điện phân đến anod và kết hợp với H+) sinh ra H2O. Phản ứng tổng quát cho pin nhiên liệu tương tự như phản ứng hóa học mô tả quá trình H2 bị đốt cháy với sự hiện diện của O2.

Hình 3: Xe ô tô chạy bằng nhiên liệu khí H2

4

❖ Công nghiệp chế biến: Hóa dầu: sản xuất ammonia, metanol, phân bón...

Luyện kim: H2 được sử dụng trong ngành sản xuất thép (cắt, nấu).

Sản xuất công nghiệp: giấy (nồi hơi), nấu gốm sứ, chất bán dẫn... ❖ Công nghiệp vũ trụ: H2 có đặc tính nhẹ và tỉ trọng năng lượng cao nên được sử dụng làm nhiên liệu cho tên lửa, công nghệ du hành không gian.

Hydrogen là thành phần chính trong bom nhiệt hạch, loại bom giải phóng năng lượng nổ khủng khiếp, qua sự hợp nhất hạt nhân giữa các đồng vị hydrogen: deuterium và tritium, loại bom nổ có thể quét sạch hoàn toàn các thành phố. Những vũ khí như thế hiện nay đòi hỏi một vụ nổ phân hạch hạt nhân để kích hoạt quá trình nhiệt hạch. Nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc sản xuất vũ khí nhiệt hạch mà không cần phản ứng phân hạch để kích hoạt nó. Một quá trình gọi là Hợp nhân Giam cầm Quán tính sẽ sử dụng một chùm laser năng lượng cao sẽ nén hydrogen đến nhiệt độ và tỉ trọng có thể kích hoạt phản ứng nhiệt hạch.

5

CHƯƠNG 2. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT HYDROGEN 2.1 Một số phương pháp sản xuất Hydro có thể sản xuất theo những hướng sau đây: - Nhiệt hóa: + Oxy hóa riêng phần từng phân đoạn dầu mỏ + Khí hóa than + Phân ly nước - Nhiệt phân nước - Quang hóa - Sinh hóa hoặc sinh học 2.2 Công nghệ sản xuất hydrogen bằng phương pháp hóa học 2.2.1 Steam Methane Reforming Steam methane reforming là một trong những phương pháp thông dụng và kinh tế nhất để điều chế ra hydrogen. Phương pháp này bao gồm 2 quá trình: quá trình chuyển hóa (reforming reaction – với chất xúc tác chủ yếu là Ni) và quá trình chuyển đổi hơi nước (water gas shift reaction).

Phản ứng reforming reactor CH4 + H2O → 3H2 + CO Khí CO sau khi được ta ra sẽ tiếp tục phản ứng với hơi nước trong chu trình chuyển đổi hơi nước ( water gas shift reactor) CO + H2O → CO2 + H2 Các giai đoạn của quá trình phản ứng • Xử lý nguyên liệu Nguồn nguyên liệu cho hệ thống steam methane reforming là dòng khí thiên nhiên hoặc hydrocacbon mạch ngắn (C3 đến C7). Nguyên liệu có thể chứa các tạp chất như các chất ức chế hoặc chất đầu độc (H2S, mercaptan và các dẫn xuất của halogen như chlorides) xúc tác Niken.

6

Để loại bỏ chúng, ta hydro hóa nguyên liệu ở điều kiện 350-400oC, xúc tác Co-Mo. Sau đó H2S sẽ được hấp thu bởi ZnO. Nguyên liệu sau khi xử lý sẽ chứa hàm lượng lưu huỳnh ít hơn 0,1ppm và hàm lượng chloride giới hạn ở 0,5ppm.

• Chuyển hóa (Reforming reactor) Trong quá trình chuyển hóa, khí thiên nhiên sẽ được hòa trộn với hơi nước, ở nhiệt độ 1500 độ F (hay >1100K) trong điều kiện áp suất (25 bar) và phản ứng có nickel làm chất xúc tác.Sản phẩm tạo ra được sẽ là hydrogen (H2) và cacbon monoxide (CO). Phản ứng này là phản ứng thu nhiệt, do đó nhiệt phải được cung cấp trong suốt quá trình.

Các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình reforming methan:

Trong đó: (1) Là phản ứng trong giai đoạn sơ cấp, hỗn hợp hơi nước và methane được nén khoảng 30 atm và được đốt nóng trên chất xúc tác niken ở khoảng 800oC ΔH> 0.

(2) Là giai đoạn thứ cấp được thực hiện ở nhiê ̣t đô ̣ cao hơn (khoảng 1000oC) với sự có mă ̣tcủa không khí để chuyể n hoá metancòn lại ở giai đoa ̣n sơ cấ p ΔH<0.

Nhiệt độ cao và áp suất thấp sẽ làm tăng hiệu suất sản xuất H2. Ngoài ra, tăng lượng hơi nước cũng tăng quá trình chuyển hóa methan, nhưng sẽ tốn thêm chi phí tạo ra hơi nước.

Các yếu tố ảnh hưởng • Tỉ lệ hơi nước trên methane Tỉ lệ của hơi nước trên methane (H2O/CH4) thường thấp, vào khoảng 2,5; tỉ lệ này sẽ ảnh hưởng đến lượng sản phẩm tạo thành của quá trình và kích thước của thiết bị. Do đó khi thiết kế quy trình cần chú ý tới tỉ lệ này. Tuy nhiên, tỉ lệ thấp của hơi nước trên methane cũng làm tăng lượng methane rò rĩ trong quá trình phản ứng. Vấn đề này có thể được khắc phục bằng cách tăng nhiệt độ đầu vào, thường là khoảng 1690oF trong các nhà máy sản xuất hydrogen.

7

• Nhiệt độ đầu vào Nhiệt độ đầu vào ống xúc tác reformer được duy trì ở khoảng nhiệt độ 540oC580oC. Dòng nhập liệu được gia nhiệt trước bởi dòng khí thải ra khỏi lò nung (tận dụng nhiệt, tăng hiệu quả sử dụng năng lượng). Nhiệt độ đầu vào càng cao thì giảm lượng nhiên liệu cần thiết để cấp nhiệt cho thiết bị phản ứng, giảm số lượng ống phản ứng và kích thước của lò nung.

• Nhiệt độ đầu ra reformer Đây là thông số công nghệ quan trọng nhất trong quá trình vận hành, nó ảnh hưởng đến mức độ tinh khiết của sản phẩm hydro. Nhiệt độ đầu ra càng cao, lượng methane dư càng ít (hàm lượng hydro tăng lên) ứng với 1 giá trị lưu lượng nguyên liệu và tỷ lệ hơi nước/methane. Nhiệt độ đầu ra reformer thường nằm trong khoảng 820-880oC.Lưu lượng nhập liệu càng thấp, càng giảm nhiệt độ đầu ra reformer yêu cầu ứng với cùng độ tinh khiết của hydro. Tương tự, tỷ lệ hơi nước/methane càng cao, nhiệt độ đầu ra càng giảm với cùng độ tinh khiết của hydro • Xúc tác Có nhiều loại xúc tác đã thương mại hóa cho quá trình steam reforming, được cung cấp bởi các công ty như HaldorTopsoe, Johnson Matthey, BASF,… Các xúc tác này thường chứa 5-25% khối lượng niken trên các chất mang α-Al2O3, CaAl2O4.MgO hoặc CaAl2O4.

2.2.2 Partial Oxidation of Hydrocarbons Quá trình này có thể được sử dụng để sản xuất hydro từ các hydrocacbon nặng như nhiên liệu diesel và dầu còn sót lại.

Bất kỳ nguyên liệu hydrocarbon có thể được nén hoặc bơm có thể được sử dụng trong công nghệ này.

CH4 và các hydrocacbon khác trong khí tự nhiên được phản ứng với một số lượng hạn chế oxy (thông thường từ không khí) là không đủ để oxy hóa hoàn toàn các hydrocacbon để tạo thành CO2 và H2O. Với ít hơn cân bằng hóa học của oxy có sẵn, các sản phẩm phản ứng chứa chủ yếu H2 và CO (và N2, nếu phản ứng được thực hiện với

8

không khí chứ không phải là oxy tinh khiết), và một số lượng tương đối nhỏ của khí CO2 và các hợp chất khác. Sau đó, trong phản ứng water gas shift, các khí CO phản ứng với nước để tạo thành CO2 và nhiều H2.

Quá trình xảy ra theo phản ứng chính (H=-36kJ/mol): CH4 + ½ O2CO + 2H2 CnHm + n/2 O2nCO + m/2 H2 Quá trình này có thể không sử dụng xúc tác, nhưng phản ứng phải xảy ra ở nhiệt độ và áp suất cao. Để giảm điều kiện này, người ta cho thêm Ni, kim loại chuyển tiếp trong quá trình tổng hợp.

Các giai đoạn trong quá trình phản ứng: - Giai đoạn đầu: nguyên liệu phân tán cùng với O2, hỗn hợp được gia nhiệt, phản ứng cracking xảy ra, tạo thành C, CH4, H2 và các hydrocarbons - Giai đoạn 2: một phần hydrocarbon được chuyển hóa khi đạt đến nhiệt độ phản ứng cháy CnHm +( n/2+m/2) O2nCO + m/2 H2O Cùng lúc đó: CnHm + mCO2 + m/2 2n CO + m/2 H2 CnHm + mH2OnCO + (m/2 + n)H2 - Giai đoạn 3: phản ứng phụ bắt đầu xảy ra (lưu ý nhiệt độ phản ứng phải đạt rất cao) CnHm + ( n/2+m/2) O2nCO + m/2 H2O H2O + C H2 + CO CH4 + H2O CO + 3 H2 CO + H2O CO2 + H2

9

Hình 4: Quy trình oxy hóa riêng phần 2.2.3 Electrolysis • Phương pháp điện phân nước Phản ứng trên cathode: 2 H2O + 2e- => H2 + 2 OHPhản ứng trên anode: 2 OH- => H2O + ½ O2 + 2e________________________________________________________ Tổng quát:

2 H2O + điện năng => 2 H2 + O2

Phương pháp điện phân nước dưới tác dụng của dòng điện để thu được oxy và hydro. Dòng điện để điện phân có hiệu điện thế 1,23 vôn. Dưới tác dụng của năng lượng cao, mối liên kết bên trong của các phân tử nước bị phá hủy. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi chi phí cao .

Chi phí năng lượng cho quá trình điện phân nước tăng lên khi tiến hành ở nhiệt độ cao, trong khi đó, mục đích sản xuất khí H2 phải đảm bảo có chi phí thấp để đạt được lợi nhuận cao. Đồng thời, sinh ra một lượng nhiệt lớn, điều này có lợi khi tận dụng nguồn nhiệt này cho các quá trình sản xuất khác, nhằm giảm hao tốn năng lượng không cần thiết.

10

Hình 5: Quá trình điện phân nước và ứng dụng

Hình 6: Sơ đồ điện cực của quá trình điện phân nước

11

• Một số các dạng điện phân phổ biến ▪ Điện phân thông thường Quá trình tiến hành với chất điện phân là nước hay dung dịch kiềm. Hai phần anode và cathode được tách riêng bởi màng ngăn ion (microporous) để tránh hòa lẫn hai khí sinh ra.

▪ Điện phân nước ở nhiệt độ cao Ưu điểm của phương pháp này là đưa một phần năng lượng cần thiết cho quá trình điện phân ở dạng nhiệt năng, nhiệt độ 800-1000oC vào quá trình, do đó có thể hạn chế bớt lượng điện năng tiêu thụ. Nhiều nghiên cứu đã hướng đến việc thu nhiệt từ các chảo parabol tập trung năng lượng mặt trời hay tận dụng nhiệt thừa từ các trạm năng lượng.

2.2.4 Thermochemical

Hình 7: Mô tả quá trình thermochemical từ năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời có thể được tập trung lai thông qua một tấm gương của thấu kính được thiết kế đặc biệt để sinh nhiệt độ gần 2000oC. Tại nhiệt độ đó có thể được sử dụng để kích hoạt một số phản ứng hóa học, những phản ứng dùng tách phân tử nước để sản xuất H2 mà trong suốt quá trình sản xuất không phát sinh ra khí thải có ảnh hưởng đến môi trường. Quy trình đề nghị này chỉ sử dụng nước làm nguyên liệu và sản xuất ra hai

12

khí là H2 và O2. Với nhiệt độ cao, giúp cho phản ứng với tốc độ nhanh và điều đó, giúp sản xuất ra một lượng H2 đáng kể.

Những hướng nghiên cứu khác: nhiều nghiên cứu đã xác định có hơn 300 chu trình phản ứng hóa học cho phân tích và đang chọn những nghiên cứu hứa hẹn sự phát triển hơn nữa trong điều chế H2. Tuy nhiên, vấn đề công nghệ là tương đối chưa hoàn chỉnh, chỉ ở quy mô phòng nghiên cứu khoa học. Do đó, cần phải có những nghiên cứu mở rộng mang tính áp dụng vào thực tiễn sản xuất nguồn nhiên liệu sạch này. DOE cũng chỉ phát triển các quá trình tương tự như trong nhiệt hóa học để sử dụng nguồn năng lượng( nhiệt) phát ra từ nhà máy hạt nhân để thay thế cho nguồn năng lượng mặt trời.

Phương pháp nhiệt hóa học dùng phân ly có thể được thực hiện ở nhiệt độ thấp và tách hai sản phẩm H2 và O2,như vậy có thể thu được H2 tinh khiết cao. Phương pháp này được biết đến cách đây 35 năm, nó được mở rộng với các cuộc nghiên cứu. Với phương pháp này có thể tăng năng suất sản xuất vào những năm 1970, 1980. Nhưng đến 10 năm sau mới có những kết quả khả quan.

Với phương pháp này có thể tăng năng suất sản xuất từ 30% lên 50%.Một trong phương pháp này là quá trình the sulfur-iodine (S-I).

The sulfur-iodine (S-I) Trong phương pháp này, SO2 vàI2 là nguyên liệu chính sản xuất H2 cùng với một số chất xúc tác nhằm làm giảm nhiệt độ phản ứng, tăng hiệu suất tạo thành H2.

Ba giai đoạn trong S – I: Giai đoạn 1  I2 + SO2 + 2H2O

2HI + H2SO4

Nhiệt độ phản ứng khoảng 120oC, sau đó sử dụng quá trình chưng cất để tách hai acid HI và H2SO4.

Giai đoạn 2  H2SO4

H2O + SO2 + 1/2 O2

Acid sunfuric sẽ tiếp tục phân hủy tạo thành O2 và khí SO2 ở nhiệt độ 850oC Giai đoạn 3

13

 2HI

H2 + I2

Nhiệt độ phản ứng 450oC Phương trình tổng quát: H2O→ H2 + O2 Đó là các phản ứng có thể làm giảm nhiệt độ phụ thuộc vào sức nóng của nước để sản xuất khí H2 và có thể có những kỹ thuật hay công nghệ nhằm tách H2 và O2 ngăn chặn sự tái hợp lại, làm giảm hiệu suất phản ứng.

Hình 8: Mô tả quá trình the sunfur - iodine 2.2.5Phản ứng water gas – shift (WGF) Hydrogen có thể được tạo ra thêm trong quá gas-shift reaction, quá trình này xảy ra ở một nhiệt độ thấp hơn, sử dụng khí cacbon monoxide được tạo ra từ phản ứng đầu, một lượng xác định sắt-crôm sẽ được tạo thành để xúc tác quá trình phá vỡ liên kết giữa hydrogen và oxygen

để tạo thành carbon dioxide và hydrogen (hỗn hợp của

cacbonmonoxit và khí hydro được gọi là khí nước ): CO + H 2 O

CO 2 + H 2 ∆H = -42 kJ/MOLE

14

Phản ứng này là phản ứng tỏa nhiệt vừa phải, xảy ra ở nhiệt độ thấp và ít chịu ảnh hưởng của áp suất Sự thay đổi nhiệt độ thấp (LTS) Các thành phần đặc trưng của chất xúc tác là 32-33% CuO, 34-53% ZnO, 15-33% Al2O3 . Chất xúc tác hoạt động là CuO. Chức năng của ZnO là cung cấp hỗ trợ cấu trúc cũng như ngăn chặn sự nhiễm độc của đồng bằng lưu huỳnh. Al2O 3 ngăn ngừa sự phân tán và bột viên co rút. LTS các phản ứng hoạt động ở phạm vi 200oC đến 250oC. Chất xúc tác thay đổi nhiệt độ cao (HTS) Các thành phần đặc trưng của chất xúc tácthương mại là 74,2% Fe2O 3, 10,0% Cr2O 3, 0,2% MgO (tỷ lệ phần trăm còn lại là do các thành phần dễ bay hơi). Cromduy trì hoạt động ổn định, oxit sắt ngăn chặn quá trình thiêu kết. Phạm vi nhiệt độ 310oC đến 450oC. Nhiệt độ tăng dọc theo chiều dài của lò phản ứng do tính chất tỏa nhiệt của phản ứng. Như vậy, nhiệt độ đầu vào được duy trì ở 350 o C để ngăn chặn nhiệt độ thoát ra từ lò lớn hơn 550oC. Lò phản ứng công nghiệp hoạt động ở phạm vi từ áp suất khí quyển đến 8375 kPa.

Bảng 3: Xúc tác SK – 201-2 của HaldorTopsoe

15

Quá trình lọc Thiết bị Pressure swing absorbers được sử dụng để lọc bỏ các chất như cacbon monoxide, cabon dioxide, hơi nước và methane trong hydrogen.

Các khí thải ra sẽ được sử dụng như nguyên liệu để đốt cháy lò nung, trong khi hydrogen sẽ được sử dụng như sản phẩm để bán ra thị trường. Hydrogen này sẽ được vận chuyển trong các đường ống hoặc được hóa lỏng và vận chuyển bằng xe tải.

2.2.6 Coal gasification Là một quá trình sản xuất syngas-một hỗn hợp của methane (CH4), cacbon monoxide (CO), hydrogen (H2), cacbon dioxide (CO2) và nước, nguyên liệu sử dụng là than và nước, khôngkhí (hoặc oxygen). Hydrogen được thu được từ quá trình coal gasification có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như tổng hợp ammonia, cung cấp năng lượng trong ngành công nghiệp hydrogen…..

Tùy thuộc vào kích cỡ của than đưa vào lò khí hóa mà có thể áp dụng một trong 3 kiểu công nghệ coal gasification phổ biến hiện nay là: • Moving bed (thích hợp với than cám nhỏ hơn 2mm)

Hình 9: Moving bed

16

• Fluid bed: thích hợp với than cục nhỏ (nhỏ hơn 10mm) • Entrained bed: thích hợp với than cục to 10-100mm

Hình 10:Entrained bed Nguyên tắc Oxy và phân tử nước oxy hóa than đá để sản xuất ra hỗn hợp khí cacbon dioxide (CO2), cacbon monoxide (CO), hơi nước (H2O) và Hydrogen (H2). Một số sản phẩm khác như nhựa đường, phenol,… cũng có thể là sản phẩm cuối cùng của quá trình này, tùy thuộc vào công nghệ và mục đích sử dụng.

Nguồn nguyên liệu Bao gồm than, không khí và hơi nước, trong đó: C 85%, H 4%, O5% các chất khác 6% (thường là sulfur và nitrogen dưới dạng H2S và HCN)

17

Các phương pháp gasification có thể được áp dụng cho nhiều loại than khác nhau, ví dụ phương pháp entrained bed có thể dùng các loại nguyên liệu khác nhau như than gỗ, than nâu, gỗ, than antraxit,… Tuy nhiên, than antraxit có thể tạo ra nguồn hydrogen tinh khiết hơn các loại than còn lại.

Các bước: • Gasification Than đá được trộn lẫn với oxygen và hơi nước ở nhiệt độ cao, không dưới 1000oC (một số trường hợp xảy ra ở điều kiện áp suất cao). Nếu như than đá bị nung nóng bởi nhiệt từ môi trường bên ngoài, quá trình này được gọi là “allot thermal”, mặc khác, nếu nó sử dụng nhiệt từ phản ứng tự tỏa nhiệt của chính nó, quá trình này được gọi là “auto thermal”.

Quá trình này có thể xảy ra trong các mõ than dưới lòng đất (underground coal gasification) hoặc trong các nhà máy lọc dầu.

3C (than đá) + O2 + H2O → H2 + 3CO Coal gasification: là một quá trình công nghiệp, thường được sử dụng trong các mõ than mà không có mục đích để khai thác. Trong quá trình này, một khí có tính oxy hóa (thường là oxy hoặc không khí sẽ được bơm vào trong mõ than, sau đó khí sản phẩm sẽ được dẫn lên bệ mặt thông qua các giếng khoang trên mặt đất. So với phương pháp truyền thống, phương pháp này ít ảnh hưởng đến môi trường hơn, tuy nhiên nó vẫn gây ra một số vấn đề như ô nhiễm nguồn nước ngầm.

• Cooling and cleaning Đầu tiên, hỗn hợp syngas sẽ được làm nguội (nhiệt độ giảm từ khoảng 1200oC xuống 800oC) bằng hệ thống tuần hoàn hơi nước (steam cycle) (hơi nước này có thể được tạo ra bằng một hệ thống turbine, hệ thống ngưng tự và bơm), nhiệt độ của khí lúc này vào khoảng 250oC. Sau đó hỗn hợp này sẽ được lọc để loại bỏ các tro than, sulfur,… Sản phẩm thu được cuối quá trình này là hỗn hợp của cacbon monoxide, cacbon dioxide và oxygen.

• Water gas shift reaction

18

Quá trình này xảy ra ở nhiêt độ thấp và sử dụng các chất xúc tác như CoMo (theo như quy trình của Topsoe) hoặc FeCr/CuZn. Trong quá trình này, cacbon monoxide sẽ được phản ứng tiếp với hơi nước để tạo thêm nhiều hydrogen và cacbondioxide.

• Quá trình tách Hydrogen sẽ được tách nhờ hệ thống pressure swing adsorption (PSA), cuối cùng ta sẽ thu được hydrogen tinh khiết (99,999%) với hiệu suất là 85%.

Hỗn hợp khí sau khi tách ra có thể được sử dụng để đốt cung cấp nhiệt cho turbine khí hoặc trong các thiết bị khác.

2.3 Tồn trữ Hydro 2.3.1 Dưới dạng khí nén áp suất cao Hydrogen có thể được nén trong các bình chứa với áp suất cao. Các loại bình chứa khác nhau về cấu trúc tùy theo dạng ứng dụng đòi hỏi mức áp suất như thế nào.

Phần lớn các bình ứng dụng tĩnh có mức áp suất thấp hơn. Trong khi đó, yêu cầu cho các ứng dụng di động lại khá khác biệt bởi sự hạn chế về không gian lưu trữ. Đối với các ứng dụng này, áp suất trong bình được tăng lên đến 700 bar để chứa được càng nhiều hydrogen càng tốt trong một không gian giới hạn.

Các bình áp suất chứa khí nén thường làm bằng thép nên rất nặng. Các bình áp suất hiện đại được làm từ những vật liệu composite và nhẹ hơn nhiều.

2.3.2 Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng Hydrogen chỉ tồn tại ở thể lỏng dưới nhiệt độ cực lạnh, 200K hay âm 2350C. Nén, làm lạnh (hóa lỏng) hydrogen tiêu tốn khá nhiều năng lượng, do đó tổn thất năng lượng hao hụt đến khoảng 30% khi dùng phương pháp này. Tuy nhiên, ưu điểm của việc lưu trữ hydrogen dưới dạng lỏng là tốn ít không gian nhất, do hydrogen có tỉ trọng năng lượng theo thể tích cao nhất khi hóa lỏng. Vì thế mà cách này đặc biệt thích hợp với các ứng dụng di động như các phương tiện giao thông. Hiện tại người ta đã sản xuất được những robot tự động để “tiếp” nhiên liệu (re-fuelling). Với các dạng lưu trữ tĩnh, cách thức này chỉ được dùng khi hydrogen thực sự cần thiết phải ở dạng lỏng, ví dụ như trong các trạm nhiên liệu hay khi cần vận chuyển hydrogen đường dài (bằng tàu biển chẳng

19

hạn). Ngoài ra, với tất cả các ứng dụng khác ta nên tránh dùng cách lưu trữ này bởi sự tiêu tốn khá nhiều năng lượng cần để hóa lỏng.

2.3.3. Lưu chứa hydrogen nhờ hấp thụ hóa học Hydrogen có thể được giữ trong nhiều hợp chất nhờ liên kết hóa học. Và khi cần thiết, phản ứng hóa học sẽ xảy ra để giải phóng chúng, sau đó hydrogen được thu thập và đưa vào sử dụng trong pin nhiên liệu. Các phản ứng hóa học thay đổi tùy theo hợp chất dùng để lưu trữ hydrogen. Ví dụ như: với NH 3BH3, hydrogen được giải phóng nhờ nhiệt ở 100-3000C; hay hydrogen có thể được giải phóng qua quá trình thủy phân (tác dụng với nước) của các hydride như LiH, LiBH4, NaBH4… Với phương pháp này, ta có thể điều chỉnh được lượng hydrogen sinh ra theo nhu cầu.

2.3.4. Lưu chứa hydrogen trong các hyđrua kim loại (metal hydride) Phương pháp này sử dụng một số hợp kim có khả năng độc đáo, có thể hấp phụ hydrogen. Các hợp kim này hoạt động giống như miếng xốp có thể hút nước vậy, chúng “hút bám” hydrogen, tạo nên các hyđrua kim loại. Khi một hyđrua kim loại được “lấp kín” dần với các nguyên tử khí hydrogen, nó sẽ tỏa nhiệt, do đó, khi muốn giải phóng hydrogen, ta sẽ phải cung cấp nhiệt cho nó.

Công thức tổng quát của quá trình hấp phụ và giải hấp hyđrua kim loại: M + xH2< => MH2x (15.6) Phương pháp này có thể chứa được một lượng rất lớn thể tích khí hydrogenhấp phụ vào kim loại. Tuy nhiên, lượng hydrogen hấp phụ chỉ chiếm khoảng 1% – 2% tổng trọng lượng bình chứa (kim loại). Vì thế mà các bình chứa dạng này khá nặng và vì vậy chúng không thể sử dụng trong các ứng dụng di động. Ưu điểm của phương pháp này là hầu hết các hyđrua kim loại có thể hoạt động ở áp suất bình thường, do đó xét về mặt sử dụng và an toàn, đây là những điểm thuận lợi của việc lưu trữ hydrogen nhờ các hyđrua kim loại. Muốn giải phóng khí hydrogen cần cung cấp nhiệt, vì thế, trường hợp các thùng chứa bị bể vỡ chẳng hạn thì hydrogen vẫn giữ kết nối trong kim loại mà không bị hao hụt.

20

Lưu trữ hydrogen bằng các hyđrua kim loại hiện nay đang được ứng dụng nhiều trong các tàu ngầm.

2.3.5. Lưu chứa hydrogen trong ống carbon nano rỗng Phương pháp này về nguyên tắc tương tự như hyđrua kim loại trong cơ chế lưu giữ và giải phóng hydrogen. Vật liệu carbon nano này có thể tạo nên một cuộc cách mạng trong công nghệ lưu trữ hydrogen trong tương lai. Cách đây vài năm, các nhà khoa học đã khám phá được đặc tính hữu ích của carbon nano là có thể chứa được những lượng lớn hydrogen trong các vi cấu trúc than chì dạng ống. Hydrogen có thể chui vào trong ống, cũng như vào khoảng trống giữa các ống. Lượng hydrogen hấp thụ phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ, nên về nguyên tắc, người ta có thể thay đổi áp suất hoặc nhiệt độ, rồi bơm hydrogen vào để lưu trữ, hay đẩy hydrogen ra để sử dụng. Vấn đề hiện nay là phải tìm ra các loại ống nano carbon chứa được nhiều hydrogen. Ngoài ra, ta cũng cần vật liệu với tỷ lệ ống nano carbon cao, không lẫn với nhiều loại bụi than khác. Ưu điểm mang tính đột phá của công nghệ nano này chính là lượng lớn hydrogen mà nó có thể lưu chứa được, hơn nữa, so với cách lưu trữ bằng hợp kim thì ống carbon nano cũng nhẹ hơn. Ống carbon nano có thể chứa được lượng hydrogen chiếm từ 4% – 65% trọng lượng của chúng. Hiện nay, công nghệ này đang được quan tâm nghiên cứu rất nhiều trên thế giới, hứa hẹn một phương thức lưu trữ hydrogen đầy tiềm năng, nhất là cho các ứng dụng pin nhiên liệu di động và nhỏ gọn như máy tính xách tay, máy ảnh, điện thoại di động…v.v.

Ngoài ra, còn một phương pháp lưu trữ hydrogen khác tuy ít phổ biến nhưng cũng khá thú vị, đó là chứa hydrogen trong các vi cầu bằng kính.

2.3.6. Lưu chứa hydrogen trong các vi cầu thủy tinh (glass microsphere) Các khối cầu thủy tinh rỗng tí hon có thể được dùng như một phương thức lưu trữ hydrogen an toàn. Những vi cầu rỗng này được làm nóng dẻo, gia tăng khả năng thấm của thành thủy tinh, rồi được lấp đầy khi được đặt ngập trong khí hydrogen với áp suất cao. Các khối cầu này sau đó được làm nguội, “khóa lại” hydrogen bên trong khối thủy tinh. Khi ta tăng nhiệt độ, hydrogen sẽ được giải phóng ra khỏi khối cầu và sử dụng.

21

Phương pháp vi cầu này rất an toàn, tinh khiết và có thể chứa được hydrogen ở áp suất thấp, vì thế gia tăng giới hạn an toàn.

2.4 Vấn đề an toàn Hydrogen là khí không màu, không mùi, không vị và rất hoạt động. Khi hydrogen cháy nó mang mối nguy hiểm tiềm ẩn bởi ngọn lửa của nó không thể nhận thấy bằng mắt thường. Do đó nó có thể lan đi mà người ta không thể nhận biết để cảnh báo. Tuy nhiên, trong chừng mực nào đó, hydrogen cháy an toàn hơn các nhiên liệu hóa thạch thông thường. Hydrogen có tốc độ bừng cháy rất cao và tiêu tán mau. Do đó, những vụ cháy, thậm chí bắt nguồn từ hydrogen lỏng, thường bùng lên rất nhanh rồi hết. Theo tính toán của các nhà khoa học cho thấy ở một vụ cháy xe cộ liên quan đến xăng dầu, đám cháy có thể kéo dài hai mươi đến ba mươi phút, trong khi đó, ngọn lửa từ đám cháy của chiếc xe chạy bằng lượng hydrogen tương đương chỉ kéo dài từ một đến hai phút!

Hydrogen khi bị đốt cháy sinh ra nhiệt và hơi nước. Do không có carbon, hơn nữa hơi nước lại là chất hấp thụ nhiệt nên hydrogen cháy tỏa nhiệt ít hơn nhiều so với khi các hydrocarbon cháy và đám cháy không lan đi, chỉ có những vật trực tiếp bị đốt dưới ngọn lửa đó mới bị cháy nặng. Những vật khác ở gần ngọn lửa sẽ khó mà tự bắt cháy được. Vì thế mà mối nguy hiểm về khói độc và việc cháy lan kéo dài đối với hydrogen đã được giảm đi đáng kể. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng trong vấn đề cứu hỏa.

Tỉ trọng thấp và khả năng khuếch tán nhanh cho phép hydrogen thoát nhanh vào khí quyển nếu như có sự rò rỉ xảy ra. Trong khi đó, propane và xăng dầu, với tỉ trọng cao và khả năng khuếch tán thấp, dễ tụ lại gần mặt đất, làm gia tăng rủi ro cháy nổ.

Hydrogen phải đạt đến nồng độ 4% trong khí quyển mới gây nguy hiểm, khi đó khả năng bắt lửa của hydrogen sẽ tăng lên nhanh. Mặc dù nồng độ 4% xem như không cao, nhưng nếu so sánh với nồng độ cần đạt để bốc cháy của xăng dầu chỉ có 1%, hydrogen cho thấy mức rủi ro cháy nổ thấp hơn đáng kể.

Hydrogen không độc và không ăn mòn. Xăng và dầu rất độc với con người và sinh vật nếu như vô tình chúng bị rò rỉ ra môi trường bên ngoài. Trong khi đó, nếu hydrogen bị thoát ra, chúng sẽ bay hơi gần như hoàn toàn và chỉ để lại nước đằng sau

22

2.5 Ứng dụng khí Hydro 2.5.1 Ứng dụng hydrogen trong lĩnh vực nguyên nhiên liệu Chúng ta đã khá quen thuộc với hình ảnh hydrogen như là nguyên liệu cho nhiều ngành công nghiệp hóa học: chế tạo ammonia, methanol, lọc dầu, phân bón, luyện kim, mỹ phẩm, chất bán dẫn v.v. Thế nhưng, không chỉ có vậy, hydrogen còn là một nguồn nhiên liệu đầy tiềm năng với nhiều ưu điểm thuận lợi về môi trường và kinh tế.

Hydrogen là nguồn năng lượng sạch, gần như không phát thải khí ô nhiễm mà chỉ sinh ra hơi nước. Từ nước qua quá trình điện phân ta lại có thể thu được hydrogen. Vì vậy, hydrogen là nguồn năng lượng gần như vô tận hay có thể tái sinh được. Hơn nữa, xét về mặt trọng lượng, hydrogen có tỉ trọng năng lượng cực kỳ cao. Trên thực tế, nhờ hai đặc tính nhẹ và tỉ trọng năng lượng cao này, hydrogen đã được dùng làm nhiên liệu cho tên lửa từ những buổi ban đầu của công nghệ du hành không gian.

Khi dùng làm nhiên liệu, hydrogen có thể được đốt trực tiếp trong các động cơ đốt trong, tương tự như trong các loại phương tiện giao thông chạy bằng xăng dầu phổ biến hiện nay. Hydrogen cũng có thể thay thế khí thiên nhiên để cung cấp năng lượng cho các nhu cầu dân dụng hàng ngày như đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng…v.v.

Mặt khác, hydrogen còn có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống pin nhiên liệu, nhờ quá trình điện hóa để tạo ra điện năng. Bên cạnh những ưu điểm của hydrogen như đã nêu trên (sạch, tái sinh…), pin nhiên liệu còn chạy rất êm, không gây ra tiếng động, chấn động như động cơ đốt trong. Do dựa trên cơ chế của quá trình điện hóa tạo ra điện năng chứ không phải quá trình đốt như ở động cơ đốt trong, pin nhiên liệu còn đạt hiệu suất sử dụng cao hơn nhiều so với động cơ đốt trong, vì thế mà tiết kiệm năng lượng hơn. Với những ưu thế vượt trội đó, pin nhiên liệu đang ngày càng được quan tâm và dự đoán sẽ trở nên nguồn nhiên liệu đầy triển vọng, một thành phần chủ chốt của nền kinh tế hydrogen trong viễn cảnh tương lai.

2.5.2 Pin nhiên liệu Trong khi thế kỉ 19 được mệnh danh là thế kỉ của động cơ hơi nước và thế kỉ 20 là thế kỉ của động cơ đốt trong thì ta có thể nói, thế kỉ 21 sẽ là kỉ nguyên của pin nhiên

23

liệu. Pin nhiên liệu hiện nay đang dần được phổ biến trên thị trường, dự đoán sẽ tạo nên cuộc cách mạng năng lượng trên thế giới trong tương lai. Pin nhiên liệu có thể sử dụng hydrogen làm nhiên liệu, mang đến triển vọng cung cấp cho thế giới một nguồn điện năng sạch và bền vững.

Tương tự như ắc quy, pin nhiên liệu là một thiết bị tạo ra điện năng thông qua cơ chế phản ứng điện hóa. Điểm khác biệt nằm ở chỗ, pin nhiên liệu có thể tạo ra dòng điện liên tục khi có một nguồn nhiên liệu cung cấp cho nó, trong khi đó, ắc quy cần phải được nạp điện lại (sạc) sau một thời gian sử dụng. Vì thế mà pin nhiên liệu không chứa năng lượng bên trong, nó chuyển hóa trực tiếp nhiên liệu thành điện năng, trong khi ắc quy cần phải được nạp điện lại từ một nguồn bên ngoài.

Mỗi pin nhiên liệu gồm có hai điện cực âm (cathode) và dương (anode). Phản ứng sinh ra điện năng xảy ra tại hai điện cực này. Giữa hai điện cực còn chứa chất điện phân, vận chuyển các hạt điện tích từ cực này sang cực khác, và chất xúc tác nhằm làm tăng tốc độ phản ứng. Các module pin nhiên liệu thường kết nối với nhau, song song hay trực tiếp để tạo ra các thiết bị có mức công suất phát điện khác nhau và lớn hơn.

Hai nhiên liệu cơ bản cần thiết cho pin nhiên liệu vận hành chỉ đơn giản là hydrogen và oxygen. Lợi thế hấp dẫn của pin nhiên liệu là ở chỗ nó tạo ra dòng điện sạch, rất ít ô nhiễm, do sản phẩm phụ của quá trình phát điện cuối cùng chỉ là nước, không hề độc hại.

Các phản ứng hóa học tạo ra dòng điện chính là chìa khóa trong cơ chế hoạt động của pin nhiên liệu. Có nhiều loại pin nhiên liệu và mỗi kiểu vận hành một cách khác nhau nhưng cùng chung nguyên tắc cơ bản. Khi những nguyên tử hydrogenđi vào pin nhiên liệu, phản ứng hóa học xảy ra ở anode sẽ lấy đi electron của chúng. Những nguyên tử hydrogenlúc này bị ion hóa và mang điện tích dương. Electron điện tích âm sẽ chạy qua dây dẫn tạo ra dòng điện một chiều.

Oxygen đi vào cathode và, trong một số dạng pin nhiên liệu, chúng sẽ kết hợp với các electron từ dòng điện và những ion hydrogen vừa đi qua chất điện phân từ anode; ở

24

một số dạng pin nhiên liệu khác, oxygen lấy electron rồi đi qua chất điện phân đến anode, gặp và kết hợp với các ion hydrogen tại đó.

Chất điện phân đóng vai trò quyết định chủ chốt. Nó phải chỉ cho phép những ion thích hợp đi qua giữa anode và cathode; vì nếu electron tự do hay các chất khác cũng có thể đi qua chất điện phân này, chúng sẽ làm hỏng các phản ứng hóa học.

Dù cùng gặp ở anode hay cathode, kết hợp với nhau, hydrogen và oxygen cuối cùng cũng tạo ra nước, thoát ra khỏi pin. Pin nhiên liệu sẽ liên tục phát điện khi vẫn được cung cấp hydrogen và oxygen. Dưới đây là sơ đồ mô tả hai phản ứng cơ bản trong pin nhiên liệu mà phản ứng tồng quát của chúng chính là phản ứng nghịch của quá trình điện phân nước: Phản ứng trên anode: 2 H2 => 4 H+ + 4ePhản ứng trên cathode: O2 + 4 H+ + 4e- => 2 H2O __________________________________________________________ Tổng quát: 2 H2 + O2 => 2 H2O + năng lượng (điện) Phản ứng hóa học tổng quát cho pin nhiên liệu còn tương tự như phản ứng hóa học mô tả quá trình hydrogen bị đốt cháy với sự hiện diện của oxy, tức cũng là sự kết hợp giữa khí hydrogenvà oxygen tạo nên năng lượng; điểm làm nên sự khác biệt quan trọng giữa hai quá trình đó nằm ở cơ chế phản ứng – phản ứng cháy tạo ra nhiệt trong khi phản ứng điện hóa của pin nhiên liệu sinh ra điện năng. Pin nhiên liệu chuyển đổi trực tiếp hóa năng thành điện năng, quá trình này không liên quan đến sự chuyển hóa nhiệt thành cơ năng nên không phải là đối tượng của định luật nhiệt động lực học giới hạn hiệu suất tối đa của các động cơ nhiệt thông thường (Carnot) . Do đó, hiệu suất pin nhiên liệu có thể vượt được giới hạn Carnot, thậm chí ngay cả khi vận hành ở nhiệt độ tương đối thấp.

25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.

http://www.airproducts.com/~/media/Files/PDF/industries/energy-hydrogen-

steam-methane-reformer-datasheet.pdf 2.

http://luanvan.co/luan-van/san-xuat-hydro-51963/

3.

https://sites.google.com/site/vnggenergy/hydrogen

4.

http://cafcp.org/category/topics/hydrogen-production

5.

http://www.vinachem.com.vn/Desktop.aspx/Xuat-ban-pham/So-6-2003/1411/

6.

http://www.combustioninstitute.it/proc/proc2006/documenti/Papers/06-05-

biagini-049.pdf 7.

http://hoahocngaynay.com/vi/hoa-hoc-hien-dai/pin-nhien-lieu/3-hydrogen-va-

pin-nhien-lieu.html

26