NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT HÓA HỌC - PIN NHIÊN LIỆU HYDROGEN

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh Trường Đại Học Bách Khoa Khoa Kỹ Thuật Hóa Học 

Môn học: NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT HÓA HỌC Đề tài: PIN NHIÊN LIỆU HYDROGEN

GV: TS. Nguyễn Ngọc Hạnh HVTH: Nguyễn Văn Tú Phạm Trịnh Tường Vy Nguyễn Quốc Tuấn

TP. HỒ CHÍ MINH, 12/2013

13050919 13050205 13050203

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

MỤC LỤC MỤC LỤC ........................................................................................................................ i DANH SÁCH CÁC BẢNG ........................................................................................... iv

H

Ơ

PHẦN 1 ........................................................................................................................... 1

N

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ..................................................................................... iii

N

QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG ............................................................ 1

U Y

1.1. Từ nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch đến nền kinh tế hydro. ................... 1

.Q

1.2. Sản xuất hydrogen. ................................................................................................ 2

TP

1.2.1. Phương pháp khí hóa từ hydrocacbon. ........................................................... 3

ẠO

1.2.1.1. Khí hóa khí thiên nhiên. ........................................................................... 3

Đ

1.2.1.2. Khí hóa than đá......................................................................................... 3

G

1.2.1.3. Khí hóa sinh khối. .................................................................................... 4

H Ư

N

1.2.2. Phân hủy nước. ............................................................................................... 4 1.2.2.1. Điện phân nước. ....................................................................................... 5

TR ẦN

1.2.2.2. Phân hủy nước dưới ánh sáng mặt trời có xúc tác. .................................. 6 1.2.3. Phương pháp vi sinh. ...................................................................................... 7 PHẦN 2 ......................................................................................................................... 11

10 00

B

LỢI ÍCH HYDROGEN – NỀN KINH TẾ HYDROGEN ............................................ 11 2.1. Hydrogen – nguồn nhiên liệu mới. .................................................................. 11

A

2.2. Ứng dụng của hydrogen. ................................................................................... 12

Ó

2.3. Viễn cảnh nền kinh tế hydrogen. ..................................................................... 14

Í-

H

2.4. Những khó khăn khi sử dụng nhiên liệu hydro. .............................................. 16

-L

2.4.1. Trở ngại trong quá trình sản xuất hydro. .................................................. 16

ÁN

2.4.2.Giá cả của việc sản xuất hydro. .................................................................. 17 2.4.3. Tính hiệu quả trong quá trình sử dụng hydrogen. ........................................ 18

TO

2.4.4.Vấn đề an toàn.............................................................................................. 19

ÀN

PHẦN 3 ......................................................................................................................... 20

D

IỄ N

Đ

PIN NHIÊN LIỆU ......................................................................................................... 20 3.1.Khái niệm về pin nhiên liệu.................................................................................. 20 3.1.1 Lịch sử. ......................................................................................................... 20 3.1.2 Khái niệm. .................................................................................................... 21 3.2.Nhiên liệu hydrogen. ............................................................................................ 21 3.2.1.Vai trò của hydro trong pin nhiên liệu. .......................................................... 21

i

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

3.2.2.Tính chất vật lý của hydrogen. ...................................................................... 22 3.2.3. Tính chất nhiên liệu của hydro. .................................................................... 23 3.2.3.1.Tính dễ cháy. ........................................................................................... 24 3.2.3.2.Vấn đề an toàn, cháy nổ. ......................................................................... 26

Ơ

3.3.1. Cấu tạo pin nhiên liệu hydro. ........................................................................ 29

N

3.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu. ........................................... 29

N

H

3.3.2. Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu hydro. ............................................ 30

U Y

3.4. Phân loại pin nhiên liệu. ..................................................................................... 34

.Q

3.4.1. Pin nhiên liệu kiềm (Alkaline fuel cell - AFC). ........................................... 35

TP

3.4.2. Pin nhiên liệu carbonat nóng chảy (Molten carbonate fuel cell - MCFC). ... 36 3.4.3. Pin nhiên liệu acid phosphoric (Phosphoric acid fuel cell - PAFC) ............. 37

Đ

ẠO

3.4.4. Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell – PEMFC). .............................................................................................................. 39

G

3.4.5. Pin nhiên liệu oxide rắn (Solid oxide fuel cell - SOFC). ............................. 40

H Ư

N

3.4.6. RFC (Regenerative Fuel Cell) – pin nhiên liệu tái sinh. .............................. 41 PHẦN 4 ......................................................................................................................... 45

TR ẦN

LƯU TRỮ HYDRO ...................................................................................................... 45 4.1. Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí nén. .............................................................. 47

B

4.2. Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng. ...................................................... 48

10 00

4.3. Lưu chứa hydrogen nhờ hấp thụ hóa học. ........................................................... 49 4.4. Lưu chứa hydrogen trong các hyđrua kim loại (metal hydride). ........................ 50

A

4.5. Lưu chứa hydrogen trong ống carbon nano rỗng. ............................................... 53

H

Ó

4.6. Lưu chứa hydrogen trong các vi cầu thủy tinh (glass microsphere). .................. 54

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 55

ii

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ quá trình điện phân và thu hydro. ......................................................... 5 Hình 1.2: Sơ đồ chuyển hóa hydro trực tiếp từ ánh sáng mặt trời. ................................. 6

H

Ơ

N

Hình 1.3: Sơ đồ tam giác năng lượng của nền kinh tế hydro sử dụng năng lượng mặt trời.................................................................................................................................... 7

U Y

N

Hình 1.4: Khái quát sơ đồ tạo ra hydro sinh học bằng chất thải hữu cơ và rác thải nông nghiệp. ............................................................................................................................. 8

.Q

Hình 1.5: Sơ đồ sản sinh hydro từ tảo xanh. ................................................................... 8

TP

Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý của công nghệ sản xuất hydro từ chất hữu cơ như axit axetic và xenlulô. ....................................................................................................................... 9

ẠO

Hình 2.1 : Chiếc xe hơi sử dụng pin nhiên liệu hydro. ............................................. 12

Đ

Hình 2.2 : Viễn cảnh năng lượng tương lai cho thế kỉ 21. ........................................ 14

N

G

Hình 3.1: Ngọn lửa cháy của Hydrocacbon (mũi tên đỏ) và của Hydro (vòng xanh). . 26

H Ư

Hình 3.2: Thử nghiệm đám cháy xe chạy bằng Hydro (trái) và bằng xăng (phải). ...... 27 Hình 3.3: Mô tả cấu tạo pin hydro. ................................................................................ 29

TR ẦN

Hình 3.4: Nguyên lý hoạt động của pin hydro. ............................................................. 31 Hình 3.5: Sơ đồ pin khi hoạt động................................................................................. 32

B

Hình3.6: Các loại pin hydro. ......................................................................................... 35

10 00

Hinh 3.7: Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu kiềm. .............................................. 35

Ó

A

Hình 3.8: a) Tàu Con Thoi của NASA (Hoa Kỳ) sử dụng pin nhiên liệu Alkali để cung cấp năng lượng và nước uống trong không gian; b) Chiếc taxi chạy bằng pin nhiên liệu đầu tiên của ZEVCO ở London, Anh. ........................................................................... 36

Í-

H

Hình 3.9: Sơ đồ hoạt động của pin PAFC. .................................................................... 38

-L

Hình 3.10: Hoạt động của pin PEMFC. ........................................................................ 39

ÁN

Hình 4.1: Các phương pháp vận chuyển hydro. ............................................................ 45 Hình 4.2: Mô hình vận chuyển và lưu kho nhiên liệu Hydrogen. ................................. 47

TO

Hình 4.3: Giản đồ pha của hydro................................................................................... 49

D

IỄ N

Đ

ÀN

Hình 4.4: Bình lưu trữ hydrua kim loại………………………………………………53

iii

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

DANH SÁCH CÁC BẢNG

H

Ơ

N

Bảng 2.1 : Ước tính giá thành sản xuất, vận chuyển và phân phối hydrogen từ các nguồn khác nhau. ........................................................................................................... 17

N

Bảng 3.1: Tóm tắt tính chất vật lý của Hydrogen. ........................................................ 22

U Y

Bảng 3.2: Các loại pin nhiên liệu. ................................................................................. 42

.Q

Bảng 3.3: Các giá trị hóa lý của các loại nhiên liệu sử dụng trong pin nhiên liệu. ........ 42

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

ẠO

TP

Bảng 3.4: So sánh các dạng pin nhiên liệu chính. ........................................................ 43

iv

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

PHẦN 1

QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG Từ xa xưa, con người đều hướng tới việc sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa

N

thạch để phục vụ cho cuộc sống. Tuy nhiên, việc sử dụng các nguồn nhiên liệu đó đã

H

Ơ

gây ra nhiều vấn đề đáng lo ngại, trữ lượng ngày càng cạn kiệt do sự khai thác không

N

mệt mỏi của con người, ô nhiễm ngày càng trầm trọng do những chất thải phát ra từ

U Y

việc khai thác sử dụng, việc khai thác cũng dẫn đến những biến đổi trong cấu trúc hệ

.Q

sinh thái trong môi trường (khai thác dầu mỏ, khai thác than đá…)

TP

Ngày nay, nhiều nước phát triển trên thế giới đã bắt đầu hoạch định mục tiêu

ẠO

hướng đến nền kinh tế hydro (hydrogen economy) trong chiến lược năng lượng của

Đ

mình, và một vấn đề quan trọng là pin nhiên liệu hydro. Vậy, pin nhiên liệu hydro là

N

G

gì? Nó hoạt động như thế nào? Lưu trữ hydro ra sao? Nền kinh tế hydro là gì? Nó đem

H Ư

lại những lợi ích nào cho cuộc sống? Bài viết này sẽ cố gắng đưa ra một cái nhìn khái

TR ẦN

quát về những vấn đề nói trên để cho thấy những nỗ lực của con người nhằm hướng đến viễn cảnh năng lượng sạch và bền vững trong tương lai.

B

1.1. Từ nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch đến nền kinh tế hydro.

10 00

Thế giới chúng ta đang bị phụ thuộc nặng nề vào một nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch. Nhiên liệu của đa số các phương tiện giao thông hiện tại (xe hơi, xe lửa,

Ó

A

máy bay…) là xăng dầu; một tỉ lệ khá cao các nhà máy điện là nhiệt điện dùng dầu

H

hỏa, khí thiên nhiên hay than đá. Nếu không có nhiên liệu hóa thạch, thế giới sẽ rơi

-L

Í-

vào khủng hoảng.

ÁN

Trong khi nhiên liệu hóa thạch đóng một vài trò quan trọng trong việc đưa xã hội đến mức phát triển như ngày nay thì nó cũng tồn tại những vấn đề nhức nhối lớn: ô

TO

nhiễm không khí, nguy hiểm và đáng lo ngại hơn cả là vấn đề biến đổi khí hậu toàn

ÀN

cầu cùng với sự nóng lên của trái đất. Ngoài ra, nhiên liệu hóa thạch chỉ là nguồn tài

D

IỄ N

Đ

nguyên hữu hạn không thể được tái tạo, và nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch còn làm cho một số nước không có nhiều tài nguyên sẽ bị phụ thuộc vào những nước vốn có nguồn dầu dồi dào (dầu mỏ ở Trung Đông…), từ đó dẫn đến nhiều hệ lụy chính trị và kinh tế khác, thậm chí cả những cuộc chiến tranh giành dầu mỏ.

1

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

Giữa bối cảnh đó, khái niệm về một nền kinh tế hydro dựa trên nguồn năng lượng sạch, dồi dào phục vụ mục tiêu phát triển bền vững của nhân loại xuất hiện như một giải pháp đầy hứa hẹn và tiềm năng. “Nền kinh tế hydro là một hệ thống lưu trữ, phân phối và sử dụng năng lượng dựa trên nhiên liệu chính là hydro”. Thuật ngữ này

N

được tập đoàn General Motors đặt ra năm vào 1970. Nền kinh tế hydro hứa hẹn đẩy lùi

H

Ơ

tất cả những vấn đề đáng lo ngại do nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch đã gây Một cách tóm tắt, những lợi ích chính của nền kinh tế hydro là:

U Y

N

ra.

TP

.Q

- Không gây ô nhiễm: khí hydro được sử dụng trong pin nhiên liệu, nó là một

ẠO

công nghệ hoàn toàn sạch. Sản phẩm duy nhất sinh ra là nước, do đó sẽ không gây ra ô nhiễm.

G

Đ

- Không thải ra khí gây hiệu ứng nhà kính: quá trình điện phân nước tạo hydro

H Ư

N

không hề tạo nên khí nhà kính nào. Đó là một quá trình lý tưởng và hoàn hảo: điện phân nước để thu hydro, hydro lại tái kết hợp với oxy để tạo ra nước và cung cấp điện

TR ẦN

năng trong pin nhiên liệu.

- Không phụ thuộc về kinh tế: không dùng dầu mỏ cũng có nghĩa là không phải

B

phụ thuộc vào các thùng dầu nhập khẩu từ nước ngoài. Nước có ở tất cả mọi nơi, là

10 00

nguồn năng lượng vô tận, chiếm đến 3/4 bề mặt trái đất.

Ó

năng lượng tái sinh.

A

- Hydro có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau: nhất là từ các nguồn

Í-

H

Như vậy, những lợi ích về mặt môi trường, kinh tế và xã hội của hydro là rất

-L

đáng kể. Tất cả những thế mạnh đó đã tạo nên một bước đột phá mạnh mẽ hướng nhân

ÁN

loại tiến đến nền kinh tế hydro.

TO

1.2. Sản xuất hydrogen.

ÀN

Hydro là nguyên tố phổ biến nhất, cấu thành đến 90% vật chất của vũ trụ (75%

theo trọng lượng). Mặt Trời, hầu hết các ngôi sao và một số hành tinh như Jupiter (sao

D

IỄ N

Đ

Mộc - hành tinh lớn nhất Thái Dương hệ) được tạo nên chủ yếu bởi hydro. Phản ứng tổng hợp hạt nhân giữa các đồng vị của hydro - deuterium và tritium đã cung cấp nguồn năng lượng khổng lồ cho mặt trời và các ngôi sao, nhờ đó duy trì sự sống.

Hydro là thành viên nhỏ nhất và có cấu trúc đơn giản nhất trong gia đình các

nguyên tố hóa học, chỉ gồm một proton và một electron. Phân tử hydro chứa hai

2

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

nguyên tử hydro, là khí không màu, không mùi, không vị, rất dễ cháy. Hydro có trọng lượng nhỏ nhất trong các loại khí và hydro dạng nguyên chất gần như không tồn tại trong tự nhiên.

Trên Trái Đất, hydro phần lớn ở dạng kết hợp với oxy trong nước, hay với

N

cacbon và các nguyên tố khác trong vô số các hợp chất hữu cơ tạo nên cơ thể mọi loài

H

Ơ

động thực vật. Khác với các nguồn nhiên liệu hóa thạch (ví dụ như dầu mỏ có thể bơm

U Y

N

trực tiếp từ lòng đất lên rồi sử dụng), hydro là nguồn năng lượng thứ cấp, tức là chúng không thể được khai thác trực tiếp mà phải được tạo ra từ một nguồn sơ cấp ban đầu.

TP

.Q

Điều này là một điểm bất lợi, nhưng đồng thời lại là điểm mạnh của hydro do người ta

ẠO

có thể sản xuất khí hydro từ nhiều nguồn khác nhau, đặc biệt từ các nguồn năng lượng tái sinh.

G

Đ

Có ba phương pháp cơ bản tạo ra hydro:

H Ư

N

+ Phương pháp chuyển hóa từ hydrocacbon (nhiên liệu hóa thạch, sinh khối) bằng nhiệt.

TR ẦN

+ Phương pháp phân hủy nước. + Phương pháp vi sinh.

10 00

1.2.1.1. Khí hóa khí thiên nhiên.

B

1.2.1. Phương pháp khí hóa từ hydrocacbon.

Quá trình này gồm hai bước chính:

Ó

A

Trước hết, khí thiên nhiên (với thành phần chủ yếu là CH4) được tách cacbon và

Í-

H

chuyển hóa thành H2 nhờ hơi nước dạng hơi quá nhiệt dưới áp suất cao, xúc tác ở nhiệt

ÁN

-L

độ khoảng 900oC.

CH4 + H2O → CO + 3 H2

TO

CO sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước chuyển hóa thành khí CO2

D

IỄ N

Đ

ÀN

và tạo ra thêm khí H2.

CO + H2O → CO2 + H2 Đây là phương pháp công nghiệp phổ biến hiện nay để sản xuất hydrogen.

1.2.1.2. Khí hóa than đá.

Than đá được nghiền thành dạng bột rồi hòa trộn với nước. Phản ứng được tiến hành ở khoảng 1400oC với O2 hay không khí, tạo ra hỗn hợp gồm H2 và CO. CO sinh

3

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước chuyển hóa thành khí CO2 và tạo ra thêm khí H2. * Nhược điểm của 2 phương pháp trên: - Sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch.

N

- Sản phẩm sinh ra khí CO và CO2 - khí gây hiệu ứng nhà kính.

H

Ơ

- Điều kiện phản ứng khá khắc nghiệt, tổn hao nhiêu liệu lớn.

U Y

N

Do vậy, các phương pháp này chỉ để cung cấp nguyên liệu cho các sản xuất hóa

.Q

chất, sản xuất phân bón…, không phải là phương pháp tạo ra năng lượng sạch mà

TP

chúng ta quan tâm.

ẠO

Tuy vậy, phương pháp sản xuất khí hydrogen từ nhiên liệu hóa thạch đã và sẽ còn chiếm ưu thế trong tương lai gần. Lý do chính yếu là do trữ lượng nhiên liệu hóa

G

Đ

thạch còn tương đối dồi dào, nhất là đối với khí thiên nhiên. Hơn nữa, chúng ta có thể

H Ư

N

thu hồi CO2 để hạn chế tác động của nó đến môi trường.

1.2.1.3. Khí hóa sinh khối.

TR ẦN

Sinh khối (thực vật, rác thải nông nghiệp và đô thị... ) có thể được sử dụng để sản xuất hydrogen. Đầu tiên, sinh khối được chuyển thành dạng khí qua quá trình khí

B

hóa ở nhiệt độ cao có tạo ra hơi nước. Hơi nước chứa hydrogen được ngưng tụ và sau

10 00

đó có thể được hóa nhiệt để sinh ra H2. Quá trình này thường tạo ra sản lượng H2 khoảng từ 12-17% trọng lượng hydrogen của sinh khối.

Ó

A

* Ưu điểm:

Í-

H

- Không sử dụng những nguồn nguyên liệu hóa thạch.

ÁN

là vô tận.

-L

- Tận dụng được nguồn chất thải sinh học, rác thải… là những nguồn có thể coi

TO

* Nhược điểm:

ÀN

Quá trình khí hóa ở nhiệt độ cao có thể sinh ra CO2 và các khí gây ô nhiễm môi

trường.

D

IỄ N

Đ

1.2.2. Phân hủy nước.

Phương pháp này là phương pháp được tập trung khai thác nhiều nhất bởi vì nó sử dụng nguồn năng lượng vô tận là nước.

Dựa trên bản chất quá trình phân hủy nước, có thể tóm tắt thành 2 phương pháp để sản sinh H2 như sau:

4

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

1.2.2.1. Điện phân nước.

Phương pháp này dùng dòng điện để tách nước thành khí H2 và O2. Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực. H2 sinh ra ở điện cực âm và O2 sinh ra ở điện

Phản ứng trên anode:

2

-

e- →

2

H2 O

+

½

O2

.Q

OH-

N

2 H2O + 2 e- → H2 + 2 OH-

U Y

Phản ứng trên cathode:

H

Ơ

N

cực dương:

TP

__________________________________________________ 2 H2O + điện năng → 2 H2 + O2

ẠO

Tổng quát:

Nguồn năng lượng để tạo ra điện năng đang được quan tâm nghiên cứu và được

G

Đ

ứng dụng rộng rãi là sử dụng năng lượng mặt trời (bằng các pin mặt trời, chất bán

H Ư

N

dẫn…), thủy điện, năng lượng gió để tạo ra điện năng. Sau đó, dòng điện sẽ được cung

Hình 1.1: Sơ đồ quá trình điện phân và thu hydro.

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

cấp để điện phân nước sản sinh H2.

ÁN

* Ưu điểm:

- Nguồn nguyên liệu vô tận (nước).

- Nguồn năng lượng tạo ra điện năng là vô tận, không sử dụng nguồn nhiên liệu

hóa thạch.

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

- Không gây ô nhiễm môi trường, không gây hiệu ứng nhà kính.

5

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

1.2.2.2. Phân hủy nước dưới ánh sáng mặt trời có xúc tác. Đây là phương pháp sử dụng trực tiếp nguồn năng lượng từ mặt trời, nhờ quá trình tập trung năng lượng đến nhiệt độ cao để phân hủy nước có mặt của xúc tác, tạo ra hydro.

N

Các nhà khoa học thuộc trường đại học Colorado (Mỹ) sử dụng hàng loạt các

H

Ơ

tấm gương cầu để tập trung ánh sáng mặt trời vào một tháp nước cao hàng chục mét.

U Y

N

Tháp này sẽ được đốt nóng tới khoảng 1350oC, đủ nóng để giải phóng hydro với xúc

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

ẠO

TP

.Q

tác là một hợp chất oxit kim loại (Fe, Co, Al).

B

Hình 1.2: Sơ đồ chuyển hóa hydro trực tiếp từ ánh sáng mặt trời.

10 00

Đây là phương pháp được rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và phát

A

triển.

H

Ó

* Ưu điểm:

Í-

- Không gây ô nhiễm.

-L

- Sử dụng nguồn năng lượng vô tận là mặt trời.

ÁN

- H2 được chuyển hóa trực tiếp từ nước dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời,

TO

không qua quá trình sử dụng điện năng để điện phân nước. Do đó, tiết kiệm chi phí vận - Quy trình đơn giản, dễ vận hành.

Hai phương pháp này được khái quát thành một sơ đồ tam giác, đặc trưng cho

việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời để sản sinh hydro.

D

IỄ N

Đ

ÀN

hành.

6

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

ẠO

TP

.Q

U Y

N

H

Ơ

N

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

G

Đ

Hình 1.3: Sơ đồ tam giác năng lượng của nền kinh tế hydro sử dụng năng lượng mặt trời.

H Ư

N

Với đặc điểm sử dụng các nguồn năng lượng tái sinh và không gây ra bất cứ lo kinh tế hydro.

1.2.3. Phương pháp vi sinh.

TR ẦN

ngại nào về ô nhiễm nên cả hai phương pháp nêu trên đóng vai trò là nền tảng của nền

10 00

B

Một số tảo và vi khuẩn có thể sản sinh ra hydrogen quá trình trao đổi chất của chúng. Các sinh vật này thường sống trong nước, phân tách nước thành khí hydro và

A

oxy. Hiện tại, đã có một số công trình nghiên cứu được công bố cho thấy những tín

H

Ó

hiệu khả quan về việc tạo ra hydro bằng phương pháp vi sinh.

Í-

Các nhà nghiên cứu thuộc Trung tâm Nghiên cứu Quốc gia Canada (CNRC) đã

-L

sản xuất được H2 từ các chất thải hữu cơ và từ các chất thải nông nghiệp bằng phương

ÀN

TO

học.

ÁN

pháp lên men, không thải ra khí hiệu ứng nhà kính. H2 tạo ra được gọi là hydro sinh Phương pháp này khắc phục được nhược điểm của phương pháp khí hóa sinh

tương lai, vừa xử lý rác thải và tạo ra hydro cung cấp cho các pin nhiên liệu.

D

IỄ N

Đ

khối đã nói ở trên. Đây cũng là một phương pháp khá triển vọng để tạo ra hydro trong

7

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

.Q

U Y

N

H

Ơ

N

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

TP

Hình 1.4: Khái quát sơ đồ tạo ra hydro sinh học bằng chất thải hữu cơ và rác thải nông nghiệp.

ẠO

Một phương pháp khác được sử dụng để sản xuất hydro từ ánh sáng mặt trời là

Đ

sử dụng quá trình quang hợp của vi sinh vật để phân tách nước thành các ion hydro

N

G

(H+) và electron (điện tử). Các ion hydro sau đó kết hợp thành khí hydro và các vi sinh

H Ư

vật được sử dụng gọi là hydrogenases. Tảo xanh có khả năng sử dụng năng lượng mặt

TR ẦN

trời thông qua quá trình quang hợp để sản xuất hydro. Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Uppsala - Thụy Điển đã nghiên cứu chi tiết cách Photosystem II (một loại

B

enzym có thể sử dụng ánh sáng mặt trời để phân tách nước) hoạt động trong hai chủng

10 00

tảo xanh khác nhau bằng cách đo chính xác số lượng và tính năng của Photosystem II thay đổi trong các điều kiện khác nhau và họ thấy rằng, phần lớn năng lượng được hấp

Ó

A

thụ bởi Photosystem II chuyển đổi vào quá trình sản xuất hydro. Hiệu suất của quá

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

trình chuyển hóa này là 80%.

D

Hình 1.5: Sơ đồ sản sinh hydro từ tảo xanh.

Các nhà khoa học tại Trường Đại học Penn State University (Mỹ) đã nghiên cứu thành công việc tạo ra hydro từ các chất hữu cơ như axit axetic và xenlulô. Theo

8

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

đó, các nhà nghiên cứu đã nuôi vi khuẩn trong một buồng phản ứng yếm khí được thiết kế đặc biệt: một lò phản ứng vi sinh được hỗ trợ bằng điện hóa sinh mà họ gọi là BEAMR. Lò phản ứng này gồm có 2 ngăn: ngăn thứ nhất chứa cực dương hút các ion bạch kim làm chất xúc tác để thu hút các ion dương. Một màng trao đổi ion được đặt

N

âm làm bằng cực than chì, ngăn thứ hai có chứa cực âm làm bằng than có trộn thêm

H

Ơ

giữa để ngăn cách hai ngăn phản ứng trên. Sử dụng một dây điện kết nối 2 điện cực

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

ẠO

TP

.Q

U Y

N

trên với một nguồn điện nhỏ bên ngoài (khoảng 0.2V).

B

Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý của công nghệ sản xuất hydro từ chất hữu cơ như axit axetic và xenlulô.

10 00

Các nhà khoa học sau đó đưa vào buồng phản ứng vi sinh một loạt chất gồm axit axetic và xenlulô. Họ nhận thấy rằng, khi vi khuẩn được tiếp thức ăn, buồng phản

Ó

A

ứng sẽ giải phóng các hạt proton và các hạt electron. Các hạt electron nhanh chóng bị

Í-

H

hút vào anốt trong khi các hạt proton vượt qua màng trao đổi ion để đến với cực âm

-L

catốt. Tại đây xảy ra quá trình giải phóng khí hydro. Khí hydro sẽ được thu vào trong

ÁN

một đường ống.

TO

Toàn bộ quá trình trên đã tạo ra năng lượng lớn hơn 288% so với điện năng sử

ÀN

dụng để tạo ra phản ứng sinh hóa. Các nhà khoa học này ước tính, so với phương pháp

Đ

điện phân truyền thống thường chỉ đạt hiệu suất 60% thì hệ thống BEAMR đạt được

D

IỄ N

hiệu suất tới 82%. * Ưu điểm: - Sử dụng các nguồn vi sinh vật tự nhiên.

- Tận dụng các nguồn thức ăn thừa, các nguồn thực vật, rác thải trong tự nhiên.

- Không gây ô nhiễm môi trường.

9

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

- Kết hợp xử lý ô nhiễm môi trường với tạo ra nguồn năng lượng hydro dồi dào trong các pin nhiên liệu.

Nhờ các ưu điểm trên mà phương pháp vi sinh vẫn đang thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu. Nó được xem là một phương pháp quan trọng cấu thành nền

Ơ

N

kinh tế hydro bên cạnh phương pháp phân hủy nước bằng các nguồn năng lượng vô

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

ẠO

TP

.Q

U Y

N

H

tận.

10

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

PHẦN 2

LỢI ÍCH HYDROGEN – NỀN KINH TẾ HYDROGEN “Tôi tin rằng một ngày nào đó, nước sẽ được sử dụng như nhiên liệu, rằng

N

hydrogen và oxy, hai thành phần tạo nên nước, được sử dụng đơn lẻ hay kết hợp, sẽ

H

Ơ

cung cấp một nguồn nhiệt và ánh sáng vô tận với mức độ mà than đá không thể so

U Y

lượng từ nước. Nước sẽ là “than đá” của tương lai”. Jules Vernes (1874).

N

sánh được. Tôi tin rằng khi các mỏ than cạn kiệt, chúng ta sẽ sưởi ấm mình nhờ năng

.Q

Hơn một trăm năm trước, Jules Verne trong cuốn tiểu thuyết viễn tưởng “Hòn

TP

đảo huyền bí” đã từng dự báo rằng nước sẽ là nguồn năng lượng của tương lai, giống

ẠO

như than đá đang thịnh hành thời bấy giờ vậy. Từ đó, một ý niệm đã được gợi mở, thu

Đ

hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học về một nguồn năng lượng lý tưởng, sạch và

N

G

gần như vô tận cho con người: nước và một thành phần của nó, hydrogen.

H Ư

Ngày nay, điều tiên đoán năm xưa đang dần trở thành hiện thực khi nhiều nước

TR ẦN

phát triển trên thế giới đã bắt đầu hoạch định mục tiêu hướng đến nền kinh tế hydrogen (hydrogen economy) trong chiến lược năng lượng của mình.

B

2.1. Hydrogen – nguồn nhiên liệu mới.

10 00

Ngày nay, cộng đồng quốc tế đã nhận ra hydrogen là một thành phần chủ chốt cho hệ thống năng lượng sạch và bền vững. Năng lượng hydrogen không còn

H

Ó

A

là ý tưởng mơ hồ hoặc viễn tưởng khoa học mà nó đang là hiện thực hóa.

Í-

Hydrogen là một nguyên tố hóa học trong hệ thống tuần hoàn các nguyên tố

-L

với nguyên tử bằng 1. Ở trạng thái tự do và trong các điều kiện bình thường,

ÁN

hydrogen không màu, không mùi và không vị, tỉ trọng bằng 1/14 tỉ trọng của

TO

không khí. Hydrogen khi cháy trong không khí giới hạn từ 4-75% thể tích. Nhiệt

ÀN

độ cháy của hydrogen cao nhất đạt được 2.318 °C ở nồng độ 29% thể tích, nếu

D

IỄ N

Đ

cháy trong ôxy nhiệt độ có thể lên đến 3.000 °C, cao nhất so với tất cả các loại

khí khác như khí Methane (CH4) đạt 2.148 °C, propane (C3H8) đạt 2.385 °C. Với các đặc tính này, hydrogen sẽ là một nguồn nhiên liệu quan trọng trong tương lai, phục vụ cho nhu cầu năng lượng của con người. Bởi hydrogen là một loại nhiên liệu tái sinh, thân thiện với môi trường, không gây ô nhiễm, không phát

11

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

thải ra khí gây hiệu ứng nhà kính, hydrogen khi cháy rất “sạch” phản ứng cháy

N

G

Đ

ẠO

TP

.Q

U Y

N

H

Ơ

N

của hydrogen chỉ tạo ra nước.

H Ư

Hình 2.1 : Chiếc xe hơi sử dụng pin nhiên liệu hydro.

Hydrogen là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, tạo nên khoảng 75% tổng

TR ẦN

khối lượng vũ trụ và tới trên 90% tổng số nguyên tử. Trên trái đất, hydrogen phần lớn ở dạng kết hợp với oxygen trong nước hay với carbon và các nguyên tố khác

10 00

B

trong vô số các hợp chất hữu cơ tạo nên cơ thể mọi loài động, thực vật. Người ta có thể sản xuất hydrogen từ nhiều nguồn khác nhau như: hóa nhiệt nhiên liệu

A

hydrocarbon với các phương pháp hóa nhiệt khí thiên nhiên với hơi nước, khí hóa

H

Ó

hydrocarbon nặng hoặc khí hóa sinh khối và nhiệt phân; Điện phân nước, phương

Í-

pháp này dùng dòng điện để tách nước thành khí hydrogen và oxygen và phương

-L

pháp sinh học.

ÁN

2.2. Ứng dụng của hydrogen.

TO

Hydrogen sử dụng làm nhiên liệu động cơ: Khi dùng làm nhiên liệu,

D

IỄ N

Đ

ÀN

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 nhiên liệu hóa thạch 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…

Hydrogen sử dụng trong pin nhiên liệu: Nó còn được sử dụng làm nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống pin nhiên liệu, nhờ quá trình điện hóa để tạo ra

12

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

điện năng. Bên cạnh những ưu điểm của hydrogen như đã nêu (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

N

dụng cao hơn nhiều so với động cơ đốt trong, vì thế mà tiết kiệm năng lượng hơn.

H

Ơ

Với những ưu thế vượt trội đó, pin nhiên liệu đang ngày càng được quan tâm và

U Y

N

dự đoán sẽ trở nên nguồn nhiên liệu đầy triển vọng, một thành phần chủ chốt của

.Q

nền kinh tế hydrogen trong viễn cảnh tương lai.

TP

Ngày nay, cộng đồng quốc tế đã nhận ra hydrogen là một thành phần chủ

ẠO

chốt cho hệ thống năng lượng sạch và bền vững. Năng lượng hydrogen không còn

Đ

là ý tưởng mơ hồ hoặc viễn tưởng khoa học mà nó đang là hiện thực hóa.

G

Năm 1960, Công ty General Electric đã sản xuất hệ thống cung cấp điện

H Ư

N

bằng pin nhiên liệu hydrogen cho tàu Apollo của NASA, sau đó sử dụng cho tàu Apollo-Soyuz, Skylab và các tàu con thoi (Space Shuttle). Ngày nay, điện năng

pin nhiên liệu hydrogen cung cấp.

TR ẦN

trong các tàu con thoi và trạm nghiên cứu không gian của NASA đều được các

10 00

B

Năm 2003 Tổng thống G.Bush đã công bố một chương trình được gọi là “Sáng kiến nhiên liệu hydro” (Hydrogen Fuel Initiative) với quyết định giành 1,2

A

tỉ USD cho nghiên cứu và phát triển nhằm mục tiêu đến năm 2020 ôtô chạy bằng

H

Ó

pin nhiên liệu hydrogen phải triển khai thương mại hóa thành công vào thực tế.

Í-

Ở châu Á, Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc, Đài Loan… đều có chương

-L

trình nghiên cứu phục vụ cho nền kinh tế hydrogen tương lai đã và đang thu được

ÁN

kết quả rất khả quan. Còn ở Việt Nam, chưa có chương trình quốc gia trọng điểm

TO

nào liên quan đến năng lượng hydrogen chuẩn bị cho thời kỳ “hậu hóa thạch”.

D

IỄ N

Đ

ÀN

Xét trong chiến lược phát triển năng lượng quốc gia đến năm 2020, tầm nhìn đến

năm 2050 chủ yếu phát triển năng lượng như điện, than, dầu khí… Xu hướng lựa chọn nguồn năng lượng hạt nhân để phát triển thành nguồn năng lượng chính.

Nên chăng ngay từ bây giờ các nhà hoạch định năng lượng quốc gia cũng cần lưu ý đến nguồn năng lượng sạch hydrogen, có chính sách đầu tư nghiên cứu phát

triển nguồn nhiên liệu đầy triển vọng này.

13

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

2.3. Viễn cảnh nền kinh tế hydrogen.

Chúng ta đang đứng trên ngưỡng cửa của buổi giao thời trọng đại, chuyển tiếp sang một thời kì năng lượng mới đa dạng hóa hơn. Cộng đồng quốc tế đã nhận ra hydrogen là một thành phần chủ chốt cho một hệ thống năng lượng sạch và bền vững.

Ơ

N

Hydrogen sẽ là chất mang năng lượng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ phát điện, đến

H

vận tải, công nghiệp, dân dụng và thương mại. Trong tương lai, khi công nghệ đã

U Y

N

hoàn thiện dần, hydrogen sẽ được sản xuất chủ yếu từ các công nghệ sạch như điện

.Q

phân từ các nguồn tái tạo, hay chuyển hóa nhiệt từ các nguyên liệu hóa thạch ban đầu

TP

nhưng cùng với kỹ thuật thu hồi carbon. Hydrogen có thể được lưu trữ, chuyên chở

ẠO

bằng các phương tiện vận tải hay trong các đường ống dẫn khí, và được sử dụng trong

Đ

pin nhiên liệu, động cơ, để tạo ra dòng điện mà không thải khí ô nhiễm và chỉ có nước

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

là sản phẩm phụ chủ yếu.

ÀN

Hình 2.2 : Viễn cảnh năng lượng tương lai cho thế kỉ 21. Nền kinh tế hydrogen như là một hệ thống các

năng lượng (chuyên chở năng lượng). Hydrogen làm cho việc sản xuất và sử dụng năng lượng được linh

hoạt, đa dạng bởi nó có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau từ nhiên liệu hóa thạch, hạt nhân, đến năng lượng tái sinh.

D

IỄ N

Đ

nguồn năng lượng liên kết với nhiều dạng ứng dụng phong phú thông qua hydrogen với vai trò chất mang

14

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

Trước mắt và trong tương lai gần, hydrogen hầu như sẽ được sản xuất từ khí thiên nhiên bằng công nghệ chuyển hóa nhiệt quen thuộc. Các công nghệ còn đang trong giai đoạn hoàn thiện và phát triển dần hiện nay như sản xuất hydrogen bằng điện phân dùng năng lượng tái tạo, hay trực tiếp từ phương pháp quang sinh học, cùng

N

với công nghệ than sạch… Tất cả sẽ ngày càng trở nên “chi phí – hiệu quả” hơn và

H

Ơ

góp phần hình thành một hệ thống sản xuất hydrogen nội địa đa dạng phong phú. Một

U Y

N

trong những thế mạnh của hydrogen chính là ở chỗ nó có thể sản xuất được từ nhiều

nguồn như vậy. Mỗi khu vực, tùy điều kiện của mình có thể có những cách kết hợp

TP

.Q

các nguồn khác nhau để tạo ra hydrogen. Cơ sở hạ tầng cho hệ thống lưu trữ, phân

ẠO

phối hydrogen cần được xây dựng dần. Nó có thể dựa trên những công nghệ tiên tiến

Đ

về xây dựng đường ống dẫn dầu khí hiện tại.

G

Chúng ta có thể sử dụng hydrogen trong các động cơ đốt trong, tương tự như

H Ư

N

các động cơ trong các phương tiện giao thông dùng xăng dầu hiện nay, chỉ với một số thay đổi nhỏ về cấu trúc. Hydrogen cháy sạch hơn (không thải, sản phầm phụ chỉ là

TR ẦN

nước) và hiệu quả hơn xăng dầu thông thường, do đó các động cơ đốt trong dùng hydrogen đã và đang dần trở thành hiện thực trong bước chuyển tiếp công nghệ này.

10 00

B

Quan trọng hơn, đó là ứng dụng của hydrogen làm nhiên liệu cho pin nhiên liệu, một công nghệ đầy triển vọng trong tương lai. Về cơ bản, pin nhiên liệu hydrogen vận

A

hành tương tự như quá trình nghịch của phản ứng điện phân: khí hydrogenvà oxygen

H

Ó

từ không khí kết hợp với nhau trong một phản ứng điện hóa có xúc tác để tạo nên

Í-

dòng điện và nước sinh ra tinh khiết đến nỗi có thể uống được. Bên cạnh ưu điểm là

-L

không thải khí ô nhiễm, pin nhiên liệu còn vận hành êm ả, không gây chấn động hay

ÁN

tiếng động và có thể đạt được hiệu suất cao gấp hai đến ba lần động cơ đốt trong. Pin

TO

nhiên liệu còn có thể được kết nối từ nhiều module khác nhau nên có thể tạo được

ÀN

công suất đầu ra linh hoạt như ý muốn. Hơn nữa, pin nhiên liệu cũng có nhiều loại,

D

IỄ N

Đ

nên nó có thể có nhiều kiểu ứng dụng phong phú khác nhau, từ các ứng dụng di động

nhỏ như laptop - máy tính xách tay (50- 100 W) hay đến cả các trạm phát điện lớn với công suất cả trăm MW (1-200 MW). Một khi những công nghệ pin nhiên liệu trở nên hoàn thiện, chúng có thế được sản xuất và ứng dụng trực tiếp ngay trong các hộ gia đình, các thiết bị văn phòng, công nghiệp. Mặc dù tiềm năng pin nhiên liệu có thể phục vụ cho gần như mọi mặt của nền kinh tế, hiện tại, nó vẫn còn tương đối đắt đỏ so

15

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

với động cơ đốt trong thông thường. Pin nhiên liệu cần phát triển hơn nữa, nâng cao độ bền và giảm giá thành để có thể ứng dụng rộng rãi trên thực tế.

Bước chuyển tiếp sang nền kinh tế hydrogen sẽ cần có thời gian và phải trải qua nhiều giai đoạn. Các giai đoạn được xác định bởi những tiến bộ về công nghệ và sự

Ơ

N

chấp nhận của thị trường. Thêm vào đó, việc giáo dục về an toàn hydrogen cũng cần

H

được nỗ lực xúc tiến để đảm bảo và thuyết phục cộng đồng sẵn sàng cho hydrogen

U Y

N

ngày càng trở nên phổ biến hơn. Nhà nước - chính phủ, công nghiệp và cộng đồng, tất

.Q

cả sẽ đóng những vai trò quan trọng quyết định.

TP

Nhà nước sẽ là người hỗ trợ chính cho việc nghiên cứu và phát triển công nghệ,

ẠO

cũng như trong việc phát triển các quy định luật pháp và tiêu chuẩn an toàn cho việc

Đ

sử dụng hydrogen. Nhà nước cũng có thể sử dụng chính sách kích thích thị trường và

G

khuyến khích các công nghệ năng lượng hydrogen. Vai trò của nền công nghiệp là

H Ư

N

xác định khi nào các công nghệ đã sẵn sàng cho bước chuyển tiếp vào thị trường, và thiết lập nên cơ sở sản xuất để cung cấp các thành phần của công nghệ. Công nghiệp

TR ẦN

cùng với cộng đồng, sẽ xác định những đòi hỏi của người tiêu dùng và sự chấp nhận của thị trường đối với các công nghệ này.

10 00

B

Bước chuyển tiếp sẽ đòi hỏi những nỗ lực đầu tư đáng kể ban đầu. Tuy nhiên, kết quả đạt được sẽ là một nền kinh tế ổn định và bền vững, sử dụng những nguồn tài

A

nguyên tái tạo được sẵn có của địa phương để cung cấp nguồn điện năng và nhiên liệu

H

Ó

sạch đáp ứng cho các nhu cầu năng lượng của chúng ta.

-L

Í-

2.4. Những khó khăn khi sử dụng nhiên liệu hydro.

2.4.1. Trở ngại trong quá trình sản xuất hydro.

ÁN

Hydro chỉ tồn tại trong tự nhiên ở dạng hợp chất (nước hoặc hydro cacbon). Để

TO

có được hydro, người ta phải tách nó ra bằng một số quá trình lý -hoá (điện phân hydro

ÀN

từ nước). Năng lượng để thực hiện việc điện phân hiện nay do các nhà máy điện cung

D

IỄ N

Đ

cấp. Phần lớn các nhà máy điện thì lại hoạt động bằng các nhiên liệu lấy từ mỏ. Như vậy, việc sử dụng hydro bản thân nó không gây hiệu ứng nhà kính nhưng việc tạo ra hydro để sử dụng thì vẫn để lại hậu quả này. Chúng ta chỉ thực sự khai thác hydro một cách hiệu quả nếu như có thể tạo ra nó hoàn toàn bằng các nguồn năng lượng sạch khác. Đây là một vấn đề hoàn toàn không đơn giản. Chỉ có một vài quốc gia như

16

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

Iceland, với hơn 72% điện năng được sản xuất từ các nhà máy thủy điện và trung tâm khai thác địa nhiệt mới có thể chủ động trong việc tạo ra hydro một cách an toàn. Còn đa số các nước khác, với phần lớn nguồn cung cấp điện năng vẫn dựa vào vào nhiên liệu mỏ hoặc các lò phản ứng hạt nhân thì mục tiêu này có lẽ còn ở quá xa và đòi hỏi

Ơ

N

những khoản đầu tư ban đầu vô cùng lớn.

N

H

2.4.2.Giá cả của việc sản xuất hydro.

U Y

Hydro có thể được sản xuất bằng một số cách phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu.

.Q

Thêm vào đó, việc thiết kế các hệ thống năng lượng hydro đặc trưng cho từng vị trí,

TP

phụ thuộc vào loại nhu cầu, giá cả năng lượng và sự sẵn có của những nguồn năng

ẠO

lượng thứ cấp. Một phân tích điển hình cho giá sản xuất và phân phối hydro từ những

Đ

nguồn khác nhau được nêu trong bảng sau :

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

Bảng 2.1 : Ước tính giá thành sản xuất, vận chuyển và phân phối hydrogen từ các nguồn khác nhau.

Í-

Ghi chú : Năng lượng của 1kg hydrogen bằng xấp xỉ năng lượng của 1gal. xăng.

Hydrogen lỏng từ bể chứa.

b

Hydrogen lỏng từ trạm nhiên liệu.

ÁN

-L

a

TO

Mục tiêu tương lai là giảm giá thành sản xuất hydro từ khí thiên nhiên xuống

ÀN

còn $2,0/gge (đã phân phối) vào năm 2015 và khí hóa sinh khối còn $1,1/gge tại nhà

D

IỄ N

Đ

máy và $2,1/gge (đã phân phối). Chu trình tách nước sử dụng nhiệt độ cao, năng lượng

Mặt trời vẫn trong giai đoạn nghiên cứu. Để cạnh tranh được với động cơ đốt trong sử dụng xăng và nhiên liệu kép, giá của hydro được ước đoán phải đạt đến $2-3/gge (chưa đánh thuế) tại nhà phân phối.

Mục cuối cùng cho tất cả các công nghệ sản xuất hydro đang được nghiên cứu là giá

17

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

của hydro sẽ có tính cạnh tranh về mặt vận tải trên cơ sở từ khi bắt đầu sản xuất đến khi sử dụng bất chấp kể phương pháp sản xuất được sử dụng.

Người ta ước tính rằng vào năm 2040, thế giới hàng năm sẽ cần đến 150 triệu tấn hydro. Để đáp ứng nhu cầu này chỉ từ khí thiên nhiên, cần đến khoảng 0,43 triệu

N

m3 khí hàng năm và tiêu tốn khoảng 1 nghìn tỉ đô la. Nếu nhu cầu chỉ được đáp ứng

H

Ơ

bởi năng lượng hạt nhân, sẽ cần đến 240000 tấn uranium chưa làm giàu và khoảng

U Y

N

2000 nhà máy năng lượng công suất 600 MW, tiêu tốn 840 tỉ đô la. Trong trường hợp của năng lượng Mặt trời, sẽ cần đến 113 tỉ các hệ thống 40 kWh với 2500 kWh năng

TP

.Q

lượng Mặt trời/m2, tiêu tốn 22 nghìn tỉ đô la. Trong trường hợp của năng lượng gió 1

ẠO

triệu turbin gió công suất 2 MW và vận tốc gói trung bình cần có là 7 m/s, tiêu tốn 3 nghìn tỉ đô la. Trong trường hợp của năng lượng sinh khối, sẽ cần đến 1,5 tỉ tấn sinh

G

Đ

khối khô, tức là cần 113,4 mẫu vuông đất canh tác, và sau đó cần khoảng 3300 nhà

H Ư

N

máy sản xuất hydro, tiêu tốn 565 tỉ đô la để xây dựng. Tương tự, viễn cảnh của than sẽ cần 1 tỉ tấn than mỗi năm, khoảng 1000 nhà máy khí hóa/ steam reforming công suất

TR ẦN

275 MW, tiêu tốn khoảng 500 tỉ đô la.

Theo một nghiên cứu của Ogden, giá phân phối của hydro thay khoảng $11-25/GJ

B

tùy thuộc công nghệ sử dụng. Bởi vì hydro có thể được sử dụng hiệu quả hơn xăng

10 00

trong các xe hơi chạy pin nhiên liệu, giá nhiên liệu tính cho mỗi kilomet là có thể so

A

sánh được. Giá của việc cung cấp hydro có thể được giảm thiểu nếu những nghiên cứu

Ó

và nổ lực hiện tại thành công.

Í-

H

2.4.3. Tính hiệu quả trong quá trình sử dụng hydrogen.

-L

Một vấn đề khác là tính hiệu quả của hydro trong quá trình sử dụng, đặc biệt là

ÁN

đối với ngành giao thông vận tải. Để một chiếc xe chạy bằng hydro có thể đi hết quãng

TO

đường tối thiểu là 500 km giữa hai lần nạp nhiên liệu (một điều bình thường đối với

ÀN

các xe chạy xăng), người ta sẽ phải nén hydro ở một áp suất cực lớn, khoảng hơn 700 kg trên 1cm vuông. Nhưng ngay cả ở áp suất này, xe chạy bằng hyđrô cũng vẫn sẽ cần

D

IỄ N

Đ

một bình chứa nhiên liệu lớn gấp bốn lần so với bình xăng ở xe bình thường. Hydro lỏng có hiệu quả cao hơn.

Người ta đã từng cho chạy thử nghiệm những chiếc xe của hãng GM trên quãng đường 400km mà chỉ cần bình chứa lớn gấp hai lần xe chạy xăng. Tuy nhiên, những chiếc xe sử dụng hydro lỏng phải được chạy hàng ngày để giữ cho hydro ở nhiệt độ

18

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

lạnh -253 độ C, nếu không, hydro lỏng sẽ tự bay hơi hết. Điều đó có nghĩa là nếu một người đậu xe trong bãi hoặc gửi ở sân bay vài ngày thì khi lấy xe, anh ta sẽ phải tìm cách nạp ở đâu đó một bình nhiên liệu mới.

Ơ

Hydrogen là khí không màu, không mùi, không vị và rất hoạt động. Khi

N

2.4.4.Vấn đề an toàn.

H

hydrogen cháy nó mang mối nguy hiểm tiềm ẩn bởi ngọn lửa của nó không thể

U Y

N

nhận thấy bằng mắt thường. Do đó nó có thể lan đi mà người ta không thể nhận

.Q

biết để cảnh báo. Tuy nhiên, trong chừng mực nào đó, hydrogen cháy an toàn

TP

hơn các nhiên liệu hóa thạch thông thường. Hydrogen có tốc độ bừng cháy rất

ẠO

cao và tiêu tán mau. Do đó, những vụ cháy, thậm chí bắt nguồn từ hydrogen

Đ

lỏng, thường bùng lên rất nhanh rồi hết. Theo tính toán của các nhà khoa học

G

cho thấy ở một vụ cháy xe cộ liên quan đến xăng dầu, đám cháy có thể kéo dài

H Ư

N

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!

TR ẦN

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

B

nhiều so với khi các hydrocarbon cháy và đám cháy không lan đi, chỉ có

10 00

những vật trực tiếp bị đốt dưới ngọn lửa đó mới bị cháy nặng. Những vật

A

khác ở gần ngọn lửa sẽ khó mà tự bắt cháy được. Vì thế mà mối nguy hiểm

Ó

về khói độc và việc cháy lan kéo dài đối với hydrogen đã được giảm đi đáng

Í-

H

kể. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng trong vấn đề cứu hỏa.

-L

Tỉ trọng thấp và khả năng khuếch tán nhanh cho phép hydrogen thoát

ÁN

nhanh vào khí quyển nếu như có sự rò rỉ xảy ra. Trong khi đó, propane và

TO

xăng dầu, với tỉ trọng cao và khả năng khuếch tán thấp, dễ tụ lại gần mặt

ÀN

đất, làm gia tăng rủi ro cháy nổ. Hydrogen phải đạt đến nồng độ 4% trong

D

IỄ N

Đ

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.

19

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

PHẦN 3

PIN NHIÊN LIỆU

3.1.1 Lịch sử.

H

Ơ

Năm 1839 nhà khoa học tự nhiên người xứ Wales William Robert

N

3.1.Khái niệm về pin nhiên liệu.

N

Grove đã chế tạo ra mô hình thực nghiệm đầu tiên của pin nhiên liệu, bao gồm

U Y

hai điện cực platin được bao trùm bởi hai ống hình trụ bằng thủy tinh, một ống

.Q

chứa hiđrô và ống kia chứa ôxy. Hai điện cực được nhúng trong axít

TP

sulfuric loãng là chất điện phân tạo thành dòng điện một chiều. Vì việc chế tạo

ẠO

các hệ thống pin nhiên liệu quá phức tạp và giá thành đắt, công nghệ này dừng

G

Đ

lại ở đấy cho đến thập niên 1950.

H Ư

N

Thời gian này ngành du hành vũ trụ và kỹ thuật quân sự cần dùng một nguồn năng lượng nhỏ gọn và có năng suất cao. Các tàu du hành vũ trụ và tàu

TR ẦN

ngầm cần dùng năng lượng điện không thông qua động cơ đốt trong. NASA đã quyết định dùng cách sản xuất điện trực tiếp bằng phương pháp hóa học thông

B

qua pin nhiên liệu trong các chương trình du hành vũ trụ Gemini và Apollo. Các

10 00

pin nhiên liệu sử dụng trong chương trình Gemini được NASA phát triển vào

A

năm 1965. Với công suất khoảng 1 kW, các pin nhiên liệu này đã cung cấp đồng

Ó

thời điện và nước uống cho các phi hành gia vũ trụ. Các pin nhiên liệu của

Í-

H

chương trình Gemini chỉ dài 60 cm và có đường kính là 20 cm.

-L

Nhờ chế tạo được các màng (membrane) có hiệu quả cao và các vật liệu

ÁN

có khả năng chống ăn mòn hóa học tốt hơn và cũng nhờ vào công cuộc tìm kiếm

TO

một nguồn năng lượng thân thiện môi trường cho tương lai, pin nhiên liệu được

ÀN

phát triển mạnh vào đầu thập niên 1990. Thông qua đó việc sử dụng pin nhiên

D

IỄ N

Đ

liệu dành cho các mục đích dân sự đã trở thành hiện thực. Ngày nay, phạm vi sử dụng của pin nhiên liệu đã được mở rộng từ vận hành ô tô, nhà sưởi qua các nhà

máy phát điện có công suất hằng 100 kW cho đến những ứng dụng bé nhỏ như trong điện thoại di động hoặc máy vi tính xách tay.

20

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

3.1.2 Khái niệm.

Pin nhiên liệu là một thiết bị có thể chuyển đổi trực tiếp hóa năng của nhiên liệu thành điện năng nhờ vào các quá trình điện hóa. Nguồn nhiên liệu cơ bản cần thiết cho pin vận hành gồm: hydro, methanol, ethanol… và chất oxy hóa

Ơ

N

(thường là oxy từ không khí).

H

Trong pin nhiên liệu hoàn toàn không có sự cháy như trong động cơ đốt

U Y

N

trong, do đó pin nhiên liệu sinh ra lượng khí ít gây ô nhiễm môi trường... Mặt khác,

.Q

nó không có sự chuyển hóa nhiệt thành cơ dùng nhiên liệu hóa thạch nên hiệu suất

TP

của nó không bị giới hạn bởi hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot, ngay cả khi vận

ẠO

hành ở nhiệt độ tương đối thấp.

Đ

Tương tự như acquy, pin nhiên liệu cũng là một thiết bị tạo ra dòng điện thông

N

G

qua cơ chế phản ứng điện hóa. Tuy nhiên, điểm khác biệt là pin nhiên liệu có thể tạo

H Ư

ra dòng điện liên tục khi cung cấp đầy đủ nhiên liệu cho nó, trong khi đó, acquy cần

TR ẦN

phải được nạp điện lại (sạc) từ một nguồn điện bên ngoài sau một thời gian sử dụng.

Như vậy, muốn tái sử dụng acquy, cần phải có một thời gian dài để nạp điện lại, trong

10 00

3.2.Nhiên liệu hydrogen.

B

khi đối với pin nhiên liệu, chỉ cần cung cấp nhiên liệu là có thể có điện để sử dụng.

3.2.1.Vai trò của hydro trong pin nhiên liệu.

Ó

A

Pin nhiên liệu PEM cần hydro để hoạt động. Hydro là phần tử phổ biến nhất

Í-

H

trong vũ trụ. Hydro là nhiên liệu tuyệt vời với nhiều lý do. Trước tiên, hydro có nội

-L

dung năng lượng cao nhất, của tất cả nhiên liệu : khoảng hai lần rưỡi nhiều năng lượng

ÁN

như khí thiên nhiên hoặc xăng mỗi đơn vị khối. Hơn nữa, hydro rất sạch ( không độc,

TO

không mùi và không carbon ). Nó có thể tạo ra từ nhiều tài nguyên. Thật an toàn để tạo

ÀN

ra, cửa hàng và vận tải, ngay cả với số lượng lớn. Hydro phải đóng một vai trò quan

D

IỄ N

Đ

trọng trong giảm tính phụ thuộc của chúng tôi trên nhiên liệu hóa thạch.

Hydro cung cấp giải pháp năng lượng linh hoạt bền vững và nếu mục tiêu cho

không gây ô nhiễm môi trường phải được gặp, hiệu suất phải được cải thiện hoặc nếu bạn chỉ cần muốn góp phần tạo nên hệ sinh thái sạch. Nedstack đưa ra an toàn và bền vững trả lời cho năng lượng của bạn cần với hydro tiên tiến nhất công nghệ pin nhiên liệu với giá hấp dẫn.

21

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

3.2.2.Tính chất vật lý của hydrogen.

Hiđrô là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, chiếm 75% các vật chất thông thường theo khối lượng và trên 90% theo số lượng nguyên tử. Nguyên tố này được tìm thấy với một lượng khổng lồ trong các ngôi sao và các hành tinh khí khổng lồ. Nguồn

N

chủ yếu của nó là nước, bao gồm hai phần hiđrô và một phần ôxy (H2O). Các nguồn

H

Ơ

khác bao gồm phần lớn các chất hữu cơ (hiện tại là mọi dạng của cơ thể sống), than,

N

nhiên liệu hóa thạch và khí tự nhiên. Mêtan (CH4) là một nguồn quan trọng của hiđrô.

.Q

U Y

Nguyên tử hydro là nguyên tố nhẹ nhất, với đồng vị phổ biến nhất của nó chỉ có một

TP

proton và một electron.Nguyên tử hydro dễ dàng hình thành các phân tử H2, kích thước nhỏ hơn so với hầu hết các phân tử khác. Ở trạng thái phân tử, H2 không màu,

ẠO

không mùi, không vị và nhẹ hơn không khí khoảng 14 lần, và khuếch tán nhanh hơn

G

Đ

bất kỳ chất khí khác. Hydro bình thường có khối lượng riêng 0,09 kg/m3. Do đó là chất

N

nhẹ nhất được biết đến với tỷ trọng so với không khí là 1,2 kg/m3. Hydro rắn có độ dẫn

H Ư

điện lớn hơn bất kỳ chất rắn khác.

TR ẦN

Bảng 3.1: Tóm tắt tính chất vật lý của Hydrogen.

2.01594

10 00

B

Molecular weight Density of gas at 0°C and 1 atm.

858 kg/m3

H

Ó

A

Density of solid at −259°

0.08987 kg/m3

708 kg/m3

-L

Í-

Density of liquid at −253°C

ÁN

Boiling temperature at 1 atm

TO

Critical temperature (nhiệt độ tới hạn)

D

IỄ N

Đ

ÀN

Critical pressure Critical density

−253°C −240°C 12.8 atm.

31.2 kg/m3

Heat of fusion at −259°C

58 kJ/kg

Heat of vaporization at −253°C

447 kJ/kg

22

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

Thermal conductivity at 25°C

0.019 kJ/(ms°C )

Viscosity at 25°C

0.00892 centipoise 14.3 kJ/(kg°C) 8.1 kJ/(kg°C)

Heat capacity (Cp) of solid at −259.8°C

2.63 kJ/(kg°C)

TP

.Q

U Y

N

H

Heat capacity (Cp) of liquid at −256°C

Ơ

N

Heat capacity (Cp) of gas at 25°C

ẠO

3.2.3. Tính chất nhiên liệu của hydro.

Đ

Hydro rất dễ cháy trên một phạm vi nhiệt độ và nồng độ rộng. Mặc dù hiệu quả

N

G

của quá trình đốt cháy thực sự ngoài sức tưởng tượng và rất được mong đợi như là một

H Ư

loại nhiên liệu mới cho tương lai, và nó chắc chắn gây nhiều thách thức trong công

TR ẦN

nghệ chẳng hạn như an toàn trong sản xuất, lưu trữ và vận chuyển Hydro. Khi phản ứng với oxy, hydro bùng nổ giải phóng năng lượng trong động cơ đốt trong hoặc trong pin nhiên liệu đơn giản chỉ tạo ra nước như một sản phẩm. Không giống như than và

10 00

B

hydrocacbon là loại nhiên liệu sẵn có và sẵn sàng để sử dụng trực tiếp, Hydro cần phải được tổng hợp. Tuy nhiên, hydro hiện diện trong nước; hydrocarbon hóa thạch như

A

than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên và sinh khối như carbohydrate, protein và

H

Ó

cellulose.Hydro có cả điểm tương đồng và sự khác biệt khi so sánh với các nhiên liệu

Í-

truyền thống như methane (khí tự nhiên), dầu khí (LPG), và nhiên liệu lỏng như

-L

xăng.Những thách thức kỹ thuật và kinh tế của việc thực hiện một "nền kinh tế hydro"

ÁN

đòi hỏi một giải pháp cho các vấn đề cơ bản của sản xuất năng lượng tái tạo. Có rất

TO

nhiều mối quan tâm cần được giải quyết trước khi hydro có thể phục vụ như một

ÀN

phương tiện năng lượng cho vũ trụ , trong đó bao gồm gặp khó - khăn với hydro từ

D

IỄ N

Đ

việc sản xuất, vận chuyển, lưu trữ, phân phối, đến sử dụng và kết thúc.

Một trong những ứng dụng quan trọng và thu hút nhất của hydro là năng lượng

điện, có thể được sử dụng trong pin nhiên liệu. Hiện nay, các pin nhiên liệu H2/O2 hiệu suất pin 50-60% với khoảng đời lên tới 3000 giờ. Phạm vi sản lượng hiện tại 440-1720 A/m2 của bề mặt điện cực, có thể cung cấp một sản lượng điện khác nhau, 50-2500 W.

23

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

3.2.3.1.Tính dễ cháy.

Do sự khuyếch tán cao, độ nhớt thấp, và tính chất hóa học độc đáo, dễ cháy của hydro là hơi khác so với các loại nhiên liệu khác. Tính dễ cháy khác nhau được mô tả như sau:

Ơ

N

Phạm vi cháy( Wide Range of Flammability):Trong không khí, hydro dễ cháy ở

H

nồng độ 4-75% (lớn hơn nhiều so với xăng, 1-7,6%) và nổ trong phạm vi nồng độ 15-

U Y

N

59%. Tuy nhiên, đối với động cơ đốt trong, nó có ý nghĩa hơn để xác định phạm vi dễ

.Q

cháy về tỷ lệ tương đương (φ), thiếu hụt định nghĩa là tỷ lệ khối lượng nhiên liệu /

TP

không khí tỷ lệ thực tế đến cân bằng hóa học nhiên liệu / tỷ lệ không khí. Sau đó, phạm

ẠO

vi dễ cháy cho hydro là 0,1<φ <7.1, và đối với xăng là 0,7 <φ <4, mà chỉ ra rằng động

Đ

cơ đốt trong H2 là tuân theo hoạt động ổn định ngay cả dưới điều kiện rất loãng. Trong

G

thực tế, phạm vi rộng lớn hơn cho phép kiểm soát thêm qua các động cơ hoạt động cho

H Ư

N

khí thải và nhiên liệu. Ngoài ra, do sự đốt cháy hoàn toàn, nên tiết kiệm nhiên liệu.Ngoài ra, sản phẩm đốt cháy nhiên liệu hydro thấp hơn với xăng dầu, giảm lượng

TR ẦN

chất gây ô nhiễm, chẳng hạn như các oxit nitơ, phát ra trong khí thải.

Năng lượng kích cháy thấp (Low Ignition Energy): Năng lượng cần thiết để

10 00

B

kích cháy hydro là 0,02 mJ, ít hơn khoảng 10 lần so với xăng dầu (0,24 mJ). Năng lượng thấp cho phép đánh lửa động cơ hydro nhanh chóng ngay cả trong các hỗn hợp.

A

Thật không may, năng lượng đánh lửa thấp có nghĩa là khí nóng và các điểm nóng trên

H

Ó

các xi lanh có thể là nguồn phát lửa, tạo ra các vấn đề về đánh lửa sớm và flashback.

-L

Í-

Phòng chống các điểm nóng là một trong những thách thức liên quan với một động cơ

ÁN

chạy bằng hydro, mà ngày càng trầm trọng thêm do phạm vi cháy rộng.

TO

Khoảng cách dập lửa nhỏ (Small Quenching Distance): Ngọn lửa Hydro có

khoảng cách dập tắt (0,64 mm) nhỏ hơn so với xăng (khoảng 2 mm). Vì vậy, khó mà

ÀN

làm dịu một ngọn lửa hydro hơn một ngọn lửa xăng. Khoảng cách dập tắt nhỏ hơn

D

IỄ N

Đ

cũng có thể làm tăng xu hướng cháy trở lại của ngon lửa.

Nhiệt độ tự bốc cháy (Autoignition Temperature):Nhiệt độ tự bốc cháy là nhiệt độ tối thiểu cần thiết để bắt đầu quá trình tự đốt cháy trong một hỗn hợp nhiên liệu dễ

cháy trong trường hợp không có lửa bên ngoài khơi nguồn. Với Hydro, nhiệt độ tự bốc cháy là tương đối cao -585 º C. Điều này làm cho nó rất dễ cháy trong một hỗn

24

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

hợp hydro không khí mà không cần một nguồn đánh lửa bổ sung. Nhiệt độ này có ý nghĩa quan trọng khi một hỗn hợp hydro-không khí được nén trong thực tế, nhiệt độ tự bốc cháy là một yếu tố quan trọng trong việc xác định tỉ lệ nén tối đa một chất có thể sử dụng, vì sự gia tăng nhiệt độ trong quá trình nén có liên quan đến tỉ lệ nén. Nhiệt độ

N

không được vượt quá nhiệt độ tự bốc cháy của hydro để tránh đánh lửa sớm.Nhiệt độ

H

Ơ

tự bốc cháy cao của hydro tạo điều kiện tỷ lệ nén cao hơn so với động cơ

U Y

N

hydrocarbon.Tỉ lệ nén cao hơn là rất quan trọng, vì nó có liên quan đến về hiệu quả nhiệt của hệ thống. Tuy nhiên, nhược điểm của nhiệt độ tự bốc cháy cao là hydro cũng

TP

.Q

gây khó khăn trong động cơ diesel vì nhiệt độ cần thiết cho các loại đánh lửa là tương

ẠO

đối cao

Đ

Tốc độ cháy cao (High Flame Speed): Tốc độ ngọn lửa hydro (3,46 m / s) cao

G

hơn (nhanh hơn) so với xăng (0,42 m / s). Do đó, động cơ hydro có thể tiếp cận gần

H Ư

N

hơn các chu kỳ động cơ nhiệt động lực học.

TR ẦN

Tính gây giòn của Hydro (Hydrogen Embrittlement): Tiếp xúc liên tục với hydro là nguyên nhân hydro tạo ra tính dòn, có thể dẫn đến rò rỉ hoặc làm giòn cả kim loại và phi kim loại. Yếu tố quan trọng gây nên tính dòn bao gồm nồng độ hydro, độ

10 00

B

tinh khiết, áp suất, nhiệt độ, loại tạp chất, mức độ áp lực, tốc độ áp lực, thành phần kim loại, độ bền kéo kim loại, kích thước hạt, vi cấu trúc, xử lý nhiệt. Ngoài ra, độ ẩm

Í-

H

thành của các vết nứt.

Ó

A

trong khí hydro có thể dẫn đến tính dễ vỡ kim loại thông qua việc thúc đẩy sự hình

-L

Tính rò rỉ (Hydrogen Leakage): Do tỷ trọng thấp và tính khuyếch tán cao, hydro

ÁN

phân tán trong không khí nhanh hơn đáng kể hơn so với xăng, đó là điểm thuận lợi.

TO

Đầu tiên, phân tán cao tạo điều kiện cho sự hình thành của một hỗn hợp đồng nhất của nhiên liệu và không khí.Thứ hai, nếu có rò rỉ khí hydro, sau đó hydro phân tán ra

ÀN

nhanh chóng. Như vậy, điều kiện không an toàn có thể tránh hoặc giảm thiểu. Tuy

D

IỄ N

Đ

nhiên, phân tán cao làm cho tăng tính ưu tiên của Hydro nên sẽ gặp khó hơn khi hỗn hợp có chứa các loại khí khác. Rò rỉ hydro lỏng bay hơi rất nhanh chóng kể từ khi sôi

bởi điểm sôi của hydro lỏng là rất thấp. Rò rỉ hydro là nguy hiểm, trong đó Hydro có nguy cơ gây cháy khi kết hợp với không khí bên ngoài. Tuy nhiên, kích thước phân tử

25

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

nhỏ làm tăng khả năng bị rò rỉ và khả năng khuyếch tán cao, do đó, hydro bị rò rỉ tăng lên và pha loãng một cách nhanh chóng, đặc biệt là ngoài trời.

Tỷ lệ nhiên liệu/ không khí (Air/Fuel Ratio) : Để đốt cháy hoàn toàn Hydro trong không khí tỷ lệ này là 34:1, cao hơn rất nhiều trong khi đối với xăng là 15:1. Vì

Ơ

N

hydro là một nhiên liệu khí ở điều kiện bình thường, nó chiếm chỗ nhiều hơn trong các

N

H

buồng đốt nhiên liệu lỏng. Do đó, ít hơn của buồng đốt có thể được chiếm bằng đường

U Y

hàng không. Ở điều kiện cân bằng hóa học, hydro chiếm khoảng 30% buồng đốt, so

ẠO

3.2.3.2.Vấn đề an toàn, cháy nổ.

TP

thể chạy trên tỷ lệ A / F từ 34:1 (cân bằng hóa học) đến 180:1.

.Q

với khoảng 1-2% cho xăng. Bởi vì Hydro có khoảng cháy rộng nên động cơ hydro có

Đ

Hydrogen là khí không màu, không mùi, không vị và rất hoạt động.Khi

N

G

hydrogen cháy nó mang mối nguy hiểm tiềm ẩn bởi ngọn lửa của nó không thể nhận

H Ư

thấy bằng mắt thường. Do đó nó có thể lan đi mà người ta không thể nhận biết để cảnh

TR ẦN

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,

B

những vụ cháy, thậm chí bắt nguồn từ hydrogen lỏng, thường bùng lên rất nhanh rồi

10 00

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

H

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

đến hai phút!

Ó

A

từ đám cháy của chiếc xe chạy bằng lượng hydrogen tương đương chỉ kéo dài từ một

Hình 3.1: Ngọn lửa cháy của Hydrocacbon (mũi tên đỏ) và của Hydro (vòng xanh).

26

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

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 cháy được. Vì thế mà mối nguy hiểm về khói độc và việc cháy lan kéo dài đối với

N

dưới ngọn lửa đó mới bị cháy nặng. Những vật khác ở gần ngọn lửa sẽ khó mà tự bắt

H

Ơ

hydrogen đã được giảm đi đáng kể. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng trong vấn đề

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

ẠO

TP

.Q

U Y

N

cứu hỏa.

A

Hình 3.2: Thử nghiệm đám cháy xe chạy bằng Hydro (trái) và bằng xăng (phải).

H

Ó

Thử nghiệm tại cùng thời điểm 60’’ sau khi bắt lửa.Ngọn lửa Hydro bắt đầu

Í-

nguội bớt trong khi ngọn lửa xăng vẫn tiếp tục dữ dội. Sau 100’’ ngọn lửa hydro đã

-L

phân tán hết và nguội dần, bên trong xe ko hư hỏng, nhiệt độ tối đa cửa sau xe khoảng

ÁN

19oC. Trong khi đó, ngọn lử cháy bởi xăng vẫn tiếp tục gay gắt vài phút và xe bị hu

ÀN

TO

hỏng nặng.

Tỉ trọng thấp và khả năng khuếch tán nhanh cho phép hydrogen thoát nhanh vào

D

IỄ N

Đ

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,

27

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

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

Ơ

hydrogen bị thoát ra, chúng sẽ bay hơi gần như hoàn toàn và chỉ để lại nước đằng sau.

N

sinh vật nếu như vô tình chúng bị rò rỉ ra môi trường bên ngoài. Trong khi đó, nếu

N

H

Chúng ta đã khá quen thuộc với hình ảnh hydrogen như là nguyên liệu cho

U Y

nhiều ngành công nghiệp hóa học: chế tạo ammonia, methanol, lọc dầu, phân bón,

.Q

luyện kim, mỹ phẩm, chất bán dẫn v.v. Thế nhưng, không chỉ có vậy, hydrogen còn là

TP

một nguồn nhiên liệu đầy tiềm năng với nhiều ưu điểm thuận lợi về môi trường và

ẠO

kinh tế. Hydrogen là nguồn năng lượng sạch, gần như không phát thải khí ô nhiễm mà

Đ

chỉ sinh ra hơi nước. Từ nước qua quá trình điện phân ta lại có thể thu được hydrogen.

N

G

Vì vậy, hydrogen là nguồn năng lượng gần như vô tận hay có thể tái sinh được.Hơn

H Ư

nữa, xét về mặt trọng lượng, hydrogen có tỉ trọng năng lượng cực kỳ cao.Trên thực tế,

TR ẦN

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.

B

Khi dùng làm nhiên liệu, hydrogen có thể được đốt trực tiếp trong các động cơ

10 00

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

Ó

A

cho các nhu cầu dân dụng hàng ngày như đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng…v.v.

Í-

H

Mặt khác, hydrogen còn có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng cung cấp

-L

cho hệ thống pin nhiên liệu, nhờ quá trình điện hóa để tạo ra điện năng. Bên cạnh

ÁN

những ưu điểm của hydrogen như đã nêu trên (sạch, tái sinh…), pin nhiên liệu còn

TO

chạy rất êm, không gây ra tiếng động, chấn động như động cơ đốt trong. Do dựa trên

ÀN

cơ chế của quá trình điện hóa tạo ra điện năng chứ không phải quá trình đốt như ở

Đ

động cơ đốt trong, pin nhiên liệu còn đạt hiệu suất sử dụng cao hơn nhiều so với động

D

IỄ N

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.

28

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

Xanh và sạch là tiêu điểm tại triển lãm quốc tế Geneva 2008, trong khi phần lớn các nhà sản xuất danh tiếng đều trình làng các phiên bản hybrid thì hãng Pininfarina đã cho ra mắt mẫu xe Sintesi Concept chạy bằng pin nhiên liệu (fuel-cell), đây được coi là một bước đột phá của công nghệ fuel-cell.

Ơ

N

3.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu.

N

H

Pin nhiên liệu Hydrogen biến đổi năng lượng hóa học của hydro trực tiếp thành

U Y

năng lượng điện và nhiệt.

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

ẠO

TP

.Q

3.3.1. Cấu tạo pin nhiên liệu hydro.

Hình 3.3: Mô tả cấu tạo pin hydro.

29

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

Một pin nhiên liệu đơn giản gồm có hai điện cực là anode (là điện cực mà trên đó xảy ra quá trình oxy hóa) và cathode (là điện cực mà trên đó xảy ra quá trình khử).

Giữa hai điện cực còn chứa chất điện giải (electrolyte) dùng để vận chuyển các hạt ion từ điện cực này sang điện cực khác, và chất xúc tác nhằm làm tăng tốc độ phản ứng.

N

Hai điện cực được làm bằng chất dẫn điện (kim loại, carbon,…).Nhiên liệu

H

Ơ

(hydro hoặc các nhiên liệu giàu hydro) được cung cấp đến anode và oxy (thường là

U Y

N

oxy từ không khí) được cung cấp đến cathode.Hai khí này muốn tác dụng với nhau

nhưng đã bị ngăn cách bởi chất điện phân khiến hydro bị chia thành một proton và một

TP

.Q

điện tử.Các phản ứng hóa học tạo ra dòng điện xảy ra tại hai điện cực này. Proton di

ẠO

chuyển tự do qua lớp chất điện phân trong khi điện tử buộc phải mất một con đường khác xung quanh nó, tạo ra một dòng điện trước khi tái kết hợp với proton hydro một

G

Đ

lần nữa và kết hợp với oxy thông qua một chất xúc tác, tạo ra một phân tử nước.

H Ư

N

Tùy thuộc vào từng loại pin nhiên liệu mà chất điện giải có thể ở thể rắn, có thể ở thể lỏng hoặc có cấu trúc màng. Loại màng được sử dụng trong các pin nhiên

TR ẦN

liệu hoạt động ở nhiệt độ thấp thường là Nafion, chỉ cho phép những ion thích hợp đi qua giữa anode và cathode của pin nhiên liệu mà không cho phép các electron di

10 00

B

chuyển qua nó.

Ngoài ra, để thúc đẩy các phản ứng hóa học xảy ra, người ta còn bổ sung chất

A

xúc tác vào giữa các điện cực và chất điện giải bằng nhiều cách khác nhau tùy theo

H

Ó

từng loại pin nhiên liệu. Chất xúc tác có thể là vật liệu của điện cực, hoặc là một chất

Í-

khác được đặt tiếp xúc giữa các điện cực và lớp điện phân hoặc được phủ trực tiếp lên

-L

chất điện phân. Mặc dù chất xúc tác trong các loại pin nhiên liệu có thể khác nhau về

ÁN

vật liệu và cấu tạo, nhưng chúng đều có cùng công dụng là thúc đẩy các phản ứng hóa

TO

học xảy ra ở các điện cực, giảm năng lượng hoạt hóa của quá trình hóa học. Chất xúc

ÀN

tác thường dùng trong pin nhiên liệu là platin và hợp kim của platin vơi kim loai

D

IỄ N

Đ

khac như Ru, Ni, Co…..

3.3.2. Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu hydro.

Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu hydro đã được chứng minh lần đầu tiên tại Viện khoa học Luân Đôn bới các nhà khoa học Anh và Willian Grovein 1839. Ông khám phá ra một quá trình hóa học điện tương đối đơn giản nơi mà hydro và oxy

30

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

tương tác trong một pin để tạo ra điện và nhiệt.

Có nhiều kiểu pin nhiên liệu và mỗi kiểu vận hành một cách khác nhau tùy thuộc vào loại nhiên liệu và chất điện giải sử dụng trong pin. Tuy nhiên, quá trình

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

ẠO

TP

.Q

U Y

N

H

Ơ

N

hoạt động của pin thường tuân theo nguyên tắc cơ bản sau:

Hình 3.4: Nguyên lý hoạt động của pin hydro.

B

Nhiên liệu đi vào ngăn anode bị oxy hóa, hình thành ion H+ mang điện tích

10 00

dương (proton) cùng với electron. Các electron mang điện tích âm không đi

A

qua được màng Nafion nên không thể di chuyển trực tiếp từ anode sang cathode mà

Ó

phải đi vòng qua một mạch điện bên ngoài, tạo ra dòng điện một chiều. Khí oxy

Í-

H

được cung cấp đến cathode của pin nhiên liệu sẽ nhận các electron này, tạo thành các

-L

ion (O2-). Trong một số dạng pin nhiên liệu, các ion O2- này sẽ kết hợp với các ion

ÁN

H+ vừa đi qua chất điện giải từ anode của pin nhiên liệu để tạo thành nước. Trong

TO

một số dạng pin nhiên liệu khác, các ion oxy sẽ di chuyển qua chất điện giải đến

ÀN

anode, gặp và kết hợp với các ion hydro ở đó để tạo thành nước. Ở một số loại pin

D

IỄ N

Đ

nhiên liệu sử dụng nhiên liệu hydrocarbon (CH4, CH3OH….), sản phẩm tạo ra của pin còn có thể có CO2, nhưng lượng CO2 do pin nhiên liệu tạo ra ít hơn nhiều so với động cơ đốt trong thông thường. Trong pin nhiên liệu, các electron di chuyển từ

anode sang cathode thông qua một mạch điện bên ngoài, nên dòng điện đi qua mạch điện có chiều từ cathode sang anode. Vì vậy, cathode là điện cực dương và anode là

31

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

điện cực âm của pin nhiên liệu.

Lượng điện thu được từ pin nhiên liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: loại pin nhiên liệu, kích cỡ pin, nhiệt độ khi nó hoạt động, áp suất không khí được cung cấp vào pin,… Tùy theo từng loại pin nhiên liệu mà điện áp của pin sẽ khác nhau,

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

ẠO

TP

.Q

U Y

N

H

Ơ

N

nhưng thông thường nằm trong khoảng từ 0,3 đến 0,9V.

Hình 3.5: Sơ đồ pin khi hoạt động.

B

Dòng hidro vào:

10 00

 Một phân tử khí hydro (H2) được bơm vào một bên của pin nhiên liệu.  Các phân tử H2 phân chia thành hai hydro ion H+ và hai electron. một ion là

Ó

A

một nguyên tử mà đã nhận được hoặc bị mất một hay nhiều điện tử.

Í-

H

 Các ion hydro H+ di chuyển qua màng.

-L

 Các điện tử vượt qua màng tế bào và di chuyển qua một mạch điện bên

ÁN

ngoài, tạo ra một dòng điện có thể được sử dụng để chạy một động cơ điện.

TO

 Một phân tử khí oxy O2 từ không khí đi vào phía bên kia của các tế bào

D

IỄ N

Đ

ÀN

nhiên liệu.

 Các phân tử oxy O2 chia tách thành hai nguyên tử oxy (O).  Một nguyên tử oxy kết hợp với hai ion hydro và hai elctrons từ các mạch điện để tạo thành một phân tử nước H2O.  Hình thành các phân tử nước.

32

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

Để có được điện áp cao hơn, các pin nhiên lieu được kết hợp thành một pin nhiên liệu "ngăn xếp". Một tấm lưỡng cực được sử dụng để kết nối các pin. Hoạt động liên tục của pin “ngăn xếp” đòi hỏi hiệu quả nhiệt, không khí, hydro, và việc tháo

Ơ

Hai nhiên liệu cơ bản cần thiết cho pin nhiên liệu Hydro vận hành chỉ đơn giản

N

nước, kích hoạt thiết bị phụ trợ như máy bơm, máy thổi, và điều khiển.

N

H

là hydrogen và oxygen. Lợi thế hấp dẫn của pin nhiên liệu là ở chỗ nó tạo ra dòng điện

U Y

sạch, rất ít ô nhiễm, do sản phẩm phụ của quá trình phát điện cuối cùng chỉ là nước,

.Q

không hề độc hại.

TP

Các phản ứng hóa học tạo ra dòng điện chính là chìa khóa trong cơ chế hoạt

ẠO

động của pin nhiên liệu. Có nhiều loại pin nhiên liệu và mỗi kiểu vận hành một cách

Đ

khác nhau nhưng cùng chung nguyên tắc cơ bản. Khi những nguyên tử hydrogen đi

N

G

vào pin nhiên liệu, phản ứng hóa học xảy ra ở anode sẽ lấy đi electron của chúng.

H Ư

Những nguyên tử hydrogen lúc này bị ion hóa và mang điện tích dương.Electron điện

TR ẦN

tích âm sẽ chạy qua dây dẫn tạo ra dòng điện một chiều.

Oxygen đi vào cathode, trong một số dạng pin nhiên liệu, chúng sẽ kết hợp với

B

các electron từ dòng điện và những ion hydrogen vừa đi qua chất điện phân từ anode; ở

10 00

một số dạng pin nhiên liệu khác, oxygen lấy electron rồi đi qua chất điện phân đến

A

anode, gặp và kết hợp với các ion hydrogen tại đó.

Ó

Chất điện phân đóng vai trò quyết định chủ chốt. Nó phải chỉ cho phép những

Í-

H

ion thích hợp đi qua giữa anode và cathode; vì nếu electron tự do hay các chất khác

-L

cũng có thể đi qua chất điện phân này, chúng sẽ làm hỏng các phản ứng hóa học.

ÁN

Dù cùng gặp ở anode hay cathode, kết hợp với nhau, hydrogen và oxygen cuối

TO

cùng cũng tạo ra nước, thoát ra khỏi pin. Pin nhiên liệu sẽ liên tục phát điện khi vẫn

ÀN

được cung cấp hydrogen và oxygen. Dưới đây là sơ đồ mô tả hai phản ứng cơ bản quá trình điện phân nước: Phản ứng trên anode: 2 H2 => 4 H+ + 4e-

D

IỄ N

Đ

trong pin nhiên liệu mà phản ứng tồng quát của chúng chính là phản ứng nghịch của

Phản ứng trên cathode: O2 + 4 H+ + 4e- => 2 H2O __________________________________________________________

33

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

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

Ơ

N

trọng giữa hai quá trình đó nằm ở cơ chế phản ứng – phản ứng cháy tạo ra nhiệt trong

N

H

khi phản ứng điện hóa của pin nhiên liệu sinh ra điện năng. Pin nhiên liệu chuyển đổi

U Y

trực tiếp hóa năng thành điện năng, quá trình này không liên quan đến sự chuyển hóa

.Q

nhiệt thành cơ năng nên không phải là đối tượng của định luật nhiệt động lực học giới

TP

hạn hiệu suất tối đa của các động cơ nhiệt thông thường (Carnot) . Do đó, hiệu suất pin

ẠO

nhiên liệu có thể vượt được giới hạn Carnot, thậm chí ngay cả khi vận hành ở nhiệt độ

Đ

tương đối thấp.

N

G

3.4. Phân loại pin nhiên liệu.

H Ư

Hiện nay, có rất nhiều kiểu pin nhiên liệu, sự khác nhau của chúng chủ yếu là ở

TR ẦN

chất điện giải, loại nhiên liệu mà chúng sử dụng, nhiệt độ vận hành của chúng,… Tuy nhiên, người ta thường dựa vào chất điện giải để phân loại cho chúng. Theo cách

10 00

(1) Pin nhiên liệu kiềm (AFC).

B

phân loại này, pin nhiên liệu hiện nay có các loại sau:

Ó

A

(2) Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC).

H

(3) Pin nhiên liệu axit photphoric (PAFC).

-L

Í-

(4) Pin nhiên liệu màng Proton (PEMFC).

ÁN

(5) Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC).

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

(6) Pin nhiên liệu methanol trực tiếp (DMFC).

34

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

TP

.Q

U Y

N

H

Ơ

N

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

Đ

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

3.4.1. Pin nhiên liệu kiềm (Alkaline fuel cell - AFC).

ẠO

Hình3.6: Các loại pin hydro.

Í-

Hinh 3.7: Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu kiềm.

-L

AFC là một trong những pin nhiên liệu phát triển nhất. AFC sử dụng nhiên

ÁN

liệu là hydro tinh khiết và là một trong số các pin nhiên liệu có hiệu suất cao nhất,

TO

đạt tới 70%. Hai điện cực được tách ra bởi một chất liệu xốp bão hòa với một dung

Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực diễn ra như sau:

D

IỄ N

Đ

ÀN

dịch kiềm như là KOH. Sản phẩm của nó là nước, điện và nhiệt.

-

Phản ứng trên anode: 2H2 + 4OH- → 4H2O + 4 e-

-

Phản ứng trên cathode: O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-

-

Tổng quát:

2H2 + O2 → 2H2O + điện năng + nhiệt năng.

Pin nhiên liệu alkali đã từng được NASA chọn sử dụng trong các chương trình

35

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

không gian như đội tàu Con Thoi và các phi thuyền Apollo, chủ yếu bởi vì năng lượng sinh ra đạt hiệu suất đến 70%. Điều thú vị là, không chỉ cung cấp năng lượng dưới dạng điện năng, pin nhiên liệu alkali còn cung cấp nước uống cho các phi hành gia.

Nó đòi hỏi nhiên liệu hydrogen tinh khiết và chất xúc tác điện cực bằng Platin (bạch

Ơ

N

kim).

N

H

Vì thế mà pin nhiên liệu alkali vẫn còn khá đắt đỏ để thương mại hóa cho các

U Y

sản phẩm thông thường. Tuy nhiên, một số công ty đang tìm cách giảm giá thành và

.Q

tăng tính đa dụng của loại pin nhiên liệu này.

TP

Tháng 7/1998, công ty “xe cộ không phát thải” ZEVCO (the Zero Emission

ẠO

Vehicle Company) đã tung ra chiếc taxi mẫu đầu tiên tại London nước Anh . Chiếc

Đ

taxi sử dụng một bộ pin nhiên liệu alkali 5kW, chất xúc tác cobalt được thay cho bạch

N

G

kim (platin) để giảm chi phí, xe chạy không sinh ra khí độc và vận hành rất êm, gần

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

như không gây tiếng động như những taxi chạy bằng động cơ đốt trong thông thường.

ÁN

Hình 3.8: a) Tàu Con Thoi của NASA (Hoa Kỳ) sử dụng pin nhiên liệu Alkali để cung cấp năng lượng

TO

và nước uống trong không gian; b) Chiếc taxi chạy bằng pin nhiên liệu đầu tiên của ZEVCO ở London, Anh.

Pin nhiên liệu carbonat nóng chảy MCFC dùng các muối carnonate của Na và

D

IỄ N

Đ

ÀN

3.4.2. Pin nhiên liệu carbonat nóng chảy (Molten carbonate fuel cell - MCFC).

Mg ở nhiệt độ cao làm chất điện phân. Hiệu suất pin đạt từ 60 đến 80%, có nhiệt độ làm việc của pin rất cao (600 – 650ºC) Các đơn vị có công suất đầu ra 2 MW được kết

hợp với nhau và có thể thiết kế cho công suất đến 100 MW. MCFC dùng chất xúc tác điện cực nikel nên không đắt lắm so với xúc tác điện cực bạch kim của AFC. Tuy

36

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

nhiên, nhiệt độ cao cũng có mặt hạn chế về vật liệu và an toàn. Bên cạnh đó, ion carbonate từ chất điện phân sẽ bị sử dụng hết trong phản ứng, đòi hỏi phải tiếp thêm khí carbonic bù vào.

Phản ứng trên anode: 2CO32- + 2 H2 → 2 H2O + 2CO2 + 4e-

-

Phản ứng trên cathode:

-

Tổng quát: 2H2 + O2 → 2H2O + điện năng + nhiệt năng.

Ơ

-

N

Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực diễn ra như sau:

U Y

N

H

2CO2 + O2 + 4 e- → 2 CO32-

.Q

Pin nhiên liệu MC vận hành ở nhiệt độ khá cao, vì thế đa số các ứng dụng của nó

TP

là các nhà máy, trạm phát điện lớn (ứng dụng tĩnh). Nhiệt độ cao của quá trình vận

ẠO

hành có thể được tận dụng tạo nên thêm một nguồn năng lượng bổ sung từ nhiệt thừa

Đ

để sưởi ấm, dùng cho các quá trình công nghiệp hay động cơ hơi nước sinh ra thêm

N

G

điện năng. Nhiều nhà máy nhiệt điện chạy bằng gas đã áp dụng hệ thống này, gọi là

H Ư

cogeneration (phát điện kết hợp). Nhật Bản, Hoa Kỳ đã ứng dụng công nghệ này, xây

TR ẦN

dựng các nhà máy điện pin nhiên liệu MC từ thập kỉ 90 của thế kỉ trước.

3.4.3. Pin nhiên liệu acid phosphoric (Phosphoric acid fuel cell - PAFC)

10 00

B

PAFC là loại pin nhiên liệu sử dụng acid phosphoric làm chất điện giải, phát triển khoảng những năm 1970, các điện cực là giấy carbon phủ chất xúc tác Pt, nhiệt

A

độ làm việc từ 150 – 200οC và hiệu suất chuyển hóa năng lượng khoảng 80%.Các pin

H

Ó

nhiên liệu PAFC hiện tại có công suất đến 200 kW, và thậm chí 11 MW đã được thử

Í-

nghiệm. PAFC có thể chịu được nồng độ CO khoảng 1,5%, do đó mở rộng khoảng

-L

chọn lựa loại nhiên liệu mà chúng có thể sử dụng. PAFC đòi hỏi điện cực bạch kim,

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

và các bộ phận bên trong phải chống chịu được ăn mòn axit.

37

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

Hình 3.9: Sơ đồ hoạt động của pin PAFC.

ẠO

TP

.Q

U Y

N

H

Ơ

N

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

G

Đ

PAFC được phát triển, kiểm tra thực nghiệm từ giữa thập kỉ 60 và 70 của thế kỉ

N

trước, là dạng pin nhiên liệu đầu tiên được thương mại hóa trên thị trường nên đến

H Ư

ngày nay PAFC đã có được nhiều cải tiến đáng kể nhằm giảm chi phí và tăng tính ổn

TR ẦN

định, chất lượng hoạt động. Hệ thống PAFC thường được cài đặt cho các tòa nhà, khách sạn, bệnh viện, các thiết bị điện (các ứng dụng tĩnh tương đối lớn) và công nghệ

10 00

B

này đã được phổ biến ở Nhật Bản, châu Âu và Hoa Kỳ.

Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực diễn ra như sau: Phản ứng trên anode: 2H2 → 4 H+ + 4 e-

-

Phản ứn trên cathode: O2 + 4 H+ + 4 e- → 2H2O

-

Tổng quát: 2H2 + O2 → 2H2O + điện năng + nhiệt năng.

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

-

38

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

ẠO

TP

.Q

U Y

N

H

Ơ

N

3.4.4. Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell – PEMFC).

Ó

A

Hình 3.10: Hoạt động của pin PEMFC.

H

PEMFC, (còn gọi là “Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell” – pin nhiên

-L

Í-

liệu màng điện phân polymer) có cơ chế phản ứng như sơ đồ. Pin nhiên liệu PEM hoạt

ÁN

động với một màng điện phân bằng plastic mỏng. Hiệu suất pin từ 40 đến 50%, và vận

TO

hành ở nhiệt độ thấp, chỉ chừng 800C ,đặc biệt là sử dụng màng điện giải polymer rắn. Công suất dòng ra khá linh hoạt có thể chỉ là 2 kW cho các ứng dụng nhỏ, di

ÀN

động hay cả trong khoảng từ 50 đến 250 kW cho các ứng dụng tĩnh lớn hơn. Vận

D

IỄ N

Đ

hành ở nhiệt độ thấp nên PEM thích hợp cho các ứng dụng trong gia đình và xe cộ.

Tuy nhiên, nhiên liệu cung cấp cho PEM đòi hỏi phải được tinh sạch (không lẫn nhiều tạp chất) và PEM cũng cần xúc tác bạch kim đắt tiền ở cả hai mặt màng điện phân, gia tăng chi phí.

39

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

PEMFC lần đầu tiên được sử dụng vào thập kỉ 60 của thế kỉ trước trong chương trình không gian Gemini của NASA, đến nay pin nhiên liệu PEM đã được phát triển với những hệ thống công suất thông thường từ 1 W đến 2 kW. Người ta các xe cộ, phương tiện giao thông, và cuối cùng về lâu dài sẽ thay thế các động cơ

H

Ơ

đốt trong chạy bằng xăng dầu, diesel. So với các dạng pin nhiên liệu khác, PEMFC

N

tin rằng PEMFC sẽ là dạng pin nhiên liệu thích hợp nhất cung cấp năng lượng cho

U Y

N

sinh ra nhiều năng lượng hơn với cùng một thể tích hay khối lượng nhiên liệu cho

trước. Hơn nữa, nhiệt độ vận hành dưới 1000C cho phép khởi động nhanh. Những

TP

.Q

ưu điểm này cùng với khả năng thay đổi linh hoạt, nhanh chóng công suất đầu ra

ẠO

đã làm cho pin nhiên liệu PEM trở thành ứng cử viên hàng đầu cho các loại xe hơi

Đ

hay những ứng dụng di động khác như máy tính xách tay…v.v.

G

Mặt khác, do chất điện phân là vật liệu rắn (màng), chứ không phải là chất

H Ư

N

lỏng như những dạng pin nhiên liệu khác, việc nút kín các khí phát ra từ điện cực cũng đơn giản hơn và do đó làm giảm chi phí sản xuất. Màng điện phân rắn cũng ít

TR ẦN

gặp khó khăn trong khi vận hành, ít bị ăn mòn hơn so với các dạng chất điện phân khác, dẫn đến kéo dài tuổi thọ của pin hơn.

10 00

B

Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực diễn ra như sau: Phản ứng trên anode: 2H2 → 4 H+ + 4 e-

-

Phản ứn trên cathode: O2 + 4 H+ + 4 e- → 2H2O

-

Tổng quát: 2H2 + O2 → 2H2O + điện năng + nhiệt năng.

Í-

H

Ó

A

-

-L

3.4.5. Pin nhiên liệu oxide rắn (Solid oxide fuel cell - SOFC).

ÁN

SOFC sử dụng một hợp chất oxit kim loại rắn (như calcium hay zỉconium) làm

TO

chất điện phân. Hiệu suất đạt được khoảng 60% và vận hành ở nhiệt độ từ 600 0C đến

ÀN

cả 10000C. Được phát triển từ cuối những năm 50 của thế kỉ trước, đây là dạng pin

D

IỄ N

Đ

nhiên liệu vận hành ở nhiệt độ cao nhất hiện nay. Nhiệt độ cao cho phép pin có thể sử dụng được nhiều loại nhiên liệu đầu vào, như khí thiên nhiên, sinh khối hydrocarbon

(trích xuất lấy hydrogen trực tiếp mà không cần phải qua chuyển hóa nhiệt). Công suất đầu ra của pin đến 100 kW. Vận hành ở nhiệt độ cao như vậy, chất điện phân là vật liệu oxit rắn, mỏng và cho phép ion oxygen (O2-) đi qua.

40

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

Chất điện giải của pin là những lớp gốm nặng, không thấm ( phổ biến nhất là loại oxide base của zirconi). Các nghiên cứu đang hướng đến SOFC hoạt động ở nhiệt độ thấp để giảm giá thành các vật liệu. Từ đó có thể sử dụng các vật liệu kim loại với những đặc tính cơ học và tính dẫn nhiệt tốt hơn như sử dụng oxide gadoli

Ơ

N

Ceri (Ytri pha vào zirconi).

N

H

Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực: Phản ứng trên anode: CH3OH + H2O → CO2 + 6H + + 6e-

-

Phản ứng trên cathode: 3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3 H2O

-

Tổng quát: CH3OH + 3/2O2 → CO2 + 2 H2O + điện năng + nhiệt năng.

TP

.Q

U Y

-

ẠO

3.4.6. RFC (Regenerative Fuel Cell) – pin nhiên liệu tái sinh.

G

Đ

RFC là một hệ thống vận hành thành một chu trình kín và có thể trở thành nền

H Ư

N

tảng cơ bản cho nền kinh tế hydrogen dựa trên các nguồn năng lượng tái tạo. Pin nhiên liệu sinh ra điện năng, nhiệt và nước từ hydrogen và oxygen sẽ được sử dụng khắp nền

TR ẦN

kinh tế, cung cấp năng lượng cho các nhà máy, xe cộ, phương tiện giao thông vận chuyển và cho các nhu cầu dân dụng của hộ gia đình. Hydrogen được sinh ra từ điện

B

phân nước, tách nước thành hai thành phần hydrogen và oxy; quá trình sử dụng năng

10 00

lượng tái tạo từ các nguồn tự nhiên như gió, mặt trời hay địa nhiệt.

A

Một hệ thống như vậy sẽ không đòi hỏi bất cứ dạng pin nhiên liệu chuyên biệt

H

Ó

nào, nhưng sẽ cần có một cơ sở hạ tầng để phân phối hydrogen đến các pin nhiên liệu

Í-

để sử dụng. Tuy nhiên hiện tại chúng ta vẫn chưa có được một cơ sở hạ tầng để phân

-L

phối hydrogen như vậy.

ÁN

NASA đang tiến hành dự án phát triển một hệ thống pin nhiên liệu tái sinh nhẹ

TO

và hiệu quả để sử dụng trên chiếc máy bay tên là Helios có thể bay ở độ cao hơn 30

ÀN

km. Chiếc máy bay trước đây chạy bằng các panel năng lượng mặt trời. Mục tiêu của

D

IỄ N

Đ

dự án là tích hợp cả hai hệ thống năng lượng mặt trời và pin nhiên liệu tái sinh.

Hệ thống pin mặt trời sẽ cung cấp năng lượng cho máy bay suốt ban ngày và sinh ra nguồn hydrogen bổ sung, hydrogen được lưu trữ để cung cấp cho pin nhiên liệu sử dụng vào ban đêm. Một hệ thống như vậy dùng hoàn toàn năng lượng sạch và bền vững, có thể giúp chuyến bay kéo dài được trong nhiều ngày.

41

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn Pin nhiên liệu hydrogen

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com 2013

ẠO

TP

.Q

U Y

N

H

Ơ

N

Bảng 3.2: Các loại pin nhiên liệu.

H Ư

N

G

Đ

Bảng 3.3: Các giá trị hóa lý của các loại nhiên liệu sử dụng trong pin nhiên liệu.

ΔG

Hydrogen

Eºma 1,15 x

1,17 1,21 (V) 1,56

0,62 0,98 (V) 1,28

1,35

1,15

4,82

61,60

1,33

1,22

2,04

68,20

1,48

1,14

1,72

56,69

Meth

Hydrazine

(kcal/mol) 80,80 166,80 143,90

Formaldehyde

124,70

H

Ó

Carbon monoxide

A

10 00

B

Ammonia anol

32,67 (kWh/kg) 5,52 6,13 5,22

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

Formic acid

Năng lượng

Eºlý 1,23 thuyết

TR ẦN

Nhiên liệu

42

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Pin nhiên liệu hydrogen

2013

Bảng 3.4: So sánh các dạng pin nhiên liệu chính.

Dạng pin

PEMFC

AFC

PAFC

MCFC

SOFC

N

nhiên liệu

kiềm

phosphoric

H

hữu cơ rắn

carbonate

Oxit

nóng chảy

zirconium

của Li, Na

N

Dung dịch axit

.Q

phân

Dung dịch

U Y

Chất điện

Polymer

Ơ

Muối

rắn

90-1000C

175-2000C

600-10000C

600-10000C

-Trạm phát

-Trạm phát

điện (lớn)

điện (lớn)

- Đạt hiệu suất

-Hiệu suất

-Hiệu suất

cao

cao

-Có thể

-Có thể

dùng được

dùng được

nhiều loại

nhiều loại

- Có thể sử

nhiên liệu

nhiên liệu

dụng nhiên liệu

đầu vào

đầu vào

không tinh khiết

khác nhau

khác nhau

N

G

vận hành

60-1000C

Đ

Nhiệt độ

ẠO

TP

và K

H Ư

-Thiết bị

TR ẦN

điện cầm -Quân sự

-Thiết bị điện

Lĩnh vực

động, nhỏ)

-Không

-Giao thông vận

ứng dụng

-Giao

gian

10 00

tải

A

thông vận

B

tay (di

-L

Í-

H

Ó

tải (xe cộ)

Ưu điểm

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-Chất điện

phân là rắn

- Phản ứng

lên đến 85% khi

nên giảm

ở cathode

kết hợp phát

thiểu

nhanh hơn

điện và nhiệt

những vấn

trong chất

(cogeneration)

đề ăn mòn

điện phân

và bảo trì.

kiềm

- Nhiệt độ

43 Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Pin nhiên liệu hydrogen

2013

vận hành

(lẫn tạp chất)

(linh hoạt)

(linh hoạt)

-Có thể

thể được sử

dùng được

dụng rộng

-Có thể

các loại xúc

rãi cho các

dùng được

tác khác

các loại xúc

nhau

tác khác

Ơ

H

U Y

thông

N

ứng dụng

nhau

TP

.Q

thường.

- Khởi

Đ

ẠO

động nhanh

G N hỏi xúc tác

phí cho

mòn và bảo trì.

-Đòi hỏi xúc tác

(Platinium)

đắt tiền

việc khử

-Cho dòng điện

-Nhạy cảm

CO2 khỏi

cường độ thấp

cao với tạp

-Nhiệt độ

-Nhiệt độ

cao làm

cao làm

tăng ăn mòn tăng ăn mòn và có thể

và có thể

nhiên liệu

làm giòn vỡ

làm giòn vỡ

chất của

và dòng

cấu trúc của

cấu trúc của

nhiên liệu

không khí

pin

pin

(nếu có)

-Nặng, kích cỡ to lớn

D

IỄ N

nên giảm vấn đề ăn

H Ư Đ

ÀN

TO

điểm

phân là rắn

thiểu những

TR ẦN B 10 00

Ó

-Tốn chi

Í-

thấp đòi

-L

ÁN

Nhược

-Chất điện

bạch kim

H

A

-Nhiệt độ

N

thấp nên có

44 Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Pin nhiên liệu hydrogen

2013

PHẦN 4

LƯU TRỮ HYDRO Với vai trò "chuyên chở" năng lượng (energy carrier) hơn là một nguồn năng

Ơ

N

lượng cơ bản, giống như điện năng, hydrogen giúp cho việc phân phối, sử dụng năng

N

H

lượng được thuận tiện. Thêm vào đó, khác với điện năng, hydrogen còn có thể lưu trữ

U Y

được lâu dài.

TP

.Q

Có ba cách vận chuyển hydro:

(1) Hệ thống đường ống tải Hydro từ nhà máy sản xuất đến các thiết bị đầu

Đ

ẠO

cuối/bể chứa bảo quản và các trạm tiếp nhiên liệu.

G

(2) Các thùng chứa hydro lạnh hóa lỏng vận chuyển bằng xe tải, đường ray, sà

H Ư

N

lan và tàu.

TR ẦN

(3) Các chất mang năng lượng như ethanol, methanol, và các chất lỏng khác có

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

nguồn gốc từ sinh khối tái tạo có thể được vận chuyển và tạo ra hydro khi sử dụng.

Hình 4.1: Các phương pháp vận chuyển hydro.

45 Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Pin nhiên liệu hydrogen

2013

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng một cơ sở hạ tầng mạng lưới đường ống là phương pháp hiệu quả nhất về chi phí và năng lượng để vận chuyển hydro trên đường dài như được thực hiện với khí thiên nhiên hiện nay. Tuy nhiên, các phương pháp

N

khác, chẳng hạn như việc sử dụng các đoạn ống khí, hóa lỏng khí hydrogen và chuyên

Ơ

chở bằng tàu xe, hoặc máy bay, là cần thiết cho thị trường vận chuyển ban đầu, giữ

N

H

một vai trò nhất định và lâu dài. Chọn phương pháp vận chuyển Hydro tùy thuộc vào

U Y

khoảng cách vận chuyển hàng (ngắn hay dài) và sự khác biệt giữa các khu vực dân cư,

.Q

mật độ cao đô thị và khu vực nông thôn, và các trạm tiếp nhiên liệu giữa các tiểu bang.

TP

Ngòa ra còn phải để ý vấn đề an toàn, chi phí, hiệu quả và năng lượng.

ẠO

Hiện nay đã thiết lập một cơ sở hạ tầng vận chuyển Hydrogen theo đường ống

G

Đ

nhỏ, khoảng 700 dặm Tại Hoa Kỳ. Những đường ống chủ yếu phục vụ cho các nhà

N

máy lọc dầu và nhà máy hóa chất ở khu vực Vùng Vịnh, với một số đường ống dẫn

H Ư

thêm ở miền Nam California và Chicago. Sự thành công và an toàn trong vận hành các

TR ẦN

đường ống là đáng khích lệ, nhưng đường ống tương đối ngắn, có đường kính nhỏ, hoạt động ở áp suất thấp và liên tục. Hệ thống đường ống thì không phải chịu các yêu

B

cầu kỹ thuật như việc sản xuất hydro quy mô lớn, và những thách thức kinh tế của việc

10 00

cung cấp hydro trên hàng trăm hoặc hàng ngàn dặm để cạnh tranh với các điểm nguồn hydro khác nhau . Hình bên dưới minh họa đường dẫn hydro thông qua đường ống từ

Ó

A

việc sản xuất hydro vào thiết bị đầu cuối hoặc bể chứa, sau đó phân phối hydro cho các

Í-

H

trạm tiếp nhiên liệu. Máy nén khí và các bộ cảm biến khác nhau được sử dụng để tạo

-L

áp lực hydro dọc theo đường ống dẫn giữa các nhà máy sản xuất tập trung và thiết bị

ÀN

TO

ÁN

đầu cuối / bể chứa. Bốn yếu tố cần lưu ý khi vận chuyển bằng đường ống:  Chi phí đầu tư ban đầu cao.  Vật liệu đường ống vận chuyển, lưu ý tính dòn dễ vỡ do hydro gây ra

Đ

cho đường ống thép và những lựa chọn thay thế.

D

IỄ N

 Rò rỉ hydro và cảm biến giám sát tính toàn vẹn.  Nén hydro.

46 Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

2013

H Ư

N

G

Đ

ẠO

TP

.Q

U Y

N

H

Ơ

N

Pin nhiên liệu hydrogen

TR ẦN

Hình 4.2: Mô hình vận chuyển và lưu kho nhiên liệu Hydrogen.

Ghi chú:

B

1/ Cảm biến để phát hiện rò rỉ, độ tinh khiết, và tốc độ dòng chảy sẽ được yêu

10 00

cầu tại nhiều địa điểm khác nhau

A

2/ Vận chuyển bằng đường sắt hay sà lan, tàu thuyền đường thủy có thể vận

H

Ó

chuyển được khối lượng lớn từ nhà máy sản xuất đến các kênh phân phối

-L

ÁN

chuyển

Í-

3/ Có thể lưu kho trung chuyển tại nhiều địa điểm trong suốt quá trình vận

TO

Về cơ bản có ba phương thức lưu trữ hydrogen như sau:

D

IỄ N

Đ

ÀN

(i) Lưu chứa hydrogen trong các bình khí nén áp suất cao. (ii) Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng. (iii) Lưu chứa hydrogen trong hợp chất khác (hấp thụ hóa học, hấp phụ trong

hợp chất khác như với các hyđrua kim loại hay ống carbon nano rỗng).

4.1. Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí nén.

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.

47 Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Pin nhiên liệu hydrogen

2013

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

N

nhiều hydrogen càng tốt trong một không gian giới hạn.

H

Ơ

Các bình áp suất chứa khí nén thường làm bằng thép nên rất nặng. Các bình áp

N

suất hiện đại được làm từ những vật liệu composite và nhẹ hơn nhiều. Một kg hydro

U Y

chiếm 11 m3 ở áp suất và nhiệt độ môi trường, và do đó đòi hỏi lưu trữ nén rất lớn. Vật

TP

.Q

liệu ưa dùng là thép vì có độ bền cao.Tuy nhiên, khuyếch tán khí hydro qua thép và trọng lượng của thép là vấn đề lớn trong lưu trữ. Kim loại khác như thép Austenit cũng

ẠO

là một lựa chọn. Cho các ứng dụng lưu trữ khí nén thiên nhiên, bể chứa loại 3 bề và 4

G

Đ

bể rất ưa dùng. Loại-3 bể kim loại lót bằng hỗn hợp bọc bên ngoài chịu lực. Loại 4 bể

N

nhẹ với một lớp lót bên trong để ngăn chặn sự khuếch tán khí và chịu lực tổng hợp hơn

H Ư

. Bọc bên ngoài cả hai loại là sợi carbon, sợi thủy tinh, hoặc lai tạo của cả hai với

TR ẦN

epoxy nhựa, lớp lót bên trong là một polymer mật độ cao để ngăn chặn hydro khuếch tán. Các lớp tiếp theo là sợi carbon -epoxy chịu tải, và cuối cùng là một lớp vỏ bên

B

ngoài chống va đập và chống mài mòn. Lưu trữ 5 kg khí nén Hydro tại 5000 psi sẽ đòi

10 00

hỏi 212 L (hoặc 56 gal.).Hydro là một chất khí không lý tưởng, mật độ khối lượng tăng phi tuyến với sự gia tăng áp lực.Thách thức hiện nay là phát triển bình áp lực phù

Ó

A

hợp, có thể tối ưu hóa không gian. Ngoài ra, tiếp tục giảm trong chi phí và trọng lượng

Í-

H

thấp hơn sẽ là trọng tâm trong sự phát triển tương lai.

-L

4.2. Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng.

ÁN

Hydrogen chỉ tồn tại ở thể lỏng dưới nhiệt độ cực lạnh, 200K hay âm

TO

2350C. Nén, làm lạnh (hóa lỏng) hydrogen tiêu tốn khá nhiều năng lượng, do đó tổn

D

IỄ N

Đ

ÀN

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

48 Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Pin nhiên liệu hydrogen

2013

(bằng tàu biển chẳng 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.

Mật độ năng lượng hydro có thể được tăng gấp đôi so với 10.000 psi đến 70 g /

N

L hóa lỏng đến 20 K. Năm kg hydro chỉ cần 71 L thể tích. Bắt đầu từ điểm ba, và kết

H

Ơ

thúc tại nơi hydro tồn tại như một chất lỏng với mật độ 70,8 kg/m3 ở -253 ° C. Năng

N

lượng sử dụng để làm mát để H2 Lỏng đòi hỏi khoảng 30% giá trị nhiệt của hydro, cao

U Y

hơn đáng kể so với H2 nén. Có một khoảng thời gian mà hydro sẽ ấm lên trong một bể

TP

.Q

lưu trữ và chuyển đổi thành khí nên sẽ yêu cầu thông gió. Giai đoạn này là giai đoạn ngủ, và có một ước tính mỗi ngày một bể tăng 4% 4,6 kg.Công suất cao hơn của H2

ẠO

lỏng cung cấp khoảng cách đi lại lâu hơn mà không cần tiếp nhiên liệu; Tuy nhiên,

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

thời gian ngủ và nhu cầu năng lượng cho hóa lỏng là chính vấn đề.

Hình 4.3: Giản đồ pha của hydro.

4.3. 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 tủy theo

49 Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Pin nhiên liệu hydrogen

2013

hợp chất dùng để lưu trữ hydrogen. Ví dụ như: vớiNH3BH3, 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

N

phương pháp này, ta có thể điều chỉnh được lượng hydrogen sinh ra theo nhu cầu.

H

Ơ

4.4. Lưu chứa hydrogen trong các hyđrua kim loại (metal hydride).

U Y

N

Phương pháp này sử dụng một số hợp kim có khả năng độc đáo, có thể hấp phụ

.Q

hydrogen. Các hợp kim này hoạt động giống như miếng xốp có thể hút nước vậy,

TP

chúng “hút bám” hydrogen, tạo nên các hyđrua kim loại. Khi một hyđrua kim loại

ẠO

được “lấp kín” dần với các nguyên tử khí hydrogen, nó sẽ tỏa nhiệt, do đó, khi muốn

Đ

giải phóng hydrogen, ta sẽ phải cung cấp nhiệt cho nó. Khi muốn lưu trữ Hydro trên

N

G

kim loại, các yếu tố mong muốn đạt được là:

Lượng hydro trên một đơn vị khối lượng phải cao

-

Nhiệt độ phân ly thấp

-

Áp lực phân ly vừa phải

-

Nhiệt độ hình thành liên kết hydrua thấp để giảm thiểu năng lượng cần thiết khi

10 00

B

TR ẦN

H Ư

-

giải hydro và tốc độ tản nhiệt thấp trong quá trình hydride tỏa nhiệt Vấn đề thuận nghịch, năng lượng phải hạn chế trong hình thành và giải hydro

-

Động học diễn ra nhanh

-

Ổn định cao tránh O2 và độ ẩm trong suốt một vòng luân chuyển dài

-

Chi phí tái chế và cơ sở hạ tầng thấp

-

An toàn cao

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

-

Hiđrua kim loại hiện nay, phù hợp cho các ứng dụng ô tô, thường lưu trữ 0,5-

2% khối lượng hydro. Hiđrua giải phóng nhiệt khi sạc với áp suất cao và hấp thụ nhiệt để giải phóng hydro. Hơn 50 nguyên tố kim loại trong bảng tuần hoàn có thể hấp thụ hydro với số lượng tốt. Nhưng, chỉ có một số ngyên tố thích hợp cho lưu trữ hydro ở nhiệt độ và áp lực vừa phải. Thực tế, nhiệt độ không nên trên 100 ° C và dưới 10 ° C trong quá trình nạp và xả, tương ứng. Sự lựa chọn tiếp tục thu hẹp bởi áp lực sạc và áp lực xả phù hợp là cần thiết. Ví dụ, một áp lực nạp hydro là 2,7 MPa và áp lực xả> 0,2

50 Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Pin nhiên liệu hydrogen

2013

MPa. Đặc tính kim loại và hợp kim phải được thiết kế riêng để đáp ứng yêu cầu. Các hợp kim này như AB5 (ví dụ, LaNi5), AB (ví dụ, FeTi), A2B (ví dụ, Mg2Ni), và AB2 (ví dụ, ZrV2). Các khía cạnh quan trọng khác trong việc lựa chọn một hydride bao

N

gồm khả năng hydro, mật độ năng lượng, và entanpy thải.Sức nóng của hydro (sạc) và

Ơ

khử (Xả) khác nhau giữa 30 và 70 kJ / mol H2. Các hợp kim liên kim điển hình có khả

N

H

năng lưu trữ hydro ở áp suất từ <0,1-1,5 MPa.Nhóm đặc biệt bao gồm AB5, AB2, và

U Y

các loại AB, ví dụ, LaNi5-xAlx, TiV2-xMnx, và FeTi1-xMnx, trong đó x là một biến

TP

.Q

để điều chỉnh áp suất cân bằng

ẠO

Công thức tổng quát của quá trình hấp phụ và nhả hấp hyđrua kim loại:

Đ

M + xH2 <=> MH2x

N

G

Phương pháp này có thể chứa được một lượng rất lớn thể tích khí hydrogenhấp

H Ư

phụ vào kim loại. Tuy nhiên, lượng hydrogen hấp phụ chỉ chiếm khoảng 1% - 2% tổng

TR ẦN

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.

B

Ưu điểm của phương pháp này là hầu hết các hyđrua kim loại có thể hoạt động

10 00

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

Ó

A

cần cung cấp nhiệt, vì thế, trường hợp các thùng chứa bị bể vỡ chẳng hạn thì hydrogen

Í-

H

vẫn giữ kết nối trong kim loại mà không bị hao hụt.

-L

Lưu trữ hydrogen bằng các hyđrua kim loại hiện nay đang được ứng dụng nhiều

ÁN

trong các tàu ngầm.

TO

Một số Hydrua kim loại phổ biến:

D

IỄ N

Đ

ÀN

Kim loại có thể kết hợp với hydro tạo thành hiđrua kim loại bằng ba loại liên

kết khác nhau: (1) ion, (2) cộng hóa trị, và (3) kim loại. Dựa trên năng lực của các liên kết, các hyđrua kim loại được sắp xếp thành hai loại: (1) đảo nghịch được (reversible) và (2) không thể đảo ngược (irreversible).

-

AB5 phổ biến nhất (nickel–metal hydride với 1–1.25 reversiblewt% H2 công suất).

-

AB2 khá phổ biến (1.3 reversible wt% H2công suất).

51 Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Pin nhiên liệu hydrogen

2013

-

AB (TiFe with 1.5 reversible wt% H2 công suất).

-

A2B ( Mg2NiH4 3.3–7.0 reversible wt% H2 công suất).

-

AB3, A2B7 .

Ơ

N

Các hydrua kim loại đảo ngược có thể trải qua một phản ứng cân bằng đảo ngược

N

H

như sau:

U Y

MHn,solid+ Heat ↔ Msolid + (n/2)H2

.Q

Hiđrua đảo ngược đã được sử dụng trong một thời gian dài như pin hydride.

TP

Các hiđrua, chẳng hạn như LaNi5H6 hoặc FeTiH, điển hình là hiđrua nhiệt độ thấp, áp

ẠO

lực phân ly cao hơn 0,1 MPa ở nhiệt độ phòng. Ngược lại, hầu hết các hydrua làm việc

Đ

ở nhiệt độ cao. Mặc dù MgH2 là một vật liệu tuyệt vời để lưu trữ nhiệt có đảo chiều và

N

G

có thể được sử dụng trong các hệ thống nhiệt năng lượng mặt trời, ổn định với một áp

H Ư

lực cân bằng là 0,1 MPa hơi dưới 300 ° C. Các hydrua kim loại kiềm nhẹ như LiH và

TR ẦN

NaH là ổn định hơn, với nhiệt độ phân hủy vượt quá 500 ° C. Trong một hiđrua kim loại không thể đảo ngược, hydro được tạo ra thông qua một phản ứng hóa học, mà

B

không phải là dễ dàng đảo ngược. Chất phản ứng thông thường là nước hoặc rượu. Ví

10 00

dụ, bohiđrua natri có thể sản xuất hydro như :

A

NaBH4 + 2H2O → NaBO2 + 4H2

H

Ó

Phản ứng này là không dễ. Do đó, các sản phẩm phải được loại bỏ ra khỏi xe và

Í-

tái tạo. Các hydrua kim loại không thể đảo ngược có thể bao gồm một kim loại chuyển

-L

tiếp, ví dụ, Mg2FeH6 (5,5% khối lượng công suất hydro), một kim loại nontransition

ÁN

như Be (BH4) 2 (20,8% khối lượng công suất hydro), hoặc NaAlH4.

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

Sodium Alanates (NaAlH4) Alanates là hiđrua kim loại phức tạp, trong đó có một tiềm năng cho công suất

hydro cao, một vật liệu đầy hứa hẹn cho lưu trữ hydro với dung lượng lưu trữ đảo ngược lý thuyết của khoảng 5,5% khối lượng. Nó là một trong những hydride phức tạp được biết đến với nhiệt động lực học thuận lợi và một dung lượng lưu trữ trọng lực chấp nhận được để sử dụng trong kết hợp với một loại polymer chất điện phân màng tế bào (PEM) hệ thống tế bào nhiên liệu, mà hoạt động ở khoảng 90 ° C. Động học đảo ngược của NaAlH4 được cải thiện khi bổ sung titan và hoặc chất phụ gia zirconi, gây

52 Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Pin nhiên liệu hydrogen

2013

ra giảm đáng kể kích thước tinh thể chính. Sự phân biệt nguyên tố của Na và Al tìm thấy trong hạt sau khi hấp thụ nhiều / giải hấp chu kỳ có thể là một yếu tố trong khả năng hấp thụ tương đối thấp Sc-pha tạp NaAlH4 cũng trưng bày động học so sánh và

N

dung lượng lưu trữ hydro cao hơn so với Ti-pha tạp NaAlH4, tùy thuộc vào nhiệt độ,

N

Hình 4.4: Bình lưu trữ hydrua kim loại.

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

ẠO

TP

.Q

Na3AlH6 ↔ 3NaH + Al + 1.5H2 (1.8 wt% hydrogen released)

U Y

3NaAlH4 ↔ Na3AlH6 + 2Al + 3H2 (3.7 wt% hydrogen released)

H

Ơ

độ kim loại pha tạp.

ÁN

-L

4.5. Lưu chứa hydrogen trong ống carbon nano rỗng.

Phương pháp này về nguyên tắc tương tự như hyđrua kim loại trong cơ chế lưu

TO

giữ và giải phóng hydrogen. Vật liệu carbon nano này có thể tạo nên một cuộc cách

D

IỄ N

Đ

ÀN

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

53 Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Pin nhiên liệu hydrogen

2013

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

N

hydrogen mà nó có thể lưu chứa được, hơn nữa, so với cách lưu trữ bằng hợp kim thì

H

Ơ

ống carbon nano cũng nhẹ hơn. Ống carbon nano có thể chứa được lượng hydrogen

N

chiếm từ 4% - 65% trọng lượng của chúng. Hiện nay, công nghệ này đang được quan

U Y

tâm nghiên cứu rất nhiều trên thế giới, hứa hẹn một phương thức lưu trữ hydrogen đầy

TP

.Q

tiềm năng, nhất là cho các ứng dụng pin nhiên liệu di động và nhỏ gọn như máy tính

ẠO

xách tay, máy ảnh, điện thoại di động...v.v.

Đ

Ngoài ra, còn một phương pháp lưu trữ hydrogen khác tuy ít phổ biến nhưng

N

G

cũng khá thú vị, đó là chứa hydrogen trong các vi cầu bằng kính.

H Ư

4.6. Lưu chứa hydrogen trong các vi cầu thủy tinh (glass microsphere).

TR ẦN

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

B

thấm của thành thủy tinh, rồi được lấp đầy khi được đặt ngập trong khí hydrogen với

10 00

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

Ó

A

sử dụng. Phương pháp vi cầu này rất an toàn, tinh khiết và có thể chứa được hydrogen

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

ở áp suất thấp, vì thế gia tăng giới hạn an toàn.

54 Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon www.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Pin nhiên liệu hydrogen

2013

TÀI LIỆU THAM KHẢO

N

1. http://vi.wikipedia.org/wiki/Tr%C3%A0n_d%E1%BA%A7u.

4. http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/.

.Q

5. http://www.hydrogenassociation.com/H2-Economy-Fact-Sheet.pdf.

U Y

N

H

3. http://www.hydrogenassociation.com/.

Ơ

2. http://hydrogen-fuelcell.blogspot.com/2005/06/hydrogen-mc-lc.html.

Đ

ẠO

TP

6. Ram B. Gupta, Hydrogen Fuel: Production, Transport, and Storage, Taylor & Francis Group, LLC, 2009.

7. Andreas Zuttel, Andreas Borgschulte, Louis Schlapbach, Hydrogen as a Future Energy Carrier, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co, 2008.

G

8.Bài giảng “Năng lượng tái taọ” Th.s Trần Công Binh ĐHBK HCM.

H Ư

N

9.“Hydrogen Energy and Fuel Cells A Vision of Our Future” by European commission Directorate-General for Research Information and Communication Unit.

TR ẦN

10.“Hydrogen The Essential Element” by john s . rigden.

10 00

B

11.“Hydrogen and Syngas Production and Purification Technologies” by Ke Liu GE Global Research Center Chunshan Song Pennsylvania State University Velu Subramani BP Products North America, Inc.

Ó

A

12.http://vi.wikipedia.org/wiki/T%E1%BA%BF_b%C3%A0o_nhi%C3%AAn_li%E1 %BB%87u.

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

13.Adapted from Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. Fundamentals and Use of Hydrogen as a Fuel.3rd ed., Vol. 4.

55 Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial