thaitruong
Thành Viên [LV 0]
HYDROGEN – CHẤT CHUYỂN TẢI NĂNG LƯỢNG
CỦA HIỆN TẠI VÀ TƯƠNG LAI
VÕ THÁI TRƯỜNG
TÓM TẮT
Bài báo đề cập đến nguồn năng lượng tái tạo Hydrogen – Cách thức chuyến hoá để sản xuất điện năng từ hydrogen và các phương pháp sản xuất lưu trữ hydrogen – Nguồn năng lượng sạch rất phong phú và dồi dào.
1- Đặt vấn đề
Ngày nay, ít ai nghĩ đến một lúc nào đó “chết gí một chỗ” vì không còn Nhiên liệu và Năng lượng!
Thế giới chúng ta đang bị phụ thuộc nặng nề vào một nền kinh tế nhiên liệu hóa thạch. Nhiên liệu của đa số các phương tiện giao thông hiện tại: xe hơi, xe lửa, máy bay… là xăng dầu. Hơn nữa, một tỉ lệ khá cao các nhà máy điện là nhiệt điện dùng dầu hỏa, khí thiên nhiên hay than đá. Nếu không có nhiên liệu hóa thạch, nền kinh tế cùng với các phương tiện giao thông liên lạc, vận tải, sẽ rơi vào khủng hoảng, ngưng trệ. Gần như toàn bộ nền kinh tế, chính xác hơn là toàn bộ xã hội hiện đại đã phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.
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 nhiễm không khí, các vấn đề môi trường như tràn dầu, nguy hiểm và nóng bỏng hơn cả là vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu cùng với sự nóng lên của trái đất. Ngoài ra, nhiên liệu hóa thạch chỉ là nguồn tài 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 mỏ và than đá dồi dào.
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 tiềm năng. “Nền kinh tế hydro” là một hệ thống lưu trữ, phân phối và sử dụng năng lượng dựa trên nhiên liệu chính hydrogen. Nền kinh tế hydrogen hứa hẹn đẩy lùi tất cả những vấn đề do nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch đã gây ra.
2- Tại sao lại là Hydrogen.
Trong lĩnh vực năng lượng hydrogen thể hiện chất mang năng lượng gần như hoàn hảo.Hydrogen khi cháy trong không khí ở nồng độ trong giới hạn 4-75% thể tích. Nhiệt độ cháy của hydrogen cao nhất đạt được 2318 oC ở nồng độ 29% thể tích, nếu cháy trong ôxy - nhiệt độ có thể lên đến 3000 oC ,cao nhất so với tất cả các loại khí khác như khí methane ( CH4 ) chỉ đạt 2148 oC ,propane ( C3H8 ) - 2385 oC . Nhiệt độ tự bốc cháy của hydrogen là 585 oC còn methane 540 oC , propane 487 oC .
Mặt khác trong phân tử không chứa cácbon nên sản phẩm cháy hoàn toàn là nước ,không phát thải các chất độc hại – rất sạch và thân thiện với môi trường.
Hydrogen không có sẵn trong thiên nhiên nhưng được xem là một dạng năng lượng tái tạo như những dạng năng lượng tái tạo khác . Nguyên nhân vì hydrogen được tách ra từ nước nhờ vào các nguồn năng lượng : Năng lượng mặt trời , năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt , năng lượng nước , vì vậy hydrogen cũng mang đầy đủ những đặc tính của một dạng năng lượng tái tạo ,nghĩa là có thể tái tạo vô hạn cho con người sử dụng.
Hydrogen còn có thể thu được từ năng lượng sinh khối trực tiếp bằng con đường cải tạo hơi nước khí methane ( CH4 ) hoặc bằng con đường khí hoá trong điều kiện có mặt hơi nước các vật liệu phế thải chứa cácbon dạng cellulose như củi,gỗ,rơm ,bã mía ...
Quá trình sản xuất hydrogen từ năng lượng sinh khối nói trên hoàn toàn giống như quá trình sản xuất hydrogen trong công nghiệp hoá học hiện nay.
Tuy nhiên một điểm khác biệt quan trọng so với các dạng năng lượng tái tạo khác là chúng không thể chứa và trữ lại để sử dụng mọi lúc mọi nơi . Còn chất mang năng lượng hydrogen thì có thể lưu giữ ,tồn chứa ,vận chuyễn , phân phối như tính chất của các dạng năng lượng hoá thạch ,để con người sử dụng khi cần đến – Hay nói cách khác nó là chất chuyễn tải năng lượng.
So sánh đặc tính năng lượng của hydrogen:
Hydrogen ở áp suất bình thường là chất khí không màu ,không mùi,tỷ trọng 0,0899g/lít.
Hydrogen sôi ở nhiệt độ - 252,77 oC ,hydrogen lỏng có tỷ trọng 70,99 g/lít. Với những đặc tính này hydrogen có năng lượng tính theo đơn vị khối lượng là cao nhất.
Bảng1: So sánh đặc tính năng lượng của chất mang năng lượng khi cháy.
Đơn vị H2 CH4 C3H8
Nhiệt trị thấp kj/kg 119,972 50,020 46,350
kWh/kg 33,33 13,90 12,88
MJ/Nm3 10,783 35,882 93,215
kWh/Nm3 2,995 9,968 25,893
Nhiệt trị cao kj/kg 141,890 55,530 50,410
kWh/kg 39,41 15,42 14,00
MJ/Nm3 12,745 39,819 101,242
kWh/Nm3 3,509 11,061 28,123
Tỷ trọng Kg/m3 0,08988 0,7175 2,011
Bảng2: So sánh mật độ năng lượng của chất mang năng lượng .
Chất mang
năng lượng Dạng tích trữ Mật độ năng lượng theo trọng lượng kWh/kg Mật độ năng lượng theo thể tích kWh/lít
Hydrogen Khí ( 20 Mpa ) 33,3 0,53
Khí ( 24,8 Mpa ) 33,3 0,64
Khí ( 30 Mpa ) 33,3 0,75
Lỏng ( -253oC ) 33,3 2,36
Hydride kim loại 0,58 3,18
Khí thiên nhiên Khí ( 20 Mpa ) 13,9 2,58
Khí ( 24,8 Mpa ) 13,9 3,01
Khí ( 30 Mpa ) 13,9 3,38
Lỏng ( -162oC ) 13,9 5,8
LPG ( Propane ) Lỏng 12,9 7,5
Xăng Lỏng 12,7 8,67
3- Các phương pháp cơ bản sản xuất hydrogen.
Có ba phương pháp cơ bản tạo ra hydro:
+ Phương pháp chuyển hóa hydrocarbon (nhiên liệu hóa thạch, sinh khối) bằng nhiệt
(Reforming)
+ Phương pháp điện phân nước (Electrolysis)
+ Phương pháp sinh học (Biological method)
3.1- Hóa nhiệt nhiên liệu hydrocarbon
3.1.1- Hóa nhiệt khí thiên nhiên với hơi nước (Natural gas steam reforming)
Quá trình này gồm hai bước chính.
Trước hết, khí thiên nhiên (với thành phần chủ yếu là methane) được tách carbon và chuyển hóa thành hydrogen nhờ hơi nước dạng siêu nhiệt dưới áp suất cao, xúc tác thích hợp ở nhiệt độ khoảng 900°C.
CH4 + H2O => CO + 3 H2 ( 1 )
Carbon mono-oxide sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóa thành khí carbonic và tạo ra thêm khí hydrogen.
CO + H2O => CO2 + H2 ( 2 )
Đây là phương pháp công nghiệp phổ biến hiện nay để sản xuất hydrogen. Tuy nhiên phương pháp này không được áp dụng để tạo một nguồn năng lượng mà chỉ để cung cấp nguyên liệu cho các ngành hóa chất, phân bón, tinh lọc dầu mỏ v.v.
3.1.2- Khí hóa hydrocarbon nặng (Gasification heavy hydrocarbon)
Thuật ngữ hydrocarbon nặng là để nói đến dầu mỏ và than đá. Than đá trước khi khí hóa phải được nghiền thành dạng bột rồi hòa trộn với nước. Thông thường, nhiên liệu được hóa nhiệt ở khoảng 14000C với oxygen hay không khí (oxygen hóa không hoàn toàn), tạo ra hỗn hợp gồm hydrogen, carbon mono oxide (CO) và vài sản phẩm phụ. CO sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóa thành khí carbonic và tạo ra thêm khí hydrogen, tương tự như bước thứ hai của quá trình hóa nhiệt khí thiên nhiên.
Rõ ràng đây không phải là phương pháp tối ưu. Bất lợi lớn nhất của nó là sử dụng nhiên liệu hóa thạch làm nguyên liệu và đồng thời cũng làm nhiên liệu cung cấp nhiệt lượng cho quá trình. Nhiên liệu hóa thạch là nguồn tài nguyên hữu hạn, thêm vào đó, việc đốt chúng tạo ra khí carbonic gây hiệu ứng nhà kính. Do đó phương pháp này xét về lâu dài không bền vững.
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 thách còn tương đối dồi dào, nhất là đối với khí thiên nhiên. Hơn nữa, những công nghệ này (phương pháp sản xuất hydrogen công nghiệp từ khí thiên nhiên nói riêng và nhiên liệu hóa thạch nói chung) đã khá quen thuộc trong công nghiệp hóa chất, trong khi cơ sở hạ tầng cho việc phát triển sản xuất hydrogen từ các nguồn khác còn thiếu thốn. Vì vậy, một khi nhiên liệu hóa thạch vẫn còn rẻ thì phương pháp này vẫn có chi phí thấp nhất. Thêm vào đó, để hạn chế mặt tiêu cực này của nhiên liệu hóa thạch, ta có thể dùng công nghệ tách khí carbonic rồi thu hồi và chôn lấp chúng .
3.1.3- Quy trình hiện đại tạo ra hydrogen từ khí thiên nhiên mà không thải ra CO2
Từ những năm 1980, Kværner - một tập đoàn dầu khí của Na Uy đã phát triển công nghệ mang tên "Kværner Carbon Black and Hydrogen Process" (KCB&H). Nhà máy đầu tiên dựa trên quy trình Kværner hiện đại này đặt ở Canada và bắt đầu sản xuất vào tháng 6 năm 1999. Quy trình cung plasma - Kværner ở nhiệt độ cao (16000C) tách hydrogen và than hoạt tính từ hợp chất hydrocarbon như dầu mỏ hay khí thiên nhiên mà không thải ra CO2.
Than đen tinh khiết này được dùng trong sản xuất vỏ xe hơi và dùng như chất khử trong công nghiệp luyện kim. Nhờ một số tính chất đặc biệt mà chúng còn có thể dùng để lưu trữ hydrogen (ống carbonnano).
3.1.4- Khí hóa sinh khối và nhiệt phân (biomass gasification and pyrolysis)
Sinh khối có thể được sử dụng để sản xuất hydrogen. Đầu tiên, sinh khối được chuyển thành dạng khí qua quá trình khí hóa ở nhiệt độ cao có tạo ra hơi nước. Hơi nước chứa hydrogen được ngưng tụ trong các dầu nhiệt phân và sau đó có thể được hóa nhiệt để sinh ra hydrogen. Quá trình này thường tạo ra sản lượng hydrogen khoảng từ 12%-17% trọng lượng hydrogen của sinh khối. Nguyên liệu cho phương pháp này có thể gồm các loại mảnh gỗ bào vụn, sinh khối thực vật, rác thải nông nghiệp và đô thị v.v. Do các chất thải sinh học được sử dụng làm nguyên liệu như vậy, phương pháp sản xuất hydrogen này hoàn toàn tái tạo được (renewable) và bền vững.
3.2- Điện phân nước
Phương pháp này dùng dòng điện để tách nước thành khí hydrogen và oxygen. Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực. Hydrogen sinh ra ở điện cực âm và oxygen ở điện cực dương:
Phản ứng trên cathode: 2 H2O + 2e- => H2 + 2 OH- (3)
Phản ứng trên anode: 2 OH- => H2O + ½ O2 + 2e- (4)
________________________________________________________
Tổng quát: 2 H2O + điện năng => 2 H2 + O2 (5)
Sau đây là một số các dạng điện phân phổ biến:
3.2.1- Điện phân thông thường
Quá trình tiến hành với chất điện phân là nước hay dung dịch kiềm. Hai phần anode và cathode được tách riêng bởi màng ngăn ion (microporous) để tránh hòa lẫn hai khí sinh ra.
3.2.2- Điện phân nước áp suất cao
Điện phân nước áp suất cao có thể sinh ra hydrogen ở áp suất đến 5 MPa. Quá trình vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và hoàn thiện dần.
3.2.3- Điện phân nước ở nhiệt độ cao
Ưu điểm của phương pháp này là đưa một phần năng lượng cần thiết cho quá trình điện phân ở dạng nhiệt năng, nhiệt độ 800-10000C vào quá trình, do đó có thể hạn chế bớt lượng điện năng tiêu thụ. Nhiều nghiên cứu đã hướng đến việc thu nhiệt từ các chảo parabol tập trung năng lượng mặt trời hay tận dụng nhiệt thừa từ các trạm năng lượng.
3.2.3- Quang điện phân ( photoelectrolysis )
Các panel mặt trời, chất bán dẫn (ứng dụng hiện tượng quang điện), chuyển hóa trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng. Khí hydrogen được sinh ra khi dòng quang điện này chạy qua thiết bị điện phân đặt trong nước. Sử dụng năng lượng mặt trời để tạo ra điện dùng trong điện phân nước, tương tự, chúng ta cũng có thể sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, thủy điện để điện phân nước tạo ra hydrogen. Như thế việc sản xuất hydrogen sẽ là một quá trình sạch (không khí thải), tái sinh và bền vững.
3.3- Phương pháp sinh học
Một số tảo và vi khuẩn chuyên biệt có thể sản sinh ra hydrogen như là sản phẩm phụ trong quá trình trao đổi chất của chúng. Các sinh vật này thường sống trong nước, phân tách nước thành khí hydrogenvà oxygen. Hiện tại, phương pháp này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu.
Ví dụ của phương pháp này là việc ứng dụng một loại tảo đơn bào có tên Chlamydomonas reinhardtii. Các nghiên cứu cho thấy loại tảo này chứa enzyme hydrogenase có khả năng tách nước thành hai thành phần hydrogen và oxygen. Các nhà khoa học đã xác định được cơ chế quá trình, điều này có thể giúp mang lại một phương pháp gần như vô hạn để sản xuất hydrogen sạch và tái sinh. Cơ chế này đã phát triển qua hàng triệu năm tiến hóa giúp tảo tồn tại trong môi trường không có oxygen. Một khi ở trong chu trình này, tảo "thở" bằng oxygen lấy từ nước và giải phóng ra khí hydrogen.
4- Lưu chứa hydrogen
Với vai trò "Chuyễn tải" năng lượng (energy carrier) hơn là một nguồn năng lượng cơ bản, giống như điện năng, hydrogen giúp cho việc phân phối, sử dụng năng lượng được thuận tiện. Thêm vào đó, khác với điện năng, hydrogen còn có thể lưu trữ được lâu dài. Về cơ bản có ba phương thức lưu trữ hydrogen như sau:
+ Lưu chứa hydrogen trong các bình khí nén áp suất cao.
+ Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng.
+ 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).
+ Lưu chứa hydrogen trong các vi cầu thủy tinh (glass microsphere).
5- Sử dụng nhiên liệu hydrogen.
5.1- Hydrogen sử dụng làm nhiên liệu động cơ.
Khi dùng làm nhiên liệu, hydrogen có thể được đốt trực tiếp trong các động cơ đốt trong, tương tự như trong các loại phương tiện giao thông chạy bằng xăng dầu phổ biến hiện nay. Hydrogen cũng có thể thay thế khí thiên nhiên để cung cấp năng lượng cho các nhu cầu dân dụng hàng ngày như đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng...v.v.
5.2- Hydrogen sử dụng trong pin nhiên liệu.
Mặt khác, hydrogen còn có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống pin nhiên liệu, nhờ quá trình điện hóa để tạo ra điện năng. Bên cạnh những ưu điểm của hydrogen như đã nêu trên (sạch, tái sinh...), pin nhiên liệu còn chạy rất êm, không gây ra tiếng động, chấn động như động cơ đốt trong. Do dựa trên cơ chế của quá trình điện hóa tạo ra điện năng chứ không phải quá trình đốt như ở động cơ đốt trong, pin nhiên liệu còn đạt hiệu suất sử dụng cao hơn nhiều so với động cơ đốt trong, vì thế mà tiết kiệm năng lượng hơn. Với những ưu thế vượt trội đó, pin nhiên liệu đang ngày càng được quan tâm và dự đoán sẽ trở nên nguồn nhiên liệu đầy triển vọng, một thành phần chủ chốt của nền kinh tế hydrogen trong viễn cảnh tương lai.
Mỗi pin nhiên liệu gồm có hai điện cực âm (cathode) và dương (anode). Phản ứng sinh ra điện năng xảy ra tại hai điện cực này. Giữa hai điện cực còn chứa chất điện phân, vận chuyển các hạt điện tích từ cực này sang cực khác, và chất xúc tác nhằm làm tăng tốc độ phản ứng. Các module pin nhiên liệu thường kết nối với nhau, song song hay trực tiếp để tạo ra các thiết bị có mức công suất phát điện khác nhau và lớn hơn.
Hai nhiên liệu cơ bản cần thiết cho pin nhiên liệu vận hành chỉ đơn giản là hydrogen và oxygen. Lợi thế hấp dẫn của pin nhiên liệu là ở chỗ nó tạo ra dòng điện sạch, rất ít ô nhiễm, do sản phẩm phụ của quá trình phát điện cuối cùng chỉ là nước, không hề độc hại.
Với pin nhiên liệu chất điện phân Axít.
Tại Anốt của chất điện phân Axít của pin nhiên liệu – khí hyđro bị ion hóa giải phóng electron và tạo ion H+ ( protôn).
[ 6 ]
Phản ứng này giải phóng năng lượng . Tại Catốt - ôxi phản ứng với điện tử nhận đựợc từ điện cực và ion H+ từ chất điện phân để tạo thành nước.
[ 7 ]
Tổng cộng :
Như vậy cả hai quá trình phản ứng diễn ra tiếp tục – Điện tử được sản xuất tại Anốt phải thông qua mạch ngoài để đến Catốt. Và cũng như vậy ion H+ phải thông qua chất điện phân.
Trong dung dịch axít sẵn có ion H+ tự do phục vụ cho mục đích này là rất tốt . Và polyme cũng có thể tạo những ion H+ di động .Những vật liệu này đựợc gọi là Màng trao đổi protôn ( bởi vì ion H+ cũng là 01 protôn ).
Mô hình phản ứng điện cực của pin nhiên liệu – Chất điện phân Axít
So sánh công thức [ 6 ] và [ 7 ] ta thấy rằng 02 phân tử hyđro sẽ cần 01 phân tử Ôxi - nếu hệ thống cân bằng . Sơ đồ chỉ cho thấy rằng chất điện phân chỉ cho phép ion H+ đi qua và không cho electron đi qua .
Mặt khác điện tử ( electron ) cũng có thể đi tắt qua chất điện phân và không đi qua mạch ngoài ,và như vậy là có sự thất thoát.
Pin nhiêu liệu với chất điện phân là kiềm .
Phản ứng tại mỗi điện cực cũng khác với pin nhiên liệu chất điện phân Axít .Trong chất kiềm ion hyđrôxin OH- sẵn có và di động , tại Anốt ion OH- phản ứng với hyđrô giải phóng năng lượng ,điện tử ( Electron ) và sản sinh ra nước .
[ 8 ]
Tại Catốt - ôxi phản ứng với điện tử nhận được từ điện cực và nước ở trong chất điện phân tạo ra ion hyđrôxin OH- .
[ 9 ]
Tổng cộng :
Để những phản ứng này diễn biến liên tục ion OH- phải thông qua chất điện phân và điện tử được sản xuất tại phải thông qua mạch ngoài để đến Catốt.
Theo sơ đồ ở bên dưới - Ta thấy rằng: tại Anốt nước sinh sinh gấp 02 lần nước tiêu thụ tại Catốt .
Mô hình phản ứng điện cực của pin nhiên liệu – Chất điện phân Kiềm
Các loại pin nhiên liệu :
- Pin nhiên liệu Màng trao đổi Proton ( PEMFC ).
- Pin nhiên liệu Methanol trực tiêp ( DMFC ).
- Pin nhiên liệu Kiềm ( AFC ).
- Pin nhiên liệu Axít phốtphoríc ( PAFC ).
- Pin nhiên liệu Muối Cácbonat nóng chảy ( MCFC ).
- Pin nhiên liệu Ôxít rắn của kim loại ( SOFC).
Sơ đồ tổng quan về các phản ứng điện cực,nhiệt độ làm việc,
nhiên liệu + chất ôxi hoá của các loại pin nhiên liệu
BẢNG ĐẶC TÍNH CÁC LOẠI PIN NHIÊN LIỆU
Loại Pin nhiên liệu PEMFC DMFC AFC PAFC MCFC SOFC
Chất điện phân Màng polyme axít Màng polyme axít KOH H3PO4
Trong mạng SiC Li2CO3 trong Li2AlO3 Yttria hoặc Yttria trong
Zircon
Điện tích di chuyễn H+ H+ OH- H+ CO32- O2-
Nhiệt độ
hoạt động 20-90oC 20-90oC 60-250oC 150-250oC 600-700oC 600-1000oC
Nhiên liệu H2 CH3OH H2 H2 H2, CH4 H2, CH4,
CO
Chất ôxi hoá O2/
không khí O2/
không khí O2/
không khí O2/
không khí O2/
không khí O2/
không khí
Kết cấu Anốt– xúc tác Platin/
Cácbon Platin/
Cácbon Platin/
Cácbon Platin/
Cácbon Niken Niken hoặc
Yttria trong
Zircon
Kết cấu Catốt – xúc tác Platin/
Cácbon Platin/
Cácbon Platin/
Cácbon hoặc biến thể Platin/
Cácbon Li nhỏ giọt trên NiO Sr nhỏ giọt trên LaMnO4
Hiệu suất điện 45 - 55% 45 - 55% 45 - 55% 40 - 50% 45 - 47% 35-43%
Giới hạn công suất < 1KW - 250 KW < 1KW - 250 KW 10-100 KW 50KW-1MW < 1KW-1MW < 1KW-3MW
Ứng dụng Thiết bị phân phối điện Thiết bị cầm tay Thiết bị quân sự hoặc vũ trụ Thiết bị phân phối điện Thiết bị phân phối điện công suất lớn Thiết bị phân phối điện công suất lớn
6- Hiệu suất chuyến hoá năng lượng của hydrogen.
Hiệu suất năng lượng của các quá trình chuyễn đổi:
- Năng lượng cung cấp cho quá trình điện phân nước tách ra hydrogen và oxy
Với 1,0 kg hydrogen được điện phân từ nước tiêu tốn một lượng điện năng
là : 53,4-70,1kWh/kg H2 – hiệu suất chuyễn hoá : 56- 73%.
- Lượng điện năng sản xuất được từ pin nhiên liệu
là :14-21,7 kWh/kg H2 – hiệu suất chuyễn hoá : 35-55%.
Như vậy hiệu suất chuyễn đổi năng lượng theo chu trình :
Điện năng Điện phân-Sản xuất hydrogen Điện năng :
Thì hiệu suất của chuỗi chu trình này là : 20-41%.
7- Kết luận.
Chúng ta đã thấy việc sử dụng hydrogen làm chất mang và chuyễn hoá năng lượng phục vụ cho chúng ta – Lợi ích mang lại vô cùng to lớn nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường , đáp ứng an ninh năng lượng ...
Và nền Kinh tế hydrogen là xu thế tất yếu và không thể đảo ngược ở trên Thế giới.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1- Năng lượng cho Thế kỷ 21 – Những thách thức và triễn vọng :
Hồ Sĩ Thoảng – Trần Mạnh Trí
Nhà xuất bản Khoa học – Kỷ thuật - 2009
2- Cơ sở lý thuyết Hóa học :
Phần II (Dùng cho các trường Đại học Kỹ thuật )
Nguyễn Hạnh – Nhà xuất bản Giáo dục -2007 ( Tái bản lần thứ 14 ).
3- Phản ứng điện hóa và ứng dụng:
Trần Hiệp Hải - Nhà xuất bản Giáo dục -2007 .
4- Fuel Cell Systems Explaind .
James Larminie - Oxford Brooke University – UK – 2003.
Andrew Dicks - University of Queensland, Australia
(Former Principal Scientist, BG Technology, UK)
5- Fuel Cell Handbook (Fifth Edition) - October 2000
By EG&G Services Parsons, Inc.
Science Applications International Corporation
Under Contract No. DE-AM26-99FT40575
U.S. Department of Energy - Office of Fossil Energy
National Energy Technology Laboratory
P.O. Box 880- Morgantown, West Virginia 26507-0880
6- Electrolysis : Information and Opportunities for Electric Power Utilities
Technical Report - NREL/TP-581-40605- September 2006
B. Kroposki, J. Levene, and K. Harrison - National Renewable Energy
Laboratory - Golden, Colorado
P.K. Sen - Colorado School of Mines - Golden, Colorado
F. Novachek - Xcel Energy - Denver, Colorado
7- Polyme chức năng và vật liệu lai cấu trúc nano:
Nguyễn Đức Nghĩa
- Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên và Công nghệ - Hà nội -2009
8- Thông tin từ các trang Web :
- www.ballard.com.
- www.fuelcellworks.com.
- www.fuelcelltoday.com.
- www.vietnamnet.vn.
- www.wikipedia.com.
- www.nasa.gov.
- www.vietbao.vn.
- www.enerteam.org
- www.americanhistory.si.edu.
- www.udomi.de.
- www.ion-power.com.
- www.vngg.energy.googlepages.com.
………………………..
………………………..
CỦA HIỆN TẠI VÀ TƯƠNG LAI
VÕ THÁI TRƯỜNG
TÓM TẮT
Bài báo đề cập đến nguồn năng lượng tái tạo Hydrogen – Cách thức chuyến hoá để sản xuất điện năng từ hydrogen và các phương pháp sản xuất lưu trữ hydrogen – Nguồn năng lượng sạch rất phong phú và dồi dào.
1- Đặt vấn đề
Ngày nay, ít ai nghĩ đến một lúc nào đó “chết gí một chỗ” vì không còn Nhiên liệu và Năng lượng!
Thế giới chúng ta đang bị phụ thuộc nặng nề vào một nền kinh tế nhiên liệu hóa thạch. Nhiên liệu của đa số các phương tiện giao thông hiện tại: xe hơi, xe lửa, máy bay… là xăng dầu. Hơn nữa, một tỉ lệ khá cao các nhà máy điện là nhiệt điện dùng dầu hỏa, khí thiên nhiên hay than đá. Nếu không có nhiên liệu hóa thạch, nền kinh tế cùng với các phương tiện giao thông liên lạc, vận tải, sẽ rơi vào khủng hoảng, ngưng trệ. Gần như toàn bộ nền kinh tế, chính xác hơn là toàn bộ xã hội hiện đại đã phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.
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 nhiễm không khí, các vấn đề môi trường như tràn dầu, nguy hiểm và nóng bỏng hơn cả là vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu cùng với sự nóng lên của trái đất. Ngoài ra, nhiên liệu hóa thạch chỉ là nguồn tài 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 mỏ và than đá dồi dào.
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 tiềm năng. “Nền kinh tế hydro” là một hệ thống lưu trữ, phân phối và sử dụng năng lượng dựa trên nhiên liệu chính hydrogen. Nền kinh tế hydrogen hứa hẹn đẩy lùi tất cả những vấn đề do nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch đã gây ra.
2- Tại sao lại là Hydrogen.
Trong lĩnh vực năng lượng hydrogen thể hiện chất mang năng lượng gần như hoàn hảo.Hydrogen khi cháy trong không khí ở nồng độ trong giới hạn 4-75% thể tích. Nhiệt độ cháy của hydrogen cao nhất đạt được 2318 oC ở nồng độ 29% thể tích, nếu cháy trong ôxy - nhiệt độ có thể lên đến 3000 oC ,cao nhất so với tất cả các loại khí khác như khí methane ( CH4 ) chỉ đạt 2148 oC ,propane ( C3H8 ) - 2385 oC . Nhiệt độ tự bốc cháy của hydrogen là 585 oC còn methane 540 oC , propane 487 oC .
Mặt khác trong phân tử không chứa cácbon nên sản phẩm cháy hoàn toàn là nước ,không phát thải các chất độc hại – rất sạch và thân thiện với môi trường.
Hydrogen không có sẵn trong thiên nhiên nhưng được xem là một dạng năng lượng tái tạo như những dạng năng lượng tái tạo khác . Nguyên nhân vì hydrogen được tách ra từ nước nhờ vào các nguồn năng lượng : Năng lượng mặt trời , năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt , năng lượng nước , vì vậy hydrogen cũng mang đầy đủ những đặc tính của một dạng năng lượng tái tạo ,nghĩa là có thể tái tạo vô hạn cho con người sử dụng.
Hydrogen còn có thể thu được từ năng lượng sinh khối trực tiếp bằng con đường cải tạo hơi nước khí methane ( CH4 ) hoặc bằng con đường khí hoá trong điều kiện có mặt hơi nước các vật liệu phế thải chứa cácbon dạng cellulose như củi,gỗ,rơm ,bã mía ...
Quá trình sản xuất hydrogen từ năng lượng sinh khối nói trên hoàn toàn giống như quá trình sản xuất hydrogen trong công nghiệp hoá học hiện nay.
Tuy nhiên một điểm khác biệt quan trọng so với các dạng năng lượng tái tạo khác là chúng không thể chứa và trữ lại để sử dụng mọi lúc mọi nơi . Còn chất mang năng lượng hydrogen thì có thể lưu giữ ,tồn chứa ,vận chuyễn , phân phối như tính chất của các dạng năng lượng hoá thạch ,để con người sử dụng khi cần đến – Hay nói cách khác nó là chất chuyễn tải năng lượng.
So sánh đặc tính năng lượng của hydrogen:
Hydrogen ở áp suất bình thường là chất khí không màu ,không mùi,tỷ trọng 0,0899g/lít.
Hydrogen sôi ở nhiệt độ - 252,77 oC ,hydrogen lỏng có tỷ trọng 70,99 g/lít. Với những đặc tính này hydrogen có năng lượng tính theo đơn vị khối lượng là cao nhất.
Bảng1: So sánh đặc tính năng lượng của chất mang năng lượng khi cháy.
Đơn vị H2 CH4 C3H8
Nhiệt trị thấp kj/kg 119,972 50,020 46,350
kWh/kg 33,33 13,90 12,88
MJ/Nm3 10,783 35,882 93,215
kWh/Nm3 2,995 9,968 25,893
Nhiệt trị cao kj/kg 141,890 55,530 50,410
kWh/kg 39,41 15,42 14,00
MJ/Nm3 12,745 39,819 101,242
kWh/Nm3 3,509 11,061 28,123
Tỷ trọng Kg/m3 0,08988 0,7175 2,011
Bảng2: So sánh mật độ năng lượng của chất mang năng lượng .
Chất mang
năng lượng Dạng tích trữ Mật độ năng lượng theo trọng lượng kWh/kg Mật độ năng lượng theo thể tích kWh/lít
Hydrogen Khí ( 20 Mpa ) 33,3 0,53
Khí ( 24,8 Mpa ) 33,3 0,64
Khí ( 30 Mpa ) 33,3 0,75
Lỏng ( -253oC ) 33,3 2,36
Hydride kim loại 0,58 3,18
Khí thiên nhiên Khí ( 20 Mpa ) 13,9 2,58
Khí ( 24,8 Mpa ) 13,9 3,01
Khí ( 30 Mpa ) 13,9 3,38
Lỏng ( -162oC ) 13,9 5,8
LPG ( Propane ) Lỏng 12,9 7,5
Xăng Lỏng 12,7 8,67
3- Các phương pháp cơ bản sản xuất hydrogen.
Có ba phương pháp cơ bản tạo ra hydro:
+ Phương pháp chuyển hóa hydrocarbon (nhiên liệu hóa thạch, sinh khối) bằng nhiệt
(Reforming)
+ Phương pháp điện phân nước (Electrolysis)
+ Phương pháp sinh học (Biological method)
3.1- Hóa nhiệt nhiên liệu hydrocarbon
3.1.1- Hóa nhiệt khí thiên nhiên với hơi nước (Natural gas steam reforming)
Quá trình này gồm hai bước chính.
Trước hết, khí thiên nhiên (với thành phần chủ yếu là methane) được tách carbon và chuyển hóa thành hydrogen nhờ hơi nước dạng siêu nhiệt dưới áp suất cao, xúc tác thích hợp ở nhiệt độ khoảng 900°C.
CH4 + H2O => CO + 3 H2 ( 1 )
Carbon mono-oxide sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóa thành khí carbonic và tạo ra thêm khí hydrogen.
CO + H2O => CO2 + H2 ( 2 )
Đây là phương pháp công nghiệp phổ biến hiện nay để sản xuất hydrogen. Tuy nhiên phương pháp này không được áp dụng để tạo một nguồn năng lượng mà chỉ để cung cấp nguyên liệu cho các ngành hóa chất, phân bón, tinh lọc dầu mỏ v.v.
3.1.2- Khí hóa hydrocarbon nặng (Gasification heavy hydrocarbon)
Thuật ngữ hydrocarbon nặng là để nói đến dầu mỏ và than đá. Than đá trước khi khí hóa phải được nghiền thành dạng bột rồi hòa trộn với nước. Thông thường, nhiên liệu được hóa nhiệt ở khoảng 14000C với oxygen hay không khí (oxygen hóa không hoàn toàn), tạo ra hỗn hợp gồm hydrogen, carbon mono oxide (CO) và vài sản phẩm phụ. CO sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóa thành khí carbonic và tạo ra thêm khí hydrogen, tương tự như bước thứ hai của quá trình hóa nhiệt khí thiên nhiên.
Rõ ràng đây không phải là phương pháp tối ưu. Bất lợi lớn nhất của nó là sử dụng nhiên liệu hóa thạch làm nguyên liệu và đồng thời cũng làm nhiên liệu cung cấp nhiệt lượng cho quá trình. Nhiên liệu hóa thạch là nguồn tài nguyên hữu hạn, thêm vào đó, việc đốt chúng tạo ra khí carbonic gây hiệu ứng nhà kính. Do đó phương pháp này xét về lâu dài không bền vững.
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 thách còn tương đối dồi dào, nhất là đối với khí thiên nhiên. Hơn nữa, những công nghệ này (phương pháp sản xuất hydrogen công nghiệp từ khí thiên nhiên nói riêng và nhiên liệu hóa thạch nói chung) đã khá quen thuộc trong công nghiệp hóa chất, trong khi cơ sở hạ tầng cho việc phát triển sản xuất hydrogen từ các nguồn khác còn thiếu thốn. Vì vậy, một khi nhiên liệu hóa thạch vẫn còn rẻ thì phương pháp này vẫn có chi phí thấp nhất. Thêm vào đó, để hạn chế mặt tiêu cực này của nhiên liệu hóa thạch, ta có thể dùng công nghệ tách khí carbonic rồi thu hồi và chôn lấp chúng .
3.1.3- Quy trình hiện đại tạo ra hydrogen từ khí thiên nhiên mà không thải ra CO2
Từ những năm 1980, Kværner - một tập đoàn dầu khí của Na Uy đã phát triển công nghệ mang tên "Kværner Carbon Black and Hydrogen Process" (KCB&H). Nhà máy đầu tiên dựa trên quy trình Kværner hiện đại này đặt ở Canada và bắt đầu sản xuất vào tháng 6 năm 1999. Quy trình cung plasma - Kværner ở nhiệt độ cao (16000C) tách hydrogen và than hoạt tính từ hợp chất hydrocarbon như dầu mỏ hay khí thiên nhiên mà không thải ra CO2.
Than đen tinh khiết này được dùng trong sản xuất vỏ xe hơi và dùng như chất khử trong công nghiệp luyện kim. Nhờ một số tính chất đặc biệt mà chúng còn có thể dùng để lưu trữ hydrogen (ống carbonnano).
3.1.4- Khí hóa sinh khối và nhiệt phân (biomass gasification and pyrolysis)
Sinh khối có thể được sử dụng để sản xuất hydrogen. Đầu tiên, sinh khối được chuyển thành dạng khí qua quá trình khí hóa ở nhiệt độ cao có tạo ra hơi nước. Hơi nước chứa hydrogen được ngưng tụ trong các dầu nhiệt phân và sau đó có thể được hóa nhiệt để sinh ra hydrogen. Quá trình này thường tạo ra sản lượng hydrogen khoảng từ 12%-17% trọng lượng hydrogen của sinh khối. Nguyên liệu cho phương pháp này có thể gồm các loại mảnh gỗ bào vụn, sinh khối thực vật, rác thải nông nghiệp và đô thị v.v. Do các chất thải sinh học được sử dụng làm nguyên liệu như vậy, phương pháp sản xuất hydrogen này hoàn toàn tái tạo được (renewable) và bền vững.
3.2- Điện phân nước
Phương pháp này dùng dòng điện để tách nước thành khí hydrogen và oxygen. Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực. Hydrogen sinh ra ở điện cực âm và oxygen ở điện cực dương:
Phản ứng trên cathode: 2 H2O + 2e- => H2 + 2 OH- (3)
Phản ứng trên anode: 2 OH- => H2O + ½ O2 + 2e- (4)
________________________________________________________
Tổng quát: 2 H2O + điện năng => 2 H2 + O2 (5)
Sau đây là một số các dạng điện phân phổ biến:
3.2.1- Điện phân thông thường
Quá trình tiến hành với chất điện phân là nước hay dung dịch kiềm. Hai phần anode và cathode được tách riêng bởi màng ngăn ion (microporous) để tránh hòa lẫn hai khí sinh ra.
3.2.2- Điện phân nước áp suất cao
Điện phân nước áp suất cao có thể sinh ra hydrogen ở áp suất đến 5 MPa. Quá trình vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và hoàn thiện dần.
3.2.3- Điện phân nước ở nhiệt độ cao
Ưu điểm của phương pháp này là đưa một phần năng lượng cần thiết cho quá trình điện phân ở dạng nhiệt năng, nhiệt độ 800-10000C vào quá trình, do đó có thể hạn chế bớt lượng điện năng tiêu thụ. Nhiều nghiên cứu đã hướng đến việc thu nhiệt từ các chảo parabol tập trung năng lượng mặt trời hay tận dụng nhiệt thừa từ các trạm năng lượng.
3.2.3- Quang điện phân ( photoelectrolysis )
Các panel mặt trời, chất bán dẫn (ứng dụng hiện tượng quang điện), chuyển hóa trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng. Khí hydrogen được sinh ra khi dòng quang điện này chạy qua thiết bị điện phân đặt trong nước. Sử dụng năng lượng mặt trời để tạo ra điện dùng trong điện phân nước, tương tự, chúng ta cũng có thể sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, thủy điện để điện phân nước tạo ra hydrogen. Như thế việc sản xuất hydrogen sẽ là một quá trình sạch (không khí thải), tái sinh và bền vững.
3.3- Phương pháp sinh học
Một số tảo và vi khuẩn chuyên biệt có thể sản sinh ra hydrogen như là sản phẩm phụ trong quá trình trao đổi chất của chúng. Các sinh vật này thường sống trong nước, phân tách nước thành khí hydrogenvà oxygen. Hiện tại, phương pháp này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu.
Ví dụ của phương pháp này là việc ứng dụng một loại tảo đơn bào có tên Chlamydomonas reinhardtii. Các nghiên cứu cho thấy loại tảo này chứa enzyme hydrogenase có khả năng tách nước thành hai thành phần hydrogen và oxygen. Các nhà khoa học đã xác định được cơ chế quá trình, điều này có thể giúp mang lại một phương pháp gần như vô hạn để sản xuất hydrogen sạch và tái sinh. Cơ chế này đã phát triển qua hàng triệu năm tiến hóa giúp tảo tồn tại trong môi trường không có oxygen. Một khi ở trong chu trình này, tảo "thở" bằng oxygen lấy từ nước và giải phóng ra khí hydrogen.
4- Lưu chứa hydrogen
Với vai trò "Chuyễn tải" năng lượng (energy carrier) hơn là một nguồn năng lượng cơ bản, giống như điện năng, hydrogen giúp cho việc phân phối, sử dụng năng lượng được thuận tiện. Thêm vào đó, khác với điện năng, hydrogen còn có thể lưu trữ được lâu dài. Về cơ bản có ba phương thức lưu trữ hydrogen như sau:
+ Lưu chứa hydrogen trong các bình khí nén áp suất cao.
+ Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng.
+ 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).
+ Lưu chứa hydrogen trong các vi cầu thủy tinh (glass microsphere).
5- Sử dụng nhiên liệu hydrogen.
5.1- Hydrogen sử dụng làm nhiên liệu động cơ.
Khi dùng làm nhiên liệu, hydrogen có thể được đốt trực tiếp trong các động cơ đốt trong, tương tự như trong các loại phương tiện giao thông chạy bằng xăng dầu phổ biến hiện nay. Hydrogen cũng có thể thay thế khí thiên nhiên để cung cấp năng lượng cho các nhu cầu dân dụng hàng ngày như đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng...v.v.
5.2- Hydrogen sử dụng trong pin nhiên liệu.
Mặt khác, hydrogen còn có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống pin nhiên liệu, nhờ quá trình điện hóa để tạo ra điện năng. Bên cạnh những ưu điểm của hydrogen như đã nêu trên (sạch, tái sinh...), pin nhiên liệu còn chạy rất êm, không gây ra tiếng động, chấn động như động cơ đốt trong. Do dựa trên cơ chế của quá trình điện hóa tạo ra điện năng chứ không phải quá trình đốt như ở động cơ đốt trong, pin nhiên liệu còn đạt hiệu suất sử dụng cao hơn nhiều so với động cơ đốt trong, vì thế mà tiết kiệm năng lượng hơn. Với những ưu thế vượt trội đó, pin nhiên liệu đang ngày càng được quan tâm và dự đoán sẽ trở nên nguồn nhiên liệu đầy triển vọng, một thành phần chủ chốt của nền kinh tế hydrogen trong viễn cảnh tương lai.
Mỗi pin nhiên liệu gồm có hai điện cực âm (cathode) và dương (anode). Phản ứng sinh ra điện năng xảy ra tại hai điện cực này. Giữa hai điện cực còn chứa chất điện phân, vận chuyển các hạt điện tích từ cực này sang cực khác, và chất xúc tác nhằm làm tăng tốc độ phản ứng. Các module pin nhiên liệu thường kết nối với nhau, song song hay trực tiếp để tạo ra các thiết bị có mức công suất phát điện khác nhau và lớn hơn.
Hai nhiên liệu cơ bản cần thiết cho pin nhiên liệu vận hành chỉ đơn giản là hydrogen và oxygen. Lợi thế hấp dẫn của pin nhiên liệu là ở chỗ nó tạo ra dòng điện sạch, rất ít ô nhiễm, do sản phẩm phụ của quá trình phát điện cuối cùng chỉ là nước, không hề độc hại.
Với pin nhiên liệu chất điện phân Axít.
Tại Anốt của chất điện phân Axít của pin nhiên liệu – khí hyđro bị ion hóa giải phóng electron và tạo ion H+ ( protôn).
[ 6 ]
Phản ứng này giải phóng năng lượng . Tại Catốt - ôxi phản ứng với điện tử nhận đựợc từ điện cực và ion H+ từ chất điện phân để tạo thành nước.
[ 7 ]
Tổng cộng :
Như vậy cả hai quá trình phản ứng diễn ra tiếp tục – Điện tử được sản xuất tại Anốt phải thông qua mạch ngoài để đến Catốt. Và cũng như vậy ion H+ phải thông qua chất điện phân.
Trong dung dịch axít sẵn có ion H+ tự do phục vụ cho mục đích này là rất tốt . Và polyme cũng có thể tạo những ion H+ di động .Những vật liệu này đựợc gọi là Màng trao đổi protôn ( bởi vì ion H+ cũng là 01 protôn ).
Mô hình phản ứng điện cực của pin nhiên liệu – Chất điện phân Axít
So sánh công thức [ 6 ] và [ 7 ] ta thấy rằng 02 phân tử hyđro sẽ cần 01 phân tử Ôxi - nếu hệ thống cân bằng . Sơ đồ chỉ cho thấy rằng chất điện phân chỉ cho phép ion H+ đi qua và không cho electron đi qua .
Mặt khác điện tử ( electron ) cũng có thể đi tắt qua chất điện phân và không đi qua mạch ngoài ,và như vậy là có sự thất thoát.
Pin nhiêu liệu với chất điện phân là kiềm .
Phản ứng tại mỗi điện cực cũng khác với pin nhiên liệu chất điện phân Axít .Trong chất kiềm ion hyđrôxin OH- sẵn có và di động , tại Anốt ion OH- phản ứng với hyđrô giải phóng năng lượng ,điện tử ( Electron ) và sản sinh ra nước .
[ 8 ]
Tại Catốt - ôxi phản ứng với điện tử nhận được từ điện cực và nước ở trong chất điện phân tạo ra ion hyđrôxin OH- .
[ 9 ]
Tổng cộng :
Để những phản ứng này diễn biến liên tục ion OH- phải thông qua chất điện phân và điện tử được sản xuất tại phải thông qua mạch ngoài để đến Catốt.
Theo sơ đồ ở bên dưới - Ta thấy rằng: tại Anốt nước sinh sinh gấp 02 lần nước tiêu thụ tại Catốt .
Mô hình phản ứng điện cực của pin nhiên liệu – Chất điện phân Kiềm
Các loại pin nhiên liệu :
- Pin nhiên liệu Màng trao đổi Proton ( PEMFC ).
- Pin nhiên liệu Methanol trực tiêp ( DMFC ).
- Pin nhiên liệu Kiềm ( AFC ).
- Pin nhiên liệu Axít phốtphoríc ( PAFC ).
- Pin nhiên liệu Muối Cácbonat nóng chảy ( MCFC ).
- Pin nhiên liệu Ôxít rắn của kim loại ( SOFC).
Sơ đồ tổng quan về các phản ứng điện cực,nhiệt độ làm việc,
nhiên liệu + chất ôxi hoá của các loại pin nhiên liệu
BẢNG ĐẶC TÍNH CÁC LOẠI PIN NHIÊN LIỆU
Loại Pin nhiên liệu PEMFC DMFC AFC PAFC MCFC SOFC
Chất điện phân Màng polyme axít Màng polyme axít KOH H3PO4
Trong mạng SiC Li2CO3 trong Li2AlO3 Yttria hoặc Yttria trong
Zircon
Điện tích di chuyễn H+ H+ OH- H+ CO32- O2-
Nhiệt độ
hoạt động 20-90oC 20-90oC 60-250oC 150-250oC 600-700oC 600-1000oC
Nhiên liệu H2 CH3OH H2 H2 H2, CH4 H2, CH4,
CO
Chất ôxi hoá O2/
không khí O2/
không khí O2/
không khí O2/
không khí O2/
không khí O2/
không khí
Kết cấu Anốt– xúc tác Platin/
Cácbon Platin/
Cácbon Platin/
Cácbon Platin/
Cácbon Niken Niken hoặc
Yttria trong
Zircon
Kết cấu Catốt – xúc tác Platin/
Cácbon Platin/
Cácbon Platin/
Cácbon hoặc biến thể Platin/
Cácbon Li nhỏ giọt trên NiO Sr nhỏ giọt trên LaMnO4
Hiệu suất điện 45 - 55% 45 - 55% 45 - 55% 40 - 50% 45 - 47% 35-43%
Giới hạn công suất < 1KW - 250 KW < 1KW - 250 KW 10-100 KW 50KW-1MW < 1KW-1MW < 1KW-3MW
Ứng dụng Thiết bị phân phối điện Thiết bị cầm tay Thiết bị quân sự hoặc vũ trụ Thiết bị phân phối điện Thiết bị phân phối điện công suất lớn Thiết bị phân phối điện công suất lớn
6- Hiệu suất chuyến hoá năng lượng của hydrogen.
Hiệu suất năng lượng của các quá trình chuyễn đổi:
- Năng lượng cung cấp cho quá trình điện phân nước tách ra hydrogen và oxy
Với 1,0 kg hydrogen được điện phân từ nước tiêu tốn một lượng điện năng
là : 53,4-70,1kWh/kg H2 – hiệu suất chuyễn hoá : 56- 73%.
- Lượng điện năng sản xuất được từ pin nhiên liệu
là :14-21,7 kWh/kg H2 – hiệu suất chuyễn hoá : 35-55%.
Như vậy hiệu suất chuyễn đổi năng lượng theo chu trình :
Điện năng Điện phân-Sản xuất hydrogen Điện năng :
Thì hiệu suất của chuỗi chu trình này là : 20-41%.
7- Kết luận.
Chúng ta đã thấy việc sử dụng hydrogen làm chất mang và chuyễn hoá năng lượng phục vụ cho chúng ta – Lợi ích mang lại vô cùng to lớn nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường , đáp ứng an ninh năng lượng ...
Và nền Kinh tế hydrogen là xu thế tất yếu và không thể đảo ngược ở trên Thế giới.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1- Năng lượng cho Thế kỷ 21 – Những thách thức và triễn vọng :
Hồ Sĩ Thoảng – Trần Mạnh Trí
Nhà xuất bản Khoa học – Kỷ thuật - 2009
2- Cơ sở lý thuyết Hóa học :
Phần II (Dùng cho các trường Đại học Kỹ thuật )
Nguyễn Hạnh – Nhà xuất bản Giáo dục -2007 ( Tái bản lần thứ 14 ).
3- Phản ứng điện hóa và ứng dụng:
Trần Hiệp Hải - Nhà xuất bản Giáo dục -2007 .
4- Fuel Cell Systems Explaind .
James Larminie - Oxford Brooke University – UK – 2003.
Andrew Dicks - University of Queensland, Australia
(Former Principal Scientist, BG Technology, UK)
5- Fuel Cell Handbook (Fifth Edition) - October 2000
By EG&G Services Parsons, Inc.
Science Applications International Corporation
Under Contract No. DE-AM26-99FT40575
U.S. Department of Energy - Office of Fossil Energy
National Energy Technology Laboratory
P.O. Box 880- Morgantown, West Virginia 26507-0880
6- Electrolysis : Information and Opportunities for Electric Power Utilities
Technical Report - NREL/TP-581-40605- September 2006
B. Kroposki, J. Levene, and K. Harrison - National Renewable Energy
Laboratory - Golden, Colorado
P.K. Sen - Colorado School of Mines - Golden, Colorado
F. Novachek - Xcel Energy - Denver, Colorado
7- Polyme chức năng và vật liệu lai cấu trúc nano:
Nguyễn Đức Nghĩa
- Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên và Công nghệ - Hà nội -2009
8- Thông tin từ các trang Web :
- www.ballard.com.
- www.fuelcellworks.com.
- www.fuelcelltoday.com.
- www.vietnamnet.vn.
- www.wikipedia.com.
- www.nasa.gov.
- www.vietbao.vn.
- www.enerteam.org
- www.americanhistory.si.edu.
- www.udomi.de.
- www.ion-power.com.
- www.vngg.energy.googlepages.com.
………………………..
………………………..
