Hiểu biết về Pin nhiên liệu hydrogen và ứng dụng của nó

Bài trình bày chi tiết về "Pin nhiên liệu hydrogen và ứng dụng của nó"

Pin nhiên liệu

hydrogen

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ i

DANH SÁCH CÁC BẢNG i

PHẦN 1 1

QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG 1

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

1.2 Sản xuất hydrogen 1

1.2.1 Phương pháp khí hóa từ hydrocacbon 1

1.2.1.1 Khí hóa khí thiên nhiên 1

1.2.1.2 Khí hóa than đá 1

1.2.1.3 Khí hóa sinh khối 1

1.2.2 Phân hủy nước 1

1.2.2.1 Điện phân nước 1

1.2.2.2 Phân hủy nước dưới ánh sáng mặt trời có xúc tác 1

1.2.3 Phương pháp vi sinh 1

PHẦN 2 1

LỢI ÍCH HYDROGEN – NỀN KINH TẾ HYDROGEN 1

2.1 Hydrogen – nguồn nhiên liệu mới 1

2.2 Ứng dụng của hydrogen 1

2.3 Viễn cảnh nền kinh tế hydrogen 1

2.4 Những khó khăn khi sử dụng nhiên liệu hydro 1

2.4.1 Trở ngại trong quá trình sản xuất hydro 1

2.4.2.Giá cả của việc sản xuất hydro 1

2.4.3 Tính hiệu quả trong quá trình sử dụng hydrogen 1

2.4.4.Vấn đề an toàn 1

PHẦN 3 1

PIN NHIÊN LIỆU 1

3.1.Khái niệm về pin nhiên liệu 1

3.1.1 Lịch sử 1

3.1.2 Khái niệm 1

3.2.Nhiên liệu hydrogen 1

3.2.1.Vai trò của hydro trong pin nhiên liệu 1

3.2.2.Tính chất vật lý của hydrogen 1

3.2.3 Tính chất nhiên liệu của hydro 1

3.2.3.1.Tính dễ cháy 1

3.2.3.2.Vấn đề an toàn, cháy nổ 1

3.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu 1

3.3.1 Cấu tạo pin nhiên liệu hydro 1

3.3.2 Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu hydro 1

3.4 Phân loại pin nhiên liệu 1

3.4.1 Pin nhiên liệu kiềm (Alkaline fuel cell - AFC) 1

3.4.2 Pin nhiên liệu carbonat nóng chảy (Molten carbonate fuel cell - MCFC) 1

3.4.3 Pin nhiên liệu acid phosphoric (Phosphoric acid fuel cell - PAFC) 1

3.4.4 Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell – PEMFC) 1

3.4.5 Pin nhiên liệu oxide rắn (Solid oxide fuel cell - SOFC) 1

3.4.6 RFC (Regenerative Fuel Cell) – pin nhiên liệu tái sinh 1

PHẦN 4 1

LƯU TRỮ HYDRO 1

4.1 Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí nén 1

4.2 Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng 1

4.3 Lưu chứa hydrogen nhờ hấp thụ hóa học 1

4.4 Lưu chứa hydrogen trong các hyđrua kim loại (metal hydride) 1

4.5 Lưu chứa hydrogen trong ống carbon nano rỗng 1

4.6 Lưu chứa hydrogen trong các vi cầu thủy tinh (glass microsphere) 1

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

DANH SÁCH CÁC BẢNG

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

nguồn khác nhau 1

Bảng 3.1: Tóm tắt tính chất vật lý của Hydrogen 1

Bảng 3.2: Các loại pin nhiên liệu 1

Bảng 3.3: Các giá trị hóa lý của các loại nhiên liệu sử dụng trong pin nhiên liệu 1

Bảng 3.4: So sánh các dạng pin nhiên liệu chính 1

PHẦN 1

QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG

Từ xa xưa, con người đều hướng tới việc sử dụng các nguồn nhiên liệuhóa thạch để phục vụ cho cuộc sống Tuy nhiên, việc sử dụng các nguồnnhiên liệu đó đã gây ra nhiều vấn đề đáng lo ngại, trữ lượng ngày càng cạnkiệt do sự khai thác không mệt mỏi của con người, ô nhiễm ngày càng trầmtrọng do những chất thải phát ra từ việc khai thác sử dụng, việc khai thác cũngdẫn đến những biến đổi trong cấu trúc hệ sinh thái trong môi trường (khai thácdầu mỏ, khai thác than đá…)

Ngày nay, nhiều nước phát triển trên thế giới đã bắt đầu hoạch địnhmục tiêu hướng đến nền kinh tế hydro (hydrogen economy) trong chiến lượcnăng lượng của mình, và một vấn đề quan trọng là pin nhiên liệu hydro Vậy,pin nhiên liệu hydro là gì? Nó hoạt động như thế nào? Lưu trữ hydro ra sao?Nền kinh tế hydro là gì? Nó đem lại những lợi ích nào cho cuộc sống? Bàiviết này sẽ cố gắng đưa ra một cái nhìn khái quát về những vấn đề nói trên đểcho thấy những nỗ lực của con người nhằm hướng đến viễn cảnh năng lượngsạch và bền vững trong tương lai

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

Thế giới chúng ta đang bị phụ thuộc nặng nề vào một nền kinh tế dựatrên nhiên liệu hóa thạch Nhiên liệu của đa số các phương tiện giao thônghiện tại (xe hơi, xe lửa, máy bay…) là xăng dầu; một tỉ lệ khá cao các nhàmáy điện là nhiệt điện dùng dầu hỏa, khí thiên nhiên hay than đá Nếu không

có nhiên liệu hóa thạch, thế giới sẽ rơi vào khủng hoảng

Trong khi nhiên liệu hóa thạch đóng một vài trò quan trọng trong việcđưa xã hội đến mức phát triển như ngày nay thì nó cũng tồn tại những vấn đềnhức nhối lớn: ô nhiễm không khí, nguy hiểm và đáng lo ngại hơn cả là vấn

đề biến đổi khí hậu toàn cầu cùng với sự nóng lên của trái đất Ngoài ra, nhiênliệu hóa thạch chỉ là nguồn tài nguyên hữu hạn không thể được tái tạo, và nềnkinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch còn làm cho một số nước không có nhiềutài 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.

Giữa bối cảnh đó, khái niệm về một nền kinh tế hydro dựa trên nguồnnăng lượng sạch, dồi dào phục vụ mục tiêu phát triển bền vững của nhân loạixuất hiện như một giải pháp đầy hứa hẹn và tiềm năng “Nền kinh tế hydro làmột hệ thống lưu trữ, phân phối và sử dụng năng lượng dựa trên nhiên liệuchính là hydro” Thuật ngữ này được tập đoàn General Motors đặt ra năm vào

1970 Nền kinh tế hydro hứa hẹn đẩy lùi tất cả những vấn đề đáng lo ngại donền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch đã gây ra

Một cách tóm tắt, những lợi ích chính của nền kinh tế hydro là:

- Không gây ô nhiễm: khí hydro được sử dụng trong pin nhiên liệu, nó là mộtcông nghệ hoàn toàn sạch Sản phẩm duy nhất sinh ra là nước, do đó sẽ không gây ra ônhiễm

- Không thải ra khí gây hiệu ứng nhà kính: quá trình điện phân nước tạo hydrokhông hề tạo nên khí nhà kính nào Đó là một quá trình lý tưởng và hoàn hảo: điệnphân nước để thu hydro, hydro lại tái kết hợp với oxy để tạo ra nước và cung cấp điệnnăng trong pin nhiên liệu

- Không phụ thuộc về kinh tế: không dùng dầu mỏ cũng có nghĩa là không phảiphụ thuộc vào các thùng dầu nhập khẩu từ nước ngoài Nước có ở tất cả mọi nơi, lànguồn năng lượng vô tận, chiếm đến 3/4 bề mặt trái đất

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

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

là rất đáng kể Tất cả những thế mạnh đó đã tạo nên một bước đột phá mạnh

mẽ hướng nhân loại tiến đến nền kinh tế hydro

1.2 Sản xuất hydrogen.

Hydro là nguyên tố phổ biến nhất, cấu thành đến 90% vật chất của vũtrụ (75% theo trọng lượng) Mặt Trời, hầu hết các ngôi sao và một số hànhtinh như Jupiter (sao Mộc - hành tinh lớn nhất Thái Dương hệ) được tạo nênchủ 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 vàcác ngôi sao, nhờ đó duy trì sự sống.

Hydro là thành viên nhỏ nhất và có cấu trúc đơn giản nhất trong giađình các nguyên tố hóa học, chỉ gồm một proton và một electron Phân tửhydro chứa hai 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 dạngnguyên chất gần như không tồn tại trong tự nhiên

Trên Trái Đất, hydro phần lớn ở dạng kết hợp với oxy trong nước, hayvới cacbon và các nguyên tố khác trong vô số các hợp chất hữu cơ tạo nên cơthể mọi loài động thực vật Khác với các nguồn nhiên liệu hóa thạch (ví dụnhư dầu mỏ có thể bơm trực tiếp từ lòng đất lên rồi sử dụng), hydro là nguồnnăng lượng thứ cấp, tức là chúng không thể được khai thác trực tiếp mà phảiđược tạo ra từ một nguồn sơ cấp ban đầu Điều này là một điểm bất lợi, nhưngđồng thời lại là điểm mạnh của hydro do người ta có thể sản xuất khí hydro từnhiều nguồn khác nhau, đặc biệt từ các nguồn năng lượng tái sinh

Có ba phương pháp cơ bản tạo ra hydro:

+ Phương pháp chuyển hóa từ hydrocacbon (nhiên liệu hóa thạch, sinhkhối) bằng nhiệt

+ Phương pháp phân hủy nước

+ Phương pháp vi sinh

1.2.1 Phương pháp khí hóa từ hydrocacbon.

1.2.1.1 Khí hóa khí thiên nhiên.

Quá trình này gồm hai bước chính:

Trước hết, khí thiên nhiên (với thành phần chủ yếu là CH4) được táchcacbon và chuyển hóa thành H2 nhờ hơi nước dạng hơi quá nhiệt dưới áp suấtcao, xúc tác ở nhiệt độ khoảng 900oC

CH4 + H2O → CO + 3 H2

CO sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước chuyển hóa thànhkhí CO2 và tạo ra thêm khí H2

CO + H2O → CO2 + H2

Đây là phương pháp công nghiệp phổ biến hiện nay để sản xuấthydrogen.

* Nhược điểm của 2 phương pháp trên:

- Sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch

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

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

Do vậy, các phương pháp này chỉ để cung cấp nguyên liệu cho các sảnxuất hóa chất, sản xuất phân bón…, không phải là phương pháp tạo ra nănglượng sạch mà chúng ta quan tâm

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 trữlượng nhiên liệu hóa thạch còn tương đối dồi dào, nhất là đối với khí thiênnhiên Hơn nữa, chúng ta có thể thu hồi CO2 để hạn chế tác động của nó đếnmôi trường

1.2.1.3 Khí hóa sinh khối.

Sinh khối (thực vật, rác thải nông nghiệp và đô thị ) có thể được sửdụng để sản xuất hydrogen Đầu tiên, sinh khối được chuyển thành dạng khíqua quá trình khí hóa ở nhiệt độ cao có tạo ra hơi nước Hơi nước chứahydrogen được ngưng tụ và sau đó có thể được hóa nhiệt để sinh ra H2 Quátrình này thường tạo ra sản lượng H2 khoảng từ 12-17% trọng lượng hydrogencủa sinh khối

* Ưu điểm:

- Không sử dụng những nguồn nguyên liệu hóa thạch

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

có thể coi là vô tận

* Nhược điểm:

Quá trình khí hóa ở nhiệt độ cao có thể sinh ra CO2 và các khí gây ônhiễm môi trường.

1.2.2 Phân hủy nước.

Phương pháp này là phương pháp được tập trung khai thác nhiều nhấtbởi 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 2phương pháp để sản sinh H2 như sau:

1.2.2.1 Điện phân nước.

Phương pháp này dùng dòng điện để tách nước thành khí H2 và O2 Quá trìnhgồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực H2 sinh ra ở điện cực âm và O2 sinh ra ở điệncực dương:

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

-Phản ứng trên anode: 2 OH- - 2 e-→ H2O + ½ O2

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

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

và được ứng dụng rộng rãi là sử dụng năng lượng mặt trời (bằng các pin mặttrời, chất bán dẫn…), thủy điện, năng lượng gió để tạo ra điện năng Sau đó,dòng điện sẽ được cung cấp để điện phân nước sản sinh H2

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

* Ưu điểm:

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

- Nguồn nguyên liệu vô tận (nước)

- Nguồn năng lượng tạo ra điện năng là vô tận, không sử dụng nguồnnhiên liệu hóa thạch

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 mặtcủa xúc tác, tạo ra hydro

Các nhà khoa học thuộc trường đại học Colorado (Mỹ) sử dụng hàngloạt các tấm gương cầu để tập trung ánh sáng mặt trời vào một tháp nước caohàng chục mét Tháp này sẽ được đốt nóng tới khoảng 1350oC, đủ nóng đểgiải phóng hydro với xúc tác là một hợp chất oxit kim loại (Fe, Co, Al)

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

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

* Ưu điểm:

- Không gây ô nhiễm

- Sử dụng nguồn năng lượng vô tận là mặt trời

- H2 được chuyển hóa trực tiếp từ nước dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời,không qua quá trình sử dụng điện năng để điện phân nước Do đó, tiết kiệm chi phí vậnhành.

- Quy trình đơn giản, dễ vận hành

Hai phương pháp này được khái quát thành một sơ đồ tam giác, đặc trưng choviệc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời để sản sinh hydro

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

Với đặc điểm sử dụng các nguồn năng lượng tái sinh và không gây rabất cứ lo ngại nào về ô nhiễm nên cả hai phương pháp nêu trên đóng vai trò lànền tảng của nền kinh tế hydro

1.2.3 Phương pháp vi sinh.

Một số tảo và vi khuẩn có thể sản sinh ra hydrogen quá trình trao đổi chất củachúng Các sinh vật này thường sống trong nước, phân tách nước thành khí hydro vàoxy Hiện tại, đã có một số công trình nghiên cứu được công bố cho thấy những tínhiệu khả quan về việc tạo ra hydro bằng phương pháp vi sinh

Các nhà nghiên cứu thuộc Trung tâm Nghiên cứu Quốc gia Canada (CNRC) đãsản xuất được H2 từ các chất thải hữu cơ và từ các chất thải nông nghiệp bằng phươngpháp lên men, không thải ra khí hiệu ứng nhà kính H2 tạo ra được gọi là hydro sinhhọc

Phương pháp này khắc phục được nhược điểm của phương pháp khíhóa sinh khối đã nói ở trên Đây cũng là một phương pháp khá triển vọng đểtạo ra hydro trong tương lai, vừa xử lý rác thải và tạo ra hydro cung cấp chocác pin nhiên liệu.

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

Một phương pháp khác được sử dụng để sản xuất hydro từ ánh sángmặt trời là sử dụng quá trình quang hợp của vi sinh vật để phân tách nướcthành các ion hydro (H+) và electron (điện tử) Các ion hydro sau đó kết hợpthành khí hydro và các vi sinh vật được sử dụng gọi là hydrogenases Tảoxanh có khả năng sử dụng năng lượng mặt trời thông qua quá trình quang hợp

để sản xuất hydro Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Uppsala - ThụyĐiển đã nghiên cứu chi tiết cách Photosystem II (một loại enzym có thể sửdụng ánh sáng mặt trời để phân tách nước) hoạt động trong hai chủng tảoxanh khác nhau bằng cách đo chính xác số lượng và tính năng củaPhotosystem II thay đổi trong các điều kiện khác nhau và họ thấy rằng, phầnlớn năng lượng được hấp thụ bởi Photosystem II chuyển đổi vào quá trình sảnxuất hydro Hiệu suất của quá trình chuyển hóa này là 80%

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

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

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 làBEAMR Lò phản ứng này gồm có 2 ngăn: ngăn thứ nhất chứa cực dương hút các ion

âm làm bằng cực than chì, ngăn thứ hai có chứa cực âm làm bằng than có trộn thêmbạch kim làm chất xúc tác để thu hút các ion dương Một màng trao đổi ion được đặtgiữa để ngăn cách hai ngăn phản ứng trên Sử dụng một dây điện kết nối 2 điện cựctrên với một nguồn điện nhỏ bên ngoài (khoảng 0.2V)

Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý của công nghệ sản xuất hydro từ chất hữu

cơ như axit axetic và xenlulô.

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

ăn, buồng phản ứng sẽ giải phóng các hạt proton và các hạt electron Các hạt

electron nhanh chóng bị hút vào anốt trong khi các hạt proton vượt qua màngtrao đổi ion để đến với cực âm catốt Tại đây xảy ra quá trình giải phóng khíhydro Khí hydro sẽ được thu vào trong một đường ống.

Toàn bộ quá trình trên đã tạo ra năng lượng lớn hơn 288% so với điệnnăng sử dụng để tạo ra phản ứng sinh hóa Các nhà khoa học này ước tính, sovới phương pháp điện phân truyền thống thường chỉ đạt hiệu suất 60% thì hệthống BEAMR đạt được 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

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

Nhờ các ưu điểm trên mà phương pháp vi sinh vẫn đang thu hút được nhiều sựquan tâm nghiên cứu Nó được xem là một phương pháp quan trọng cấu thành nềnkinh tế hydro bên cạnh phương pháp phân hủy nước bằng các nguồn năng lượng vôtận

PHẦN 2

LỢI ÍCH HYDROGEN – NỀN KINH TẾ HYDROGEN

“Tôi tin rằng một ngày nào đó, nước sẽ được sử dụng như nhiên liệu, rằnghydrogen và oxy, hai thành phần tạo nên nước, được sử dụng đơn lẻ hay kết hợp, sẽcung cấp một nguồn nhiệt và ánh sáng vô tận với mức độ mà than đá không thể sosánh được Tôi tin rằng khi các mỏ than cạn kiệt, chúng ta sẽ sưởi ấm mình nhờ nănglượng từ nước Nước sẽ là “than đá” của tương lai” Jules Vernes (1874)

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

đảo huyền bí” đã từng dự báo rằng nước sẽ là nguồn năng lượng của tương lai, giốngnhư than đá đang thịnh hành thời bấy giờ vậy Từ đó, một ý niệm đã được gợi mở,thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học về một nguồn năng lượng lý tưởng, sạch

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

Ngày nay, điều tiên đoán năm xưa đang dần trở thành hiện thực khi nhiềunước phát triển trên thế giới đã bắt đầu hoạch định mục tiêu hướng đến nền kinh tếhydrogen (hydrogen economy) trong chiến lược năng lượng của mình

2.1 Hydrogen – nguồn nhiên liệu mới.

Ngày nay, cộng đồng quốc tế đã nhận ra hydrogen là một thành phần chủchốt cho hệ thống năng lượng sạch và bền vững Năng lượng hydrogenkhông còn là ý tưởng mơ hồ hoặc viễn tưởng khoa học mà nó đang là hiện

thực hóa.

Hydrogen là một nguyên tố hóa học trong hệ thống tuần hoàn các nguyên tốvới nguyên tử bằng 1 Ở trạng thái tự do và trong các điều kiện bìnhthường, hydrogen không màu, không mùi và không vị, tỉ trọng bằng 1/14

tỉ trọng của không khí Hydrogen khi cháy trong không khí giới hạn từ 75% thể tích Nhiệt độ cháy của hydrogen cao nhất đạt được 2.318 °C ởnồng độ 29% thể tích, nếu cháy trong ôxy nhiệt độ có thể lên đến 3.000

4-°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 trongtương 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 ônhiễm, không phát thải ra khí gây hiệu ứng nhà kính, hydrogen khi cháyrất “sạch” phản ứng cháy của hydrogen chỉ tạo ra nước

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% tổngkhối 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 trong vô số các hợp chất hữu cơ tạo nên cơ thể mọiloài động, thực vật Người ta có thể sản xuất hydrogen từ nhiều nguồn

khác nhau như: hóa nhiệt nhiên liệu hydrocarbon với các phương pháp hóanhiệt khí thiên nhiên với hơi nước, khí hóa hydrocarbon nặng hoặc khí hóasinh khối và nhiệt phân; Điện phân nước, phương

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

pháp sinh học

2.2 Ứng dụng của hydrogen.

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 tựnhư trong các loại phương tiện giao thông chạy bằng nhiên liệu hóa thạchphổ biến hiện nay Hydrogen cũng có thể thay thế khí thiên nhiên để cungcấp năng lượng cho các nhu cầu dân dụng hàng ngày như đun nấu, sưởi

cơ đốt trong, vì thế mà tiết kiệm năng lượng hơn Với những ưu thế vượttrội đó, pin nhiên liệu đang ngày càng được quan tâm và dự đoán sẽ trởnên nguồn nhiên liệu đầy triển vọng, một thành phần chủ chốt của nềnkinh tế hydrogen trong viễn cảnh tương lai

Ngày nay, cộng đồng quốc tế đã nhận ra hydrogen là một thành phần chủchốt cho hệ thống năng lượng sạch và bền vững Năng lượng hydrogenkhông còn là ý tưởng mơ hồ hoặc viễn tưởng khoa học mà nó đang là hiệnthực hóa

Năm 1960, Công ty General Electric đã sản xuất hệ thống cung cấp điệnbằng pin nhiên liệu hydrogen cho tàu Apollo của NASA, sau đó sử dụngcho tàu Apollo-Soyuz, Skylab và các tàu con thoi (Space Shuttle) Ngày

nay, điện năng trong các tàu con thoi và trạm nghiên cứu không gian củaNASA đều được các pin nhiên liệu hydrogen cung cấp.

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 địnhgiành 1,2 tỉ USD cho nghiên cứu và phát triển nhằm mục tiêu đến năm

2020 ôtô chạy bằng pin nhiên liệu hydrogen phải triển khai thương mạihóa thành công vào thực tế

Ở châu Á, Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc, Đài Loan… đều có chươngtrình nghiên cứu phục vụ cho nền kinh tế hydrogen tương lai đã và đangthu được kết quả rất khả quan Còn ở Việt Nam, chưa có chương trìnhquốc gia trọng điểm nào liên quan đến năng lượng hydrogen chuẩn bị chothời kỳ “hậu hóa thạch” Xét trong chiến lược phát triển năng lượng quốcgia đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2050 chủ yếu phát triển năng lượngnhư 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 giờcác nhà hoạch định năng lượng quốc gia cũng cần lưu ý đến nguồn nănglượng sạch hydrogen, có chính sách đầu tư nghiên cứu phát triển nguồnnhiên liệu đầy triển vọng này

2.3 Viễn cảnh nền kinh tế hydrogen.

Chúng ta đang đứng trên ngưỡng cửa của buổi giao thời trọng đại, chuyển tiếpsang 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 vàbền vững Hydrogen sẽ là chất mang năng lượng ứng dụng trong nhiều lĩnhvực từ phát điện, đến vận tải, công nghiệp, dân dụng và thương mại Trongtương lai, khi công nghệ đã hoàn thiện dần, hydrogen sẽ được sản xuất chủyếu từ các công nghệ sạch như điện phân từ các nguồn tái tạo, hay chuyển hóanhiệt từ các nguyên liệu hóa thạch ban đầu nhưng cùng với kỹ thuật thu hồicarbon Hydrogen có thể được lưu trữ, chuyên chở bằng các phương tiện vậntải hay trong các đường ống dẫn khí, và được sử dụng trong pin nhiên liệu,động cơ, để tạo ra dòng điện mà không thải khí ô nhiễm và chỉ có nước là sảnphẩm phụ chủ yếu

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

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

Trước mắt và trong tương lai gần, hydrogen hầu như sẽ được sản xuất từ khíthiên nhiên bằng công nghệ chuyển hóa nhiệt quen thuộc Các công nghệ cònđang trong giai đoạn hoàn thiện và phát triển dần hiện nay như sản xuấthydrogen bằng điện phân dùng năng lượng tái tạo, hay trực tiếp từ phươngpháp quang sinh học, cùng với công nghệ than sạch… Tất cả sẽ ngày càng trởnên “chi phí – hiệu quả” hơn và góp phần hình thành một hệ thống sản xuấthydrogen nội địa đa dạng phong phú Một trong những thế mạnh củahydrogen chính là ở chỗ nó có thể sản xuất được từ nhiều nguồn như vậy Mỗikhu vực, tùy điều kiện của mình có thể có những cách kết hợp các nguồn khácnhau để tạo ra hydrogen Cơ sở hạ tầng cho hệ thống lưu trữ, phân phốihydrogen cần được xây dựng dần Nó có thể dựa trên những công nghệ tiêntiến về xây dựng đường ống dẫn dầu khí hiện tại

Chúng ta có thể sử dụng hydrogen trong các động cơ đốt trong, tương tự nhưcác động cơ trong các phương tiện giao thông dùng xăng dầu hiện nay, chỉ vớimột số thay đổi nhỏ về cấu trúc Hydrogen cháy sạch hơn (không thải, sảnphầm phụ chỉ là nước) và hiệu quả hơn xăng dầu thông thường, do đó cácđộng cơ đốt trong dùng hydrogen đã và đang dần trở thành hiện thực trongbước chuyển tiếp công nghệ này.

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 liệuhydrogen vận hành tương tự như quá trình nghịch của phản ứng điện phân: khíhydrogenvà oxygen từ không khí kết hợp với nhau trong một phản ứng điệnhóa có xúc tác để tạo nên dòng điện và nước sinh ra tinh khiết đến nỗi có thểuống được Bên cạnh ưu điểm là không thải khí ô nhiễm, pin nhiên liệu cònvận hành êm ả, không gây chấn động hay tiếng động và có thể đạt được hiệusuất cao gấp hai đến ba lần động cơ đốt trong Pin nhiên liệu còn có thể đượckết nối từ nhiều module khác nhau nên có thể tạo được công suất đầu ra linhhoạt như ý muốn Hơn nữa, pin nhiên liệu cũng có nhiều loại, nên nó có thể cónhiều kiểu ứng dụng phong phú khác nhau, từ các ứng dụng di động nhỏ nhưlaptop - máy tính xách tay (50- 100 W) hay đến cả các trạm phát điện lớn vớicông suất cả trăm MW (1-200 MW) Một khi những công nghệ pin nhiên liệutrở nên hoàn thiện, chúng có thế được sản xuất và ứng dụng trực tiếp ngaytrong các hộ gia đình, các thiết bị văn phòng, công nghiệp Mặc dù tiềm năngpin 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 với động cơ đốt trong thông thường Pin nhiênliệu cần phát triển hơn nữa, nâng cao độ bền và giảm giá thành để có thể ứngdụng rộng rãi trên thực tế

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

và sự chấp nhận của thị trường Thêm vào đó, việc giáo dục về an toànhydrogen cũng cần được nỗ lực xúc tiến để đảm bảo và thuyết phục cộng đồngsẵn sàng cho hydrogen ngày càng trở nên phổ biến hơn Nhà nước - chínhphủ, công nghiệp và cộng đồng, tất cả sẽ đóng những vai trò quan trọng quyết

Nhà nước sẽ là người hỗ trợ chính cho việc nghiên cứu và phát triển công nghệ,cũng như trong việc phát triển các quy định luật pháp và tiêu chuẩn an toàncho việc sử dụng hydrogen Nhà nước cũng có thể sử dụng chính sách kíchthích thị trường và khuyến khích các công nghệ năng lượng hydrogen Vai tròcủa nền công nghiệp là xác định khi nào các công nghệ đã sẵn sàng cho bướcchuyển tiếp vào thị trường, và thiết lập nên cơ sở sản xuất để cung cấp cácthành phần của công nghệ Công nghiệp cùng với cộng đồng, sẽ xác địnhnhững đòi hỏi của người tiêu dùng và sự chấp nhận của thị trường đối với cáccông nghệ này

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 nhữngnguồn tài nguyên tái tạo được sẵn có của địa phương để cung cấp nguồn điệnnăng và nhiên liệu sạch đáp ứng cho các nhu cầu năng lượng của chúng ta

2.4 Những khó khăn khi sử dụng nhiên liệu hydro.

2.4.1 Trở ngại trong quá trình sản xuất hydro.

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

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

từ nước) Năng lượng để thực hiện việc điện phân hiện nay do các nhà máy điện cungcấp Phần lớn các nhà máy điện thì lại hoạt động bằng các nhiên liệu lấy từ mỏ Nhưvậy, việc sử dụng hydro bản thân nó không gây hiệu ứng nhà kính nhưng việc tạo rahydro để sử dụng thì vẫn để lại hậu quả này Chúng ta chỉ thực sự khai thác hydro mộtcách hiệu quả nếu như có thể tạo ra nó hoàn toàn bằng các nguồn năng lượng sạchkhác Đây là một vấn đề hoàn toàn không đơn giản Chỉ có một vài quốc gia nhưIceland, với hơn 72% điện năng được sản xuất từ các nhà máy thủy điện và trung tâmkhai 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 nhiênliệu mỏ hoặc các lò phản ứng hạt nhân thì mục tiêu này có lẽ còn ở quá xa và đòi hỏinhững khoản đầu tư ban đầu vô cùng lớn

2.4.2.Giá cả của việc sản xuất hydro.

Hydro có thể được sản xuất bằng một số cách phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu.Thêm vào đó, việc thiết kế các hệ thống năng lượng hydro đặc trưng cho từng

vị trí, phụ thuộc vào loại nhu cầu, giá cả năng lượng và sự sẵn có của nhữngnguồn năng lượng thứ cấp Một phân tích điển hình cho giá sản xuất và phânphối hydro từ những nguồn khác nhau được nêu trong bảng sau :

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

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

a Hydrogen lỏng từ bể chứa.

b Hydrogen lỏng từ trạm nhiên liệu.

Mục tiêu tương lai là giảm giá thành sản xuất hydro từ khí thiên nhiên xuốngcòn $2,0/gge (đã phân phối) vào năm 2015 và khí hóa sinh khối còn $1,1/gge tại nhàmáy và $2,1/gge (đã phân phối) Chu trình tách nước sử dụng nhiệt độ cao, năng lượngMặt trời vẫn trong giai đoạn nghiên cứu

Để cạnh tranh được với động cơ đốt trong sử dụng xăng và nhiên liệukép, giá của hydro được ước đoán phải đạt đến $2-3/gge (chưa đánh thuế) tạinhà phân phối Mục cuối cùng cho tất cả các công nghệ sản xuất hydro đangđược nghiên cứu là giá 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 xuấtđược 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 đếnkhoảng 0,43 triệu m3 khí hàng năm và tiêu tốn khoảng 1 nghìn tỉ đô la Nếunhu cầu chỉ được đáp ứng bởi năng lượng hạt nhân, sẽ cần đến 240000 tấn

uranium chưa làm giàu và khoảng 2000 nhà máy năng lượng công suất 600

MW, tiêu tốn 840 tỉ đô la Trong trường hợp của năng lượng Mặt trời, sẽ cầnđến 113 tỉ các hệ thống 40 kWh với 2500 kWh năng lượng Mặt trời/m2, tiêutốn 22 nghìn tỉ đô la Trong trường hợp của năng lượng gió 1 triệu turbin giócông 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 sinhkhối khô, tức là cần 113,4 mẫu vuông đất canh tác, và sau đó cần khoảng

3300 nhà 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 khíhóa/ steam reforming công suất 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 tùy thuộc công nghệ sử dụng Bởi vì hydro có thể được sử dụnghiệu quả hơn xăng trong các xe hơi chạy pin nhiên liệu, giá nhiên liệu tính chomỗi kilomet là có thể so sánh được Giá của việc cung cấp hydro có thể đượcgiảm thiểu nếu những nghiên cứu và nổ lực hiện tại thành công

2.4.3 Tính hiệu quả trong quá trình sử dụng hydrogen.

Một vấn đề khác là tính hiệu quả của hydro trong quá trình sử dụng,đặc biệt là đối với ngành giao thông vận tải Để một chiếc xe chạy bằng hydro

có thể đi hết quãng đường tối thiểu là 500 km giữa hai lần nạp nhiên liệu (mộtđiều bình thường đối với 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 suấtnày, xe chạy bằng hyđrô cũng vẫn sẽ cần một bình chứa nhiên liệu lớn gấpbốn 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 GMtrên 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 đểgiữ cho hydro ở nhiệt độ lạnh -253 độ C, nếu không, hydro lỏng sẽ tự bay hơihết Điều đó có nghĩa là nếu một người đậu xe trong bãi hoặc gửi ở sân bayvài ngày thì khi lấy xe, anh ta sẽ phải tìm cách nạp ở đâu đó một bình nhiênliệu mới

2.4.4.Vấn đề an toàn.

Hydrogen là khí không màu, không mùi, không vị và rất hoạt động Khihydrogen cháy nó mang mối nguy hiểm tiềm ẩn bởi ngọn lửa của nókhông thể nhận thấy bằng mắt thường Do đó nó có thể lan đi mà người

ta không thể nhận biết để cảnh báo Tuy nhiên, trong chừng mực nào

đó, hydrogen cháy an toàn hơn các nhiên liệu hóa thạch thông thường.Hydrogen có tốc độ bừng cháy rất cao và tiêu tán mau Do đó, những

vụ cháy, thậm chí bắt nguồn từ hydrogen lỏng, thường bùng lên rấtnhanh rồi hết Theo tính toán của các nhà khoa học cho thấy ở một vụcháy xe cộ liên quan đến xăng dầu, đám cháy có thể kéo dài hai mươiđến ba mươi phút, trong khi đó, ngọn lửa từ đám cháy của chiếc xechạy bằng lượng hydrogen tương đương chỉ kéo dài từ một đến haiphút!

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

Tỉ trọng thấp và khả năng khuếch tán nhanh cho phép hydrogenthoát nhanh vào khí quyển nếu như có sự rò rỉ xảy ra Trong khi đó,propane và xăng dầu, với tỉ trọng cao và khả năng khuếch tán thấp,

dễ tụ lại gần mặt đất, làm gia tăng rủi ro cháy nổ Hydrogen phải đạtđến nồng độ 4% trong khí quyển mới gây nguy hiểm, khi đó khảnăng 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 bốccháy của xăng dầu chỉ có 1%, hydrogen cho thấy mức rủi ro cháy nổ

thấp hơn đáng kể

PHẦN 3

PIN NHIÊN LIỆU

3.1.Khái niệm về pin nhiên liệu.

3.1.1 Lịch sử

Năm 1839 nhà khoa học tự nhiên người xứ Wales William RobertGrove đã chế tạo ra mô hình thực nghiệm đầu tiên của pin nhiên liệu,bao gồm hai điện cực platin được bao trùm bởi hai ống hình trụbằng thủy tinh, một ống chứa hiđrô và ống kia chứa ôxy Hai điện cựcđược nhúng trong axít sulfuric loãng là chất điện phân tạo thànhdòng điện một chiều Vì việc chế tạo các hệ thống pin nhiên liệu quáphức tạp và giá thành đắt, công nghệ này dừng lại ở đấy cho đến thậpniên 1950

Thời gian này ngành du hành vũ trụ và kỹ thuật quân sự cần dùngmột nguồn năng lượng nhỏ gọn và có năng suất cao Các tàu du hành vũtrụ và tàu ngầm cần dùng năng lượng điện không thông qua động cơ đốttrong NASA đã quyết định dùng cách sản xuất điện trực tiếp bằngphương pháp hóa học thông qua pin nhiên liệu trong các chương trình

du hành vũ trụ Gemini và Apollo Các pin nhiên liệu sử dụng trongchương trình Gemini được NASA phát triển vào năm 1965 Với côngsuất khoảng 1 kW, các pin nhiên liệu này đã cung cấp đồng thời điện

và nước uống cho các phi hành gia vũ trụ Các pin nhiên liệu củachương trình Gemini chỉ dài 60 cm và có đường kính là 20 cm

Nhờ chế tạo được các màng (membrane) có hiệu quả cao và cácvật liệu có khả năng chống ăn mòn hóa học tốt hơn và cũng nhờ vàocông cuộc tìm kiếm một nguồn năng lượng thân thiện môi trường chotương lai, pin nhiên liệu được phát triển mạnh vào đầu thập niên 1990.Thông qua đó việc sử dụng pin nhiên liệu dành cho các mục đích dân sự

đã trở thành hiện thực Ngày nay, phạm vi sử dụng của pin nhiên liệu đãđược mở rộng từ vận hành ô tô, nhà sưởi qua các nhà máy phát điện cócông suất hằng 100 kW cho đến những ứng dụng bé nhỏ như trong điện

thoại di động hoặc máy vi tính xách tay.

3.1.2 Khái niệm.

Pin nhiên liệu là một thiết bị có thể chuyển đổi trực tiếp hóa năngcủa nhiên liệu thành điện năng nhờ vào các quá trình điện hóa Nguồnnhiên liệu cơ bản cần thiết cho pin vận hành gồm: hydro, methanol,ethanol… và chất oxy hóa (thường là oxy từ không khí)

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

cơ đốt trong, do đó pin nhiên liệu sinh ra lượng khí ít gây ô nhiễm môitrường Mặt khác, nó không có sự chuyển hóa nhiệt thành cơ dùng nhiênliệu hóa thạch nên hiệu suất của nó không bị giới hạn bởi hiệu suất nhiệt củachu trình Carnot, ngay cả khi vận hành ở nhiệt độ tương đối thấp

Tương tự như acquy, pin nhiên liệu cũng là một thiết bị tạo ra dòngđiện thông qua cơ chế phản ứng điện hóa Tuy nhiên, điểm khác biệt là pinnhiên liệu có thể tạo ra dòng điện liên tục khi cung cấp đầy đủ nhiên liệu cho

nó, trong khi đó, acquy cần phải được nạp điện lại (sạc) từ một nguồn điệnbên ngoài sau một thời gian sử dụng Như vậy, muốn tái sử dụng acquy, cầnphải có một thời gian dài để nạp điện lại, trong khi đối với pin nhiên liệu, chỉcần cung cấp nhiên liệu là có thể có điện để sử dụng

3.2.Nhiên liệu hydrogen.

3.2.1.Vai trò của hydro trong pin nhiên liệu.

Pin nhiên liệu PEM cần hydro để hoạt động Hydro là phần tử phổ biếnnhất trong vũ trụ Hydro là nhiên liệu tuyệt vời với nhiều lý do Trước tiên,hydro có nội dung năng lượng cao nhất, của tất cả nhiên liệu : khoảng hai lầnrưỡi nhiều năng lượng như khí thiên nhiên hoặc xăng mỗi đơn vị khối Hơnnữa, hydro rất sạch ( không độc, không mùi và không carbon ) Nó có thể tạo

ra từ nhiều tài nguyên Thật an toàn để tạo ra, cửa hàng và vận tải, ngay cả với

số lượng lớn Hydro phải đóng một vai trò quan trọng trong giảm tính phụthuộc của chúng tôi trên nhiên liệu hóa thạch

Hydro cung cấp giải pháp năng lượng linh hoạt bền vững và nếu mụctiêu cho không gây ô nhiễm môi trường phải được gặp, hiệu suất phải đượccải 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 vớihydro tiên tiến nhất công nghệ pin nhiên liệu với giá hấp dẫn.

Heat of fusion at −259°C 58 kJ/kg

3.2.3 Tính chất nhiên liệu của hydro.

Hydro rất dễ cháy trên một phạm vi nhiệt độ và nồng độ rộng Mặc dùhiệu quả của quá trình đốt cháy thực sự ngoài sức tưởng tượng và rất đượcmong đợi như là một loại nhiên liệu mới cho tương lai, và nó chắc chắn gâynhiều thách thức trong công nghệ chẳng hạn như an toàn trong sản xuất, lưutrữ và vận chuyển Hydro Khi phản ứng với oxy, hydro bùng nổ giải phóngnăng 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 hydrocacbon là loạinhiên liệu sẵn có và sẵn sàng để sử dụng trực tiếp, Hydro cần phải được tổnghợp Tuy nhiên, hydro hiện diện trong nước; hydrocarbon hóa thạch như than

đá, dầu mỏ, khí tự nhiên và sinh khối như carbohydrate, protein vàcellulose.Hydro có cả điểm tương đồng và sự khác biệt khi so sánh với cácnhiên liệu truyền thống như methane (khí tự nhiên), dầu khí (LPG), và nhiênliệu lỏng như xăng.Những thách thức kỹ thuật và kinh tế của việc thực hiệnmột "nền kinh tế hydro" đòi hỏi một giải pháp cho các vấn đề cơ bản của sảnxuất năng lượng tái tạo Có rất nhiều mối quan tâm cần được giải quyết trướckhi hydro có thể phục vụ như một phương tiện năng lượng cho vũ trụ , trong

đó bao gồm gặp khó - khăn với hydro từ 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 lànăng lượng điện, có thể được sử dụng trong pin nhiên liệu Hiện nay, các pinnhiên 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 mộtsản lượng điện khác nhau, 50-2500 W

3.2.3.1.Tính dễ cháy.

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

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

dễ cháy ở nồng độ 4-75% (lớn hơn nhiều so với xăng, 1-7,6%) và nổ trongphạm vi nồng độ 15-59% Tuy nhiên, đối với động cơ đốt trong, nó có ý nghĩahơn để xác định phạm vi dễ cháy về tỷ lệ tương đương (φ), thiếu hụt định), thiếu hụt địnhnghĩa là tỷ lệ khối lượng nhiên liệu / không khí tỷ lệ thực tế đến cân bằng hóahọc nhiên liệu / tỷ lệ không khí Sau đó, phạm vi dễ cháy cho hydro là 0,1<φφ), thiếu hụt định

<φ7.1, và đối với xăng là 0,7 <φφ), thiếu hụt định <φ4, mà chỉ ra rằng động cơ đốt trong H2 làtuân theo hoạt động ổn định ngay cả dưới điều kiện rất loãng Trong thực tế,phạm vi rộng lớn hơn cho phép kiểm soát thêm qua các động cơ hoạt độngcho khí thải và nhiên liệu Ngoài ra, do sự đốt cháy hoàn toàn, nên tiết kiệmnhiên liệu.Ngoài ra, sản phẩm đốt cháy nhiên liệu hydro thấp hơn với xăngdầu, giảm lượng chất gây ô nhiễm, chẳng hạn như các oxit nitơ, phát ra trongkhí thải

Năng lượng kích cháy thấp (Low Ignition Energy): Năng lượng cầnthiết để 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 chóngngay cả trong các hỗn hợp Thật không may, năng lượng đánh lửa thấp cónghĩa là khí nóng và các điểm nóng trên các xi lanh có thể là nguồn phát lửa,tạo ra các vấn đề về đánh lửa sớm và flashback Phòng chống các điểm nóng

là một trong những thách thức liên quan với một động cơ chạy bằng hydro,

mà ngày càng trầm trọng thêm do phạm vi cháy rộng

Khoảng cách dập lửa nhỏ (Small Quenching Distance): Ngọn lửaHydro có khoảng cách dập tắt (0,64 mm) nhỏ hơn so với xăng (khoảng 2mm) Vì vậy, khó mà làm dịu một ngọn lửa hydro hơn một ngọn lửa xăng.Khoảng cách dập tắt nhỏ hơn cũng có thể làm tăng xu hướng cháy trở lại củangon 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 hỗnhợp 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 hợp hydro không khí mà không cần một nguồnđánh 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 quantrọng trong việc xác định tỉ lệ nén tối đa một chất có thể sử dụng, vì sự giatăng nhiệt độ trong quá trình nén có liên quan đến tỉ lệ nén Nhiệt độ khôngđược vượt quá nhiệt độ tự bốc cháy của hydro để tránh đánh lửa sớm.Nhiệt độ

tự bốc cháy cao của hydro tạo điều kiện tỷ lệ nén cao hơn so với động cơhydrocarbon.Tỉ lệ nén cao hơn là rất quan trọng, vì nó có liên quan đến vềhiệu quả nhiệt của hệ thống Tuy nhiên, nhược điểm của nhiệt độ tự bốc cháycao là hydro cũng gây khó khăn trong động cơ diesel vì nhiệt độ cần thiết chocác loại đánh lửa là tương đối cao

Tốc độ cháy cao (High Flame Speed): Tốc độ ngọn lửa hydro (3,46 m /s) cao hơn (nhanh hơn) so với xăng (0,42 m / s) Do đó, động cơ hydro có thểtiếp cận gần hơn các chu kỳ động cơ nhiệt động lực học

Tính gây giòn của Hydro (Hydrogen Embrittlement): Tiếp xúc liên tụcvới hydro là nguyên nhân hydro tạo ra tính dòn, có thể dẫn đến rò rỉ hoặc làmgiòn cả kim loại và phi kim loại Yếu tố quan trọng gây nên tính dòn bao gồmnồng độ hydro, độ 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 cấutrúc, xử lý nhiệt Ngoài ra, độ ẩm trong khí hydro có thể dẫn đến tính dễ vỡkim loại thông qua việc thúc đẩy sự hình thành của các vết nứt