Hầu hết các nguồn năng lượng được cung cấp từ nhiên liệu hóa thạch than, dầu mỏ và khí thiên nhiên.. Nổi bật trong các nguồn năng lượng tái tạo, hệ thống pin nhiên liệu sử dụng hydro đan
NỘI DUNG
Lịch sử phát triển pin nhiên liệu
1.1 Những nhân tố hình thành và phát triển pin nhiên liệu
Năng lượng có vai trò quyết định đến sự phát triển của xã hội loài người, đó là điều đã được thực tế khẳng định Hầu hết các nguồn năng lượng được cung cấp từ nhiên liệu hóa thạch (than, dầu mỏ và khí thiên nhiên) Đó là nguồn tài nguyên thiên nhiên quan trọng nhất của các thế kỷ qua và cho đến ngày nay.
Nó cung cấp hơn 85% nhu cầu năng lượng cho sự vận hành của nền kinh tế: chủ yếu là bảo đảm nhu cầu điện năng, nhiệt năng và nhiên liệu động cơ cho mọi hoạt động của con người Tuy vậy, việc sử dụng nguồn nhiên liệu này đang gặp phải những vấn đề nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng theo cấp số nhân do sự phát triển như vũ bão của thế giới Trong khi đó, nguồn năng lượng hóa thạch không thể tái tạo được Hơn nữa, trữ lượng các nguồn năng lượng này có hạn và sự cạn kiệt của chúng cũng đang được dự báo bởi nhiều tính toán khoa học.
Hình 1 Biểu đồ thể hiện nguồn nhiên liệu hóa hạch
Hình 2: Biểu đồ các nguồn năng lượng trên thế giới
Một vấn đề nghiêm trọng khác mang tính thách thức đối với toàn nhân loại đó là năng lượng hóa thạch đã bộc lộ những nhược điểm không thể tránh được trong quá trình sử dụng Nguyên nhân là vì than, dầu mỏ và khí thiên nhiên đều là những hợp chất hữu cơ chứa carbon Vì thế, nguồn nhiên liệu tiêu thụ càng nhiều kéo theo các khí thải cacbon dioxide (CO ) càng tăng Đó là một₂ loại khí gây hiệu ứng nhà kính, làm khí hậu trái đất nóng dần lên dẫn đến những biến đổi xấu của thiên nhiên Ngoài ra, rất nhiều chất độc hại có nguồn gốc từ tạp chất chứa trong nhiên liệu hóa thạch thải ra gây ô nhiễm môi trường, sinh ra nhiều bệnh tật cho con người Theo thống kê năm 2000, ngành sản xuất năng lượng thải ra khí CO nhiều nhất.₂
Hình 3: Biểu đồ phát thải khí nhà kính
Hình 4: Top 5 quốc gia phát thải khí nhà kính
Hàng loại giải pháp đã được thực hiện để khắc phục các vấn đề trên Trong đó, việc tìm ra các nguồn năng lượng lượng mới được xem là một yêu cầu quan trọng Nổi bật trong các nguồn năng lượng tái tạo, hệ thống pin nhiên liệu sử dụng hydro đang được phát triển mạnh bởi nhiều ưu điểm về hiệu suất, thuận tiện, thân thiện với môi trường.
Hydro là nguồn năng lượng lý tưởng, có nhiệt năng riêng cao đồng thời không gây ô nhiễm môi trường Mặt khác, hydro có thể điều chế từ nhiều nguồn khác nhau nên không phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch Từ đó, ý tưởng pin nhiên liệu sử dụng hydro ra đời.
Hình 5: Sơ đồ pin nhiên liệu sử dụng H 2
1.2 Lịch sử phát triển pin nhiên liệu
Năm 1839, nhà khoa học người xứ Wales Sir, William Robert Grove 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 trụ bằng thủy tinh, một ống chứa hiđrô và ống kia chứa ôxy Hai điện cực được nhúng trong acid sulfuric loãng là chất điện phân tạo thành dòng điện một chiều Vì việc chế tạo các hệ thống pin nhiên liệu quá phức tạp và giá thành đắt.
Hình 6: Nhà khoa học William Robert Grove Đến năm 1855, nhiều nghiên cứu hướng vào việc chế tạo, thiết kế pin nhiên liệu đã đạt được một số kết quả như than được dùng làm nhiên liệu Năm
1889, Ludwig Mond và Charles Langer đã thử nghiệm chế tạo ra pin nhiên liệu hoạt động khá tốt, sử dụng nguồn nhiên liệu là không khí và khí than đá công nghiệp Cũng trong thời gian này, William White Jaques đã thành công với một loại pin nhiên liệu có dung dịch điện giải là acid phosphoric Năm
1959, Francis T Bacon đã chế tạo thành công pin nhiên liệu có công suất 5kW sử dụng điện cực bằng niken và chất điện giải kiềm.
Pin nhiên liệu sử dụng trong chương trình Gemini được NASA phát triển vào năm 1965: NASA đã tập trung đầu tư kinh phí cho trên 200 hợp đồng nghiên cứu để hoàn thiện và khai thác pin nhiên liệu hydro cho chương trình không gian Từ cuối năm 1980, pin nhiên liệu bắt đầu được mở rộng sang khu vực dân dụng và được các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu đến ngày nay.
Hình 7: Pin nhiên liêu Hydro 1.3 Sự khác biệt giữa pin và pin nhiên liệu
So sánh pin và pin nhiên liệu có thể gây nhầm lẫn vì cả hai có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng, nhưng theo những cách khác nhau Trong xe điện ắc quy, ắc quy lưu trữ và cung cấp năng lượng cho hệ truyền động Một chiếc xe điện chạy bằng pin nhiên liệu tạo ra điện sử dụng hydro làm nhiên liệu và cung cấp năng lượng cho hệ truyền động Pin nhiên liệu cũng có thể sạc pin Bản thân hydro hoạt động như một chất mang năng lượng và thiết bị lưu trữ, giống như pin Tuy nhiên, hầu hết các cấu hình pin nhiên liệu có khả năng hạn chế để quản lý nhu cầu năng lượng của hệ truyền động theo kiểu năng động như pin có thể Đó là hệ thống pin cung cấp phản ứng nhanh cần thiết để phù hợp với nhu cầu tải từ hệ truyền động.
Pin nhiên liệu vẫn cung cấp một sự tăng cường cần thiết để cải thiện nhiều khoảng trống hiệu suất và hoạt động mà chúng ta thấy trong các phương tiện chạy bằng pin Ngoài ra, pin nhiên liệu có khả năng sử dụng tốt hơn năng lượng tái tạo trên quy mô lớn và tăng việc áp dụng các nguồn năng lượng bền vững nhanh hơn.
Tìm hiểu về pin nhiên liệu
2.1 Khái niệm pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu là thiết bị điện hóa biến đổi trực tiếp hóa năng (thường là khí hydro, methanol, ethanol, và chất oxy hóa như oxy) thành điện năng Về cơ bản pin nhiên liệu có những thành phần và đặc điểm giống ắcquy nhưng có rất nhiều điểm khác pin thông thường là thiết bị tồn trữ năng lượng và sẽ ngừng hoạt động khi các chất hóa học được tiêu thụ hết cần phải nạp điện lại từ nguồn cung cấp điện bên ngoài, ngược lại pin nhiên liệu thì không tích trữ nhiên liệu bên trong, dòng điện trong pin được tạo ra liên tục khi có nguồn nhiên liệu bên ngoài được cung cấp trực tiếp và liên tục Pin nhiên liệu khác với hầu hết các loại pin ở chỗ nó đòi hỏi nguồn nhiên liệu và oxy liên tục (thường là từ không khí) để duy trì phản ứng hóa học còn năng lượng hóa học thường đến từ các chất đã có trong pin Pin nhiên liệu có thể sản xuất điện liên tục miễn là cung cấp đủ nhiên liệu và oxy.
Loại thiết bị điện khí hóa thông dụng nhất mà chúng ta sử dụng hàng ngày là pin Hóa chất tích trữ trong pin chuyển đổi thành năng lượng điện nhưng rồi hóa chất sẽ hết dần làm cho pin bị phế thải Ngược lại, pin nhiên liệu chuyển hóa năng lượng từ phản ứng hóa học thành điện năng Cụ thể là quá trình tổng hợp hydro và oxy thành nước vừa tạo ra dòng điện ở mạch ngoài vừa tạo sức nóng cho động cơ làm việc Đó là một hệ thống hở đòi hỏi phải cung cấp nhiên liệu liên tục trong suốt quá trình hoạt động nhờ vậy pin sẽ vận hành mãi mãi
Hình 8: Sơ đồ hoạt động pin nhiên liệu
2.2 Cấu tạo và nguyên lí làm việc của pin nhiên liệu
Hình 9: Sơ đồ cấu tạo của pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu có cấu tạo đơn giản bao gồm ba thành phần cơ bản: Điện cực, tấm lưỡng cực và màng điện giải Điện cực: điện cực thường chế tạo từ giấy carbon có phủ chất xúc tác Yêu cầu đối với điện cực là loại bỏ các phản ứng phụ, cũng như dẫn điện và proton tốt Chất xúc tác phủ trên hai điện cực có thể giống nhau nhưng tác dụng thì khác nhau
+ Điện cực anode: là nơi xảy ra quá trình oxi hóa hydro thành ion hydro và electron, khuếch tán nhiên liệu đến bề mặt điện cực Anode thỏa mãn về: có khả năng dẫn điện cao, bền, dễ chế tạo và giá thành rẻ… Trong thực tế, kim loại được sử dụng nhiều nhất để làm chất hoạt động anode Điện cực anode thường là các kim loại quý như: Au, Pt, ngoài ra còn các kim loại với giá thành thấp hơn như: Ni, Ru, Pd
+Điện cực cathode sẽ diễn ra quá trình khử oxy Cathode là nơi ion hydro và oxy kết hợp với nhau để tạo thành nước Cathode thỏa mãn những tiêu chí: tính bền cao khi tiếp xúc với chất điện li, là vật liệu dẫn điện Anode và cathode được chế tạo chung với màng nafion để tạo thành tổ hợp màng điện cực (Membrane electrode assembly-MEA)
Tấm lưỡng cực: Trong PEMFC, một pin đơn chỉ cung cấp hiệu điện thế khoảng 0,7 V – 0,82 V điều này gây khó khăn cho việc ứng dụng thực tế. Người ta đã nghĩ đến cách ghép các pin đơn lại để tăng hiệu điện thế cho pin tổng Các tấm lưỡng cực có tác dụng nối các pin đơn và phân phối khí nhiên liệu đều khắp hệ thống pin Chức năng của tấm lưỡng cực là vận chuyển chất phản ứng, là đường di chuyển của electron giữa các pin đơn, mang nước ra khỏi pin nhiên liệu và còn có tác dụng làm mát
Màng điện giải: Một trong các thành phần quan trọng của pin nhiên liệu là chất điện giải, cấu tạo màng điện giải của PEMFC là một màng polyme phân các anode và cathode Các đặc tính mong muốn của màng điện giải là không cho electron di chuyển qua nhưng phải dẫn proton tốt, bền với hóa chất và hoạt động ổn định, cuối cùng là chi phí sản suất thấp Một loại màng đáp ứng được hầu hết yêu cầu này là Nafion, đây là lý do màng Nafion thông dung nhất PEMFC Nafion được sử dụng làm màng điện giải có chức năng trao đổi proton
Hình 10: Nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu Hydro
Về phương diện hóa học pin nhiên liệu là phản ứng ngược lại của sự điện phân Trong quá trình điện phân, nước bị tách ra thành khí hydro và oxy nhờ vào năng lượng điện Pin nhiên liệu lấy hai chất này biến đổi chúng thành nước và tạo ra dòng điện ở mạch ngoài Nhiên liệu (khí H 2 được dẫn liên tục vào điện cực anode; còn chất oxy hóa, thông thường là oxy, được đưa vào cathode * H 2 đi qua màng xúc tác dưới tác dụng của áp suất Khi một phân tử H 2 đến tiếp xúc Pt, sẽ bị phân tách thành 2H và 2e + -
* Các proton H di chuyển trong chất điện giải xuyên qua màng đi đến + cathode Các điện tử được giải phóng đi từ anode qua mạch bên ngoài về cathode kết hợp với khí oxy và các ion H + sinh ra nước đồng thời tạo ra dòng điện ở mạch ngoài
* Phản ứng tổng quát trong pin nhiên liệu: H + 2 H2O
2.3 Một số loại pin nhiên liệu và ưu nhược điểm:
2.3.1 Pin nhiên liệu kiềm (AFC) Đây là loại pin nhiên liệu sử dụng chất điện giải là kiềm được dùng trong chương trình Không Gian Hoa Kỳ (NASA) từ năm 1960 Năng suất của AFC sẽ bị ảnh hưởng rất nhiều nếu ô nhiễm Do đó, AFC cần phải có hydro và oxy tinh khiết Nhiệt độ hoạt động 60℃ - 90℃ Ngoài ra, thiết kế loại pin này rất tốn kém cho nên không thể nào tung ra thị trường cạnh tranh với các loại pin nhiên liệu khác Hiệu suất pin cao.
Hình 11: Pin nhiên liệu kiềm (AFC) Ưu điểm: Khả năng sử dụng chất xúc tác không chứa platin trong các điện cực Việc thay thế Pt tinh khiết bằng những vật liệu biến tính, tổ hợp có thể cho hiệu quả cao hơn so với Pt tinh khiết, đồng thời còn giảm sự nhiễm độc của điện cực bởi các sản phẩm của quá trình oxi hóa Do sử dụng môi trường điện li là kiềm nên pin ít bị ăn mòn, tuổi thọ được kéo dài hơn.
Nhược điểm: Một yếu tố ảnh hưởng không nhỏ đến AFC là quá trình cacbonat hóa của chất điện giải là dung dịch kiềm (do CO2 từ không khí hoặc từ chính sản phẩm oxi hóa nhiên liệu)
2.3.2 Pin nhiên liệu dùng màn polymer rắn làm chất điện giải (PEMFC)
PEMFC dùng màng polymer rắn làm chất điện giải nên giảm sự ăn mòn và dễ bảo dưỡng Nhiệt độ hoạt động từ 50 C- 80 0 0 C Loại pin này được sản xuất nhiều nhất dùng cho các phương tiện vận tải công suất lớn, nhiệt độ hoạt động thấp và ổn định Tuy nhiên, sản phẩm tham gia phản ứng phải cần có độ tinh khiết cao.
Hình 12: Pin nhiên liệu dùng màn polymer rắn làm chất điện giải (PEMFC) Ưu điểm: Thiết kế nhỏ gọn, không tiếng ồn, linh hoạt, có hiệu suất cao (có thể lên tới trên 60%), mật độ năng lượng và điện năng rất lớn, khởi động nhanh, làm việc tại nhiệt độ thấp (< 80 C), sử dụng nguồn năng lượng sạch 0 nên không tạo ra các chất thải có hại cho môi trường
Nhược điểm: Ở nhiệt độ thấp cần phải đưa chất xúc tác vào hoạt động ở môi trường có tính ăn mòn cao, nên các chất xúc tác phải được làm bằng các kim
Ứng dụng và phát triển pin nhiên liệu
Công nghệ pin nhiên liệu đang nhận được sự quan tâm lớn trong những năm gần đây nhờ hiệu suất cao và lượng khí thải thấp Tính đến năm 2019, đã có đến hơn 19.000 xe điện chạy bằng pin nhiên liệu hydro (FCEV) và 340 trạm tiếp nhiên liệu hydro (HRF) phân phối trên toàn thế giới Đến năm 2020, con số này là trên 35.000 xe và 540 trạm Ước tính, FCEV sẽ chiếm 25% thị phần toàn cầu vào năm 2040 và đạt khoảng 400 triệu xe vào năm 2050.
Công nghê ‘ pin nhiên liê ‘u ở Viê ‘t Nam hiện mới dừng lại ở các đề tài nghiên cứu của các viện nghiên cứu, trường đại học Mô ‘t số đề tài có thể kể đến như: đề tài nghiên cứu phát triển pin nhiên liê ‘u màng trao đổi proton (PEMFC) sử dụng nhiên liê ‘u hyđrô.
* Tài liệu tham khảo: https://123docz.net/trich-doan/3299795-cac-dong-xe-dien-phat-trien-va- tot-nhat-hien-nay.htm https://123docz.net/document/12418267-chuyen-de-nghien-cuu-che- tao-pin-nhien-lieu-trien-vong-xu-huong-nhien-lieu-sach-va-xanh.htm https://vinalab.org.vn/kien-thuc-huu-ich/pin-nhien-lieu-hydro-la-gi- nguyen-ly-cau-tao-phan-loai-va-ung-dung#3 https://123docz.net/trich-doan/3299795-cac-dong-xe-dien-phat-trien-va- tot-nhat-hien-nay.htm https://www.studocu.com/vn/document/truong-dai-hoc-cong-nghiep-ha- noi/ly-thuyet-o-to/tieu-luan-pin-nhien-lieu-nhom-3/54103089