pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI PIN NHIÊN LIỆU VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI Giảng viên hướng dẫn: Th.S Lê Văn Nhạn Người thực hiện: Sinh viên: Thị Mỹ Xung MSSV: 1100278 Lớp: SP Vật Lý Khóa 36 Cần Thơ , ngày 15 tháng 01 năm 2014 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: PIN NHIÊN LIỆU VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI Giảng viên hướng dẫn: Th.S Lê Văn Nhạn Người thực hiện: Sinh viên: Thị Mỹ Xung MSSV: 1100278 Lớp: SP Vật Lý Khóa 36 Cần Thơ ,ngày 15 tháng 01 năm 2014 LỜI CÁM ƠN Tục ngữ Việt Nam có câu nhắn nhủ người trẻ trong xã hội:” Một chữ cũng là thầy, nửa chữ cũng là thầy”. Đó tuy là một câu nói ngắn gọn nhưng chứa đựng sự biết ơn của em đối với quý thầy cô Bộ Môn Sư phạm Vật Lý, Khoa Sư Phạm, Trường Đại Học Cần Thơ đã tận tình giảng dạy cũng như hướng dẫn cho em trong suốt quá trình học tập cho đến ngày hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Vì vậy, em xin kính gởi lời tri ân chân thành nhất đến quý thầy cô Bộ Môn Sư phạm Vật Lý, Khoa Sư Phạm, Trường Đại Học Cần Thơ. Em xin chân thành cảm ơn thầy: Lê Văn Nhạn đã nhiệt tình hướng dẫn cho em trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, anh chị đang làm việc trong “Trung Tâm Học Liệu” đã tạo mọi điều kiện cho em tìm tài liệu thông qua sách, báo, Internet để em được hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Do kiến thức và thời gian có hạn nên luận văn tốt nghiệp không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong sự chỉ bảo và đóng góp của quý thầy cô cùng các bạn để cho luận văn của em được tốt hơn. Cuối cùng xin ghi nhận nơi đây lòng biết ơn chân thành nhất, xin kính chúc sức khỏe của quý thầy cô Bộ Môn Sư phạm Vật Lý, Khoa Sư Phạm, Trường Đại Học Cần Thơ, chúc quý thầy cô luôn hoàn thành tốt công việc và luôn hạnh phúc bên gia đình. i NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ---------............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ...................................................………………………………………………………….. Cần Thơ, ngày.…. tháng.…. năm 2014 Giáo viên hướng dẫn (Ký và ghi rõ họ tên) ii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ---------............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................ ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... Cần Thơ, ngày…. tháng…. năm 2014 Giáo viên phản biện (Ký và ghi rõ họ tên) iii MỤC LỤC PHẦN I: MỞ ĐẦU ..........................................................................................................1 1 Lý do chọn đề tài ............................................................................................................1 2 Giới hạn đề tài ................................................................................................................2 3 Mục đích nghiên cứu ......................................................................................................2 4 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................2 PHẦN II: NỘI DUNG .....................................................................................................3 Chương 1 HYDROGEN VÀ VẤN ĐỀ CUNG CẤP NHIÊN LIỆU...........................3 1.1 Lợi ích của nền kinh tế Hydro .....................................................................................3 1.2 Cung cấp nhiên liệu .....................................................................................................4 1.2.1 Thuộc tính của Hydrogen .........................................................................................4 1.2.2 Sản xuất Hydrogen ...................................................................................................5 1.2.2.1 Hóa nhiệt Hydrocacbon.........................................................................................6 1.2.2.2 Điện phân nước......................................................................................................8 1.2.2.3 Phương pháp sinh học .........................................................................................10 1.2.3 Lưu chứa Hydrogen................................................................................................11 1.2.3.1 Lưu chứa Hydrogen dưới dạng khí nén áp suất cao............................................11 1.2.3.2 Lưu chứa Hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng.......................................................12 1.2.3.3 Lưu chứa Hydrogen nhờ hấp thụ hóa học ...........................................................12 1.2.3.4 Lưu chứa Hydrogen trong các hydrua kim loại (metal hydride).........................13 1.2.3.5 Lưu chứa Hydrogen trong ống carbon nano rỗng ...............................................13 1.2.3.6 Lưu chứa Hydrogen trong các vi cầu thủy tinh (glass microsphere) ..................14 1.2.4 Vấn đề an toàn ........................................................................................................15 Chương 2.TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU .......................................................18 2.1 Khái niệm pin nhiên liệu ...........................................................................................18 2.2 Lịch sử hình thành pin nhiên liệu ..............................................................................18 2.3 Cấu tạo chung của pin nhiên liệu ..............................................................................21 2.4 Nguyên lý chế tạo và hoạt động của pin nhiên liệu...................................................22 2.4.1 Nguyên lý chế tạo ...................................................................................................22 iv 2.4.2 Nguyên lý hoạt động ..............................................................................................22 2.5 Hệ thống pin nhiên liệu .............................................................................................23 2.6 Phân loại pin nhiên liệu .............................................................................................24 2.6.1 AFC (Alkaline Fuel Cell)- pin nhiên liệu alkali (kiềm) .........................................24 2.6.2 MCFC (Molten Carbonat Fuel Cell)-pin nhiên liệu muối carbon nóng chảy ........25 2.6.3 PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)-pin nhiên liệu axit phosphoric ......................26 2.6.4 PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)-PNL màn trao đổi proton ........26 2.6.5 SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)-pin nhiên liệu oxit rắn...........................................27 2.7 Ưu và nhược điểm .....................................................................................................28 2.7.1 Ưu điểm ..................................................................................................................28 2.7.2 Nhược điểm ............................................................................................................29 2.8. Ứng dụng của pin nhiên liệu ....................................................................................29 Chương 3 TÌM HIỀU VỀ PIN NHIÊN LIỆU METHANOL TRỰC TIẾP.............33 3.1 Lịch sử hình thành và phát triển của pin nhiên liệu methanol trực tiếp ....................33 3.2 Cấu tạo của pin nhiên liệu methanol trực tiếp...........................................................33 3.3 Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu methanol trực tiếp .....................................35 3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình làm việc của pin ..............................................35 3.4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ .........................................................................................35 3.4.2 Ảnh hưởng của độ Nm.............................................................................................36 3.4.3 Ảnh hưởng của áp suất ...........................................................................................36 3.4.4 Ảnh hưởng của chất mang......................................................................................36 Chương 4 NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ PIN NHIÊN LIỆU .....................................39 4.1 N hững nghiên cứu tại Việt N am................................................................................39 4.1.1 Tạo dung dịch chất mang (Plymeric Precursor) .....................................................39 4.1.2 Tạo lớp phủ Platin (Pt/C) và hệ Platin, thiếc (PtSn/C) trên nền Graphit xốp ........41 4.1.3 Pin nhiên liệu sử dụng cồn methanol .....................................................................45 4.2 N hững nghiên cứu trên thế giới.................................................................................49 Phần III KẾT LUẬN.....................................................................................................54 Tài liệu tham khảo ...........................................................................................................55 v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ ĐƠN VN DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt DMFC PEMFC AFC MCFC PAFC SOFC RFC ZAFC SEM Chữ viết đầy đủ pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp pin nhiên liệu màn trao đổi proton pin nhiên liệu alkali (kiềm) pin nhiên liệu muối carbonat nóng chảy pin nhiên liệu axit phosphoric pin nhiên liệu oxit rắn pin nhiên liệu tái sinh pin nhiên liệu kẽm/không khí kính hiển vi điện tử quét ĐƠN VN bar là đơn vị đo áp suất. N ó xấp xỉ bằng 1atm, tức là áp suất không khí ở ngang mặt biển. 1 bar = 100 kPa =100 000 Pa = 0.978 atm vi Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” PHẦN I: MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Nền văn minh của chúng ta đã phát triển mạnh mẽ từ khi con người biết tạo ra điện, một nguồn năng lượng mà ngày nay có mặt hầu hết trong mọi lĩnh vực. Chúng ta có thể hình dung đơn giản từ việc học của mình nếu không có điện thì làm sao mỗi người có đủ ánh sáng học tập, nghiên cứu, việc mà những thế hệ đi trước đã không có được. Nguồn sáng mà họ có chỉ là những ngọn đèn dầu. Điện giúp cho việc chuNn bị những bữa ăn của mỗi gia đình mất ít thời gian hơn nhờ các thiết bị như ấm điện, nồi cơm điện. Điện như một “người bạn đồng hành” của nhiều nhà máy, xí nghiệp. Do sự ảnh hưởng lớn trên mà nguồn nhiên liệu để sản xuất điện và các thiết bị để sử lý nguồn nhiên liệu như than, dầu mỏ, nước, gió… đã được quan tâm một cách đặc biệt. Trong khi các nguồn như gió, mặt trời, nước hay năng lượng hạt nhân lại gặp những khó khăn nhất định. Bên cạnh đó, vấn đề môi trường lại nổi lên khi khí độc được thải ra làm ô nhiễm và khiến nhiệt độ Trái Đất thay đổi quá nhanh. Vì vậy, một thiết bị “đa năng” và một nguồn nguyên liệu dồi dào đã được tập trung tìm kiếm và nghiên cứu. Cuối cùng tất cả mọi sự chú ý đều dồn về pin nhiên liệu. Theo dòng thời gian thì loại pin nhiên liệu sử dụng Methanol trực tiếp (Direct methanol fuel cell – DMFC) xuất hiện và đang rất thịnh hành. Tuy hệ thống đôi khi vẫn tạo ra khí cacbonic nhưng lượng khí thải ra là không đáng kể. Yếu tố xúc tác trong pin nhiên liệu sử dụng methanol trực tiếp là vấn đề được đặt lên hàng đầu và quan tâm hơn cả. Bên cạnh đó tìm hiểu những nghiên cứu về pin nhiên liệu ở Việt N am và trên thế giới để hiểu rõ sự phát triển của pin nhiên liệu. Thông qua đề tài này tôi hy vọng sẽ được góp một phần nhỏ trong việc đưa nguồn năng lượng điện “sạch” này vào ứng dụng rộng rãi cho cuộc sống năng động ngày nay. GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 1 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” 2. Giới hạn đề tài Đề tài này nghiên cứu về pin nhiên liệu, ứng dụng của nó để tạo ra điện, tìm hiểu về pin nhiên liệu sử dụng methanol trực tiếp và tìm hiểu tình hình nghiên cứu pin nhiên liệu ở Việt N am và một số nước trên thế giới. 3. Mục đích nghiên cứu Tìm hiểu về pin nhiên liệu, biết được tầm quan trọng và ứng dụng hiện nay. Tìm hiểu sâu hơn về pin nhiên liệu đang được sử dụng phổ biến hiện nay – pin nhiên liệu sử dụng methanol trực tiếp. Đồng thời, tìm hiểu về tiềm năng cũng như ứng dụng năng lượng này tại Việt N am và trên thế giới. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp: N ghiên cứu lý thuyết, phân tích và tổng hợp các tài liệu. - Phương tiện: Sử dụng sách báo, khai thác thông tin trên Internet để tìm hiểu vấn đề pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai. GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 2 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” PHẦN II: NỘI DUNG Chương 1: HYDROGEN VÀ VẤN ĐỀ CUNG CẤP NHIÊN LIỆU 1.1. Lợi ích của nền kinh tế Hydro “N ền kinh tế hydrogen” là một hệ thống lưu trữ, phân phối và sử dụng năng lượng dựa trên nhiên liệu chính là hydrogen. Thuật ngữ này được tập đoàn General Motors đặt ra vào năm 1970. N ền kinh tế hydrogen hứa hẹn đNy lùi tất cả những vấn đề do nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch đã gây ra. N hững lợi ích chính của nền kinh tế hydrogen là: - Không gây ô nhiễm: khi hydrogen được sử dụng trong pin nhiên liệu, nó là một công nghệ hoàn toàn sạch. Sản phNm phụ duy nhất sinh ra là nước, do đó sẽ không làm nảy sinh những vấn đề đáng lo ngại như tràn dầu… - Không thải ra khí hiệu ứng nhà kính: quá trình điện phân nước tạo hydrogen không hề tạo nên khí nhà kính nào. Đó là một quá trình lý tưởng và hoàn hảo. - Điện phân hydrogen từ nước, hydrogen lại tái kết hợp với oxygen để tạo ra nước và cung cấp điện năng trong pin nhiên liệu. - Không phụ thuộc về kinh tế: không dùng dầu mỏ cũng có nghĩa là không phải phụ thuộc vào các thùng dầu nhập khNu từ nước ngoài. - Hydrogen có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau: nhất là các nguồn năng lượng tái sinh. N hư vậy, những lợi ích về môi trường, kinh tế và xã hội của hydrogen là rất là đáng kể và ý nghĩa. Tất cả những thế mạnh này đã tạo nên sự đột phá mạnh mẽ hướng nhân loại tiến đến nền kinh tế hydrogen và ứng dụng của nó. Cùng với sự phát triển của nhiên liệu hydrogen tiếp đến sẽ là sự ra đời của pin nhiên liệu – fuel cells sẽ mang lại cho chúng ta nguồn năng lượng vô tận và có thể trong tương lai không xa sẽ thay thế nguồn năng lượng hiện nay. GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 3 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” 1.2. Cung cấp nhiên liệu 1.2.1. Thuộc tính của hydrogen Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuNn hydrogen là một khí lưỡng nguyên tử có công thức phân tử H 2 , không màu, không mùi, dễ bắt cháy, có nhiệt độ sôi 20,27 K (252,870C) và nhiệt độ nóng chảy 14,02 K (-259,140C). Tinh thể hydrogen có cấu trúc lập phương. Hydrogen có hóa trị 1 và có thể phản ứng với hầu hết các nguyên tố hóa học khác. Hydrogen là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, chiếm 75% các vật chất thông thường theo khối lượng và trên 90% theo số lượng nguyên tử. N guyên tố này được tìm thấy với một lượng khổng lồ trong các ngôi sao và các hành tinh khí khổng lồ. Tuy vậy, trên Trái Đất nó có rất ít trong khí quyển. nguồn chủ yếu của nó là nước, bao gồm hai phần hydrogen và một phần ôxy (H 2 O). Các nguồn khác bao gồm phần lớn các chất hữu cơ (hiện tại là mọi dạng của cơ thể sống), than, nhiên liệu hóa thạch và khí tự nhiên. Mêtan (CH 4 ) là một nguồn quan trọng sản xuất hydrogen. Dưới áp suất cực cao, chẳng hạn như tại trung tâm của các hành tinh khí khổng lồ (như sao Mộc), các phân tử hydrogen mất đặc tính của nó và hydro trở thành một kim loại (xem hydro là kim loại). Dưới áp suất cực thấp, như trong các khoảng không vũ trụ, hydrogen có xu hướng tồn tại dưới dạng các nguyên tử riêng biệt, đơn giản vì không có cách nào để chúng liên kết với nhau; Các đám mây H 2 tạo thành và được liên kết trong quá trình hình thành các ngôi sao. Hydrogen đóng vai trò sống còn trong việc cung cấp năng lượng trong vũ trụ thông qua các phản ứng proton – proton và chu trình carbon – nitơ (đó là phản ứng nhiệt hạch giải phóng năng lượng khổng lồ thông qua việc tổ hợp hai nguyên tử hydro thành một nguyên tử heli). Được làm lạnh tới trạng thái lỏng hydrogen chiếm 1/700 thể tích của trạng thái khí. Hydrogen khi hóa hợp với ôxy có hàm lượng năng lượng cao nhất trên một đơn vị GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 4 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” khối lượng là 120,7 GJ/T, và nhiệt phát ra của một gram dung dịch hydro cháy có giá trị 142.000 Jun, tương ứng với 24 lần giá trị phát nhiệt của xăng. Đó là một trong các nguyên nhân tại sao hydrogen lỏng được sử dụng làm nhiên liệu cho các tên lửa và năng lượng cho tàu vũ trụ. Hydrogen đốt trong ôxy tinh khiết, các sản phNm duy nhất sinh ra là nhiệt lượng với nhiệt độ cao và nước. Do đó khi sử dụng hydrogen sẽ không tạo ra khí nhà kính và không phá hoại vòng luân chuyển của nước trong thiên nhiên. 1.2.2. Sản xuất hydrogen Hydrogen là nguyên tố phổ biến, cấu thành đến 90% vật chất của vũ trụ (75% theo khối lượng). Mặt Trời, hầu hết các ngôi sao và một số hành tinh như Jupiter (“sao” Mộc – hành tinh lớn nhất Thái Dương hệ) được tạo nên chủ yếu bởi hydrogen. Phản ứng tổng hợp hạt nhân giữa các đồng vị của hydrogen, deuterium và tritium đã cung cấp nguồn năng lượng khổng lồ cho mặt trời và các ngôi sao, nhờ đó duy trì sự sống. Hydrogen là thành viên nhỏ nhất và có cấu trúc đơn giản nhất trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học, chỉ gồm một proton và một electron. Phân tử hydrogen chứa hai nguyên tử hydrogen, là khí không màu, không mùi, không vị, rất dễ cháy. Hydrogen có trọng lượng nhỏ nhất trong các loại khí và hydrogen dạng nguyên chất gần như không tồn tại trong tự nhiên. Trên Trái Đất, hydrogen phần lớn ở dạng kết hợp với oxygen tạo thành nước, hay với carbon và các nguyên tố khác trong vô số các hợp chất hữu cơ tạo nên cơ thể mọi loài động thực vật. Khác với các nguồn năng lượng cơ bản (ví dụ như dầu mỏ có thể bơm trực tiếp từ lòng đất lên rồi sử dụng), hydrogen là nguồn năng lượng thứ cấp, tức là chúng không thể được khai thác trực tiếp mà phải được tạo ra từ một nguồn sơ cấp ban đầu. Điều này là một điểm bất lợi, nhưng đồng thời lại là điểm mạnh của hydrogen do người ta có thể sản xuất khí hydrogen từ nhiều nguồn khác nhau, đặc biệt từ các nguồn năng lượng tái sinh. Có ba phương pháp cơ bản tạo ra hydro: GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 5 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai”  Phương pháp chuyển hóa hydrocarbon (nhiên liệu hóa thạch, sinh khối) bằng nhiệt (Reforing).  Phương pháp điện phân nước (Electrolysic)  Phương pháp sinh học (Biological method). 1.2.2.1.Hóa nhiệt nhiên liệu hydrocarbon  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 9000C. CH 4  H 2 O  CO  3H 2 Carrbon mono- oxide sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóa thành khí carbonic và tạo thêm khí hydrogen. CO  H 2 O  CO 2  H 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 nhiên liệu cho các ngành hóa chất, phân bón, tinh lọc dầu mỏ… v.v  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 14000C với oxygen hay không khí (oxygen hóa không hoàn toàn), tạo ra hỗn hợp gồm hydrogen, carbon mono oxide (CO) và vài sản phNm 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. GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 6 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” 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. N hiên 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 thạch 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 chưa phổ biến. Vì vậy, một khi nhiên liệu hóa thạch vẫn còn rẻ thì phương pháp này vẫn còn sử dụng vì chi phí thấp. 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.  Quy trình hiện đại tạo ra hydrogen từ khí thiên nhiên mà không thải CO 2 Từ những năm 1980, Kvaerner – một tập đoàn dầu khí của N a Uy đã phát triển công nghệ mang tên “Kvaerner Carbon Black and Hydrogen Process” (KCB&H). N hà máy đầu tiên dựa trên quy trình Kvaerner hiện đại này đặt ở Canada và bắt đầu sản xuất vào tháng 6 năm 1999. Quy trình cung plasma (trạng thái thứ tư của vật chất trong đó các chất bị ion hóa mạnh, các nguyên tử hay phân tử chỉ còn lại hạt nhân và các electron chuyển động tương đối tự do giữa các hạt nhân) – Kvaerner 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 CO 2 . Than hoạt tính này cũng được dùng trong sản xuất vỏ xe hơi và dùng như chất khử công nghiệp luyện kim. N hờ một số tính chất đặc biệt mà chúng còn có thể dùng để lưu trữ hydrogen (ống carbonnano). GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 7 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai”  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 hơi nước 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% khối lượng hydrogen của sinh khối. N guyên liệu của 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. 1.2.2.2 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 H 2 O + 2e- → H 2 + 2OHPhản ứng trên anode: 2OH- → H 2 O + 1/2O 2 + 2e- Tổng quát: 2H 2 O + điện năng → 2H 2 + O 2 Các dạng điện phân phổ biến:  Điện phân thông thường Quá trình tiến hành với chất điện phân là nước hay dung dịch kiềm. Hai phần anode và cathode được tách riêng bởi màng ngăn ion ( microporous) để tránh hòa lẫn hai khí sinh ra.  Điện phân nước áp suất cao Điện phân nước ở 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. GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 8 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai”  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, khi đó nhiệt độ mà ta cung cấp cho quá trình này vào khoảng 800 – 10000C, nên có thể hạn chế bớt lượng điện năng tiêu thụ. N hiều 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.  Quang điện phân (photoelectrolysis) Các panel mặt trời được cấu tạo từ 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 có thể sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, thủy điện để điện phân nước tạo ra hydrogen. N hư thế việc sản xuất hydrogen sẽ là một quá trình sạch (không khí thải), tái sinh và bền vững. GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 9 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” Hình 1.1: Phương pháp sản xuất hydrogen sạch và bền vững từ quá trình điện phân nước dựa trên các nguồn năng lượng tái tạo và các ứng dụng đa dạng của hydrogen 1.2.2.3 Phương pháp sinh học Một số tảo và vi khuNn chuyên biệt có thể sản sinh ra hydrogen như là sản phNm phụ trong quá trình trao đổi chất của chúng. Các sinh vật này thường sống trong nước, phân tách nước thành khí hydrogen và 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 GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 10 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” 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. Gần đây, các nhà khoa học tại trung tâm năng lượng hydrogen của trường ĐH tiểu bang Pennsylvania cũng đã nghiên cứu thành công phương pháp tạo ra hydrogen từ quá trình vi khuNn phân hủy các chất thải hữu cơ sinh học như nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp….Ứng dụng nghiên cứu này sẽ mở ra triển vọng to lớn đầy hữu ích, vừa kết hợp xử lý nước thải và vừa sản xuất hydrogen cung cấp cho pin nhiên liệu vi khuNn (micro – fuel cell), tạo ra điện năng. Hình 1.2: Chu trình sản xuất hydrogen từ tảo xanh 1.2.3. Lưu chứa Hydrogen Với vai trò “chuyên chở” năng lượng (energy carier) 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 các phương thức lưu trữ hydrogen như sau: 1.2.3.1. Lưu chứa Hydrogen dưới dạng khí nén áp suất cao Hydrogen có thể được nén trong các bình chứa với áp suất cao. Các loại bình chứa khác nhau về cấu trúc tùy theo dạng ứng dụng đòi hỏi mức áp suất như thế nào. Phần lớn các bình chứa tĩnh có mức áp suất thấp hơn. Trong khi đó, yêu cầu cho các bình chứa di động lại khá khác biệt bởi sự hạn chế về không gian lưu trữ. Đối với các bình GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 11 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” chứa này, áp suất trong bình được tăng lên đến 700 bar để chứa được càng nhiều hydrogen càng tốt trong một không gian giới hạn. Các bình áp suất chứa khí nén thường làm bằng thép nên rất nặng. Các bình áp suất hiện đại được làm từ vật liệu composite và nhẹ hơn nhiều. 1.2.3.2 Lưu chứa Hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng Hydrogen chỉ tồn tại ở thể lỏng dưới nhiệt độ cực lạnh 200K hay – 2350C. N én, làm lạnh (hóa lỏng) hydrogen tiêu tốn khá nhiều năng lượng, do đó tổn thất năng lượng hao hụt đến khoảng 30% khi sử dụng phương pháp này. Tuy nhiên, ưu điểm của việc lưu trữ hydrogen dưới dạng lỏng là ít tốn không gian nhất, do hydrogen có tỉ trọng năng lượng theo thể tích cao nhất khi hóa lỏng. Vì thế mà cách này đặc biệt thích hợp với các bình chứa di động như các phương tiện giao thông. Hiện tại người ta đã sản xuất được những robot tự động để “tiếp” nhiên liệu (re – fuelling). Với các dạng lưu trữ tĩnh, cách thức này chỉ được dùng khi hydrogen thực sự cần thiết phải ở dạng lỏng, ví dụ như trong các trạm nhiên liệu hay khi cần vận chuyển hydrogen đường dài (ví dụ như vận chuyển bằng tàu biển). N goài ra, với tất cả các ứng dụng khác ta nên tránh dùng cách lưu trữ này bởi sự tiêu tốn khá nhiều năng lượng cần để hóa lỏng. 1.2.3.3 Lưu chứa Hydrogen nhờ hấp thụ hóa học Hydrogen có thể được giữ trong nhiều hợp chất nhờ liên kết hóa học. Và khi cần thiết, phản ứng hóa học sẽ xảy ra để giải phóng chúng, sau đó hydrogen được thu thập và đưa vào sử dụng trong pin nhiên liệu. Các phản ứng hóa học thay đổi tùy theo hợp chất dùng để lưu trữ hydrogen. Ví dụ như: với N H 3 BH 3 , hydrogen được giải phóng nhờ nhiệt ở 100 – 3000C; hay hydrogen có thể được giải phóng qua quá trình thủy phân (tác dụng với nước) của các hydride như LiH, LiBH 4 , N aBH 4 … Với phương pháp này, ta có thể điều chỉnh được lượng hydrogen sinh ra theo nhu cầu. GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 12 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” 1.2.3.4 Lưu chứa Hydrogen trong các hydrua kim loại (metal hydride) Phương pháp này sử dụng một số hợp kim có khả năng độc đáo, có thể hấp thụ hydrogen. Các hợp kim này hoạt động giống như miếng xốp có thể hút nước vậy, chúng “hút bám” hydrogen, tạo nên các hydrua kim loại. Khi một hydrua kim loại được “lấp kín” dần với các nguyên tử khí hydrogen, nó sẽ tỏa nhiệt. Do đó, khi muốn giải phóng hydrogen, ta sẽ phải cung cấp nhiệt cho nó. Công thức tổng quát của quá trình hấp thụ và giải phóng khí hydro của hydrua kim loại: M + xH 2 ↔ MH 2 x. Phương pháp này có thể chứa được một lượng rất lớn thể tích khí hydrogen hấp thụ vào kim loại. Tuy nhiên, lượng hydrogen hấp thụ chỉ chiếm khoảng 1% - 2% tổng khối lượng bình chứa (kim loại). Vì thế mà các bình chứa dạng này khá nặng và vì thế chúng không thể sử dụng trong các ứng dụng di động. Ưu điểm của phương pháp này là hầu hết các hydrua kim loại có thể hoạt động ở áp suất bình thường, do đó xét về mặt sử dụng và an toàn, đây là những điểm thuận lợi của việc lưu trữ hydrogen nhờ các hydrua kim loại. muốn giải phóng khí hydrogen cần cung cấp nhiệt, vì thế, trường hợp các thùng chứa bị bể vỡ chẵng hạn thì hydrogen vẫn giữ kết nối trong kim loại mà không bị hao hụt. Lưu trữ hydrogen bằng các hydrua kim loại hiện nay đang được ứng dụng nhiều trong các tàu ngầm. 1.2.3.5 Lưu chứa Hydrogen trong ống carbon nano rỗng Phương pháp này về nguyên tắc tương tự như hydrua kim loại trong cơ chế lưu giữ và giải phóng hydrogen. Vật liệu carbon nano này có thể tạo nên một cuộc cách mạng trong công nghệ lưu trữ hydrogen trong tương lai. Cách đây vài năm, các nhà khoa học đã khám phá được đặc tính hữu ích của carbon nano là có thể chứa được một lượng lớn hydrogen trong các vi cấu trúc than chì dạng ống. Hydrogen có thể chui vào trong ống, cũng như khoảng trống giữa các ống. Lượng hydrogen hấp thụ phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ nên về nguyên tắc người ta có thể thay đổi áp suất hoặc nhiệt độ, rồi bơm hydrogen vào để lưu trữ, hay đNy hydrogen ra GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 13 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” để sử dụng. Vấn đề hiện nay là phải tìm ra các loại ống carbon nano cao, không lẫn với nhiều loại bụi than khác. Hình 1.3: Mô hình tương tác giữa ống carbon nano (đỏ) và phân tử hydrogen (trắng) Ưu điểm mang tính đột phá của công nghệ nano này chính là lượng lớn hydrogen mà nó có thể lưu chứa được, hơn nữa, so với cách lưu trữ bằng hợp kim thì ống carbon nano cũng nhẹ hơn. Ống carbon nano có thể lưu chứa được lượng hydrogen chiếm từ 4% - 65% khối lượng của chúng. Hiện nay, công nghệ này đang được quan tâm nghiên cứu rất nhiều trên thế giới, hứa hẹn một phương thức lưu trữ hydrogen đầy tiềm năng, nhất là cho các ứng dụng pin nhiên liệu di động và nhỏ gọn như máy tính xách tay, máy ảnh, điện thoại di động…v.v. N goài ra, còn có một phương pháp lưu trữ hydrogen khác tuy ít phổ bến nhưng cũng khá thú vị, đó là chứa hydrogen trong các vi cầu bằng kính. GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 14 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” 1.2.3.6 Lưu chứa Hydrogen trong các vi cầu thủy tinh (glass microsphere) Các khối cầu thủy tinh rỗng tí hon có thể được dùng như một phương thức lưu trữ hydrogen an toàn. N hững vi cầu rỗng này được làm nóng dẻo, gia tăng khả năng thấm của thành thủy tinh, rồi được lấp đầy khi được đặt ngập trong khí hydrogen với áp suất cao. Các khối cầu này sau đó được làm nguội, “khóa lại” hydrogen bên trong khối thủy tinh. Khi ta tăng nhiệt độ, hydrogen sẽ được giải phóng ra khỏi khối cầu và sử dụng. Phương pháp vi cầu này rất an toàn, tinh khiết và có thể chứa được hydrogen ở áp suất thấp, vì thế gia tăng giới hạn an toàn. 1.2.4. Vấn đề an toàn Hydrogen là khí không màu, không mùi, không vị và rất hoạt động. Khi hydrogen cháy nó mang mối nguy hiểm tiềm Nn bởi ngọn lửa của nó không thể nhận thấy bằng mắt thường. Do đó nó có thể lan đi mà người ta không thể nhận biết được để cảnh báo. Tuy nhiên, trong chừng mực nào đó, hydrogen cháy an toàn hơn các nhiên liệu hóa thạch thông thường. Hydrogen có tốc độ bừng cháy rất cao và tiêu tán mau. Do đó, những vụ cháy, thậm chí bắt nguồn từ hydrogen lỏng, thường bùng lên rất nhanh rồi hết. Theo tính toán của các nhà khoa học cho thấy ở một vụ cháy xe cộ liên quan đến xăng dầu, đám cháy có thể kéo dài hai mươi đến ba mươi phút, trong khi đó, ngọn lửa từ đám cháy của chiếc xe chạy bằng lượng hydrogen tương đương chỉ kéo dài từ một đến hai phút. Hydrogen khi bị đốt cháy sinh ra nhiệt và hơi nước. Do không có carbon, hơn nữa hơi nước lại là chất hấp thụ nhiệt nên hydrogen cháy tỏa nhiệt ít hơn nhiều so với khi các hydrocarbon cháy và đám cháy không lan đi, chỉ có những vật trực tiếp bị đốt dưới ngọn lửa đó mới bị cháy nặng. N hững vật khác ở gần ngọn lửa sẽ khó mà tự bắt cháy được. Vì thế mà mối nguy hiểm về khói độc và việc cháy lan kéo dài đối với hydrogen đã được giảm di đáng kể. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng trong vấn đề cứu hỏa. GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 15 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” Hình 1.4: N gọn lửa cháy của hydrocarbon (mũi tên đỏ bên trái) so với ngọn lửa cháy của hydrogen (vòng tròn xanh bên phải) GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 16 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” Tỉ trọng thấp và khả năng khuếch tán nhanh cho phép hydrogen thoát nhanh vào khí quyển nếu như có sự rò rỉ xảy ra. Trong khi đó, propane và xăng dầu, với tỉ trọng cao và khả năng khuếch tán thấp, dễ tụ lại gần mặt đất, làm gia tăng rủi ro cháy nổ. Hydrogen phải đạt đến nồng độ 4% trong khí quyển mới gây nguy hiểm, khi đó khả năng bắt lửa của hydrogen sẽ tăng lên nhanh. Mặc dù nồng độ 4% xem như không cao, nhưng nếu so sánh với nồng độ cần đạt để bốc cháy của xăng dầu chỉ có 1% thì so với hydrogen cho thấy mức rủi ro cháy nổ thấp hơn đáng kể. Hydrogen không độc và không ăn mòn. Xăng và dầu rất độc với con người và sinh vật nếu như vô tình chúng bị rò rỉ ra môi trường bên ngoài. Trong khi đó, nếu hydrogen bị thoát ra, chúng sẽ bay hơi gần như hoàn toàn và chỉ để lại nước đằng sau. Hydrogen 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 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 trong viễn cảnh tương lai. GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 17 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” Chương 2: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU 2.1. Khái niệm pin nhiên liệu Pin nhiên liệu là một hệ thống dùng để biến đổi trực tiếp hóa năng thành điện năng bằng quá trình oxy hóa nguyên liệu. Thành phần nguyên liệu trong pin nhiên liệu bao gồm nguồn cung cấp ion như: hydro (H 2 ), metan (CH 4 ), methanol (CH 3 OH), etanol (C 2 H 5 OH)… và oxy lấy từ không khí. Sản phNm của quá trình chuyển hóa này gồm có nhiệt, điện năng, nước và khí cacbonic. Sau đây là một hệ thống đơn giản của pin nhiên liệu. Oxy Hydro, methanol.. Pin nhiên liệu Điện + cacbonic N ước Hình 2.1: Sơ đồ một pin nhiên liệu N hư đã nói trên, pin nhiên liệu biến đổi trực tiếp hóa năng thành điện năng thông qua phản ứng H 2 + O 2 → H 2 O + dòng điện, nhờ tác động của những chất xúc tác như: màng platin nguyên chất, hỗn hợp platin với kim loại khác và một số chất điện phân như kiềm. 2.2. Lịch sử hình thành pin nhiên liệu - Đầu thế kỷ XIX, đã có nhiều nhà khoa học đưa ra khái niệm về pin nhiên liệu trong tiêu biểu trong số đó là Humphry Davy. - N ăm 1839, William Robert Grove (1811 – 1896), một nhà hóa học, vật lý, luật sư và là người đầu tiên phát minh ra Acqui khí (Gas battery). Ông đã tiến GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 18 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” hành một loạt thí nghiệm mà ông gọi đó là pin Volta khí, và cuối cùng đã chứng minh rằng dòng điện có thể được sản xuất từ một phản ứng điện hóa học giữa hydro và oxy trong một chất xúc tác bạch kim (Platin). - N ăm 1889, Charles Langer và Ludwig Mond đã tiếp tục phát triển thành quả mà trước đó William Grove đã làm được. Họ đã thay thế nguồn hydro bằng khí than và họ cũng là những người đầu tiên đưa ra thuật ngữ “Pin nhiên liệu” (Fuel cell). Tuy nhiên, do còn nhiều hạn chế nên những nghiên cứu của họ không được ứng dụng rộng rãi. - Vào năm 1920, A. Schmid là người tiên phong trong việc xây dựng bộ phân tích bằng Platium, các điện cực Cacbon – hydrogen xốp dưới hình thức ống. - N ăm 1932, Giáo sư Francis Bacon đã tiếp tục phát triển thêm mô hình bằng cách thay thế điện cực Platin bằng N iken và thay thế chất điện giải axit Sulphuric bằng một chất ít ăn mòn là Kali Hydroxyt (KOH). Ông đã đặt tên cho sản phNm này là pin Bacon (Bacon cell). Đây cũng là một loại pin nhiên liệu kiềm đầu tiên. - N hững năm 1950, một khái niệm rất mới là pin nhiên liệu trao đổi proton (PEMFC) đã xuất hiện trong giai đoạn này pin nhiên liệu thật sự được nhiều lĩnh vực quan tâm hơn đặc biệt là lĩnh vực vũ trụ. Sở dĩ như vậy là do một số nguyên nhân đã gặp phải khi sử dụng nguồn năng lượng khác như trọng lượng khá lớn của acquy, năng lượng hạt nhân thì nguy hiểm còn năng lượng mặt trời thì vẫn còn khá mới lạ. - Vào những năm 1960, pin nhiên liệu đã được đưa vào ứng dụng trong lĩnh vực quân sự và nó được sử dụng để cung cấp điện trên những loại tàu ngầm thời đó. Tiếp sau nó được Liên Xô đưa vào chương trình không gian có người lái. - N hững năm 1970 đến 1980, ảnh hưởng của cuộc khủng hoảng năng lượng cùng với những nhận thức sâu sắc về việc bảo vệ môi trường, đã thúc đNy nhiều tổ chức nghiên cứu và dùng pin nhiên liệu như một nguồn năng lượng hữu ích, nhằm thay thế những loại năng lượng có chi phí rất cao và khả năng gây ô nhiễm GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 19 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” môi trường khá lớn kia. DMFC cũng đã xuất hiện và phát triển trong khoảng thời gian này. - Đầu những năm 1990, pin nhiên liệu đã tiến thêm một bước mới. N ếu như trước đây hầu như ứng dụng chủ yếu trong những lĩnh vực nông nghiệp và một ít về không gian thì ở giai đoạn này nó được đưa vào một lĩnh vực rất quan trọng đó là công nghiệp. Giai đoạn này cũng gắn liền với sự chuyển công nghệ từ PEMFC sang SOFC, đồng thời cũng nhen nhóm lên khả năng thương mại hóa trên thị trường. N gày nay, pin nhiên liệu đã được thương mại hóa sử dụng một cách rộng rãi trong đời sống hằng ngày, hơn hết trong những phương tiện đi lại. N hiều công ty sản xuất ô tô lớn trên thế giới đã đưa ra những mẫu xe có sử dụng pin nhiên liệu như: General Motor, Ford (Mỹ) Daimler Benz (Đức), Renaul (Pháp),Toyota, Honda, N issan…(N hật), Hyundai (Hàn Quốc)… Tuy vậy đến giai đoạn này, việc phổ biến sử dụng rộng rãi “pin” mới này vẫn còn gặp một số trở ngại do sự nghi ngờ về lợi nhuận của một số công ty về nó nhưng chúng ta có quyền nghĩ đến và hy vọng nhiều cơ hội hứa hẹn phát triển sẽ được mở ra trong tương lai không xa. Muối cacbonat, oxit rắn… bản chất thực sự của nó tương tự như pin điện hóa. GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 20 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” 2.3. Cấu tạo chung của pin nhiên liệu Hình 2.1: Cấu tạo chung của pin nhiên liệu Một hệ thống pin nhiên liệu gồm có hai điện cực là anode (nơi xảy ra quá trình oxy hóa) và cathode (nơi xảy ra quá trình khử). Thông thường hai điện cực được làm từ những chất có khả năng dẫn điện cao như kim loại hoặc cacbon. Ở giữa hai điện cực là chất điện giải (Electrolyte), nó có tác dụng giúp vận chuyển nhanh các ion từ điện cực này sang điện cực kia. Chất điện giải có nhiều loại như axit, kiềm và cả muối nóng chảy tương ứng với chúng là các dạng rắn, lỏng hay cấu trúc màng. Loại màng được dùng là N afion với mục đích để cho các ion thích hợp đi qua. Tùy vào mục đích và thời đại, người ta sẽ chọn ra loại tối ưu nhất. GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 21 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” N goài ra còn một lớp xúc tác giúp tăng tốc độ phản ứng. Chất xúc tác có thể được đặt ở giữa dung dịch điện phân và các điện cực. Trường hợp khác, người ta có thể dùng nó trực tiếp như một điện cực hoặc phủ trên bề mặt của điện cực tùy thuộc vào từng loại pin nhiên liệu khác nhau. Chất xúc tác không chỉ có tác dụng làm tăng tốc độ phản ứng mà còn làm giảm đi năng lượng hoạt hóa của quá trình hóa học. Thông thường người ta dùng platin hoặc các hợp kim của platin với kim loại như N i, Ru, Co,… làm chất xúc tác. 2.4. Nguyên lý chế tạo và hoạt động của pin nhiên liệu 2.4.1. Nguyên lý chế tạo Để biến hydrogen thành điện năng sẽ phải thông qua một thiết bị gọi là pin nhiên liệu (Fuel Cell). Pin nhiên liệu là một thiết bị điện hóa mà trong đó biến đổi hóa năng thành điện năng nhờ quá trình oxy hóa nhiên liệu, mà nhiện liệu thường dùng ở đây là khí H 2 và khí O 2 hoặc không khí. Quá trình biến đổi năng lượng trong pin nhiên liệu là quá trình biến đổi trực tiếp từ hóa năng sang điện năng theo phản ứng H 2 + O 2 → H 2 O + dòng điện, nhờ tác dụng của chất xúc tác, thường là các màng platin nguyên chất hoặc hỗn hợp platin, hoặc các chất điện phân như kiềm, muối carbonat, oxit rắn… Không giống như pin hoặc ắc quy, pin nhiên liệu không bị mất điện và cũng không có khả năng tích điện. Pin nhiên liệu hoạt động liên tục khi nhiên liệu (hydrogen) và chất oxy được đưa từ ngoài vào. 2.4.2. Nguyên lý hoạt động Tuy có nhiều loại pin nhiên liệu khác nhau nhưng nhìn chung nguyên lý hoạt động của chúng đều có chung những nét tương đồng như: N guyên liệu đi vào ở cực anode, nơi đây sẽ diễn ra quá trình oxy hóa để tạo thành các ion hydro (H+) và electron (e-). Khi tiếp xúc với lớp màng nơi điện cực thì chỉ duy nhất các ion hydro hay còn gọi là proton đi xuyên trực tiếp từ anode sang cathode, còn các electron thì bị giữ lại và phải đi theo một hệ thống dây dẫn để đi qua GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 22 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” cathode. Chính do sự di chuyển như vậy mà sinh ra dòng điện một chiều. Dòng điện này sẽ di chuyển từ cathode sang anode, vì vậy nên gọi anode là cực dương còn cathode là cực âm. Cũng trong thời gian đó, khí oxy được lấy từ không khí cũng đi vào cực cathode. Sau khi tiến đến gần cathode khí oxy này sẽ tiếp xúc và nhận các electron để hình thành nên các ion oxy (O2-). Tùy theo từng loại pin nhiên liệu mà các ion oxy này có thể sử dụng với mục đích khác nhau. Chúng có thể trực tiếp tác dụng với ion hydro ở cực dương để tạo thành nước hoặc đi xuyên qua lớp màng ở điện cực âm tiến đến các ion hydro ở cực dương và tạo thành nước. Ở một số pin nhiên liệu sử dụng nguồn nhiên liệu là methanol, metan thì sản phNm cuối dược tạo ra có thêm cacbonic. N hưng lượng cacbonic được tạo ra thấp hơn rất nhiều lần so với lượng khí này thải ra ở động cơ đốt trong. 2.5. Hệ thống pin nhiên liệu Các bộ phận chính của hệ thống pin nhiên liệu bao gồm:  Bộ xử lý nhiên liệu (Fuel Processor): bộ xử lý này có tác dụng chuyển đổi những khí hay những dạng nhiên liệu lỏng hoặc thành nguồn nhiên liệu thích hợp cho quá trình hoạt động của pin. N goài ra, khi có bộ xử lý này chúng ta có thể yên tâm hơn về nguồn nhiên liệu vì khi qua bộ xử lý sẽ loại bỏ đi thành phần có hại và làm sạch nguồn nhiên liệu hơn.  Thiết bị biến đổi năng lượng (Power Section): thiết bị này dùng để biến nguồn hóa năng thành điện năng. Cấu tạo của bộ phận này gồm nhiều hệ thống pin nhiên liệu đơn được nối ghép với nhau còn gọi là cụm nhiên liệu (Fuel stacks).  Bộ điều hòa công suất (Power conditioner): dòng điện được tạo ra trong pin nhiên liệu không thể dùng trực tiếp cho tải được nhưng cần phải có một thiết bị chuyển hóa thành dòng điện xoay chiều trước khi sử dụng. N gày nay, người ta thường dùng bộ nghịch lưu để chuyển từ dòng một chiều thành dòng xoay chiều để sử dụng.  Bộ phận thu hồi nhiệt được lắp đặt nhằm mục đích tận dụng triệt để lượng nhiệt sinh ra trong pin nhiên liệu. Chúng có thể được dùng để làm nóng nước hoặc tiếp tục GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 23 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” chuyển thành điện năng thông qua các turbin hay một thiết bị nào có chức năng tương tự. N goài những thiết bị được kể trên còn một số thiết bị phụ chưa được kể như: hệ thống xử lý độ Nm, nhiệt độ, áp suất và cả nước thải khi qua nhiên liệu. Một số yếu tố cần quan tâm khi thiết kế một hệ thống pin nhiên liệu là loại pin nhiên liệu, loại nhiên liệu, điều kiện làm việc và lĩnh vực sử dụng. 2.6. Phân loại pin nhiên liệu Pin nhiên liệu cũng có một số kiểu khác nhau, chủ yếu ở chất điện phân mà chúng sử dụng. Trong khi có chất chỉ cho phép proton (H+) đi qua thì có chất khác chỉ cho các phân tử phức tạp đi xuyên qua màng. Các chất điện phân chúng sử dụng cũng được lấy làm tên gọi để phân biệt các dạng pin nhiên liệu khác nhau, ví dụ như: AFC – pin nhiên liệu kiềm, PEMFC – pin nhiên liệu màng trao đổi proton, PAFC – pin nhiên liệu axit phosphoric, MCFC – pin nhiên liệu muối carbonat nóng chảy, SOFC – pin nhiên liệu oxit rắn…Mỗi dạng pin nhiên liệu có chế độ vận hành và những ứng dụng khác nhau sẽ được lần lượt giới thiệu dưới đây. 2.6.1. AFC (Alkaline Fuel Cell) – pin nhiên liệu alkali (kiềm). Pin nhiên liệu alkali (kiềm) vận hành với khí hydrogen nén và oxy, dùng dung dịch kiềm KOH làm chất điện phân. Hiệu suất pin khoảng 70% và hoạt động từ 150 – 2000C. Công suất đầu ra khoảng từ 300W đến 5kW. Do nhỏ, nhẹ, hiệu suất cao nên phần lớn loại pin nhiên liệu này thường được dùng trong các phương tiện xe, cộ, giao thông. Phản ứng trên anode: 2H 2 + 4OH- → 4H 2 O + 4ePhản ứng trên cathode: O 2 + 2H 2 O + 4e- → 4OHTổng quát: 2H 2 + O 2 → 2H 2 O + năng lượng (điện) Pin nhiên liệu alkali đã được N ASA chọn sử dụng trong các chương trình không gian như đội tàu Con Thoi và các phi thuyền Apollo, chủ yếu bởi vì năng GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 24 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” lượng sinh ra đạt hiệu suất 70%. Điều thú vị là, không chỉ cung cấp năng lượng dưới dạng điện năng, pin nhiên liệu alkali còn cung cấp nước uống cho các phi hành gia. N ó đòi hỏi nhiên liệu hydrogen tinh khiết và chất xúc tác điện cực bằng Platin (bạch kim). Vì thế mà pin nhiên liệu alkali vẫn còn khá đắt đỏ để thương mại hóa cho các sản phNm thông thường. Tuy nhiên, một số công ty đang tìm cách giảm giá thành và tăng tính năng đa dụng của loại pin nhiên liệu này. Tháng 7/1998, công ty “xe cộ không phát thải” ZEVCO (the Zero Emission Vehicle Company) đã tung ra chiếc taxi mẫu đầu tiên tại London nước Anh. Chiếc taxi sử dụng một bộ pin nhiên liệu alkali 5kW, chất xúc tác cobalt được thay cho bạch kim để giảm chi phí, xe chạy không sinh ra khí độc và vận hành rất êm, gần như không gây tiếng động như những taxi chạy bằng động cơ đốt trong thông thường. 2.6.2. MCFC (Molten Carbonat Fuel Cell) – pin nhiên liệu muối carbonat nóng chảy MCFC dùng các muối carbonat của N a và Mg ở nhiệt độ cao làm chất điện phân. Hiệu suất pin đạt từ 60 -80%, vận hành ở nhiệt độ khoảng 6500C. Các đơn vị có công suất đầu ra 2MW được kết hợp với nhau và có thể thiết kế cho công suất đến 100MW. MCFC dùng chất xúc tác điện cực nikel nên không đắt lắm so với xúc tác điện cực bạch kim của AFC. Tuy nhiên, nhiệt độ cao cũng có mặt hạn chế về vật liệu và an toàn. Bên cạnh đó, ion carbonat từ chất điện phân sẽ bị sử dụng hết trong phản ứng, đòi hỏi phải tiếp thêm khí carbonic bù vào. Phản ứng tổng quát: H 2 (k) + 1/2O 2 (k) + CO 2 (cathode) → H 2 O(k) + CO 2 (anode) + điện năng Pin nhiên liệu MCFC vận hành ở nhiệt độ khá cao, vì thế đa số các ứng dụng của nó là các nhà máy, trạm phát điện lớn (ứng dụng tĩnh). N hiệt độ cao của quá trình vận hành có thể được tận dụng tạo nên thêm một nguồn năng lượng bổ sung từ nhiệt thừa để sưởi ấm, dùng cho các quá trình công nghiệp hay động cơ hơi nước GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 25 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” sinh ra thêm điện năng. N hiều nhà máy nhiệt điện chạy bằng gas đã áp dụng hệ thống này gọi là cogeneration (phát điện kết hợp). N hật Bản, Hoa Kỳ đã ứng dụng công nghệ này, xây dựng các nhà máy điện pin nhiên liệu MCFC từ thập kỷ 90 của thế kỷ trước. 2.6.3.PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) – pin nhiên liệu axit phosphoric. PAFC dùng axit phosphoric làm chất điện phân. Hiệu suất pin có thể đạt từ 40 – 80% và nhiệt độ vận hành nằm trong khoảng 150 – 2000C. Các pin nhiên liệu PAFC hiện tại có công suất đến 200kW và thậm chí lên đến 11MW đã được thử nghiệm. PAFC có thể chịu được nồng độ CO khoảng 1,5%, do đó mở rộng khoảng chọn lựa loại nhiên liệu mà chúng có thể sử dụng. PAFC đòi hỏi điện cực bạch kim,và các bộ phận bên trong phải chống chịu được ăn mòn axit. PAFC được phát triển, kiểm tra thực nghiệm từ giữa thập kỉ 60 và 70 của thế kỉ trước, là dạng pin nhiên liệu đầu tiên được thương mại hóa trên thị trường nên đến ngày nay PAFC đã có nhiều cải tiến đáng kể nhằm giảm chi phí và tăng tính ổn định, chất lượng hoạt động. Hệ thống PAFC thường được cài đặt cho các tòa nhà, khách sạn, bệnh viện, các thiết bị điện (các ứng dụng tĩnh tương đối lớn) và công nghệ này đã được phổ biến ở N hật Bản, châu Âu và Hoa Kỳ. 2.6.4. PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) – pin nhiên liệu màn trao đổi proton. Pin nhiên liệu PEMFC hoạt động với một màng điện phân bằng plastic mỏng. Hiệu suất pin từ 40 – 50% và vận hành ở nhiệt độ thấp chỉ chừng 800C. Công suất dòng ra khá linh hoạt có thể chỉ là 2kW cho các ứng dụng nhỏ như di động hay từ 50 đến 250kW cho các ứng dụng tĩnh lớn hơn. Vận hành ở nhiệt độ thấp nên PEM thích hợp cho các ứng dụng gia đình và xe cộ. Tuy nhiên,nhiên liệu cung cấp cho PEMFc đòi hỏi phải được tinh sạch (không lẫn nhiều tạp chất) và PEMFc cũng cần xúc tác bạch kim đắt tiền ở cả hai mặt màng điện phân, gia tăng chi phí. GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 26 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” PEMFC lần đầu tiên được sử dụng vào thập kỉ 60 của thế kỉ trước trong chương trình không gian Gemini của N ASA, đến nay pin nhiên liệu PEMFC đã được phát triển với những hệ thống công suất thông thường từ 1W đến 2kW. N gười ta tin rằng PEMFC sẽ là dạng pin nhiên liệu thích hợp nhất cung cấp năng lượng cho các xe cộ, phương tiện giao thông và cuối cùng về lâu dài sẽ thay thế các động cơ đốt trong chạy bằng xăng, dầu, diesel. So với các dạng pin nhiên liệu khác, PEMFC sinh ra nhiều năng lượng hơn với cùng một thể tích hay khối lượng nhiên liệu cho trước. Hơn nữa, nhiệt độ vận hành dưới 1000C cho phép khởi động nhanh. N hững ưu điểm này cùng với khả năng thay đổi linh hoạt, nhanh chóng công suất đầu ra đã làm cho pin nhiên liệu PEMFC trở thành ứng cử viên hàng đầu cho các loại xe hơi hay những ứng dụng di động khác như máy tính xách tay…v.v. Mặt khác, do chất điện phân là vật liệu rắn (màng), chứ không phải là chất lỏng như những pin nhiên liệu khác, việc nút kín các khí phát ra từ điện cực cũng đơn giản hơn và do đó làm giảm chi phí sản xuất. Màng điện phân rắn cũng ít gặp khó khăn trong khi vận hành, ít bị ăn mòn hơn so với các dạng chất điện phân khác, dẫn đến kéo dài tuổi thọ của pin hơn. 2.6.5. SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) – pin nhiên liệu oxit rắn SOFC sử dụng một hợp chất oxit kim loại rắn (như calcium hay ziconium) làm chất điện phân. Hiệu suất đạt được khoảng 60% và vận hành ở nhiệt độ từ 6000C đến 10000C. Được phát triển từ cuối những năm 50 của thế kỉ trước, đây là dạng pin nhiên liệu vận hành ở nhiệt độ cao nhất hiện nay. N hiệt độ cao cho phép pin có thể sử dụng được nhiều loại nhiên liệu đầu vào, như khí thiên nhiên, sinh khối hydrocarbon (trích xuất lấy hydrogen trực tiếp mà không cần phải chuyển hóa nhiệt). Công suất đầu ra của pin đến 100kW. Vận hành ở nhiệt độ cao như vậy, chất điện phân là vật liệu oxit rắn, mỏng và cho phép ion oxygen (O 2 -) đi qua. Phản ứng trên anode: 2H 2 + 2O 2 - → 2H 2 O +4ePhản ứng trên cathode: O 2 + 4e- → 2O 2 - GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 27 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” Tổng quát: 2H 2 + O 2 → 2H 2 O + năng lượng (điện) Cũng giống như pin nhiên liệu muối carbonat nóng chảy, do vận hành ở nhiệt độ khá cao như vậy nên dạng pin nhiên liệu này thường ứng dụng giới hạn trong các hệ thống tĩnh khá lớn và nhiệt thừa có thể được tái tận dụng để tạo thêm nguồn điện bổ sung. Một số pin nhiên liệu đang được nghiên cứu hiện nay: - DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) – pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp - RFC (Regenerative Fuel Cell) – pin nhiên liệu tái sinh - ZAFC (Zinc- Air Fuel Cell) – pin nhiên liệu kẽm/không khí 2.7. Ưu và nhược điểm 2.7.1. Ưu điểm Trong các ưu điểm của tế bào nhiên liệu so với các hệ thống chuyển đổi cạnh tranh khác phải kể đến độ hiệu quả cao không phụ thuộc vào độ lớn của hệ thống. Cụ thể nếu chỉ sản xuất điện thì đạt 40% (bằng nhiệt điện), nếu là cụm nhiệt điện thì có thể đạt tới 90%. N goài ra việc vận hành tế bào nhiên liệu không phát sinh tiếng ồn và sản phNm của phản ứng chỉ là nước và dioxit carbon (nếu sử dụng nhiên liệu hóa thạch). Tế bào nhiên liệu giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ, giảm lượng dioxit carbon, một trong các khí gây ra hiệu ứng nhà kính, không có các oxit của lưu huỳnh và nito là các khí gây ô nhiễm môi trường. Các tế bào nhiên liệu không cần động cơ quay hay các bộ phận cơ học chuyển động, do đó tăng tuổi thọ và độ tin cậy. N hiệt độ vận hành khác nhau của tế bào nhiên liệu cho phép dùng cùng với turbine hay những áp dụng hơi nước nóng. N goài ra còn một vài ưu điểm khác chẳng hạn như: - Ít gây ồn (ngoại trừ máy nén khí và bơm) GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 28 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp - Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” Ít phải bảo quản và giá thành bảo dưỡng rẻ. Gần như không gây ô nhiễm môi trường: không cháy, không thải khí độc SO x , còn CO x thì thấp hơn 2 lần và N O x thì thấp hơn 50 lần so với máy phát nhiệt điện. 2.7.2. Nhược điểm Một nhược điểm lớn mà chúng ta đang gặp phải khi sử dụng là chi phí cho một hệ thống pin nhiên liệu rắt cao. Chẳng hạn pin nhiên liệu loại màng khoảng 20.000VN Đ trên một đơn vị kW. Hiện nay chúng ta cũng đang gặp khó khăn trong việc xây dựng cơ sở hạ tầng để phục vụ cho việc tiếp nhiên liệu cho hệ thống pin. Một vấn đề khác khiến mọi người chưa mạnh dạn sử dụng pin nhiên liệu là do tuổi thọ của nó chưa cao, còn phụ thuộc nhiều vào độ bền của chất xúc tác và màng trao đổi proton. N hưng chúng ta có thể hy vọng trong tương lai sẽ xuất hiện một pin nhiên liệu có tuổi thọ lên tới 40000 giờ. 2.8. Ứng dụng của pin nhiên liệu Tế bào nhiên liệu được sử dụng đầu tiên trong những lĩnh vực mà phí tổn không đóng vai trò quan trọng. Tế bào nhiên liệu nhẹ và hiệu quả hơn ắc quy đồng thời đáng tin cậy và ít ồn ào hơn động cơ Diesel. N hững điều này giải thích tại sao giới quân sự và ngành du hành vũ trụ quan tâm đến công nghệ này rất sớm. Một số tàu thuyền trên biển cũng dùng tế bào nhiên liệu. GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 29 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” Hình 2.3: Tàu N emo H2 Động cơ thúc đNy cho các ứng dụng dân sự xuất phát từ nhận thức trữ lượng dầu mỏ trên trái đất là có hạn nhưng vẫn mong muốn tiếp tục kinh doanh xe thời kỳ sau dầu mỏ vốn đang mang về nhiều lợi nhuận. Hình 2.4: Xe Ford Focus chạy bằng pin nhiên liệu GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 30 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” Từ 20 năm nay nhiều hãng sản xuất xe (DaimlerChrysler, Ford, Honda, Opel) đã nghiên cứu về xe có nhiên liệu là hydro, sử dụng tế bào nhiên liệu để chuyển hóa năng lượng và dùng động cơ điện để vận hành. Kỹ thuật này đã được phát triển cho xe buýt, xe du lịch, xe tải nhẹ. Ở Hamburg (Đức) và Stuttgart (Đức) người ta đang thử nghiệm chạy xe buýt sử dụng nhiên liệu hydro trên các tuyến đường xe buýt bình thường. Từ năm 2003 hai hãng đóng tàu của Đức đã cung cấp loại tàu ngầm vận hành bằng điện được cung cấp từ máy phát điện Diesel hoặc từ một hệ thống tế bào nhiên liệu hydro. Các tế bào nhiên liệu sử dụng khí đốt đang chuNn bị đNy lùi các thiết bị kết hợp phát điện và sưởi (combined heat and power plant). Ở hệ thống này khí đốt được biến đổi thành hydro đưa vào tế bào nhiên liệu. Một số vật dụng cầm tay như điện thoại di động, máy vi tính xách tay, máy quay phim, vật liệu cắm trại hay quân sự cũng đang tiến tới ứng dụng loại nguồn cung cấp năng lượng này. GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 31 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” Hình 2.5: Xe buýt chạy bằng pin nhiên liệu Hình 2.6: Laptop dung pin nhiên liệu của Panasonic tại CES 2006 Hình 2.7: ĐTDĐ pin nhiên liệu đầu tiên trên thế giới ra mắt GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 32 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” Chương 3: TÌM HIỂU VỀ PIN NHIÊN LIỆU METHANOL TRỰC TIẾP 3.1. Lịch sử hình thành và phát triển của pin nhiên liệu methanol trực tiếp Quá trình oxy hóa metanol đã được khám phá đầu tiên bởi E.Muller vào năm 1992. Tuy vậy nhưng cũng phải mãi đến những năm 1950 thì khái niệm về pin nhiên liệu methanol trực tiếp mới được 2 nhà khoa học Kordesch và Marko nghiên cứu. Ở giai đoạn này dung dịch kiềm được dùng làm chất điện phân sau này được Parallel thay thế bằng một dung dịch axit thông thường là axit sulphuric (H 2 SO 4). Qua một số phương trình động học đã cho thấy rằng việc sử dụng kiềm rất có lợi về mặt động học nhưng dễ dàng tạo ra muối cacbonat (CO 3 2-) nên ưu tiên của ông vẫn là axit. Chất xúc tác được sử dụng là platin cho quá trình oxy hóa methanol và bạc (Ag) cho quá trình khử oxy. Sau khi đã tìm ra những chất điện giải phù hợp thì nhiều nhà khoa học đã chú ý và bắt đầu quan tâm đến chất xúc tác. Trong giai đoạn này chất xúc tác được quan tâm là những hợp kim của platin như platin-thiếc (Pt-Sn) hay platin-rutin (Pt-Ru). Đến những năm 1960, Watanabe và Motoo đã nghiên cứu thành công và mở ra một tiềm năng lớn cho việc sử dụng hợp kim Pt-Ru bằng cách gắn chúng trên dung dịch rắn có cấu trúc lập phương tâm diện (fcc). Trong những thập kỷ đầu mọi nỗ lực hướng đến việc tìm ra và mở rộng thêm về lĩnh vực xúc tác trong số đó phải kể đến Bagotzky và Vassilieo về việc dùng platin nguyên chất cho việc xúc tác. Cuối những năm 1980 đến đầu những năm 1990 mọi nghiên cứu lại được hướng đến cấu trúc, bề mặt và tính chất điện của hợp kim Pt-Ru. Trong nhóm nghiên cứu này gồm có Goodenough, Hamnentt và Shukla. Công việc của họ không chỉ tập trung vào chất xúc tác nhưng chú trọng về cấu trúc của điện cực. 3.2. Cấu tạo pin nhiên liệu methanol trực tiếp Một hệ thống pin nhiên liệu methanol trực tiếp bao gồm 2 điện cực và ở giữa là một lớp màng mỏng trao đổi ion. N hững điện cực (anode và cathode) được liên kết GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 33 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” mật thiết với bề mặt của lớp màng. Tại mỗi điện cực cũng được chia làm 3 lớp là: lớp xúc tác, lớp khuếch tán và lớp bên trong (backing layer). Bề dày của các điện cực cũng như lớp màng không quá 1mm. Cấu tạo và công dụng của từng bộ phận:  Cathode Cathode là một điện cực mà tại đó sẽ tiếp nhận và diễn ra quá trình khử oxy. Tại catot cũng là nơi giúp các ion hydro và oxy kết hợp với nhau và tạo thành nước.  Anode Anot cũng là một điện cực có cấu tạo và hình dạng giống như cathode. N ó là nơi tiếp nhận nguồn nguyên liệu giàu ion hydro và cũng giống như một lớp màng lọc chỉ cho phép ion thích hợp đi xuyên qua nhưng ngăn cản các electron. Đối với pin nhiên liệu methanol trực tiếp sản phNm ở anode ngoài nhiệt, điện còn có thêm khí cacbonic (CO 2 ).  Lớp màng trao đổi proton (Proton exchange membrane) Lớp màng này nằm ở trung tâm của hệ thống pin và được cấu tạo từ N afion. N ó có tác dụng như một thiết bị lọc chỉ những proton hoặc ion thích hợp được đi qua và ngăn không cho electron lọt qua. Một điểm cần lưu ý là lớp màng này phải thường xuyên hydrat hóa để các ion có thể dễ dàng đi qua, muốn vậy chúng ta phải quan tâm đến lượng nước sử dụng không được bay hơi nhanh so với lượng nước tạo ra trong pin.  Lớp xúc tác (Catalyic layer) Lớp này được cấu tạo từ một hỗn hợp của chất xúc tác và ionome. N ó có tác dụng trộn các electron và ion có tính dẫn điện. Chất xúc tác thường là platin hoặc hợp kim của nó được gắn trên carbon hay trực tiếp trên các điện cực. GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 34 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai”  Lớp khuếch tán (Diffusion layer) Lớp khuếch tán thường là hỗn hợp của carbon và polytetrafluorosul-phoric với tính kỵ nước rất thích hợp cho việc vận chuyển phân tử oxy đến chỗ các hạt xúc tác trên điện cực catot hoặc giải phóng khí cacbonic trên anode. 3.3. Nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu methanol trực tiếp Chất cung cấp proton cơ bản trong hệ thống pin nhiên liệu methanol trực tiếp là dung dịch Methanol và sẽ đưa đến anode. Tại đây, methanol sẽ được oxy hóa trực tiếp tạo ra sản phNm chính là khí cacbonic mặc dù trong quá trình này cũng không loại trừ khả năng tạo ra nhiều hợp chất như Formandehyt (HCHO), axit Fomic (HCOOH) hoặc một số phân tử hữu cơ. N hưng chúng sẽ giảm dần trong quá trình sử dụng pin. Một số phản ứng xảy ra trong pin: Trên anode: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H+ + 6eTrên cathode: 3/2O 2 + 6H+ + 6e- → 3H 2 O Tổng quát: CH 3 OH + 3/2O 2 → CO 2 + 2H 2 O N ếu có sự hiện diện của chất điện phân kiềm thì các phản ứng có thể viết lại dưới dạng: Trên anot: CH 3 OH + 6OH- → CO 2 + 5H 2 O + 6eTrên catot: 3/2O 2 + 3H 2 O + 6e- → 6OHTổng quát: CH 3 OH + 3/2O 2 → CO 2 + 2H 2 O 3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình làm việc của pin 3.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ Sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến sự thay đổi điện thế trong pin nhiên liệu. N ếu nhiệt độ càng cao thì điện thế của quá trình càng cao và ngược lại. N goài ra khi nhiệt độ tăng sẽ ảnh hưởng đến lượng nhiên liệu nhập vào đồng thời cũng làm giảm điện GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 35 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” trở của pin. Do khi nhiệt độ tăng tính dẫn điện của kim loại giảm trong khi tính dẫn ion trong chất điện phân lại tăng. 3.4.2. Ảnh hưởng của độ ẩm Một chú ý đã nói trên là lượng nước được sử dụng trong pin rất quan trọng trong việc hydrat lớp màng nhưng khi lượng nước này cung cấp không đủ thì một vấn đề có thể xảy ra là lớp màng (N afion) sẽ bị nứt, nghiêm trọng hơn có thể bị thủng. Từ đó sẽ kéo theo rất nhiều hệ lụy như là sự ngắt mạch hóa học, gây nóng cục bộ thậm chí màng bị cháy. Tuy nhiên nếu lượng nước quá nhiều cũng không tốt. N ó sẽ dễ dàng ngưng tụ trên lớp khuếch tán khiến xảy ra một hiện tượng mà người ta quen gọi là sự đảo chiều pin. Khi hiện tượng này xảy ra đi kèm với nó là sự tăng nhiệt, chính việc này sẽ làm hỏng pin. 3.4.3. Ảnh hưởng của áp suất Cũng giống như ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt động của pin thì áp suất cũng ảnh hưởng tương tự. N hư chúng ta đã biết thì giữa hai đại lượng này có mối quan hệ tỷ lệ thuận với nhau. N ên khi áp suất tăng thì nhiệt độ cũng tăng dẫn đến điện thế của quá trình cũng tăng. N goài việc làm tăng điện thế khi áp suất cao còn giúp cho các phân tử hydro và oxy tiến đến sát với chất xúc tác hơn. 3.4.4. Ảnh hưởng của chất mang N hư chúng ta đã biết đối với pin thì việc dùng chất xúc tác rất quan trọng. Tuy nhiên để đạt được hiệu suất tốt nhất thì vấn đề cần quan tâm là kích thước của hạt xúc tác. Thông thường về lĩnh vực xúc tác thì kích cỡ người ta luôn mong muốn phải nhỏ khoảng từ 2-3 nanomet. Đặc điểm của hạt nano là rất nhỏ nên chúng có khuynh hướng là kết tụ lại (do lực hút tĩnh điện) thành những đám lớn, cộng thêm khả năng ăn mòn điện cực trong quá trình làm việc sẽ ảnh hưởng lớn về mặt xúc tác. Một phương pháp rất hữu hiệu hiện nay để giải quyết vấn đề này là việc gắn trực tiếp những hạt xúc tác lên bề mặt của chất mang. N hững chất mang thông thường được GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 36 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” cấu tạo từ carbon và một số hợp chất của nó. Sau đây là một số chất mang được sử dụng phổ biến hiện nay:  Vulcan XC-72 Là một chất mang dạng bột, có bề mặt diện tích lớn khoảng 232 m2.g-1, trên bề mặt có nhiều lỗ xốp với những đặc điểm này sẽ thuận lợi cho việc phân tán cũng như bám dính những hạt xúc tác có kích thước nano. N goài ra, carbon Vulcan XC-72 còn có độ dẫn điện tốt và giá thành vừa phải. Đây cũng là một trong những loại vật liệu được dùng làm chất mang phổ biến nhất trong hệ thống DMFC.  Vulcan XC-72R Loại Vulcan XC-72R có đặc điểm và tính chất giống như Vulcan XC-72 nhưng chỉ có một vài đặc điểm khác biệt nhỏ về mặt hình dạng thay vì dạng bột như Vulcan XC-72 thì Vulcan XC-72R là dạng viên, nhỏ. Diện tích bề mặt của nó lớn hơn Vulcan XC-72 vào khoảng 241 m2.g-1, ngoài ra thì những tính chất của Vulcan XC72R đều giống như của Vulcan XC-72.  Black Pearl 2000 So với các loại carbon được nhắc tới thì Black Pearl 2000 có diện tích bề mặt lớn nhất khoảng trên 1000 m2.g-1. Chính vì vậy, chúng ta không còn nghi ngờ về khả năng phân tán của các hạt xúc tác. Tuy nhiên, về mặt hỗ trợ chống lại sự ăn mòn thì Black Pearl không tốt như hai loại XC-72 và XC-72R.  Acetylen Black N ếu như những loại chất mang đã đề cập bên trên đều có diện tích bề mặt lớn thì với Acetylen Black lại ngược lại hoàn toàn. Diện tích bề mặt rất nhỏ khoảng 50 m2.g1 nên vấn đề về việc phân tán hạt xúc tác cũng không được như mong muốn.  Carbon nanotubes (CNT) Carbon nanotubes là một trong bốn loại cấu trúc tinh thể của Carbon ở dạng nano. Ưu điểm của ống than nano là kích thước nhỏ, cấu trúc ống dài với diện tích bề mặt GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 37 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” lớn, độ dẫn điện cao được ứng dụng vào việc làm chất mang hay chế tạo các điện cực pin nhiên liệu. Vật liệu kim loại dễ dàng bám dính lên các ống nano được hoạt hóa với hiệu suất cao, đồng thời tốc độ truyền dẫn electron ở các điện cực tăng lên rất nhiều và cũng có thể dùng nó như một thiết bị dự trữ năng lượng.  Graphene Graphene là một sản phNm trong quá trình khử Graphite oxit, được coi là vật liệu mỏng nhất hiện nay. N goài việc có diện tích bề mặt lớn Graphene còn được quan tâm trong lĩnh vực làm chất mang nhờ nhiều tính chất quan trọng như độ bền cơ lý cao, có khả năng chống cháy, độ dẫn điện cao, trơ về mặt hóa học và nhiệt độ, cuối cùng chi phí sử dụng rất rẻ. Tóm lại, có nhiều loại chất mang và mỗi loại có nhiều tính chất khác nhau nhưng tất cả chúng đều có một đặc điểm để phù hợp với vai trò làm chất mang như diện tích bề mặt lớn, có nhiều lỗ xốp trên bề mặt giúp khả năng bám dính của các hạt xúc tác trở nên tốt hơn. Đó là chưa kể khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt và chi phí cũng không cao. N ếu xét về mọi mặt thì việc sử dụng Vulcan XC-72 là tối ưu. GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 38 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” Chương 4: NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ PIN NHIÊN LIỆU Pin nhiên liệu có thể được xem là nguồn năng lượng thay thế tốt nhất cho năng lượng hóa thạch trong tương lai không xa. Đó là sự kết hợp hoàn hảo giữa hai nguyên tố oxy và hydro thông qua quá trình điện hóa. Tuy nhiên để thực hiện được quá trình phản ứng trên thì chất xúc tác đòi hỏi phải là những kim loại quý hiếm chẳng hạn như platin, than chì…chi phí sản xuất rất tốn kém. Gần đây, đã có một vài nghiên cứu về chất xúc tác mới nhằm giảm chi phí sản xuất và hướng tới mục tiêu thương mại hóa pin trong tương lai. 4.1. Những nghiên cứu tại Việt Nam Tấm graphit công nghiệp sau khi đã được gia công thành hình dáng và kích thước của một điện cực (có diện tích bề mặt là 1cm2) được mài nhẵn và đánh bóng bằng giấy ráp mịn loại C1000 và C2000. Sau đó, điện cực graphit đã mài nhẵn được ngâm trong dung dịch H 2 SO 4 98% ở 600C nhằm mục đích oxy hóa các tạp chất hữu cơ có trong graphit. 4.1.1. Tạo dung dịch chất mang (Polymeric Precursor) a) Sơ lược về phương pháp PPM (Polymeric precursor method) N ăm 1967, Pechini tổng hợp một số oxit phức hợp Titanat MTiO 3 , Zirconat MZrO 3 và N iobat MN b 2 O 6 (M: Ca, Sr, Ba, Pb) Pb x Sr y (Zr x Ti y )O 3 bằng cách hòa tan các oxit trong axit citric (AC) và rtylenglycol (EG). Khuấy và đun nóng dung dịch cuối cùng thu được gel. N ung gel ở nhiệt độ cao gần 6000C thu được oxit phức hợp. Phương pháp này gọi là phương pháp Pechini hay phương pháp sol-gel citrat. N ó được ứng dụng nhiều để thu được các oxit phức hợp sau khi Bednorg và Muller (1987) khám phá ra ống siêu dẫn ở nhiệt độ cao. Phương pháp sol-gel qua con đường tạo phức với axit hữu cơ rất đa dạng, điều kiện tổng hợp rất khác nhau. Về vai trò của axit hữu cơ, Kaun giả thiết rằng axit kết hợp với dung môi tạo polyme hoặc tự nó phức hợp với ion kim loại. Phần hữu cơ của phức hợp trong điều GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 39 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” kiện xác định sẽ trùng hợp với nhau tạo thành các phân tử polyme. Kết quả là độ nhớt của dung dịch tăng đột ngột và sol trở thành gel. Cơ chế này chỉ xảy ra khi trong thành phần hữu cơ có nối đôi hoặc trong dung dịch có chứa các chất có khả năng trùng ngưng tạo este với axit (ví dụ: etylenglycol, etylendiamin…). Yêu cầu này khắc phục được khó khăn của phương pháp thủy phân khi muốn tạo composit từ các muối có khả năng thủy phân khác nhau. Hiện nay, người ta không chỉ sử dụng hai thành phần hữu cơ là Axit Citric và dung môi etylenglycol mà còn dùng nhiều hợp chất khác. N hưng bản chất vẫn là các phân tử hữu cơ liên kết với cation kim loại nhằm phân bố chúng rồi xử lý nhiệt đốt cháy phần hữu cơ để thu được sản phNm có kích thước hạt nhỏ và độ đồng nhất cao. b) Tiến hành tạo dung dịch chất mang Các dung dịch chất mang được tính toán theo tỷ lệ số mol Pt:Sn = 50:50. Dung dịch Pt-resin gồm:  Axit Citric (CA) = 0,234g  Etylen Glycol (EG) = 0,27ml  H 2 PtCl 6 1g/25ml = 5ml Dung dịch Sn-resin gồm:  Axit Citric (CA) = 0,234g  Etylen Glycol (EG) = 0,827ml  SnCl 2 .2H 2 O = 10ml (SnCl 2 0,1M trong iso-propanol) Cách pha dung dịch: Hỗn hợp EG và CA được đun nóng ở nhiệt độ khoảng 700C cho đến khi CA tan hết. Sau đó, cho 10ml SnCl 2 0,1M trong isopropanol và 5ml H 2 PtCl 6 1g/25ml vào 2 hỗn hợp CA:EG tương ứng và đun nóng các hỗn hợp thu được ở khoảng 900C trong 15 phút. Hỗn hợp Pt-resin và Sn-resin thu được tiếp tục đem rung siêu âm trong vòng 10 phút với mục đích thu được dung dịch đồng nhất. GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 40 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” Để thu được hỗn hợp PtSn-resin, ta lấy một nửa lượng Pt-resin và Sn-resin trộn với nhau và tiến hành rung siêu âm trong 5 phút. N hư vậy, bằng cách làm trên người ta đã thu được các dung dịch như sau:  Dung dịch Pt-resin  Dung dịch Sn-resin  Dung dịch PtSn-resin 4.1.2. Tạo lớp phủ Platin (Pt/C) và hệ Platin, thiếc (PtSn/C) trên nền Graphit xốp a) Khảo sát điều kiện nhiệt độ phân hủy để tạo lớp Pt, PtSn trên nền dẫn điện graphit xốp và chế tạo các lớp phủ Pt, PtSn trên nền chất dẫn điện graphit xốp Sử dụng phương pháp PPM (Polymeric precursor method) để tạo màng Platin; Platin, thiếc trên nền graphit xốp thì việc nghiên cứu nhiệt độ phân hủy của muối thiếc clorua và axit cloroplatinic (H 2 PtCl 6 .6H 2 O) là rất quan trọng. Để có được nhiệt độ phân hủy của các loại Pt-resin, Sn-resin, người ta sử dụng phương pháp phân tích nhiệt và tham khảo một số tài liệu cho thấy nhiệt độ phân hủy thích hợp màng phủ là 400:4500C. Ở nhiệt độ 400:4500C có thể hình thành lớp màng mỏng có chứa các kim loại Pt, Sn trên nền Graphit xốp. Thu được kết quả như sau:  SnO 2 /C: phân hủy nhiệt ở 4500C  Pt/C: phân hủy nhiệt ở 4500C  PtSn/C: phân hủy nhiệt ở 4500C GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 41 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” b) Tiến hành chế tạo graphit xốp chứa Pt (Pt/C) và graphit xốp chứa Platin, thiếc (Pt,Sn/C) Vật liệu graphit xốp sau khi xử lý được nhúng vào các dung dịch chất mang (Polymeric Precusor) đã pha chế, sau đó sấy khô mẫu ở 1400C trong 10 phút rồi đem mẫu đã sấy khô nung ở nhiệt độ 4500C trong 5 phút. Quá trình này nhúng-sấy-nung lặp lại 3 lần. Sau đó, mẫu tiếp tục được nung ở 4500C trong 2h. Hình thái của các điện cực đã chế tạo được thể hiện trên các ảnh SEM (kính hiển vi điện tử quét). Kết quả thu được trên hình như sau: Hình 4.1: Ảnh SEM của điện cực Pt/C GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 42 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” Hình 4.2: Ảnh SEM của điện cực PtSn/C GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 43 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” Ảnh từ SEM (Scaning electron microscope – kính hiển vi điện tử quét) chứng tỏ là các hạt Pt phân bố trên bề mặt của điện cực C và chèn vào các lỗ xốp. Một cách tương đối, có thể thấy hạt Pt trên C xốp có kích thước vào khoảng 20nm còn Pt, Sn do có sự tương tác giữa Pt và Sn nên sự phân tán không đồng đều bằng các hạt Pt và kích thước hạt của mẫu Pt, Sn cũng lớn hơn so với kích thước của Pt. Trên các hình nhiễu xạ tia X của các điện cực nghiên cứu cũng khẳng định được sự có mặt của Platin và liên hợp Platin thiếc có mặt trên các điện cực Graphit xốp. Qua quá trình phân tích thu được thế oxy hóa (Epa) và thế khử (Epc) của các điện cực như sau: Mẫu Epa Epc E C xốp 0,384 0,035 0,349 Pt/C 0,378 0,065 0,313 Pt, Sn/C 0,286 0,148 0,138 Bảng các giá trị Epa, Epc của các điện cực nghiên cứu trong dung dịch ferroferri xyanua 0,01M trong môi trường NaOH 0,1M Sự khác nhau giữa thế oxy hóa (Epa) và thế khử (Epc) là đặc trưng cho độ thuận nghịch điện hóa của phản ứng điện cực. N ếu giá trị  E càng nhỏ thì độ thuận nghịch của phản ứng điện cực càng tăng. Bảng giá trị cho thấy độ thuận nghịch của điện cực PtSn/C là tốt nhất. Từ đó ta có thể dự đoán khả năng hoạt động điện hóa của điện cực Pt/C; PtSn/C đều rất tốt và có thể điện cực PtSn/C có khả năng hoạt động điện hóa cao hơn điện cực Pt/C trong một số trường hợp cụ thể. Qua những nghiên cứu đã thu được một số kết quả như sau:  Đã chế tạo được điện cực graphit xốp, khả năng tạo độ xốp phụ thuộc vào thời gian, trong dung dịch H 2 SO 4 98%, ở 6000C và thì gian xử lý 72 giờ cho độ xốp đạt giá trị cao nhất và độ dẫn điện cao nhất. GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 44 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai”  Đã tìm ra quy trình chế tạo graphit xốp phủ Pt, PtSn. Điện cực Pt phủ trên Graphit xốp có kích thước hạt Pt cỡ nano (cỡ 20nm). Điện cực có hoạt tính điện hóa cao hơn hẳn điện cực Platin phẳng.  Điện cực graphit xốp Pt/C, PtSn/C có khả năng oxy hóa etanol cao hơn hẳn điện cực Pt phẳng; các giá trị thế oxy hóa của các điện cực Pt/C, PtSn/C gần trùng với thế của điện cực Pt phẳng và phù hợp với nhiều tác giả đã công bố. Các điện cực chế tạo Pt/C, PtSn/C có tính ghất điện hóa cao khi sử dụng làm điện cực xúc tác oxy hóa anot etanol, có thời gian sống khá dài (trên 4 giờ) và tính lặp lại cao. 4.1.3 Pin nhiên liệu sử dụng cồn methanol Vào cuối năm 2004, TS N guyễn Mạnh Tuấn, Phân viện Vật lý tại TP.HCM đã công bố những kết quả nghiên cứu đầu tiên của mình về pin nhiên liệu. Chỉ với 250ml cồn cho ra 600 W/ giờ điện Hình 4.3: TS N guyễn Mạnh Tuấn cạnh một loại vật liệu làm màng điện cực cho pin nhiên liệu GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 45 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” Loại pin nhiên liệu mà TS N guyễn Mạnh Tuấn nghiên cứu là pin sử dụng cồn methanol. Theo TS N guyễn Mạnh Tuấn, có cả chục loại pin nhiên liệu khác nhau. Có loại dung để cấp điện cho các thiết bị lớn như trạm không gian, xe ô tô. Có loại dung để cấp điện cho các thiết bị cầm tay như máy tính xách tay, điện thoại di động… Đặc điểm chung của pin nhiên liệu là thường sử dụng nhiên liệu như hydro, cồn…hoặc một số chất liệu khác. Đối với pin nhiên liệu dung cấp điện cho các thiết bị lớn, người ta phải duy trì nhiệt độ từ hàng trăm đến hàng ngàn độ C thì pin mới hoạt động tối ưu. Thế nhưng, vấn đề đặt ra là, đối với các thiết bị cầm tay, cần phải làm thế nào để pin nhiên liệu có thể hoạt động tối ưu ở nhiệt độ phòng (20 – 40 0C). Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của pin nhiên liệu cồn Hình 4.4: Sơ đồ cấu tạo và hoạt động của pin nhiên liệu cồn TS N guyễn Mạnh Tuấn cho biết, trong điều kiện VN , nếu nghiên cứu, chế tạo pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu hydro sẽ có nhiều khó khăn trong việc bảo hành, tồn trữ (hydro dễ rò rỉ, nếu gặp tia lửa điện trong không khí sẽ phát nổ). Trường hợp sử dụng GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 46 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” cồn làm nhiên liệu sẽ có những ưu điểm, như nhiệt độ làm việc thấp, an toàn trong tồn trữ và vận chuyển, thời gian pin hoạt động bền lâu. Do đó, TS N guyễn Mạnh Tuấn đã hướng đến nhiều hơn việc nghiên cứu pin nhiên liệu sử dụng cồn Methanol làm nhiên liệu. Hình 4.5: Pin nhiên liệu do Phân viện Vật lý tại TP.HCM chế tạo Trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học ở Phân viện Vật lý tại TP.HCM đã nghiên cứu, chế tạo các điện cực dung màng thNm thấu carbon cho phép có độ dẫn điện cao và cho chất khí đi ngang qua. Đồng thời, các nhà khoa học cũng chế tạo chất điện phân dùng giấy màng lọc thủy tinh có lỗ thấm siêu nhỏ thay cho chất Polymer nafion (PEM) của hãng DuPont. Quá trình nghiên cứu đã cho ra loại pin nhiên liệu có hiệu suất chuyển hóa điện năng 50% với 250ml cồn có thể cấp 600W/ giờ điện. TS N guyễn Mạnh Tuấn tiết lộ, hiện đã có một số doanh nghiệp liên hệ để hợp tác sản xuất pin nhiên liệu. Tuy nhiên, vẫn còn những vướng mắc về kỹ GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 47 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” thuật trước khi đưa vào sản xuất pin nhiên liệu và vẫn còn phải tiếp tục nghiên cứu thêm. Trong khi đó, mới đây, vào đầu tháng 6/2005, TS N guyễn Chánh Khê tại Trung tâm N ghiên cứu và Phát triển (TT R&D) – Khu công nghệ cao TP.HCM (tên giao dịch: SHTP) cũng đã công bố nghiên cứu thành công pin nhiên liệu. Loại pin mà SHTP nghiên cứu cũng sử dụng cồn làm nhiên liệu hoạt động cho pin. Tuy nhiên, TS N guyễn Chánh Khê cho biết, thành quả quan trọng trong nghiên cứu của mình là chế tạo được màng chuyển hóa proton (Proton Exchange Membrane), vốn là cái lõi chính của công nghệ đã và đang được nghiên cứu từ vật liệu nano trong nước. Màng chuyển hóa proton (H+) hay còn gọi là màng điện hóa, sử dụng chất dẫn dụ của Teflon vốn là chất chống bám dính, có mang một số gốc dẫn proton. Dung dịch nước với rượu methanol khi đi qua màng sẽ tách thành prton H+ và cung cấp điện tử cho mạch ngoài tạo thành năng lượng. Hình 4.6: Pin nhiên liệu bằng công nghệ nano Việt N am do SHTP chế tạo Hiện nay, pin nhiên liệu do khu công nghệ cao TP.HCM chế tạo hoạt động trong một tuần lễ. Sau đó chỉ cần nhỏ thêm một vài giọt dung dịch gồm nước và GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 48 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” cồn, một cục pin nhiên liệu có thể sử dụng cho đến khi màng chuyển hóa bị hư. Tuy nhiên, đây là dạng màng có thể tái sử dụng và TT R&D của SHTP sẽ sản xuất đại trà trong tương lai. Không dừng lại ở hiệu suất chuyển hóa điện năng của loại pin này gần 80%, Trng tâm R&D đang tiến hành một nghiên cứu mới để tận dụng hết mọi khả năng chuyển hóa điện năng của pin nhiên liệu. “ Chúng tôi đang nghiên cứu một chất xúc tác mới, có khả năng dẫn đến hiệu suất chuyển hóa điện năng 100% dựa vào khả năng phản ứng liên hoàn” TS N guyễn Chánh Khê tiết lộ. Tùy theo vật liệu bên trong, ứng dụng của loại pin này vô cùng rộng rãi. Ở quy mô nhỏ, pin nhiên liệu được dùng cho các máy tính xách tay, điện thoại di động hay máy chụp hình kỹ thuật số. Ở quy mô lớn, pin nhiên liệu sẽ thay thế xăng dầu để chạy xe gắn máy. Trong tương lai, chúng ta có thể sử dụng các nguyên tắc pin nhiên liệu khác nhau cung cấp điện năng cho xe hơi hay trong các nhà máy phát điện. N hưng khi đến lúc đó, dung dịch không còn là nước pha với rượu, mà là một loại oxit rắn. TS N guyễnChánh Khê cho biết, trong năm 2005, nhóm nghiên cứu của ông nhất định lấy cho được bản quyền phát minh tại Hiệp hội phát minh Hoa Kỳ, để tiến hành sản xuất. N hà máy sản xuất của SHTP đang được xây dựng tại quận 9 với tổng số tiền đầu tư cho trang thiết bị là trên 11 triệu USD. Vì vậy việc sản xuất pin nhiên liệu cũng trở nên dễ dàng hơn. Tuy rằng chưa thể ước tính được giá thành, nhưng ông chắc chắn rằng nó sẽ rẻ hơn rất nhiều so với các loại pin thương mại hiện đang có trên thị trường và rẻ hơn sử dụng xăng. Tuy nhiên những nghiên cứu và ứng dụng trên của Việt N am chỉ là những thành công bước đầu, còn nhiều vấn đề kỹ thuật cần phải giải quyết, nhưng đây cũng là tín hiệu đáng mừng cho việc giải quyết vấn đề năng lượng cũng như ô nhiễm môi trường ở Việt N am. 4.2. Những nghiên cứu trên thế giới Trong những năm gần đây, nhiều nước trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu và phát triển pin nhiên liệu và đã đạt được những tiến bộ đáng kể về chất điện phân rắn GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 49 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” polymer. Các chuyên gia trong lĩnh vực pin nhiên liệu đã tin tưởng rằng, trong những năm sắp tới đây sẽ sản xuất được pin nhiên liệu quy mô thương mại dùng cho ô tô chạy pin nhiên liệu và trạm phát điện phục vụ sinh hoạt và thương mại. N gười tiêu dùng ngày càng đánh giá cao vai trò tích cực của pin nhiên liệu dùng cho ô tô thiết bị truyền và thu hình. Cản trở lớn nhất để đưa pin nhiên liệu vào sử dụng với quy mô lớn chính là giá thành chế tạo. Tình hình phát triển pin nhiên liệu và giá thành sản xuất Loại pin nhiên liệu Giai đoạn phát triển Giá thành chế tạo hiện nay USD/kW PN L sử dụng trực tiếp kim N ghiên cứu cơ bản >10.000 loại PN L cacbonat nóng chảy N ghiên cứu thực nghiệm >10.000 PN L oxyt, rắn N ghiên cứu thực nghiệm >10.000 PN L trên cơ sở chất điện Hệ thử nghiệm phân polymer rắn nghiệp PN L axit photpho Thương mại hóa công Khoảng 10.000 N hỏ hơn hoặc bằng 10.000 Tuy nhiên, trên thực tế để sử dụng ở quy mô thương mại, giá thành chế tạo thiết bị điện tĩnh tại chạy pin nhiên liệu phải giảm xuống mức dưới 1.500 USD/kW, pin nhiên liệu chạy ô tô phải ở mức dưới 100 USD/kW. Cho đến nay, mới có các hệ thống cấp diện tĩnh tại sử dụng pin nhiên liệu axit photpho công suất 50, 100 và 200kW tùy theo các ứng dụng cụ thể. Tình hình nghiên cứu chế tạo pin nhiên liệu ở châu Á Ở N hật bản, trong những năm gần đây, các hãng công nghiệp của N hật Bản đã chi cho nghiên cứu chế tạo pin nhiên liệu trên 200 tỷ Yên (tương đương 1,54 tỷ USD).các công trình R&d của N hật Bản chủ yếu tập trung vào pin nhiên liệu axit photpho cacbonat nóng chảy, pin nhiên liệu oxyt rắn và pin nhiên liệu trên cơ sở chất điện phân GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 50 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” polymer rắn. N hưng trên thực tế chỉ mới sử dụng loại pin nhiên liệu axit photpho cho thiết bị cấp điện tĩnh tại. N ăm 1999, Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp (METI) N hật Bản đã cho thành lập “N hóm Tư vấn về Chiến lược phát triển pin nhiên liệu”. Với nhiệm vụ là tăng cường nổ lực phát triển pin nhiên liệu trên cơ sở chất điện phân polymer rắn và xây dựng kết cấu hạ tầng hydro. N hóm Tư vấn đã xác định mục tiêu cụ thể: đến 2010 chế tạo 50.000 ô tô chạy pin nhiên liệu, năm 2020 5 triệu, đưa vào khai thác thiết bị phát điện từ pin nhiên liệu tới năm 2010 với tổng công suất 2100MW, năm 2020 là 10.000MW. Tham gia Hiệp hội Thương mại hóa pin nhiên liệu ở N hật Bản có 134 hãng công nghiệp và tổ chức nghiên cứu. Một số hãng ô tô lớn của N hật như Toyota, Hoda, N issan, Mazda, Daihastu Kogyo đã nghiên cứu và chế tạo được ô tô chạy bằng pin nhiên liệu. dự tính, đến năm 2010, số lượng ô tô chạy pin nhiên liệu ở N hật sẽ đạt 50.000 chiếc, năm 2020 lên đến 5 triệu chiếc, số trạm cấp nhiên liệu hydro năm 2020 là 4000 trạm. Ở Hàn Quốc, công tác nghiên cứu và phát triển pin nhiên liệu còn đang ở giai đoạn bắt đầu. Tuy vậy, nước này cũng đã có các hệ thống pin nhiên liệu ở dạng thành phNm công suất 50 và 200W. Triển vọng phát triển pin nhiên liệu ở Hàn Quốc có nhiều hứa hẹn, song để đạt đến mức độ tin cậy và kinh tế còn phải nỗ lực rất nhiều. Do đó, Bộ KH&CN , Bộ Thương mại, Công nghiệp và N ăng lượng của Hàn Quốc xây dựng nhiều chương trình nghiên cứu và phát triển cấp nhà nước, giao cho các Viện nghiên cứu chuyên ngành, các trường đại học và các hãng công nghiệp thực hiện. Trong tương lai gần, hoạt động nghiên cứu và phát triển pin nhiên liệu ở Hàn Quốc tập trung vào chế tạo pin nhiên liệu trên cơ sở chất điện phân polyme rắn và cacbon nóng chảy công suất từ 2-3 kW đến 200kW. Hoạt động nghiên cứu pin nhiên liệu ở Trung Quốc đã có từ trên 50 năm nay, khởi đầu ở Viện Vật lý hóa học và Viện Hàn lâm khoa học Trung Quốc. Trong giai đoạn 1960-1970, các tổ chức nghiên cứu này đã nghiên cứu phát triển pin nhiên liệu kiềm. Tiếp đó là nghiên cứu pin nhiên liệu trên cơ sở chất điện phân polymer rắn, GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 51 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” cacbon nóng chảy và oxyt rắn. N ăm 1996, Trung Quốc đã chế tạo được pin nhiên liệu trên cơ sở chất điện phân polyme rắn, công suất 5kW; năm 2001 nghiên cứu thành công thiết bị pin nhiên liệu nóng chảy, công suất 1kW, thiết bị pin nhiên liệu oxyt rắn công suất 200kW và 800kW. Các nước Liên minh Châu Âu cũng đang chạy đua nghiên cứu chế tạo pin nhiên liệu. Ở Mỹ, năm 2003 Tổng thống G. Bush đã công bố một chương trình gọi là “Sáng kiến nhiên liệu hydro” với quyết định dành 1,2 tỷ USD cho nghiên cứu và phát triển nhằm mục tiêu đến năm 2020 ô tô chạy bằng pin nhiên liệu phải triển khai thương mại hóa thành công vào thực tế. Trước đây chi phí chế tạo điện cực bạch kim rất cao đã ngăn cản việc sử dụng rộng rãi pin nhiên liệu polime điện phân. Tuy nhiên khi loại bạch kim trong phản ứng xúc tác tạo điều kiện đưa hệ thống pin nhiên liệu hydro vào thương mại. Theo thông tin từ các nhà khoa học Los Alamos, các nhà nghiên cứu Gang Wu, Christina Johnston và Piotr Zelenay, kết hợp với nhà nghiên cứu Karren More của phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, mô tả chất xúc tác mới phi kim loại hiếm gần đạt được hiệu suất của hệ thống nền tảng bạch kim cùng với chi phí hợp lý cho việc ứng dụng vào làm pin nhiên liệu năng lượng cao và cũng có thể được áp dụng cho việc cung cấp năng lượng xe hơi. Phương pháp của nhóm các nhà nghiên cứu sử dụng polyaniline (Pani) như một chất dự báo cho nguyên mẫu Carbon – N ito tổng hợp nhiệt độ cao của hợp chất xúc tác PAN I-M-C (M: Sắt và Co) xúc tác cho cực âm phản ứng oxy hóa khử (ORR) tại điện thế xấp xỉ 60mV kết hợp với sự hoạt động cường độ cao với tính ổn định về hiệu suất đáng kể cho các chất xúc tác phi kim loại hiếm (700 giờ với điện thế pin nhiên liệu ở mức 0,4V). Pin nhiên liệu sử dụng chất xúc tác carbonsắt-cobalt cũng rất hữu hiệu trong việc hoàn thiện quá trình chuyển đổi hydro, oxy thành nước, thay vì sinh ra một lượng lớn dung dịch hydro peroxit (chất tNy nhuộm tóc) không mong muốn (hiệu suất sinh hydro peroxit < 1%). Việc chuyển hóa không hiệu quả nhiên liệu, quá trình sản sinh ra hydro peroxit có thể làm giảm sức mạnh của pin tới 50% và cũng góp phần lớn vào việc phá hủy màng pin. Điểm khích lệ là việc GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 52 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” khám phá ra một hợp chất xúc tác với tính mềm dẻo tốt và vòng đời lâu có liên quan đến các chất xúc tác nền tảng bạch kim. Với cùng các mục đích và dự định, đây là một chất xúc tác có chi phí sản xuất gần như bằng 0 so với bạch kim, vì vậy nó đáp ứng được trực tiếp về rào cản đối với pin năng lượng hydro. Bước tiếp theo của nhóm nghiên cứu sẽ là hiểu rõ hơn về kỹ thuật cơ bản của chất xúc tác carbon-sắt-cobalt. Các bức ảnh micro về các phần của chất xúc tác của các nhà nghiên cứu More đã cung cấp một số hiểu biết thêm về các tính năng của chất này, nhưng còn nhiều việc phải hoàn thành để chứng minh các lý thuyết của nhóm nghiên cứu. Một sự thấu hiểu rõ ràng sẽ dẫn đến sự phát triển, cải tiến chất xúc tác phi kim loại quý này, hơn nữa sẽ tăng mức độ hiệu quả và vòng đời của dạng pin này. Dự án tài trợ cho nghiên cứu của Los Alamos tới từ văn phòng N ăng lượng tái sinh và hiệu quả (EERE) của cục năng lượng Mỹ (DOE), cũng như từ Chương trình N ghiên cứu và phát triển thí nghiệm trực tiếp của Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos. GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 53 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” PHẦN III: KẾT LUẬN Công nghệ pin nhiên liệu đang tập trung nghiên cứu và phát triển để dần dần thay thế các nguồn năng lượng khác nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường. Hiện nay, hai loại pin nhiên liệu đang được chú ý nhiều là pin PEMFC và SOFC. Chúng đã được thương mại hóa, tuổi thọ có thể đến 40000 giờ. Hy vọng trong tương lai không xa chúng ta cũng sẽ nghiên cứu và chế tạo thành công những pin nhiên liệu tương tự để đáp ứng nhu cầu năng lượng sạch cấp thiết hiện nay. Qua đề tài này em muốn mọi người có nhìn nhận rõ hơn về tầm quan trọng và ứng dụng của pin nhiên liệu. Biết được cấu tạo, nguyên lý chế tạo và hoạt động của pin nhiên liệu nói chung, những hướng phát triển pin nhiên liệu trong nước cũng như các nước trên thế giới. Từ đó có thể tập trung kiến thức, năng lực, cơ sở vật chất nghiên cứu về loại năng lượng này để phục vụ cho nhu cầu trong tương lai và theo kịp hướng phát triển của thế giới. GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 54 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai” Tài liệu tham khảo 1.Hương Cát(13/6/2005), “Pin nhiên liệu: N hững nghiên cứu đầu tiên ở VN ”, [Internet] [trích dẫn ngày 3/5/2009] Lấy từ: URL: http://vietbao.vn/Khoahoc/ Pin-nhien-lieu-N hung-nghien-cuu-dau-tien-o-VN /20452101/189/ 2.Trần Công Bá, “Fuel Cell”, [Internet] [trích dẫn ngày 6/5/2009] Lấy từ: URL: http://thatsonchaudoc.com/banviet2/TranCongBa/GopN hat/Fuelcell2.htm 3.http://vi.wikipedia.org/wiki/Tế_bào_nhiên_liệu 4.Mai Thanh Truyết(08/03/2007), “N ăng Lượng Hydrogen”, [Internet] [trích dẫn ngày 6/5/2009] Lấy từ: URL: http://www.khoahoc.net/baivo/maithanhtruyet/080307nangluonghydrogen.htm 5.Vũ Trung(1999), “Pin nhiên liệu”, Công nghiệp hóa chất, (3/1999), [Internet] [trích dẫn ngày 6/5/2009] Lấy từ: URL: http://www.vinachem.com.vn/XBPViewContent.asp?DetailXBPID=1212&Cat eXBPDetailID=94&CateXBPID=1&Year=1999 6.http://www2.vietbao.vn/images/viet4/khoa-hoc/40220499-217005sm.jpgPin nhiên liệu hydro GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 55 SVTH: Thị Mỹ Xung [...]... pin nhiên liệu khác nhau, ví dụ như: AFC – pin nhiên liệu kiềm, PEMFC – pin nhiên liệu màng trao đổi proton, PAFC – pin nhiên liệu axit phosphoric, MCFC – pin nhiên liệu muối carbonat nóng chảy, SOFC – pin nhiên liệu oxit rắn…Mỗi dạng pin nhiên liệu có chế độ vận hành và những ứng dụng khác nhau sẽ được lần lượt giới thiệu dưới đây 2.6.1 AFC (Alkaline Fuel Cell) – pin nhiên liệu alkali (kiềm) Pin nhiên. .. 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 trong viễn cảnh tương lai GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 17 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai Chương 2: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU 2.1 Khái niệm pin nhiên liệu Pin nhiên liệu là một hệ thống dùng để biến đổi trực tiếp hóa... cacbonat, oxit rắn… bản chất thực sự của nó tương tự như pin điện hóa GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 20 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai 2.3 Cấu tạo chung của pin nhiên liệu Hình 2.1: Cấu tạo chung của pin nhiên liệu Một hệ thống pin nhiên liệu gồm có hai điện cực là anode (nơi xảy ra quá trình oxy hóa) và cathode (nơi xảy ra quá trình khử)... cứu và dùng pin nhiên liệu như một nguồn năng lượng hữu ích, nhằm thay thế những loại năng lượng có chi phí rất cao và khả năng gây ô nhiễm GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 19 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai môi trường khá lớn kia DMFC cũng đã xuất hiện và phát triển trong khoảng thời gian này - Đầu những năm 1990, pin nhiên liệu đã tiến thêm... chế tạo và hoạt động của pin nhiên liệu 2.4.1 Nguyên lý chế tạo Để biến hydrogen thành điện năng sẽ phải thông qua một thiết bị gọi là pin nhiên liệu (Fuel Cell) Pin nhiên liệu là một thiết bị điện hóa mà trong đó biến đổi hóa năng thành điện năng nhờ quá trình oxy hóa nhiên liệu, mà nhiện liệu thường dùng ở đây là khí H 2 và khí O 2 hoặc không khí Quá trình biến đổi năng lượng trong pin nhiên liệu là... được kể như: hệ thống xử lý độ Nm, nhiệt độ, áp suất và cả nước thải khi qua nhiên liệu Một số yếu tố cần quan tâm khi thiết kế một hệ thống pin nhiên liệu là loại pin nhiên liệu, loại nhiên liệu, điều kiện làm việc và lĩnh vực sử dụng 2.6 Phân loại pin nhiên liệu Pin nhiên liệu cũng có một số kiểu khác nhau, chủ yếu ở chất điện phân mà chúng sử dụng Trong khi có chất chỉ cho phép proton (H+) đi qua thì... Luận văn tốt nghiệp Đề tài: Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai khối lượng là 120,7 GJ/T, và nhiệt phát ra của một gram dung dịch hydro cháy có giá trị 142.000 Jun, tương ứng với 24 lần giá trị phát nhiệt của xăng Đó là một trong các nguyên nhân tại sao hydrogen lỏng được sử dụng làm nhiên liệu cho các tên lửa và năng lượng cho tàu vũ trụ Hydrogen đốt trong ôxy tinh khiết, các sản... oxit rắn… Không giống như pin hoặc ắc quy, pin nhiên liệu không bị mất điện và cũng không có khả năng tích điện Pin nhiên liệu hoạt động liên tục khi nhiên liệu (hydrogen) và chất oxy được đưa từ ngoài vào 2.4.2 Nguyên lý hoạt động Tuy có nhiều loại pin nhiên liệu khác nhau nhưng nhìn chung nguyên lý hoạt động của chúng đều có chung những nét tương đồng như: N guyên liệu đi vào ở cực anode, nơi đây... (điện) Pin nhiên liệu alkali đã được N ASA chọn sử dụng trong các chương trình không gian như đội tàu Con Thoi và các phi thuyền Apollo, chủ yếu bởi vì năng GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 24 SVTH: Thị Mỹ Xung Luận văn tốt nghiệp Đề tài: Pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai lượng sinh ra đạt hiệu suất 70% Điều thú vị là, không chỉ cung cấp năng lượng dưới dạng điện năng, pin nhiên liệu alkali... dạng pin nhiên liệu này thường ứng dụng giới hạn trong các hệ thống tĩnh khá lớn và nhiệt thừa có thể được tái tận dụng để tạo thêm nguồn điện bổ sung Một số pin nhiên liệu đang được nghiên cứu hiện nay: - DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) – pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp - RFC (Regenerative Fuel Cell) – pin nhiên liệu tái sinh - ZAFC (Zinc- Air Fuel Cell) – pin nhiên liệu kẽm/không khí 2.7 Ưu và