đề tài tìm hiểu về nhiên liệu hydro

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

Mở bài:

Như đã biết, thế giới chúng ta đang bị phụ thuộc nặng nề vào một nền kinh tế nhiên liệu hóa thạch Nhiên liệu của đa số các phương tiện giao thông hiện tại: xe hơi, xe lửa, máy bay… là xăng dầu

Nếu không có nhiên liệu hóa thạch, nền kinh tế cùng với các phương tiện giao thông liên lạc, vận tải, sẽ rơi vào khủng hoảng, ngưng trệ Gần như toàn bộ nền kinh tế, chính xác hơn là toàn bộ xã hội hiện đại đã phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch

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

đề môi trường như tràn dầu, nguy hiểm và nóng bỏng hơn cả là vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu cùng với sự nóng lên của trái đất

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

Lịch sữ

Trong thời kỳ từ thập niên sáu mươi của thế kỷ XVIII, có một phát minh mà sự thành công của nó đã giúp cho con người thoát khỏi sự hạn chế về kỹ thuật phục vụ cuộc sống Đó là phát minh của nhà bác học James Watt, ông tổ của máy hơi nước.

James Watt thường được mọi nguời gọi là nhà phát minh ra máy hơi nước Ông là một trong những nhân vật then chốt của cuộc cách mạng công nghiệp Thật ra, Watt không phải là người

chế tạo ra máy hơi nước đầu tiên Năm 1698, Thomas Savory đã được trao bằng sáng chế máy

bơm nước chạy bằng hơi nước Năm 1712, Thomas Newcomen cũng đã được trao bằng sáng chế cải tiến máy hơi nước Năm 1761, khi tiến hành sửa chữa một máy hơi nước kiểu

Newcomen, Jame Watt đã cải tạo máy hơi nước kiểu này và tạo ra một ý nghĩa cực kỳ quan trọng đến nỗi mọi người phải công nhận ông là người đầu tiên phát minh ra máy hơi nước Nguồn năng lượng vô tận

Hydro là một loại khí có nhiệt cháy cao nhất trong tất cả các loại nhiên liệu trong thiên nhiên,Đặc điểm quan trọng của hydro là trong phân tử không chứa bất cứ nguyên tố hóa học nào khác, như cacbon (C), lưu huỳnh (S), nitơ (N) nên sản phẩm cháy của chúng chỉ là nước (H2O), được gọi là nhiên liệu sạch lý tưởng.

Động cơ đốt trong:

Giống như động cơ đốt trong truyền thống như xăng, dầu….

Pin nhiên liệu

Trong khi thế kỉ 19 được mệnh danh là thế kỉ của động cơ hơi nước và thế kỉ 20 là thế kỉ của động cơ đốt trong thì ta có thể nói, thế kỉ 21 sẽ là kỉ nguyên của pin nhiên liệu Pin nhiên liệu có thể sử dụng hydrogen làm nhiên liệu, mang đến triển vọng cung cấp cho thế giới một nguồn điện

Tương tự như ắc quy, pin nhiên liệu là một thiết bị tạo ra điện năng thông qua cơ chế phản ứng điện hóa Điểm khác biệt nằm ở chỗ, pin nhiên liệu có thể tạo ra dòng điện liên tục khi có một nguồn nhiên liệu cung cấp cho nó, trong khi đó, ắc quy cần phải được nạp điện lại (sạc) sau một thời gian sử dụng Vì thế mà pin nhiên liệu không chứa năng lượng bên trong, nó chuyển hóa trực tiếp nhiên liệu thành điện năng, trong khi ắc quy cần phải được nạp điện lại từ một nguồn bên ngoài

Mỗi pin nhiên liệu gồm có hai điện cực âm (cathode) và dương (anode) Phản ứng sinh ra điện năng xảy ra tại hai điện cực này Giữa hai điện cực còn chứa chất điện phân, vận chuyển các hạt điện tích từ cực này sang cực khác, và chất xúc tác nhằm làm tăng tốc độ phản ứng

Hai nhiên liệu cơ bản là hydrogen và oxygen Lợi thế hấp dẫn của pin nhiên liệu là ở chỗ nó tạo

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

Các phản ứng hóa học tạo ra dòng điện chính là chìa khóa trong cơ chế hoạt động của pin nhiên liệu Có nhiều loại pin nhiên liệu và mỗi kiểu vận hành một cách khác nhau nhưng cùng chung nguyên tắc cơ bản Khi những nguyên tử hydrogen đi vào pin nhiên liệu, phản ứng hóa học xảy

ra ở anode sẽ lấy đi electron của chúng Những nguyên tử hydrogenl úc này bị ion hóa và mang điện tích dương Electron điện tích âm sẽ chạy qua dây dẫn tạo ra dòng điện một chiều

Oxygen đi vào cathode và, trong một số dạng pin nhiên liệu, chúng sẽ kết hợp với các electron từ dòng điện và những ion hydrogen vừa đi qua chất điện phân từ anode; ở một số dạng pin nhiên liệu khác, oxygen lấy electron rồi đi qua chất điện phân đến anode, gặp và kết hợp với các ion hydrogen tại đó

Chất điện phân đóng vai trò quyết định chủ chốt Nó phải chỉ cho phép những ion thích hợp đi qua giữa anode và cathode; vì nếu electron tự do hay các chất khác cũng có thể đi qua chất điện phân này, chúng sẽ làm hỏng các phản ứng hóa học

Dù cùng gặp ở anode hay cathode, kết hợp với nhau, hydrogen và oxygen cuối cùng cũng tạo ra nước, thoát ra khỏi pin Pin nhiên liệu sẽ liên tục phát điện khi vẫn được cung cấp hydrogen và oxygen Dưới đây là sơ đồ mô tả hai phản ứng cơ bản trong pin nhiên liệu mà phản ứng tồng quát của chúng chính là phản ứng nghịch của quá trình điện phân nước:

Phản ứng trên anode: 2 H2 => 4 H+ + 4e- (15.7)

Phản ứng trên cathode: O2 + 4 H+ + 4e- => 2 H2O (15.8)

Tổng quát: 2 H2 + O2 => 2 H2O + năng lượng (điện) (15.9)

Phản ứng hóa học tổng quát cho pin nhiên liệu còn tương tự như phản ứng hóa học mô tả quá trình hydrogen bị đốt cháy với sự hiện diện của oxy, tức cũng là sự kết hợp giữa khí hydrogenvà oxygen tạo nên năng lượng; điểm làm nên sự khác biệt quan trọng giữa hai quá trình đó nằm ở

cơ chế phản ứng - phản ứng cháy tạo ra nhiệt trong khi phản ứng điện hóa của pin nhiên liệu sinh ra điện năng Pin nhiên liệu chuyển đổi trực tiếp hóa năng thành điện năng, quá trình này không liên quan đến sự chuyển hóa nhiệt thành cơ năng nên không phải là đối tượng của định luật nhiệt động lực học giới hạn hiệu suất tối đa của các động cơ nhiệt thông thường (Carnot)

Do đó, hiệu suất pin nhiên liệu có thể vượt được giới hạn Carnot, thậm chí ngay cả khi vận hành

ở nhiệt độ tương đối thấp

pin nhiên liệu còn vận hành êm ả, không gây chấn động hay tiếng động và có thể đạt được hiệu suất cao gấp hai đến ba lần động cơ đốt trong

Các loại pin nhiên liệu

a) 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 ở từ 150 đến 200 độ C Công suất đầu ra khoảng từ 300W đến 5kW Do nhỏ, nhẹ, hiệu suất cao nên phần lớn loại pin nhiên liệu alkali này thường được dùng trong các phương tiện xe cộ, giao thông Phản ứng trên anode: 2 H2 + 4 OH- => 4 H2O + 4e- (15.10)

Phản ứng trên cathode: O2 + 2 H2O + 4e- => 4 OH- (15.11)

Tổng quát: 2 H2 + O2 => 2 H2O + năng lượng (điện) (15.12)

Pin nhiên liệu alkali đã từng được NASA chọn sử dụng trong các chương trình không gian như đội tàu Con Thoi và các phi thuyền Apollo, chủ yếu bởi vì năng lượng sinh ra đạt hiệu suất đến 70% Điều thú vị là, không chỉ cung cấp năng lượng dưới dạng điện năng, pin nhiên liệu alkali còn cung cấp nước uống cho các phi hành gia Nó đòi hỏi nhiên liệu hydrogen tinh khiết và chất xúc tác điện cực bằng Platin (bạch kim) Vì thế mà pin nhiên liệu alkali vẫn còn khá đắt đỏ để thương mại hóa cho các sản phẩm thông thường Tuy nhiên, một số công ty đang tìm cách giảm giá thành và tăng tính 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 (platin) 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

b) MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) - pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy.

MCFC dùng các muối carnonate của Na và Mg ở nhiệt độ cao làm chất điện phân Hiệu suất pin đạt từ 60 đến 80%, vận hành ở nhiệt độ khoảng 6500C Các đơn vị có công suất đầu ra 2 MW được kết hợp với nhau và có thể thiết kế cho công suất đến 100 MW MCFC dùng chất xúc tác điện cực nikel nên không đắt lắm so với xúc tác điện cực bạch kim của AFC Tuy nhiên, nhiệt độ cao cũng có mặt hạn chế về vật liệu và an toàn Bên cạnh đó, ion carbonate từ chất điện phân sẽ

bị sử dụng hết trong phản ứng, đòi hỏi phải tiếp thêm khí carbonic bù vào

Phản ứng trên anode: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e- (15.13)

Phản ứng trên cathode: CO2+ ½ O2 + 2e- => CO32- (15.14)

Tổng quát: H2(k) + ½ O2(k) + CO2 (cathode) => H2O(k) + CO2 (anode)+ điện năng (15.15)

Pin nhiên liệu MC 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) Nhiệt 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 sinh ra thêm điện năng Nhiều nhà máy nhiệt điện chạy bằng gas

đã áp dụng hệ thống này, gọi là cogeneration (phát điện kết hợp) Nhật Bản, Hoa Kỳ đã ứng dụng công nghệ này, xây dựng các nhà máy điện pin nhiên liệu MC từ thập kỉ 90 của thế kỉ trước

c) PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) – pin nhiên liệu axit phosphoric.

PAFC dùng axit phosphoric làm chất điện phân, cơ chế phản ứng như sơ đồ (15.7)-(15.9) Hiệu suất pin có thể đạt từ 40 đến 80%, và nhiệt độ vận hành nằm trong khoảng 150 đến 200 độ C Các pin nhiên liệu PAFC hiện tại có công suất đến 200 kW, và thậm chí 11 MW 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 được 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 Nhật Bản, châu Âu và Hoa Kỳ

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

PEMFC, (còn gọi là “Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell” - pin nhiên liệu màng điện phân polymer) có cơ chế phản ứng như sơ đồ (15.7)-(15.9) Pin nhiên liệu PEM hoạt động với một màng điện phân bằng plastic mỏng Hiệu suất pin từ 40 đến 50%, và vận hành ở nhiệt độ thấp, chỉ chừng 800C Công suất dòng ra khá linh hoạt có thể chỉ là 2 kW cho các ứng dụng nhỏ, di động hay cả trong khoảng từ 50 đến 250 kW cho các ứng dụng tĩnh lớn hơn Vận hành ở nhiệt độ thấp nên PEM thích hợp cho các ứng dụng trong gia đình và xe cộ Tuy nhiên, nhiên liệu cung cấp cho PEM đòi hỏi phải được tinh sạch (không lẫn nhiều tạp chất) và PEM cũng cần xúc tác bạch kim đắt tiền ở cả hai mặt màng điện phân, gia tăng chi phí

PEMFC lần đầu tiên được sử dụng vào thập kỉ 60 của thế kỉ trước trong chương trình không gian Gemini của NASA, đến nay pin nhiên liệu PEM đã được phát triển với những hệ thống công suất thông thường từ 1 W đến 2 kW Người ta 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 Những ưu điểm này cùng với khả năng thay đổi linh hoạt, nhanh chóng công suất đầu ra đã làm cho pin nhiên liệu PEM 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 khôn phải là chất lỏng như những dạng pin nhiên liệu khác, việc nút kín các khí phát ra từ điện cực cũng đơn giản hơn và do đó làm giảm chi phí sản xuất Màng điện phân rắn cũng ít 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

e) SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) – pin nhiên liệu oxit rắn

SOFC sử dụng một hợp chất oxit kim loại rắn (như calcium hay zỉconium) làm chất điện phân Hiệu suất đạt được khoảng 60% và vận hành ở nhiệt độ từ 6000C đến cả 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 Nhiệt độ cao cho phép pin có thể sử dụng được nhiều loại nhiên liệu đầu vào, như khí thiên nhiên, sinh khối hydrocarbon (trích xuất lấy hydrogen trực tiếp mà không cần phải qua chuyển hóa nhiệt) Công suất đầu ra của pin đến 100 kW Vận hành ở nhiệt độ cao như vậy, chất điện phân là vật liệu oxit rắn, mỏng và cho phép ion oxygen (O2-) đi qua

Phản ứng trên anode: 2 H2 + 2 O2- => 2 H2O + 4 e- (15.16)

Phản ứng trên cathode: O2 + 4e- => 2 O2- (15.17)

Tổng quát: 2 H2 + O2 => 2 H2O + năng lượng (điện) (15.18)

Cũng giống như pin nhiên liệu muối carbon 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

5 dạng pin nhiên liệu trên đã được ứng dụng trên thực nghiệm từ lâu Ngoài ra, một số dạng pin nhiên liệu khác hứa hẹn nhiều triển vọng vẫn đang còn trong những bước đầu giai đoạn nghiên cứu cũng sẽ được tiếp tục giới thiệu dưới đây

f) DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) – pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp

Dù công nghệ vẫn mới chỉ chập chững ở những bước ban đầu nhưng đã thể hiện được một số thành công trong những ứng dụng như điện thoại di động và máy tính xách tay (laptop), đem lại triển vọng đầy tiềm năng cho tương lai DMFC tương tự như PEMFC ở chỗ chất điện phân là polymer và điện tích vận chuyển là ion hydrogen (proton) Tuy nhiên, với DMFC, methanol lỏng (CH3OH) bị oxygen hóa trong nước ở anode, sinh ra khí carbonic, ion hydrogen đi qua chất điện phân và phản ứng với oxygen từ không khí và các electron từ dòng điện tạo thành nước ở anode, hoàn thành chu trình

Phản ứng trên anode: CH3OH + H2O => CO2 + 6 H+ + 6e- (15.19)

Phản ứng trên cathode: 3/2 O2 + 6 H+ + 6e- => 3 H2O (15.20)

Tổng quát: CH3OH + 3/2 O2 => CO2 + 2 H2O + năng lượng (điện) (15.21)

Khi mới bắt đầu phát triển từ đầu những năm 90 của thế kỉ trước, DMFC lúc ấy chưa được chú ý nhiều bởi hiệu suất và mật độ năng lượng thấp cũng như một số vấn đề khác Tuy nhiên những cải tiến trong chất xúc tác và những phát triển gần đây đã gia tăng mật độ năng lượng lên gấp 20 lần và hiệu suất cuối cùng đã có thể đạt được đến 40%

DMFC đã được thử nghiệm ở khoảng nhiệt độ từ 500C-1200C Với nhiệt độ vận hành thấp và không đòi hỏi phải qua bước chuyển hóa thành hydrogen mà có thể dung trực tiếp nhiên liệu methanol, DMFC trở thành ứng cử viên sáng giá cho các ứng dụng cỡ từ rất nhỏ đến trung bình như điện thoại di động và các sản phẩm tiêu dùng khác

Một trong những nhược điểm của DMFC đó là nhiệt độ vận hành thấp đòi hỏi chất xúc tác phải hiệu lực hơn, có nghĩa lượng xúc tác bạch kim đắt đỏ cần dùng cũng lớn hơn so với dạng PEMFC thông thường Ngoài ra, methanol còn là một chất độc Vì thế mà một số công ty đã bắt tay vào việc phát triển các pin nhiên liệu sử dụng ethanol trực tiếp (DEFC – direct ethanol fuel cell) Hiệu suất của DEFC hiện nay mới chỉ khoảng một nửa so với DMFC, nhưng dự đoán khoảng cách này sẽ ngày càng được rút ngắn trong tương lai

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

RFC là một hệ thống vận hành thành một chu trình kín và có thể trở thành nền tảng cơ bản cho nền kinh tế hydrogen dựa trên các nguồn năng lượng tái tạo Pin nhiên liệu sinh ra điện năng, nhiệt và nước từ hydrogen và oxygen sẽ được sử dụng khắp nền kinh tế, cung cấp năng lượng cho các nhà máy, xe cộ, phương tiện giao thông vận chuyển và cho các nhu cầu dân dụng của hộ gia đình Hydrogen được sinh ra từ điện phân nước, tách nước thành hai thành phần hydrogen và oxy; quá trình sử dụng năng lượng tái tạo từ các nguồn tự nhiên như gió, mặt trời hay địa nhiệt

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

có một cơ sở hạ tầng để phân phối hydrogen đến các pin nhiên liệu để sử dụng Tuy nhiên hiện tại chúng ta vẫn chưa có được một cơ sở hạ tầng để phân phối hydrogen như vậy

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

sử dụng trên chiếc máy bay tên là Helios có thể bay ở độ cao hơn 30 km Chiếc máy bay trước đây chạy bằng các panel năng lượng mặt trời Mục tiêu của dự án là tích hợp cả hai hệ thống năng lượng mặt trời và pin nhiên liệu tái sinh

Hệ thống pin mặt trời sẽ cung cấp năng lượng cho máy bay suốt ban ngày và sinh ra nguồn hydrogen bổ sung, hydrogen được lưu trữ để cung cấp cho pin nhiên liệu sử dụng vào ban đêm Một hệ thống như vậy dùng hoàn toàn năng lượng sạch và bền vững, có thể giúp chuyến bay kéo dài được trong nhiều ngày

h) ZAFC (Zinc-Air Fuel Cell) – pin nhiên liệu kẽm/không khí

ZAFC vừa có những đặc tính của pin nhiên liệu vừa mang những tính chất của pin ắc quy Chất điện phân trong ZAFC là chất sứ rắn dùng ion hydroxyl (OH-) làm chất mang điện tích Để đạt được hiệu suất điện/nhiên liệu cao vớI các nhiên liệu hydrocarbon và một độ dẫn cao cho chất mang điện tích, ZAFC vận hành ở 7000C Điện cực dương, anode, được làm từ kẽm và được cung cấp hydrogen hay thậm chí cả các hydrocarbon Điện cực âm, cathode, được tách khỏi nguồn không khí cấp vào nhờ một điện cực phân tán khí GDE (gas diffusion electrode), một màng thẩm thấu cho phép oxygen không khí đi qua Ở cực âm, oxygen phản ứng với hydrogen

để tạo nên ion hydroxyl và nước

Phản ứng trên anode: CH4 + H2O => CO2 + 6 H+ + 6e- (15.22)

Zn + OH- => ZnO + H + e- (15.23) Phản ứng trên cathode: O2 + 2 H+ + 2e- => 2

OH- (15.24) O2 + 4 H+ + 4e- => 2 H2O (15.25) _ _

Tổng quát: CH4 + 2 O2 => CO2 + 2 H2O + năng lượng (điện) (15.26)

Nhiệt độ vận hành cao của ZAFC làm cho nó có khả năng chuyển hóa nhiệt hydrocarbon trực tiếp, không cần một thiết bị chuyển hóa bên ngoài để tạo ra hydrogen Một thuận lợi khác của việc hoạt động ở nhiệt độ cao này đó là nhiệt thừa có thể được tận dụng để tạo ra hơi nước áp

suất cao, hữu ích cho nhiều ứng dụng công nghiệp và thương mại Chất điện phân của ZAFC cũng có một số ưu điểm trội hơn so với các chất điện phân khác Nó không đòi hỏi nước bão hòa như màng polymer của PEMFC và do vậy không bị khô đi hết nên không cần các thiết bị để kiểm tra giám sát độ ẩm ở hai điện cực Hơn nữa, vì là chất rắn, sự rò rỉ chất điện phân cũng không xảy ra như với các chất điện phân lỏng Tuy nhiên, do điện cực dương bằng kẽm sẽ bị hao mòn nên bộ phận này thỉnh thoảng cần được thay thế

Bảng 15.1 So sánh các dạng pin nhiên liệu chính

(Nguồn: Types of fuel cell: http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/fc_types.html)

Dạng pin

nhiên liệu

Chất điện

phân

Polymer hữu

cơ rắn

Dung dịch kiềm

Dung dịch axit phosphoric

Muối carbonate nóng chảy của

Li, Na và K

Oxit zirconium rắn

Nhiệt độ

vận hành

60-1000C 90-1000C 175-2000C 600-10000C 600-10000C

Lĩnh vực

ứng dụng

-Thiết bị điện

cầm tay (di

động, nhỏ)

-Giao thông

vận tải (xe cộ)

-Quân sự -Không gian

-Thiết bị điện

-Giao thông vận tải

-Trạm phát điện (lớn)

-Trạm phát điện (lớn)

Ưu điểm

-Chất điện

phân là rắn

nên giảm

thiểu những

vấn đề ăn

mòn và bảo

trì

- Nhiệt độ vận

hành thấp nên

có thể được

sử dụng rộng

rãi cho các

ứng dụng

- Phản ứng ở cathode nhanh hơn trong chất điện phân kiềm

- Đạt hiệu suất lên đến 85% khi kết hợp phát điện và nhiệt (cogeneration)

- Có thể sử dụng nhiên liệu không tinh khiết (lẫn tạp chất)

-Hiệu suất cao -Có thể dùng được nhiều loại nhiên liệu đầu vào khác nhau (linh hoạt)

-Có thể dùng được các loại xúc tác khác nhau

-Hiệu suất cao -Có thể dùng được nhiều loại nhiên liệu đầu vào khác nhau (linh hoạt)

-Có thể dùng được các loại xúc tác khác nhau

thông thường.

- Khởi động

nhanh

-Chất điện phân là rắn nên giảm thiểu những vấn đề

ăn mòn và bảo trì

Nhược

điểm

-Nhiệt độ thấp

đòi hỏi xúc

tác đắt tiền

-Nhạy cảm

cao với tạp

chất của nhiên

liệu (nếu có)

-Tốn chi phí cho việc khử CO2 khỏi nhiên liệu và dòng không khí

-Đòi hỏi xúc tác

(Platinium)

-Cho dòng điện cường độ thấp

-Nặng, kích cỡ

to lớn

-Nhiệt độ cao làm tăng ăn mòn và có thể làm giòn vỡ cấu trúc của pin

-Nhiệt độ cao làm tăng ăn mòn và có thể làm giòn vỡ cấu trúc của pin

Sản xuất hydro

Sản xuất :

Hydrogen có thể được sản xuất từ nước hay từ nhiên liệu hóa thạch Nhiên liệu hóa thạch bao gồm các phân tử Hydrocarbon có khả năng tái tạo (reforming), oxy hóa, cracking hóa, hóa hơi để tạo thành Hydrogen Than đá là loại nguyên liệu thường được sử dụng để tạo Hydrogen trong những thập niên trước Tuy nhiên nếu than đá hay các loại nhiên liệu hóa thạch được sử dụng thì

sẽ gặp một rắc rối là việc hóa lỏng hay hóa hơi chúng với một áp suất cao Nói chung, quá trình này gây nên ô nhiễm và lại tiêu tốn một loại nhiên liệu không thể tái tạo được

Có nhiều phương pháp để tách Hydrogen từ nước : nhiệt, nhiệt hóa học, quang phân, điện phân

… Giá và tác động đến môi trường của việc sản xuất Hydrogen từ nước phụ thuộc vào nguồn năng lượng cung cấp cho quá trình điện phân Riêng đối với nhiên liệu hóa thách không được sử dụng phương pháp trên vì sẽ tạo thành nhiều carbon dioxit CO2 trong quá trình đồng thời giá thành cũng cao hơn

a) khí tự nhiên

Trước hết, khí thiên nhiên (với thành phần chủ yếu là methane) được tách carbon và chuyển hóa thành hydrogennhờ hơi nước dạng siêu nhiệt dưới áp suất cao, xúc tác thích hợp ở nhiệt độ khoảng 900°C

CH4 + H2O => CO + 3 H2 (15.1)

Carbon mono-oxide sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóa thành khí carbonic và tạo ra thêm khí hydrogen

CO + H2O => CO2 + H2 (15.2)

Đây là phương pháp công nghiệp phổ biến hiện nay để sản xuất hydrogen Tuy nhiên phương pháp này không được áp dụng để tạo một nguồn năng lượng mà chỉ để cung cấp nguyên liệu cho các ngành hóa chất, phân bón, tinh lọc dầu mỏ v.v

b) than đá

- lý oxid hóa than đá với hơi nước ở nhiệt độ và áp xuất cao sản lượng hydrogen có được rất cao, có khả năng cung ứng nhiên liệu cho nhiều hệ thống phân phối trong một vùng rộng lớn

- điểm bất lợi lớn cho phương pháp là lượng khí CO2 thải hồi rất lớn, lớn hơn tất cả phương pháp hiện nay để sản xuất hydrogen Do đó, cần phải có hệ thống thu hồi khí carbonic bằng cách áp dụng kỹ thuật chuyển hóa carbon ( sequestration )

c) dầu khí

Bộ chuyển đổi hydrocacbon thành khí hydro Quá trinh phản ứng:

CnHm + n H2O – n CO = (n+m/2) H2

d) điện phân nước

dùng dòng điện để tách nước thành khí hydrogen và oxygen Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra

ở hai điện cực Hydrogen sinh ra ở điện cực âm và oxygen ở điện cực dương:

Phản ứng trên cathode: 2 H2O + 2e- => H2 + 2 OH- Phản ứng trên anode: 2 OH- => H2O + ½ O2 + 2e-

Tổng quát: 2 H2O + điện năng => 2 H2 + O2 (15.5) Giải thích thêm

e) sinh học