Tổng quan về pin nhiên liệu

Khác với phương pháp truyền thống để sản xuất nhiệt năng hay các dạng năng lượng khác từ hóa năng bằng phương pháp đốt cháy, hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin nhiên liệu không phụ

TỔNG QUAN SỬ DỤNG PIN NHIÊN LIỆU TRÊN ÔTÔ

1 Pin nhiên liệu là gì?

Pin nhiên liệu cho phép chuyển trực tiếp hóa năng của nhiên liệu thành điện năng Khác với phương pháp truyền thống để sản xuất nhiệt năng hay các dạng năng lượng khác từ hóa năng bằng phương pháp đốt cháy, hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin nhiên liệu không phụ thuộc vào chu trình Các-nô

Cách dễ nhất để hiểu pin nhiên liệu là loại pin có anh em với loại ắc-quy thông thường hiện nay Cả hai loại này đều sinh ra điện thông qua các phản ứng điện hóa sinh học Sự khác nhau ở chổ là pin nhiên liệu có khả năng tạo ra nguồn điện liên tục ngay cả khi nó có nguồn nhiên liệu, trong khi các ắc-quy thường cần phải được nạp điện lại và năng lượng được lưu trữ dạng hóa năng tùy theo dung lượng của ắc-quy Do pin nhiên liệu không chứa năng lượng bên trong nên nó không bị yếu điện như ắc-quy thường

Pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu là hyđrô và ôxy để tạo thành điện Hyđrô là nguyên tố nhiều nhất trên trái đất, nhưng hiếm tìm thấy ở dạng tinh khiết Phần lớn các pin nhiên liệu thường sử dụng một thành phần gọi là bộ chuyển đổi để tách hyđrô ra khỏi các nhiên liệu hóa thạch nhiều hyđrô Các sản phẩm phụ của quá trình này là các-bon đi-ôxít chiếm chưa đến một nửa mà các phương pháp tạo nguồn điện truyền thống tạo ra và một lượng nhỏ nữa là ôxít-nitơ Yêu cầu về sự tinh khiết của hyđrô và yêu cầu về sự chuyển đổi phụ thuộc vào loại pin nhiên liệu được sử dụng

Thông qua một quy trình điện hóa học riêng, pin nhiên liệu sẽ sinh ra điện, nước và hơi nóng khi sử dụng nhiên liệu và lấy ôxy trong không khí Nước là thành phần bay hơi duy nhất khi hyđrô là nhiên liệu

2 Lịch sử Pin nhiên liệu:

Pin nhiên liệu được khám phá từ năm 1839 bởi một nhà hóa học người Anh William Grove, nhưng nó chỉ được nghiên cứu và bị quên lãng trong phòng thí nghiệm Mãi đến giữa những năm giữa thập kỷ 1950, một số công ty của Mỹ đã để mắt đến chúng Và khi các chương trình về vũ trụ bắt đầu, nó đã được lôi ra khỏi

phòng thí nghiệm và trở thành một xu hướng của công nghệ hiện đại Trong khoảng

từ năm 1980 đến những năm đầu 1990, có rất nhiều tác giả quan tâm đến vấn đề này: các xi nghiệp, các viện nghiên cứu, các trường đại học và cả các chính phủ Những mẫu mô hình thử nghiệm được thực hiện: ôtô, bộ nạp điện cho ắc-quy, hệ thống cấp nhiệt và điện, nhưng các pin nhiên liệu vẫn còn là một kỹ thuật mới phát triển và loài người phải đợi 10 đến 15 năm sau mới thành hiện thực

3 Nguyên lý làm việc:

Nguyên lý làm việc của pin nhiên liệu thật đơn giản: mỗi tế bào cơ bản của pin được tạo thành bởi hai điện cực (điện cực dương và điện cực âm) được cách nhau bởi một chất điện phân Hyđrô và ôxy được nạp vào pin Ở cực dương, H 2 phản ứng tạo thành hai proton H và hai electron + e Các proton đi qua chất điện − phân, còn các electron thì đi qua mạch điện Chúng kết hợp lại với ôxy ở điện cực

âm và cho ra nước (H2O) (xem

hình 1)

Sát bên cạnh các điện cực

có các tấm lưỡng cực dùng để góp

dòng điện, đưa khí (H2và O2) từ

bên ngoài vào pin và tạo ra các

dòng nước Các tấm lưỡng cực

phải có tính dẫn điện và cho phép

khuyếch tán đồng đều khí đến các

điện cực Đồng thời phải thoát

được nước ra khỏi vùng điện cực

Các chất xúc tác làm bằng kim loại quý như bạch kim Pt, phodium Rh, ruthenium Ru, paladi Pd, crôm Cr hay niken Ni Các kim loại quý này phân bố dạng hạt nhỏ trên những điện cực dương bằng than hoạt tính Ở gần âm cực với những pin làm việc ở nhiệt độ thấp, người ta sử dụng kim loại quý như crôm, niken làm chất xúc tác hay tốt hơn là dùng điện cực than hoạt tính cùng với vàng hay bạc

Chất điện phân thay đổi tùy theo loại pin: KOH cho pin AFC, màng trao đổi

Tải

Ôxy vào Hiđrô vào

Ion dương Hoặc

Sản phẩm thải

Chất điện phân Catốt Anốt

Sản phẩm thải

Hình 1: Nguyên lý làm việc của pin nhiên liệu

chảy cho pin MCFC và ôxít rắn cho pin SOFC Chúng cho phép các ion chuyển từ cực dương sang cực âm Xác định các chất điện phân này phụ thuộc nhiệt độ làm việc của pin

Hiệu suất của một cụm pin nhiên liệu là từ 40% đến trên 70%, cao hơn nhiều so với hiệu suất của một động cơ đốt trong từ 30% đến 40% Một tế bào pin nhiên liệu tạo ra một điện thế khoảng từ 0,6V đến 0,8V Trong thực tế, nhiều tế bào

cơ bản này được ghép lại, cái này nối cái kia thành một dãy nối tiếp hay song song, tạo thành một cụm (stack) để đạt được một điện thế và công suất mong muốn Công suất của một cụm phụ thuộc vào số lượng các tế bào cơ bản và diện tích của chúng,

có thể từ vài kW cho đến vài trăm kW, khi làm bé lại chúng ta có thể làm ra loại pin

có công suất vài Watt Pin nhiên liệu đạt được hiệu suất cao ở tải thấp trong khi động cơ đốt trong đạt được hiệu suất cao ở tải lớn

Những kết cấu vừa mô tả trên thực tế chưa đủ tạo ra một hệ thống của pin Một hệ thống pin đầy đủ phải có thêm máy nén, bơm, bộ tạo biến đổi điện thành xoay chiều, bộ trao đổi nhiệt, hệ thống kiểm tra và điều khiển để đảm bảo sự làm việc tin cậy Ngoài ra, phải có bình chứa nhiên liệu và chuẩn bị nhiên liệu

4 Sự lựa chọn pin nhiên liệu:

Hiện nay có rất nhiều loại pin nhiên liệu đang được nghiên cứu và phát triển

Có thể phân loại các pin nhiên liệu theo loại nhiên liệu mà nó sử dụng dùng trực tiếp hay thông qua bộ chuyển đổi nhiên liệu, theo chất chất điện phân, theo nhiệt độ hoạt động, … Nhiệt độ và thời gian tuổi thọ của các loại pin phụ thuộc vào tính chất hóa học và tính chịu nhiệt của các vật liệu chế tạo pin Giới hạn hoạt động của các loại có chất điện phân lỏng là dưới 200oC bởi vì áp suất khi hóa hơi rất cao và sự giảm khả năng làm việc Nhiệt độ hoạt động đóng một vai trò quan trọng trong việc lựa chọn loại nhiên liệu sử dụng của từng loại pin Pin nhiên liệu hoạt động ở nhiệt

độ thấp với chất điện phân lỏng sử dụng nhiên liệu là hyđrô Với loại pin hoạt động

ở nhiệt độ cao, CO và CH4 có thể được sử dụng vì tính hoạt động mạnh và ít cần đến các chất xúc tác Tuy nhiên, các chất khí này đều được chuyển thành hyđrô để

sử dụng

▪ Pin PEMFC (Polymer Exchange Membran Fuel Cell): Tế bào nhiên liệu có màng trao đổi proton bằng chất dẻo Chất lỏng duy nhất của loại pin này là nước, do vậy giảm thiểu được các rắc rối Việc quản lý nước trong màng

có ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của nó; nước tạo ra phải đảm bảo điều kiện là không để cho nó bị hóa hơi hết nếu không màng sẽ bị hyđrát hóa Do màng là chất dẻo và để đảm bảo sự cân băng nước cho nên nhiệt

độ hoạt động của nó không quá 120oC Nhiên liệu sử dụng là Hyđrô sạch

ít chứa tạp chất Do nhiệt độ hoạt động thấp nên loại này cần sử dụng nhiều chất xúc tác Pt cần thiết cho phản ứng xảy ra ở các cực anốt và catốt Một loại đặc biệt của PEMFC là tế bào nhiên liệu dùng khí methanol trực tiếp (Direct Methanol-Air Fuel Cell - DMFC), việc sử dụng methanol này, kết hợp với nước, một cách trực tiếp như là nhiên liệu và lấy oxy từ không khí xung quanh Điều này có thể làm giảm giá thành, nhiều thuận lợi hơn về mặt công nghệ bởi vì nó sử dụng nhiên liệu lỏng không cần thiết cần một bộ chuyển đổi tích hợp thêm vào

▪ Pin AFC (Alkaline Fuel Cell): Tế bào nhiên liệu kiềm, chất điện phân sử dụng là KOH (85%) với nhiệt độ hoạt động là gần 250oC và là KOH (35%) với nhiệt độ hoạt động <120oC CO và CO2 tạo ra kết hợp với KOH tạo thành K2CO3 làm biến đổi chất điện phân

▪ Pin PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell): Chất điện phân của pin là axít-phốtphoríc 100% và nhiệt độ hoạt động từ 150oC đến 220oC Khi hoạt động ở nhiệt độ thấp, axít-phốtphoríc chứa ít ion và làm giảm sự tạo thành

CO Việc sử dụng axít-phốtphoríc 100% làm giảm áp suất hóa hơi nước

do vậy việc quản lý nước trong loại pin này không khó khăn Hai điện cực của pin có chứa Pt

▪ Pin MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell): Tế bào nhiên liệu cácbonnát nung chảy, là loại pin mà chất điện phân là một cácbonnát nung kết ở nhiệt độ cao có chứa thành phần gốm LiAlO2 và làm việc ở nhiệt độ từ

600oC đến 700oC Ở nhiệt độ hoạt động, chất điện phân được nung chảy

và tạo ra nhiều ion Hai điện cực là Ni (anốt) và ôxít-niken (catốt), không

sử dụng chất xúc tác quý

▪ Pin SOFC (Solid Oxid Fuel Cell): Tế bào nhiên liệu oxid rắn Loại pin này

có ứng dụng rộng rãi: các ứng dụng trạm tĩnh tại, trong gia đình, trạm phát điện, máy phát phụ cho ôtô Nó có hiệu suất rất cao, ít nhạy cảm với nhiên liệu sử dụng và không dùng kim loại quý làm chất xúc tác

Pin nhiên liệu có màng trao đổi proton (PEMFC) là thích hợp cho động cơ ôtô nhất bởi vì nó có khả năng cung cấp năng lượng tương đối cao, hoạt động ở nhiệt độ thấp, cho phép điều khiển và có thể khởi động tương đối nhanh Hầu hết tất

cả các pin nhiên liệu sử dụng cho ôtô hiện nay được các hãng sản xuất ôtô hàng đầu

sử dụng là pin PEMFC

Ngoài ra, cũng rất đáng chú ý là pin SOFC, là loại pin hoạt động ở nhiệt độ cao Loại pin này có ứng dụng rộng rãi: các ứng dụng trạm tĩnh tại, trong gia đình, trạm phát điện, trạm phát điện phụ trợ cho ôtô Nó có hiệu suất rất cao, ít nhạy cảm với nhiên liệu sử dụng và không dùng kim loại quý làm chất xúc tác

5 Bộ chuyển đổi nhiên liệu:

Hyđrô được lưu trữ trên xe ôtô là một vấn đề kỹ thuật lớn nhất cần được khắc phục để sử dụng hyđrô trực tiếp Việc chuyển đổi nhiên liệu hyđrô-cácbon sang hyđrô cho phép ta ứng dụng dễ dàng hơn nhưng tăng thêm khối lượng và giá thành, giảm hiệu suất và tạo ra ô nhiễm

Bộ chuyển đổi là một thiết bị hoạt động ở nhiệt độ cao, nó chuyển đổi nhiên liệu hyđrô-cácbon thành CO và H2 Loại pin SOFC có thể sử dụng khi các chất này hòa trộn với nhau một cách trực tiếp, PEMFC phải kết hợp các khí trên với hơi nước để tạo ra H2 và chuyển CO thành CO2 Chất CO2 sau đó thoát ra ngoài không khí Kỹ thuật chuyển đổi này kết hợp chuyển hóa hơi nước, oxy hóa từng phần, và

ổn định nhiệt tự động

5.1 Chuyển hóa hơi nước (SR):

Bộ chuyển hóa hơi nước sử dụng một chất xúc tác để chuyển đổi nhiên liệu và hơi nước thành hyđrô (H2), monoxít (CO) và cácbon-đioxít (CO2) CO lại được tiếp tục với hơi nước để chuyển thành H2 và CO2

Bước làm sạch sau đó loại CO, CO2 và một số tạp chất khác để cho ra H2 hoàn toàn sạch (97 đến 99%) Bộ chuyển hóa hơi nước của methanol là phát triển nhất và là phương pháp rẽ nhất để tạo ra H2 từ nhiên liệu hyđrô-cácbon trên ôtô Hiệu quả chuyển đổi đó bị giới hạn bởi các phải ứng thu nhiệt

5.2 Bộ chuyển đổi ôxy hóa (POX):

Bộ chuyển đổi ôxy hóa từng phần thì tương tự như SR trong việc kết hợp nhiên liệu với hơi nước, nhưng có thêm bước tác dụng với ôxy gây ra phản ứng tỏa nhiệt Tiến trình này có năng suất thấp hơn SR, nhưng sự tỏa nhiệt tự nhiên của phản ứng làm nó đáp ứng nhanh hơn SR khi tải thay đổi, một điều quan trọng nữa của bộ chuyển đổi Hyđrô-cácbon nặng hơn có thể

sử dụng bộ chuyển đổi này, nhưng chúng có tỷ lệ tạo ra H2 ít hơn Bộ chuyển đổi POX không được sử dụng rộng rãi vì hiệu quả thấp của nó và tốn kém hơn

5.3 Bộ chuyển đổi ổn định nhiệt (ATR):

Bộ chuyển đổi ổn định kết hợp cả hai loại SR và POX để lượng nhiệt sinh ra từ POX bù vào lượng nhiệt cần của SR ATR tạo ra H2 tốt hơn POX nhưng thấp hơn SR ATR đáp ứng tốt cho tải thay đổi và đạt được hiệu quả cao Hiệu quả của ATR dựa vào sự truyền nhiệt của bộ chuyển đổi

6 Lựa chọn nhiên liệu:

Một vấn đề cơ bản với nhiên liệu của pin nhiên liệu dụng cho ôtô là việc lưu trữ hyđrô hoặc chuyển đổi nó từ một loại nhiên liệu khác trên ôtô Tất cả bốn nhiên liệu chính đã được các nhà chế tạo ôtô tính đến - hyđrô, methanol, ethanol và xăng - đặt ra một thách thức rất lớn Trong khi hyđrô trực tiếp là cách tiếp cận tốt nhất bởi

vì hiệu quả cao và không ô nhiễm, nó có một vấn đề quan trọng cần cân nhắc là lưu trữ Mặc khác, methanol, ethanol, và xăng thuận lợi hơn là loại nhiên liệu lỏng, nhưng cần thiết phải có bộ chuyển đổi để trở thành nhiên liệu hyđrô

6.1 Sử dụng hyđrô trực tiếp:

Khoảng gần 40 triệu tấn khí hyđrô đã được sản xuất hàng năm trên toàn thế giới, nhưng có một lượng rất nhỏ trong số này được sử dụng để làm

nguồn năng lượng Hầu hết các chất hyđrô được sản xuất ra được sử dụng trong việc lọc dầu, và sản xuất methanol, amôniac

Khí hyđrô không màu, không mùi, vì vậy các trạm cấp hyđrô sẽ cần trang bị thiết bị kiểm tra rò rỉ để thông báo kịp thời Nó bắt cháy ở nhiệt độ thấp và vùng cháy rộng, khí hyđrô là một nguy cơ gây ra cháy nổ khủng kiếp

6.1.1 Nén hyđrô:

Nén hyđrô là phương pháp ít tốn kém nhất để lưu trữ hyđrô Tuy nhiên, ở áp suất hoạt động bình thường là 24MPa (3500psi), khi nén trong các bình chứa sẽ cung câp cho phép tầm hoạt động của ôtô

sử dụng pin nhiên liệu khoảng 190km (120 dặm) Áp suất tối đa của bình chứa là 34MPa (5000psi) hiện nay đang được sử dụng bởi DaimlerChrysler và Hyundai Quatum đang nghiên cứu biện pháp lưu trữ hyđrô đạt hiệu quả cao, với áp suất trong bình chứa tăng đến 69MPa (10000psi), điều đó sẽ cho phép ôtô có thể hoạt động trên khoảng đường liên tục khoảng 645km (400 dặm) với khối lượng của bình chứa không lớn hơn 68kg Tuy nhiên, vấn đề thực tế là kích thước - không giống như ôtô lớn như ôtô buýt - ôtô con chỉ có một khoảng trống nhỏ để chứa các bình áp suất

6.1.2 Hóa lỏng hyđrô:

Hóa lỏng hyđrô để khắc phục vấn đề kích thước lưu trữ và khối lượng trong phương pháp nén hyđrô, nhưng nó vẫn còn cồng kềnh hơn so với việc lưu trữ xăng trên ôtô Điểm sôi của hyđrô thấp yêu cầu bình chứa phải cực kỳ hoàn hảo, tương tự như cách hóa lỏng khí gas thiên nhiên hiện nay Duy trì nhiệt độ cực lạnh (-253oC) trong suốt quá trình cấp nhiên liệu và lưu trữ là một kỹ thuật cực kỳ phức tạp đầy thử thách cho công nghệ hiện nay Trong điều kiện xấu nhất, 25% hyđrô lỏng có thể hóa hơi trong suốt quá trình cấp nhiên liệu và khoảng 1% mất mát mỗi ngày khi lưu trữ Hệ thống sử dụng hyđrô

hóa lỏng đã và đang được phát triển bởi DaimlerChrysler của Mỹ và một số hãng khác trên thế giới

6.1.3 Hấp thụ hyđrô:

Một sự lựa chọn khác trong việc lưu trữ hyđrô là sử dụng vật liệu đặc biệt mà chúng có thể hấp thu hyđrô vào trong cấu trúc tinh thể Hyđrô liên kết với hơn 80 hợp chất kim loại với một lực hút yếu

và chúng lưu giữ hyđrô đến khi được nung nóng Hệ thống này có thể phân loại theo nhiệt độ thấp (<150oC) hoặc cao (300oC) Việc nung nóng là cần thiết để giải phóng hyđrô, hệ thống này đảm bảo an toàn hơn so với khi nén hoặc hóa lỏng hyđrô Tuy nhiên, hợp chất kim loại được dùng để hấp thu hyđrô sẽ rất nặng và chỉ có 1 dến 1,5% hyđrô được lưu trữ trên một đơn vị khối lượng Thiết bị chuyển đổi năng lượng (ECD) sử dụng hợp kim Magie cho phép lưu trữ 7% hyđrô trên một đơn vị khối lượng

6.2 Methanol:

Một vài nhà sản xuất ôtô đang sử dụng methanol để chế tạo pin nhiên liệu Một số tin rằng pin nhiên liêu methanol có thể là thích hợp nhất trong điều kiện cơ sở hạ tầng cung cấp hyđrô chưa được xây dựng rộng khắp Chất methanol độc hại, chúng có thể gây mù hoặc chết nếu hấp thu vào cơ thể Nó

có thể vào cơ thể con người thông qua tương tác với da Như vậy, nhưng nó cũng có một số thuận lợi vì methanol khuyếch tán nhanh chóng vào nước và không khí Cần phải có những khuyến cáo để tránh những tai nạn đáng tiếc

về methanol Pin nhiên liệu dùng methanol 100%

6.3 Ethanol:

Ethanol là nguồn nhiên liệu có thể tái tạo và đã trở thành sự lựa chọn

để thay thế cho xăng Ethanol ít độc hại hơn nhiều so với xăng và methanol

Bộ chuyển đổi nhiên liệu ethanol giống như xăng nhưng ít phức tạp và hiệu suất cao hơn Pin nhiên liệu có thể sử dung E100, E95, E85

6.4 Xăng:

Sử dụng bộ chuyển đổi để chiết ra hyđrô từ xăng rất thuận lợi cho các ôtô sử dụng pin nhiên liệu vì cơ sở hạ tậng cung cấp nhiên liệu hiện nay Tuy nhiên, tạo ra hyđrô từ xăng trên ôtô là rất khó khăn hơn so với methanol Phản ứng chuyển đổi xảy ra ở 850 đến 1000oC, sẽ làm cho các thiết bị chậm khởi động và các phản ứng hóa học không hoàn hảo Kích thước của bộ chuyển đổi rất khó để vừa dưới nắp cabô của ôtô theo kích thước chuẩn

Về cơ bản, công nghệ chuyển đổi nhiên liệu đòi hỏi sự kết hợp phức tạp của toàn bộ các thành phần cụm, nhẹ, có năng suất cao, và có giá thành thấp Chìa khóa là kết hợp các hệ thống khác nhau lại với nhau, một số trong chúng tạo ra nhiệt và một số khác sử dụng nhiệt đó, phải tận dụng tối đa nguồn nhiệt và tăng tính kinh tế về năng lượng Hệ thống chuyển đổi hiện này có khối lượng lớn, điều khiển phức tạp và giá thành cao

7 Các kiểu truyền động:

Từ sự lựa chọn các loại nhiên liệu trên, ta có các cách bố trí hệ thống động lực của xe như sau:

▪ Hệ thống truyền động có pin nhiên liệu sử dụng hyđrô trực tiếp có bộ lưu trữ điện (hình 2):

▪ Hệ thống truyền động có pin nhiên liệu sử dụng hyđrô trực tiếp nhưng không dùng bộ lưu trữ điện (hình 3): Đây là loại “non-hybrid” sử dụng trực tiếp điện năng sinh ra từ pin nhiên liệu để cấp cho động cơ điện mà

Hình 2: Truyền động sử dụng hyđrô trực tiếp có bộ lưu trữ điện

Động cơ điện

Máy phát điện

Pin nhiên liệu

Bình chứa hyđrô

Bộ lưu trữ điện

không dùng bất cứ bộ lưu trữ điện năng nào để làm đệm Do vậy, pin

nhiên liệu sử dụng phải lớn hơn loại có sử dụng bộ lưu trữ điện

▪ Hệ thống truyền động có pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu hyđrô-cácbon và

bộ chuyển đổi hyđrô-cácbon thành hyđrô (hình 4):

8 Các mẫu thí nghiệm của các hãng trên thế giới:

8.1 Hãng DaimlerChrysler:

Hãng DaimlerChrysler đã đưa ra hai mẫu xe thử nghiệm, NECAR 5, chiếc này dựa trên cơ sở chiếc Mercedes A và chiếc Commder 2 SUV dựa

trên chiếc Jeep Cherokee Hai chiếc xe này dùng bộ chuyển đổi hyđrô từ

methanol DaimlerChrysler đưa ra chiếc xe thương phẩm đầu tiên vào năm

2004 Chiếc NECAR 5 sử dụng pin nhiên liệu Ballard Mark 900 và bộ

chuyển đổi nhiên liệu methanol Chiếc Jeep Commander 2 sử dung hai pin

Bộ lưu trữ điện

Hình 4: Truyền động sử dụng nhiên liệu hyđrô-cácbon có bộ lưu trữ điện

Động cơ điện Máy phát điện

Pin nhiên liệu

Bình nhiên liệu

Bộ chuyển đổi

Hình 3: Truyền động sử dụng hyđrô trực tiếp không có bộ lưu trữ điện

Động cơ điện Máy phát điện

Pin nhiên liệu

Bình chứa hyđrô