Pin nhiên liệu - nguồn năng lượng tương lai

Pin nhiên liệu là tế bào điện hóa chuyển đổi năng lượng tiềm tàng từ nhiên liệu thành điện thông qua phản ứng điện hóa của nhiên liệu hydro với chất oxy hóa thường là oxy. Pin nhiên liệu cho phép cung cấp điện liên tục khi nhiên liệu được nạp vào, với hiệu suất chuyển hóa cao và không gây ô nhiễm môi trường. Mặc dù đang được sử dụng thử nghiệm, song pin nhiên liệu có tiềm năng phát triển rất lớn trong tương lai.

PETROVIETNAM TẠP CHÍ DẦU KHÍ Số - 2019, trang 57 - 67 ISSN-0866-854X PIN NHIÊN LIỆU - NGUỒN NĂNG LƯỢNG TƯƠNG LAI Nguyễn Thị Lê Hiền Viện Dầu khí Việt Nam Email: hienntl@vpi.pvn.vn Tóm tắt Pin nhiên liệu tế bào điện hóa chuyển đổi lượng tiềm tàng từ nhiên liệu thành điện thông qua phản ứng điện hóa nhiên liệu hydro với chất oxy hóa thường oxy Pin nhiên liệu cho phép cung cấp điện liên tục nhiên liệu nạp vào, với hiệu suất chuyển hóa cao khơng gây nhiễm mơi trường Mặc dù sử dụng thử nghiệm, song pin nhiên liệu có tiềm phát triển lớn tương lai Từ khóa: Pin nhiên liệu, phản ứng điện hóa hydro oxy, hiệu suất cao, thân thiện môi trường Giới thiệu Bên cạnh nguồn lượng tái tạo phát triển mạnh (như lượng gió, lượng mặt trời), pin nhiên liệu hướng nghiên cứu đầy triển vọng [1 - 4] Khác với nguồn lượng tái tạo, khả tích trữ phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên, pin nhiên liệu cho phép cung cấp lượng ổn định, liên tục theo yêu cầu có khả tàng trữ dạng nhiên liệu Pin nhiên liệu thiết bị điện hóa có khả biến đổi trực tiếp lượng hóa học thành lượng điện nhờ q trình oxy hóa khử, nhiên liệu thường khí hydro khí oxy khơng khí phản ứng điện hóa [4] Đây loại máy phát điện tĩnh, chạy êm, không gây tiếng động, không tạo loại chất thải độc hại gây ô nhiễm mơi trường có hiệu suất cao (có thể đạt hiệu suất 90% sử dụng điện nhiệt) Với ưu vượt trội đó, pin nhiên liệu dự báo trở thành nguồn nhiên liệu đầy triển vọng áp dụng rộng rãi tương lai Nguyên lý hoạt động cấu tạo pin nhiên liệu 2.1 Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu đơn giản [1 - 4], trình ngược phản ứng điện phân nước Pin nhiên liệu hoạt động nguyên tắc tổ hợp oxy hydro để tạo thành nước, cung cấp điện nhiệt mà không thải chất gây ô nhiễm Ngày nhận bài: 5/11/2018 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 6/11 - 29/12/2018 Ngày báo duyệt đăng: 4/7/2019 Khí hydro cấp vào khoang cực âm (anode), xảy q trình oxy hóa theo phản ứng: H2 – 2e → 2H+ (1) Các ion H+ tạo thành khuếch tán qua dung dịch điện ly tới bề mặt cực dương (cathode), nơi xảy phản ứng khử oxy theo phương trình (2) giải phóng nước tinh khiết: O2 + 4e + 4H+ → 2H2O Phản ứng tổng: H2 + 1/2O2 → H2O (2) (3) Tại đầu điện cực anode cathode, xuất sức điện động Tại điều kiện tiêu chuẩn (25oC, [H+] = 1mol, PH2 = PO2 = 1atm), sức điện động chuẩn tế bào nhiên liệu [5]: Eo = ϕoH2O/O2 - ϕoH+/H2 = 1,23 – = 1,23 (V) Khi nối tế bào pin nhiên liệu với mạch ngoài, điện tử chuyển từ anode qua mạch sang cathode, dòng điện chuyển dịch theo chiều ngược lại cung cấp cho mạch tạo mạch điện khép kín Hình Về ngun tắc, pin nhiên liệu hoạt động tương tự pin điện/ắc quy, nhiên pin điện/ắc quy thơng thường cung cấp lượng điện giới hạn, ngừng hoạt động chất phản ứng phản ứng hết, pin nhiên liệu thiết bị sản xuất điện nhiên liệu cung cấp cách liên tục Về lý thuyết, chất bị oxy hóa cung cấp liên tục dạng dịng chảy để xảy phản ứng sử dụng nhiên liệu cung cấp cho anode pin nhiên liệu Tương tự, chất oxy hóa thường dịng lưu chất mà bị khử với tốc độ đủ lớn Việc sử dụng nhiên DẦU KHÍ - SỐ 7/2019 57 NĂNG LƯỢNG MỚI Khi tế bào nhiên liệu hoạt động có tải, hiệu điện tạo thực tế điện cực anode cathode đạt khoảng 0,7V Do để cung cấp điện dòng điện cao hơn, cần đặt nhiều phần tử nối tiếp song song tạo thành cụm tế bào nhiên liệu (fuel cell stack) để đạt điện áp/dịng điện đầu mong muốn Ngồi cụm tế bào pin nhiên liệu, hệ pin nhiên liệu đòi hỏi hệ thống phụ trợ phận cấu thành khác, gọi BoP (balance of plant) Hình [6] Việc bố trí xác BoP phụ thuộc vào loại tế bào nhiên liệu, nhiên liệu lựa chọn ứng dụng Ngoài ra, điều kiện vận hành cụ thể yêu cầu tế bào nhiên liệu thiết kế cụm tế bào nhiên liệu định đặc tính BoP Tuy nhiên, loại pin nhiên liệu gồm phận sau: Hình Sơ đồ ngun tắc tế bào pin nhiên liệu [1] Cung cấp khí đầu vào: Van áp suất ngược Điện cực cathode 90kWe Cụm tế bào nhiên liệu Phân tách nước lọc Bơm H2 tuần hồn khí Điện cực anode Hydro Giữ ẩm cathode Nén khơng khí Làm mát Bơm làm mát Khơng khí Bộ tản nhiệt Hình Cấu tạo chung pin nhiên liệu [6] liệu thông dụng, giàu tiềm năng, tái tạo dễ dàng khơng độc hại mục tiêu hướng tới pin nhiên liệu Tuy nhiên ngày nay, loại pin nhiên liệu phát triển chủ yếu sử dụng nhiên liệu khí hydro khí tổng hợp giàu hydro 2.2 Cấu tạo pin nhiên liệu Một tế bào pin nhiên liệu gồm điện cực anode cathode tiếp xúc với dung dịch điện ly Nhiên liệu hydro cung cấp liên tục vào khoang anode chất oxy hóa (oxy khơng khí) cung cấp liên tục vào khoang cathode [1 - 4, 6, 7] 58 DẦU KHÍ - SỐ 7/2019 - Chuẩn bị nhiên liệu: Đây khâu quan trọng cần thiết nhất, định công nghệ, hiệu suất hiệu kinh tế pin nhiên liệu Khí hydro điều chế từ nguồn khác nhau: từ loại hydro carbon (CxHy), sản phẩm phụ cơng nghiệp hóa hóa dầu điều chế hydro từ nước Trừ nhiên liệu (như hydro tinh khiết) sử dụng, thơng thường khí nhiên liệu đòi hỏi chuẩn bị nhiên liệu, thường gồm khâu loại bỏ tạp chất điều hòa nhiệt Ngoài ra, pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu khác hydro tinh khiết cần trình chế biến nhiên liệu tinh lọc mà nhiên liệu phản ứng với chất oxy hóa (thường nước khơng khí) để tạo hỗn hợp giàu hydro cung cấp cho anode - Cung cấp khí cháy: Khí cháy thơng thường sử dụng oxy khơng khí điều kiện bình thường Tuy nhiên số trường hợp để tăng hiệu suất pin nhiên liệu, khơng khí thường lọc nén trước đưa vào pin nhiện liệu PETROVIETNAM Hệ thống điều khiển gồm tất đo, đồng hồ… cho phép theo dõi kiểm sốt trạng thái vận hành hệ thống, tình trạng, thông số phần tử cấu thành nên pin nhiên liệu…, lập trình xác cho trình khởi động, độ, dừng chế độ làm việc xác lập để điều khiển hệ thống làm việc tối ưu Sản phẩm đầu ra: - Quản lý nhiệt năng: Phản ứng oxy hóa khử pin phản ứng tỏa nhiệt, nên cần có hệ thống tản nhiệt nhằm đảm bảo nhiệt độ làm việc pin tận dụng nhiệt tạo (gần tương đương với lượng điện thu được) cho mục đích khác nhằm tăng hiệu làm việc pin nhiên liệu Như vậy, với đời pin nhiên liệu, điện tích trữ dạng nhiên liệu Tuy nhiên vấn đề đặt nguồn nhiên liệu khả tàng trữ định công nghệ, giá thành quy mô áp dụng pin nhiên liệu - Thiết bị điều hịa cơng suất điện: Điện phát cực pin phải đảm bảo điện áp chiều tối thiểu làm việc pin Điện áp làm việc (điện áp ra) cố định nhờ biến đổi điện Nếu yêu cầu dòng điện xoay chiều, cần bổ sung thêm biến đổi điện áp chiều thành xoay chiều 2.3 Các loại pin nhiên liệu Dung dịch điện ly định phản ứng diễn bề mặt điện cực loại ion dẫn điện pin nhiên liệu Dựa vào dung dịch điện ly, phân loại pin nhiên liệu sau [1, 2, 4]: - Quản lý nước: Nước cần thiết số phận tế bào nhiên liệu đồng thời sản phẩm phản ứng pin Để tránh phải cung cấp thêm nước để đảm bảo hoạt động liên tục, hệ thống quản lý nước cần trang bị hầu hết hệ thống tế bào pin nhiên liệu - Pin kiềm (AFC); - Pin màng điện ly polymer (PEMFC); - Bộ phận thải khí: Để thải khí trơ bám anode làm giảm trình phản ứng, khí bão hịa thành nước bám vào cathode - Pin methanol (DMFC); - Pin acid phosphoric (PAFC); - Pin carbonate nóng chảy (MCFC); Hệ thống phụ trợ: - Pin oxide rắn (SOFC) Để khởi động pin nhiên liệu cần dùng đến hệ thống pin điện hóa để nâng nhiệt độ pin đến ngưỡng cần thiết, đảm bảo hoạt động phận pin lúc khởi động, đồng thời đảm bảo an toàn cho pin trường hợp cố Nhiệt độ thời gian vận hành định yêu cầu tính chất hóa lý nhiệt vật liệu sử dụng phận cấu thành pin (điện cực, dung dịch điện ly, phận kết nối, phận tập hợp dòng điện…) Bảng Các loại pin nhiên liệu khác phát triển [2] Pin kiềm (AFC) Pin màng điện ly (PEMFC) Nhiệt độ vận hành (0C)