Khái niệm về pin nhiên liệu thực ra đã có từ lâu, nó là một thiết bị điện hoá mà trong đó biến đổi hoá năng thành điện năng nhờ quá trình oxy hoá nhiên liệu, mà nhiên liệu thường dùng ở đây là khí H2 và khí O2 hoặc không khí. Quá trình biến đổi năng lượng trong pin nhiên liệu ở đây là trực tiếp từ hoá năng sang điện năng theo phản ứng H2 + O2 = H20 + dòng điện, nhờ có 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 Cacbonat, Oxit rắn ... thực chất nó là một loại pin điện hoá. Người ta phân loại các pin nhiên liệu theo chất điện phân, điện cực và các chất xúc tác trong pin nhưng nguồn nguyên liệu vẫn chỉ là H2 và O2không khí. Trước đây người ta dùng khí H2 để biến đổi thành nhiệt năng dưới dạng đốt cháy, sau đó từ nhiệt năng sẽ biến đổi thành cơ năng qua các tua bin khí và các tua bin đó dẫn động các máy phát điện để biến đổi thành dòng điện, với biến đổi gián tiếp như vậy thì hiệu suất của quá trình sẽ thấp. Từ đó ta dễ dàng so sánh quá trình biến đổi trực tiếp trong pin nhiên liệu là có hiệu suất rất cao. Cách đây hơn 30 năm, những dự án quan trọng nhất cho hình thành sự phát triển nguồn năng lượng này trong tương lai là pin nhiên liệu được sử dụng làm nguồn điện trong các thiết bị không gian nằm trong dự án Gemini, Apollo và Tàu con thoi của NASA. Và bắt đầu từ những năm 80, nó được sử dụng trong các nhà máy điện có công suất từ (20 kW đến 50 KW) và từ đó cho đến nay, đã có rất nhiều nhà máy điện sử dụng năng lượng này ở các nước phát triển như Mỹ, Canada, Nhật Bản và một số nước chấu Âu với công suất hàng trăm MW và tuổi thọ là hàng chục nghìn giờ làm việc. Ngoài ra một trong những sự thu hút nhất của một loại pin nhiên liệu có tên pin nhiên liệu dạng màng trao đổi proton đã được phát triển trong công nghiệp ô tô vận tải, là nguồn nguyên liệu trong xe hơi, nó đang được phát triển trong các công ty ô tô hàng đầu thế giới như General Motor, Ford (Mỹ), Daimler Benz (Đức), Renaul (Pháp), Toyota, Nissan, Honda ... (Nhật bản), Hyundai (Hàn Quốc).... và tiềm năng của nó trong các ngành công nghiệp phục vụ đời sống là rất to lớn. Pin nhiên liệu sẽ có thể nắm giữ vai trò chủ đạo trong viễn cảnh nguồn năng lượng của thế giới trong tương lai. Những đặc điểm ưu việt của nó như hiệu suất cao, ổn định lớn, độ phát xạ thấp, không gây ồn, không gây ô nhiễm môi trường ..., sẽ bắt buộc pin nhiên liệu sử dụng trong các nhà máy điện trong tương lai. Có thể nói Hydro sẽ trở thành nguồn năng lượng của thế kỷ 21, mà như các nghiên cứu chỉ ra rằng, pin nhiên liệu có một ưu thế không thể nghi ngờ hơn tất cả các thiết bị biến đổi năng lượng khác.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY TIỂU LUẬN ĐỀ TÀI : PIN NHIÊN LIỆU HIDROGEN ĐƠN GIẢN Giảng viên hướng dẫn: HOÀNG TRÍ Sinh viên thực hiện: HUỲNH HỮU TRANG MSSV: 11243054 Lớp: 112430B Khố: 2011 - 2015 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2012 HUỲNH HỮU TRANG LỜI CẢM ƠN Để hồn thành tốt tiểu luận này, tơi nhận hỗ trợ từ nhiều người Đầu tiên, xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy Hồng Trí, người dẫn dắt tơi phần lớn thời gian học lý thuyết môn Năng lượng Quản lý lượng Những giảng, tài liệu hướng dẫn thầy giúp cho tơi có tảng kiến thức vững tổ chức công việc cách khoa học Cám ơn thầy với đóng góp thiết thực dành cho lớp Các buổi dạy lý thuyết thuyết trình thầy đưa đến cho tối góc nhìn lập luận thực tế Những lời khuyên học thầy dành riêng cho nhóm giúp chúng em mạnh dạn việc chọn đề tài Ngồi ra, tơi cảm ơn đến bạn lớp Các bạn đã, chuẩn bị đóng góp ý kiến giúp cho tơi ngày hồn thiện HUỲNH HŨU TRANG HUỲNH HỮU TRANG TÓM TẮT TIỂU LUẬN Khái niệm pin nhiên liệu thực có từ lâu, thiết bị điện hố mà biến đổi hố thành điện nhờ q trình oxy hố nhiên liệu, mà nhiên liệu thường dùng khí H2 khí O2 khơng khí Q trình biến đổi lượng pin nhiên liệu trực tiếp từ hoá sang điện theo phản ứng H2 + O2 = H20 + dịng điện, nhờ có tác dụng chất xúc tác, thường màng platin nguyên chất hỗn hợp platin, chất điện phân kiềm, muối Cacbonat, Oxit rắn thực chất loại pin điện hoá Người ta phân loại pin nhiên liệu theo chất điện phân, điện cực chất xúc tác pin nguồn nguyên liệu H2 O2/khơng khí Trước người ta dùng khí H2 để biến đổi thành nhiệt dạng đốt cháy, sau từ nhiệt biến đổi thành qua tua bin khí tua bin dẫn động máy phát điện để biến đổi thành dòng điện, với biến đổi gián tiếp hiệu suất trình thấp Từ ta dễ dàng so sánh trình biến đổi trực tiếp pin nhiên liệu có hiệu suất cao Cách 30 năm, dự án quan trọng cho hình thành phát triển nguồn lượng tương lai pin nhiên liệu sử dụng làm nguồn điện thiết bị không gian nằm dự án Gemini, Apollo Tàu thoi NASA Và năm 80, sử dụng nhà máy điện có cơng suất từ (20 kW đến 50 KW) từ nay, có nhiều nhà máy điện sử dụng lượng nước phát triển Mỹ, Canada, Nhật Bản số nước chấu Âu với công suất hàng trăm MW tuổi thọ hàng chục nghìn làm việc Ngoài thu hút loại pin nhiên liệu có tên "pin nhiên liệu dạng màng trao đổi proton" phát triển công nghiệp ô tô vận tải, nguồn nguyên liệu xe hơi, phát triển công ty ô tô hàng đầu giới General Motor, Ford (Mỹ), Daimler Benz (Đức), Renaul (Pháp), Toyota, Nissan, Honda (Nhật bản), Hyundai (Hàn Quốc) tiềm ngành cơng nghiệp phục vụ đời sống to lớn Pin nhiên liệu nắm giữ vai trị chủ đạo viễn cảnh nguồn lượng giới tương lai Những đặc điểm ưu việt hiệu suất cao, ổn định lớn, độ phát xạ thấp, không gây ồn, không gây ô nhiễm môi trường , bắt buộc pin nhiên liệu sử dụng nhà máy điện tương lai Có thể nói Hydro trở thành nguồn lượng kỷ 21, mà nghiên cứu rằng, pin nhiên liệu có ưu khơng thể nghi ngờ tất thiết bị biến đổi lượng khác HUỲNH HỮU TRANG MỤC LỤC HUỲNH HỮU TRANG I PIN NHIÊN LIỆU: Trong kỉ 19 mệnh danh kỉ động nước kỉ 20 kỉ động đốt ta nói, kỉ 21 kỉ nguyên pin nhiên liệu Pin nhiên liệu dần phổ biến thị trường, dự đoán tạo nên cách mạng lượng giới tương lai Pin nhiên liệu sử dụng hydrogen làm nhiên liệu, mang đến triển vọng cung cấp cho giới nguồn điện bền vững Tương tự ắc quy, pin nhiên liệu thiết bị tạo điện thông qua chế phản ứng điện hóa Điểm khác biệt nằm chỗ, pin nhiên liệu tạo dịng điện liên tục có nguồn nhiên liệu cung cấp cho nó, đó, ắc quy cần phải nạp điện lại (sạc) sau thời gian sử dụng Vì mà pin nhiên liệu khơng chứa lượng bên trong, chuyển hóa trực tiếp nhiên liệu thành điện năng, ắc quy cần phải nạp điện lại từ nguồn bên Mỗi pin nhiên liệu gồm có hai điện cực âm (cathode) dương (anode) Phản ứng sinh điện xảy hai điện cực Giữa hai điện cực chứa chất điện phân, vận chuyển hạt điện tích từ cực sang cực khác, chất xúc tác nhằm làm tăng tốc độ phản ứng Các module pin nhiên liệu thường kết nối với nhau, song song hay trực tiếp để tạo thiết bị có mức công suất phát điện khác lớn Hai nhiên liệu cần thiết cho pin nhiên liệu vận hành đơn giản hydrogen oxygen Lợi hấp dẫn pin nhiên liệu chỗ tạo dịng điện sạch, HUỲNH HỮU TRANG nhiễm, sản phẩm phụ q trình phát điện cuối nước, khơng độc hại Các phản ứng hóa học tạo dịng điện chìa khóa chế hoạt động pin nhiên liệu Có nhiều loại pin nhiên liệu kiểu vận hành cách khác chung nguyên tắc Khi nguyên tử hydrogenđi vào pin nhiên liệu, phản ứng hóa học xảy anode lấy electron chúng Những nguyên tử hydrogenl úc bị ion hóa mang điện tích dương Electron điện tích âm chạy qua dây dẫn tạo dòng điện chiều Oxygen vào cathode chúng kết hợp với electron từ dòng điện ion hydrogen vừa qua chất điện phân từ anode ,oxygen lấy electron qua chất điện phân đến anode, gặp kết hợp với ion hydrogen Chất điện phân đóng vai trị định chủ chốt Nó phải cho phép ion thích hợp qua anode cathode; electron tự hay chất khác qua chất điện phân này, chúng làm hỏng phản ứng hóa học Dù gặp anode hay cathode, kết hợp với nhau, hydrogen oxygen cuối tạo nước, thoát khỏi pin Pin nhiên liệu liên tục phát điện cung cấp hydrogen oxygen Dưới sơ đồ mô tả hai phản ứng pin nhiên liệu mà phản ứng tồng quát chúng phản ứng nghịch q trình điện phân nước: Phản ứng anode: H2 => H+ + 4e Phản ứng cathode: O2 + H+ + 4e- => H2O Tổng quát: H2 + O2 => H2O + lượng (điện) Phản ứng hóa học tổng quát cho pin nhiên liệu tương tự phản ứng hóa học mơ tả q trình hydrogen bị đốt cháy với diện oxy, tức kết hợp khí hydrogenvà oxygen tạo nên lượng; điểm làm nên khác biệt quan trọng hai q trình nằm chế phản ứng - phản ứng cháy tạo nhiệt phản ứng điện hóa pin nhiên liệu sinh điện Pin nhiên liệu chuyển đổi trực tiếp hóa thành điện năng, q trình khơng liên quan đến chuyển hóa nhiệt thành nên khơng phải đối tượng định luật nhiệt động lực học giới hạn hiệu suất tối đa động nhiệt thông thường HUỲNH HỮU TRANG (Carnot) Do đó, hiệu suất pin nhiên liệu vượt giới hạn Carnot, chí vận hành nhiệt độ tương đối thấp (H2N2)-Pin nhiên liệu thiết bị chuyển hóa nhiên liệu khí hydro, rượu, xăng, hay khí metan trực tiếp thành dịng điện II PIN NHIÊN LIỆU HYDROGEN • Cách tạo pin hydrogen đơn gian Pin nhiên liệu hydrogen tạo dòng điện mà không gây ô nhiễm nào, sản phẩm phụ tạo nước tinh khiết Pin nhiên liệu hydrogen sử dụng cho tàu du hành vũ trụ ứng dụng kỹ thuật cao khác hay nơi cần tránh ô nhiễm, hay nơi cần nguồn lượng có hiệu cao Chúng tạo pin nhiên liệu với 10 phút nhà bếp thấy khí hydro khí oxy kết hợp với để tạo thành lượng điện Để làm pin nhiên liệu cần: HUỲNH HỮU TRANG - Một dây Nickel phủ Platin, hay platin nguyên chất - Một que kem, mảnh gỗ, hay mảnh nhựa hình chữ nhật - Một đầu kẹp pin vol - Một pin vol - Một vài mảnh băng keo suốt - Một ly thủy tinh - Một vol kế -Dây điện Đầu tiên cắt dây platin thành hai dây nhỏ chiều dài khoảng 10 cm, xoắn dây thành hai cuộn xoắn nhỏ để làm điện cực cho pin nhiên liệu Kế tiếp, Gọt bỏ phần nhựa bên ngồi đầu cịn lại hai dây dẫn nối với đầu kẹp pin Nối hai đầu vào hai cuộn platin Hai dây điện khác nối từ hai cuộn Platin đầu lại nối vào vol kế HUỲNH HỮU TRANG Hai điện cực dán dính cứng vào gỗ Cuối gỗ đặt lên trên, nằm ngang dán cứng vào ly nước, cho hai điện cực bị ngập nước gần hết chiều dài chúng Dây điện nối với hai cuộn điện cực phải khơng chạm mặt nước, có phần mạ platin tiếp xúc với nước Nối dây màu đỏ vào đầu cực dương vol kế, dây màu đen nối với đầu âm vol kế Giá trị vol kế báo zero, hay trường hợp giá trị dao động lên chút 0.01 V Q trình làm pin nhiên liệu hồn tất, Để vận hành pin nhiên liệu ta cần phải có bọt khí hydro bám vào điện cực, khí oxy bám vào điện cực khác Để làm phương pháp đơn giản tiến hành sau Chúng ta đặt hai đầu cực pin vol vào đầu kẹp chúng (không cần phải gắn cứng vào, cần cho tiếp xúc khoảng vài giây) Gắn Pin vào đầu kẹp nước tiếp xúc với điện cực platin bị phân ly thành khí hydro khí oxy, q trình gọi điện phân Có thể thấy bọt khí nhỏ sinh điện cực pin gắn vào HUỲNH HỮU TRANG Bây gỡ bỏ pin Nếu khơng có lớp phủ platin giá trị vol kế trở zero, gỡ Pin Nhưng gỡ Pin giá trị vol kế hiển trị, Platin kim loại chất xúc tác, cho phép hydrogen oxygen kết hợp với Quá trình phản ứng đảo ngược trở lại Thay cung cấp điện để phân ly nước, hydrogen oxygen kết hợp lại tạo thành dòng điện nước Chúng ta bắt đầu có giá trị vol pin nhiên liệu Những bọt khí hịa tan nước sử dụng để phản ứng Điện pin nhiên liệu ban đầu giảm nhanh giảm chậm lại sau thời gian khoảng phút Giá trị nhỏ giảm chậm bọt khí cịn sót lại lở lửng nước tạo điện Quá trình chuyển lượng điện vol thành bọt khí hydro HUỲNH HỮU TRANG oxy Đây trình nạp điện Chúng ta lấy bọt khí hydro oxy từ nguồn khác để có dịng điện Chúng ta sản xuất khí hydro oxy từ nguồn lượng mặt trời vào ban ngày Sau dự trữ chúng sử dụng để tạo dòng điện vào ban đêm Chúng ta dự trữ khí hydro bình khí nén xe chạy lượng điện Chúng ta có hai trình: điện phân nước tạo khí hydro khí oxy, kết hợp trở lại hai khí để tạo thành điện • Q trình điện phân nước Điện cực nối với đầu âm pin cung cấp electron Điện cực âm cho electron kết hợp với phân tử nước tạo thành phân tử hydrogen ion OH- Những bọt khí hydro ion âm OH- di chuyển khỏi điện cực vào lòng chất lỏng Ở điện cực khác, điện cực nối với đầu dương Pin, điện cực nhiễm điện dương thiếu electron, nên lấy electron từ phân tử nước, tạo ion dương H+ phân tử khí oxy Bọt khí Oxy ion H+ rời khỏi điện cực di chuyển vào lòng chất lỏng 10 HUỲNH HỮU TRANG III.2 Điện phân nước Phương pháp dùng dịng điện để tách nước thành khí hydrogen oxygen Quá trình gồm hai phản ứng xảy hai điện cực Hydrogen sinh điện cực âm oxygen điện cực dương: Phản ứng cathode: H2O + 2e- => H2 + OH- (15.3) Phản ứng anode: OH- => H2O + ½ O2 + 2e- (15.4) Tổng quát: H2O + điện => H2 + O2 (15.5) Sau số dạng điện phân phổ biến: III.2.1 Điện phân thông thường Quá trình tiến hành với chất điện phân nước hay dung dịch kiềm Hai phần ode cathode tách riêng màng ngăn ion (microporous) để tránh hịa lẫn hai khí sinh III.2.2 Điện phân nước áp suất cao Điện phân nước áp suất cao sinh hydrogen áp suất đến MPa Quá trình giai đoạn nghiên cứu hoàn thiện dần III.2.3 Điện phân nước nhiệt độ cao Ưu điểm phương pháp đưa phần lượng cần thiết cho trình điện phân dạng nhiệt năng, nhiệt độ 800-10000C vào trình, hạn chế bớt lượng điện tiêu thụ Nhiều nghiên cứu hướng đến việc thu nhiệt từ chảo parabol tập trung lượng mặt trời hay tận dụng nhiệt thừa từ trạm lượng III.2.4 Quang điện phân (photoelectrolysis) Các panel mặt trời, chất bán dẫn (ứng dụng tượng quang điện), chuyển hóa trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện Khí hydrogen sinh dịng quang điện chạy qua thiết bị điện phân đặt nước Sử dụng lượng mặt trời để tạo điện dùng điện phân nước, tương tự, sử dụng nguồn 16 HUỲNH HỮU TRANG lượng tái tạo khác lượng gió, thủy điện để điện phân nước tạo hydrogen Như việc sản xuất hydrogen q trình (khơng khí thải), tái sinh bền vững III.3 Phương pháp sinh học Một số tảo vi khuẩn chuyên biệt sản sinh hydrogen sản phẩm phụ trình trao đổi chất chúng Các sinh vật thường sống nước, phân tách nước thành khí hydrogenvà oxygen Hiện tại, phương pháp giai đoạn nghiên cứu Ví dụ phương pháp việc ứng dụng loại tảo đơn bào có tên Chlamydomonas reinhardtii Các nghiên cứu cho thấy loại tảo chứa enzyme hydrogenase có khả tách nước thành hai thành phần hydrogen oxygen Các nhà khoa học xác định chế trình, điều giúp mang lại phương pháp gần vô hạn để sản xuất hydrogen tái sinh Cơ chế phát triển qua 17 HUỲNH HỮU TRANG hàng triệu năm tiến hóa giúp tảo tồn mơi trường khơng có oxygen Một chu trình này, tảo "thở" oxygen lấy từ nước giải phóng khí hydrogen Gần đây, nhà khoa học trung tâm lượng hydrogen trường ĐH tiểu bang Pennsylvania nghiên cứu thành cơng phương pháp tạo hydrogen từ q trình vi khuẩn phân hủy chất thải hữu sinh học, nước thải sinh hoạt, nước thải nông nghiệp v.v Ứng dụng nghiên cứu mở triển vọng to lớn đầy hữu ích, vừa kết hợp xử lý nước thải vừa sản xuất hydrogen cung cấp cho pin nhiên liệu vi khuẩn (microfuel cell), tạo điện 18 HUỲNH HỮU TRANG IV Lưu chứa hydrogen Với vai trò "chuyên chở" lượng (energy carrier) nguồn lượng bản, giống điện năng, hydrogen giúp cho việc phân phối, sử dụng lượng thuận tiện Thêm vào đó, khác với điện năng, hydrogen cịn lưu trữ lâu dài Về có ba phương thức lưu trữ hydrogen sau: (i) Lưu chứa hydrogen bình khí nén áp suất cao (ii) Lưu chứa hydrogen dạng khí hóa lỏng (iii) Lưu chứa hydrogen hợp chất khác (hấp thụ hóa học, hấp phụ hợp chất khác với hyđrua kim loại hay ống carbon nano rỗng) IV.1 Lưu chứa hydrogen dạng khí nén Hydrogen nén bình chứa với áp suất cao Các loại bình chứa khác cấu trúc tùy theo dạng ứng dụng đòi hỏi mức áp suất Phần lớn bình ứng dụng tĩnh có mức áp suất thấp Trong đó, yêu cầu cho ứng dụng di động lại khác biệt hạn chế không gian lưu trữ Đối với ứng dụng này, áp suất bình tăng lên đến 700 bar để chứa nhiều hydrogen tốt không gian giới hạn Các bình áp suất chứa khí nén thường làm thép nên nặng Các bình áp suất đại làm từ vật liệu composite nhẹ nhiều IV.2 Lưu chứa hydrogen dạng khí hóa lỏng Hydrogen tồn thể lỏng nhiệt độ cực lạnh, 200K hay âm 2350C Nén, làm lạnh (hóa lỏng) hydrogen tiêu tốn nhiều lượng, tổn thất lượng hao hụt đến khoảng 30% dùng phương pháp Tuy nhiên, ưu điểm việc lưu trữ hydrogen dạng lỏng tốn khơng gian nhất, hydrogen có tỉ trọng lượng theo thể tích cao hóa lỏng Vì mà cách đặc biệt thích hợp với ứng dụng di động phương tiện giao thông Hiện người ta sản xuất robot tự động để “tiếp” nhiên liệu (re-fuelling) Với dạng lưu trữ tĩnh, cách thức 19 HUỲNH HỮU TRANG dùng hydrogen thực cần thiết phải dạng lỏng, ví dụ trạm nhiên liệu hay cần vận chuyển hydrogen đường dài (bằng tàu biển chẳng hạn) Ngoài ra, với tất ứng dụng khác ta nên tránh dùng cách lưu trữ tiêu tốn nhiều lượng cần để hóa lỏng IV.3 Lưu chứa hydrogen nhờ hấp thụ hóa học Hydrogen giữ nhiều hợp chất nhờ liên kết hóa học Và cần thiết, phản ứng hóa học xảy để giải phóng chúng, sau hydrogen thu thập đưa vào sử dụng pin nhiên liệu Các phản ứng hóa học thay đổi tủy theo hợp chất dùng để lưu trữ hydrogen Ví dụ như: với NH3BH3, hydrogen giải phóng nhờ nhiệt 1003000C; hay hydrogen giải phóng qua q trình thủy phân (tác dụng với nước) hydride LiH, LiBH4, NaBH4 Với phương pháp này, ta điều chỉnh lượng hydrogen sinh theo nhu cầu IV.4 Lưu chứa hydrogen hyđrua kim loại (metal hydride) Phương pháp sử dụng số hợp kim có khả độc đáo, hấp phụ hydrogen Các hợp kim hoạt động giống miếng xốp hút nước vậy, chúng “hút bám” hydrogen, tạo nên hyđrua kim loại Khi hyđrua kim loại “lấp kín” dần với ngun tử khí hydrogen, tỏa nhiệt, đó, muốn giải phóng hydrogen, ta phải cung cấp nhiệt cho Cơng thức tổng qt trình hấp phụ nhả hấp hyđrua kim loại: M + xH2 MH2x (15.6) Phương pháp chứa lượng lớn thể tích khí hydrogenhấp phụ vào kim loại Tuy nhiên, lượng hydrogen hấp phụ chiếm khoảng 1% - 2% tổng trọng lượng bình chứa (kim loại) Vì mà bình chứa dạng nặng chúng khơng thể sử dụng ứng dụng di động Ưu điểm phương pháp hầu hết hyđrua kim loại hoạt động áp suất bình thường, xét mặt sử dụng an tồn, điểm thuận lợi việc lưu trữ hydrogen nhờ hyđrua kim loại Muốn giải phóng khí hydrogen cần cung cấp nhiệt, thế, trường hợp thùng chứa bị bể vỡ chẳng hạn hydrogen giữ kết nối kim loại mà không bị hao hụt 20 HUỲNH HỮU TRANG Lưu trữ hydrogen hyđrua kim loại ứng dụng nhiều tàu ngầm IV.5 Lưu chứa hydrogen ống carbon nano rỗng Phương pháp nguyên tắc tương tự hyđrua kim loại chế lưu giữ giải phóng hydrogen Vật liệu carbon nano tạo nên cách mạng công nghệ lưu trữ hydrogen tương lai Cách vài năm, nhà khoa học khám phá đặc tính hữu ích carbon nano chứa lượng lớn hydrogen vi cấu trúc than chì dạng ống Hydrogen chui vào ống, vào khoảng trống ống Lượng hydrogen hấp thụ phụ thuộc vào áp suất nhiệt độ, nên nguyên tắc, người ta thay đổi áp suất nhiệt độ, bơm hydrogen vào để lưu trữ, hay đẩy hydrogen để sử dụng Vấn đề phải tìm loại ống nano carbon chứa nhiều hydrogen Ngoài ra, ta cần vật liệu với tỷ lệ ống nano carbon cao, không lẫn với nhiều loại bụi than khác Ưu điểm mang tính đột phá cơng nghệ nano lượng lớn hydrogen mà lưu chứa được, nữa, so với cách lưu trữ hợp kim ống carbon nano nhẹ Ống carbon nano chứa lượng hydrogen chiếm từ 4% - 65% trọng lượng chúng Hiện nay, công nghệ quan tâm nghiên cứu nhiều giới, hứa hẹn phương thức lưu trữ hydrogen đầy tiềm năng, cho ứng dụng pin nhiên liệu di động nhỏ gọn máy tính xách tay, máy ảnh, điện thoại di động v.v Ngoài ra, phương pháp lưu trữ hydrogen khác phổ biến thú vị, chứa hydrogen vi cầu kính 21 HUỲNH HỮU TRANG IV.6 Lưu chứa hydrogen vi cầu thủy tinh (glass microsphere) Các khối cầu thủy tinh rỗng tí hon dùng phương thức lưu trữ hydrogen an toàn Những vi cầu rỗng làm nóng dẻo, gia tăng khả thấm thành thủy tinh, lấp đầy đặt ngập khí hydrogen với áp suất cao Các khối cầu sau làm nguội, "khóa lại" hydrogen bên khối thủy tinh Khi ta tăng nhiệt độ, hydrogen giải phóng khỏi khối cầu sử dụng Phương pháp vi cầu an toàn, tinh khiết chứa hydrogen áp suất thấp, gia tăng giới hạn an tồn 22 HUỲNH HỮU TRANG V Vấn đề an toàn Hydrogen khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị hoạt động Khi hydrogen cháy mang mối nguy hiểm tiềm ẩn lửa khơng thể nhận thấy mắt thường Do lan mà người ta nhận biết để cảnh báo Tuy nhiên, chừng mực đó, hydrogen cháy an tồn nhiên liệu hóa thạch thơng thường Hydrogen có tốc độ bừng cháy cao tiêu tán mau Do đó, vụ cháy, chí bắt nguồn từ hydrogen lỏng, thường bùng lên nhanh hết Theo tính tốn nhà khoa học cho thấy vụ cháy xe cộ liên quan đến xăng dầu, đám cháy kéo dài hai mươi đến ba mươi phút, đó, lửa từ đám cháy xe chạy lượng hydrogen tương đương kéo dài từ đến hai phút! Hydrogen bị đốt cháy sinh nhiệt nước Do khơng có carbon, nước lại chất hấp thụ nhiệt nên hydrogen cháy tỏa nhiệt nhiều so với hydrocarbon cháy đám cháy khơng lan đi, có vật trực tiếp bị đốt lửa bị cháy nặng Những vật khác gần lửa khó mà tự bắt cháy Vì mà mối nguy hiểm khói độc việc cháy lan kéo dài hydrogen giảm đáng kể Điều có ý nghĩa quan trọng vấn đề cứu hỏa 23 HUỲNH HỮU TRANG Tỉ trọng thấp khả khuếch tán nhanh cho phép hydrogen thoát nhanh vào khí có rị rỉ xảy Trong đó, propane xăng dầu, với tỉ trọng cao khả khuếch tán thấp, dễ tụ lại gần mặt đất, làm gia tăng rủi ro cháy nổ Hydrogen phải đạt đến nồng độ 4% khí gây nguy hiểm, khả bắt lửa hydrogen tăng lên nhanh Mặc dù nồng độ 4% xem không cao, so sánh với nồng độ cần đạt để bốc cháy xăng dầu có 1%, hydrogen cho thấy mức rủi ro cháy nổ thấp đáng kể Hydrogen không độc không ăn mòn Xăng dầu độc với người sinh vật vơ tình chúng bị rị rỉ mơi trường bên ngồi Trong đó, hydrogen bị thoát ra, chúng bay gần hoàn toàn để lại nước đằng sau 24 HUỲNH HỮU TRANG VI Ứng dụng nhiên liệu hydrogen Chúng ta quen thuộc với hình ảnh hydrogen ngun liệu cho nhiều ngành cơng nghiệp hóa học: chế tạo ammonia, methanol, lọc dầu, phân bón, luyện kim, mỹ phẩm, chất bán dẫn v.v Thế nhưng, vậy, hydrogen cịn nguồn nhiên liệu đầy tiềm với nhiều ưu điểm thuận lợi môi trường kinh tế Hydrogen nguồn lượng sạch, gần khơng phát thải khí nhiễm mà sinh nước Từ nước qua trình điện phân ta lại thu hydrogen Vì vậy, hydrogen nguồn lượng gần vô tận hay tái sinh Hơn nữa, xét mặt trọng lượng, hydrogen có tỉ trọng lượng cao Trên thực tế, nhờ hai đặc tính nhẹ tỉ trọng lượng cao này, hydrogen dùng làm nhiên liệu cho tên lửa từ buổi ban đầu công nghệ du hành không gian 25 HUỲNH HỮU TRANG Khi dùng làm nhiên liệu, hydrogen đốt trực tiếp động đốt trong, tương tự loại phương tiện giao thông chạy xăng dầu phổ biến Hydrogen thay khí thiên nhiên để cung cấp lượng cho nhu cầu dân dụng hàng ngày đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng v.v - Mặt khác, hydrogen cịn sử dụng làm nguồn lượng cung cấp cho hệ thống pin nhiên liệu, nhờ q trình điện hóa để tạo điện Bên cạnh ưu điểm hydrogen nêu (sạch, tái sinh ), pin nhiên liệu chạy êm, không gây tiếng động, chấn động động đốt Do dựa chế q trình điện hóa tạo điện khơng phải trình đốt động đốt trong, pin nhiên liệu đạt hiệu suất sử dụng cao nhiều so với động đốt trong, mà tiết kiệm lượng Với ưu vượt trội đó, pin nhiên liệu ngày quan tâm dự đoán trở nên nguồn nhiên liệu đầy triển vọng, thành phần chủ chốt kinh tế hydrogen viễn cảnh tương lai 26 HUỲNH HỮU TRANG VII Viễn cảnh kinh tế hydrogen(hydrogen economy) Chúng ta đứng ngưỡng cửa buổi giao thời trọng đại, chuyển tiếp sang thời kì lượng đa dạng hóa Cộng đồng quốc tế nhận hydrogen thành phần chủ chốt cho hệ thống lượng bền vững Hydrogen chất mang lượng ứng dụng nhiều lĩnh vực từ phát điện, đến vận tải, công nghiệp, dân dụng thương mại Trong tương lai, cơng nghệ hồn thiện dần, hydrogen sản xuất chủ yếu từ công nghệ điện phân từ nguồn tái tạo, hay chuyển hóa nhiệt từ nguyên liệu hóa thạch ban đầu với kỹ thuật thu hồi carbon Hydrogen lưu trữ, chuyên chở phương tiện vận tải hay đường ống dẫn khí, sử dụng pin nhiên liệu, động cơ, để tạo dịng điện mà khơng thải khí nhiễm có nước sản phẩm phụ chủ yếu 27 HUỲNH HỮU TRANG Trước mắt tương lai gần, hydrogen sản xuất từ khí thiên nhiên cơng nghệ chuyển hóa nhiệt quen thuộc Các cơng nghệ cịn giai đoạn hồn thiện phát triển dần sản xuất hydrogen điện phân dùng lượng tái tạo, hay trực tiếp từ phương pháp quang sinh học, với công nghệ than sạch… Tất ngày trở nên “chi phí – hiệu quả” góp phần hình thành hệ thống sản xuất hydrogen nội địa đa dạng phong phú Một mạnh hydrogen chỗ sản xuất từ nhiều nguồn Mỗi khu vực, tùy điều kiện có cách kết hợp nguồn khác để tạo hydrogen Cơ sở hạ tầng cho hệ thống lưu trữ, phân phối hydrogen cần xây dựng dần Nó dựa công nghệ tiên tiến xây dựng đường ống dẫn dầu khí Chúng ta sử dụng hydrogen động đốt trong, tương tự động phương tiện giao thông dùng xăng dầu nay, với số thay đổi nhỏ cấu trúc Hydrogen cháy (không thải, sản phầm phụ nước) hiệu xăng dầu thơng thường, động đốt dùng hydrogen dần trở thành thực bước chuyển tiếp công nghệ Quan trọng hơn, ứng dụng hydrogen làm nhiên liệu cho pin nhiên liệu, công nghệ đầy triển vọng tương lai Về bản, pin nhiên liệu hydrogen vận hành tương tự trình nghịch phản ứng điện phân: khí hydrogenvà oxygen từ khơng khí kết hợp với phản ứng điện hóa có xúc tác để tạo nên dòng điện nước sinh tinh khiết uống Bên cạnh ưu điểm khơng thải khí nhiễm, pin nhiên liệu cịn vận hành êm ả, khơng gây chấn động hay tiếng động đạt hiệu suất cao gấp hai đến ba lần động đốt Pin nhiên liệu cịn kết nối từ nhiều module khác nên tạo công suất đầu linh hoạt ý muốn Hơn nữa, pin nhiên liệu có nhiều loại, nên có nhiều kiểu ứng dụng phong phú khác nhau, từ ứng dụng di động nhỏ laptop - máy tính xách tay (50- 100 W) hay đến trạm phát điện lớn với công suất trăm MW (1-200 MW) Một công nghệ pin nhiên liệu trở nên hồn thiện, chúng sản xuất ứng dụng trực tiếp hộ gia đình, thiết bị văn phịng, cơng nghiệp Mặc dù tiềm pin nhiên liệu phục vụ cho gần mặt kinh tế, tại, cịn tương đối đắt đỏ so với động đốt thông thường Pin nhiên liệu cần phát triển nữa, nâng cao độ bền giảm giá thành để ứng dụng rộng rãi thực tế Bước chuyển tiếp sang kinh tế hydrogen cần có thời gian phải trải qua nhiều 28 HUỲNH HỮU TRANG giai đoạn Các giai đoạn xác định tiến công nghệ chấp nhận thị trường Thêm vào đó, việc giáo dục an toàn hydrogen cần nỗ lực xúc tiến để đảm bảo thuyết phục cộng đồng sẵn sàng cho hydrogen ngày trở nên phổ biến Nhà nước - phủ, cơng nghiệp cộng đồng, tất đóng vai trị quan trọng định Nhà nước người hỗ trợ cho việc nghiên cứu phát triển cơng nghệ, việc phát triển quy định luật pháp tiêu chuẩn an toàn cho việc sử dụng hydrogen Nhà nước sử dụng sách kích thích thị trường khuyến khích cơng nghệ lượng hydrogen Vai trị cơng nghiệp xác định công nghệ sẵn sàng cho bước chuyển tiếp vào thị trường, thiết lập nên sở sản xuất để cung cấp thành phần công nghệ Công nghiệp với cộng đồng, xác định đòi hỏi người tiêu dùng chấp nhận thị trường cơng nghệ Bước chuyển tiếp địi hỏi nỗ lực đầu tư đáng kể ban đầu Tuy nhiên, kết đạt kinh tế ổn định bền vững, sử dụng nguồn tài nguyên tái tạo sẵn có địa phương để cung cấp nguồn điện nhiên liệu đáp ứng cho nhu cầu lượng 29 HUỲNH HỮU TRANG TAÌ LIỆU THAM KHẢO: https://sites.google.com/site/vnggenergy/hydrogen http://www.hoahocngaynay.com/vi/nghien-cuu-giang-day/quy-trinh-hoa-hoc/924cach-tao-mot-pin-nhien-lieu-hydrogen-don-gian.html 30 HUỲNH HỮU TRANG ... thành dịng điện II PIN NHIÊN LIỆU HYDROGEN • Cách tạo pin hydrogen đơn gian Pin nhiên liệu hydrogen tạo dịng điện mà khơng gây nhiễm nào, sản phẩm phụ tạo nước tinh khiết Pin nhiên liệu hydrogen sử... Các module pin nhiên liệu thường kết nối với nhau, song song hay trực tiếp để tạo thiết bị có mức cơng suất phát điện khác lớn Hai nhiên liệu cần thiết cho pin nhiên liệu vận hành đơn giản hydrogen... niệm pin nhiên liệu thực có từ lâu, thiết bị điện hố mà biến đổi hố thành điện nhờ q trình oxy hố nhiên liệu, mà nhiên liệu thường dùng khí H2 khí O2 khơng khí Q trình biến đổi lượng pin nhiên liệu