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 ởđây là khí H2
và khí O2 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 H2 + O2 → H2O + 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:
Nguyên 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 23 SVTH: Thị Mỹ Xung
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.
Nhưng lượng cacbonic được tạo ra thấp hơn rất nhiều lần so với lượng khí này thải ra ở động cơđốt 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. Ngoài 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 bỏđi 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. Ngày 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 thểđược dùng để làm nóng nước hoặc tiếp tục
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 24 SVTH: Thị Mỹ Xung
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 sẽđược 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: 2H2 + 4OH-→ 4H2O + 4e- Phản ứng trên cathode: O2 + 2H2O + 4e-→ 4OH-
Tổng quát: 2H2 + O2 → 2H2O + năng lượng (điện)
Pin nhiên liệu alkali đã 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
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 25 SVTH: Thị Mỹ Xung
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. 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 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:
H2 (k) + 1/2O2(k) + CO2(cathode) → H2O(k) + CO2(anode) + điện năng
Pin nhiên liệu MCFC vận hành ở nhiệt độ khá cao, vì thếđa 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
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 26 SVTH: Thị Mỹ Xung
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 Kỳđã 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 thểđạt 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 ởN 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 27 SVTH: Thị Mỹ Xung
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 PEMFC đã được phát triển với những hệ thống công suất thông thường từ 1W đến 2kW. 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 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 bịăn 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. 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 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 (O2-) đi qua. Phản ứng trên anode: 2H2 + 2O2-→ 2H2O +4e-
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 28 SVTH: Thị Mỹ Xung
Tổng quát: 2H2 + O2 → 2H2O + 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 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 kểđến 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 thểđạt tới 90%.
Ngoài 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.
Nhiệt độ vận hành khác nhau của tế bào nhiên liệu cho phép dùng cùng với turbine hay những áp dụng hơi nước nóng. Ngoài ra còn một vài ưu điểm khác chẳng hạn như:
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 29 SVTH: Thị Mỹ Xung
- Ít phải bảo quản và giá thành bảo dưỡng rẻ.
Gần như không gây ô nhiễm môi trường: không cháy, không thải khí độc SOx, còn COx thì thấp hơn 2 lần và NOx 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 20.000VNĐ 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. Nhưng 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. Những 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.
Hình 2.3: Tàu Nemo 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 31 SVTH: Thị Mỹ Xung