Trong những năm gần đây, nhiều nước trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu và phát triển pin nhiên liệu và đã đạt được những tiến bộ đáng kể về chất điện phân rắn
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 50 SVTH: Thị Mỹ Xung
polymer. Các chuyên gia trong lĩnh vực pin nhiên liệu đã tin tưởng rằng, trong những năm sắp tới đây sẽ sản xuất được pin nhiên liệu quy mô thương mại dùng cho ô tô chạy pin nhiên liệu và trạm phát điện phục vụ sinh hoạt và thương mại. Người tiêu dùng ngày càng đánh giá cao vai trò tích cực của pin nhiên liệu dùng cho ô tô thiết bị truyền và thu hình. Cản trở lớn nhất đểđưa pin nhiên liệu vào sử dụng với quy mô lớn chính là giá thành chế tạo.
Tình hình phát triển pin nhiên liệu và giá thành sản xuất
Loại pin nhiên liệu Giai đoạn phát triển Giá thành chế tạo hiện nay USD/kW
PNL sử dụng trực tiếp kim loại
Nghiên cứu cơ bản >10.000
PNL cacbonat nóng chảy Nghiên cứu thực nghiệm >10.000
PNL oxyt, rắn Nghiên cứu thực nghiệm >10.000
PNL trên cơ sở chất điện phân polymer rắn
Hệ thử nghiệm công
nghiệp
Khoảng 10.000
PNL axit photpho Thương mại hóa Nhỏ hơn hoặc bằng 10.000
Tuy nhiên, trên thực tếđể sử dụng ở quy mô thương mại, giá thành chế tạo thiết bị điện tĩnh tại chạy pin nhiên liệu phải giảm xuống mức dưới 1.500 USD/kW, pin nhiên liệu chạy ô tô phải ở mức dưới 100 USD/kW.
Cho đến nay, mới có các hệ thống cấp diện tĩnh tại sử dụng pin nhiên liệu axit photpho công suất 50, 100 và 200kW tùy theo các ứng dụng cụ thể.
Tình hình nghiên cứu chế tạo pin nhiên liệu ở châu Á
Ở Nhật bản, trong những năm gần đây, các hãng công nghiệp của Nhật Bản đã chi cho nghiên cứu chế tạo pin nhiên liệu trên 200 tỷ Yên (tương đương 1,54 tỷ USD).các công trình R&d của Nhật Bản chủ yếu tập trung vào pin nhiên liệu axit photpho cacbonat nóng chảy, pin nhiên liệu oxyt rắn và pin nhiên liệu trên cơ sở chất điện phân
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 51 SVTH: Thị Mỹ Xung
polymer rắn. Nhưng trên thực tế chỉ mới sử dụng loại pin nhiên liệu axit photpho cho thiết bị cấp điện tĩnh tại.
N ăm 1999, Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp (METI) Nhật Bản đã cho thành lập “Nhóm Tư vấn về Chiến lược phát triển pin nhiên liệu”. Với nhiệm vụ là tăng cường nổ lực phát triển pin nhiên liệu trên cơ sở chất điện phân polymer rắn và xây dựng kết cấu hạ tầng hydro.
N hóm Tư vấn đã xác định mục tiêu cụ thể: đến 2010 chế tạo 50.000 ô tô chạy pin nhiên liệu, năm 2020 5 triệu, đưa vào khai thác thiết bị phát điện từ pin nhiên liệu tới năm 2010 với tổng công suất 2100MW, năm 2020 là 10.000MW. Tham gia Hiệp hội Thương mại hóa pin nhiên liệu ởNhật Bản có 134 hãng công nghiệp và tổ chức nghiên cứu.
Một số hãng ô tô lớn của Nhật như Toyota, Hoda, Nissan, Mazda, Daihastu Kogyo đã nghiên cứu và chế tạo được ô tô chạy bằng pin nhiên liệu. dự tính, đến năm 2010, số lượng ô tô chạy pin nhiên liệu ở N hật sẽđạt 50.000 chiếc, năm 2020 lên đến 5 triệu chiếc, số trạm cấp nhiên liệu hydro năm 2020 là 4000 trạm.
Ở Hàn Quốc, công tác nghiên cứu và phát triển pin nhiên liệu còn đang ở giai đoạn bắt đầu. Tuy vậy, nước này cũng đã có các hệ thống pin nhiên liệu ở dạng thành phNm công suất 50 và 200W. Triển vọng phát triển pin nhiên liệu ở Hàn Quốc có nhiều hứa hẹn, song đểđạt đến mức độ tin cậy và kinh tế còn phải nỗ lực rất nhiều. Do đó, Bộ KH&CN, Bộ Thương mại, Công nghiệp và Năng lượng của Hàn Quốc xây dựng nhiều chương trình nghiên cứu và phát triển cấp nhà nước, giao cho các Viện nghiên cứu chuyên ngành, các trường đại học và các hãng công nghiệp thực hiện. Trong tương lai gần, hoạt động nghiên cứu và phát triển pin nhiên liệu ở Hàn Quốc tập trung vào chế tạo pin nhiên liệu trên cơ sở chất điện phân polyme rắn và cacbon nóng chảy công suất từ 2-3 kW đến 200kW.
Hoạt động nghiên cứu pin nhiên liệu ở Trung Quốc đã có từ trên 50 năm nay, khởi đầu ở Viện Vật lý hóa học và Viện Hàn lâm khoa học Trung Quốc. Trong giai đoạn 1960-1970, các tổ chức nghiên cứu này đã nghiên cứu phát triển pin nhiên liệu kiềm. Tiếp đó là nghiên cứu pin nhiên liệu trên cơ sở chất điện phân polymer rắn,
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 52 SVTH: Thị Mỹ Xung
cacbon nóng chảy và oxyt rắn. Năm 1996, Trung Quốc đã chế tạo được pin nhiên liệu trên cơ sở chất điện phân polyme rắn, công suất 5kW; năm 2001 nghiên cứu thành công thiết bị pin nhiên liệu nóng chảy, công suất 1kW, thiết bị pin nhiên liệu oxyt rắn công suất 200kW và 800kW.
Các nước Liên minh Châu Âu cũng đang chạy đua nghiên cứu chế tạo pin nhiên liệu.
Ở Mỹ, năm 2003 Tổng thống G. Bush đã công bố một chương trình gọi là “Sáng kiến nhiên liệu hydro” với quyết định dành 1,2 tỷ USD cho nghiên cứu và phát triển nhằm mục tiêu đến năm 2020 ô tô chạy bằng pin nhiên liệu phải triển khai thương mại hóa thành công vào thực tế.
Trước đây chi phí chế tạo điện cực bạch kim rất cao đã ngăn cản việc sử dụng rộng rãi pin nhiên liệu polime điện phân. Tuy nhiên khi loại bạch kim trong phản ứng xúc tác tạo điều kiện đưa hệ thống pin nhiên liệu hydro vào thương mại.
Theo thông tin từ các nhà khoa học Los Alamos, các nhà nghiên cứu Gang Wu, Christina Johnston và Piotr Zelenay, kết hợp với nhà nghiên cứu Karren More của phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, mô tả chất xúc tác mới phi kim loại hiếm gần đạt được hiệu suất của hệ thống nền tảng bạch kim cùng với chi phí hợp lý cho việc ứng dụng vào làm pin nhiên liệu năng lượng cao và cũng có thểđược áp dụng cho việc cung cấp năng lượng xe hơi. Phương pháp của nhóm các nhà nghiên cứu sử dụng polyaniline (Pani) như một chất dự báo cho nguyên mẫu Carbon – Nito tổng hợp nhiệt độ cao của hợp chất xúc tác PANI-M-C (M: Sắt và Co) xúc tác cho cực âm phản ứng oxy hóa khử (ORR) tại điện thế xấp xỉ 60mV kết hợp với sự hoạt động cường độ cao với tính ổn định về hiệu suất đáng kể cho các chất xúc tác phi kim loại hiếm (700 giờ với điện thế pin nhiên liệu ở mức 0,4V). Pin nhiên liệu sử dụng chất xúc tác carbon- sắt-cobalt cũng rất hữu hiệu trong việc hoàn thiện quá trình chuyển đổi hydro, oxy thành nước, thay vì sinh ra một lượng lớn dung dịch hydro peroxit (chất tNy nhuộm tóc) không mong muốn (hiệu suất sinh hydro peroxit < 1%). Việc chuyển hóa không hiệu quả nhiên liệu, quá trình sản sinh ra hydro peroxit có thể làm giảm sức mạnh của pin tới 50% và cũng góp phần lớn vào việc phá hủy màng pin. Điểm khích lệ là việc
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 53 SVTH: Thị Mỹ Xung
khám phá ra một hợp chất xúc tác với tính mềm dẻo tốt và vòng đời lâu có liên quan đến các chất xúc tác nền tảng bạch kim. Với cùng các mục đích và dựđịnh, đây là một chất xúc tác có chi phí sản xuất gần như bằng 0 so với bạch kim, vì vậy nó đáp ứng được trực tiếp về rào cản đối với pin năng lượng hydro. Bước tiếp theo của nhóm nghiên cứu sẽ là hiểu rõ hơn về kỹ thuật cơ bản của chất xúc tác carbon-sắt-cobalt. Các bức ảnh micro về các phần của chất xúc tác của các nhà nghiên cứu More đã cung cấp một số hiểu biết thêm về các tính năng của chất này, nhưng còn nhiều việc phải hoàn thành để chứng minh các lý thuyết của nhóm nghiên cứu. Một sự thấu hiểu rõ ràng sẽ dẫn đến sự phát triển, cải tiến chất xúc tác phi kim loại quý này, hơn nữa sẽ tăng mức độ hiệu quả và vòng đời của dạng pin này. Dự án tài trợ cho nghiên cứu của Los Alamos tới từ văn phòng Năng lượng tái sinh và hiệu quả (EERE) của cục năng lượng Mỹ (DOE), cũng như từ Chương trình Nghiên cứu và phát triển thí nghiệm trực tiếp của Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos.
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 54 SVTH: Thị Mỹ Xung
PHẦN III: KẾT LUẬN
Công nghệ pin nhiên liệu đang tập trung nghiên cứu và phát triển để dần dần thay thế các nguồn năng lượng khác nhằm làm giảm ô nhiễm môi trường. Hiện nay, hai loại pin nhiên liệu đang được chú ý nhiều là pin PEMFC và SOFC. Chúng đã được thương mại hóa, tuổi thọ có thểđến 40000 giờ. Hy vọng trong tương lai không xa chúng ta cũng sẽ nghiên cứu và chế tạo thành công những pin nhiên liệu tương tự để đáp ứng nhu cầu năng lượng sạch cấp thiết hiện nay.
Qua đề tài này em muốn mọi người có nhìn nhận rõ hơn về tầm quan trọng và ứng dụng của pin nhiên liệu. Biết được cấu tạo, nguyên lý chế tạo và hoạt động của pin nhiên liệu nói chung, những hướng phát triển pin nhiên liệu trong nước cũng như các nước trên thế giới. Từ đó có thể tập trung kiến thức, năng lực, cơ sở vật chất nghiên cứu về loại năng lượng này để phục vụ cho nhu cầu trong tương lai và theo kịp hướng phát triển của thế giới.
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trang 55 SVTH: Thị Mỹ Xung
Tài liệu tham khảo
1.Hương Cát(13/6/2005), “Pin nhiên liệu: Những nghiên cứu đầu tiên ở VN”, [Internet] [trích dẫn ngày 3/5/2009] Lấy từ: URL: http://vietbao.vn/Khoahoc/ Pin-nhien-lieu-Nhung-nghien-cuu-dau-tien-o-VN/20452101/189/
2.Trần Công Bá, “Fuel Cell”, [Internet] [trích dẫn ngày 6/5/2009] Lấy từ: URL: http://thatsonchaudoc.com/banviet2/TranCongBa/GopNhat/Fuelcell2.htm 3.http://vi.wikipedia.org/wiki/Tế_bào_nhiên_liệu
4.Mai Thanh Truyết(08/03/2007), “Năng Lượng Hydrogen”, [Internet] [trích dẫn ngày 6/5/2009] Lấy từ: URL:
http://www.khoahoc.net/baivo/maithanhtruyet/080307- nangluonghydrogen.htm
5.Vũ Trung(1999), “Pin nhiên liệu”, Công nghiệp hóa chất, (3/1999), [Internet] [trích dẫn ngày 6/5/2009] Lấy từ: URL:
http://www.vinachem.com.vn/XBPViewContent.asp?DetailXBPID=1212&Cat eXBPDetailID=94&CateXBPID=1&Year=1999
6.http://www2.vietbao.vn/images/viet4/khoa-hoc/40220499-217005sm.jpgPin nhiên liệu hydro