IV. Pin nhiên liệu và ăcquy nhiệt độ cao 1 Đại c−ơng [1], [6a-e], [8]
2. Phân loại pin nhiên liệu
2.5. Pin nhiên liệu oxit rắn SOFC (Solid Oxide Fuel Cells)
Pin nhiên liệu SOFC, sử dụng chất điện ly oxit ZrO2 + Y2O3 th−ờng viết tắt YSZ (nghĩa là oxit zirconi đ−ợc ổn định hoá bởi oxit yttri) có cơ cấu làm việc theo sơ đồ sau:
H2 ⏐ điện ly rắn YSZ ⏐ O2 Quá trình anot và catot xảy ra khi pin hoạt động là:
Anốt (Ni - ZrO2): H2 + O2-→ H2O + 2 e- (IV.9) Catốt (La - Sr - MnO3): 1/2 O2 + 2 e-→ O2- (IV.10)
Đặc tr−ng quan trọng nhất của pin SOFC là vật liệu gốm điện ly chế tạo ở dạng màng. Thật vậy, gốm YSZ ở nhiệt độ cao ~ 900oC là vật liệu dẫn ion O2-(tính chất dẫn tốt của gốm YSZ đ−ợc phát hiện đầu tiên (1899) do W.Nernst và ng−ời đầu tiên sử dụng gốm YSZ làm chất điện ly nhiệt độ cao cho nguồn điện thay cho chất lỏng là W.Schottky). Tính chất dẫn ion O2- của gốm đ−ợc giải thích nh− sau: Trong mạng cấu trúc lập ph−ơng của một số họ gốm oxit (nh− fluorit, pyrochlore, perovskit...) th−ờng tồn tại các vị trí trống oxi (~ vài phần trăm) ký hiệu VO2-. Khi oxi phân tử tiếp xúc với một màng gốm oxit nh− vậy ở điều kiện nhiệt độ cao và chênh lệch về áp suất ở 2 phía của màng, thì xảy ra phản ứng khử giữa O2 và VO2-, VO2- đ−ợc gọi là vị trí trống oxi liên kết trong mạng oxit:
O2 + 4 e- + VO2- → 2 O2- (IV.11)
Với phản ứng (IV.11) diễn ra quá trình chiếm chỗ các vị trí trống đã có và sinh ra mới trong mạng oxit; có thể hình dung các vị trí trống này là nên linh động và dịch chuyển từ phía áp suất oxi cao sang phía áp xuất oxi thấp. Hiệu quả là phân tử khí O2 sau khi đi qua màng đ−ợc phân ly thành ion O2- hoạt tính tham gia phản ứng (IV.9) ở khu vực anot.
Độ dẫn của gốm điện ly phụ thuộc vào độ linh động của các VO2- trong cấu trúc mạng oxit YSZ ở nhiệt độ nung nóng (800 ữ 1000oC). Nhiệt độ càng cao độ dẫn điện càng lớn, chất điện ly rắn ở nhiệt độ cao dẫn điện gần giống nh− lỏng. Đây là tính chất đặc biệt của họ vật liệu gốm oxit zirconi. Việc bổ xung một l−ợng Y2O3 (∼ 10% mol) vào ZrO2 có tác dụng ngăn cản sự chuyển pha và hạ nhiệt độ nóng chảy. Nói chung, nguồn điện làm việc ở nhiệt độ cao gặp phải những thử thách rất lớn về mặt vật liệu học nh− vấn đề cách nhiệt, dãn nở nhiệt, ăn mòn vật liệu ở nhiệt độ cao... cần phải đ−ợc tính toán trong thiết kế. Cùng với việc lựa chọn và sử dụng những vật liệu mới thích hợp, vấn đề tối −u hoá việc lắp ghép bản cực nốt và catot với lớp điện ly YSZ mỏng (dày 5 - 1 5 àm), tạo các đ−ờng dẫn nhiên liệu (H2 + hơi H2O (∼ 3%)) và oxi không khí cũng nh− thiết kế các thanh nối điện giữa các mô đun. Một mô đun đơn có điện áp hở mạch 1 ữ l,2V. Khi làm việc ở chế độ có tải, điện áp sụt còn 0,7 ữ 0,9 V, dòng làm việc có thể khai thác là 500 ữ 600mA/cm2. Nhiệt độ duy trì trong pin nhiên liệu 900 ữ 950oC. Hiệu suất thiết kế 60%. Pin nhiên liệu nhiệt độ cao SOFC đã đ−ợc chế tạo với dải công suất khác nhau ở dạng tiền th−ơng mại hoá cho các ứng dụng nh− ô tô chạy điện (công suất < 50 kw) hoặc trạm điện cho khách sạn, bệnh viện (công suất 1000 kw). Một số hãng hàng đầu thế giới nh− Westinghouse Electric Co, (Mỹ), Siemens (Đức), Ceramic Fuel Cells Ltd. (úc), Mitsubishi (MHI - Nhật) là những nhà sản xuất các pin SOFC đặc chủng nói trên.
Nhìn chung có thể nói triển vọng ứng dụng của pin nhiên liệu rất to lớn trong nhiều lĩnh vực quan trọng sau đây:
- Pin nhiên liệu là nguồn điện hoá học duy nhất thích hợp trên các con tầu vũ trụ kết hợp với pin mặt trời để cung cấp năng l−ợng và tái tạo lại n−ớc sạch cho sinh hoạt. Đó là nguồn điện có khối l−ợng và thể tích chiếm chỗ tối thiểu.
- Pin nhiên liệu cũng là nguồn điện dùng trong tầu ngầm d−ới biển sâu vì có công suất đủ lớn, một nguồn điện hoạt động không có tiếng ồn và khí thải đảm bảo bí mật quân sự.
- Pin nhiên liệu trong tổ hợp "Pin mặt trời + Điện phân n−ớc + Pin nhiên liệu th−ờng gọi tắt là Hydro - Mặt trời (Hydrosolan) - là công nghệ thích hợp để tích trữ năng l−ợng mặt trời, biến dạng năng l−ợng tản mạn phục vụ cho vùng sa mạc, hải đảo.
Pin nhiên liệu đang đ−ợc thiết kế để chạy các ô tô điện ZEV (Zero - Emision - Vehicles) vào năm sau 2010, thay thế cho ô tô chạy xăng dùng động cơ đốt trong.
- Pin nhiên liệu là loại nguồn điện hoá học có khả năng lắp ghép thành các modul công suất lớn (200-500 kW) hoặc trở thành các trạm điện (5-10MW). Sự hấp dẫn cơ bản là hiệu suất chuyển hoá năng l−ợng cao (70%) và sạch ô nhiễm.