- COOAB Màng
1. Khái quát về pin nhiên liệu (fuel cell) Nguyên nhân phát triển pin nhiên liệu
1.1. Nguyên nhân phát triển pin nhiên liệu
Ngày nay, trong xã hội hầu hết các nguồn năng lượng được cung cấp từ nhiên liệu hĩa thạch. Xã hội càng phát triển nguồn nhiên liệu tiêu thụ càng nhiều kéo theo các khí thải cacbon dioxide (CO2) càng tăng. Trong xã hội phát triển ơ tơ đĩng vai trị chính trong sự phát triển cơng nghiệp và kinh tế cũng như thỏa mãn các nhu cầu của cuộc sống. Vì vậy ơ tơ là nguồn gây ơ nhiễm lớn đến mơi trường, lượng ơ tơ hiện nay khoảng 740 triệu chiếc và ngày càng tăng nhanh.
Theo dự đốn, nếu với đà tiêu thụ này thì nguồn năng lượng chúng ta sẽ bị cạn kiệt vào nửa sau thế kỷ 21. Vì vậy, chúng ta cần cải tiến hiệu suất của động cơ cũng như tìm ra các nguồn năng lượng mới để thay thế chúng.
Ơ tơ sử dụng nguồn năng lượng hĩa thạch ngồi các chất độc hại nh NOX, CO, HC cịn cĩ lượng khí thải khá lớn là CO2 khơng thể khơng chế được (vì đây là sản phẩm tất yếu của quá trình oxi hĩa chất hữu cơ). Mà CO2 là chất gây ra hiệu ứng nhà kính là nguyên nhân làm tăng dần nhiệt độ trái đất. Theo tính tốn lượng CO2 do xe cơ giới thải ra chiếm khoảng 18%.
Hình 2.5.1. Dự báo về xu hướng sử dụng nguồn nhiên liệu trên thế giới
Vấn đề ơ nhiễm mơi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng. Mơi trường khơng khí bị ơ nhiễm bởi các hĩa chất độc hại thải ra từ các hoạt động cơng nghiệp, các quá trình cháy trong cơng nghiệp và đặc biệt là trong động cơ nhiệt. Theo thống kê của thế giới, tỉ lệ phát thải các chất gây ơ nhiễm như CO, NOx, HC từ các phương tiện giao thơng chiếm tỉ lệ cao và lớn nhất trong tất cả các nguồn gây ơ nhiễm. ở các thành phố, nơi cĩ nhiều phương tiện giao thơng - đặc biệt là ơtơ, thì nồng độ các chất ơ nhiễm rất cao. Điều này làm ảnh hưởng đến sức khỏe con người và mơi trường sinh thái.
Một trong những ảnh hưởng đĩ là việc xuất hiện các căn bệnh ung thư, khả năng miễn dịch cơ thể con người giảm. Nồng độ CO2 trong khơng khí tăng gây ra hiệu ứng nhà kính.
Hình 2.5.2 Sự gia tăng lượng CO2 sinh ra do quá trình đốt cháy nhiên liệu (năm 2000)
Để giảm ơ nhiễm mơi trường do khí xả của động cơ ơtơ, người ta đã và đang nghiên cứu - ứng dụng các biện pháp kỹ thuật nhằm hạn chế tối đa mức độ phát thải các chất ơ nhiễm từ khí xả động cơ. Một số giải pháp chính là :
Tối ưu hĩa quá trình cháy của động cơ bằng cách điều chỉnh các thơng số kết cấu và thơng số hoạt động của động cơ, để giảm nồng độ các chất gây ơ nhiễm trong khí xả
Thiết kế, chế tạo các bộ lọc cĩ xúc tác để xử lý khí xả từ động cơ Sử dụng ơtơ chạy bằng điện, năng lượng mặt trời
Sử dụng nhiên liệu thay thế. Động cơ sử dụng nhiên liệu mới (khí thiên nhiên, LPG, methanol, dầu thực vật..v.v.) cĩ mức độ phát thải ơ nhiễm thấp hơn động cơ xăng, động cơ diesel.
Nguồn năng lượng điện mà đặc biệt là sự phát triển pin nhiên liệu sử dụng nguyên liệu Hidro đang được phát triển mạnh. Hydro là nguồn năng lượng lý tưởng nĩ cĩ nhiệt năng cao đồng thời khơng gây ra ơ nhiễm mơi trường. Mặt khác hydro cĩ thể điều chế từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau nên khơng phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hĩa thạch. Từ đĩ, ý tưởng pin nhiên liệu sử dụng hydro ra đời.
Hình 2.5.3 Các nguồn nguyên liệu cĩ thể điều chế Hidro
1.2. Lịch sử phát triển của pin nhiên liệu
- William Robert Grove (1811 - 1896), một luật gia - nhà vật lý người Anh đã tạo ra pin nhiên liệu đầu tiên vào năm 1839.
- Vào năm 1900 các nghiên cứu đã chuyển trực tiếp năng lượng hố học của các dạng năng lượng hố thạch sang điện năng, tiêu biểu là hệ thống pin nhiên liệu Hydro ra đời.
- Vào năm 1920, A. Schmid là người tiên phong trong việc xây dựng bộ phân tích bằng Platium, các điện cực cacbon - hydro xốp dưới hình thức ống.
- Ơ Anh, F.T. Bacon đã chế tạo ra hệ thống pin nhiên liệu alkine (AFC) sử dụng điện cực kim loại xốp là nền tảng cho NASA chế tạo tàu vũ trụ sử dụng pin nhiên liệu để đưa người lên mặt trăng vào năm 1968.
- Năm 1970 K.Kordesh xây dựng bộ pin nhiên liệu kết hợp ắc quy trên một ơ tơ lái 4 chỗ và đã hoạt động được 3 năm ở thành phố thường xảy ra kẹt xe.
- Đến giữa năm 1970 tế bào nhiên liệu dùng hệ thống axit photphoric ra đời. - Vào những năm 1980 pin nhiên liệu dùng cacbon nấu chảy (MCFC) phát triển mạnh.
- Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) được phát triển vào thập niên 1990.
- Vào những năm 1990 pin nhiên liệu dạng màng (PEFC) xuất hiện với mật độ cơng suất thu được rất cao.
1.3. Ưu nhược điểm của pin nhiên liệua. Ưu điểm a. Ưu điểm
Pin nhiên liệu cĩ thể được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như: bệnh viện, các phương tiện vận chuyển, trạm khơng gian, khách sạn, các nhu cầu sinh hoạt của con người.v.v.
So với năng lượng truyền thống, pin nhiên liệu khơng gây ơ nhiễm mơi trường; sản phẩm thải ra là H2O.
Hiệu suất cao hơn 60%. Độ tin cậy cao.
Khơng gây ra tiếng ồn.