Hydrogen and Fuel Cell

Friday, February 11, 2005

Pin nhiên liệu


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 O2/không 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.

PEMFC (forum TTVN)

Bài của Longtoo trên TTVN

Fuel cell - Pin nhiên liệu






Fuel cell la mot cong nghe voi hon 150 nam linh su, bat dau tu dau nhung nam 1800s. Cell (pin hay acqui) bien hoa nang thanh dien nang, nhung chi de tru nang luong. Fuel cell hoat dong tren nguyen tac nay, nhung thay vi dung dong dien de sac (recharge), fuel cell hoat dong lien tuc bien hydrogen va oxygen (lay tu khong khi) thanh dien nang.

Hien nay co rat nhieu loai fuel cell khac nhau dang duoc hoan thien tro thanh san pham thuong mai. Chung mot nguyen ly, chung su dung cac chat xuc tac hoac phuong thuc khac nhau de ket hop hydrogen va oxygen, tao dong dien. Mot so loai fuel cell pho bien hien nay la:

- Fuel cell dung KOH (Alkali)
- Fuel cell dung muoi carbonate nong chay (Molten Carbonate)
- Fuel cell dung phosphoric acid (H3PO4) (Phosphoric)
- Fuel cell dung mang trao doi proton (PEM) (minh hoa o bai 1 va 2)
- Fuel cell dung oxide hop kim (Solid oxide)

Fuel cell khong phat thai. Chinh xac hon, chat phat thai cua fuel cell la nuoc nguyen chat. Hieu xuat cua fuel cell rat cao, tu 65 den 90 %, trong khi do hieu xuat cua dong co dot trong chi khoang 30%. Tuy vay fuel cell con nhieu van de phai giai quyet truoc khi duoc dua vao su dung dai tra.

Chinh phu My moi cong bo (10/2002) se dau tu 1.7 ty (billion) $ vao nghien cuu co ban trong 5 nam toi. Du kien den nam 2020 se ve co ban thay the phan lon cac dong co dot trong bang fuel cell. Truong dai hoc Yale, bang Connecticut - My, moi ky mot hop dong lap dat fuel cell cho khuon vien cua minh tri gia 1.3 trieu $. Yale se la truong dai hoc dau tien tren the gioi su dung fuel cell.


Modtbike dung alkali fuel cell, san xuat nam 1964


Chiec xe bus nay duoc van hanh nam 1994 (do Georgetown Uni - My che tao)

Còn về (màng) proton ion exchange membrane, đó là một lớp màng mỏng chỉ cho phép proton (hạt nhân của phân tử H) di chuyển qua. Thông thường lớp màng này bao gồm vật liệu có tính phân cực mạnh (electrolyte) được gia cố bằng các lớp màng polymer xen kẽ. Như vậy về mặt nguyên lý hoạt động, có khác với màng thẩm thấu ngược (reverse osmosis).

Bài của Ami trên TTVN

Ngày nay, khi mà tiềm năng thuỷ điện đã được con người khai thác gần hết, còn các nguồn nhiên liệu như than, dầu khí thì không có khả năng tái tạo và trong tương lai không xa sẽ cạn kiệt, khi mà năng lượng nguyên tử còn đặt ra quá nhiều tranh cãi bởi sự độc hại của nó thì việc nghiên cứu tìm ra các nguồn năng lượng mới sạch đã trở thành nghiên cứu mũi nhọn của nhiều quốc gia, đặc biệt là các nước phát triển. Trong công cuộc đi tìm nguồn năng lượng mới này, con người đã đạt được những thành công nhất định: đó là sự ra đời của các trung tâm phát điện dùng năng lượng gió, năng lượng mặt trời với công suất lên tới hàng mêga oát. Tuy nhiên những nguồn năng lượng đó tương đối phụ thuộc vào tự nhiên.

Trong những năm gần đây, một hướng nghiên cứu mới đầy triển vọng đã được tìm ra. Đó là việc sử dụng pin nhiên liệu.

Pin nhiên liệu (PAC : piles à combustible) là một máy phát điện biến đổi trực tiếp từ năng lượng của nguồn nhiên liệu sang điện năng nhờ vào quá trình điện hoá. Nhiên liệu sử dụng là hydro và chất gây cháy (oxi). Đây là loại máy phát điện tĩnh, giảm thiểu được các loại chất thải độc hại gây ô nhiễm môi trường và có hiệu suất cao(có thể đạt được hiệu suất 90% nếu sản xuất cả điện và nhiệt).

Pin nhiên liệu có rất nhiều ưu điểm :
-hiệu suất cao : nếu chỉ sản xuất điện thì đạt 40% (bằng nhiệt điện), nếu là cụm nhiệt điện thì có thể đạt tới 90%
-Hiệu suất này ít thay đổi theo công suất phát
-Công suất của PAC có thể từ vài kW tới hàng MW mà không làm thay đổi hiệu suất
-Ít gây ồn ( ngoại trừ máy nén khí và bơm)
-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.
Những tồn tại: dù có rất nhiều điểm mạnh song để có thể cạnh tranh thương mại thì pin nhiên liệu cần đạt được các yêu cầu sau :
-Độ tin cậy của hệ thống : cần đạt được 40nghìn giờ vận hành với các ứng dụng tĩnh(phát điện lên lưới điện).
-Giá thành sản xuất giảm : phải đạt cỡ 5000F/kW công suất đặt. Riêng với ôtô thì giá này cần giảm 10lần( tức là một pin 50kW giá cỡ 25nghìn F)
-Giảm lượng platine cần dùng.
Hơn thế nữa là phải đảm bảo ổn định được nguồn nhiên liệu và hoà được vào lưới điện.

Lịch sử phát triển của pin nhiên liệu :
Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu (PAC) đã được tìm ra từ năm 1802 nhưng mãi tới năm 1839 nó mới có được bước tiến quan trọng : đó là sự hoạt động lần đầu tiên của một pin nhiên liệu với các điện cực bằng platine và dung dịch điện phân là axít sunfuric.
Đến năm 1855, có nhiều nghiên cứu hướng vào việc chế tạo, thiết kế PAC và cũng đạt được một số kết quả : than được dùng làm nhiên liệu. Tuy nhiên, những kết quả đạt được còn quá khiêm tốn. Và đề tài này dường như bị quên lãng. Người ta phải đợi cho tới khi có sự tham gia của người Mỹ trong công cuộc chinh phục vũ trụ(khoảng những năm 1960) thì nó mới được chú ý lại. Song song với nó là những nghiên cứu loại công nghệ mới này nhằm ứng dụng vào lĩnh vực giao thông. Thế nhưng những vấn đề về công nghệ, giá thành đã khiến cho PAC không thể phát triển và cạnh tranh nổi với kỷ nguyên thống trị của dầu lửa.
Tuy nhiên trong vòng chục năm trở lại đây, khi mà khi mà những tiềm năng về thuỷ điện đã được khai thác gần hết và con người đang cố gắng tìm kiếm những nguồn năng lượng sạch mới để thay thế cho điện nguyên tử, nhiệt điện thì những nghiên cứu về PAC lại có cơ hội nở rộ, dù vẫn sử dụng những nguyên lý từ cách đây vài thế kỉ. Đặc biệt là từ đầu những năm 1990, rất nhiều công ty định hướng phát triển pin nhiên liệu và các thành phần của nó. Nhiều hội thảo được tổ chức thường xuyên định kì. Nhiều trung tâm nghiên cứu, trường đại học, quốc gia đã coi việc nghiên cứu pin nhiên liệu như chiến lược phát triển hàng đầu. Đến nay nhiều chương trình đã được thực hiện và kiểm tra trong các ứng dụng trong đời sống thường ngày. Trong năm 2003, lần đầu tiên ở châu Âu sẽ xuất hiện xe buýt chạy bằng pin nhiên liệu.
Pin nhiên liệu có thể áp dụng trong lĩnh vực giao thông, sản xuất điện và nhiệt năng, trong các ứng dụng di động(máy điện thoại, máy tính xách tay) ...
Nguyên lý hoạt động :
Nguyên lý hoạt động cơ bản của PAC rất đơn giản, đó là quá trình ngược lại của sự thuỷ phân của nước. Pin nhiên liệu tổ hợp oxi và hidro để tạo thành nước, cung cấp điện, và nhiệt mà không thải ra các chất gây ô nhiễm. Quá trình này có thể biểu diễn bằng phương trình hoá học như sau :
H2 +1/2 O2 -> H2O
Một điện cực là ôxi, một điện cực là hydro, hiệu điện thế tạo ra trên thực tế đạt 0,7V trên mỗi cặp điện cực. Do đó cần đặt nhiều phần tử như vậy nối tiếp nhau để đạt được một điện áp mong muốn.

Pin nhiên liệu hoạt động dựa trên phản ứng của oxi và hydro. Để hoạt động được thì ngoài phần hoá học, một máy phát điện loại này cần có các phần khác : đầu vào, đầu ra, phần phụ, hệ thống điều khiển.

Đầu vào :
Sản xuất hydro : có thể được điều chế từ các loại hydro các bon(CxHy) (giá 4F/kg), các sản phẩm phụ của công nghiệp hoá và dầu lửa (5 đến 7,5F/kg) hoặc điều chế hydro từ nước(25F/kg).
Dự trữ nhiên liệu (hydro) : có thể dùng hydro lỏng(ở -252 độ C) áp suất 100bars hoặc hyđrua kim loại ( ???) ( rất nặng và đắt) hoặc trong các ống nonatube
Chất cháy : dùng oxi trong không khí ở điều kiện bình thường. Tuy nhiên trong một số trường hợp để tăng hiệu suất, người ta phải nén khí. Hơn nữa, không khí thường không sạch do đó cũng cần lọc trước khi dùng.

Đầu ra :
Bộ phận thải khí : để thải các khí trơ bám ở anốt làm giảm quá trình phản ứng, khí bão hoà sẽ thành nước bám vào catốt.
Tản nhiệt : các phản ứng trong pin có phát nhiệt, cần phải tản nhiệt để đảm bảo nhiệt độ của pin. Ta có thể tận dụng nhiệt này để làm nhiều việc khác. Lượng nhiệt tản ra cũng gần tương đương với điện năng thu được.
Điện năng : điện phát ra trên hai cực của pin phải đảm bảo được điện áp một chiều tối thiểu làm việc của pin. Điểm làm việc (điện áp ra) này sẽ được cố định nhờ các bộ biến đổi điện. Nếu chúng ta muốn có điện xoay chiều thì cần thêm vào một bộ biến đổi nữa ( từ 1 chiều thành xoay chiều).

Các hệ thống phụ khác : để khởi động PAC cần dùng đến hệ thống pin điện hoá. Nó dùng để nâng nhiệt độ của pin đến ngưỡng cần thiết, đảm bảo hoạt động của các bộ phận cùa pin lúc khởi động, đồng thời cũng đảm bảo an toàn cho pin trong các trường hợp sự cố.

Khối điều khiển : nó gồm tất cả các bộ đo, đồng hồ … cho phép biết trạng thái vận hành của hệ thống, tình trạng, thông số của tất cả các phần tử…Nó được lập trình chính xác cho các quá trình khởi động, quá độ, dừng và chế độ làm việc xác lập để điều khiển tối ưu sự làm việc của hệ thống.

Như vậy, với việc ra đời của pin nhiên liệu, điện năng từ đây có thể tích trữ được.