Đang tải... (xem toàn văn)
Bài trình bày chi tiết về "Pin nhiên liệu hydrogen và ứng dụng của nó"
Pin nhiên liệu hydrogen Pin nhiên liệu hydrogen 2013 MỤC LỤC Pin nhiên liệu hydrogen 2013 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ quá trình điện phân và thu hydro. Hình 1.2: Sơ đồ chuyển hóa hydro trực tiếp từ ánh sáng mặt trời. Hình 1.3: Sơ đồ tam giác năng lượng của nền kinh tế hydro sử dụng năng lượng mặt trời. Hình 1.4: Khái quát sơ đồ tạo ra hydro sinh học bằng chất thải hữu cơ và rác thải nông nghiệp. Hình 1.5: Sơ đồ sản sinh hydro từ tảo xanh. Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý của công nghệ sản xuất hydro từ chất hữu cơ như axit axetic và xenlulô. Hình 2.1 : Chiếc xe hơi sử dụng pin nhiên liệu hydro. Hình 2.2 : Viễn cảnh năng lượng tương lai cho thế kỉ 21. Hình 3.1: Ngọn lửa cháy của Hydrocacbon (mũi tên đỏ) và của Hydro (vòng xanh). Hình 3.2: Thử nghiệm đám cháy xe chạy bằng Hydro (trái) và bằng xăng (phải). Hình 3.3: Mô tả cấu tạo pin hydro. Hình 3.4: Nguyên lý hoạt động của pin hydro. Hình 3.5: Sơ đồ pin khi hoạt động. Hình3.6: Các loại pin hydro. Hinh 3.7: Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu kiềm. Hình 3.8: a) Tàu Con Thoi của NASA (Hoa Kỳ) sử dụng pin nhiên liệu Alkali để cung cấp năng lượng và nước uống trong không gian; b) Chiếc taxi chạy bằng pin nhiên liệu đầu tiên của ZEVCO ở London, Anh. Hình 3.9: Sơ đồ hoạt động của pin PAFC. Hình 3.10: Hoạt động của pin PEMFC. Hình 4.1: Các phương pháp vận chuyển hydro. Hình 4.2: Mô hình vận chuyển và lưu kho nhiên liệu Hydrogen. Hình 4.3: Giản đồ pha của hydro. Hình 4.4: Bình lưu trữ hydrua kim loại……… Pin nhiên liệu hydrogen 2013 DANH SÁCH CÁC BẢNG Pin nhiên liệu hydrogen 2013 PHẦN 1 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG Từ xa xưa, con người đều hướng tới việc sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch để phục vụ cho cuộc sống. Tuy nhiên, việc sử dụng các nguồn nhiên liệu đó đã gây ra nhiều vấn đề đáng lo ngại, trữ lượng ngày càng cạn kiệt do sự khai thác không mệt mỏi của con người, ô nhiễm ngày càng trầm trọng do những chất thải phát ra từ việc khai thác sử dụng, việc khai thác cũng dẫn đến những biến đổi trong cấu trúc hệ sinh thái trong môi trường (khai thác dầu mỏ, khai thác than đá…) Ngày nay, nhiều nước phát triển trên thế giới đã bắt đầu hoạch định mục tiêu hướng đến nền kinh tế hydro (hydrogen economy) trong chiến lược năng lượng của mình, và một vấn đề quan trọng là pin nhiên liệu hydro. Vậy, pin nhiên liệu hydro là gì? Nó hoạt động như thế nào? Lưu trữ hydro ra sao? Nền kinh tế hydro là gì? Nó đem lại những lợi ích nào cho cuộc sống? Bài viết này sẽ cố gắng đưa ra một cái nhìn khái quát về những vấn đề nói trên để cho thấy những nỗ lực của con người nhằm hướng đến viễn cảnh năng lượng sạch và bền vững trong tương lai. 1.1. Từ nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch đến nền kinh tế hydro. Thế giới chúng ta đang bị phụ thuộc nặng nề vào một nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch. Nhiên liệu của đa số các phương tiện giao thông hiện tại (xe hơi, xe lửa, máy bay…) là xăng dầu; một tỉ lệ khá cao các nhà máy điện là nhiệt điện dùng dầu hỏa, khí thiên nhiên hay than đá. Nếu không có nhiên liệu hóa thạch, thế giới sẽ rơi vào khủng hoảng. Trong khi nhiên liệu hóa thạch đóng một vài trò quan trọng trong việc đưa xã hội đến mức phát triển như ngày nay thì nó cũng tồn tại những vấn đề nhức nhối lớn: ô nhiễm không khí, nguy hiểm và đáng lo ngại hơn cả là vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu cùng với sự nóng lên của trái đất. Ngoài ra, nhiên liệu hóa thạch chỉ là nguồn tài nguyên hữu hạn không thể được tái tạo, và nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch còn làm cho một số nước không có nhiều tài nguyên sẽ bị phụ thuộc vào những nước vốn có nguồn dầu dồi dào (dầu mỏ ở Trung Đông…), từ đó dẫn đến nhiều hệ lụy chính trị và kinh tế khác, thậm chí cả những cuộc chiến tranh giành dầu mỏ. 5 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 Giữa bối cảnh đó, khái niệm về một nền kinh tế hydro dựa trên nguồn năng lượng sạch, dồi dào phục vụ mục tiêu phát triển bền vững của nhân loại xuất hiện như một giải pháp đầy hứa hẹn và tiềm năng. “Nền kinh tế hydro là một hệ thống lưu trữ, phân phối và sử dụng năng lượng dựa trên nhiên liệu chính là hydro”. Thuật ngữ này được tập đoàn General Motors đặt ra năm vào 1970. Nền kinh tế hydro hứa hẹn đẩy lùi tất cả những vấn đề đáng lo ngại do nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch đã gây ra. Một cách tóm tắt, những lợi ích chính của nền kinh tế hydro là: - Không gây ô nhiễm: khí hydro được sử dụng trong pin nhiên liệu, nó là một công nghệ hoàn toàn sạch. Sản phẩm duy nhất sinh ra là nước, do đó sẽ không gây ra ô nhiễm. - Không thải ra khí gây hiệu ứng nhà kính: quá trình điện phân nước tạo hydro không hề tạo nên khí nhà kính nào. Đó là một quá trình lý tưởng và hoàn hảo: điện phân nước để thu hydro, hydro lại tái kết hợp với oxy để tạo ra nước và cung cấp điện năng trong pin nhiên liệu. - Không phụ thuộc về kinh tế: không dùng dầu mỏ cũng có nghĩa là không phải phụ thuộc vào các thùng dầu nhập khẩu từ nước ngoài. Nước có ở tất cả mọi nơi, là nguồn năng lượng vô tận, chiếm đến 3/4 bề mặt trái đất. - Hydro có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau: nhất là từ các nguồn năng lượng tái sinh. Như vậy, những lợi ích về mặt môi trường, kinh tế và xã hội của hydro là rất đáng kể. Tất cả những thế mạnh đó đã tạo nên một bước đột phá mạnh mẽ hướng nhân loại tiến đến nền kinh tế hydro. 1.2. Sản xuất hydrogen. Hydro là nguyên tố phổ biến nhất, cấu thành đến 90% vật chất của vũ trụ (75% theo trọng lượng). Mặt Trời, hầu hết các ngôi sao và một số hành tinh như Jupiter (sao Mộc - hành tinh lớn nhất Thái Dương hệ) được tạo nên chủ yếu bởi hydro. Phản ứng tổng hợp hạt nhân giữa các đồng vị của hydro - deuterium và tritium đã cung cấp nguồn năng lượng khổng lồ cho mặt trời và các ngôi sao, nhờ đó duy trì sự sống. Hydro là thành viên nhỏ nhất và có cấu trúc đơn giản nhất trong gia đình các nguyên tố hóa học, chỉ gồm một proton và một electron. Phân tử hydro chứa hai 6 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 nguyên tử hydro, là khí không màu, không mùi, không vị, rất dễ cháy. Hydro có trọng lượng nhỏ nhất trong các loại khí và hydro dạng nguyên chất gần như không tồn tại trong tự nhiên. Trên Trái Đất, hydro phần lớn ở dạng kết hợp với oxy trong nước, hay với cacbon và các nguyên tố khác trong vô số các hợp chất hữu cơ tạo nên cơ thể mọi loài động thực vật. Khác với các nguồn nhiên liệu hóa thạch (ví dụ như dầu mỏ có thể bơm trực tiếp từ lòng đất lên rồi sử dụng), hydro là nguồn năng lượng thứ cấp, tức là chúng không thể được khai thác trực tiếp mà phải được tạo ra từ một nguồn sơ cấp ban đầu. Điều này là một điểm bất lợi, nhưng đồng thời lại là điểm mạnh của hydro do người ta có thể sản xuất khí hydro từ nhiều nguồn khác nhau, đặc biệt từ các nguồn năng lượng tái sinh. Có ba phương pháp cơ bản tạo ra hydro: + Phương pháp chuyển hóa từ hydrocacbon (nhiên liệu hóa thạch, sinh khối) bằng nhiệt. + Phương pháp phân hủy nước. + Phương pháp vi sinh. 1.2.1. Phương pháp khí hóa từ hydrocacbon. 1.2.1.1. Khí hóa khí thiên nhiên. Quá trình này gồm hai bước chính: Trước hết, khí thiên nhiên (với thành phần chủ yếu là CH 4 ) được tách cacbon và chuyển hóa thành H 2 nhờ hơi nước dạng hơi quá nhiệt dưới áp suất cao, xúc tác ở nhiệt độ khoảng 900 o C. CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2 CO sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước chuyển hóa thành khí CO 2 và tạo ra thêm khí H 2 . CO + H 2 O → CO 2 + H 2 Đây là phương pháp công nghiệp phổ biến hiện nay để sản xuất hydrogen. 1.2.1.2. Khí hóa than đá. Than đá được nghiền thành dạng bột rồi hòa trộn với nước. Phản ứng được tiến hành ở khoảng 1400 o C với O 2 hay không khí, tạo ra hỗn hợp gồm H 2 và CO. CO sinh 7 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước chuyển hóa thành khí CO 2 và tạo ra thêm khí H 2 . * Nhược điểm của 2 phương pháp trên: - Sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch. - Sản phẩm sinh ra khí CO và CO 2 - khí gây hiệu ứng nhà kính. - Điều kiện phản ứng khá khắc nghiệt, tổn hao nhiêu liệu lớn. Do vậy, các phương pháp này chỉ để cung cấp nguyên liệu cho các sản xuất hóa chất, sản xuất phân bón…, không phải là phương pháp tạo ra năng lượng sạch mà chúng ta quan tâm. Tuy vậy, phương pháp sản xuất khí hydrogen từ nhiên liệu hóa thạch đã và sẽ còn chiếm ưu thế trong tương lai gần. Lý do chính yếu là do trữ lượng nhiên liệu hóa thạch còn tương đối dồi dào, nhất là đối với khí thiên nhiên. Hơn nữa, chúng ta có thể thu hồi CO 2 để hạn chế tác động của nó đến môi trường. 1.2.1.3. Khí hóa sinh khối. Sinh khối (thực vật, rác thải nông nghiệp và đô thị ) có thể được sử dụng để sản xuất hydrogen. Đầu tiên, sinh khối được chuyển thành dạng khí qua quá trình khí hóa ở nhiệt độ cao có tạo ra hơi nước. Hơi nước chứa hydrogen được ngưng tụ và sau đó có thể được hóa nhiệt để sinh ra H 2 . Quá trình này thường tạo ra sản lượng H 2 khoảng từ 12-17% trọng lượng hydrogen của sinh khối. * Ưu điểm: - Không sử dụng những nguồn nguyên liệu hóa thạch. - Tận dụng được nguồn chất thải sinh học, rác thải… là những nguồn có thể coi là vô tận. * Nhược điểm: Quá trình khí hóa ở nhiệt độ cao có thể sinh ra CO 2 và các khí gây ô nhiễm môi trường. 1.2.2. Phân hủy nước. Phương pháp này là phương pháp được tập trung khai thác nhiều nhất bởi vì nó sử dụng nguồn năng lượng vô tận là nước. Dựa trên bản chất quá trình phân hủy nước, có thể tóm tắt thành 2 phương pháp để sản sinh H 2 như sau: 8 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 1.2.2.1. Điện phân nước. Phương pháp này dùng dòng điện để tách nước thành khí H 2 và O 2 . Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực. H 2 sinh ra ở điện cực âm và O 2 sinh ra ở điện cực dương: Phản ứng trên cathode: 2 H 2 O + 2 e - → H 2 + 2 OH - Phản ứng trên anode: 2 OH - - 2 e - → H 2 O + ½ O 2 __________________________________________________ Tổng quát: 2 H 2 O + điện năng → 2 H 2 + O 2 Nguồn năng lượng để tạo ra điện năng đang được quan tâm nghiên cứu và được ứng dụng rộng rãi là sử dụng năng lượng mặt trời (bằng các pin mặt trời, chất bán dẫn…), thủy điện, năng lượng gió để tạo ra điện năng. Sau đó, dòng điện sẽ được cung cấp để điện phân nước sản sinh H 2 . Hình 1.1: Sơ đồ quá trình điện phân và thu hydro. * Ưu điểm: - Không gây ô nhiễm môi trường, không gây hiệu ứng nhà kính. - Nguồn nguyên liệu vô tận (nước). - Nguồn năng lượng tạo ra điện năng là vô tận, không sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch. 9 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 1.2.2.2. Phân hủy nước dưới ánh sáng mặt trời có xúc tác. Đây là phương pháp sử dụng trực tiếp nguồn năng lượng từ mặt trời, nhờ quá trình tập trung năng lượng đến nhiệt độ cao để phân hủy nước có mặt của xúc tác, tạo ra hydro. Các nhà khoa học thuộc trường đại học Colorado (Mỹ) sử dụng hàng loạt các tấm gương cầu để tập trung ánh sáng mặt trời vào một tháp nước cao hàng chục mét. Tháp này sẽ được đốt nóng tới khoảng 1350 o C, đủ nóng để giải phóng hydro với xúc tác là một hợp chất oxit kim loại (Fe, Co, Al). Hình 1.2: Sơ đồ chuyển hóa hydro trực tiếp từ ánh sáng mặt trời. Đây là phương pháp được rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và phát triển. * Ưu điểm: - Không gây ô nhiễm. - Sử dụng nguồn năng lượng vô tận là mặt trời. - H 2 được chuyển hóa trực tiếp từ nước dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời, không qua quá trình sử dụng điện năng để điện phân nước. Do đó, tiết kiệm chi phí vận hành. - Quy trình đơn giản, dễ vận hành. Hai phương pháp này được khái quát thành một sơ đồ tam giác, đặc trưng cho việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời để sản sinh hydro. 10 [...]... cực âm của pin nhiên liệu Lượng điện thu được từ pin nhiên liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: loại pin nhiên liệu, kích cỡ pin, nhiệt độ khi nó hoạt động, áp suất không khí được cung 35 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 cấp vào pin, … Tùy theo từng loại pin nhiên liệu mà điện áp của pin sẽ khác nhau, nhưng thông thường nằm trong khoảng từ 0,3 đến 0,9V Hình 3.5: Sơ đồ pin khi hoạt động Dòng hidro vào: −... loại pin nhiên liệu có thể khác nhau về vật liệu và cấu tạo, nhưng chúng đều có cùng công dụng là thúc đẩy các phản ứng hóa học xảy ra ở các điện cực, giảm năng lượng hoạt hóa của quá trình hóa học Chất xúc tác thường dùng trong pin nhiên liệu là platin và hợp kim của platin vơi kim loai khac như Ru, Ni, Co… 3.3.2 Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu hydro Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu hydro... bằng nhiên liệu hóa thạch phổ biến hiện nay Hydrogen cũng có thể thay thế khí thiên nhiên để cung cấp năng lượng cho các nhu cầu dân dụng hàng ngày như đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng… Hydrogen sử dụng trong pin nhiên liệu: Nó còn được sử dụng làm nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống pin nhiên liệu, nhờ quá trình điện hóa để tạo ra 16 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 điện năng Bên cạnh những ưu điểm của hydrogen. .. là nước) và hiệu quả hơn xăng dầu thông thường, do đó các động cơ đốt trong dùng hydrogen đã và đang dần trở thành hiện thực trong bước chuyển tiếp công nghệ này Quan trọng hơn, đó là ứng dụng của hydrogen làm nhiên liệu cho pin nhiên liệu, một công nghệ đầy triển vọng trong tương lai Về cơ bản, pin nhiên liệu hydrogen vận hành tương tự như quá trình nghịch của phản ứng điện phân: khí hydrogenvà oxygen... này, hydrogen sẽ là một nguồn nhiên liệu quan trọng trong tương lai, phục vụ cho nhu cầu năng lượng của con người Bởi hydrogen là một loại nhiên liệu tái sinh, thân thiện với môi trường, không gây ô nhiễm, không phát 15 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 thải ra khí gây hiệu ứng nhà kính, hydrogen khi cháy rất “sạch” phản ứng cháy của hydrogen chỉ tạo ra nước Hình 2.1 : Chiếc xe hơi sử dụng pin nhiên liệu. .. cấp đầy đủ nhiên liệu cho nó, trong khi đó, acquy cần phải được nạp điện lại (sạc) từ một nguồn điện bên ngoài sau một thời gian sử dụng Như vậy, muốn tái sử dụng acquy, cần phải có một thời gian dài để nạp điện lại, trong khi đối với pin nhiên liệu, chỉ cần cung cấp nhiên liệu là có thể có điện để sử dụng 3.2 .Nhiên liệu hydrogen 3.2.1.Vai trò của hydro trong pin nhiên liệu Pin nhiên liệu PEM cần hydro... của pin nhiên liệu sẽ nhận các electron này, tạo thành các 22ion (O ) Trong một số dạng pin nhiên liệu, các ion O này sẽ kết hợp với các ion + H vừa đi qua chất điện giải từ anode của pin nhiên liệu để tạo thành nước Trong một số dạng pin nhiên liệu khác, các ion oxy sẽ di chuyển qua chất điện giải đến anode, gặp và kết hợp với các ion hydro ở đó để tạo thành nước Ở một số loại pin nhiên liệu sử dụng. .. lai, pin nhiên liệu được phát triển mạnh vào đầu thập niên 1990 Thông qua đó việc sử dụng pin nhiên liệu dành cho các mục đích dân sự đã trở thành hiện thực Ngày nay, phạm vi sử dụng của pin nhiên liệu đã được mở rộng từ vận hành ô tô , nhà sưởi qua các nhà máy phát điện có công suất hằng 100 kW cho đến những ứng dụng bé nhỏ như trong điện thoại di động hoặc máy vi tính xách tay 24 Pin nhiên liệu hydrogen. .. chứng minh lần đầu tiên tại Viện khoa học Luân Đôn bới các nhà khoa học Anh và Willian Grovein 1839 Ông khám phá ra một quá trình hóa học điện tương đối đơn giản nơi mà hydro và oxy tương tác trong một pin để tạo ra điện và nhiệt Có nhiều kiểu pin nhiên liệu và mỗi kiểu vận hành một cách khác nhau tùy thuộc vào loại nhiên liệu và chất điện giải sử dụng trong pin Tuy nhiên, quá trình hoạt động của pin. .. hydrogen 2013 3.1.2 Khái niệm Pin nhiên liệu là một thiết bị có thể chuyển đổi trực tiếp hóa năng của nhiên liệu thành điện năng nhờ vào các quá trình điện hóa Nguồn nhiên liệu cơ bản cần thiết cho pin vận hành gồm: hydro, methanol, ethanol … và chất oxy hóa (thường là oxy từ không khí) Trong pin nhiên liệu hoàn toàn không có sự cháy như trong động cơ đốt trong, do đó pin nhiên liệu sinh ra lượng khí ít . Pin nhiên liệu hydrogen Pin nhiên liệu hydrogen 2013 MỤC LỤC Pin nhiên liệu hydrogen 2013 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ quá trình. loại……… Pin nhiên liệu hydrogen 2013 DANH SÁCH CÁC BẢNG Pin nhiên liệu hydrogen 2013 PHẦN 1 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG Từ xa xưa, con người đều hướng tới việc sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa. sáng… Hydrogen sử dụng trong pin nhiên liệu: Nó còn được sử dụng làm nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống pin nhiên liệu, nhờ quá trình điện hóa để tạo ra 16 Pin nhiên liệu hydrogen 2013 điện năng.