Pin nhiên liệu - Nguồn năng lượng tương lai
PETROVIETNAM
TẠP CHÍ DẦU KHÍ
Số 7 - 2019, trang 57 - 67
ISSN-0866-854X
PIN NHIÊN LIỆU - NGUỒN NĂNG LƯỢNG TƯƠNG LAI
Nguyễn Thị Lê Hiền
Viện Dầu khí Việt Nam
Email: hienntl@vpi.pvn.vn
Tóm tắt
Pin nhiên liệu là tế bào điện hóa chuyển đổi năng lượng tiềm tàng từ nhiên liệu thành điện thông qua phản ứng điện hóa của nhiên
liệu hydro với chất oxy hóa thường là oxy. Pin nhiên liệu cho phép cung cấp điện liên tục khi nhiên liệu được nạp vào, với hiệu suất chuyển
hóa cao và không gây ô nhiễm môi trường. Mặc dù đang được sử dụng thử nghiệm, song pin nhiên liệu có tiềm năng phát triển rất lớn
trong tương lai.
Từ khóa: Pin nhiên liệu, phản ứng điện hóa giữa hydro và oxy, hiệu suất cao, thân thiện môi trường.
1. Giới thiệu
Bên cạnh các nguồn năng lượng tái tạo đang được
Khí hydro được cấp vào khoang cực âm (anode), tại
đó xảy ra quá trình oxy hóa theo phản ứng:
H2 – 2e → 2H+
(1)
phát triển mạnh (như năng lượng gió, năng lượng mặt
trời), pin nhiên liệu đang là hướng nghiên cứu đầy triển
vọng [1 - 4]. Khác với các nguồn năng lượng tái tạo, không
có khả năng tích trữ và phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên,
pin nhiên liệu cho phép cung cấp năng lượng ổn định,
liên tục theo yêu cầu và có khả năng tàng trữ dưới dạng
nhiên liệu.
Các ion H+ tạo thành khuếch tán qua dung dịch điện
ly tới bề mặt cực dương (cathode), nơi xảy ra phản ứng
khử oxy theo phương trình (2) và giải phóng ra nước tinh
khiết:
O2 + 4e + 4H+ → 2H2O
(2)
(3)
Phản ứng tổng: H2 + 1O2 → H2O
Pin nhiên liệu là thiết bị điện hóa có khả năng biến đổi
trực tiếp năng lượng hóa học thành năng lượng điện nhờ
quá trình oxy hóa khử, nhiên liệu thường là khí hydro và
khí oxy hoặc không khí bằng phản ứng điện hóa [4].
Tại 2 đầu của điện cực anode và cathode, xuất hiện
một sức điện động. Tại điều kiện tiêu chuẩn (25oC, [H+] =
1mol, PH2 = PO2 = 1atm), sức điện động chuẩn của một tế
bào nhiên liệu là [5]:
Đây là loại máy phát điện tĩnh, chạy rất êm, không
gây tiếng động, không tạo các loại chất thải độc hại gây
ô nhiễm môi trường và có hiệu suất rất cao (có thể đạt
được hiệu suất 90% nếu sử dụng cả điện và nhiệt). Với ưu
thế vượt trội đó, pin nhiên liệu được dự báo sẽ trở thành
nguồn nhiên liệu sạch đầy triển vọng và được áp dụng
rộng rãi trong tương lai.
Eo = ϕoH2O/O2 - ϕoH+/H2 = 1,23 – 0 = 1,23 (V)
Khi nối tế bào pin nhiên liệu với mạch ngoài, các điện
tử sẽ chuyển từ anode qua mạch ngoài sang cathode,
dòng điện sẽ chuyển dịch theo chiều ngược lại cung cấp
cho mạch ngoài tạo mạch điện khép kín như Hình 1.
Về nguyên tắc, pin nhiên liệu hoạt động tương tự như
một pin điện/ắc quy, tuy nhiên pin điện/ắc quy thông
thường chỉ có thể cung cấp lượng điện năng giới hạn, sẽ
ngừng hoạt động khi các chất phản ứng phản ứng hết,
trong khi đó pin nhiên liệu là một thiết bị sản xuất điện
năng khi nhiên liệu được cung cấp một cách liên tục.
2. Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của pin nhiên liệu
2.1. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu rất đơn giản [1
- 4], là quá trình ngược của phản ứng điện phân nước. Pin
nhiên liệu hoạt động trên nguyên tắc tổ hợp oxy và hydro
để tạo thành nước, cung cấp điện và nhiệt mà không thải
ra các chất gây ô nhiễm.
Về lý thuyết, mọi chất có thể bị oxy hóa được cung cấp
liên tục dưới dạng dòng chảy để xảy ra phản ứng đều có
thể sử dụng như nhiên liệu cung cấp cho anode của pin
nhiên liệu. Tương tự, chất oxy hóa thường là dòng lưu chất
mà có thể bị khử với tốc độ đủ lớn. Việc sử dụng các nhiên
Ngày nhận bài: 5/11/2018. Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 6/11 - 29/12/2018.
Ngày bài báo được duyệt đăng: 4/7/2019.
DẦU KHÍ - SỐ 7/2019
57
NĂNG LƯỢNG MỚI
Khi tế bào nhiên liệu hoạt động
có tải, hiệu điện thế tạo ra thực tế giữa 2
điện cực anode và cathode đạt khoảng
0,7V. Do đó để có thể cung cấp điện thế
hoặc dòng điện cao hơn, cần đặt nhiều
phần tử như vậy nối tiếp hoặc song song
tạo thành cụm tế bào nhiên liệu (fuel cell
stack) để đạt được một điện áp/dòng điện
đầu ra mong muốn. Ngoài cụm tế bào pin
nhiên liệu, hệ pin nhiên liệu còn đòi hỏi
một hệ thống phụ trợ và các bộ phận cấu
thành khác, được gọi là BoP (balance of
plant) như Hình 2 [6].
Việc bố trí chính xác BoP phụ thuộc
vào loại tế bào nhiên liệu, nhiên liệu lựa
chọn và ứng dụng. Ngoài ra, điều kiện
vận hành cụ thể và yêu cầu của tế bào
nhiên liệu và thiết kế cụm tế bào nhiên
liệu quyết định các đặc tính của BoP. Tuy
nhiên, các loại pin nhiên liệu cơ bản gồm
các bộ phận chính sau:
Hình 1. Sơ đồ nguyên tắc của một tế bào pin nhiên liệu [1]
Cung cấp khí đầu vào:
Van áp suất ngược
Điện cực cathode
- Chuẩn bị nhiên liệu: Đây là khâu
quan trọng và cần thiết nhất, quyết định
công nghệ, hiệu suất cũng như hiệu quả
kinh tế của pin nhiên liệu. Khí hydro có
thể được điều chế từ các nguồn khác
nhau: từ các loại hydro carbon (CxHy), các
sản phẩm phụ của công nghiệp hóa và
hóa dầu hoặc điều chế hydro từ nước...
Bơm H2 tuần
hoàn khí
90kWe
Cụm tế bào
nhiên liệu
Phân tách nước lọc
Giữ ẩm cathode
Điện cực anode
Hydro
Nén không khí
Không khí
Trừ nhiên liệu sạch (như hydro tinh
khiết) được sử dụng, thông thường khí
nhiên liệu đòi hỏi sự chuẩn bị nhiên liệu,
thường gồm khâu loại bỏ tạp chất và điều
hòa nhiệt. Ngoài ra, pin nhiên liệu sử dụng
nhiên liệu khác hydro tinh khiết cần quá
trình chế biến nhiên liệu như tinh lọc mà
ở đó nhiên liệu được phản ứng với chất
oxy hóa (thường là hơi nước hoặc không
khí) để tạo ra hỗn hợp giàu hydro cung
cấp cho anode.
Làm mát
Bơm làm mát
Bộ tản nhiệt
Hình 2. Cấu tạo chung của pin nhiên liệu [6]
liệu thông dụng, giàu tiềm năng, có thể tái tạo dễ dàng và không độc hại
là mục tiêu hướng tới của pin nhiên liệu. Tuy nhiên ngày nay, các loại pin
nhiên liệu đang phát triển chủ yếu sử dụng nhiên liệu là khí hydro hoặc
khí tổng hợp giàu hydro.
2.2. Cấu tạo pin nhiên liệu
- Cung cấp khí cháy: Khí cháy thông
thường sử dụng oxy trong không khí ở
điều kiện bình thường. Tuy nhiên trong
một số trường hợp để tăng hiệu suất của
pin nhiên liệu, không khí thường được lọc
và nén trước khi đưa vào pin nhiện liệu.
Một tế bào pin nhiên liệu gồm 2 điện cực anode và cathode tiếp xúc
với dung dịch điện ly. Nhiên liệu hydro được cung cấp liên tục vào khoang
anode và chất oxy hóa (oxy hoặc không khí) được cung cấp liên tục vào
khoang cathode [1 - 4, 6, 7].
DẦU KHÍ - SỐ 7/2019
58
PETROVIETNAM
Sản phẩm đầu ra:
Hệ thống điều khiển gồm tất cả các bộ đo, đồng hồ…
cho phép theo dõi và kiểm soát trạng thái vận hành của
hệ thống, tình trạng, thông số của các phần tử cấu thành
nên pin nhiên liệu…, được lập trình chính xác cho các quá
trình khởi động, quá độ, dừng và chế độ làm việc xác lập
để điều khiển hệ thống làm việc tối ưu.
- Quản lý nhiệt năng: Phản ứng oxy hóa khử trong
pin là phản ứng tỏa nhiệt, nên cần có hệ thống tản nhiệt
nhằm đảm bảo nhiệt độ làm việc của pin cũng như tận
dụng nhiệt năng tạo ra (gần tương đương với năng lượng
điện thu được) cho các mục đích khác nhằm tăng hiệu quả
làm việc của pin nhiên liệu.
Như vậy, với sự ra đời của pin nhiên liệu, điện năng
có thể tích trữ được dưới dạng nhiên liệu. Tuy nhiên vấn
đề đặt ra là nguồn nhiên liệu và khả năng tàng trữ quyết
định công nghệ, giá thành và quy mô áp dụng của pin
nhiên liệu.
- Thiết bị điều hòa công suất điện: Điện phát ra trên
2 cực của pin phải đảm bảo được điện áp một chiều tối
thiểu làm việc của pin. Điện áp làm việc (điện áp ra) sẽ
được cố định nhờ các bộ biến đổi điện. Nếu yêu cầu dòng
điện xoay chiều, cần bổ sung thêm bộ biến đổi điện áp
một chiều thành xoay chiều.
2.3. Các loại pin nhiên liệu
Dung dịch điện ly quyết định phản ứng diễn ra trên bề
mặt điện cực cũng như loại ion dẫn điện trong pin nhiên
liệu. Dựa vào dung dịch điện ly, có thể phân loại pin nhiên
liệu như sau [1, 2, 4]:
- Quản lý nước: Nước là cần thiết trong một số bộ
phận của tế bào nhiên liệu đồng thời là sản phẩm của
phản ứng trong pin. Để tránh phải cung cấp thêm nước
và để đảm bảo hoạt động liên tục, hệ thống quản lý nước
cần được trang bị trong hầu hết các hệ thống tế bào pin
nhiên liệu.
- Pin kiềm (AFC);
- Pin màng điện ly polymer (PEMFC);
- Pin methanol (DMFC);
- Bộ phận thải khí: Để thải các khí trơ bám ở anode
làm giảm quá trình phản ứng, khí bão hòa sẽ thành nước
bám vào cathode.
- Pin acid phosphoric (PAFC);
- Pin carbonate nóng chảy (MCFC);
- Pin oxide rắn (SOFC).
Hệ thống phụ trợ:
Để khởi động pin nhiên liệu cần dùng đến hệ thống
pin điện hóa để nâng nhiệt độ của pin đến ngưỡng cần
thiết, đảm bảo hoạt động của các bộ phận của pin lúc khởi
động, đồng thời cũng đảm bảo an toàn cho pin trong các
trường hợp sự cố.
Nhiệt độ và thời gian vận hành quyết định yêu cầu đối
với các tính chất hóa lý và cơ nhiệt của vật liệu sử dụng
trong các bộ phận cấu thành pin (điện cực, dung dịch điện
ly, bộ phận kết nối, bộ phận tập hợp dòng điện…).
Bảng 1. Các loại pin nhiên liệu khác nhau đã và đang được phát triển [2]
Pin màng điện ly Pin methanol
Pin acid
phosphoric (PAFC)
Pin carbonate nóng Pin oxide rắn
Pin kiềm (AFC)
(
PEMFC)
(DMFC)
chảy (MCFC)
(SOFC)
800 - 1000 hoặc có
thể thấp hơn
(500 - 600)
Nhiệt độ vận
hành (0C)
<100
60 - 120
60 - 120
160 - 220
600 - 800
H2 + 2OH-
-
CH3OH + H2O
H2 + CO3
H2 + O2-
2-
→
→
→
Phản ứng
anode
+
+
-
-
→
→
H2 2H + 2e
H2 2H + e
+
-
-
-
→
2H2O + 2e
CO2 + 6H + 6e
H2O + CO2 + 2e
H2O + 2e
+
+
+
-
-
-
-
3
-
→
½O2 + H2O + 2e
½O2 + 2H + 2e
O2 + 6H + 6e
½O2 + 2H + 2e
Phản ứng
cathode
½O2 + CO2 + 2e
-
2-
→
½O2 + 2e
O
2-
-
→
→
→
→
CO3
H2O
3H2O
H2O
2OH
Kết hợp nhiệt và
điện cho các trạm điện phân cấp và cho các phương tiện
điện phân cấp giao thông (tàu hỏa, tàu thủy…)
Nhà máy nhỏ Nhà máy vừa và nhỏ
Kết hợp nhiệt và điện cho các trạm
Áp dụng
Giao thông, vũ trụ, quân đội, hệ tích trữ năng lượng
Công suất
Nhà máy nhỏ
Nhà máy nhỏ
Nhà máy nhỏ
100kW - 2MW
Nhà máy nhỏ
100 - 250kW
hoạt động Modular: 5 - 150kW Modular: 5 - 250kW
5kW
50kW - 11MW
Điện tích
mang trong
-
H+
H+
H+
O2-
2-
CO3
OH
dung dịch
điện ly
DẦU KHÍ - SỐ 7/2019
59
NĂNG LƯỢNG MỚI
Nhiệt độ vận hành cũng đóng vai trò quyết định công
chính thức được đưa vào hoạt động tại Daegu, Hàn Quốc.
Công viên này là một tổ hợp 4 nhà máy pin nhiên liệu có
công suất 2,8MW, cung cấp đủ điện năng cho hơn 20.000
gia đình. Nhiệt lượng sinh ra từ pin nhiên liệu có thể dùng
để xử lý nước thải tại các khu vực lân cận.
nghệ của pin nhiên liệu. Tại nhiệt độ cao, khí CO và CH4
có thể chuyển thành hydro bên trong pin hoặc có thể bị
oxy hóa điện hóa trực tiếp, tuy nhiên khi dùng chất điện
ly lỏng, áp suất hơi bão hòa tăng và dung dịch dễ bị phân
hủy. Ngoài ra, nhiệt độ cao gây nên ăn mòn và làm suy
giảm các đặc tính cơ lý của thiết bị… Khi pin vận hành ở
nhiệt độ thấp, mọi nhiên liệu cần phải được chuyển thành
hydro trước khi đưa vào pin nhiên liệu. Hơn nữa xúc tác
anode trong pin nhiên liệu (chủ yếu là platin) làm việc tại
nhiệt độ thấp dễ bị ngộ độc bởi CO.
Từ năm 2007, Nedstack đã cho ra mắt tế bào pin nhiên
liệu màng trao đổi proton (PEM) dưới dạng thương mại
hóa. Nhà máy pin nhiên liệu với công suất 70kW đã được
lắp đặt tại nhà máy sản xuất clo AkzoNobel Delfzijl. Tế bào
nhiên liệu của Nedstack có tuổi thọ ấn tượng. Sau 5 năm
hoạt động liên tục, Nhà máy điện Akzo PEM chỉ yêu cầu
bảo trì, bảo dưỡng tối thiểu. Thế hệ gần đây nhất của các
tế bào nhiên liệu Nedstack đã đạt trên 13.000 giờ hoạt
động liên tục và dự kiến sẽ kéo dài hơn 20.000 giờ. Đầu
năm 2012, Nhà máy Hóa chất Solvay giới thiệu hệ thống tế
bào pin nhiên liệu của Nedstack được lắp đặt tại Nhà máy
sản xuất clo của Solvay ở Lillo, Bỉ. Hệ thống này được lắp
đặt từ tháng 9/2011, sau thử nghiệm, đã được vận hành
liên tục với hiệu suất điện đạt 50%, hiệu suất tổng gồm
tận dụng nhiệt năng có thể đạt trên 80%. Thực tế, ngay
trong giai đoạn đầu hoạt động, Nhà máy đã đạt được hiệu
suất 99%. Hệ thống pin nhiên liệu PEM 1MW bao gồm
Dựa vào việc áp dụng pin nhiên liệu, các loại pin
được phân chia thành pin nhiên liệu có khả năng mang đi
được/cầm tay (portable), trạm pin nhiên liệu (stationary)
và pin nhiên liệu vận chuyển (transport) với các đặc tính
như Bảng 2.
3. Các kết quả nghiên cứu và ứng dụng của pin nhiên
liệu trên thế giới
Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu đã được tìm
ra từ năm 1802, nhưng tới năm 1839 pin nhiên liệu đầu
tiên được chế tạo sử dụng điện cực platine trong dung
dịch acid sulfuric [8]. Đến những năm 60 của thế kỷ XX, pin
nhiên liệu lại thu hút được sự quan tâm khi được sử dụng
làm nguồn điện trong các thiết bị không gian trong công
cuộc chinh phục vũ trụ nằm trong dự án Gemini, Apollo
và tàu con thoi của NASA. Bắt đầu từ những năm 80, pin
nhiên liệu được sử dụng trong các nhà máy điện có công
suất nhỏ (20 - 50kW). Đến nay, 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 châu Âu với công suất
hàng trăm MW và tuổi thọ lên đến hàng chục nghìn giờ
làm việc.
Ngày 15/11/2011, Công viên pin nhiên liệu lớn nhất
thế giới với công suất 11,2MW của FuelCell Energy đã
Hình 3. Công viên pin nhiên liệu tại Daegu, Hàn Quốc. Ảnh: Smart Planet
Bảng 2. Phân loại pin nhiên liệu theo ứng dụng thực tế [6]
Loại ứng dụng
Cầm tay
Trạm cố định
Vận chuyển
Các bộ phận được tích hợp hoặc sạc, Pin nhiên liệu cung cấp điện (và
được thiết kế để có thể di chuyển được, có thể cung cấp nhiệt) được đặt Pin nhiên liệu cung cấp điện
gồm cả các thiết bị phát điện hỗ trợ cố định, không thiết kế để có thể cho chuyển động
Định nghĩa
nhỏ (APU)
di chuyển được
Công suất
1W - 20kW
0,5kW - 2MW
1 - 300kW
Loại công nghệ
PEMFC, DMFC, SOFC
PEMFC, MCFC, AFC, SOFC, PAFC PEMFC, DMFC
Trạm điện và kết hợp giữa điện
và nhiệt;
Nhà di động (campervan), thuyền, Trạm điện nhỏ;
chiếu sáng… Nguồn cung cấp điện liên tục;
Xe xử lý vật liệu;
Xe chạy bằng pin nhiên liệu;
Xe tải và xe bus;
Phương tiện đường sắt;
Xe tự hành (trong không khí,
đất, nước)
Ví dụ áp dụng
Thiết bị phát điện hỗ trợ vĩnh
cửu loại lớn hơn (xe tải, tàu)
DẦU KHÍ - SỐ 7/2019
60
PETROVIETNAM
12.600 tế bào nhiên liệu, sử dụng hydro sản phẩm phụ
của quá trình điện phân xút - clo, để sản xuất điện và
nhiệt. Ngành công nghiệp sản xuất xút - clo tiêu tốn rất
nhiều năng lượng, Nhà máy điện PEM của Nedstack cho
phép tự cung cấp 20 - 40% lượng điện tiêu thụ, tương
đương lượng điện tiêu thụ của 1.370 gia đình. Nhà máy
điện PEM của Solvay tạo ra 1MW điện và 500kW nhiệt,
được tái sử dụng trong quá trình sản xuất để tiết kiệm
đáng kể chi phí bổ sung, giảm tiêu thụ năng lượng và
khí thải CO2.
Ngoài ra, pin nhiên liệu dạng màng trao đổi proton
cũng phát triển mạnh trong công nghiệp ô tô vận tải, là
nguồn nguyên liệu trong xe hơi, 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 lớn.
Hình 4. Pin nhiên liệu "khủng" phát điện cho gần 1.400 hộ dân. Ảnh: Discovery
Ứng dụng
Trong năm 2003, lần đầu tiên ở châu Âu xuất hiện
xe buýt chạy bằng pin nhiên liệu. Tháng 1/2007, hệ
thống sản xuất hydro (HGM 2000 Hydrogen) - Chevron
Hydrogen Co. ở Florida đã đưa vào hoạt động nhằm
cung cấp nhiên liệu hydro với công suất 115kg hydro
nguyên chất (99,999% tinh khiết) đủ cung cấp cho
8 chiếc xe bus lớn chạy suốt ngày trong phi trường
Orlando. Hệ thống này dựa trên nguyên tắc chuyển đổi
khí thiên nhiên và nước thành hydro, do đó bảo đảm an
toàn tuyệt đối trong khi di chuyển.
Vận tải
Tĩnh
Vận tải
Tĩnh
Vận tải
Di động
Tĩnh
Theo các thống kê gần đây của Văn phòng công
nghệ pin nhiên liệu (Fuel Cell Technollogies Office)
thuộc Phòng Năng lượng Mỹ (US Departement Energy)
cho thấy Mỹ, châu Âu và các quốc gia phát triển trên thế
giới đã sử dụng hydro như là nhiên liệu thay thế dầu mỏ
với mức độ phát triển nhanh và mạnh, đặc biệt nhất là
khu vực Bắc Mỹ và châu Á, tập trung chủ yếu vào dạng
pin dạng màng trao đổi proton ứng dụng trong giao
thông vận tải (Hình 5) [9]. Đây là bước ngoặt trong việc
hạn chế khí thải CO2 và là hướng đi có nhiều triển vọng
[10].
Loại pin nhiên liệu
Ngoài các ứng dụng trong lĩnh vực giao thông, sản
xuất điện và nhiệt năng, pin nhiên liệu còn được nghiên
cứu trong các ứng dụng di động (máy điện thoại, máy
tính xách tay)... [11].
Trên cơ sở nguyên lý hoạt động cũng như các
nghiên cứu và ứng dụng pin nhiên liệu trên thế giới đã
cho thấy rõ nhiên liệu để cung cấp điện và nhiệt trong
pin là hydro [1 - 4, 12]. Do đó, việc sản xuất và tích trữ
Hình 5. Thống kê năng lượng điện sử dụng pin nhiên liệu trên toàn thế giới [9]
DẦU KHÍ - SỐ 7/2019
61
NĂNG LƯỢNG MỚI
hydro là một trong vấn đề quyết định hiệu quả kỹ thuật,
hiệu quả kinh tế cũng như ứng dụng cụ thể của pin nhiên
liệu.
kiện có mặt hơi nước, các vật liệu phế thải chứa carbon
dạng cellulose như củi, gỗ, rơm, bã mía… Quá trình sản
xuất hydro từ năng lượng sinh khối hoàn toàn giống như
quá trình sản xuất hydro trong công nghiệp hóa học hiện
nay.
4. Nhiên liệu khí hydro - sản xuất và tích trữ
4.1. Nhiên liệu khí hydro
Tuy nhiên, các dạng năng lượng tái tạo khác không
thể chứa và trữ lại để sử dụng mọi lúc mọi nơi, còn chất
mang năng lượng hydro thì có thể lưu giữ, tồn chứa, vận
chuyển, phân phối như tính chất của các dạng năng lượng
hóa thạch, cho phép con người sử dụng khi cần; nói cách
khác, hydro là chất chuyển tải năng lượng. Do đó, các nhà
khoa học không ngừng nghiên cứu nhằm hoàn thiện
công nghệ sản xuất khí hydro kinh tế, hiệu quả và thân
thiện môi trường.
Trong lĩnh vực năng lượng, hydro thể hiện chất mang
năng lượng gần như hoàn hảo. Hydro khi cháy trong
không khí với khoảng nồng độ 4 - 75% thể tích. Nhiệt độ
cháy của hydro cao nhất so với tất cả các loại khí, có thể
đạt được 2.318oC ở nồng độ 29% thể tích, nếu cháy trong
oxy - nhiệt độ có thể lên đến 3.000oC. Ngoài ra, do trong
phân tử không chứa carbon nên sản phẩm cháy hoàn
toàn là nước, không thải các chất độc hại. Vì vậy, hydro
được coi là nhiên liệu có hiệu suất cao và thân thiện với
môi trường [13].
4.2. Các phương pháp cơ bản sản xuất hydro
Hydro có thể được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu
khác nhau và bằng các phương pháp khác nhau (Hình 6).
Mặc dù, hydro không có sẵn trong thiên nhiên nhưng
được xem là một dạng năng lượng tái tạo. Do hydro có thể
được tách ra từ nước nhờ vào các nguồn năng lượng tái
tạo như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng
sinh khối, năng lượng địa nhiệt, năng lượng nước, vì vậy
có thể tái tạo vô hạn cho con người sử dụng. Hydro còn có
thể thu được từ năng lượng sinh khối trực tiếp bằng cách
chuyển hóa khí tự nhiên (CH4) hoặc khí hóa trong điều
4.2.1. Phương pháp chuyển hóa hydrocarbon bằng nhiệt (re-
forming) [15 - 18].
- Chuyển hóa khí thiên nhiên với hơi nước (natural
gas steam reforming):
Khí: Chuyển hóa hoặc oxy
hóa từ khí tự nhiên hoặc
bio-gas
Oil: Chuyển hóa hoặc oxy
hóa từ dầu hóa thạch
hoặc dầu tái tạo
Tảo: Quá trình
quang hợp tảo
H2
Than: Khí hóa than
Gỗ: Nhiệt phân
sinh khối
Rượu: Như dẫn xuất của
ethannol và methanol từ
gas hoặc boomass
Năng lượng: Điện
phân nước bằng
năng lượng tái tạo
Hình 6. Một số nguyên liệu và quá trình sản xuất hydro [14]
DẦU KHÍ - SỐ 7/2019
62
PETROVIETNAM
Điều chế hydro từ các nguồn nguyên liệu thiên
nhiên như khí đốt được thực hiện dễ dàng nhất, trực tiếp
không cần qua nguyên liệu trung gian khác. Mặt khác,
phương pháp này không yêu cầu công nghệ phức tạp và
thu được tỷ lệ hydro/carbon cao, do đó hạn chế được tối
đa lượng khí carbonic phát thải vào không khí. Phương
pháp này thích hợp với những quốc gia có nguồn dự trữ
khí đốt lớn.
hạ tầng cho việc phát triển sản xuất hydro từ các nguồn
khác vẫn còn thiếu.
- Chuyển hóa hydrocarbon tạo hydro không phát
thải:
Năm 1980, Kværner (Na Uy) đã phát triển công nghệ
«Kværner Carbon Black and Hydrogen Process» [11] nhằm
tách hydro và than hoạt tính từ các hợp chất hydrocarbon
trong thiết bị đốt plasma ở nhiệt độ khoảng 1.600oC theo
phản ứng sau:
Quá trình chuyển hóa khí thiên nhiên bao gồm 2 giai
đoạn chính:
(6)
CnHm + nhiệt năng → nC + m/2H2
+ Khí thiên nhiên được tách carbon và chuyển hóa
thành hydro nhờ hơi nước dạng siêu nhiệt dưới áp suất
cao có mặt xúc tác thích hợp ở nhiệt độ khoảng 900°C
theo phản ứng:
Ưu điểm nổi trội của phương pháp này là hiệu suất
chuyển hóa khí tự nhiên tạo than hoạt tính và hydro tinh
khiết có thể đạt 100%. Than hoạt tính tạo ra có thể được
ứng dụng làm phụ gia, chất gia cường vật liệu, đặc biệt
trong công nghiệp sản xuất lốp xe ô tô… và các lĩnh vực
khác nhau trong công nghiệp.
(4)
CH4 + H2O → CO + 3H2
+ Carbon mono-oxide sinh ra lại tiếp tục được phản
ứng với hơi nước, dưới tác dụng của xúc tác chuyển hóa
thành khí carbonic và hydro.
- Sản xuất hydro từ than đá:
Phương pháp này được áp dụng ở các nhà máy nhiệt
điện dùng than và chu trình hỗn hợp kết hợp khí hóa than
(IGCC) như Hình 7.
(5)
CO + H2O → CO2 + H2
Đây là phương pháp công nghiệp phổ biến hiện nay
để sản xuất hydro với quy mô lớn và hiệu quả kinh tế cao.
Đây là phương pháp sạch biến than thành năng lượng
đang được phát triển mạnh ở Mỹ. Việc phối hợp vừa sản
xuất điện và khí hydro trong các nhà máy phát điện dùng
than sẽ giảm giá thành của hydro và có hiệu quả kinh tế
rất cao. Phương pháp khí hóa than (gasification) dựa theo
nguyên lý oxy hóa than đá với hơi nước ở nhiệt độ và áp
suất cao, cho phép thu được sản lượng hydro lớn có khả
năng đáp ứng cho nhiều hệ thống phân phối nhiên liệu
khí trong một vùng rộng lớn.
- Khí hóa hydrocarbon nặng (gasification heavy
hydrocarbon):
Than đá trước khi khí hóa phải được nghiền thành
dạng bột rồi hòa trộn với nước. Thông thường, nhiên liệu
được hóa nhiệt ở khoảng 1.400oC có mặt oxy hoặc không
khí, tạo ra hỗn hợp gồm hydro, carbon mono-oxide (CO)
và một vài sản phẩm phụ. CO sinh ra lại tiếp tục được phản
ứng với hơi nước với sự có mặt của chất xúc tác chuyển
hóa thành khí carbonic (CO2) và khí hydro, tương tự như
phương trình (5).
Nhược điểm của phương pháp này là lượng khí thải
CO2 rất lớn, lớn hơn tất cả phương pháp đang áp dụng để
sản xuất hydro. Do đó, cần phải có hệ thống thu hồi khí
carbonic và chôn lấp.
Cách thức sản xuất hydro như trên chưa phải là
phương án tối ưu do sử dụng nhiên liệu hóa thạch làm
nguyên liệu và đồng thời cũng làm nhiên liệu cung cấp
nhiệt lượng cho quá trình sản xuất. Nhiên liệu hóa thạch
là nguồn tài nguyên hữu hạn, hơn nữa quá trình đốt sẽ
tạo ra khí carbonic gây hiệu ứng nhà kính, do đó phương
pháp này xét về lâu dài không bền vững.
- Khí hóa sinh khối và nhiệt phân (biomass
gasification and pyrolysis):
Sinh khối có thể được sử dụng để sản xuất hydro.
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 hydro được ngưng tụ trong các dầu nhiệt phân và
sau đó có thể được hóa nhiệt để sinh ra hydro. Quá trình
này thường tạo ra sản lượng hydro khoảng từ 12 - 17%
trọng lượng hydro của sinh khối. Nguyên liệu cho phương
pháp này có thể là mùn cưa, sinh khối thực vật, rác thải
nông nghiệp và đô thị… Do các chất thải sinh học được sử
dụng làm nguyên liệu nên phương pháp sản xuất hydro
này hoàn toàn tái tạo được và bền vững.
Tuy vậy, phương pháp sản xuất khí hydro từ nhiên liệu
hóa thạch đã và đang chiếm ưu thế do trữ lượng nhiên
liệu hóa thạch, nhất là khí thiên nhiên trên thế giới còn
tương đối dồi dào, với giá thành không cao. Ngoài ra,
phương pháp sản xuất hydro công nghiệp từ khí thiên
nhiên nói riêng và nhiên liệu hóa thạch nói chung đã khá
quen thuộc trong công nghiệp hóa chất, trong khi cơ sở
DẦU KHÍ - SỐ 7/2019
63
NĂNG LƯỢNG MỚI
N2
Giếng dầu
Đường ống dẫn
Chu trình
kết hợp
khí hóa
H2
Pin nhiên liệu
Khí
Than
Đường ống dẫn
CO2
Sulfur
Tro
Mỏ than
Điện
Tầng chứa nước không dịch chuyển
Vỉa chứa khí
cạn kiệt
Tăng cường
thu hồi dầu
Hình 7. Quy trình tổng hợp khí hóa than
4.2.2. Điện phân nước sản xuất hydro sử dụng nguồn năng
lượng tái tạo
4.2.3. Phương pháp sinh học sản xuất hydro
Một số tảo [19] và vi khuẩn chuyên biệt có thể sản
sinh ra hydro dưới tác động của ánh sáng mặt trời như
là sản phẩm phụ trong quá trình trao đổi chất tự nhiên.
Các sinh vật này thường sống trong nước, phân tách nước
thành khí hydro và oxy.
Điện phân sử dụng dòng điện để phân hủy nước
thành hydro và oxy. Quá trình gồm 2 phản ứng xảy ra ở
2 điện cực:
Tại anode: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-
Tại cathode: 2OH- → H2O + 1O2 + 2e-
Phản ứng tổng: 2H2O → 2H2 + O2
(7)
(8)
(9)
Các nghiên cứu của A.Melis và cộng sự đã chỉ ra
rằng có thể ứng dụng một loại tảo đơn bào có tên
Chlamydomonas reinhardtii chứa enzyme hydrogenase
có khả năng phân tách nước thành hydro và oxy [20]. Các
nhà khoa học đã bước đầu xác định được cơ chế quá trình
[21], cho phép hứa hẹn một phương pháp gần như vô hạn
để sản xuất hydro sạch và tái sinh. Cơ chế này đã phát triển
qua hàng triệu năm tiến hóa giúp tảo tồn tại trong môi
trường không có oxy. Trong chu trình này, tảo “thở” bằng
oxy lấy từ nước và giải phóng ra khí hydro.
Dòng điện yêu cầu có thể được sử dụng các nguồn
năng lượng khác nhau. Để giảm thiểu tối đa hiệu ứng nhà
kính và tận dụng nguồn năng lượng tái tạo không có khả
năng tích trữ, sản xuất điện sử dụng năng lượng gió, mặt
trời, địa nhiệt và thủy điện… được ưu tiên.
Ngoài quá trình điện phân ở điều kiện thường với
chất điện ly là nước hoặc dung dịch kiềm được tiến hành
trong bình điện phân có màng ngăn để tránh hòa lẫn 2
khí hydro và oxy sinh ra tại điện cực anode và cathode,
quá trình điện phân nước ở điều kiện áp suất cao và nhiệt
độ cao cũng được đặc biệt quan tâm. Với điều kiện áp suất
cao, điện phân nước có thể sinh ra hydro ở áp suất đến
5MPa, tuy nhiên quá trình này vẫn đang trong giai đoạn
nghiên cứu và hoàn thiện, chưa được áp dụng thực tế.
Trong khi đó, điện phân nước ở nhiệt độ cao có ưu điểm
là đưa một phần năng lượng cần thiết cho quá trình điện
phân ở dạng nhiệt năng, nhiệt độ 800 - 1.000oC vào quá
trình, do đó có thể hạn chế bớt lượng điện năng tiêu thụ.
Nhiều nghiên cứu đã hướng đến việc thu nhiệt từ các
chảo parabol tập trung năng lượng mặt trời hay tận dụng
nhiệt thừa từ các trạm năng lượng.
Một số các loại vi tảo khác có thể triết xuất hydro trực
tiếp từ sinh khối.
4.3. Lưu chứa khí hydro
Với vai trò nhiên liệu, hydro đóng vai trò “chuyển tải”
năng lượng (energy carrier) hơn là một nguồn năng lượng
cơ bản, giống như điện năng, hydro giúp cho việc phân
phối, sử dụng năng lượng được thuận tiện. Thêm vào đó,
khác với điện năng, hydro còn có thể lưu trữ được lâu dài.
Về cơ bản có 3 phương thức lưu trữ hydro như sau:
- Lưu chứa khí hydro được nén áp suất cao trong các
bình composit;
- Lưu chứa hydro dưới dạng khí hóa lỏng;
DẦU KHÍ - SỐ 7/2019
64
PETROVIETNAM
Hình 8. Tỷ trọng khí đối với các phương pháp tích trữ khí hydro khác nhau [22]
Trạm nạp khí hydro
Động cơ pin nhiên liệu hydro
Máy nén
Khu vực sản xuất khí hydro
Hình 9. Mô tả các công đoạn chính phân phối và nạp khí hydro trong pin nhiên liệu [9]
Kho chứa
- Lưu chứa hydro trong hợp chất khác (hấp thụ hóa
học, hấp phụ trong hợp chất khác như với các hydride kim
loại hay ống carbon nano rỗng);
4.4. Phân phối và nạp khí hydro trong pin nhiên liệu
Hiện tại pin năng lượng đang được sử dụng nhiều
nhất dưới dạng các trạm phát điện cố định nhằm phát
điện hòa lưới điện hoặc cung cấp điện năng/nhiệt cho
một khu vực hoặc với mục đích cụ thể và sử dụng cho
giao thông vận tải.
- Lưu chứa hydro trong các vi cầu thủy tinh (glass
microsphere).
DẦU KHÍ - SỐ 7/2019
65
NĂNG LƯỢNG MỚI
- Đối với các trạm pin nhiên liệu cố định (Station):
Biên Hòa… hoặc từ các quá trình phân hủy nước nhờ các
vi sinh vật, từ các quá trình sinh khối… là các nguồn nhiên
liệu cần được quan tâm khai thác và tận dụng triệt để cho
phép bổ sung nguồn năng lượng trong nước.
Thông thường bộ phận sản xuất khí hydro được tích hợp
cùng hệ thống pin nhiên liệu với công suất được thiết
kế trước, bao gồm hệ thống phụ trợ và các bộ phận cấu
thành (BoP) cho phép trạm pin nhiên liệu vận hành trơn
tru và khí hydro sản xuất ra được nạp liên tục vào pin theo
công suất thiết kế.
Tài liệu tham khảo
1. EG&G Technical Services Inc. Fuel cell handbook (7th
edition). 2016.
- Đối với pin nhiên liệu sử dụng trong mục đích vận
tải: Như các phương tiện vận tải sử dụng khí tự nhiên, cần
xây dựng hệ thống cơ sở hạ tầng cho việc tích trữ, phân
phối và các trạm nạp khí hydro cho các phương tiện giao
thông vận tải sử dụng pin nhiên liệu như Hình 9. Khó khăn
lớn nhất là vấn đề tích trữ do hydro rất khó nén và nhiệt
độ hóa lỏng hydro lại rất thấp (-250oC) nên để tích trữ với
áp suất cao hoặc hóa lỏng cần tiêu tốn một năng lượng
lớn. Trên thực tế, áp suất nén hydro để tích trữ hiệu quả và
khả thi nhất là 700bar. Ngoài ra, vị trí khu vực sản xuất khí
hydro cũng được cân nhắc lắp đặt tại chỗ, gần các trạm
phân phối khí để giảm chi phí tích trữ và vận chuyển.
2. L.Carrette, K.A.Friedrich, U.Stimming. Fuel cells -
fundamentals and applications. Fuel Cells. 2001; 1(1): p. 5
- 39.
3. Omar Z.Sharaf, Mehmet F.Orhan. An overview
of fuel cell technology: Fundamentals and applications.
Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014; 32:
p. 810 - 853.
4. Omkar Yarguddi, Anjali A.Dharme. Fuel cell
technology: A review. International Journal of Innovative
Research in Science, Engineering and Technology. 2014;
3(7): p. 14668 - 14673.
Nhật Bản là một trong các quốc gia đi đầu về xe ô tô sử
dụng pin nhiên liệu cùng với sự ủng hộ kinh phí của 2 nhà
sản xuất ô tô lớn trong nước là Honda và Toyota. Nhật Bản
đang đặt kế hoạch có 160 trạm tiếp nhiên liệu hydro vào
tháng 3/2021 nhằm hỗ trợ cho 40.000 xe chạy pin nhiên
liệu hydro.
5. David R.Lide. CRC handbook of chemistry and
physics (89th edition). CRC Press. 2008.
6. E4tech. The fuel cell industry review. 2017.
7. Wolf Vielstich, Arnold Lamm, Hubert A.Gasteiger.
Handbook of fuel cells: Fundamentals, technology,
applications. Wiley. 2003.
5. Kết luận
Với nhu cầu không ngừng tăng, việc phát triển năng
lượng sạch, có khả năng tái tạo ngày càng trở nên cấp
bách đối với mọi quốc gia. Với ưu điểm như hiệu suất
chuyển hóa cao, độ ổn định lớn, độ phát xạ thấp, không
gây ồn, không gây ô nhiễm môi trường và được cung cấp
theo yêu cầu... điện năng sinh ra trong tế bào nhiên liệu
với công nghệ hydro từ nguồn năng lượng tái tạo có thể
được sử dụng khi cần thiết là viễn cảnh của các nhà máy
sản xuất điện trong tương lai ở Việt Nam.
8. W.R.Grove. On voltaic series and the combination
of gases by platinum. The London, Edinburgh, and Dublin
Philosophical Magazine and Journal of Science. 1839; 14:
p. 127 - 130.
9. Sunita Satyapal. BOP workshop introduction. Fuel
Cell Technologies Office, U.S. Department of Energy.
31/3/2017.
10. Yorick Ligen, Heron Vrubel, Hubert H.Girault.
Mobility from renewable electricity: Infrastructure
comparison for battery and hydrogen fuel cell vehicles.
World Electric Vehicle Journal. 2018; 9(1).
Việt Nam có tiềm năng phát triển công nghệ chế tạo
hydro và ứng dụng pin nhiên liệu trong đời sống và sản
xuất. Việc tận dụng nguồn khí thải giàu hydro trong quá
trình hấp thụ CO2 của quá trình sản xuất ammonia của các
nhà máy đạm cho phép tăng giá trị của chuỗi sản phẩm.
Tuy nhiên để có thể tận dụng nguồn khí thải này cần có
đánh giá chi tiết về phương án sử dụng cũng như đánh giá
hiệu quả kinh tế và mức độ khả thi.
11. Jürgen Garche, Ludwig Jürissen. Applications
of fuel cell technology: Status and perspectives. The
Electrochemical Society Interface. 2015.
12. Neha Singh Chauhan, Vineet Kumar Singh.
Fundamentals and use of hydrogene as a fuel. ISST Journal
of Mechanical Engineering. 2015; 6(1): p. 63 - 68.
Việc tận dụng nguồn khí hydro từ các quá trình điện
phân sản xuất xút - clo tại các nhà máy sản xuất hóa chất
cơ bản như Nhà máy Hóa chất Việt Trì, Nhà máy Hóa chất
13. James Larminie, Andrew Dicks. Fuel cell systems
explained (2nd edition). Wiley. 2003.
DẦU KHÍ - SỐ 7/2019
66
PETROVIETNAM
14. Nguyễn Quốc Khánh. Năng lượng Việt Nam. 2012.
15. Paul Breeze. Fuel cells. Academic Press. 2017.
Hwa Lee. Production of hydrogen from marine macro-
algae biomass using anaerobic sewage sludge microflora.
Biotechnology and Bioprocess Engineering. 2009.
16. Agostino Olivieri, Francesco Vegliò. Process
simulation of natural gas steam reforming: Fuel distribution
optimisation in the furnace. Fuel Processing Technology.
2008; 89(6): p. 622 - 632.
20. Anastasios Melis, Thomas Happe. Hydrogen
production. Green algae as a source of energy. Plant
Physiology. 2001.
21. Vincent Chochois, David Dauvillée, Audrey Beyly,
Dimitri Tolleter, Stéphan Cuiné, Hélène Timpano, Steven
Ball, Laurent Cournac, Gilles Peltier. Hydrogen production
in chlamydomonas: Photosystem II - Dependent and -
Independent pathways differ in their requirement for starch
metabolism. Plant Physiology. 2009; 151: p. 631 - 640.
17. Bryce Anzelmo, Jennifer Wilcox, Simona Liguori.
Hydrogen production via natural gas steam reforming
in a Pd-Au membrane reactor. Investigation of reaction
temperature and GHSV effects and longterm stability.
Journal of Membrane Science. 2018; 565: p. 25 - 32.
18. A.S.A.Kvaerner. For production of micro domain
particles by use of a plasma process. Patent No PCT/
NO98/0009.
22. Loiuis Schlapbach, Andreas Zuttel. Hydrogen-
storage materials for mobile applications. Nature. 2001;
414: p. 353 - 357.
19. Jae-Il Park, Jinwon Lee, Sang Jun Sim, Jae-
FUEL CELL - ENERGY SOURCE FOR THE FUTURE
Nguyen Thi Le Hien
Vietnam Petroleum Institute
Email: hienntl@vpi.pvn.vn
Summary
A fuel cell is an electrochemical cell that converts potential energy from a fuel into electricity through an electrochemical reaction of
hydrogen fuel with an oxidising agent such as oxygen. Fuel cells can produce electricity continuously for as long as fuel and oxygen are
supplied, with a high conversion efficiency and in an environmentally friendly way. Although fuel cell is being used on an experimental
level at present, it has a great potential for the future.
Key words: Fuel cell, electrochemical reaction of hydrogen with oxygen, high efficiency, environmentally friendly.
DẦU KHÍ - SỐ 7/2019
67
11 trang
16/04/2022
2840
Bạn đang xem tài liệu "Pin nhiên liệu - Nguồn năng lượng tương lai", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- pin_nhien_lieu_nguon_nang_luong_tuong_lai.pdf
