Báo cáo nghiên cứu khoa học "Tế bào nhiên liệu nguồn năng lượng mới, siêu sạch và nhiều triển vọng " ppt

Tế bào nhiên liệu nguồn năng lượng mới, siêu sạch và nhiều triển vọng
Theo Larminie, James (2003), tế bào nhiên liệu (fuel cell-FC) là một tế bào điện
hóa, chuyển đổi năng lượng hóa học từ nhiên liệu thành điện năng. Điện được tạo
ra từ phản ứng giữa một nguồn cung cấp nhiên liệu và tác nhân oxy hóa. Các dòng
chất phản ứng vào tế bào và các sản phẩm phản ứng đi ra khỏi nó, trong khi điện
vẫn còn. Tế bào nhiên liệu có thể hoạt động liên tục khi chất phản ứng cần thiết và
dòng nguyên liệu được duy trì.
Tế bào nhiên liệu
Theo Larminie, James (2003),tế bào nhiên liệu (fuel cell-FC) là một tế bào
điện hóa,chuyển đổi năng lượng hóa học từ nhiên liệu thành điện năng. Điện
được tạo ra từ phản ứng giữa một nguồn cung cấp nhiên liệu và tác nhân oxy
hóa. Các dòng chất phản ứng vào tế bào và các sản phẩm phản ứng đi ra khỏi
nó, trong khi điện vẫn còn. Tế bào nhiên liệu có thể hoạt động liên tục khi chất
phản ứng cần thiết và dòng nguyên liệu được duy trì.
Tế bào nhiên liệu có lúc được gọi là “pin” nhiên liệu nhưng nó khác pin thông
thường bởi đây là một hệ thống hở, chất phản ứng từ một nguồn bên ngoài và
phải được bổ sung. Chẳng hạn một tế bào nhiên liệu hydro sử dụng hydro như
nhiên liệu và oxy (thường là từ không khí) là chất oxy hoá của nó. Có loại tế bào
nhiên liệu sử dụng các nhiên liệu khác như hydrocacbon,rượu (methanol,
ethanol) khí methan hoặc các hợp chất khác và sử dụng cả các enzim oxy hoá
khử để thực hiện các phản ứng trao đổi điện tử vừa rẻ tiền vừa có hiệu quả cao.


Sự ra đời
Theo George Wand (2008), tế bào nhiên liệu được phát hiệnvàonăm 1838
bởi nhà khoa học Đức Christian Friedrich Schönbein. Năm 1839, William
Robert Grove - nhà khoa học người xứ Wales đã chế tạo ra mô hình thực
nghiệm đầu tiên của tế bào nhiên liệugồm hai điện cực platin (Pt) được bao bởi
hai ống hình trụ bằng thủy tinh (một ống chứa hyđrô và ống kia chứa oxy). Hai
điện cực được nhúng trong axít sulfuric loãng là chất điện phân tạo ra dòng
điện một chiều. Vì việc chế tạo các hệ thống tế bào nhiên liệu phức tạp và giá

thành đắt, công nghệ này bị dừng lại cho đến thập niên 1950.Lúc này, ngành du
hành vũ trụ và kỹ thuật quân sự cần dùng một nguồn năng lượng nhỏ gọn và có
công suất cao, không thông qua động cơ đốt trong. Và cơ quan hàng không vũ
trụ Mỹ (NASA) đã quyết định dùng cách sản xuất điện trực tiếp bằng tế bào
nhiên liệu trong các chương trình du hành vũ trụ Apollo vàGemini Các tế bào
nhiên liệu của chương trình Gemini chỉ dài 60cm và có đường kính là 20cm
được NASA sử dụng trong chương trình phát triển Gemini vào năm 1965. Với
công suất khoảng 1kW, các tế bào nhiên liệu này đã cung cấp đồng thời điện và
nước uống cho các phi hành gia vũ trụ.
Nhiều nghiên cứu về tế bào nhiên liệu được tiếp tục phát triển để hoàn thiện.
Nhờ chế tạo được các màng (membrane) có hiệu quả cao và các vật liệu có khả
năng chống ăn mòn hóa học tốt hơn cùng với sự tìm kiếm một nguồn năng
lượng thân thiện với môi trường cho tương lai mà tế bào nhiên liệu được phát
triển mạnh mẽ vào đầu thập niên 1990. Thông qua đó, việc sử dụng tế bào
nhiên liệu dành cho các mục đích dân sự, quân sự đã trở thành hiện thực. Ngày
nay khả năng sử dụng tế bào nhiên liệu khá rộng rãi từ các thiết bị bé nhỏ như
điện thoại di động, máy vi tính xách tay đến ô tô, xe tăng, máy bay, tàu du hành
vũ trụ, tàu thủy, tàu ngầm hoặc các thiết bị trong gia đình, hay dùng để nạp
điện hoặc thay máy phát điện, hoặc chuyển sang dòng xoay chiều đưa vào điện
lưới.
Cấu tạo
Tế bào nhiên liệu có nhiều loại, tuy nhiên, tất cả đều cấu tạo theo một
nguyên lý chung gồm ba phần: cực dương (anode),chất điện phân (electrolyte)
và âm cực (cathode). Hai phản ứng hóa học xảy ra tại giao diện của ba phần
khác nhau(H1) chokết quả cuối cùng là nhiên liệu tiêu thụ, nước (H2) hoặc khí
carbon dioxide (CO
2
, khi sử dụng methanol, ethanol, methan ) và một dòng
điện cũng được tạo ra dùng cho các phụ tải (load). Tế bào nhiên liệu hydro
làloại được ưa chuộng nhất, cung cấp điện, nước và nhiệt dùng cho những gì

cầnsưởi ấm nên được xem là nguồn năng lượng siêu sạch.Bên cạnh đó còn có
các loại như: Tế bào nhiên liệu kiềm-AFC (Alkaline fuel cell), tế bào nhiên liệu
có màng trao đổi proton-PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel cell), tế
bào nhiên liệu axit phosphoric-PAFC (Phosphoric acid fuel cell), tế bào nhiên
liệu carbonat nóng chảy-MCFC (Molten carbonate fuel cell), tế bào nhiên liệu
oxit rắn-SOFC (Solid oxide fuel cell),tế bào nhiên liệu methanol trực tiếp-
DMFC (Direct methanol fuel cell).
Tuy nhiên, theo "Fuel Cell efficiency" (Worldenergy.org. 17/7/2007), những
tính toán về nhiệt động học (thermodynamics) cho thấy năng lượng tự do
(Gibbs) ở các tế bào nhiên liệu hydro/oxy có thể đạt hiệu suất cao và để có
được loại tế bào nhiên liệu có công suất cao tới hàng vạn KW, người ta dùng kỹ
thuật “ngăn xếp” ghép các tế bào thành một khối.
Nguyên lý hoạt động
Về phương diện hóa học, tế bào nhiên liệu có phản ứng ngược với sự điện
phân. Trong quá trình điện phân, nước bị tách ra thành khí hydro và oxy nhờ
vào năng lượng điện. Còn tế bào nhiên liệu lấy chính hai chất này biến đổi
chúng thành nước. Qua đó, trên lý thuyết, chính phần năng lượng điện đã đưa
vào sẽ được giải phóng nhưng thật ra vì những thất thoát qua các quá trình hóa
học và vật lý, năng lượng thu được thường ít hơn. Các loại tế bào nhiên liệu
đều có màng trao đổi proton-PEM (Proton Exchange Membrane) với tế bào
nhiên liệu hydro (H1&2), ở bề mặt cực dương khí hydro bị oxy hóa bằng
điệnhóa ta có:

Các điện tử được giải phóng đi từ cực dương qua mạch điện bên ngoài về
cực âm. Các proton H+ di chuyển trong chất điện phân xuyên qua PEM, có khả
năng chỉ cho proton đi qua về cực âm kết hợp với oxy và các điện tử tạo thành
nước (H2).

Do đó ta có:
và ở điều kiện 25°C (77°F), áp suất 1 atm (100 KPa),

phản ứng tạo ra năng lượng tự do thay đổi ΔG = -56,69 kcal (237 calo) và khi
hình thành nước liên quan đến hai điện tử, giá trị này tương ứng với -
1,23eV(electronvolts,1eV=23,06 kcal).Như vậy, ở trạng thái cân bằng nhiệt
động học, điện áp tế bào có được 1,23V. Do vậy, để đưa dòng điện đến mức
hữu dụng, cung cấp điện năng lớn, người ta tạo ra tế bào nhiên liệu ngăn xếp và
dựa trên nhiệt của quá trình [ΔH cho H2O(l)=-1,48eV], đạt hiệu suất lý thuyết
là 83,1%.
Một số ứng dụng
Tế bào nhiên liệuđược sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực, đặc biệt khi mà thế
giới đang gặp những khó khăn về năng lượng.
* Cho các phương tiện vận tải hàng không
- Theo Liebherr Aerospace và DLR, từ cuối năm 2005 hãng Airbus đã hợp
tác với Michelin, Liebherr Aerospace và DLR về công nghệ tế bào nhiên liệu
phục vụ cho các phương tiện vận tải hàng không.Tháng 2/2008, lần đầu tiên
Airbus thử nghiệm thành công hệ thống tế bào nhiên liệu trên máy bay dân
dụng A320 thuộc sở hữu của DLR, trung tâm Vũ trụ Đức (H3). Đây là loại tế
bào nhiên liệu hydro và oxy, tạo ra nguồn điện năng lên đến 20KW được phát
triển bởi Airbus và Michelin. Trong chuyến bay thử nghiệm đó, các tế bào
nhiên liệu sản xuất khoảng 10lít nước tinh khiết. Ông Patrick Gavin - Phó Chủ
tịch kỹ thuật của hãng cho rằng tế bào nhiên liệu cung cấp lợi ích tiềm năng to
lớn về hiệu quả sinh thái môi trường và tiết kiệm hoạt động, làm cho máy bay
nhẹ hơn và do đó tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu của máy bay, đồng thời làm
giảm đáng kể tiếng ồn, khí thải trong và xung quanh sân bay. Kết quả này sẽ
cho phép máy bay Airbus và các đối tác tiếp tục phát triển, thực hiện công nghệ
tế bào nhiên liệu thay thế ở các máy bay khác.


Hãng hàng không lớn nhất nước Mỹ-Boeing cũng sử dụng tế bào nhiên liệu
cho máy bay. Năm 2003 đã có tổng cộng 857 máy bay Boeing Dreamliners được
đặt hàng. Theo UTC Feul cell (2009), tàu con thoi (Space Shuttle) cũng đã được

sử dụng tế bào nhiên liệu UTC 12kW để cung cấp năng lượng phụ trợ và nước
uống cho phi hành gia khi con tàu hoạt động.
* Cho các phương tiện vận tải đường bộ, đường sắt
Năm 2003, Tổng thống Mỹ George Bush đã đề xuất sáng kiến dùng nhiên
liệu hydro (HFI), mà sau này (năm 2005) được pháp luật chấp nhận. Năm 2006,
Mỹ thông qua đạo luật về chính sách năng lượng và sáng kiến năng lượng tiên
tiến nhằm tiếp tục phát triển các tế bào nhiên liệu hydro và cơ sở công nghệ của
mình với mục tiêu cuối cùng là để sản xuất các loại xe “pin” nhiên liệu thương
mại vào năm 2020. Theo Matthew L.Wald (2009), năm 2008, Mỹ đã bỏ ra tới 1
tỷ USD cho dự án này. Trong tháng 5/2009, chính quyền Obama còn muốn phát
triển công nghệ xe hơi sử dụng tế bào nhiên liệu khác sao cho giảm lượng khí
thải nhanh hơn, trong một thời gian ngắn hơn nhưng bị những người theo đuổi
tế bào nhiên liệu hydro phản đối. Bộ trưởng Năng lượng Mỹ cho rằng cần chú ý
đến những thách thức liên quan tới sự phát triển của cơ sở hạ tầng cần thiết để
phân phối nhiên liệu hydro.
Tại Anh, trong năm 2005, Công ty sản xuất năng lượng thông minh Eric lần
đầu tiên cho xe máy dùng tế bào nhiên liệu hydro gọi là ENV có thể chạy trong
4 giờ, và đi 100 dặm trong khu vực đô thị, với tốc độ là 50 dặm/giờ. Tại Nhật,
năm 2004, Honda đã phát triển một xe gắn máy dùng tế bào nhiên liệu cho các
Honda FC Stack. Đến năm 2008, Honda đã cho ra đời chiếc xe máy, xe đạp
điện với động cơ dùng nhiên liệu hydro. Theo Autopro (2011), hãng Suzuki của
Nhật cũng sắp trình làng xe ga “xanh” - Suzuki Burgman Fuel Cell chạy điện
bằng tế bào nhiên liệu (H5). Ngày 14/3/2011, sau một thời gian đàm phán,
Suzuki đã chính thức được chính phủ Anh thông qua việc sản xuất loại xe chạy
“pin” nhiên liệu mới nhất này mang tên Burgman Fuel Cell đáp ứng những quy
định ngặt nghèo của Liên minh châu Âu với các hãng sản xuất mô tô và ô tô vì
mục đích giảm thiểu hiệu ứng nhà kính cũng như giữ cho môi trường trong sạch.
Burgman Fuel Cell được thiết kế với kiểu dáng thể thao khỏe khoắn, mang
phong cách dòng maxi scooter cỡ lớn, có trọng lượng khá nhẹ, bình “xăng”
hydro, động cơ làm mát bằng chất lỏng, nhiên liệu chính là hydro và oxy sau

khi đã được chuyển hóa thành điện năng sử dụng, chất thải duy nhất là nước.


Các đội đua xe bằng tế bào nhiên liệu cũng được tổ chức bởi sinh viên các
trường đại học đến từ khắp nơi trên thế giới. Hội thi đầu tiên này được gọi là giải
vô địch Formula Zero, bắt đầu vào ngày 22/8/2008 tại Rotterdam, Hà Lan. Theo
"Fuel cell buses", London (13-5-2007), một số công ty đang tiến hành nghiên cứu
tế bào nhiên liệu hydro và dùng cho các xe buýt thử nghiệm như Daimler AG,
Ballard Power Systems và “pin” nhiên liệu thử nghiệm thành công ở 11 thành
phố. Ngoài ra còn có tế bào nhiên liệu chạy xe buýt đang hoạt động như đội xe
buýt điện tế bào nhiên liệu với Thor UTC ở California (Mỹ) được điều hành bởi
Cơ quan SunLine Transit. Tại Brazil, việc đầu tiên của “Brazil hydro” là, năm
2009 cho xe buýt tế bào nhiên liệu hoạt động tại São Paulo. Các xe buýt hydro
được sản xuất trong Caxias do Sul và nhiên liệu hydro sẽ được sản xuất tại São
Bernardo làm ra từ nước thông qua điện phân. Chương trình này được gọi là
"Ônibus Brasileiro a Hidrogênio"(Hydrogen Autobus Brazil), bao gồm các xe
buýt bổ sung (Inovação Tecnológica. Abril, 2009). Còn ở Hàn Quốc, Công ty
Huyndai (2011) tuyên bố rằng đã sản xuất thành công những chiếc xe khách có
sức chứa 51 người bao gồm cả lái xe (H6)chạy điện tế bào nhiên liệu bằng chính
công nghệ nội địa với tốc độ tối đa 100km/h.
Đối với đường sắt, chạy điện cũng được coi trọng. Tại Trung Quốc, theo Beth
Buczynski (3/12/2010), người ta đã khánh thành chuyến xe lửa tốc hành trang bị
tế bào nhiên liệu. Đây là sản phẩm hợp tác giữa công ty Yongji Electric Motor và
Đại học giao thông Tây Nam (Southwest Jiaotong University). Với tế bào nhiên
liệu hydro và động cơ đồng bộ, tàu chạy đạt tốc độ cao tới 220 dặm/h (1 dặm =
1,609344 kilomet) và mang lại hiệu quả cao, bảo tồn năng lượng đáng kể, có độ
rung thấp và tiếng ồn tối thiểu, cho phép hành khách đi lại giữa Bắc Kinh và
Thượng Hải chỉ trong 4 giờ thay vì phải mất 10 giờ như trước đây (H10). Cùng
với đó, hệ thống chiếu sáng cho con đường này cũng được phát huy nhờ nguồn
điện của tế bào nhiên liệu.

* Cho các phương tiện vận tải đường thuỷ
Theo Kakati, B.K., Deka, D(Energy & Fuels 2007, 21), lần đầu tiên (6/2000),
thế giới được chứng kiến tế bào nhiên liệu dùng cho con tàu Hydra ở Leipzig
CHLB Đức (H8). Đây là loại tế bào nhiên liệu AFC với công suất 6,5KW. Như
vậy, bên cạnh nguồn điện từ một động cơ điện còn có thêm tế bào nhiên liệu.
Tàu vận chuyển khoảng 2.000 hành khách, và các hệ thống tế bào nhiên liệu có
khả năng hoạt động ngay cả ở nhiệt độ dưới mức đóng băng.









Cũng lần đầu tiên, các tàu ngầm loại 212 sử dụng tế bào nhiên liệu của hải
quân Đức và Ý được sản xuất (H9). Tàu có khả năng “lặn” sâu dưới nước trong
nhiều tuần mà không cần phải “bơi” lên mặt nước và không có nhiệt thải. Năm
2007, loại tàu này được xuất hàng loạt. Đây là loại tàu ngầm phi hạt nhân tiên
tiến được phát triển bởi Howaldtswerke-Deutsche ard AG (HDW) và
Fincantieri Spa cho hải quân Đức, Ý. Ngoài động cơ đẩy diesel còn có thêm
một hệ thống động cơ đẩy không khí độc lập (AIP) bằng cách sử dụng tế bào
nhiên liệu hydro có màng trao đổi proton (PEM). Các tàu ngầm có thể hoạt
động ở tốc độ cao bằng nguồn điện diesel hoặc chuyển sang sử dụng hệ thống
AIP khi đi chậm hơn hoặc đứmg yên. Hệ thống này khá nhẹ nhàng không tạo ra
những rung động mạnh, rất yên tĩnh và hầu như không thể phát hiện. Ở Nga
cũng có dự án về tàu ngầm Lada 677 được thiết kế theo hướng này bởi Cục
Thiết kế Nga Rubin. Ở Mỹ, ngày 08/12/2010, General Motors (GM) cho biết,
có nhiều tổ chức tham gia “Sáng kiến Hydrogen Hawaii-H2I” với mục tiêu là

xây dựng 25 trạm hydro tại các địa điểm chiến lược xung quanh Oahu, đưa
nhiên liệu cho một vùng rộng lớn có 1 triệu dân. GM và 11 công ty đối tác đã
cam kết vào năm 2015 sẽ cung cấp nhiên liệu hydro cho các loại xe và phát
triển cơ sở hạ tầng ở Hawaii. Tuy nhiên, theo Christopher DeMorro (2011)
trong năm 2006, GM đã bắt đầu tung ra những tế bào nhiên liệu Equinox cho
khoảng 100 xe để cho khách hàng thuê chạy trong ba thành phố và nó đã đem
lại một lợi ích lớn đến với Hawaii. Hải quân Mỹ là một trong những khách
hàng đầu tiên nhận xe GMsử dụng tế bào nhiên liệu, nhằm mục đích tích hợp
hydro như một khối xây dựng cần thiết cho một hệ sinh thái năng lượng bền
vững. Theo H2I, chương trình mục tiêu nhằm thúc đẩy sử dụng xe nhiên liệu
hydro là một trong những lựa chọn chính cho giao thông vận tải của hòn đảo
này.
* Từ tế bào nhiên liệu đến các nhà máy điện
Tế bào nhiên liệu không thể lưu trữ điện năng như pin, nhưng trong một số
ứng dụng, chẳng hạn như nhà máy điện độc lập dựa trên các nguồn không liên
tục (năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió), nó được kết hợp với hệ thống
lưutrữ năng lượng, nhưng rẻ hơn nhiều so với ac quy chì/ axit.Tế bào nhiên liệu
được xem nhưnhữngmáy phát điện, cung cấp điện năng cho trạm điện cơ sở và
cả mạng lưới di động để đảm bảo cung cấp điện thường xuyên liên tục cho cơ sở
đặc biệt như các bệnh viện, trung tâm dữ liệu, phòng thí nghiệm, trung tâm viễn
thông, thiết bị quân sự và tàu hiện đại của hải quân. Nhưng tế bào nhiên liệu
cũng không giống như một máy phát điện dự phòng, bởi nó có thể cung cấp điện
ngay lập tức ngay cả khi nguồn điện bị gián đoạn tạm thời.


Ở Mỹ, nhờ một khoản trợ cấp từ Quỹ Năng lượng sạch Connecticut mà năm
2010, các thành phố ở New Haven, bang Connecticut, đã lắp đặt một tế bào nhiên
liệu công suất tới 400KW trong một tổ hợp sử dụng cho nhà ở. Trong một báo cáo ở
New Haven (8/6/2010) cho thấy, đây là tế bào nhiên liệu lớn được sử dụng cho một
tòa nhà chung cư 700.000m

2
và nó đáp ứng gần 100% nhu cầu điện của tòa nhà
cũng như cung cấp nhiệt năng để sưởi ấm không gian, nước nóng và hồ bơi. Cơ
quan quản lý môi trường Mỹ-EPA (Environmental Protection Agency) ước tính mỗi
năm lượng khí thải cacbon của tòa nhà giảm 790 tấn và ngoài các khoản tiết kiệm
năng lượng, các tế bào nhiên liệu sẽ cung cấp điện năng, cho phép hoàn vốn trong
5,5 năm. Các nhà máy điện tế bào nhiên liệu cũng đã được lắp đặt ở các trường đại
học như nhà máy Direct FuelCell (DFC) tạo ra điện năng có tổng công suất khoảng
11.500 MW tại trường đại học công lập ở Toms River, New Jersey và các trường
đại học khác.
Tại Hà Lan, NedStack- một công ty tư nhân được thành lập vào năm 1998 ở
Arnhem, hiện nay đang là nhà sản xuất các tế bào nhiên liệu ngăn xếp PEM lớn
nhất châu Âu và thế giới, đã sử dụng công nghệ độc đáo và được cấp bằng sáng
chế. Với tế bào nhiên liệu PEM lưu động lớn nhất thế giới, các máy phát điện
1MW được kết nối với nhà máy tại Antwerp, Bỉ. Theo họ, nhà máy điện PEM có
hiệu quả cao, an toàn cao, giảm phát thải và yên tĩnh, không tiếng ồn.
Theo South Korea Times (2010), POSCO, nhà sản xuất thép lớn thứ ba thế giới
tại Hàn Quốc cũng đã ký một biên bản ghi nhớ với thành phố Pohang và tỉnh
Gyeongsang để xây dựng một nhà máy điện tế bào nhiên liệu lớn nhất thế giới-
DFC 3000 có 100 MW (H11). Dự án này là một phần trong nỗ lực của tỉnh
Gyeongsang nhằm tạo ra một cụm năng lượng cho khu vực dọc theo bờ biển phía
đông với công nghệ sạch hơn. Nhà máy sẽ hoàn thành trong 3 năm và đi vào vận
hành, đồng thời lưới điện của Hàn Quốc cũng đã nhận được sức mạnh siêu sạch và
đáng tin cậy từ nhàmáy này. Bộ Thương mại, Công nghiệp và Năng lượng
(MOCIE) Hàn Quốc cũng đã có những ưu đãi đáng kể để thúc đẩy việc sử dụng
năng lượng thay thế và tế bào nhiên liệu nằm trong số nhận được sự hỗ trợ mạnh
mẽ từ MOCIE.
Để thấy hết được vai trò của tế bào nhiên liệu, ngày 21/6/2010 tại Washington,
Hội Năng lượng Mỹ-USEA (United States Energy Association) cũng đã tổ chức
cuộc Hội thảo về nguồn diện năng sạch và có nhều nước tham gia. Hội thảo nhất

trí nhận định rằng: năng lượng của tế bào nhiên liệu là nguồn năng lượng đáng tin
cậy cho các công ty thương mại và công nghiệp cũng như chính phủ với các tiện
ích hiệu quả cao hơn và hầu như không có ô nhiễm.
Các nhiên liệu không phải hydrogen
Theo Gas Today (9 -12-2009), ngoài hydro, tế bào nhiên liệu còn được sử dụng
các nguyên liệu khác. Năm 2009, hãng Linc Energy đã có ý định đi vào công nghệ tế
bào nhiên liệu với hệ thống tế bào nhiên liệu Alpha sản xuất hydro từ khí hóa than
ngầm (UCG). Các hệ thống Alpha đang được phát triển vì chi phí thấp, dễ bảo trì, sản
xuất hàng loạt, có thể được cài đặt trong các mô đun. Linc Energy có ý định thiết kế
một số tế bào nhiên liệu như các container di động để cung cấp diện năng tới 400-500
MW. Peter Bond - Giám đốc điều hành của Linc Energy cho biết: "Nó có ý nghĩa vô
cùng bởi đã kết hợp được công nghệ điện sạch với công nghệ khí hóa sạch”.
Với khí đốt tự nhiên, công ty FuelCell đã lắp đặt hai tế bào PG & E loại 1,4MW
chạy bằng khí đốt tự nhiên sử dụng tại các trương Đại học California State
University East Bay và San Francisco State University. Kể từ khi mở cửa để kinh
doanh thương mại, trong năm 2003 chỉ riêng ở California,công ty đã đặt tới 50 tế
bào nhiên liệu. Công ty Enbridge, Canada lắp đặt các hệ thống có công suất từ 250
đến 300 MW ở Ontario, và vùng Đông Bắc. Tại châu Âu, Sam Jaffe - một chuyên
gia phân tích của IDC cho rằng: các tổ hợp tế bào nhiên liệu khác, công suất từ
200-600 MW là thành công lớn vì cắt giảm lượng khí thải từ khí nồi hơi, giảm
phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính, mặc dù khí đốt tự nhiên thông qua các tế bào
nhiên liệu vẫn được chuyển đổi thành CO
2
.
Việc sử dụng khí mê-tan làm nhiên liệu cũng được quan tâm đặc biệt, và nó cung
cấp tiềm năng to lớn cho ngành công nghiệp xử lý nước thải, phế thải, và bằng cách
tạo ra điện năng từ khí đốt sẽ tiết kiệm được chi phí đáng kể. Theo Aditi Justa
(2010), lượng mê-tan được tạo ra bởi một nhà máy xử lý nước thải 30 triệu lít mỗi
ngày đủ để sản xuất 1MW, và cũng đủ cung cấp điện cho 1.000 hộ gia đình. Nhà
máy điện tế bào nhiên liệu chuyển đổi khí mê-tan thành điện năng của tế bào nhiên

liệu có hiệu quả cao ở Danbury (Mỹ) được xem là nhà máy điện siêu sạch sử dụng
nhiên liệu tái tạo và đã thành công trong việc phát triển điện năng từ phân gia súc,
gia cầm. Người ta đã bán nhà máy điện tế bào nhiên liệu có công suất 1,4MWcho
trang trại chăn nuôi và được lắp đặt tại Olivera Ranch. Dự kiến nhà máy điện sẽ đi
vào hoạt động vào giữa năm 2011 và theo họ, khí mê-tan được tạo ra nhờ lên men
kỵ khí nếu dùng để đốt là một sự lãng phí, mà nên được sử dụng làm nhiên liệu để
tạo ra điện đủ để đáp ứng tất cả các nhu cầu năng lượng của vùng Ranch. Việc sản
xuất ra các tế bào nhiên liệu từ mê-tan thu được nhờ các vi sinh vật phân giải kỵ
khí các chất thải hữu cơ, nước thải không còn xa lạ. Hiện người ta thấy nhiều tế
bào nhiên liệu loại này có công suất 1,4MW ở trang trại gà sản xuất trứng Olivera
Egg Ranch-French Camp, loại 600kW ở Gill’s Onions-Oxnard, loại 1MW tại nhà
máy bia Nevada vừa chống được ô nhiễm môi trường, vừa có hiệu quả kinh tế
lớn. Chẳng hạn tại nhà máy bia Nevada (Mỹ), nhờ sự kết hợp giữa sản xuất bia và
xử lý phế thải, nước thải bằng cách lên men mê-tan sản xuất ra hàng loạt tế bào
nhiên liệu (H12) nên hàng năm đã tiết kiệm được 700.000 USD tiền điện. Tùy theo
nhu cầu sử dụng mà người ta còn chế tạo ra tế bào nhiên liệu acid phosphoric, là
loại có nhiệtđộlàm việc cao150-200
0
C. Theo Bob Tierney - Giám đốc UTC Power,
South Windsor (2011) thì loại tế bào nhiên liệu này vừa cung cấp điện năng và nhiệt
năng lại có “tuổi thọ”cao, có thể làm việc lên tục 85.000 giờ trong 10 năm.
Những ứng dụng khác
Các tế bào nhiên liệu là nguồn điện năng cần thiết cho nhiều thiết bị khác như
máy tính xách tay, điện thoại di động, lò sưởi Chẳng hạn hãng LG Electronics đã
cho ra đời cuốn sách điện tử LG e-book - một máy tính xách tay “sinh thái”, gọn
nhẹ, rất mỏng, có 4 màn hình OLED, chạy bằng tế bào nhiên liệu có thể làm việc
bằng khí đốt tự nhiên, methanol và các loại nhiên liệu hóa lỏng (H 13). Hay tại
Nhật bản, trên Fuel Cell Technology (9/7/2011) cho biết, phòng thí nghiệm của
Fujitsu Laboratories Ltd, hãngDoCoMo lần đầutiên đã chế tạo loại điện thoại
thông minh sử dụng tế bào nhiên liệu vi mô (micro fuel cell)với màn hình lớn và

bổ sung tính năng quan trọng như hệ thống định vị toàn cầu-GPS (Global
Positioning System) để xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo
(H14).


Tính cấp thiết và triển vọng
Ông Om Nalamasu (2006) -Phó Chủ tịch của hãng Rensselaer cho rằng: năng
lượng là vấn đề quan trọng nhất đối với nhân loại. Theo ông, hiện thế giới có
6,5tỷngười đang cạnh tranh để được cung cấp nhiên liệu hóa thạch, đến năm2050,
sẽ có khoảng 8-10tỷngười, như vây sẽ không thể đáp ứng được nhu cầu năng
lượng của họ nếu không có những tiến bộ lớn trong việc bảo tồn và phát triển
năng lượng đáng tin cậy và tái tạo không tốn kém. Tế bào nhiên liệu có tiềm
năng để đáp ứng nhu cầu đó. Hay ở Công ty Năng lượng tế bào nhiên liệu
(FuelCell Energy), ôngHarry Pettitcho biết: năm 2006, lần đầu tiên điện lực
Pennsylvania and Light đã lắp dặt các tế bào nhiên liệu và thấy nó có những lợi
thế, giá điện giảm chỉ còn 12 cents (1/100USD)/1kw so với16cents /1kw khi sử
dụng điện lưới.
Những nghiên cứu cải tiến để nâng cao hiệu quả và giảm giá thành cũng
được xúc tiến mạnh mẽ, Chẳng hạn, trong sản xuất tế bào nhiên liệu thường
phải dùng đến Platin (Pt) làm xúc tác, giá thành cao, mục tiêu phấn đấu hiện tại
cho một tế bào nhiên liệu PEM là 0,2 g Pt/kw. Tuy nhiên, đã có những nghiên
cứu không sử dụng Pt mà thay vì các vật liệu rẻ tiền hơn như Nikel (Ni) làm
xúc táchoặcbằng cách sử dụng enzim kim loại chứa Ni có kết quả tốt. Đáng chú
ý là theo Savage,N (2009), tại Đại học Dayton ở Ohio (Mỹ) đã nghiên cứu tạo
ra các vi ống (microtubule) nanocarbon và được sử dụng như là chất xúc tác
trong các tế bào nhiên liệu. Hơn nữa, vi ống nanocarbon sẽ kết hợp được nhiều
phân tử enzim hơn nên xúc tác có hiệu quả hơn. Việc nâng cao nhiệt độ làm
việc của tế bào nhiên liệu để sử dụng nhiệt năng cũng được chú ý để lấy nhiệt
năng. Trong năm 2005, tại Trường Đại học Georgia (Mỹ) đã nghiên cứu sử
dụng tế bào nhiên liệu công suất cao hàng ngàn kw (MW) lại có thể cho các

“container lưu đông” đến bất cứ đâu để “cứu trợ khẩn cấp” như FCEL ở
Connecticut đã cài đặt các loại tế bào nhiên liệu 25MW và 50MW tại một số cơ
sở.
Ở Hàn Quốc cũng bắt đầu lắp đặt nhà máy hydrogen fuel cell vào loại lớn nhất
thế giới ở Hwaseong City, tỉnh Gyeonggi với công suất lên tới 60MW cung cấp
464 triệu kWh và 195 tỷ kcal, tương đương với công suất của 110 bộ turbine gió
loại 2MW, hoặc thay thế được 120.000T dầu cho máy phát điện, giảm phát thải
60.000T carbon, cung cấp điện cho khoảng 135.000 gia đình ở thành phố
Hwaseong.
Tất cả các dữ liệu ở trên cho thấy tế bào nhiên liệu rất có triển vọng phát triển
bởi nhiên liệu hydrogen dễ sản xuất ra và oxygen không khí không thiếu, hay
mê-tan từ phân giải phế thải, nước thải ít tốn kém, không vất vả như xây dựng
các nhà máy nhiệt điện, thủy điện, hay điện hạt nhân và rất chủ động để tạo ra
nguồn điện có công suất lớn, cung cấp điện liên tuc, ổn định, có “tuổi thọ” cao.
Đặc biệt, nó hầu như không gây ảnh hưởng xấu đến môi trường dất, nước, không
khí, môi trường sinh vật, trong đó có con người./.

Tài liệu tham khảo
1. Anissa Dehamna (2010) - Fuel Cells: Power, Heat, and Water.
2. Department of Energy Energy Efficiency and Renewable Energy Fuel
Cell Technologies Program (2011) "Fuel Cell Technologies Program:
Glossary".
3. Jeff St. John (2010). FuelCell Energy Finds Niche in Natural Gas Stations.
4. Hayley Birch (2009) - Bio-inspired catalyst design could rival
platinum.
5. Hydro Kevin (2011) - State of the States Fuel Cells in America 2011.
6. Kakati, B.K., Deka, D.(2007) - “Effect of resin matrix precursor on the
properties of graphite composite bipolar plate for PEM fuel cell”, Energy &
Fuels , 21 (3).
7. News (April 15, 2011) - South Korea will be starting constructions for the

world’s largest hydrogen fuel cell power plant at Hwaseong City, Gyeonggi
Province.
8. Steven McIntosh (2011) - Fuel Cell Technology.
■ Nguyễn Dương Tuệ