Hydrogen & Pin nhiên liệu (Pin nhiên liệu) pptx

Hydrogen & Pin nhiên liệu
(Pin nhiên liệu)



15.6. Pin nhiên liệu
Trong khi thế kỉ 19 được mệnh danh là thế kỉ
của động cơ hơi nước và thế kỉ 20 là thế kỉ của
động cơ đốt trong thì ta có thể nói, thế kỉ 21 sẽ
là kỉ nguyên của pin nhiên liệu. Pin nhiên liệu
hiện nay đang dần được phổ biến trên thị
trường, dự đoán sẽ tạo nên cuộc cách mạng
năng lượng trên thế giới trong tương lai. Pin
nhiên liệu có thể sử dụng hydrogen làm nhiên
liệu, mang đến triển vọng cung cấp cho thế giới
một nguồn điện năng sạch và bền vững.
Tương tự như ắc quy, pin nhiên liệu là một thiết
bị tạo ra điện năng thông qua cơ chế phản ứng
điện hóa. Điểm khác biệt nằm ở chỗ, pin nhiên
liệu có thể tạo ra dòng điện liên tục khi có một
nguồn nhiên liệu cung cấp cho nó, trong khi đó,
ắc quy cần phải được nạp điện lại (sạc) sau một
thời gian sử dụng. Vì thế mà pin nhiên liệu
không chứa năng lượng bên trong, nó chuyển
hóa trực tiếp nhiên liệu thành điện năng, trong
khi ắc quy cần phải được nạp điện lại từ một
nguồn bên ngoài.
Mỗi pin nhiên liệu gồm có hai điện cực âm
(cathode) và dương (anode). Phản ứng sinh ra

điện năng xảy ra tại hai điện cực này. Giữa hai
điện cực còn chứa chất điện phân, vận chuyển
các hạt điện tích từ cực này sang cực khác, và
chất xúc tác nhằm làm tăng tốc độ phản ứng.
Các module pin nhiên liệu thường kết nối với
nhau, song song hay trực tiếp để tạo ra các thiết
bị có mức công suất phát điện khác nhau và lớn
hơn.
Hai nhiên liệu cơ bản cần thiết cho pin nhiên liệu
vận hành chỉ đơn giản là hydrogen và oxygen.
Lợi thế hấp dẫn của pin nhiên liệu là ở chỗ nó
tạo ra dòng điện sạch, rất ít ô nhiễm, do sản
phẩm phụ của quá trình phát điện cuối cùng chỉ
là nước, không hề độc hại.
Các phản ứng hóa học tạo ra dòng điện chính là
chìa khóa trong cơ chế hoạt động của pin nhiên
liệu. Có nhiều loại pin nhiên liệu và mỗi kiểu vận
hành một cách khác nhau nhưng cùng chung
nguyên tắc cơ bản. Khi những nguyên tử
hydrogenđi vào pin nhiên liệu, phản ứng hóa
học xảy ra ở anode sẽ lấy đi electron của chúng.
Những nguyên tử hydrogenl úc này bị ion hóa
và mang điện tích dương. Electron điện tích âm
sẽ chạy qua dây dẫn tạo ra dòng điện một
chiều.
Oxygen đi vào cathode và, trong một số dạng
pin nhiên liệu, chúng sẽ kết hợp với các electron
từ dòng điện và những ion hydrogen vừa đi qua
chất điện phân từ anode; ở một số dạng pin
nhiên liệu khác, oxygen lấy electron rồi đi qua

chất điện phân đến anode, gặp và kết hợp với
các ion hydrogen tại đó.
Chất điện phân đóng vai trò quyết định chủ chốt.
Nó phải chỉ cho phép những ion thích hợp đi
qua giữa anode và cathode; vì nếu electron tự
do hay các chất khác cũng có thể đi qua chất
điện phân này, chúng sẽ làm hỏng các phản
ứng hóa học.
Dù cùng gặp ở anode hay cathode, kết hợp với
nhau, hydrogen và oxygen cuối cùng cũng tạo
ra nước, thoát ra khỏi pin. Pin nhiên liệu sẽ liên
tục phát điện khi vẫn được cung cấp hydrogen
và oxygen. Dưới đây là sơ đồ mô tả hai phản
ứng cơ bản trong pin nhiên liệu mà phản ứng
tồng quát của chúng chính là phản ứng nghịch
của quá trình điện phân nước:
Phản ứng trên anode: 2 H2 => 4 H+ + 4e- (15.7)
Phản ứng trên cathode: O2 + 4 H+ + 4e- => 2
H2O (15.8)
______________________________________
____________________
Tổng quát: 2 H2 + O2 => 2 H2O + năng lượng
(điện) (15.9)
Phản ứng hóa học tổng quát cho pin nhiên liệu
còn tương tự như phản ứng hóa học mô tả quá
trình hydrogen bị đốt cháy với sự hiện diện của
oxy, tức cũng là sự kết hợp giữa khí hydrogenvà
oxygen tạo nên năng lượng; điểm làm nên sự
khác biệt quan trọng giữa hai quá trình đó nằm
ở cơ chế phản ứng – phản ứng cháy tạo ra

nhiệt trong khi phản ứng điện hóa của pin nhiên
liệu sinh ra điện năng. Pin nhiên liệu chuyển đổi
trực tiếp hóa năng thành điện năng, quá trình
này không liên quan đến sự chuyển hóa nhiệt
thành cơ năng nên không phải là đối tượng của
định luật nhiệt động lực học giới hạn hiệu suất
tối đa của các động cơ nhiệt thông thường
(Carnot) . Do đó, hiệu suất pin nhiên liệu có thể
vượt được giới hạn Carnot, thậm chí ngay cả
khi vận hành ở nhiệt độ tương đối thấp.