15.7. các loại pin nhiên potx

Hydrogen & Pin nhiên liệu
(Các loại pin nhiên liệu-P1)



15.7. các loại pin nhiên liệu:
Pin nhiên liệu cũng có một số kiểu khác nhau,
chủ yếu ở chất điện phân mà chúng sử dụng.
Trong khi có chất chỉ cho phép proton (H+) đi
qua thì có chất khác chỉ cho các phân tử phức
tạp đi xuyên qua màng. Các chất điện phân
chúng sử dụng cũng được lấy làm tên gọi để
phân biệt các dạng pin nhiên liệu khác nhau, ví
dụ như: AFC – pin nhiên liệu kiềm, PEMFC –
pin nhiên liệu màng trao đổi proton), PAFC – pin
nhiên liệu axit phosphoric, MCFC – pin nhiên
liệu muối carbonate nóng chảy, SOFC – pin
nhiên liệu oxit rắn… Mỗi dạng pin nhiên liệu có
chế độ vận hành và những ứng dụng khác nhau
sẽ được lần lượt giới thiệu dưới đây.
a) AFC (Alkaline Fuel Cell) – pin nhiên liệu alkali
(kiềm).
Pin nhiên liệu alkali (kiềm) vận hành với khí
hydrogen nén và oxy, dùng dung dịch kiềm KOH
làm chất điện phân. Hiệu suất pin khoảng 70%,
và hoạt động ở từ 150 đến 200 độ C. Công suất
đầu ra khoảng từ 300W đến 5kW. Do nhỏ, nhẹ,
hiệu suất cao nên phần lớn loại pin nhiên liệu
alkali này thường được dùng trong các phương
tiện xe cộ, giao thông.

Phản ứng trên anode: 2 H2 + 4 OH- => 4 H2O +
4e- (15.10)
Phản ứng trên cathode: O2 + 2 H2O + 4e- => 4
OH- (15.11)
______________________________________
__________________
Tổng quát: 2 H2 + O2 => 2 H2O + năng lượng
(điện) (15.12)
Pin nhiên liệu alkali đã từng được NASA chọn
sử dụng trong các chương trình không gian như
đội tàu Con Thoi và các phi thuyền Apollo, chủ
yếu bởi vì năng lượng sinh ra đạt hiệu suất đến
70%. Điều thú vị là, không chỉ cung cấp năng
lượng dưới dạng điện năng, pin nhiên liệu alkali
còn cung cấp nước uống cho các phi hành gia.
Nó đòi hỏi nhiên liệu hydrogen tinh khiết và chất
xúc tác điện cực bằng Platin (bạch kim). Vì thế
mà pin nhiên liệu alkali vẫn còn khá đắt đỏ để
thương mại hóa cho các sản phẩm thông
thường. Tuy nhiên, một số công ty đang tìm
cách giảm giá thành và tăng tính đa dụng của
loại pin nhiên liệu này.
Tháng 7/1998, công ty “xe cộ không phát thải”
ZEVCO (the Zero Emission Vehicle Company)
đã tung ra chiếc taxi mẫu đầu tiên tại London
nước Anh . Chiếc taxi sử dụng một bộ pin nhiên
liệu alkali 5kW, chất xúc tác cobalt được thay
cho bạch kim (platin) để giảm chi phí, xe chạy
không sinh ra khí độc và vận hành rất êm, gần
như không gây tiếng động như những taxi chạy

bằng động cơ đốt trong thông thường.
b) MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) – pin
nhiên liệu muối carbonate nóng chảy.
MCFC dùng các muối carnonate của Na và Mg
ở nhiệt độ cao làm chất điện phân. Hiệu suất pin
đạt từ 60 đến 80%, vận hành ở nhiệt độ khoảng
6500C. Các đơn vị có công suất đầu ra 2 MW
được kết hợp với nhau và có thể thiết kế cho
công suất đến 100 MW. MCFC dùng chất xúc
tác điện cực nikel nên không đắt lắm so với xúc
tác điện cực bạch kim của AFC. Tuy nhiên, nhiệt
độ cao cũng có mặt hạn chế về vật liệu và an
toàn. Bên cạnh đó, ion carbonate từ chất điện
phân sẽ bị sử dụng hết trong phản ứng, đòi hỏi
phải tiếp thêm khí carbonic bù vào.
Phản ứng trên anode: CO32- + H2 => H2O +
CO2 + 2e- (15.13)
Phản ứng trên cathode: CO2+ ½ O2 + 2e- =>
CO32- (15.14)
______________________________________
______________________________
Tổng quát: H2(k) + ½ O2(k) + CO2 (cathode) =>
H2O(k) + CO2 (anode)+ điện năng (15.15)
Pin nhiên liệu MC vận hành ở nhiệt độ khá cao,
vì thế đa số các ứng dụng của nó là các nhà
máy, trạm phát điện lớn (ứng dụng tĩnh). Nhiệt
độ cao của quá trình vận hành có thể được tận
dụng tạo nên thêm một nguồn năng lượng bổ
sung từ nhiệt thừa để sưởi ấm, dùng cho các
quá trình công nghiệp hay động cơ hơi nước

sinh ra thêm điện năng. Nhiều nhà máy nhiệt
điện chạy bằng gas đã áp dụng hệ thống này,
gọi là cogeneration (phát điện kết hợp). Nhật
Bản, Hoa Kỳ đã ứng dụng công nghệ này, xây
dựng các nhà máy điện pin nhiên liệu MC từ
thập kỉ 90 của thế kỉ trước.
c) PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) – pin nhiên
liệu axit phosphoric.
PAFC dùng axit phosphoric làm chất điện phân,
cơ chế phản ứng như sơ đồ (15.7)-(15.9). Hiệu
suất pin có thể đạt từ 40 đến 80%, và nhiệt độ
vận hành nằm trong khoảng 150 đến 200 độ C.
Các pin nhiên liệu PAFC hiện tại có công suất
đến 200 kW, và thậm chí 11 MW đã được thử
nghiệm. PAFC có thể chịu được nồng độ CO
khoảng 1,5%, do đó mở rộng khoảng chọn lựa
loại nhiên liệu mà chúng có thể sử dụng. PAFC
đòi hỏi điện cực bạch kim, và các bộ phận bên
trong phải chống chịu được ăn mòn axit.
PAFC được phát triển, kiểm tra thực nghiệm từ
giữa thập kỉ 60 và 70 của thế kỉ trước, là dạng
pin nhiên liệu đầu tiên được thương mại hóa
trên thị trường nên đến ngày nay PAFC đã có
được nhiều cải tiến đáng kể nhằm giảm chi phí
và tăng tính ổn định, chất lượng hoạt động. Hệ
thống PAFC thường được cài đặt cho các tòa
nhà, khách sạn, bệnh viện, các thiết bị điện (các
ứng dụng tĩnh tương đối lớn) và công nghệ này
đã được phổ biến ở Nhật Bản, châu Âu và Hoa
Kỳ.

d) PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel
Cell) – pin nhiên liệu màng trao đổi proton.
PEMFC, (còn gọi là “Polymer Electrolyte
Membrane Fuel Cell” – pin nhiên liệu màng điện
phân polymer) có cơ chế phản ứng như sơ đồ
(15.7)-(15.9). Pin nhiên liệu PEM hoạt động với
một màng điện phân bằng plastic mỏng. Hiệu
suất pin từ 40 đến 50%, và vận hành ở nhiệt độ
thấp, chỉ chừng 800C. Công suất dòng ra khá
linh hoạt có thể chỉ là 2 kW cho các ứng dụng
nhỏ, di động hay cả trong khoảng từ 50 đến 250
kW cho các ứng dụng tĩnh lớn hơn. Vận hành ở
nhiệt độ thấp nên PEM thích hợp cho các ứng
dụng trong gia đình và xe cộ. Tuy nhiên, nhiên
liệu cung cấp cho PEM đòi hỏi phải được tinh
sạch (không lẫn nhiều tạp chất) và PEM cũng
cần xúc tác bạch kim đắt tiền ở cả hai mặt màng
điện phân, gia tăng chi phí.
PEMFC lần đầu tiên được sử dụng vào thập kỉ
60 của thế kỉ trước trong chương trình không
gian Gemini của NASA, đến nay pin nhiên liệu
PEM đã được phát triển với những hệ thống
công suất thông thường từ 1 W đến 2 kW.
Người ta tin rằng PEMFC sẽ là dạng pin nhiên
liệu thích hợp nhất cung cấp năng lượng cho
các xe cộ, phương tiện giao thông, và cuối cùng
về lâu dài sẽ thay thế các động cơ đốt trong
chạy bằng xăng dầu, diesel. So với các dạng pin
nhiên liệu khác, PEMFC sinh ra nhiều năng
lượng hơn với cùng một thể tích hay khối lượng

nhiên liệu cho trước. Hơn nữa, nhiệt độ vận
hành dưới 1000C cho phép khởi động nhanh.
Những ưu điểm này cùng với khả năng thay đổi
linh hoạt, nhanh chóng công suất đầu ra đã làm
cho pin nhiên liệu PEM trở thành ứng cử viên
hàng đầu cho các loại xe hơi hay những ứng
dụng di động khác như máy tính xách tay…v.v.
Mặt khác, do chất điện phân là vật liệu rắn
(màng), chứ khôn phải là chất lỏng như những
dạng pin nhiên liệu khác, việc nút kín các khí
phát ra từ điện cực cũng đơn giản hơn và do đó
làm giảm chi phí sản xuất. Màng điện phân rắn
cũng ít gặp khó khăn trong khi vận hành, ít bị ăn
mòn hơn so với các dạng chất điện phân khác,
dẫn đến kéo dài tuổi thọ của pin hơn.
e) SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) – pin nhiên liệu
oxit rắn
SOFC sử dụng một hợp chất oxit kim loại rắn
(như calcium hay zỉconium) làm chất điện phân.
Hiệu suất đạt được khoảng 60% và vận hành ở
nhiệt độ từ 6000C đến cả 10000C. Được phát
triển từ cuối những năm 50 của thế kỉ trước, đây
là dạng pin nhiên liệu vận hành ở nhiệt độ cao
nhất hiện nay. Nhiệt độ cao cho phép pin có thể
sử dụng được nhiều loại nhiên liệu đầu vào,
như khí thiên nhiên, sinh khối hydrocarbon (trích
xuất lấy hydrogen trực tiếp mà không cần phải
qua chuyển hóa nhiệt). Công suất đầu ra của
pin đến 100 kW. Vận hành ở nhiệt độ cao như
vậy, chất điện phân là vật liệu oxit rắn, mỏng và

cho phép ion oxygen (O2-) đi qua.
Phản ứng trên anode: 2 H2 + 2 O2- => 2 H2O +
4 e- (15.16)
Phản ứng trên cathode: O2 + 4e- => 2 O2-
(15.17)
______________________________________
____________________
Tổng quát: 2 H2 + O2 => 2 H2O + năng lượng
(điện) (15.18)
Cũng giống như pin nhiên liệu muối carbon
nóng chảy, do vận hành ở nhiệt độ khá cao như
vậy nên dạng pin nhiên liệu này thường ứng
dụng giới hạn trong các hệ thống tĩnh khá lớn và
nhiệt thừa có thể được tái tận dụng để tạo thêm
nguồn điện bổ sung.
5 dạng pin nhiên liệu trên đã được ứng dụng
trên thực nghiệm từ lâu. Ngoài ra, một số dạng
pin nhiên liệu khác hứa hẹn nhiều triển vọng vẫn
đang còn trong những bước đầu giai đoạn
nghiên cứu cũng sẽ được tiếp tục giới thiệu
dưới đây.