pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI

PIN NHIÊN LIỆU VÀ HƯỚNG PHÁT
TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI

Giảng viên hướng dẫn:
Th.S Lê Văn Nhạn

Người thực hiện:
Sinh viên: Thị Mỹ Xung
MSSV: 1100278
Lớp: SP Vật Lý
Khóa 36

Cần Thơ , ngày 15 tháng 01 năm 2014


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:

PIN NHIÊN LIỆU VÀ HƯỚNG PHÁT
TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI

Giảng viên hướng dẫn:
Th.S Lê Văn Nhạn

Người thực hiện:
Sinh viên: Thị Mỹ Xung
MSSV: 1100278
Lớp: SP Vật Lý
Khóa 36

Cần Thơ ,ngày 15 tháng 01 năm 2014


LỜI CÁM ƠN
Tục ngữ Việt Nam có câu nhắn nhủ người trẻ trong xã hội:” Một chữ cũng là thầy, nửa
chữ cũng là thầy”. Đó tuy là một câu nói ngắn gọn nhưng chứa đựng sự biết ơn của em
đối với quý thầy cô Bộ Môn Sư phạm Vật Lý, Khoa Sư Phạm, Trường Đại Học Cần
Thơ đã tận tình giảng dạy cũng như hướng dẫn cho em trong suốt quá trình học tập
cho đến ngày hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Vì vậy, em xin kính gởi lời tri ân chân
thành nhất đến quý thầy cô Bộ Môn Sư phạm Vật Lý, Khoa Sư Phạm, Trường Đại
Học Cần Thơ.
Em xin chân thành cảm ơn thầy: Lê Văn Nhạn đã nhiệt tình hướng dẫn cho em
trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, anh chị đang làm việc trong “Trung Tâm
Học Liệu” đã tạo mọi điều kiện cho em tìm tài liệu thông qua sách, báo, Internet để em
được hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Do kiến thức và thời gian có hạn nên luận văn tốt nghiệp không tránh khỏi những
thiếu sót. Kính mong sự chỉ bảo và đóng góp của quý thầy cô cùng các bạn để cho luận
văn của em được tốt hơn.
Cuối cùng xin ghi nhận nơi đây lòng biết ơn chân thành nhất, xin kính chúc sức

khỏe của quý thầy cô Bộ Môn Sư phạm Vật Lý, Khoa Sư Phạm, Trường Đại Học Cần
Thơ, chúc quý thầy cô luôn hoàn thành tốt công việc và luôn hạnh phúc bên gia đình.

i


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
---------............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................

...................................................…………………………………………………………..

Cần Thơ, ngày.…. tháng.…. năm 2014
Giáo viên hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)

ii


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
---------...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
Cần Thơ, ngày…. tháng…. năm 2014
Giáo viên phản biện
(Ký và ghi rõ họ tên)

iii


MỤC LỤC
PHẦN I: MỞ ĐẦU ..........................................................................................................1
1 Lý do chọn đề tài ............................................................................................................1
2 Giới hạn đề tài ................................................................................................................2
3 Mục đích nghiên cứu ......................................................................................................2
4 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................2
PHẦN II: NỘI DUNG .....................................................................................................3
Chương 1 HYDROGEN VÀ VẤN ĐỀ CUNG CẤP NHIÊN LIỆU...........................3
1.1 Lợi ích của nền kinh tế Hydro .....................................................................................3
1.2 Cung cấp nhiên liệu .....................................................................................................4
1.2.1 Thuộc tính của Hydrogen .........................................................................................4
1.2.2 Sản xuất Hydrogen ...................................................................................................5
1.2.2.1 Hóa nhiệt Hydrocacbon.........................................................................................6
1.2.2.2 Điện phân nước......................................................................................................8
1.2.2.3 Phương pháp sinh học .........................................................................................10
1.2.3 Lưu chứa Hydrogen................................................................................................11
1.2.3.1 Lưu chứa Hydrogen dưới dạng khí nén áp suất cao............................................11
1.2.3.2 Lưu chứa Hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng.......................................................12

1.2.3.3 Lưu chứa Hydrogen nhờ hấp thụ hóa học ...........................................................12
1.2.3.4 Lưu chứa Hydrogen trong các hydrua kim loại (metal hydride).........................13
1.2.3.5 Lưu chứa Hydrogen trong ống carbon nano rỗng ...............................................13
1.2.3.6 Lưu chứa Hydrogen trong các vi cầu thủy tinh (glass microsphere) ..................14
1.2.4 Vấn đề an toàn ........................................................................................................15
Chương 2.TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU .......................................................18
2.1 Khái niệm pin nhiên liệu ...........................................................................................18
2.2 Lịch sử hình thành pin nhiên liệu ..............................................................................18
2.3 Cấu tạo chung của pin nhiên liệu ..............................................................................21
2.4 Nguyên lý chế tạo và hoạt động của pin nhiên liệu...................................................22
2.4.1 Nguyên lý chế tạo ...................................................................................................22
iv


2.4.2 Nguyên lý hoạt động ..............................................................................................22
2.5 Hệ thống pin nhiên liệu .............................................................................................23
2.6 Phân loại pin nhiên liệu .............................................................................................24
2.6.1 AFC (Alkaline Fuel Cell)- pin nhiên liệu alkali (kiềm) .........................................24
2.6.2 MCFC (Molten Carbonat Fuel Cell)-pin nhiên liệu muối carbon nóng chảy ........25
2.6.3 PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)-pin nhiên liệu axit phosphoric ......................26
2.6.4 PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)-PNL màn trao đổi proton ........26
2.6.5 SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)-pin nhiên liệu oxit rắn...........................................27
2.7 Ưu và nhược điểm .....................................................................................................28
2.7.1 Ưu điểm ..................................................................................................................28
2.7.2 Nhược điểm ............................................................................................................29
2.8. Ứng dụng của pin nhiên liệu ....................................................................................29
Chương 3 TÌM HIỀU VỀ PIN NHIÊN LIỆU METHANOL TRỰC TIẾP.............33
3.1 Lịch sử hình thành và phát triển của pin nhiên liệu methanol trực tiếp ....................33
3.2 Cấu tạo của pin nhiên liệu methanol trực tiếp...........................................................33
3.3 Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu methanol trực tiếp .....................................35

3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình làm việc của pin ..............................................35
3.4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ .........................................................................................35
3.4.2 Ảnh hưởng của độ Nm.............................................................................................36
3.4.3 Ảnh hưởng của áp suất ...........................................................................................36
3.4.4 Ảnh hưởng của chất mang......................................................................................36
Chương 4 NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ PIN NHIÊN LIỆU .....................................39
4.1 N hững nghiên cứu tại Việt N am................................................................................39
4.1.1 Tạo dung dịch chất mang (Plymeric Precursor) .....................................................39
4.1.2 Tạo lớp phủ Platin (Pt/C) và hệ Platin, thiếc (PtSn/C) trên nền Graphit xốp ........41
4.1.3 Pin nhiên liệu sử dụng cồn methanol .....................................................................45
4.2 N hững nghiên cứu trên thế giới.................................................................................49
Phần III KẾT LUẬN.....................................................................................................54
Tài liệu tham khảo ...........................................................................................................55

v


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ ĐƠN VN

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
DMFC
PEMFC
AFC
MCFC
PAFC
SOFC
RFC
ZAFC
SEM

Chữ viết đầy đủ
pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp
pin nhiên liệu màn trao đổi proton
pin nhiên liệu alkali (kiềm)
pin nhiên liệu muối carbonat nóng chảy
pin nhiên liệu axit phosphoric
pin nhiên liệu oxit rắn
pin nhiên liệu tái sinh
pin nhiên liệu kẽm/không khí
kính hiển vi điện tử quét

ĐƠN VN
bar là đơn vị đo áp suất. N ó xấp xỉ bằng 1atm, tức là áp suất không khí ở ngang mặt
biển.
1 bar = 100 kPa =100 000 Pa = 0.978 atm

vi


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát
triển trong tương lai”

PHẦN I: MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Nền văn minh của chúng ta đã phát triển mạnh mẽ từ khi con người biết tạo ra
điện, một nguồn năng lượng mà ngày nay có mặt hầu hết trong mọi lĩnh vực. Chúng ta

có thể hình dung đơn giản từ việc học của mình nếu không có điện thì làm sao mỗi
người có đủ ánh sáng học tập, nghiên cứu, việc mà những thế hệ đi trước đã không có
được. Nguồn sáng mà họ có chỉ là những ngọn đèn dầu. Điện giúp cho việc chuNn bị
những bữa ăn của mỗi gia đình mất ít thời gian hơn nhờ các thiết bị như ấm điện, nồi
cơm điện. Điện như một “người bạn đồng hành” của nhiều nhà máy, xí nghiệp.
Do sự ảnh hưởng lớn trên mà nguồn nhiên liệu để sản xuất điện và các thiết bị để
sử lý nguồn nhiên liệu như than, dầu mỏ, nước, gió… đã được quan tâm một cách đặc
biệt. Trong khi các nguồn như gió, mặt trời, nước hay năng lượng hạt nhân lại gặp
những khó khăn nhất định. Bên cạnh đó, vấn đề môi trường lại nổi lên khi khí độc
được thải ra làm ô nhiễm và khiến nhiệt độ Trái Đất thay đổi quá nhanh. Vì vậy, một
thiết bị “đa năng” và một nguồn nguyên liệu dồi dào đã được tập trung tìm kiếm và
nghiên cứu. Cuối cùng tất cả mọi sự chú ý đều dồn về pin nhiên liệu.
Theo dòng thời gian thì loại pin nhiên liệu sử dụng Methanol trực tiếp (Direct
methanol fuel cell – DMFC) xuất hiện và đang rất thịnh hành. Tuy hệ thống đôi khi
vẫn tạo ra khí cacbonic nhưng lượng khí thải ra là không đáng kể. Yếu tố xúc tác trong
pin nhiên liệu sử dụng methanol trực tiếp là vấn đề được đặt lên hàng đầu và quan tâm
hơn cả. Bên cạnh đó tìm hiểu những nghiên cứu về pin nhiên liệu ở Việt N am và trên
thế giới để hiểu rõ sự phát triển của pin nhiên liệu. Thông qua đề tài này tôi hy vọng sẽ
được góp một phần nhỏ trong việc đưa nguồn năng lượng điện “sạch” này vào ứng
dụng rộng rãi cho cuộc sống năng động ngày nay.

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

Trang 1

SVTH: Thị Mỹ Xung


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát
triển trong tương lai”

2. Giới hạn đề tài
Đề tài này nghiên cứu về pin nhiên liệu, ứng dụng của nó để tạo ra điện, tìm
hiểu về pin nhiên liệu sử dụng methanol trực tiếp và tìm hiểu tình hình nghiên cứu
pin nhiên liệu ở Việt N am và một số nước trên thế giới.

3. Mục đích nghiên cứu
Tìm hiểu về pin nhiên liệu, biết được tầm quan trọng và ứng dụng hiện nay. Tìm
hiểu sâu hơn về pin nhiên liệu đang được sử dụng phổ biến hiện nay – pin nhiên
liệu sử dụng methanol trực tiếp. Đồng thời, tìm hiểu về tiềm năng cũng như ứng
dụng năng lượng này tại Việt N am và trên thế giới.

4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp: N ghiên cứu lý thuyết, phân tích và tổng hợp các tài liệu.
- Phương tiện: Sử dụng sách báo, khai thác thông tin trên Internet để tìm hiểu
vấn đề pin nhiên liệu và hướng phát triển trong tương lai.

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

Trang 2

SVTH: Thị Mỹ Xung


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát
triển trong tương lai”

PHẦN II: NỘI DUNG

Chương 1: HYDROGEN VÀ VẤN ĐỀ CUNG CẤP NHIÊN LIỆU
1.1. Lợi ích của nền kinh tế Hydro
“N ền kinh tế hydrogen” là một hệ thống lưu trữ, phân phối và sử dụng năng
lượng dựa trên nhiên liệu chính là hydrogen. Thuật ngữ này được tập đoàn General
Motors đặt ra vào năm 1970. N ền kinh tế hydrogen hứa hẹn đNy lùi tất cả những vấn
đề do nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch đã gây ra.
N hững lợi ích chính của nền kinh tế hydrogen là:
- Không gây ô nhiễm: khi hydrogen được sử dụng trong pin nhiên liệu, nó
là một công nghệ hoàn toàn sạch. Sản phNm phụ duy nhất sinh ra là nước, do đó
sẽ không làm nảy sinh những vấn đề đáng lo ngại như tràn dầu…
- Không thải ra khí hiệu ứng nhà kính: quá trình điện phân nước tạo
hydrogen không hề tạo nên khí nhà kính nào. Đó là một quá trình lý tưởng và
hoàn hảo.
- Điện phân hydrogen từ nước, hydrogen lại tái kết hợp với oxygen 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 khNu từ nước ngoài.
- Hydrogen có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau: nhất là các
nguồn năng lượng tái sinh.
N hư vậy, những lợi ích về môi trường, kinh tế và xã hội của hydrogen là rất là
đáng kể và ý nghĩa. Tất cả những thế mạnh này đã tạo nên sự đột phá mạnh mẽ hướng
nhân loại tiến đến nền kinh tế hydrogen và ứng dụng của nó. Cùng với sự phát triển
của nhiên liệu hydrogen tiếp đến sẽ là sự ra đời của pin nhiên liệu – fuel cells sẽ mang
lại cho chúng ta nguồn năng lượng vô tận và có thể trong tương lai không xa sẽ thay
thế nguồn năng lượng hiện nay.

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

Trang 3

SVTH: Thị Mỹ Xung


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát
triển trong tương lai”

1.2. Cung cấp nhiên liệu
1.2.1. Thuộc tính của hydrogen
Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuNn hydrogen là một khí lưỡng nguyên tử có
công thức phân tử H 2 , không màu, không mùi, dễ bắt cháy, có nhiệt độ sôi 20,27 K (252,870C) và nhiệt độ nóng chảy 14,02 K (-259,140C). Tinh thể hydrogen có cấu trúc
lập phương. Hydrogen có hóa trị 1 và có thể phản ứng với hầu hết các nguyên tố hóa
học khác.
Hydrogen là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, chiếm 75% các vật chất
thông thường theo khối lượng và trên 90% theo số lượng nguyên tử. N guyên tố này
được tìm thấy với một lượng khổng lồ trong các ngôi sao và các hành tinh khí khổng
lồ. Tuy vậy, trên Trái Đất nó có rất ít trong khí quyển. nguồn chủ yếu của nó là nước,
bao gồm hai phần hydrogen và một phần ôxy (H 2 O). Các nguồn khác bao gồm phần
lớn các chất hữu cơ (hiện tại là mọi dạng của cơ thể sống), than, nhiên liệu hóa thạch
và khí tự nhiên. Mêtan (CH 4 ) là một nguồn quan trọng sản xuất hydrogen. Dưới áp
suất cực cao, chẳng hạn như tại trung tâm của các hành tinh khí khổng lồ (như sao
Mộc), các phân tử hydrogen mất đặc tính của nó và hydro trở thành một kim loại
(xem hydro là kim loại). Dưới áp suất cực thấp, như trong các khoảng không vũ trụ,
hydrogen có xu hướng tồn tại dưới dạng các nguyên tử riêng biệt, đơn giản vì không
có cách nào để chúng liên kết với nhau; Các đám mây H 2 tạo thành và được liên kết
trong quá trình hình thành các ngôi sao.

Hydrogen đóng vai trò sống còn trong việc cung cấp năng lượng trong vũ trụ
thông qua các phản ứng proton – proton và chu trình carbon – nitơ (đó là phản ứng
nhiệt hạch giải phóng năng lượng khổng lồ thông qua việc tổ hợp hai nguyên tử hydro
thành một nguyên tử heli).
Được làm lạnh tới trạng thái lỏng hydrogen chiếm 1/700 thể tích của trạng thái
khí. Hydrogen khi hóa hợp với ôxy có hàm lượng năng lượng cao nhất trên một đơn vị

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

Trang 4

SVTH: Thị Mỹ Xung


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát
triển trong tương lai”

khối lượng là 120,7 GJ/T, và nhiệt phát ra của một gram dung dịch hydro cháy có giá
trị 142.000 Jun, tương ứng với 24 lần giá trị phát nhiệt của xăng.
Đó là một trong các nguyên nhân tại sao hydrogen lỏng được sử dụng làm nhiên
liệu cho các tên lửa và năng lượng cho tàu vũ trụ.
Hydrogen đốt trong ôxy tinh khiết, các sản phNm duy nhất sinh ra là nhiệt lượng với
nhiệt độ cao và nước. Do đó khi sử dụng hydrogen sẽ không tạo ra khí nhà kính và
không phá hoại vòng luân chuyển của nước trong thiên nhiên.

1.2.2. Sản xuất hydrogen
Hydrogen là nguyên tố phổ biến, cấu thành đến 90% vật chất của vũ trụ (75% theo
khối 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 hydrogen. Phản
ứng tổng hợp hạt nhân giữa các đồng vị của hydrogen, deuterium và tritium đã cung
cấp nguồn năng lượng khổng lồ cho mặt trời và các ngôi sao, nhờ đó duy trì sự sống.
Hydrogen là thành viên nhỏ nhất và có cấu trúc đơn giản nhất trong bảng hệ
thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học, chỉ gồm một proton và một electron. Phân tử
hydrogen chứa hai nguyên tử hydrogen, là khí không màu, không mùi, không vị, rất dễ
cháy. Hydrogen có trọng lượng nhỏ nhất trong các loại khí và hydrogen dạng nguyên
chất gần như không tồn tại trong tự nhiên.
Trên Trái Đất, hydrogen phần lớn ở dạng kết hợp với oxygen tạo thành nước, hay
với carbon 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 năng lượng cơ bản (ví dụ như dầu mỏ có thể
bơm trực tiếp từ lòng đất lên rồi sử dụng), hydrogen 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 hydrogen
do người ta có thể sản xuất khí hydrogen từ nhiều nguồn khác nhau, đặc biệt từ các
nguồn năng lượng tái sinh. Có ba phương pháp cơ bản tạo ra hydro:

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

Trang 5

SVTH: Thị Mỹ Xung


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát
triển trong tương lai”

 Phương pháp chuyển hóa hydrocarbon (nhiên liệu hóa thạch, sinh khối) bằng

nhiệt (Reforing).
 Phương pháp điện phân nước (Electrolysic)
 Phương pháp sinh học (Biological method).
1.2.2.1.Hóa nhiệt nhiên liệu hydrocarbon
 Hóa nhiệt khí thiên nhiên với hơi nước (Natural gas steam reforming)
Quá trình này gồm hai bước chính:
Trước hết, khí thiên nhiên (với thành phần chủ yếu là methane) được tách carbon
và chuyển hóa thành hydrogen nhờ hơi nước dạng siêu nhiệt dưới áp suất cao, xúc tác
thích hợp ở nhiệt độ khoảng 9000C.
CH

4

 H

2

O  CO

 3H

2

Carrbon mono- oxide sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước và xúc tác
chuyển hóa thành khí carbonic và tạo thêm khí hydrogen.
CO

 H

2

O  CO

2

 H

2

Đây là phương pháp công nghiệp phổ biến hiện nay để sản xuất hydrogen. Tuy
nhiên phương pháp này không được áp dụng để tạo một nguồn năng lượng mà chỉ để
cung cấp nhiên liệu cho các ngành hóa chất, phân bón, tinh lọc dầu mỏ… v.v
 Khí hóa hydrocarbon nặng (Gasification heavy hydrocarbon)
Thuật ngữ hydrocarbon nặng là để nói đến dầu mỏ và than đá. 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 14000C với oxygen hay không khí (oxygen hóa không hoàn
toàn), tạo ra hỗn hợp gồm hydrogen, carbon mono oxide (CO) và vài sản phNm phụ.
CO sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóa thành khí
carbonic và tạo ra thêm khí hydrogen, tương tự như bước thứ hai của quá trình hóa
nhiệt khí thiên nhiên.

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

Trang 6

SVTH: Thị Mỹ Xung


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát
triển trong tương lai”

Rõ ràng đây không phải là phương pháp tối ưu. Bất lợi lớn nhất của nó là sử dụng
nhiên liệu hóa thạch làm nguyên liệu và đồng thời cũng làm nhiên liệu cung cấp nhiệt
lượng cho quá trình. N hiên liệu hóa thạch là nguồn tài nguyên hữu hạn, thêm vào đó,
việc đốt chúng tạo ra khí carbonic gây hiệu ứng nhà kính. Do đó phương pháp này xét
về lâu dài không bền vững.
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, những công
nghệ này (phương pháp sản xuất hydrogen 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 hạ tầng cho việc phát triển sản xuất hydrogen từ các nguồn khác còn chưa
phổ biến. Vì vậy, một khi nhiên liệu hóa thạch vẫn còn rẻ thì phương pháp này vẫn
còn sử dụng vì chi phí thấp.
Thêm vào đó, để hạn chế mặt tiêu cực này của nhiên liệu hóa thạch, ta có thể
dùng công nghệ tách khí carbonic rồi thu hồi và chôn lấp chúng.
 Quy trình hiện đại tạo ra hydrogen từ khí thiên nhiên mà không thải CO 2
Từ những năm 1980, Kvaerner – một tập đoàn dầu khí của N a Uy đã phát triển
công nghệ mang tên “Kvaerner Carbon Black and Hydrogen Process” (KCB&H). N hà
máy đầu tiên dựa trên quy trình Kvaerner hiện đại này đặt ở Canada và bắt đầu sản
xuất vào tháng 6 năm 1999. Quy trình cung plasma (trạng thái thứ tư của vật chất
trong đó các chất bị ion hóa mạnh, các nguyên tử hay phân tử chỉ còn lại hạt nhân và
các electron chuyển động tương đối tự do giữa các hạt nhân) – Kvaerner ở nhiệt độ cao
(16000C) tách hydrogen và than hoạt tính từ hợp chất hydrocarbon như dầu mỏ hay khí
thiên nhiên mà không thải ra CO 2 .
Than hoạt tính này cũng được dùng trong sản xuất vỏ xe hơi và dùng như chất khử
công nghiệp luyện kim. N hờ một số tính chất đặc biệt mà chúng còn có thể dùng để
lưu trữ hydrogen (ống carbonnano).

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

Trang 7

SVTH: Thị Mỹ Xung


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát
triển trong tương lai”

 Khí hóa sinh khối và nhiệt phân (biomass gasification and pyrolysis)
Sinh khối 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 hơi nước ngưng tụ trong các dầu nhiệt phân và sau đó có thể được hóa nhiệt
để sinh ra hydrogen. Quá trình này thường tạo ra sản lượng hydrogen khoảng từ 12% 17% khối lượng hydrogen của sinh khối. N guyên liệu của phương pháp này có thể
gồm các loại mảnh gỗ bào vụn, sinh khối thực vật, rác thải nông nghiệp và đô thị…
v.v. Do các chất thải sinh học được sử dụng làm nguyên liệu như vậy, phương pháp
sản xuất hydrogen này hoàn toàn tái tạo được (renewable) và bền vững.
1.2.2.2 Điện phân nước
Phương pháp này dùng dòng điện để tách nước thành khí hydrogen và oxygen.
Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực. Hydrogen sinh ra ở điện cực âm và
oxygen ở điện cực dương:
Phản ứng trên cathode: 2 H 2 O + 2e- → H 2 + 2OHPhản ứng trên anode:

2OH- → H 2 O + 1/2O 2 + 2e-

Tổng quát:

2H 2 O + điện năng → 2H 2 + O 2

Các dạng điện phân phổ biến:
 Điện phân thông thường
Quá trình tiến hành với chất điện phân là nước hay dung dịch kiềm. Hai phần
anode và cathode được tách riêng bởi màng ngăn ion ( microporous) để tránh
hòa lẫn hai khí sinh ra.
 Điện phân nước áp suất cao
Điện phân nước ở áp suất cao có thể sinh ra hydrogen ở áp suất đến 5 MPa. Quá
trình vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và hoàn thiện dần.

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

Trang 8

SVTH: Thị Mỹ Xung


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát
triển trong tương lai”

 Điện phân nước ở nhiệt độ cao
Ưu điểm của phương pháp này là đưa một phần năng lượng cần thiết cho quá
trình điện phân ở dạng nhiệt năng, khi đó nhiệt độ mà ta cung cấp cho quá trình này
vào khoảng 800 – 10000C, nên có thể hạn chế bớt lượng điện năng tiêu thụ. N hiều
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.

 Quang điện phân (photoelectrolysis)
Các panel mặt trời được cấu tạo từ chất bán dẫn (ứng dụng hiện tượng quang
điện), chuyển hóa trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng. Khí hydrogen được
sinh ra khi dòng quang điện này chạy qua thiết bị điện phân đặt trong nước. Sử
dụng năng lượng mặt trời để tạo ra điện dùng trong điện phân nước. Tương tự,
chúng ta có thể sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió,
thủy điện để điện phân nước tạo ra hydrogen. N hư thế việc sản xuất hydrogen sẽ là
một quá trình sạch (không khí thải), tái sinh và bền vững.

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

Trang 9

SVTH: Thị Mỹ Xung


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát
triển trong tương lai”

Hình 1.1: Phương pháp sản xuất hydrogen sạch và bền vững từ quá trình điện phân nước dựa
trên các nguồn năng lượng tái tạo và các ứng dụng đa dạng của hydrogen

1.2.2.3 Phương pháp sinh học
Một số tảo và vi khuNn chuyên biệt có thể sản sinh ra hydrogen như là sản phNm
phụ trong quá trình trao đổi chất của chúng. Các sinh vật này thường sống trong nước,
phân tách nước thành khí hydrogen và oxygen. Hiện tại, phương pháp này vẫn đang
trong giai đoạn nghiên cứu. Ví dụ của phương pháp này là việc ứng dụng một loại tảo
đơn bào có tên Chlamydomonas reinhardtii. Các nghiên cứu cho thấy loại tảo này chứa

enzyme hydrogenase có khả năng tách nước thành hai thành phần hydrogen và
oxygen. Các nhà khoa học đã xác định được cơ chế quá trình, điều này có thể giúp
mang lại một phương pháp gần như vô hạn để sản xuất hydrogen sạch và tái sinh. Cơ

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

Trang 10

SVTH: Thị Mỹ Xung


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát
triển trong tương lai”

chế này đã phát triển qua hàng triệu năm tiến hóa giúp tảo tồn tại trong môi trường
không có oxygen. Một khi ở trong chu trình này, tảo “thở” bằng oxygen lấy từ nước và
giải phóng ra khí hydrogen.
Gần đây, các nhà khoa học tại trung tâm năng lượng hydrogen của trường ĐH tiểu
bang Pennsylvania cũng đã nghiên cứu thành công phương pháp tạo ra hydrogen từ
quá trình vi khuNn phân hủy các chất thải hữu cơ sinh học như nước thải sinh hoạt,
nước thải công nghiệp….Ứng dụng nghiên cứu này sẽ mở ra triển vọng to lớn đầy hữu
ích, vừa kết hợp xử lý nước thải và vừa sản xuất hydrogen cung cấp cho pin nhiên liệu
vi khuNn (micro – fuel cell), tạo ra điện năng.

Hình 1.2: Chu trình sản xuất hydrogen
từ tảo xanh

1.2.3. Lưu chứa Hydrogen

Với vai trò “chuyên chở” năng lượng (energy carier) hơn là một nguồn năng
lượng cơ bản, giống như điện năng, hydrogen giúp cho việc phân phối, sử dụng năng
lượng được thuận tiện. Thêm vào đó, khác với điện năng, hydrogen còn có thể lưu trữ
được lâu dài. Về cơ bản có các phương thức lưu trữ hydrogen như sau:
1.2.3.1. Lưu chứa Hydrogen dưới dạng khí nén áp suất cao
Hydrogen có thể được nén trong các bình chứa với áp suất cao. Các loại bình chứa
khác nhau về cấu trúc tùy theo dạng ứng dụng đòi hỏi mức áp suất như thế nào. Phần
lớn các bình chứa tĩnh có mức áp suất thấp hơn. Trong khi đó, yêu cầu cho các bình
chứa di động lại khá khác biệt bởi sự hạn chế về không gian lưu trữ. Đối với các bình
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

Trang 11

SVTH: Thị Mỹ Xung


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát
triển trong tương lai”

chứa này, áp suất trong bình được tăng lên đến 700 bar để chứa được càng nhiều
hydrogen càng tốt trong một không gian giới hạn.
Các bình áp suất chứa khí nén thường làm bằng thép nên rất nặng. Các bình áp suất
hiện đại được làm từ vật liệu composite và nhẹ hơn nhiều.
1.2.3.2 Lưu chứa Hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng
Hydrogen chỉ tồn tại ở thể lỏng dưới nhiệt độ cực lạnh 200K hay – 2350C. N én,
làm lạnh (hóa lỏng) hydrogen tiêu tốn khá nhiều năng lượng, do đó tổn thất năng
lượng hao hụt đến khoảng 30% khi sử dụng phương pháp này. Tuy nhiên, ưu điểm của
việc lưu trữ hydrogen dưới dạng lỏng là ít tốn không gian nhất, do hydrogen có tỉ trọng

năng lượng theo thể tích cao nhất khi hóa lỏng. Vì thế mà cách này đặc biệt thích hợp
với các bình chứa di động như các phương tiện giao thông.
Hiện tại người ta đã sản xuất được những robot tự động để “tiếp” nhiên liệu (re –
fuelling). Với các dạng lưu trữ tĩnh, cách thức này chỉ được dùng khi hydrogen thực sự
cần thiết phải ở dạng lỏng, ví dụ như trong các trạm nhiên liệu hay khi cần vận chuyển
hydrogen đường dài (ví dụ như vận chuyển bằng tàu biển). N goài ra, với tất cả các ứng
dụng khác ta nên tránh dùng cách lưu trữ này bởi sự tiêu tốn khá nhiều năng lượng cần
để hóa lỏng.
1.2.3.3 Lưu chứa Hydrogen nhờ hấp thụ hóa học
Hydrogen có thể được giữ trong nhiều hợp chất nhờ liên kết hóa học. Và khi cần
thiết, phản ứng hóa học sẽ xảy ra để giải phóng chúng, sau đó hydrogen được thu thập
và đưa vào sử dụng trong pin nhiên liệu.
Các phản ứng hóa học thay đổi tùy theo hợp chất dùng để lưu trữ hydrogen. Ví dụ
như: với N H 3 BH 3 , hydrogen được giải phóng nhờ nhiệt ở 100 – 3000C; hay hydrogen
có thể được giải phóng qua quá trình thủy phân (tác dụng với nước) của các hydride
như LiH, LiBH 4 , N aBH 4 … Với phương pháp này, ta có thể điều chỉnh được lượng
hydrogen sinh ra theo nhu cầu.

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

Trang 12

SVTH: Thị Mỹ Xung


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát
triển trong tương lai”

1.2.3.4 Lưu chứa Hydrogen trong các hydrua kim loại (metal hydride)
Phương pháp này sử dụng một số hợp kim có khả năng độc đáo, có thể hấp thụ
hydrogen. Các hợp kim này hoạt động giống như miếng xốp có thể hút nước vậy,
chúng “hút bám” hydrogen, tạo nên các hydrua kim loại. Khi một hydrua kim loại
được “lấp kín” dần với các nguyên tử khí hydrogen, nó sẽ tỏa nhiệt. Do đó, khi muốn
giải phóng hydrogen, ta sẽ phải cung cấp nhiệt cho nó. Công thức tổng quát của quá
trình hấp thụ và giải phóng khí hydro của hydrua kim loại: M + xH 2 ↔ MH 2 x.
Phương pháp này có thể chứa được một lượng rất lớn thể tích khí hydrogen hấp
thụ vào kim loại. Tuy nhiên, lượng hydrogen hấp thụ chỉ chiếm khoảng 1% - 2% tổng
khối lượng bình chứa (kim loại). Vì thế mà các bình chứa dạng này khá nặng và vì thế
chúng không thể sử dụng trong các ứng dụng di động.
Ưu điểm của phương pháp này là hầu hết các hydrua kim loại có thể hoạt động ở
áp suất bình thường, do đó xét về mặt sử dụng và an toàn, đây là những điểm thuận lợi
của việc lưu trữ hydrogen nhờ các hydrua kim loại. muốn giải phóng khí hydrogen cần
cung cấp nhiệt, vì thế, trường hợp các thùng chứa bị bể vỡ chẵng hạn thì hydrogen vẫn
giữ kết nối trong kim loại mà không bị hao hụt.
Lưu trữ hydrogen bằng các hydrua kim loại hiện nay đang được ứng dụng nhiều
trong các tàu ngầm.
1.2.3.5 Lưu chứa Hydrogen trong ống carbon nano rỗng
Phương pháp này về nguyên tắc tương tự như hydrua kim loại trong cơ chế lưu
giữ và giải phóng hydrogen. Vật liệu carbon nano này có thể tạo nên một cuộc cách
mạng trong công nghệ lưu trữ hydrogen trong tương lai. Cách đây vài năm, các nhà
khoa học đã khám phá được đặc tính hữu ích của carbon nano là có thể chứa được một
lượng lớn hydrogen trong các vi cấu trúc than chì dạng ống.
Hydrogen có thể chui vào trong ống, cũng như khoảng trống giữa các ống. Lượng
hydrogen hấp thụ phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ nên về nguyên tắc người ta có thể
thay đổi áp suất hoặc nhiệt độ, rồi bơm hydrogen vào để lưu trữ, hay đNy hydrogen ra
GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

Trang 13

SVTH: Thị Mỹ Xung


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát
triển trong tương lai”

để sử dụng. Vấn đề hiện nay là phải tìm ra các loại ống carbon nano cao, không lẫn với
nhiều loại bụi than khác.

Hình 1.3: Mô hình tương tác giữa ống carbon nano (đỏ) và phân tử hydrogen (trắng)

Ưu điểm mang tính đột phá của công nghệ nano này chính là lượng lớn hydrogen
mà nó có thể lưu chứa được, hơn nữa, so với cách lưu trữ bằng hợp kim thì ống carbon
nano cũng nhẹ hơn. Ống carbon nano có thể lưu chứa được lượng hydrogen chiếm từ
4% - 65% khối lượng của chúng. Hiện nay, công nghệ này đang được quan tâm
nghiên cứu rất nhiều trên thế giới, hứa hẹn một phương thức lưu trữ hydrogen đầy tiềm
năng, nhất là cho các ứng dụng pin nhiên liệu di động và nhỏ gọn như máy tính xách
tay, máy ảnh, điện thoại di động…v.v. N goài ra, còn có một phương pháp lưu trữ
hydrogen khác tuy ít phổ bến nhưng cũng khá thú vị, đó là chứa hydrogen trong các vi
cầu bằng kính.

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

Trang 14

SVTH: Thị Mỹ Xung

Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát
triển trong tương lai”

1.2.3.6 Lưu chứa Hydrogen trong các vi cầu thủy tinh (glass microsphere)
Các khối cầu thủy tinh rỗng tí hon có thể được dùng như một phương thức lưu
trữ hydrogen an toàn. N hững vi cầu rỗng này được làm nóng dẻo, gia tăng khả năng
thấm của thành thủy tinh, rồi được lấp đầy khi được đặt ngập trong khí hydrogen với
áp suất cao. Các khối cầu này sau đó được làm nguội, “khóa lại” hydrogen bên trong
khối thủy tinh. Khi ta tăng nhiệt độ, hydrogen sẽ được giải phóng ra khỏi khối cầu và
sử dụng. Phương pháp vi cầu này rất an toàn, tinh khiết và có thể chứa được hydrogen
ở áp suất thấp, vì thế gia tăng giới hạn an toàn.

1.2.4. Vấn đề an toàn
Hydrogen là khí không màu, không mùi, không vị và rất hoạt động. Khi hydrogen
cháy nó mang mối nguy hiểm tiềm Nn bởi ngọn lửa của nó không thể nhận thấy bằng
mắt thường. Do đó nó có thể lan đi mà người ta không thể nhận biết được để cảnh báo.
Tuy nhiên, trong chừng mực nào đó, hydrogen cháy an toàn hơn các nhiên liệu hóa
thạch thông thường.
Hydrogen có tốc độ bừng cháy rất cao và tiêu tán mau. Do đó, những vụ cháy,
thậm chí bắt nguồn từ hydrogen lỏng, thường bùng lên rất nhanh rồi hết. Theo tính
toán của các nhà khoa học cho thấy ở một vụ cháy xe cộ liên quan đến xăng dầu, đám
cháy có thể kéo dài hai mươi đến ba mươi phút, trong khi đó, ngọn lửa từ đám cháy
của chiếc xe chạy bằng lượng hydrogen tương đương chỉ kéo dài từ một đến hai phút.
Hydrogen khi bị đốt cháy sinh ra nhiệt và hơi nước. Do không có carbon, hơn nữa
hơi nước lại là chất hấp thụ nhiệt nên hydrogen cháy tỏa nhiệt ít hơn nhiều so với khi
các hydrocarbon cháy và đám cháy không lan đi, chỉ có những vật trực tiếp bị đốt dưới
ngọn lửa đó mới bị cháy nặng. N hững vật khác ở gần ngọn lửa sẽ khó mà tự bắt cháy

được. Vì thế mà mối nguy hiểm về khói độc và việc cháy lan kéo dài đối với hydrogen
đã được giảm di đáng kể. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng trong vấn đề cứu hỏa.

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

Trang 15

SVTH: Thị Mỹ Xung


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát
triển trong tương lai”

Hình 1.4: N gọn lửa cháy của hydrocarbon (mũi tên đỏ bên trái) so với ngọn lửa cháy của hydrogen
(vòng tròn xanh bên phải)

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

Trang 16

SVTH: Thị Mỹ Xung


Luận văn tốt nghiệp

Đề tài: “Pin nhiên liệu và hướng phát
triển trong tương lai”

Tỉ trọng thấp và khả năng khuếch tán nhanh cho phép hydrogen thoát nhanh vào
khí quyển nếu như có sự rò rỉ xảy ra. Trong khi đó, propane và xăng dầu, với tỉ trọng
cao và khả năng khuếch tán thấp, dễ tụ lại gần mặt đất, làm gia tăng rủi ro cháy nổ.
Hydrogen phải đạt đến nồng độ 4% trong khí quyển mới gây nguy hiểm, khi đó
khả năng bắt lửa của hydrogen sẽ tăng lên nhanh. Mặc dù nồng độ 4% xem như không
cao, nhưng nếu so sánh với nồng độ cần đạt để bốc cháy của xăng dầu chỉ có 1% thì so
với hydrogen cho thấy mức rủi ro cháy nổ thấp hơn đáng kể.
Hydrogen không độc và không ăn mòn. Xăng và dầu rất độc với con người và sinh
vật nếu như vô tình chúng bị rò rỉ ra môi trường bên ngoài. Trong khi đó, nếu
hydrogen bị thoát ra, chúng sẽ bay hơi gần như hoàn toàn và chỉ để lại nước đằng sau.
Hydrogen được sử dụng làm nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống pin nhiên
liệu, nhờ quá trình điện hóa để tạo ra điện năng. Bên cạnh những ưu điểm của
hydrogen như đã nêu trên (sạch, tái sinh..), pin nhiên liệu còn chạy rất êm, không gây
ra tiếng động, chấn động như động cơ đốt trong. Do dựa trên cơ chế của quá trình điện
hóa tạo ra điện năng chứ không phải quá trình đốt như ở động cơ đốt trong, pin nhiên
liệu còn đạt hiệu suất sử dụng cao hơn nhiều so với động cơ đốt trong, vì thế mà tiết
kiệm năng lượng hơn. Với những ưu thế thế vượt trội đó, pin nhiên liệu đang ngày
càng được quan tâm và dự đoán sẽ trở nên nguồn nhiên liệu đầy triển vọng, một thành
phần chủ chốt của nền kinh tế trong viễn cảnh tương lai.

GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn

Trang 17

SVTH: Thị Mỹ Xung