đề tài tìm hiểu về nhiên liệu hydro

Mở bài:
Như đã biết, thế giới chúng ta đang bị phụ thuộc nặng nề vào một nền kinh tế nhiên liệu hóa
thạch. Nhiên liệu của đa số các phương tiện giao thông hiện tại: xe hơi, xe lửa, máy bay… là
xăng dầu.
Nếu không có nhiên liệu hóa thạch, nền kinh tế cùng với các phương tiện giao thông liên lạc, vận
tải, sẽ rơi vào khủng hoảng, ngưng trệ. Gần như toàn bộ nền kinh tế, chính xác hơn là toàn bộ xã
hội hiện đại đã phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.
Trong khi nhiên liệu hóa thạch đóng một vài trò quan trọng trong việc đưa xã hội đến mức phát
triển như ngày nay thì nó cũng tồn tại những vấn đề nhức nhối lớn: ô nhiễm không khí, các vấn
đề môi trường như tràn dầu, nguy hiểm và nóng bỏng hơn cả là vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu
cùng với sự nóng lên của trái đất


Giữa bối cảnh đó, khái niệm về một nền kinh tế hydro dựa trên nguồn năng lượng sạch,
dồi dào phục vụ mục tiêu phát triển bền vững của nhân loại xuất hiện như một giải pháp
đầy tiềm năng. “Nền kinh tế hydro” là một hệ thống lưu trữ, phân phối và sử dụng năng
lượng dựa trên nhiên liệu chính hydrogen.

Lịch sữ
Trong thời kỳ từ thập niên sáu mươi của thế kỷ XVIII, có một phát minh mà sự thành công
của nó đã giúp cho con người thoát khỏi sự hạn chế về kỹ thuật phục vụ cuộc sống. Đó là
phát minh của nhà bác học James Watt, ông tổ của máy hơi nước.
James Watt thường được mọi nguời gọi là nhà phát minh ra máy hơi nước. Ông là một trong
những nhân vật then chốt của cuộc cách mạng công nghiệp. Thật ra, Watt không phải là người
chế tạo ra máy hơi nước đầu tiên. Năm 1698, Thomas Savory đã được trao bằng sáng chế máy
bơm nước chạy bằng hơi nước. Năm 1712, Thomas Newcomen cũng đã được trao bằng sáng chế
cải tiến máy hơi nước. Năm 1761, khi tiến hành sửa chữa một máy hơi nước kiểu
Newcomen, Jame Watt đã cải tạo máy hơi nước kiểu này và tạo ra một ý nghĩa cực kỳ quan
trọng đến nỗi mọi người phải công nhận ông là người đầu tiên phát minh ra máy hơi nước.
Nguồn năng lượng vô tận
Hydro là một loại khí có nhiệt cháy cao nhất trong tất cả các loại nhiên liệu trong thiên

nhiên,Đặc điểm quan trọng của hydro là trong phân tử không chứa bất cứ nguyên tố hóa
học nào khác, như cacbon (C), lưu huỳnh (S), nitơ (N) nên sản phẩm cháy của chúng chỉ là
nước (H2O), được gọi là nhiên liệu sạch lý tưởng.
Động cơ đốt trong:


Giống như động cơ đốt trong truyền thống như xăng, dầu….
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 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.
Hai nhiên liệu cơ bản 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, 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 hydrogen đi 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.
pin nhiên liệu còn vận hành êm ả, không gây chấn động hay tiếng động và có thể đạt được hiệu
suất cao gấp hai đến ba lần động cơ đốt trong
Các loại pin nhiên liệu
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:
Phản ứng trên cathode:

2 H2 + 4 OH- => 4 H2O + 4eO2 + 2 H2O + 4e- => 4 OH-

(15.10)

(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-

Phản ứng trên cathode:

CO2+ ½ O2 + 2e- => CO32-

(15.13)
(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:
Phản ứng trên cathode:

2 H2 + 2 O2- => 2 H2O + 4 e-

2-

O2 + 4e => 2 O

(15.16)
(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.
f) DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) – pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp
Dù công nghệ vẫn mới chỉ chập chững ở những bước ban đầu nhưng đã thể hiện được một số
thành công trong những ứng dụng như điện thoại di động và máy tính xách tay (laptop), đem lại
triển vọng đầy tiềm năng cho tương lai. DMFC tương tự như PEMFC ở chỗ chất điện phân là
polymer và điện tích vận chuyển là ion hydrogen (proton). Tuy nhiên, với DMFC, methanol
lỏng (CH3OH) bị oxygen hóa trong nước ở anode, sinh ra khí carbonic, ion hydrogen đi qua chất
điện phân và phản ứng với oxygen từ không khí và các electron từ dòng điện tạo thành nước ở
anode, hoàn thành chu trình.
Phản ứng trên anode:

CH3OH + H2O => CO2 + 6 H+ + 6e-

Phản ứng trên cathode: 3/2 O2 + 6 H+ + 6e- => 3 H2O

(15.19)
(15.20)

____________________________________________________________________
Tổng quát:

CH3OH + 3/2 O2 => CO2 + 2 H2O + năng lượng (điện)

(15.21)

Khi mới bắt đầu phát triển từ đầu những năm 90 của thế kỉ trước, DMFC lúc ấy chưa được chú ý
nhiều bởi hiệu suất và mật độ năng lượng thấp cũng như một số vấn đề khác. Tuy nhiên những
cải tiến trong chất xúc tác và những phát triển gần đây đã gia tăng mật độ năng lượng lên gấp 20
lần và hiệu suất cuối cùng đã có thể đạt được đến 40%.
DMFC đã được thử nghiệm ở khoảng nhiệt độ từ 500C-1200C. Với nhiệt độ vận hành thấp và
không đòi hỏi phải qua bước chuyển hóa thành hydrogen mà có thể dung trực tiếp nhiên liệu
methanol, DMFC trở thành ứng cử viên sáng giá cho các ứng dụng cỡ từ rất nhỏ đến trung bình
như
điện
thoại
di
động
và
các
sản
phẩm
tiêu
dùng
khác.
Một trong những nhược điểm của DMFC đó là nhiệt độ vận hành thấp đòi hỏi chất xúc tác phải
hiệu lực hơn, có nghĩa lượng xúc tác bạch kim đắt đỏ cần dùng cũng lớn hơn so với dạng
PEMFC thông thường. Ngoài ra, methanol còn là một chất độc. Vì thế mà một số công ty đã bắt

tay vào việc phát triển các pin nhiên liệu sử dụng ethanol trực tiếp (DEFC – direct ethanol fuel
cell). Hiệu suất của DEFC hiện nay mới chỉ khoảng một nửa so với DMFC, nhưng dự đoán
khoảng
cách
này
sẽ
ngày
càng
được
rút
ngắn
trong
tương
lai.
g) RFC (Regenerative Fuel Cell) – pin nhiên liệu tái sinh.


RFC là một hệ thống vận hành thành một chu trình kín và có thể trở thành nền tảng cơ bản cho
nền kinh tế hydrogen dựa trên các nguồn năng lượng tái tạo. Pin nhiên liệu sinh ra điện năng,
nhiệt và nước từ hydrogen và oxygen sẽ được sử dụng khắp nền kinh tế, cung cấp năng lượng
cho các nhà máy, xe cộ, phương tiện giao thông vận chuyển và cho các nhu cầu dân dụng của hộ
gia đình. Hydrogen được sinh ra từ điện phân nước, tách nước thành hai thành phần hydrogen và
oxy; quá trình sử dụng năng lượng tái tạo từ các nguồn tự nhiên như gió, mặt trời hay địa nhiệt.
Một hệ thống như vậy sẽ không đòi hỏi bất cứ dạng pin nhiên liệu chuyên biệt nào, nhưng sẽ cần
có một cơ sở hạ tầng để phân phối hydrogen đến các pin nhiên liệu để sử dụng. Tuy nhiên hiện
tại chúng ta vẫn chưa có được một cơ sở hạ tầng để phân phối hydrogen như vậy.
NASA đang tiến hành dự án phát triển một hệ thống pin nhiên liệu tái sinh nhẹ và hiệu quả để
sử dụng trên chiếc máy bay tên là Helios có thể bay ở độ cao hơn 30 km. Chiếc máy bay trước
đây chạy bằng các panel năng lượng mặt trời. Mục tiêu của dự án là tích hợp cả hai hệ thống
năng lượng mặt trời và pin nhiên liệu tái sinh.

Hệ thống pin mặt trời sẽ cung cấp năng lượng cho máy bay suốt ban ngày và sinh ra nguồn
hydrogen bổ sung, hydrogen được lưu trữ để cung cấp cho pin nhiên liệu sử dụng vào ban đêm.
Một hệ thống như vậy dùng hoàn toàn năng lượng sạch và bền vững, có thể giúp chuyến bay kéo
dài được trong nhiều ngày.
h) ZAFC (Zinc-Air Fuel Cell) – pin nhiên liệu kẽm/không khí
ZAFC vừa có những đặc tính của pin nhiên liệu vừa mang những tính chất của pin ắc quy. Chất
điện phân trong ZAFC là chất sứ rắn dùng ion hydroxyl (OH-) làm chất mang điện tích. Để đạt
được hiệu suất điện/nhiên liệu cao vớI các nhiên liệu hydrocarbon và một độ dẫn cao cho chất
mang điện tích, ZAFC vận hành ở 7000C. Điện cực dương, anode, được làm từ kẽm và được
cung cấp hydrogen hay thậm chí cả các hydrocarbon. Điện cực âm, cathode, được tách khỏi
nguồn không khí cấp vào nhờ một điện cực phân tán khí GDE (gas diffusion electrode), một
màng thẩm thấu cho phép oxygen không khí đi qua. Ở cực âm, oxygen phản ứng với hydrogen
để tạo nên ion hydroxyl và nước.
Phản ứng trên anode:

CH4 + H2O => CO2 + 6 H+ + 6eZn + OH- => ZnO + H + e-

(15.22)
(15.23)

Phản ứng trên cathode:
OH(15.24)

O2 + 2 H +

O2 + 4 H+ + 4e- => 2 H2O

(15.25)

+ 2e-

=>

2

_____________________________________________________
_______________
Tổng quát:

CH4 + 2 O2 => CO2 + 2 H2O + năng lượng (điện) (15.26)

Nhiệt độ vận hành cao của ZAFC làm cho nó có khả năng chuyển hóa nhiệt hydrocarbon trực
tiếp, không cần một thiết bị chuyển hóa bên ngoài để tạo ra hydrogen. Một thuận lợi khác của
việc hoạt động ở nhiệt độ cao này đó là nhiệt thừa có thể được tận dụng để tạo ra hơi nước áp


suất

cao,

hữu

ích

cho

nhiều

ứng

dụng

công

nghiệp

và

thương

mại.

Chất điện phân của ZAFC cũng có một số ưu điểm trội hơn so với các chất điện phân khác. Nó
không đòi hỏi nước bão hòa như màng polymer của PEMFC và do vậy không bị khô đi hết nên
không cần các thiết bị để kiểm tra giám sát độ ẩm ở hai điện cực. Hơn nữa, vì là chất rắn, sự rò rỉ
chất điện phân cũng không xảy ra như với các chất điện phân lỏng. Tuy nhiên, do điện cực
dương bằng kẽm sẽ bị hao mòn nên bộ phận này thỉnh thoảng cần được thay thế.
Bảng 15.1. So sánh các dạng pin nhiên liệu chính
(Nguồn: Types of fuel
cell: />Dạng pin
nhiên liệu

PEMFC

AFC

Polymer hữuDung
Chất điện cơ rắn
kiềm
phân

PAFC

MCFC

SOFC

dịchDung dịch axitMuối
Oxit
phosphoric
carbonate
zirconium rắn
nóng chảy của
Li, Na và K

Nhiệt độ 60-1000C
90-1000C
vận hành
-Thiết bị điện-Quân sự
cầm tay (di
Lĩnh vực động, nhỏ)
-Không gian
ứng dụng
-Giao thông
vận tải (xe cộ)

175-2000C

600-10000C

600-10000C

-Thiết bị điện
-Trạm
phát-Trạm
phát
-Giao thông vậnđiện (lớn)
điện (lớn)
tải

-Chất
điện- Phản ứng ở- Đạt hiệu suất-Hiệu suất cao -Hiệu suất cao
lên đến 85% khi
Ưu điểm phân là rắncathode
nên
giảmnhanh
hơnkết hợp phát-Có thể dùng-Có thể dùng
thiểu nhữngtrong
chấtđiện và nhiệtđược
nhiềuđược
nhiều
vấn đề ănđiện
phân(cogeneration) loại nhiên liệuloại nhiên liệu
mòn và bảokiềm
đầu vào khácđầu vào khác
trì.
- Có thể sử dụngnhau
(linhnhau
(linh
nhiên liệu khônghoạt)

hoạt)
- Nhiệt độ vận
tinh khiết (lẫn
hành thấp nên
tạp chất)
-Có thể dùng-Có thể dùng
có thể được
được các loạiđược các loại
sử dụng rộng
xúc tác khácxúc tác khác
rãi cho các
nhau
nhau
ứng dụng


thông thường.
- Khởi động
nhanh

Nhược
điểm

-Chất
điện
phân là rắn
nên giảm thiểu
những vấn đề
ăn mòn và bảo
trì.

-Nhiệt độ thấp
-Đòi hỏi xúc tác
đòi hỏi xúc-Tốn chi phíbạch
kim-Nhiệt độ cao-Nhiệt độ cao
tác đắt tiền cho việc khử(Platinium)
làm tăng ănlàm tăng ăn
CO2 khỏi
mòn và có thểmòn và có thể
-Nhạy
cảmnhiên liệu và-Cho dòng điệnlàm giòn vỡlàm giòn vỡ
cao với tạpdòng khôngcường độ thấp cấu trúc củacấu trúc của
chất của nhiênkhí
pin
pin
-Nặng, kích cỡ
liệu (nếu có)
to lớn

Sản xuất hydro
Sản xuất :
Hydrogen có thể được sản xuất từ nước hay từ nhiên liệu hóa thạch. Nhiên liệu hóa thạch bao
gồm các phân tử Hydrocarbon có khả năng tái tạo (reforming), oxy hóa, cracking hóa, hóa hơi để
tạo thành Hydrogen. Than đá là loại nguyên liệu thường được sử dụng để tạo Hydrogen trong
những thập niên trước. Tuy nhiên nếu than đá hay các loại nhiên liệu hóa thạch được sử dụng thì
sẽ gặp một rắc rối là việc hóa lỏng hay hóa hơi chúng với một áp suất cao. Nói chung, quá trình
này gây nên ô nhiễm và lại tiêu tốn một loại nhiên liệu không thể tái tạo được.
Có nhiều phương pháp để tách Hydrogen từ nước : nhiệt, nhiệt hóa học, quang phân, điện phân
… Giá và tác động đến môi trường của việc sản xuất Hydrogen từ nước phụ thuộc vào nguồn
năng lượng cung cấp cho quá trình điện phân. Riêng đối với nhiên liệu hóa thách không được sử

dụng phương pháp trên vì sẽ tạo thành nhiều carbon dioxit CO2 trong quá trình đồng thời giá
thành cũng cao hơn.
a). khí tự nhiên
Trước hết, khí thiên nhiên (với thành phần chủ yếu là methane) được tách carbon và chuyển hóa
thành hydrogennhờ hơi nước dạng siêu nhiệt dưới áp suất cao, xúc tác thích hợp ở nhiệt độ
khoảng 900°C.


CH4 + H2O => CO + 3 H2

(15.1)

Carbon mono-oxide 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.
CO + H2O => CO2 + H2

(15.2)

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 nguyên liệu cho
các ngành hóa chất, phân bón, tinh lọc dầu mỏ v.v.
b) than đá

- lý oxid hóa than đá với hơi nước ở nhiệt độ và áp xuất cao. sản lượng hydrogen có được
-

rất cao, có khả năng cung ứng nhiên liệu cho nhiều hệ thống phân phối trong một vùng
rộng lớn
điểm bất lợi lớn cho phương pháp là lượng khí CO2 thải hồi rất lớn, lớn hơn tất cả
phương pháp hiện nay để sản xuất hydrogen. Do đó, cần phải có hệ thống thu hồi khí

carbonic bằng cách áp dụng kỹ thuật chuyển hóa carbon ( sequestration ).

c) dầu khí
Bộ chuyển đổi hydrocacbon thành khí hydro. Quá trinh phản ứng:
CnHm + n H2O – n CO = (n+m/2) H2
d) điện phân nước
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 H2O + 2e- => H2 + 2 OHPhản ứng trên anode:

2 OH- => H2O + ½ O2 + 2e-

________________________________________________________
Tổng quát:
Giải thích thêm..
e) sinh học

2 H2O + điện năng => 2 H2 + O2 (15.5)


Một số tảo và vi khuẩn chuyên biệt có thể sản sinh ra hydrogen như là sản phẩm phụ trong quá
trình trao đổi chất của chúng . 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.
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 khuẩn
phân hủy các chất thải hữu cơ sinh học, như nước thải sinh hoạt, nước thải nông nghiệp v.v. Ứng
dụng nghiên cứu này vừa kết hợp xử lý nước thải và vừa sản xuất hydrogen cung cấp cho pin

nhiên liệu vi khuẩn (micro-fuel cell), tạo ra điện năng.
Lưu trữ hydro
. Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí nén
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 ứng dụng
tĩnh có mức áp suất thấp hơn. Trong khi đó, yêu cầu cho các ứng dụng di động lại khá khác biệt
bởi sự hạn chế về không gian lưu trữ. Đối với các ứng dụng 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 những vật liệu composite và nhẹ hơn nhiều.
15.3.2. Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng
Hydrogen chỉ tồn tại ở thể lỏng dưới nhiệt độ cực lạnh, 200K hay âm 2350C. Nén, làm lạnh (hóa
lỏng) hydrogen tiêu tốn khá nhiều năng lượng, do đó tổn thất năng lượng hao hụt đến khoảng
30% khi dùng phương pháp này. Tuy nhiên, ưu điểm của việc lưu trữ hydrogen dưới dạng lỏng
là tốn ít 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 ứng dụng 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 (bằng tàu
biển chẳng hạn). Ngoài 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.
15.3.3. 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 tủy theo hợp chất dùng để lưu trữ hydrogen. Ví dụ
như: vớiNH3BH3, hydrogen được giải phóng nhờ nhiệt ở 100-300 0C; hay hydrogen có thể được
giải phóng qua quá trình thủy phân (tác dụng với nước) của các hydride như LiH, LiBH 4,
NaBH4... Với phương pháp này, ta có thể điều chỉnh được lượng hydrogen sinh ra theo nhu cầu.

15.3.4. Lưu chứa hydrogen trong các hyđrua kim loại (metal hydride)
Phương pháp này sử dụng một số hợp kim có khả năng độc đáo, có thể hấp phụ hydrogen. Các
hợp kim này hoạt động giống như miếng xốp có thể hút nước vậy, chúng “hút bám” hydrogen,
tạo nên các hyđrua kim loại. Khi một hyđrua 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 phụ và nhả hấp hyđrua kim loại:
M + xH2 <=> MH2x

(15.6)

Phương pháp này có thể chứa được một lượng rất lớn thể tích khí hydrogenhấp phụ vào kim loại.
Tuy nhiên, lượng hydrogen hấp phụ chỉ chiếm khoảng 1% - 2% tổng trọng lượng bình chứa (kim
loại). Vì thế mà các bình chứa dạng này khá nặng và vì vậy chúng không thể sử dụng trong các
ứng dụng di động.
Ưu điểm của phương pháp này là hầu hết các hyđrua 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 hyđrua kim loại. Muốn giải phóng khí hydrogen cần cung cấp nhiệt, vì thế,
trường hợp các thùng chứa bị bể vỡ chẳng hạn thì hydrogen vẫn giữ kết nối trong kim loại mà
không bị hao hụt.
Lưu trữ hydrogen bằng các hyđrua kim loại hiện nay đang được ứng dụng nhiều trong các tàu
ngầm.
15.3.5. Lưu chứa hydrogen trong ống carbon nano rỗng
Phương pháp này về nguyên tắc tương tự như hyđrua 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 những lượng lớn hydrogen trong các vi cấu trúc than chì
dạng ống. Hydrogen có thể chui vào trong ống, cũng như vào 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 đẩy hydrogen ra để sử dụng. Vấn đề

hiện nay là phải tìm ra các loại ống nano carbon chứa được nhiều hydrogen. Ngoài ra, ta cũng
cần vật liệu với tỷ lệ ống nano carbon cao, không lẫn với nhiều loại bụi than khác.
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 chứa được lượng hydrogen chiếm từ 4% - 65% trọng 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.
Ngoài ra, còn một phương pháp lưu trữ hydrogen khác tuy ít phổ biến nhưng cũng khá thú vị, đó
là
chứa
hydrogen
trong
các
vi
cầu
bằng
kính.
15.3.6.

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. Những 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.
Tóm lại
- Không gây ô nhiễm: khi hydrogen được sử dụng trong pin nhiên liệu, nó là một công nghệ hoàn
toàn sạch. Sản phẩm 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 gây 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 khẩu từ nước ngoài.
- Hydrogen có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau: nhất là từ các nguồn năng lượng

tái sinh.
Như vậy, những lợi ích về mặt môi trường, kinh tế và xã hội của hydrogen là rất đáng kể và ý
nghĩa. Tất cả những thế mạnh này đã tạo nên cú hích mạnh mẽ hướng nhân loại tiến đến nền
kinh tế hydrogen.

Khó khăn và thách thức
+ Nguyên nhân chính khiến giá thành cao là phản ứng tạo nước đang phải sử dụng một
lượng lớn chất xúc tác platinium (vàng trắng).
+ xây dựng hệ thống hạ tầng trạm tiếp khí hydro đủ thuận tiện cho người sử dụng. Hiện
nay, mỗi trạm này phải gắn liền với một nhà máy điều chế hydro trị giá 7,5 triệu USD
nhưng chỉ đủ nạp cho 60 xe/ngày.


Khó khăn đầu tiên khi sử dụng là Hydrogen tồn tại ở dạng lỏng ở áp suất nhỏ hơn so với
áp suất và nhiệt độ của môi trường xung quanh. Mật độ của Hydrogen có thể tăng thêm
bằng cách chứa đựng nó trong những bình khí nén với những cấu tạo đặc biệt tương tự
như những thùng đông lạnh, có thể chịu đựng những áp suất nén cao tới 690 bar. Hydro
lỏng phải được chứa trong một vách ngăn 2 lớp và đảm bảo cách nhiệt, chống thấm hoàn
toàn so với môi trường bên ngoài Bình chứa Hydro lỏng sẽ bao gồm phần đựng Hydro và
một hệ thống làm lạnh, do đó rất lớn từ 95 đến hơn 300 lít và có trọng lượng từ 100 đến
450 kg. Ngoài khả năng cải thiện các đặc tính của động cơ, động cơ Hydrogen còn có khả
năng tăng khoảng thời gian nạp nhiên liệu cho bình lên từ 150 đến 320 km.

. Ứng dụng nhiên liệu hydrogen
Chúng ta đã khá quen thuộc với hình ảnh hydrogen như là nguyên liệu cho nhiều ngành công
nghiệp hóa học: chế tạo ammonia, methanol, lọc dầu, phân bón, luyện kim, mỹ phẩm, chất bán
dẫn v.v. Thế nhưng, không chỉ có vậy, hydrogen còn là một nguồn nhiên liệu đầy tiềm năng với
nhiều ưu điểm thuận lợi về môi trường và kinh tế. Hydrogen là nguồn năng lượng sạch, gần như
không phát thải khí ô nhiễm mà chỉ sinh ra hơi nước. Từ nước qua quá trình điện phân ta lại có
thể thu được hydrogen. Vì vậy, hydrogen là nguồn năng lượng gần như vô tận hay có thể tái sinh

được. Hơn nữa, xét về mặt trọng lượng, hydrogen có tỉ trọng năng lượng cực kỳ cao. Trên thực
tế, nhờ hai đặc tính nhẹ và tỉ trọng năng lượng cao này, hydrogen đã được dùng làm nhiên liệu
cho tên lửa từ những buổi ban đầu của công nghệ du hành không gian.
Khi dùng làm nhiên liệu, hydrogen có thể được đốt trực tiếp trong các động cơ đốt trong, tương
tự như trong các loại phương tiện giao thông chạy bằng xăng dầu phổ biến hiện nay. Hydrogen
cũng có thể thay thế khí thiên nhiên để cung cấp năng lượng cho các nhu cầu dân dụng hàng
ngày như đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng...v.v.
Mặt khác, hydrogen còn có thể 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 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 hydrogen trong viễn cảnh tương lai.

Các câu hỏi:


1. Trả lời câu hỏi vì sao khí hydro không được hóa lỏng để nạp vào các bình chứa trên
xe ô tô, Các nhà khoa học của 3 nước này đều đã tính đến việc hóa lỏng hydro giống
như hóa lỏng khí đốt tự nhiên. Tuy nhiên, tất cả đều thất bại vì có thể làm được tại
phòng thí nghiệm, nhưng không thể thực hiện ở qui mô thương mại.
Hydro bị hóa lỏng ở nhiệt độ âm (-) 255oC. Việc làm này đã khó nhưng duy trì hydro ở
thể lỏng trên xe hơi là không thực hiện được, nếu được cũng không an toàn. Điều này
buộc các nhà công nghệ Nhật Bản chấp nhận dùng hydro nén vào một bình hợp kim
nhôm chịu áp lực cao có lớp vỏ ngoài là sợi hóa học đặc biệt.
Vì hydro có đặc tính nhẹ và có thể cháy nên để đảm bảo an toàn, mỗi hãng xe có công
nghệ riêng. Chẳng hạn, Toyota lắp hai bình khí hydro ở hai bên hông xe. Khi xảy ra cháy,
hai bình khí này sẽ tự động phóng ra ngoài để tránh gây thương tích cho người trong xe.

Hãng Nissan thì lắp bình hydro dưới băng ghế sau của xe với một hệ thống 15 van an
toàn.
Các nhà công nghệ Nhật Bản đã thực nghiệm dùng súng bắn thủng bình hydro, khí chỉ
thoát ra chứ chưa bao giờ bốc cháy. Người sử dụng xe có thể yên tâm rằng các trường
hợp va đập do tai nạn giao thông không thể gây cháy nổ bình hydro trên xe.
Tác giả đã tạo ra được một chất rắn mà theo báo cáo là có cấu trúc nano. Khi chất rắn này phản
ứng với nước thì sẽ xảy ra một phản ứng hóa học tạo ra hydro. Năng lượng cần thiết để tách
hydro từ nước là năng lượng có sẵn trong chất rắn cấu trúc nano. Không có sự vi phạm định luật
bảo toàn năng lượng.
2. Vào ban ngày, nhờ có ánh nắng mặt trời sẽ tiến hành quá trình quang điện hóa phân
rã nước để sản xuất hyđrô đồng thời sử dụng hệ thống pin quang điện (pin mặt trời)
hoặc pin quang điện hóa để sản xuất điện mặt trời (theo các quá trình thể hiện ở hai
cạnh nghiêng của tam giác năng lượng). Hyđrô sản xuất ra ban ngày có thể sử dụng
trực tiếp, hoặc có thể tích trữ lại nhờ các vật liệu hấp phụ như ống nano cacbon
(carbon nanotube), hoặc dưới dạng hyđrua kim loại, như kim loại magiê (Mg), natri
(Na), lithi (Li), canxi (Ca), nhôm (Al), bo (B), hoặc dưới dạng hyđrô nén dưới áp suất
cao. Điện năng sản xuất ra ban ngày có thể sử dụng trực tiếp, hoặc có thể tích trữ lại
trong các ắc quy hoặc pin tái nạp điện (rechargable battery) như pin Li-ion, pin Lipolyme.
Vào ban đêm, hoặc khi gặp thời tiết xấu, không có ánh nắng mặt trời, vẫn có thể sản
xuất điện bằng hệ thống pin nhiên liệu hyđrô nhờ có hyđrô đã tích giữ lại trong vật
liệu hấp thụ như ống nano cacbon (carbon nanotube), hoặc dưới dạng hyđrua kim
loại, như kim loại magiê (Mg), natri (Na), lithi (Li), canxi (Ca), nhôm (Al), bo (B),
hoặc dưới dạng hyđrô nén dưới áp suất cao. Mặt khác, vào ban đêm hoặc khi gặp thời
tiết xấu, không có ánh nắng mặt trời cũng có thể sản xuất hyđrô bằng con đường điện
phân nhờ điện mặt trời đã tích trữ được trong ắc quy hoặc pin tái nạp điện như pin Liion, pin Li-polyme (theo các quá trình thể hiện ở cạnh đáy tam giác năng lượng).


3. Hiđrô là nhiên liệu hay ôxy là nhiên liệu trong phản ứng kết hợp giữa ôxy và
hiđrô?
Từ khi nhân loại nhận biết được vai trò của ôxy trong các phản ứng toả nhiệt thì các

chất tác dụng với ôxy để sinh nhiệt đều được coi là nhiên liệu, trong đó hyđrôđược
coi là nhiên liệu sạch, ôxy không phải là nhiên liệu mà nó được coi là tác nhân để
nhiên liệu sinh nhiệt . Nếu quan niệm rằng chất sinh nhiệt là nhiên liệu thì trong phản
ứng giữa hiđrô với ôxy thì ôxy mới là nhiên liệu. Dưới đây là lý giải cho điều đó.
Chúng ta biết rằng trong phản ứng kết hợp giữa ôxy và hyđrô, hai phân tử hyđrô tác
dụng với một phân tử ôxy tạo nên hai phân tử nước. Hyđrô và ôxy đều là chất
khí trong nhiệt độ thường. Tỷ trọng của ôxy xấp xỷ bằng tỷ trọng của không khí còn
của hyđrô là thấp hơn. Lấy lượng hyđrô và ôxy sao cho chúng có thể kết hợp hết với
nhau để bơm vào hai quả bóng cao su. Buộc hai quả bóng này lại với nhau và thả vào
không khí. Do tỷ trọng thấp nên quả bóng hyđrô sẽ kéo quả bóng ôxy bay lên. Chúng
ta cho hai lượng chất này tác dụng với nhau và kết quả thu được là nhiệt lượng và
nước. Hyđrô và ôxy bị mất đi một khối lượng vật chất của chúng dưới dạng nhiệt
năng toả ra. Nếu chỉ đơn thuần là suy giảm khối lượng thì tỷ trọng bình quân của
chúng cũng giảm theo và do đó hợp chất do chúng tạo ra nhẹ hơn so với không khí.
Điều này có nghĩa là hợp chất mới này sẽ nổi lên trên chứ không phải chìm xuống
dưới lớp khí quyển như thực tế. Nước ở thể lỏng có tỷ trọng lớn hơn không khí nên
nẳm ở đáy tầng không khí. Như vậy hai chất khí có tỷ trọng trung bình thấp hơn
không khí khi kết hợp với nhau toả ra nhiệt và tạo ra chất mới có tỷ trọng lớn hơn. Để
tăng tỷ trọng thì khối lượng không đổi còn thể tích phải giảm xuống. Trong phản ứng
chúng ta đang xét trên đây thể tích của lượng nước thu được sau phản ứng nhỏ hơn
tổng thể tích của hai lượng ôxy và hyđrô. Sự giảm tổng thể tích của hiđrô và ôxy
trong phản ứng chỉ có thể giải thích là do sự giảm thể tích của các hiđrô và ôxy. Vậy
nguyên nhân nào tạo nên sự giảm thể tích đó và nguyên tử nào trong hai thực hiện sự
giảm thể tích?
Phân tử hi đrô chuyển hai electron của nó cho nguyên tử ôxy để trở thành hai ion+. Do
chỉ còn nên chúng liên kết với ion- do nguyên tử ôxy nhận thêm electron tạo nên. Sự
liên kết này được thực hiện trên bề mặt của ion-. Quá trình này có tạo nên sự giảm thể
tích không? Câu trả lời là không bởi sự sáp nhập của nguyên tử hyđrô với nguyên tử
làm tăng thể tích của nguyên tử mới. Phân tử hyđrô không thể tạo nên sự suy giảm
bởi nó đã chuyển yếu tố tạo nên thể tích của nó cho nguyên tử ôxy. Như vậy yếu tố

đóng vai trò giảm thể tích là ion- của ôxy. Để làm giảm thể tích và phát sinh nhiệt
phải có một tác động nào đó từ bên ngoài hay có một sự biến đổi bên trong nào đó.


Chúng ta biết rằng không khí bị nén sẽ toả nhiệt. Có nghĩa là khi có lực ép từ bên
ngoài lên một khối không khí sẽ làm cho khối không khí đó giảm thể tích và phát sinh
nhiệt năng. Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng nén khí. Nhưng hiệu ứng này có thể hiện và
thể hiện như thế nào trong phản ứng kết hợp giữa hiđrô với ôxy khi không có lực ép
từ bên ngoài? Nguyên tử ôxy có sáu electron ở lớp ngoài cùng. Nó còn thiếu hai
electron để tạo nên lớp vỏ bền vững. Nhưng chỉ nhận thêm hai electron là đẫ đủ điều
kiện để lớp vỏ đó bền vững hay chưa? Câu trả lời là chưa bởi trong thực tế có
nhiều hợp chất hoá học được kết hợp từ các đơn chất để đảm bảo điều kiện có đủ tám
electron ở lớp vỏ ngoài nhưng độ bền hoá không cao như một số ôxít kim loại. Điều
kiện thứ hai ở đây là các electron phải liên kết liên hoàn với nhau. Điều kiện để thực
hiện liên kết liên hoàn đó là mỗi electron phải liên kết với ít nhất ba electron khác.
Đây là sự liên kết không mang tính hoá trị (liên kết đôi). Liên kết liên hoàn được thoả
mãn khi các electron nằm ở tám đỉnh của một khối lập phương và lực liên kết giữa
các electron là lực điện từ. Lực điện từ trong các eletron bao gồm hai thành phần: lực
điện và lực từ. Lực điện có hướng song song với nhau có gốc xuất phát từ các
electron trên cùng một mặt phẳng và ngọn ở các eletrron nằm trên mặt đối diện của
các khối lập phương. Còn lực từ tạo nên một vòng khép kín chứa các eletron trong
cùng mặt phẳng vuông góc với lực điện. Các lực này liên kết các electron thành một
lớp vỏ kín. Đây là một yếu tố quan trọng làm cho lớp vỏ của nguyên tử ôxy co lại khi
nhận thêm hai eletron và hình thành nên liên kết liên hoàn. Dưới tác dụng của lực
điện từ, các electron của lớp vỏ bị hút lại gần nhau làm lớp vỏ electron ngoài cùng co
lại. Sự co lại của lớp vỏ đã tạo nên lực ép lên các electron lớp trong, buộc các electron
này phải di chuyển vào sâu hơn gần hạt nhân nguyên tử. Để cân bằng năng lượng tại
vị trí mới, các electron phải giải phóng bớt năng lượng và do đó nhiệt năng toả ra theo
hiệu ứng nén khí. Các electron này là thành phần của nguyên tử ôxy. Như vậy các
nguyên tử ôxy là nguồn phát sinh nhiệt trong phản ứng kết hợp với hyđrô. Nói cách

khác, chính ôxy là nhiên liệu trong phản ứng với hyđrô. Quan niệm hyđrô là nhiên
liệu còn đúng không thưa quý vị độc giả?
Đến đây, một câu hỏi thú vị sẽ được đặt ra là trên đây đã chứng minh ôxy là nhiên
liệu trong phản ứng với hyđrô, vậy trong trường hợp ôxy kết hợp với Các bon thì ôxy
có là nhiên liệu hay không khi đó cũng là phản ứng kết hợp có toả nhiệt, nguyên tử
ôxy cũng nhận thêm hai electron cho lớp vỏ ngoài của nó?
Chúng ta lưu ý rằng trong điều kiện thường, ôxy là chất khí, còn Các bon là chất rắn.
Sự kết hợp giữa một chất rắn với một chất khí tạo nên một chất khí mới có tỷ trọng
cao hơn tỷ trọng của không khí nhưng nhỏ hơn tỷ trọng bình quân của hai lượng chất


ban đầu. Sự thay đổi tỷ trọng này có nguyên nhân từ sự tăng thể tích của các nguyên
tử Các bon trong phản ứng. Có thể có sự thay đổi thể tích của các nguyên tử ôxy
nhưng không có ảnh hưởng nhiều đến thể tích của chất mới bởi chất mới được tạo ra
cũng là chất khí. Do không xuất hiện hiệu ứng nén khí ở nguyên tử ôxy cho nên ôxy
không toả nhiệt. Nhiệt lượng toả ra trong phản ứng là của Các bon. Như vậy Các bon
là nhiên liệu. Chúng ta có công thức trong trường hợp này là rắn + khí = khí khác với
trường hợp trên là khí + khí = lỏng
Có một sự giải thích cho việc trong trường hợp nhận thêm hai electron của hiđrô thì
nguyên tử ôxy có hiệu ứng nén khí còn với hai electron của Các bon là không.
Nguyên nhân là mức năng lượng của hai cặp electron đó là khác nhau, do đó mối liên
kết liên hoàn thực hiện được hoàn hảo với cặp electron của hiđrô, còn không hoặc
khó thực hiện với cặp electron của Các bon (và các electron của các chất khác). Các
electron của nguyên tử hiđrô có năng lượng tương đương với các electron lớp ngoài
cùng của nguyên tử ôxy cho nên đã dễ dàng tạo nên mối liên kết liên hoàn, còn của
Các bon không tạo được mối liên kết liên hoàn (chí có liên kết hoá trị). Vì vậy
nguyên tử ôxy mất năng lượng trong phản ứng với hiđrô còn là không trong phản ứng
với Các bon. Mô hình các electron lớp ngoài cùng tạo thành khối lập phương là mô
hình không gian của các nguyên tử khí trơ. Mô hình này không phủ định mô hình
phẳng của nguyên tử vẫn được dùng hiện nay mà chỉ là sự phát triển thêm. Mô hình

không gian thể hiện thêm được mối liên kết liên hoàn mà trong mô hình phẳng không
thể hiện được và nó có thể giúp giải thích sự hình thành các hình dạng của nguyên tử
hay phân tử. Mô hình này đã được tác giả bài viết trình bày trong lý thuyết về mối
quan hệ đặc biệt giữa vật chất và năng lượng trong báo cá có tựa đề “Điều gì sau
những giấc mơ” mà tác giả đã gửi Bộ Khoa học và Công nghệ Việt nam năm 2005.

Tái tạo :
Hiện nay người ta thường sử dụng phản ứng oxy hóa từng phần, đây là một dạng
phản ứng luân hồi giữa nước và khí dưới một áp suất tác động và một kỹ thuật hút
bám để tạo ra 4.200 sft3/hr ( 1980 slpm ) Hydro. Độ tinh khiết của Hydro đạt được là
99,99%. Lượng nước tiêu thụ tối đa mỗi ngày là 15000 l/ngày.
Chi phí sử dụng :
Chi phí lớn nhất cho việc cải tạo này là cho việc thiết kế hệ thống cung cấp và chứa
nhiên liệu. Bên cạnh đó, nhiên liệu Hydrogen có chi phí cao nguyên nhân chính là do
giá của nguồn điện cao ( có từ 5 – 25% năng lượng điện bị mất trong quá trình điện
phân ). Trong những trường hợp cao nhất, theo bảng 2 giá của hydrua hay Hydro lỏng


vẫn cao hơn nhiều so với xăng. Một cách tổng quát, chỉ khi nào giá điện giảm đi một
nửa, còn giá xăng tăng lên gấp 3 thì chi phí cho 2 phương pháp trên mới bằng nhau.
Chris Willson, Chủ tịch HSM nói: “chúng tôi rất vui mừng với những kết quả này.
Một trong những nguyên nhân làm đình trệ việc đưa hydro vào sử dụng hàng ngày là
vấn đề lưu trữ. Vấn đề lưu trữ này đã ngăn cản hydro cạnh tranh với một loại nhiên
liệu là dầu lửa, mặc dù hydro cháy hiệu quả hơn và không bị ô nhiễm ”
Nhà hoá học Sean McGrady, nhà nghiên cứu đứng đầu dự án này giải thích, nhiệm vụ
khó khăn là tìm ra một phương pháp lưu trữ hydro an toàn hơn, hiệu quả và kinh tế hơn
sao cho nó có thể được sử dụng theo yêu cầu. Phương pháp để làm được điều đó là
chuyển hyđro thành hợp chất -chất rắn - và vì vậy bạn có thể sử dụng nó khi bạn muốn,
một cách an toàn, theo lượng bạn cần.
Hiện tại, khí hyđrô được nén lại trong một chiếc bình kim loại lớn, cao xấp xỉ 4 feet.

Những chiếc bình này vừa nặng vừa tốn kém khi vận chuyển. Và vì khí hydro bị nén lại
nên có độ rủi ro an toàn nhất định.
NHỮNG PHÁT MINH TẠO RA NĂNG LƯỢNG TỪ NƯỚC TẠI VIỆT NAM
Nước là một phần không thể thiếu của cuộc sống. Ngày nay, các nhiên liệu hóa thạch
đang ngày càng trở nên cạn kiệt, nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu và phát minh ra
một
số
thiết
bị
tạo
ra
năng
lượng
từ
nước.
Tuy nhiên, rất ít người quan tâm và biết về các phát minh này. Nhiều người vẫn nghĩ
rằng điều này là phi thực tế. Và có rất nhiều thắc của các nhà khoa học xung quanh
vấn
đề
này.
Trong khi đó, nhiều nhà khoa học đã thành công với các nghiên cứu này nhưng cũng
mới chỉ dừng lại trong phòng thí nghiệm và vẫn còn xa vời thực tế hoặc chỉ để biểu
diễn cho người khác xem mà không thể ứng dụng rộng rãi. Vì hiệu suất của phản ứng
phân hủy nước quá nhỏ và giá thành cao, không kinh tế.
Tương lai biến nước thành điện như một khao khát cháy bỏng của các nhà khoa học
để tạo ra một nguồn năng lượng sạch từ nguồn nước dồi dào. Điều này sẽ mở ra sự
thay
đổi
lớn
trong

mọi
lĩnh
vực
đời
sống.
Nhằm giới thiệu kĩ và sâu rộng hơn về các phát minh tạo ra năng lượng từ nước đang
được giới khoa học và độc giả quan tâm, “Biến nước thành năng lượng: tại sao
không?”..
Từ trước đến nay, khoa học vẫn là một điều gì đó bí ẩn và được ít người quan tâm.
Với chương trình truyền hình trực tiếp này, những người làm chương trình hy vọng
rằng người dân được tiếp cận gần hơn với khoa học, đặc biệt là các ý tưởng, phát
minh
phục
vụ
chính
cuộc
sống
của
mình.
Chương trình trao đổi các vấn đề về khoa học công nghệ được truyền hình trực tiếp là
một hình thức mới không chỉ mang tính chất truyền thông mà người xem còn được
tham gia trực tiếp, đặc biệt qua mạng 4G đang được thử nghiệm. Điều này cũng
chứng minh cho sự phát triển của công nghệ truyền thông tại Việt Nam.
Chương trình “Biến nước thành năng lượng: tại sao không?” được tổ chức từ 9h3011h30 thứ 4, 25/4/2012 tại Phòng hội thảo, Khách sạn Vườn Thủ Đô (số 4 Hoàng


Ngọc Phách, Đống Đa, Hà Nội) gồm hai phần: truyền hình trực tiếp buổi giao lưu
trên lifetv.vn và vnmedia.vn (9h30-10h30) và giao lưu trực tuyến trả lời các câu hỏi
của độc giả ngay sau chương trình trên vnmedia.vn (10h30-11h30). Khán giả gửi trực
tiếp câu hỏi qua báo điện tử Vnmedia theo đường link…

Chương trình có sự tham gia trực tiếp của các nhà khoa học, các chuyên gia về năng
lượng từ nước, các nhà sáng chế có phát minh tạo ra năng lượng từ nước, các cơ quan
thông tấn báo chí cùng với sự theo dõi của khán giả trên 2 website lifetv.vn và
vnmedia.vn
GS.TSKH Nguyễn Đức Hùng, người đã tham gia buổi hội thảo của TS.Nguyễn
Chánh Khê ngày 9/3/2012 đã nhận xét về sáng chế của TS. Khê: “Về mặt khoa học,
theo tôi, ngôn ngữ khoa học phải chuẩn xác, không nên dễ dãi hay trừu tượng hóa
được. Chất xúc tác để Máy phát điện của TS. Khê và cộng sự làm được tác giả khẳng
định tại Hội thảo là "chạy bằng nước". Nhưng rõ ràng không đúng vì nước không thể
tự tách ra ôxy và hyđrô, chỉ trừ khi nó được cung cấp năng lượng đủ lớn để vượt qua
năng lượng liên kết thì nó mới tự tách được. Ở đây bản thân nước là vật liệu không
phải là nhiên liệu. Từ nước để trở thành nhiên liệu bằng nhiều cách khác nhau như
điện phân, nhiệt phân, quang phân… để biến nước thành hyđrô. Nên tôi hoàn toàn
đồng ý với kết luận của GS. Nguyễn Văn Hiệu là: “Chúng ta cần chính xác, không
ngộ nhận”.
Tiến sĩ Giáp Văn Dương, công tác tại Đại học quốc gia Singapore cũng cho rằng: “Điểm
mấu chốt ở đây là sử dụng một chất khử để tạo hydro chứ không phải dùng một xúc tác
mới để phân hủy nước, như thừa nhận của chính tác giả trong buổi hội thảo. điểm cốt yếu
là TS Nguyễn Chánh Khê đã tìm ra được một chất dẫn có cấu trúc nano. Chất dẫn này khi
phản ứng với nước đã tạo ra hydrogen, sau đó hydrogen đi qua bình nhiên liệu để tạo ra
điện. Đây chính là điểm mới trong nghiên cứu này
Cavendish tên đầy đủ là Henry Cavendish (sinh ngày 10 tháng 10 năm 1731- 24
tháng 3 năm 1810 ) là một nhà vật lý, hóa học người Anh người đã phát hiện ra
hydrogen, , cái mà ông gọi là “khí ko cháy”, khi phản ứng với khí Oxy sẽ tạo ra nước