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 tạ
Trang 1Hydrogen & Pin nhiên liệu
(Pin nhiên liệu)
15.6 Pin nhiên liệu
Trong khi thế kỉ 19 được mệnh danh là thế kỉ của động cơ hơi nước và thế kỉ 20 là thế kỉ của động cơ đốt trong thì ta có thể nói, thế kỉ 21 sẽ
là kỉ nguyên của pin nhiên liệu Pin nhiên liệu hiện nay đang dần được phổ biến trên thị
trường, dự đoán sẽ tạo nên cuộc cách mạng năng lượng trên thế giới trong tương lai Pin
Trang 2nhiên 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
Trang 3các hạt điện tích từ cực này sang cực khác, và chất xúc tác nhằm làm tăng tốc độ phản ứng Các module pin nhiên liệu thường kết nối với nhau, song song hay trực tiếp để tạo ra các thiết
bị có mức công suất phát điện khác nhau và lớn hơn
Hai nhiên liệu cơ bản cần thiết cho pin nhiên liệu vận hành chỉ đơn giản là hydrogen và oxygen Lợi thế hấp dẫn của pin nhiên liệu là ở chỗ nó tạo ra dòng điện sạch, rất ít ô nhiễm, do sản
phẩm phụ của quá trình phát điện cuối cùng chỉ
là nước, không hề độc hại
Các phản ứng hóa học tạo ra dòng điện chính là chìa khóa trong cơ chế hoạt động của pin nhiên liệu Có nhiều loại pin nhiên liệu và mỗi kiểu vận hành một cách khác nhau nhưng cùng chung nguyên tắc cơ bản Khi những nguyên tử
hydrogenđi vào pin nhiên liệu, phản ứng hóa
Trang 4học 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
Trang 5Dù 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
Trang 6trình 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