Những hiểu biết về hydrogen, sản suất, lưu trữ và ứng dụng trong pin nhiên liệu hydrogen.

Bài này là một báo cáo cực hay về nhiên liệu mới Hydrogen, nhiên liệu sẽ thay thế cho xăng dầu trong thế kỷ 21 này, nội dung báo cáo trình bày về lợi ích của hydrogen, nền kinh tế hydrogen, các quá trình chuyển hóa (sản xuất hydrogen), tồn trữ (lưu trữ) hydrogen và ứng dụng trong pin nhiên liệu hydrogen (một ứng dụng cực kì quan trọng có thể xem như nguồn năng lượng sạch sẽ thay thế nhiên liệu hóa thạch trong tương lai không xa). Báo cáo này được soạn rất công phu nên sẽ là một bài tham khảo cực kì tốt cho các bạn học cao học cũng như đang làm tổng quan cho quá trình tìm kiếm đề tài nghiên cứu của mình. Chúc các bạn thành công

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

HYDROGEN VÀ PIN NHIÊN LIỆU

HYDROGEN

NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT HÓA HỌC

Các loại năng lượng tái tạo đang được nghiên cứu và ứng dụng

CÁC GIẢI PHÁP VỀ VẤN ĐỀ NHIÊN LIỆU

4

1.1 Những lợi ích chính của nền kinh tế hydrogen.

-Không gây ô nhiễm (khi bị rò rỉ hoặc thoát ra môi trường).

-Không gây ảnh hưởng xấu đến môi trường và khí hậu toàn

cầu (gần như không phát thải các khí gây hiệu ứng nhà kính

như COx, NOx, SOx, … ).

-Không phụ thuộc về kinh tế (chủ yếu được sản xuất từ nước

một nguồn tài nguyên gần như vô tận).

-Phong phú về nguồn sản xuất (từ nước, hydrocacbon, vi sinh,

…)

5

1 LỢI ÍCH & NỀN KINH TẾ HYDROGEN

6

HIGH EFFICIENCY & RELIABILITY

ZERO/NEAR ZERO EMISSIONS

Transportation

Distributed Generation

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 Các ứng dụng của Hydrogen.

1 LỢI ÍCH & NỀN KINH TẾ HYDROGEN

1.3 Nền kinh tế Hydrogen.

8

1.3 Nền kinh tế Hydrogen.

9

1 LỢI ÍCH & NỀN KINH TẾ HYDROGEN

Lộ trình chuyển đổi sang nền kinh tế hyđrô ở Mỹ gồm 4 giai đoạn, dự tính như sau:

Giai đoạn I (từ nay – 2020) Đẩy mạnh

11

với xu hướng hiện nay.

- Là nguồn nhiên liệu sạch

- Có khả năng tái tạo được

2 PIN NHIÊN LIỆU HYDROGEN

12

Pin nhiên liệu hydrogen là các loại pin sử dụng nhiên liệu là hydrogen.2.1 Giới thiệu

13

2 PIN NHIÊN LIỆU HYDROGEN

2.1 Giới thiệu

14

Anode: 2H2 => 4H+ + Cathode: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O -Overall: H2 + O2 => 2H2O+ Energy

4e-Phản ứng trong PEMFC:

2.2 Cấu tạo & Nguyên tắc hoạt động của pin

2.2 Cấu tạo & Nguyên tắc hoạt động của pin

2 PIN NHIÊN LIỆU HYDROGEN

16

Phản ứng tại các điện cực trong pin

17

2 PIN NHIÊN LIỆU HYDROGEN

Bảng các thông số kỹ thuật của pin

18

So sánh các loại pin nhiên liệu

19

2 PIN NHIÊN LIỆU HYDROGEN

2.3 Các ứng dụng của pin nhiên liệu hydrogen

20

3.1 CHUYỂN HÓA TỪ HYDROCARBON

3.2 ĐIỆN PHÂN NƯỚC

3.3 PHÂN HỦY NƯỚC

21

3.4 PHƯƠNG PHÁP VI SINH

3.1.1 KHÍ HÓA KHÍ THIÊN NHIÊN

22

3 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG

3.1 CHUYỂN HÓA TỪ HYDROCARBON

Qui trình khí hóa khí thiên nhiên để sản xuất H2

P

Shift Conversion: phản ứng chuyển dịch

- HTS: high temperature shift, 400 o C, 74.2% Fe2O3, 10.0% Cr2O3, 0.2% MgO

- LTS: low temperature shift, 200 o C, 32-33% CuO, 34-53% ZnO, 15-33% Al2O3

Khí hóa là quá trình chuyển hóa nhiên liệu hữu cơ hay hóa thạch thành CO, CO2 và

H2 ở nhiệt độ cao (> 700°C), mà không có sự cháy

3 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG

3.1.3 KHÍ HÓA SINH KHỐI3.1 CHUYỂN HÓA TỪ HYDROCARBON

Sinh khối là dạng vật liệu sinh học từ sự sống, đa số là các vật liệu có nguồn gốc từ thực vật

3.1.3 KHÍ HÓA SINH KHỐI

3.1 CHUYỂN HÓA TỪ HYDROCARBON

3 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG

3.2 ĐIỆN PHÂN NƯỚC

Điện tử ở vùng dẫn khi đó sẽ phản ứng với ion H+ có trong nước để tạo ra khí hydro, còn lỗ trống (h+) sẽ phản ứng với nước để tạo ra oxy

Khí hóa hydrocacbon Điện phân nước Phân hủy nước Phương pháp vi sinh

Ưu

điểm - Năng suất cao

- Năng suất cao

- Nguyên liệu là nước: rẽ,

dễ tìm, không độc hại,…

- Không gây ô nhiểm môi trường

- Vận hành ở nhiệt độ thấp

- Sạch và bền vững

- Tận dụng nguồn nguyên liệu Biomass

hao nhiêu liệu lớn.

- Chi phí đầu tư thiết bị

-Ô nhiễm môi trường

- Tổn hao năng lượng điện

- Chi phí đầu tư thiết bị

- Chi phí đầu tư thiết bị và xúc tác cao

- Hiệu suất thấp

- Hiệu suất thấp

- Chủng vi sinh vật

4.1 Nén khí dưới áp suất cao

4.2 Khí hóa lỏng

4.3 Ống nano cacbon

4.4 Vi cầu thủy tinh

4.5 Vật liệu khung cơ - kim (MOFs)

30

4 LƯU TRỮ HYDROGEN

Các phương pháp lưu trữ hydrogen:

4.1 Nén khí dưới áp suất cao

 Khí hydrogen được nén trong các bình chứa với áp suất cao

lên tới 700 bar bằng máy nén

 Dùng vật liệu bình chứa H2 bằng composite thay thép truyền

thống.

 ứng dụng cho các trạm tiếp nhiên

liệu, hóa lỏng để vận chuyển bằng

các phương tiện giao thông (xe bồn,

tàu biển)

4.3 Ống nano cacbon

Được tạo bởi vi cấu trúc than chì

dạng ống rỗng

 Hydrogen có thể chui vào trong

ống, cũng như vào khoảng trống

4.4 Vi cầu thủy tinh (glass microsphere)

 Khi gia nhiệt, những vi cầu rỗng tí hon sẽ nóng dẻo, gia tăng khả năng thấm của thành thủy tinh Khi được đặt ngập trong khí hydrogen với áp suất cao và sau đó được làm nguội, các khối cầu sẽ “khóa” hydrogen bên trong

 Khi muốn sử dụng ta lại cấp nhiệt để giải phóng hydrogen.

 Phương pháp vi cầu này rất an toàn, tinh khiết và có thể chứa được hydrogen ở áp suất thấp

4 LƯU TRỮ HYDROGEN

34

4.5 Vật liệu khung cơ - kim (metal organic frameworks-MOFs)

MOFs là vật liệu được tạo thành khi các ligand carboxylat hữu cơ gắn kết với các ion kim loại hoặc nhóm

bền của liên kết kim loại – oxy.

Tinh thể xốp được gọi là khung cơ - kim.

Ví dụ:

MOFs-5

4.6 Vật liệu khung hữu cơ - kim loại (metal organic MOFs)

frameworks-4 LƯU TRỮ HYDROGEN

36

Đặc điểm nổi bật của vật liệu MOFs:

1.Bề mặt riêng cực lớn (500-4500 m2/g, tinh thể

MOFs-5 có diện tích bề mặt hơn 10.000 m2/g)

2.Tỉ trọng thấp (0.2-1 g/cm3)

3.Độ xốp rất cao (với kích thước lổ xốp cở nanomet,

các phân tử khí có thể khuếch tán vào MOFs và được

giữ lại trong các lỗ xốp trong cấu trúc của nó)

4.Kích thước lỗ xốp có thể thay đổi được (thay đổi các

cầu nối hữu cơ hoặc ion kim loại => điều chế được các

vật liệu xốp có khả năng hấp thụ chọn lọc)

Hính ảnh MOF-s quét bởi KHV điện tử

4.5 Vật liệu khung hữu cơ - kim loại (metal organic MOFs)

frameworks-Ứng dụng MOFs trong lưu trữ khí Hydrogen:

Nhờ vào cấu trúc nano tinh thể, độ xốp cao và diện tích bề mặt riêng lớn mà

MOFs có khả năng lưu giữ các khí như CO2, H2, CH4,… Từ đó người ta nghĩ

tới việc dùng các bình chứa có vật liệu MOFs bên trong để chứa khí

Những phân tử nhỏ như hydro không những hấp phụ tốt trên bề mặt MOFs

mà còn có thể giải phóng hoàn toàn ở áp suất riêng phần thấp

KẾT LUẬN

Với những lợi ích mà hydrogen mang lại, chúng ta hoàn toàn có thể tin tưởng một nền kinh tế hydro trong tương lai không xa:

● Sạch sẽ, không gây

ô nhiễm môi trường

● Phong phú, không phụ thuộc vào nguyên liệu hóa thạch

● Hiệu quả, an toàn và tiện lợi

[1] EG and G.T.S Inc, Fuel Cell Handbook 2004: Business/Technology Books.

[2] Ram B Gupta, Hydrogen Fuel: Production, Transport, and Storage, Taylor & Francis

Group, LLC, 2009

[3] Andreas Zuttel, Andreas Borgschulte, Louis Schlapbach, Hydrogen as a Future Energy

Carrier, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co, 2008.

[4] Bài giảng “Năng lượng tái taọ” Th.s Trần Công Binh, ĐHBK HCM.

[5]“Hydrogen Energy and Fuel Cells A Vision of Our Future” by European commission

Directorate-General for Research Information and Communication Unit

[6]“Hydrogen The Essential Element” by john s rigden.“Hydrogen and Syngas Production

and Purification Technologies” by Ke Liu GE Global Research Center Chunshan Song Pennsylvania State University Velu Subramani BP Products North America, Inc

[7] Adapted from Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Fundamentals and

Use of Hydrogen as a Fuel.3rd ed., Vol 4

[8] http://www.lipower.org/newscenter/pr/2003/feb26.fuelcell.html

[9] http://americanhistory.si.edu/csr/fuelcells/images/plugpwr1.jpg

[10] FAQ section, fuelcells.org

(a) Long Island Power Authority press release: Plug Power Fuel Cell Installed at

McDonald’s Restaurant, LIPA to Install 45 More Fuel Cells Across Long Island, Including Homes http://www.lipower.org/newscenter/pr/2003/feb26.fuelcell.html

(b) Proceedings of the 2000 DOE Hydrogen Program Review: Analysis of Residential Fuel

Cell Systems & PNGV Fuel Cell Vehicles,

References

42