Tế bào nhiên liệu nguồn năng lượng mới, siêu sạch và nhiều triển vọng

Tế bào nhiên liệu

TheoLarminie, James (2003), tế bào nhiên liệu (fuel cell-FC) là mộttế bào điện hóa , chuyển đổinăng lượng hóa họctừ nhiên liệu thành điện năng. Điện được tạo ra từ phản ứng giữa một nguồn cung cấp nhiên liệu và tác nhân oxy hóa. Các dòng chất phản ứng vào tế bào và các sản phẩm phản ứng đi ra khỏi nó, trong khi điện vẫn còn. Tế bào nhiên liệu có thể hoạt động liên tục khi chất phản ứng cần thiết và dòng nguyên liệu được duy trì.

Tế bào nhiên liệu có lúc được gọi là “pin” nhiên liệu nhưng nó khác pin thông thường bởi đây là một hệ thống hở, chất phản ứng từ một nguồn bên ngoài và phải được bổ sung. Chẳng hạn một tế bào nhiên liệu hydro sử dụnghydronhư nhiên liệu vàoxy(thường là từ không khí) là chất oxy hoá của nó. Có loại tế bào nhiên liệu sử dụng các nhiên liệu khác nhưhydrocacbon , rượu(methanol, ethanol) khí methan hoặc các hợp chất khác và sử dụng cả các enzim oxy hoá khử để thực hiện các phản ứng trao đổi điện tử vừa rẻ tiền vừa có hiệu quả cao.

Sự ra đời

T heoGeorge Wand (2008), tế bào nhiên liệu được phát hiệnvào năm 1838 bởi nhà khoa học Đức Christian Friedrich Schönbein. Năm 1839 , William Robert Grove - nhà khoa học người xứ Wales đã chế tạo ra mô hình thực nghiệm đầu tiên của tế bào nhiên liệugồm hai điện cựcplatin (Pt) được bao bởi hai ống hình trụ bằng thủy tinh (một ống chứa hyđrô và ống kia chứa oxy ). Hai điện cực được nhúng trong axít sulfuric loãng là chất điện phân tạo ra dòng điện một chiều . Vì việc chế tạo các hệ thống tế bào nhiên liệu phức tạp và giá thành đắt, công nghệ này bị dừng lại cho đến thập niên 1950.Lúc này, ngành du hành vũ trụ và kỹ thuật quân sự cần dùng một nguồn năng lượng nhỏ gọn và có công suất cao, không thông qua động cơ đốt trong . Và cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ ( NASA ) đã quyết định dùng cách sản xuất điện trực tiếp bằng tế bào nhiên liệu trong các chương trình du hành vũ trụApollo và Gemini ... Các tế bào nhiên liệu của chương trình Gemini chỉ dài 60 cm và có đường kính là 20cm được NASA sử dụng trong chương trình phát triển Gemini vào năm 1965 . Với công suất khoảng 1 kW , các tế bào nhiên liệu này đã cung cấp đồng thời điện và nước uống cho các phi hành gia vũ trụ .

Nhiều nghiên cứu về tế bào nhiên liệu được tiếp tục phát triển để hoàn thiện. Nhờ chế tạo được các màng ( membrane ) có hiệu quả cao và các vật liệu có khả năng chống ăn mòn hóa học tốt hơn cùng với sự tìm kiếm một nguồn năng lượng thân thiện với môi trường cho tương lai mà tế bào nhiên liệu được phát triển mạnh mẽ vào đầu thập niên 1990. Thông qua đó, việc sử dụng tế bào nhiên liệu dành cho các mục đích dân sự, quân sự đã trở thành hiện thực. Ngày nay khả năng sử dụng tế bào nhiên liệu khá rộng rãi từ các thiết bị bé nhỏ như điện thoại di động , máy vi tính xách tay đến ô tô , xe tăng, máy bay, tàu du hành vũ trụ, tàu thủy, tàu ngầm hoặc các thiết bị trong gia đình, hay dùng để nạp điện hoặc thay máy phát điện, hoặc chuyển sang dòng xoay chiều đưa vào điện lưới.

Cấu tạo

Tế bào nhiên liệu có nhiều loại, tuy nhiên, tất cả đều cấu tạo theo một nguyên lý chung gồm ba phần:cực dương(anode ), chất điện phân ( electrolyte ) vàâm cực(cathode ) . Hai phản ứng hóa học xảy ra tại giao diện của ba phần khác nhau(H1) chokết quả cuối cùng là nhiên liệu tiêu thụ, nước (H2) hoặc khí carbon dioxide (CO ₂, khi sử dụng methanol, ethanol, methan...) và một dòng điện cũng được tạo ra dùng cho các phụ tải (load). Tế bào nhiên liệu hydro là loại được ưa chuộng nhất, cung cấp điện, nước và nhiệt dùng cho những gì cầnsưởi ấm nên được xem là nguồn năng lượng siêu sạch.Bên cạnh đó còn có các loại như:Tế bào nhiên liệu kiềm -AFC (Alkaline fuel cell), tế bào nhiên liệu có màng trao đổi proton- PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel cell), tế bào nhiên liệu axit phosphoric -PAFC (Phosphoric acid fuel cell), tế bào nhiên liệu carbonat nóng chảy -MCFC (Molten carbonate fuel cell), tế bào nhiên liệu oxit rắn -SOFC (Solid oxide fuel cell),t ế bào nhiên liệu methanol trực tiếp - DMFC (Direct methanol fuel cell).

Tuy nhiên, theo"Fuel Cell efficiency" (Worldenergy.org. 17/7/2007), những tính toán về nhiệt động học (thermodynamics) cho thấy năng lượng tự do (Gibbs) ở các tế bào nhiên liệu hydro/oxy có thể đạt hiệu suất cao và để có được loại tế bào nhiên liệu có công suất cao tới hàng vạn KW, người ta dùng kỹthuật “ngăn xếp” ghép các tế bào thành một khối.

Nguyên lý hoạt động

Về phương diện hóa học, tế bào nhiên liệu có phản ứng ngược với sự điện phân . Trong quá trình điện phân, nước bị tách ra thành khí hydro và oxy nhờ vào năng lượng điện . Còn tế bào nhiên liệu lấy chính hai chất này biến đổi chúng thành nước. Qua đó, trên lý thuyết, chính phần năng lượng điện đã đưa vào sẽ được giải phóng nhưng thật ra vì những thất thoát qua các quá trình hóa học và vật lý, năng lượng thu được thường ít hơn. Các loại tế bào nhiên liệu đều có màng trao đổi proton -PEM (Proton Exchange Membrane)với tế bào nhiên liệu hydro (H1&2), ởbề mặt cực dương khí hydro bị oxy hóa bằng điệnhóa ta có:

Các điện tử được giải phóng đi từ cực dương qua mạch điện bên ngoài về cực âm. Các proton H+ di chuyển trong chất điện phân xuyên qua PEM, có khả năng chỉ cho proton đi qua về cực âm kết hợp với oxy và các điện tử tạo thành nước (H2).

Do đó ta có: và ở điều kiện 25°C (77°F), áp suất 1atm(100 KPa), phản ứng tạo ra năng lượng tự do thay đổi Δ G= -56,69 kcal (237 calo) và khi hình thành nước liên quan đến hai điện tử, giá trị này tương ứng với -1,23eV(electronvolts,1eV=23,06 kcal).Như vậy, ở trạng thái cân bằng nhiệt động học , điện áp tế bào có được 1,23V. Do vậy, để đưa dòng điện đến mức hữu dụng, cung cấp điện năng lớn, người ta tạo ra tế bào nhiên liệu ngăn xếp và dựa trên nhiệt của quá trình [Δ Hcho H2O(l)=-1,48eV], đạt hiệu suất lý thuyết là 83,1%. 

hình 3

Một số ứng dụng

Tế bào nhiên liệuđược sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực, đặc biệt khi mà thế giới đang gặp những khó khăn về năng lượng.  

* Cho các phương tiện vận tải hàng không

- Theo Liebherr Aerospace và DLR, từ cuối năm 2005 hãng Airbus đã hợp tác với Michelin, Liebherr Aerospace và DLR về công nghệ tế bào nhiên liệu phục vụ cho các phương tiện vận tải hàng không.Tháng 2/2008,lần đầu tiênAirbus thử nghiệm thành cônghệ thống tế bào nhiên liệu trên máy bay dân dụng A320 thuộc sở hữu của DLR, trung tâm Vũ trụ Đức (H3). Đây là loại tế bào nhiên liệu hydro và oxy, tạo ra nguồn điện năng lên đến 20KW được phát triển bởi Airbus và Michelin.Trong chuyến bay thử nghiệm đó, các tế bào nhiên liệu sản xuất khoảng 10lít nước tinh khiết. Ông Patrick Gavin - Phó Chủ tịch kỹ thuật của hãng cho rằng tế bào nhiên liệu cung cấp lợi ích tiềm năng to lớn về hiệu quả sinh thái môi trường và tiết kiệm hoạt động, làm cho máy bay nhẹ hơn và do đó tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu của máy bay, đồng thời làm giảm đáng kể tiếng ồn, khí thải trong và xung quanh sân bay. Kết quả này sẽ cho phép máy bay Airbus và các đối tác tiếp tục phát triển, thực hiện công nghệ tế bào nhiên liệu thay thế ở các máy bay khác.

Hãng hàng không lớn nhất nước Mỹ-Boeing cũng sử dụng tế bào nhiên liệu cho máy bay. Năm 2003 đã có tổng cộng 857 máy bay Boeing Dreamliners được đặt hàng. Theo UTC Feul cell (2009), tàu con thoi (Space Shuttle) cũng đã được sử dụng tế bào nhiên liệu UTC 12kW để cung cấp năng lượng phụ trợ và nước uống cho phi hành gia khi con tàu hoạt động.

hình 4

* Cho các phương tiện vận tải đường bộ, đường sắt

Năm 2003, Tổng thống Mỹ George Bush đã đề xuất sáng kiến dùng nhiên liệu hydro (HFI), mà sau này (năm 2005) được pháp luật chấp nhận. Năm 2006, Mỹ thông qua đạo luật về chính sách năng lượng và sáng kiến năng lượng tiên tiến nhằm tiếp tục phát triển các tế bào nhiên liệu hydro và cơ sở công nghệ của mình với mục tiêu cuối cùng là để sản xuất các loại xe “pin” nhiên liệu thương mại vào năm 2020. Theo Matthew L.Wald (2009), năm 2008, Mỹ đã bỏ ra tới 1 tỷ USD cho dự án này. Trong tháng 5/2009, chính quyền Obama còn muốn phát triển công nghệ xe hơi sử dụng tế bào nhiên liệu khác sao cho giảm lượng khí thải nhanh hơn, trong một thời gian ngắn hơn nhưng bị những người theo đuổi tế bào nhiên liệu hydro phản đối. Bộ trưởng Năng lượng Mỹ cho rằng cần chú ý đến những thách thức liên quan tới sự phát triển của cơ sở hạ tầng cần thiết để phân phối nhiên liệu hydro.

Tại Anh, trong năm 2005, Công ty sản xuất năng lượng thông minh Eric lần đầu tiên cho xe máy dùng tế bào nhiên liệu hydro gọi là ENV có thể chạy trong 4 giờ, và đi 100 dặm trong khu vực đô thị, với tốc độ là 50 dặm/giờ. Tại Nhật, năm 2004, Honda đã phát triển một xe gắn máy dùng tế bào nhiên liệu cho các Honda FC Stack. Đến năm 2008, Honda đã cho ra đời chiếc xe máy, xe đạp điện với động cơ dùng nhiên liệu hydro. Theo Autopro (2011), hãng Suzuki của Nhật cũng sắp trình làng xe ga “xanh” - Suzuki Burgman Fuel Cell chạy điện bằng tế bào nhiên liệu (H5). Ngày 14/3/2011, sau một thời gian đàm phán, Suzuki đã chính thức được chính phủ Anh thông qua việc sản xuất loại xe chạy “pin” nhiên liệu mới nhất này mang tên Burgman Fuel Cell đáp ứng những quy định ngặt nghèo của Liên minh châu Âu với các hãng sản xuất mô tô và ô tô vì mục đích giảm thiểu hiệu ứng nhà kính cũng như giữ cho môi trường trong sạch. Burgman Fuel Cell được thiết kế với kiểu dáng thể thao khỏe khoắn, mang phong cách dòng maxi scooter cỡ lớn, có trọng lượng khá nhẹ, bình “xăng” hydro, động cơ làm mát bằng chất lỏng, nhiên liệu chính là hydro và oxy sau khi đã được chuyển hóa thành điện năng sử dụng, chất thải duy nhất là nước.

hình 5

Các đội đua xe bằng tế bào nhiên liệu cũng được tổ chức bởi sinh viên các trường đại học đến từ khắp nơi trên thế giới. Hội thi đầu tiên này được gọi là giải vô địch Formula Zero, bắt đầu vào ngày 22/8/2008 tại Rotterdam, Hà Lan.Theo "Fuel cell buses" , London (13-5-2007),một số công ty đang tiến hành nghiên cứu tế bào nhiênliệu hydro và dùngcho các xe buýt thử nghiệm như Daimler AG , Ballard Power Systems ... và “pin” nhiên liệu thử nghiệm thành công ở 11 thành phố. Ngoài ra còn có tế bào nhiên liệu chạy xe buýt đang hoạt động như đội xe buýt điện tế bào nhiên liệu với Thor UTC ở California (Mỹ) được điều hành bởi Cơ quan SunLine Transit. Tại Brazil, việc đầu tiên của “Brazilhydro ” là, năm 2009 cho xe buýt tế bào nhiên liệu hoạt động tại São Paulo . Các xe buýt hydro được sản xuất trong Caxias do Sul và nhiên liệu hydro sẽ được sản xuất tại São Bernardo làm ra từ nước thông qua điện phân . Chương trình này được gọi là"Ônibus Brasileiro a Hidrogênio"(Hydrogen Autobus Brazil), bao gồm các xe buýt bổ sung (Inovação Tecnológica. Abril, 2009).Còn ở Hàn Quốc, Công ty Huyndai (2011) tuyên bố rằng đã sản xuất thành công những chiếc xe khách có sức chứa 51 người bao gồm cả lái xe (H6)chạy điện tế bào nhiên liệu bằng chính công nghệ nội địa với tốc độ tối đa 100km/h.

Đối với đường sắt, chạy điện cũng được coi trọng.Tại Trung Quốc, theo Beth Buczynski (3/12/2010), người ta đã khánh thành chuyến xe lửa tốc hành trang bị tế bào nhiên liệu. Đây là sản phẩm hợp tác giữa công ty Yongji Electric Motor và Đại học giao thông Tây Nam (Southwest Jiaotong University). Với tế bào nhiên liệu hydro và động cơ đồng bộ, tàu chạy đạt tốc độ cao tới 220 dặm/h (1 dặm = 1,609344 kilomet) và mang lại hiệu quả cao, bảo tồn năng lượng đáng kể, có độ rung thấp và tiếng ồn tối thiểu, cho phép hành khách đi lại giữa Bắc Kinh và Thượng Hải chỉ trong 4 giờ thay vì phải mất 10 giờ như trước đây (H10). Cùng với đó, hệ thống chiếu sáng cho con đường này cũng được phát huy nhờ nguồnđiện của tế bào nhiên liệu. 

hình 6

* Cho các phương tiện vận tải đường thuỷ

Theo Kakati, B.K., Deka, D(Energy & Fuels 2007, 21), lần đầu tiên (6/2000), thế giới được chứng kiến tế bào nhiên liệu dùng cho con tàu Hydra ở Leipzig CHLB Đức (H8). Đây là loại tế bào nhiên liệu AFC với công suất 6,5KW. Như vậy, bên cạnh nguồn điện từ một động cơ điện còn có thêm tế bào nhiên liệu. Tàu vận chuyển khoảng 2.000 hành khách, và các hệ thống tế bào nhiên liệu có khả năng hoạt động ngay cả ở nhiệt độ dưới mức đóng băng.

Cũng lần đầu tiên, các tàu ngầm loại 212 sử dụng tế bào nhiên liệu của hải quân Đức và Ý được sản xuất (H9). Tàu có khả năng “lặn” sâu dưới nước trong nhiều tuần mà không cần phải “bơi” lên mặt nước và không có nhiệt thải. Năm 2007, loại tàu này được xuất hàng loạt. Đây là loại tàu ngầm phi hạt nhân tiên tiến được phát triển bởi Howaldtswerke-Deutsche ard AG (HDW) và Fincantieri Spa cho hải quân Đức , Ý . Ngoài động cơ đẩy diesel còn có thêm một hệ thống động cơ đẩy không khí độc lập (AIP) bằng cách sử dụng tế bào nhiên liệu hydro có màng trao đổi proton (PEM) . Các tàu ngầm có thể hoạt động ở tốc độ cao bằng nguồn điện diesel hoặc chuyển sang sử dụng hệ thống AIP khi đi chậm hơn hoặc đứmg yên. Hệ thống này khá nhẹ nhàng không tạo ra những rung động mạnh, rất yên tĩnh và hầu như không thể phát hiện. Ở Nga cũng có dự án về tàu ngầm Lada 677 được thiết kế theo hướng này bởi Cục Thiết kế Nga Rubin. Ở Mỹ, ngày 08/12/2010, General Motors (GM) cho biết, có nhiều tổ chức tham gia “Sáng kiến Hydrogen Hawaii-H2I” với mục tiêu là xây dựng 25 trạm hydro tại các địa điểm chiến lược xung quanh Oahu, đưa nhiên liệu cho một vùng rộng lớn có 1 triệu dân. GM và 11 công ty đối tác đã cam kết vào năm 2015 sẽ cung cấp nhiên liệu hydro cho các loại xe và phát triển cơ sở hạ tầng ở Hawaii. Tuy nhiên, theo Christopher DeMorro (2011) trong năm 2006, GM đã bắt đầu tung ra những tế bào nhiên liệu Equinox cho khoảng 100 xe để cho khách hàng thuê chạy trong ba thành phố và nó đã đem lại một lợi ích lớn đến với Hawaii. Hải quân Mỹ là một trong những khách hàng đầu tiên nhận xe GMsử dụng tế bào nhiên liệu, nhằm mục đích tích hợp hydro như một khối xây dựng cần thiết cho một hệ sinh thái năng lượng bền vững. Theo H2I, chương trình mục tiêu nhằm thúc đẩy sử dụng xe nhiên liệu hydro là một trong những lựa chọn chính cho giao thông vận tải của hòn đảo này.

hình 7

* Từ tế bào nhiên liệu đến các nhà máy điện

Tế bào nhiên liệu không thể lưu trữ điện năng như pin, nhưng trong một số ứng dụng, chẳng hạn như nhà máy điện độc lập dựa trên các nguồn không liên tục ( năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió ), nó được kết hợp với hệ thống lưutrữ năng lượng ,nhưng rẻ hơn nhiều so với ac quy chì/ axit.Tế bào nhiên liệu được xem nhưnhữngmáy phát điện, cung cấp điện năng cho trạm điện cơ sở và cả mạng lưới di động để đảm bảo cung cấp điện thường xuyên liên tục cho cơ sở đặc biệt như các bệnh viện, trung tâm dữ liệu, phòng thí nghiệm, trung tâm viễn thông, thiết bị quân sự và tàu hiện đại của hải quân. Nhưng tế bào nhiên liệu cũng không giống như một máy phát điện dự phòng, bởi nó có thể cung cấp điện ngay lập tức ngay cả khi nguồn điện bị gián đoạn tạm thời.

Ở Mỹ, nhờ một khoản trợ cấp từ Quỹ Năng lượng sạch Connecticut mà năm 2010, các thành phố ở New Haven, bang Connecticut, đã lắp đặt một tế bào nhiên liệu công suất tới 400KW trong một tổ hợp sử dụng cho nhà ở. Trong một báo cáo ở New Haven (8/6/2010) cho thấy, đây là tế bào nhiên liệu lớn được sử dụng cho một tòa nhà chung cư 700.000m ²và nó đáp ứng gần 100% nhu cầu điện của tòa nhà cũng như cung cấp nhiệt năng để sưởi ấm không gian, nước nóng và hồ bơi. Cơ quan quản lý môi trường Mỹ-EPA (Environmental Protection Agency) ước tính mỗi năm lượng khí thải cacbon của tòa nhà giảm 790 tấn và ngoài các khoản tiết kiệm năng lượng, các tế bào nhiên liệu sẽ cung cấp điện năng, cho phép hoàn vốn trong 5,5 năm. Các nhà máy điện tế bào nhiên liệu cũng đã được lắp đặt ở các trường đại học như nhà máy Direct FuelCell ( DFC ) tạo ra điện năng có tổng công suất khoảng 11.500 MW tại trường đại học công lập ở Toms River, New Jersey và các trường đại học khác.

Tại Hà Lan, NedStack- một công ty tư nhân được thành lập vào năm 1998 ở Arnhem, hiện nay đang là nhà sản xuất các tế bào nhiên liệu ngăn xếp PEM lớn nhất châu Âu và thế giới, đã sử dụng công nghệ độc đáo và được cấp bằng sáng chế. Với tế bào nhiên liệu PEM lưu động lớn nhất thế giới, các máy phát điện 1MW được kết nối với nhà máy tại Antwerp, Bỉ. Theo họ, nhà máy điện PEM có hiệu quả cao, an toàn cao, giảm phát thải và yên tĩnh, không tiếng ồn.

Theo South Korea Times (2010), POSCO, nhà sản xuất thép lớn thứ ba thế giới tại Hàn Quốc cũng đã ký một biên bản ghi nhớ với thành phố Pohang và tỉnh Gyeongsang để xây dựng một nhà máy điện tế bào nhiên liệu lớn nhất thế giới-DFC 3000 có 100 MW (H11). Dự án này là một phần trong nỗ lực của tỉnh Gyeongsang nhằm tạo ra một cụm năng lượng cho khu vực dọc theo bờ biển phía đông với công nghệ sạch hơn. Nhà máy sẽ hoàn thành trong 3 năm và đi vào vận hành, đồng thời lưới điện của Hàn Quốc cũng đã nhận được sức mạnh siêu sạch và đáng tin cậy từ nhàmáy này. Bộ Thương mại, Công nghiệp và Năng lượng (MOCIE) Hàn Quốc cũng đã có những ưu đãi đáng kể để thúc đẩy việc sử dụng năng lượng thay thế và tế bào nhiên liệu nằm trong số nhận được sự hỗ trợ mạnh mẽ từ MOCIE.

Để thấy hết được vai trò của tế bào nhiên liệu, ngày 21/6/2010 tại Washington, Hội Năng lượng Mỹ-USEA (United States Energy Association) cũng đã tổ chức cuộc Hội thảo về nguồn diện năng sạch và có nhều nước tham gia. Hội thảo nhất trí nhận định rằng: năng lượng của tế bào nhiên liệu là nguồn năng lượng đáng tin cậy cho các công ty thương mại và công nghiệp cũng như chính phủ với các tiện ích hiệu quả cao hơn và hầu như không có ô nhiễm.            

hình 9

Các nhiên liệu không phải hydrogen

Theo Gas Today (9 -12-2009), ngoài hydro, tế bào nhiên liệu còn được sử dụng các nguyên liệu khác. Năm 2009, hãng Linc Energy đã có ý định đi vào công nghệ tế bào nhiên liệu với hệ thống tế bào nhiên liệu Alpha sản xuất hydro từ khí hóa than ngầm (UCG). Các hệ thống Alpha đang được phát triển vì chi phí thấp, dễ bảo trì, sản xuất hàng loạt, có thể được cài đặt trong các mô đun. Linc Energy có ý định thiết kế một số tế bào nhiên liệu như các container di động để cung cấp diện năng tới 400-500 MW. Peter Bond - Giám đốc điều hành của Linc Energy cho biết: "Nó có ý nghĩa vô cùng bởi đã kết hợp được công nghệ điện sạch với công nghệ khí hóa sạch”.

Với khí đốt tự nhiên, công ty FuelCell đã lắp đặt hai tế bào PG & E loại 1,4MW chạy bằng khí đốt tự nhiên sử dụng tại các trương Đại học California State University East Bay và San Francisco State University. Kể từ khi mở cửa để kinh doanh thương mại, trong năm 2003 chỉ riêng ở California,công ty đã đặt tới 50 tế bào nhiên liệu. Công ty Enbridge, Canada lắp đặt các hệ thống có công suất từ 250 đến 300 MW ở Ontario, và vùng Đông Bắc. Tại châu Âu, Sam Jaffe - một chuyên gia phân tích của IDC cho rằng: các tổ hợp tế bào nhiên liệu khác, công suất từ 200-600 MW là thành công lớn vì cắt giảm lượng khí thải từ khí nồi hơi, giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính, mặc dù khí đốt tự nhiên thông qua các tế bào nhiên liệu vẫn được chuyển đổi thành CO ₂.

hình 12

Việc sử dụng khí mê-tan làm nhiên liệu cũng được quan tâm đặc biệt, và nó cung cấp tiềm năng to lớn cho ngành công nghiệp xử lý nước thải, phế thải, và bằng cách tạo ra điện năng từ khí đốt sẽ tiết kiệm được chi phí đáng kể. TheoAditi Justa (2010), lượng mê-tan được tạo ra bởi một nhà máy xử lý nước thải 30 triệu lít mỗi ngày đủ để sản xuất 1MW, và cũng đủ cung cấp điện cho 1.000 hộ gia đình. Nhà máy điện tế bào nhiên liệu chuyển đổi khí mê-tan thành điện năng của tế bào nhiên liệu có hiệu quả cao ở Danbury (Mỹ) được xem là nhà máy điện siêu sạch sử dụng nhiên liệu tái tạo và đã thành công trong việc phát triển điện năng từ phân gia súc, gia cầm. Người ta đã bán nhà máy điện tế bào nhiên liệu có công suất 1,4MWcho trang trại chăn nuôi và được lắp đặt tại Olivera Ranch. Dự kiến nhà máy điện​​sẽ đi vào hoạt động vào giữa năm 2011 và theo họ, khí mê-tan được tạo ra nhờ lên men kỵ khí nếu dùng để đốt là một sự lãng phí, mà nên được sử dụng làm nhiên liệu để tạo ra điện đủ để đáp ứng tất cả các nhu cầunăng lượng của vùng Ranch. Việc sản xuất ra các tế bào nhiên liệu từ mê-tan thu được nhờ các vi sinh vật phân giải kỵ khí các chất thải hữu cơ, nước thải không còn xa lạ. Hiện người ta thấy nhiều tế bào nhiên liệu loại này có công suất 1,4MW ở trang trại gà sản xuất trứng Olivera Egg Ranch-French Camp, loại 600kW ở Gill’s Onions-Oxnard, loại 1MW tại nhà máy bia Nevada... vừa chống được ô nhiễm môi trường, vừa có hiệu quả kinh tế lớn. Chẳng hạn tại nhà máy bia Nevada (Mỹ), nhờ sự kết hợp giữa sản xuất bia và xử lý phế thải, nước thải bằng cách lên men mê-tan sản xuất ra hàng loạt tế bào nhiên liệu (H12) nên hàng năm đã tiết kiệm được 700.000 USD tiền điện. Tùy theo nhu cầu sử dụng mà người ta còn chế tạo ra tế bào nhiên liệu acid phosphoric, là loại có nhiệtđộlàm việc cao150-200 ⁰C. Theo Bob Tierney - Giám đốc UTC Power, South Windsor (2011) thì loại tế bào nhiên liệu này vừa cung cấp điện năng và nhiệt năng lại có “tuổi thọ”cao, có thể làm việc lên tục 85.000 giờ trong 10 năm.

hình 11

Những ứng dụng khác

Các tế bào nhiên liệu là nguồn điện năng cần thiết cho nhiều thiết bị khác như máy tính xách tay, điện thoại di động, lò sưởi... Chẳng hạn hãng LG Electronics đã cho ra đời cuốn sách điện tử LG e-book - một máy tính xách tay “sinh thái”, gọn nhẹ, rất mỏng, có 4 màn hình OLED, chạy bằng tế bào nhiên liệu có thể làm việc bằng khí đốt tự nhiên, methanol và các loại nhiên liệu hóa lỏng (H 13 ).Hay tại Nhật bản, trên Fuel Cell Technology (9/7/2011) cho biết, phòng thí nghiệm của Fujitsu Laboratories Ltd, hãngDoCoMo lần đầutiên đã chế tạo loại điện thoại thông minh sử dụng tế bào nhiên liệu vi mô (micro fuel cell)với màn hình lớn và bổ sung tính năng quan trọng như hệ thống định vị toàn cầu-GPS (Global Positioning System) để xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo (H14).

Tính cấp thiết và triển vọng

Ông Om Nalamasu (2006) -Phó Chủ tịch của hãng Rensselaer cho rằng: năng lượng là vấn đề quan trọng nhất đối với nhân loại. Theo ông, hiện thế giới có 6,5tỷngười đang cạnh tranh để được cung cấp nhiên liệu hóa thạch, đến năm2050, sẽ có khoảng 8-10tỷngười, như vây sẽ không thể đáp ứng được nhu cầu năng lượng của họ nếu không có những tiến bộ lớn trong việc bảo tồn và phát triển năng lượng đáng tin cậy và tái tạo không tốn kém. Tế bào nhiên liệu có tiềm năng để đáp ứng nhu cầu đó. Hay ở Công ty Năng lượng tế bào nhiên liệu (FuelCell Energy), ôngHarry Pettitcho biết: năm 2006, lần đầu tiên điện lực Pennsylvania and Light đã lắp dặt các tế bào nhiên liệu và thấy nó có những lợi thế, giá điện giảm chỉ còn 12 cents (1/100USD)/1kw so với16cents /1kw khi sử dụng điện lưới.

hình 14

Những nghiên cứu cải tiến để nâng cao hiệu quả và giảm giá thành cũng được xúc tiến mạnh mẽ, Chẳng hạn, trong sản xuất tế bào nhiên liệu thường phải dùng đến Platin (Pt) làm xúc tác, giá thành cao, mục tiêu phấn đấu hiện tại cho một tế bào nhiên liệu PEM là 0,2 g Pt/kw. Tuy nhiên, đã có những nghiên cứu không sử dụng Pt mà thay vì các vật liệu rẻ tiền hơn như Nikel (Ni) làm xúc táchoặcbằng cách sử dụng enzim kim loại chứa Ni có kết quả tốt. Đáng chú ý là theo Savage,N (2009), tại Đại học Dayton ở Ohio (Mỹ) đã nghiên cứu tạo ra các vi ống (microtubule) nanocarbon và được sử dụng như là chất xúc tác trong các tế bào nhiên liệu. Hơn nữa, vi ống nanocarbon sẽ kết hợp được nhiều phân tử enzim hơn nên xúc tác có hiệu quả hơn. Việc nâng cao nhiệt độ làm việc của tế bào nhiên liệu để sử dụng nhiệt năng cũng được chú ý để lấy nhiệt năng. Trong năm 2005, tại Trường Đại học Georgia (Mỹ) đã nghiên cứu sử dụng tế bào nhiên liệu công suất cao hàng ngàn kw (MW) lại có thể cho các “container lưu đông” đến bất cứ đâu để “cứu trợ khẩn cấp” như FCEL ở Connecticut đã cài đặt các loại tế bào nhiên liệu 25MW và 50MW tại một số cơ sở.

Ở Hàn Quốc cũng bắt đầu lắp đặt nhà máy hydrogen fuel cell vào loại lớn nhất thế giới ở Hwaseong City, tỉnh Gyeonggi với công suất lên tới 60MW cung cấp 464 triệu kWh và 195 tỷ kcal, tương đương với công suất của 110 bộ turbine gió loại 2MW, hoặc thay thế được 120.000T dầu cho máy phát điện, giảm phát thải 60.000T carbon, cung cấp điện cho khoảng 135.000 gia đình ở thành phố Hwaseong.

Tất cả các dữ liệu ở trên cho thấy tế bào nhiên liệu rất có triển vọng phát triển bởi nhiên liệu hydrogen dễ sản xuất ra và oxygen không khí không thiếu, hay mê-tan từ phân giải phế thải, nước thải ít tốn kém, không vất vả như xây dựng các nhà máy nhiệt điện, thủy điện, hay điện hạt nhân... và rất chủ động để tạo ra nguồn điện có công suất lớn, cung cấp điện liên tuc, ổn định, có “tuổi thọ” cao. Đặc biệt, nó hầu như không gây ảnh hưởng xấu đến môi trường dất, nước, không khí, môi trường sinh vật, trong đó có con người./.

Tài liệu tham khảo

1. Anissa Dehamna (2010) - Fuel Cells: Power, Heat, and Water.

2. Department of Energy Energy Efficiency and Renewable Energy Fuel Cell Technologies Program (2011) "Fuel Cell Technologies Program: Glossary" .          

3. Jeff St. John (2010). FuelCell Energy Finds Niche in Natural Gas Stations.

4. Hayley Birch (2009) - Bio-inspired catalyst design could rival platinum .         

5. Hydro Kevin (2011) - State of the States Fuel Cells in America 2011.           

6. Kakati, B.K., Deka, D.(2007) - “Effect of resin matrix precursor on the properties of graphite composite bipolar plate for PEM fuel cell”, Energy & Fuels , 21 (3).  

7. News ( April 15, 2011 ) - South Korea will be starting constructions for the world’s largest hydrogen fuel cell power plant at Hwaseong City, Gyeonggi Province.        

8. Steven McIntosh (2011) - Fuel Cell Technology.