BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

TIỂU LUẬN
ĐỀ TÀI : PIN NHIÊN LIỆU HIDROGEN ĐƠN GIẢN

Giảng viên hướng dẫn: HỒNG TRÍ
Sinh viên thực hiện:

HUỲNH HỮU TRANG

MSSV:

11243054

Lớp:

112430B

Khố:

2011 - 2015

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2012

1

HUỲNH HỮU TRANG

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành tốt bài tiểu luận này, tôi đã nhận được sự hỗ trợ từ rất nhiều người.
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy Hồng Trí, người đã dẫn dắt tơi
trong phần lớn thời gian học lý thuyết môn Năng lượng và Quản lý năng lượng. Những
bài giảng, những tài liệu hướng dẫn của thầy đã giúp cho tơi có một nền tảng kiến thức
vững chắc và tổ chức công việc một cách khoa học hơn.
Cám ơn thầy với những đóng góp thiết thực dành cho lớp. Các buổi dạy lý thuyết và
thuyết trình nhưng thầy đã đưa đến cho tối những góc nhìn và lập luận rất thực tế. Những
lời khun ngồi giờ học của thầy dành riêng cho nhóm đã giúp chúng em mạnh dạn hơn
trong việc chọn đề tài này.
Ngồi ra, tơi cũng cảm ơn đến các bạn trong lớp . Các bạn đã, đang và chuẩn bị
đóng góp những ý kiến giúp cho bài của tôi ngày càng hoàn thiện hơn.

HUỲNH HŨU TRANG

2

HUỲNH HỮU TRANG


TÓM TẮT TIỂU LUẬN
Khái niệm về pin nhiên liệu thực ra đã có từ lâu, nó là một thiết bị điện hố mà
trong đó biến đổi hố năng thành điện năng nhờ q trình oxy hố nhiên liệu, mà nhiên
liệu thường dùng ở đây là khí H2 và khí O2 hoặc khơng khí. Q trình biến đổi năng
lượng trong pin nhiên liệu ở đây là trực tiếp từ hoá năng sang điện năng theo phản ứng
H2 + O2 = H20 + dịng điện, nhờ có tác dụng của chất xúc tác, thường là các màng platin
nguyên chất hoặc hỗn hợp platin, hoặc các chất điện phân như kiềm, muối Cacbonat,
Oxit rắn ... thực chất nó là một loại pin điện hoá. Người ta phân loại các pin nhiên liệu

theo chất điện phân, điện cực và các chất xúc tác trong pin nhưng nguồn nguyên liệu vẫn
chỉ là H2 và O2/không khí. Trước đây người ta dùng khí H2 để biến đổi thành nhiệt năng
dưới dạng đốt cháy, sau đó từ nhiệt năng sẽ biến đổi thành cơ năng qua các tua bin khí và
các tua bin đó dẫn động các máy phát điện để biến đổi thành dòng điện, với biến đổi gián
tiếp như vậy thì hiệu suất của quá trình sẽ thấp. Từ đó ta dễ dàng so sánh quá trình biến
đổi trực tiếp trong pin nhiên liệu là có hiệu suất rất cao.
Cách đây hơn 30 năm, những dự án quan trọng nhất cho hình thành sự phát triển
nguồn năng lượng này trong tương lai là pin nhiên liệu được sử dụng làm nguồn điện
trong các thiết bị không gian nằm trong dự án Gemini, Apollo và Tàu con thoi của
NASA. Và bắt đầu từ những năm 80, nó được sử dụng trong các nhà máy điện có cơng
suất từ (20 kW đến 50 KW) và từ đó cho đến nay, đã có rất nhiều nhà máy điện sử dụng
năng lượng này ở các nước phát triển như Mỹ, Canada, Nhật Bản và một số nước chấu
Âu với công suất hàng trăm MW và tuổi thọ là hàng chục nghìn giờ làm việc. Ngồi ra
một trong những sự thu hút nhất của một loại pin nhiên liệu có tên "pin nhiên liệu dạng
màng trao đổi proton" đã được phát triển trong công nghiệp ô tô vận tải, là nguồn nguyên
liệu trong xe hơi, nó đang được phát triển trong các công ty ô tô hàng đầu thế giới như
General Motor, Ford (Mỹ), Daimler Benz (Đức), Renaul (Pháp), Toyota, Nissan,
Honda ... (Nhật bản), Hyundai (Hàn Quốc).... và tiềm năng của nó trong các ngành cơng
nghiệp phục vụ đời sống là rất to lớn.
Pin nhiên liệu sẽ có thể nắm giữ vai trò chủ đạo trong viễn cảnh nguồn năng lượng
của thế giới trong tương lai. Những đặc điểm ưu việt của nó như hiệu suất cao, ổn định
lớn, độ phát xạ thấp, không gây ồn, không gây ô nhiễm môi trường ..., sẽ bắt buộc pin
nhiên liệu sử dụng trong các nhà máy điện trong tương lai. Có thể nói Hydro sẽ trở thành
nguồn năng lượng của thế kỷ 21, mà như các nghiên cứu chỉ ra rằng, pin nhiên liệu có
một ưu thế khơng thể nghi ngờ hơn tất cả các thiết bị biến đổi năng lượng khác.
HUỲNH HỮU TRANG

MỤC LỤC
3


HUỲNH HỮU TRANG


I.

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 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 thơng qua cơ chế
phản ứng điện hóa. Điểm khác biệt nằm ở chỗ, pin nhiên liệu có thể tạo ra dịng 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 khơng 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. Các module pin nhiên liệu thường kết nối với nhau, song song hay trực tiếp để
tạo ra các thiết bị có mức cơng 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 dịng điện sạch, rất ít ô
4

HUỲNH HỮU TRANG



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 dịng 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 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 chúng sẽ kết hợp với các electron từ dòng điện và những ion
hydrogen vừa đi qua chất điện phân từ anode ,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 trị 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 q trình điện phân
nước:
Phản ứng trên anode:

2 H2 => 4 H+ + 4e

Phản ứng trên cathode:

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

________________________________________________
Tổng quát:


2 H2 + O2 => 2 H2O + năng lượng (điện)

Phản ứng hóa học tổng quát cho pin nhiên liệu cịn tương tự như phản ứng hóa học
mơ 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 q 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, q trình này khơng liên quan
đến sự chuyển hóa nhiệt thành cơ năng nên khơng phải là đối tượng của định luật
nhiệt động lực học giới hạn hiệu suất tối đa của các động cơ nhiệt thông thường
5

HUỲNH HỮU TRANG


(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
(H2N2)-Pin nhiên liệu là một thiết bị chuyển hóa nhiên liệu như khí hydro, rượu,
xăng, hay khí metan trực tiếp thành dịng điện.

II.

PIN NHIÊN LIỆU HYDROGEN

• Cách tạo pin hydrogen đơn gian
Pin nhiên liệu hydrogen tạo ra được dịng điện mà khơng gây ra bất kỳ sự ơ nhiễm nào, vì
sản phẩm phụ tạo ra là nước tinh khiết. Pin nhiên liệu hydrogen được sử dụng cho tàu du
hành vũ trụ và các ứng dụng kỹ thuật cao khác hay những nơi cần tránh sự ơ nhiễm, hay
nơi cần nguồn năng lượng có hiệu quả cao.


Chúng có thể tạo được một pin nhiên liệu chỉ với 10 phút trong nhà bếp và thấy được khí
hydro và khí oxy kết hợp với nhau như thế nào để tạo thành năng lượng điện sạch.

Để làm một pin nhiên liệu chúng ta cần:
6

HUỲNH HỮU TRANG


- Một dây Nickel phủ Platin, hay platin nguyên chất.
- Một que kem, một mảnh gỗ, hay một mảnh nhựa hình chữ nhật.
- Một đầu kẹp pin 9 vol.
- Một pin 9 vol.
- Một vài mảnh băng keo trong suốt
- Một ly thủy tinh.
- Một vol kế.
-Dây điện
Đầu tiên cắt dây platin thành hai dây nhỏ chiều dài khoảng 10 cm, xoắn 2 dây này thành
hai cuộn xoắn nhỏ để làm điện cực cho pin nhiên liệu.

Kế tiếp, Gọt bỏ phần nhựa bên ngồi ở đầu cịn lại của hai dây dẫn nối với đầu kẹp pin.
Nối hai đầu này vào hai cuộn platin. Hai dây điện khác được nối từ hai cuộn Platin ra và
đầu còn lại nối vào vol kế.

7

HUỲNH HỮU TRANG


Hai điện cực được dán dính cứng vào thanh gỗ. Cuối cùng thanh gỗ được đặt lên trên,

nằm ngang và được dán cứng vào ly nước, sao cho hai điện cực bị ngập trong nước gần
hết chiều dài của chúng. Dây điện nối với hai cuộn điện cực phải không được chạm mặt
nước, chỉ có phần mạ platin tiếp xúc với nước. Nối dây màu đỏ vào đầu cực dương của
vol kế, và dây màu đen nối với đầu âm của vol kế. Giá trị trên vol kế sẽ báo là zero, hay
trường hợp có thể giá trị dao động lên một chút như 0.01 V.

Quá trình làm pin nhiên liệu hoàn tất, Để vận hành pin nhiên liệu ta cần phải có những
bọt khí hydro bám vào một điện cực, và khí oxy bám vào một điện cực khác. Để làm
được như vậy một phương pháp rất đơn giản được tiến hành như sau. Chúng ta đặt hai
đầu cực của pin 9 vol vào đầu kẹp của chúng (không cần phải gắn cứng vào, do chỉ cần
cho tiếp xúc khoảng vài giây). Gắn Pin vào đầu kẹp thì nước tiếp xúc với các điện cực
platin bị phân ly thành khí hydro và khí oxy, q trình này gọi là điện phân. Có thể thấy
những bọt khí nhỏ được sinh ra ở các điện cực khi pin được gắn vào.

8

HUỲNH HỮU TRANG


Bây giờ gỡ bỏ pin ra. Nếu khơng có lớp phủ platin thì giá trị trên vol kế sẽ trở về zero, do
đã gỡ Pin ra. Nhưng ở đây khi gỡ Pin ra thì giá trị trên vol kế vẫn hiển trị, do Platin kim
loại như là chất xúc tác, cho phép hydrogen và oxygen kết hợp với nhau. Quá trình phản
ứng sẽ đảo ngược trở lại. Thay vì cung cấp điện để phân ly nước, thì bây giờ hydrogen và
oxygen kết hợp lại tạo thành dòng điện và nước

Chúng ta bắt đầu có giá trị hơn 2 vol của pin nhiên liệu. Những bọt khí hịa tan trong
nước được sử dụng để phản ứng. Điện thế của pin nhiên liệu ban đầu giảm nhanh và dần
dần giảm chậm lại sau thời gian khoảng 1 phút.

Giá trị thế nhỏ và giảm chậm là do những bọt khí cịn sót lại lở lửng trong nước tạo ra

điện. Quá trình trên chúng ta đã chuyển năng lượng điện 9 vol thành các bọt khí hydro và
9

HUỲNH HỮU TRANG


oxy. Đây là q trình nạp điện. Chúng ta có thể lấy các bọt khí hydro và oxy từ các nguồn
khác để có được dịng điện. Chúng ta có thể sản xuất khí hydro và oxy từ nguồn năng
lượng mặt trời vào ban ngày. Sau đó dự trữ chúng và sử dụng để tạo dòng điện vào ban
đêm. Chúng ta cũng có thể dự trữ khí hydro trong các bình khí nén trên xe hơi chạy
bằng năng lượng điện. Chúng ta có hai q trình: điện phân nước tạo khí hydro và khí
oxy, và kết hợp trở lại của hai khí này để tạo thành điện.
• Q trình điện phân nước
Điện cực nối với đầu âm của pin cung cấp electron. Điện cực âm sẽ cho 4 electron kết
hợp với 4 phân tử nước tạo thành 2 phân tử hydrogen và 4 ion OH-.

Những bọt khí hydro và ion âm OH- di chuyển ra khỏi điện cực và đi vào lòng chất lỏng.
Ở điện cực khác, điện cực nối với đầu dương của Pin, điện cực nhiễm điện dương và
thiếu electron, nên lấy electron từ phân tử nước, tạo ra ion dương H+ và phân tử khí oxy.
Bọt khí Oxy và ion H+ rời khỏi điện cực và di chuyển vào lòng chất lỏng.

10

HUỲNH HỮU TRANG


Proton ( ion H+) kết hợp với OH- tạo thành lại phân tử nước
• Q trình tạo dịng điện
Khi Pin được lấy ra, các phân tử Hydrogen dưới dạng các bọt khí tiến đến điện cực, vỡ ra
và xảy ra phản ứng với xúc tác Platin tạo ra H+ (proton) và các electron.


Ở điện cực còn lại, phân tử oxygen chứa trong các bọt khí tiến đến bề mặt điện cực, dưới
xúc tác Platin và Oxygen sẽ nhận electron đồng thời kết hợp với H+ trong nước ( mới
vừa được tạo thành) tạo thành phân tử nước.

11

HUỲNH HỮU TRANG


Điện cực oxygen sẽ mất 2 electron cho mỗi phân tử khí Oxy. Điện cực Hydrogen sẽ nhận
2 electron cho mỗi phân tử khí hydro. Electron ở điện cực hydrogen sẽ chạy sang điện
cực oxygen, và tạo thành dòng điện trên dây dẫn nối hai điện cực. Trên dây dẫn nối các
thiết bị tiêu thụ điện như đèn hay vol kế. Q trình tạo ra điện được tóm tắt với hình sau:

12

HUỲNH HỮU TRANG


III.

SẢN XUẤT HYDROGEN

Hydrogen là nguyên tố phổ biến nhất, cấu thành đến 90% vật chất của vũ trụ (75% theo
trọng 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 gia đình 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 trong 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.

13

HUỲNH HỮU TRANG


Có ba phương pháp cơ bản tạo ra hydro:
+ Phương pháp chuyển hóa hydrocarbon (nhiên liệu hóa thạch, sinh khối) bằng nhiệt
(Reforming)
+ Phương pháp điện phân nước (Electrolysis)
+ Phương pháp sinh học (Biological method)
III.1 Hóa nhiệt nhiên liệu hydrocarbon
III.1.1 Hóa nhiệt khí thiên nhiên với hơi nước (Natural gas steam reforming)
Q 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 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.
III.1.2 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. Thơng thường, nhiên liệu được
hóa nhiệt ở khoảng 14000C với oxygen hay khơng khí (oxygen hóa khơng hồn tồn), tạo
ra hỗn hợp gồm hydrogen, carbon mono oxide (CO) và vài sản phẩm 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 q trình hóa nhiệt khí thiên nhiên.
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
14

HUỲNH HỮU TRANG


cho q trình. Nhiên 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 thách cịn

tương đối dồi dào, nhất là đối với khí thiên nhiên. Hơn nữa, những cơng nghệ này
(phương pháp sản xuất hydrogen cơng nghiệp từ khí thiên nhiên nói riêng và nhiên liệu
hóa thạch nói chung) đã khá quen thuộc trong cơng nghiệp hóa chất, trong khi cơ sở hạ
tầng cho việc phát triển sản xuất hydrogen từ các nguồn khác cịn thiếu thốn. Vì vậy, một
khi nhiên liệu hóa thạch vẫn cịn rẻ thì phương pháp này vẫn có chi phí thấp nhất. Thêm
vào đó, để hạn chế mặt tiêu cực này của nhiên liệu hóa thạch, ta có thể dùng cơng nghệ
tách khí carbonic rồi thu hồi và chơn lấp chúng (Xem thêm Chương 13).
III.1.3 Quy trình hiện đại tạo ra hydrogen từ khí thiên nhiên mà khơng thải ra
CO2
Từ những năm 1980, Kvỉrner - một tập đồn dầu khí của Na Uy đã phát triển cơng nghệ
mang tên "Kværner Carbon Black and Hydrogen Process" (KCB&H). Nhà máy đầu tiên
dựa trên quy trình Kvỉrner hiện đại này đặt ở Canada và bắt đầu sản xuất vào tháng 6
năm 1999. Quy trình cung plasma - Kvỉrner 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
CO2.
Than đen tinh khiết này được dùng trong sản xuất vỏ xe hơi và dùng như chất khử trong
cơng nghiệp luyện kim. Nhờ một số tính chất đặc biệt mà chúng cịn có thể dùng để lưu
trữ hydrogen (ống carbonnano).
III.1.4 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 q trình khí hóa ở nhiệt độ cao có tạo ra hơi nước. Hơi nước chứa
hydrogen được ngưng tụ trong các dầu nhiệt phân và sau đó có thể được hóa nhiệt để sinh
ra hydrogen. Q trình này thường tạo ra sản lượng hydrogen khoảng từ 12%-17% trọng
lượng hydrogen của sinh khối. Nguyên liệu cho 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.
15

HUỲNH HỮU TRANG



III.2 Điện phân nước
Phương pháp này dùng dòng điện để tách nước thành khí hydrogen và oxygen. Q 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 OH- (15.3)
Phản ứng trên anode:

2 OH- => H2O + ½ O2 + 2e-

(15.4)

________________________________________________________
Tổng quát:

2 H2O + điện năng => 2 H2 + O2 (15.5)

Sau đây là một số các dạng điện phân phổ biến:
III.2.1 Điện phân thơng thường
Q trình tiến hành với chất điện phân là nước hay dung dịch kiềm. Hai phần ode và
cathode được tách riêng bởi màng ngăn ion (microporous) để tránh hịa lẫn hai khí sinh
ra.
III.2.2 Điện phân nước áp suất cao
Điện phân nước 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.
III.2.3 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, nhiệt độ 800-10000C vào quá trình, do đó có thể hạn chế bớt
lượng điện năng tiêu thụ. Nhiều 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.
III.2.4 Quang điện phân (photoelectrolysis)
Các panel mặt trời, 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 cũng có thể sử dụng các nguồn năng
16

HUỲNH HỮU TRANG


lượng tái tạo khác như năng lượng gió, thủy điện để điện phân nước tạo ra hydrogen. Như
thế việc sản xuất hydrogen sẽ là một q trình sạch (khơng khí thải), tái sinh và bền vững.

III.3 Phương pháp sinh học
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. Các sinh vật này thường sống trong nước, phân
tách nước thành khí hydrogenvà 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 chế này đã phát triển qua

17

HUỲNH HỮU TRANG



hàng triệu năm tiến hóa giúp tảo tồn tại trong mơi trường khơng 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 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 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 khuẩn (microfuel cell), tạo ra điện năng.

18

HUỲNH HỮU TRANG


IV.

Lưu chứa hydrogen

Với vai trò "chuyên chở" năng lượng (energy carrier) 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 cịn có thể lưu trữ được lâu dài.
Về cơ bản có ba phương thức lưu trữ hydrogen như sau:
(i) Lưu chứa hydrogen trong các bình khí nén áp suất cao.
(ii) Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng.
(iii) Lưu chứa hydrogen trong hợp chất khác (hấp thụ hóa học, hấp phụ trong hợp chất
khác như với các hyđrua kim loại hay ống carbon nano rỗng).
IV.1 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.
IV.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 khơng 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
19

HUỲNH HỮU TRANG


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.
IV.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: với NH3BH3, hydrogen được giải phóng nhờ nhiệt ở 1003000C; hay hydrogen có thể được giải phóng qua q trình thủy phân (tác dụng với nước)
của các hydride như LiH, LiBH4, NaBH4... Với phương pháp này, ta có thể điều chỉnh
được lượng hydrogen sinh ra theo nhu cầu.

IV.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.
Cơng 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
khơng 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.

20

HUỲNH HỮU TRANG


Lưu trữ hydrogen bằng các hyđrua kim loại hiện nay đang được ứng dụng nhiều trong
các tàu ngầm.
IV.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
cơng 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 cơng 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.
Ngồi ra, cịn 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.

21

HUỲNH HỮU TRANG


IV.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 tồn. 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 tồn, tinh khiết và có thể chứa được hydrogen ở áp suất
thấp, vì thế gia tăng giới hạn an toàn.

22

HUỲNH HỮU TRANG


V.

Vấn đề an tồn

Hydrogen là khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị và rất hoạt động. Khi hydrogen cháy
nó mang mối nguy hiểm tiềm ẩn bởi ngọn lửa của nó khơng thể nhận thấy bằng mắt
thường. Do đó nó có thể lan đi mà người ta không thể nhận biết để cảnh báo. Tuy nhiên,
trong chừng mực nào đó, hydrogen cháy an tồn hơn các nhiên liệu hóa thạch thơng
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 tốn
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 khơng 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 khơng lan đi, chỉ có những vật trực tiếp bị đốt dưới ngọn
lửa đó mới bị cháy nặng. Những 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 đi đáng kể. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng trong vấn đề cứu hỏa.

23


HUỲNH HỮU TRANG


Tỉ trọng thấp và khả năng khuếch tán nhanh cho phép hydrogen thốt nhanh vào khí
quyển nếu như có sự rị 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%, hydrogen cho thấy mức
rủi ro cháy nổ thấp hơn đáng kể.
Hydrogen khơng độc và khơng ăn mịn. Xăng và dầu rất độc với con người và sinh vật
nếu như vơ tình chúng bị rị rỉ ra mơi trường bên ngồi. Trong khi đó, nếu hydrogen bị
thốt ra, chúng sẽ bay hơi gần như hoàn toàn và chỉ để lại nước đằng sau.

24

HUỲNH HỮU TRANG


VI.

Ứng dụng nhiên liệu hydrogen

Chúng ta đã khá quen thuộc với hình ảnh hydrogen như là nguyên liệu cho nhiều ngành
cơng nghiệp hóa học: chế tạo ammonia, methanol, lọc dầu, phân bón, luyện kim, mỹ
phẩm, chất bán dẫn v.v. Thế nhưng, khơng chỉ có vậy, hydrogen cịn 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 khơng phát thải khí ơ 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 vơ 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.

25

HUỲNH HỮU TRANG