|
|
| |
|
|
Hửu dụng của Fuel Cell “By
shifting to a hydrogen economy, we will solve a long list of problems resulting
from the oil economy while creating a cleaner and more productive society.” Mike Adams: “The ten most
important emerging technologies for Humanity” http://www.truthpublishing.com ************** Trong phần nầy, chúng ta sẽ đi sâu vào kỹ thuật và những
trở ngại trước mắt của nền công kỹ nghệ fuel cell. Như chúng ta đã biết, fuell
cell là một thiết bị điện khí hóa
(electrochemical energy conversion device), chuyển năng lượng tạo ra từ phản ứng
hóa học thành điện năng. Fuel cell hoán chuyển sự hổn hộp của hydrogen và
oxygen thành nước, trong quá trình đó, tạo ra điện và hơi nóng. Loại thiết bị điện khí hóa thông dụng nhất mà chúng ta xữ
dụng hàng ngày là pin (battery). Hóa chất tích trữ trong pin chuyển đổi năng lượng
thành điện, nhưng rồi hóa chất sẽ hết dần làm cho pin bị phế thảy. Với fuel
cell, hydrogen được cung cấp liên tục từ nguồn tài nguyên thiên nhiên, không
bao giờ cạn. Trong tương lai, fuel cell sẽ có khả năng thay thế nền công kỹ nghệ
năng lượng như, máy phát điện, máy tur-bin, động cơ dầu xăng trong xe, điện cho
máy vi tính cầm tay, điện thoại di động, và những máy điện tữ cầm tay. Động cơ
tur-bin hay dầu xăng sử dụng sức ép tạo ra bởi khí nóng khi đốt cháy, hơi nóng
dãn nỡ ra tạo thành sức ép, từ sức ép này tạo điều kiện cho động cơ làm việc.
Pin chuyển năng lượng hóa học thành năng
lượng điện. Fuel cell có khả ngăn làm cả hai nhiệm vụ trên rất hiệu quả, vừa tạo
năng lượng điện, vừa tạo sức nóng cho động cơ làm việc. Fuel cell cung cấp dòng điện một chiều (direct current,
DC) có thể dùng cho mô tơ, đèn điện, hay bất cứ các thiết bị gia dụng. Nếu cần,
dòng điện DC có thể được chuyển sang hai chiều (alternate current, AC) qua máy
chuyển điện (inverter). Có nhiều loại fuel cell khác nhau, được phân loại qua
cách sử dụng chất hóa học, cách sử dụng chất phân điện (electrolyte). Có loại
fuel cell chỉ có thể sử dụng cho máy phát điện cố định (stationary), có loại có
thể xài cho di động (portable) như xe, hay máy vi tính cầm tay. Fuel cell trao đổi proton (PEMFC, proton exchange
membrane fuel cell) là một kỹ thuật fuel cell đầy hứa hẹn nhất. Loại fuel cell
nầy sẽ được sữ dụng chạy xe ô tô, xe buýt, và thậm chí có thể cung cấp điện, hơi
sưỡi và nước nóng cho căn nhà của các bạn. ********* Chúng ta hãy nhìn xem fuel
cell làm việc như thế nào: Trao Đổi Proton, PEMFC (Proton Exchange Membrane
Fuel Cell): Còn được gọi là PEM Fuel cell. Chúng ta sẽ đi sâu vào loại này hơn
vì hiện nay nó rất thông dụng trong kỹ nghệ fuel cell. Tôi có cái may mắn được
làm với loại này nhiều hơn,do đó tôi biết PEM fuel cell nhiều hơn những loại
khác. Fuel Cell trao đổi hạt nhân (proton) sử dụng một trong những
phản ứng đơn giản nhất của bất kỳ loại fuel cell nào. Trước hết, để có một cái
nhìn tổng quát những bộ phận chính của fuel cell: ·
Cực dương, có vài công việc chính: hướng dẩn những điện tử tách ra
từ phân tử hydro để được sử dụng cho mạch điện bên ngoài. Nó có những đường gạch
rất nhỏ, rất đều đặng để khí hydrogen được phân hóa đều trên mặt bằng khi gặp
chất xúc tác (catalyst). ·
Cực âm, trên mặt cũng có những đường gạch như cực dương, có bổn phận
hướng dẩn khí oxy tới mặt của chất xúc tác. Đồng thời nó cũng hướng dẩn những điện
tử sau khi phản ứng từ mạch điện ngoài, nhập lại với ion hydro và oxy tạo ra nước
tinh khiết. ·
MEA, Membrane Exchane Agent, hay tạm dịch là mạng tác nhân hóa học:
là một vật liệu rất quan trọng cho quá trình phản ứng hóa học trong fuel cell,
nhìn giống như miếng plastic gói thức ăn trong bếp, nhưng đặc biệt là có khả năng
nạp ions và ngăn chặn điện tử (electrons). ·
Chất xúc tác (catalyst): một chất hóa học đặc biệt làm cho phản ứng
của oxy và hydro xãy ra dể dàng hơn. Đặc biệt của nó là làm thay đổi trạng thái
hóa học của hydrogen và oxygen nhưng không bao giờ tự thay đổi. Chất nầy rất mắc
tiền, làm bằng bột bạch kim (platinum), phủ rất mõng lên giấy than, hoặc vãi
than, rất nhám và rỗ với những lỗ rất nhỏ. Mặt nhám tiếp xúc với khí hydro và
oxy, mặt phẵng mềm tiếp xúc với mạng tác nhân hóa học. Quy trình sản xuất của PEM
fuel cell: ·
Hydrogen (H2) được đẩy vào cực dương, xuyên qua chất xúc tác bởi sức
ép, H2 phân ra thành hai H+, ions và hai điện tử (electron,E-). Điện tử (E-) được
dẩn qua cực dương, xuyên qua mạch điện ngoài tạo ra dòng diện và trở lại cực âm
của fuel cell. ·
Cùng một lúc, oxygen (O) vào cực âm bằng sức ép xuyên qua chất xúc
tác tạo ra hai oxygen nguyên tử (atoms). Mỗi một nguyên tử có sức mạnh thu hút
hai H+ ions xuyên qua mạng tác nhân, kết hợp nhau thành một phân tử nước (H2O). ·
Trong quá trình tái tạo phân tử nước sinh ra nhiệt và dòng điện
khoảng 0.7V. Để đưa dòng điện đến mức hữu dụng, nhiều fuel cells được kết hợp với
nhau thành một chùm fuel cells (Stack). PEM Fuel Cell hoạt động với nhiệt độ rất thấp so với những
loại fuel cell khác (khoảng 176° F, hay 80° C), cho nên PEM Fuel Cell hâm nóng
(warm-up) rất nhanh chóng và không đòi hỏi nhiều cấu trúc mắc tiền. Với những
cãi tiến liên tục trong kỹ thuật và chế tạo nguyên liệu, fuel cell đã tiến bộ rất
nhiều so với những năm đầu khi còn sơ khai.
Những khó khăn của PEM Fuel Cell: Chúng ta đã thấy fuel cell
dùng oxygen và hydrogen để tạo ra dòng điện. Oxygen thì rất dể, lấy từ không
khí chúng ta đang thở, bơm vào cực âm. Hydrogen thì không hẳn dể dàng như thế,
không có sẳn mà phải qua một quá trình tái tạo (reformer). Hydrogen có cái hạn
chế riêng làm cho nó không được hũu dụng lắm, chẳng hạn như không có ống dẩn
hydrogen đến nhà bạn, hay chúng ta không thể ngừng bất cứ trạm bơm nào dọc theo
đường để lấy thêm nhiên liệu như trạm bơm xăng. Đây cũng là một cơ hội rất tốt
cho các nhà sãn xuất, hãng Honda sẽ tung ra những trạm bơm hydrogen trong tương
lai rất gần. Ngoài ra, hydrogen rất khó dự trữ và phân phối vì tính thể
của nó, vì vậy, tiện lợi nhất nếu fuel cell sữ dụng nguồn tài nguyên có sẳn.
Cái trở ngại này được giải quyết bằng quá trình tái tạo (reformer), biến đổi
hydrocarbon (có rất nhiều trong dầu hỏa) hay rượu cồn thành hydrogen. Nhưng quá
trình tái tạo này không được hoàn hảo lắm, tạo ra nhiều nhiệt và những hơi khí
khác, làm cho hydrogen không được tinh khiết lắm, ha thấp hiệu quả của fuel
cell.
Có một vài nhiên liệu đầy hứa hẹn hơn là khí tự nhiên
(Natural Gas), dầu khí (Propane), và methanol. Nhiều người đã có đường ống dẫn
khí tự nhiên đến nhà, hay bình chứa dầu khí tại nhà họ. Cho nên những nguồn
nhiên liệu nầy đã có sẳn cho fuel cell. Methanol cũng là một loại nhiên liệu được
phân phối trong thể lỏng (liquid), rất dể dàng cho việc chuyên chở và phân phối. ********* Những ứng dụng của Fuel Cell: Giảm bớt ô nhiễm môi trường là một trong những mục tiêu
chính của fuel cell. Nếu so sánh xe fuel cell, xe dầu xăng, xe chạy pin điện,
chúng ta sẽ thấy được thế nào fuel cell sẽ cải thiện kỹ nghệ xe, giãm ô nhiễm môi
trường chúng ta đang sống hôm nay. Tất cả ba loại xe kể trên đều có nhiều bộ phận giống nhau
như: lốp xe, xườn xe, thắng … chúng ta sẽ không bàn đến những bộ phận đó mà tập
trung vào động cơ phát sinh sự chuyển động của xe. Chúng ta bắt đầu với xe fuel
cell. Xe Fuel Cell: “Fuel
cell vehicles hold the promise to clean up our cities, halt the chronic disease
caused by air pollution, slow global warming and once again make personal
transportation an enjoyment rather than a burden on society.” Mike Adams: “The ten most important
emerging technologies for Humanity” Nếu fuel cell được cung cấp với hydrogen tinh khiết thì năng
xuất có thể đạt đến khoảng 80%. Hơn phân nữa của 80% năng lượng nầy phải cung cấp
cho bộ phận tái tạo từ những nhiên liệu thường sang hydrogen. Như vậy toàn bộ
fuel cell chỉ đạt đến khoảng 30%-40% năng xuất. Từ năng xuất đó, chúng ta còn phải chuyển điện năng qua hệ
thống biến điện sang mô tơ và những bộ phận trang bị cơ khí cần thiết làm cho
xe di chuyển. Những mô tơ và hệ thống biến điện này chỉ có khoảng 80% năng xuất,
từ 80% của 30%-40% thì còn lại chỉ có 24%-32%
năng xuất toàn bộ hệ thống của chiếc xe. Xe chạy xăng-dầu: Chắc các bạn sẽ rất ngạc nhiên khi biết rằng xe chạy bằng
xăng-dầu có hiệu quả rất thấp. Tất cả nhiệt phát ra từ động cơ xăng-dầu đi qua
bộ tản nhiệt (radiator) làm những năng lượng phát ra bị lãng phí quá nhiều.
Ngoài ra, động cơ xăng-dầu còn phải sử dụng rất nhiều năng lượng để chạy những
máy quạt, máy bơm nước, máy phát điện, máy bơm nhớt, v.v… Cho nên năng xuất tổng
quát của toàn hệ thống xe xăng-dầu chỉ đạt đến khoảng trên dưới 20%. Năng xuất của 20% đó xuất phát từ động
cơ xăng chuyển sang cơ khí cho xe di chuyển. Xe Pin Điện: Loại xe nầy có hiệu quả khá cao, nguồn điện trong pin có
hiệu quả khoảng 90% ( đa số pin điện xuất phát ra từ nhiệt hoặc cần phải có nhiệt,
khi xài pin nhiều quá, pin sẽ nóng). Mô tơ điện và máy đổi điện với năng xuất
80%, cho chúng ta toàn bộ năng xuất khoảng 72%. Nhưng chưa hết, từ đâu chúng ta có điện cho xe? Nếu nó được
sản xuất từ nhà máy dùng động cơ nổ, đốt cháy nhiên liệu. (trừ trường hợp năng
lượng từ hạt nhân nguyên tử , thủy điện, mặt trời, gió) thì chỉ có khoản 40%
nhiên liệu được đổi sang điện năng. Nạp điện vô xe đòi hỏi máy đổi điện từ AC
sang DC, quá trình nầy có năng xuất khoảng 90%. Nếu chúng ta nhìn vào toàn bộ chu kỳ, 72% cho xe, 40% cho
nhà máy sản xuất điện, 90% cho quá trình nạp điện vào xe, tổng kết lại nó chỉ
cho chúng ta khoảng 26% năng xuất.
Toàn bộ năng xuất này thay đổi tùy theo từng loại máy sản xuất điện. Nếu nó xuất
phát từ thủy điện thì xem như không tốn bất cứ nhiên liệu nào, như vậy sẽ đưa năng
xuất toàn bộ của chiếc xe lên đến khoảng 65%. Theo thống kê của Bộ Năng Lượng Hoa Kỳ (Department of
Energy) cho biết trong năm 2005: ·
50% điện sản xuất từ than đá (phần nhiều tại Trung Quốc và Ấn Độ) ·
20% từ nguyên tử (Nuclear) ·
18% từ khí thiên nhiên ·
6.5% từ thủy điện ·
3% từ dầu hỏa ·
2.3% từ sức gió, ánh sáng mặt trời, hydrogen, ·
0.2% từ những nhiên liệu khác.
Ngạc nhiên lắm phải không? Chắc các bạn ngạc nhiên lắm phải không? Bởi ba loại xe vừa
kể trên đều có năng xuất hầu như rất tương đương với nhau. Những dẩn chứng như
trên cho chúng ta thấy sự quan trọng khi phán xét toàn bộ chu kỳ sản xuất thay
vì chỉ nhìn vào chiếc xe mà thôi. Thậm chí, chúng ta có thể đi sâu hơn vào hệ
thống hoạt động toàn bộ (the whole system) và đánh nhiều dấu hỏi trong quá
trình sản xuất xăng-dầu, methanol, và than đá. Tuy nhiên, năng xuất không hẳn là sự nhận xét duy nhất,
chúng ta không mua chiếc xe tại vì nó có hiệu năng cao mà có rất nhiều lý do
khác: 1.
Xe có chạy mạnh không? (Power) 2.
Có dể dàng bơm nhiên liệu không? (Re-Fuel) 3.
Có đi xa mà ít tốn nhiên liệu? (Fuel efficiency) 4.
Có chạy nhanh hơn xe khác không? (Fast) 5.
Có làm ô nhiểm môi trường niều không? (Pollution) Tôi nghĩ rất có
ít người nghĩ đến điều này khi mua xe. Danh sách kể trên có thể dài thêm nữa nếu chúng ta cứ tiếp
tục, nhưng cuối cùng rồi thì kỹ thuật sẽ vượt qua trở ngại, sẽ giải quyết thỏa đáng
giữa năng xuất và thực tế. ********* Những loại Fuel Cell khác: Có vài loại fuel cell khác
đang được phát triển và cũng có nhiều hứa hẹn cho những công kỹ nghệ to lớn: Alkaline Fuel Cell
(AFC): Đây là loại fuel cell sử dụng chất kiềm, loại thiết bị cũ
nhất trong fuel cells, được sử dụng trong chương trình Không Gian Hoa Kỳ (NASA)
vào thập niên 1960. Năng xuất của AFC sẽ bị ảnh hưởng rất nhiều nếu ô nhiểm, do
đó, nó cần phải có hydrogen và oxygen tinh khiết. Ngoài ra, thiết kế loại fuel
cell nầy rất tốn kém cho nên không thể nào tung ra thị trường cạnh tranh với
các loại fuel cell khác. Phosphoric-acid
Fuel Cell (PAFC): Loại fuel cell nầy dùng axit phosphoric, có rất nhiều hứa
hẹn sẽ thành công trong thị trường nhỏ như máy phát điện tư nhân. Loại nầy chỉ
hoạt động với nhiệt độ cao hơn PEMFC cho nên phải tốn nhiều thời gian hâm nóng.
Cũng vì vậy nó sử dụng nhiều nhiên liệu hơn và không thể đưa vào thị trường xe
ô tô. Solid Oxide Fuel
Cell (SOFC): Loại fuel cell nầy rất thích hợp cho những công nghệ lớn,
như nhà máy phát điện. SOFC hoạt động với nhiệt độ rất cao, khoảng 1.832° F hay
1.000° C. Cũng vì nhiệt độ cao nầy mà nó không được an toàn cho lắm, nhưng lại
có lợi thế là có thể sử dụng hơi nước với sức ép cao (steam) nạp vào turbin sản
xuất thêm điện năng. Nhờ vậy mà năng xuất của nó tương đối cao, cũng vì lý do
an toàn mà không thể đưa vào thị trường cho công chúng. Molten Carbonate
Fuel Cell (MCFC): Loại fuel cell nầy cũng giống như SOFC, chỉ hoạt dộng với
nhiệt độ cao, 1.112° F hay 600° C. Thích hợp cho công nghệ lớn như nhà máy phát
điện, sử dụng hơi nước để chạy turbin. Với tầm hoạt động trong nhiệt độ tương đối
thấp, cũng có nghĩa là sử dụng ít chất liệu hóa học khác lạ (exotic), và giá
thiết kế thấp hơn SOFC. ********* Chúng ta đã bàn luận
về những loại fuel cell đang được sử dụng trên thị trường hiện nay. Mổi loại đều
có cái một vài trở ngại và thách thức của riêng nó, cho nên chúng ta hãy nhìn
vào từng cách sử dụng mà đánh giá tầm quan trọng của từng lãnh vực sử dụng: Công Nghệ Xe (Automobiles): Xe fuel cell sẽ bắt dầu thay thế xe chạy xăng dầu trong tương
lai rất gần. Xe fuel cell rất tương tự như xe chạy pin điện, nhưng chỉ khác
nhau ở phần nhiên liệu và bộ phận tái tạo thay vì pin. Hầu như trong tương lai,
chúng ta sẽ bơm nhiên liệu cho xe với methanol. Hiện nay cũng đã có nhiều công
ty dầu đang nghiên cứu loại xăng-dầu chế biến lại theo công thức mới (gasoline
reformers). Một vài công ty tại Bắc Mỹ Châu đang nghiên cứu hũy bỏ hẳn xang-dầu,
thay thế bằng những bình chứa hydrogen.
Xe Honda Fuel Cell và trạm bơm hydrogen, sản xuất với sự cộng tác
giữa Honda Motor và Plug Power. Năng lượng di động (Portable Power): Trong những năm gần đây, khi chúng ta nói đến di động, cũng
có nghĩa là máy vi tính cầm tay, điện thoại cầm tay, máy ảnh, máy quay phim,
ngay cả máy thiết bị trợ giúp người điếc nghe (hearing aid). Với tầm hoạt dộng
nầy, fuell cell sẽ giúp người sử dụng có dài thời gian hơn sau mỗi lần bơm
nhiên liệu. Theo NanoMarkets tiên đoán, thị trường fuel cell di động sẽ tăng đến
2.6 tĩ USD vào năm 2012. Hiện nay, hai công ty lớn NEC và Samsung đang nghiên cứu
Nano Fuel Cell cho những máy điện tử nhỏ. Thậm chí hiện nay, Manhattan
Scientifics, Inc. đã chế ra chiếc xe hai bánh chạy bằng fuel cell tạm gọi là
hydrocycle.
NEC Fuel Cell Laptops Xe buýt (Buses): Xe buýt chạy bằng fuel cell đã được sử dụng trên nhiền
thành phố Bắc Mỹ Châu. Đây là một trong những ứng dụng đầu tiên của fuel cell,
cần có một chùm fuel cell (stack) rất to mới đũ sức chạy chiếc buýt khổng lồ,
nhưng rất thành công. Trên chiếc buýt đầu tiên, khoảng một nữa diện tích của nó
chỉ dành cho fuel cell và những dụng cụ cần thiết để cho xe hoat động. Nhờ sự
phát triển của khoa học và kỹ thuật, hiện nay, chiếc xe buýt chỉ trang bị với
cái fuel cell nhỏ hơn ¼ của chiếc đầu tiên mà lại có sức mạnh hơn 20%.
Đây là chiếc xe buýt chạy bằng fuel cell ra mắt đầu tiên tại thành phố Máy Phát Điện Tư Gia: Máy phát điện cho nhà riêng đã bắt đầu được ứng dụng
trong nhiều vùng, do sự hợp tác của hai hãng Honda và Plug Power chế tạo. Thiết
bị này chỉ sử dụng khí thiên nhiên (natural gas) hay propane, dùng hệ thống tái
tạo nhiên liệu đổi thành hydrogen cho xe, nước, hơi sưởi nóng, và điện có thể
cung cấp đến 7Kw, rất đầy đũ cho một căn tư gia trung bình mà không phải có sự
phụ trợ thêm của bất cứ năng lượng nào.
Hệ thống phát điện cho nhà riêng, có khả năng cung cấp: điện, nước, hơi nóng sưởi nhà, và hydrogen cho xe. Công Nghệ Sản Xuất Điện: Một vài loại fuel cell như SOFC, MCFC có khả năng thay thế
những nhà máy phát điện chạy bằng chất đốt như xăng-dầu, than đá đã quá cũ kỹ.
Những fuel cell to lớn có thể sản xuất hiệu quả cao hơn những bộ máy đã lỗi thời
vẩn còn hoạt động hiện giờ. Nền kỹ thuật của fuel cell phát triển rất nhanh, sẽ
đem điều kiện ưu đãi cho nền công nghệ này, sản xuất điện thẳng từ hydrogen. Đồng
thời, sử dụng sức ép của hơi nước từ fuel cell cho chạy turbin, tăng thêm năng
xuất cho toàn hệ thống fuel cell. Hiện
nay đã có rất nhiều máy phát điện to lớn chạy bằng hydrogen fuel cell cung cấp điện
cho Bệnh Viện, Nhà Máy Công Nghệ.
Máy phát điện của GM dùng cho hãng sản xuất hóa học DOW tại thành phố Tóm lại, hydrogen fuel cell trong tương lai sẽ thành công
rất lớn. Nguồn tài nguyên thiên nhiên như dầu hỏa hay than đá đang được khai
thác tối đa, nhưng rồi cũng sẽ cạn. Chuyển sang nền kinh tế hydrogen sẽ giúp
nhân loại giải quyết một danh sách rất dài của những vấn đề ô nhiểm môi trường
tạo ra bởi nền kinh tế dầu hỏa. Với mục đích chánh là giảm ô nhiểm môi trường,
fuel cell có khả năng cho con cháu chúng ta một bầu trời tươi sáng, một hơi thở
trong lành. Jan. 2006. Trần Công Bá Master of Science,
Engineering Management. Plug Power, Inc. Nếu muốn in lại hay tái bản,
xin liên lạc: | |
|
