Điện tế bào nhiên liệu

Theo dõi  tiến bộ  và cập nhật hiểu biết về điện sạch :

              Điện tế bào nhiên liệu đang cố gắng làm ra điện rẽ tiền hơn

                                       G S Tôn Thất Trình

            

      Năm 2003, tổng thống George Bush đề nghị Sáng kiến Nhiên liệu Hydrogen - hydrogen Fuel Initiative HDI, sau đó thực thi  theo luật pháp qua Luật Chánh sách Năng lượng 2005 Energy Policy Act và  Sáng Kiến Tiến tiến Năng lượng - Advanced Energy Initiative  .  Nhắm phát triễn xa hơn nữa  các tế bào nhiên liệu hydrogen - fuel cells và các kỷ thuật hạ tầng cơ sở  liên hệ, mục đích cuối cùng  là sản xuất xe ô tô tế bào nhiên liệu  năm 2002. Năm 2008, Hoa Kỳ đã đóng góp 1 tỉ đô la Mỹ vào dự án công nghệ  điện này.  Nhưng tháng năm 2009,  chánh quyền Obama   tuyên bố là sẽ “ cúp hết ngân khoản tài trợ”  phát triễn xe ô tô   chạy nhiên liệu tế bào hydrogen, vì lẽ những kỷ thuật  xe ô tô khác sẽ đem tới  giảm bớt mau lẹ hơn phát thải, trong một thời gian ngắn hơn. Bộ trưởng Năng Lượng Hoa Kỳ - DOE  giải thích  là những ô tô chạy hydrogen “ sẽ không thực tế  trong vòng 10 đến 20 năm tới” , và cũng lưu ý tới  những thách thức liên quan đến  việc phát triễn hạ tầng cơ sở  phân phối  nhiên liệu hydrogen.  Tuy nhiên,  chánh phủ Hoa Kỳ vẫn sẽ tiếp tục  tài trợ  khảo cứu  cho các tế bào nhiên liệu cố định, đứng yên một chỗ - stationary fuel cells .  Hội Quốc gia Hydrogen Hoa Kỳ  và Ủy Ban Tế bào Nhiên liệu Hoa Kỳ  chỉ trích mạnh mẽ quyết định này  biện cứ rằng  “ cắt   chương trình hydrogen và tế bào nhiên liệu ở đền nghị của DOE  đe dọa  làm gián đoạn  thương mãi hóa một loạt - một gia đình những kỷ thuật  đang cho thấy nhiều hứa hẹn khác thường  và đang sửa soạn  chiếm đọat  thị trường.

         Cho đến nay có khoảng 60 nhà máy điện  đứng yên một chỗ ( cố định )- stationary power plants  sử dụng tế  bào nhiên liệu trực tiếp DFC - Direct Fuel Cell của hảng FuelCell Energy , tọa lạc tại thành phố  Danbury, bang Connecticut , Đông Bắc Hoa Kỳ, cung cấp tổng cọng  hơn 180 triệu kilowatt- giờ  điện cho khách hàng trong 5 quốc gia trên thế giới ( Hàn Quốc- Nam Hàn , Singapore …). Ngày 21  tháng giêng 2011,  hảng Bloom Energy ,  tọa lạc tại Vùng Vịnh - Bay Area  San Francisco, Bắc Ca Li, cho biết  đã bán ra khắp thế giới năm 2009,  22 000 tế bào nhiên liệu , tăng 40%  so với năm 2008. Trong quá khứ,   tế bào nhiên liệu được xem là đắt tiền và khó sản xuất. Nhưng nhờ những chọc thủng ,đột khởi- breakthroughs, trợ cấp của chánh phủ ( gần đây DOE  để  dành riêng 65 triệu đô la Mỹ trợ cấp cho khảo cứu và phát triễn tế bào nhiên liệu ), giá cả thấp dần nhờ chấp thuận dùng tế bào nhiên liệu  tăng thêm,  nên các công ty chế tạo tế bào nhiên liệu tuồng như thảy đều muốn nới rộng ra.

             

                Vậy chớ tế bào nhiên liệu là cái gì đây ?

             

               Tế bào nhiên liệu  là một tế bào  điện hóa học - electrochemical cell , chuyễn hóa một nguồn nhiên liệu thành một dòng điện.  Nó phát điện bên trong một tế bào xuyên qua những phản ứng giữa một nhiên liệu và một oxyhóa - oxidant , khởi động  trước hiện diện của một điện giải - electrolyte .  Các chất phản ứng - reactants  chảy vào tế bào, và các sản phẩm phản ứng  chảy ra ngoài tế bào , trong khi chất điện giải vẫn tồn tại trong tế bào. Các tế bào nhiên liệu có thể hoạt động liên tục , mỗi  khi dòng chảy chất phản ứng cần thiết và  chất oxy- hóa  được duy trì.   Các tế bào nhiên liệu  khác với  các bình điện - batteries  tế bào điện hóa học  qui ước là vì  chúng  tiêu thụ  chất phản ứng từ một nguồn ngoại,  phải được  tái cung cấp , nghĩa là một hệ thống mở   nhiệt động lực - thermodynamically . Trái lại , bình điện tồn trữ  năng lượng điện dưới hình thức hóa học và như thế  biểu hiện một hệ thống  nhiệt động lực đóng kín .

                     Có thể có rất nhiều phối hợp  giữa  các nhiên liệu và các  oxy- hóa.  Một tế bào nhiên liệu  hydrogen sử dụng hydrogen  làm nhiên liệu và oxygen ( thường từ không khí ) làm chất oxy-hóa. Nhiên liệu khác gồm  cả hydrocarbons và alcohol .  Các chất oxy-hóa gồm luôn cả chlorine nà chlorine dioxides .

            

         Họa kiểu tế bào nhiên liệu

      Tế bào nhiên liệu đến chúng ta dưới nhiều dạng.  Tuy nhiên  chúng đều  hoạt động theo một phương cách như nhau.  Chúng gồm ba mảnh kẹp chung nhau : cực dương - anode, chất điện giải - electrolyte, cực âm - cathode.  Hai phản ứng xảy ra  ở  những bề mặt chung - interfaces   của ba mảnh khác nhau.  Thành quả thực - net của 2 phản ứng  là nhiên liệu sẽ được tiêu thụ , tạo ra nước và carbon dioxide, và một dòng điện, có thể  dùng để chạy các linh kiện điện , thường gọi chung là  chất tải - the load .

     Ở cực dương , một  chất điện giải oxy hóa nhiên liệu , thường là hydrogen,   bie6’n nhiên liệu thành môt ion điện tính dương và một electron  điện tính âm.  Chất điện giải là  một chất liệu  được họa kiểu đặc thù  để các ions có thể xuyên qua nó, nhưng lại không để cho các electrons lọt ra. Các electron được tự do sẽ  du hành qua mọt dây để tạo ra dòng điện.  Các ions du hành qua chất điện giải đến cực âm. Khi chúng đến cực âm ,  các ions dương  tái thống nhất với các electrons và cả hai phản ứng với  một hóa chất thứ ba , thường là oxygen, để tạo ra nước và carbon dioxide.  

       Những đặc điểm  quan trọng nhất  của một tế bào nhiên liệu là :

-          Chất liệu điện giải - the electrolyte substance. Chất này thường giúp  định nghĩa loại - type  tế bào nhiên liệu.

-          Nhiên liệu tiêu xài.  Nhiên liệu thông thường nhất là hydrogen.

-           Chất điện giải cực dương , sẽ làm  tan vỡ nhiên liệu  thành electrons và ions .   Cực dương thường là bột  bạch kim tán rất nhỏ.

-          Chất điện giải cực âm biến các ions  thành những hóa chất  tỉ như nước và  carbon dioxide .  Chất phân giải  cực âm  thường làm bằng nickel .

  Một  tế bào nhiên liệu điển hình  sản xuất ra một điện thế từ 0.6 V dến 0.7 V ở chất tải tỉ lệ toàn phần - full rate load.  Điện thế - voltage sẽ giảm khi  dòng điện tăng , vì nhiều thừa tố sau đây :   mất mát vì hoạt hóa - activation , mất ohm ( ic ), điện thế giảm vì   sức kháng của các thành phần tế bào và các nối kết nhau, mất mát vì chuyên chở khối lượng ( các chất phản ứng  mất hết đi  ở những vị trí điện giải khi chất tải quá cao, gây ra  mất điện thế mau lẹ )

      Muốn cung cấp một số lượng năng lượng mong muốn, các tế bào nhiên liệu có thể phối hợp nhau  thành mạch vòng song song hay nối tiếp nhau - en series.  Lắp nối tiếp nhau sẽ cho điện thế cao hơn ; còn lắp song song  giúp cung cấp dòng điện lớn hơn. Vùng diện tích ( mặt bằng ) có thể tăng thêm,  giúp có được dòng diện mạnh hơn từ mỗi tế bào nhiên liệu.               

                 Năm 1938,  nhà khoa học Đức Christian Friedrich  khám phá ra nguyên tắc tế bào nhiên liệu  tế bào nhiên liệu Nhà khoa học  xứ Welsh - Wales, Vương Quốc Anh William Robert Grove   chế tạo lần đâu tiên tế bào nhiên liệu,   năm  1842,  sử dụng những vật liệu  tế bào nhiên liệu  acid phosphoric hiện nay . Năm 1955, một nhà khoa học , Tổ hợp Công ty General Electric - Company Loeonard Niedrach,  họa kiểu một phương cách làm lắng đọng bạch kim  vào một mành  chắn - membrane  sử dụng làm chất điện giải  cho các phản ứng oxyhóa oxygen và khử oxygen cần thiết . .dược gọi là “ tế bào nhiên liệu Grubb -Niedrach “ GE tiếp tục phát triễn kỷ thuật này  cho NASA  và hảng chế tạo phi cơ McDonnel Aircraft  , đưa tới việc dùng nó trên dự án phi thuyền Gemini .  Đây là công dụng thương mãi đầu tiên  tế bào nhiên liệu.  Năm 1959 ,  kỷ sư Thomas Bacon phát triễn thành công một tế bào nhiên liệu 5 kw đứng yên một chỗ . Cũng năm 1959  nhóm Harry Ihrig xây dựng một  tế bào nhiên liệu cho máy kéo - tractror  cho hảng Allis Chalmers . Hệ  thống này dùng hydroxide potassium làm chất điện giải  và ép hydrogen và oxygen để làm các chất phản ứng - reactants.  Trong thập niên  công ty làm động cơ cho phi cơ Pratt and Whitney mua môn bài Hoa Kỳ của Bacon   để cung cấp điện và nước uống  cho chương trình không gian Hoa Kỳ.  Chi nhánh Điện củaTổ hợp United Technologies Corporation , UTC là  công ty  dầu tiên chế tạo và thương mãi hóa một hệ thống  tế bào nhiên liệu tại chỗ,  to lớn ,  dùng  đồng hành phát điện - cogeneration ở nhà máy điện cho các bệnh viện, các viện đại học và các dinh thự văn phòng lớn.  UTC tiếp tục  bán ra loại tế bào nhiên liệu có tên là PureCell 200 . một hệ thống  200 kw, cuối năm 2009 , được thay thế bằng một dịch bản  400 kw , tiếp tục là nhà cung cấp duy nhất  tế bào nhiên liệu cho  NASA   để dùng trên các xe cộ không gian, các sứ mệnh Apollo , và chương trình Không Gian Con Thoi - Space Shuttle , và phát triễn  các tế bào nhiên liệu cho xe buýt, ô tô, các tháp điện thoại tế bào. Công ty UTC cũng là nhóm đầu tiên trình diễn  tế bào nhiên liệu đầu tiên có khả năng  khởi động dưới  điều kiện đông giá,  nhờ kỷ thuật màng chắn trao đổi  proton exchange membrane .        

                Hiện nay ở Hoa Kỳ có trên 20 loại tế bào nhiên liệu đang khảo cứu hay đã thương mãi hóa. Ba loại đáng kể ra là tế bào nhiên liệu trao đổi proton và hai loại tế bào nhiên liệu nhiệt độ cao , SOFC  và MCFC.

                   Tế bào nhiên liệu trao đổi  proton  là họa kiểu  rất điễn hình tế bào nhiên liệu  trao đổi proton màng chắn hydrogen- oxygen , dùng một màng chắn  dẫn điện polymer ( chất điện giải ) , phân chia  các phía cạnh của cực dương và cực âm . Các năm đầu thập niên 1970  được gọi là  “ tế bào nhiên liệu  điện giải polymer rắn chắc - solid polymer electrolyte fuel cells - SPEFC ”,  trước khi cơ chế  trao đổi proton   được biết rỏ hơn. Ở phía cực dương,  hydrogen khuếch  tán đến  chất điện giải cực  dương, và sau đó sẽ  phân chia ra  thành các protons và các electrons .  

Các proton thường phản ứng  với các chất oxyhóa  làm chúng trở thành  những màng chắn nhiều lớp dễ để lọt protons - multi- facilitated proton membranes.   Các proton này sẽ được dẫn qua  màng chắn đến cực âm, nhưng các electron  bi bắt buộc du hành  trong một mạch ngoài ( cung cấp điện )  vì màng chắc   là vật cách ly điện . Ở chất điện giải cực âm , các phân tử  oxygen phản ứng   với các electron  ( đã dù hành xuyên qua hết mạch vòng ngoài ) và proton  làm ra nước , ở thí dụ này,  là sản phẩm phế thải duy nhất, dưới thể lỏng hay thể hơi nước .  Ngoài loại thuần túy hydrogen, này ,  các nhiên liệu hydrocarbon khác  cho các tế bào nhiên liệu có thể là  diesel, methanol,   hay  các hydrides hóa học .  Sản phẩm phế thải của các nhiên liệu này  là carbon dioxide và nước. Vật liệu  dùng ở các tế bao nhiên liệu  khác nhay theo loại tế bào .   Ở một lắp ráp  điển hình  các cực  màng chắn  - membrane electrode assembly ( MEA ) , các  tấm  hai cực  - electrode bipolar  plates   thường làm bằng kim loại , nickel hay các ống nanô carbon và thường được bọc với một  điện giải ( tỉ như bạch kim ,  bột sắt nanô  hay palladium  hầu có hiệu năng cao hơn .  Giấy carbon phân chia chúng  khỏi chất phân giải.  Phân giải có thể là đồ sành sứ - ceramic hay là một màng chắn . Năm 2002 , giá  những hệ thống  tế bào nhiên liệu điển hình  là 1000 đô la Mỹ cho một kw  điện sản xuất. Năm 2009 , bộ DOE Hoa Kỳ  báo cáo là   một hệ thống  tế bào nhiên liệu ô tô  80kw  giá  61 đô la một kw nếu có thể tích sản xuất dự trù  là 500 000 đơn vị một năm .  Mục tiêu là hạ giá này  xuống 35 đô la Mỹ một kw . Năm 2008, UTC  chế tạo những tế bào nhiên liệu   đứng yên tại chỗ là 1 000 000 cho  400 kw thiết kế . Mục tiêu là  giảm giá phí tổm hầu cạnh tranh  với các kỷ thuật thị trường hiện thời, gồm luôn cả  các động cơ  nổ chạy xăng .

          Một tế bào nhiên liệu oxide  rắn đặc - solid oxide  fuel cell  , SOFC,  có rất nhiều ưu điểm  nhờ có thể dùng   một loạt nhiên liệu rộng rải . SOFC có thể chạy bằng  hydrogen,  butane, methanol,  hay các sản phẩm dầu lữa khác. Mỗi loại nhiên liệu khác nhau  đều có hóa học riêng biệt cho mình. Tế bào nhiên liệu ethanol SOFC, ở phần cực dương , một chất điện gỉai phá vỡ methanol  và nước làm thành  carbon dixoxide, các ions hydrogen và các electrons tự do.  Các ion hydrogen  gặp các ion sắt  tạo ra ở phần cực âm  và đi  xuyên qua chất điện giải  đến phần cực dương ; nơi đây  chúng phản ứng để tạo ra nước.  Một chất tải nối kết bên ngoài giữa cựa âm và cực dương hoàn tất mạch  vòng điện.  Ở cực dương các SOFC  có thể dùng  nickel hay các chất điện giải  khác  để phá vỡ methanol  và tạo ra các ion hydtrogen v và carbon monoxide . Một chất rắn đặc - solid tên gọi là yttria   ổn định zirconia ( YSZ)   được xử dụng làm chất điện giải.   Cũng như mọi  chất điện giải của tế bào nhiên liệu YSZ  cũng  dẫn giắt vài ions , trong trường hợp này là ion oxide  giúp xuyên qua  từ cực âm đến cực dương, nhưng không dẫn giắt tới các electron. YSZ là  một chất rắn đặc  bền vững  và  có rất nhiều ưu điểm ở  các hệ thống công nghệ.  Dù YSZ là một chất dẫn giắt ion tốt , nó chỉ hoạt động ở nhiệt độ cao mà thôi . Nhiệt độ hoạt động tiêu chuẩn là 950^o C .  Chạy tế bào nhiên liệu   ở nhiệt độ cao như vậy  sẽ phá vỡ dễ dàng methane và oxygen thành ions .  Một khuyết điểm của SOFC  là vì thành quả của nhiệt lượng cao nên nó  làm nhiều cản trở cho các vật liệu  sử dụng làm những mối nối kết.  Một khuyết điểm khác khi chạy tế bào ở nhiệt độ cao như vậy  là có nhiều phản ứng không mong muốn có thể xảy ra bên trong tế bào nhiên liệu.  Các bụi carbon , graphít thường đóng nhiều ở cực dương  ngăn cản  nhiên liệu  đến gặp chất điện giải. Rất nhiều khảo cứu đang cố gắng tìm  nhưng thay thế cho YSZ sẽ mang theo ions ở nhiệt độ thấp hơn .

           Tế bào nhiên liệu  carbonate nung chảy - Molten carbonate fuel cells ( MCFC)  hoạt động một  cách tương tự , ngoại trừ  chất điện giải   la carbonat lỏng ( nung chảy - molten )  và đó là một ion âm và một tác nhân oxythóa .  Vì lẽ chất điện giải  mất đi carbonat ở phản ứng oxythóa , phải luôn luôn châm lại carbonat bằng một cách nào đó . Thường là cho tái tuần hoàn carbon dioxide từ  các sản phẩm oxythóa đến cực âm , nơi chúng  phản ứng với không khí đang tới, hủy bỏ nhu cầu  cần có một cải cách nhiên liệu ngoại .  MCFC có thể dùng giảm bớt phát thải CO² ở các  nhà máy điện chạy than đá  cũng như ở các nhà máy điện tua bin chạy khí dầu- gas turbine power plant.( Việt Nam đã thiết lập ở Phú Mỹ - Bà Rịa và ở An Khánh - Cà Mau).

           

          Phát điện đồng hành - Cogeneration

        Những hể thống  tiểu vi phối hợp nhiệt lượng và điện - Micro combined heat and power ( MicroCHP ) tỉ như  các  tế bào nhiên liệu gia thất và phát điện đồng hành cho các xây cất  phòng sở và xưởng máy  là pha - phase  sản xuất đại trà . Hệ thống   phát điện thường trực( bán  điện dư thừa cho mạng lưới điện  khi không xài đến )  và  cùng lúc đó sản xuất  ra không khí nóng - hot air  và nước  từ  nhiệt lượng - heat phế thải . MicroCHP  thường ít hơn 5 kwe  cho một tế bào nhiên liệu gia thất hay cho tiểu doanh nghiệp .  Một hiệu năng chuyễn hóa  nhiên liệu -qua -điện thấp hơn  được chấp nhận ( điển hình 15-20%) , vì rằng đa số  năng lượng không chuyễn hóa thành điện được dùng ở thể nhiệt lượng.  Vài nhiệt lượng bị mất đi  với  khí xã - exhaust gas  tỉ như  ở lò đốt - furnace  bình thường ; thế cho nên  hiệu năng  phối hợp nhiệt lượng và  điện vẫn thấp hơn 100%, điển hình khoảng 80% .  Trên phương diện năng lượng, tuy nhiên, tiến trình thật là vô hiệu quả  và ai đó tốt hơn nên tối đa  điện phát ra rồi dùng điện  chạy một bơm nhiệt lượng - heat pump.  Các tế bào nhiên liệu  acid phosphoric - PAFC là  khu vực lớn nhất của các sản phẩm CHP hiện hửu khắp thế giới và có thể cung cấp  những hiệu năng phối hợp gần 90% ( 35-50% điện + phần còn lại  là  nhiệt - thermal)  .MCFC  cũng đã thiết kế những ứng dụng này và các nguyên mẩu - prototypes SOFC cũng đã hiện diện .

       Phân phối điện phát ra

     Phân phối điện phát ra- Distributed Generation   là từ ( ngữ )   dùng nói đến  một nguồn phát điện  vị trí kế cận  mơi cần dùng điện . Đối ngược lại với  phát điện trung ương hóa - centralized power generation   cung cấp qua mạng lưới điện - the grid.   Các nhà máy  phát điện  trung ương hóa thường có vị trí hàng trăm dặm Anh  xa cách người tiêu thụ và ở Hoa Kỳ có khi cung cấp điện cho nhiều bang khác nhau.

       Ngày nay,  phần lớn  điện sản xuất ở Hoa Kỳ cung cấp cho các tiện nghi địa phương - regional utilities  và người tiêu thụ qua mạng lưới điện. Trong số  3 800 tỉ kilowatt- giờ ( kwh ) điện sản xuất ở Hoa Kỳ vào năm 2003, chỉ có  4.1 % ( 156 tỉ kwh )  là không do các tiện nghi phát ra .  3.6% ( 135 tỉ kwh ) do các công ty công nghệ làm ra để thõa mãn yêu cầu điện địa phương. Dần dần quang cảnh này thay đổi, vì ưu điểm rỏ rệt của phân phối  điện phát ra. Các doanh vụ thương mãi ,các cơ sở - khách sạn , các tiện nghi của chánh phủ … đã lựa chọn  tự cung  năng lượng họ cần dùng . Làm như vậy , môt độ mềm dẽo nào đó sẽ có được  và giảm bớt  tắc nghẽn mạng lưới điện và các vấn đề  chuyễn vận điện, thường gặp phải với phân  phối điện phát ra trung ương hóa, như đã xảy ra trước đây ở Ấn Độ và nay ở Việt Nam .    

          ( Irvine , Nam Ca li ngày  22 tháng giêng năm 2011 )