Sử dụng TGA-MS để Khám phá các “Chất mang Hydro mới” cho Pin Nhiên liệu

Việc sản xuất Hydro (H2) đóng vai trò then chốt trong quá trình chuyển đổi toàn cầu hướng tới nền kinh tế không phát thải Carbon. Với đặc tính phong phú về dạng nguyên tố và khả năng đốt cháy mà không phát thải khí nhà kính, Hydro được xem là một nguồn năng lượng tái tạo lý tưởng. Tuy nhiên, việc khai thác toàn bộ tiềm năng của Hydro đang đối mặt với nhiều thách thức, đặc biệt là trong khâu lưu trữ và vận chuyển. Do đó, nghiên cứu các chất mang Hydro hiệu quả là vô cùng quan trọng, vì các phương pháp truyền thống gặp nhiều vấn đề về hiệu suất và an toàn. Điều này đã thúc đẩy sự khám phá các chất chứa Hydro thay thế, cộng đồng khoa học đang tích cực tìm kiếm các giải pháp hiện thực hóa tiềm năng của Hydro như một nhiên liệu của tương lai.

TGA-MS, một kỹ thuật phân tích tiên tiến, đóng vai trò thiết yếu trong việc khai thác tiềm năng của Hydro bằng cách đánh giá tính khả thi của các chất mang Hydro như Amoniac (NH3). Với mật độ năng lượng cao và tính an toàn khi xử lý, Amoniac được coi là một trong những giải pháp hàng đầu cho việc lưu trữ Hydro. TGA-MS cung cấp các dữ liệu quan trọng giúp tối ưu hóa quá trình này, từ đó góp phần định hình tương lai của nguồn năng lượng Hydro.

Tiềm năng của Amoniac như một chất mang Hydro

Amoniac ngày càng được công nhận là chất mang Hydro hàng đầu, vượt trội so với các chất khác nhờ mật độ năng lượng theo thể tích cao, cho phép lưu trữ một lượng lớn năng lượng trong không gian nhỏ hơn, đây là lợi thế đáng kể so với Hydro nén hoặc hóa lỏng. Thêm vào đó, Amoniac có tính dễ cháy thấp và dễ dàng hóa lỏng ở áp suất thấp, khiến nó trở thành một lựa chọn an toàn và dễ thực hiện.

TGA-MS đóng vai trò chủ chốt trong việc phân tích các con đường khai thác tiềm năng của Amoniac như một chất mang Hydro, đảm bảo khả năng ứng dụng tối ưu trong ngành năng lượng. Dù việc sử dụng Amoniac trực tiếp trong Pin nhiên liệu gặp phải một số thách thức về kỹ thuật, nhưng phương pháp sử dụng gián tiếp thông qua quá trình phân hủy Amoniac đang được phổ biến, phù hợp với các hệ thống sử dụng năng lượng Hydro hiện tại.

Sử dụng trực tiếp Amoniac

Mặc dù có tiềm năng lớn, tuy nhiên việc sử dụng trực tiếp Amoniac trong Pin nhiên liệu vẫn đối mặt với nhiều thách thức đáng kể. Quá trình đốt cháy NH₃ yêu cầu nhiệt độ vận hành rất cao (trên 800℃ đối với Pin nhiên liệu oxit dạng rắn – SOFC). Bên cạnh đó, Amoniac khi phản ứng có xu hướng hình thành ion âm Cacbonat, gây giảm hiệu suất hệ thống. Việc khai thác này cũng đòi hỏi các công nghệ Pin nhiên liệu hiệu suất cao như SOFC sử dụng NH3, Pin nhiên liệu kiềm (AFC) và Pin nhiên liệu dựa trên màng (Pin nhiên liệu sử dụng màng cho NH3). Những yếu tố này làm cho việc phát triển Pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp Amoniac trở thành một thách thức lớn về mặt kỹ thuật trong tương lai.

Sử dụng gián tiếp Amoniac

Quá trình phân hủy Amoniac (Ammonia cracking) mang đến một giải pháp khả thi cho việc sản xuất Hydro tại chỗ. Quá trình nhiệt hóa này chuyển đổi NH3 thành H2 thông qua phản ứng khử Hydro (2NH3 → N2 + 3H2). Hỗn hợp khí nitơ và hydro thu được có thể được sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu cho các hệ thống hiện tại. Do đó, phương pháp này được xem là thực tế hơn và dễ dàng tích hợp với các công nghệ hiện có.

TGA-MS: Công cụ khám phá các “Chất mang Hydro mới”

Tiềm năng của Amoniac (NH3) như một chất mang hydro (H2) không chứa carbon là rất lớn, đặc biệt nhờ khả năng lưu trữ và cung cấp H2 ở trạng thái lỏng dưới điều kiện không quá khắt khe. Dù có nhiều đề xuất lý thuyết, nhưng các ứng dụng thực tế của NH3 như một nguồn năng lượng chính cho các hệ thống xe chạy bằng hydro vẫn chưa được ghi nhận. Điều này càng làm nổi bật vai trò quan trọng của TGA-MS trong việc phát triển và phân tích các “Chất mang Hydro mới”.

Trong một nghiên cứu mang tính đột phá, đã chế tạo được một chiếc xe điện chạy bằng Pin nhiên liệu sử dụng NH3, minh chứng rõ ràng về tính khả thi của NH3 cho các phương tiện dùng Pin nhiên liệu. Thành công của hệ thống này dựa vào sự tích hợp liền mạch giữa bộ phân hủy NH3 với các chất xúc tác, bộ lọc khí, Pin nhiên liệu và hệ thống quản lý năng lượng một cách hiệu quả. TGA-MS đóng vai trò chủ chốt trong việc phân tích hiệu suất của các chất xúc tác dựa trên Nickel (Ni) và Sắt (Fe). Chất xúc tác tối ưu đạt tỷ lệ chuyển đổi NH3 >99,9% ở nhiệt độ 600℃, một cột mốc lớn nhờ vào dữ liệu chính xác mà TGA-MS cung cấp.

Hơn nữa, TGA-MS còn xác nhận độ hiệu quả của bộ lọc khí, một yếu tố quan trọng trong việc loại bỏ NH3 dư để đảm bảo độ tinh khiết của Hydro cho Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC). Hiệu suất của Pin nhiên liệu khi được cung cấp khí Hydro được xử lý và lọc sạch  tương đương với việc sử dụng hỗn hợp khí nhiên liệu trộn sẵn, điều này xác nhận tính khả thi của toàn hệ thống.

Hệ thống tích hợp không chỉ cung cấp năng lượng cho các Pin nhiên liệu 300 và 600 W mà còn duy trì việc sạc liên tục cho hệ thống lưu trữ năng lượng. Hệ thống này đã đẩy một xe chở hàng sân golf công suất 3kW đi được hơn 500 km với tốc độ 25 km/h, đánh dấu một bước mới trong các ứng dụng nhiên liệu Hydro từ NH3. Thành tựu này không thể đạt được nếu thiếu khả năng phân tích của TGA-MS, công cụ cung cấp những hiểu biết chi tiết về phản ứng xúc tác và hiệu suất hệ thống.

Quan tâm đến TGA-MS cho nghiên cứu nhiên liệu Hydro

Nguyên mẫu Pin nhiên liệu sử dụng NH3 với công suất ấn tượng 17,5 kWh đang là điểm sáng trong công nghệ sản xuất ô tô sạch. Nguyên mẫu này được kiểm nghiệm kỹ lưỡng bằng hệ thống phân tích Hiden HPR-20 EGA, đạt tỷ lệ chuyển đổi NH3 >99,9% ở 600 ℃, thiết lập một tiêu chuẩn mới cho hiệu suất xúc tác. Khả năng giám sát chính xác của HPR-20 EGA đã đóng vai trò mấu chốt trong việc khẳng định khả năng của bộ lọc khí loại bỏ NH3 dư thừa, đảm bảo rằng PEMFC vận hành với Hydro có độ tinh khiết cao nhất.

Khi được cung cấp hỗn hợp khí Hydro đã được xử lý và tinh lọc tối ưu, Pin nhiên liệu cho thấy hiệu suất và công suất tương đương với hỗn hợp khí nhiên liệu trộn sẵn, khẳng định tính hiệu quả của toàn hệ thống. Với mức năng lượng đặc thù 379,4 Wh/kg và khả năng mang 15 kg NH3, hệ thống tích hợp này không những đáp ứng, mà thậm chí vượt qua các mục tiêu lưu trữ Hydro trên xe ô tô của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cho năm 2020.

Trong quá trình vận hành, các sản phẩm phụ duy nhất được thải ra là nitơ và nước, cho thấy rõ tính sạch và không phát thải carbon của hệ thống. Đây không chỉ là một bước tiến mà là một bước nhảy vọt hướng tới các giải pháp năng lượng bền vững, được hiện thực hóa nhờ độ chính xác của hệ thống phân tích HPR-20 EGA.

Hiden Analytical đã đóng góp vào phát triển mang tính đột phá này. Hệ thống HPR-20 EGA của là cánh cửa mở ra tương lai của các giải pháp năng lượng sạch, chạy bằng Hydro.

Công ty Reeco Tech đang là đơn vị phân phối độc quyền của Hiden Analytical tại thị trường Việt Nam, chúng tôi rất hân hạnh được cung cấp Hệ thống HPR-20 EGA để phục vụ vào việc nghiên cứu Khám phá “Chất mang Hydro mới” cho Pin Nhiên Liệu.