Pin nhiên liệu dòng chảy Vanadium (VRFB) là một hệ thống điện hóa lưu trữ năng lượng quy mô lớn, trong đó điện năng được tích trữ dưới dạng hóa năng của các ion kim loại vanadium hòa tan trong môi trường sulfuric acid (H2SO4). Hệ thống cơ bản gồm:
Anode (cực âm): Bồn chứa anolyte, dung dịch hệ V2+/V3+ được bơm vào buồng phản ứng. Quá trình xả điện xảy ra sự oxi hóa: V2+ (màu tím) → V3+ (màu xanh lá) + e.
Cathode (cực dương): Bồn chứa catholyte, dung dịch hệ VO2+/VO2+ được bơm vào buồng phản ứng. Quá trình xả điện xảy ra sự khử: VO2+ (màu vàng) + 2H+ + e → VO2+ (màu xanh dương) + H2O.
a) Dựa vào sự thay đổi màu sắc của dung dịch trong các bồn chứa, ta có thể xác định được trạng thái sạc (hoặc xả) của pin.
b) Trong quá trình pin xả điện phát ra mạch ngoài, các ion H+ sẽ di chuyển xuyên qua màng trao đổi proton theo chiều từ khoang anode sang khoang cathode.
c) Nhược điểm của pin VRFB là sự khuếch tán chéo các ion qua màng trong quá trình vận hành dài hạn sẽ gây nhiễm bẩn hóa học, làm hỏng vĩnh viễn dung dịch điện li và buộc nhà máy tốn chi phí thay mới toàn bộ hóa chất.
d) Để hệ thống cung cấp đủ một lượng điện lượng tương đương 0,5 mol electron ra mạch ngoài, khối lượng ion V2+ tối thiểu bị tiêu thụ tại anode là 25,5 gam.
Câu trả lời tốt nhất
(a) Đúng, trạng thái sạc của pin VRFB tỷ lệ thuận với nồng độ các cặp ion. Khi xả hoàn toàn, anolyte có màu xanh lá (V3+) và catholyte có màu xanh dương (VO2+). Khi sạc đầy, anolyte chuyển sang màu tím (V2+) và catholyte chuyển sang màu vàng (VO2+). Sự chuyển đổi màu sắc rõ rệt này giúp người ta dễ dàng ước lượng tương đối bằng mắt hoặc đo đạc chính xác trạng thái năng lượng của pin bằng phương pháp quang phổ.
(b) Đúng, H+ sẽ di chuyển xuyên qua màng trao đổi proton theo chiều từ khoang anode sang khoang cathode để làm kín mạch và trung hòa điện tích.
(c) Sai, sự di chuyển chéo các ion từ 2 ngăn chỉ làm giảm dung lượng xả của pin mà không khiến dung dịch điện ly hỏng vĩnh viễn:
+ Nếu V2+, V3+ lọt từ khu anolyte sang khu catholyte, chúng sẽ bị VO2+ oxi hóa lên VO2+.
+ Nếu VO2+, VO2+ lọt từ khu catholyte sang khu anolyte, chúng sẽ bị V2+ khử xuống V3+.
Đây là hiện tượng tự xả của pin, nếu quá trình này khiến nồng độ hóa chất 2 khu vẫn nằm trong giới hạn thì chỉ cần xạc lại pin sẽ đầy. Nếu quá trình này khiến nồng độ hóa chất 2 khu chênh lệch quá mức thì cần trộn đều dung dịch 2 khu (bằng cách nhấc màng ngăn) sẽ đưa trạng thái pin về mức 0 (các nồng độ đều chuẩn, chỉ là chưa có điện và cần xạc lại).
(d) Đúng:
nV2+ = ne = 0,5 —> mV2+ = 0,5.51 = 25,5 gam