Pin nhiên liệu là gì? Cấu tạo và ứng dụng?

Trong khi xe điện chạy bằng pin (BEV) đang có sự tăng trưởng chậm thì một số nhà sản xuất chuyên dụng đang tiếp tục phát triển xe điện chạy bằng pin nhiên liệu. Vậy Pin nhiên liệu là gì? Nó có ưu điểm gì? Cấu tạo hoạt động và ứng dụng ra sao?

Pin nhiên liệu là gì? Pin nhiên liệu Hydro là gì?

Pin nhiên liệu là thiết bị điện hóa biến đổi trực tiếp hóa năng (thường là khí hydro, methanol, ethanol,… và chất oxy hóa như oxy) thành điện năng. Loại phổ biến và thường được nhắc đến nhất là Pin nhiên liệu Hydro.

Pin nhiên liệu là gì?

Về cơ bản pin nhiên liệu có những thành phần và đặc điểm giống ắcquy nhưng có rất nhiều điểm khác pin thông thường là thiết bị tồn trữ năng lượng và sẽ ngừng hoạt động khi các chất hóa học được tiêu thụ hết cần phải nạp điện lại từ nguồn cung cấp điện bên ngoài, ngược lại pin nhiên liệu thì không tích trữ nhiên liệu bên trong, dòng điện trong pin được tạo ra liên tục khi có nguồn nhiên liệu bên ngoài được cung cấp trực tiếp và liên tục. So với các loại pin cổ điển, pin nhiên liệu sinh ra chất thải gây ô nhiễm môi trường rất thấp hoặc không gây ô nhiễm và lượng nước sinh ra sau phản ứng là nước sạch có thể dùng uống được.

Sơ đồ cấu tạo và hoạt động

Loại thiết bị điện khí hóa thông dụng nhất mà chúng ta sử dụng hàng ngày là pin. Hóa chất tích trữ trong pin chuyển đổi thành năng lượng điện nhưng rồi hóa chất sẽ hết dần làm cho pin bị phế thải. Ngược lại, pin nhiên liệu chuyển hóa năng lượng từ phản ứng hóa học thành điện năng. Cụ thể là quá trình tổng hợp hydro và oxy thành nước vừa tạo ra dòng điện ở mạch ngoài vừa tạo sức nóng cho động cơ làm việc. Đó là một hệ thống hở đòi hỏi phải cung cấp nhiên liệu liên tục trong suốt quá trình hoạt động nhờ vậy pin sẽ vận hành mãi mãi. Ngày nay, phần lớn pin nhiên liệu sử dụng hydro và oxy làm nguồn chạy pin, một số khác dùng methanol..

Cấu tạo của pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu có cấu tạo đơn giản bao gồm ba lớp nằm trên nhau: - Lớp thứ nhất là điện cực nhiên liệu - anode. - Lớp thứ hai là chất điện giải dẫn proton - màng. - Lớp thứ ba là điện cực khí oxy - cathode. Hai điện cực được làm bằng chất dẫn điện (kim loại, than chì, ...). Trên bề mặt các điện cực có phủ một lớp chất xúc tác. Chất xúc tác làm bằng bột platinum, phủ rất mỏng lên giấy than hoặc vải than, rất nhám và rổ với những lỗ rất nhỏ. Mặt nhám tiếp xúc với khí hydro và oxy, mặt phẳng mềm tiếp xúc với tác nhân hóa học.

Cấu tạo của pin Hydrogen

Chất điện giải được dùng từ nhiều chất khác nhau tùy thuộc vào loại của pin: có loại ở thể rắn, có loại ở thể lỏng và có cấu trúc màng. Vì một pin riêng lẻ chỉ tạo được một điện thế rất thấp cho nên tùy theo điện thế cần dùng thì nhiều pin được ghép lại với nhau, tức là chồng lên nhau. Người ta thường gọi sự chồng lớp lên nhau như vậy là stack. Ngoài ra, hệ thống đầy đủ cần có các thiết bị phụ trợ như máy nén, máy bơm, để cung cấp các khí đầu vào, máy trao đổi nhiệt, hệ thống kiểm tra các yêu cầu, sự chắc chắn của vận hành máy, hệ thống dự trữ và điều chế nhiên liệu.

Cơ chế hoạt động Pin Hydrogen

Về phương diện hóa học pin nhiên liệu là phản ứng ngược lại của sự điện phân. Trong quá trình điện phân, nước bị tách ra thành khí hydro và oxy. Pin nhiên liệu lấy hai chất này biến đổi chúng thành nước và tạo ra dòng điện ở mạch ngoài. Nhiên liệu (khí H2) được dẫn liên tục vào điện cực anode; còn chất oxy hóa, thông thường là oxy, được đưa vào cathode.

* H2 đi qua màng xúc tác dưới tác dụng của áp suất. Khi một phân tử H2 đến tiếp xúc Pt, sẽ bị phân tách thành 2H+ và 2e-.

Phản ứng tại anode: H2--> 2H+ + 2e- (1.1)

* Các proton H+ di chuyển trong chất điện giải xuyên qua màng đi đến cathode Các điện tử được giải phóng đi từ anode qua mạch bên ngoài về cathode kết hợp với khí oxy và các ion H+ sinh ra nước đồng thời tạo ra dòng điện ở mạch ngoài.

Phản ứng tại cathode: 1/2 O2 + 2e- + 2H--> H2O (1.2)

* Phản ứng tổng quát trong pin nhiên liệu: H2 +1/2O2--> H2O (1.3)

Pin nhiên liệu dùng màng polymer rắn làm chất điện giải (PEMFC)

Pin nhiên liệu có nhiều loại: Pin nhiên liệu dùng axit phosphoric (PAFC), Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC), Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC), Pin nhiên liệu kiềm (AFC), Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp, và đặc biệt là PEMFC (dùng màng polymer rắn làm chất điện giải).

PEMFC sử dụng màng polymer rắn làm chất điện giải nên giảm sự ăn mòn và dễ bảo dưỡng. Nhiệt độ hoạt động 500C- 800C. Loại pin này được sản xuất nhiều nhất để sử dụng cho các phương tiện vận tải vì công suất lớn, nhiệt độ vận hành thấp và ổn định. Tuy nhiên, sản phẩm tham gia phản ứng phải có độ tinh khiết cao.

Ưu nhược điểm của Pin nhiên liệu

Ưu điểm:

* Hiệu suất cao: Các pin nhiên liệu thường có hiệu suất cao hơn so với động cơ nhiệt của chu trình Carnot. Nếu chỉ sản xuất điện thì đạt 40% (bằng nhiệt điện), nếu là cụm nhiệt điện thì có thể đạt tới 90%. Hiệu suất này ít thay đổi theo công suất phát.

* Đơn giản: Do chuyển đổi trực tiếp năng lượng từ nhiên liệu nên pin có cấu tạo rất đơn giản.

* Thân thiện với môi trường: Lượng chất thải độc hại thấp, sản phẩm của pin nhiên liệu hydro là nước tinh khiết do đó sự hao mòn được giảm thiểu, nó có thể coi là nguồn năng lượng xanh và sạch.

* Yên lặng: Không gây tiếng ồn khi hoạt động, hoàn toàn yên lặng trong quá trình vận hành. * Thời gian nạp nhiên liệu nhanh: Chỉ cần nạp trực tiếp nhiên liệu vào bình là sử dụng được ngay. Khác với pin truyền thống phải nạp điện trong thời gian dài mới dùng được.

* Thuận tiện: Có thể đặt nhà máy cấp điện dùng pin nhiên liệu ở một địa phương bất kỳ mà không làm thay đổi kiến trúc và phá hủy các công trình sẵn có, không phá hoại môi trường. Năm 1973, tại 37 bang ở Canada và Mĩ, người ta đã lắp đặt 60 tổ hợp pin nhiên liệu chạy bằng khí đốt tự nhiên, công suất 12.5kW cho mỗi trạm. Với kỹ thuật hiện nay, người ta có thể xây dựng nhà máy cấp điện dùng pin nhiên liệu với giá thành thiết bị lắp đặt là 350 – 450 USD/kW.

Nhược điểm:

- Giá thành cao: Hệ thống pin nhiên liệu khoảng 20.000$ trên một đơn vị kW nên sản phẩm chưa được thương mại hóa rộng rãi.

- Mức độ an toàn: Hệ thống tồn trữ, cung cấp nhiên liệu chưa thật đơn giản và an toàn, nhất là nhiên liệu hydro rất dễ gây ra cháy nổ.

- Nhiệt độ làm việc: Một số loại pin nhiên liệu hoạt động ở nhiệt độ khá cao.

Ứng dụng của Pin nhiên liệu

Năng lượng có vai trò rất quan trọng cho sự phát triển của xã hội loài người, đó là điều đã được thực tế cuộc sống khẳng định. Quốc gia nào tự chủ được năng lượng, giàu có về năng lượng, quốc gia đó sẽ có điều kiện thuận lợi để phát triển mạnh mẽ. Nguồn tài nguyên năng lượng hóa thạch (than, dầu mỏ và khí thiên nhiên) là nguồn tài nguyên quan trọng nhất của thế kỉ qua và cho đến cả ngày nay, nó cung cấp hơn85% nhu cầu năng lượng cho sự vận hành của nền kinh tế, chủ yếu là đảm bảo nhu cầu điện năng, nhiệt năng và nhu cầu nhiên liệu động cơ của mọi hoạt động con người. Ngoài ra, nó còn đóng vai trò không thể thiếu trong công nghiệp hóa học với tư cách làm nguyên liệu để sản xuất vô số các sản phẩm hữu cơ cho mọi mặt của đời sống và sản xuất công, nông nghiệp.
Tuy nhiên, trữ lượng của các nguồn năng lượng hóa thạch là có hạn và đang có dấu hiệu dần cạn kiệt. Bên cạnh đó, việc sử dụng các nguồn năng lượng này đã bộc lộ những nhược điểm khổng lồ không thể tránh khỏi trong quá trình sử dụng, đó là sự phát thải khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính, dẫn đến hiện tượng biến đổi khí hậu theo chiều hướng xấu: bão lụt, hạn hán, nước biển dâng, lục địa mất dần… Ngoài ra, còn quá nhiều chất độc hại có nguồn gốc từ các tạp chất chứa trong nhiên liệu hóa thạch thải ra gây ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng, phát sinh nhiều loại bệnh tật nguy hiểm. Cả thế giới đang chứng kiến một nghịch lý là kinh tế càng phát triển thì môi trường sống ngày càng xấu đi. Vì vậy, việc nghiên cứu, phát triển những nguồn năng lượng mới, có hiệu suất cao và thân thiện với môi trường được nhiều nước quan tâm và đầu tư thích đáng. Đã có nhiều nguồn năng lượng được đưa vào sử dụng nhằm dần bổ sung và thay thế khoảng trống năng lượng mà các nguồn năng lượng hóa thạch để lại.

Honda CRV Fcev dùng pin nhiên liệu Hydro

Bên cạnh các nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng cung cấp một lượng lớn năng lượng cho thế giới như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng thủy triều,… thì pin nhiên liệu được cho là ứng cử viên sáng giá bổ sung cho nhiên liệu hóa thạch và các nguồn nhiên liệu cổ điển. Ngày càng có nhiều loại pin nhiên liệu ra đời, ứng dụng được trong nhiều lĩnh vực từ quân sự cho đến dân dụng, từ các động cơ lớn như máy bay, xe ôtô, đến các thiết bị cầm tay như điện thoại di động, máy tính xách tay, máy nghe nhạc.

Trong đó, nổi bật hơn hết là pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC). Với những ưu điểm vượt trội như: nhiên liệu methanol rẻ tiền, có thể sản xuất với trữ lượng lớn, không gây ô nhiễm môi trường, tái sử dụng nhanh,…DMFC được xem là sự thay thế lý tưởng cho các nguồn cung cấp năng lượng có công suất vừa và nhỏ. Sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ nano đã mang đến khả năng to lớn và đầy hứa hẹn cho nền công nghệ pin nhiên liệu. Nhiều loại vật liệu mới có cấu trúc nano được khám phá nhằm tạo ra những sản phẩm pin nhiên liệu có giá thành thấp, kích thước nhỏ gọn, hiệu suất cao và khả năng ứng dụng rộng rãi trong đời sống và kỹ thuật. Đóng vai trò quyết định về mặt hiệu suất cũng như về giá thành của pin nhiên liệu, chất xúc tác điện cực ngày càng được quan tâm và nghiên cứu sâu hơn, hướng tới mục tiêu đưa sản phẩm ra thị trường.