Cấu tạo và nguyên lý pin nhiên liệu (Fuel Cell)

Pin nhiên liệu (Fuel Cell) là một thiết bị điện hóa có khả năng chuyển đổi trực tiếp năng lượng hóa học của nhiên liệu, phổ biến nhất là hydro thành điện năng thông qua phản ứng oxy hóa - khử. Khác với các loại pin thông thường vốn bị giới hạn bởi dung lượng và chu kỳ sạc, pin nhiên liệu không bị chai theo thời gian và có thể vận hành liên tục, miễn là được cung cấp đầy đủ nhiên liệu và khí oxy.

1. Giới thiệu chung về pin nhiên liệu 

Pin nhiên liệu hoạt động bằng cách chuyển đổi trực tiếp năng lượng sinh ra từ quá trình oxy hóa nhiên liệu, vốn thường được thể hiện dưới dạng nhiệt năng trong các hệ thống truyền thống thành điện năng. Tất cả các phản ứng oxy hóa đều liên quan đến việc truyền electron từ nhiên liệu sang chất oxy hóa và chính dòng electron này được khai thác để tạo ra dòng điện trong pin nhiên liệu.

Trong một pin nhiên liệu, quá trình khử xảy ra tại cực dương (cathode) và oxy hóa diễn ra tại cực âm (anode). Để duy trì sự tách biệt giữa hai phản ứng này, pin nhiên liệu cần ba thành phần chính: cực dương, cực âm và chất điện phân. Chất điện phân đóng vai trò như một môi trường dẫn ion, cho phép các ion di chuyển giữa hai cực trong khi ngăn electron đi trực tiếp qua, buộc chúng phải di chuyển qua mạch ngoài  từ đó tạo ra dòng điện sử dụng được. Nhiên liệu (thường là hydro) được cấp liên tục vào cực âm để duy trì phản ứng và đảm bảo quá trình phát điện không bị gián đoạn.

2. Hoạt động của tế bào nhiên liệu 

Pin nhiên liệu hoạt động dựa trên phản ứng hóa học giữa nhiên liệu (phổ biến nhất là hydro) và chất oxy hóa (thường là oxy), qua đó tạo ra điện năng, nhiệt và nước. Trong số các thiết kế hiện nay, tổ hợp hydro - oxy được đánh giá là hiệu quả nhất. Loại pin này vận hành êm ái, đáng tin cậy nhưng vẫn còn khá đắt đỏ để sản xuất hàng loạt.

Quá trình vận hành của pin diễn ra như sau:

• Hydro được đưa vào cực âm (anode) nơi được phủ một lớp chất xúc tác giúp phân tách các nguyên tử hydro thành proton (ion H⁺) và electron (e⁻).
• Electron không thể đi qua chất điện phân nên buộc phải di chuyển qua một mạch điện ngoài, từ đó tạo ra dòng điện phục vụ các thiết bị tiêu thụ.
• Trong khi đó, ion hydro khuếch tán qua chất điện phân đến cực dương (cathode) nơi oxy được đưa vào.
• Tại đây, oxy phản ứng với electron và ion hydro để tạo thành nước - sản phẩm phụ duy nhất, thân thiện với môi trường.

Trong một số thiết kế sử dụng chất điện phân kiềm, các anion hydroxide (OH⁻) được hình thành tại cực dương và di chuyển ngược lại cực âm để hoàn tất phản ứng.

Nếu tận dụng thêm nhiệt năng sinh ra trong quá trình phản ứng, hiệu suất tổng thể của hệ thống có thể vượt quá 80%, đồng thời đạt được mật độ năng lượng cao rất lý tưởng cho các ứng dụng cần công suất ổn định và kéo dài.

Một module pin nhiên liệu hoàn chỉnh thường bao gồm nhiều tế bào đơn lẻ ghép lại, được gọi là stack (ngăn xếp). Các pin này có thể hoạt động ở nhiệt độ cao, điển hình khoảng 200°C, thậm chí cao hơn trong một số thiết kế đặc biệt. Hệ thống thường được vận hành ở áp suất cao (khoảng 30 bar) để tăng hiệu suất, nhưng đây cũng là thách thức lớn về kỹ thuật và an toàn.

Mặc dù cặp hydro - oxy là phương án lý tưởng về mặt lý thuyết, khó khăn thực tế nằm ở việc hydro là chất khí ở điều kiện tiêu chuẩn, khó lưu trữ và vận chuyển và cơ sở hạ tầng cung ứng hydro cho người tiêu dùng vẫn chưa phổ biến. Do đó, trong giai đoạn đầu nhiều nghiên cứu đang hướng đến pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu dễ xử lý hơn, như methanol hoặc khí thiên nhiên, để làm bước đệm trước khi triển khai hydro trên diện rộng.

Cuối cùng có hai loại pin nhiên liệu sử dụng metanol: 

• Pin metanol cải tiến (RMFC)
• Pin metanol trực tiếp (DMFC)

RMFC (Reformed Methanol Fuel Cell) sử dụng metanol làm chất mang hydro. Metanol được cải biến để giải phóng hydro, sau đó được đưa vào pin nhiên liệu để phát điện. Công nghệ này hiệu quả cao hơn nhưng phức tạp hơn do cần thêm bước chuyển hóa nhiên liệu.

DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) thì sử dụng trực tiếp metanol làm nhiên liệu. Đây là một dạng PEMFC (pin nhiên liệu màng trao đổi proton), trong đó màng polymer dẫn proton từ cực âm sang cực dương, trong khi electron tạo thành dòng điện qua mạch ngoài. Khác với pin dùng hydro, phản ứng tại cực âm của DMFC tạo ra carbon dioxide (CO₂) cùng với dòng điện.

Ưu điểm lớn của metanol là dễ lưu trữ, vận chuyển và tiếp nhiên liệu, phù hợp với cơ sở hạ tầng hiện có. Tuy nhiên, DMFC phát thải CO₂, là một điểm trừ về môi trường so với pin nhiên liệu thuần hydro.

Tóm lại, cả RMFC và DMFC đều mở ra hướng đi khả thi trong việc tận dụng metanol làm nguồn năng lượng sạch và tiện lợi. Mỗi công nghệ có ưu nhược điểm riêng và việc lựa chọn phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể về hiệu suất, tính thực tiễn và mục tiêu giảm phát thải trong từng ứng dụng.

Nguồn: VATC