Pin nhiên liệu là chuyển đổi hóa năng từ nhiên liệu thành điện năng thông qua phản ứng điện hóa của nhiên liệu hydro với chất oxy hóa, thường là oxy. Khác với các nguồn năng lượng tái tạo không có khả năng tích trữ và phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên, pin nhiên liệu cho phép cung cấp năng lượng ổn định, liên tục theo yêu cầu và có khả năng tàng trữ dưới dạng nhiên liệu. Do tính chất chuyển đổi năng lượng cao và không gây ô nhiễm môi trường, pin nhiên liệu được dự báo sẽ trở thành nguồn nhiên liệu sạch đầy triển vọng hướng đến phát triển năng lượng bền vững và được áp dụng rộng rãi trong tương lai.
Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu dựa trên nguyên tắc chung là tổ hợp oxy và hydro để tạo thành nước, cung cấp điện và nhiệt mà không thải ra các chất gây ô nhiễm. Về lý thuyết, mọi chất có thể bị oxy hóa được cung cấp liên tục dưới dạng dòng chảy để xảy ra phản ứng đều có thể sử dụng như nhiên liệu cung cấp cho anot của pin nhiên liệu. Tương tự, chất oxy hóa thường là dòng lưu chất có thể bị khử với tốc độ đủ lớn. Việc sử dụng các nhiên liệu thông dụng, giàu tiềm năng, có thể tái tạo dễ dàng và không độc hại là mục tiêu hướng tới của pin nhiên liệu. Tuy nhiên ngày nay, các loại pin nhiên liệu đang phát triển chủ yếu sử dụng nhiên liệu là khí hydro hoặc khí tổng hợp giàu hydro.
Về nguyên tắc, pin nhiên liệu hoạt động tương tự như một pin điện/ắc quy; tuy nhiên pin điện/ắc quy thông thường là thiết bị tồn trữ năng lượng bên trong chỉ có thể cung cấp lượng điện năng giới hạn, sẽ ngừng hoạt động khi các chất hóa học tồn trữ phản ứng hết, trong khi đó pin nhiên liệu là một thiết bị sản xuất điện năng khi có nguồn nhiên liệu bên ngoài cung cấp trực tiếp và liên tục. Pin nhiên liệu có cấu trúc gồm một lớp điện phân được đặt giữa hai điện cực anot và catot và hoạt động dựa trên một nguyên lý chung, do đó người ta thường phân loại dựa trên sự khác nhau cơ bản là chất điện phân và lấy tên chất điện phân đó làm tên gọi cho pin nhiên liệu. Tùy theo từng loại pin nhiên liệu mà chất điện phân có thể ở dạng rắn, dạng lỏng hay dạng màng. Các thiết kế pin nhiên liệu hiện nay được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 1. Các loại pin nhiên liệu khác nhau đã và đang được phát triển
| Pin nhiên liệu kiềm (AFC | Pin màng trao đổi proton (PEMFC) | Pin methanol (DMFC) | Pin axit photphoric (PAFC) | Pin cacbonat nóng chảy (MCFC) | Pin oxit rắn (SOFC) | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Nhiệt độ vận hành (°C) | < 100 | 60-120 | 60-120 | 160-220 | 600-800 | 800-1000 hoặc thấp hơn (500-600) |
| Ứng dụng | Giao thông, vũ trụ, quân sự, hệ tích trữ năng lượng | Giao thông, vũ trụ, quân sự, hệ tích trữ năng lượng | Giao thông, vũ trụ, quân sự, hệ tích trữ năng lượng | Kết hợp với nhiệt và điện cho các trạm điện phân cấp | Kết hợp nhiệt và điện cho các trạm điện phân cấp và cho các phương tiện giao thông (tàu hỏa, tàu thủy,…) | Kết hợp nhiệt và điện cho các trạm điện phân cấp và cho các phương tiện giao thông (tàu hỏa, tàu thủy,…) |
| Công suất hoạt động | 5-150 kW | 2-250 kW | 5 kW | 50 kW-11 kW | 100 kW-2 kW | 100-250 kW |
Nhìn chung, pin nhiên liệu đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực trong ngành sản xuất năng lượng. Ví dụ điển hình như sự phát triển mạnh mẽ của hãng xe ôtô điện Tesla, hay rất hữu ích để làm nguồn năng lượng ở các địa điểm xa xôi, chẳng hạn như tàu vũ trụ, trạm thời tiết ở xa, công viên lớn, trung tâm thông tin liên lạc, các địa điểm nông thôn bao gồm các trạm nghiên cứu và trong các ứng dụng quân sự nhất định.
Tài liệu tham khảo
- Edgerton G., Grier I., Fuel Cell Handbook (Seventh Edition), lulu.com, 2016.
- Nguyễn Thị Lê Hiền, Pin nhiên liệu - Nguồn năng lượng tương lai, Tạp chí Dầu khí, 7: 57-67, 2019.
- Staffell I., Scamman D., Velazquez A. A., Balcombe P., Dodds P. E., Ekins P., Shah N., Ward K. R., The role of hydrogen and fuel cells in the global energy system. Ener. Environ. Sci., 12: 463-491, 2019.
