1.Pin nhiên liệu:
Pin nhiên liệu (tiếng Anh là fuel cell) là một tế bào điện hóa có chức năng chuyển đổi năng lượng hóa học của nhiên liệu (thường là hidro) và chất oxy hóa (thường là oxy) thành điện năng thông qua một cặp phản ứng oxy hóa khử. Pin nhiên liệu khác với hầu hết các loại pin ở chỗ nó đòi hỏi nguồn nhiên liệu và oxy liên tục (thường là từ không khí) để duy trì phản ứng hóa học còn năng lượng hóa học thường đến từ các chất đã có trong pin. Pin nhiên liệu có thể sản xuất điện liên tục miễn là cung cấp đủ nhiên liệu và oxy. Các pin nhiên liệu đầu tiên được phát minh bởi Sir William Grove vào năm 1838. Gần một thập kỷ sau đó, pin nhiên liệu mới được thương mại hóa sau khi Francis Thomas Bacon phát minh ra pin nhiên liệu hydro-oxy vào năm 1932. Pin nhiên liệu kiềm, còn được gọi là như pin nhiên liệu Bacon theo tên người phát minh ra nó, đã được sử dụng trong các chương trình không gian của NASA từ giữa những năm 1960 để tạo ra năng lượng cho các vệ tinh và viên nang không gian. Kể từ đó, pin nhiên liệu đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác. Có rất nhiều loại pin nhiên liệu nhưng tất cả đều có những bộ phận như một cực dương, một cực âm và một chất điện phân cho phép các ion (thường là các ion hidro tích điện dương (proton), di chuyển giữa hai mặt của pin nhiên liệu). Cực dương có một chất xúc tác làm cho nhiên liệu trải qua các phản ứng oxy hóa tạo ra các ion (thường là các ion hidro tích điện dương) và các electron. Các ion di chuyển từ cực dương sang cực âm qua bình điện phân. Đồng thời, dòng điện từ cực dương sang cực âm qua mạch ngoài sẽ tạo ra dòng điện một chiều. Tại cực âm, một chất xúc tác khác làm cho các ion, electron và oxy phản ứng, tạo thành nước hoặc có thể là các sản phẩm khác. Pin nhiên liệu được phân loại theo loại chất điện phân mà chúng sử dụng và sự khác biệt về thời gian khởi động, từ 1 giây đối với pin nhiên liệu màng trao đổi proton (pin nhiên liệu PEM, hoặc PEMFC) đến 10 phút đối với pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC). Một công nghệ liên quan là pin dòng chảy, trong đó nhiên liệu có thể được tái tạo bằng cách sạc lại. Các tế bào nhiên liệu riêng lẻ tạo ra điện thế tương đối nhỏ, khoảng 0,7 vôn. Do đó, các tế bào được “xếp chồng lên nhau” hoặc đặt nối tiếp, để tạo ra đủ điện áp đáp ứng yêu cầu của ứng dụng. Ngoài điện năng, pin nhiên liệu tạo ra hơi nước, nhiệt và một lượng rất nhỏ nitơ đioxít và các khí thải khác tùy thuộc vào nguồn nhiên liệu. Hiệu suất năng lượng của pin nhiên liệu nói chung là từ 40 đến 60%; tuy nhiên, nếu nhiệt thải được thu giữ trong sơ đồ đồng phát, có thể đạt được hiệu suất lên đến 85%.
2.Cấu tạo pin nhiên liệu:
Tế bào nhiên liệu có nhiều loại nhưng tất cả chúng đều hoạt động theo cùng một cách thức chung từ 3 bộ phận: cực dương, chất điện phân và cực âm. Hai phản ứng hóa học xảy ra ở mặt phân cách của ba bộ phận. Kết quả của hai phản ứng là nhiên liệu được tiêu thụ tạo ra nước hoặc carbon dioxide và một dòng điện được tạo ra, có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện, thường được gọi là tải.
Tại cực dương, một chất xúc tác sẽ oxy hóa nhiên liệu, thường là hidro, biến nhiên liệu thành một ion tích điện dương và một electron mang điện tích âm. Chất điện phân là một chất được thiết kế đặc biệt để các ion có thể đi qua nó, nhưng các electron thì không thể. Các electron được giải phóng đi qua một dây dẫn tạo ra dòng điện. Các ion đi qua bình điện phân đến catot. Khi đến cực âm, các ion được tái hợp với các electron và cả hai phản ứng với một chất hóa học thứ ba, thường là oxy, để tạo ra nước hoặc carbon dioxide.
2.1. Các đặc điểm thiết kế trong pin nhiên liệu
Chất điện phân, thường xác định loại pin nhiên liệu và có thể được tạo ra từ một số chất như kali hidroxit, muối cacbonat và axit photphoric.
- Nhiên liệu được sử dụng. Nhiên liệu phổ biến nhất là hidro.
- Chất xúc tác cực dương, thường là bột bạch kim mịn, phân hủy nhiên liệu thành các electron và ion.
- Chất xúc tác catot, thường là niken, chuyển đổi các ion thành hóa chất thải, trong đó nước là loại chất thải phổ biến nhất.
- Các lớp khuếch tán khí được thiết kế để chống lại quá trình oxy hóa.
Một pin nhiên liệu hydro điển hình tạo ra điện áp từ 0,6 đến 0,7 V ở tải định mức đầy đủ. Điện áp giảm khi dòng điện tăng, do một số yếu tố:
- Mất kích hoạt.
- Suy hao Ohmic (giảm điện áp do điện trở của các thành phần tế bào và kết nối với nhau).
- Tổn thất vận chuyển khối lượng (cạn kiệt chất phản ứng tại các vị trí xúc tác dưới tải trọng cao, gây mất điện áp nhanh chóng).
Để cung cấp lượng năng lượng mong muốn, các pin nhiên liệu có thể được kết hợp nối tiếp để tạo ra điện áp cao hơn và song song để cho phép cung cấp dòng điện cao hơn. Thiết kế như vậy được gọi là ngăn xếp pin nhiên liệu. Diện tích bề mặt ô cũng có thể được tăng lên, để cho phép dòng điện cao hơn từ mỗi ô.
2.2. Tế bào nhiên liệu màng trao đổi proton
Trong thiết kế tế bào nhiên liệu màng trao đổi proton hidro-oxit nguyên mẫu (PEMFC), một màng polyme dẫn proton (thường là nafion) chứa dung dịch điện phân ngăn cách các bên cực dương và cực âm. Đây được gọi là pin nhiên liệu điện phân polyme rắn (SPEFC) vào đầu những năm 1970, trước khi cơ chế trao đổi proton được hiểu rõ. (Lưu ý rằng màng điện phân polyme từ đồng nghĩa và cơ chế trao đổi proton dẫn đến cùng một từ viết tắt.)
Ở phía anot, hidro khuếch tán đến chất xúc tác ở anot, nơi sau đó nó phân ly thành proton và electron. Các proton này thường phản ứng với các chất oxy hóa khiến chúng trở thành cái thường được gọi là màng proton đa điều kiện. Các proton được dẫn qua màng đến cực âm, nhưng các electron buộc phải di chuyển trong mạch ngoài (cung cấp năng lượng) vì màng có tính cách điện. Trên chất xúc tác catot, các phân tử oxy phản ứng với các electron (đã đi qua mạch bên ngoài) và proton để tạo thành nước.
Ngoài loại hidro tinh khiết này, ta còn có nhiên liệu hidrocacbon cho pin nhiên liệu, bao gồm diesel, metanol và hydrua hóa học. Các sản phẩm thải ra từ các loại nhiên liệu này là khí cacbonic và nước. Khi sử dụng hidro, CO2 được giải phóng khi metan từ khí tự nhiên kết hợp với hơi nước, trong một quá trình được gọi là cải tạo metan bằng hơi nước, để tạo ra hidro. Điều này có thể diễn ra ở một vị trí khác với pin nhiên liệu, có khả năng cho phép pin nhiên liệu hydro được sử dụng trong nhà.
Các thành phần khác nhau của PEMFC:
- Tấm lưỡng cực,
- Điện cực,
- Chất xúc tác,
- Màng,
- Phần cứng cần thiết như bộ thu dòng và vòng đệm.
Các vật liệu được sử dụng cho các bộ phận khác nhau của pin nhiên liệu khác nhau theo loại. Các tấm lưỡng cực có thể được làm bằng các loại vật liệu khác nhau, chẳng hạn như kim loại, kim loại phủ, graphit, graphit dẻo, composite C – C, vật liệu tổng hợp cacbon – polyme… Cụm điện cực màng (MEA) được gọi là trung tâm của PEMFC và thường được làm bằng màng trao đổi proton kẹp giữa hai giấy carbon phủ chất xúc tác. Bạch kim hoặc loại kim loại quý tương tự thường được sử dụng làm chất xúc tác cho PEMFC và chúng có thể bị ô nhiễm bởi carbon monoxide, cần một nhiên liệu hidro tương đối tinh khiết. Chất điện phân có thể là một màng polyme.
Cấu tạo pin nhiên liệu Hydro
Xe ô tô chạy bằng Hydro
