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

Pin nhiên liệu (Fuel Cell) là một thiết bị điện hóa, có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng hóa học của nhiên liệu (thường là hydro) thành điện năng thông qua phản ứng oxy hóa khử. Khác với các loại pin thông thường, pin nhiên liệu có tính chất không bị chai và có thể hoạt động liên tục, miễn là nó được cung cấp đủ nhiên liệu.

1. Giới thiệu chung về pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu được chuyển đổi trực tiếp từ năng lượng của quá trình oxy hóa nhiên liệu thông thường, thường được biểu hiện dưới dạng nhiệt. Tất cả các quá trình oxy hóa đều liên quan đến việc chuyển các electron giữa nhiên liệu và chất oxy hóa, và quá trình này được sử dụng trong pin nhiên liệu để chuyển đổi năng lượng trực tiếp thành điện năng.

Tất cả các tế bào pin nhiên liệu đều liên quan đến quá trình khử oxit ở cực dương và quá trình oxy hóa ở cực âm trong một số phần của quá trình hóa học. Để đạt được sự phân tách các phản ứng này trong pin nhiên liệu, cần có cực dương, cực âm và chất điện phân. Chất điện phân được nạp trực tiếp với nhiên liệu.

Hoạt động của một tế bào nhiên liệu (Fuel Cell Stack)

2. Hoạt động của tế bào nhiên liệu

Người ta đã phát hiện ra rằng nhiên liệu hydro khi kết hợp với oxy chứng tỏ là một thiết kế hiệu quả nhất. dòng pin này rất đáng tin cậy và hoạt động êm ái nhưng khá tốn kém để chế tạo.

Hoạt động của pin nhiên liệu

Hoạt động của pin là do hydro được truyền qua một điện cực (cực dương), được phủ một chất xúc tác, hydro khuếch tán vào chất điện phân. Điều này làm cho các electron bị tước khỏi các nguyên tử hydro.

Sau đó các electron này đi qua mạch ngoài. Các anion hydro tích điện âm (OH) được hình thành ở điện cực mà oxy đi qua để nó cũng khuếch tán vào dung dịch. Các anion này di chuyển qua chất điện phân đến cực dương. 

Nước được hình thành như sản phẩm phụ của phản ứng liên quan đến các ion hydro, electron và nguyên tử oxy. Nếu sử dụng nhiệt do pin tạo ra, hiệu suất có thể đạt trên 80%, cùng với mật độ năng lượng rất tốt. 

Một đơn vị bao gồm nhiều pin nhiên liệu riêng lẻ thường được gọi là ngăn xếp.

Nhiệt độ làm việc của các tế bào này khác nhau nhưng khoảng 200°C là điển hình. Áp suất cao cũng được sử dụng, và áp suất này có thể ở mức 30 bar. Áp suất và lưu trữ hydro là những vấn đề chính cần khắc phục trước khi pin trở thành một giải pháp thay thế thực tế cho các hình thức lưu trữ khác cho thị trường đại chúng.

Nhiều sự kết hợp giữa nhiên liệu và chất oxy hóa có thể thực hiện được đối với pin nhiên liệu. Mặc dù hydro-oxy đơn giản về mặt khái niệm, nhưng hydro có một số khó khăn thực tế, bao gồm việc nó là chất khí ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn và hiện tại không tồn tại cơ sở hạ tầng để phân phối hydro cho người dùng trong nước. Dễ sử dụng hơn, ít nhất là trong thời gian ngắn, sẽ là pin nhiên liệu chạy bằng nhiên liệu dễ xử lý hơn. 

Cuối cùng, Có hai loại pin nhiên liệu sử dụng metanol:

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

Trong RMFC, một phản ứng được sử dụng để giải phóng hydro từ metanol, sau đó pin nhiên liệu chạy bằng hydro. 

Methanol được sử dụng làm chất mang hydro. DMFC sử dụng metanol trực tiếp.

RMFC có thể được tạo ra hiệu quả hơn trong việc sử dụng nhiên liệu so với DMFC nhưng phức tạp hơn.

Vận hành pin nhiên liệu metanol trực tiếp

DMFC là một loại pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC). Màng trong PEMFC hoàn thành vai trò của chất điện phân và các proton (ion hydro tích điện dương) mang điện tích giữa các điện cực.

Vì nhiên liệu trong DMFC là metanol, không phải hydro nên các phản ứng khác diễn ra ở cực dương.

Methanol là nhiên liệu hydrocarbon (HC), có nghĩa là các phân tử của nó có chứa hydro và carbon (cũng như oxy trong trường hợp metanol). Khi HC cháy, hydro phản ứng với oxy để tạo ra nước và carbon phản ứng với oxy để tạo ra carbon dioxide. Quá trình chung tương tự diễn ra trong DMFC, nhưng trong quá trình này, hydro đi qua màng dưới dạng ion, giống như cách xảy ra trong PEMFC chạy bằng nhiên liệu hydro.

Lợi ích thực sự của metanol là nó có thể dễ dàng phù hợp với cơ sở hạ tầng nhiên liệu hiện có của các trạm nạp và không cần thiết bị hoặc xử lý chuyên dụng cao. Nó rất dễ dàng để lưu trữ trên tàu phương tiện, không giống như hydro cần bình chứa nặng và tốn kém. Nhược điểm lớn là carbon dioxide được tạo ra.

Hệ thống Pin nhiên liệu trên xe

Hy vọng bài viết kỹ thuật này của VATC đã giúp bạn hiểu rõ hơn về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu. Những kiến thức này sẽ giúp bạn nắm bắt tốt hơn tiềm năng và ứng dụng của công nghệ pin nhiên liệu trong tương lai.

Xem thêm:

• Hộp số sàn trên xe ô tô: Tìm hiểu cơ bản những điều cần biết
• Động cơ Turbo tăng áp là gì? Ưu và nhược điểm của loại động cơ này

Trung Tâm Huấn Luyện Kỹ Thuật Ô Tô Việt Nam – VATC

• Địa chỉ: Số 4-6, Đường số 4, Phường Hiệp Bình Phước, Thành Phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh
• Điện thoại: 0945711717
• Email: info@oto.edu.vn