Bài giảng Năng lượng tái tạo - Chương 5: Pin nhiên liệu - Nguyễn Bá Thành

Chương này được biên soạn nhằm cung cấp cho sinh viên:
Pin nhiên liệu.
Nguyên lý làm việc của pin nhiên liệu.
Cách chế tạo pin nhiên liệu trong phòng thí nghiệm.
Câu hỏi chương 5:
Anh/chị hãy cho biết cấu tạo, nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu?
Anh/chị hãy cho biết một số ứng dụng công nghệ pin nhiên liệu?
Chương 5 Pin nhiên liệu
5.1 Nhiên liệu hydro/pin nhiên liệu là gì?
Pin nhiên liệu là một thiết bị chuyển hóa nhiên liệu như khí hydro, rượu, xăng, hay khí metan trực tiếp thành dòng điện. Pin nhiên liệu hydrogen tạo ra được dòng điện mà không gây ra bất kỳ sự ô nhiễm nào, vì sản phẩm tạo ra là nước tinh khiết. Pin nhiên liệu hydrogen được sử dụng cho tàu du hành vũ trụ và các ứng dụng kỹ thuật cao khác hay những nơi cần tránh sự ô nhiễm, hay nơi cần nguồn năng lượng có hiệu quả cao.
5.2 Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu có hai cực, hydrogen được cho vào cực dương (anode), còn oxygen (từ không khí) vào cực âm (cathode). Hình 5.1 Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu là một thiết bị chuyển đổi năng lượng điện hóa dựa trên phản ứng hóa học giữa khí hyđrô và ôxy để tạo thành nước. Thiết bị chuyển đổi năng lượng điện hóa khá gần gũi trong đời sống là ắc quy. Điểm khác biệt giữa loại này và pin nhiên liệu là hóa chất nằm trong ắc quy nên dùng một thời gian ắc quy "sẽ chết". Ở pin nhiên liệu, hóa chất được thổi qua pin một cách liên tục. Hầu hết các pin nhiên liệu hiện nay dùng hyđrô và ôxy.
Khí hyđrô được nén và thổi vào pin nhiên liệu ở phía cực âm (anode). Tại đây, phân tử hyđrô tiếp xúc với platin và phân hủy thành hai iôn H+, giải phóng hai điện tử (electron). Dòng điện tử chạy trong dây dẫn ra mạch ngoài, tạo thành dòng điện làm quay động cơ. Còn protons H+ chuyển đến cực âm qua mạng lọc (membrane), họp lại với electrons và oxygen tạo thành nhiệt và nước tinh khiết theo cách như sau:
Tổng cộng:
Trong khi đó, ở cực dương, khí ôxy được thổi qua cực dương và hình thành hai nguyên tử ôxy hút các iôn hyđrô để tạo thành nước. Phản ứng như vậy sẽ tạo ra dòng điện có hiệu điện thế 0,7 V. Khi ta đặt nhiều pin nhiên liệu với nhau, sẽ tạo thành một dòng điện mạnh.
5.3 Lịch sử phát triển pin nhiên liệu
Năm 1839, William Robert Grove (1811 – 1896), một luật gia – nhà vật lý người Anh đã tạo ra pin nhiên liệu đầu tiên.
Năm 1900, các nghiên cứu đã chuyển trực tiếp năng lượng hoá học của các dạng năng lượng hoá thạch sang điện năng, tiêu biểu là hệ thống pin nhiên liệu Hydro ra đời.
Năm 1920, TS. Alfred Schmid là người tiên phong trong việc xây dựng bộ phân tích bằng Platium, các điện cực cacbon – hydro xốp dưới hình thức ống.
Năm 1932, Francis Thomas Bacon, một giáo sư công nghệ tại Đại học Cambridge, Anh, đã chế tạo ra hệ thống pin nhiên liệu alkine (AFC) sử dụng điện cực kim loại xốp là nền tảng cho NASA chế tạo tàu vũ trụ sử dụng pin nhiên liệu để đưa người lên mặt trăng vào năm 1968.
Năm 1963, pin nhiên liệu sử dụng màng được phát triển bởi hãng GE nhờ công trình của Thomas Grubb và Leonard Niedrach.
Năm 1970, Karl Kordesh xây dựng bộ pin nhiên liệu kết hợp acqui trên một ô tô lai 4 chỗ và đã hoạt động được 3 năm ở thành phố thường xảy ra kẹt xe.
Giữa năm 1970, tế bào nhiên liệu dùng hệ thống axit photphoric ra đời.
Năm 1980, pin nhiên liệu dùng cacbon nấu chảy (MCFC) phát triển mạnh.
Năm 1990, pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) được phát triển.
Những năm 1990s, pin nhiên liệu dạng màng (PEFC) xuất hiện với mật độ công suất thu được rất cao.
Pin nhiên liệu sẽ có thể nắm giữ vai trò chủ đạo trong viễn cảnh nguồn năng lượng của thế giới trong tương lai. Những đặc điểm ưu việt của nó như hiệu suất cao, ổn định lớn, độ phát xạ thấp, không gây ồn, không gây ô nhiễm môi trường,sẽ bắt buộc pin nhiên liệu sử dụng trong các nhà máy điện trong tương lai. Có thể nói Hydro sẽ trở thành nguồn năng lượng của thế kỷ 21, mà như các nghiên cứu chỉ ra rằng, pin nhiên liệu có một ưu thế không thể nghi ngờ hơn tất cả các thiết bị biến đổi năng lượng khác.
Ưu và nhược điểm của pin nhiên liệu:
Ưu điểm:
Pin nhiên liệu có thể được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như: bệnh viện, các phương tiện vận chuyển, trạm không gian, khách sạn, các nhu cầu sinh hoạt của con người.
So với năng lượng truyền thống, pin nhiên liệu không gây ô nhiễm môi trường; sản phẩm thải ra là H2O.
Hiệu suất cao > 60%.
Độ tin cậy cao.
Không gây ra tiếng ồn. 
Nhược điểm: giá thành cao (hệ thống pin nhiên liệu loại màng khoảng 20.000 $ trên một đơn vị KW).
5.4 Phân loại 
Các hệ thống pin nhiên liệu được phân loại theo nhiều cách khác nhau tùy theo cách nhìn:
Phân loại theo nhiệt độ hoạt động.
Phân theo loại các chất tham gia phản ứng.
Phân loại theo điện cực.
Phân theo loại các chất điện phân là cách phân loại thông dụng ngày nay.
Liệt kê dưới đây là 6 loại tế bào nhiên liệu khác nhau:
AFC (Alkaline fuel cell - tế bào nhiên liệu kiềm).
PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - trao đổi hạt nhân qua mạng lọc).
PAFC (Phosphoric acid fuel cell - tế bào nhiên liệu axit phosphoric).
MCFC (Molten carbonate fuel cell - tế bào nhiên liệu carbonat nóng chảy).
SOFC (Solid oxide fuel cell - tế bào nhiên liệu oxit rắn).
DMFC (Direct methanol fuel cell - tế bào nhiên liệu methanol trực tiếp).
Trong các loại trên thì PEMFC có nhiều triển vọng dùng trong các loại xe cộ. SOFC và APU cũng đều có khả năng trong ứng dụng trên ô tô. PEMFC, MCFD và SOFC cùng có trong tương lai trong ứng dụng trên các trạm phát điện. PAFC là công nghệ mới được nghiên cứu tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề kĩ thuật. DMFC có thể tạo bước đột phá trong lĩnh vực thiết bị di dộng. AFC được có thể được ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ.
Nhiệt độ vận hành của những loại tế bào nhiên liệu khác nhau (nằm trong khoảng từ 60 tới 1000 độ C). Sự khác nhau còn nằm ở cấu trúc điện cực, sự tinh khiết của hydro ở anode (DMFC dùng methanol).
5.5 Cách tạo một pin nhiên liệu hidrogen đơn giản
Pin nhiên liệu là một thiết bị chuyển hóa nhiên liệu như khí hydro, rượu, xăng, hay khí metan trực tiếp thành dòng điện. Pin nhiên liệu hydrogen tạo ra được dòng điện mà không gây ra bất kỳ sự ô nhiễm nào, vì sản phẩm tạo ra là nước tinh khiết. Pin nhiên liệu hydrogen được sử dụng cho tàu du hành vũ trụ và các ứng dụng kỹ thuật cao khác hay những nơi cần tránh sự ô nhiễm, hay nơi cần nguồn năng lượng có hiệu quả cao.
 Bạn có thể tạo được một pin nhiên liệu chỉ với 10 phút trong nhà bếp và thấy được khí hydro và khí oxy kết hợp với nhau như thế nào để tạo thành năng lượng điện sạch.
 Để làm một pin nhiên liệu chúng ta cần:
- Một dây Nickel phủ Platin, hay platin nguyên chất.
- Một que kem, một mảnh gỗ, hay một mảnh nhựa hình chữ nhật.
- Một đầu kẹp pin 9 vol.
- Một pin 9 vol.
- Một vài mảnh băng keo trong suốt.
- Một ly thủy tinh.
- Một vol kế.
-Dây điện.
Đầu tiên cắt dây platin thành hai dây nhỏ chiều dài khoảng 10 cm, xoắn 2 dây này thành hai cuộn xoắn nhỏ để làm điện cực cho pin nhiên liệu.
Kế tiếp, Gọt bỏ phần nhựa bên ngoài ở đầu còn lại của hai dây dẫn nối với đầu kẹp pin. Nối hai đầu này vào hai cuộn platin. Hai dây điện khác được nối từ hai cuộn Platin ra và đầu còn lại nối vào vol kế.
Hai điện cực được dán dính cứng vào thanh gỗ. Cuối cùng thanh gỗ được đặt lên trên, nằm ngang và được dán cứng vào ly nước, sao cho hai điện cực bị ngập trong nước gần hết chiều dài của chúng. Dây điện nối với hai cuộn điện cực phải không được chạm mặt nước, chỉ có phần mạ platin tiếp xúc với nước. Nối dây màu đỏ vào đầu cực dương của vol kế, và dây màu đen nối với đầu âm của vol kế. Giá trị trên vol kế sẽ báo là zero, hay trường hợp có thể giá trị dao động lên một chút như 0.01 V.
 Quá trình làm pin nhiên liệu hoàn tất, Để vận hành pin nhiên liệu ta cần phải có những bọt khí hydro bám vào một điện cực, và khí oxy bám vào một điện cực khác. Để làm được như vậy một phương pháp rất đơn giản được tiến hành như sau. Chúng ta đặt hai đầu cực của pin 9 vol vào đầu kẹp của chúng (không cần phải gắn cứng vào, do chỉ cần cho tiếp xúc khoảng vài giây). Gắn Pin vào đầu kẹp thì nước tiếp xúc với các điện cực platin bị phân ly thành khí hydro và khí oxy, quá trình này gọi là điện phân. Có thể thấy những bọt khí nhỏ được sinh ra ở các điện cực khi pin được gắn vào.
 Bây giờ gỡ bỏ pin ra. Nếu không có lớp phủ platin thì giá trị trên vol kế sẽ trở về zero, do đã gỡ Pin ra. Nhưng ở đây khi gỡ Pin ra thì giá trị trên vol kế vẫn hiển trị, do Platin kim loại như là chất xúc tác, cho phép hydrogen và oxygen kết hợp với nhau. Quá trình phản ứng sẽ đảo ngược trở lại. Thay vì cung cấp điện để phân ly nước, thì bây giờ hydrogen và oxygen kết hợp lại tạo thành dòng điện và nước.  
 Chúng ta bắt đầu có giá trị hơn 2 vol của pin nhiên liệu. Những bọt khí hòa tan trong nước được sử dụng để phản ứng. Điện thế của pin nhiên liệu ban đầu giảm nhanh và dần dần giảm chậm lại sau thời gian khoảng 1 phút.
Giá trị thế nhỏ và giảm chậm là do những bọt khí còn sót lại lở lửng trong nước tạo ra điện. Quá trình trên chúng ta đã chuyển năng lượng điện 9 vol thành các bọt khí hydro và oxy. Đây là quá trình nạp điện. Chúng ta có thể lấy các bọt khí hydro và oxy từ các nguồn khác để có được dòng điện. Chúng ta có thể sản xuất khí hydro và oxy từ nguồn năng lượng mặt trời vào ban ngày. Sau đó dự trữ chúng và sử dụng để tạo dòng điện vào ban đêm. Chúng ta cũng có thể dự trữ khí hydro trong các bình khí nén trên xe hơi chạy bằng năng lượng điện. Chúng ta có hai quá trình: điện phân nước tạo khí hydro và khí oxy, và kết hợp trở lại của hai khí này để tạo thành điện.
Quá trình điện phân nước:
Điện cực nối với đầu âm của pin cung cấp electron. Điện cực âm sẽ cho 4 electron kết hợp với 4 phân tử nước tạo thành 2 phân tử hydrogen và 4 ion OH-.
 Những bọt khí hydro và ion âm OH- di chuyển ra khỏi điện cực và đi vào lòng chất lỏng. Ở điện cực khác, điện cực nối với đầu dương của Pin, điện cực nhiễm điện dương và thiếu electron, nên lấy electron từ phân tử nước, tạo ra ion dương H+ và phân tử khí oxy. Bọt khí Oxy và ion H+ rời khỏi điện cực và di chuyển vào lòng chất lỏng.
 Proton ( ion H+) kết hợp với OH- tạo thành lại phân tử nước
Quá trình tạo dòng điện:
Khi Pin được lấy ra, các phân tử Hydrogen dưới dạng các bọt khí tiến đến điện cực, vỡ ra và xảy ra phản ứng với xúc tác Platin tạo ra H+ (proton) và các electron.
Ở điện cực còn lại, phân tử oxygen chứa trong các bọt khí tiến đến bề mặt điện cực, dưới xúc tác Platin và Oxygen sẽ nhận electron đồng thời kết hợp với H+ trong nước ( mới vừa được tạo thành) tạo thành phân tử nước.
 Điện cực oxygen sẽ mất 2 electron cho mỗi phân tử khí Oxy. Điện cực Hydrogen sẽ nhận 2 electron cho mỗi phân tử khí hydro. Electron ở điện cực hydrogen sẽ chạy sang điện cực oxygen, và tạo thành dòng điện trên dây dẫn nối hai điện cực. Trên dây dẫn nối các thiết bị tiêu thụ điện như đèn hay vol kế. Quá trình tạo ra điện được tóm tắt với hình sau: 
5.6 Ứng dụng pin nhiên liệu
Tế bào nhiên liệu được sử dụng đầu tiên trong những lĩnh vực mà phí tổn không đóng vai trò quan trọng. Tế bào nhiên liệu nhẹ và hiệu quả hơn ắc quy đồng thời đáng tin cậy và ít ồn ào hơn động cơ Diesel. Những điều này giải thích tại sao giới quân sự và ngành du hành vũ trụ quan tâm đến công nghệ này rất sớm. Một số tàu thuyền trên biển cũng dùng tế bào nhiên liệu.
Động cơ thúc đẩy cho các ứng dụng dân sự xuất phát từ nhận thức trữ lượng dầu mỏ trên Trái Đất là có hạn nhưng vẫn mong muốn tiếp tục kinh doanh xe thời kỳ sau dầu mỏ vốn đang mang về nhiều lợi nhuận.
Từ 20 năm nay nhiều hãng sản xuất xe (DaimlerChrysler, Ford, Honda, Opel) đã nghiên cứu về xe có nhiên liệu là hiđrô, sử dụng tế bào nhiên liệu để chuyển hóa năng lượng và dùng động cơ điện để vận hành. Kỷ thuật này đã được phát triển cho xe buýt, xe du lịch, xe tải nhẹ. Ở Hamburg (Đức) và Stuttgart (Đức) người ta đang thử nghiệm chạy xe buýt sử dụng nhiên liệu hydro trên các tuyến đường xe buýt bình thường. Từ năm 2003 hai hãng đóng tàu của Đức đã cung cấp loại tàu ngầm vận hành bằng điện được cung cấp từ máy phát điện Diesel hoặc từ một hệ thống tế bào nhiên liệu hiđrô.
Các tế bào nhiên liệu sử dụng khí đốt đang chuẩn bị đẩy lùi các thiết bị kết hợp phát điện và sưởi (combined heat and power plant). Ở hệ thống này khí đốt được biến đổi thành hiđrô đưa vào tế bào nhiên liệu.
Một số vật dụng cầm tay như điện thoại di động, máy vi tính xách tay, máy quay phim, vật liệu cắm trại hay quân sự cũng đang tiến tới ứng dụng loại nguồn cung cấp năng lượng này.