18.3.19
1. Khái niệm pin nhiên liệu:

Pin nhiên liệu là thiết bị điện hóa biến đổi trực tiếp hóa năng (thường là khí hydro, methanol, ethanol,và chất oxy hóa như oxy) thành điện năng. Về cơ bản pin nhiên liệu có những thành phần và đặc điểm giống ắcquy nhưng có rất nhiều điểm khác pin thông thường là thiết bị tồn trữ năng lượng và sẽ ngừng hoạt động khi các chất hóa học được tiêu thụ hết cần phải nạp điện lại từ nguồn cung cấp điện bên ngoài, ngược lại pin nhiên liệu thì không tích trữ nhiên liệu bên trong, dòng điện trong pin được tạo ra liên tục khi có nguồn nhiên liệu bên ngoài được cung cấp trực tiếp và liên tục. So với các loại pin cổ điển, pin nhiên liệu sinh ra chất thải gây ô nhiễm môi trường rất thấp hoặc không gây ô nhiễm và lượng nước sinh ra sau phản ứng là nước sạch có thể dùng uống được.

Loại thiết bị điện khí hóa thông dụng nhất mà chúng ta sử dụng hàng ngày là pin. Hóa chất tích trữ trong pin chuyển đổi thành năng lượng điện nhưng rồi hóa chất sẽ hết dần làm cho pin bị phế thải. Ngược lại, pin nhiên liệu chuyển hóa năng lượng từ phản ứng hóa học thành điện năng. Cụ thể là quá trình tổng hợp hydro và oxy thành nước vừa tạo ra dòng điện ở mạch ngoài vừa tạo sức nóng cho động cơ làm việc. Đó là một hệ thống hở đòi hỏi phải cung cấp nhiên liệu liên tục trong suốt quá trình hoạt động nhờ vậy pin sẽ vận hành mãi mãi. Ngày nay, phần lớn pin nhiên liệu sử dụng hydro và oxy làm nguồn chạy pin, một số khác dùng methanol...

2. Cấu tạo Pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu có cấu tạo đơn giản bao gồm ba lớp nằm trên nhau:
- Lớp thứ nhất là điện cực nhiên liệu - anode.
- Lớp thứ hai là chất điện giải dẫn proton - màng.
- Lớp thứ ba là điện cực khí oxy - cathode.
Hai điện cực được làm bằng chất dẫn điện (kim loại, than chì, ...). Trên bề mặt các điện cực có phủ một lớp chất xúc tác. Chất xúc tác làm bằng bột platinum, phủ rất mỏng lên giấy than hoặc vải than, rất nhám và rổ với những lỗ rất nhỏ. Mặt nhám tiếp xúc với khí hydro và oxy, mặt phẳng mềm tiếp xúc với tác nhân hóa học.

Chất điện giải được dùng từ nhiều chất khác nhau tùy thuộc vào loại của pin: có loại ở thể rắn, có loại ở thể lỏng và có cấu trúc màng. Vì một pin riêng lẻ chỉ tạo được một điện thế rất thấp cho nên tùy theo điện thế cần dùng thì nhiều pin được ghép lại với nhau, tức là chồng lên nhau. Người ta thường
gọi sự chồng lớp lên nhau như vậy là stack. Ngoài ra, hệ thống đầy đủ cần có các thiết bị phụ trợ như máy nén, máy bơm, để cung cấp các khí đầu vào, máy trao đổi nhiệt, hệ thống kiểm tra các yêu cầu, sự chắc chắn của vận hành máy, hệ thống dự trữ và điều chế nhiên liệu.

3. Cơ chế hoạt động pin nhiên liệu

Về phương diện hóa học pin nhiên liệu là phản ứng ngược lại của sự điện phân. Trong quá trình điện phân, nước bị tách ra thành khí hydro và oxy nhờ vào năng lượng điện. Pin nhiên liệu lấy hai chất này biến đổi chúng thành nước và tạo ra dòng điện ở mạch ngoài.

Nhiên liệu (khí H2) được dẫn liên tục vào điện cực anode; còn chất oxy hóa, thông thường là oxy, được đưa vào cathode.

* H2 đi qua màng xúc tác dưới tác dụng của áp suất. Khi một phân tử H2 đến tiếp
xúc Pt, sẽ bị phân tách thành 2H+ và 2e-

Phản ứng tại anode: H2 -> 2H+ +2e-  (1.1)

* Các proton H+ di chuyển trong chất điện giải xuyên qua màng đi đến cathode. Các điện tử được giải phóng đi từ anode qua mạch bên ngoài về cathode kết hợp với khí oxy và các ion H+ sinh ra nước đồng thời tạo ra dòng điện ở mạch ngoài.

Phản ứng tại cathode: 1/2O2 + 2e- + 2H+ -> H2O (1.2)

* Phản ứng tổng quát trong pin nhiên liệu: H2 + 1/2 O2 -> H2O (1.3)

Nguồn: Chuyên đề: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO PIN NHIÊN LIỆU – TRIỂN VỌNG XU HƯỚNG NHIÊN LIỆU SẠCH VÀ XANH, : Trung tâm Thông tin Khoa học và Công nghệ TP. HCM