Fuel Cell – Các loại công nghệ pin nhiên liệu

EnterKnow: Fuel Cell – Pin nhiên liệu được phân loại chủ yếu theo loại chất điện phân mà chúng sử dụng. Sự phân loại này xác định loại phản ứng điện hóa diễn ra trong pin, loại chất xúc tác cần thiết, phạm vi nhiệt độ mà pin hoạt động, nhiên liệu cần thiết và các yếu tố khác. Đến lượt mình, những đặc điểm này ảnh hưởng đến các ứng dụng mà các pin này phù hợp nhất. Có một số loại pin nhiên liệu hiện đang được phát triển, mỗi loại có những ưu điểm, hạn chế và ứng dụng tiềm năng riêng.

Pin nhiên liệu màng điện phân polymer (PEM)

Pin nhiên liệu màng điện phân polyme (Polymer electrolyte membrane Fuel Cell- PEM)—còn được gọi là pin nhiên liệu màng trao đổi proton—mang lại mật độ năng lượng cao và mang lại lợi thế về trọng lượng và thể tích thấp so với các loại pin nhiên liệu khác. Pin nhiên liệu PEM sử dụng polyme rắn làm chất điện phân và các điện cực cacbon xốp chứa chất xúc tác bạch kim hoặc hợp kim bạch kim. Chúng chỉ cần hydro, oxy từ không khí và nước để hoạt động. Chúng thường được cung cấp nhiên liệu bằng hydro tinh khiết.

Pin nhiên liệu PEM hoạt động ở nhiệt độ tương đối thấp, khoảng 80°C (176°F). Hoạt động ở nhiệt độ thấp cho phép chúng khởi động nhanh (thời gian khởi động ít hơn) và giúp các bộ phận của hệ thống ít hao mòn hơn, mang lại độ bền cao hơn. Tuy nhiên, nó đòi hỏi phải sử dụng chất xúc tác kim loại quý (thường là bạch kim) để tách các electron và proton của hydro, làm tăng thêm chi phí hệ thống. Chất xúc tác bạch kim cũng cực kỳ nhạy cảm với ngộ độc carbon monoxide, do đó cần phải sử dụng một lò phản ứng bổ sung để giảm carbon monoxide trong khí nhiên liệu nếu hydro có nguồn gốc từ nhiên liệu hydrocarbon. Lò phản ứng này cũng làm tăng thêm chi phí.

Pin nhiên liệu PEM được sử dụng chủ yếu cho các ứng dụng giao thông vận tải và một số ứng dụng cố định. Pin nhiên liệu PEM đặc biệt thích hợp để sử dụng trong các ứng dụng xe cộ, chẳng hạn như ô tô con, xe buýt và xe tải hạng nặng.

Pin nhiên liệu metanol trực tiếp DMFC

Direct methanol fuel cell – DMFC: Hầu hết các pin nhiên liệu được cung cấp năng lượng từ hydro, có thể được cung cấp trực tiếp cho hệ thống pin nhiên liệu hoặc có thể được tạo ra trong hệ thống pin nhiên liệu bằng cách cải tổ các nhiên liệu giàu hydro như nhiên liệu metanol, etanol và hydrocacbon. Tuy nhiên, pin nhiên liệu metanol trực tiếp (DMFC) được cung cấp năng lượng bằng metanol tinh khiết, thường được trộn với nước và đưa trực tiếp đến cực dương của pin nhiên liệu.

Pin nhiên liệu metanol trực tiếp không gặp nhiều vấn đề về lưu trữ nhiên liệu điển hình của một số hệ thống pin nhiên liệu vì metanol có mật độ năng lượng cao hơn hydro—mặc dù ít hơn so với nhiên liệu xăng hoặc dầu diesel. Methanol cũng dễ vận chuyển và cung cấp cho công chúng hơn bằng cách sử dụng cơ sở hạ tầng hiện tại của chúng ta vì nó là chất lỏng, giống như xăng. DMFC thường được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các ứng dụng pin nhiên liệu di động như điện thoại di động hoặc máy tính xách tay.

Pin nhiên liệu kiềm (AFC)

Pin nhiên liệu kiềm (Alkaline fuel cell – AFC) là một trong những công nghệ pin nhiên liệu đầu tiên được phát triển và chúng là loại đầu tiên được sử dụng rộng rãi trong chương trình vũ trụ của Hoa Kỳ để sản xuất năng lượng điện và nước trên tàu vũ trụ. Các pin nhiên liệu này sử dụng dung dịch kali hydroxit trong nước làm chất điện phân và có thể sử dụng nhiều loại kim loại không quý làm chất xúc tác ở anode và cathode. Trong những năm gần đây, AFC mới sử dụng màng polyme làm chất điện phân đã được phát triển. Các pin nhiên liệu này có liên quan chặt chẽ với pin nhiên liệu PEM thông thường, ngoại trừ việc chúng sử dụng màng kiềm thay vì màng axit. Hiệu suất cao của AFC là do tốc độ các phản ứng điện hóa diễn ra trong tế bào. Chúng cũng đã chứng minh được hiệu quả trên 60% trong các ứng dụng không gian.

Một thách thức chính đối với loại pin nhiên liệu này là nó dễ bị ngộ độc bởi carbon dioxide (CO2). Trên thực tế, ngay cả một lượng nhỏ CO2 trong không khí cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất và độ bền của tế bào do sự hình thành cacbonat. Pin kiềm với chất điện phân dạng lỏng có thể chạy ở chế độ tuần hoàn, cho phép tái tạo chất điện phân để giúp giảm tác động của sự hình thành cacbonat trong chất điện phân, nhưng chế độ tuần hoàn gây ra các vấn đề với dòng điện shunt. Các hệ thống chất điện phân lỏng cũng phải chịu thêm các mối lo ngại bao gồm khả năng thấm ướt, gia tăng ăn mòn và khó khăn trong việc xử lý chênh lệch áp suất. Pin nhiên liệu màng kiềm (AMFC) giải quyết những lo ngại này và có khả năng nhiễm độc CO2 thấp hơn so với AFC sử dụng chất điện phân lỏng. Tuy nhiên, CO2 vẫn ảnh hưởng đến hiệu suất và hiệu suất cũng như độ bền của AMFC vẫn kém hơn so với PEMFC. AMFC đang được xem xét cho các ứng dụng trong thang đo từ W đến kW. Những thách thức đối với AMFC bao gồm khả năng chịu đựng carbon dioxide, độ dẫn điện và độ bền của màng, vận hành ở nhiệt độ cao hơn, quản lý nước, mật độ năng lượng và điện xúc tác anode.

Pin nhiên liệu axit photphoric (PAFC)

Pin nhiên liệu axit photphoric (Phosphoric acid fuel cell – PAFC) sử dụng axit photphoric lỏng làm chất điện phân—axit được chứa trong ma trận cacbua silic liên kết Teflon—và các điện cực cacbon xốp chứa chất xúc tác bạch kim. Các phản ứng điện hóa diễn ra trong tế bào nhiên liệu.

PAFC được coi là “thế hệ đầu tiên” của pin nhiên liệu hiện đại. Nó là một trong những loại tế bào trưởng thành nhất và là loại đầu tiên được sử dụng thương mại. Loại pin nhiên liệu này thường được sử dụng để phát điện cố định, nhưng một số PAFC đã được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các phương tiện lớn như xe buýt thành phố.

PAFC chịu được các tạp chất trong nhiên liệu hóa thạch đã được chuyển hóa thành hydro tốt hơn so với tế bào PEM, loại tế bào dễ bị “đầu độc” bởi carbon monoxide vì carbon monoxide liên kết với chất xúc tác bạch kim ở cực dương, làm giảm hiệu suất của pin nhiên liệu. PAFC có hiệu suất hơn 85% khi được sử dụng để đồng phát điện và nhiệt nhưng chúng kém hiệu quả hơn khi chỉ tạo ra điện (37%–42%). Hiệu suất của PAFC chỉ cao hơn một chút so với hiệu suất của các nhà máy điện đốt cháy, vốn thường hoạt động với hiệu suất khoảng 33%. PAFC cũng kém mạnh hơn so với các loại pin nhiên liệu khác, với cùng trọng lượng và thể tích. Kết quả là, các pin nhiên liệu này thường lớn và nặng. PAFC cũng đắt tiền. Chúng yêu cầu lượng chất xúc tác bạch kim đắt tiền cao hơn nhiều so với các loại pin nhiên liệu khác, điều này làm tăng chi phí.

Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC)

Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy (Molten carbonate fuel cell – MCFC) hiện đang được phát triển cho các nhà máy điện chạy bằng than và khí tự nhiên cho các ứng dụng điện, công nghiệp và quân sự. MCFC là pin nhiên liệu nhiệt độ cao sử dụng chất điện phân bao gồm hỗn hợp muối cacbonat nóng chảy lơ lửng trong ma trận oxit nhôm lithium gốm xốp, trơ về mặt hóa học. Vì chúng hoạt động ở nhiệt độ cao 650°C (khoảng 1.200°F), các kim loại không quý có thể được sử dụng làm chất xúc tác ở anode và cathode, giúp giảm chi phí.

Hiệu quả được cải thiện là một lý do khác khiến MCFC giảm chi phí đáng kể so với pin nhiên liệu axit photphoric. Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy, khi kết hợp với tuabin, có thể đạt hiệu suất gần 65%, cao hơn đáng kể so với hiệu suất 37%–42% của nhà máy pin nhiên liệu axit photphoric. Khi nhiệt thải được thu giữ và sử dụng, hiệu suất nhiên liệu tổng thể có thể đạt trên 85%.

Không giống như pin nhiên liệu kiềm, axit photphoric và PEM, MCFC không yêu cầu bộ chuyển đổi bên ngoài để chuyển đổi nhiên liệu như khí tự nhiên và khí sinh học thành hydro. Ở nhiệt độ cao mà MCFC hoạt động, khí mê-tan và các hydrocacbon nhẹ khác trong các nhiên liệu này được chuyển đổi thành hydro trong chính pin nhiên liệu bằng một quy trình gọi là cải tổ bên trong, quy trình này cũng giúp giảm chi phí.

Nhược điểm chính của công nghệ MCFC hiện tại là độ bền. Nhiệt độ cao mà tại đó các tế bào này hoạt động và chất điện phân ăn mòn được sử dụng sẽ đẩy nhanh quá trình phân hủy và ăn mòn thành phần, làm giảm tuổi thọ của tế bào. Các nhà khoa học hiện đang khám phá các vật liệu chống ăn mòn cho các thành phần cũng như thiết kế pin nhiên liệu giúp tăng gấp đôi tuổi thọ của pin từ 40.000 giờ (~5 năm) hiện tại mà không làm giảm hiệu suất.

Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC)

Pin nhiên liệu oxit rắn (Solid oxide fuel cell – SOFC) sử dụng hợp chất gốm cứng, không xốp làm chất điện phân. SOFC có hiệu suất khoảng 60% trong việc chuyển đổi nhiên liệu thành điện năng. Trong các ứng dụng được thiết kế để thu và tận dụng nhiệt thải của hệ thống (đồng phát), hiệu suất sử dụng nhiên liệu tổng thể có thể lên tới 85%.

SOFC hoạt động ở nhiệt độ rất cao – cao tới 1.000°C (1.830°F). Hoạt động ở nhiệt độ cao loại bỏ sự cần thiết của chất xúc tác kim loại quý, do đó giảm chi phí. Nó cũng cho phép các SOFC cải tổ nhiên liệu bên trong, cho phép sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau và giảm chi phí liên quan đến việc thêm một công cụ cải tổ vào hệ thống.

SOFC cũng là loại pin nhiên liệu kháng lưu huỳnh nhất; chúng có thể chịu được lượng lưu huỳnh nhiều hơn vài bậc so với các loại tế bào khác có thể. Ngoài ra, chúng không bị nhiễm độc carbon monoxide, thậm chí có thể được sử dụng làm nhiên liệu. Thuộc tính này cho phép SOFC sử dụng khí đốt tự nhiên, khí sinh học và khí làm từ than đá. Hoạt động ở nhiệt độ cao có nhược điểm. Điều này dẫn đến việc khởi động chậm và yêu cầu phải có lớp chắn nhiệt đáng kể để giữ nhiệt và bảo vệ con người, điều này có thể chấp nhận được đối với các ứng dụng tiện ích nhưng không phù hợp với phương tiện giao thông. Nhiệt độ hoạt động cao cũng đặt ra các yêu cầu nghiêm ngặt về độ bền đối với vật liệu. Sự phát triển của vật liệu chi phí thấp với độ bền cao ở nhiệt độ hoạt động của tế bào là thách thức kỹ thuật chính đối với công nghệ này.

Các nhà khoa học hiện đang khám phá tiềm năng phát triển các SOFC nhiệt độ thấp hơn hoạt động ở hoặc dưới 700°C có ít vấn đề về độ bền hơn và chi phí thấp hơn. Tuy nhiên, các SOFC nhiệt độ thấp hơn vẫn chưa phù hợp với hiệu suất của các hệ thống nhiệt độ cao hơn và các vật liệu ngăn xếp sẽ hoạt động trong phạm vi nhiệt độ thấp hơn này vẫn đang được phát triển.

Pin nhiên liệu đảo ngược

Pin nhiên liệu đảo ngược tạo ra điện từ hydro và oxy, đồng thời tạo ra nhiệt và nước dưới dạng các sản phẩm phụ, giống như các pin nhiên liệu khác. Tuy nhiên, hệ thống pin nhiên liệu đảo ngược cũng có thể sử dụng điện từ năng lượng mặt trời, năng lượng gió hoặc các nguồn khác để tách nước thành nhiên liệu oxy và hydro thông qua một quá trình gọi là điện phân. Pin nhiên liệu đảo ngược có thể cung cấp năng lượng khi cần thiết, nhưng trong thời gian sản xuất năng lượng cao từ các công nghệ khác (chẳng hạn như khi gió lớn dẫn đến dư thừa năng lượng gió có sẵn), pin nhiên liệu đảo ngược có thể lưu trữ năng lượng dư thừa ở dạng hydro. Khả năng lưu trữ năng lượng này có thể là yếu tố quyết định chính cho các công nghệ năng lượng tái tạo không liên tục.