Tài liệu PIN NHIEN LIEU pdf

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực
MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
CHƯƠNG 1 7
KHÁI QUÁT VỀ 7
PIN NHIÊN LIỆU 7
Chương 1 8
KHÁI QUÁT VỀ PIN NHIÊN LIỆU 8
1.1.KHÁI NIỆM VỀ PIN NHIÊN LIỆU 8
1.2.LỊCH SỬ HÌNH THÀNH PIN NHIÊN LIỆU 9
1.3.CẤU TẠO CHUNG VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA
PIN NHIÊN LIỆU 12
1.3.1.Cấu tạo chung của pin nhiên liệu đơn giản 12
1.3.2.Nguyên lý hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu 13
1.4.SỨC ĐIỆN ĐỘNG THUẬN NGHỊCH CỦA PIN NHIÊN LIỆU 15
1.5.CỤM PIN NHIÊN LIỆU VÀ HỆ THỐNG PIN NHIÊN LIỆU 18
1.5.1.Cụm pin nhiên liệu 18
1.5.2.Hệ thống pin nhiên liệu 19
CHƯƠNG 2 21
CÁC KIỂU 21
PIN NHIÊN LIỆU 21
Chương 2 22
CÁC KIỂU PIN NHIÊN LIỆU 22
2.1.PHÂN LOẠI PIN NHIÊN LIỆU 22
2.2.GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI PIN NHIÊN LIỆU CHÍNH 23
2.2.1.Pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer (PEMFC) 23
2.2.2.Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC) 28
2.2.3.Pin nhiên liệu kiềm (AFC) 30
2.2.4.Pin nhiên liệu axit phosphoric (PAFC) 32
2.2.5.Pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy (MCFC) 33
2.2.6.Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) 35

CHƯƠNG 3 37
CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ PIN NHIÊN LIỆU 37
Chương 3 38
CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ PIN NHIÊN LIỆU 38
3.1.HIỆU SUẤT CỦA PIN NHIÊN LIỆU 38
3.1.1.Hiệu suất lý tưởng của pin nhiên liệu 38
3.1.2.Hiệu suất điện áp của pin nhiên liệu 39
3.1.3.Hiệu suất sử dụng nhiên liệu 41
3.1.4.Hiệu suất tổng quát của pin nhiên liệu 42
Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell) 1
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực
3.2.NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG CHO PIN NHIÊN LIỆU 42
3.2.1.Sản xuất hydro 42
3.2.2.Lưu chứa hydro 45
3.2.3.Phân phối hydro 48
3.2.4.Sản xuất hydro trực tiếp trên hệ thống pin nhiên liệu 49
3.2.5.Vấn đề an toàn của nhiên liệu hydro 50
3.2.6.Tỉ lệ hòa trộn giữa nhiên liệu và chất oxy hóa 52
3.3.SỰ TÁC ĐỘNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU ĐẾN MÔI TRƯỜNG 53
3.4.CHI PHÍ CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG PIN NHIÊN LIỆU 54
3.5.PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU 55
3.5.1.Các ứng dụng cầm tay 55
3.5.2.Các ứng dụng tónh tại 56
3.5.3.Các ứng dụng di động 56
3.6.ĐÁNH GIÁ ƯU ĐIỂM VÀ NHƯC ĐIỂM CỦA PIN NHIÊN LIỆU 57
3.6.1.Ưu điểm 57
3.6.2.Nhược điểm 60
CHƯƠNG 4 61
ỨNG DỤNG CỦA 61
PIN NHIÊN LIỆU 61

TRÊN ÔTÔ 61
Chương 4 62
ỨNG DỤNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU TRÊN ÔTÔ 62
4.1.KHÁI QUÁT VỀ ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 62
4.2.PHÂN LOẠI ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 65
4.2.1.Ôtô pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu thứ cấp 65
4.2.2. Ôtô pin nhiên liệu sử dụng hydro trực tiếp 65
4.3.CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH TRÊN ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 66
4.3.1.Hệ thống pin nhiên liệu 66
4.3.2.Thùng chứa nhiên liệu 66
4.3.3.Bộ chuyển đổi nhiên liệu (thiết bò tạo ra hydro) 67
4.3.4.Nguồn công suất cực đại 69
4.3.5.Động cơ điện 72
4.3.6.Bộ chuyển đổi điện 73
4.4.BỐ TRÍ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC TRÊN ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU. .74
4.5.HOẠT ĐỘNG CỦA ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 75
4.5.1.Các chế độ vận hành của ôtô pin nhiên liệu 75
4.5.2.Sự dao động năng lượng của PPS 83
4.6.GIỚI THIỆU MỘT SỐ ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 84
4.6.1.Ôtô pin nhiên liệu của General Motors (GM) 84
4.6.2.Ôtô pin nhiên liệu của Pininfarina 85
4.7.SO SÁNH HIỆU SUẤT NĂNG LƯNG CỦA ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU
VỚI CÁC LOẠI ÔTÔ KHÁC 87
Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell) 2
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực
TÀI LIỆU THAM KHẢO 92
MỤC LỤC 1
CHƯƠNG 1 7
KHÁI QUÁT VỀ 7
PIN NHIÊN LIỆU 7

Chương 1 8
KHÁI QUÁT VỀ PIN NHIÊN LIỆU 8
1.1.KHÁI NIỆM VỀ PIN NHIÊN LIỆU 8
1.2.LỊCH SỬ HÌNH THÀNH PIN NHIÊN LIỆU 9
1.3.CẤU TẠO CHUNG VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA
PIN NHIÊN LIỆU 12
1.3.1.Cấu tạo chung của pin nhiên liệu đơn giản 12
1.3.2.Nguyên lý hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu 13
1.4.SỨC ĐIỆN ĐỘNG THUẬN NGHỊCH CỦA PIN NHIÊN LIỆU 15
1.5.CỤM PIN NHIÊN LIỆU VÀ HỆ THỐNG PIN NHIÊN LIỆU 18
1.5.1.Cụm pin nhiên liệu 18
1.5.2.Hệ thống pin nhiên liệu 19
CHƯƠNG 2 21
CÁC KIỂU 21
PIN NHIÊN LIỆU 21
Chương 2 22
CÁC KIỂU PIN NHIÊN LIỆU 22
2.1.PHÂN LOẠI PIN NHIÊN LIỆU 22
2.2.GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI PIN NHIÊN LIỆU CHÍNH 23
2.2.1.Pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer (PEMFC) 23
2.2.1.1. Cấu tạo của PEMFC 23
2.2.1.2. Nguyên lý hoạt động của PEMFC 26
2.2.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất và độ ẩm 27
2.2.2.Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC) 28
2.2.3.Pin nhiên liệu kiềm (AFC) 30
2.2.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 30
2.2.3.2. Các đặc điểm 31
2.2.4.Pin nhiên liệu axit phosphoric (PAFC) 32
2.2.4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 32
2.2.4.2. Các đặc điểm 33

2.2.5.Pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy (MCFC) 33
2.2.5.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 33
2.2.5.2. Các đặc điểm 34
2.2.6.Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) 35
2.2.6.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 35
2.2.6.2. Các đặc điểm 35
CHƯƠNG 3 37
Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell) 3
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực
CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ PIN NHIÊN LIỆU 37
Chương 3 38
CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ PIN NHIÊN LIỆU 38
3.1.HIỆU SUẤT CỦA PIN NHIÊN LIỆU 38
3.1.1.Hiệu suất lý tưởng của pin nhiên liệu 38
3.1.2.Hiệu suất điện áp của pin nhiên liệu 39
3.1.3.Hiệu suất sử dụng nhiên liệu 41
3.1.4.Hiệu suất tổng quát của pin nhiên liệu 42
3.2.NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG CHO PIN NHIÊN LIỆU 42
3.2.1.Sản xuất hydro 42
3.2.2.Lưu chứa hydro 45
3.2.3.Phân phối hydro 48
3.2.4.Sản xuất hydro trực tiếp trên hệ thống pin nhiên liệu 49
3.2.5.Vấn đề an toàn của nhiên liệu hydro 50
3.2.6.Tỉ lệ hòa trộn giữa nhiên liệu và chất oxy hóa 52
3.3.SỰ TÁC ĐỘNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU ĐẾN MÔI TRƯỜNG 53
3.4.CHI PHÍ CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG PIN NHIÊN LIỆU 54
3.5.PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU 55
3.5.1.Các ứng dụng cầm tay 55
3.5.2.Các ứng dụng tónh tại 56
3.5.3.Các ứng dụng di động 56

3.6.ĐÁNH GIÁ ƯU ĐIỂM VÀ NHƯC ĐIỂM CỦA PIN NHIÊN LIỆU 57
3.6.1.Ưu điểm 57
3.6.2.Nhược điểm 60
CHƯƠNG 4 61
ỨNG DỤNG CỦA 61
PIN NHIÊN LIỆU 61
TRÊN ÔTÔ 61
Chương 4 62
ỨNG DỤNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU TRÊN ÔTÔ 62
4.1.KHÁI QUÁT VỀ ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 62
4.2.PHÂN LOẠI ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 65
4.2.1.Ôtô pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu thứ cấp 65
4.2.2. Ôtô pin nhiên liệu sử dụng hydro trực tiếp 65
4.3.CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH TRÊN ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 66
4.3.1.Hệ thống pin nhiên liệu 66
4.3.2.Thùng chứa nhiên liệu 66
4.3.3.Bộ chuyển đổi nhiên liệu (thiết bò tạo ra hydro) 67
4.3.4.Nguồn công suất cực đại 69
4.3.5.Động cơ điện 72
4.3.6.Bộ chuyển đổi điện 73
4.4.BỐ TRÍ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC TRÊN ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU. .74
Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell) 4
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực
4.5.HOẠT ĐỘNG CỦA ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 75
4.5.1.Các chế độ vận hành của ôtô pin nhiên liệu 75
4.5.2.Sự dao động năng lượng của PPS 83
4.6.GIỚI THIỆU MỘT SỐ ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 84
4.6.1.Ôtô pin nhiên liệu của General Motors (GM) 84
4.6.2.Ôtô pin nhiên liệu của Pininfarina 85
4.7.SO SÁNH HIỆU SUẤT NĂNG LƯNG CỦA ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU

VỚI CÁC LOẠI ÔTÔ KHÁC 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO 92
MỤC LỤC 1
CHƯƠNG 1 7
KHÁI QUÁT VỀ 7
PIN NHIÊN LIỆU 7
Chương 1 8
KHÁI QUÁT VỀ PIN NHIÊN LIỆU 8
1.1.KHÁI NIỆM VỀ PIN NHIÊN LIỆU 8
1.2.LỊCH SỬ HÌNH THÀNH PIN NHIÊN LIỆU 9
1.3.CẤU TẠO CHUNG VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA
PIN NHIÊN LIỆU 12
1.3.1.Cấu tạo chung của pin nhiên liệu đơn giản 12
1.3.2.Nguyên lý hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu 13
1.4.SỨC ĐIỆN ĐỘNG THUẬN NGHỊCH CỦA PIN NHIÊN LIỆU 15
1.5.CỤM PIN NHIÊN LIỆU VÀ HỆ THỐNG PIN NHIÊN LIỆU 18
1.5.1.Cụm pin nhiên liệu 18
1.5.2.Hệ thống pin nhiên liệu 19
CHƯƠNG 2 21
CÁC KIỂU 21
PIN NHIÊN LIỆU 21
Chương 2 22
CÁC KIỂU PIN NHIÊN LIỆU 22
2.1.PHÂN LOẠI PIN NHIÊN LIỆU 22
2.2.GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI PIN NHIÊN LIỆU CHÍNH 23
2.2.1.Pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer (PEMFC) 23
2.2.2.Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC) 28
2.2.3.Pin nhiên liệu kiềm (AFC) 30
2.2.4.Pin nhiên liệu axit phosphoric (PAFC) 32
2.2.5.Pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy (MCFC) 33

2.2.6.Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) 35
CHƯƠNG 3 37
CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ PIN NHIÊN LIỆU 37
Chương 3 38
CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ PIN NHIÊN LIỆU 38
Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell) 5
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực
3.1.HIỆU SUẤT CỦA PIN NHIÊN LIỆU 38
3.1.1.Hiệu suất lý tưởng của pin nhiên liệu 38
3.1.2.Hiệu suất điện áp của pin nhiên liệu 39
3.1.3.Hiệu suất sử dụng nhiên liệu 41
3.1.4.Hiệu suất tổng quát của pin nhiên liệu 42
3.2.NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG CHO PIN NHIÊN LIỆU 42
3.2.1.Sản xuất hydro 42
3.2.2.Lưu chứa hydro 45
3.2.3.Phân phối hydro 48
3.2.4.Sản xuất hydro trực tiếp trên hệ thống pin nhiên liệu 49
3.2.5.Vấn đề an toàn của nhiên liệu hydro 50
3.2.6.Tỉ lệ hòa trộn giữa nhiên liệu và chất oxy hóa 52
3.3.SỰ TÁC ĐỘNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU ĐẾN MÔI TRƯỜNG 53
3.4.CHI PHÍ CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG PIN NHIÊN LIỆU 54
3.5.PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU 55
3.5.1.Các ứng dụng cầm tay 55
3.5.2.Các ứng dụng tónh tại 56
3.5.3.Các ứng dụng di động 56
3.6.ĐÁNH GIÁ ƯU ĐIỂM VÀ NHƯC ĐIỂM CỦA PIN NHIÊN LIỆU 57
3.6.1.Ưu điểm 57
3.6.2.Nhược điểm 60
CHƯƠNG 4 61
ỨNG DỤNG CỦA 61

PIN NHIÊN LIỆU 61
TRÊN ÔTÔ 61
Chương 4 62
ỨNG DỤNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU TRÊN ÔTÔ 62
4.1.KHÁI QUÁT VỀ ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 62
4.2.PHÂN LOẠI ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 65
4.2.1.Ôtô pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu thứ cấp 65
4.2.2. Ôtô pin nhiên liệu sử dụng hydro trực tiếp 65
4.3.CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH TRÊN ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 66
4.3.1.Hệ thống pin nhiên liệu 66
4.3.2.Thùng chứa nhiên liệu 66
4.3.3.Bộ chuyển đổi nhiên liệu (thiết bò tạo ra hydro) 67
4.3.4.Nguồn công suất cực đại 69
4.3.5.Động cơ điện 72
4.3.6.Bộ chuyển đổi điện 73
4.4.BỐ TRÍ HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC TRÊN ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU. .74
4.5.HOẠT ĐỘNG CỦA ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 75
4.5.1.Các chế độ vận hành của ôtô pin nhiên liệu 75
4.5.2.Sự dao động năng lượng của PPS 83
Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell) 6
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực
4.6.GIỚI THIỆU MỘT SỐ ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 84
4.6.1.Ôtô pin nhiên liệu của General Motors (GM) 84
4.6.2.Ôtô pin nhiên liệu của Pininfarina 85
4.7.SO SÁNH HIỆU SUẤT NĂNG LƯNG CỦA ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU
VỚI CÁC LOẠI ÔTÔ KHÁC 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO 92
CHƯƠNG 1
KHÁI QUÁT VỀ
PIN NHIÊN LIỆU

o0o
Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell) 7
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực
Chương 1
KHÁI QUÁT VỀ PIN NHIÊN LIỆU
1.1. KHÁI NIỆM VỀ PIN NHIÊN LIỆU
Pin nhiên liệu là một thiết bò có thể chuyển đổi trực tiếp hóa năng của
nhiên liệu thành điện năng nhờ vào các quá trình điện hóa.
Hai nhiên liệu cơ bản cần thiết cho pin nhiên liệu vận hành là hydro
(hoặc nhiên liệu giàu hydro) và oxy (thường là oxy từ không khí). Quá trình
biến đổi năng lượng trong pin nhiên liệu được thực hiện theo phản ứng hóa học
tổng quát sau:
OHOH
222
2
1
→+
+ điện năng + nhiệt năng.
Hình 1.1. Sơ đồ mô tả pin nhiên liệu
Động cơ hydro cũng dùng khí hydro, nhưng khác với động cơ hydro ở
chỗ, pin nhiên liệu không trực tiếp đốt cháy hydro mà dùng chất xúc tác để
tách các electron từ các nguyên tử hydro có trong nhiên liệu để tạo thành các
ion, sau đó hướng các ion và các electron này theo một chiều nhất đònh để tạo
ra dòng điện.
Như vậy, trong pin nhiên liệu hoàn toàn không có sự cháy như trong
động cơ đốt trong, do đó, nó sinh ra lượng khí gây hiệu ứng nhà kính ít hơn
nhiều và không sinh ra các khí thải gây ô nhiễm môi trường. Nếu nhiên liệu sử
Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell) 8
PIN NHIÊN LIỆU
Nhiên liệu

(hydro)
Không khí
(oxy)
Điện năng
Nhiệt
Nước, CO
2

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực
dụng là hydro nguyên chất và oxy thì pin nhiên liệu chỉ sinh ra nhiệt và sản
phẩm phụ là nước (một số loại còn có thêm
2
CO
). Mặt khác, nó không có sự
chuyển hóa nhiệt thành cơ năng nên hiệu suất của nó không bò giới hạn bởi
hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot, ngay cả khi vận hành ở nhiệt độ tương đối
thấp.
Và cũng tương tự như accu, pin nhiên liệu cũng là một thiết bò tạo ra
dòng điện thông qua cơ chế phản ứng điện hóa. Tuy nhiên, điểm khác biệt
nằm ở chỗ, pin nhiên liệu có thể tạo ra dòng điện liên tục khi cung cấp đầy đủ
nhiên liệu cho nó, trong khi đó, accu cần phải được nạp điện lại (sạc) từ một
nguồn điện bên ngoài sau một thời gian sử dụng. Như vậy, muốn tái sử dụng
lại accu thì cần phải có một thời gian dài để nạp điện lại, trong khi pin nhiên
liệu thì chỉ cần cung cấp nhiên liệu thì có thể có điện để sử dụng.
So với năng lượng gió và năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu không phụ
thuộc vào thời tiết và độ dài của ngày, nó có thể đảm bảo cung cấp năng lượng
24/24 giờ. Khi nào còn được cung cấp hóa chất, pin sẽ cung cấp điện.
Nguồn nhiên liệu sử dụng cho pin nhiên liệu rất dồi dào. Oxy thì đã có
sẵn trong không khí, còn hydro có thể thu được từ nhiều nguồn khác nhau như:
nhiên liệu hóa thạch, những nguồn nhiên liệu tái sinh, năng lượng hạt nhân,

nguồn tài nguyên có trong nước,… Điều này làm giảm sự phụ thuộc dầu mỏ
vào các nước khác.
Như vậy, có thể thấy, pin nhiên liệu là một trong những nguồn năng
lượng tiên tiến nhất hiện nay, nó đóng vai trò như một máy sản xuất điện thực
thụ với nhiên liệu đầu vào chỉ cần hydro và oxy.
1.2. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH PIN NHIÊN LIỆU
Pin nhiên liệu đã được nhiều người nghiên cứu từ thế kỉ 19, nhưng phát
minh đầu tiên về pin nhiên liệu được ghi nhận là của ông William Robert
Grove (1811-1896) – nhà khoa học tự nhiên xứ Wales – vào năm 1839. Phát
minh này dựa trên cơ sở của quá trình điện phân nước. Ông Grove tin rằng,
nếu có thể tách nước thành hydro và oxy nhờ vào năng lượng điện thì quá trình
ngược lại cũng có thể xảy ra, tức là có thể sản xuất ra dòng điện bằng cách kết
hợp hydro và oxy. Và ở thời điểm này, platin được xem là chất xúc tác cho
phản ứng giữa hydro và oxy. Dựa vào các giả thiết đó, ông Grove đã chế tạo
thành công mô hình thực nghiệm đầu tiên của pin nhiên liệu, bao gồm hai điện
cực platin được bao trùm bởi hai ống hình trụ bằng thủy tinh, một ống chứa
hydro và ống kia chứa oxy. Khi chúng được nhúng trong axit sulfuric loãng,
một dòng điện xuất hiện giữa hai điện cực và nước được sinh ra trong các ống.
Để tăng điện áp đầu ra, ông Grove đã liên kết nhiều thiết bò như vậy với nhau
và tạo thành một thiết bị mà ông gọi là “accu khí” (gas battery).
Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell) 9
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực
Năm 1889, hai nhà hóa học Ludwig Mond và Charles Langer đã cố
gắng phát triển mô hình của Grove vào ứng dụng trong thực tế bằng việc sử
dụng không khí và khí than đá làm nhiên liệu. Và thuật ngữ “pin nhiên liệu”
(fuel cell) cũng được hình thành từ đây. Tuy nhiên, do những hạn chế về mặt
vật liệu và kỹ thuật nên những nghiên cứu của họ không được ứng dụng rộng
rãi. Mặt khác, sự phát triển ồ ạt của động cơ đốt trong và sự phổ biến của
nhiên liệu hóa thạch vào khoảng cuối thế kỉ thứ 19 đã làm cho pin nhiên liệu
không được thế giới chú ý đến.

Đến năm 1932, Dr. Francis Thomas Bacon – một kỹ sư người Anh – đã
tiếp tục phát triển mô hình pin nhiên liệu với những cải tiến mới. Ông đã thay
thế các điện cực platin bằng vật liệu niken ít tốn kém hơn và thay thế chất điện
phân axit sulfuric bằng kali hydroxit, một chất có tính ăn mòn ít hơn. Thiết bò
này được đặt tên là “pin Bacon” (Bacon cell) – pin nhiên liệu kiềm đầu tiên
trên thế giới. Và mãi đến 27 năm sau, tức là vào năm 1959, Bacon mới sản
xuất ra một pin nhiên liệu thật sự khả thi. Loại pin này có công suất 5kW, đủ
cung cấp cho một máy hàn điện.
Vào những năm 1950, pin nhiên liệu mới thật sự được quan tâm. Lúc
này, NASA (National Aeronautics and Space Administration) đang tìm cách để
sản xuất điện cho hàng loạt các chuyến bay có người lái vào không gian.
Phương án sử dụng accu đã gặp trở ngại về vấn đề trọng lượng; năng lượng
mặt trời thì quá đắt vào thời điểm này và năng lượng hạt nhân thì quá nguy
hiểm. Trong các giải pháp của NASA thì pin nhiên liệu là khả thi nhất. Và
NASA đã quyết đònh đầu tư để nghiên cứu và phát triển pin nhiên liệu thành
thiết bò có thể ứng dụng trong các chương trình du hành vũ trụ.
Vào khoảng thời gian giữa năm 1955 và năm 1958, hai nhà hóa học
làm việc tại tập đoàn điện tử General Electric (Mỹ) là Willard Thomas Grub
và Leonard Niedrach đã nghiên cứu thành công và cho ra đời một loại pin
nhiên liệu sử dụng màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane - PEM)
đóng vai trò làm chất điện phân. Và “pin nhiên liệu Grub-Niedrach” đã được
NASA sử dụng trong chương trình du hành vũ trụ Gemini. Với công suất 1kW,
các tế bào nhiên liệu này đã cung cấp đồng thời điện và nước uống cho các phi
hành gia vũ trụ. Các tế bào nhiên liệu của chương trình Gemini chỉ dài 60cm
và có đường kính là 20cm.
Vào đầu những năm 1960, nhà sản xuất động cơ máy bay Pratt &
Whitney (Canada) đã cấp bằng sáng chế cho Bacon về pin nhiên liệu kiềm
(AFC - Alkaline Fuel Cell). Với mục tiêu giảm trọng lượng của pin nhiên liệu
sử dụng màng trao đổi proton của General Electric, Pratt & Whitney đã cải
thiện thiết kế ban đầu của Bacon. Và kết quả là Pratt & Whitney đã giành

được hợp đồng của NASA trong việc cung cấp các pin nhiên liệu cho các tàu
du hành vũ trụ Apollo. Kể từ đó, pin nhiên liệu kiềm đã được sử dụng trong
hầu hết các tàu du hành vũ trụ có người lái của Mỹ, kể cả tàu con thoi.
Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell)
10
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực
Năm 1966, General Motors đã cho thử nghiệm một ôtô sử dụng pin
nhiên liệu kiềm, chiếc xe có tên gọi là “GM Electrovan” sử dụng pin nhiên
liệu kiềm. Pin nhiên liệu mà “GM Electrovan” sử dụng được sản xuất bởi công
ty Union Carbide, nó có công suất 32 kW, sử dụng nhiên liệu hydro lỏng, tuổi
thọ chỉ 1000 giờ. Chiếc “GM Electrovan” có phạm vi hoạt động 200km, tốc độ
cao nhất đạt được là 105 km/h. Tuy nhiên, sau khi “GM Electrovan” được thử
nghiệm và công bố thì dự án này phải tạm hoãn vì chi phí quá đắt. Mặt khác,
việc sử dụng hydro lỏng vào thời điểm này được xem là không an toàn trên
đường công cộng, nên nó không được cho lưu thông mà chỉ được xem là tài sản
của General Motors.
Hình 1.2. Chiếc “GM Electrovan” của General Motors
Các cuộc khủng hoảng dầu hỏa vào những năm 1970 đã thúc đẩy một
số công ty và tổ chức chính phủ nghiên cứu để thương mại hóa rộng rãi pin
nhiên liệu. Và bắt đầu từ những năm 1980, pin nhiên liệu đã có những ứng
dụng rộng rãi trong các lónh vực của đời sống, nhất là trong các nhà máy điện.
Nhờ chế tạo được các vật liệu có hiệu quả cao và có khả năng chống ăn
mòn tốt cũng như những nổ lực tìm kiếm một nguồn năng lượng thân thiện với
môi trường cho tương lai, pin nhiên liệu được phát triển mạnh vào đầu những
năm 1990.
Hiện nay, hầu hết các các công ty sản xuất ôtô lớn trên thế giới đều đã
công bố những mẫu xe chạy bằng pin nhiên liệu như: NECAR, F-Cell của
DaimlerChrysler; BMW 745H của BMW; MOVE FCV-KII của Daihatsu; FCX,
FCX-V1, FCX-V2 của Honda; FCHV của Toyota,…. Ngoài ra, các cuộc thử
nghiệm pin nhiên liệu trên xe buýt ở Chicago (Mỹ), Vancouver (Canada) và

các thành phố khác ở Bắc Mỹ và Châu Âu đã cho thấy khả năng ứng dụng pin
nhiên liệu trên ôtô sẽ có nhiều triển vọng trong tương lai gần.
Ở Việt Nam, vào cuối năm 2004, Tiến só Nguyễn Mạnh Tuấn, Phân
viện Vật lý tại TP.HCM đã công bố những kết quả nghiên cứu đầu tiên của
Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell)
11
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực
mình về pin nhiên liệu. Loại pin mà Tiến só Nguyễn Mạnh Tuấn nghiên cứu là
pin sử dụng nhiên liệu cồn methanol thay thế cho nhiên liệu hydro (do hydro
khó bảo quản, dễ rò rỉ và dễ phát nổ khi gặp tia lửa điện trong không khí).
Trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học ở Phân viện Vật lý tại TP.HCM
đã nghiên cứu, chế tạo các điện cực dùng màng hấp thụ carbon có độ dẫn điện
cao và cho chất khí đi ngang qua. Đồng thời, các nhà khoa học cũng chế tạo
chất điện phân dùng giấy màng lọc thủy tinh có lỗ thấm siêu nhỏ. Quá trình
nghiên cứu đã cho ra loại pin nhiên liệu có hiệu suất chuyển hóa điện năng
50%, với 250ml cồn có thể cấp 600 W/giờ điện.
Một nghiên cứu khác được Tiến só Nguyễn Chánh Khê và các cộng sự
tại Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển – Khu công nghệ cao TP.HCM công
bố năm 2005. Đó là việc chế tạo thành công màng chuyển hóa proton, vốn là
cái lõi chính của công nghệ và đang được nghiên cứu từ vật liệu nano trong
nước. Bên cạnh đó, nhóm cũng đang bắt đầu sử dụng carbon nanotube trong
việc tạo ra một chất xúc tác mới có khả năng dẫn đến tăng hiệu suất chuyển
hóa điện năng, giảm chi phí và kích thước của pin nhiên liệu.
1.3. CẤU TẠO CHUNG VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN
CỦA PIN NHIÊN LIỆU
1.3.1. Cấu tạo chung của pin nhiên liệu đơn giản
Một pin nhiên liệu đơn giản gồm có hai điện cực là anode (là điện cực
mà trên đó xảy ra quá trình oxy hóa) và cathode (là điện cực mà trên đó xảy ra
quá trình khử). Giữa hai điện cực còn chứa chất điện phân (electrolyte) dùng
để vận chuyển các hạt ion từ điện cực này sang điện cực khác, và chất xúc tác

nhằm làm tăng tốc độ phản ứng.
Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell)
12
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực
Hình 1.3. Cấu tạo của một pin nhiên liệu đơn giản
Hai điện cực được làm bằng chất dẫn điện (kim loại, carbon,…). Nhiên
liệu (hydro hoặc các nhiên liệu giàu hydro) được cung cấp đến anode và oxy
(thường là oxy từ không khí) được cung cấp đến cathode. Các phản ứng hóa
học tạo ra dòng điện xảy ra tại hai điện cực này.
Tùy thuộc vào từng loại pin nhiên liệu mà chất điện phân có thể ở thể
rắn, có thể ở thể lỏng hoặc có cấu trúc màng. Nó chỉ cho phép những ion thích
hợp đi qua giữa anode và cathode của pin nhiên liệu chớ không cho phép các
electron di chuyển qua nó.
Ngoài ra, để thúc đâåy các phản ứng hóa học xảy ra, người ta còn bổ
sung chất xúc tác vào giữa các điện cực và chất điện phân bằng nhiều cách
khác nhau tùy theo từng loại pin nhiên liệu. Ở một số kiểu pin nhiên liệu, chất
xúc tác là vật liệu của điện cực, trong khi một số loại pin khác thì chất xúc tác
là một chất khác được đặt tiếp xúc giữa các điện cực và lớp điện phân hoặc
được phủ trực tiếp lên chất điện phân. Mặc dù chất xúc tác trong các loại pin
nhiên liệu có thể khác nhau về vật liệu và cấu tạo, nhưng chúng đều có cùng
công dụng là thúc đẩy các phản ứng hóa học xảy ra ở các điện cực. Chất xúc
tác có thể làm thay đổi trạng thái hóa học của các chất khác trong khi bản thân
chúng không bò thay đổi. Chất xúc tác thường dùng trong pin nhiên liệu là các
kim loại q như platin.
1.3.2. Nguyên lý hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu
Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell)
13
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực
Hình 1.4. Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu
Các phản ứng hóa học tạo ra dòng điện xảy ra tại các điện cực chính là

chìa khóa trong cơ chế hoạt động của pin nhiên liệu. Có nhiều kiểu pin nhiên
liệu và mỗi kiểu vận hành một cách khác nhau tùy thuộc vào loại nhiên liệu
và chất điện phân sử dụng trong pin. Tuy nhiên, tất cả các loại pin nhiên liệu
hiện nay đều có cùng một nguyên lý hoạt động cơ bản như sau:
Khi các nguyên tử hydro có trong nhiên liệu đi vào anode của pin nhiên
liệu, các phản ứng hóa học xảy ra tại đây sẽ lấy các electron của chúng.
Những nguyên tử hydro lúc này bò ion hóa, tạo thành ion hydro mang điện tích
dương (proton).
Các electron mang điện tích âm bò ngăn cản bởi chất điện phân nên
không thể di chuyển trực tiếp từ anode sang cathode mà phải đi vòng qua một
mạch điện bên ngoài, tạo ra dòng điện một chiều. Cùng lúc đó, khí oxy được
cung cấp đến cathode của pin nhiên liệu sẽ nhận các electron này, tạo thành
các ion oxy (
−2
O
). Và trong một số dạng pin nhiên liệu, các ion oxy này sẽ kết
hợp với các ion hydro vừa đi qua chất điện phân từ anode của pin nhiên liệu để
tạo thành nước; ở một số dạng pin nhiên liệu khác, các ion oxy sẽ di chuyển
qua chất điện phân đến anode, gặp và kết hợp với các ion hydro ở đó để tạo
thành nước.
Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell)
14
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực
Như vậy, dù hydro và oxy cùng gặp nhau và kết hợp với nhau ở anode
hay cathode nhưng cuối cùng cũng tạo ra nước, thoát ra khỏi pin. Pin nhiên liệu
sẽ liên tục phát điện khi vẫn được cung cấp hydro và oxy.
Trong pin nhiên liệu, các electron di chuyển từ anode sang cathode
thông qua một mạch điện bên ngoài, nên dòng điện đi qua mạch điện có chiều
từ cathode sang anode. Vì vậy, cathode là điện cực dương và anode là điện cực
âm của pin nhiên liệu.

Dưới đây là sơ đồ mô tả hai phản ứng cơ bản trong pin nhiên liệu mà
phản ứng tổng quát của chúng chính là phản ứng nghòch của quá trình điện
phân nước:
Phản ứng trên anode:
−+
+→ eHH 442
2
Phản ứng trên cathode:
OHeHO
22
244 →++
−+
Tổng quát:
OHOH
222
22 →+
+ điện năng + nhiệt năng.
Ở một số loại pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu hóa thạch, sản phẩm
tạo ra của pin còn có thể có
2
CO
, nhưng lượng
2
CO
do pin nhiên liệu tạo ra ít
hơn nhiều so với động cơ đốt trong thông thường.
Lượng điện thu được từ pin nhiên liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:
loại pin nhiên liệu, kích cỡ pin, nhiệt độ khi nó hoạt động, áp suất không khí
được cung cấp vào pin,… Tùy theo từng loại pin nhiên liệu mà điện áp của pin
sẽ khác nhau, nhưng thông thường nằm trong khoảng từ 0,3 đến 0,9V.

1.4. SỨC ĐIỆN ĐỘNG THUẬN NGHỊCH CỦA PIN NHIÊN LIỆU
Điện năng do pin nhiên liệu sinh ra chính là nhờ công hữu ích của phản
ứng hóa học xảy ra trong pin. Vì pin nhiên liệu thực hiện sự chuyển đổi trực
tiếp năng lượng hóa học thành năng lượng điện, nên công điện cực đại (
el
W
)
có thể thu được trong quá trình vận hành của pin nhiên liệu ở điều kiện áp suất
và nhiệt độ không đổi được tính bằng sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs (
G∆
)
của phản ứng điện hóa. Do đó:
nFEGW
el
−=∆=
(1-1)
trong đó:
n – là số electron tham gia phản ứng.
F – là hằng số Faraday (F = 96487 Coulomb.mol
-1
).
E – sức điện động thuận nghòch của pin nhiên liệu.
Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell)
15
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực
Sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs (
G
∆
) trong một phản ứng hóa học
được tính theo công thức:

∑∑
−=∆
TG
j
SP
i
GGG
(1-2)
trong đó:
i
G
- là năng lượng tự do của chất tạo thành thứ
i
.

j
G
- là năng lượng tự do của chất tham gia phản ứng thứ
j
.
Nếu phản ứng trong pin xảy ra ở điều kiện áp suất tiêu chuẩn
atm1
và
nhiệt độ tuyệt đối T thì:
00
nFEG −=∆
(1-3)
trong đó:
0
G∆

– là sự thay đổi năng lượng tự do của phản ứng ở điều
kiện áp suất tiêu chuẩn
atm1
và nhiệt độ tuyệt đối T.
0
E
- là sức điện động thuận nghòch của pin nhiên liệu ở
điều kiện áp suất tiêu chuẩn
atm1
và nhiệt độ tuyệt đối T.
Xét phản ứng tổng quát:
dDcCbBaA
+→+
trong đó:
A, B – là các chất tham gia phản ứng.
C, D – là các sản phẩm của phản ứng.
a, b, c, d – là các hệ số cân bằng của phản ứng.
Sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs của phản ứng được biểu thò bằng
biểu thức:
b
B
a
A
d
D
c
C
ff
ff
RTGG

.
.
ln
0
+∆=∆
(1-4)
trong đó:
i
f
- là hoạt độ của chất i (i = A, B, C, D).
R
- là hằng số khí lý tưởng (
11
314,8
−−
= KmolJR
)
Thế biểu thức (1-1) và (1-3) vào biểu thức (1-4), ta được:
b
B
a
A
d
D
c
C
ff
ff
RTnFEnFE
.

.
ln
0
+−=−
Suy ra:
d
B
c
A
d
D
c
C
ff
ff
nF
RT
EE
.
.
ln
0
−=
(1-5)
Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell)
16
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực
Trong tính toán, người ta thường thay các giá trò của hoạt độ của các
chất A, B, C, D bằng các giá trò áp suất riêng phần (
i

P
) của các chất đó.
Do đó:
d
B
c
A
d
D
c
C
PP
PP
nF
RT
EE
.
.
ln
0
−=
(1-6)
Biểu thức (1-5) và (1-6) xác đònh mối liên hệ giữa sức điện động của
pin ở áp suất tiêu chuẩn (1 atm)
0
E
và sức điện động của pin ở áp suất bất kỳ
E
. Sức điện động
0

E
ở một nhiệt độ nào đó có thể tính toán từ
0
G∆
của phản
ứng trong pin ở nhiệt độ đó theo biểu thức (1-3).
Ví dụ, xét pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu tinh khiết và phản ứng
trong pin là
)(
2
1
222
lOHOH →+
:
Từ biểu thức (1-3) ta có thể tính được sức điện động thuận nghòch của
pin nhiên liệu ở điều kiện áp suất tiêu chuẩn
atm1
và nhiệt độ tuyệt đối 298
độ K như sau:
VE 23,1
487,96.2
3,237
0
298
≈=
.
Đối với phản ứng:
)(
2
1

222
gOHOH →+
, ta có thể tính:
VE 18,1
487,96.2
7,228
0
298
≈=
.
Từ biểu thức (1-6), ta có thể thấy sức điện động của pin ở nhiệt độ T
tăng khi tăng áp suất riêng phần của những chất tham gia phản ứng hoặc giảm
áp suất riêng phần của các sản phẩm.
Bảng 1-1 Biến thiên enthalpy, entropy và năng lượng tự do Gibbs ở điều kiện
tiêu chuẩn của một số chất tiêu biểu
Chất Công thức
0
298
H∆
(kJ/mol)
0
298
S∆
(kJ/mol K)
0
298
G∆
(kJ/mol)
Nước
OH

2
(lỏng) -286,2 -0,1641 -237,3
Nước
OH
2
(khí) -242 -0,045 -228,7
Metan
4
CH
(khí) -74,9 -0,081 -50,8
Methanol
OHCH
3
(lỏng) -238,7 -0,243 -166,3
Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell)
17
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực
Ethanol
OHHC
52
(lỏng) -277,7 -0,345 -174,8
Carbon
monoxit
CO
(khí) -111,6 0,087 -137,4
Carbon dioxit
2
CO
-393,8 0,0044 -394,6
Amoniac

3
NH
(khí) -46,05 -0,099 -16,7
Bảng 1-2 Các thông số nhiệt động học của một số phản ứng tiêu biểu ở
C
0
25

và áp suất 1atm
Phản ứng
0
298
H∆
(kJ/mol)
0
298
S∆
(kJ/mol K)
0
298
G∆
(kJ/mol)
n
)(
2
1
222
lOHOH →+
-286,2 -0,1641 -237,3 2
)(

2
1
222
gOHOH →+
-242 -0,045 -228,7 2
)(
2
1
2
gCOOC →+
-111,6 0,087 -137,4 2
)(
22
gCOOC →+
-393,8 0,003 -394,6 4
)(
2
1
22
gCOOCO →+
-279,2 -0,087 -253,3 2
1.5. CỤM PIN NHIÊN LIỆU VÀ HỆ THỐNG PIN NHIÊN LIỆU
1.5.1. Cụm pin nhiên liệu
Vì một pin nhiên liệu đơn riêng lẻ chỉ tạo được một điện áp và công
suất rất thấp, cho nên tùy theo điện áp và công suất cần dùng là bao nhiêu mà
người ta sẽ dùng nhiều pin đơn để kết nối với nhau tạo thành một cụm pin
nhiên liệu (fuel cell stack). Một cụm pin nhiên liệu điển hình có thể gồm hàng
trăm pin nhiên liệu đơn.
Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell)
18

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực
Hình 1.5. Sơ đồ cấu tạo một cụm pin nhiên liệu
1.5.2. Hệ thống pin nhiên liệu
Do pin nhiên liệu chỉ sinh ra dòng điện một chiều và thường sử dụng
nhiên liệu đã qua xử lý, vì thế, hệ thống tạo ra điện năng của pin nhiên liệu
đòi hỏi phải có sự tổ hợp của nhiều bộ phận.
Việc xây dựng hệ thống pin nhiên liệu phụ thuộc vào loại pin nhiên
liệu, nhiên liệu sử dụng, điều kiện làm việc và lónh vực áp dụng,… Tùy theo
yêu cầu sử dụng mà người ta sẽ bố trí một hệ thống pin nhiên liệu với các
thành phần phù hợp. Hình 1.6 giới thiệu sơ đồ khối của một hệ thống pin nhiên
liệu cơ bản. Các bộ phận chính của hệ thống này bao gồm:
+ Bộ xử lý nhiên liệu (Fuel Processor): dùng để chuyển đổi những khí
thương mại sẵn có hay các nhiên liệu khác ở dạng lỏng hoặc rắn thành các
nhiên liệu phù hợp với các phản ứng xảy ra ở các điện cực của pin nhiên liệu.
Mục đích của việc xử lí nhiên liệu nhằm làm sạch và loại bỏ những thành phần
có hại có trong nhiên liệu.
Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell)
19
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực
Hình 1.6. Mô hình một hệ thống pin nhiên liệu
+ Thiết bò biến đổi năng lượng (pin nhiên liệu hay cụm pin nhiên liệu):
nhằm biến đổi hóa năng của nhiên liệu thành điện năng.
+ Bộ điều hòa công suất (Power Conditioner): Dòng điện do pin nhiên
liệu tạo ra thường không sử dụng trực tiếp cho tải điện mà phải thông qua bộ
phận biến đổi dòng điện (DC-DC converter). Mặt khác, do pin nhiên liệu chỉ
sản sinh ra dòng điện một chiều, cho nên, tùy theo yêu cầu của thiết bò sử dụng
mà người ta có thể sử dụng bộ biến đổi dòng điện để chuyển dòng điện từ một
chiều sang xoay chiều (bộ nghòch lưu).
+ Hệ thống thu hồi nhiệt: nhằm tận dụng nhiệt tạo ra của pin nhiên
liệu. Nhiệt lượng này có thể tận dụng để tạo hơi nước, nước nóng hoặc chuyển

tiếp thành điện năng thông qua một turbine khí hay sử dụng cho một công
nghệ nào đó nhằm tận dụng triệt để nhiệt độ phát sinh.
Ngoài ra, trong hệ thống pin nhiên liệu còn có các hệ thống phụ để xử
lý độ ẩm, nhiệt độ, áp suất khí và nước thải của pin nhiên liệu,….
Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell)
20
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực
CHƯƠNG 2
CÁC KIỂU
PIN NHIÊN LIỆU
o0o
Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell)
21
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực
Chương 2
CÁC KIỂU PIN NHIÊN LIỆU
2.1. PHÂN LOẠI PIN NHIÊN LIỆU
Hiện nay, có rất nhiều kiểu pin nhiên liệu, sự khác nhau của chúng chủ
yếu là ở chất điện phân, loại nhiên liệu mà chúng sử dụng, nhiệt độ vận hành
của chúng,… Tuy nhiên, người ta thường dựa vào chất điện phân để phân loại
cho chúng. Theo cách phân loại này, pin nhiên liệu hiện nay có 5 loại chính
sau:
- Pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer, viết tắt là PEMFC
(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell): loại pin nhiên liệu này sử dụng
một màng polymer mỏng đóng vai trò làm chất điện phân. Một số tài liệu còn
gọi loại này là pin nhiên liệu dùng màng trao đổi proton (Proton Exchange
Membrane Fuel Cell), hay pin nhiên liệu màng điện phân plastic (Plastic
Electrolyte Membrane Fuel Cell).
- Pin nhiên liệu kiềm, viết tắt là AFC (Alkaline Fuel Cell): dùng dung
dòch kiềm làm chất điện phân.

- Pin nhiên liệu axit phosphoric,viết tắt là PAFC (Phosphoric Acid Fuel
Cell): dùng axit phosphoric làm chất điện phân.
- Pin nhiên liệu oxit rắn ,viết tắt là SOFC (Solid Oxide Fuel Cell): dùng
oxit rắn làm chất điện phân.
- Pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy, viết tắt là MCFC (Molten
Carbonate Fuel Cell): dùng muối carbonate nóng chảy làm chất điện phân.
Ngoài các loại pin nhiên liệu chính trên, hiện nay, còn có một loại pin
nhiên liệu đang được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là trong các thiết bò nhỏ gọn
như điện thoại di động, máy tính xách tay,… đó là, pin nhiên liệu dùng
methanol trực tiếp, viết tắt là DMFC (Direct Methanol Fuel Cell). Loại pin này
có cấu tạo tương tự như PEMFC và có thể xem là một dạng đặc biệt của
PEMFC, nhưng điểm khác biệt so với PEMFC thông thường là loại pin này sử
dụng nhiên liệu methanol trực tiếp mà không cần phải chuyển hóa thành hydro
từ bên ngoài.
Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell)
22
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực
2.2. GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI PIN NHIÊN LIỆU CHÍNH
2.2.1. Pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer (PEMFC)
2.2.1.1. Cấu tạo của PEMFC
Pin nhiên liệu loại này có hiệu suất từ 40 đến 50% và vận hành ở nhiệt
độ thấp, khoảng từ 60
0
C đến 80
0
C. Công suất dòng ra khá linh hoạt, có thể chỉ
là 2 kW cho các ứng dụng nhỏ gọn hay cả trong khoảng từ 50 kW đến 250 kW
cho các ứng dụng trong gia đình, xe cộ hay cho các ứng dụng tónh lớn hơn. Tuy
nhiên, nhiên liệu cung cấp cho PEMFC đòi hỏi phải được tinh sạch (không lẫn
nhiều tạp chất) và PEMFC cũng cần xúc tác bạch kim đắt tiền ở cả hai mặt

màng điện phân. Mỗi pin đơn có thể tạo ra điện áp 1,1 V.
Cấu tạo của pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer thường có
các bộ phận cơ bản sau:
- Các điện cực, bao gồm anode và cathode, thông thường dược làm
bằng carbon.
- Màng trao đổi proton ở giữa hai điện cực.
- Lớp chất xúc tác, thường là platin.
Ngoài ra, để pin hoạt động có hiệu quả thì việc quản lí nước trong pin
là vấn đề then chốt. Pin nhiên liệu loại này phải được hoạt động trong điều
kiện mà nước không bay hơi nhanh hơn so với nước được sản xuất ra, bởi vì
màng phải được hydrat hóa để đảm bảo tính dẫn ion của màng. Vì thế, pin
nhiên liệu loại này cần có một bộ phận quan trọng khác là bộ làm ẩm.
Hình 2.1. Cấu tạo của pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer
Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell)
23
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực
Công dụng của các bộ phận như sau:
a) Anode
Anode của pin nhiên liệu có công dụng dẫn khí hydro đến bề mặt của
chất xúc tác và dẫn các electron được tách ra từ phân tử hydro để sử dụng cho
mạch điện bên ngoài. Nó có những đường gạch rất nhỏ và đều đặn để khí
hydro được phân bố đều khi gặp chất xúc tác.
b) Cathode
Cathode cũng có cấu tạo tương tự như anode và có công dụng dẫn khí
oxy tới mặt của chất xúc tác, đồng thời nó cũng dẫn những electron sau khi
phản ứng từ mạch điện bên ngoài, kết hợp với ion hydro và oxy tạo ra nước.
c) Màng trao đổi proton
Màng trao đổi proton là một bộ phận rất quan trọng trong pin nhiên
liệu, nó có công dụng dẫn các proton, đồng thời ngăn cản các electron di
chuyển từ anode sang cathode của pin nhiên liệu.

d) Chất xúc tác
Chất xúc tác là một chất hóa học đặc biệt làm cho phản ứng của hydro
và oxy dễ dàng hơn. Đặc biệt, nó làm thay đổi trạng thái hóa học của hydro và
oxy nhưng không bao giờ tự thay đổi. Chất này thường là bột bạch kim. Ở một
số loại, nó được phủ trực tiếp lên màng trao đổi ion; một số loại khác, nó được
phủ rất mỏng lên giấy than hoặc vải than, rất nhám và rỗ với những lỗ rất nhỏ,
mặt nhám tiếp xúc với khí hydro và oxy, mặt phẳng mềm tiếp xúc với màng
trao đổi proton.
Hình 2.2. Sơ đồ bố trí các thành phần của PEMFC đơn
Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell)
24
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực
e) Bộ làm ẩm
Làm ẩm khí phản ứng là một khía cạnh quan trọng cho sự hoạt động
của pin nhiên liệu kiểu màng trao đổi proton. Sự làm ẩm không đầy đủ thì khả
năng dẫn ion không thể xảy ra, điều đó là mối nguy hại cho pin nhiên liệu.
Lượng nước mà khí phản ứng có thể hấp thụ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ của
quá trình làm ẩm (đặc biệt là tại áp suất thấp). Khí nóng hơn sẽ giữ nhiều nước
hơn là khí lạnh.
Hình 2.3. Bộ làm ẩm
Một số pin nhiên liệu có bộ làm ẩm được tích hợp luôn bên trong, số
còn lại thì bộ làm ẩm được đặt riêng bên ngoài.
Bộ làm ẩm đặt bên trong gồm những tấm làm bằng graphit đặt nối tiếp
nhau ngay bên trong cụm pin nhiên liệu.
Bộ làm ẩm được đặt bên trong, với nước làm ẩm được lấy trực tiếp từ
nước làm mát pin sẽ giúp cho hệ thống đơn giản hơn. Tuy nhiên, cách bố trí
này thì nước làm mát cho pin nhiên liệu phải sử dụng nước tinh khiết. Tuy
nhiên, nước tinh khiết sẽ bò đóng băng khi gặp thời tiết lạnh sẽ làm tăng thêm
vấn đề cho khởi động lạnh. Hơn nữa việc kết hợp cụm pin nhiên liệu với bộ
làm ẩm làm cho nó trở nên đồ sộ hơn và bảo dưỡng phức tạp hơn

Bộ làm ẩm đặt bên ngoài là loại phổ biến nhất nó có thể được thiết kế
theo kiểu màng hay theo kiểu tiếp xúc. Bộ làm ẩm kiểu màng hoạt động giống
như kiểu bộ làm ẩm đặt bên trong pin nhiên liệu. Bộ làm ẩm kiểu tiếp xúc
hoạt động bằng cách phun nước làm ẩm lên trên một bề mặt nóng hoặc vào
trong một buồng có diện tích bề mặt lớn để khí phản ứng chảy xuyên qua đó,
như vậy sẽ làm cho khí phản ứng được bão hòa nước. Với bộ làm ẩm đặt bên
ngoài thì nước làm ẩm được lấy từ nước làm mát hay được lấy từ mạch nước đã
được làm ấm.
Chuyên đề về pin nhiên liệu (Fuel Cell)
25