khảo sát đặc tính làm việc của pin nhiên liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRỊNH VĂN PHƯƠNG

KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC
CỦA PIN NHIÊN LIỆU
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 60 52 50

S KC 0 0 3 9 5 0

Tp. Hồ Chí Minh, 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRỊNH VĂN PHƢƠNG

KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC
CỦA PIN NHIÊN LIỆU

NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
MÃ NGÀNH: 60 52 50
Hƣớng dẫn khoa học: TS. LÊ CHÍ KIÊN

TP. Hồ Chí Minh, tháng 04/2013


LÝ LỊCH KHOA HỌC

I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC
Họ & tên: TRỊNH VĂN PHƢƠNG

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 19-10-1980

Nơi sinh: KIÊN GIANG

Quê quán: RẠCH GIÁ – KIÊN GIANG

Dân tộc: Kinh

Chức vụ, đơn vị công tác trƣớc khi học tập, nghiên cứu: Giảng viên, khoa Kỹ
thuật Công nghệ, Trƣờng Cao Đẳng Cộng đồng Kiên Giang.
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 445 Nguyễn Trung Trực – Khu phố 3 –
Phƣờng Vĩnh Lạc – Tp. Rạch Giá – Tỉnh Kiên Giang.
Điện thoại cơ quan:

Điện thoại riêng: 0939772100

Fax:

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO
1. Đại học:
Hệ đào tạo: chính quy

Thời gian đào tạo từ 09/2000 đến 04/2005

Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TPHCM.
Ngành học: Điện – Điện tử.
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:Thi tốt nghiệp
2. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 05/2011 đến 05/2013

Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh.
Ngành học: Thiết bị mạng và Nhà máy điện.
Tên luận văn: Khảo sát đặc tính làm việc của Pin nhiên liệu.

vi


Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Tháng 05 năm 2013, Đại Học Sƣ Phạm Kỹ
Thuật Tp. Hồ Chí Minh.
Ngƣời hƣớng dẫn: Ts. Lê Chí Kiên.
3. Trình độ ngoại ngữ: tiếng Anh - Trình độ: B1
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT
NGHIỆP ĐẠI HỌC
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhận

05/2006 đến

Trƣờng Cao Đẳng Cộng đồng Giảng viên khoa Kỹ

nay

Kiên Giang

thuật Công nghệ

vii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn phản ánh trung thực nội dung và quá
trình nghiên cứu của luận văn.
Tp. HCM, ngày

tháng 04 năm 2013

Ngƣời thực hiện

Trịnh Văn Phƣơng

viii


LỜI CẢM TẠ
Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, ngƣời thực hiện đã đƣợc sự hƣớng dẫn
tận tình của TS. Trƣơng Việt Anh và TS. Lê Chí Kiên – giảng viên trƣờng
Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh. Dƣới sự hƣớng dẫn của các
Thầy, đề tài đã đƣợc nghiên cứu và hoàn thành đúng thời hạn cũng nhƣ mục
tiêu đề ra ban đầu. Ngƣời thực hiện xin gửi lòng tri ân sâu sắc đến TS. Trƣơng
Việt Anh và TS. Lê Chí Kiên vì những kiến thức quý báu và các phƣơng pháp
nghiên cứu mà thầy đã truyền dạy.
Ngƣời thực hiện gửi lòng tri ân đến quý thầy cô trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ
Thuật Tp. Hồ Chí Minh, quý thầy cô trƣờng Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí
Minh đã tận tình hƣớng dẫn và truyền đạt những kiến thức, phƣơng pháp
nghiên cứu và các kinh nghiệm trong suốt hai năm học. Những kiến thức và

kinh nghiệm này chính là nền tảng giúp ngƣời thực hiện hoàn thành tốt luận
văn này.
Ngƣời thực hiện chân thành cảm ơn quý anh chị, chân thành cảm ơn bạn bè
và ngƣời thân đã tận tình giúp đỡ trong suốt khóa học cũng nhƣ trong quá
trình thực hiện luận văn.
Tp. HCM, ngày

tháng 04 năm 2013

Ngƣời thực hiện
Trịnh Văn Phƣơng

ix


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

Tp. HCM, ngày

tháng 04 năm 2013

TS. LÊ CHÍ KIÊN

x


NHẬN XÉT CỦA CHỦ NHIỆM NGÀNH
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

Tp. HCM, ngày

xi

tháng 04 năm 2013


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

Tp. HCM, ngày

xii

tháng 04 năm 2013


NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG BẢO VỆ LUẬN VĂN
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

Tp. HCM, ngày

xiii

tháng 04 năm 2013


TÓM TẮT
Ngày nay, do hiệu quả cao và thân thiện với môi trƣờng nên Pin nhiên liệu (PNL)
đƣợc coi là giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho các thế hệ năng lƣợng điện trong
tƣơng lai dành cho các ứng dụng điện thoại di động và cố định.
Luận án này trình bày một phƣơng pháp bộ dò công suất cực đại (Maximum Power
Point Tracking – MPPT) của PNL với lƣu lƣợng nhiên liệu tối ƣu hóa đƣợc phát
triển. Mục đích của nghiên cứu này là để dò đƣợc công suất tối đa từ một PNL ở các
lƣu lƣợng nhiên liệu khác nhau và để bảo vệ các PNLtừ sự quá dòng và sụp đổ điện
áp trên các thiết bị đầu cuối.Hệ thống này bao gồm bộ dò với một công cụ chuyển
đổi tăng áp(Boost Converter) có thể thay đổi trở kháng và công suất của PNL.Bộ dò
MPP đƣợc điều khiển bởi 1 giải thuật mới nhằm tăng thời gian đáp ứng của bộ dò
so với các giải thuật truyền thống trƣớc đây.
Điều khiển tối ƣu lƣu lƣợng nhiên liệu ngăn xếp PNL với giải thuật MPPT chính là

kết hợp phƣơng pháp điều khiển chủ động của PNL và bị động từ phƣơng pháp
MPPT phổ biến nhằm thay đổi trở kháng của ngõ ra. Đối với phƣơng pháp điều
khiển này thì lƣu lƣợng nhiên liệu đƣợc ổn định khi tải thay đổi.
Đồng thời phƣơng pháp điều khiển này bảo vệ sự xuống cấp của cơ cấu cơ học và
màng PNL bằng cách tránh quá nhiệt và vƣợt quá sự hình thành nƣớc, bảo vệ FC
khỏi sựxuống cấp và tăng tuổi thọ của nó.

xiv


ABSTRACT
Nowadays, Fuel Cell (FC) are considered as promising alternative solution for
electrical energy generations in the future for mobile and stationary applications.
This is due to their high efficiency and environmental friendliness.
This thesis presents a methods FC’s Maximum Power Point Tracking (MPPT) with
fuel flow optimization is developed. The aim of this study is to extract themaximum
power from a FC at different fuel flow rates and to protect the FC from over-current
and voltage collapses across terminals. The system is composed of a tracker with a
buck converter able to change the impedance and the FC power. MPP detector is
controlled by one new algorithm to increase the response time of the detector
compared to the traditional algorithm ago.
Optimal fuel flow control FC stack with the MPPT algorithm is a combination of
the control method of the FC and passive popular MPPT method to change the
output impedance. For this control method, the fuel flow is stable when the load
changes.
At the same time, this control method protects over the degradation of the
mechanical structure and the membrane by avoiding the overheating and the water
excess formation, which protect FC from degradation and increase its lifetime.

xv

MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân ......................................................................................................... i
Lời cam đoan ............................................................................................................ iii
Cảm tạ ...................................................................................................................... iv
Tóm tắt ..................................................................................................................... v
Mục lục ..................................................................................................................... vi
Danh sách các hình .................................................................................................. ix

Chƣơng 1. TỔNG QUAN .........................................................................................1
1.1. Tổng quan pin nhiên liệu......................................................................................1
1.1.1. Lịch sử phát triển pin nhiên liệu .......................................................................1
1.1.2. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc ....................................................4
1.2. Mục đích của đề tài ............................................................................................12
1.3. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài ...............................................................12
1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu ....................................................................................13
Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...........................................................................14
2.1. Tổng quan công nghệ pin nhiên liệu ..................................................................14
2.1.1. Nguyên tắc hoạt động......................................................................................14
2.1.2. Phân loại ..........................................................................................................16
2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán pin nhiên liệu .............................................................17
2.2.1. Đơn vị pin nhiên liệu .......................................................................................17

xvi

2.2.1. Ngăn xếp pin nhiên liệu ..................................................................................22
2.3. Bộ chuyển đổi DC/DC .......................................................................................25
2.3.1. Tổng quan bộ chuyển đổi ................................................................................25
2.3.1.1. Sơ lƣợc các bộ chuyển đổi ...........................................................................25
2.3.1.2. Phân loại bộ chuyển đổi DC-DC..................................................................27
2.3.2. Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter ..........................................................28
2.4. Điểm làm việc cực đại của pin nhiên liệu ..........................................................31
2.5. Các thuật toán tìm điểm cực đại phổ biến ..........................................................34
2.5.1. Thuật toán quan sát và leo đồi (P&O).............................................................34
2.5.2. Thuật toán tăng độ dẫn (Incremental Conductance) .......................................35
2.5.3. Thuật toán tỷ lệ điện áp mở mạch (Fractional Open Circuit Voltage) ...........36
2.5.4. Thuật toán tỷ lệ dòng ngắn mạch (Fractional Short Circuit Curent) ..............37
2.5.5. Thuật toán điều khiển dùng logic mờ (Fuzzy Logic Control) ........................37
2.5.6. Thuật toán mạng nơron (Neural Network)......................................................38
2.5.7. Thuật toán điều khiển tƣơng quan gợn sóng (Ripple Correlation Control) ....39
2.5.8. Thuật toán quét dòng điện (Current Sweep) ...................................................40
2.5.9. Thuật toán điều khiển tụ lọc DC (DC Link Capacitor Droop Control) ..........41
Chƣơng 3. TỐI ƢU LƢU LƢỢNG NHIÊN LIỆU CỦA NGĂN XẾP PIN
NHIÊN LIỆU VỚI GIẢI THUẬT MPPT.............................................................42
3.1. Giải thuật đề xuấ ................................................................................................42
3.1.1. Phân tích giải thuật cơ bản ..............................................................................42
3.1.2. Giải thuật đề xuất ............................................................................................46
3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng.............................................................................47
3.2.1. Phân tích mô hình ngăn xếp pin nhiên liệu .....................................................47

xvii

3.2.2. Mô hình giải thuật ...........................................................................................52
3.2.3. Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter ..........................................................54
3.2.4. Giải thuật điều khiển dòng nhiên liệu .............................................................57
Chƣơng 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ......................................................................60
4.1. Mô hình mô phỏng .............................................................................................60
4.2. Kết quả mô phỏng ..............................................................................................62
4.2.1. Lƣu lƣợng nhiên liệu cung cấp hằng số ..........................................................62
4.2.2. Lƣu lƣợng nhiên liệu cung cấp thay đổi .........................................................65
4.2.3. Điều khiển tối ƣu lƣu lƣợng nhiên liệu cung cấp ............................................67
4.2.3.1 Tải cố định .....................................................................................................67
4.2.3.2 Tải thay đổi ...................................................................................................70
Chƣơng 5. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI..................72
5.1. Kết luận .............................................................................................................72
5.2. Hƣớng phát triển của đề tài ................................................................................72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................73

xviii


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1. Pin nhiên liệu đầu tiên .............................................................................. 2
Hình 1.2. Tổng quan công nghệ Hydrogen .............................................................. 3
Hình 1.3. Ứng dụng cho hàng không, vận tải và vũ trụ ........................................... 3
Hình 1.4. Ứng dụng phát điện lai ghép .................................................................... 4
Hình 1.5. Ứng dụng phát điện hoà lƣới tổng quát ................................................... 4
Hình 1.6. Thƣơng mại hóa công nghệ PNL trong giao thông vận tải ...................... 5

Hình 1.7. Tính năng đa dụng của PNL .................................................................... 6
Hình 1.8. Môđun phát điện di động ......................................................................... 6
Hình 1.9. Ứng dụng cho thiết bị điện tử di động ..................................................... 7
Hình 1.10. Môđun phát điện trong nhà .................................................................... 7
Hình 1.11. Phát thải CO2 .......................................................................................... 8
Hình 1.12. Nguồn sản xuất hydro ............................................................................ 9
Hình 1.13. Môđun PNLcarbonat nóng chảy (MCFC) ............................................. 9
Hình 1.14. Chất xúc tác mới cho PNL ..................................................................... 10
Hình 1.15. TS Nguyễn Mạnh Tuấn và vật liệu làm
màng điện cực cho PNL ........................................................................................... 11
Hình 1.16. Công bố máy phát điện bằng nƣớc......................................................... 12
Hình 2.1. Mô hình lý thuyết đơn vị PNL ................................................................. 14
Hình 2.2. Cấu tạo đơn vị PNL .................................................................................. 15
Hình 2.3. Cấu tạo ngăn xếp PNL ............................................................................. 15
Hình 2.4. Đơn vị pin và ngăn xếp pin ...................................................................... 16

xix


Hình 2.5. Cấu tạo đơn vị PNL .................................................................................. 17
Hình 2.6. Mô hình đơn vị PNL ................................................................................ 18
Hình 2.7. Đặc tính điện áp và dòng điện .................................................................. 19
Hình 2.8. Hiệu ứng thiếu hụt oxy ............................................................................. 22
Hình 2.9. Đặc tuyến PEMFC 6KW – 45VDC ......................................................... 23
Hình 2.10. Đặc tuyến của nhà sản xuất và mô phỏng
PEMFC 6KW – 45VDC........................................................................................... 24
Hình 2.11. Đặc tuyến I – V ...................................................................................... 24
Hình 2.12. Đặc tuyến P – V ..................................................................................... 25
Hình 2.13. Sơ đồ khối bộ xử lý công suất ................................................................ 25
Hình 2.14. Sơ đồ khối bộ chuyển đổi tổng quát....................................................... 26

Hình 2.15. Đặc tính quan hệ hiệu suất và tỷ số
(tổn thất công suất/công suất) .................................................................................. 26
Hình 2.16. Các bộ chuyển đổi DC-DC cơ bản ......................................................... 27
Hình 2.17. Bộ chuyển đổi DC-DC độ lợi cao .......................................................... 27
Hình 2.18. Bộ chuyển đổi DC-DC xếp chồng ......................................................... 27
Hình 2.19. Bộ chuyển đổi DC-DC sử dụng MBA cơ bản ....................................... 28
Hình 2.20. Sơ đồ nguyên lý mạch boost .................................................................. 28
Hình 2.21. Mạch điện khi S đóng ............................................................................ 29
Hình 2.22. Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L khi S đóng ............... 29
Hình 2.23. Mạch điện khi S mở ............................................................................... 30
Hình 2.24. Dạng sóng điện áp và dòng điện trên L khi S mở .................................. 30
Hình 2.25. Đặc tuyến I-V, P-V của pin nhiên

xx


liệu với điểm công suất cực đại ................................................................................ 31
Hình 2.26. Sơ đồ khối của hệ thống MPPT tiêu biểu .............................................. 33
Hình 2.27. Lƣu đồ P&O ........................................................................................... 34
Hình 2.28. Lƣu đồ tăng độ dẫn ................................................................................ 35
Hình 2.29. Lƣu đồ tỷ lệ điện áp mở mạch................................................................ 36
Hình 2.30. Sơ đồ khối thuật toán điều khiển dùng logic mờ ................................... 37
Hình 2.31. Lƣu đồ điều khiển dùng logic mờ .......................................................... 38
Hình 2.32. Sơ đồ thuật toán mạng nơron ................................................................. 39
Hình 2.33. V-I-P gợn sóng ....................................................................................... 40
Hình 2.34. Sơ đồ khối của hệ thống ......................................................................... 41
Hình 3.1. Nhiên liệu thay đổi và đáp ứng của P&O và InC..................................... 42
Hình 3.2. Trƣờng hợp giải thuật P&O phát hiện sai ................................................ 43
Hình 3.3. Phân chia các vùng tìm điểm MPP của FC ............................................. 43
Hình 3.4. Giải thuật kết hợp ..................................................................................... 45

Hình 3.5. Giải thuật đề xuất ..................................................................................... 46
Hình 3.6. Mô hình ngăn xếp PNL (PEMFC - 6 kW - 45 Vdc) ................................ 47
Hình 3.7. Giải thuật kết hợp trong Matlab/Simulink
với tín hiệu ngõ ra VREF ............................................................................................ 52
Hình 3.8. Giải thuật kết hợp đặc tuyến với tín hiệu ra là độ rộng xung
dùng cho mạch Boost DC-DC Coverter .................................................................. 53
Hình 3.9. Khối hàm MPPT ...................................................................................... 54
Hình 3.10. Mạch boost trong Matlab & Simulink ................................................... 54
Hình 3.11. Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L .................................. 55

xxi


Hình 3.12. Sơ đồ hệ thống ứng dụng ngăn xếp PNL ............................................... 59
Hình 4.1. Hệ thống mô phỏng .................................................................................. 61
Hình 4.2. Sự biến thiên của V – I – Duty – P
tại mức nhiên liệu 50lpm và 80lpm.......................................................................... 62
Hình 4.3. Đặc tuyến I-V ........................................................................................... 62
Hình 4.4. Đặc tuyến P-V .......................................................................................... 63
Hình 4.5. Đáp ứng điện áp của giải thuật kết hợp và giải thuật đề xuất .................. 63
Hình 4.6. Đáp ứng công suất của giải thuật kết hợp và giải thuật đề xuất .............. 64
Hình 4.7. Đặc tuyến I-V & P-V
ứng với 3 mức nhiên liệu thay đổi (50lpm, 60lpm, 70lpm) ..................................... 65
Hình 4.8. Đáp ứng điện áp của giải thuật kết hợp và giải thuật đề
xuất ứng với 3 mức nhiên liệu thay đổi (50lpm, 60lpm, 70lpm) ............................. 66
Hình 4.9. Đáp ứng công suất của giải thuật kết hợp và giải thuật đề
xuất ứng với 3 mức nhiên liệu thay đổi (50lpm, 60lpm, 70lpm) ............................. 67
Hình 4.10. Đáp ứng điện áp của giải thuật kết hợp và giải thuật đề
xuất khi kết hợp MPPT và điều khiển tối ƣu lƣu lƣợng nhiên liệu .......................... 68
Hình 4.11. Đáp ứng công suất của giải thuật kết hợp và giải thuật đề

xuất khi kết hợp MPPT và điều khiển tối ƣu lƣu lƣợng nhiên liệu .......................... 69
Hình 4.12. Sự biến thiên của V – I – Duty – P
khi kết hợp MPPT và điều khiển tối ƣu lƣu lƣợng nhiên liệu.................................. 70
Hình 4.13. Đáp ứng của mạch ứng với tải thay đổi ................................................. 71

xxii


Chương 1. Tổng quan

Chƣơng 1

TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan pin nhiên liệu
1.1.1. Lịch sử phát triển pin nhiên liệu
Công nghệ PNL nhiên liệu hay còn gọi pin nhiên liệu (PNL) đƣợc phát hiện bởi nhà
khoa học Thụy Sĩ Christian Friedrich Schonbein năm 1838. PinThuỵThuỵ nhiên
liệu đầu tiên đƣợc phát triển bởi nhà khoa học tiếng Wales Sir William Grove. Phác
thảo đã đƣợc xuất bản năm 1843, nhƣng đó không phải là cho tới năm 1959, kỹ sƣ
ngƣời Anh Francis Thomas Bacon phát triển thành công PNL 5 kW. Năm 1959,
một nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi Harry Ihrig đạt đƣợc công suất 15 kW công ty
Allis-Chalmers đã đƣợc công bố tại Mỹ. Sau đó, vào năm 1959, Bacon và các đồng
nghiệp của ông đã chứng minh 1 đơn vị 5-kilowatt thực tế có khả năng cung cấp
năng lƣợng 1 máy hàn, mà dẫn đầu trong những năm 1960 bằng sáng chế Bacon
đƣợc cấp phép bởi Pratt và Whitney từ Mỹ nơi mà các khái niệm đƣợc sử dụng
trong các chƣơng trình không gian Hoa Kỳ cung cấp điện và nƣớc uống. Vật liệu
cực kỳ đắt tiền đã đƣợc sử dụng nhƣ bạch kim và nhiên liệu yêu cầu là hydro và oxy
rất tinh khiết. Các PNL đầu có xu hƣớng yêu cầu nhiệt độ hoạt động cao bất tiện là
một vấn đề trong nhiều ứng dụng. Tuy nhiên, các PNL đƣợc xem là mong muốn do

một lƣợng lớn nhiên liệu có sẵn (hydro và oxy).[2]

Hình 1.1. Pin nhiên liệu đầu tiên

1


Chương 1. Tổng quan

Hơn nữa tiến bộ công nghệ trong những năm 1980 và những năm 1990, nhƣ việc sử
dụng của Nafion là chất điện phân màng, giảm số lƣợng của chất xúc tác bạch kim
đắt tiền. Điều này kích thích ứng dụng công nghệ này cho lĩnh vực dân dụng,
thƣơng mại vì tính thân thiện với môi trƣờng và chi phí cho công nghệ này ngày
càng giảm[3].
Công nghệ này là một trong những giải pháp năng lƣợng linh hoạt nhất từng đƣợc
phát minh, các PNL có thể tạo ra năng lƣợng sạch, hiệu quả và đáng tin cậy cho hầu
nhƣ bất kỳ thiết bị điện yêu cầu - thƣờng cao hơn hiệu quả hơn các công nghệ
đƣơng nhiệm. Họ đang đƣợc sử dụng trong nhiều ứng dụng bao gồm xe nâng hàng,
nhƣ thay thế nồi hơi, cung cấp điện dự phòng cho các nhu cầu cơ sở hạ tầng quan
trọng ngoài ra còn các thiết bị sạc pin cho các thiết bị điện tử di động. Sự thành
công thƣơng mại tiếp tục của các PNL là rất quan trọng để giúp đáp ứng nhu cầu
năng lƣợng tăng tốc của thế giới một cách bền vững[4].

Hình 1.2.Tổng quan công nghệ Hydrogen

2


Chương 1. Tổng quan

Với sự phát triển mạnh của công nghệ này dẫn đến một cuộc cách mạng xanh và
điều này dễ dàng thấy rõ qua những ứng dụng mạnh nhƣ xe lai ghép, du thuyền, tàu
ngầm, laptop PNL, hệ thống điện lai ghép cung cấp cho khu vực dân cƣ cô lập vùng
xâu vùng xa…

Hình 1.3. Ứng dụng cho hàng không, vận tải và vũ trụ

Hình 1.4. Ứng dụng phát điện lai ghép

3


Chương 1. Tổng quan

Hình 1.5. Ứng dụng phát điện hoà lưới tổng quát
1.1.2. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
Trên thế giới
Các PNL tạo ra điện từ một phản ứng điện hóa giữa oxy và hydro, tạo ra nƣớc và
nhiệt là sản phẩm phụ. Hầu hết các PNL có thể sử dụng oxy từ không khí. Các PNL
có thể đƣợc thiết kế để sử dụng hoặc hydro nguyên chất hoặc hydro có nguồn gốc từ
dầu khí hoặc nhiên liệu khác. Các loại khác nhau của các PNL đã đƣợc phát triển
đƣợc tóm tắt dƣới đây[5].
Sự phát triển của các ứng dụng của công nghệ này càng khẳng định đƣợc vai trò
quan trọng của công nghệ trong tƣơng lai. Ứng dụng đƣợc phát triển mạnh mẽ nhất
là công nghệ xe lai ghép, công nghệ xe lai ghép có nhiều loại nhƣ: động cơ lai ghép
hai nguồn nhiên liệu, xe lai ghép hai chế độ hoạt động (động cơ sử dụng nhiên liệu
hóa thạch truyền thống và động cơ điện)…Xe chạy hoàn toàn bằng H 2 là lựa chọn
của nhiều nƣớc phát triển cho giao thông công cộng ở tƣơng lai nhƣ xe buýt H2…

4

Chương 1. Tổng quan

Hình 1.6.Thương mại hóa công nghệ PNL trong giao thông vận tải
Giải pháp năng lƣợng cho các khu vực bị cách ly với lƣới điện quốc gia chính là hệ
thống điện lai ghép, với mục đích chung nhằm tối ƣu hóa hệ thống này nhƣ: tổng
chi phí, khả năng lƣu trữ vì thuộc tính không liên tục của năng lƣợng gió cũng nhƣ
năng lƣợng mặt trời, khả năng tự điều độ cung cấp điện…[6], ứng dụng đơn vị máy
phát điện hydro di động cũng là vấn đề đƣợc xem trọng.

5


Chương 1. Tổng quan

Hình 1.7.Tính năng đa dụng của PNL

Hình 1.8.Môđun phát điện di động

6