Nguồn năng lượng hóa thạch đang có nguy cơ suy giảm dần, do trữ lượng có hạn và nhu cầu sử dụng ngày càng lớn, kèm theo là nhu cầu tiêu thụ nguồn năng lượng này đang gây ra mối quan tâm đáng kể về môi trường. Thách thức đặt ra là tìm những công nghệ chuyển đổi năng lượng mới thay thế phù hợp với xu hướng phát triển sạch, một trong số đó có thể kể đến “Fuel cell” - pin nhiên liệu.
“Fuel cell” – Tế bào nhiên liệu/ pin nhiên liệu
Khái niệm “Fuel cell” đã xuất hiện từ năm 1839, là phát minh của một nhà khoa học người Anh, William Robert Grove. “Fuel cell” được hiểu là tế bào điện hóa, chuyển đổi năng lượng hóa học từ nhiên liệu thành điện năng. Điện được tạo ra từ phản ứng giữa một nguồn cung cấp nhiên liệu và tác nhân oxy hóa. Các fuel cell có thể hoạt động liên tục khi chất phản ứng cần thiết và dòng nhiên liệu vào được duy trì.
Đến những năm 1990, tế bào nhiên liệu được phát triển và ứng dụng trong các thiết bị không gian, các hệ thống cấp và phân phối điện, các phương tiện giao thông vận tải, … tại Châu Âu, Mỹ, Nhật, Trung Quốc [1]. Tuy nhiên, tại Việt Nam, công nghệ này vẫn còn khá mới mẻ.
Nguyên lý hoạt động của “Fuel cell”
Fuel cell phát sinh ra dòng điện và nhiệt năng từ quá trình phản ứng điện hóa.
Mỗi fuel cell gồm hai điện cực anode và cathode tiếp xúc với dung dịch điện ly. Nhiên liệu hydro được cung cấp liên tục vào khoang anode và chất oxy hóa (oxy hoặc không khí) được cung cấp liên tục vào khoang cathode [2].
Fuel cell hoạt động dựa trên quá trình ngược của phản ứng điện phân nước, tổ hợp oxy và hydro để tạo thành nước, cung cấp điện:
Khí hydro được cấp vào phía khoang anode, tại đây xảy ra quá trình oxy hóa theo phản ứng (1). Các ion H+ tạo thành khuếch tán qua dung dịch điện ly tới bề mặt cathode, tại đây xảy ra phản ứng khử oxy theo phương trình (2) và tổng hợp thành nước H2O. Khi nối tế bào nhiên liệu với mạch ngoài, các điện tử (electron) sẽ chuyển động từ anode qua mạch ngoài sang cathode tạo mạch điện khép kín cung cấp dòng điện cho mạch ngoài.
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý của một tế bào nhiên liệu
Tế bào nhiên liệu là một hệ thống hở, chất phản ứng được cấp từ nguồn bên ngoài và phải được duy trì liên tục để sinh dòng điện liên tục cấp cho phụ tải. Chẳng hạn một tế bào nhiên liệu hydro sử dụng hydro như nhiên liệu và oxy (từ không khí xung quanh) là chất oxy hoá.
Một số nhiên liệu khác như hydrocacbon, rượu (methanol, ethanol), khí methan hoặc các hợp chất khác và các enzim oxy hoá khử có thể được sử dụng như nhiên liệu đầu vào của tế bào nhiên liệu, để thực hiện các phản ứng trao đổi điện tử có hiệu quả cao và chi phí thấp. Các tế bào nhiên liệu riêng lẻ có thể được kết nối với nhau thành nhiều module nhằm tăng khả năng hoạt động của quá trình điện hóa [3].
Hình 2. Nguyên lý hoạt động của tế bào nhiên liệu PEMFC điển hình
Các tế bào nhiên liệu khác nhau về nhiệt độ hoạt động, hiệu suất, ứng dụng và chi phí sản xuất. Các tế bào nhiên liệu thường được chia làm 06 loại dựa trên loại nhiên liệu sử dụng và loại dung dịch điện phân:
· Fuel cell kiềm (AFC)
· Fuel cell điện ly polymer (PEMFC)
· Fuel cell methanol (DMFC)
· Fuel cell acid phosphoric (PAFC)
· Fuel cell carbonate nóng chảy (MCFC)
· Fuel cell oxide rắn (SOFC)
Trong đó, fuel cell điện ly polymer (PEMFC) là loại được sử dụng rộng rãi trong thương mại, do ưu điểm nhiệt độ hoạt động thấp, thời gian khởi động ngắn và dễ nạp chất oxi hóa đầu vào. Đây được xem là giải pháp phù hợp cho các phương tiện giao thông.
Triển vọng ứng dụng “Fuel cell”
Ngày nay, fuel cell/ tế bào nhiên liệu được sử dụng khá rộng rãi, từ các thiết bị có kích thước nhỏ như điện thoại di động, máy vi tính xách tay đến ô tô, xe tăng, máy bay, tàu du hành vũ trụ, tàu thủy, tàu ngầm hoặc các thiết bị trong gia đình, hoặc dùng để nạp điện hoặc thay máy phát điện, hoặc chuyển sang dòng xoay chiều đưa vào điện lưới.
Hình 3. Các ứng dụng du lịch & xe thương mại điển hình của tế bào nhiên liệu hydro
Năm 2014 xuất hiện chiếc xe chạy điện, sử dụng công nghệ tế bào nhiên liệu, được thương mại hóa đầu tiên của Toyota. Từ 2019 đến nay, các quốc gia như Trung Quốc, Mỹ, Nhật Bản và các quốc gia châu Âu đã tập trung nỗ lực để thúc đẩy công nghệ tế bào nhiên liệu phát triển. Chính nhờ chiến lược phối hợp giữa chính phủ, và sự tham gia của các ngành công nghiệp, các ứng dụng tế bào nhiên liệu hiện đang từng bước hiện diện trong các ngành công nghiệp.
Công nghệ “Fuel cell” và quan điểm bảo vệ môi trường
Khi nói đến việc sử dụng hiệu quả năng lượng tái tạo để sản xuất điện và nhiệt ít phát thải, không có carbon, công nghệ tế bào nhiên liệu đứng đầu về hiệu suất so với các công nghệ khác. Ngày nay, fuel cell có thể được sử dụng để đảm bảo cung cấp năng lượng hiệu quả trong các công trình cố định, và các vật thể di động. Ưu điểm lớn nhất của fuel cell chạy bằng hydro xanh là lượng khí thải CO2 đều có mức phát thải gần bằng “0” – zero emission.
Mặc dù có khá nhiều ưu điểm, nhưng giá thành khá cao và chưa có cơ sở hạ tầng hỗ trợ, công nghệ tế bào nhiên liệu chưa được ứng dụng phổ biến ở Việt Nam. Hiện nay, có nhiều nghiên cứu nhận định đây là giải pháp năng lượng có giữ vai trò chủ đạo thay thế các công nghệ sản xuất điện năng truyền thống, không gây ô nhiễm môi trường và là lời giải cho bài toán năng lượng của tương lai [5].