Trước đó, chúng tôi đã xem xét lại lịch sử phát triển của pin nhiên liệuTừ những khái niệm ban đầu về pin nhiên liệu đến sự phát triển của các công nghệ PEMFC, AFC, MCFC và SOFC hiện đại, như chúng ta thấy, sự phát triển của pin nhiên liệu theo thời gian rất đa dạng, dẫn đến nhiều loại và phương pháp phân loại khác nhau. Tuy nhiên, cách phân loại phổ biến nhất dựa trên loại chất điện phân, bao gồm “pin nhiên liệu màng trao đổi proton, ""pin nhiên liệu kiềm, ""pin nhiên liệu axit photphoric, ""pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy, "Và"pin nhiên liệu oxit rắnBên cạnh việc phân loại theo loại chất điện giải, còn có các phân loại dựa trên nhiệt độ phản ứng, các loại nhiên liệu khác nhau và các phương pháp khác.
Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) giữ vị trí quan trọng trong giao thông vận tải, nguồn điện dự phòng và hệ thống điện phân tán. Cấu trúc và các thành phần chính của pin nhiên liệu PEM Bao gồm cụm điện cực màng, tấm lưỡng cực, trường dòng chảy, lớp khuếch tán khí và lớp xúc tác. Tất nhiên, pin nhiên liệu oxit rắn và pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy cũng có vị thế nghiên cứu nhất định. Tiếp theo, chúng ta sẽ giới thiệu ngắn gọn một số loại pin nhiên liệu thường được nghiên cứu.
Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC)
Là một trong những vật liệu chính trong pin nhiên liệu PEM, màng trao đổi proton Màng trao đổi proton phải kết hợp khả năng dẫn proton, tách khí, ổn định hóa học, ổn định nhiệt và độ bền cơ học. Các vật liệu như fluoropolymer, polymer thơm và vật liệu lai hữu cơ/vô cơ đã được phát triển liên tiếp để làm màng trao đổi proton.
Trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton, chất điện phân là một trong những vật liệu quan trọng. Nó là một màng điện phân polymer mỏng, trong đó Nafion là một ví dụ được biết đến rộng rãi. màng trao đổi axit perfluorosulfonic (PFSA)Màng polymer này có thể dẫn proton trong khi vẫn không dẫn điện. Vật liệu điện cực thường được cấu tạo từ carbon hoặc kim loại, với bạch kim được hỗ trợ bởi carbon được sử dụng làm chất xúc tác cho các phản ứng ở cực dương và cực âm. Nhiệt độ hoạt động của pin nhiên liệu PEMFC xấp xỉ 80°C, và một tế bào đơn có thể tạo ra điện áp khoảng 0.7V. Trong các ứng dụng thực tế, nhiều tế bào được kết nối nối tiếp để tạo thành một cụm pin nhiên liệu. Các tấm lưỡng cực giữa các tế bào phân phối khí phản ứng, dẫn điện và giúp quản lý nhiệt và nước. Tìm hiểu thêm về... chức năng của các tấm lưỡng cực trong cụm pin nhiên liệu.
Pin nhiên liệu màng trao đổi proton có thể khởi động nhanh trong điều kiện hiệu ứng nhà kính, dễ dàng thải ra các sản phẩm phụ là nước, có tuổi thọ cao, công suất riêng cao, năng lượng riêng cao, kích thước nhỏ và hiện đang được sử dụng rộng rãi trong xe điện và các thiết bị phát điện phân tán trong gia đình. Bên cạnh những đặc điểm này, chúng còn có hiệu suất vận hành cao, thường đạt từ 40% đến 60%, và khả năng phản hồi linh hoạt tuyệt vời, cho phép điều chỉnh nhanh chóng công suất đầu ra dựa trên nhu cầu điện năng.
Để xem ví dụ ở cấp độ hệ thống, hãy xem Cách xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro sử dụng cụm pin nhiên liệu. để chuyển hóa hydro thành năng lượng cho động cơ.
Mặc dù có những ưu điểm rõ rệt, pin nhiên liệu màng trao đổi proton cũng có những nhược điểm. Chúng đòi hỏi hydro có độ tinh khiết rất cao và chất lượng không khí tốt, vì chất xúc tác bạch kim quý hiếm rất dễ bị nhiễm bẩn bởi các tạp chất như carbon monoxide và sulfide.Điều này có thể làm giảm đáng kể hoạt tính xúc tác và rút ngắn đáng kể tuổi thọ của pin nhiên liệu.
Các cụm pin nhiên liệu PEMFC có thể sử dụng các tấm lưỡng cực bằng than chì, kim loại hoặc vật liệu composite. Mỗi loại vật liệu có quy trình sản xuất khác nhau và mang lại những sự đánh đổi khác nhau về độ dẫn điện, khả năng chống ăn mòn, trọng lượng, độ dày và chi phí. quy trình sản xuất tấm lưỡng cực Do đó, điều này phụ thuộc vào vật liệu được chọn, hình dạng dòng chảy, yêu cầu về lớp phủ, khối lượng sản xuất và mục tiêu chi phí.
Pin nhiên liệu kiềm (AFC)
Pin nhiên liệu kiềm (AFC) ra đời vào những năm 1960 bởi công ty P&W của Mỹ, công ty này đã cải tiến pin nhiên liệu Bacon để tạo ra AFC. Những pin nhiên liệu này sau đó đã được sử dụng trong chương trình Apollo. Pin nhiên liệu kiềm (AFC) có thể đạt hiệu suất lên đến 70% và thiết kế của chúng rất giống với pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC), điểm khác biệt chính là AFC sử dụng dung dịch kiềm mạnh làm chất điện giải, chẳng hạn như kali hydroxit hoặc natri hydroxit. Trong phản ứng điện hóa, các ion hydroxit di chuyển từ dung dịch điện phân đến cực dương, nơi chúng phản ứng với hydro trong phản ứng oxy hóa, tạo ra nước và electron. Các electron di chuyển qua mạch ngoài đến cực âm, nơi chúng phản ứng với oxy và nước để tạo ra thêm các ion hydroxit.Nguyên lý hoạt động của AFC được thể hiện trong hình dưới đây:
Nhiệt độ hoạt động của AFC tương tự như của PEMFC, khoảng 80°C. Pin nhiên liệu kiềm (AFC) có tốc độ khởi động nhanh hơn nhưng mật độ dòng điện của chúng chỉ bằng khoảng một phần mười so với pin nhiên liệu PEMFC, khiến chúng kém phù hợp hơn làm nguồn điện di động. Pin nhiên liệu kiềm-điện phân (AFC) có chi phí sản xuất thấp nhất trong số các loại pin nhiên liệu và thường được sử dụng trong các thiết bị phát điện cố định quy mô nhỏ. Chất xúc tác được sử dụng trong AFC có thể là bạch kim hoặc các kim loại không quý (như niken), làm cho chi phí chất điện phân trong AFC thấp hơn nhiều so với pin nhiên liệu PEMFC.
Một thách thức quan trọng đối với pin nhiên liệu kiềm là tính dễ bị ảnh hưởng bởi khí carbon dioxide. Sự hình thành cacbonat, ngay cả từ một lượng nhỏ carbon dioxide trong không khí, cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất và độ bền của pin. Mặc dù pin nhiên liệu kiềm (AFC) sử dụng chất điện phân lỏng có thể hoạt động ở chế độ tuần hoàn để tái tạo chất điện phân và giúp giảm thiểu tác động của sự hình thành cacbonat, nhưng chế độ này lại gây ra vấn đề dòng điện rò rỉ. Hệ thống điện phân lỏng cũng gặp phải những vấn đề khác, bao gồm khả năng thấm ướt, tăng cường ăn mòn và khó khăn trong việc xử lý chênh lệch áp suất.
Tế bào nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC)
Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC) là công nghệ phát điện hiệu quả cao và bền vững với hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao và khí thải sạch, khiến chúng trở thành một công nghệ phát điện đầy triển vọng. Tuy nhiên, do nhiệt độ hoạt động cao và các đặc tính đặc biệt của chất điện phân cacbonat nóng chảy, sự phát triển của MCFC đã bị cản trở.
Chất điện phân được sử dụng trong MCFC bao gồm dung dịch lithi cacbonat, natri cacbonat hoặc kali cacbonat. Các tế bào này có thể đạt hiệu suất lên đến 60% và công suất hoạt động lên đến 100 MW. Thêm vào đó, bằng cách tận dụng nhiệt thải, hiệu suất nhiên liệu có thể đạt tới 85%. Hiệu suất cao này là do nhiệt độ hoạt động cao từ 620-660°C, cho phép sử dụng linh hoạt hơn nhiều loại nhiên liệu và chất xúc tác giá rẻ (như niken), đồng thời đảm bảo độ dẫn điện của dung dịch điện phân.Nguyên lý hoạt động của MCFC được thể hiện trong hình dưới đây:
Pin nhiên liệu MCFC có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau, bao gồm hydro, carbon monoxide, metan, khí sinh học, khí than đã khử lưu huỳnh hoặc khí tự nhiên. Các quy trình sản xuất màng và điện cực của pin nhiên liệu MCFC đã hoàn thiện, cho phép sản xuất hàng loạt. Tuy nhiên, nhiệt độ hoạt động cao và môi trường nóng chảy có thể gây ăn mòn và hòa tan vật liệu của pin, làm giảm đáng kể tuổi thọ của chúng. Hiện nay, ăn mòn vật liệu là một trong những thách thức lớn cản trở sự phát triển của pin nhiên liệu MCFC.
Mặc dù gặp phải các vấn đề như độ ổn định trong môi trường ăn mòn và mật độ công suất thấp hơn so với các loại pin nhiên liệu khác, Công nghệ MCFC đã trở thành lựa chọn ưu tiên cho việc phát điện cố định thương mại. Nhiều công ty trên toàn thế giới đang thử nghiệm các hệ thống phát điện MCFC quy mô kilowatt đến megawatt và cung cấp các hệ thống MCFC cho các ngành công nghiệp có nhu cầu điện năng tương đối nhỏ hơn. Ngoài ra, người ta cũng đang nghiên cứu ứng dụng MCFC trong các lĩnh vực như vận tải biển. Nhờ sự phát triển nhanh chóng trong nghiên cứu và thương mại hóa, MCFC dẫn đầu về số lượng máy phát điện được lắp đặt trong số tất cả các công nghệ pin nhiên liệu.
Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC)
Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC), còn được gọi là pin nhiên liệu gốm, là loại pin nhiên liệu hiệu quả nhất, hoạt động ở nhiệt độ cao từ 600-1000°C, dẫn đến hoạt tính phản ứng rất cao. Trong tất cả các cấu hình pin nhiên liệu, SOFC có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao nhất. Chúng cũng có một số ưu điểm, chẳng hạn như hoạt động êm ái, không gây tiếng ồn, lượng khí thải thấp và nhiều lựa chọn nhiên liệu khác nhau (ví dụ: khí tự nhiên, khí tổng hợp [hỗn hợp CO, H2, v.v.], khí sinh học như metan, khí than, metan mỏ than, khí đá phiến và khí phụ phẩm công nghiệp).
Pin nhiên liệu rắn oxit (SOFC) bao gồm cực dương, cực âm, chất điện phân, bộ phận kết nối và vật liệu làm kín. Chức năng chính của điện cực là cung cấp vị trí cho các phản ứng điện hóa và dẫn các electron cần thiết cho các phản ứng này. Chức năng chính của chất điện phân là dẫn các ion oxy hoặc proton. Bộ phận kết nối liên kết các tế bào riêng lẻ để đạt được công suất đầu ra cao và ngăn chặn các phản ứng trực tiếp giữa không khí và nhiên liệu. Vật liệu làm kín giữ cho nhiên liệu và không khí được tách biệt trong các khu vực dòng chảy riêng biệt của chúng.
Có hai loại cấu trúc chính của SOFC: dạng ống và dạng phẳng.
Cấu trúc hình ống là cấu trúc tế bào SOFC được phát triển sớm nhất và hiện là một công nghệ tương đối hoàn thiện. Pin nhiên liệu rắn dạng ống có độ linh hoạt cao và không dễ bị nứt; chúng sử dụng gốm xốp làm chất nền, giúp cấu trúc chắc chắn; việc lắp ráp pin tương đối đơn giản, cho phép dễ dàng kết hợp các pin song song và nối tiếp để tạo thành các bộ pin công suất cao. Tuy nhiên, pin nhiên liệu rắn dạng ống có chất điện phân tương đối dày, dẫn đến điện trở ohmic cao và do đó mật độ công suất thấp hơn.
Cấu trúc SOFC dạng phẳng và quy trình chế tạo đơn giản hơn, giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất. Cấu trúc phẳng sử dụng chất điện phân màng mỏng, giúp giảm đáng kể điện trở ohmic của pin và cải thiện hiệu suất điện hóa. Tuy nhiên, các cạnh của các thành phần pin phẳng cần được bịt kín để cách ly khí oxy hóa và khí nhiên liệu, và vật liệu kết nối lưỡng cực cần phải phù hợp về mặt nhiệt học với vật liệu điện cực, đồng thời phải có khả năng chống oxy hóa và dẫn điện tốt ở nhiệt độ cao.
Do nhiệt độ phản ứng của SOFC nằm trong khoảng 600-1000°C, Thời gian khởi động tương đối dài, khiến chúng không phù hợp với các ứng dụng yêu cầu bật/tắt tức thì. Ví dụ như giao thông vận tải. Thay vào đó, chúng phù hợp hơn cho các kịch bản phát điện ít phát thải carbon đòi hỏi hoạt động 24/24, chẳng hạn như trung tâm dữ liệu, nhà máy, cảng, tòa nhà văn phòng, bệnh viện và các đảo xa xôi.
Pin nhiên liệu Methanol trực tiếp (DMFC)
Pin nhiên liệu methanol trực tiếp (DMFC) là một loại pin nhiên liệu màng trao đổi proton, có đặc điểm là trọng lượng nhẹ, công suất cao, tuổi thọ dài và sử dụng methanol làm nguồn nhiên liệu trực tiếp để phát điện. Pin nhiên liệu methanol trực tiếp (DMFC) sử dụng điện cực màng polymer tương tự như điện cực được sử dụng trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton. Trong quá trình hoạt động, pin tiêu thụ nước ở cực dương và tạo ra nước ở cực âm. Khi sử dụng methanol nguyên chất, mật độ năng lượng của pin tương đối cao, khiến nó trở thành một lựa chọn tiềm năng cho các ứng dụng xe điện.
Vì pin nhiên liệu methanol trực tiếp sử dụng methanol làm nhiên liệu, chúng dễ vận chuyển và sử dụng như xăng. Methanol có giá thành hợp lý và có thể được khai thác từ cả nguồn tài nguyên tái tạo và không tái tạo. Được mệnh danh là “ánh sáng mặt trời dạng lỏng”, methanol mang lại nhiều ưu điểm về khả năng tự phát điện và lưu trữ điện năng khẩn cấp trong thời gian dài. Điều này giúp DMFC có khả năng ứng dụng rộng rãi trong xe điện, trạm thu phát thông tin liên lạc, ứng dụng quân sự, động cơ đẩy hàng hải và trạm điện phân tán, với tiềm năng trở thành công nghệ chủ đạo trong các sản phẩm điện tử di động tương lai.
Pin nhiên liệu methanol trực tiếp (DMFC) có thể được phân loại thành hai loại chính: thụ động và chủ động. Chúng khác nhau về công suất đầu ra và các thành phần. Pin nhiên liệu thụ động tạo ra điện năng thông qua dòng chảy tự nhiên của metanol lỏng bên trong pin, trong khi pin nhiên liệu chủ động sử dụng bơm để tuần hoàn metanol đến cực dương. Bơm điều chỉnh tốc độ dòng chảy của metanol, đảm bảo cung cấp nhiên liệu liên tục cho cực dương. Hệ thống điều khiển giám sát trạng thái của pin nhiên liệu trong thời gian thực, điều chỉnh tốc độ bơm và nồng độ metanol để duy trì hiệu suất tối ưu. Cách tiếp cận này cho phép pin nhiên liệu chủ động đạt được mật độ công suất cao hơn so với pin nhiên liệu thụ động. Việc lựa chọn giữa hai loại phụ thuộc vào yêu cầu ứng dụng cụ thể và sự cân bằng giữa hiệu suất và chi phí.
Các bài liên quan:
Giải thích chi tiết về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu màng trao đổi proton.
Ứng dụng thực tiễn của pin nhiên liệu màng trao đổi proton
