HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP HCM

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
PIN NHIÊN LIỆU PEMFC
Lê Thanh Long, Phạm Quang Trung
Khoa Cơ khí - Trường Đại học Bách Khoa TP HCM

TÓM TẮT:
Trong lĩnh vực năng lượng trên toàn cầu hiện
nay, có hai vấn đề cấp bách mà con người đã và
đang đối mặt đó là: nguồn nhiên liệu hóa thạch
ngày càng cạn kiệt và tình trạng ô nhiễm môi
trường do khí thải của quá trình đốt cháy nhiên
liệu thải ra. Có rất nhiều giải pháp đã được các
nhà nghiên cứu khoa học đề xuất và trong số đó
có sự phát triển pin nhiên liệu – một loại pin có
khả năng thay thế tốt nguồn nhiên liệu hóa thạch

mà vẫn đảm bảo không gây ô nhiễm môi trường.
Bài báo này giới thiệu loại pin nhiên liệu
PEMFC, là một trong số các loại pin nhiên liệu đã
được chế tạo trên thế giới. Hệ thống pin nhiên liệu
dạng này sẽ tạo ra nguồn năng lượng cung cấp
cho các thiết bị trong lĩnh vực công nghiệp dân
dụng như điện thoại, laptop, quạt gió,... và đặc
biệt là ứng dụng trên xe máy, ô tô,...

Từ khóa: Fuel Cell, PEMFC, hệ thống pin nhiên liệu

1. GIỚI THIỆU

Trang 274

Hình 1. Mô hình pin nhiên liệu với 2 điện cực
platanium
Thời gian này, ngành du hành vũ trụ và kỹ
thuật quân sự cần dùng một nguồn năng lượng
nhỏ gọn và có năng suất cao. Các tàu du hành
vũ trụ và tàu ngầm cần dùng năng lượng điện
không thông qua động cơ đốt trong. NASA đã
quyết định dùng cách sản xuất điện trực tiếp
bằng phương pháp hóa học thông qua pin nhiên
liệu trong các chương trình du hành vũ trụ
Gemini và Apollo [2]. Các pin nhiên liệu sử dụng
trong chương trình Gemini được NASA phát triển
vào năm 1965. Với công suất khoảng 1kW các
pin nhiên liệu này đã cung cấp đồng thời điện và
nước uống cho các phi hành gia vũ trụ. Các pin
nhiên liệu của chương trình Gemini chỉ dài 60 cm
và có đường kính là 20 cm.


HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP HCM

Công việc nghiên cứu về công nghệ pin
nhiên liệu không phải bị ngưng đến thập niên 50
của thế kỷ 20 mà nó vẫn được tiếp tục phát triển
để hoàn thiện.
Nhờ chế tạo được các màng PEM có hiệu
quả cao và các vật liệu có khả năng chống ăn

được phản ứng oxy hóa khử và duy trì đều có thể
sử dụng để chế tạo pin nhiên liệu. Tuy nhiên trên
thực tế thì hoạt động của pin lại phụ thuộc vào rất
nhiều yếu tố, trong đó giá cả và năng lượng tạo
nên ảnh hưởng lớn nhất. Vì những yếu tố trên mà
hydro và methanol thường được lựa chọn sử
dụng cho các loại pin hoạt động ở nhiệt độ thấp
[2].
Các loại tế bào nhiên liệu đều cùng chung
một nguyên tắc được mô tả dựa vào tế bào nhiên
liệu PEM (Proton Exchange Membrane) – tế bào
nhiên liệu màng trao đổi bằng proton như sau:
Ở bề mặt anode khí hydro bị oxy hóa:

2 H 2  4 H   4e

(1)

Các điện tử được giải phóng đi từ anode qua
mạch điện bên ngoài về cathode. Các proton H+ di
chuyển trong chất điện phân xuyên qua màng có
khả năng chỉ cho proton đi qua về cathode kết
hợp với khí oxy và các điện tử tạo thành nước.

O2  4H   4e  2 H 2O

(2)

Tổng cộng:



khác nhau tùy thuộc vào loại của pin nhiên liệu, có
loại ở thể rắn, có loại ở thể lỏng và có cấu trúc
màng.

Hình 4. Mô hình cấu tạo pin nhiên liệu PEMFC
2.3.1. Chất điện phân
Tùy thuộc vào loại pin nhiên liệu mà ta sử
dụng chất điện phân cho phù hợp. Tuy nhiên, tất
cả các chất điện phân này đều phải có tính không
thấm nước, không dẫn electron, độ dẫn ion cao,
đáp ứng các yêu cầu về độ bền điện hóa, bền hóa
học và cơ học trong môi trường phản ứng.
Vai trò của chất điện phân là dẫn ion từ anode
đến cathode hay ngược lại tùy thuộc loại pin
nhiên liệu. Theo thời gian thì khả năng hoạt động
của pin giảm dần do sự biến tính của chất điện
phân, kết quả là ion không còn dẫn giữa các điện
cực, thậm chí có thể dẫn đến hiện tượng đoạn
mạch, dòng điện không sinh ra và pin không hoạt
động được [3].
2.3.2. Chất xúc tác
Tương tự như chất điện phân, chất xúc tác
trong pin nhiên liệu sẽ phụ thuộc vào loại pin.
Chất xúc tác phải là những chất có hoạt tính xúc
tác tốt với các phản ứng điện hóa, dẫn nhiệt tốt.
Hiện nay, Platinium là kim loại có giá thành
cao nhưng có hoạt tính xúc tác cao nhất. Điều này
làm cho giá thành của pin nhiên liệu cao hơn các
loại năng lượng khác, khó có khả năng thương

làm mát cho pin.
2.4. Ưu nhược điểm của pin nhiên liệu
PEMFC
2.4.1. Ưu điểm
Trong các ưu điểm của pin nhiên liệu so với
các hệ thống chuyển đổi cạnh tranh khác phải kể
đến độ hiệu quả cao không phụ thuộc vào độ lớn
của hệ thống. Chúng cung cấp năng suất năng
lượng điện từ 40% đến 70%, ngoài ra có thể hơn
85% khi tận dụng cả điện và nhiệt.
Ngoài ra, việc vận hành pin nhiên liệu không
phát sinh tiếng ồn và sản phẩm của phản ứng chỉ
là nước và dioxit carbonate (nếu sử dụng các
nhiên liệu hóa thạch). Pin nhiên liệu giảm sự phụ
thuộc vào dầu mỏ, giảm lượng dioxit carbonate,
một trong các khí gây ra hiệu ứng nhà kính, các
oxit của lưu huỳnh và nitơ là các khí gây ô nhiễm
môi trường đang là vấn đề lớn cho xã hội.
Các pin nhiên liệu không cần động cơ quay
hay các bộ phận cơ học chuyển động, do đó
tăng tuổi thọ và độ tin cậy.
Nhiệt độ vận hành khác nhau của pin nhiên
liệu cho phép dùng cùng với turbine hay những
ứng dụng trong hơi nước.
2.4.2. Nhược điểm
Giá cả của pin nhiên liệu khá cao cho việc
cạnh tranh như trong các bộ phận của pin như
chất xúc tác (bạch kim), màng trao đổi, điện cực.
Pin nhiên liệu có thể tích cồng kềnh nhất là
khi người ta muốn đưa vào bên trong xe ô tô.

làm ẩm

Bộ lọc

Khí Oxi

Nguồn
Hydro

Van kiểm
tra

Cụm pin nhiên
liệu PEM

Công
DC/AC
suất
Sản phẩm bên ngoài
Lỗ thoát nước

Bộ lọc sạch khí thải
Bộ chuyển đổi áp suất
Van xả khí đã làm sạch
Khí Hydro làm sạch
thải ra ngoài

Hình 7. Hệ thống pin nhiên liệu sử dụng màn lọc
proton
3.1. Cụm stack PEMFC

Hiệu suất của cụm stack có thể được tính gần
đúng theo công thức sau:

Vcell
(4)
1.482
3.2. Hệ thống làm ẩm.
Hệ thống làm ẩm hydro giúp bảo vệ màng trao
đổi proton (PEM) khỏi hút ẩm dưới tác dụng của
tải. Ngoài ra cả khí oxy và hydro phải được làm
ẩm tại ngõ vào của hệ thống pin.

Stack 

Trang 277


HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP HCM
Pin nhiên liệu
H2

O2

Buồng mở
rộng

W

Làm ẩm bằng cách

Trong đó:

và

CP là nhiệt dung riêng đẳng áp (J/kgK)
3.5. Turbines
Turbines sẽ tạo ra năng lượng cần thiết góp
phần hỗ trợ việc nén khí vào pin nhiên liệu. Vì vậy
hiệu suất của turbines sẽ ảnh hưởng đến hiệu
suất của hệ thống pin nhiên liệu PEMFC.

amb

Không
khí


 (v2 2  v1 )2 
Wact  V  P 

2



Thiết bị làm
ẩm

Pin nhiên
liệu


 P2   

T1 1   

 P1  



(8)

4.

Thiết kế cụm stack pin nhiên liệu PEMFC
Việc thiết kế cụm stack đóng vai trò quan trọng
trong quá trình thiết kế hệ thống pin nhiên liệu
PEMFC vì nó ảnh hưởng đến công suất đầu ra
của pin. Khi thiết kế cụm stack chúng ta cần quan
tâm đến các yếu tố như vật liệu làm pin, kích
thước, khối lượng và thể tích của pin sao cho đạt
được công suất yêu cầu.
Sau đây là một số thành phần cơ bản của cụm
stack pin nhiên liệu PEMFC:

(6)

Trong đó V là lưu lượng thể tích (m3/s)
∆P là áp suất hút của cánh (Pa)
 là mật độ của lưu chất (kg/m3)
v2, v1 là tốc độ dòng khí đầu vào
và đầu ra của pin (m/s)


Hình 12. Tấm điện cực anode

Với những ưu điểm nổi trội hơn hẳn các nguồn
năng lượng khác, pin nhiên liệu PEMFC sẽ là sự
lựa chọn tốt nhất để thay thế cho nguồn dầu mỏ
có giá thành cao và đang có nguy cơ cạn kiệt dần.
Tuy nhiên, để loại pin này có thể sử dụng rộng rãi
trong cuộc sống thì thách thức đối với các nhà
nghiên cứu cũng không hề nhỏ. Chúng ta phải
xây dựng các trạm tiếp nhiên liệu H2, cải tiến kỹ
thuật để sản xuất hàng loạt với giá thành thấp,
tăng hiệu suất của pin. Ngoài ra bể chứa, bình
chứa nhiên liệu phải an toàn khi sử dụng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO

Hình 13. Tấm đệm

Hình 14. Màng trao đổi proton (PEM)

Hình 15. Tấm điện cực cathode

[1]. James Larminie - Andrew Dicks, Fuel Cell
Systems
Explained,
Oxford
Brookes
University, UK 2003.
[2]. L.Carrette, K.A.Friedrich, U.Stimming.
Fuel Cells Fundamentals and Applications,


Trang 280

capable of replacing fossil fuels while ensuring
no environmental pollution. This paper
introduces PEMFC - one of the fuel cells built on
the world. This fuel cell system will generate the
energy supply for the devices in the field of civil
industry as phone, laptop, fan,... and especially
apply on motorcycles, cars,...