Tế bào nhiên liệu

Các tế bào nhiên liệu (tiếng Anh: fuel cell) biến đổi năng lượng hóa học của nhiên liệu thí dụ như là hiđrô trực tiếp thành năng lượngđiện. Không giống như pin hoặc ắc quy, tế bào nhiên liệu không bị mất điện và cũng không có khả năng tích điện. Tế bào nhiên liệu hoạt động liên tục khi nhiên liệu (hiđrô) và chất ôxi hóa (ôxy) được đưa từ ngoài vào.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tế bào nhiên liệu Tế bào nhiên liệuMethanol fuel cell. The actual fuel cell stack is the layered bi-cubic structure in the center of theimageConstruction of a low temperature Tế bào nhiên liệu màng điện phân trao đổi proton qua màng lọcpolymer: Bipolar plate as electrode with in-milled gas channel structure, fabricated fromconductive plastics (enhanced with carbon nanotubesfor more conductivity); Porous carbonpapers; reactive layer, usually on thepolymer membrane applied; polymer membrane.Các tế bào nhiên liệu (tiếng Anh: fuel cell) biến đổi năng lượng hóa học của nhiênliệu thí dụ như là hiđrô trực tiếp thành năng lượngđiện. Không giống như pin hoặc ắcquy, tế bào nhiên liệu không bị mất điện và cũng không có khả năng tích điện. Tế bàonhiên liệu hoạt động liên tục khi nhiên liệu (hiđrô) và chất ôxi hóa (ôxy) được đưa từngoài vào.Lịch sửNăm 1839 nhà khoa học tự nhiên người xứ Wales Sir William Robert Grove đã chếtạo ra mô hình thực nghiệm đầu tiên của tế bào nhiên liệu, bao gồm hai điệncực platin được bao trùm bởi hai ống hình trụ bằng thủy tinh, một ống chứa hiđrô vàống kia chứa ôxy. Hai điện cực được nhúng trong axít sulfuric loãng là chất điệnphân tạo thành dòng điện một chiều. Vì việc chế tạo các hệ thống tế bào nhiên liệuquá phức tạp và giá thành đắt, công nghệ này dừng lại ở đấy cho đến thập niên 1950.Thời gian này ngành du hành vũ trụ và kỹ thuật quân sự cần dùng một nguồn nănglượng nhỏ gọn và có năng suất cao. Các tàu du hành vũ trụ và tàu ngầm cần dùngnăng lượng điện không thông qua động cơ đốt trong. NASA đã quyết định dùng cáchsản xuất điện trực tiếp bằng phương pháp hóa học thông qua tế bào nhiên liệu trongcác chương trình du hành vũ trụ Gemini và Apollo. Các tế bào nhiên liệu sử dụngtrong chương trình Gemini được NASA phát triển vào năm 1965. Với công suấtkhoảng 1 kW các tế bào nhiên liệu này đã cung cấp đồng thời điện và nước uống chocác phi hành gia vũ trụ. Các tế bào nhiên liệu của chương trình Gemini chỉ dài60 cm và có đường kính là 20 cm.Công việc nghiên cứu về công nghệ tế bào nhiên liệu không phải bị ngưng đến thậpniên 50 của thế kỷ 20 mà nó vẫn được tiếp tục phát triển để hoàn thiện.Nhờ chế tạo được các màng (membrane) có hiệu quả cao và các vật liệu có khả năngchống ăn mòn hóa họctốt hơn và cũng nhờ vào công cuộc tìm kiếm một nguồn nănglượng thân thiện môi trường cho tương lai tế bào nhiên liệu được phát triển mạnh vàođầu thập niên 1990. Thông qua đó việc sử dụng tế bào nhiên liệu dành cho các mụcđích dân sự đã trở thành hiện thực. Ngày nay khả năng sử dụng trải dài từ vận hành ôtô, sưởi nhà qua các nhà máy phát điện có công suất hằng 100 kW cho đến những ứngdụng bé nhỏ như trong điện thoại di động hoặc máy vi tính xách tay.Cấu tạoCondensation of water produced by a PEMFC on the air channel wall. The gold wire around thecell ensures the collection of electric current.[1]Một tế bào nhiên liệu có cấu tạo đơn giản bao gồm ba lớp nằm trên nhau. Lớp thứnhất là điện cực nhiên liệu (cực dương), lớp thứ hai là chất điện phân dẫn ion và lớpthứ ba là điện cực khí ôxy (cực âm). Hai điện cực được làm bằng chất dẫn điện (kimloại, than chì, ...). Chất điện phân được dùng là nhiều chất khác nhau tùy thuộc vàoloại của tế bào nhiên liệu, có loại ở thể rắn, có loại ở thể lỏng và có cấu trúc màng. Vìmột tế bào riêng lẻ chỉ tạo được một điện thế rất thấp cho nên tùy theo điện thế cầndùng nhiều tế bào riêng lẻ được nối kế tiếp vào nhau, tức là chồng lên nhau. Người tathường gọi một lớp chồng lên nhau như vậy là stack.Ngoài ra, hệ thống đầy đủ cần có các thiết bị phụ trợ như máy nén, máy bơm, để cungcấp các khí đầu vào, máy trao đổi nhiệt, hệ thống kiểm tra các yêu cầu, sự chắc chắncủa sự vận hành máy, hệ thống dự trữ và điều chế nhiên liệu.Nguyên lý hoạt độngVề phương diện hóa học tế bào nhiên liệu là phản ứng ngược lại của sự điện phân.Trong quá trình điện phânnước bị tách ra thành khí hiđrô và khí ôxy nhờ vào nănglượng điện. Tế bào năng lượng lấy chính hai chất này biến đổi chúng thành nước. Quađó, trên lý thuyết, chính phần năng lượng điện đã đưa vào sẽ được giải phóng nhưngthật ra vì những thất thoát qua các quá trình hóa học và vật lý năng lượng thu được íthơn. Các loại tế bào nhiên liệu đều cùng chung một nguyên tắc được mô tả dựa vào tếbào nhiên liệu PEM (Proton Exchange Membrane - tế bào nhiên liệu màng trao đổibằng proton) như sau:Ở bề mặt cực dương khí hiđrô bị ôxy hóa bằng hóa điện:Các điện tử được giải phóng đi từ cực dương qua mạch điện bên ngoài về cực âm.Các proton H+ di chuyển trong chất điện phân xuyên qua màng có khả năng chỉ choproton đi qua về cực âm kết hợp với khí ôxy có sẵn trong không khí (nồng độ 21%)và các điện tử tạo thành nước:Tổng cộng:Phân loạiCác hệ thống tế bào nhiên liệu được phân loại theo nhiều cách khác nhau tùy theocách nhìn: Phân loại theo nhiệt độ hoạt động Phân theo loại các chất tham gia phản ứng Phân loại theo điện c ...