Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton-exchange Membrane Fuel Cells – PEMFC), còn được gọi là pin nhiên liệu màng điện phân polymer (Polymer Electrolyte Membrane – PEM), là một loại pin nhiên liệu đang được phát triển chủ yếu cho các ứng dụng vận chuyển, cũng như cho các ứng dụng pin nhiên liệu cố định và các ứng dụng pin nhiên liệu di động. Các tính năng phân biệt của chúng bao gồm dải nhiệt độ/áp suất thấp hơn (50 đến 100 °C) và màng điện phân polyme dẫn proton đặc biệt. PEMFC tạo ra điện và hoạt động theo nguyên tắc ngược lại với quá trình điện phân PEM, vốn tiêu thụ điện. Chúng là ứng cử viên hàng đầu để thay thế công nghệ pin nhiên liệu kiềm đã cũ được sử dụng trong Tàu con thoi.
1. Cơ sở khoa học PEMFC
PEMFC được chế tạo từ các cụm điện cực màng (MEA) bao gồm các điện cực, chất điện phân, chất xúc tác và các lớp khuếch tán khí. Một loại mực chứa chất xúc tác, carbon và điện cực được phun hoặc sơn lên chất điện phân rắn và giấy carbon được ép nóng ở hai bên để bảo vệ bên trong tế bào và cũng hoạt động như các điện cực. Phần then chốt của tế bào là ranh giới ba pha (TPB) nơi trộn lẫn chất điện phân, chất xúc tác và chất phản ứng và do đó, nơi các phản ứng tế bào thực sự xảy ra. Điều quan trọng là màng không được dẫn điện để các phản ứng bán phần không trộn lẫn với nhau. Nhiệt độ hoạt động có thể lên đến 100 °C để sản phẩm phụ của nước trở thành hơi nước và việc quản lý nước trở nên ít quan trọng hơn trong thiết kế tế bào.
2. Các phản ứng trong PEMFC
Pin nhiên liệu màng trao đổi proton biến đổi năng lượng hóa học được giải phóng trong phản ứng điện hóa của hydro và oxy thành năng lượng điện, trái ngược với quá trình đốt cháy trực tiếp khí hydro và oxy để tạo ra nhiệt năng.
Một dòng khí hydro được đưa đến anode của MEA. Ở phía anode, nó được xúc tác phân tách thành các proton và electron. Phản ứng nửa tế bào oxy hóa hoặc phản ứng oxy hóa hydro (HOR) này được biểu diễn bằng:
Các proton mới hình thành thấm qua màng điện phân polyme đến phía cathode. Các electron di chuyển dọc theo một mạch tải bên ngoài đến cathode của MEA, do đó tạo ra dòng điện đầu ra của pin nhiên liệu. Trong khi đó, một dòng oxy được đưa đến cathode của MEA. Ở cathode, các phân tử oxy phản ứng với các proton xuyên qua màng điện phân polyme và các electron đi qua mạch ngoài để tạo thành các phân tử nước. Phản ứng nửa tế bào khử hoặc phản ứng khử oxy (ORR) này được thể hiện bằng:
Phản ứng tổng thể:
Phản ứng thuận nghịch được thể hiện trong phương trình và cho thấy sự tái hợp của các proton và electron hydro cùng với phân tử oxy và sự hình thành của một phân tử nước. Các điện thế trong mỗi trường hợp được đưa ra đối với điện cực hydro tiêu chuẩn.
3. Màng trao đổi proton
Để hoạt động, màng phải dẫn các ion hydro (proton) chứ không phải các electron vì điều này sẽ gây ra hiện tượng “đoản mạch” pin nhiên liệu. Màng này cũng không được cho phép một trong hai loại khí đi qua phía bên kia của tế bào, một vấn đề được gọi là sự giao nhau của khí. Cuối cùng, màng phải có khả năng chống lại môi trường khử ở cathode cũng như môi trường oxy hóa khắc nghiệt ở anode.
Việc tách phân tử hydro tương đối dễ dàng bằng cách sử dụng chất xúc tác bạch kim. Tuy nhiên, thật không may, việc tách phân tử oxy khó khăn hơn và điều này gây ra tổn thất điện năng đáng kể. Vật liệu xúc tác thích hợp cho quá trình này vẫn chưa được tìm ra và bạch kim là lựa chọn tốt nhất.
4. Các bộ phận của PEMFC
Pin nhiên liệu màng điện phân polyme (PEM) là trọng tâm nghiên cứu hiện nay cho các ứng dụng xe chạy pin nhiên liệu. Pin nhiên liệu PEM được làm từ nhiều lớp vật liệu khác nhau. Các bộ phận chính của pin nhiên liệu PEM được mô tả dưới đây.
Trái tim của pin nhiên liệu PEM là cụm điện cực màng (MEA), bao gồm màng, các lớp chất xúc tác và các lớp khuếch tán khí (GDL). Các thành phần phần cứng được sử dụng để kết hợp MEA vào pin nhiên liệu bao gồm các miếng đệm, giúp bịt kín xung quanh MEA để tránh rò rỉ khí, và các tấm lưỡng cực, được sử dụng để lắp ráp các pin nhiên liệu PEM riêng lẻ thành một ngăn pin nhiên liệu và cung cấp các kênh dẫn cho nhiên liệu khí và không khí.
4.1. Điện cực màng MEA
Màng, các lớp chất xúc tác (cực dương và cực âm) và môi trường khuếch tán cùng nhau tạo thành tổ hợp điện cực màng (MEA) của pin nhiên liệu PEM.
Màng điện phân polymer
Màng điện phân polyme, hay PEM (còn gọi là màng trao đổi proton)—một vật liệu được xử lý đặc biệt trông giống như màng bọc thực phẩm thông thường trong nhà bếp—chỉ dẫn các ion tích điện dương và chặn các electron. PEM là chìa khóa của công nghệ pin nhiên liệu; nó phải chỉ cho phép các ion cần thiết đi qua giữa anode và cathode. Các chất khác đi qua chất điện phân sẽ làm gián đoạn phản ứng hóa học. Đối với các ứng dụng vận chuyển, màng này rất mỏng—trong một số trường hợp là dưới 20 micrômét.
Lớp xúc tác
Một lớp chất xúc tác được thêm vào cả hai mặt của màng—lớp anode ở một bên và lớp cathode. Các lớp chất xúc tác thông thường bao gồm các hạt bạch kim có kích thước nanomet được phân tán trên chất hỗ trợ carbon có diện tích bề mặt cao. Chất xúc tác bạch kim được hỗ trợ này được trộn với một polyme dẫn ion (ionomer) và được kẹp giữa màng và các GDL. Về phía anode, chất xúc tác bạch kim cho phép phân tách các phân tử hydro thành proton và electron. Về phía cathode, chất xúc tác bạch kim cho phép khử oxy bằng cách phản ứng với các proton được tạo ra bởi anode, tạo ra nước. Ionomer được trộn vào các lớp xúc tác cho phép các proton di chuyển qua các lớp này.
Các lớp khuếch tán khí (GDL)
Các GDL nằm bên ngoài các lớp xúc tác và tạo điều kiện vận chuyển các chất phản ứng vào lớp xúc tác, cũng như loại bỏ nước sản phẩm. Mỗi GDL thường bao gồm một tờ giấy carbon trong đó các sợi carbon được phủ một phần bằng polytetrafluoroethylene (PTFE). Khí khuếch tán nhanh chóng qua các lỗ trong GDL. Các lỗ này được giữ mở bằng PTFE kỵ nước, giúp ngăn ngừa sự tích tụ nước quá mức. Trong nhiều trường hợp, bề mặt bên trong của GDL được phủ một lớp carbon mỏng có diện tích bề mặt cao trộn với PTFE, được gọi là lớp vi xốp. Lớp vi xốp có thể giúp điều chỉnh sự cân bằng giữa giữ nước (cần thiết để duy trì độ dẫn của màng) và thoát nước (cần thiết để giữ cho các lỗ mở để hydro và oxy có thể khuếch tán vào các điện cực).
4.2. Phần cứng
MEA là một phần của pin nhiên liệu, nơi sản xuất điện, nhưng cần có các thành phần phần cứng để MEA hoạt động hiệu quả.
Các tấm lưỡng cực
Mỗi MEA riêng lẻ tạo ra ít hơn 1 V trong các điều kiện hoạt động thông thường, nhưng hầu hết các ứng dụng đều yêu cầu điện áp cao hơn. Do đó, nhiều MEA thường được kết nối nối tiếp bằng cách xếp chúng chồng lên nhau để cung cấp điện áp đầu ra có thể sử dụng được. Mỗi ô trong ngăn xếp được kẹp giữa hai tấm lưỡng cực để ngăn cách nó với các ô lân cận. Những tấm này, có thể được làm bằng kim loại, carbon hoặc vật liệu tổng hợp, cung cấp khả năng dẫn điện giữa các tế bào, cũng như cung cấp độ bền vật lý cho ngăn xếp. Bề mặt của các tấm thường chứa một “trường dòng chảy”, là một tập hợp các kênh được gia công hoặc dập vào tấm để cho phép khí chảy qua MEA. Các kênh bổ sung bên trong mỗi tấm có thể được sử dụng để lưu thông chất lỏng làm mát.
Gioăng đệm
Mỗi MEA trong ngăn xếp pin nhiên liệu được kẹp giữa hai tấm lưỡng cực, nhưng các miếng đệm phải được thêm vào xung quanh các cạnh của MEA để tạo ra một vòng đệm kín khí. Những miếng đệm này thường được làm bằng polymer cao su.
