Từ tế bào pin nhiên liệu đến một hệ thống: Fuel Cell Stack và hệ thống phụ trợ

Trong bài viết trước về Cấu tạo PEMFC, chúng ta đã biết một tế bào pin nhiên liệu (Single Cell) hoạt động như thế nào. Tuy nhiên, có một thực tế phũ phàng: Một tế bào pin chỉ tạo ra điện áp khoảng 0.7V - 0.8V.

Con số này thậm chí chưa đủ để thắp sáng một bóng đèn LED nhỏ, do đó việc vận hành một chiếc xe hơi là một thử thách rất lớn vì cần điện áp khoảng 300V - 600V và cần công suất hàng trăm kilowatts (kW).

Vậy làm sao để giải quyết vấn đề này? Chúng ta không làm cho tế bào to lên gấp 100 lần, mà chúng ta kết nối hàng trăm tế bào lại với nhau, gọi là Fuel Cell Stack. Và để toàn bộ hệ thống đó hoạt động, chúng cần một hệ thống phụ trợ phức tạp gọi là Balance of Plant (BoP).

Image of fuel cell stack structure

Hình 1. Tổng quan cấu trúc của một Fuel Cell Stack.

Với bài viết này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về fuel cell stack và hệ thống BoP nhe 🛠️

1. Fuel Cell Stack: Sức mạnh của sự đoàn kết

Khái niệm “Stack” (Chồng/Khối) rất đơn giản: Đó là việc xếp chồng nhiều tế bào pin nối tiếp nhau (Series connection).

Image of fuel cell stack structure

Hình 2. Cấu trúc của một Fuel Cell Stack với ba tế bào ghép nối tiếp.

Nguyên lý cộng hưởng

Theo định luật Kirchhoff, khi mắc nối tiếp, điện áp sẽ cộng dồn:

V_{stack} = n \times V_{cell}

Trong đó:

$V_{stack}$ : Điện áp tổng của cả khối pin.
$n$ : Số lượng tế bào (thường từ 300 - 400 tế bào cho một xe hơi).
$V_{cell}$ : Điện áp trung bình của một tế bào.

Ví dụ: Để có 400V, ta cần ghép khoảng 500-600 tế bào lại với nhau.

Thách thức của Fuel Cell Stack

Nghe có vẻ đơn giản là cứ “xếp chồng lên nhau”, nhưng về mặt kỹ thuật, Stack là một khối linh kiện cực kỳ nhạy cảm:

Vấn đề đồng nhất: Khí Hydro và Oxy phải được chia đều cho tất cả 400 tế bào. Nếu cell số 1 nhận đủ khí mà cell số 400 bị thiếu (do đường ống xa), cell số 400 sẽ bị “đói” (Starvation), điện áp tụt, sinh nhiệt và có thể làm hỏng cả Stack.
Hiệu ứng “Mắt xích yếu nhất”: Dòng điện đi qua tất cả các cell là như nhau, do đó chỉ cần 1 cell bị lỗi, hiệu suất của cả hệ thống sẽ bị kéo xuống theo cell đó.

I_{stack} = I_{cell}

Góc nhìn Điều khiển: Vì vậy nhiệm vụ của hệ thống giám sát (Monitoring System) là phải liên tục theo dõi điện áp của từng cell (Cell Voltage Monitoring - CVM) để phát hiện sớm các bất thường này.

2. Balance of Plant (BoP): Hệ thống phụ trợ duy trì hoạt động

Một Fuel Cell Stack nằm trơ trọi sẽ không thể hoạt động. Nó giống như một quả tim, muốn đập được thì cần có phổi để thở, có mạch máu để nuôi dưỡng và có tuyến mồ hôi để làm mát.

Toàn bộ các thiết bị phụ trợ giúp Stack hoạt động được gọi chung là Balance of Plant (BoP). Trong các bài toán mô phỏng (Simulation), BoP chính là đối tượng tiêu thụ năng lượng (Parasitic Load) mà chúng ta cần tối ưu hóa.

Chúng ta có thể chia BoP thành 4 hệ thống con (Sub-systems) chính:

Fuel Cell Stack System

Hình 3. Sơ đồ hoàn chỉnh khối hệ thống Fuel Cell Stack.

a. Hệ thống cung cấp khí (Air Supply System)

Đây là hệ thống quan trọng và tốn năng lượng nhất.

Thiết bị chính: Máy nén khí (Air Compressor).
Nhiệm vụ: Bơm Oxy từ không khí vào cực Cathode với áp suất và lưu lượng chính xác.
Vấn đề điều khiển: Máy nén khí tiêu tốn rất nhiều điện (có thể lên tới 10-15% công suất sinh ra của pin). Nếu bơm quá mạnh => Tốn điện, giảm hiệu suất hệ thống. Nếu bơm quá yếu => Thiếu Oxy (Oxygen Starvation) => Hỏng màng xúc tác.

Cathode System

Hình 4. Hệ thống cung cấp khí cho cực Cathode.

b. Hệ thống cung cấp Hydro (Fuel Supply System)

Thiết bị chính: Bình chứa Hydro áp suất cao (Hydrogen Tank), Van giảm áp, Bơm tuần hoàn (Recirculation Pump).
Cơ chế: Hydro từ bình chứa (700 bar) được giảm áp và đưa vào Anode. Lượng Hydro thừa không phản ứng hết sẽ không bị thải bỏ lãng phí mà được bơm quay lại đầu vào để dùng tiếp.

Anode System

Hình 5. Hệ thống cung cấp Hydro cho cực Anode.

c. Hệ thống quản lý nhiệt (Thermal Management) và Hệ thống quản lý nước (Water Management)

PEMFC hoạt động tốt nhất ở khoảng 60°C - 80°C.

Thiết bị chính: Bơm nước làm mát (Coolant Pump), Két tản nhiệt (Radiator), Quạt (Fan).
Nhiệm vụ: Phản ứng sinh điện tỏa ra rất nhiều nhiệt. Nếu không giải nhiệt kịp, màng Polymer sẽ bị nóng chảy. Ngược lại, nếu quá lạnh, hiệu suất phản ứng sẽ thấp.

Thermal Management System

Hình 6. Hệ thống quản lý nhiệt và nước cho PEMFC.

Màng PEM cần độ ẩm (giống như da người vậy).

Quá khô: Màng giảm khả năng dẫn Proton, điện trở tăng => Sụt áp.
Quá ướt (Flooding): Nước ngập kín các lỗ rỗng, khí không vào được xúc tác => Pin “chết đuối”.
Giải pháp: Sử dụng bộ làm ẩm (Humidifier) để cân bằng độ ẩm dòng khí đi vào.

d. Hệ thống quản lý điện (Electrical Management System)

Electrical Management System

Hình 7. Hệ thống quản lý điện cho Fuel Cell Stack.

3. Tại sao cần Chiến lược Điều khiển (Control Strategy)?

Đến đây, bạn có thể thấy rất nhiều hệ thống cần điều khiển, vì vậy các bài toán cần lời giải đáp dần bắt đầu lộ diện. Không đơn giản chỉ điều khiển một cục pin, mà là điều phối cả một hệ thống Fuel Cell Stack để vận hành hiệu quả và tối ưu.

Mục tiêu tối thượng của bài toán điều khiển là tối ưu hóa Công suất Tịnh (Net Power):

P_{net} = P_{stack} - P_{aux}

Trong đó:

$P_{stack}$ : Công suất pin sinh ra (càng cao càng tốt).
$P_{aux}$ : Công suất tiêu thụ bởi thiết bị phụ trợ BoP (càng thấp càng tốt).

Mâu thuẫn (Trade-off): Để $P_{stack}$ tăng cao, ta cần bơm nhiều khí, áp suất cao (tăng dòng Oxy). Nhưng làm vậy thì máy nén khí phải chạy hết công suất, khiến $P_{aux}$ tăng vọt. Kết quả là $P_{net}$ có thể lại giảm đi!

Nhiệm vụ của các hệ thống điều khiển: Tìm ra điểm cân bằng tối ưu (Optimal Operating Point) cho từng thời điểm, sao cho hệ thống vừa bền bỉ, vừa đạt hiệu suất cao nhất.

Tổng kết

Nhìn chung một tế bào pin nhiên liệu nhỏ bé, qua việc kết nối trở thành một hệ thống pin nhiên liệu với hàng trăm tế bào gọi là Fuel Cell Stack cùng với đó là hệ thống phụ trợ Balance of Plant (BoP)phức tạp, chúng ta đã có một “động cơ” Fuel Cell hoàn chỉnh có thể hoạt động.

Tuy nhiên, Fuel Cell có một nhược điểm chí mạng: Nó phản ứng khá chậm do các yếu tố về mặt cơ khí cũng như quá trình phản ứng hoá học. Khi bạn đạp ga để vượt xe, máy nén khí cần thời gian để tăng tốc, khí cần thời gian để đi vào Stack. Chiếc xe sẽ bị “trễ” (lag/delay).

Để giải quyết vấn đề này, chúng ta cần một người bạn đồng hành phản ứng nhanh nhạy hơn: Pin (Battery) và/hoặc Siêu tụ (Supercapacitor/Ultracapacitor). Sự kết hợp này tạo nên Hệ thống truyền động lai (Fuel Cell Hybrid Powertrain).

Đó chính là chủ đề hấp dẫn mà chúng ta sẽ bàn tới trong bài viết tiếp theo! Hẹn gặp lại các bạn. 👋