Cấu tạo và Nguyên lý hoạt động của PEMFC: Từ Hóa học đến Dòng điện

Trong bài viết trước Tổng quan về Công nghệ Pin Nhiên Liệu, chúng ta đã biết Pin nhiên liệu (Fuel Cell) là thiết bị biến đổi Hydro thành điện năng. Nhưng cụ thể thì “phép màu” gì đang xảy ra bên trong chiếc hộp đó?

Tại sao khí Hydro chỉ đơn giản đi vào một đầu và dòng điện lại đi ra ở đầu kia?

Vì có rất nhiều loại pin nhiên liệu, trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng “mổ xẻ” chi tiết loại pin nhiên liệu được dùng phổ biến nhất trong ngành phương tiện giao thông là:

PEMFC - Proton Exchange Membrane Fuel Cell.

Đây cũng là đối tượng nghiên cứu chính mà mình đang theo đuổi.

Hãy coi bài viết này là những thông tin nền tảng để chúng ta có thể thực hành mô phỏng hoá nên cùng với các công cụ mô phỏng nhe! 🚀

1. Cấu trúc của PEMFC: Một chiếc bánh nhiều lớp

image info

Hình 1. Minh hoạ tổng quan cấu trúc bên trong của một tế bào pin nhiên liệu PEMFC.

Như hình trên, nếu cắt ngang một tế bào pin nhiên liệu, kết cấu của nó giống hệt một chiếc bánh Sandwich nhiều lớp. Cấu trúc này thường được gọi là “kết cấu dạng lớp” (Layered structure).

Hãy tưởng tượng đi từ ngoài vào trong:

Vỏ bánh: Tấm lưỡng cực (Bipolar Plates)

Đây là hai lớp vỏ cứng bên ngoài (được mô tả trên hình là các đường viền màu xám), thường làm bằng than chì (graphite) hoặc kim loại.

Nhiệm vụ:
- Dẫn khí vào: Trên bề mặt tấm này có các rãnh nhỏ (Flow channels) để dẫn khí Hydro và Oxy đi đều khắp mặt pin.
- Thu gom dòng điện: Dẫn các electron đi ra mạch ngoài để chạy động cơ.
- Giải nhiệt: Giúp tản nhiệt sinh ra trong quá trình phản ứng.

Nhân bánh: MEA (Membrane Electrode Assembly)

Đây là lớp màng ngăn cách giữa hai cực Dương và cực Âm (Cathode và Anode), đồng thời là “trái tim” của pin nhiên liệu, nơi mọi sản sinh ra năng lượng. MEA thực chất là 3 lớp mỏng ép chặt vào nhau:

Lớp khuếch tán khí (Gas Diffusion Layer - GDL):
- Làm bằng sợi carbon xốp.
- Giúp khí phân tán đều từ các rãnh của tấm lưỡng cực vào bên trong. Đồng thời, nó giúp “thoát nước” (sản phẩm phụ) ra ngoài để pin không bị ngập (flooding).
Lớp xúc tác (Catalyst Layer - CL):
- Đây là lớp đắt tiền nhất, thường chứa bột Bạch kim (Platinum - Pt).
- Nhiệm vụ: Kích thích phản ứng hóa học xảy ra nhanh hơn. Nếu không có nó, Hydro và Oxy sẽ trơ ra và chẳng có dòng điện nào cả.
Màng điện phân (Proton Exchange Membrane - PEM):
- Lớp màng polymer đặc biệt nằm chính giữa (thường là vật liệu Nafion).
- Tính cách đặc biệt: Nó là một “người bảo vệ” cực kỳ khó tính. Nó CHỈ cho phép các hạt Proton ( $H^+$ ) đi qua, và tuyệt đối CHẶN các hạt Electron ( $e^-$ ) và khí Hydro/Oxy.

Ghi chú: Chính đặc tính “chặn Electron” của màng PEM là chìa khóa để tạo ra dòng điện. Vì Electron không thể đi đường tắt qua màng, chúng buộc phải đi đường vòng qua dây dẫn bên ngoài -> tạo thành dòng điện! ⚡

2. Nguyên lý hoạt động: Cuộc chia ly của Hydro

Quá trình sinh điện trong PEMFC thực chất là một phản ứng oxi hóa khử ngược. Cụ thể như sau:

Tại Anode (Cực Âm) - Nơi Hydro đi vào

Khí Hydro ( $H_2$ ) được bơm vào và khuếch tán qua lớp GDL để gặp lớp xúc tác Bạch kim. Tại đây, quá trình “chia ly” diễn ra:

Phân tử Hydro bị tách thành 2 phần:

Proton mang điện dương ( $H^+$ ).
Electron mang điện âm ( $e^-$ ).

2H_2 \rightarrow 4H^+ + 4e^-

Hành trình riêng biệt

Đây là lúc màng PEM thể hiện vai trò của mình:

Các hạt Proton ( $H^+$ ): Được phép chui qua màng PEM để sang phía bên kia (Cathode).
Các hạt Electron ( $e^-$ ): Bị màng chặn lại. Chúng không còn cách nào khác phải chạy qua tấm lưỡng cực, đi ra dây dẫn bên ngoài để sang Cathode. Dòng chuyển dời có hướng của các electron này chính là Dòng Điện cung cấp năng lượng cho tải (động cơ xe, đèn, thiết bị…).

Tại Cathode (Cực Dương) - Nơi Oxy đi vào

Ở phía bên kia, khí Oxy ( $O_2$ ) từ không khí được thổi vào. Tại lớp xúc tác cực dương, một cuộc “đoàn tụ” diễn ra:

Electron ( $e^-$ ) sau khi đi một vòng qua động cơ đã quay trở về.
Proton ( $H^+$ ) vừa chui qua màng cũng đã tới nơi.
Oxy ( $O_2$ ) đang chờ sẵn.

Ba thành phần này kết hợp với nhau tạo thành Nước ( $H_2O$ ) và tỏa nhiệt.

O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O

Phản ứng tổng quát

Gộp cả hai quá trình lại, ta có phương trình đơn giản như bài trước đã đề cập:

2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O + Điện + Nhiệt

3. Đường đặc tính V-I (Polarization Curve)

Trong khía cạnh mô phỏng và điều khiển, hiểu rõ về tính chất của thiết bị là vô cùng quan trọng. Vì vậy, pin nhiên liệu PEMFC cũng có những đặc tính riêng mà chúng ta cần nắm. Một trong những đặc tính quan trọng nhất chính là Đường đặc tính V-I (Voltage-Current Characteristic Curve) hay con gọi là Đường cong phân cực (Polarization Curve).

image info

Hình 2. Đường đặc tính V-I của pin nhiên liệu PEMFC.

Trên lý thuyết, một tế bào pin nhiên liệu có thể tạo ra điện áp từ khoảng khoảng 0.7-1.2V. Tuy nhiên, trong thực tế, khi chúng ta rút dòng điện ra sử dụng, điện áp này sẽ bị sụt giảm (Voltage Drop) do các tổn hao bên trong pin.

Theo như hình 2, biểu đồ quan hệ giữa Điện áp (V) và Mật độ dòng điện (i) được gọi là đường cong phân cực (Polarization Curve). Nó chia làm 3 vùng tổn hao chính:

Vùng kích hoạt (Activation Losses):
- Xảy ra ở dòng điện nhỏ (đoạn đầu đồ thị).
- Nguyên nhân: Cần năng lượng để “khởi động” các phản ứng hóa học trên bề mặt xúc tác.
- Biểu hiện: Điện áp sụt giảm nhanh chóng từ 1.23V xuống khoảng 0.9V ngay khi bắt đầu có dòng điện.
Vùng điện trở (Ohmic Losses):
- Xảy ra ở dải hoạt động chính (đoạn giữa, tuyến tính).
- Nguyên nhân: Do điện trở của màng PEM (cản trở Proton) và điện trở của các tấm điện cực (cản trở Electron).
- Biểu hiện: Điện áp giảm đều, tuyến tính theo định luật Ohm ( $V = I \times R$ ). Đây là vùng chúng ta thường muốn pin hoạt động.
Vùng nồng độ (Concentration Losses):
- Xảy ra ở dòng điện rất lớn (đoạn cuối).
- Nguyên nhân: Khí Hydro/Oxy không kịp cung cấp tới bề mặt phản ứng, hoặc nước sinh ra quá nhiều làm ngập (flooding) màng xúc tác.
- Biểu hiện: Điện áp tụt dốc không phanh.

Chính vì những đặc tính này, trong quá trình mô phỏng và thiết kế hệ thống điều khiển cho PEMFC, chúng ta cần đảm bảo pin hoạt động chủ yếu trong Vùng điện trở - Ohmic Losses để tối ưu hiệu suất và bảo vệ tuổi thọ của pin nhiên liệu.

Do vậy, việc phát triển các hệ thống chiến lược điều khiển (Control Strategies) phù hợp để duy trì hoạt động ổn định trong vùng này là vô cùng cần thiết.

Mình sẽ chia sẻ chi tiết hơn về chủ đề trên trong các bài viết tiếp theo nhé! 😉

Tổng kết

Tóm lại, PEMFC không phải là một “thùng chứa năng lượng” như các loại pin điện khác như Lithium-ion, mà là một “nhà máy điện phát điện”. Nhiên liệu Hydro và Oxy được cung cấp liên tục, và nó sẽ liên tục sinh ra điện nhờ cấu trúc đặc biệt và tính chất chọn lọc của màng PEM.

Tuy nhiên, một tế bào chỉ tạo ra khoảng 0.7V-1.2V là quá nhỏ để vận hành một phương tiện giao thông. Trong bài viết tới, các hệ thống phụ trợ (Balance of Plant - BoP) sẽ được đề cập để giúp vận hành một hệ thống pin nhiên liệu hoàn chỉnh và tối ưu.

Hẹn gặp lại các bạn trong bài viết tiếp theo! 👋