Các tế bào nhiên liệu ( fuel cell), hay còn gọi là pin nhiên liệu, biến đổi năng lượng hóa học của nhiên liệu (như Hydro, Methanol…) trực tiếp thành năng lượng điện. Không giống như pin hoặc ắc quy, tế bào nhiên liệu không bị mất điện và cũng không có khả năng tích điện, hoạt động liên tục khi nhiên liệu và chất oxy hóa được đưa từ ngoài vào.
Pin nhiên liệu là loại thiết bị năng lượng có mức thải ô nhiễm gần như bằng không, không thải ra các chất gây ô nhiễm môi trường tuy nhiên công nghệ chế tạo phức tạp nên giá thành khá đắt.
a). Cấu tạo
Một pin nhiên liệu hydro có cấu tạo đơn giản bao gồm ba lớp nằm trên nhau: - Lớp thứ nhất là điện cực nhiên liệu (cực dương)
43 - Lớp thứ hai là chất điện phân dẫn ion - Lớp thứ ba là điện cực khí oxy (cực âm).
Hai điện cực được làm bằng chất dẫn điện (kim loại than chì ).
Ngoài ra, hệ thống đầy đủ cần có các thiết bị phụ trợ như máy nén, máy bơm, để cung cấp các khí đầu vào, máy trao đổi nhiệt, hệ thống kiểm tra các yêu cầu, sự chắc chắn của sự vận hành máy, hệ thống dự trữ và điều chế tái sử dụng nhiên liệu.
b). Nguyên lý hoạt động
Về phương diện hóa học, nguyên lý hoạt động của tế bào pin nhiên liệu là phản ứng ngược lại của sự điện phân. Trong quá trình điện phân nước bị tách ra thành khí hiđrô và khí oxy nhờ vào năng lượng điện. Fuel cell thực hiện việc tổng hợp chính hai chất này biến đổi chúng thành nước, đồng thời phát ra dòng điện và tỏa nhiệt.
Hình 2.15: Nguyên lý hoạt động của Fuel cell Hydro và Fuel cell Methanol
c). Ứng dụng của pin nhiên liệu
Do có giá thành cao nên pin nhiên liệu ban đầu được ứng dụng hạn chế trong những lĩnh vực mà giá thành không đóng vai trò quan trọng như quân sự, thông tin viễn thông, y tế...
44
Pin nhiên liệu nhẹ và hiệu quả hơn ắc quy đồng thời đáng tin cậy và ít ô nhiễm tiếng ồn cũng như khí thải hơn động cơ động cơ đốt trong nên đang được đẩy mạnh vào lĩnh vực giao thông vận tải sạch và bền vững do lượng dầu mỏ trên Trái Đất là có hạn. Nhiều hãng sản xuất xe đã nghiên cứu về xe có nhiên liệu là hiđrô, sử dụng pin nhiên liệu để chuyển hóa năng lượng và dùng động cơ điện để vận hành. Kỹ thuật này đã được phát triển cho xe buýt, xe du lịch, xe tải nhẹ.
Do việc tỏa nhiệt đi kèm với phát điện nên pin nhiên liệu sử dụng khí đốt đang có sự chiếm lĩnh thị trường mạnh trong việc kết hợp phát điện và sưởi.
Một số vật dụng cầm tay như điện thoại di động máy vi tính xách tay, máy quay phim, vật liệu cắm trại hay quân sự cũng đang tiến tới ứng dụng loại nguồn cung cấp năng lượng này.