TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU (2)

NGƯT NGUYỄN NGỌC DIỆP

I- Giới thiệu :

Pin nhiên liệu (Pin à Combustible) hay còn gọi là tế bào nhiên liệu (Fuel Cell)) ngày càng được chú ý phát triển để sử dụng nhiên liệu một cách có lợi hơn là dùng động cơ nhiệt để chuyển hoá năng thành cơ năng, rồi từ cơ năng chuyển thành điện năng. Các ưu điểm nổi bật của pin nhiên liệu là : Hiệu suất điện cao, năng lượng lớn, ít phát thải ô nhiễm, ít tiếng ồn, có thể sản xuất tại chỗ hay lưu động. Tuy vậy, giá thành hãy còn cao nếu người ta chưa đầu tư thích đáng thêm để  nghiên cứu hoàn thiện hơn nữa.

Từ năm 1839, người ta đã khám ra pin nhiên liệu. Sau đó pin nhiên liệu bị quên lãng. Sau năm 1970, các tập đoàn công nghiệp lớn mới ra sức nghiên cứu về pin nhiên liệu. Cho đến năm 2004 , đã có một số hãng ô-tô đưa ra những xe prototype dùng pin nhiên liệu, nhưng thật sự vẫn chưa phải là những sản phẩm thương mại. Năm 2005, hai loại pin nhiên liệu PEMFC và SOFC sử dụng chất điện phân rắn đã được ứng dụng có hiệu quả trên ô-tô . Song song, cũng đã bắt đầu xây dựng các nhà máy điện-nhiệt ứng dụng công nghệ pin nhiên liệu SOFC hoặc PEMFC, hoặc PAFC, hay pin MCFC.

Nguyên lý làm việc của loại pin hydro/oxy có thể tóm tắt như sau : phần tử pin thực hiện một sự chuyển đổi trực tiếp năng lượng hoá học thành năng lượng điện nhờ phản ứng kéo theo sự tạo ra enthapie tự do DG  của phản ứng (Năng lượng tự do Gibbs):

DG + nFE_eq = 0            trong đó  DG<0                        (1)

                                                E_eq =     là sức điện động của pin ở trạng thái cân bằng (tức là lúc dòng I bằng 0)

                                                n    -   số điện tử trao đổI trong phản ứng điện hóa của phần tử pin

                                                F   -      96500 C=1 Faraday, tức là lượng điện tích tham gia của một mol điện tử.

Trong trường hợp pin Hydro/Oxy (H1), các chất tham gia phản ứng hoá học tổng quát  này là nhiên liệu hydro và chất đốt cháy là oxy:

H₂ + ½ O₂ à H₂O       với  DG^o =-237 kJ/mol H₂ (trạng thài tiêu chuẩn)      (2)

Từ (1) suy ra tương đương với sức điện động cân bằng ở 25⁰C,  trạng thái tiêu chuẩn ::

(trạng thái tiêu chuẩn )

Sự oxy-hoá điện-hoá của hydro tiến hành tại anod (là một vật liệu dẫn điên có xúc tác (trên cơ sở là phân bố các hạt platin lên than hoạt tính chẳng hạn) cấu thành âm cực của pin :

- Với pin dùng chất điện phân acid :       H₂ à  2 H⁺ + 2 e^-                                  (3)

- Với pin dùng chất điện phân kiềm :  H₂ + 2 OH^- à 2 H₂O +  2 e^-  

Còn phản ứng khử điện hoá của oxy tiến hành tại catod (cũng làm bằng vật liệu giống anode) cấu thành dương cực của pin :

- Với pin dùng chất điện phân acid :       ½ O₂ + 2 H⁺  + 2 e^- à H₂O                 (4)

^-    Với pin dùng chất điện phân kiềm : ½ O₂ + H₂O  + 2 e^-  à 2 OH^-

Các phản ứng (3) và (4) tạo ra một dòng  các điện tử ở bên ngoài các điện cực/chất điện phân (qua dây dẫn và phụ tải) như vậy được gọi là phản ứng điện hoá.

Các ngăn âm cực và dương cực được tách nhau bởi một chất dẫn ion là chất điện phân và/hoặc một màng ngăn không cho các chất phản ứng trộn lẫn với các điện tử đi xuyên qua bên trong phần tử pin. Bên trong ngăn pin dòng các ion di chuyển trong chất điện phân như sau : đối với pin dùng chất điện phân acid  ion H⁺  đi từ anod đến catod; còn đối với pin dùng chất điện phân kiềm thì ion OH^- đi từ catod đến anod

Một số pin nhiên liệu như pin PEMFC còn có tấm lưỡng cực đặt gần các điện cực, làm nhiệm vụ : -Phân phối ga cho điện cực   -Thu thập các điện tử   -Đào thải nước ở anode

CÁC  LOẠI  PIN  NHIÊN LIỆU
Tên gọi	Tên đầy đủ	Chất điện giãi	Mức phát triển	Điện cực	T0 làm việc(0C)
SOFC	Solid Oxide Fuel Cell	ZrO2 -  Y2O3	Nguyên mẫu 100kW	Pt, Ag, Au hay đất hiếm	700-1000
MCFC	Molten Carbonate Fuel Cell	LI2CO3/K2CO3	Nguyên mẫu 3MW	Ni  xốp hay Ni-Al;Ni phủ NiO	650
PAFC	Phosphoric Acid Fuel Cell	H3PO4	Thương mại hoá hàng loạt. 11 MW ở Vịnh Nhật Bản	LìCO3-K2CO3	200
PEMFC	Proton Exchange Membrane Fuel Cell	Chất dẫn proton polymere	Nguyên mẫu 250kW Trạm Không gian	Than  và Pt Polymere ionique	90
DMFC	Direct Metthanol Fuel Cell	Chất dẫn proton polymere	Đang nghiên cứu và phát triển	Pt và  hợp kim Pt	60-90
AFC	Akaline Fuel Cell	KOH	Nguyên mẫu 10kW Trạm Không gian	Pt/Pa ; Ni xốp	80

II- Hiệu suất năng lượng

Ưu điểm chủ yếu của pin nhiên liệu để tạo ra điện năng là hiệu suất biến đổi năng lượng cao hơn nhiều so với động cơ nhiệt kéo máy phát điện.

Thật vậy, hiệu suất nhiệt của động cơ nhiệt bị giới hạn bởi hiệu suất chu trình Các-nô :

Với W_G  - Công cơ học được chuyển đổi

DH – Entanpi của phản ứng

T1, T2 - Nhiệt độ tuyệt đối max , min của chu trình

Hiệu suất có ích không vượt qua 40% ở động cơ turbin khí và thường không quá 35% với động cơ đốt trong dùng piston.

Ngược lại, hiệu suất của pin nhiên liêu khi làm việc với nhiệt độ và áp suất không đổi trong điều kiện thuận nghịch , có thể viết :

Với  We – Công ứng với điện năng được cung cấp

                        DG = DH – T.DS trong đó T.DS la nhiệt lượng đẳng nhiệt thuận nghịch trao đổi với bên  
Ví dụ : - Với pin hydro

-Với pin methanol              :

Tuy vậy, hiệu suất thực tế của pin, khi pin cấp điện cho phụ tải với mật độ dòng điện J, là thấp hơn giá trị hiệu suất thuận nghịch do tồn tại những sự quá áp h (riêng với pin H₂/O₂ chỉ ở cathode) và do những tổn thất ohm bởi sự có mặt của điện trở R của chất điện phân giữa hai điện cực và điện trở tiếp xúc.ngăn cách các điện cực không được kín.

Tổng quát, hiệu suất tổng của pin là tích của ba loại hiệu suất lý thuyết, hiệu suất thế và hiệu suất Faradaqy : :e^pin₌e_G  x e_EG.x e_F.

Vi dụ : Trong một pin H₂/O₂  loại PAFC làm việc ở 150⁰C, hiệu suất tổng là 300 A/cm² và E=0.80 V, có e_F.=98% thì hiệu suất tổng bằng : :e^pin₌0.91_x 0.65 _x 0.98= 58%., vẫn lớn hơn gần 2 lần hiệu suất nhiệt của động cơ đốt trong.

Trường hợp pin Methanol “đốt cháy” trực tiếp, e^pin  ở 25⁰C , với sức điện động 0.5V thì ::e^pin₌0.97. 0.41= 40% Nếu phản ứng cháy là không đầy đủ thì có sự tạo ra acid formique (n_exp=4) và aldéhyt formique (n_exp=2) thì hiệu suất năng lượng sẽ giảm tương úng.

III- Các lĩnh vực ứng dụng :

Nhiều gia đình pin nhiên liệu đã được phát triển. Pin H₂/O₂ (hay không khí) được phân loại theo chất điện phân được dùng. Ứng dụng vào thực tế trên các lĩnh vực :Sản xuất điện không tập trung (đến vài trăm mégawatt)

1-     Điện-Nhiệt (cogénérateur) công nghiệp (đến 250 kW)

2-     Điện-Nhiệt  gia đình (1 kW đến10 kW)

3-     Cung cấp điện-nhiệt cho vùng hẻo lánh (10 kW đến200 kW)

4-     Điện dự phòng  (đến 200 kW)

5-     Ô-tô điện (khoảng 50 kW)

6-     Xe bus (khoảng 200 kW)

7-     Tàu, tàu ngầm (theo modul  từ 200 kw đến 500 kW)

8-     Các thiết bị xách tay (1 W đến100 W)

9-      Thiết bị không gian

Các phản ứng dùng để xử lý và chuyển đổi nhiên liệu như sau (hình bên):

Hydro sản xuất bằng phương pháp reformage nhiên liệu với nước được chứa trong các chai nén khí hay trong chậu Dewar chứa hydro lỏng hay trong hydrua kim loai. Nhiên liệu có thể là khí ga thiên nhiên (CH4), than, methanol, propane, napta, phần ngưng tụ của nhiên liệu chưng cất…Sự reformage có thể tiến hành bên ngoài pin (với pin nhiệt độ thấp như pin PAFC,AFC, hay PEMFC), và tốt hơn là bên trong pin (pin nhiệt độ cao: pin MCFC hay SOFC) thì có hiệu suất cao hơn và giá thành chế tạo rẻ hơn. Trong trường hợp vaporeformage CH4 (là thành phần chính cùa khí ga thiên nhiên) thì phản ứng là :

Và có thêm phản ứng :

Các phản ứng này được tạo ra ở 700⁰C với sự có mặt của chất xúc tác Ni, kết quả được một hỗn hợp giàu hydro gọi tên là reformat. Ngoài hydro ra nó còn có CH₄, H₂O, H₂, CO₂, CO.

CO là chất độc đối với các chất xúc tác nền platine thường ứng dụng trong các pin nhiệt độ thấp, do vậy hàm lượng của nó cần phải được kiểm soát chặt chẻ.  Ngược lại, nó là một trong những chất phản ứng trong các pin nhiệt độ cao. Dioxyd carbon làm tiêu hao chất điện phân kiềm bởi phản ứng cac-bô-nac hoá, do vậy phải loại bỏ CO_2.                           

Sự reformage bên ngoài pin làm tăng đô phức tạp và làm giảm hiệu suất năng lượng của pin (hiệu suất của bọ reformeur khoảng 79% đến 80%. Trong một số pin, người ta thực hiện sự đốt cháy điện hoá trực tiếp nhiên liệu, như pin DMFC (Direct Methanol Fuel Cell).

IV- Xử lý nhiên liệu (H2): Nhiên liệu sử dụng trực tiếp của phản ứng điện hoá trong pin là hydro. Chỉ có trường hợp trong pin nhiệt độ cao như MCFC và SOFC là sử dụng trực tiếp CO và pin DMFC sử dụng trực tiếp methanol.

Sự chuyển đổi nhiên liệu thứ cấp sang hydro hay sang CO được thực hiện :

-         Hoặc thực hiện toàn bộ bên ngoài hệ thống pin

-         Hoặc thực hiện ngay trong pin, trong một cấu hình cho phép tối ưu hoá các dòng nhiệt.

-         Hoặc thực hiện  trong bản thân pin bằng cách sử dụng nhiệt sinh ra trog pin

Trước khi tiến hành chuyển đổi nhiên liệu thứ cấp sang hydro, phải  giảm thấp nhất hàm lượng lưu huỳnh (désulfuration) đối với khí ga thiên nhiên, vì lưu huỳnh phản ứng với Ni làm chất xúc tác cho bộ reformeur và các điện cực của pin tạo ra NiS pha lỏng.

Các nhiên liệu thứ cấp sau có thể được sử dụng : khí ga thiên nhiên, than, biomasse,  dầu diesel, methanol…

Khí hoá than (gazéfication) : phản ứng 7 dùng để tạo ra khí ga tổng hợp từ phản ứng của  than với hơi nước.  Nhiệt cấp cho phản ứng thu nhiệt này được cấp bởi sự đốt cháy trực tiếp than với  oxy hay không khí. Người ta đã xây dựng những nhà máy khí hoá than có công suất lớn hơn 100MW.

Préformage. Reformage (prereforming, Reforming):

Reformage hay vaporeformage là quá trình chuyển nhiên liệu thành hydro và CO. Trước đó là giai đoạn préformage (phản ứng 5) với các hydrcarbone có C lớn hơn C của methane (éthane, propane, butane…).  Các phản ứng 3 và 4 với sự có mặt của hơi nước hay CO₂  trên một xúc tác cơ sở Ni ở 650-850 ⁰C. Nói chung, lượng hơi nước đưa vào gấp  khoảng 2 đến 4 lần lượng vừa đúng theo lý thuyết để ngăn ngừa sự tạo cốc theo phản ứng 16. Phản ứng thu nhiệt này cần được hỗ trợ một nguồn nhiệt. Nguồn nhiệt này có thể được cung cấp trực tiếp bởi phản ứng điện hoá cho những pin reformage bên trong. Chỉ với những pin làm việc ở nhiệt độ cao như pin MCFC và pin SOFC là tương thích với kiểu làm việc này.

Có hai dạng reformage bên trong :

a-       reformage bên trong trực tiếp, nó thực hiện trực tiếp lên anode; phản ứng được xúc tác bằng Ni dùng làm vật liệu điện cực. Loại này gặp ở pin SOFC.

b-       reformage bên trong gián tiếp, nó được đặt ở một ngăn riêng ngăn cách với các điện cực, nhưng nằm bên trong pin. Loại này gặp ở pin MCFC.

Sự reformage đồng thời có thể thực hiện trong một bộ phản ứng hoá học tách với các phần tử pin điện hoá, cấu hình này là bắt buộc với những pin nhiệt độ làm việc thấp hơn 650 ⁰C với khí ga thiên nhiên. Trong trường hợp này, phản ứng xãy ra trên một thành phẳng kim loại hay một ống chứa chất xúc tác Ni, nó được làm nóng hoặc nhờ khí ga nóng ở lối ra  của phần tử pin hoặc nhờ đốt cháy trực tiếp nhiên liệu  đi qua một buồng đốt (brulueur) hay đốt cháy xúc tác..

Oxy-hoá một phần (Oxydation partielle): Nó là một cách reformage, nhưng ở đây nhiệt cần thiết cho phản ứng là do đốt cháy trực tiếp nhiên liệu ở đai bao quanh reformage, không có vách ngăn, để trao đổi nhiệt. (phản ứng 9 hay 10) Phản ứng này được thực hiện  một liên hợp các phản ứng 3 hay 4 và 11 hay 12. Lượng nhiên liệu thừa cho sự reformage sẽ được đưa vào đai bao quanh với lượng thứa rất ít oxy hay không khí. Sự đốt cháy trực tiếp nhiên liệu này bằng con đường xúc tác cung cấp lượng nhiệt và nước cần thiết cho phản ứng reformage. Kỹ thuật này có ưu điểm là nhỏ gọn hơn và nhanh hơn nhờ vào khoảng cách trao đổi nhiệt rất nhỏ. Nó được áp dụng vào các pin di động. Tuy vậy do có sự chưng lưu gaz bởi CO₂  sinh ra trong phản ứng  cháy và nitơ trong không khí nên làm giảm hiệu suất so với reformage.

Phản ứng ga hơi nước (Réaction gaz à l’eau, “Water gas shift reaction”):

Theo phản ứng 13 cho phép chuyển đổi CO tạo ra do reformage thành hydro  do phản ứng với hơi nước. Nó đi qua hai buồng phản ứng đặt nối tiếp được giữ ở 300-500⁰C và 180-300⁰C, trên xúc tác cơ sở  Fe/Cr và Cu/Zn.. Hàm lượng CO ra khỏi bộ phản ứng khoảng 0.5% đến 2%.

Oxy hoá có chọn lọc một phần (Oxydation selective):

Những điện cực của pin nhiệt độ thấp (PEMFC và AFC) rất nhạy cảm với những lượng nhỏ CO (> 10 p.p.m theo thể tích). CO làm hỏng chất xúc tác gắn trên kim loại. Hàm lượng CO ra khỏi buồng phản ứng ga hơi nước vẫn là còn lớn để có thể sử dụng trực tiếp trong pin. Nó cần phải bị loại bỏ bởi sự oxy hoá xúc tác có chọn lọc để chuyển CO thành CO₂  với một lượng rất ít oxy (phản ứng 14), để không oxy hoá hydro có trong hỗn hợp.

Métan hoá (Méthanation) :

Nếu qua các giai đoạn mà lựợng CO vẫn còn lớn thì phải chuyển CO thành methane bằng phản ứng xúc tác chọn lọc 15 (ngược với phản ứng vaporeformage).

Chuyển thành Carbonat (Décarbonatation):

Những pin dùng chất điện phân kiềm như AFC rất nhạy cảm với CO2 . CO2 sẽ được hấp phụ khi đi qua một cạc-tút chứa NaOH, KOH hay LiOH để chuyển thành carbonate (phản ứng 17).

Cách ly bằng màng (Séparation membranaire): Sử dụng màng ngăn palaldium/Ag cho phép đồng thời đạt được độ sạch của hydro rất cao. Hỗn hợp khí được đưa vào dưới áp lực 20 bar và nhiệt độ 570⁰K vào một bên của màng ngăn.  Màng Pd/Ag được đặt vào trên một giá vật liệu gốm. Nhược điểm của kỹ thuật này là đắt tiền và cấn có áp lực.

Quản lý Chất đốt cháy (comburant): (H3)

Chất đốt cháy là oxy nguyên chất hay oxy trong không khí. Thường đưa vào không khí có lượng dư để không khí đồng thời đóng vai trò làm mát và điều chỉnh nhiệt cho pin (hình 3.). Không khí nghèo oxy nhưng nhưng đã được làm nóng trong pin  có thể dùng cho buồng đốt nhiên liệu của bộ refomage. Nhờ vậy mà giảm được tiêu hao nhiên liệu và tăng thêm hiệu suất của hệ thống. Giai đọan nén khí cũng rất cần cho pin làm việc dưới áp lực. Một máy nén khí của bộ turbo-máy nén  vận hành bằng khí nóng thừa ra khỏi buồng đốt cấp cho turbo hoặc dùng máy nén kéo bằng động cơ điện. Nếu dùng phương án sau thì có giảm đôi chút hiệu suất của hệ thống. Mạch chất đốt cháy cũng được dùng để tháo nước sinh ra do các phản ứng điện hoá trong những pin acid.

Quản lý Nhiệt (H3):  Trong pin có hai nguồn nhiệt : - Bên trong các phần tử pin,sinh ra do tổn thất điện hóa và do hiệu ứng Joule   - Nhiệt của buồng đốt của bộ reformeur

Những hộ tiêu thụ nhiệt của hệ thống làm nóng trước khí vào pin, sự sản xuất hơi cho bộ reformeur và phản ứng khí than nước là  phản ứng thu nhiệt  và có thêm nhiệt cho yêu cầu nhiệt cho các hộ tiêu thụ nếu cần.. Ở loại pin SOFC thì nhiệt độ làm việc là thừa cho bộ reformeur trực tiếp khí ga thiên nhiên  cho các điện cực. Khí ga vào pin được làm nóng trước nhờ khí ga qua bộ trao đổ nhiệt.. Không khí vào pin đóng còn vai trò điều chỉnh nhiệt bên trong pin. Trường hợp pin nhiệt độ thấp như PEMFC và PAFC thì có một mạch nước vào pin để làm lạnh những tấm lưỡng cực.

Bộ chuyển đổi (Convertisseur):

Dùng để chuyển các điện tử ngoại vi pin thành dạng điện thích hợp với hộ tiêu thụ hay lưới điện. Điện một chiều từ pin có điện áp từ 0.9V đến 1 V/mỗi ngăn, và khi tải định mức thường là 0.6V đến 0.7 V/mỗi ngăn. Bộ chuyển đổi có hai nhiệm vụ : -Thêm điện áp để giữ điện áp đầu ra là không đổi. Chức năng này được đảm bảo bởi một bộ chuyển đổi một chiều- một chiều (gọi là CC).  -chức năng thứ hai là giữ tần số 50 Hz cho dòng xoay chiều, bộ tạo sóng làm việc này.

Các ứng dụng tĩnh tại :

(1) – Nhà máy hay trạm Điện-Nhiệt (cogénérateur), vừa phát điện vừa cung cấp nhiệt. Các trạm Điện-Nhiệt này có ưu điểm là ít gây ô nhiễm, ít tiếng ồn. Nhiệt cung cấp theo các loại pin như sau :

PIN NHIÊN LIỆU DÙNG CHO NHÀ MÁY ĐIỆN – NHIỆT
Loại Pin	Nhiệt độ làm việc (0C)	Nhiệt độ cung cấp cho phụ tải
PEMFC	80	40 đến 80
PAFC	200	40 đến 120
MCFC	650	40 đến 200
SOFC	850	40 đến 700

(2) Tổ hợp pin nhiên liệu và máy nhiệt khác:

Nhiệt thừa từ pin và từ sự đốt cháy nhiên liệu có thể cung cấp cho turbin khí hay turbin hơi. Nhiều cấu hình đã được thực hiện :

-         Pin-Turbin khí.

-         Pin-Turbin hơi

-         Pin--Turbin khí—Turbin hơi (xem các hình bên)

Pin SOFC nhiên liệu có áp lực nén được sử dụng như một buồng cháy cho turbin khí. Có thể có thêm một buồng đốt phụ hỗ trợ để làm tối ưu hệ thống.

Nhiệt từ pin được sử dụng trong lò hơi cho turbin hơi.

Với loại thứ ba thì nhiệt từ khí ra khỏi turbin khí được dùng cho turbin hơi.

 Ứng dụng trên ô-tô :

Rất nhiều chương trình nghiên cứu nhằm vào phát triển pin nhiên liệu lên loại phương tiện này. Công nghệ hiện nay đã cho phép đặt pin nhiên liệu lên ô-tô và xe bus. Ô-tô điện chay bằng pin nhiên liệu có khả năng vận hành với bán kính chạy xe tương đương với ô-tô dùng động cơ nhiệt. Hiện nay các loại pin PEM và PAFC được dùng nhiều do pin PEM có thể phát ra công suất đủ lớn trong điều kiện nhiệt độ khí trời mặc dầu chế độ nhiệt chuẩn của nó là 70⁰C.  Loại pin này đảm bảo sự chuyển đổi các  chế độ làm việc của ô-tô khi có tải cũng như khi dừng xe. Loại pin PAFC thì đòi hỏi nhiệt độ làm việc luôn giữ ở 200⁰C. Các hãng ô-tô lớn như De NORA (Ý), Ballard Power System (Canada) đã phát triển các loại pin nhiên liệu rất nhỏ gọn. Hãng Mercedes, Daimler và Benz đã đặt lên ô-tô những pin nhiên liệu chuyển đổI methanol sang hydro có công suất 50kW. hệ thống này có công suất khối và công suất thể tích chỉ bằng 1kW/1kg và 1kw/lìt. Canada đã phát triển pin nhiên liệu cho ô-tô công suất 120 kW. Khó khăn hiện nay là vấn đề bình chứa nhiên liệu trên xe. Nhiên liệu dùng có hai nhóm : - Nhiên liệu từ bình chứa đưa vào dùng trực tíếp cho pin nhiên liệu (Hydro, Methanol)   - Nhiên liệu thứ cấp dược hệ thống biền đồi nhiên liệu trong xe chuyển thành hydro, sau đó hydro được đưa đến các diện cực của pin. Với một xe tải trọng 2 tấn, dùng khoảng 1,5 kg hydro cho một khoảng đường chạy là 100 km. Chứa từ 5 đến 10 kg hydro kèm trên xe không phải là vấn đề khó. Nén đến áp lực 250 bar thì trọng lượng bình cho một kg hydro là 15 kg, năng lượng tiêu thụ để nén khí chiếm 7%. Nén đến áp lực 700 bar thì trọng lượng bình cho một kg hydro là 16 kg, năng lượng tiêu thụ để nén khí chiếm 16%.  Hóa lỏng hydro  ở 20 ⁰K thì trọng lượng bình cho một kg hydro là 15kg, năng lượng tiêu thụ để nén khí chiếm 15%. Tích trữ hydro bằng hydrure kim loại thì trọng lượng bình cho một kg hydro là 50-60 kg. Phương pháp dùng hydrure kim loại gặp khó khăn khi đưa vào tích trữ và khi giãi phóng hydro từ tích trữ.  Tích trữ hydro trong vật liệu sợi nano có thể chứa đến 67% trọng lượng chất mang.  Dùng methanol, một chất lỏng, nhiệt trị 19900 kJ/kg và enthapie tự do là 22000 kJ/kg không gặp khó khăn về bình chứa. Nhưng methanol rất độc (3 ppm thường xuyên hay 1000 ppm trong một giờ có thể làm hại đền não bộ.  Dùng ethanol có nhược điểm là :- Sự oxy hoá nó thành CO₂ và H₂O trong pin DMFC xuất hiện sự quá thế rất lớn.   - Hiệu suất pin thấp khi mật độ dòng là 200-300mA/cm² và điện áp là 0.5V. Ngoài ra methanol có cấu trúc lập thể và đai điện tử giống với phân tử nước nên nó rất dễ thấm qua màng proton làm sonvat hoá các proton, di chuyển từ anode sang cathode dẫn đến sự khử cực các điện cực và nghiêm trọng hơn là làm ô nhiễm không khí ra khỏi pin.

 Phương án dùng nhiên liệu gíán tiếp như amoniac, methanol hay dầu diesel. Ưu điểm của phương án này là dễ đặt bình chứa nhiên liệu trên xe Khó khăn ở đây là phải đặt bình chứa gần với bộ phản ứng chuyển đổi nhiên liệu này thành hydro và bắt buộc phải làm sạch khí ga, cần năng lượng cần thiết cho bộ phản ứng. Nhiên liệu amoniac nhờ sự crắc-king có xúc tác sẽ chuyển thành H₂/N₂ đượcsử dụng trực tiếp trong pin PEM. Nhiên liệu carbua-hytdro nhờ bộ vaporeformage hay bộ oxy hoá - bộ phận sẽ sản xuất ra  H₂, CO, CO₂ .

Hiện nay một hệ thống gồm bình chứa hydro 5 kg với áp suất 250 bar và những thiết bị ngoại vi có trọng lượng chung là 385 kg cho công suất 120 kW. Giá trị công suất này lớn hơn nhiều so với dùng ắc-cu. Khó khăn chủ yếu vẫn là vấn đề bình chứa hydro và mạng lưới phân phối hydro.

 Ứng dụng trên thiết bị xách tay:

Hãng H. Power đã đưa thị trường loại pin nhiên liệu PEMC cho thiết bị xách tay công suất khoảng 50W, nặng khoảng 300 gam, kích thước 5 cm x 6 cm x 6 cm. Khó khăn hiện nay vẫn là vấn đề bình chứa hydro. Phương án đang dùng là chứa hydro trong cạc-tút  hydrure kim loại hay bình chứa có áp suất cao.

IV- Kết luận :

Công nghệ pin nhiên liệu đang phát triển do tính vượt trội của nó về tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường. Song phải vượt qua những thách thức lớn về công nghệ và giá thành sản xuất. Hiện nay hai loại pin được chú ý nhiều là pin PEMFC và SOFC. Chúng đã được thương mại hoá, tuổi thọ có thể đến 40000 giờ.  Pin PAFC sắp sửa có thể được thương mại hoá và thích hợp cho những ứng dụng điện-nhiệt dùng khí ga thiên nhiên. Pin PEMFC đang trên đường phát triển, nó thích hợp cho ứng dụng trên ô-tô và trạm điện-nhiệt nhỏ, trên các trạm vũ trụ  Phổ ứng dụng của loại pin này rất rộng. Pin SOFC cho hiệu suất điện cao, có thể đến 70% trong một hệ thống liên hợp pin-turbin khí.  Nó có thể được thương mại hoá trước năm 2005 với những ứng dụng tĩnh tại, nhưng người ta hy vọng đến năm 2010 thì giá thành mới giảm đáng kể.  Pin AFC có nhược điểm là do sự có mặt CO₂  trong chất điện phân  làm carbonate hoá chất điện phân.

Ghi chú :

                - eau        Nước                                       -combustible           Nhiên liệu

-air           Không khí                               -circuit de refroidissement/cogénérateu r                mạch làm mát/cung cấp nhiệt, hơi nước

-Bruleur auxuliaire   Buồng đốt ngoài                                      - Échangeur de chaleur            Bộ trao đổi nhiệt

- Générateur de vapeur            Bộ tạo hơi nước                      -Retour de circuit de chaufage Mạch sấy nóng hồi lưu

- Pompe de circulation            Bơm nước                               -Circuit auxiliaire de refroidissement      Mạch làm lạnh ngoài

-Condenseur            Bộ ngưng tụ                                            -Complément en eau               Nước bổ sung

-Bache á eau            Két nước                                                 -Trop-plein             Nước tràn

-Mélangeur              Bộ hỗn hợp                                             -Préformeur             Bộ pre-for-mage

-Coeur de pile          Bên trong pin                                          -Désulfuration         Bộ khử  lưu huỳnh

-Électro vanne         Van điện                                                  -Ventilateur             Quạt gió

-Transformateur      Biến thế điện                                           -Alimentation des auxiliaire    Cung cấp cho phụ tải

-Reseau électrique   Mạng điện                                               -Convertisseur        Bộ biến đổi điện một chiều thành xoay chiều

-Sortie fumées         Khói thải                 -Circuit de chaffage   Mach sưởi ấm       -Gas naturel            Khí ga thiên nhiên

Tham khảo các tài liệu của :

1- Philip STEVENS-            -Chef de projet Piles à  combustible á EDF

2- Fréderic NOVEL-CATIN                -Ingé nieur de la Recherche -Renault

3- Abdel HAMMOU-            -Professeur LEPM INP Grenoble

4- Claude LAMY –               -Professeur de laboratoire ElectroCatalyse  UMR CNRS

5- Michel CASSIER             – Maitre conférences – Responsable de l’équipe Pile á combustible  . École National Supérieur ENSCP

6- James larmie &Jown Lowry – Oxford University  (Electric Vehicle Technology Explained)