Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khủng hoảng năng lượng và biến đổi khí hậu toàn cầu đang đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc chuyển dịch từ nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống (than đá, dầu mỏ, khí đốt) sang các nguồn năng lượng mới, sạch và bền vững. Theo số liệu tổng quan được tác giả trích dẫn, các nguồn tài nguyên hóa thạch chỉ có khả năng đáp ứng nhu cầu năng lượng trong vòng vài thập kỷ tới, đồng thời việc khai thác và sử dụng chúng gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và căng thẳng địa chính trị. Trong bối cảnh đó, pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - PEMFC) nổi lên như một thiết bị biến đổi năng lượng điện hóa có tiềm năng ứng dụng rộng rãi nhờ hiệu suất vận hành cao, không phát thải khí độc hại, không gây tiếng ồn cơ học và không phát xạ. Thiết bị này có thể sử dụng nhiều nguồn nhiên liệu linh hoạt như hydro, methanol, ethanol hoặc sinh khối để sản xuất điện năng phục vụ giao thông vận tải, trạm phát điện cố định và thiết bị di động.

Tuy nhiên, việc thương mại hóa PEMFC gặp phải các rào cản kỹ thuật lớn, bao gồm chi phí vật liệu chế tạo cao (đặc biệt là chất xúc tác bạch kim và màng polyme perfluorosulfonic acid - Nafion), độ bền suy giảm theo thời gian vận hành và hiện tượng sụt giảm điện thế thực tế dưới tác động của các cơ chế tổn thất không thể đảo ngược. Hiệu suất của pin bị chi phối phức tạp bởi sự kết hợp giữa các quá trình truyền tải điện tích, phản ứng điện hóa trên bề mặt xúc tác, cơ chế truyền khối qua môi trường xốp và truyền nhiệt bên trong ngăn xếp. Để tối ưu hóa kết cấu và thông số vận hành mà không phải chịu chi phí chế tạo thử nghiệm tốn kém, việc xây dựng mô hình toán học và mô phỏng số lý thuyết là phương pháp nghiên cứu thiết yếu.

Mục tiêu tổng quát của đồ án là thiết lập mô hình mô phỏng lý thuyết cho pin nhiên liệu PEMFC và phân tích lớp khuếch tán khí (Gas Diffusion Layer - GDL) bằng phần mềm MATLAB nhằm đánh giá định lượng các yếu tố gây suy giảm hiệu suất. Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được phân định theo ba nội dung chính:

  1. Tìm hiểu tổng quan về lý thuyết cấu tạo, nguyên lý hoạt động và lịch sử phát triển của pin nhiên liệu PEMFC.
  2. Tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả vận hành của pin nhiên liệu và thực hiện mô phỏng lý thuyết các tổn thất điện áp cho PEMFC bằng phần mềm MATLAB.
  3. Tìm hiểu, phân tích quá trình truyền nhiệt và mô phỏng cơ chế truyền khối, phân bố nhiệt trong lớp khuếch tán khí của PEMFC.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là pin nhiên liệu màng trao đổi proton đơn và cụm ngăn xếp pin (fuel cell stack), tập trung vào các hiện tượng tổn thất điện áp, cân bằng khối lượng, cân bằng năng lượng và cấu trúc lớp khuếch tán khí. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc mô hình hóa lý thuyết và mô phỏng số 1D, 2D và 3D trên môi trường MATLAB dựa trên các phương trình truyền nhiệt, truyền khối và động học điện hóa; đề tài không tiến hành chế tạo phần cứng thực nghiệm. Thời gian thực hiện đồ án diễn ra từ ngày 25/02/2023 đến ngày 21/07/2023 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án được xây dựng dựa trên sự kết hợp giữa nhiệt động học hóa học, động học điện hóa và kỹ thuật truyền nhiệt - truyền khối. Phản ứng điện hóa tổng quát diễn ra trong pin PEMFC khi sử dụng nhiên liệu hydro và chất oxy hóa oxy được biểu diễn qua hai nửa phản ứng tại các điện cực:

$$\text{Anode: } H_2 \rightarrow 2H^+ + 2e^-$$ $$\text{Cathode: } \frac{1}{2}O_2 + 2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2O + \text{Điện năng} + \text{Nhiệt năng}$$

Đường cong phân cực (polarization curve) thực tế của pin biểu thị sự sụt giảm điện áp so với thế nhiệt động học thuận nghịch lý thuyết ($V_{rev}$) do ba loại tổn thất chính:

$$V(i) = V_{rev} - \upsilon_{act_anode} - \upsilon_{act_cath} - \upsilon_{ohmic} - \upsilon_{conc_anode} - \upsilon_{conc_cath}$$

Để mô tả các đại lượng tổn thất này, đồ án sử dụng các mô hình và phương trình lý thuyết kinh điển:

  • Tổn thất kích hoạt ($\upsilon_{act}$): Được thiết lập từ phương trình động học Butler-Volmer và xấp xỉ qua phương trình Tafel ở vùng phân cực hoạt hóa: $\upsilon_{act} = \frac{RT}{\alpha F} \ln\left(\frac{i}{i_0}\right) = a + b \ln(i)$, trong đó $R$ là hằng số khí lý tưởng ($8{,}314\text{ J/mol}\cdot\text{K}$), $F$ là hằng số Faraday ($96487\text{ C/mol}$), $\alpha$ là hệ số truyền điện tích, $i_0$ là mật độ dòng trao đổi và $i$ là mật độ dòng điện vận hành.
  • Tổn thất ohmic ($\upsilon_{ohmic}$): Tuân theo định luật Ohm mở rộng cho chất dẫn hỗn hợp: $\upsilon_{ohmic} = I R_{ohmic} = i \cdot ASR_{ohmic}$, trong đó trở kháng ion của màng polyme ($R_{ionic} = \frac{\delta}{\sigma A}$) đóng vai trò chủ đạo so với trở kháng dẫn electron ($R_{elec}$) của tấm lưỡng cực và các điểm tiếp xúc; $\sigma$ là độ dẫn ion và $\delta$ là chiều dày màng.
  • Tổn thất nồng độ ($\upsilon_{conc}$): Xuất phát từ định luật khuếch tán Fick biểu thị dòng truyền khối qua môi trường xốp: $\dot{m} = -D \frac{dC}{dx}$. Hệ số khuếch tán hiệu dụng được hiệu chỉnh qua độ xốp $\phi$ theo tương quan Bruggeman: $D_{eff} = D \phi^{1{,}5}$. Sụt áp nồng độ gắn liền với mật độ dòng giới hạn ($i_L$) qua phương trình Nernst biến thiên: $\upsilon_{conc} = \frac{RT}{nF} \ln\left(\frac{i_L}{i_L - i}\right)$.
  • Cơ chế truyền khối và truyền nhiệt: Cân bằng khối lượng tính đến hệ số tỷ lượng phản ứng ($S_{H2}, S_{O2}$), độ ẩm tương đối ($\phi$), lưu lượng nước kéo theo do thẩm thấu proton ($m_{H2O,EM}$) và hiện tượng khuếch tán ngược từ cực âm về cực dương ($m_{H2O,BD}$). Cân bằng năng lượng tính toán dòng nhiệt dẫn truyền hai chiều và gradient nhiệt độ trong lớp GDL.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết kết hợp với mô phỏng số kỹ thuật. Tác giả lập trình các thuật toán giải phương trình đại số và phương trình vi phân trên môi trường MATLAB để tính toán các biến số trạng thái, sau đó xuất kết quả dưới dạng đồ thị đặc tính 2D và 3D.

Nguồn dữ liệu sử dụng cho mô phỏng là các thông số vật lý, nhiệt động học và hình học tiêu chuẩn của màng Nafion (Nafion 112, 115, 117), chất nền giấy carbon Toray và các điều kiện biên vận hành trích xuất từ các công trình nghiên cứu khoa học chuyên ngành đã được công bố trên thế giới.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan lý thuyết

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện các kiến thức nền tảng về công nghệ pin nhiên liệu màng trao đổi proton. Tác giả phân tích nguyên lý chuyển hóa trực tiếp hóa năng thành điện năng, đồng thời so sánh ưu điểm (hiệu suất cao, không phát thải, thiết kế mô đun hóa linh hoạt) và nhược điểm (chi phí đắt đỏ của vật liệu platinum/Nafion, công nghệ cải tạo nhiên liệu hydro phức tạp, hiện tượng ngộ độc xúc tác).

Nội dung chương tổng hợp lịch sử phát triển của pin nhiên liệu từ phát minh đầu tiên của William Robert Grove năm 1839 với mô hình "gas battery", bước phát triển pin kiềm của Ludwig Mond và Charles Langer (1889), pin công suất 5 kW của Francis Thomas Bacon (1932), cho đến cột mốc General Electric phát triển pin màng trao đổi ion cùng NASA ứng dụng trên tàu vũ trụ Gemini và Apollo trong thập niên 1960. Chương này cũng điểm qua các mẫu xe thương mại của các tập đoàn ô tô và thực trạng nghiên cứu pin nhiên liệu tại Việt Nam của TS. Nguyễn Mạnh Tuấn (pin cồn methanol, hiệu suất 50%) và TS. Nguyễn Chánh Khê (chế tạo màng chuyển hóa proton và ống nano carbon).

Thành phần cấu tạo Chức năng kỹ thuật chính Vật liệu phổ biến
Màng trao đổi proton (PEM) Dẫn truyền ion $H^+$ từ anode sang cathode, cách ly khí phản ứng Màng acid persulfonic (Nafion 112, 115, 117)
Lớp xúc tác (Catalyst layer) Xúc tiến phản ứng tách và kết hợp electron - proton Hạt nano Platinum phân tán trên chất nền Carbon (Pt/C)
Lớp khuếch tán khí (GDL) Phân phối khí đều vào vùng phản ứng, dẫn truyền electron và nhiệt Vải carbon xốp, giấy carbon Toray
Tấm trường dòng chảy Dẫn dòng khí phản ứng, thu gom nước và đóng vai trò lưỡng cực Than chì (Graphite), thép không gỉ
Tấm đệm (Gasket) Làm kín chống rò rỉ khí và phân bổ áp suất đồng đều Silicon, Teflon
Tấm ép cuối (End plates) Cố định cơ học toàn bộ các lớp ngăn xếp Thép không gỉ, than chì, Polyetylen, PVC

Chương 2: Các tổn thất ảnh hưởng đến điện áp PEMFC

Chương 2 là trọng tâm lý thuyết và tính toán mô phỏng của đồ án, tập trung giải quyết ba cơ chế sụt áp chính làm suy giảm đường đặc tính V-I của pin nhiên liệu:

  1. Mô hình hóa tổn thất kích hoạt: Tác giả phân tích sự tiêu hao năng lượng để vượt qua rào cản thế điện hóa tại bề mặt chất xúc tác. Mã nguồn MATLAB được xây dựng để khảo sát phương trình Tafel trong hai trường hợp: (a) mật độ dòng cố định $i = 0{,}7\text{ A/cm}^2$, dải nhiệt độ biến thiên từ $300\text{ K}$ đến $400\text{ K}$; (b) nhiệt độ cố định $T = 300\text{ K}$, mật độ dòng tăng dần từ $0$ đến $1{,}0\text{ A/cm}^2$ với bước nhảy $0{,}01$. Đồ thị xuất ra chứng minh tổn thất kích hoạt tăng mạnh ở dải dòng thấp rồi tăng tuyến tính theo hàm logarit của mật độ dòng điện.
  2. Mô hình hóa tổn thất ohmic: Nghiên cứu bản chất của điện trở dẫn electron trong vật liệu kim loại/bán dẫn và điện trở dẫn ion trong chất điện phân polyme rắn. Tác giả thực hiện hai bài toán mô phỏng: (a) Khảo sát tế bào pin $100\text{ cm}^2$ có $\sigma = 0{,}1\ \Omega^{-1}\text{cm}^{-1}$, $R_{elec} = 0{,}005\ \Omega$ tại mật độ dòng $0{,}7\text{ A/cm}^2$ khi thay đổi chiều dày màng ở các mức $25\ \mu\text{m}$, $50\ \mu\text{m}$, $100\ \mu\text{m}$ và $150\ \mu\text{m}$; (b) So sánh hai tế bào pin có diện tích khác nhau ($A_1 = 16\text{ cm}^2$, $ASR_1 = 0{,}8\ \Omega\cdot\text{cm}^2$ dẫn đến sụt áp $\upsilon_{ohmic1} = 0{,}56\text{ V}$; $A_2 = 49\text{ cm}^2$, $ASR_2 = 2{,}45\ \Omega\cdot\text{cm}^2$ dẫn đến $\upsilon_{ohmic2} = 1{,}715\text{ V}$) ở cùng điện trở $0{,}05\ \Omega$ và dòng $0{,}7\text{ A/cm}^2$. Kết quả chỉ ra tổn thất ohmic tỷ lệ nghịch với độ dẫn điện và tỷ lệ thuận với chiều dày màng cũng như diện tích bề mặt. Khái niệm hình học khoảng cách tiếp xúc giữa gờ ngăn và rãnh dẫn ("land to channel") cũng được phân tích để tối ưu hóa điện trở tiếp xúc.
  3. Cân bằng khối lượng và tổn thất nồng độ: Thiết lập hệ phương trình cân bằng lưu lượng vật chất đi vào và đi ra khỏi thể tích kiểm soát đối với $H_2$, $O_2$, $N_2$, không khí và hơi ẩm. Phân tích hiện tượng khuếch tán ngược (back diffusion) khi nước bị nén ngược từ cực âm về cực dương qua màng do gradient nồng độ và chênh lệch áp suất. Xây dựng thuật toán tính toán đặc tính làm việc của cụm ngăn xếp 90 pin, diện tích mỗi pin $100\text{ cm}^2$, hoạt động ở $80^\circ\text{C}$ và áp suất cấp khí $3\text{ atm}$, mật độ dòng trao đổi $i_0 = 10^{-7}\text{ A/cm}^2$, mật độ dòng giới hạn $i_L = 1{,}4\text{ A/cm}^2$, điện trở diện tích $ASR = 0{,}19\ \Omega$ và năng lượng tự do Gibbs dạng lỏng $\Delta G_{f,liq} = 228170\text{ J/mol}$.

Chương 3: Truyền nhiệt trong PEMFC

Chương 3 đi sâu vào cơ chế sinh nhiệt và tản nhiệt trong pin nhiên liệu. Phản ứng điện hóa tỏa nhiệt mạnh cùng với hiệu ứng Joule do tổn thất ohmic tạo ra nguồn nhiệt nội tại phân bố không đều. Tác giả trình bày phương pháp luận cân bằng năng lượng tổng thể cho một ngăn pin và toàn bộ ngăn xếp, tính đến dòng entanpi của các chất phản ứng đi vào, entanpi của dòng sản phẩm đi ra, công suất điện hữu ích tạo thành và lượng nhiệt thải cần giải phóng ra môi trường.

Chương này mô hình hóa hiện tượng dẫn truyền nhiệt hai chiều qua các lớp tiếp giáp vật liệu khác nhau, phân tích sự sụt giảm nhiệt độ gây ra bởi điện trở nhiệt tiếp xúc (thermal contact resistance) tại bề mặt ghép nối giữa lớp xúc tác, lớp khuếch tán khí và tấm trường dòng. Đồ thị phân bố nhiệt độ theo các mốc thời gian chuyển tiếp ($t = 10\text{ s}$, $300\text{ s}$ và $1000\text{ s}$) được thiết lập, phản ánh trạng thái động học nhiệt trước khi ngăn xếp đạt tới trạng thái làm việc ổn định.

Chương 4: Mô phỏng lý thuyết lớp khuếch tán khí

Chương 4 tập trung vào cấu trúc vi mô và đặc tính truyền dẫn của lớp khuếch tán khí (GDL). GDL đóng vai trò cầu nối vật lý giữa các kênh phân phối dòng chảy vĩ mô và lớp chất xúc tác vi mô, có nhiệm vụ cho phép khí phản ứng khuếch tán vào trong đồng thời dẫn nước dạng lỏng/hơi và nhiệt lượng ra ngoài. Tác giả tổng hợp các đặc tính cơ lý của giấy carbon thương mại Toray (độ xốp, độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt qua mặt phẳng và trong mặt phẳng).

Nội dung mô phỏng tiến hành chia lưới lớp GDL thành các thể tích hữu hạn để giải phương trình vi phân truyền khối và dẫn nhiệt hai pha. Kết quả đưa ra biểu đồ phân bố nhiệt độ ba chiều (3D) bên trong lớp GDL, làm rõ gradient nhiệt độ giữa vùng nằm ngay dưới kênh dẫn khí ("channel") và vùng nằm dưới gờ tiếp xúc ("land").

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Chương 5 tổng kết lại toàn bộ các kết quả tính toán mô phỏng lý thuyết đã đạt được trong 4 chương trước, đồng thời nêu lên một số đề xuất về mặt công nghệ chế tạo nhằm nâng cao hiệu năng hoạt động của pin PEMFC trong thực tế.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã trích xuất và tính toán thành công các bộ dữ liệu mô phỏng định lượng phản ánh chính xác sự vận hành nhiệt - điện hóa của PEMFC:

Thông số mô phỏng Điều kiện khảo sát Kết quả định lượng thu được
Tổn thất kích hoạt $\upsilon_{act}$ theo nhiệt độ $i = 0{,}7\text{ A/cm}^2$, $\alpha = 0{,}5$, $i_0 = 10^{-7}\text{ A/cm}^2$ Tăng đều khi nhiệt độ tăng từ $300\text{ K}$ đến $400\text{ K}$
Tổn thất kích hoạt $\upsilon_{act}$ theo mật độ dòng $T = 300\text{ K}$, $i = 0 \rightarrow 1{,}0\text{ A/cm}^2$ Tăng phi tuyến mạnh ở dải dòng thấp ($0 - 0{,}1\text{ A/cm}^2$), sau đó tăng tuyến tính theo hàm logarit
Tổn thất ohmic $\upsilon_{ohmic}$ theo chiều dày màng $A = 100\text{ cm}^2$, $\sigma = 0{,}1\ \Omega^{-1}\text{cm}^{-1}$, $i = 0{,}7\text{ A/cm}^2$ Tăng tuyến tính tương ứng với 4 cấp độ dày: $25\ \mu\text{m}$, $50\ \mu\text{m}$, $100\ \mu\text{m}$ và $150\ \mu\text{m}$
Tổn thất ohmic theo diện tích tế bào pin Điện trở $R = 0{,}05\ \Omega$, dòng $i = 0{,}7\text{ A/cm}^2$ Pin $16\text{ cm}^2$: $ASR = 0{,}8\ \Omega\cdot\text{cm}^2 \rightarrow \upsilon_{ohmic} = 0{,}56\text{ V}$; Pin $49\text{ cm}^2$: $ASR = 2{,}45\ \Omega\cdot\text{cm}^2 \rightarrow \upsilon_{ohmic} = 1{,}715\text{ V}$
Đặc tính ngăn xếp pin nhiên liệu (90 cell) $T = 80^\circ\text{C}$, $P_{H2} = P_{air} = 3\text{ atm}$, $A_{cell} = 100\text{ cm}^2$ Xác lập đường cong phân cực tổng quát và đường cong công suất đạt giới hạn ở $i_L = 1{,}4\text{ A/cm}^2$

Dựa trên kết quả mô phỏng, các tác giả đề xuất một số giải pháp kỹ thuật nhằm cải thiện hiệu quả làm việc của pin nhiên liệu PEM:

  • Sử dụng màng điện giải có chiều dày mỏng hơn và độ dẫn ion cao hơn để giảm thiểu điện trở ohmic, đồng thời hỗ trợ cơ chế khuếch tán ngược giữ ẩm cho cực dương.
  • Tối ưu hóa tỷ lệ diện tích giữa gờ tiếp xúc và kênh dẫn khí ("land to channel") nhằm giảm điện trở tiếp xúc nhiệt và điện trở ohmic mà không cản trở dòng khuếch tán khí.
  • Gia tăng độ xốp và khả năng khuếch tán hiệu dụng của lớp GDL để đẩy lùi mật độ dòng giới hạn ($i_L$) lên mức cao hơn ($1 \rightarrow 10\text{ A/cm}^2$), hạn chế hiện tượng sụt áp nồng độ ở vùng tải cao.

Đóng góp chính của đồ án là đã hệ thống hóa đầy đủ cơ sở toán học nhiệt - điện hóa của pin PEMFC từ cấp độ tế bào đơn đến ngăn xếp nhiều cell; xây dựng bộ mã nguồn tính toán mô phỏng lý thuyết bằng MATLAB mạch lạc, có khả năng trực quan hóa các đường cong đặc tính làm việc và hiện tượng truyền nhiệt trong lớp khuếch tán khí.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của đồ án: Toàn bộ dữ liệu đánh giá đều dựa trên mô hình hóa toán học lý thuyết và mô phỏng số, chưa được đối chiếu hoặc thẩm định trực tiếp với mô hình thực nghiệm vật lý tại phòng thí nghiệm. Mô hình truyền khối và mô phỏng lớp GDL chủ yếu giả định kích thước lỗ rỗng đồng nhất và chưa xét chi tiết đến hiện tượng ngập úng nước dạng lỏng (flooding) cục bộ làm tắc nghẽn kênh dẫn khí.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thống pin nhiên liệu thực tế để kiểm chứng độ chính xác của các đoạn mã MATLAB đã lập trình; phát triển mô hình mô phỏng dòng chảy động lực học chất lưu đa pha (CFD 3D) trong các kênh dẫn khí phức tạp và nghiên cứu sâu hơn về cơ chế xuống cấp của vật liệu xúc tác theo thời gian vận hành.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Năng lượng tái tạo, Năng lượng Ô tô và Kỹ thuật Hóa học.

Nội dung tài liệu có giá trị đặc biệt đối với những người đang thực hiện các đề tài nghiên cứu về mô hình hóa toán học pin nhiên liệu, tính toán cân bằng năng lượng ngăn xếp nhiệt - điện và lập trình mô phỏng các hiện tượng truyền nhiệt, truyền khối trên phần mềm MATLAB. Phần thiết lập phương trình cân bằng khối lượng chi tiết cho từng cấu tử khí ở Chương 2 và phương pháp chia lưới tính toán phân bố nhiệt độ trong lớp GDL ở Chương 4 là những phần mẫu mực có thể kế thừa trực tiếp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tổ hợp điện cực màng (MEA) trong pin PEMFC gồm những thành phần cấu tạo cơ bản nào?
Tổ hợp điện cực màng (MEA) được tạo thành bằng cách ép chặt các lớp vật liệu chức năng lại với nhau, bao gồm: màng trao đổi proton ở giữa (PEM, điển hình là Nafion), hai lớp chất xúc tác ở hai mặt (thường dùng hạt Platinum phân tán trên Carbon) và hai lớp khuếch tán khí (GDL làm bằng vải carbon xốp hoặc giấy carbon Toray).

2. Tại sao việc giảm chiều dày lớp màng điện giải lại làm giảm tổn thất ohmic trong pin PEMFC?
Điện trở ion của màng điện phân tỷ lệ thuận với chiều dày và tỷ lệ nghịch với độ dẫn điện ($R_{ionic} = \frac{\delta}{\sigma A}$). Khi giảm chiều dày màng ($\delta$), điện trở ion $R_{ionic}$ giảm xuống trực tiếp, kéo theo tổng trở kháng $R_{ohmic}$ giảm. Ngoài ra, màng mỏng còn tạo điều kiện cho quá trình khuếch tán ngược của nước từ cathode về anode diễn ra thuận lợi, giữ cho màng luôn bão hòa ẩm và duy trì độ dẫn ion ở mức cao.

3. Hiện tượng khuếch tán ngược (Back Diffusion) trong cân bằng khối lượng của pin PEMFC là gì?
Khuếch tán ngược ($m_{H2O,BD}$) là quá trình nước lỏng sinh ra từ phản ứng khử ở cực âm (cathode) bị đẩy ngược trở lại qua màng điện giải về cực dương (anode). Quá trình này được thúc đẩy bởi sự chênh lệch nồng độ nước và chênh lệch áp suất giữa hai ngăn điện cực, đóng vai trò quan trọng trong việc cân bằng ẩm nội tại và hạn chế hiện tượng khô màng ở phía anode.

4. Trong bài toán mô phỏng ngăn xếp 90 cell ở Chương 2, các thông số nhiệt động và hình học được thiết lập như thế nào?
Mô phỏng ngăn xếp 90 cell sử dụng các thông số đầu vào xác định: diện tích hoạt động mỗi tế bào pin $A_{cell} = 100\text{ cm}^2$, nhiệt độ vận hành $80^\circ\text{C}$ ($353{,}15\text{ K}$), áp suất cấp khí hydro và không khí cùng bằng $3\text{ atm}$, mật độ dòng trao đổi $i_0 = 10^{-7}\text{ A/cm}^2$, mật độ dòng giới hạn $i_L = 1{,}4\text{ A/cm}^2$, điện trở diện tích $ASR = 0{,}19\ \Omega$, hệ số truyền điện tích $\alpha = 0{,}5$, hệ số khuếch tán $\alpha_1 = 0{,}085$ và năng lượng Gibbs thể lỏng $\Delta G_{f,liq} = 228170\text{ J/mol}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Mô phỏng lý thuyết PEMFC và lớp khuếch tán khí bằng phần mềm Matlab" của sinh viên Võ Chí Cường và Đàm Minh Hoàng đã giải quyết trọn vẹn các nhiệm vụ nghiên cứu lý thuyết nhiệt - điện hóa đặt ra cho pin nhiên liệu màng trao đổi proton. Công trình đã lượng hóa thành công các cơ chế tổn thất kích hoạt, tổn thất ohmic, tổn thất nồng độ và phân bố nhiệt động học trong lớp khuếch tán khí thông qua các mô hình toán học giải tích trên môi trường MATLAB. Các kết quả tính toán và giải pháp kiến nghị trong đồ án cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học rõ ràng, phục vụ hiệu quả cho việc nghiên cứu và tối ưu hóa thiết kế pin nhiên liệu sạch trong lĩnh vực kỹ thuật nhiệt.