Giống như pin thường, pin nhiên liệu tạo ra năng lượng thông qua quá trình điện hóa, và chúng khác pin nhiên liệu ở đặc điểm không bị cạn kiệt hay cần sạc lại. Tuy nhiên, tiềm năng của pin nhiên liệu đi liền với những thách thức như chi phí, hiệu suất và độ bền.

Nhà nghiên cứu Yun Hang Hu thuộc Đại học Công nghệ Michigan, Mỹ và hai sinh viên tốt nghiệp, Hanrui Su và Wei Zhang đã mở ra bước đầu phá vỡ những rào cản đó. Họ đã thay đổi con đường thông thường của pin nhiên liệu bằng cách tạo ra liên kết giữa chất điện phân và cacbonat nóng chảy để chuyển ion oxy nhanh gấp nhiều lần.

Yun Hang Hu cho biết: Điều này cho phép chúng tôi phát minh ra một loại pin nhiên liệu hoàn toàn mới, pin nhiên liệu thể rắn cấu trúc siêu tầng cacbonat (CTSTC). 

Giống như các loại pin nhiên liệu khác, pin nhiên liệu thể rắn CTSTC có nhiều mục đích sử dụng tiềm năng, từ việc cung cấp năng lượng để vận hành các phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu và phát điện tại nhà hay toàn bộ nhà máy điện. Loại pin này linh hoạt về nhiên liệu, do đó, chúng sở hữu độ bền và hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn ở nhiệt độ vận hành thấp hơn so với các loại pin nhiên liệu khác.

Hầu hết các pin nhiên liệu được cung cấp năng lượng từ hydro. Chất này được sản xuất từ các hợp chất chứa hydro, thường là khí metan và quy trình này khá đắt đỏ. Tuy nhiên, pin nhiên liệu thể rắn CTSTC của nhóm nghiên cứu có thể sử dụng trực tiếp khí metan hoặc nhiên liệu hydro cacbon khác. Theo Yun Hang Hu, việc linh hoạt nguồn nhiên liệu được đặc biệt quan tâm trong triển khai thương mại hoá.

Bên cạnh đó, hiệu suất điện hóa của pin nhiên liệu mới ở nhiệt độ hoạt động thấp hơn mang lại một số lợi thế khác: Nhiệt độ hoạt động của pin nhiên liệu oxit rắn thông thường thường là 800 độ C hoặc cao hơn, vì quá trình chuyển ion trong chất điện phân rắn diễn ra rất chậm ở nhiệt độ thấp hơn. Ngược lại, chất điện phân cấu trúc thượng tầng của pin nhiên liệu rắn CTSTC có thể cung cấp khả năng truyền ion nhanh ở 550 độ C hoặc thấp hơn, thậm chí xuống tới 470 độ C.

Nhiệt độ hoạt động thấp mang lại hiệu quả lý thuyết cao và chi phí chế tạo tế bào thấp hơn. Hu cho biết, pin cũng có khả năng hoạt động an toàn hơn so với các loại pin nhiên liệu rắn khác.

Hu ước tính hiệu quả sử dụng nhiên liệu của pin nhiên liệu rắn CTSTC có thể đạt tới 60%. Để so sánh, hiệu suất nhiên liệu trung bình của động cơ đốt trong nằm trong khoảng từ 35% đến 30%. Hiệu quả sử dụng nhiên liệu cao hơn của pin nhiên liệu rắn CTSTC có khả năng giảm thiểu lượng khí thải CO2 trong phương tiện di chuyển. 

Hải Hà