Theo phân tích từ BCC Research, nhu cầu sử dụng pin nhiên liệu đang gia tăng trong lĩnh vực giao thông vận tải và các ứng dụng khác. Xe điện sử dụng pin nhiên liệu (FCEV) ngày càng được ưa chuộng nhờ khả năng vận hành không phát thải khí thải từ ống xả, trong khi các trung tâm dữ liệu đang triển khai pin nhiên liệu hydro như một nguồn điện dự phòng sạch hơn so với máy phát điện chạy dầu diesel truyền thống. Ngoài ra, pin nhiên liệu cũng đang được ứng dụng ngày càng nhiều trong các hệ thống năng lượng sạch sử dụng hydro tái tạo (green hydrogen).

BCC dự báo thị trường pin nhiên liệu toàn cầu sẽ đạt quy mô 2,4 tỷ USD vào cuối năm 2029, tăng trưởng với tốc độ kép hàng năm 13% so với mức 1,1 tỷ USD của năm 2023. Dự báo này được thúc đẩy bởi nhu cầu tiếp tục tăng từ FCEV, các chính sách hỗ trợ, tiến bộ công nghệ, và sự mở rộng ứng dụng tại các trung tâm dữ liệu.

Điểm Nóng Của Công Nghệ Pin Nhiên Liệu

Ngành giao thông vận tải được kỳ vọng sẽ dẫn đầu trong việc ứng dụng pin nhiên liệu đến năm 2029, khi các ông lớn trong ngành ô tô tiếp tục đầu tư vào R&D và sản xuất FCEV. Điển hình như BMW Group dự kiến ra mắt mẫu FCEV sản xuất hàng loạt đầu tiên vào năm 2028, hợp tác cùng Toyota trong phát triển hệ truyền động. Hyundai cũng đã giới thiệu mẫu SUV NEXO thế hệ mới, nâng hiệu suất pin nhiên liệu lên 16% so với thế hệ trước, đồng thời cải thiện độ bền và khả năng vận hành trong điều kiện nhiệt độ thấp.

Hiện tại, khoảng 92% FCEV toàn cầu tập trung tại Hàn Quốc, Trung Quốc, Mỹ và Nhật Bản. Khu vực châu Á – Thái Bình Dương chiếm tỷ trọng lớn nhất với 68%, tiếp theo là Bắc Mỹ (19%) và châu Âu (8,6%). Tại Mỹ, số lượng xe FCEV còn hạn chế với khoảng 18.671 xe lưu thông tính đến tháng 6/2025, theo dữ liệu từ Hydrogen Fuel Cell Partnership.

Do hạ tầng tiếp nhiên liệu còn hạn chế, doanh số bán FCEV tại Mỹ đã giảm xuống chỉ còn 611 xe trong năm 2024 – giảm mạnh so với mức bốn chữ số trong ba năm trước đó. Nguyên nhân một phần là do hệ thống trạm tiếp nhiên liệu chủ yếu tập trung tại California – nơi hiện có 50 trạm bán lẻ. Hawaii là bang có số trạm nhiều thứ hai, nhưng cũng chỉ có… một trạm.

Xu Hướng Công Nghệ: Tấm Lưỡng Cực và PEM

Tấm lưỡng cực (bipolar plates) là thành phần quan trọng trong pin nhiên liệu, giúp điều tiết dòng điện, nhiệt độ và nước trong bộ stack. Các loại vật liệu và lớp phủ mới đang thay thế thiết kế truyền thống. Ví dụ, tấm lưỡng cực phủ kim loại của Schaeffler giúp tăng 20% mật độ công suất nhờ khả năng dẫn điện cao và bền theo thời gian. Tại Úc, công ty Siltrax phát triển tấm lưỡng cực bằng silicon, thay thế than chì và kim loại truyền thống – cho hiệu suất và độ bền cao hơn, cũng như chống ăn mòn và chịu nhiệt tốt.

BCC Research cũng nhấn mạnh sự phát triển của pin nhiên liệu màng trao đổi proton nhiệt độ cao (HT-PEMFC), hoạt động ở 150–250°C, đạt hiệu suất 50–60%, kháng CO cao hơn và dễ kiểm soát nhiệt. Một số công ty như ZeroAvia đang phát triển hệ thống HT-PEMFC cho máy bay điện sử dụng hydro, nhắm đến độ bền và chi phí vận hành thấp hơn.

Đổi Mới và Nghiên Cứu Phát Triển

Hydro vẫn là loại nhiên liệu phát triển nhanh nhất hiện nay, với nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc giảm chi phí lưu trữ và vận chuyển. Pin nhiên liệu ôxít rắn (SOFC) đang được cải tiến để giảm sự suy giảm vật liệu ở nhiệt độ cao.

Năm ngoái, có tới 575 bằng sáng chế liên quan đến công nghệ stack pin nhiên liệu được công bố, với các tên tuổi dẫn đầu gồm Hyundai, Kia, Toyota, Bloom Energy và Honda. Những đổi mới trải rộng trên nhiều lĩnh vực, bao gồm: trung tâm dữ liệu tiết kiệm năng lượng dùng làm mát bằng chất lỏng của Nvidia, hệ thống tiếp nhiên liệu di động của Zero Emission Industries, và lưới điện vi mô module của Renew Power Systems. Một số sáng chế đáng chú ý khác gồm: thiết bị điều khiển hệ thống hydro (Toshiba), pin nhiên liệu ôxít rắn dùng để cắt đỉnh phụ tải (Bloom Energy), và máy phát điện khẩn cấp từ methanol (Zhejiang Benyuan Alcohol Hydrogen Tech).

Thông thường, hiệu suất pin nhiên liệu đạt 40–60%, tuy nhiên nếu tối ưu hóa hệ thống quản lý khí và nhiệt (balance-of-plant), có thể nâng lên đến 85%. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đang nghiên cứu hệ thống lọc hai giai đoạn giúp đưa khí siêu sạch vào bộ stack nhằm tối ưu hóa hiệu suất điện hóa.

Thách Thức Còn Tồn Tại: Nhiên Liệu, Chất Xúc Tác và Hậu Cần

Platinum (bạch kim) là chất xúc tác chính trong pin nhiên liệu PEM, chiếm gần 2/3 chi phí của bộ stack – trở thành rào cản lớn nhất về giá thành. Các nỗ lực gần đây tập trung vào việc sử dụng graphene làm vật liệu nền. Graphene có diện tích bề mặt lớn, chống ăn mòn tốt và dẫn điện mạnh, cho độ bền vượt trội mà vẫn đảm bảo hiệu suất tương đương. Một nghiên cứu năm 2020 trên tạp chí Nanoscale chỉ ra rằng xúc tác trên nền graphene giúp giảm tới 30% độ mất hoạt tính sau thử nghiệm căng thẳng tăng tốc.

Hạ tầng tiếp nhiên liệu yếu kém cũng là thách thức lớn. Chi phí sản xuất hydro tương đối thấp (0,5 – 1,7 USD/kg với khí thiên nhiên), trong khi chi phí xây dựng và vận hành trạm nạp mới chính là rào cản lớn. Hydro từ năng lượng tái tạo (green hydrogen) có chi phí cao hơn nhiều, khoảng 3 – 8 USD/kg.

Do chi phí thiết bị tại trạm (máy nén, vòi nạp, bình chứa tại chỗ), người tiêu dùng phải trả giá rất cao. Tại California, giá bán lẻ hydro đã từng chạm mốc 13–16 USD/kg trong năm 2019. Trong đó, 50% đến từ chi phí thiết bị, 35% từ phân phối, còn chi phí sản xuất chỉ chiếm 12–15%.

Từ sau báo cáo của Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, giá hydrogen tiếp tục tăng mạnh. Tới tháng 9/2024, giá tại các trạm bán lẻ ở California lập kỷ lục mới: 34,55 USD/kg. Trong khi đó, doanh số FCEV loại nhẹ đang sụt giảm khi người tiêu dùng chuyển dần sang xe điện dùng pin (BEV) thông thường.

Khả năng lưu trữ – yếu tố sống còn trong những giai đoạn nhu cầu thấp – càng làm tăng chi phí. Lưu trữ dưới lòng đất là giải pháp rẻ hơn, trong khi các hợp kim kim loại hấp thụ hydro (metal hydrides) vẫn còn đắt đỏ và hạn chế về thể tích, theo BCC Research.