[TẶNG BẠN] TRỌN BỘ Bí kíp học tốt 08 môn
Chắc suất Đại học top - Giữ chỗ ngay!!
ĐĂNG BÀI NGAY để cùng trao đổi với các thành viên siêu nhiệt tình & dễ thương trên diễn đàn.
Liệu pin nhiên liệu có thay thế được động cơ đốt trong hay không?
Vào năm 1839, William Grove đã chế tạo ra mô hình thực nghiệm đầu tiên của pin nhiên liệu thông qua ý tưởng của Christian Friedrich Schoenbein, bao gồm hai điện cực làm bằng platin được bao trùm bởi hai ống hình trụ bằng thủy tinh, một ống chứa hydro và ống kia chứa oxy. Hai điện cực được nhúng trong axit sulfuric loãng là chất điện phân tạo thành dòng điện 1 chiều.
Mô tả về thí nghiệm chế tạo pin nhiên liệu của Grove
Năng lượng sinh ra từ phản ứng điện phân: 2H2 +O2 → 2H2O (xúc tác bởi platin) được chuyển hóa thành năng lượng điện khá là hiệu quả . Nhược điểm của những chiếc pin nhiên liệu đầu tiên này là việc giá thành đắt và hệ thống rất phức tạp. Do đó, thật không may cho sự ra đời từ rất sớm của pin nhiên liệu, sự phát triển của công nghệ máy phát điện vào năm 1866 bởi nhà khoa học Werner von Siemens đã làm lu mờ những ứng dụng đầy hứa hẹn của “bộ chuyển đổi năng lượng” này.
Nhà vật lý người xứ Wales - Sir William Robert Grove
Trong suốt thế kỉ XX, có rất nhiều nỗ lực nghiên cứu nhằm khai thác nguồn năng lượng điện từ pin nhiên liệu. Pin nhiên liệu kiềm (chứa dung dịch chất điện ly KOH, điện cực carbon và platin làm chất xúc tác cho nhiên liệu H2) và pin nhiên liệu acid phosphoric (chứa dung dịch chất điện ly H3PO4, và điện cực carbon phủ platin, với nhiên liệu là H2) đã được sử dụng thành công trong việc cung cấp năng lượng cho tàu Gemini, tàu Apollo và các tàu con thoi.
Thập kỉ đầu tiên của thế kỉ XXI chứng kiến sự tiến bộ vượt bậc trong sự phát triển và ứng dụng của phương tiện giao thông chạy bằng pin nhiên liệu hydro, pin sạc và nhiên liệu sinh học. Đốt cháy H2 chỉ thải ra hơi nước và là nhiên liệu thân thiện với môi trường, theo lý thuyết, vô cùng phù hợp cho hàng triệu phương tiện đang hoạt động trên đường phố.Từ năm 1997 tới nay, một số các thành phố trên thế giới đã đưa vào sử dụng xe buýt không khí thải Daimler-Benz (gọi tắt là Nebus) chạy bằng pin nhiên liệu lấy hydro từ các thùng áp suất cao đặt ở trên nóc xe. Vào cuối năm 2001, Daimler-Chrysler khởi động dự án Phương tiện đô thị sạch cho châu Âu (Clean Urban Transport for Europe, CUTE) theo đó Amsterdam, Barcelona, Hamburg, London, Luxemburg, Madrid và Reykjavik cho phép một số lượng giới hạn xe buýt chạy bằng pin nhiên liệu hoạt động. Ở Iceland, các tập đoàn Shell, Daimler-Chrysler và General Motors đang tạo nên những tiến bộ đáng kể trong công nghệ pin nhiên liệu hydro với kết quả là Iceland đang hướng tới một nền kinh tế hydro vào năm 2050. Việc này sẽ kết hợp tốt với nguồn năng lượng đến chủ yếu từ đập thủy điện và nhà máy địa nhiệt của Iceland.
Áp dụng công nghệ pin nhiên liệu cho toàn bộ hệ thống vận chuyển trên thế giới, hay cho dù chỉ là một phần nhỏ của nó, mang theo những rào cản lớn. Đầu tiên, để mở ra một thị trường mang tính cạnh tranh, bất kì phương tiên dùng pin nhiên liệu hydro được sản xuất ra cũng đều phải hoạt động ít nhất là hiệu quả bằng phương tiên chạy bằng động cơ đốt trong. Ngoài ra, còn có nhiều khía cạnh khác cần phải được chú trọng như giá cả, khả năng tích trữ nhiên liệu và độ an toàn. Quan điểm của công chúng hiện nay cho rằng hydro là một loại khí dễ cháy nổ, và đa phần những người tiêu dùng đều coi hydro nguy hiểm hơn là nhiên liệu hydrocarbon. Thứ hai, cơ sở hạ tầng hiện nay (ví dụ như hệ thống phân phối và nạp nhiên liệu) cho hệ thống vận tải đều được thiết kế cho các phương tiện chạy bằng nhiên liệu carbon. Đổi mới chúng cho phù hợp với nhiên liệu từ hydro sẽ vô cùng đắt đỏ.
Chủ yếu bị thúc đẩy bởi các đạo luật về môi trường, ngành công nghiệp xe gắn máy giờ đây có liên quan chặt chẽ đến sự phát triển của pin nhiên liệu. Các nhà sản xuất ô tô dự định sẽ trưng bày các phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu vào năm 2015, nhưng một trong các vấn đề mà họ phỉa đương đầu chính là làm thế nào để vận chuyển và dự trữ hydro cho hiệu quả. Hydro có thể được bảo quản ở dạng H2 lỏng (tại áp suất ≤1 MPa, nhiệt độ 20 K) hoặc ở dạng khí H2 nén (35-70 MPa, ≈ 295 K). Nén khí là một công đoạn tất yếu do mật độ hydro quả nhỏ. Áp suất cao sẽ yêu cầu bình chứa phải vô cùng vững chắc để đảm bảo an toàn, nên các nhà sản xuất ô tô đang thử nghiệm các vật liệu sợi carbon để làm thùng nhiên liệu do chúng vừa nhẹ lại vừa bền. Một phương pháp khác nhằm lưu trữ H2 là hấp phụ nó ở nhiệt độ thấp (hấp phụ lạnh) nhờ vào vật liệu có diện tích bề mặt cao như carbon hoạt tính. Mặc dù xốp, khoáng vật zeolite chỉ có thể chứa được một lượng nhỏ H2. Các cấu trúc cơ kim cũng là ứng viên tiềm năng để chứa H2 và hiện đang được chú trọng nghiên cứu. Trong tất cả cáp phương pháp lưu trữ này, bản chất vật lí của H2 đều không đổi. Một phương pháp thay thế đó là chứa hydro vào các hợp chất hóa học như NaBH4 hoặc hydride kim loại. Phản ứng thủy phân có xúc tác của NaBH4 giải phóng H2 dùng làm nhiên liệu:
NaBH4 + 4H2O → 4H2 + NaOH + H3BO3
Loại hệ thống lưu trữ hydro này đã được thử nghiệm bỡi hãng Chrysler nhưng dường như không phù hợp để áp dụng trên diện rộng. Hydride kim loại có vẻ hứa hẹn hơn. Nói về năng lượng dự trữ trên một đơn vị khối lượng, H2 cung cấp tới 120 MJkg-1. Tuy nhiên, ta còn phải xét thể tích H2 cần đủ là bao nhiêu để cho phép phương tiện sử dụng nó chạy hết được khoảng cách giữa hai trạm nạp nhiên liệu. Năng lượng dự trữ của H2 trên một đơn vị thể tích tại áp suất 35MPa là ≈ 2,8 MJm-3, hoặc với hydro lỏng là ≈ 8,5 MJm-3 tại 20K. Hydro chứa nhiều năng lượng trên một đơn vị khối lượng hơn nhưng có ít năng lượng trên một đơn vị thể tích hơn so với nhiên liệu carbon. Nén khí hydro ở áp suất cao (69 MPa trong thùng làm từ sợi carbon) là một chiến lược được sử dụng bởi nhiều nhà sản xuất phương tiện.
Xe chạy bằng nguyên liệu hydro
Bộ Năng lượng Hoa Kỳ khuyến cáo các nhà sản xuất nên đạt được mục tiêu năng lượng dự trữ trên một đơn vị thể tích của hydro là 9 GJm-3 trong các phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu. Hydride kim loại có thể chứa được tới 12 GJm-3 và có thể là một lựa chọn khả thi để chứa H2 trong các phương tiện.
Vào cuối năm 2002, hãng xe gắn máy Toyota, USA đã cung cấp hai phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu cho Đại học California, Irvine, và Đại học California, Davis, và trong một thông cáo báo chí trên trang pressroom.toyota.com, công ty sử dụng sự kiện này để đánh dấu “bước đầu tiên trong kế hoạch thiết lập cộng đồng pin nhiên liệu California bao gồm chính phủ, doanh nghiệp và các trung tâm giáo dục đại học và sau đại học, mục tiêu là giải quyết các thử thách trong các lĩnh vực sản phẩm, cơ sở hạ tầng và sự ủng hộ của công chúng.”Cho tới 2006, các doanh nghiệp như Daimler-Chrysler, Toyota, Honda, BMW và Ford đã sản xuất được gần 200 phương tiện nguyên mẫu chạy bằng pin nhiên liệu hydro (FCV). Từ năm 2006, đã có một sự chuyển dịch sang các phương tiện lai (FCHV) trong đó động cơ chạy bằng năng lượng điện đến từ pin nhiên liệu hydro, và còn có pin sạc (ví dụ như pin nickel-hydride kim loại hoặc lithium-ion) như một nguồn năng lượng thứ hai. Chúng không nên bị nhầm lẫn với phương tiện chạy điện lai (HEV) ví dụ như dòng Toyota Prius hoặc Honda Insight loại kết hợp động cơ điện và động cơ đốt trong truyền thống. HEV đã có chỗ đứng trong thị trường phương tiện tự động, cũng như phương tiện điện lai chứa pin sạc khi chiếc xe dừng ở một trạm năng lượng nào đó. Nguồn điện năng thêm vào này giảm đi lượng nhiên liệu hóa thạch mà xe tiêu thụ.
Một phương án thay thế cách bổ sung H2 trực tiếp là nạp nhiên liệu cho xe bằng nhiên liệu carbon như methanol, và lắp đặt một máy biến đổi nhiên liệu ngay trên xe để chuyển nó thành H2. Phương pháp này có một nhược điểm, đó là các sản phẩm phụ: CO và/hoặc CO2 và N2 hoặc NOx. Thế nên, phương tiện loại này được coi là giảm khí thải chứ không phải không khí thải. Một lợi thế của nguồn nhiên liệu H2 gián tiếp so với trực tiếp là không cần thiết phải có các trạm cung cấp H2. Và kết quả là tiền đầu tư vào cơ sở hạ tầng sẽ giảm đi.
Cuối cùng chúng ta đến với bản thân pin nhiên liệu. Bên cạnh loại pin nhiên liệu nguyên bản của Grove và pin nhiên liệu kiềm và acid phosphoric dùng trong công nghệ tàu không gian, các loại pin nhiên liệu khác bao gồm pin carbonate lỏng (mang chất điện ly là Li2CO3/Na2CO3), pin oxide rắn (chứa chất điện ly là oxide kim loại rắn) và pin có màng chất điện ly polymer (PEM). Cả hai loại dùng carbonate lỏng và oxide rắn đều cần nhiệt độ cao để hoạt động (≈900 và 1300 K theo thứ tự). Trong ngành công nghiệp xe gắn máy, các doanh nghiệp tập trung chủ yếu vào pin nhiên liệu PEM. Loại pin này có cấu tạo gồm một màng polymer dẫn truyền proton, điện cực carbon và chất xúc tác Pt. Nhiệt độ hoạt động là 350 K, khá thấp, vậy nên thời gian khởi động của pin cũng ngắn hơn pin nhiên liệu carbonate lỏng và oxide rắn. Pin nhiên liệu PEM thực ra là một chồng các pin ghép lại. Mỗi chiếc pin được biết đến như là một thiết bị màng điện cực (MEA) và bao gồm anode và cathode là giấy từ sợi carbon phủ platin, ngăn bởi một màng dẫn proton. Màng này thường được làm bằng Nafion (một polymer perfluorinate với các nhóm acid sulfonic gắn trên mạch chính). Các đơn vị MEA được nối với nhau thành chuỗi bởi tấm từ sợi carbon hoặc polypropylene cho phép H2 và không khí đi qua (H2 tới anode và O2 tới cathode)
H2 → 2H+ + 2e-
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
Dòng proton đi qua màng giúp cho phản ứng tổng sinh năng lượng của pin diễn ra:
2H2 + O2 → 2H2O
Mỗi chiếc pin tạo ra khoảng 0,7 V, vậy nên cần một chồng các pin để cung cấp đủ điện năng cho xe hoạt động.
Do platin khá là đắt, nên ngành công nghiệp ô tô cần phải tìm ra cách sử dụng xúc tác trong pin nhiên liệu PEM càng ít càng tốt. Các phương án hiện nay tập trung vào sử dụng các hạt nano PtM (M là một kim loại khối d khác), hạt nano gồm lõi PtM vỏ là các nguyên tử Pt, và màng Pt mỏng trải trên cấu trúc hỗ trọ nano. Xúc tác từ sắt có sẽ rẻ hơn, nhưng hiệu quả không cao. Một bước tiến hứa hẹn (đang trong giai đoạn nghiên cứu) là xúc tác dựa trên sắt với các vi lỗ và khung carbon, trong đó các phân tử sắt nằm tại các vị trí {Fe(phen)2}2+, các đơn vị phenanthroline (phen) kết hợp chặt chẽ với các tấm graphit.
