Pin nhiên liệu hydro là gì? Lịch sử hình thành và phát triển

Các giai đoạn đầu của pin nhiên liệu

Năm 1889, thuật ngữ “pin nhiên liệu” (“fuel cell”) lần đầu tiên được đặt ra bởi Ludwig Mond và Charles Langer, những người đã cố gắng xây dựng một pin nhiên liệu hoạt động bằng cách sử dụng không khí và khí than công nghiệp. Một nguồn tin khác nói rằng chính William White Jaques là người đầu tiên đặt ra thuật ngữ “fuel cell”. Jaques cũng là nhà nghiên cứu đầu tiên sử dụng axit photphoric trong bể điện phân.

Vào những năm 1920, nghiên cứu về pin nhiên liệu ở Đức đã mở đường cho sự phát triển của chu trình cacbonat và pin nhiên liệu oxit rắn ngày nay.

Năm 1932, kỹ sư Francis T Bacon bắt đầu nghiên cứu quan trọng của mình về các tế bào nhiên liệu. Các nhà thiết kế tế bào ban đầu đã sử dụng điện cực platin xốp và axit sulfuric làm bể điện phân. Việc sử dụng bạch kim rất tốn kém và sử dụng axit sulfuric có tính ăn mòn. Bacon đã cải tiến trên các chất xúc tác bạch kim đắt tiền với một tế bào hydro và oxy bằng cách sử dụng chất điện phân kiềm ít ăn mòn hơn và các điện cực niken rẻ tiền.

Bacon phải cần đến năm 1959 để hoàn thiện thiết kế của mình khi ông trình diễn một pin nhiên liệu 5 kilowatt có thể cung cấp năng lượng cho một máy hàn. Francis T. Bacon, hậu duệ trực tiếp của Francis Bacon nổi tiếng khác, đã đặt tên cho thiết kế pin nhiên liệu nổi tiếng của mình là “Bacon Cell”.

Francis Thomas Bacon là người đã phát triển pin nhiên liệu hydro thực tế đầu tiên

Pin nhiên liệu trong xe cộ

Vào tháng 10 năm 1959, Harry Karl Ihrig, một kỹ sư của Công ty Sản xuất Allis – Chalmers, đã trình diễn một chiếc máy kéo 20 mã lực là phương tiện đầu tiên chạy bằng pin nhiên liệu.

Vào đầu những năm 1960, General Electric đã sản xuất hệ thống điện dựa trên pin nhiên liệu cho các tàu vũ trụ Gemini và Apollo của NASA. General Electric đã sử dụng các nguyên tắc được tìm thấy trong “Bacon Cell” làm cơ sở cho thiết kế của mình. Ngày nay, điện của Tàu con thoi được cung cấp bởi các tế bào nhiên liệu, và các tế bào nhiên liệu tương tự cung cấp nước uống cho phi hành đoàn.

NASA quyết định rằng việc sử dụng các lò phản ứng hạt nhân có rủi ro quá cao và việc sử dụng pin hoặc năng lượng mặt trời là quá cồng kềnh để sử dụng trong các phương tiện vũ trụ. NASA đã tài trợ cho hơn 200 hợp đồng nghiên cứu khám phá công nghệ pin nhiên liệu, đưa công nghệ này lên cấp độ khả thi cho khu vực tư nhân.

Chiếc xe buýt đầu tiên chạy bằng pin nhiên liệu được hoàn thành vào năm 1993, và một số chiếc xe chạy bằng pin nhiên liệu hiện đang được chế tạo ở Châu Âu và Hoa Kỳ. Daimler-Benz và Toyota ra mắt nguyên mẫu ô tô chạy bằng pin nhiên liệu vào năm 1997. Năm 2015, Toyota ra mắt Mirai là xe thương mại đầu tiên chạy hoàn toàn bằng nhiên liệu hydro.

Pin nhiên liệu là nguồn năng lượng vượt trội

Có thể câu trả lời cho “Có gì tuyệt vời về pin nhiên liệu?” nên là câu hỏi “Ô nhiễm, thay đổi khí hậu hoặc cạn kiệt dầu, khí đốt tự nhiên và than đá có gì lớn?” Khi chúng ta bước vào thiên niên kỷ tiếp theo, đã đến lúc đặt năng lượng tái tạo và công nghệ thân thiện với hành tinh lên hàng đầu trong các ưu tiên của chúng ta.

Pin nhiên liệu đã có hơn 150 năm và cung cấp một nguồn năng lượng vô tận, an toàn với môi trường và luôn sẵn sàng. Vậy tại sao chúng không được sử dụng ở khắp mọi nơi? Cho đến gần đây, đó là vì chi phí. Các tế bào pin quá đắt để sản xuất. Điều đó bây giờ đã thay đổi.

Tại Hoa Kỳ, một số đạo luật đã thúc đẩy sự bùng nổ hiện nay trong phát triển pin nhiên liệu hydro: cụ thể là Đạo luật Tương lai Hydro của Quốc hội năm 1996 và một số luật của tiểu bang khuyến khích mức phát thải bằng không đối với ô tô. Trên toàn thế giới, các loại pin nhiên liệu khác nhau đã được phát triển với sự tài trợ rộng rãi của công chúng. Chỉ riêng Hoa Kỳ đã đầu tư hơn một tỷ đô la vào nghiên cứu pin nhiên liệu trong ba mươi năm qua.

Năm 1998, Iceland công bố kế hoạch tạo ra nền kinh tế hydro với sự hợp tác của nhà sản xuất ô tô Đức Daimler-Benz và nhà phát triển pin nhiên liệu Canada Ballard Power Systems. Kế hoạch 10 năm sẽ chuyển đổi tất cả các phương tiện vận tải, bao gồm cả đội tàu đánh cá của Iceland, sang các phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu. Vào tháng 3 năm 1999, Iceland, Shell Oil, Daimler Chrysler và Norsk Hydro thành lập một công ty để phát triển hơn nữa nền kinh tế hydro của Iceland.

Vào tháng 2 năm 1999, trạm nhiên liệu hydro thương mại công cộng đầu tiên của châu Âu dành cho ô tô và xe tải được mở cửa hoạt động tại Hamburg, Đức. Vào tháng 4 năm 1999, Daimler Chrysler cho ra mắt chiếc xe chạy bằng hydro lỏng NECAR 4. Với tốc độ tối đa 90 dặm/giờ và sức chứa bình 280 dặm, chiếc xe đã khiến báo giới phải thán phục. Công ty có kế hoạch sản xuất giới hạn xe chạy bằng pin nhiên liệu vào năm 2004. Vào thời điểm đó, Daimler Chrysler sẽ chi thêm 1,4 tỷ USD cho việc phát triển công nghệ pin nhiên liệu.

Vào tháng 8 năm 1999, các nhà vật lý Singapore đã công bố một phương pháp lưu trữ hydro mới của các ống nano carbon pha tạp chất kiềm nhằm tăng khả năng lưu trữ và an toàn hydro. Một công ty Đài Loan, San Yang, đang phát triển chiếc xe máy chạy bằng pin nhiên liệu đầu tiên.

Tương lai của pin nhiên liệu hydro

Vẫn còn nhiều vấn đề với động cơ và hệ thống truyền động điện chạy bằng nhiên liệu hydro. Các vấn đề về vận chuyển, bảo quản và an toàn cần được giải quyết. Greenpeace đã thúc đẩy sự phát triển của pin nhiên liệu hoạt động bằng hydro được sản xuất tái sinh. Các nhà sản xuất ô tô châu Âu cho đến nay đã bỏ qua dự án của Tổ chức Hòa bình Xanh cho một chiếc xe siêu tiết kiệm chỉ tiêu thụ 3 lít xăng/100 km.

Với quãng đường di chuyển ngắn, BEV sẽ phát huy hiệu quả tối ưu nhất. Những dòng xe phù hợp là xe cá nhân, xe cỡ nhỏ hoặc xe mini dùng trong đô thị. Với quãng đường di chuyển trung bình từ trung tâm thành phố sang khu vực ngoại thành, hoặc giữa các tỉnh lân cận, việc sử dụng xe HEV hoặc PHEV sẽ hiệu quả hơn. Với quãng đường di chuyển dài giữa các vùng miền, trong tương lai, FCEV sẽ có lợi thế rất lớn do không phụ thuộc vào nhiên liệu hoặc nguồn điện. Những dòng xe phù hợp với FCEV là xe cá nhân, xe tải, xe khách, xe buýt.

Mặc dù vậy, con đường tiến đến thương mại hóa công nghệ này thành một loại xe “xanh” lại đầy chông gai, thậm chí là “đẫm máu”. Bởi lẽ, công nghệ này nếu thành công sẽ làm lung lay lợi nhuận của ngành ô tô dùng động cơ đốt trong truyền thống, đặc biệt là các công ty dầu mỏ.