Xu hướng và triển vọng cho pin nhiên liệu hydro cho giao thông sạch

Bài viết này sẽ tập trung vào pin nhiên liệu hydro, xu hướng và triển vọng ứng dụng của chúng. Ngày nay, pin nhiên liệu dựa trên hydro đang thu hút sự chú ý ngày càng tăng trong ngành công nghiệp ô tô, bởi nếu thế kỷ 20 là thế kỷ của động cơ đốt trong, thì thế kỷ 21 có thể trở thành thế kỷ của năng lượng hydro trong ngành ô tô. Ngày nay, nhờ các tế bào hydro, tàu vũ trụ hoạt động và ở một số quốc gia trên thế giới, hydro đã được sử dụng trong hơn 10 năm để tạo ra điện.

Pin nhiên liệu hydro là một thiết bị điện hóa giống như pin tạo ra điện thông qua phản ứng hóa học giữa hydro và oxy, và sản phẩm của phản ứng hóa học là nước tinh khiết, trong khi đốt cháy khí tự nhiên chẳng hạn sẽ tạo ra carbon dioxide có hại cho môi trường.

Ngoài ra, tế bào hydro có thể hoạt động với hiệu suất cao hơn, đó là lý do tại sao chúng đặc biệt hứa hẹn. Hãy tưởng tượng động cơ ô tô hiệu quả, thân thiện với môi trường.Tuy nhiên, toàn bộ cơ sở hạ tầng hiện được xây dựng và chuyên dụng cho các sản phẩm dầu mỏ, và việc giới thiệu quy mô lớn các tế bào hydro trong ngành công nghiệp ô tô phải đối mặt với những trở ngại này và những trở ngại khác.

Trong khi đó, từ năm 1839, người ta đã biết rằng hydro và oxy có thể kết hợp về mặt hóa học và do đó tạo ra dòng điện, nghĩa là quá trình điện phân nước có thể đảo ngược - đây là một thực tế khoa học đã được xác nhận. Ngay từ thế kỷ 19, pin nhiên liệu đã bắt đầu được nghiên cứu, nhưng sự phát triển của sản xuất dầu mỏ và việc tạo ra động cơ đốt trong đã để lại nguồn năng lượng hydro và chúng trở thành một thứ gì đó kỳ lạ, không có lợi và tốn kém để sản xuất.

Vào những năm 1950, NASA buộc phải sử dụng đến pin nhiên liệu hydro, và sau đó là không cần thiết. Họ cần một máy phát điện nhỏ gọn và hiệu quả cho tàu vũ trụ của họ. Do đó, Apollo và Gemini đã bay vào vũ trụ bằng pin nhiên liệu hydro, đây hóa ra là giải pháp tốt nhất.

Ngày nay, pin nhiên liệu hoàn toàn không còn là công nghệ thử nghiệm, và trong 20 năm qua đã có những tiến bộ đáng kể trong quá trình thương mại hóa rộng rãi hơn.

Không phải vô ích mà người ta đặt nhiều hy vọng vào pin nhiên liệu hydro. Trong quá trình làm việc của họ, ô nhiễm môi trường là tối thiểu, lợi thế kỹ thuật và an toàn là rõ ràng, ngoài ra, loại nhiên liệu này về cơ bản là tự trị và có thể thay thế pin lithium nặng và đắt tiền.

Nhiên liệu của pin hydro được chuyển đổi thành năng lượng trực tiếp trong quá trình phản ứng hóa học và ở đây thu được nhiều năng lượng hơn so với quá trình đốt cháy thông thường.Nó tiêu thụ ít nhiên liệu hơn và hiệu suất cao gấp ba lần so với thiết bị tương tự sử dụng nhiên liệu hóa thạch.

Hiệu suất càng cao khi tổ chức tốt cách thức sử dụng nước và nhiệt sinh ra trong quá trình phản ứng. Phát thải các chất độc hại là tối thiểu, vì chỉ có nước, năng lượng và nhiệt được giải phóng, trong khi ngay cả với quy trình đốt nhiên liệu truyền thống được tổ chức thành công nhất, các oxit nitơ, lưu huỳnh, carbon và các sản phẩm đốt không cần thiết khác chắc chắn được hình thành.

Ngoài ra, bản thân các ngành công nghiệp nhiên liệu thông thường có tác động bất lợi đến môi trường và pin nhiên liệu hydro tránh được sự xâm lấn nguy hiểm vào hệ sinh thái, vì việc sản xuất hydro có thể thực hiện được từ các nguồn năng lượng tái tạo hoàn toàn. Ngay cả sự rò rỉ khí này cũng vô hại vì nó bay hơi ngay lập tức.

Pin nhiên liệu không quan trọng từ đó nhiên liệu hydro được lấy cho hoạt động của nó. Mật độ năng lượng tính bằng kWh / l sẽ giống nhau và chỉ số này không ngừng tăng lên cùng với sự cải tiến của công nghệ tạo pin nhiên liệu.

Bản thân hydro có thể được lấy từ bất kỳ nguồn địa phương thuận tiện nào, cho dù đó là khí đốt tự nhiên, than đá, sinh khối hay điện phân (thông qua năng lượng gió, năng lượng mặt trời, v.v.). Sự phụ thuộc vào các nhà cung cấp điện trong khu vực biến mất, các hệ thống thường độc lập với mạng điện.

Nhiệt độ hoạt động của tế bào khá thấp và có thể thay đổi từ 80 đến 1000 ° C, tùy thuộc vào loại phần tử, trong khi nhiệt độ trong động cơ đốt trong hiện đại thông thường đạt tới 2300 ° C.Pin nhiên liệu nhỏ gọn, phát ra tiếng ồn tối thiểu trong quá trình tạo, không thải ra các chất độc hại nên có thể đặt ở bất kỳ vị trí thuận tiện nào trong hệ thống mà nó hoạt động.

Về nguyên tắc, không chỉ điện mà cả nhiệt giải phóng trong phản ứng hóa học cũng có thể được sử dụng cho các mục đích hữu ích, chẳng hạn như đun nóng nước, sưởi ấm không gian hoặc làm mát - với phương pháp này, hiệu quả tạo ra năng lượng trong tế bào sẽ tăng lên. 90%.

Các tế bào nhạy cảm với những thay đổi về tải, do đó, khi mức tiêu thụ năng lượng tăng lên, cần phải cung cấp nhiều nhiên liệu hơn. Điều này tương tự như cách hoạt động của động cơ xăng hoặc máy phát điện đốt trong. Về mặt kỹ thuật, pin nhiên liệu được thực hiện khá đơn giản, vì không có bộ phận chuyển động, thiết kế đơn giản và đáng tin cậy, và xác suất hỏng hóc về cơ bản là cực kỳ nhỏ.

Pin nhiên liệu hydro-oxy có màng trao đổi proton (ví dụ «với chất điện phân polyme») chứa màng dẫn proton từ polyme (Nafion, polybenzimidazole, v.v.), ngăn cách hai điện cực - cực dương và cực âm. Mỗi điện cực thường là một tấm carbon (ma trận) với chất xúc tác được hỗ trợ—bạch kim hoặc hợp kim của platinoid và các hợp chất khác.

Trên chất xúc tác cực dương, phân tử hydro phân ly và mất electron. Các cation hydro được vận chuyển qua màng đến cực âm, nhưng các điện tử được tặng cho mạch ngoài vì màng không cho phép các điện tử đi qua. Trên chất xúc tác cực âm, phân tử oxy kết hợp với một electron (được cung cấp bởi liên lạc bên ngoài) và một proton tới và tạo thành nước, là sản phẩm duy nhất của phản ứng (ở dạng hơi nước và / hoặc chất lỏng).

Vâng, ô tô điện ngày nay chạy bằng pin lithium. Tuy nhiên, pin nhiên liệu hydro có thể thay thế chúng. Thay vì pin, nguồn năng lượng sẽ hỗ trợ trọng lượng nhẹ hơn nhiều. Ngoài ra, công suất của xe có thể tăng lên hoàn toàn không phải do tăng trọng lượng do bổ sung các cục pin mà chỉ đơn giản bằng cách điều chỉnh nguồn cung cấp nhiên liệu cho hệ thống khi nó ở trong xi lanh. Do đó, các nhà sản xuất ô tô đặt nhiều kỳ vọng vào pin nhiên liệu hydro.

Hơn 10 năm trước, công việc chế tạo ô tô hydro đã bắt đầu ở nhiều quốc gia trên thế giới, đặc biệt là ở Hoa Kỳ và Châu Âu. Oxy có thể được chiết xuất trực tiếp từ không khí trong khí quyển bằng cách sử dụng bộ nén lọc đặc biệt đặt trên xe. Hydro nén được lưu trữ trong một xi lanh hạng nặng dưới áp suất khoảng 400 atm. Tiếp nhiên liệu mất vài phút.

Khái niệm giao thông đô thị thân thiện với môi trường đã được áp dụng ở châu Âu từ giữa những năm 2000: những chiếc xe buýt chở khách như vậy đã xuất hiện từ lâu ở Amsterdam, Hamburg, Barcelona và London. Coradia iLint, đoàn tàu chở khách đường sắt chạy bằng hydro đầu tiên, ra mắt tại Đức vào năm 2018. Đến năm 2021, 14 đoàn tàu như vậy nữa dự kiến ​​sẽ được ra mắt.

Trong 40 năm tới, việc chuyển sang sử dụng hydro làm nguồn năng lượng chính cho ô tô có thể cách mạng hóa nền kinh tế và năng lượng của thế giới. Mặc dù rõ ràng là dầu khí sẽ vẫn là thị trường nhiên liệu chính trong ít nhất 10 năm nữa.Tuy nhiên, một số quốc gia đã đầu tư vào việc tạo ra các phương tiện sử dụng pin nhiên liệu hydro, mặc dù thực tế là cần phải vượt qua nhiều rào cản kỹ thuật và kinh tế.

Tạo cơ sở hạ tầng hydro, trạm xăng an toàn là nhiệm vụ chính, vì hydro là khí dễ nổ. Dù bằng cách nào, với hydro, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng xe có thể giảm đáng kể và có thể tăng độ tin cậy.

Theo dự báo của Bloomberg, đến năm 2040 ô tô sẽ tiêu thụ 1.900 terawatt giờ thay vì 13 triệu thùng mỗi ngày như hiện nay, tương đương 8% nhu cầu điện, trong khi 70% lượng dầu sản xuất trên thế giới hiện nay được dùng để sản xuất nhiên liệu vận tải. . Tất nhiên, tại thời điểm này, triển vọng cho thị trường xe điện chạy bằng pin rõ ràng và ấn tượng hơn nhiều so với trường hợp của pin nhiên liệu hydro.

Năm 2017, thị trường xe điện trị giá 17,4 tỷ USD, trong khi thị trường xe chạy bằng hydro chỉ được định giá 2 tỷ USD. Bất chấp sự khác biệt này, các nhà đầu tư vẫn tiếp tục quan tâm đến năng lượng hydro và tài trợ cho những phát triển mới.

Do đó, vào năm 2017, Hội đồng Hydrogen đã được thành lập, bao gồm 39 nhà sản xuất ô tô lớn như Audi, BMW, Honda, Toyota, Daimler, GM, Hyundai. Mục đích của nó là nghiên cứu và phát triển các công nghệ hydro mới và sự phân phối rộng rãi sau đó của chúng.