Số điện thoại: 024 6683 9670
Đăng ký
Đăng nhập
![[Vietnamese]](/html/style/images/lang-vie.jpg){kind=small}
![[English]](/html/style/images/lang-eng.jpg){kind=small}
Pin nhiên liệu được sử dụng để cung cấp năng lượng cho xe chạy bằng pin nhiên liệu, bao gồm xe nâng, ô tô, xe buýt, xe lửa, thuyền, xe máy và tàu ngầm; làm nguồn điện chính và điện dự phòng cho các tòa nhà thương mại, công nghiệp và khu dân cư và ở các khu vực xa xôi hoặc không thể tiếp cận. Hãy cùng Vinlab tìm hiểu tại sao pin nhiên liệu lại được sử dụng nhiều lĩnh vực như thế nhé.
Pin nhiên liệu (tiếng Anh là fuel cell) là một tế bào điện hóa có chức năng chuyển đổi năng lượng hóa học của nhiên liệu (thường là hidro) và chất oxy hóa (thường là oxy) thành điện năng thông qua một cặp phản ứng oxy hóa khử.
Pin nhiên liệu khác với hầu hết các loại pin ở chỗ nó đòi hỏi nguồn nhiên liệu và oxy liên tục (thường là từ không khí) để duy trì phản ứng hóa học còn năng lượng hóa học thường đến từ các chất đã có trong pin. Pin nhiên liệu có thể sản xuất điện liên tục miễn là cung cấp đủ nhiên liệu và oxy.
Các pin nhiên liệu đầu tiên được phát minh bởi Sir William Grove vào năm 1838. Gần một thập kỷ sau đó, pin nhiên liệu mới được thương mại hóa sau khi Francis Thomas Bacon phát minh ra pin nhiên liệu hydro-oxy vào năm 1932. Pin nhiên liệu kiềm, còn được gọi là như pin nhiên liệu Bacon theo tên người phát minh ra nó, đã được sử dụng trong các chương trình không gian của NASA từ giữa những năm 1960 để tạo ra năng lượng cho các vệ tinh và viên nang không gian. Kể từ đó, pin nhiên liệu đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác.
Có rất nhiều loại pin nhiên liệu nhưng tất cả đều có những bộ phận như một cực dương, một cực âm và một chất điện phân cho phép các ion (thường là các ion hidro tích điện dương (proton), di chuyển giữa hai mặt của pin nhiên liệu).
Cực dương có một chất xúc tác làm cho nhiên liệu trải qua các phản ứng oxy hóa tạo ra các ion (thường là các ion hidro tích điện dương) và các electron. Các ion di chuyển từ cực dương sang cực âm qua bình điện phân. Đồng thời, dòng điện từ cực dương sang cực âm qua mạch ngoài sẽ tạo ra dòng điện một chiều. Tại cực âm, một chất xúc tác khác làm cho các ion, electron và oxy phản ứng, tạo thành nước hoặc có thể là các sản phẩm khác.
Pin nhiên liệu được phân loại theo loại chất điện phân mà chúng sử dụng và sự khác biệt về thời gian khởi động, từ 1 giây đối với pin nhiên liệu màng trao đổi proton (pin nhiên liệu PEM, hoặc PEMFC) đến 10 phút đối với pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC).
Một công nghệ liên quan là pin dòng chảy, trong đó nhiên liệu có thể được tái tạo bằng cách sạc lại. Các tế bào nhiên liệu riêng lẻ tạo ra điện thế tương đối nhỏ, khoảng 0,7 vôn. Do đó, các tế bào được "xếp chồng lên nhau" hoặc đặt nối tiếp, để tạo ra đủ điện áp đáp ứng yêu cầu của ứng dụng. Ngoài điện năng, pin nhiên liệu tạo ra hơi nước, nhiệt và một lượng rất nhỏ nitơ đioxít và các khí thải khác tùy thuộc vào nguồn nhiên liệu.
Hiệu suất năng lượng của pin nhiên liệu nói chung là từ 40 đến 60%; tuy nhiên, nếu nhiệt thải được thu giữ trong sơ đồ đồng phát, có thể đạt được hiệu suất lên đến 85%.
Các tài liệu tham khảo đầu tiên về pin nhiên liệu hydro xuất hiện vào năm 1838. Trong một bức thư ghi ngày tháng 10 năm 1838 nhưng được xuất bản trong ấn bản tháng 12 năm 1838 của Tạp chí Triết học London và Edinburgh và Tạp chí Khoa học, nhà vật lý và luật sư người xứ Wales, Sir William Grove đã viết về sự phát triển của chiếc pin nhiên liệu thô. Ông đã dùng hỗn hợp sắt tấm, đồng, đĩa sứ và dung dịch sunfat của đồng và axit loãng.
Trong một bức thư gửi cùng một ấn phẩm được viết vào tháng 12 năm 1838 nhưng được xuất bản vào tháng 6 năm 1839, nhà vật lý người Đức Christian Friedrich Schönbein đã thảo luận về pin nhiên liệu thô đầu tiên mà ông đã phát minh ra. Bức thư của ông thảo luận về dòng điện được tạo ra từ hidro và oxy hòa tan trong nước.
Grove sau đó đã phác thảo thiết kế của mình vào năm 1842 trên cùng một tạp chí. Pin nhiên liệu do ông chế tạo sử dụng các vật liệu tương tự như pin nhiên liệu axit photphoric ngày nay.
Năm 1932, Francis Thomas Bacon đã phát minh ra pin nhiên liệu có nguồn gốc từ hidro và oxy. Điều này đã được NASA sử dụng để cung cấp năng lượng cho đèn chiếu sáng, điều hòa không khí và thông tin liên lạc.
Năm 1932, kỹ sư người Anh Francis Thomas Bacon đã phát triển thành công pin nhiên liệu cố định 5 kW. Pin nhiên liệu kiềm (AFC), còn được gọi là pin nhiên liệu Bacon theo tên người phát minh ra nó, là một trong những công nghệ pin nhiên liệu phát triển nhất mà NASA đã sử dụng từ giữa những năm 1960.
Năm 1955, W. Thomas Grubb, một nhà hóa học làm việc cho General Electric Company (GE), đã sửa đổi thêm thiết kế pin nhiên liệu ban đầu bằng cách sử dụng màng trao đổi ion polystyrene sunfua làm chất điện phân. Ba năm sau, một nhà hóa học khác của GE, Leonard Niedrach, đã nghĩ ra cách lắng platin lên màng, dùng làm chất xúc tác cho các phản ứng oxy hóa hidro và khử oxy cần thiết. Điều này được gọi là "pin nhiên liệu Grubb-Niedrach". GE tiếp tục phát triển công nghệ này với NASA và McDonnell Aircraft, dẫn đến việc sử dụng nó trong Dự án Gemini. Đây là lần đầu tiên sử dụng pin nhiên liệu cho mục đích thương mại.
Năm 1959, một nhóm do Harry Ihrig dẫn đầu đã chế tạo một máy kéo pin nhiên liệu 15 kW cho Allis-Chalmers, đã được trình diễn trên khắp Hoa Kỳ tại các hội chợ cấp bang. Hệ thống này sử dụng kali hidroxit làm chất điện phân và hidro và oxy nén làm chất phản ứng.
Sau đó vào năm 1959, Bacon và các đồng nghiệp của ông đã chứng minh một đơn vị 5 kilowatt thực tế có khả năng cung cấp năng lượng cho một máy hàn. Vào những năm 1960, Pratt & Whitney đã cấp phép bằng sáng chế của Bacon cho Hoa Kỳ để sử dụng trong chương trình vũ trụ của Hoa Kỳ nhằm cung cấp điện và nước uống (hidro và oxy luôn có sẵn từ các bồn chứa của tàu vũ trụ).
Năm 1991, chiếc ô tô chạy bằng pin nhiên liệu hydro đầu tiên được phát triển bởi Roger E. Billings.
UTC Power là công ty đầu tiên sản xuất và thương mại hóa một hệ thống pin nhiên liệu cố định, lớn để sử dụng như một nhà máy điện đồng phát trong các bệnh viện, trường đại học và các tòa nhà văn phòng lớn.
Để ghi nhận ngành công nghiệp pin nhiên liệu và vai trò của Hoa Kỳ trong sự phát triển pin nhiên liệu, Thượng viện Hoa Kỳ đã công nhận ngày 8 tháng 10 năm 2015 là Ngày Tế bào Nhiên liệu và Hidrogen Quốc gia, thông qua S. RES 217. Ngày được chọn để công nhận trọng lượng nguyên tử của hidro (1,008).
Tế bào nhiên liệu có nhiều loại nhưng tất cả chúng đều hoạt động theo cùng một cách thức chung từ 3 bộ phận: cực dương, chất điện phân và cực âm. Hai phản ứng hóa học xảy ra ở mặt phân cách của ba bộ phận. Kết quả của hai phản ứng là nhiên liệu được tiêu thụ tạo ra nước hoặc carbon dioxide và một dòng điện được tạo ra, có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện, thường được gọi là tải.
Tại cực dương, một chất xúc tác sẽ oxy hóa nhiên liệu, thường là hidro, biến nhiên liệu thành một ion tích điện dương và một electron mang điện tích âm. Chất điện phân là một chất được thiết kế đặc biệt để các ion có thể đi qua nó, nhưng các electron thì không thể. Các electron được giải phóng đi qua một dây dẫn tạo ra dòng điện. Các ion đi qua bình điện phân đến catot. Khi đến cực âm, các ion được tái hợp với các electron và cả hai phản ứng với một chất hóa học thứ ba, thường là oxy, để tạo ra nước hoặc carbon dioxide.
Chất điện phân, thường xác định loại pin nhiên liệu và có thể được tạo ra từ một số chất như kali hidroxit, muối cacbonat và axit photphoric.
Một pin nhiên liệu hydro điển hình tạo ra điện áp từ 0,6 đến 0,7 V ở tải định mức đầy đủ. Điện áp giảm khi dòng điện tăng, do một số yếu tố:
Để cung cấp lượng năng lượng mong muốn, các pin nhiên liệu có thể được kết hợp nối tiếp để tạo ra điện áp cao hơn và song song để cho phép cung cấp dòng điện cao hơn. Thiết kế như vậy được gọi là ngăn xếp pin nhiên liệu. Diện tích bề mặt ô cũng có thể được tăng lên, để cho phép dòng điện cao hơn từ mỗi ô.
Trong thiết kế tế bào nhiên liệu màng trao đổi proton hidro-oxit nguyên mẫu (PEMFC), một màng polyme dẫn proton (thường là nafion) chứa dung dịch điện phân ngăn cách các bên cực dương và cực âm. Đây được gọi là pin nhiên liệu điện phân polyme rắn (SPEFC) vào đầu những năm 1970, trước khi cơ chế trao đổi proton được hiểu rõ. (Lưu ý rằng màng điện phân polyme từ đồng nghĩa và cơ chế trao đổi proton dẫn đến cùng một từ viết tắt.)
Ở phía anot, hidro khuếch tán đến chất xúc tác ở anot, nơi sau đó nó phân ly thành proton và electron. Các proton này thường phản ứng với các chất oxy hóa khiến chúng trở thành cái thường được gọi là màng proton đa điều kiện. Các proton được dẫn qua màng đến cực âm, nhưng các electron buộc phải di chuyển trong mạch ngoài (cung cấp năng lượng) vì màng có tính cách điện. Trên chất xúc tác catot, các phân tử oxy phản ứng với các electron (đã đi qua mạch bên ngoài) và proton để tạo thành nước.
Ngoài loại hidro tinh khiết này, ta còn có nhiên liệu hidrocacbon cho pin nhiên liệu, bao gồm diesel, metanol và hydrua hóa học. Các sản phẩm thải ra từ các loại nhiên liệu này là khí cacbonic và nước. Khi sử dụng hidro, CO2 được giải phóng khi metan từ khí tự nhiên kết hợp với hơi nước, trong một quá trình được gọi là cải tạo metan bằng hơi nước, để tạo ra hidro. Điều này có thể diễn ra ở một vị trí khác với pin nhiên liệu, có khả năng cho phép pin nhiên liệu hydro được sử dụng trong nhà.
Các thành phần khác nhau của PEMFC:
Các vật liệu được sử dụng cho các bộ phận khác nhau của pin nhiên liệu khác nhau theo loại. Các tấm lưỡng cực có thể được làm bằng các loại vật liệu khác nhau, chẳng hạn như kim loại, kim loại phủ, graphit, graphit dẻo, composite C – C, vật liệu tổng hợp cacbon – polyme… Cụm điện cực màng (MEA) được gọi là trung tâm của PEMFC và thường được làm bằng màng trao đổi proton kẹp giữa hai giấy carbon phủ chất xúc tác. Bạch kim hoặc loại kim loại quý tương tự thường được sử dụng làm chất xúc tác cho PEMFC và chúng có thể bị ô nhiễm bởi carbon monoxide, cần một nhiên liệu hidro tương đối tinh khiết. Chất điện phân có thể là một màng polyme.
2.3.1. Phí tổn
Vào năm 2013, Bộ Năng lượng ước tính rằng hệ thống pin nhiên liệu ô tô 80 kW có thể đạt được chi phí 67 đô la Mỹ mỗi kilowatt, với giả định có thể đạt sản lượng 100.000 chiếc ô tô mỗi năm và 55 đô la Mỹ cho mỗi kilowatt, với giả định sản lượng 500.000 chiếc mỗi năm.
Nhiều công ty đang nghiên cứu các kỹ thuật để giảm chi phí theo nhiều cách khác nhau bao gồm giảm lượng bạch kim cần thiết trong mỗi tế bào riêng lẻ. Ballard Power Systems đã thử nghiệm với một chất xúc tác được tăng cường bằng tơ carbon, cho phép giảm 30% (1,0-0,7 mg/cm2) trong việc sử dụng bạch kim mà không làm giảm hiệu suất. Đại học Monash, Melbourne sử dụng PEDOT làm cực âm.
Một nghiên cứu được công bố năm 2011 đã ghi lại chất xúc tác điện không chứa kim loại đầu tiên sử dụng ống nano carbon pha tạp tương đối rẻ tiền, chi phí thấp hơn 1% so với bạch kim và có hiệu suất tương đương hoặc vượt trội. Một bài báo được xuất bản gần đây đã chứng minh gánh nặng môi trường thay đổi như thế nào khi sử dụng ống nano cacbon làm chất nền cacbon cho bạch kim.
2.3.2. Quản lý nước và không khí (trong PEMFCs)
Trong loại pin nhiên liệu hydro, màng phải được hydrat hóa, đòi hỏi nước phải bay hơi chính xác với tốc độ mà nó được tạo ra. Nếu nước bay hơi quá nhanh, màng sẽ khô đi, điện trở xuyên qua nó tăng lên. Cuối cùng màng sẽ nứt, tạo ra một "mạch ngắn" khí nơi hidro và oxy kết hợp trực tiếp, tạo ra nhiệt làm hỏng pin nhiên liệu. Nếu nước bay hơi quá chậm, các điện cực sẽ bị ngập, cản trở chất phản ứng đến được chất xúc tác và làm phản ứng dừng lại. Các phương pháp quản lý nước trong tế bào đang được phát triển như máy bơm điện động tập trung vào việc kiểm soát dòng chảy. Cũng giống như động cơ đốt trong, một tỷ lệ ổn định giữa chất phản ứng và oxy là cần thiết để giữ cho pin nhiên liệu hoạt động hiệu quả.
2.3.3. Quản lý nhiệt độ
Nhiệt độ giống nhau phải được duy trì trong toàn bộ tế bào để ngăn chặn sự phá hủy tế bào do tải nhiệt. Điều này đặc biệt khó khăn vì phản ứng 2H2 + O2 → 2H2O tỏa nhiệt cao, do đó, một lượng lớn nhiệt được tạo ra trong pin nhiên liệu hydro.
2.3.4. Độ bền, tuổi thọ sử dụng và các yêu cầu đặc biệt đối với một số loại tế bào
Các ứng dụng pin nhiên liệu tĩnh thường yêu cầu hơn 40.000 giờ hoạt động đáng tin cậy ở nhiệt độ từ −35°C đến 40°C (−31°F đến 104°F), trong khi pin nhiên liệu ô tô yêu cầu tuổi thọ 5.000 giờ (tương đương với 240.000 km hoặc 150.000 dặm) dưới nhiệt độ khắc nghiệt.
Tuy nhiên tuổi thọ hiện tại chỉ là 2.500 giờ (khoảng 120.000 km hoặc 75.000 mi). Động cơ ô tô cũng phải có khả năng khởi động đáng tin cậy ở −30°C (−22°F) và có tỷ lệ công suất trên thể tích cao (thường là 2,5 kW/L).
2.3.5. Khả năng chịu carbon monoxide hạn chế của một số catot (không phải PEDOT)
Cấu tạo pin nhiên liệu hydro.
Pin nhiên liệu axit photphoric (PAFC) được thiết kế và giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1961 bởi GV Elmore và HA Tanner. Trong các tế bào này, axit photphoric được sử dụng như một chất điện phân không dẫn điện để truyền proton từ cực dương sang cực âm và buộc các electron đi từ cực dương sang cực âm thông qua một mạch điện bên ngoài.
Các tế bào này thường hoạt động ở nhiệt độ 150 đến 200°C. Nhiệt độ cao này sẽ gây nóng và thất thoát năng lượng nếu nhiệt không được loại bỏ và sử dụng đúng cách. Nhiệt này có thể được sử dụng để sản xuất hơi nước cho hệ thống điều hòa không khí hoặc bất kỳ hệ thống tiêu thụ nhiệt năng nào khác. Sử dụng nhiệt này trong quá trình đồng phát có thể nâng cao hiệu suất của pin nhiên liệu axit photphoric từ 40 đến 50% đến khoảng 80%.
Vì tốc độ tạo proton trên cực dương nhỏ, nên platin được sử dụng làm chất xúc tác để tăng tốc độ ion hóa này. Một nhược điểm chính của các tế bào này là sử dụng chất điện phân có tính axit. Điều này làm tăng sự ăn mòn hoặc oxy hóa của các thành phần tiếp xúc với axit photphoric.
Pin nhiên liệu oxit rắn (SAFCs) được đặc trưng bởi việc sử dụng vật liệu oxit rắn làm chất điện phân. Ở nhiệt độ thấp, oxit rắn có cấu trúc phân tử có trật tự giống như hầu hết các muối. Ở nhiệt độ ấm hơn (từ 140 đến 150°C đối với CsHSO4), một số oxit rắn trải qua quá trình chuyển pha để trở thành các cấu trúc "siêu proton" bị rối loạn cao, làm tăng độ dẫn điện lên một số bậc.
SAFC chứng minh khái niệm đầu tiên được phát triển vào năm 2000 bằng cách sử dụng cesium hidro sulfate (CsHSO4). Các hệ thống SAFC hiện tại sử dụng cesium dihidrogen phosphate (CsH2P 4) và đã chứng minh được tuổi thọ hàng nghìn giờ.
Pin nhiên liệu kiềm (AFC) hay pin nhiên liệu hydro-oxy được thiết kế và trình diễn lần đầu tiên bởi Francis Thomas Bacon vào năm 1959. Nó được sử dụng làm nguồn năng lượng điện chính trong chương trình không gian Apollo.
Tế bào nhiên liệu này bao gồm hai điện cực cacbon xốp được tẩm chất xúc tác thích hợp như Pt, Ag, CoO... Khoảng trống giữa hai điện cực chứa đầy dung dịch KOH hoặc NaOH đậm đặc, dùng như một chất điện phân. Khí H2 và khí O2 được sủi bọt vào chất điện phân thông qua các điện cực cacbon xốp.
Phản ứng tổng thể bao gồm sự kết hợp của khí hidro và khí oxy để tạo thành nước. Tế bào chạy liên tục cho đến khi nguồn cung cấp chất phản ứng cạn kiệt. Loại tế bào này hoạt động hiệu quả trong khoảng nhiệt độ 343–413 K và cung cấp điện thế khoảng 0,9 V.
Tế bào nhiên liệu màng trao đổi anion kiềm (AAEMFC) là một loại AFC sử dụng chất điện phân polyme rắn thay vì kali dạng nước. hidroxit (KOH) và nó tốt hơn AFC dạng nước.
3.4.1. Pin nhiên liệu oxit rắn
Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) sử dụng vật liệu rắn, phổ biến nhất là vật liệu gốm được gọi là zirconia ổn định yttria (YSZ), làm chất điện phân. Bởi vì SOFC được làm hoàn toàn bằng vật liệu rắn, chúng không bị giới hạn ở cấu hình mặt phẳng phẳng của các loại pin nhiên liệu khác và thường được thiết kế dưới dạng ống cuộn. Chúng yêu cầu nhiệt độ hoạt động cao (800–1000°C) và có thể chạy bằng nhiều loại nhiên liệu khác nhau kể cả khí tự nhiên.
SOFC là duy nhất vì các ion oxy mang điện tích âm đi từ cực âm (mặt dương của pin nhiên liệu) đến cực dương (mặt âm của pin nhiên liệu) thay vì các proton di chuyển ngược lại (tức là từ cực dương sang cực âm), như vậy trường hợp trong tất cả các loại pin nhiên liệu khác.
Khí oxy được đưa qua cực âm, nơi nó hấp thụ các electron để tạo ra các ion oxy. Các ion oxy sau đó đi qua chất điện phân để phản ứng với khí hidro ở cực dương. Phản ứng ở cực dương tạo ra điện và nước dưới dạng các sản phẩm phụ. Carbon dioxide cũng có thể là một sản phẩm phụ tùy thuộc vào nhiên liệu, nhưng lượng khí thải carbon từ hệ thống SOFC ít hơn so với khí thải từ nhà máy đốt nhiên liệu hóa thạch. Các phản ứng hóa học đối với hệ thống SOFC có thể được biểu diễn như sau:
Phản ứng ở cực dương: 2H2 + 2O2− → 2H2O + 4e -
Phản ứng catot: O2 + 4e - → 2O2−
Phản ứng tổng thể của tế bào: 2H2 + O2 → 2H2O
Hệ thống SOFC có thể chạy bằng nhiên liệu không phải là khí hidro tinh khiết. Tuy nhiên, vì hidro cần thiết cho các phản ứng được liệt kê ở trên, nên nhiên liệu được chọn phải chứa các nguyên tử hidro. Để pin nhiên liệu hoạt động, nhiên liệu phải được chuyển đổi thành khí hidro tinh khiết. SOFC có khả năng biến đổi bên trong các hidrocacbon nhẹ như metan (khí tự nhiên), propan và butan. Những tế bào nhiên liệu này đang ở giai đoạn phát triển ban đầu.
Những thách thức tồn tại trong hệ thống SOFC do nhiệt độ hoạt động cao của chúng. Một thách thức như vậy là khả năng bụi carbon tích tụ trên cực dương, điều này làm chậm quá trình diễn ra bên trong. Nghiên cứu để giải quyết vấn đề này tại Đại học Pennsylvania đã chỉ ra rằng việc sử dụng gốm kim loại (vật liệu chịu nhiệt làm bằng gốm và kim loại) có thể làm giảm quá trình luyện cốc và mất hiệu suất.
Một nhược điểm khác của hệ thống SOFC là thời gian khởi động lâu, làm cho các SOFC ít hữu ích hơn cho các ứng dụng di động. Bất chấp những nhược điểm này, nhiệt độ hoạt động cao mang lại lợi thế bằng cách loại bỏ nhu cầu về chất xúc tác kim loại quý như bạch kim, do đó giảm chi phí. Ngoài ra, nhiệt thải từ các hệ thống SOFC có thể được thu giữ và tái sử dụng, làm tăng hiệu suất tổng thể theo lý thuyết lên đến 80–85%.
Nhiệt độ hoạt động cao phần lớn là do các đặc tính vật lý của chất điện phân YSZ. Khi nhiệt độ giảm, độ dẫn ion của YSZ cũng vậy. Do đó, để có được hiệu suất tối ưu của pin nhiên liệu, cần phải có nhiệt độ hoạt động cao. Theo trang web của Ceres Power, một nhà sản xuất pin nhiên liệu SOFC của Anh, đã phát triển một phương pháp giảm nhiệt độ hoạt động của hệ thống SOFC của họ xuống 500–600 độ C. Họ đã thay thế chất điện phân YSZ thường được sử dụng bằng chất điện phân CGO (xeri gadolinium oxit). Nhiệt độ hoạt động thấp hơn cho phép họ sử dụng thép không gỉ thay vì gốm làm nền tế bào, giúp giảm chi phí và thời gian khởi động của hệ thống.
3.4.2. Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy
Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC) yêu cầu nhiệt độ hoạt động cao, 650°C (1.200°F), tương tự như SOFC. MCFCs sử dụng muối lithium kali cacbonat làm chất điện phân và muối này hóa lỏng ở nhiệt độ cao, cho phép chuyển động điện tích trong tế bào - trong trường hợp này là các ion cacbonat âm.
MCFC có khả năng giống với SOFC, chuyển đổi nhiên liệu hóa thạch thành khí giàu hidro ở cực dương, loại bỏ nhu cầu sản xuất hidro từ bên ngoài. Quá trình cải cách tạo ra khí thải CO2.
Nhiên liệu tương thích với MCFC bao gồm khí đốt tự nhiên, khí sinh học và khí đốt được sản xuất từ than đá. Hidro trong khí phản ứng với các ion cacbonat từ chất điện phân để tạo ra nước, carbon dioxide, electron và một lượng nhỏ các chất hóa học khác. Các electron di chuyển qua mạch ngoài tạo ra điện và quay trở lại catot. Ở đó, oxy từ không khí và carbon dioxide được tái chế từ cực dương phản ứng với các electron để tạo thành các ion cacbonat bổ sung chất điện phân, hoàn thành mạch. Các phản ứng hóa học đối với hệ thống MCFC có thể được biểu diễn như sau:
Phản ứng ở cực dương: CO32− + H2 → H2O + CO2 + 2e -
Phản ứng catot: CO2 + ½O2 + 2e- → CO32−
Phản ứng tổng thể của tế bào: H2 + ½O2 → H2O
Như với SOFC, nhược điểm của MCFC bao gồm thời gian khởi động chậm vì nhiệt độ hoạt động cao. Điều này làm cho hệ thống MCFC không phù hợp với các ứng dụng di động và công nghệ này rất có thể sẽ được sử dụng cho mục đích pin nhiên liệu tĩnh.
Thách thức chính của công nghệ MCFC là tuổi thọ ngắn của tế bào. Nhiệt độ cao và chất điện phân cacbonat dẫn đến ăn mòn cực dương và cực âm. Những yếu tố này đẩy nhanh sự xuống cấp của các thành phần MCFC, làm giảm độ bền và tuổi thọ của tế bào. Các nhà nghiên cứu đang giải quyết vấn đề này bằng cách khám phá các vật liệu chống ăn mòn cho các thành phần cũng như thiết kế pin nhiên liệu có thể tăng tuổi thọ của pin mà không làm giảm hiệu suất.
MCFC có một số lợi thế so với các công nghệ pin nhiên liệu khác, bao gồm khả năng chống lại tạp chất. Chúng không dễ bị "kết dính carbon", tức là sự tích tụ carbon trên cực dương dẫn đến giảm hiệu suất do làm chậm quá trình cải tạo nhiên liệu bên trong.
Các nhiên liệu giàu carbon như khí đốt từ than đều tương thích với hệ thống. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ tuyên bố rằng bản thân than đá thậm chí có thể là một lựa chọn nhiên liệu trong tương lai, giả sử rằng hệ thống này có thể được chế tạo để chống lại các tạp chất như lưu huỳnh và các hạt do chuyển hóa than thành hidro.
MCFC cũng có hiệu suất tương đối cao. Chúng có thể đạt hiệu suất từ nhiên liệu thành điện là 50%, cao hơn đáng kể so với hiệu suất 37–42% của nhà máy pin nhiên liệu axit photphoric. Hiệu suất có thể cao tới 65% khi pin nhiên liệu được ghép nối với tuabin và 85% nếu nhiệt được thu nhận và sử dụng trong hệ thống kết hợp nhiệt và điện (CHP).
FuelCell Energy, một nhà sản xuất pin nhiên liệu có trụ sở tại Connecticut, phát triển và bán pin nhiên liệu MCFC. Công ty cho biết các sản phẩm MCFC của họ có hệ thống từ 300 kW đến 2,8 MW đạt hiệu suất điện 47% và có thể sử dụng công nghệ CHP để đạt được hiệu suất tổng thể cao hơn. Một sản phẩm, DFC-ERG, được kết hợp với tuabin khí và theo công ty, nó đạt hiệu suất điện 65%.
3.4.3. Pin nhiên liệu lưu trữ điện
Pin nhiên liệu lưu trữ điện là một loại pin thông thường được sạc bằng nguồn điện đầu vào, sử dụng hiệu ứng điện hóa thông thường. Tuy nhiên, pin còn bao gồm các đầu vào hidro (và oxy) để sạc pin theo cách khác. [55]
3.4.4. So sánh các loại pin nhiên liệu
|
Tên tế bào nhiên liệu |
Chất điện giải |
Công suất đủ tiêu chuẩn (W) |
Nhiệt độ làm việc (° C) |
Hiệu quả |
Trạng thái |
Chi phí (USD / W) |
|
|
Tế bào |
Hệ thống |
||||||
|
Pin nhiên liệu hydrua kim loại |
Dung dịch kiềm |
> −20 (đỉnh |
Thương mại / Nghiên cứu |
||||
|
Pin nhiên liệu điện-galvanic |
Dung dịch kiềm |
<40 |
Thương mại / Nghiên cứu |
||||
|
Pin nhiên liệu axit formic trực tiếp (DFAFC) |
Màng polyme (ionomer) |
<50 W |
<40 |
Thương mại / Nghiên cứu |
|||
|
Pin kẽm-không khí |
Dung dịch kiềm |
<40 |
Sản xuất hàng loạt |
||||
|
Pin nhiên liệu vi sinh |
Màng polyme hoặc axit humic |
<40 |
Nghiên cứu |
||||
|
Pin nhiên liệu vi sinh ngược dòng (UMFC) |
<40 |
Nghiên cứu |
|||||
|
Pin nhiên liệu tái sinh |
Màng polyme (ionomer) |
<50 |
Thương mại / Nghiên cứu |
||||
|
Pin nhiên liệu borohydride trực tiếp |
Dung dịch kiềm |
70 |
Quảng cáo |
||||
|
Pin nhiên liệu kiềm |
Dung dịch kiềm |
10–200 kw |
<80 |
60–70% |
62% |
Thương mại / Nghiên cứu |
|
|
Pin nhiên liệu methanol trực tiếp |
Màng polyme (ionomer) |
100 mW - 1 kW |
90–120 |
20–30% |
10–25% |
Thương mại / Nghiên cứu |
125 |
|
Pin nhiên liệu methanol cải tiến |
Màng polyme (ionomer) |
5 W - 100 kw |
250–300 (bộ cải cách) |
50–60% |
25–40% |
Thương mại / Nghiên cứu |
|
|
Pin nhiên liệu ethanol trực tiếp |
Màng polyme (ionomer) |
<140 mW / cm² |
> 25 |
Nghiên cứu |
|||
|
Tế bào nhiên liệu màng trao đổi proton |
Màng polyme (ionomer) |
1 W - 500 kw |
50–100 (Nafion) |
50–70% |
30–50% |
Thương mại / Nghiên cứu |
50–100 |
|
Pin nhiên liệu oxy hóa khử (RFC) |
Chất điện phân lỏng với con thoi oxy hóa khử và màng polyme (ionomer) |
1 kW - 10 MW |
Nghiên cứu |
||||
|
Pin nhiên liệu axit photphoric |
Axit photphoric nóng chảy (H3PO4) |
<10 MW |
150–200 |
55% |
40% |
Thương mại / Nghiên cứu |
4,00–4,50 |
|
Pin nhiên liệu oxit rắn |
Muối oxyanion dẫn H+ (axit đặc) |
10 W - 1 kW |
200–300 |
55–60% |
40–45% |
Thương mại / Nghiên cứu |
|
|
Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy |
Cacbonat kiềm nóng chảy |
100 MW |
600–650 |
55% |
45–55% |
Thương mại / Nghiên cứu |
|
|
Pin nhiên liệu oxit rắn hình ống (TSOFC) |
O2−- oxit gốm dẫn điện |
<100 MW |
850–1100 |
60–65% |
55–60% |
Thương mại / Nghiên cứu |
|
|
Pin nhiên liệu gốm protonic |
H+ -oxit gốm dẫn điện |
700 |
Nghiên cứu |
||||
|
Pin nhiên liệu carbon trực tiếp |
Một số khác nhau |
700–850 |
80% |
70% |
Thương mại / Nghiên cứu |
||
|
Pin nhiên liệu oxit rắn phẳng |
O 2−- oxit gốm dẫn điện |
<100 MW |
500–1100 |
60–65% |
55–60% |
Thương mại / Nghiên cứu |
|
|
Tế bào nhiên liệu sinh học enzyme |
Bất kỳ điều gì sẽ không làm biến tính enzym |
<40 |
Nghiên cứu |
||||
|
Pin nhiên liệu không khí magie |
Nước muối |
−20 đến 55 |
90% |
Thương mại / Nghiên cứu |
|||
Bảng chú giải thuật ngữ:
Hiệu suất năng lượng của hệ thống hoặc thiết bị chuyển đổi năng lượng được đo bằng tỷ số giữa năng lượng hữu ích mà hệ thống đưa ra (năng lượng đầu ra) với tổng năng lượng đưa vào (năng lượng đầu vào) hoặc bằng năng lượng đầu ra hữu ích theo tỷ lệ phần trăm của tổng năng lượng đầu vào.
Trong trường hợp pin nhiên liệu hydro, năng lượng đầu ra hữu ích được đo bằng năng lượng điện do hệ thống tạo ra. Năng lượng đầu vào là năng lượng dự trữ trong nhiên liệu. Theo Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, pin nhiên liệu thường tiết kiệm năng lượng từ 40 đến 60%. Đây là mức cao hơn so với một số hệ thống khác để tạo ra năng lượng.
Ví dụ, động cơ đốt trong điển hình của ô tô tiết kiệm năng lượng khoảng 25%. Nhà máy điện hơi nước thường đạt hiệu suất từ 30 - 40% trong khi các nhà máy tuabin khí chu trình hỗn hợp và các nhà máy hơi nước có thể đạt hiệu suất cao tới 60%. Trong hệ thống nhiệt và điện kết hợp (CHP), nhiệt thải được tạo ra bởi chu trình năng lượng sơ cấp - cho dù pin nhiên liệu, phân hạch hạt nhân hay đốt cháy - được thu giữ và đưa vào sử dụng, làm tăng hiệu suất của hệ thống lên đến 85 –90%.
Hiệu suất tối đa về lý thuyết của bất kỳ loại hệ thống phát điện nào trong thực tế không bao giờ đạt được và nó không tính đến các bước khác trong sản xuất điện, chẳng hạn như sản xuất, vận chuyển và dự trữ nhiên liệu và chuyển đổi điện năng thành cơ năng. Tuy nhiên, tính toán này cho phép so sánh các loại phát điện khác nhau. Hiệu suất tối đa lý thuyết của pin nhiên liệu là 100%, trong khi hiệu suất tối đa lý thuyết của động cơ đốt trong là khoảng 58%.
Trong xe chạy pin nhiên liệu hydro, hiệu suất từ bình đến bánh lớn hơn 45% ở tải thấp và cho thấy giá trị trung bình khoảng 36% khi một chu trình lái xe như NEDC (Chu trình lái xe châu Âu mới) được sử dụng làm quy trình thử nghiệm. Giá trị NEDC có thể so sánh được đối với xe Diesel là 22%. Vào năm 2008, Honda đã phát hành một chiếc xe điện chạy bằng pin nhiên liệu trình diễn (Honda FCX Clarity) với ngăn chứa nhiên liệu đạt hiệu suất 60% từ bình tới bánh.
Điều quan trọng nữa là phải tính đến những tổn thất do sản xuất, vận chuyển và lưu trữ nhiên liệu. Xe chạy pin nhiên liệu chạy bằng hidro nén có thể có hiệu suất từ máy đến bánh xe là 22% nếu hidro được lưu trữ dưới dạng khí áp suất cao và 17% nếu được lưu trữ dưới dạng hidro lỏng.
Tế bào nhiên liệu không thể lưu trữ năng lượng như pin, nhưng trong một số ứng dụng như các nhà máy điện độc lập dựa trên các nguồn không liên tục như năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió, chúng được kết hợp với các bộ điện phân và các hệ thống lưu trữ để tạo thành một hệ thống lưu trữ năng lượng.
Tính đến năm 2019, 90% hidro được sử dụng cho quá trình lọc dầu, hóa chất và sản xuất phân bón (nơi cần hidro cho quy trình Haber-Bosch) và 98% hidro được sản xuất bằng quá trình cải cách metan bằng hơi nước, phát thải khí carbon dioxide. Hiệu suất tổng thể (điện thành hidro và trở lại thành điện) của các nhà máy như vậy (được gọi là hiệu suất khứ hồi), sử dụng hidro tinh khiết và oxy tinh khiết có thể là "từ 35 đến 50%", tùy thuộc vào mật độ khí và các các điều kiện. Hệ thống điện phân/pin nhiên liệu có thể lưu trữ lượng hidro vô hạn, và do đó thích hợp để lưu trữ lâu dài.
Pin nhiên liệu oxit rắn tạo ra nhiệt từ sự tái kết hợp oxy và hidro. Gốm có thể nóng đến 800 độ C. Nhiệt này có thể được thu lại và sử dụng để làm nóng nước trong một ứng dụng kết hợp vi mô giữa nhiệt và điện (m-CHP). Khi nhiệt được thu lại, tổng hiệu suất có thể đạt 80–90% tại tổ máy, nhưng không tính đến tổn thất sản xuất và phân phối. Các đơn vị CHP đang được phát triển ngày nay cho thị trường gia đình Châu Âu.
Giáo sư Jeremy P. Meyers, trong tạp chí Interface của Hiệp hội Điện hóa vào năm 2008 đã viết: "Mặc dù pin nhiên liệu hiệu quả hơn so với động cơ đốt trong, nhưng chúng không hiệu quả bằng pin, chủ yếu là do phản ứng khử oxy không hiệu quả (phản ứng tiến hóa oxy, nếu hidro được hình thành bởi điện phân nước). Việc này có ý nghĩa quan trọng đối với hoạt động ngắt kết nối với lưới điện hoặc khi nhiên liệu có thể được cung cấp liên tục. Yêu cầu trong không gian kín như nhà kho và nơi hidro được coi là chất phản ứng có thể được chấp nhận, pin nhiên liệu PEM đang ngày càng trở thành một lựa chọn hấp dẫn nếu việc trao đổi pin không thuận tiện".
Vào năm 2013, các tổ chức quân sự đã đánh giá pin nhiên liệu để xác định xem chúng có thể giảm đáng kể trọng lượng pin mà binh sĩ mang theo hay không.
Pin nhiên liệu tĩnh được sử dụng để phát điện chính và dự phòng cho thương mại, công nghiệp và dân dụng. Pin nhiên liệu rất hữu ích làm nguồn năng lượng ở các địa điểm xa xôi, chẳng hạn như tàu vũ trụ, trạm thời tiết ở xa, công viên lớn, trung tâm thông tin liên lạc, các địa điểm nông thôn bao gồm các trạm nghiên cứu và trong một số ứng dụng quân sự nhất định.
Hệ thống pin nhiên liệu chạy bằng hidro có thể nhỏ gọn và nhẹ và không có bộ phận chuyển động chính. Bởi vì pin nhiên liệu không có bộ phận chuyển động và không liên quan đến quá trình đốt cháy, trong điều kiện lý tưởng, chúng có thể đạt được độ tin cậy lên tới 99,9999%. Điều này tương đương với thời gian ngừng hoạt động ít hơn một phút trong khoảng thời gian sáu năm.
Vì hệ thống điện phân pin nhiên liệu không tự tích trữ nhiên liệu mà dựa vào các bộ lưu trữ bên ngoài, chúng có thể được áp dụng thành công trong việc lưu trữ năng lượng quy mô lớn, các vùng nông thôn là một ví dụ. Có nhiều loại pin nhiên liệu tĩnh khác nhau nên hiệu suất cũng khác nhau, nhưng hầu hết đều tiết kiệm năng lượng từ 40% đến 60%.
Tuy nhiên, khi nhiệt thải của pin nhiên liệu được sử dụng để sưởi ấm một tòa nhà trong hệ thống đồng phát, hiệu suất này có thể tăng lên 85%. Điều này hiệu quả hơn đáng kể so với các nhà máy điện than truyền thống, chỉ tiết kiệm năng lượng khoảng một phần ba.
Giả sử sản xuất ở quy mô lớn, pin nhiên liệu có thể tiết kiệm 20–40% chi phí năng lượng khi được sử dụng trong hệ thống đồng phát. Pin nhiên liệu cũng sạch hơn nhiều so với phát điện truyền thống; một nhà máy điện pin nhiên liệu sử dụng khí tự nhiên làm nguồn hidro sẽ tạo ra ít hơn một ounce ô nhiễm (trừ CO2) cho mỗi 1.000 kW/h được tạo ra, so với 25 pound chất ô nhiễm do các hệ thống đốt thông thường tạo ra. Fuel Cells cũng tạo ra lượng khí thải nitơ oxit ít hơn 97% so với các nhà máy nhiệt điện than thông thường.
Một chương trình thử nghiệm như vậy đang hoạt động trên Đảo Stuart ở Bang Washington. Ở đó, Sáng kiến Năng lượng Đảo Stuart đã xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh, khép kín: Các tấm pin mặt trời cung cấp năng lượng cho một máy điện phân tạo ra hidro. Hidro được lưu trữ trong bồn chứa 500 US-gallon (1.900 L) ở 200 pound/inch vuông (1.400 kPa) và chạy pin nhiên liệu BelieOn để cung cấp nguồn điện hoàn toàn dự phòng cho nơi cư trú ngoài lưới điện. Một vòng lặp hệ thống khép kín khác đã được công bố vào cuối năm 2011 tại Hempstead, NY.
Pin nhiên liệu có thể được sử dụng với khí chất lượng thấp từ các bãi chôn lấp hoặc nhà máy xử lý nước thải để tạo ra điện và giảm phát thải khí mê-tan. Một nhà máy pin nhiên liệu 2,8 MW ở California được cho là lớn nhất trong loại này. Pin nhiên liệu quy mô nhỏ (dưới 5kWhr) đang được phát triển để sử dụng trong việc triển khai ngoài lưới điện trong khu dân cư.
Hệ thống pin nhiên liệu kết hợp nhiệt và điện (CHP), bao gồm hệ thống nhiệt và điện kết hợp vi mô (MicroCHP) được sử dụng để tạo ra cả điện và nhiệt cho gia đình (xem pin nhiên liệu gia đình), tòa nhà văn phòng và nhà máy. Hệ thống tạo ra công suất điện không đổi (bán điện năng dư thừa trở lại lưới điện khi nó không được tiêu thụ), đồng thời tạo ra không khí nóng và nước từ nhiệt thải.
Kết quả là các hệ thống CHP có tiềm năng tiết kiệm năng lượng sơ cấp vì chúng có thể tận dụng nhiệt thải vốn thường bị các hệ thống chuyển đổi nhiệt năng loại bỏ. Phạm vi công suất điển hình của pin nhiên liệu gia đình là 1–3 kW el, 4–8 kW th. Hệ thống CHP liên kết với thiết bị làm lạnh hấp thụ sử dụng nhiệt thải của chúng để làm lạnh.
Nhiệt thải từ pin nhiên liệu có thể được chuyển hướng vào mùa hè trực tiếp vào lòng đất để làm mát thêm trong khi nhiệt thải trong mùa đông có thể được bơm trực tiếp vào tòa nhà. Đại học Minnesota sở hữu bản quyền bằng sáng chế đối với loại hệ thống này.
Hệ thống đồng phát có thể đạt hiệu suất 85% (40-60% điện và phần còn lại là nhiệt). Pin nhiên liệu axit photphoric (PAFC) bao gồm phân khúc lớn nhất của các sản phẩm CHP hiện có trên toàn thế giới và có thể cung cấp hiệu suất kết hợp gần 90%. Cacbonat nóng chảy (MCFC) và pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) cũng được sử dụng để phát nhiệt và phát điện kết hợp và có hiệu suất năng lượng điện khoảng 60%. Nhược điểm của hệ thống đồng phát bao gồm tốc độ lên xuống chậm, chi phí cao và thời gian tồn tại ngắn.
Ngoài ra, nhu cầu của họ phải có một bể chứa nước nóng để làm trơn tru quá trình sản sinh nhiệt là một bất lợi nghiêm trọng ở thị trường nội địa, nơi mà không gian trong các tài sản trong nước là rất cao.
Các chuyên gia tư vấn của Delta-ee cho biết vào năm 2013 rằng với 64% doanh số toàn cầu, nhiệt và điện kết hợp vi tế bào nhiên liệu đã vượt qua các hệ thống thông thường trong bán hàng vào năm 2012. Dự án ENE FARM của Nhật Bản cho biết 34.213 PEMFC và 2.224 SOFC đã được lắp đặt trong giai đoạn 2012–2014, 30.000 đơn vị LNG và 6.000 đơn vị LPG.
5.3.1. Pin nhiên liệu trên ô tô
Đến cuối năm 2019, khoảng 18.000 FCEV đã được cho thuê hoặc bán trên toàn thế giới. Ba mẫu xe điện chạy bằng pin nhiên liệu đã được giới thiệu để cho thuê và bán thương mại: Honda Clarity, Toyota Mirai và Hyundai ix35 FCEV. Các mô hình trình diễn bổ sung bao gồm Honda FCX Clarity và Mercedes-Benz F-Cell.
Tính đến tháng 6 năm 2011, FCEV trình diễn đã chạy hơn 4.800.000 km (3.000.000 dặm), với hơn 27.000 lần tiếp nhiên liệu. Xe điện chạy bằng pin nhiên liệu có phạm vi hoạt động trung bình là 505 km (314 mi) giữa các lần tiếp nhiên liệu. Chúng có thể được tiếp nhiên liệu trong vòng chưa đầy 5 phút. Chương trình Công nghệ Tế bào Nhiên liệu của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ tuyên bố rằng, tính đến năm 2011, pin nhiên liệu trên ô tô đạt hiệu suất 53–59% ở mức một phần tư công suất và 42–53% hiệu suất của xe ở mức toàn bộ công suất và độ bền của trên 120.000 km (75.000 mi) với độ xuống cấp dưới 10%.
Trong một phân tích mô phỏng Well-to-Wheels năm 2017 "không giải quyết được các hạn chế về kinh tế và thị trường", General Motors và các đối tác đã ước tính rằng, đối với một hành trình tương đương, một chiếc xe điện pin nhiên liệu chạy bằng khí hidro khí nén được sản xuất từ khí tự nhiên có thể sử dụng năng lượng ít hơn khoảng 40% và thải ra ít khí nhà kính hơn 45% so với phương tiện đốt trong.
Vào năm 2015, Toyota đã giới thiệu chiếc xe chạy pin nhiên liệu đầu tiên của mình, Mirai, với mức giá 57.000 USD. Hyundai giới thiệu chiếc Hyundai ix35 FCEV sản xuất giới hạn theo hợp đồng cho thuê. Năm 2016, Honda bắt đầu cho thuê Honda Clarity Fuel Cell. Năm 2020, Toyota giới thiệu thế hệ thứ hai của thương hiệu Mirai, cải thiện hiệu suất nhiên liệu và mở rộng phạm vi so với mẫu Sedan 2014 ban đầu.
5.3.2. Phê bình về việc ứng dụng pin nhiên liệu
Một số nhà bình luận tin rằng ô tô chạy bằng pin nhiên liệu hydro sẽ không bao giờ trở nên cạnh tranh về mặt kinh tế với các công nghệ khác hoặc sẽ mất nhiều thập kỷ để chúng có lợi nhuận. Elon Musk, Giám đốc điều hành của nhà sản xuất xe điện chạy bằng pin Tesla Motors, đã tuyên bố vào năm 2015 rằng pin nhiên liệu sử dụng cho ô tô sẽ không bao giờ có giá trị thương mại vì sự kém hiệu quả của việc sản xuất, vận chuyển và lưu trữ hidro và tính dễ cháy của khí đốt, trong số các lý do khác.
Vào năm 2012, Lux Research, Inc. đã đưa ra một báo cáo có nội dung: "Giấc mơ về nền kinh tế hidro... không còn gần nữa". Nó kết luận rằng "Chi phí vốn... sẽ giới hạn việc áp dụng xuống chỉ 5,9 GW" vào năm 2030, cung cấp "một rào cản gần như không thể vượt qua đối với việc áp dụng, ngoại trừ trong các ứng dụng thích hợp". Phân tích kết luận rằng, vào năm 2030, thị trường văn phòng phẩm PEM sẽ đạt 1 tỷ đô la, trong khi thị trường xe cộ, bao gồm cả xe nâng, sẽ đạt tổng cộng 2 tỷ đô la. Các phân tích khác cho rằng việc thiếu cơ sở hạ tầng hidro rộng rãi ở Hoa Kỳ là một thách thức liên tục đối với việc thương mại hóa Xe chạy bằng pin nhiên liệu.
Năm 2014, Joseph Romm, tác giả của The Hype About Hidrogen (2005), nói rằng các FCV vẫn chưa khắc phục được chi phí nhiên liệu cao, thiếu cơ sở hạ tầng cung cấp nhiên liệu và ô nhiễm do sản xuất hidro. "Sẽ cần một vài phép màu để khắc phục tất cả những vấn đề đó đồng thời trong những thập kỷ tới." Ông kết luận rằng năng lượng tái tạo không thể được sử dụng một cách kinh tế để sản xuất hidro cho một đội tàu FCV "hiện tại hoặc trong tương lai." Nhà phân tích của Greentech Media cũng đưa ra kết luận tương tự vào năm 2014.
Năm 2015, Clean Technica đã liệt kê một số nhược điểm của xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro. Car Throttle cũng vậy. Một video năm 2019 của Real Engineering lưu ý rằng, mặc dù sự ra đời của các phương tiện chạy bằng hidro, việc sử dụng hidro làm nhiên liệu cho ô tô không giúp giảm lượng khí thải carbon từ giao thông vận tải.
95% hidro vẫn được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch giải phóng carbon dioxide và sản xuất hidro từ nước là một quá trình tiêu tốn năng lượng. Việc lưu trữ hidro cần nhiều năng lượng hơn để làm nguội nó xuống trạng thái lỏng hoặc đưa vào các thùng chứa dưới áp suất cao và việc cung cấp hidro đến các trạm tiếp nhiên liệu đòi hỏi nhiều năng lượng hơn và có thể giải phóng nhiều carbon hơn. Hidro cần thiết để di chuyển một FCV một km tốn xấp xỉ 8 lần điện năng cần thiết để di chuyển một BEV trong cùng một quãng đường.
Một đánh giá năm 2020 kết luận rằng các phương tiện chạy bằng hidro vẫn chỉ đạt hiệu suất 38%, trong khi xe điện chạy bằng pin có hiệu suất 80%. Vào năm 2021, CleanTechnica kết luận rằng trong khi ô tô chạy bằng hidro kém hiệu quả hơn nhiều so với ô tô điện, phần lớn lượng hidro được sản xuất là gây ô nhiễm hidro màu xám và việc cung cấp hidro sẽ đòi hỏi phải xây dựng một cơ sở hạ tầng mới rộng lớn và đắt tiền, hai "lợi thế còn lại của xe chạy bằng pin nhiên liệu - phạm vi hoạt động xa hơn và thời gian tiếp nhiên liệu nhanh - đang nhanh chóng bị xói mòn do cải tiến công nghệ sạc và pin. " Một nghiên cứu năm 2022 trên tạp chí Nature Electronics.
5.3.3. Xe Buýt điện
Tính đến tháng 8 năm 2011, đã có khoảng 100 xe buýt chạy bằng pin nhiên liệu trên khắp thế giới. Hầu hết trong số này được sản xuất bởi UTC Power, Toyota, Ballard, Hidrogenics và Proton Motor. Xe buýt UTC đã chạy hơn 970.000 km (600.000 dặm) vào năm 2011. Xe buýt chạy bằng pin nhiên liệu có mức tiết kiệm nhiên liệu cao hơn từ 39% đến 141% so với xe buýt chạy bằng diesel và xe buýt chạy bằng khí tự nhiên.
Tính đến năm 2019, NREL đang đánh giá một số dự án xe buýt chạy pin nhiên liệu hiện tại và đã được lên kế hoạch ở Hoa Kỳ.
5.3.4. Tàu điện
Vào năm 2018, các chuyến tàu chạy bằng pin nhiên liệu đầu tiên, Alstom Coradia iLint nhiều đơn vị, đã bắt đầu chạy trên tuyến Buxtehude – Bremervörde – Bremerhaven – Cuxhaven ở Đức. Các đoàn tàu này mang lại lợi thế của tàu điện so với đầu máy Diesel và DMU trong việc loại bỏ khói thải từ chính các đoàn tàu mà không cần sử dụng điện khí hóa bởi cơ sở hạ tầng phục vụ trên cao. Những chuyến tàu như vậy đã được đặt hàng hoặc đang được thử nghiệm ở Thụy Điển và Vương quốc Anh.
5.3.5. Xe tải
Vào tháng 12 năm 2020, Toyota và Hino Motors cùng với Seven-Eleven (Nhật Bản), FamilyMart và Lawson thông báo rằng họ đã đồng ý cùng nhau xem xét giới thiệu xe tải điện chạy bằng pin nhiên liệu hạng nhẹ (FCETs hạng nhẹ). Lawson bắt đầu thử nghiệm giao hàng ở nhiệt độ thấp vào cuối tháng 7 năm 2021 tại Tokyo, sử dụng Hino Dutro trong đó lắp pin nhiên liệu Toyota Mirai. FamilyMart bắt đầu thử nghiệm tại thành phố Okazaki.
Vào tháng 8 năm 2021, Toyota công bố kế hoạch sản xuất mô-đun pin nhiên liệu tại nhà máy lắp ráp ô tô Kentucky để sử dụng cho các giàn khoan lớn và xe thương mại hạng nặng không phát thải. Họ dự định bắt đầu lắp ráp các thiết bị điện hóa vào năm 2023.
Vào tháng 10 năm 2021, xe tải chạy bằng pin nhiên liệu của Daimler Truck đã nhận được sự chấp thuận của chính quyền Đức để sử dụng trên đường công cộng.
5.3.6. Xe nâng hàng
Xe nâng dùng pin nhiên liệu (hay còn gọi là xe nâng dùng pin nhiên liệu) là một loại xe nâng công nghiệp chạy bằng pin nhiên liệu dùng để nâng và vận chuyển vật liệu. Trong năm 2013, có hơn 4.000 xe nâng pin nhiên liệu được sử dụng để xử lý vật liệu ở Hoa Kỳ, trong đó 500 xe nhận tài trợ từ DOE (2012).
Các đội pin nhiên liệu được điều hành bởi nhiều công ty khác nhau, bao gồm Sysco Foods, FedEx Freight, GENCO (tại Wegmans, Coca-Cola, Kimberly Clark và Whole Foods) và HEB Groders. Châu Âu đã trình diễn 30 xe nâng pin nhiên liệu với Hylift và mở rộng nó với HyLIFT-EUROPE lên 200 chiếc với các dự án khác ở Pháp và Áo. Pike Research đã dự đoán vào năm 2011 rằng xe nâng chạy bằng pin nhiên liệu sẽ là động lực thúc đẩy nhu cầu nhiên liệu hidro lớn nhất vào năm 2020.
Hầu hết các công ty ở châu Âu và Mỹ không sử dụng xe nâng chạy bằng xăng dầu, vì những loại xe này làm việc trong nhà, nơi phải kiểm soát khí thải và thay vào đó sử dụng xe nâng điện. Xe nâng chạy bằng pin nhiên liệu có thể mang lại lợi ích hơn xe nâng chạy bằng pin vì chúng có thể được tiếp nhiên liệu trong 3 phút và chúng có thể được sử dụng trong kho lạnh, nơi hiệu suất của chúng không bị suy giảm do nhiệt độ thấp hơn. Các đơn vị FC thường được thiết kế để thay thế thả.
5.3.7. Xe máy và xe đạp
Năm 2005, một nhà sản xuất pin nhiên liệu chạy bằng hidro của Anh, Intelligent Energy (IE), đã sản xuất chiếc xe máy chạy bằng hidro đầu tiên có tên là ENV (Emission Neutral Vehicle). Xe máy chứa đủ nhiên liệu để chạy trong bốn giờ và đi được 160 km (100 dặm) trong khu vực đô thị, với tốc độ tối đa là 80 km/h (50 dặm/giờ). Năm 2004, Honda đã phát triển một chiếc xe máy chạy pin nhiên liệu sử dụng Honda FC Stack.
Các ví dụ khác về xe máy và xe đạp sử dụng pin nhiên liệu hydro bao gồm xe tay ga của công ty Đài Loan APFCT sử dụng hệ thống nhiên liệu từ Acta SpA của Ý và xe tay ga Suzuki Burgman với pin nhiên liệu IE đã được EU Phê duyệt Toàn bộ Loại xe vào năm 2011. Suzuki Motor Corp. và IE đã công bố một liên doanh để đẩy nhanh việc thương mại hóa các phương tiện không phát thải.
5.3.8. Máy bay
Năm 2003, chiếc máy bay chạy bằng cánh quạt đầu tiên trên thế giới chạy hoàn toàn bằng pin nhiên liệu đã được bay. Pin nhiên liệu là một thiết kế ngăn xếp cho phép pin nhiên liệu được tích hợp với các bề mặt khí động học của máy bay.
Máy bay không người lái chạy bằng pin nhiên liệu (UAV) bao gồm UAV pin nhiên liệu Horizon đã lập kỷ lục bay được khoảng cách đối với một UAV cỡ nhỏ vào năm 2007. Các nhà nghiên cứu của Boeing và các đối tác trong ngành trên khắp châu Âu đã tiến hành các chuyến bay thử nghiệm vào tháng 2 năm 2008 của một chiếc máy bay có người lái chỉ chạy bằng pin nhiên liệu và pin nhẹ.
Máy bay trình diễn pin nhiên liệu sử dụng pin lithium ion màng trao đổi proton (PEM) hệ thống hybrid để cung cấp năng lượng cho một động cơ điện, được ghép nối với một cánh quạt thông thường.
Năm 2009, Ion Tiger của Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân (NRL's) đã sử dụng pin nhiên liệu chạy bằng hidro và bay trong 23 giờ 17 phút. Pin nhiên liệu cũng đang được thử nghiệm và được coi là cung cấp năng lượng phụ trong máy bay, thay thế máy phát điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch trước đây được sử dụng để khởi động động cơ và cung cấp năng lượng cho nhu cầu điện, đồng thời giảm lượng khí thải carbon.
Năm 2016, một máy bay không người lái Raptor E1 đã thực hiện chuyến bay thử nghiệm thành công bằng cách sử dụng pin nhiên liệu nhẹ hơn pin lithium ion nó đã thay thế. Chuyến bay kéo dài 10 phút ở độ cao 80 mét (260 ft), mặc dù pin nhiên liệu được báo cáo có đủ nhiên liệu để bay trong hai giờ. Nhiên liệu được chứa trong khoảng 100 viên rắn 1 cm vuông (0,16 sq in) bao gồm một hóa chất độc quyền trong một hộp mực không áp suất. Các viên này rất bền và hoạt động ở nhiệt độ ấm tới 50°C (122°F). Tế bào được lấy từ Năng lượng Arcola.
Lockheed Martin Skunk Works Stalker là một UAV điện chạy bằng pin nhiên liệu oxit rắn.
5.3.9. Thuyền
Thuyền chạy bằng pin nhiên liệu đầu tiên trên thế giới HYDRA sử dụng hệ thống AFC với công suất ròng 6,5 kW. Amsterdam giới thiệu những chiếc thuyền chạy bằng pin nhiên liệu chở người đi khắp các kênh đào của thành phố.
5.3.10. Tàu ngầm
Các tàu ngầm Type 212 của hải quân Đức và Ý sử dụng pin nhiên liệu để có thể chìm trong nước trong nhiều tuần mà không cần phải nổi lên.
U212A là một tàu ngầm phi hạt nhân do nhà máy đóng tàu hải quân Đức Howaldtswerke Deutsche Werft phát triển. Hệ thống bao gồm chín pin nhiên liệu PEM, cung cấp từ 30 kW đến 50 kW mỗi pin. Con tàu im lặng, tạo lợi thế cho nó trong việc phát hiện các tàu ngầm khác. Một bài báo hải quân đã đưa ra giả thuyết về khả năng lai giữa pin nhiên liệu hạt nhân, theo đó pin nhiên liệu được sử dụng khi các hoạt động im lặng được yêu cầu và sau đó được bổ sung từ lò phản ứng hạt nhân (và nước).
Hệ thống pin nhiên liệu di động thường được phân loại là có trọng lượng dưới 10 kg và cung cấp công suất dưới 5 kW. Quy mô thị trường tiềm năng cho pin nhiên liệu nhỏ hơn là khá lớn với tốc độ tăng trưởng tiềm năng lên tới 40% mỗi năm và quy mô thị trường khoảng 10 tỷ đô la, dẫn đến rất nhiều nghiên cứu được dành cho sự phát triển của pin điện di động.
Trong thị trường này, hai nhóm đã được xác định. Đầu tiên là thị trường tế bào nhiên liệu vi mô, trong phạm vi 1-50 W để cung cấp năng lượng cho các thiết bị electron nhỏ hơn. Thứ hai là dải máy phát 1-5 kW để phát điện quy mô lớn hơn (ví dụ tiền đồn quân sự, mỏ dầu ở xa).
Tế bào vi sinh chủ yếu nhằm thâm nhập thị trường điện thoại và máy tính xách tay. Điều này chủ yếu có thể là do mật độ năng lượng thuận lợi được cung cấp bởi pin nhiên liệu so với pin lithium ion, cho toàn bộ hệ thống. Đối với pin, hệ thống này bao gồm bộ sạc cũng như chính pin. Đối với pin nhiên liệu, hệ thống này sẽ bao gồm pin, nhiên liệu cần thiết và các phụ kiện ngoại vi.
Xem xét toàn bộ hệ thống, pin nhiên liệu đã được chứng minh là cung cấp 530Wh / kg so với 44 Wh / kg của pin lithium ion. Tuy nhiên, trong khi trọng lượng của hệ thống pin nhiên liệu mang lại một lợi thế khác biệt thì chi phí hiện tại lại không có lợi cho chúng. Trong khi hệ thống pin nói chung sẽ có giá khoảng 1,20 USD/Wh, hệ thống pin nhiên liệu có giá khoảng 5 USD/Wh, khiến chúng gặp bất lợi đáng kể.
Khi nhu cầu năng lượng cho điện thoại di động tăng lên, pin nhiên liệu có thể trở thành lựa chọn hấp dẫn hơn nhiều để tạo ra năng lượng lớn hơn. Nhu cầu về thời gian sử dụng lâu hơn trên điện thoại và máy tính là điều mà người tiêu dùng thường yêu cầu, vì vậy pin nhiên liệu có thể bắt đầu tiến vào thị trường máy tính xách tay và điện thoại di động.
Giá sẽ tiếp tục giảm khi sự phát triển trong pin nhiên liệu tiếp tục tăng tốc. Các chiến lược hiện tại để cải thiện pin nhiên liệu vi mô là thông qua việc sử dụng các ống nano carbon. Nó được hiển thị bởi Girishkumar et al. rằng việc lắng đọng các ống nano trên bề mặt điện cực cho phép diện tích bề mặt lớn hơn đáng kể làm tăng tốc độ khử oxy.
Pin nhiên liệu để sử dụng trong các hoạt động quy mô lớn hơn cũng cho thấy nhiều hứa hẹn. Hệ thống điện di động sử dụng pin nhiên liệu có thể được sử dụng trong lĩnh vực giải trí (ví dụ: RV, cabin, hàng hải), lĩnh vực công nghiệp (nghĩa là cấp điện cho các địa điểm xa bao gồm giếng khí / dầu, tháp truyền thông, an ninh, trạm thời tiết) và trong lĩnh vực quân sự.
SFC Energy là nhà sản xuất pin nhiên liệu metanol trực tiếp của Đức cho nhiều loại hệ thống điện di động. Ensol Systems Inc. là nhà tích hợp hệ thống điện di động, sử dụng SFC Energy DMFC. Ưu điểm chính của pin nhiên liệu ở thị trường này là khả năng tạo ra công suất lớn trên mỗi trọng lượng. Mặc dù pin nhiên liệu có thể đắt tiền, nhưng đối với những địa điểm xa xôi cần năng lượng đáng tin cậy, pin nhiên liệu có công suất lớn. Đối với một chuyến du ngoạn kéo dài 72 giờ, sự so sánh về trọng lượng là đáng kể, với một pin nhiên liệu chỉ nặng 15 pound so với 29 pound pin cần cho cùng một năng lượng.
Năm 2012, doanh thu của ngành pin nhiên liệu hydro đã vượt quá 1 tỷ USD giá trị thị trường trên toàn thế giới, với các quốc gia Châu Á Thái Bình Dương vận chuyển hơn 3/4 hệ thống pin nhiên liệu trên toàn thế giới.
Tuy nhiên, tính đến tháng 1 năm 2014, chưa có công ty đại chúng nào trong ngành có lãi. Đã có 140.000 ngăn xếp pin nhiên liệu được vận chuyển trên toàn cầu trong năm 2010, tăng từ 11.000 lô hàng trong năm 2007 và từ năm 2011 đến 2012, các lô hàng pin nhiên liệu trên toàn thế giới có tốc độ tăng trưởng hàng năm là 85%. Tanaka Kikinzoku mở rộng cơ sở sản xuất vào năm 2011.
Khoảng 50% lô hàng pin nhiên liệu trong năm 2010 là pin nhiên liệu tĩnh, tăng so với khoảng một phần ba trong năm 2009 và bốn nhà sản xuất thống trị trong ngành công nghiệp pin nhiên liệu là Hoa Kỳ, Đức, Nhật Bản và Hàn Quốc.
Liên minh chuyển đổi năng lượng trạng thái rắn của Bộ Năng lượng phát hiện ra rằng, kể từ tháng 1 năm 2011, pin nhiên liệu tĩnh đã tạo ra năng lượng ở mức khoảng $ 724 đến $ 775 cho mỗi kilowatt được lắp đặt. Năm 2011, Bloom Energy, một nhà cung cấp pin nhiên liệu lớn, cho biết pin nhiên liệu của họ tạo ra năng lượng ở mức 9–11 cent mỗi kilowatt giờ, bao gồm cả giá nhiên liệu, bảo trì và phần cứng.
Các nhóm công nghiệp dự đoán rằng có đủ nguồn bạch kim cho nhu cầu trong tương lai và vào năm 2007, nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven cho rằng bạch kim có thể được thay thế bằng lớp phủ vàng- palladium, có thể ít bị nhiễm độc hơn và do đó cải thiện pin nhiên liệu cả đời. Một phương pháp khác sẽ sử dụng sắt và lưu huỳnh thay vì bạch kim. Điều này sẽ làm giảm giá thành của pin nhiên liệu (vì bạch kim trong pin nhiên liệu thông thường có giá khoảng 1.500 đô la Mỹ, và cùng một lượng sắt có giá chỉ khoảng 1,50 đô la Mỹ). Khái niệm này được phát triển bởi một liên minh của Trung tâm John Innes và Đại học Milan-Bicocca. Các catot của PEDOT miễn nhiễm với ngộ độc monoxide.
Năm 2016, Samsung "quyết định từ bỏ các dự án kinh doanh liên quan đến pin nhiên liệu do triển vọng thị trường không tốt".
2005: Các nhà nghiên cứu của Viện Công nghệ Georgia đã sử dụng triazole để tăng nhiệt độ hoạt động của pin nhiên liệu PEM từ dưới 100°C lên hơn 125°C, cho rằng điều này sẽ đòi hỏi ít carbon-monoxide hơn trong nhiên liệu hidro.
2008: Đại học Monash, Melbourne sử dụng PEDOT làm cực âm.
2009: Các nhà nghiên cứu tại Đại học Dayton, Ohio, đã chỉ ra rằng các mảng ống nano carbon phát triển theo chiều dọc có thể được sử dụng làm chất xúc tác trong pin nhiên liệu. [204] Cùng năm đó, chất xúc tác dựa trên niken bisdiphosphine cho pin nhiên liệu đã được chứng minh.
2013: Công ty ACAL Energy của Anh đã phát triển một loại pin nhiên liệu mà hãng cho biết có thể chạy trong 10.000 giờ trong điều kiện lái xe mô phỏng. Nó khẳng định rằng chi phí xây dựng pin nhiên liệu có thể giảm xuống còn 40 đô la/kW (khoảng 9.000 đô la cho 300 HP).
2014: Các nhà nghiên cứu tại Đại học Hoàng gia London đã phát triển một phương pháp mới để tái sinh các PEFC bị ô nhiễm hidro sunfua. Họ phục hồi 95-100% hiệu suất ban đầu của PEFC bị ô nhiễm hidro sulfua. Họ cũng đã thành công trong việc làm trẻ hóa PEFC bị ô nhiễm SO2. Phương pháp tái tạo này có thể áp dụng cho nhiều ngăn xếp tế bào.
Trên đây là những chia sẻ của Vinalab về cấu tạo, phân loại, hiệu quả sử dụng, ứng dụng của pin nhiên liệu hydro. Rất mong sẽ giúp các bạn hiểu hơn về loại pin của tương lai này.
Vinalab tổng hợp.
Tin bài khác
![[VIDEO] Hội thảo “Chất lượng nước – Những kỹ thuật mới nhất trong đảm bảo và kiểm soát chất lượng”](/resize/363/thu-vien-anh/hoi-thao-chat-luong-nuoc-vinalab-jaima-2024-12x363x4.jpg)
