Cách Tế Bào Nhiên Liệu Hoạt Động: Chuyển Đổi Điện Hóa và Hoạt Động Không Phát Thải

Quá trình điện hóa cốt lõi: oxy hóa hydro và khử oxy

Tế bào nhiên liệu tạo ra điện bằng phản ứng hóa học giữa hydro và oxy, và quan trọng hơn, chúng thực hiện điều này mà không cần đốt cháy bất kỳ thứ gì. Khi hydro đến phía anode, nó bị phân tách thành proton và electron nhờ một chất xúc tác chủ yếu làm bằng bạch kim. Các electron di chuyển dọc theo dây bên ngoài tế bào, tạo ra dòng điện mà chúng ta có thể sử dụng để cung cấp năng lượng. Trong khi đó, các proton đi xuyên qua một thứ gọi là màng trao đổi proton (hoặc PEM viết tắt) sang phía bên kia của tế bào. Khi đến cathode, các proton này kết hợp với các phân tử oxy và các electron đã quay trở lại từ mạch điện. Cùng nhau, chúng tạo thành nước tinh khiết làm sản phẩm phụ. Toàn bộ quá trình này hoạt động rất hiệu quả vì nó không dựa trên truyền nhiệt như các động cơ truyền thống. Kết quả là, tế bào nhiên liệu PEM thường chuyển đổi khoảng một nửa đến hai phần ba năng lượng đầu vào trực tiếp thành điện. Điều này gần gấp đôi so với đa số xe chạy xăng có thể đạt được, vì hiệu suất của chúng bị giới hạn bởi các nguyên lý nhiệt động học cơ bản được biết đến với tên chu trình Carnot.

Những lợi thế chính bao gồm:

• Hoạt động gần như im lặng mà không có bộ phận chuyển động nào ngoài các hệ thống phụ trợ
• Đầu ra công suất liên tục miễn là nhiên liệu và chất oxy hóa được cung cấp
• Khả năng mở rộng theo mô-đun — từ các thiết bị di động công suất kilowatt đến các nhà máy cố định hàng megawatt

Không giống như pin, tế bào nhiên liệu là bộ chuyển đổi năng lượng, chứ không phải thiết bị lưu trữ — cho phép hoạt động liên tục mà không cần thời gian ngừng để sạc lại.

Tại sao tế bào nhiên liệu chỉ thải ra nước — không có CO₂, NO₂ hay hạt bụi

Pin nhiên liệu không thải ra bất kỳ chất nào bị kiểm soát vì chúng hoạt động thông qua các phản ứng điện hóa thay vì đốt cháy nhiên liệu. Hydrogen đơn giản là không chứa carbon, nghĩa là không thể tạo thành CO2 trong quá trình vận hành. Hơn nữa, các phản ứng này xảy ra ở nhiệt độ tối đa khoảng 100 độ C, xa so với ngưỡng 1.300 độ C nơi bắt đầu hình thành các oxit nitơ. Cũng không có ngọn lửa nào tham gia, nên loại bỏ hoàn toàn muội than, tro và các hợp chất hydrocarbon chưa cháy gây ô nhiễm không khí. Vậy thứ được thải ra là gì? Về cơ bản chỉ là hơi nước tinh khiết, đôi khi được thu gom và tái sử dụng trong các quy trình công nghiệp. Đó là lý do tại sao các hệ thống này hoạt động rất hiệu quả trong nhà, ở các khu vực thành phố đông đúc hoặc bất kỳ đâu nhạy cảm với tiêu chuẩn chất lượng không khí. Chúng phù hợp hoàn toàn với khuyến nghị của EPA, đáp ứng các quy định châu Âu về không khí sạch và cũng đáp ứng các hướng dẫn của Tổ chức Y tế Thế giới.

Ứng dụng Pin Nhiên liệu trong các Ngành Khó Giảm Phát thải

Vận tải nặng: Xe tải, Xe buýt, Tàu hỏa và Tàu thủy

Khi nói đến vận tải hạng nặng, pin nhiên liệu thực sự giải quyết một số vấn đề lớn mà pin thông thường không thể xử lý hiệu quả. Hãy nghĩ về dung lượng lưu trữ năng lượng, thời gian nạp đầy và ảnh hưởng của chúng đến trọng lượng xe. Hiện nay, các xe tải chạy bằng hydro đang tạo nên làn sóng mạnh mẽ. Những chiếc xe đầu kéo cỡ lớn này có thể di chuyển từ 500 đến 800 kilômét với một bình nhiên liệu, và việc nạp đầy mất ít hơn hai mươi phút—tương tự như động cơ diesel truyền thống. Điều này vượt trội hơn nhiều so với việc phải mang theo những khối pin khổng lồ, vốn sẽ làm tăng thêm khoảng ba đến bốn tấn trọng lượng. Chúng ta đã bắt đầu chứng kiến công nghệ này phát triển trên toàn thế giới, với hơn năm nghìn xe buýt chạy bằng hydro đang hoạt động tại các khu vực như Trung Quốc, một phần châu Âu và cả bang California. Các ứng dụng không chỉ dừng lại ở xe buýt. Lấy ví dụ như tàu Coradia iLint của Đức, hay dự án phà HYDROGEN tại Na Uy. Đặc biệt, các cảng biển sẽ được hưởng lợi rất lớn vì phần lớn hoạt động container hiện nay phụ thuộc nhiều vào thiết bị diesel, vốn thải ra quá nhiều oxit nitơ và bụi mịn vào không khí. Chuyển sang sử dụng pin nhiên liệu đồng nghĩa với việc không thải ra khí thải tại nguồn, giúp các cơ quan quản lý cảng đạt được các mục tiêu nghiêm ngặt của Tổ chức Hàng hải Quốc tế trong việc giảm phát thải carbon vào năm 2030 và 2050.

Hệ Thống Nguồn Công Nghiệp Và Dự Phòng: Thay Thế Máy Phát Điện Diesel

Các tế bào nhiên liệu cung cấp nguồn điện sạch và đáng tin cậy cho cơ sở hạ tầng quan trọng như trung tâm dữ liệu, bệnh viện và nhà máy, nơi mà máy phát điện diesel trước đây thường được dùng làm nguồn điện dự phòng. So với các lựa chọn diesel, những hệ thống này không thải ra các oxit nitơ độc hại, khí sulfur dioxide hay các hạt vi mô bên trong các tòa nhà hoặc khu vực vận hành nhạy cảm. Cách chúng được thiết kế cho phép dễ dàng mở rộng quy mô, từ các hệ thống nhỏ ở mức 50 kilowatt cho đến các hệ thống lớn lên đến 3 megawatt. Thời gian hoạt động của chúng chủ yếu phụ thuộc vào lượng hydrogen sẵn có, thay vì lo lắng về việc pin bị xuống cấp theo thời gian. Khi vận hành bằng các bình hydrogen nén, hầu hết các đơn vị có thể duy trì tải đầy trong hơn ba ngày liên tục, từ đó giảm nguy cơ cháy so với việc lưu trữ lượng lớn nhiên liệu diesel tại chỗ. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ báo cáo rằng các công ty áp dụng tế bào nhiên liệu làm nguồn điện dự phòng đã tăng khoảng 40 phần trăm vào năm ngoái. Sự tăng trưởng này là hợp lý khi xem xét tỷ lệ độ tin cậy đáng kinh ngạc của chúng, với thời gian hoạt động liên tục trên 99,999 phần trăm, cùng với thực tế rằng hiện nay nhiều doanh nghiệp lớn ưu tiên các mục tiêu về môi trường, xã hội và quản trị trong quyết định kinh doanh của họ.

Kích hoạt Hệ sinh thái Pin Nhiên liệu: Cơ sở hạ tầng, An toàn và Chính sách

Lưu trữ hydro, cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu và các giao thức an toàn vận hành

Việc triển khai quy mô lớn các tế bào nhiên liệu thực sự phụ thuộc vào những phương pháp an toàn để cung cấp hydro mà không tốn kém quá mức. Về cơ bản, có ba phương pháp chính để lưu trữ hydro: bình khí nén ở áp suất khoảng 350 đến 700 bar, dạng lỏng siêu lạnh được lưu trữ ở nhiệt độ âm 253 độ Celsius, và các lựa chọn mới hơn liên quan đến hydride kim loại hoặc các vật liệu hấp phụ đặc biệt. Mỗi phương pháp đều hiệu quả hơn trong những hoàn cảnh khác nhau tùy theo yêu cầu sử dụng. Nhìn vào các con số khi bước vào năm 2023, hiện có hơn 160 trạm tiếp nhiên liệu hydro công cộng trên toàn cầu, phần lớn tập trung ở những nơi như California, Nhật Bản, Hàn Quốc và một số khu vực của Đức. Tuy nhiên, khi nói đến việc mở rộng hạ tầng này cho các phương tiện lớn hơn như xe tải và xe buýt, tình hình nhanh chóng trở nên phức tạp. Xây dựng một trạm cỡ trung bình thường tốn từ hai đến ba triệu USD, chưa kể các thủ tục giấy tờ cần thiết để xin giấy phép, cũng như việc kết nối vào lưới điện hiện có—một lớp phức tạp khác mà không ai muốn xử lý.

An toàn được đảm bảo thông qua các tiêu chuẩn kỹ thuật hài hòa quốc tế—đáng chú ý là ISO/TS 15916, SAE J2601 và Cẩm nang An toàn Hydro của châu Âu. Những tiêu chuẩn này quy định:

• Các bình chứa hydro composite được chứng nhận có khả năng chịu đựng hơn 10.000 chu kỳ áp lực và va đập đạn đạo
• Vòi tiếp nhiên liệu với phát hiện rò rỉ tự động, ngắt nhiệt và thiết bị xả áp suất
• Hệ thống thông gió cho nhà máy kín được thiết kế để duy trì nồng độ hydro dưới giới hạn bắt cháy thấp nhất là 1%

Việc kiểm chứng thực tế đến từ các sáng kiến như chương trình H2 Mobility tại châu Âu, đã chuẩn hóa các quy trình tại 29 trạm—thể hiện tính tương thích, an toàn và sự tin tưởng của người dùng, yếu tố thiết yếu cho việc áp dụng rộng rãi.

Pin nhiên liệu trong lộ trình hướng tới trung hòa carbon

Pin nhiên liệu nổi bật như một thành phần then chốt trong hành trình hướng tới nền kinh tế trung hòa carbon, đặc biệt trong những lĩnh vực mà việc điện hóa truyền thống không thể đáp ứng. Những hệ thống này sử dụng khí hydro xanh được sản xuất từ các nguồn tái tạo thông qua quá trình điện phân và chuyển đổi thành điện năng, chỉ tạo ra hơi nước. Điều này có nghĩa không thải CO₂, không oxit nitơ, và chắc chắn không giải phóng các hạt có hại vào không khí. Điều làm cho chúng thực sự thú vị là cách chúng hoạt động song song với các nguồn năng lượng tái tạo. Khi có quá nhiều điện được tạo ra từ năng lượng mặt trời hoặc gió, thay việc lãng phí, chúng ta có thể lưu trữ năng lượng dư thừa đó dưới dạng khí hydro. Sau đó, khi nhu cầu tăng vọt, chúng ta chỉ cần chuyển đổi lượng hydro đã lưu trữ trở lại thành điện. Cách tiếp cận này giúp làm cho lưới điện của chúng ta trở nên linh hoạt hơn, mà không cần dựa vào các nhà máy dự bị nhiên liệu hóa thạch lỗi thời mà mọi người đều muốn loại bỏ.

Thế giới đang đầu tư thật sự vào hydro như một thành phần then chốt: theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế, khoảng 100 tỷ USD đã được cam kết cho cơ sở hạ tầng hydro đến năm 2030. Giá pin nhiên liệu cũng giảm mạnh, xuống khoảng 60% kể từ năm 2015 nhờ sản xuất quy mô lớn hơn và vật liệu xúc tác tốt hơn. Các chính sách của chính phủ cũng bắt đầu theo kịp. Hãy lấy ví dụ Đạo luật Giảm lạm phát gần đây của Hoa Kỳ, cung cấp khoản khấu trừ thuế 3 USD mỗi kilogram cho hydro sạch, cùng với Chỉ thị Năng lượng Tái tạo cập nhật của Liên minh Châu Âu. Những thay đổi này có nghĩa là pin nhiên liệu không còn chỉ là thí nghiệm nữa mà đang thực sự trở thành một phần của cơ sở hạ tầng thông thường. Nhìn về tương lai, các dự báo ước tính những hệ thống này có thể đáp ứng khoảng 15% nhu cầu năng lượng trong các lĩnh vực mà việc cắt giảm khí thải thực sự khó khăn. Điều này khiến chúng trở nên khá quan trọng nếu chúng ta muốn đạt được các mục tiêu trung hòa carbon, mặc dù vẫn còn nhiều việc phải làm trước khi chúng được phổ biến rộng rãi.

Câu hỏi thường gặp

Pin nhiên liệu là gì?
Pin nhiên liệu là một thiết bị chuyển đổi năng lượng hóa học từ hydro thành năng lượng điện thông qua phản ứng điện hóa với oxy.

Pin nhiên liệu có tạo ra phát thải không?
Pin nhiên liệu chủ yếu tạo ra hơi nước là sản phẩm phụ và không phát thải các chất ô nhiễm được quy định như CO2, NOx hoặc hạt bụi.

Pin nhiên liệu có thể được sử dụng trong giao thông vận tải không?
Có, tế bào nhiên liệu đang ngày càng được sử dụng trong các phương tiện vận tải hạng nặng, bao gồm xe tải, xe buýt, tàu hỏa và tàu thủy.

Các biện pháp an toàn khi sử dụng hydro là gì?
Các biện pháp an toàn bao gồm các bình chứa hydro được chứng nhận, hệ thống phát hiện rò rỉ và thông gió đúng cách để duy trì nồng độ hydro ở mức an toàn.