Cung Cấp Năng Lượng Cho Xe Điện

Một số quốc gia trên thế giới đã tuyên bố cam kết rằng tất cả ô tô và xe tải lưu thông trên đường là không sinh ra khí thải trong vài thập kỷ tới. Vì vậy, ngành công nghệ ‘năng lượng không dây‘ có thể được phát triển và lắp đặt nhanh chóng, tất cả ô tô chạy bằng động cơ điện sẽ cần pin hoặc pin nhiên liệu cho tích trữ năng lượng.

Những cam kết đó dường như dựa trên hy vọng nhiều hơn, chúng ta phải hiểu rõ được những khó khăn cần vượt qua. Không thể có một giải pháp nhanh chóng và mỗi giải pháp thay thế ‘xanh’ hiện tại không nhất thiết là thân thiện với môi trường. Cho đến gần đây, nhiều người nghĩ rằng công nghệ pin nhiên liệu Hydrogen sẽ thay thế các loại pin sạc kiểu cũ cho các ứng dụng di động .

Pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu hydro là một thiết bị chuyển đổi năng lượng hóa học từ Hydro (nhiên liệu) thành điện năng thông qua phản ứng điện hóa giữa nó và Oxy (chất oxy hóa). Nó được cấu tạo theo cách tương tự như pin thông thường: pin bao gồm cực dương và cực âm được phân tách bằng chất điện phân hóa học.

Sự khác biệt chính nằm ở cách lưu trữ các chất phản ứng hóa học tạo ra dòng điện. Trong pin chính (không thể sạc lại), các hóa chất được tích hợp sẵn khi sản xuất và được sử dụng hết khi pin được xả hết. Pin sạc lại có phản ứng hóa học thuận nghịch: nó có thể được sạc lại bằng cách đặt điện áp ngược vào các cực trong một thời gian.

Pin nhiên liệu có các hóa chất hoạt động (khí Hydro và Oxy) được cung cấp từ kho lưu trữ bên ngoài khi cần thiết. Trên thực tế, chỉ có Hydro phải được lưu trữ vì không khí chứa đủ Oxy để phản ứng tiến hành.

Cách Pin nhiên liệu hoạt động

Động cơ đốt trong (IC) giải phóng năng lượng từ nhiên liệu bằng cách oxy hóa nó thông qua quá trình đốt cháy. Pin nhiên liệu cũng oxy hóa nhiên liệu, nhưng bằng điện hóa, mà không đốt cháy. Nhiên liệu đốt cháy giải phóng Carbon Monoxide và các sản phẩm có hại khác – pin nhiên liệu chỉ có một sản phẩm phụ là nước. 

Hydro H2 được đưa vào một mặt của tế bào dưới áp suất và thấm qua cực dương cho đến khi đến chất điện phân. Xảy ra phản ứng tách nguyên tử H2 thành electron e- và hạt nhân mang điện dương H+(các ion). Chất điện phân sẽ không cho phép các electron đi qua vì vậy chúng ở lại cực dương và tạo thành dòng điện chạy qua tải. Các hạt nhân, thực chất chỉ là proton, di chuyển qua chất điện phân cho đến khi chúng va vào catốt. Một phản ứng khác bây giờ diễn ra là Oxy, các hạt nhân Hydro và các electron từ dòng tải được tái kết hợp để tạo thành nước (H2O) và giải phóng nhiệt.

Để tăng tốc các phản ứng này, một lớp Platinum, một chất xúc tác, được đặt trên mỗi ranh giới điện cực/chất điện phân. Bạch kim tạo điều kiện cho phản ứng nhưng không tham gia vào nó – giống như nó xảy ra trong bộ chuyển đổi xúc tác khí xả của ô tô xăng. Điều này giải thích cách hoạt động của loại pin nhiên liệu phổ biến nhất – Pin nhiên liệu màng điện phân Polymer (PEMFC).

Các loại Pin nhiên liệu

Tất cả các pin nhiên liệu về cơ bản thì chúng hoạt động theo cùng một cách, chỉ khác nhau về chất điện phân được sử dụng. Bảng dưới đây liệt kê các loại chính đang được sử dụng ngày nay cùng với các đặc điểm cơ bản của chúng:

Ưu và nhược điểm của Pin nhiên liệu

Tất nhiên, có thể đốt cháy Hydro làm nhiên liệu trong động cơ ô tô, nhưng phương pháp hóa học này rất kém hiệu quả với nhiều năng lượng bị lãng phí dưới dạng nhiệt. Pin nhiên liệu hiệu quả hơn nhiều, nhưng pin sạc cũng vậy.

Với tình trạng công nghệ hiện nay, pin nhiên liệu không thể cung cấp mức công suất tức thời mà động cơ điện yêu cầu để tăng tốc nhanh chóng. Cũng giống như công suất của động cơ phụ thuộc vào tốc độ mà hỗn hợp nhiên liệu-không khí có thể lấp đầy xi lanh và tốc độ loại bỏ khí thải, vì vậy dòng điện đầu ra của pin nhiên liệu phụ thuộc vào tốc độ mà Hydro có thể được xử lý và chuyển đổi thành điện năng.

Vấn đề đầu ra đang được giải quyết bằng cách tạo hình thông minh của chất xúc tác, làm tăng đáng kể diện tích của nó. Các thiết kế xe chạy bằng pin nhiên liệu hiện nay cũng trang bị một loại pin nhỏ thông thường để cung cấp năng lượng nhanh chóng khi cần tăng tốc đột ngột.

Mặc dù pin nhiên liệu không sinh ra khí thải, nhưng vẫn có một câu hỏi đặt ra là Hydro được tạo ra như thế nào ngay từ đầu. Không giống như Oxy, nó không tồn tại như một phần tử tự do trong không khí. Nó có thể thu được bằng cách sử dụng một quá trình gọi là điện phân để phân chia các phân tử nước (H2O) bằng cách sử dụng điện.

Việc thu nhận Hydro bằng cách điện phân rất tốn kém. Thay vào đó, Hydro thường được sản xuất hàng loạt bằng cách cải tạo hơi nước của khí tự nhiên hoặc Metan – một quá trình rất phức tạp đòi hỏi một lượng nhiệt lớn. Thật không may, CO2 cũng được sản xuất như một sản phẩm phụ. Việc thiếu quy trình sản xuất Hydro mà không có các sản phẩm phụ không mong muốn là một vấn đề đáng lo ngại và khiến cho giải pháp thay thế pin sạc lại có vẻ hấp dẫn hơn. 

Pin nhiên liệu dễ bị đóng cặn cả về điện áp và công suất. Giống như pin thông thường có thể được xếp chồng lên nhau để tạo ra điện áp đầu ra mong muốn. Cũng giống như động cơ IC, dung lượng pin nhiên liệu dễ dàng tăng lên bằng cách sử dụng một bình nhiên liệu lớn hơn. Mở rộng quy mô pin để tăng dung lượng là một bài toán thiết kế khó hơn nhiều.

Tuy nhiên, một lít xăng chứa nhiều năng lượng hơn một lít Hydro – ngay cả khi được hóa lỏng. Với công nghệ hiện tại, một chiếc ô tô có thể không thể chở đủ Hydro để cung cấp năng lượng cho nó hoạt động như một động cơ IC tương đương hoặc thậm chí là một chiếc xe chỉ sử dụng pin.

Hệ thống pin nhiên liệu phức tạp hơn và do đó rất tốn kém để chế tạo. Hiện tại, chỉ riêng yếu tố này thôi cũng đủ để hạn chế việc sử dụng chúng trên ô tô. Tuy nhiên, chi phí đang giảm do công nghệ được cải tiến. 

Việc thiếu cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu cho ô tô chạy pin nhiên liệu thường được coi là trở ngại lớn đối với khả năng chấp nhận của người tiêu dùng. Tuy nhiên, việc nâng cấp hệ thống cáp, chưa kể đến việc lắp đặt một đồng hồ đo điện đặc biệt trong mỗi gia đình sẽ rất tốn kém. Tất cả điều này có thể tránh được nếu ô tô có thể được tiếp nhiên liệu Hydrogen tại một trạm xăng dầu thông thường. Nhưng điều đó cũng sẽ đòi hỏi sự đầu tư đáng kể từ ai đó.

Vấn đề an toàn thường xuyên được đưa ra trong các cuộc thảo luận về pin nhiên liệu di động. Trên thực tế, Hydro là một loại khí nhẹ tan nhanh trong trường hợp rò rỉ, an toàn hơn hơi xăng. Pin cũng không hẳn an toàn. Cả Chì-Axit và Lithium-Ion đều dễ bị bắt lửa hoặc phát nổ nếu bị đoản mạch hoặc quá tải nghiêm trọng. 

Nghiên cứu gần đây đã chỉ ra một vấn đề với pin nhiên liệu sử dụng không khí làm chất oxy hóa. Không khí chủ yếu là Nitơ, một tỷ lệ nhỏ Oxy và một ít Carbon Dioxide. Còn ảnh hưởng của các chất ô nhiễm vi lượng như oxit nitric, nitơ đioxit, amoniac và lưu huỳnh đioxit thì sao? Kết luận của báo cáo nghiên cứu là một số gây mất điện tạm thời, một số khác gây hư hỏng vĩnh viễn. Một số khí này đến từ động cơ vi mạch, vì vậy nó có thể là một vấn đề tự giải quyết.

Mối quan tâm của cả hai công nghệ sản xuất pin thường là tuổi thọ. Ắc quy Axit-Chì không thích bị phóng điện hoặc để trong thời gian dài ở trạng thái phóng điện. Trong một chiếc xe có động cơ IC được bảo dưỡng tốt, pin không bao giờ phải chịu đựng một trong hai điều kiện này.

Hóa học Lithium-Ion đã thay thế Axit-Chì cho các ứng dụng công suất cao, vì mật độ năng lượng tốt hơn và trọng lượng nhẹ hơn. Một cái giá phải trả cho hiệu suất tốt hơn này: Pin Lithium-Ion yêu cầu sạc/xả được kiểm soát chặt chẽ và có thể mất dung lượng khi lặp lại chu kỳ.

Kết luận

Mọi người đều nhất trí rằng nguồn điện tốt nhất cho ô tô điện phải là pin Lithium-Ion. Pin nhiên liệu được coi là quá phức tạp và quá đắt để có thể sử dụng trong thực tế. Công nghệ pin nhiên liệu đang được cải thiện và có nhiều ứng dụng khác: việc lắp đặt tĩnh cung cấp điện cho một ngôi nhà riêng lẻ chắc chắn có thể thực hiện được, đặc biệt nếu nhiệt thải có thể được sử dụng tốt ở những vùng có khí hậu lạnh.

B2bmart.vn vừa giới thiệu đến bạn đọc một số thông tin về cách cung cấp năng lượng cho xe điện. Hi vọng qua bài đọc trên sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn và có thể áp dụng chúng vào công việc của mình.