Các học giả Hoa Kỳ tạo ra bước đột phá ngoạn mục về chất xúc tác pin nhiên liệu
© Được cung cấp bởi Daimler Trucks
Jeremy Cresswell
Daimler Trucks North America là một trong những công ty hợp tác với Bộ Năng lượng Hoa Kỳ trong chương trình Supertruck, chương trình mà chất xúc tác pin nhiên liệu mới nhất và lớn nhất đã được thực hiện tại Trường Kỹ thuật Samueli.
Tuổi thọ của chất xúc tác pin nhiên liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng nhìn chung, pin nhiên liệu ô tô được thiết kế để hoạt động trong khoảng 5.000 giờ, tương đương với khoảng 150.000 dặm.
Ngược lại, các ứng dụng pin nhiên liệu cố định hướng đến mục tiêu hoạt động đáng tin cậy trong ít nhất 40.000 giờ.
Tuy nhiên, trong một bước đột phá lớn, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Los Angeles (UCLA) đã phát triển một chất xúc tác mới có khả năng kéo dài tuổi thọ dự kiến của chất xúc tác pin nhiên liệu lên tới 200.000 giờ.
Họ tuyên bố đây là "bước tiến quan trọng" hướng tới việc áp dụng rộng rãi hệ thống truyền động dựa trên pin nhiên liệu trên các loại xe hạng nặng, chẳng hạn như xe đầu kéo đường dài (xe tải khớp nối).
Nhóm nghiên cứu UCLA đã nói rằng bước đột phá của họ có thể kéo dài đáng kể tuổi thọ của các hệ thống pin nhiên liệu, tăng cường khả năng tồn tại của chúng và giúp đưa xe tải đường dài bền vững đến gần hơn với thực tế.
Trong khi điểm tham chiếu của họ là ngành vận tải đường bộ Hoa Kỳ, thì Châu Âu, với mạng lưới đường trục rộng lớn và dày đặc, có khả năng là thị trường khổng lồ cho xe tải Euro-trucks pin nhiên liệu đường dài, lớn, hiệu suất cao, cùng với xe buýt pin nhiên liệu đường dài và trong thành phố.
Công nghệ hydro và pin nhiên liệu được xác định là một trong những công nghệ năng lượng carbon thấp thế hệ mới cần thiết để đạt được mục tiêu giảm 60-80% khí nhà kính vào năm 2050 trong Kế hoạch công nghệ năng lượng chiến lược của Châu Âu được trình bày cùng với Gói chính sách năng lượng từ tháng 1 năm 2008.
Trên thực tế, Ủy ban Châu Âu đã hỗ trợ phát triển hydro và pin nhiên liệu từ đầu những năm 1990.
Nghiên cứu chủ yếu hướng đến việc cải thiện hiệu suất và độ bền cũng như giảm chi phí.
Điều này cực kỳ quan trọng và đúng trọng tâm khi xét đến các vấn đề về độ tin cậy và cung cấp nhiên liệu đang gây rắc rối cho các đội xe buýt trên khắp EU và ở Anh sau Brexit.
Đội xe buýt chạy bằng hydro của Aberdeen City, đơn vị đầu tiên áp dụng, đã ngừng hoạt động trong gần một năm do thiếu nguồn cung cấp nhiên liệu đầy đủ.
Thành phố này cũng đang thử nghiệm xe chở rác chạy bằng pin nhiên liệu hydro.
Đối với xe tải và xe hạng nặng như xe buýt phải di chuyển đường dài hoặc sử dụng nhiều trong môi trường đô thị mà không có trạm sạc thường xuyên, tốn thời gian, pin thường không đủ.
Pin nhiên liệu hydro có thể được nạp lại nhanh như xe động cơ ICE thông thường và trong một thời gian đã được khẳng định là cung cấp giải pháp thay thế sạch hơn, hiệu quả hơn.
Một giải pháp thay thế khác đang được phát triển, cụ thể là H2 ICE, đốt cháy hydro trực tiếp, giống như xe chạy bằng dầu diesel hoặc xăng thông thường.
© Được cung cấp bởi Hội đồng Aberdeenshire
Một chiếc xe buýt chạy bằng hydro ở Aberdeen.
Nhưng các yếu tố như chi phí cao, cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu hạn chế và hiệu suất năng lượng thấp hơn so với xe điện chạy bằng pin (BEV) đã làm chậm quá trình áp dụng rộng rãi pin nhiên liệu hydro như một động cơ chính.
Cuộc khủng hoảng xe buýt chạy bằng pin nhiên liệu hiện tại ở Anh và đang phát triển trên khắp EU không giúp ích được gì.
Vào tháng 1, ấn phẩm thương mại Sustainable Bus đã tuyên bố: “Mặc dù có tiềm năng đầy hứa hẹn, nhưng tình trạng hiện tại của công nghệ hydro trên thị trường xe buýt vẫn còn hạn chế, với chỉ 378 xe được đăng ký trên khắp châu Âu vào năm 2024.
“Mặc dù tăng trưởng +82% vào năm 2023, xe buýt chạy bằng hydro chỉ chiếm 4,6% thị trường xe buýt không phát thải, trong khi xe buýt BEV chiếm 95% còn lại”.
Tuy nhiên, vào ngày 6 tháng 3 năm ngoái, Trung tâm nghiên cứu chung: Trung tâm khoa học EU cho biết rằng tính di động chạy bằng hydro ở châu Âu đang cho thấy "lợi ích về mặt hoạt động và sự sẵn sàng về mặt công nghệ".
"Một đánh giá về các dự án vận tải hydro được thực hiện trong hai thập kỷ qua đã xác nhận giá trị của nó đối với quá trình khử cacbon của hệ thống vận tải EU và đưa ra các khuyến nghị để vượt qua các thách thức", trung tâm cho biết trong báo cáo tháng 3.
Về mặt uy tín, Vương quốc Anh có Chương trình trình diễn cơ sở hạ tầng HGV không phát thải (ZEHID), được Bộ Giao thông và Đổi mới Vương quốc Anh tài trợ, nhằm hỗ trợ thử nghiệm xe tải lớn không phát thải (hay còn gọi là HGV) tại Vương quốc Anh.
Chương trình trị giá 200 triệu bảng Anh này nhằm triển khai khoảng 350 HGV không phát thải và hỗ trợ hơn 70 cơ sở hạ tầng công cộng và tại kho vào năm 2030.
Quay lại công trình của UCLA.
Mặc dù chất xúc tác hợp kim bạch kim trước đây đã tạo ra các phản ứng hóa học vượt trội, nhưng các nguyên tố hợp kim sẽ bị rò rỉ theo thời gian, làm giảm hiệu suất xúc tác.
Sự xuống cấp còn được đẩy nhanh hơn nữa bởi các chu kỳ điện áp đòi hỏi cao cần thiết để cung cấp năng lượng cho các xe hạng nặng.
Để giải quyết thách thức này, nhóm đã thiết kế ra thứ được cho là “kiến trúc chất xúc tác bền bỉ với thiết kế mới lạ giúp bảo vệ bạch kim khỏi sự xuống cấp thường thấy trong các hệ thống hợp kim”.
Đối với xe tải và xe hạng nặng phải
di chuyển quãng đường dài mà không cần dừng sạc thường xuyên, tốn thời gian, pin thường bị yếu.
Pin nhiên liệu hydro – có thể nạp nhiên liệu nhanh như xe động cơ đốt trong truyền thống – được cho là cung cấp giải pháp thay thế sạch hơn, hiệu quả hơn.
Nhưng các yếu tố như chi phí cao, cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu hạn chế và hiệu suất năng lượng thấp hơn so với xe điện chạy bằng pin (BEV) đã làm chậm quá trình áp dụng rộng rãi của chúng.
© Được cung cấp bởi ASCO
ASCO HVO HGV.
Dẫn đầu bởi Yu Huang, giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật tại Trường Kỹ thuật Samueli của UCLA, nhóm nghiên cứu cho biết thiết kế chất xúc tác mới có khả năng kéo dài tuổi thọ của chất xúc tác pin nhiên liệu lên 200.000 giờ, gần gấp bảy lần mục tiêu của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) cho năm 2050 và vượt xa mục tiêu hiện tại là năm 2030 do EU đặt ra.
Được công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology, nghiên cứu này được cho là đánh dấu một bước tiến quan trọng hướng tới việc áp dụng rộng rãi công nghệ pin nhiên liệu trong các loại xe hạng nặng, chẳng hạn như xe đầu kéo đường dài.
Mặc dù xe tải hạng trung và hạng nặng chỉ chiếm khoảng 5% số xe lưu thông trên đường tại Hoa Kỳ, nhưng theo ước tính của liên bang, chúng gây ra gần một phần tư lượng khí thải nhà kính từ xe cơ giới.
Cách đây một thời gian, EU đã áp dụng các tiêu chuẩn phát thải CO2 đối với xe tải hạng nhẹ và hạng trung để giảm tác động đến môi trường.
Các tiêu chuẩn này, là một phần của Thỏa thuận Xanh rộng hơn của EU, nhằm đạt được mục tiêu không phát thải đối với xe ô tô chở khách và xe thương mại hạng nhẹ (bao gồm cả xe tải) mới vào năm 2035.
Các mục tiêu trung gian cho năm 2030 bao gồm giảm 55% đối với ô tô và giảm 50% đối với xe tải.
Vương quốc Anh đã đặt mục tiêu loại bỏ dần các xe tải hạng nhẹ và hạng trung mới không phát thải bằng không vào năm 2035.
Điều này bao gồm việc loại bỏ dần tất cả các xe tải hạng nặng mới có trọng lượng 26 tấn trở xuống vào năm 2035. Vương quốc Anh đặt mục tiêu tất cả các xe tải hạng nặng (HGV) mới đều không phát thải vào năm 2040.
Giả sử thiết kế polyme của UCLA chịu được sự giám sát chặt chẽ và đạt được tuyên bố 200.000 giờ, thì nó có thể biến "các ứng dụng hạng nặng thành điểm khởi đầu lý tưởng cho công nghệ pin nhiên liệu màng điện phân polyme".
Vì pin nhiên liệu nhẹ hơn đáng kể so với pin nên chúng cần ít năng lượng hơn để di chuyển xe.
UCLA cho biết: “Với công suất đầu ra dự kiến là 1,08 watt trên cm vuông, pin nhiên liệu có chất xúc tác mới có thể mang lại hiệu suất tương đương với pin thông thường nặng hơn tới tám lần.
Sự khác biệt này đặc biệt liên quan đến các loại xe hạng nặng, không chỉ chở hàng hóa lớn mà còn có xu hướng nặng hơn nhiều so với các loại xe tiêu chuẩn.
“Ngoài ra, việc xây dựng cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu hydro quốc gia (Hoa Kỳ) có thể sẽ cần ít vốn đầu tư hơn so với việc thiết lập mạng lưới sạc xe điện trên khắp cả nước.”
Nói như vậy, điều ngược lại có vẻ đúng ở Anh và EU nói chung.
Tại đây, các trạm tiếp nhiên liệu hydro tốn kém hơn đáng kể để xây dựng và vận hành so với các trạm sạc EV.
Ngoài ra, EU có mạng lưới điện được thiết lập và chuyên sâu hơn, khiến việc sạc EV khả thi và tiết kiệm chi phí hơn.
Pin nhiên liệu hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng hóa học được lưu trữ trong hydro thành điện, chỉ thải ra hơi nước như một sản phẩm phụ.
Điều này đã biến chúng thành một giải pháp đầy hứa hẹn cho giao thông sạch hơn.
© Được cung cấp bởi UCLA
Yu Huang là giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật tại Trường Kỹ thuật Samueli, UCLA.
Tuy nhiên, phản ứng hóa học chậm cho đến nay để chuyển đổi năng lượng là một thách thức, đòi hỏi phải có chất xúc tác để đạt được tốc độ thực tế.
Mặc dù chất xúc tác hợp kim bạch kim trước đây đã tạo ra phản ứng hóa học vượt trội, nhưng các nguyên tố hợp kim sẽ bị rò rỉ theo thời gian, làm giảm hiệu suất xúc tác.
Sự xuống cấp được đẩy nhanh hơn nữa bởi các chu kỳ điện áp khắt khe cần thiết để cung cấp năng lượng cho các phương tiện hạng nặng.
Để giải quyết thách thức này, nhóm UCLA đã thiết kế một kiến trúc chất xúc tác bền bỉ với thiết kế mới bảo vệ bạch kim khỏi sự phân hủy thường thấy trong các hệ thống hợp kim.
Các nhà nghiên cứu bắt đầu bằng cách nhúng các hạt nano bạch kim siêu mịn vào các túi graphene bảo vệ.
Được tạo thành từ một lớp nguyên tử carbon đơn được sắp xếp theo mạng lưới tổ ong hai chiều, graphene là vật liệu mỏng nhất được biết đến.
Mặc dù mỏng về mặt nguyên tử, nhưng nó cực kỳ bền, nhẹ và có khả năng dẫn điện cao.
Các hạt nano bọc graphene này sau đó được lồng vào bên trong cấu trúc xốp của Ketjenblack, một vật liệu carbon dạng bột.
Thiết kế "hạt trong hạt" này mang lại sự ổn định lâu dài trong khi vẫn duy trì hoạt động xúc tác cao cần thiết cho hiệu suất pin nhiên liệu hiệu quả.
Giáo sư Huang, người giữ chức Chủ tịch Traugott và Dorothea Frederking tại UCLA Samueli, cho biết: "Các hệ thống pin nhiên liệu hạng nặng phải chịu được các điều kiện vận hành khắc nghiệt trong thời gian dài, khiến độ bền trở thành một thách thức chính".
"Chất xúc tác bạch kim nguyên chất của chúng tôi, được tăng cường với chiến lược bảo vệ dựa trên graphene, khắc phục được những thiếu sót của hợp kim bạch kim thông thường bằng cách ngăn chặn sự rò rỉ các nguyên tố hợp kim.
“Sự đổi mới này đảm bảo chất xúc tác vẫn hoạt động và mạnh mẽ, ngay cả trong những điều kiện khắc nghiệt thường thấy ở các ứng dụng đường dài.”
Nhóm nghiên cứu UCLA đã báo cáo rằng chất xúc tác mới này cho thấy mức mất điện ít hơn 1,1% sau một thử nghiệm ứng suất tăng tốc liên quan đến 90.000 chu kỳ điện áp sóng vuông được thiết kế để mô phỏng nhiều năm lái xe trong thế giới thực, trong đó mức mất điện 10% thường được coi là tuyệt vời.
Những kết quả vượt trội này dự kiến tuổi thọ của pin nhiên liệu vượt quá 200.000 giờ, vượt xa mục tiêu 30.000 giờ của DOE Hoa Kỳ đối với các hệ thống pin nhiên liệu màng trao đổi proton hạng nặng.
Bằng cách giải quyết thành công những thách thức kép về hoạt động xúc tác và độ bền, thiết kế chất xúc tác mang tính đột phá của UCLA hứa hẹn sẽ mang lại khoản đầu tư quy mô lớn vào các loại xe chở hàng hạng nặng chạy bằng pin nhiên liệu hydro, ít nhất là ở Hoa Kỳ, mặc dù EU sẽ theo dõi chặt chẽ tiến trình từ phía bên kia bờ ao.
Những phát hiện của nhóm nghiên cứu dựa trên thành công trước đó của họ trong việc phát triển chất xúc tác pin nhiên liệu cho xe hạng nhẹ, có tuổi thọ lên tới 15.000 giờ - gần gấp đôi mục tiêu 8.000 giờ của DOE.
Nhóm phát triển công nghệ của UCLA đã nộp bằng sáng chế cho công nghệ này, một tín hiệu rõ ràng cho thị trường rằng các thử nghiệm lớn dẫn đến thương mại hóa có thể bắt đầu, bất chấp sự thù địch của chính quyền Trump đối với năng lượng carbon thấp, mặc dù cho đến nay, Tổng thống vẫn ít nói về công nghệ hydro hơn các công nghệ bền vững khác.
