Khi ngành công nghiệp ô tô bước vào kỷ nguyên điện khí hóa, phần lớn sự chú ý đều dồn vào xe điện chạy pin (BEV - Battery Electric Vehicle). Tuy nhiên, bên cạnh đó, một công nghệ khác cũng đang âm thầm phát triển và được kỳ vọng sẽ trở thành giải pháp thay thế khả thi trong tương lai: xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro (FCEV - Fuel Cell Electric Vehicle).
Vậy xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro hoạt động như thế nào và chúng có thực sự là tương lai của ngành ô tô?
Pin nhiên liệu hydro là gì?
Pin nhiên liệu hydro là một hệ thống sản xuất điện năng từ phản ứng hóa học giữa hydro và oxy. Thay vì đốt cháy nhiên liệu như động cơ đốt trong, xe FCEV sử dụng hydro làm nguồn nhiên liệu và biến đổi nó thành điện để cung cấp năng lượng cho động cơ điện.
Cụ thể, hydro được lưu trữ trong các bình chịu áp suất cao trên xe. Khi cần năng lượng, hydro được đưa vào pin nhiên liệu, nơi nó phản ứng với oxy trong không khí nhờ sự có mặt của chất xúc tác (thường là bạch kim). Quá trình này tạo ra điện năng để cung cấp cho động cơ điện, đồng thời chỉ sinh ra hơi nước và nhiệt, hoàn toàn không có khí thải CO2.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu hydro
Một hệ thống pin nhiên liệu hydro trên xe ô tô thường bao gồm:
- Bình chứa hydro: Làm từ vật liệu siêu bền, chịu áp suất cao (thường khoảng 700 bar) để lưu trữ hydro dạng khí.
- Pin nhiên liệu (Fuel Cell Stack): Đây là nơi diễn ra phản ứng hóa học giữa hydro và oxy để tạo ra điện năng.
- Bộ điều khiển công suất (Power Control Unit - PCU): Điều phối lượng điện năng được tạo ra và phân phối đến các bộ phận khác trên xe.
- Động cơ điện: Nhận điện từ pin nhiên liệu và biến đổi thành cơ năng để vận hành xe.
- Pin phụ trợ (Lithium-ion hoặc NiMH): Giúp lưu trữ năng lượng dư thừa và hỗ trợ trong một số trường hợp nhất định, tương tự như hệ thống trên xe hybrid.
Quá trình hoạt động diễn ra như sau:
1. Hydro từ bình chứa được đưa vào pin nhiên liệu.
2. Oxy từ không khí được hút vào hệ thống.
3. Hydro tách thành proton và electron nhờ chất xúc tác trong pin nhiên liệu.
4. Proton di chuyển qua màng trao đổi ion, trong khi electron chạy qua mạch điện, tạo ra dòng điện.
5. Proton, electron và oxy kết hợp tạo thành nước – sản phẩm phụ duy nhất của quá trình.
6. Dòng điện sinh ra được dùng để cấp nguồn cho động cơ điện và vận hành xe.
Ưu điểm của xe chạy pin nhiên liệu hydro
1. Không phát thải CO2: Xe FCEV chỉ thải ra nước, giúp giảm ô nhiễm khí thải và cải thiện chất lượng không khí.
2. Thời gian nạp nhiên liệu nhanh: Chỉ mất khoảng 3-5 phút để đổ đầy bình hydro, tương đương với xe chạy xăng/diesel, nhanh hơn đáng kể so với thời gian sạc xe điện dùng pin.
3. Tầm hoạt động dài: Một chiếc xe FCEV có thể chạy từ 500-800 km với một lần nạp đầy, ngang ngửa hoặc thậm chí vượt trội hơn xe điện chạy pin.
4. Hiệu suất cao và vận hành êm ái: Không có tiếng ồn của động cơ đốt trong, xe chạy êm mượt như xe điện thông thường.
Những thách thức của xe hydro
Dù có nhiều ưu điểm, xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro vẫn đối mặt với một số rào cản lớn:
- Cơ sở hạ tầng hạn chế: Hiện tại, trạm nạp hydro còn rất ít, đặc biệt là ở các quốc gia chưa có chính sách phát triển mạnh mẽ về năng lượng xanh.
- Chi phí sản xuất cao: Việc chế tạo pin nhiên liệu đòi hỏi các vật liệu đắt đỏ như bạch kim, đồng thời công nghệ lưu trữ và vận chuyển hydro vẫn còn khá tốn kém.
- Nguồn cung hydro chưa bền vững: Phần lớn hydro hiện nay được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch (Steam Methane Reforming), vẫn tạo ra khí CO2. Để thực sự xanh, hydro cần được sản xuất từ điện phân nước bằng năng lượng tái tạo.
Xe hydro so với xe điện chạy pin
Cả FCEV và BEV đều có tiềm năng lớn trong việc thay thế xe sử dụng nhiên liệu hóa thạch, nhưng mỗi loại công nghệ lại có lợi thế riêng:
- Xe điện chạy pin (BEV) phù hợp hơn cho xe cá nhân, di chuyển trong đô thị nhờ cơ sở hạ tầng sạc đang phát triển mạnh và chi phí vận hành thấp.
- Xe chạy pin nhiên liệu hydro (FCEV) có thể là lựa chọn tối ưu cho xe tải, xe buýt hoặc các phương tiện vận tải đường dài nhờ thời gian nạp nhiên liệu nhanh và tầm hoạt động xa hơn.
Tương lai của xe chạy pin nhiên liệu hydro
Mặc dù hiện tại xe hydro vẫn còn nhiều thách thức, nhưng các hãng xe lớn như Toyota (với Mirai), Hyundai (với Nexo) và Honda (với Clarity Fuel Cell) vẫn đang tiếp tục đầu tư mạnh mẽ vào công nghệ này. Đồng thời, các quốc gia như Nhật Bản, Hàn Quốc và Đức cũng đang xây dựng hệ thống trạm nạp hydro để thúc đẩy sự phát triển của xe FCEV.
Vậy, xe chạy pin nhiên liệu hydro có phải là tương lai của ngành ô tô? Câu trả lời có lẽ sẽ phụ thuộc vào tốc độ phát triển của cơ sở hạ tầng và công nghệ sản xuất hydro xanh. Nhưng dù thế nào, không thể phủ nhận rằng hydro đang là một trong những giải pháp tiềm năng giúp ngành giao thông vận tải hướng tới một tương lai xanh hơn, bền vững hơn.
Nguồn: Topgear
