Francis Thomas Bacon: Cha đẻ của pin nhiên liệu hydro

“Khi không còn dầu mỏ và khí đốt” là tiêu đề của một bài báo được đăng trên tờ New Scientist vào tháng 8/1972. Nội dung bài báo vẽ nên bức tranh tương lai với nhiều dự đoán chính xác một cách đáng ngạc nhiên, cho thấy thế giới có thể đạt “đỉnh dầu” trong giai đoạn từ năm 1990 - 2010 và con người sẽ tìm ra nguồn nhiên liệu tổng hợp để thay thế dầu mỏ. Đỉnh dầu là điểm giả thuyết mà tại đó sản lượng dầu thô khai thác toàn cầu đạt mức tối đa, sau đó sản lượng bắt đầu giảm.

“Nguồn nhiên liệu tổng hợp thay thế chỉ có thể là hydro”, tác giả bài báo Francis Thomas Bacon cho biết. Tuy nhiên, có một dự đoán cho đến nay đã không xảy ra là “hydro được sản xuất từ ​​nước bằng cách sử dụng điện do các lò phản ứng hạt nhân tạo ra”. Vào thời điểm đó, Bacon đã không lường trước những rủi ro tiềm ẩn đối với các nhà máy điện hạt nhân và ông cho rằng con người trong tương lai sẽ sử dụng điện hạt nhân một cách phổ biến.

Dù vậy, đề xuất thay thế dầu bằng nhiên liệu hydro của Bacon cho đến nay vẫn còn nguyên giá trị. Các chuyên gia ước tính đến năm 2050, pin nhiên liệu hydro sẽ cung cấp năng lượng cho khoảng một phần ba số phương tiện giao thông trên thế giới.

Với niềm tin vào một tương lai tươi sáng cho pin nhiên liệu hydro, Bacon đã dành toàn bộ cuộc đời để nghiên cứu về lĩnh vực này. Sau nhiều nỗ lực, ông đã chế tạo thành công pin nhiên liệu hydro thực tế đầu tiên trên thế giới.

Bacon sinh ra tại Anh vào năm 1904. Ông theo học ngành cơ khí tại Đại học Eton và Đại học Cambridge. Sau khi tốt nghiệp, ông trở thành nhân viên của công ty CA Parsons chuyên sản xuất tuabin hơi nước. Trong quá trình làm việc, ông cảm thấy hứng thú với một số bài báo đăng trên tạp chí Engineering, trong đó mô tả ý tưởng điện phân nước bằng nguồn điện và sử dụng các sản phẩm tạo thành bao gồm hydro và oxy để cung cấp năng lượng cho một chiếc xe.

“Tôi ngay lập tức nhận thấy ứng dụng tiềm năng của việc tạo ra năng lượng điện hóa từ hydro và oxy, thay vì đưa chúng vào trong các động cơ”, Bacon cho biết.

Ý tưởng về pin nhiên liệu đã có từ lâu. Nguyên lý hoạt động của nó lần đầu tiên được luật sư William Grove đưa ra vào năm 1839, nhưng lý thuyết này chưa bao giờ được ứng dụng vào thực tiễn. Với nền tảng kỹ thuật và kinh nghiệm làm việc với các lò phản ứng ở nhiệt độ và áp suất cao, Bacon đã cố gắng thuyết phục ông chủ tại công ty CA Parsons ủng hộ việc nghiên cứu và phát triển pin nhiên liệu hydro. Đáng tiếc là lời đề nghị này bị từ chối vì nó không liên quan đến công việc kinh doanh của công ty.

Không hề nao núng trước sự thiếu quan tâm của ông chủ, Bacon đã tiến hành các thử nghiệm tại nhà. Ông sáng chế ra một tế bào pin nhiên liệu hydro có thể đảo ngược. Ông sử dụng các điện cực niken hoạt hóa được ngăn cách bởi một tấm vải amiăng nguyên chất. Chất điện phân là dung dịch kali hydroxit hoạt động ở áp suất cao và nhiệt độ trên 100°C. Trước tiên, tế bào pin nhiên liệu sẽ phân tách nước thành khí hydro và oxy. Sau đó, các khí trong cùng một tế bào tái kết hợp lại với nhau để tạo ra dòng điện.

Không lâu sau, Bacon đã sửa đổi thiết kế của mình thành một hệ thống pin nhiên liệu gồm hai ngăn. Điện được tạo ra trong một ngăn riêng biệt với ngăn sản xuất hydro.

Tuy nhiên, các thí nghiệm thường xuyên phải sử dụng đến hóa chất ăn mòn cũng như phải có thiết bị duy trì áp suất và nhiệt độ cao nên không thể thực hiện tại nhà. Vì vậy Bacon, đã lén lút chuyển các dụng cụ thí nghiệm đến văn phòng làm việc. Khi bị công ty phát hiện ra điều này, họ đã yêu cầu Bacon ngừng sản xuất pin nhiên liệu hoặc rời đi. Cuối cùng, ông đã quyết định xin nghỉ việc.

Trong những năm tiếp theo, dự án phát triển pin nhiên liệu hydro của Bacon nhận được sự hỗ trợ của nhiều công ty và các trường đại học bao gồm King’s College London và Đại học Cambridge.

Công việc chế tạo pin nhiên liệu là một nhiệm vụ gian khổ. Trong điều kiện nhiệt độ cao và áp suất lên tới 600 psi, các miếng đệm và màng ngăn amiăng thường xuyên bị hỏng. Những năm sau này, các kỹ sư của công ty Pratt & Whitney nói một cách cường điệu rằng “nếu một chiếc tuốc nơ vít được thả vào bình chứa chất điện phân nóng trong một tế bào pin nhiên liệu của Bacon, nó sẽ tan ra trước khi chạm đáy”.

Một trong những vấn đề cần giải quyết là việc thiết lập một mặt phân cách ổn định giữa hydro, oxy và chất điện phân. Theo gợi ý của giáo sư Eric Rideal, Bacon đã phát triển một loại màng đặc biệt chứa những lỗ nhỏ li ti để thay thế màng ngăn amiăng. Từ đó, hiệu suất của các tế bào pin nhiên liệu được cải thiện đáng kể. Tuy nhiên, tuổi thọ của chúng vẫn rất ngắn, bởi vì các điện cực niken bị ăn mòn.

Vấn đề ăn mòn cuối cùng đã được khắc phục một vài năm sau đó, khi Bacon hợp tác với khoa Kỹ thuật Hóa học tại Đại học Cambridge. Ông phát hiện điện cực bị ăn mòn bởi vì lớp oxit hình thành trong quá trình điện phân bị vỡ ra. Giải pháp là oxy hóa trước điện cực – tương tự như cách mà nhôm được anode hóa – nhưng oxit niken [màu xanh] là chất cách điện nên điện cực ngừng hoạt động. Cuối cùng, ông trộn lẫn oxit niken với liti để biến nó thành một chất bán dẫn màu đen. Từ đó, điện cực có thể chịu được các điều kiện khắc nghiệt trong pin nhiên liệu mà không bị ăn mòn.

Bacon đã giới thiệu loại pin gồm sáu tế bào nhiên liệu tại một buổi triển lãm ở London. Mỗi tế bào có khả năng tạo ra hiệu điện thế 3V và cường độ dòng điện 230 mA/cm2.

Khi Mỹ thực hiện sứ mệnh đưa người lên Mặt trăng, họ đã cần đến công nghệ của Bacon để cung cấp năng lượng cho tàu Apollo. “ Nước từ sản phẩm phụ có thể được sử dụng để uống và làm ẩm bầu không khí của khoang tàu vũ trụ”, Pratt & Whitney, công ty được giao nhiệm vụ phát triển nguồn điện thực tế cho sứ mệnh Apollo, cho biết.

Kết quả là Neil Armstrong đã thực hiện thành công chuyến bay tới Mặt trăng trên tàu Apollo 11. “Ba nhà máy pin nhiên liệu hydro hoạt động hoàn hảo và cung cấp khoảng 400 kWh năng lượng điện trong suốt nhiệm vụ. Những lỗ lực tiên phong của bạn đã khiến dự án lên Mặt trăng trở nên khả thi và có thể thực hiện được”, kỹ sư Dick Foley tại Pratt & Whitney viết trong một lá thư cảm ơn gửi tới Bacon.

Trong suốt quãng đời còn lại, Bacon đã theo dõi rất chặt chẽ sự phát triển của pin nhiên liệu hydro. Ông thường tham gia các dự án phát triển với tư cách là một nhà tư vấn. Có lẽ ông sẽ cảm thấy hài lòng khi những chiếc xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro đang ngày càng trở nên phổ biến hơn, bởi vì chúng có hiệu suất hoạt động cao và không gây ô nhiễm môi trường.