Peter Brewer
A. Some of the world's greatest inventions have been discovered by accident. One such accident led to the discovery of the fuel cell and another led to its commercialisation. And in around 30 years, when most of the energy analysts have predicted the wells of oil will run dry, motorists will be thankful for both these strange twists of fate. Why? Simply because without the fuel cell to replace the combustion engine, private motoring as we all know it would be restricted to only those who could afford the high price.
Nhiều phát minh vĩ đại đã được tìm ra do tình cờ. Một sự tình cờ dẫn tới việc phát hiện pin nhiên liệu và một sự tình cờ khác đưa công nghệ này ra thị trường. Chừng ba thập kỷ nữa, khi nhiều nhà phân tích năng lượng dự đoán các giếng dầu sẽ cạn, người lái xe sẽ biết ơn cả hai bước ngoặt ấy. Vì nếu không có pin nhiên liệu để thay cho động cơ đốt trong, việc sử dụng xe cá nhân như ta vẫn biết sẽ chỉ còn dành cho những ai đủ tiền trả mức giá rất cao.
B. The exact date of the discovery of the fuel cell is not known, but historians agree it most likely occurred around 1838 in the laboratories of British physicist Sir William Grove, who had been studying electrolysis. Grove knew that in a simple electrolytic cell hydrogen and oxygen are produced when an electric current passes through water via a platinum wire. One day he reversed the process. As recorded in Powering the Future, Grove realised that just as we can use electricity to split water into hydrogen and oxygen, we should be able to generate electricity by combining these two gases.
Ngày chính xác phát hiện pin nhiên liệu không được biết, nhưng nhiều sử gia đồng ý rằng nó xảy ra khoảng năm 1838 trong phòng thí nghiệm của nhà vật lý người Anh Sir William Grove, người nghiên cứu điện phân. Grove biết rằng trong một tế bào điện phân đơn giản, hiđrô và ôxy được tạo ra khi cho dòng điện chạy qua nước bằng dây bạch kim. Một ngày nọ ông đảo ngược quá trình. Như ghi trong Powering the Future, Grove nhận ra: cũng như ta dùng điện để tách nước thành hiđrô và ôxy, ta có thể phát điện bằng cách kết hợp lại hai khí này.
C. The principle behind the fuel cell is simple. Hydrogen and oxygen, two of the most common elements in the world, are a very explosive combination. But separate them with a sophisticated platinum-coated barrier and an electrochemical reaction takes place, in which positively charged hydrogen ions react with oxygen and leave the hydrogen electrons behind. This action produces an excess of electrons on one side of the barrier and a deficit on the other. It is this difference that creates electrical energy.
Nguyên lý đằng sau pin nhiên liệu khá đơn giản. Hiđrô và ôxy — hai nguyên tố phổ biến — là một tổ hợp rất dễ nổ nếu kết hợp trực tiếp. Nhưng nếu ngăn cách chúng bằng một lớp chắn phủ bạch kim tinh vi, sẽ xảy ra phản ứng điện hoá: các ion hiđrô tích điện dương phản ứng với ôxy và để lại các electron của hiđrô phía sau. Nhờ vậy hình thành một bên thừa electron và bên kia thiếu electron. Chính sự chênh lệch này tạo ra năng lượng điện.
D. The early development of the fuel cell was fraught with problems and high cost. But by 1954 US giant General Electric had produced a prototype that proved sufficiently effective to interest NASA. The Gemini space programme demonstrated the viability of the fuel cell to provide electrical power. The spacecraft used six stacks of cells with three cells in each stack. The electrical output from each stack was modest—about one kilowatt—and, as a by-product, the system produced half a litre of water for each kilowatt-hour of operation. However, the Gemini cells were complex and required careful maintenance.
Giai đoạn đầu phát triển pin nhiên liệu đầy vấn đề và tốn kém. Tới năm 1954, tập đoàn Mỹ General Electric đã chế tạo một nguyên mẫu đủ hiệu quả để khiến NASA quan tâm. Chương trình vũ trụ Gemini chứng minh tính khả thi của pin nhiên liệu trong việc cung cấp điện. Tàu vũ trụ dùng sáu cụm, mỗi cụm ba tế bào. Mỗi cụm cho công suất khiêm tốn khoảng một kilôoát và tạo ra nửa lít nước cho mỗi kilôoát-giờ vận hành. Tuy nhiên, các cụm pin Gemini khá phức tạp và cần bảo trì cẩn thận.
E. At this time, if anyone had suggested to Canadian scientist Geoffrey Ballard that he would devote his career to fuel-cell technology, he would have laughed. Ballard's scientific background was actually geophysics, but during the oil crisis of 1973 the US government asked the Canadian to explore alternative forms of energy. Ballard threw himself into the project enthusiastically but soon became disillusioned by the short-termism of politics. Energy systems take a long time to develop, Ballard said. The short-term vision of politicians, who wanted to fund projects that could deliver quick results before re-election, was frustrating for scientists. Since the US government lacked the vision for the job, he decided to seek funding himself.
Khi ấy, nếu ai nói với nhà khoa học Canada Geoffrey Ballard rằng ông sẽ dành cả sự nghiệp cho công nghệ pin nhiên liệu, hẳn ông sẽ cười. Nền tảng của Ballard là địa vật lý, nhưng trong khủng hoảng dầu mỏ năm 1973, chính phủ Mỹ đã mời ông khảo sát các dạng năng lượng thay thế. Ballard bắt tay hăng hái nhưng nhanh chóng vỡ mộng vì tư duy ngắn hạn của chính trị. “Hệ thống năng lượng cần thời gian dài để phát triển,” ông nói. “Tầm nhìn ngắn hạn của các chính trị gia — muốn rót tiền cho dự án có kết quả nhanh trước bầu cử — khiến giới khoa học nản lòng.” Thấy chính phủ thiếu tầm nhìn, ông quyết định tự tìm nguồn tài trợ.
F. The big breakthrough on Ballard's fuel cell came by accident in the search for cheaper materials. Up until late 1986, Ballard's team had worked with only one type of fuel-cell membrane manufactured by DuPont, but Dow Chemical had also developed a similar membrane which had not been released for sale. Ballard's team tracked down an experimental sample of the Dow material, put it into a fuel cell and set up a standard test. Within a few minutes the cell was generating so much electricity on the test bench that it melted through the power-output cable.
Bước đột phá lớn đối với pin nhiên liệu của Ballard đến một cách tình cờ trong quá trình tìm vật liệu rẻ hơn. Trước cuối năm 1986, nhóm ông chỉ dùng một loại màng của DuPont; trong khi Dow Chemical cũng phát triển một màng tương tự nhưng chưa bán ra. Nhóm đã xin được mẫu thử vật liệu của Dow, lắp vào pin và chạy thử tiêu chuẩn. Chỉ vài phút sau, pin phát ra nhiều điện đến mức làm chảy cả dây cáp đầu ra.
G. Ballard immediately knew he had a saleable product. The problem was: should he aim his fuel cell at small markets like military field generators, wheelchairs and golf carts, or try to sell it as a full-blown alternative to the combustion engine? "It was so needed and the world was ready for it," Ballard said. "Los Angeles is dying; Vancouver is going to be eaten alive by its own pollution very shortly. It seemed like a time to go for broke." Ballard Power Systems first built a small bus to demonstrate the technology, and then an even bigger bus.
Ballard lập tức hiểu rằng mình có một sản phẩm có thể bán. Vấn đề là nên nhắm vào các thị trường nhỏ như máy phát dã chiến, xe lăn, xe điện sân golf, hay tiến thẳng tới việc thay thế động cơ đốt trong? “Nhu cầu quá lớn và thế giới đã sẵn sàng,” Ballard nói. “Los Angeles đang chết dần; Vancouver sắp bị chính ô nhiễm của mình nuốt chửng. Đã đến lúc liều một phen.” Ballard Power Systems chế tạo một chiếc xe buýt nhỏ để trình diễn công nghệ, rồi một chiếc còn lớn hơn.
H. As a result a number of multinational motor manufacturers, such as General Motors, Mitsubishi and Daimler-Benz, tested Ballard's cells. Finally, Daimler formed an alliance with Ballard that yielded some impressive prototypes, including a fully driveable fuel-cell-powered A-Class Mercedes-Benz compact car, known as NECAR 4. DaimlerChrysler, as the merged Daimler-Benz and Chrysler Corporation is now known, says the fuel cell represents the future of automotive transport. "The significance of this technological advancement—the fuel cell—is comparable to the impact the microchip had on computer technology when it replaced the transistor," said Dr Ferdinand Panik, head of DaimlerChrysler's fuel-cell development team.
Hệ quả là nhiều hãng xe đa quốc gia như General Motors, Mitsubishi và Daimler-Benz đã thử nghiệm pin của Ballard. Cuối cùng, Daimler liên minh với Ballard và cho ra những nguyên mẫu ấn tượng, gồm cả chiếc Mercedes-Benz A-Class chạy pin nhiên liệu (NECAR 4). Tập đoàn DaimlerChrysler tuyên bố pin nhiên liệu là tương lai của giao thông ô tô. “Ý nghĩa của bước tiến công nghệ này — pin nhiên liệu — sánh với tác động mà vi mạch đã tạo ra khi thay thế tranzito trong công nghệ máy tính,” tiến sĩ Ferdinand Panik, trưởng nhóm phát triển pin nhiên liệu của DaimlerChrysler, nhận xét.