Pin nhiên liệu (tài liệu thuộc Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM) là loại pin được tạo bởi các thiết bị đơn giản khi kết hợp giữa anode và catot, cụ thể chúng được vận hành bằng việc tách H+ và O2 qua quá trình điện hóa theo phương pháp phản ứng thuận nghịch, dạng pin này không những tạo ra năng lượng điện mà còn có thể tạo ra nước và nhiệt phục vụ rất lớn cho con người.
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Error! Bookmark not defined Chương KHÁI QUÁT VỀ PIN NHIÊN LIỆU 1.1 Khái niệm pin nhiên lieäu 1.2 Lịch sử hình thành pin nhiên liệu 1.3 Cấu tạo chung nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu .8 1.3.1 Cấu tạo chung pin nhiên liệu đơn giản 1.3.2 Nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu 1.4 Sức điện động thuận nghịch pin nhiên liệu 11 1.5 Cụm pin nhiên liệu hệ thống pin nhiên liệu 14 1.5.1 Cụm pin nhiên liệu 14 1.5.2 Hệ thống pin nhiên liệu .14 Chương CÁC KIỂU PIN NHIÊN LIỆU 17 2.1 Phân loại pin nhiên lieäu .17 2.2 Giới thiệu số loại pin nhiên liệu 18 2.2.1 Pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer (PEMFC) 18 2.2.1.1 Cấu tạo PEMFC 18 2.2.1.2 Nguyên lý hoạt động PEMFC 21 2.2.1.3 Ảnh hưởng nhiệt độ, áp suất độ ẩm 22 2.2.2 Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC) .24 2.2.3 Pin nhiên liệu kiềm (AFC) .26 2.2.3.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 26 2.2.3.2 Các đặc điểm .27 2.2.4 Pin nhiên liệu axit phosphoric (PAFC) 28 2.2.4.1 Caáu tạo nguyên lý hoạt động 28 2.2.4.2 Các đặc điểm .28 2.2.5 Pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy (MCFC) 29 2.2.5.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 29 2.2.5.2 Các đặc điểm .30 2.2.6 Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) 31 2.2.6.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 31 2.2.6.2 Các đặc điểm .31 Chương CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ PIN NHIÊN LIỆU 34 3.1 Hiệu suất pin nhiên liệu 34 3.1.1 Hieäu suất lý tưởng pin nhiên liệu 34 3.1.2 Hiệu suất điện áp pin nhiên liệu 35 3.1.3 Hiệu suất sử dụng nhiên liệu .38 3.1.4 Hiệu suất tổng quát pin nhiên liệu 38 3.2 Nhiên liệu sử dụng cho pin nhiên liệu .38 Chuyên đề pin nhiên liệu (Fuel Cell) Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực 3.2.1 Sản xuất hydro 39 3.2.2 Lưu chứa hydro 42 3.2.3 Phân phối hydro 45 3.2.4 Saûn xuất hydro trực tiếp hệ thống pin nhiên liệu 45 3.2.5 Vấn đề an toàn nhiên lieäu hydro 47 3.2.6 Tỉ lệ hòa trộn nhiên liệu chất oxy hóa 48 3.3 Sự tác động pin nhiên liệu đến môi trường 50 3.4 Chi phí chế tạo sử dụng pin nhiên liệu 51 3.5 Phạm vi ứng dụng pin nhiên liệu 51 3.5.1 Các ứng dụng cầm tay 52 3.5.2 Các ứng dụng tónh 52 3.5.3 Caùc ứng dụng di động 53 3.6 Đánh giá ưu điểm nhược điểm pin nhiên liệu 53 3.6.1 Ưu điểm 54 3.6.2 Nhược điểm 57 Chương ỨNG DỤNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU TRÊN ÔTÔ 59 4.1 Khái quát ôtô pin nhiên liệu 59 4.2 Phân loại ôtô pin nhiên liệu 62 4.2.1 Ôtô pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu thứ cấp 62 4.2.2 Ôtô pin nhiên liệu sử dụng hydro trực tiếp 63 4.3 Các thành phần ôtô pin nhiên liệu 63 4.3.1 Hệ thống pin nhiên liệu 63 4.3.2 Thùng chứa nhiên liệu 63 4.3.3 Bộ chuyển đổi nhiên liệu (thiết bị tạo hydro) 64 4.3.4 Nguồn công suất cực đại 66 4.3.5 Động điện 69 4.3.6 Bộ chuyển đổi điện 71 4.4 Bố trí hệ thống truyền lực ôtô pin nhiên liệu 72 4.5 Hoạt động ôtô pin nhiên liệu 73 4.5.1 Các chế độ vận hành ôtô pin nhiên liệu 73 4.5.2 Sự dao động lượng PPS 81 4.6 Giới thiệu số ôtô pin nhiên liệu 82 4.6.1 Ôtô pin nhiên liệu General Motors (GM) 82 4.6.2 Ôtô pin nhiên liệu cuûa Pininfarina 83 4.7 So sánh hiệu suất lượng ôtô pin nhiên liệu với loại ôtô khác 85 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 Chuyên đề pin nhiên liệu (Fuel Cell) Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực CHƯƠNG KHÁI QUÁT VỀ PIN NHIÊN LIỆU - o0o - Chuyên đề pin nhiên liệu (Fuel Cell) Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực Chương KHÁI QUÁT VỀ PIN NHIÊN LIỆU 1.1 KHÁI NIỆM VỀ PIN NHIÊN LIỆU Pin nhiên liệu thiết bị chuyển đổi trực tiếp hóa nhiên liệu thành điện nhờ vào trình điện hóa Hai nhiên liệu cần thiết cho pin nhiên liệu vận hành hydro (hoặc nhiên liệu giàu hydro) oxy (thường oxy từ không khí) Quá trình biến đổi lượng pin nhiên liệu thực theo phản ứng hóa học tổng quát sau: H O H O + điện + nhiệt Nhiên liệu (hydro) Điện PIN NHIÊN LIỆU Không khí (oxy) Nhiệt Nước, CO2 Hình 1.1 Sơ đồ mô tả pin nhiên liệu Động hydro dùng khí hydro, khác với động hydro chỗ, pin nhiên liệu không trực tiếp đốt cháy hydro mà dùng chất xúc tác để tách electron từ nguyên tử hydro có nhiên liệu để tạo thành ion, sau hướng ion electron theo chiều định để tạo dòng điện Như vậy, pin nhiên liệu hoàn toàn cháy động đốt trong, đó, sinh lượng khí gây hiệu ứng nhà kính nhiều không sinh khí thải gây ô nhiễm môi trường Nếu nhiên liệu sử dụng hydro nguyên chất oxy pin nhiên liệu sinh nhiệt sản phẩm phụ nước (một số loại có thêm CO2 ) Mặt khác, chuyển hóa nhiệt thành nên hiệu suất không bị giới hạn hiệu suất nhiệt chu trình Carnot, vận hành nhiệt độ tương đối thấp Và tương tự accu, pin nhiên liệu thiết bị tạo dòng điện thông qua chế phản ứng điện hóa Tuy nhiên, điểm khác biệt Chuyên đề pin nhiên liệu (Fuel Cell) Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực nằm chỗ, pin nhiên liệu tạo dòng điện liên tục cung cấp đầy đủ nhiên liệu cho nó, đó, accu cần phải nạp điện lại (sạc) từ nguồn điện bên sau thời gian sử dụng Như vậy, muốn tái sử dụng lại accu cần phải có thời gian dài để nạp điện lại, pin nhiên liệu cần cung cấp nhiên liệu có điện để sử dụng So với lượng gió lượng mặt trời, pin nhiên liệu không phụ thuộc vào thời tiết độ dài ngày, đảm bảo cung cấp lượng 24/24 Khi cung cấp hóa chất, pin cung cấp điện Nguồn nhiên liệu sử dụng cho pin nhiên liệu dồi Oxy có sẵn không khí, hydro thu từ nhiều nguồn khác như: nhiên liệu hóa thạch, nguồn nhiên liệu tái sinh, lượng hạt nhân, nguồn tài nguyên có nước,… Điều làm giảm phụ thuộc dầu mỏ vào nước khác Như vậy, thấy, pin nhiên liệu nguồn lượng tiên tiến nay, đóng vai trò máy sản xuất điện thực thụ với nhiên liệu đầu vào cần hydro oxy 1.2 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH PIN NHIÊN LIỆU Pin nhiên liệu nhiều người nghiên cứu từ kỉ 19, phát minh pin nhiên liệu ghi nhận ông William Robert Grove (1811-1896) – nhà khoa học tự nhiên xứ Wales – vào năm 1839 Phát minh dựa sở trình điện phân nước Ông Grove tin rằng, tách nước thành hydro oxy nhờ vào lượng điện trình ngược lại xảy ra, tức sản xuất dòng điện cách kết hợp hydro oxy Và thời điểm này, platin xem chất xúc tác cho phản ứng hydro oxy Dựa vào giả thiết đó, ông Grove chế tạo thành công mô hình thực nghiệm pin nhiên liệu, bao gồm hai điện cực platin bao trùm hai ống hình trụ thủy tinh, ống chứa hydro ống chứa oxy Khi chúng nhúng axit sulfuric loãng, dòng điện xuất hai điện cực nước sinh ống Để tăng điện áp đầu ra, ông Grove liên kết nhiều thiết bị với tạo thành thiết bị mà ông gọi “accu khí” (gas battery) Năm 1889, hai nhà hóa học Ludwig Mond Charles Langer cố gắng phát triển mô hình Grove vào ứng dụng thực tế việc sử dụng không khí khí than đá làm nhiên liệu Và thuật ngữ “pin nhiên liệu” (fuel cell) hình thành từ Tuy nhiên, hạn chế mặt vật liệu kỹ thuật nên nghiên cứu họ không ứng dụng rộng rãi Mặt khác, phát triển ạt động đốt phổ biến Chuyên đề pin nhiên liệu (Fuel Cell) Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực nhiên liệu hóa thạch vào khoảng cuối kỉ thứ 19 làm cho pin nhiên liệu không giới ý đến Đến năm 1932, Dr Francis Thomas Bacon – kỹ sư người Anh – tiếp tục phát triển mô hình pin nhiên liệu với cải tiến Ông thay điện cực platin vật liệu niken tốn thay chất điện phân axit sulfuric kali hydroxit, chất có tính ăn mòn Thiết bị đặt tên “pin Bacon” (Bacon cell) – pin nhiên liệu kiềm giới Và đến 27 năm sau, tức vào năm 1959, Bacon sản xuất pin nhiên liệu thật khả thi Loại pin có công suất 5kW, đủ cung cấp cho máy hàn điện Vào năm 1950, pin nhiên liệu thật quan tâm Lúc này, NASA (National Aeronautics and Space Administration) tìm cách để sản xuất điện cho hàng loạt chuyến bay có người lái vào không gian Phương án sử dụng accu gặp trở ngại vấn đề trọng lượng; lượng mặt trời đắt vào thời điểm lượng hạt nhân nguy hiểm Trong giải pháp NASA pin nhiên liệu khả thi Và NASA định đầu tư để nghiên cứu phát triển pin nhiên liệu thành thiết bị ứng dụng chương trình du hành vũ trụ Vào khoảng thời gian năm 1955 năm 1958, hai nhà hóa học làm việc tập đoàn điện tử General Electric (Mỹ) Willard Thomas Grub Leonard Niedrach nghiên cứu thành công cho đời loại pin nhiên liệu sử dụng màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane - PEM) đóng vai trò làm chất điện phân Và “pin nhiên liệu Grub-Niedrach” NASA sử dụng chương trình du hành vũ trụ Gemini Với công suất 1kW, tế bào nhiên liệu cung cấp đồng thời điện nước uống cho phi hành gia vũ trụ Các tế bào nhiên liệu chương trình Gemini dài 60cm có đường kính 20cm Vào đầu năm 1960, nhà sản xuất động máy bay Pratt & Whitney (Canada) cấp sáng chế cho Bacon pin nhiên liệu kiềm (AFC - Alkaline Fuel Cell) Với mục tiêu giảm trọng lượng pin nhiên liệu sử dụng màng trao đổi proton General Electric, Pratt & Whitney cải thiện thiết kế ban đầu Bacon Và kết Pratt & Whitney giành hợp đồng NASA việc cung cấp pin nhiên liệu cho tàu du hành vũ trụ Apollo Kể từ đó, pin nhiên liệu kiềm sử dụng hầu hết tàu du hành vũ trụ có người lái Mỹ, kể tàu thoi Năm 1966, General Motors cho thử nghiệm ôtô sử dụng pin nhiên liệu kiềm, xe có tên gọi “GM Electrovan” sử dụng pin nhiên liệu kiềm Pin nhiên liệu mà “GM Electrovan” sử dụng sản xuất công ty Union Carbide, có công suất 32 kW, sử dụng nhiên liệu hydro lỏng, tuổi thọ 1000 Chiếc “GM Electrovan” có phạm vi hoạt động 200km, tốc độ Chuyên đề pin nhiên liệu (Fuel Cell) Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực cao đạt 105 km/h Tuy nhiên, sau “GM Electrovan” thử nghiệm công bố dự án phải tạm hoãn chi phí đắt Mặt khác, việc sử dụng hydro lỏng vào thời điểm xem không an toàn đường công cộng, nên không cho lưu thông mà xem tài sản General Motors Hình 1.2 Chiếc “GM Electrovan” General Motors Các khủng hoảng dầu hỏa vào năm 1970 thúc đẩy số công ty tổ chức phủ nghiên cứu để thương mại hóa rộng rãi pin nhiên liệu Và năm 1980, pin nhiên liệu có ứng dụng rộng rãi lónh vực đời sống, nhà máy điện Nhờ chế tạo vật liệu có hiệu cao có khả chống ăn mòn tốt nổ lực tìm kiếm nguồn lượng thân thiện với môi trường cho tương lai, pin nhiên liệu phát triển mạnh vào đầu năm 1990 Hiện nay, hầu hết các công ty sản xuất ôtô lớn giới công bố mẫu xe chạy pin nhiên liệu như: NECAR, F-Cell DaimlerChrysler; BMW 745H cuûa BMW; MOVE FCV-KII cuûa Daihatsu; FCX, FCX-V1, FCX-V2 Honda; FCHV Toyota,… Ngoài ra, thử nghiệm pin nhiên liệu xe buýt Chicago (Mỹ), Vancouver (Canada) thành phố khác Bắc Mỹ Châu Âu cho thấy khả ứng dụng pin nhiên liệu ôtô có nhiều triển vọng tương lai gần Ở Việt Nam, vào cuối năm 2004, Tiến só Nguyễn Mạnh Tuấn, Phân viện Vật lý TP.HCM công bố kết nghiên cứu pin nhiên liệu Loại pin mà Tiến só Nguyễn Mạnh Tuấn nghiên cứu pin sử dụng nhiên liệu cồn methanol thay cho nhiên liệu hydro (do hydro khó bảo quản, dễ rò rỉ dễ phát nổ gặp tia lửa điện không khí) Trong trình nghiên cứu, nhà khoa học Phân viện Vật lý TP.HCM nghiên cứu, chế tạo điện cực dùng màng hấp thụ carbon có độ dẫn điện Chuyên đề pin nhiên liệu (Fuel Cell) Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực cao cho chất khí ngang qua Đồng thời, nhà khoa học chế tạo chất điện phân dùng giấy màng lọc thủy tinh có lỗ thấm siêu nhỏ Quá trình nghiên cứu cho loại pin nhiên liệu có hiệu suất chuyển hóa điện 50%, với 250ml cồn cấp 600 W/giờ điện Một nghiên cứu khác Tiến só Nguyễn Chánh Khê cộng Trung tâm Nghiên cứu Phát triển – Khu công nghệ cao TP.HCM công bố năm 2005 Đó việc chế tạo thành công màng chuyển hóa proton, vốn lõi công nghệ nghiên cứu từ vật liệu nano nước Bên cạnh đó, nhóm bắt đầu sử dụng carbon nanotube việc tạo chất xúc tác có khả dẫn đến tăng hiệu suất chuyển hóa điện năng, giảm chi phí kích thước pin nhiên liệu 1.3 CẤU TẠO CHUNG VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA PIN NHIÊN LIỆU 1.3.1 Cấu tạo chung pin nhiên liệu đơn giản Một pin nhiên liệu đơn giản gồm có hai điện cực anode (là điện cực mà xảy trình oxy hóa) cathode (là điện cực mà xảy trình khử) Giữa hai điện cực chứa chất điện phân (electrolyte) dùng để vận chuyển hạt ion từ điện cực sang điện cực khác, chất xúc tác nhằm làm tăng tốc độ phản ứng Hình 1.3 Cấu tạo pin nhiên liệu đơn giản Hai điện cực làm chất dẫn điện (kim loại, carbon,…) Nhiên liệu (hydro nhiên liệu giàu hydro) cung cấp đến anode Chuyên đề pin nhiên liệu (Fuel Cell) Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực oxy (thường oxy từ không khí) cung cấp đến cathode Các phản ứng hóa học tạo dòng điện xảy hai điện cực Tùy thuộc vào loại pin nhiên liệu mà chất điện phân thể rắn, thể lỏng có cấu trúc màng Nó cho phép ion thích hợp qua anode cathode pin nhiên liệu không cho phép electron di chuyển qua Ngoài ra, để thúc đâåy phản ứng hóa học xảy ra, người ta bổ sung chất xúc tác vào điện cực chất điện phân nhiều cách khác tùy theo loại pin nhiên liệu Ở số kiểu pin nhiên liệu, chất xúc tác vật liệu điện cực, số loại pin khác chất xúc tác chất khác đặt tiếp xúc điện cực lớp điện phân phủ trực tiếp lên chất điện phân Mặc dù chất xúc tác loại pin nhiên liệu khác vật liệu cấu tạo, chúng có công dụng thúc đẩy phản ứng hóa học xảy điện cực Chất xúc tác làm thay đổi trạng thái hóa học chất khác thân chúng không bị thay đổi Chất xúc tác thường dùng pin nhiên liệu kim loại q platin 1.3.2 Nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu Hình 1.4 Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu Chuyên đề pin nhiên liệu (Fuel Cell) Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực Các phản ứng hóa học tạo dòng điện xảy điện cực chìa khóa chế hoạt động pin nhiên liệu Có nhiều kiểu pin nhiên liệu kiểu vận hành cách khác tùy thuộc vào loại nhiên liệu chất điện phân sử dụng pin Tuy nhiên, tất loại pin nhiên liệu có nguyên lý hoạt động sau: Khi nguyên tử hydro có nhiên liệu vào anode pin nhiên liệu, phản ứng hóa học xảy lấy electron chúng Những nguyên tử hydro lúc bị ion hóa, tạo thành ion hydro mang điện tích dương (proton) Các electron mang điện tích âm bị ngăn cản chất điện phân nên di chuyển trực tiếp từ anode sang cathode mà phải vòng qua mạch điện bên ngoài, tạo dòng điện chiều Cùng lúc đó, khí oxy cung cấp đến cathode pin nhiên liệu nhận electron này, tạo thành ion oxy ( O 2 ) Và số dạng pin nhiên liệu, ion oxy kết hợp với ion hydro vừa qua chất điện phân từ anode pin nhiên liệu để tạo thành nước; số dạng pin nhiên liệu khác, ion oxy di chuyển qua chất điện phân đến anode, gặp kết hợp với ion hydro để tạo thành nước Như vậy, dù hydro oxy gặp kết hợp với anode hay cathode cuối tạo nước, thoát khỏi pin Pin nhiên liệu liên tục phát điện cung cấp hydro oxy Trong pin nhiên liệu, electron di chuyển từ anode sang cathode thông qua mạch điện bên ngoài, nên dòng điện qua mạch điện có chiều từ cathode sang anode Vì vậy, cathode điện cực dương anode điện cực âm pin nhiên liệu Dưới sơ đồ mô tả hai phản ứng pin nhiên liệu mà phản ứng tổng quát chúng phản ứng nghịch trình điện phân nước: Phản ứng anode: H H 4e Phaûn öùng treân cathode: O H 4e H O Tổng quát: H O2 H O + điện + nhiệt Ở số loại pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu hóa thạch, sản phẩm tạo pin có CO2 , lượng CO2 pin nhiên liệu tạo nhiều so với động đốt thông thường Lượng điện thu từ pin nhiên liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: loại pin nhiên liệu, kích cỡ pin, nhiệt độ hoạt động, áp suất không khí Chuyên đề pin nhiên liệu (Fuel Cell) 10 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực Ppps c đó: Ppps c - công suất sạc cho PPS Hình 4.12 Sơ đồ truyền công suất chế độ có pin nhiên liệu kéo xe 4.5.1.3 Chế độ có PPS kéo xe Hình 4.13 Sơ đồ truyền công suất chế độ có PPS kéo xe Khi xe cần kéo, đồng thời, motor cần công suất thấp công suất tối thiểu pin nhiên liệu PPS không cần sạc (đạt yêu cầu lượng), pin nhiên liệu vận hành chế độ không tải PPS cung cấp công suất để kéo xe Công suất pin nhiên liệu công suất phóng PPS trường hợp biểu diễn sau: Chuyên đề pin nhiên liệu (Fuel Cell) 76 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực Pfc Ppps c Pm in Trong trường hợp này, công suất lớn mà PPS sản xuất phải lớn công suất mà motor cần Sau thời gian kéo xe, mức lượng PPS giảm cần sạc xe chuyển sang chế độ pin nhiên liệu vừa kéo xe vừa sạc cho PPS 4.5.1.4 Chế độ pin nhiên liệu vừa kéo xe vừa sạc cho PPS Xe vận hành chế độ cần kéo xảy hai trường hợp sau: - Khi motor cần công suất thấp công suất tối thiểu pin nhiên liệu PPS cần sạc (mức lượng thấp giá trị min) - Khi motor cần công suất lớn công suất tối thiểu pin nhiên liệu nhỏ công suất thiết kế pin nhiên liệu PPS cần sạc (mức lượng chưa đạt giá trị max) Hình 4.14 Sơ đồ truyền công suất chế độ pin nhiên liệu vừa kéo xe vừa sạc cho PPS Khi xe vận hành chế độ này, hệ thống pin nhiên liệu vận hành công suất thiết kế, phần dùng điều khiển xe phần dùng để sạc cho PPS Công suất pin nhiên liệu công suất sạc cho PPS biểu diễn sau: Chuyên đề pin nhiên liệu (Fuel Cell) 77 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực Pfc Pfc rated Pppsc Pfc Pm in 4.5.1.5 Chế độ có phanh tái sinh Hình 4.15 Sơ đồ truyền công suất chế độ có phanh tái sinh Xe vận hành chế độ cần phanh công suất phanh yêu cầu nhỏ công suất phanh tối đa mà motor cung cấp Khi motor điều khiển để có chức máy phát phần động xe chuyển thành lượng điện nạp cho PPS Trong trường hợp này, công suất sạc cho PPS lúc xem với công suất đầu motor: Pppsc Pmout Pm out Pbc m 4.5.1.6 Chế độ phanh lai Đây trường hợp xảy xe cần phanh với lực phanh yêu cầu lớn công suất phanh tối đa mà motor cung cấp Trong trường hợp này, motor điều khiển để tạo công suất phanh cực đại phần công suất phanh lại lấy từ phanh khí Lúc này, PPS sạc với công suất với công suất đầu motor công suất đầu motor biểu biễn sau: Chuyên đề pin nhiên liệu (Fuel Cell) 78 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực Pm out Pmb max m đó: Pmb max công suất phanh tối đa mà motor sinh Chuyên đề pin nhiên liệu (Fuel Cell) 79 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực Pbc Ptc Pcomm Xe cần phanh? Pcomm - Công suất yêu cầu Pfc-rated - Công suất thiết kế pin nhiên liệu Pm-in - Công suất cần cung cấp cho motor Pfc-min - Công suất nhỏ pin nhiên liệu E - Mức lượng PPS Emax - Mức lượng cao PPS Emin - Mức lượng thấp PPS Pbc - Công suất phanh yêu cầu Pmb-max - Công suất phanh lớn motor Đúng Sai Nếu Pbc > Pmb-max Đúng Chế độ phanh lai Nếu Pm-in > Pfc-rated Sai Đúng Chế độ có phanh tái sinh Chế độ kéo lai Sai Nếu Pm-in Pfc-min Đúng Sai Neáu E Emax Neáu E < Emin Sai Đúng Đúng Chế độ pin nhiên liệu vừa kéo xe vừa sạc cho PPS Chế độ có PPS kéo xe Sai Chế độ pin nhiên liệu vừa kéo xe vừa sạc cho PPS Chế độ có pin nhiên liệu kéo xe Hình 4.16 Sơ đồ thuật toán điều khiển cho ôtô pin nhiên liệu Chuyên đề pin nhiên liệu (Fuel Cell) 80 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực 4.5.2 Sự dao động lượng PPS PPS cung cấp lượng tới hệ thống truyền lực cần công suất cực đại, trả lại lượng cho dự trữ từ phanh tái sinh từ hệ thống pin nhiên liệu Sự thay đổi lượng PPS chu kỳ hoạt động biểu diễn sau: E (E pps c E pps d )dt (4.6) t đó: E ppsc - lượng sạc cho PPS E ppsd - lượng phóng PPS Sự thay đổi lượng PPS phụ thuộc vào kích thước hệ thống pin nhiên liệu, cách thức điều khiển xe, biên dạng công suất tải với thời gian Hình 4.17 cho biết thay đổi tương ứng tốc độ xe, công suất hệ thống pin nhiên liệu, công suất PPS, thay đổi lượng PPS theo thời gian xe du lịch có công suất định mức pin nhiên liệu khoảng 40 kW, hoạt động chu kỳ làm việc thành phố sử dụng cách thức điều khiển đề cập Hình 4.17 Biểu đồ tốc độ xe, công suất pin nhiên liệu, công duất PPS thay đổi lượng PPS Hình 4.17 cho thấy thay đổi lượng cực đại E max PPS thật nhỏ (khoảng 0.1 kWh) Kết ý nói PPS không cần nhiều lượng dự trữ để cung cấp cho hoạt động xe chu kỳ làm việc Một điều nên ý khả sinh công suất hệ thống pin nhiên liệu bị giới hạn trước hệ thống pin nhiên liệu làm Chuyên đề pin nhiên liệu (Fuel Cell) 81 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực nóng, kéo xe phải nhờ vào PPS Trong trường hợp này, lượng PPS phân phối nhanh chóng Hình 4.18 Sự thay đổi lượng PPS chế độ có PPS kéo xe Hình 4.18 cho biết thay đổi lượng PPS điều kiện làm việc thành phố xe du lịch 1500 kg, chế độ PPS đẩy xe tới Nó cho thấy khoảng kWh lượng PPS cần thiết để hoàn thành chu kỳ hoạt động (khoảng chừng 10.62 km (6.64 dặm) 23 phút), khoảng 43,5 Wh lượng từ PPS bị phóng phút Giả thiết để làm nóng hệ thống pin nhiên liệu cần 10 phút khoảng 435Wh lượng PPS bị phóng 4.6 GIỚI THIỆU MỘT SỐ ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU 4.6.1 Ôtô pin nhiên liệu General Motors (GM) Từ 1964, General Motors (GM) xây dựng chương trình phát triển xe điện với mục đích tìm kiếm phát triển hệ thống truyền động như: motor điều khiển cho nó, nguồn công suất, Một nguồn công suất lựa chọn pin nhiên liệu Và vào năm 1966, General Motors cho đời xe pin nhiên liệu đầu tiên, Electrovan (như giới thiệu chương 1) Vào tháng năm 2000, General Motors cho đời HydroGen1 (hình 3.10), pin nhiên liệu PEM có công suất 75 kW với 200 pin nhiên liệu đơn, sử dụng nhiên liệu hydro lỏng, motor điện xoay chiều có công suất tối đa 60 kW, tốc độ tối đa xe 140 km/h, phạm vi hoạt động khoảng 400 km Xe có trọng lượng 1575 kg, thời gian tăng tốc từ đến 100 km/h 16 giây Kích thước xe 4317 mm (dài) x 1742 mm (rộng) x 1684 mm (cao) Đến năm 2001, General Motors cải tiến HydroGen1 thành HydroGen3 pin nhiên liệu PEM 94 kW Chuyên đề pin nhiên liệu (Fuel Cell) 82 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực Hiện nay, GM có ôtô pin nhiên liệu tiếng Hydroge4 (năm 2007), Provoq (năm 2008), Equinox FCEV (năm 2006), Sequel (năm 2005), 4.6.2 Ôtô pin nhiên liệu Pininfarina Tại triển lãm quốc tế Geneva 2008, hãng Pininfarina cho mắt mẫu xe Sintesi Concept chạy pin nhiên liệu (fuel cell), coi bước đột phá công nghệ fuel cell Hình 4.19 Mẫu xe Sintesi Concept hãng Pininfarina Không giống xe fuel cell thông thường sử dụng motor dẫn động bánh xe, mẫu xe Sintesi Concept, bánh xe bố trí gồm: pin nhiên liệu sử dụng công nghệ PEM có công suất 20 kW, accu Lithium-ion có công suất 100 kW module điều khiển điện tử đóng vai trò điều tiết dòng điện cung cấp tới motor đặt bánh xe Bộ accu Lithium-ion sử dụng để cung cấp lượng cho motor xe thực tăng tốc đồng thời nạp thêm điện xe thực giảm tốc phanh, điều kiện làm việc bình thường lượng cung cấp cho motor điện lấy từ nguồn pin nhiên liệu Chính nhờ kết hợp pin nhiên liệu accu nên trường hợp cần tăng tốc nhanh hệ thống cung cấp công suất cực đại lên tới 180 kW Để cung cấp lực kéo cho bánh xe, bánh xe sử dụng motor điện chiều dùng nam châm vónh cửu kết hợp với truyền động bánh có tỷ số truyền động 2,8:1 Motor có công suất cực đại 68 kW mômen xoắn lớn đạt 910 Nm, motor kết nối trực tiếp với accu đóng vai trò máy phát để thực nạp điện cho accu xe thực giảm tốc dừng lại Chuyên đề pin nhiên liệu (Fuel Cell) 83 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực Bước đột phá lớn Sintesi Concept việc lắp đặt hệ thống xử lý nhiên liệu để cung cấp trực tiếp khí hydro cho hệ thống pin nhiên liệu không sử dụng khí hydro có sẵn bình chứa xe pin nhiên liệu trước Quá trình xử lý nhiên liệu để tạo hydro nhiên liệu trải qua giai đoạn sau: Hydro lẫn tạp chất Khí hydro trở lại Loại bỏ khí CO Hydro tới pin nhiên liệu Nhiên liệu nước Hình 4.20 Bộ xử lí nhiên liệu xe Sintesi Concept Buồng 1: Không khí, nhiên liệu nước đưa vào buồng đốt trước để làm nóng Buồng 2: Sau làm nóng buồng hỗn hợp hòa trộn đưa vào buồng đốt 2, xảy phản ứng hóa học để tạo hydro nhiên liệu CO Buồng 3: Khí CO vào từ buồng đưa vào buồng xảy phản ứng với nước để tạo thêm hydro nhiên liệu đồng thời thải khí CO2 không độc Buồng 4: Thực loại bỏ hợp chất lưu huỳnh khỏi nhiên liệu để tránh gây ô nhiễm môi trường Buồng 5: Thực trình oxi hóa khí CO độc hại lại sau trình để tạo thành khí CO2 thải môi trường Đường 6: Khí hydro sau từ hệ thống pin nhiên liệu quay trở lại hệ thống xử lý nhiên liệu để nâng cao hiệu suất làm việc hệ thống Chuyên đề pin nhiên liệu (Fuel Cell) 84 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực Trên mẫu Sintesi Concept, hệ thống xử lý nhiên liệu áp dụng cho loại nhiên liệu lỏng như: xăng, ethanol, diesel, biodiesel Với việc kết hợp pin nhiên liệu accu để cung cấp lượng cho motor dẫn động bánh xe, đồng thời hệ thống xử lý nhiên liệu để tạo hydro cung cấp cho fuel cell gắn xe, tăng 40% hiệu sử dụng nhiên liệu chạy quãng đường lên tới 800 km cho lần nạp nhiên liệu mà thải 78g CO2/km 4.7 SO SÁNH HIỆU SUẤT NĂNG LƯNG CỦA ÔTÔ PIN NHIÊN LIỆU VỚI CÁC LOẠI ÔTÔ KHÁC Để tính hiệu suất lượng ôtô vận hành điều kiện định, vào hiệu suất tất trình biến đổi lượng để tạo lượng có ích bánh xe Như vậy, phải nguồn lượng dùng để sản xuất lượng cung cấp cho ôtô Trong đó, lượng cung cấp cho ôtô sử dụng động đốt hóa nhiên liệu; ôtô điện điện accu tạo ra; ôtô pin nhiên liệu điện pin nhiên liệu tạo hay hóa nhiên liệu cung cấp cho pin nhiên liệu Tại trang web http://europe.theoildrum.com, người ta so sánh hiệu suất loại ôtô hình 4.21 Theo đó, hiệu suất loại ôtô điện (với điện sản xuất từ lượng gió) cao (trên 60%), hiệu suất ôtô pin nhiên liệu khoảng 24%, thấp so với ôtô sử dụng động xăng (khoảng 34,8%) Hình 4.21 So sánh hiệu suất loại ôtô Chuyên đề pin nhiên liệu (Fuel Cell) 85 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực Một cách khác để tính hiệu suất lượng ôtô ôtô vận hành điều kiện định dựa vào quãng đường mà xe (km) tiêu thụ đơn vị lượng (MJ hay kWh) Đơn vị để đo hiệu suất lượng trường hợp quy đổi km/MJ Sau đây, xin giới thiệu cách tính hiệu suất lượng loại ôtô mà Tesla Motors áp dụng * Hiệu suất lượng ôtô sử dụng động xăng Để tính hiệu suất lượng ôtô người ta nguồn lượng dùng để sản xuất nhiên liệu cho ôtô Ví dụ, để tính hiệu suất lượng ôtô sử dụng động xăng, ta hàm lượng lượng nhiên liệu xăng 46,7 MJ/kg hay 34,3 MJ/l Mặt khác, hiệu suất trình sản xuất vận chuyển xăng giả thuyết 81,7% Do đó, hàm lượng lượng nguồn lượng dùng để sản xuất xăng là: 34.3MJ / l 42 MJ / l 81,7% Sau đó, dựa vào mức tiêu thụ nhiên liệu (quãng đường mà xe chạy đơn vị nhiên liệu) để tính hiệu suất lượng chúng Ví dụ, mức tiêu thụ nhiên liệu Honda Civic VX 1993 vận hành kết hợp thành phố xa lộ tham khảo 51mpg, tương đương quãng đường mà xe chạy sử dụng lít xăng 21,7 km Như vậy, hiệu suất lượng xe là: 21,7 km / l 0,51km / MJ 42 MJ / l * Hiệu suất lượng ôtô lai điện Đối với ôtô lai điện (động đốt lai với thiết bị tạo điện năng), lượng sạc cho thiết bị điện chủ yếu từ động đốt (ở bỏ qua lượng sạc từ trình phanh tái sinh) Xét ôtô lai điện Honda Insight 2005 có mức tiêu thụ nhiên liệu vận hành kết hợp thành phố xa lộ 63mpg Cũng theo cách tính trên, ta tính hiệu suất lượng ôtô 0,61 km/MJ * Hiệu suất lượng ôtô điện Đối với ôtô điện, lượng cung cấp cho ôtô lượng điện Người ta tính rằng, xe điện Tesla Roadster tiêu thụ khoảng 110Wh (tương đương 0,4 MJ) điện accu để vận hành 1km, tương đương 2,53 km/MJ Mặt khác, hiệu suất nạp phóng accu Li-ion Tesla Roadster khoảng 86% (tức 100 MJ lượng sạc cho accu có Chuyên đề pin nhiên liệu (Fuel Cell) 86 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực 86 MJ lượng accu cung cấp cho motor xe) Như vậy, hiệu suất lượng tính từø accu Tesla Roadster 2,53 km/MJ x 86% = 2,18 km/MJ Giả thiết điện để sạc cho accu tạo từ trạm phát điện sử dụng khí đốt tự nhiên Người ta tính hiệu suất trình 52,5% Như hiệu suất lượng tổng quát Tesla Roadster 2,18 km/MJ x 52,5% = 1,14 km/MJ * Hiệu suất lượng ôtô pin nhiên liệu Đối với ôtô pin nhiên liệu, người ta tính hiệu suất trình sản xuất, vận chuyển, lưu trữ phân phối hydro 52 - 61% (giả thiết sản xuất hydro phương pháp hóa nhiệt khí thiên nhiên) Đối với ôtô sử dụng pin nhiên liệu PEM có hiệu suất pin 50%, người giả thiết mức tiêu thụ điện loại xe 2,53 km/MJ (giống Tesla Roadster) Như vậy, hiệu suất lượng loại ôtô 2,53 km/MJ x 61% x 50% = 0,77 km/MJ Đây số ấn tượng so sánh với ôtô sử dụng động đốt trong, thực tế ôtô pin nhiên liệu không đạt mức tiêu thụ điện xe điện Do đó, người ta tính hiệu suất lượng ôtô pin nhiên liệu Honda FCX sau: - Hàm lượng lượng hydro 149 MJ/kg - Quá trình sản xuất, vận chuyển, lưu trữ, phân phối hydro có hiệu suất 61% (giả thiết sản xuất hydro phương pháp hóa nhiệt khí thiên nhiên) - Mức tiêu thụ nhiên liệu 80 km/1kg nhiên liệu hydro Do đó, hiệu suất lượng ôtô là: 80km / kg 61% 0,35km / MJ 149 MJ / kg Như vậy, so với loại ôtô khác hiệu suất lượng ôtô pin nhiên liệu không Ngoài ra, số so sánh khác thể bảng 4.3 cho thấy ôtô pin nhiên liệu chưa phải giải pháp tối ưu Tuy nhiên, so sánh mang tính chất tương đối, so sánh ôtô pin nhiên liệu bình thường (chưa có cải tiến) so với ôtô cải thiện gần tốt Với phát triển khoa học kỹ thuật, hy vọng sớm cho đời ôtô pin nhiên liệu vừa không gây ô nhiễm môi trường vừa có hiệu suất cao Chuyên đề pin nhiên liệu (Fuel Cell) 87 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực Hình 4.22 Biểu đồ so sánh hiệu suất lượng số loại ôtô Hình 4.23 Biểu đồ so sánh khả tăng tốc số loại ôtô Hình 4.24 Biểu đồ so sánh mức phát thải CO2 số loại ôtô Tóm lại, pin nhiên liệu hoàn toàn có khả ứng dụng ôtô Ưu điểm lớn ôtô pin nhiên liệu tác động đến môi trường Tuy nhiên, phương pháp sản xuất nhiên liệu cho cần phải lựa chọn cho phù hợp để tránh tình trạng di chuyển ô nhiễm từ ôtô sang nơi sản xuất nhiên liệu Mặt khác, chi phí chế tạo ôtô pin nhiên liệu đắt bất lợi việc dự trữ cung cấp nhiên liệu nên nên ôtô pin nhiên liệu chưa thể Chuyên đề pin nhiên liệu (Fuel Cell) 88 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực cạnh tranh với ôtô sử dụng nguồn lượng khác Người ta dự đoán rằng, vòng hai thập kỷ tới, ôtô pin nhiên liệu chưa thể phát triển mạnh mẽ Mặc dù vậy, nước khác Nhật Bản, Canada,… có sách lớn để thúc đẩy công nghệ ôtô pin nhiên liệu Bảng 4-3 So sánh thông số số loại ôtô Ôtô ví dụ Công nghệ ôtô Tiêu thụ nhiên liệu Hiệu suất lượng Mức phát thải CO2 Thời gian tăng tốc từ đến 60 dặm/giờ (km/MJ) (g/km) (giây) Tesla Roadster Điện 110 Wh/km 1.14 12,6 3,9 Porsche Turbo Động xăng xilanh 22 mpg 0,22 64,7 4,2 Ferrari 550 Maranelko Động xăng V12 11,7 mpg 0,12 121,7 4,7 Chevrolet Corvette Động xăng V8 25 mpg 0,25 57,0 4,8 Honda Civic VX Động xăng xilanh 51 mpg 0,52 27,9 9,4 VW Jetta Diesel Động diesel xilanh 50 mpg 0,48 41,5 11 Honda CNG Động xilanh 35 mpg 0,32 45 12 Honda Insight Hybrid (động xilanh / điện) 63 mpg 0,64 31,2 12,3 Honda FCX Pin nhiên liệu 64 dặm/kg 0,35 41,1 15,8 Chuyên đề pin nhiên liệu (Fuel Cell) 89 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM – Khoa Cơ khí Động lực TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Gregor Hoogers, Fuel Cell Technology Handbook, CRC Press, 2003 [2] Gavin D J Harper, Fuel Cell Projects for the Evil Genius, 2008 [3] Modern electric, hybrid electric, and fuel cell vehicles: fundamentals, theory, and design, CRC Press, 2005 [4] Hydrogen Fuel Cell Engines and Related Technologies, College of Desert, USA, 2001 [5] Fuel Cell Handbook, 2004 [6] Văn Thị Bông, Tập slide giảng Nhiên liệu, dầu mỡ chất lỏng chuyên dùng, Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh [7] Nguyễn Đình Soa, Hóa đại cương, NXB Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2007 [8] Đặng Văn Đào – Lê Văn Doanh, Kỹ thuật điện, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2005 [9] http://www.fuelcelltoday.com [10] http://www.fueleconomy.gov [11] http://www.fuelcellknowledge.org [12] http://www.fuelcells.org [13] http://sites.google.com/site/vnggenergy/hydrogen [14] http://europe.theoildrum.com Chuyên đề pin nhiên liệu (Fuel Cell) 90 ... với tạo thành cụm pin nhiên liệu (fuel cell stack) Một cụm pin nhiên liệu điển hình gồm hàng trăm pin nhiên liệu đơn Hình 1.5 Sơ đồ cấu tạo cụm pin nhiên liệu 1.5.2 Hệ thống pin nhiên liệu Do pin. .. nhiệt Ở số loại pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu hóa thạch, sản phẩm tạo pin có CO2 , lượng CO2 pin nhiên liệu tạo nhiều so với động đốt thông thường Lượng điện thu từ pin nhiên liệu phụ thuộc... pin nhiên liệu Mục đích việc xử lí nhiên liệu nhằm làm loại bỏ thành phần có hại có nhiên liệu Hình 1.6 Mô hình hệ thống pin nhiên liệu + Thiết bị biến đổi lượng (pin nhiên liệu hay cụm pin nhiên