(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên các phương tiện giao thông tại Việt Nam(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên các phương tiện giao thông tại Việt Nam(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên các phương tiện giao thông tại Việt Nam(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên các phương tiện giao thông tại Việt Nam(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên các phương tiện giao thông tại Việt Nam(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên các phương tiện giao thông tại Việt Nam(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên các phương tiện giao thông tại Việt Nam(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên các phương tiện giao thông tại Việt Nam(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên các phương tiện giao thông tại Việt Nam(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên các phương tiện giao thông tại Việt Nam(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên các phương tiện giao thông tại Việt Nam(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên các phương tiện giao thông tại Việt Nam(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên các phương tiện giao thông tại Việt Nam(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên các phương tiện giao thông tại Việt Nam(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên các phương tiện giao thông tại Việt Nam(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên các phương tiện giao thông tại Việt Nam(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên các phương tiện giao thông tại Việt Nam(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên các phương tiện giao thông tại Việt Nam(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên các phương tiện giao thông tại Việt Nam(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên các phương tiện giao thông tại Việt Nam
LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 10 năm 2011 (Ký tên ghi rõ họ tên) Nguyễn Lê Chiểu ii LỜI CẢM ƠN Con xin gửi ngàn lời tri ân đến đấng sinh thành, người sinh con, nuôi trưởng thành theo sát, động viên sống, công việc bước đường học vấn chọn Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Đỗ Văn Dũng tận tình bảo, hướng dẫn em thời gian thực hoàn thành luận văn tốt nghiệp Em gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Th.S Nguyễn Đình Quý – cố vấn lớp học viên cao học CKO 2009 – 2011, tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em suốt trình học tập trường Em gửi lời cảm ơn đến thầy Th.S Huỳnh Phước Sơn, thầy Th.S Nguyễn Thanh Phúc quý thầy cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, quý thầy cô Trường Đại học Bách khoa Tp.HCM truyền đạt kiến thức quý báu định hướng nghề nghiệp, tương lai cho em Xin gửi lời cảm ơn đến anh Lê Nguyễn Thanh An tập thể đồng nghiệp lớp học viên cao học CKO 2009 – 2011, tận tình giúp đỡ, động viên tơi vượt qua khó khăn q trình học tập thực xong luận văn tốt nghiệp cao học Trân trọng cảm ơn iii TÓM TẮT Bố cục luận văn thể chương, nội dung thể rõ qua chương 2, 3, chương Nội dung toàn luận văn tóm tắt sau: + Lý chọn đề tài, tình hình nghiên cứu ngồi nước, tính khoa học thực tiễn đề tài, nhiệm vụ nghiên cứu, giới hạn phương pháp nghiên cứu đề tài + Giới thiệu tổng quan lịch sử hình thành phát triển cơng nghệ pin nhiên liệu, tầm quan trọng hydrogen vấn đề lưu trữ + Khái quát kết cấu, nguyên lý hoạt động đặc tính cơng nghệ pin nhiên liệu sử dụng phổ biến phương tiện giao thông lĩnh vực quan trọng khác + Tính tốn tiêu đánh giá pin nhiên liệu: suất điện động thuận nghịch, nhiệt động học, công suất, tiêu thụ nhiên liệu chất oxy hóa, tác động pin đến mơi trường, chi phí chế tạo độ bền sử dụng pin + Khái quát phân loại ôtô pin nhiên liệu, nghiên cứu chi tiết kết cấu nguyên lý hoạt động phận cấu thành nên ôtô pin nhiên liệu, phương án bố trí hệ thống truyền lực ơtơ pin nhiên liệu, trình hoạt động hệ thống chế độ khác + So sánh đánh giá hiệu suất sử dụng lượng ôtô sử dụng pin nhiên liệu với loại ôtô khác ; kết thúc luận văn phần kết luận kiến nghị nhằm phát triển để làm nội dung công nghệ pin nhiên liệu hơn, sâu iv ABSTRACT The layout of thesis is showed in six chapters, in which main content is showed in chapter 2, 3, and chapter The contents of the thesis can be summarized as follows: + The reason to choose this topic, in country an overseas research achivements, scientific and practical subject, research tasks, limits and research methodology + General introduction of the history and development of fuel cell technology, the importance of hydrogen and storage problems + Structural overview, principle of operation and characteristics of fuel cell technologies in common use in the transportation and other important fields + Calculation of performance of fuel cell: reversible electromotive force, thermodynamics, power, the fuel and oxidizer, impact of fuel cell to the environment, the cost of manufacture and durability of battery + Overview and classfication of automotive fuel cells, detail research on the structure and operation of principles of the components vehicles fuel cell, the plans on the drivetrain on a car fuel cell, operation of the system in different modes + Compare and evaluate the energy efficiency of vehicles use fuel cell with other automotive fuels; end of the thesis is the conclusion and recommendations to for future development v MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách chữ viết tắt vi Danh sách hình vii Danh sách bảng viii Chương TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.3 Cơ sở khoa học thực tiễn đề tài 1.3.1 Cơ sở khoa học 1.3.2 Tính thực tiễn đề tài 1.4 Mục đích nghiên cứu 1.5 Nhiệm vụ nghiên cứu giới hạn đề tài 1.5.1 Nhiệm vụ nghiên cứu 1.5.2 Giới hạn đề tài 1.6 Phương pháp nghiên cứu Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan pin nhiên liệu 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Lịch sử phát triển 10 2.1.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 13 2.1.3.1 Cấu tạo chung pin nhiên liệu đơn giản 13 2.1.3.2 Nguyên lý hoạt động 13 2.1.4 Cụm pin nhiên liệu hệ thống pin nhiên liệu 15 2.1.4.1 Cụm pin nhiên liệu 15 2.1.4.2 Hệ thống pin nhiên liệu 16 2.2 Hydrogen vấn đề cung cấp nhiên liệu 17 2.2.1 Lợi ích kinh tế hydro 17 2.2.2 Cung cấp nhiên liệu 19 vi 2.2.2.1 Sự sản xuất hydrogen 19 2.2.2.2 Sự dự trữ hydrogen 22 2.2.3 Vấn đề an toàn sử dụng hydrogen 29 2.2.4 Ưu nhược điểm pin nhiên liệu 30 2.2.4.1 Ưu điểm 30 2.2.4.2 Nhược điểm 32 2.2.5 Phạm vi ứng dụng pin nhiên liệu 32 2.2.5.1 Các ứng dụng cầm tay 33 2.2.5.2 Các ứng dụng tĩnh 33 2.2.5.3 Ứng dụng lĩnh vực giao thông vận tải 34 Chương CÁC CÔNG NGHỆ PIN NHIÊN LIỆU 36 3.1 Phân loại pin nhiên liệu 36 3.2 Các kiểu pin nhiên liệu 37 3.2.1 Pin nhiên liệu kiềm (AFC) 37 3.2.1.1 Cấu tạo 37 3.2.1.2 Nguyên lý hoạt động 38 3.2.1.3 Các đặc điểm 38 3.2.2 Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) 39 3.2.2.1 Cấu tạo 40 3.2.2.2 Nguyên lý hoạt động 42 3.2.2.3 Ảnh hưởng áp suất, nhiệt độ độ ẩm 43 3.2.3 Pin nhiên liệu axit phosphoric (PAFC) 45 3.2.3.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 46 3.2.3.2 Các đặc điểm 47 3.2.4 Pin nhiên liệu muối cacbonate nóng chảy (MCFC) 48 3.2.4.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 48 3.2.4.2 Các đặc điểm 50 3.2.5 Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) 51 3.2.5.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 51 3.2.5.2 Các đặc tính 52 3.2.6 Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC) 53 3.2.6.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 53 3.2.6.2 Các đặc tính 54 Chương 4: CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ PIN NHIÊN LIỆU 58 4.1 Suất điện động thuận nghịch pin nhiên liệu 58 4.2 Nhiệt động học pin nhiên liệu 61 4.2.1 Hiệu suất lý tưởng ( lt ) 61 4.2.2 Hiệu suất điện áp 62 4.2.2.1 Sụt áp kích hoạt 62 ix 4.2.2.2 Sụt áp điện trở pin 63 4.2.2.3 Sụt áp nồng độ chất tham gia phản ứng 64 4.2.3 Hiệu suất sử dụng 65 4.2.4 Hiệu suất tổng quát 65 4.3 Công suất pin nhiên liệu 66 4.3.1 Năng lượng chuyển đổi pin nhiên liệu 66 4.3.2 Dịng điện pin nhiên liệu phóng 67 4.3.3 Các đường cong đặc tính pin nhiên liệu 69 4.4 Sự tiêu thụ nhiên liệu chất oxy hóa 71 4.5 Sự tác động pin nhiên liệu đến môi trường 72 4.6 Chi phí chế tạo độ bền sử dụng pin nhiên liệu 74 4.6.1 Chi phí chế tạo pin nhiên liệu 74 4.6.2 Độ bền sử dụng pin nhiên liệu 77 4.6.2.1 Sự tinh khiết phản ứng 77 4.6.2.2 Kiểm soát độ ẩm 78 4.6.2.3 Kiểm soát nhiệt độ 80 4.7 Đánh giá chu kỳ tuổi thọ pin nhiên liệu 80 Chương ỨNG DỤNG PIN NHIÊN LIỆU TRÊN Ô TÔ 83 5.1 Khái quát ô tô pin nhiên liệu 83 5.2 Phân loại ô tô pin nhiên liệu 85 5.2.1 Ô tô pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu thứ cấp 86 5.2.2 Ơ tơ pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu hydro trực tiếp 86 5.3 Các thành phần ô tô pin nhiên liệu 86 5.3.1 Hệ thống pin nhiên liệu 86 5.3.2 Thùng chứa nhiên liệu 87 5.3.3 Bộ chuyển đổi nhiên liệu (thiết bị tạo hydro) 88 5.3.4 Nguồn công suất cực đại 90 5.3.4.1 Accu 90 5.3.4.2 Siêu tụ 90 5.3.5 Động điện 93 5.3.5.1 Dải điều chỉnh tốc độ (phạm vi điều chỉnh tốc độ) 93 5.3.5.2 Độ trơn điều chỉnh tốc độ 93 5.3.5.3 Độ ổn định tốc độ (độ cứng đặc tính cơ) 94 5.3.5.4 Sự phù hợp đặc tính điều chỉnh đặc tính tải 94 5.3.6 Bộ chuyển đổi điện 94 5.4 Bố trí hệ thống truyền lực ô tô pin nhiên liệu 95 5.5 Hoạt động ô tô pin nhiên liệu 96 5.5.1 Chế độ vận hành ô tô pin nhiên liệu 96 5.5.1.1 Chế độ kéo lai 98 vii 5.5.1.2 Chế độ có pin nhiên liệu kéo xe 98 5.5.1.3 Chế độ có PPS kéo xe 99 5.5.1.4 Chế độ pin nhiên liệu vừa kéo xe vừa sạc cho PPS 100 5.5.1.5 Chế độ có phanh tái sinh 101 5.5.1.6 Chế độ phanh lai 101 5.5.2 Sự dao động lượng PPS 103 5.6 So sánh hiệu suất lượng loại ô tô 104 5.6.1 Hiệu suất lượng ô tô sử dụng động xăng 105 5.6.2 Hiệu suất lượng ô tô lai điện 106 5.6.3 Hiệu suất lượng ô tô điện 106 5.6.4 Hiệu suất lượng ô tô pin nhiên liệu 106 Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108 6.1 Kết luận 108 6.2 Kiến nghị 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 ix DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Tiếng anh Giải nghĩa tiếng việt Accu Ắc quy Anode Cực dương Cathode Cực âm Electrolyte Chất điện phân Fuel Cell Pin nhiên liệu Garage Ga ra, nhà đỗ xe Load Tải Module Mô đun Motor Mô tơ Rotor Rô tơ AFC Alkaline Fuel Cell Pin nhiên liệu kiềm ATR Autothermal Reforming Tinh chế lại nhiệt tự động DMFC Direct Methanol Fuel Cell Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp DGE Gas Diffusion Electrode Điện cực phân tán khí HHV Higher Heating Valule Nhiệt trị cao IC Internal Combustion Đốt LHV Lower Heating Valule Nhiệt trị thấp MCFC Molten Carbonate Fuel Cell Pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell Pin nhiên liệu axit phosphoric PEMFC Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Pin nhiên liệu dùng màng điện phân POX Partial Oxidation Q trình oxy hóa khơng hồn tồn Từ viết tắt x PSA Pressure Swing Absorption Độ hấp thụ áp lực PPS Peaking Power Source System Nguồn công suất cực đại hệ thống RFC Regenerative Fuel Cell Pin nhiên liệu tái sinh ZAFC Zinc-Air Fuel Cell Pin nhiên liệu kẽm/không khí SOFC Solid Oxide Fuel Cell Pin nhiên liệu oxit rắn SR Steam Reforming Tinh chế lại w/ CCS Wood Carbon Capture and Storge Gỗ Thu giữ loại bỏ cacbon w/o CCS Wood/oil Carbon Capture and Storge Gỗ/dầu Thu giữ loại bỏ cacbon UTC United Technologies Công nghệ tổng hợp xi Luận văn tốt nghiệp cao học CBHD: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG 5.5.1.1 Chế độ kéo lai: Ở chế độ này, motor cần công suất lớn công suất công suất thiết kế pin nhiên liệu, ứng dụng cho trƣờng hợp tài xế đạp bàn đạp ga đột ngột xe leo dốc Lúc này, hệ thống pin nhiên liệu hoạt động công suất thiết kế (vùng vận hành tối ƣu), phần cơng suất u cầu cịn lại đƣợc lấy từ PPS Công suất pin nhiên liệu công suất phóng PPS đƣợc tính: Pfc Pfc rated (5.6) Ppps d Pm in Pfc (5.7) Trong đó: Pfc - cơng suất vận hành pin nhiên liệu Pfc-rated - công suất thiết kế pin nhiên liệu Ppps-d - cơng suất phóng PPS Pm-in - công suất cần cung cấp cho motor Hình 5.10 Hình 5.10 Sơ đồ truyền cơng suất chế độ kéo lai 5.5.1.2 Chế độ có pin nhiên liệu kéo xe: Xe vận hành chế độ cần đƣợc kéo, đồng thời công suất cần cung cấp cho motor nhỏ công suất thiết kế pin nhiên liệu nhƣng lại lớn giá trị tối thiểu cho trƣớc (Pfc-min) PPS không cần sạc Lúc này, hệ thống pin nhiên liệu cung cấp công suất để kéo xe 98 Luận văn tốt nghiệp cao học CBHD: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG Công suất pin nhiên liệu PPS chế độ đƣợc viết theo công thức: Pfc Pm in , Ppps c (5.8) Trong đó: Ppps c - cơng suất sạc cho PPS Hình 5.11 Sơ đồ truyền cơng suất chế độ có pin nhiên liệu kéo 5.5.1.3 Chế độ có PPS kéo xe: Ở chế độ kéo này, motor công suất cần có cơng suất thấp cơng suất tối thiểu pin nhiên liệu PPS không cần sạc (đạt yêu cầu lƣợng), pin nhiên liệu vận hành chế độ không tải PPS cung cấp công suất để kéo xe Công suất pin nhiên liệu cơng suất phóng PPS mơ tả nhƣ sau: Pfc , Ppps c Pm in Hình 5.12 Sơ đồ truyền cơng suất chế độ PPS kéo 99 (5.9) Luận văn tốt nghiệp cao học CBHD: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG Trong trƣờng hợp này, cơng suất lớn mà PPS sinh phải lớn công suất mà động cần Sau thời gian kéo xe, mức tăng lƣợng PPS giảm cần sạc xe chuyển sang chế độ pin nhiên liệu vừa kéo xe vừa sạc cho PPS 5.5.1.4 Chế độ pin nhiên liệu vừa kéo xe vừa sạc cho PPS: Xe vận hành chế độ cần đƣợc kéo xảy trƣờng hợp sau: - Khi motor cần công suất thấp công suất tối thiểu pin nhiên liệu PPS cần sạc (mức lƣợng thấp giá trị min) - Khi motor cần công suất lớn công suất tối thiểu pin nhiên liệu nhƣng nhỏ công suất thiết kế pin nhiên liệu PPS cần sạc (mức lƣợng chƣa đạt giá trị max) Khi xe vận hành chế độ này, hệ thống pin nhiên liệu vận hành công suất thiết kế, phần dùng để điều khiển xe phần dùng để sạc cho PPS Công suất pin nhiên liệu công suất sạc cho PPS đƣợc biểu diễn nhƣ sau: Pfc Pfc rated (5.10) Ppps c Pfc Pmin (5.11) Hình 5.13 Sơ đồ truyền cơng suất chế độ pin nhiên liệu vừa kéo vừa sạc cho PPS 100 Luận văn tốt nghiệp cao học CBHD: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG 5.5.1.5 Chế độ có phanh tái sinh: Xe vận hành chế độ cần đƣợc phanh công suất phanh yêu cầu nhỏ công suất phanh tối đa mà motor cung cấp Khi motor điều khiển để có chức nhƣ máy phát phần động xe chuyển thành lƣợng điện nạp cho PPS Trong trƣờng hợp này, công suất sạc cho PPS đƣợc xem công suất đầu motor Pppsc Pm out (5.12) Pmout Pbc m (5.13) Hình 5.14 Sơ đồ truyền công suất chế độ có phanh tái sinh 5.5.1.6 Chế độ phanh lai: Trƣờng hợp xảy xe cần phanh với lực phanh yêu cầu lớn công suất phanh tối đa mà motor cung cấp Trong trƣờng hợp này, motor đƣợc điều khiển để tạo công suất phanh cực đại phần cơng suất phanh cịn lại đƣợc lấy từ phanh khí Lúc này, PPS đƣợc sạc với công suất công suất đầu motor công suất motor đƣợc mô tả theo công thức: Pm out Pmb m ax m Trong đó: Pmb m ax cơng suất phanh tối đa mà motor sinh 101 (5.14) Luận văn tốt nghiệp cao học Pbc Ptc Pcomm Xe cần phanh CBHD: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG Pcomm Pfc-rated Pm-in Pfc-min E Emax Emin Pbc Pmb-max - Công suất yêu cầu - Công suất thiết kế pin nhiên liệu - Công suất cần cung cấp cho motor - Công suất nhỏ pin nhiên liệu - Mức lƣợng PPS - Mức lƣợng cao PPS - Mức lƣợng thấp PPS - Công suất phanh yêu cầu - Công suất phanh lớn motor Nếu Pbc > Pmb-max Đúng Đúng Đúng Sai Chế độ phanh lai Nếu Pm-in > Pfc-rated Sai Nếu Pm-in Pfc-min Đúng Chế độ phanh tái sinh Chế độ phanh lai mototmotormmmmmmmohbwhfhfuhmomotormoto r Nếu Đúng Sai E < Emin Đúng Sai Nếu E Emax Sai Đúng Chế độ pin nhiên liệu vừa kéo vừa sạc cho PPS Chế độ có PPS kéo Sai Chế độ pin nhiên liệu vừa kéo vừa sạc cho PPS Chế độ có pin nhiên liệu kéo xe Hình 5.15 Sơ đồ thuật toán điều khiển pin nhiên liệu 102 Luận văn tốt nghiệp cao học CBHD: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG 5.5.2 Sự dao động lƣợng PPS PPS cung cấp lƣợng tới hệ thống truyền lực cần công suất cực đại lƣợng đƣợc trả lại cho PPS dự trữ từ phanh tái sinh từ hệ thống pin nhiên liệu Sự thay đổi lƣợng PPS chu kỳ hoạt động đƣợc biểu diễn nhƣ sau: E (E ppsc E ppsd )dt (5.15) t Trong đó: Epps-c - lƣợng sạc cho PPS Epps-d - lƣợng phóng PPS Sự thay đổi lƣợng PPS phụ thuộc vào kích thƣớc hệ thống pin nhiên liệu, cách điều khiển xe, biên dạng cơng suất tải với thời gian Hình 5.16 cho thấy thay đổi tƣơng ứng tốc độ xe, công suất hệ thống pin nhiên liệu, công suất PPS, thay đổi lƣợng PPS theo thời gian xe du lịch có cơng suất định mức pin nhiên liệu khoảng 40 kW, hoạt động chu kỳ làm việc thành phố sử dụng cách thức điều khiển nhƣ đề cập phần Hình 5.16 Biểu đồ tốc độ xe, cơng suất pin nhiên liệu, công suất PPS thay đổi lượng PPS Hình 5.16 cho thấy thay đổi lƣợng cực đại ΔEmax PPS thật nhỏ (khoảng 0,1 kWh) Kết nói lên PPS không cần nhiều lƣợng dự trữ để cung cấp cho hoạt động xe chu kỳ làm việc 103 Luận văn tốt nghiệp cao học CBHD: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG Một vấn đề đáng lƣu ý khả sinh cơng suất hệ thống pin nhiên liệu bị giới hạn trƣớc hệ thống pin nhiên liệu đƣợc làm nóng, kéo xe phải nhờ vào PPS Trong trƣờng hợp này, lƣợng PPS đƣợc phân phối nhanh chóng Hình 5.17 Sự thay đổi lượng PPS chế độ có PPS kéo Hình 5.17 cho thấy thay đổi lƣợng PPS điều kiện làm việc thành phố xe du lịch 1500 kg, chế độ PPS đẩy xe tới Nó cho thấy khoảng kWh lƣợng PPS cần thiết để hoàn thành chu kỳ hoạt động (khoảng chừng 10,62 km, tƣơng đƣơng 664 dặm 23 phút), khoảng 43,5 Wh lƣợng từ PPS bị phóng phút Giả thiết rằng, để làm nóng hệ thống pin nhiên liệu cần 10 phút khoảng 435 Wh lƣợng PPS bị phóng 5.6 SO SÁNH HIỆU SUẤT NĂNG LƢỢNG CỦA Ơ TÔ PIN NHIÊN LIỆU SO VỚI CÁC LOẠI Ô TÔ KHÁC Để tính hiệu suất tơ vận hành điều kiện định, vào hiệu suất tất trình biến đổi lƣợng để tạo lƣợng có ích bánh xe Nhƣ vậy, phải nguồn lƣợng dùng để sản xuất lƣợng cung cấp cho tơ Trong đó, lƣợng cung cấp cho động đốt hóa nhiên liệu; cịn tơ pin nhiên liệu điện pin tạo hay hóa nhiên liệu cung cấp cho pin nhiên liệu Theo kết nghiên cứu, hiệu suất loại ô tô điện (với điện sản xuất từ lƣợng gió) cao nhất, lên tới gần 60%; hiệu suất ô tô pin nhiên liệu khoảng 24% thấp so với ô tô sử dụng nhiên liệu xăng (khoảng 34,8%) 104 Luận văn tốt nghiệp cao học CBHD: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG Hình 5.18 So sánh hiệu suất lượng loại ô tô Cách đơn giản khác để tính hiệu suất lƣợng tơ vận hành điều kiện định dựa vào quãng đƣờng thực tế (km) mà xe di chuyển đƣợc tiêu tụ đơn vị lƣợng (MJ hay kWh) Đơn vị để đo hiệu suất lƣợng trƣờng hợp quy đổi km/MJ Cách tính hiệu suất lƣợng loại ô tô sử dụng loại nhiên liệu khác mà Tesla Motors áp dụng: 5.6.1 Hiệu suất lƣợng tơ sử dụng động xăng: Để tính hiệu suất lƣợng ô tô sử dụng động xăng, ngƣời ta nguồn lƣợng dùng để sản xuất nhiên liệu Trƣờng hợp động xăng, từ hàm lƣợng nhiên liệu xăng 46,7 MJ/kg hay 34,3 MJ/l Mặt khác, hiệu suất trình sản xuất vận chuyển xăng giả thiết 81,7% Do đó, hàm lƣợng lƣợng nguồn lƣợng dùng để sản xuất nhiên liệu xăng là: 34 ,3MJ / l 42 (MJ/l) 81,7% (5.16) Sau đó, dựa vào mức tiêu thụ nhiên liệu (quãng đƣờng xe di chuyển đơn vị nhiên liệu) để tính tốn hiệu suất lƣợng Ví dụ, mức tiêu thụ nhiên liệu xe Honda Civic VX đời 1993 vận hành kết hợp thành phố xa lộ tham khảo đƣợc 51mpg, tƣơng đƣơng quãng đƣờng mà xe chạy đƣợc sử dụng lít xăng 21,7 km Nhƣ hiệu suất lƣợng xe là: 105 Luận văn tốt nghiệp cao học CBHD: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG 21,7km / l 0,51 (km/MJ) 42MJ / l (5.17) 5.6.2 Hiệu suất lƣợng ô tô lai điện: Đối với ô tô loại (động đốt lai với thiết bị tạp điện năng), lƣợng sạc cho thiết bị điện chủ yếu từ động đốt (ở bỏ qua lƣợng sạc từ q trình phanh tái sinh) Ví dụ: tơ lai điện Honda Insight đời 2005 có mức tiêu thụ nhiên liệu vận hành kết hợp thành phố xa lộ 63 mpg Cũng theo cách tính tƣơng tự trên, kết hiệu suất lƣợng cho 0,61 km/MJ 5.6.3 Hiệu suất lƣợng ô tô điện: Đối với ô tô điện, lƣợng cung cấp cho xe lƣợng điện Ngƣời ta tính đƣợc rằng, xe điện Tesla Roadster tiêu thụ khoảng 110 Wh (tƣơng đƣơng 0,4 MJ) điện accu để vận hành km, tƣơng đƣơng 2,53 km/MJ Mặt khác, hiệu suất nạp phóng accu Li-on Tesla Roadster khoảng 86% (tức 100 MJ lƣợng sạc cho accu có 86 MJ lƣợng đƣợc nạp accu cung cấp cho motor xe) Nhƣ vậy, hiệu suất lƣợng tính từ accu Tesla Roadster 1,53 km/MJ x 86% = 2,18 km/MJ Giả thiết điện sạc cho accu đƣợc tạo từ trạm phát điện sử dụng khí đốt tự nhiên Ngƣời ta tính đƣợc hiệu suất trình 52,5% Nhƣ vậy, hiệu suất lƣợng tổng quát Tesla Roadster 2,18 km/MJ x 52,5% = 1,14 km/MJ 5.6.4 Hiệu suất lƣợng ô tô pin nhiên liệu: Đối với loại ô tơ này, ta tính đƣợc hiệu suất q trình sản xuất, vận chuyển, lƣu trữ phân phối khí hydro 52% – 61% (giả thiết sản xuất hydro phƣơng pháp hóa nhiệt khí thiên nhiên) Đối với tơ sử dụng nhiên liệu PEM có hiệu suất pin 50%, ta giả thiết mức tiêu thụ điện loại xe 2,53% km/MJ (giống nhƣ Tesla Roadster) 106 Luận văn tốt nghiệp cao học CBHD: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG Nhƣ vậy, hiệu suất lƣợng ô tô loại là: 2,53 km/MJ x 61% x 50% = 0,77 km/MJ Đây kết ấn tƣợng so sánh với loại ô tô khác sử dụng động đốt trong, nhƣng thực tế ô tô pin nhiên liệu không đạt mức tiêu thụ điện nhƣ xe điện Hiệu suất lƣợng ô tô pin nhiên liệu Honda FCX đƣợc tính nhƣ sau: - Hàm lƣợng lƣợng hydro 149 MJ/kg - Quá trình sản xuất, vận chuyển, lƣu trữ, phân phối hydro có hiệu suất 61% (giả thiết sản xuất hydro phƣơng pháp hóa nhiệt khí thiên nhiên) - Mức tiêu thụ nhiên liệu 80 km/kg nhiên liệu hydro Do đó, hiệu suất lƣợng đƣợc tính nhƣ sau: 80 km / kg 61 % 0,35 km / MJ 149 MJ / kg (5.18) Nhƣ vậy, so với loại ô tô khác hiệu suất lƣợng ô tô pin nhiên liệu không Tuy nhiên, so sánh mang tính chất tƣơng đối, so sánh ô tô pin nhiên liệu bình thƣờng (chƣa có cải tiến) so với ô tô cải thiện tốt Với phát triển khoa học kỹ thuật hy vọng tƣơng lai công nghệ ô tô pin nhiên liệu cho hiệu suất lƣợng cao gây ô nhiễm môi trƣờng 107 Luận văn tốt nghiệp cao học CBHD: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG Chƣơng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 KẾT LUẬN Qua thời gian thực luận văn, dƣới hƣớng dẫn tận tình thầy PGS.TS Đỗ Văn Dũng giúp đỡ q thầy Khoa Cơ khí Động lực – Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM, đề tài “Nghiên cứu khả ứng dụng pin nhiên liệu phƣơng tiện giao thơng Việt Nam” hồn thành theo đúng nội dung thời gian đề Nội dung luận văn nghiên cứu loại lƣợng mới, thân thiện với môi trƣờng; đƣợc xem bƣớc đột phá công nghệ lƣợng ứng dụng ô tô, thay cho loại lƣợng truyền thống ngày cạn kiệt Luận văn hoàn thành mang lại số kết quan trọng định nhƣ đóng góp mang tính thiết thực, cấp bách vấn đề sức khỏe ngƣời, môi trƣờng sinh thái giải vấn đề lƣợng toàn cầu Các nghiên cứu đạt đƣợc pin nhiên liệu tóm tắt nhƣ sau: - Nghiên cứu tổng quan hệ thống pin nhiên liệu để ứng dụng thực tiễn phƣơng tiện giao thông vấn đề quan trọng cung cấp hydrogen lƣu chứa, bảo quản - Khái quát công nghệ pin nhiên liệu thƣờng đƣợc sử dụng phƣơng tiện giao thông lĩnh vực quan trọng khác - Nghiên cứu tính tốn tiêu đánh giá pin nhiên liệu nhƣ hiệu suất, dịng điện pin phóng, cơng suất, tác động pin đến mơi trƣờng, chi phí chế tạo pin, độ bền tuổi thọ sử dụng pin, Đây đƣợc xem nội dung luận văn, đƣợc thể chi tiết rõ nội dung - Nghiên cứu tổng quan kết cấu nguyên lý hoạt động phận quan trọng cấu thành nên ô tô pin nhiên liệu, phƣơng án bố trí hệ thống truyền lực tơ pin nhiên liệu, trình hoạt động hệ thống chế độ khác 108 Luận văn tốt nghiệp cao học CBHD: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG - Kết giải pháp sử dụng pin nhiên liệu phƣơng tiện giao thông gây tác động nhỏ đến môi trƣờng sinh thái, giảm đáng kể hàm lƣợng khí thải độc hại tiếng ồn mơi trƣờng - Dự báo tƣơng lai khả sử dụng công nghệ pin nhiên liệu phƣơng tiện giao thơng nƣớc giới nói chung Việt Nam nói riêng 6.2 KIẾN NGHỊ Đề tài “Nghiên cứu khả ứng dụng pin nhiên liệu phƣơng tiện giao thông Việt Nam” dừng lại phần nghiên cứu sở ý thuyết mà chƣa nghiên cứu ứng dụng thực tiễn hệ thống phƣơng tiện giao thông nƣớc ta Đề tài đƣợc xem sở quan trọng tạo tiền đề để đƣa công nghệ pin nhiên liệu ứng dụng thực tiễn Tuy nhiên, số yêu tố khách quan nhƣ số vấn đề khó khăn giới hạn nội dung nghiên cứu đề tài: - Các công nghệ pin nhiên liệu đƣợc nƣớc tiên tiến giới phát minh ứng dụng thực tiễn nhƣng áp dụng Việt Nam điều kiện thời tiết, khí hậu nƣớc ta - Chi phí nguyên vật liệu chế tạo pin cao, khoa học kỹ thuật nƣớc ta lạc hậu chƣa đáp ứng kịp với nhu cầu nhƣ khoa học kỹ thuật tiên tiến nƣớc phát triển Do cơng nghệ hồn tồn ngành cơng nghiệp tơ Việt Nam, nên luận văn cịn tồn số vấn đề chƣa thực hiện: - Việc nghiên cứu chi tiết công nghệ pin nhiên liệu thƣờng đƣợc sử dụng phƣơng tiện giao thông chƣa đầy đủ - Chƣa mở rộng thêm nội dung thiết kế hệ thống pin nhiên liệu cụ thể để ứng dụng ô tô Luận văn hoàn thiện, nhiên với vấn đề tồn đƣợc đề cập mà nội dung luận văn chƣa đáp ứng, tác giả xin đề xuất kiến nghị nhằm tạo 109 Luận văn tốt nghiệp cao học CBHD: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG hƣớng phát triển mới, nội dung phong phú đề tài liên quan đến công nghệ pin nhiên liệu cho thời gian tới: - Phân tích đánh giá cụ thể tính quan trọng công nghệ pin nhiên liệu, dựa vào kết để chọn cơng nghệ có ƣu điểm vƣợt trội ứng dụng thực tiện phƣơng tiện giao thông nƣớc ta - Dựa vào công nghệ pin nhiên liệu đƣợc chọn, nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống pin nhiên liệu hệ thống lai pin nhiên liệu ứng dụng đƣợc phƣơng tiện giao thơng Ngồi kiến nghị nêu trên, tác giả kiến nghị nhà nƣớc cấp, ngành có liên quan đƣa sách phát triển khoa học công nghệ để tạo điều kiện thuận lợi cho tổ chức, trƣờng đại học nhà nghiên cứu nƣớc phát huy đƣợc tiềm nhằm đƣa công nghệ sử dụng lƣợng thân thiện với môi trƣờng ứng dụng thực tiễn sống 110 Luận văn tốt nghiệp cao học CBHD: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT Đặng Văn Đào, Lê Văn Doanh, Kỹ thuật điện, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội năm 2005 Khoa Cơ khí Động lực, Chuyên đề pin nhiên liệu, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM năm 2010, 86 trang Phạm Thùy Dƣơng (1997), Hydrogen pin nhiên liệu, thông tin website http://sites.google.com/site/vnggenergy/hydrogen TIẾNG NƢỚC NGOÀI Gregor Hoogers, Fuel Cell Technology Handbook, CRC Press 2003 H.K Messerle, Energy Conversion Statics, Academic Press, New York 1969 J Larminie and A Dicks, John Wiley & Sons, Fuel Cell Systems Explained, New York 2000 N.Q Minh and T Takahashi, Elsevier, Science and Technology of Ceramic Fuel Cells, Amsterdam 1995 M Baldauf and W Preidel, Fuel Cell Technology for Vehicles, Society of Automotive Engineers, Warrendale, PA 2001 M Ratcliff and R Bain, Fuel Cell Integration - A Study of the Impacts of Gas Quality and Impurities, New York 2001 10 Sharon Thomasand Marcia Zalbowitz, Fuel Cells – Green Power, Los Alamos National Laboratory in Los Alamos, New Mexico 1999 11 Chris Rayment, Scott Sherwin, Introduction to Fuel Cell Technology, New York 2003 12 Bryan Jungers, Andrew Burke, Joshua Cunningham, Christopher Yang, Joan Ogden, Assessment of Technical and Market Readiness of Fuel Cell Vehicles, California 2007 111 ... vi ứng dụng pin nhiên liệu 32 2.2.5.1 Các ứng dụng cầm tay 33 2.2.5.2 Các ứng dụng tĩnh 33 2.2.5.3 Ứng dụng lĩnh vực giao thông vận tải 34 Chương CÁC CÔNG NGHỆ PIN NHIÊN... quát ô tô pin nhiên liệu 83 5.2 Phân loại ô tô pin nhiên liệu 85 5.2.1 Ô tô pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu thứ cấp 86 5.2.2 Ơ tơ pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu hydro... công suất sử dụng nhiên liệu tơ 31 Hình 2.14: Pin nhiên liệu ứng dụng thiết bị cầm tay 33 Hình 2.15: Pin nhiên liệu ứng dụng nhà máy điện 33 Hình 2.16: Pin nhiên liệu ứng dụng xe buýt