MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN i NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN ii LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG ix PHẦN 1 MỞ ĐẦU 1 1 Lý do chọn đề tài 1 2 Phương phá[.]
MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN i NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN ii LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC .iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH .vii DANH MỤC BẢNG .ix PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Giới hạn đề tài .3 Ý nghĩa đề tài CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU .4 1.1 Khái niệm pin nhiên liệu .4 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Lịch sử phát triển .5 1.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 1.2.1 Cấu tạo chung pin nhiên liệu đơn giản 1.2.2 Nguyên lý hoạt động 1.3 Cụm pin nhiên liệu hệ thống pin nhiên liệu 10 1.3.1 Cụm pin nhiên liệu: .10 1.3.2 Hệ thống pin nhiên liệu 11 1.4 Phạm vi ứng dụng pin nhiên liệu .12 1.4.1 Các ứng dụng cầm tay 12 1.4.2 Các ứng dụng tĩnh 12 1.4.3 Ứng dụng lĩnh vực giao thông vận tải 13 CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ PIN NHIÊN LIỆU 15 2.1 Phân loại pin nhiên liệu 15 2.2 Các kiểu pin nhiên liệu 16 2.2.1 Pin nhiên liệu kiềm (AFC) .16 i 2.2.2 Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) .18 2.2.3 Pin nhiên liệu axit phosphoric (PAFC) 22 2.2.4 Pin nhiên liệu muối cacbonate nóng chảy (MCFC) 25 2.2.5 Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) .27 2.2.6 Pin nhiên liệu dùng Methanol trực tiếp (DMFC) 29 2.3 Suất điện động thuận nghịch pin nhiên liệu 33 2.4 Nhiệt động học pin nhiên liệu 35 2.4.1 Hiệu suất lý tưởng 35 2.4.2 Hiệu suất điện áp 36 2.4.3 Hiệu suất sử dụng 37 2.4.4 Hiệu suất tổng quát .37 2.5 Công suất pin nhiên liệu 38 2.5.1 Năng lượng chuyển đổi pin nhiên liệu 39 2.5.2 Dòng điện pin nhiên liệu phóng 39 2.5.3 Các đường cong đặc tính pin nhiên liệu 40 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA PIN NHIÊN LIỆU TRÊN CÁC PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG 44 3.1 Khái quát pin nhiên liệu dùng ô tô .44 3.2 Phân loại pin nhiên liệu sử dụng ô tô 46 3.2.1 Ơ tơ pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu thứ cấp 47 3.2.2 Ơ tơ pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu hydro trực tiếp 47 3.3 Các thành phần pin nhiên liệu ô tô 47 3.3.1 Hệ thống pin nhiên liệu 47 3.3.2 Thùng chứa nhiên liệu 48 3.3.3 Bộ chuyển đổi nhiên liệu (thiết bị tạo hydro) 49 3.3.4 Nguồn công suất cực đại .50 3.3.5 Động điện 53 3.3.6 Bộ chuyển đổi điện .55 3.4 Bố trí hệ thống truyền lực tơ pin nhiên liệu 55 3.5 Hoạt động pin nhiên liệu ô tô .57 3.5.1 Chế độ vận hành ô tô pin nhiên liệu 57 ii 3.5.2 Sự dao động lượng PPS 63 3.6 So sánh hiệu pin nhiên liệu loại lượng khác ô tô .65 3.6.1 Hiệu suất lượng ô tô sử dụng động xăng 66 3.6.2 Hiệu suất lượng ô tô lai điện 67 3.6.3 Hiệu suất lượng ô tô điện .67 3.6.4 Hiệu suất lượng ô tô pin nhiên liệu 67 3.7 Hệ thống pin nhiên liệu xe Tesla 68 3.7.1 Sơ đồ hệ thống điện 69 3.7.2 Cấu tạo hệ thống pin điện áp cao High Voltage (HV) 71 KẾT LUẬN .74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1 Sơ đồ mơ tả q trình chuyển đổi lượng pin nhiên liệu Hình Q trình tạo dịng điện pin nhiên liệu Hình Mơ hình thí nghiệm Sir William Robert Grove Hình Mô cấu tạo chung pin nhiên liệu Hình Sơ đồ cấu tạo cụm pin nhiên liệu 10 Hình Sơ đồ khối hệ thống pin nhiên liệu 11 Hình Pin nhiên liệu ứng dụng thiết bị cầm tay 12 Hình Pin nhiên liệu ứng dụng nhà máy điện 13 Hình Pin nhiên liệu ứng dụng xe buýt .13 Hình 10 Pin nhiên liệu ứng dụng xe gắn máy xe giới .14 Hình 11 Pin nhiên liệu ứng dụng máy bay du thuyền 14 Hình Kết cấu pin nhiên liệu AFC .17 Hình 2 Taxi sử dụng pin nhiên liệu 18 Hình Cấu tạo pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer 19 Hình Sơ đồ bố trí thành phần PEMFC đơn 20 Hình Bộ làm ẩm 21 Hình Nguyên lý hoạt động pin PEMFC 22 Hình Nguyên lý hoạt động pin PAFC 23 Hình Kết cấu nguyên lý hoạt động pin MCFC 25 Hình Nhà máy công nghiệp sử dụng pin MCFC 27 Hình 10 Kết cấu nguyên lý hoạt động pin SOFC 28 Hình 11 Kết cấu nguyên lý hoạt động pin DMFC 30 Hình 12 Phi thuyền cánh buồm Helios sử dụng pin nhiên liệu tái sinh .31 Hình 13 Hệ thống pin mặt trời pin nhiên liệu tích hợp Helios 32 Hình 14 Kết cấu nguyên lý hoạt động pin ZAFC 32 Hình 15 Đồ thị biểu diễn sụt áp pin nhiên liệu .36 Hình 16 Đường cong điện áp pin phụ thuộc vào mật độ dòng 39 Hình 17 Đường cong đặc tính V-A pin nhiên liệu 41 Hình 18 Đường cong đặc tính P-A pin nhiên liệu .42 Hình 19 Đồ thị biểu diễn đặc tính V-A, P-A pin nhiên liệu 42 iv Hình Sơ đồ bố trí phận ơtơ pin nhiên liệu 45 Hình Hệ thống truyền động tơ pin nhiên liệu điển hình 46 Hình 3 Ơ tơ pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu thứ cấp (bên trái) ô tô pin nhiên liệu sử dụng hydro trực tiếp (bên phải) 46 Hình Bình chứa Quantum tích nén đến gần 69 bar 48 Hình Cấu tạo bình chứa hydro lỏng 48 Hình Cấu tạo chuyển đổi nhiên liệu 49 Hình Nguyên lý hoạt động siêu tụ 52 Hình Một siêu tụ điển hình .53 Hình Các phương án bố trí hệ thống truyền lực 56 Hình 10 Sơ đồ truyền công suất chế độ kéo lai 59 Hình 11 Sơ đồ truyền công suất chế độ có pin nhiên liệu kéo 59 Hình 12 Sơ đồ truyền công suất chế độ PPS kéo 60 Hình 13 Sơ đồ truyền công suất chế độ pin nhiên liệu vừa kéo vừa sạc cho PPS 61 Hình 14 Sơ đồ truyền cơng suất chế độ có phanh tái sinh 62 Hình 15 Sơ đồ thuật toán điều khiển pin nhiên liệu 63 Hình 16 Biểu đồ tốc độ xe, công suất pin nhiên liệu, công suất PPS thay đổi lượng PPS 64 Hình 17 Sự thay đổi lượng PPS chế độ có PPS kéo 65 Hình 18 So sánh hiệu suất lượng loại ô tô 66 Hình 19 Hệ thống cung cấp điện 70 Hình 20 Sơ đồ hệ thống điện Tesla .70 Hình 21 Pin HV đặt phía thân xe .72 Hình 22 Pin High Voltage 73 Hình 23 Các cell pin viên lớn 73 v DANH MỤC BẢNG Bảng Biến thiên enthalpy, entropy lượng tự Gibbs điều kiện tiêu chuẩn .34 Bảng 2 Thông số nhiệt động học số phản ứng điều kiện tiêu chuẩn 35 Bảng Mật độ dòng điện i0 ứng với vật liệu 36 Bảng Các thông số tiêu biểu vài loại accu ứng dụng ô tô 51 Bảng So sánh thông số accu siêu tụ 53 vi PHẦN 1: MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Thế giới bị phụ thuộc nặng nề vào kinh tế nhiên liệu hóa thạch Nhiên liệu đa số sử dụng phương tiện giao thông xe, tàu lửa, máy bay, …là xăng dầu Hơn nữa, tỉ lệ cao nhà máy điện dùng dầu hỏa, khí thiên nhiên hay than đá Nếu khơng có nhiên liệu hóa thạch kinh tế phương tiên giao thông vận tải rơi vào khủng hoảng, ngưng trệ Hay nói cách khác, tồn xã hội đại ngày phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch Thế giới lâm vào tình trạng khủng hoảng nguồn nhiên liệu truyền thống, theo dự báo Cơ quan Năng lượng Quốc tế, với tốc độ khai thác tiêu thụ lượng truyền thống gia tăng sản phẩm từ dầu mỏ (xăng, dầu) thực cạn kiệt khoảng 30 năm Mặt khác, giá dầu mỏ không ngừng leo thang, ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống, kinh tế người dân, ảnh hưởng không nhỏ đến hoạt động sản xuất, kinh doanh tổ chức, doanh nghiệp,… Sự ô nhiễm môi trường gia tăng chủ yếu khí thải từ phương tiện giao thông giới, chất lượng không khí hồi chng báo động Khí thải từ phương tiện sử dụng động đốt bao gồm chất nhiễm khí xả tiếng ồn động gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người bệnh: thể bị thiếu ôxy, nhức đầu, buồn nơn, khó thể, suy hơ hấp, gây rối loạn thần kinh, làm trẻ em chậm phát triển,… Theo thống kê Tổ chức Y tế Thế giới, khu vực Đơng Nam Á Thái Bình Dương năm có khoảng 530.000 người chết bệnh liên quan đến đường hơ hấp nhiễm khơng khí Khí xả từ động đốt phương tiện giao thơng giới khơng ngun nhân gây nhiễm mơi trường mà cịn làm tăng nhiệt độ khí quyển, gây hiệu ứng nhà kính ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường sinh thái Vậy làm để giải tình hình khan nguồn nhiên liệu truyền thống giảm nhiễm mơi trường, vấn đề nhiễm môi trường cấp bách quốc gia quan tâm hàng đầu Trước tình hình đó, nhà sản xuất ô tô, xe máy, trường đại học, viện nghiên cứu tìm giải pháp để khắc phục hay hạn chế đến mức tối thiểu ảnh hưởng ô nhiễm phương tiện giao thông gây Việc sử dụng pin nhiên liệu giải vấn đề nêu mà giải hàng loạt nhược điểm mà động đốt gặp phải như: giảm tiếng ồn, giảm kết cấu chi tiết quay xe, nâng cao hiệu suất,… Hiện nay, nước tiên tiến mà quốc gia phát triển quan tâm đầu tư nghiên cứu giải pháp hữu ích mà cơng nghệ pin nhiên liệu mang lại Với lý nên em chọn đề tài “Nghiên cứu pin nhiên liệu (Fuel Cell)” làm đề tài tốt nghiệp, em mong với đề tài tài liệu chung hệ thống pin nhiên liệu Phương pháp nghiên cứu Trong trình nghiên cứu thực đề tài em có sử dụng số phương pháp nghiên cứu sau: - Nghiên cứu, tìm kiếm thơng tin mạng Internet - So sánh chọn lọc để sử dụng thông tin cần thiết đáng tin cậy - Tham khảo ý kiến nhà chuyên môn, giảng viên ngành khí tơ Nghiên cứu trực tiếp xe hệ thống cụ thể thực tế - Tổng hợp phân tích nguồn liệu thu thập được, từ đưa đánh giá nhận xét riêng - Tìm hiểu phương pháp kiểm tra chẩn đốn phận hệ thống điện động dựa sở lý thuyết, kiến thức học với hướng dẫn giáo viên hướng dẫn Đối tượng nghiên cứu Giới thiệu tổng quan lịch sử hình thành phát triển cơng nghệ pin nhiên liệu Giới thiệu khái quát công nghệ pin nhiên liệu thường sử dụng phương tiện giao thông lĩnh vực khác Nghiên cứu kết cấu ô tô pin nhiên liệu q trình hoạt động tơ pin nhiên liệu So sánh đánh giá hiệu suất lượng sử dụng loại ô tô khác với ô tô dùng pin nhiên liệu Giới hạn đề tài Do thời gian thực đề tài có hạn, cơng nghệ Việt Nam chưa phát triển để đáp ứng kịp thời xu hướng phát triển giới Chính vậy, phạm vi thực dừng lại phần “Nghiên cứu pin nhiên liệu (Fuel Cell) sử dụng phương tiện giao thông” sở lý thuyết, mà chưa nghiên cứu thiết kế, chế tạo pin có khả ứng dụng thực tiễn phương tiện giao thông nước ta Ý nghĩa đề tài Đề tài nghiên cứu giúp sinh viên năm cuối tốt nghiệp củng cố kiến thức, tổng hợp nâng cao kiến thức chuyên ngành củng kiến thức thực tế xã hội Tạo nguồn tài liệu tiếng việt nhằm phục vụ cho công tác giảng dạy giảng viên công tác nghiên cứu sinh viên Những kết thu thập sau hoàn thành đề tài giúp cho em hiểu sâu hệ thống pin nhiên liệu (full cell) CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU 1.1 Khái niệm pin nhiên liệu 1.1.1 Khái niệm Pin nhiên liệu hay gọi tế bào nhiên liệu, thiết bị chuyển đổi trực tiếp hóa nhiên liệu thành điện nhờ q trình điện phân hóa học Nhiên liệu để pin nhiên liệu vận hành hydro (hoặc nhiên liệu giàu hydro) oxy (thường lấy oxy từ khơng khí) Q trình biến đổi theo phản ứng hóa học sau: H + O2 → H O+năng lượng+nhiệt 2 2 Hình 1 Sơ đồ mơ tả q trình chuyển đổi lượng pin nhiên liệu Pin nhiên liệu không trực tiếp đốt cháy hydro mà dùng chất xúc tác để tách electron từ nguyên tử hydro có nhiên liệu, electron chuyển động mạch sinh dòng điện, sản phẩm phụ nước Hình Quá trình tạo dòng điện pin nhiên liệu Như vậy, phản ứng pin nhiên liệu hồn tồn khơng có cháy động đốt trong, lý này, hàm lượng khí CO2 thải mơi trường ít, giảm đến mức thấp khả gây ô nhiễm môi trường tượng hiệu ứng