TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Lý do chọn đề tài
Ngành công nghiệp ô tô toàn cầu đang phát triển mạnh mẽ với nhiều hãng xe đa dạng, đáp ứng nhu cầu và sở thích của người tiêu dùng Ô tô không chỉ là phương tiện di chuyển mà còn là biểu tượng của đẳng cấp và cá tính Tại Việt Nam, tỷ lệ sở hữu ô tô đang gia tăng, với 23 xe/1.000 người và khoảng 4,5 triệu xe lưu hành tính đến tháng 11/2021, gần gấp đôi so với năm 2016, thể hiện mục tiêu công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước.
Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã cảnh báo về tình trạng cạn kiệt nguồn tài nguyên hóa thạch, mặc dù chúng vẫn tồn tại với số lượng lớn trong lòng đất Công nghệ khai thác và dò tìm hiện tại chưa đáp ứng đủ nhu cầu, và việc khai thác quá mức có thể gây ra những tác động nghiêm trọng đến địa chất và môi trường Theo dữ liệu từ Ngân hàng Thế giới, trữ lượng dầu mỏ toàn cầu có thể cạn kiệt vào năm 2037 nếu không có sự cải thiện trong tiêu thụ và thăm dò mỏ dầu mới.
Biến đổi khí hậu và sự nóng lên toàn cầu đang trở thành vấn đề cấp bách trên thế giới hiện nay, với nhiều nguyên nhân phức tạp Trong số đó, khí thải từ ngành giao thông vận tải đóng góp một phần lớn vào tình trạng này.
Hình 1 1: Số lượng ô tô lưu hành tại Việt Nam năm 2016 và 2021
Động cơ đốt trong khi hoạt động thải ra khí độc hại như carbon dioxide (CO2), carbon monoxide (CO), nitric oxides (NO và NO2), và sulfur dioxide (SO₂), cùng với các hợp chất hidrocacbon, có thể gây hại cho sức khỏe con người và dẫn đến các triệu chứng bệnh tật Khi những khí này được thải vào bầu khí quyển, chúng góp phần vào hiệu ứng nhà kính và làm suy giảm tầng ozon Sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp giao thông vận tải, chủ yếu dựa vào động cơ đốt trong, đã làm gia tăng tốc độ biến đổi khí hậu toàn cầu.
Ngành công nghiệp giao thông vận tải đang phát triển mạnh mẽ, chủ yếu sử dụng động cơ đốt trong, dẫn đến việc phát thải khí thải chứa nhiều thành phần độc hại như carbon dioxide (CO2), carbon monoxide (CO), nitric oxides (NO và NO2), và sulfur dioxide (SO₂) Những chất này có hàm lượng cao gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, gây ra các triệu chứng bệnh tật Đồng thời, khi thải vào bầu khí quyển, chúng góp phần gây hiệu ứng nhà kính và làm suy giảm tầng ozon, thúc đẩy tốc độ biến đổi khí hậu toàn cầu.
Với những tác động tiêu cực của động cơ đốt trong đối với môi trường, việc nghiên cứu và phát triển nguồn năng lượng thay thế trở nên cấp thiết Trong thế kỷ 21, nhu cầu về các nguồn năng lượng sạch và bền vững đang ngày càng gia tăng, tạo thành một xu hướng mạnh mẽ.
Pin nhiên liệu là nền tảng của công nghệ năng lượng sạch, nhờ vào hiệu suất và công suất cao cùng lượng khí thải thấp hoặc bằng không Sự phát triển bùng nổ của pin nhiên liệu gần đây đã mở ra nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như giao thông vận tải, công nghiệp và năng lượng vi mô, góp phần vào việc phát triển kinh tế và cải thiện điều kiện sống của con người.
Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước
1.2.1 Các nghiên cứu ngoài nước:
Lĩnh vực công nghệ pin nhiên liệu đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới Các nghiên cứu tập trung vào nhiều khía cạnh như máy móc thiết bị năng lượng, hóa học vật liệu cơ bản, ứng dụng trong xe cộ, công nghệ môi trường, công nghệ bề mặt, vật liệu luyện kim và kỹ thuật hóa học, bao gồm điện cực, pin thứ cấp và dung dịch điện phân Mục tiêu chính là hoàn thiện quy trình sản xuất pin nhiên liệu để nâng cao hiệu quả và ứng dụng của công nghệ này.
Các tập đoàn ô tô lớn như Toyota, Hyundai và Honda đã phát triển các dòng xe chạy bằng pin nhiên liệu trong những năm gần đây Xe pin nhiên liệu đã được triển khai tại một số bang của Mỹ với hệ thống trạm nạp nhiên liệu sẵn có Bên cạnh đó, pin nhiên liệu cũng đang được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm hàng không vũ trụ, công nghiệp nặng và thiết bị di động.
Pin nhiên liệu đã được nghiên cứu và phát triển trong nhiều năm qua, một số đề tài đáng kể như:
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Cornell đã phát triển một loại điện cực dương mới cho pin nhiên liệu, sử dụng kim loại Niken phủ cacbon pha nitơ Sự đổi mới này không chỉ giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất mà còn mở ra khả năng ứng dụng pin nhiên liệu kiềm trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Một nhóm nghiên cứu do Đại học Imperial College London dẫn đầu đã phát triển một chất xúc tác mới chỉ sử dụng sắt, carbon và nitơ - những vật liệu rẻ và dễ tìm Nghiên cứu cho thấy chất xúc tác này có khả năng vận hành pin nhiên liệu ở công suất cao Điểm nổi bật của cải tiến này là việc phân tán sắt dưới dạng các nguyên tử đơn lẻ trong một mạng lưới carbon dẫn điện, tạo ra sắt đơn nguyên tử.
Sắt đơn nguyên tử có các tính chất hóa học đặc biệt, giúp nó phản ứng dễ dàng hơn so với sắt thông thường Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã chứng minh rằng chất xúc tác sắt đơn nguyên tử đạt hiệu suất gần tương đương với chất xúc tác bạch kim trong hệ thống pin nhiên liệu thực tế.
1.2.2 Các nghiên cứu trong nước:
Hiện nay, lĩnh vực công nghệ pin nhiên liệu tại Việt Nam chưa được hỗ trợ phát triển một cách tổng thể Mặc dù Chính phủ đã bổ sung các loại xe thân thiện với môi trường vào chương trình ưu đãi thuế theo Nghị định số 57/2020/NĐ-CP, nhưng pin nhiên liệu vẫn chưa được sử dụng rộng rãi do giá thành cao và thiếu cơ sở hạ tầng hỗ trợ Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu khẳng định rằng pin nhiên liệu là nguồn năng lượng vô tận, tái sinh được, có khả năng thay thế nhiên liệu hóa thạch, không gây ô nhiễm môi trường và là nguồn năng lượng của tương lai.
Công nghệ pin nhiên liệu tại Việt Nam hiện nay chủ yếu chỉ dừng lại ở các nghiên cứu tại các viện nghiên cứu và trường đại học Một số đề tài đáng chú ý bao gồm nghiên cứu phát triển pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) sử dụng nhiên liệu hydro, do Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam thực hiện, cùng với các công trình nghiên cứu của nhóm PGS.TS.
Hồ Thị Thanh Vân và nhóm sinh viên Trường Đại học Bách khoa (Đại học Quốc gia TP.HCM) đã có những đóng góp quan trọng trong việc giảm thiểu lượng kim loại quý được sử dụng trong pin nhiên liệu, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.
Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu là tìm hiểu quá trình điện hóa và các phản ứng trên điện cực, đồng thời phân loại và hiểu nguyên lý hoạt động cùng cấu tạo của từng loại pin nhiên liệu Việc này nhằm cải tiến và ứng dụng pin nhiên liệu vào thương mại, phục vụ nâng cao đời sống, đặc biệt là trong lĩnh vực ô tô.
Pin nhiên liệu – Fuel cells
Sử dụng, đọc hiểu tài liệu kết hợp với các kiến thức chuyên ngành Mô tả nguyên lý hoạt động, cấu tạo và khả năng ứng dụng trên ô tô.
Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu phát triển pin nhiên liệu trên thế giới
- Nghiên cứu về nguyên lý hoạt động và cấu tạo các loại pin nhiên liệu
- Ứng dụng pin nhiên liệu trên ô tô điện
- Mô phỏng hoạt động pin nhiên liệu trên ô tô.
Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng các nguồn tài liệu nghiên cứu trong nước và ngoài nước liên quan đến đề tài
PIN NHIÊN LIỆU
Tổng quan pin nhiên liệu
2.1.1 Lịch sử phát triển pin nhiên liệu:
Năm 1838, nhà khoa học người Đức C.F Schürnbein đã phát hiện nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu Dựa trên nghiên cứu này, nhà khoa học xứ Wales, Sir WR Grove, đã chế tạo pin nhiên liệu đầu tiên.
Hình 2 1: Pin nhiên liệu đầu tiên bởi F.T Bacon
Hơn 100 năm sau, kỹ sư người Anh F.T Bacon đã phát triển thành công pin nhiên liệu đầu tiên với công suất 5 kW, được ứng dụng để sản xuất điện cho tàu Apollo trong chuyến bay đến mặt trăng Công nghệ pin màng điện phân dung dịch kiềm, hay còn gọi là Alkline fuel cell (AFC), đã đóng vai trò quan trọng trong thành công này.
Hình 2 2: Pin nhiên liệu màng Polystyrene bởi W.T.Grubb
Năm 1955, nhà khoa học W.T GruBB tại tập đoàn General Electric (GE) đã cải tiến thiết kế pin nhiên liệu ban đầu bằng cách sử dụng màng trao đổi ion polystyrene sunfua hóa làm chất điện phân.
Năm 1958, nhà khoa học L Niedrach thuộc GE đã phát minh ra phương pháp lăng Platin lên màng, nhằm tăng cường hiệu quả của chất xúc tác trong quá trình oxy hóa hydro và khử oxy.
Hình 2 3: Thomas Grubb và Leonard Niedrach chạy một chiếc quạt bằng pin nhiên liệu PEM
Hình 2 4: Máy kéo đầu tiên sử dụng pin nhiên liệu bới Harry Karl Ihrig
Vào năm 1959, nhóm nghiên cứu do H.Ihrig dẫn đầu đã phát triển thành công một máy kéo sử dụng pin nhiên liệu với công suất 15 kW và 20 HP Máy kéo này đã được trình diễn tại nhiều hội chợ cấp nhà nước trên toàn nước Mỹ, sử dụng kali hydroxit làm chất điện phân và kết hợp hydro nén cùng oxy làm chất phản ứng.
General Motors (GM) đã tiến hành thử nghiệm chiếc Electrovan sử dụng pin nhiên liệu hydro với công nghệ từ Union Carbide Dù dự án chỉ dừng lại ở các buổi trình diễn, nhưng Electrovan đã trở thành một trong những mẫu xe điện chạy bằng pin nhiên liệu (FCEV) đầu tiên xuất hiện trên đường.
Hình 2 5: Electrovan xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro đầu tiên
Từ giữa những năm 1960, Shell đã tham gia vào việc phát triển pin nhiên liệu methanol trực tiếp (DMFC), với việc sử dụng nhiên liệu lỏng được xem là lợi thế lớn cho ứng dụng trên xe.
Vào thập niên 1970, các nhà sản xuất ô tô từ Đức, Nhật Bản, Hoa Kỳ và các đối tác của họ đã bắt đầu nghiên cứu và phát triển xe điện chạy bằng pin nhiên liệu (FCEV) Mục tiêu của họ là nâng cao mật độ năng lượng của các ngăn xếp pin nhiên liệu PEMFC và cải tiến hệ thống lưu trữ hydro.
Vào cuối thế kỷ XX, các nhà sản xuất ô tô hàng đầu toàn cầu đã triển khai đội xe FCEV, đánh dấu bước tiến từ những nỗ lực ban đầu Trọng tâm sau đó chuyển sang phát triển nhiên liệu hydro tinh khiết, một giải pháp không phát thải khí độc hại.
Năm 1983, công ty Ballard của Canada khởi xướng nghiên cứu về pin nhiên liệu, nhanh chóng trở thành một trong những nhà sản xuất hàng đầu các ngăn xếp và hệ thống cho các ứng dụng vận tải và tĩnh trong những năm tiếp theo.
Cuối những năm 2000, thiết bị PEMFC sử dụng nhiên liệu hydro và khí tự nhiên đã được giới thiệu tại Ấn Độ và Đông Phi, nhằm cung cấp năng lượng chính hoặc dự phòng cho các cột điện thoại di động.
Sự thành công của các phân đoạn ứng dụng pin nhiên liệu gần đây đã thúc đẩy việc hợp nhất công nghệ thành một thiết kế tham chiếu tiêu chuẩn Điều này cho thấy pin nhiên liệu đang phát triển như một nguồn năng lượng có thể mở rộng, phục vụ cho nhiều phân khúc thị trường khác nhau.
Hình 2 6: Biểu đồ thống kê dự báo thị trường pin nhiên liệu năm 2020-2027 2.1.2 Nguyên lý hoạt động:
Hình 2 7: Mô hình pin nhiên liệu điển hình
Pin nhiên liệu là một thiết bị điện hóa có khả năng chuyển đổi năng lượng hóa học tự nhiên thành năng lượng điện Công nghệ này hứa hẹn mang lại hiệu suất cao trong việc sản xuất năng lượng, đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.
Trong tế bào pin nhiên liệu, nhiên liệu được cung cấp liên tục đến cực dương (anode) và phân tách thành ion và electron Đồng thời, chất oxy hóa, thường là oxy từ không khí, được đưa đến cực âm (cathode) để thực hiện phản ứng Các điện cực thường được chế tạo từ cacbon đen, có tính xốp và được phủ một lớp bảo vệ.
Lớp bạch kim dạng hạt nano hoạt động như một chất xúc tác, tăng tốc độ các phản ứng hóa học Những hạt này được phân tán trên nền carbon đen, tối đa hóa diện tích bề mặt cho các phản ứng Carbon đóng vai trò dẫn điện, truyền electron từ vị trí phản ứng ra mạch ngoài Nhiều tế bào pin liên kết tạo thành lõi pin nhiên liệu, chuyển đổi năng lượng hóa học trong nhiên liệu thành năng lượng điện Cấu trúc cơ bản của tế bào pin bao gồm một lớp chất điện ly tiếp xúc với hai điện cực âm và dương ở hai phía.
Cấu tạo
Cấu tạo cơ bản của tế bào pin nhiên liệu bao gồm ba thành phần chính: điện cực dương, điện cực âm và màng điện phân.
Chức năng của điện cực bao gồm việc tiếp nhận nhiên liệu (cực dương) hoặc không khí (cực âm), đồng thời khuyếch tán các phần tử khí Bên cạnh đó, điện cực còn có nhiệm vụ dẫn truyền electron ra mạch ngoài thông qua các mạch liên kết.
Hình 2 16: Mô hình điện cực Hình 2 17: Mô hình cấu tạo tế bào pin
Điện cực trong pin thường sử dụng than chì (cacbon đen) được phủ bằng chất xúc tác dạng hạt mịn nano như bạc, platin và coban Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, điện cực cần có độ xốp cao nhằm khuếch tán hiệu quả nhiên liệu và chất oxi hóa ở dạng khí Bên cạnh đó, việc thiết kế dòng chảy khí thuận lợi là cần thiết để duy trì áp suất và nồng độ khí trong pin, đồng thời đảm bảo thoát nước sản phẩm hiệu quả, tránh tình trạng ngập trong pin ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động.
Tuổi thọ của thiết bị phụ thuộc vào khả năng dẫn truyền điện hiệu quả, do đó, điện cực cần được làm từ vật liệu dẫn điện tốt để đảm bảo kết nối dòng điện với các thiết bị tiêu thụ, tải hoặc tế bào pin khác.
Chức năng của thiết bị là dẫn truyền ion từ cực dương đến cực âm, đồng thời ngăn cản dòng không khí từ cực âm sang cực dương và dòng nhiên liệu từ cực dương sang cực âm.
Màng điện phân trong pin có vai trò quan trọng, với các chất điện phân khác nhau tùy thuộc vào loại pin, như polymer, dung dịch kiềm hoặc oxit rắn Màng này không chỉ đảm bảo khả năng dẫn truyền ion mà còn ngăn cản sự di chuyển của các electron.
2.2.2 Module pin nhiên liệu: Để đảm bảo điện áp và công suất theo yêu cầu cho thiết bị sử dụng, pin đơn vị sẽ được sắp xếp hệ thống, liên kết với nhau tạo thành khối pin nhiên liệu Thông thường, pin được liên kết theo kiểu module bao gồm việc kết nối giữa nhiều lớp pin thành khối và giữa các khối Hiện nay đã có nhiều kiểu module pin khác nhau a) Module phẳng lưỡng cực:
Mô hình module pin phẳng lưỡng cực là kiểu module phổ biến nhất hiện nay, trong đó các pin đơn vị được kết nối điện với nhau qua một mặt phẳng Chúng không chỉ truyền điện giữa các pin mà còn tạo thành rào cản không khí giữa chúng Các ngăn xếp này được thiết kế với các đường dẫn và kênh dẫn khí, giúp tối ưu hóa dòng khí vào và khuếch tán hiệu quả.
Có 23 tán khí với nhiều kiểu kênh dẫn khí khác nhau, bao gồm: đan chéo (dòng hydro và dòng không khí vuông góc), chảy đồng dòng (hai dòng chảy song song cùng chiều) và chảy ngược dòng (hai dòng chảy song song ngược chiều) Modun dạng hình ống cũng là một trong những hình thức quan trọng trong hệ thống dẫn khí.
Ngăn xếp hình ống được thiết kế đặc biệt cho pin nhiên liệu nhiệt độ cao, mang lại lợi thế về độ kín và hiệu suất cho các module Tuy nhiên, các nhà thiết kế gặp khó khăn trong việc đạt được mật độ công suất cao với đường dẫn dòng điện ngắn Trong thiết kế module hình ống đời đầu, dòng điện được dẫn theo phương tiếp tuyến quanh ống, trong khi các mối liên kết giữa các ống tạo thành bó ống hoặc mảng ống hình chữ nhật Ngoài ra, dòng điện cũng có thể được dẫn dọc theo trục ống, với sự kết nối ở cuối các ống Để giảm thiểu độ dài đường dẫn điện tử cho các tế bào, nhiều kiểu xếp khác nhau đang được phát triển.
Hình 2 19: Mô hình modun dạng hình ống
2.2.3 Hệ thống pin nhiên liệu:
Ngoài cấu trúc xếp chồng pin nhiên liệu, hệ thống pin nhiên liệu (BoP) cần một số thành phần khác để đảm bảo ổn định trong quá trình hoạt động Sự sắp xếp trong BoP phụ thuộc vào loại pin, loại nhiên liệu, ứng dụng và môi trường làm việc của pin.
Hầu hết các pin nhiên liệu không sử dụng trực tiếp nhiên liệu từ bình chứa (trừ pin sử dụng Hydro tinh khiết), mà cần thiết bị đặc biệt để loại bỏ tạp chất và điều hòa nhiệt độ Một số pin nhiên liệu còn yêu cầu quá trình cải tạo nhiên liệu để tạo ra sản phẩm giàu hydro hơn trước khi sử dụng.
24 thống cấp hơi nước hoặc không khí có yêu cầu riêng tùy theo loại nhiên liệu Các hệ thống hỗ trợ thường thấy như:
Hệ thống cung cấp không khí, bao gồm máy nén hoặc máy thổi khí cùng với bộ lọc không khí, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp oxy liên tục cho cực dương của hầu hết các loại pin nhiên liệu.
Quản lý nhiệt là yếu tố quan trọng trong quá trình vận hành pin năng lượng, bao gồm cả điện năng và nhiệt năng Để tối ưu hóa hiệu suất điện cho pin, cần thiết lập một hệ thống quản lý nhiệt hiệu quả nhằm đảm bảo rằng điện năng sinh ra được sử dụng một cách tối ưu.
Hệ thống cấp nước trong pin đóng vai trò quan trọng, cung cấp nước để làm mát và sử dụng hơi nước làm chất khử, trong khi nước cũng là sản phẩm phản ứng của pin Việc quản lý hệ thống cấp thoát nước giúp tối ưu hóa việc sử dụng nước, đảm bảo pin hoạt động hiệu quả và ổn định.
Phân loại
Hiện nay, pin nhiên liệu được phân thành hai nhóm chính: pin nhiên liệu vô cơ và pin nhiên liệu hữu cơ Các loại pin này mang lại nhiều ứng dụng khác nhau trong lĩnh vực năng lượng.
2.3.1 Pin nhiên xúc tác vô cơ:
Pin nhiên liệu vô cơ đã được phát triển từ lâu và được phân loại thành nhiều loại khác nhau dựa trên vật liệu sử dụng cho chất điện phân, trong đó có 6 loại chính.
- Pin nhiên liệu Polime hay PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)
- Pin nhiên liệu kiềm hay AFC (Alkaline Fuel Cell)
- Pin nhiên liệu axit photphoric hay PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)
- Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy hay MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)
- Pin nhiên liệu oxit rắn hay SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)
- Pin nhiên liệu methanol trực tiếp hay DMFC (Direct Methanol Fuel Cell)
Pin được phân loại thành ba loại chính dựa trên nhiệt độ hoạt động, nhằm phục vụ cho các mục đích khác nhau và phù hợp với các môi trường làm việc đặc thù.
- Pin nhiên liệu nhiệt độ cao: Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC), hoạt động ở nhiệt độ từ
Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC) và pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) hoạt động ở nhiệt độ cao, khoảng 700 đến 1000°C và 650°C, tương ứng, với các phản ứng hóa học nhanh chóng và hiệu suất cao Điều này giúp loại bỏ nhu cầu về chất xúc tác bạch kim đắt tiền Cả SOFC và MCFC đều có khả năng sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau, tuy nhiên, chúng yêu cầu vật liệu cấu tạo đặc thù để chịu được nhiệt độ cao và cần thời gian dài để khởi động hoặc ngừng hoạt động Mặc dù vậy, đặc tính này làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các cơ sở công nghiệp quy mô lớn, với khả năng lắp đặt các hệ thống hỗ trợ giúp tăng cường độ bền và độ tin cậy.
Pin nhiên liệu axit photphoric (PAFC) hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ trung bình khoảng 200°C PAFC đã trải qua nhiều nghiên cứu và phát triển trong thời gian dài.
Pin nhiên liệu đã đóng vai trò quan trọng trong việc thương mại hóa công nghệ năng lượng, với tiềm năng lớn để được sử dụng rộng rãi trong tương lai.
Pin nhiên liệu điện phân polyme (PEFC) hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ thấp, chỉ từ 80°C, nên rất dễ xử lý Sự phát triển này mở ra nhiều kỳ vọng cho việc ứng dụng rộng rãi pin nhiên liệu polyme rắn trong các môi trường văn phòng và gia đình.
2.3.2 Pin nhiên liệu xúc tác hữu cơ:
Pin nhiên liệu hữu cơ (pin nhiên liệu sinh học BFC) đã được nghiên cứu và phát triển hơn một thế kỷ, nhưng vẫn mang lại tiềm năng lớn trong việc cung cấp năng lượng xanh và sạch BFC được phân loại thành hai loại chính dựa trên tác chất mà chúng sử dụng.
- Pin nhiên liệu vi sinh hay MFC (Microbial fuel cell)
- Pin nhiên liệu enzym hay EBFC (Enzymatic Biofuel cell)
Bảng 2 2: Phân loại pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu nhiệt độ thấp Pin nhiên liệu nhiệt độ trung bình Pin nhiên liệu nhiệt độ cao
Chất hữu cơ, chất xơ H2 H2 H2, CO, CH4 CO, H2, CH4
Chất xúc tác Pt, Pt/Ru Pt, Pt/Ru Microbial,
Enzymatic Ni, Ru Pt Ni Ni
Màng polime trao đổi ion, axit poli- fluorosulfonic,
Màng polime trao đổi ion, axit poli- fluorosulfonic, Nafion
Màng sinh học quang dưỡng, graphit xốp, gốm sứ
Amiăng dự trữ kiềm đặc hoặc loãng
Silicacbua dự trữ axit photphoric
Lithiumaluminate dự trữ Cacbonat nóng chảy
Công suất 1 - 250 kW 2 W - 250 W 0,1 - 0,5 kW 10 - 100 kW 400 kW 300 -3000 kW 1 - 2000 kW
Pin thiết bị di động, sạc dự phòng
Dùng cấp điện cho nhà máy xử lý rác thải, nước thải
Trạm phát điện Hàng không Hàng không vũ trụ Quân sự
Trạm phát điện Nhà máy điện Ưu điểm
Nhiệt độ khởi động thấp
Quản lý nhiệt đơn giản
Màng điện phân là chất rắn
Nguồn nhiên liệu đa dạng, rẻ, phong phú (từ phế phẩm: rác, chất thải, nước thải,…)
Tốc độ phản ứng nhanh
Nhiệt độ hoạt động cao
Không ảnh hưởng nhiều với tạp chất
Hiệu quả cao Dùng được nhiều chất xúc tác Chất điện phân rắn
Chất xúc tác đặc biệt, đắt tiền
Dễ bị tạp chất ảnh hưởng
Lượng thẩm thấu ngược lớn, năng suất kém
Công suất kém (rất thấp)
Cần các điều kiện môi trường thích hợp
Chất điện phân lỏng, khó quản lý và lưu trữ
Chất xúc tác đặc biệt
Cần thời gian khởi động
Dễ ăn mòn Cần thời gian khởi động
Các loại pin nhiên liệu xúc tác vô cơ
Pin nhiên liệu Polyme hoạt động dựa trên điện cực than chì xốp mạ Platin nano, được sử dụng ở cả hai điện cực để đảm bảo độ khuếch tán khí hiệu quả và dẫn truyền điện tốt Các liên kết trong pin được làm bằng cacbon hoặc kim loại có điện trở thấp, nhằm tối ưu hóa khả năng dẫn điện.
Màng điện phân tiêu chuẩn trong PEFC là Teflon được flo hóa hoàn toàn, được nghiên cứu bởi công ty DuPont (Mỹ, thành lập năm 1802) cho ứng dụng trong không gian vào giữa những năm 1960 Polyme, với cấu trúc lặp đi lặp lại, thường là sản phẩm của các phản ứng trùng hợp hoặc trùng ngưng Trong đời sống, polyme xuất hiện dưới dạng nhân tạo như nhựa PE (polyethylene), Nilon, và dạng tự nhiên như tinh bột, cao su Teflon là một loại polyme có cấu trúc đặc biệt.
CF2–CF2–)n sở hữu nhiều đặc tính ưu việt như khả năng chống thấm nước, cách điện tốt, không bị ảnh hưởng bởi từ trường và đặc biệt là độ bền nhiệt cao Teflon giữ nguyên trạng thái trong khoảng nhiệt độ từ -190 °C đến 300 °C.
CHCl3 +HF/SbF5> CHF2Cl 700 °C > CF2small>2 peroxide> (CF2-CF2)n (2.5)
Màng điện phân teflon là chất rắn có khả năng dẫn proton cực tốt cùng với khả năng giúp làm kín vượt trội
Màng điện phân cần ngậm nước, yêu cầu hệ thống tuần hoàn nước hợp lý để duy trì hoạt động ổn định ở nhiệt độ và độ ẩm thích hợp Nhiệt độ hoạt động của pin Polime thường dưới 100°C, phổ biến trong khoảng 60-80°C Để cân bằng nước, pin cần nguồn nhiên liệu giàu Hydro và hạn chế sự có mặt của CO, nhằm tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và ngăn ngừa ăn mòn Do đó, pin Polime cần hệ thống xử lý nhiên liệu để cung cấp khí nạp giàu hydro và lọc các tác nhân gây hại cho điện cực như CO, lưu huỳnh và các Halogen.
PEFC đã chứng minh hiệu năng vượt trội từ những ứng dụng đầu tiên, với mật độ dòng điện đạt 37 mA/cm² ở điện áp 0,78 V trong chương trình không gian GEMINI (1965-1966) Hiệu suất của pin thay đổi theo điều kiện vận hành như áp suất, nhiệt độ, nồng độ và khí phản ứng Công nghệ hiện tại cho thấy sự cải thiện đáng kể, với kết quả từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos cho thấy đạt 200 mA/cm² ở 0,78 V và 80°C với màng Nafion và điện cực bạch kim Gần đây, nỗ lực phát triển tập trung vào việc duy trì mật độ điện trong khi giảm lượng bạch kim, mở rộng vùng nhiệt độ và độ ẩm hoạt động nhằm giảm chi phí sản xuất và mở rộng điều kiện vận hành Để tối ưu hóa hiệu suất, cần nghiên cứu các tác nhân ảnh hưởng đến hiệu suất của pin.
Nhiệt độ hoạt động đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất của PEFC, khi sự gia tăng nhiệt độ giúp giảm điện trở của chất điện phân và thúc đẩy tốc độ động học của các phản ứng điện cực.
Vận chuyển lượng lớn "nước sản phẩm" trở nên dễ dàng hơn ở nhiệt độ cao, với kết quả thực nghiệm cho thấy mỗi khi tăng 1°C, điện áp sẽ tăng khoảng 1,1-2,5V Tuy nhiên, việc nâng cao hiệu suất của tế bào qua việc tăng nhiệt độ bị hạn chế bởi áp suất hơi của nước trong màng trao đổi ion, vì nhiệt độ cao có thể khiến màng mất nước, dẫn đến giảm độ dẫn ion.
Hình 2 22: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất pin
Áp suất hoạt động có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của tế bào nhiên liệu, cụ thể là PEFC Tại nhiệt độ 93°C, việc tăng áp suất oxy từ 30 đến 135 psig dẫn đến sự gia tăng mật độ điện lên 215 mA/cm² với điện áp 42 mV Khi nhiệt độ tăng từ 93°C lên 104°C, điện thế của tế bào cũng tăng thêm 54 mV Ở điều kiện 50°C, khi mật độ dòng điện đạt 500 mA/cm², việc tăng áp suất từ 1 lên 5 atm đã làm điện áp tăng 83 mV Những kết quả này cho thấy rằng việc tăng áp suất oxy có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của pin nhiên liệu bằng cách giảm phân cực ở cực âm Tuy nhiên, cần cân nhắc giữa lợi ích của việc tăng áp suất và năng lượng tiêu tốn để tạo áp suất khí.
Hình 2 23: Ảnh hưởng của áp suất đến hiệu suất pin
PEFC đang được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt trong lĩnh vực năng lượng cho xe chạy bằng pin nhiên liệu (FCV) Sự quan tâm lớn đến FCV và hydro đã thúc đẩy đầu tư vào PEFC trong thập kỷ qua, vượt trội hơn so với các loại pin nhiên liệu khác Mặc dù đã có những tiến bộ đáng kể cho các ứng dụng tĩnh tại, nhiều nhà phát triển vẫn tập trung vào việc phát triển PEFC cho ô tô và thiết bị di động.
- Có màng điện phân rắn cho khả năng tối ưu ngăn cản sự trao đổi khí qua lại giữa hai điện cực
- Nhiệt độ hoạt động thấp cho phép pin khởi động và phát năng lượng nhanh hơn
- Trong pin không có thành phần hóa học ăn mòn cao nên không cần dùng vật liệu đặc biệt chống lại sự ăn mòn như các loại pin khác
- PEFC hoạt động hiệu quả nhất khi sử dụng nguồn hydro tinh khiết làm nhiên liệu
Phạm vi nhiệt độ hoạt động hẹp gây khó khăn trong việc quản lý nhiệt, đặc biệt khi sử dụng nhiên liệu là hợp chất chứa Hydro, yêu cầu phải xử lý nhiệt hoặc hơi trước khi sử dụng.
Thiết kế hệ thống tuần hoàn nước là một thách thức lớn, vì nó phải đảm bảo cung cấp đủ độ ẩm cho quá trình hydrat hóa đồng thời ngăn chặn tình trạng ngập nước trong màng điện phân.
Pin PEFC có thể bị hư hại nghiêm trọng do sự hiện diện của các tạp chất độc hại như CO, lưu huỳnh và amoniac, do đó việc hạn chế sử dụng nguồn nhiên liệu là rất cần thiết để bảo vệ hiệu suất và tuổi thọ của pin.
Việc sử dụng nguồn nhiên liệu hydrocacbon tác động đáng kể đến kích thước pin, do yêu cầu bố trí các quá trình xử lý phức tạp hơn và chi phí đầu tư cao hơn.
2.4.2 Pin nhiên liệu metanol trực tiếp:
Pin nhiên liệu methanol trực tiếp sử dụng màng điện phân polymer có tiềm năng lớn cho ứng dụng vận tải và nguồn điện di động Hệ thống chuyển hóa nhiên liệu DMFC được thiết kế đơn giản, tối ưu hiệu suất tổng thể Tuy nhiên, các hệ thống hỗ trợ và bộ chuyển hóa nhiên liệu tiêu tốn một lượng lớn năng lượng.
Sự hiện diện của metanol trong pin có thể làm giảm hiệu suất tổng thể do khả năng oxy hóa thành CO2 và nước khi rò rỉ vào cực dương Tuy nhiên, metanol là một nhiên liệu lỏng giá rẻ, dễ dàng phổ biến và xử lý Hơn nữa, các mạng lưới cung cấp xăng hiện tại có thể dễ dàng chuyển sang sử dụng metanol mà không gặp nhiều khó khăn.
- Cực dương: CH3OH + H2O → 6H + + 6e − + CO2 (2.6)
Pin nhiên liệu sinh học
Pin nhiên liệu sinh học là một loại pin mới với tiềm năng phát triển bền vững Khác với pin nhiên liệu truyền thống sử dụng hydro, ethanol và methanol, pin nhiên liệu sinh học sử dụng các sản phẩm hữu cơ từ quá trình trao đổi chất hoặc các chất mang điện hữu cơ làm nhiên liệu Một đặc điểm nổi bật của pin này là các phản ứng điện cực được điều khiển bởi chất xúc tác sinh học như vi khuẩn hoặc enzym, thay vì sử dụng chất xúc tác bạch kim hay kim loại quý như ở các loại pin trước Pin nhiên liệu sinh học hoạt động trong môi trường tự nhiên với nhiệt độ, áp suất khí quyển và pH trung tính Khi vi sinh vật tiêu thụ đường hoặc chất xơ trong điều kiện hiếu khí, chúng tạo ra carbon dioxide và nước; trong khi đó, trong điều kiện kỵ khí, chúng sản sinh carbon dioxide, ion hydro và electron.
Pin nhiên liệu sinh học được thiết kế cho các ứng dụng xử lý rác và chất thải, nhằm chuyển đổi năng lượng tái tạo Mặc dù có tiềm năng phát triển lớn, nhưng pin này cũng gặp nhiều hạn chế như công suất thấp, yêu cầu không gian rộng và cần môi trường sống cho vi khuẩn.
Dựa trên vật liệu sinh học được dùng mà pin được chi làm hai loại:
- Pin nhiên liệu vi sinh (Microbial Fuel Cell hay MFC)
- Pin nhiên liệu enzym (Enzymatic Biofuel Cell hay EBFC)
2.5.1 Pin nhiên liệu vi sinh:
Hình 2 32: Nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu vi sinh
Pin nhiên liệu vi sinh (MFC) là thiết bị chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện thông qua hoạt động của vi sinh vật Thiết bị này sử dụng một bio-anode với vi sinh vật được nuôi cấy trên điện cực Hầu hết MFC đều có một lớp màng ngăn cách giữa cực dương, nơi xảy ra quá trình oxy hóa, và cực âm, nơi diễn ra quá trình khử Các điện tử sinh ra trong quá trình oxy hóa được hấp thụ bởi điện cực dương hoặc thông qua một chất trung gian Dòng electron di chuyển đến cực âm qua mạch ngoài, trong khi sự cân bằng điện tích được duy trì nhờ chuyển động của ion bên trong tế bào Phản ứng ở cực âm yêu cầu Oxy làm chất nhận electron.
Pin nhiên liệu vi sinh sử dụng vi khuẩn làm chất xúc tác để chuyển đổi chất sinh học thành điện tử Những vi khuẩn nhỏ (khoảng 1 μm) có khả năng biến đổi chất hữu cơ thành CO2, nước và năng lượng, giúp chúng phát triển và duy trì trao đổi chất Quá trình này cho phép thu hồi một phần năng lượng dưới dạng điện năng thông qua pin nhiên liệu vi sinh vật.
Pin nhiên liệu vi sinh sử dụng chất trung gian để hỗ trợ quá trình điện hóa, vì hầu hết vi sinh vật không thể tự truyền điện tử trực tiếp vào điện cực Các chất trung gian phổ biến như thionin, methyl viologen, methyl xanh và axit-humic thường được sử dụng; tuy nhiên, chúng có nhược điểm là giá thành cao và độc tính.
Pin nhiên liệu vi sinh không cần chất trung gian bao gồm một số loại vi khuẩn như Shewanella putrefaciens, thường gặp trong nước biển, và Aeromonas hydrophila, thường gặp trong nước ngọt hoặc nước lợ Những vi khuẩn này có khả năng chuyển điện tử trực tiếp từ enzym hô hấp của chúng đến điện cực Ngoài ra, một số vi khuẩn khác cũng có thể chuyển điện tử qua pili hoặc lông mao trên màng ngoài của chúng.
Pin nhiên liệu vi sinh sử dụng màng ngăn đất là một công nghệ độc đáo, trong đó điện cực dương được đặt ở độ sâu nhất định và điện cực âm nằm trên cùng, tiếp xúc với không khí Đất được sử dụng thường chứa các chất thải hữu cơ như bả, mùn hoặc phân sinh vật, cung cấp nhiều đường phức tạp và chất dinh dưỡng từ quá trình phân huỷ Sự hiện diện của các vi khuẩn phân huỷ hiếu khí trong đất tạo thành lớp ngăn cách cho điện cực, giúp tăng cường hiệu quả hoạt động của pin; do đó, lớp đất càng dày thì khả năng ngăn cách điện cực càng tốt.
Màng sinh học quang dưỡng được hình thành trên cực dương, bao gồm các vi sinh vật quang hợp như chlorophyta và cyanophyta Những vi sinh vật này thực hiện quá trình quang hợp và phân hủy các chất hữu cơ, từ đó tạo ra năng lượng chuyển hóa, giúp cải thiện mật độ điện so với các loại vi sinh vật thông thường.
Trái ngược với pin nhiên liệu sinh học vi sinh vật, pin nhiên liệu enzyme sử dụng protein để làm xúc tác cho quá trình oxy hóa khử Các enzyme này được tách và tinh chế từ sinh vật, tham gia vào chuỗi truyền điện tử giữa chất nền và điện cực dương Chúng có khả năng xử lý các hợp chất hữu cơ như đường và rượu, vốn rất phổ biến trong tự nhiên Việc trồng và thu hoạch đường cùng các loại nhiên liệu sinh học khác trên quy mô lớn giúp cung cấp nhiên liệu cho tế bào năng lượng.
48 bào nhiên liệu sinh học enzym cực kỳ rẻ và có thể được tìm thấy ở hầu hết mọi nơi trên thế giới
Trong các mô hình pin nhiên liệu enzyme, Enzyme glucose oxidase (GOx hoặc GOD) thường được sử dụng cho cực dương, trong khi Bilirubin oxidase (BOx hoặc BOD) được dùng cho cực âm nhờ vào tính ổn định cao và mật độ điện tốt ở pH 7,2 GOD là enzym được mã hóa bởi gen trong nhiều sinh vật, có khả năng xúc tác quá trình oxy hóa glucose thành hydrogen peroxide và D-glucono-δ-lactone BOD, enzyme được sản xuất bởi một số loài nấm và côn trùng, có hoạt tính kháng khuẩn khi có mặt oxy và glucose.
Sơ đồ cho tế bào pin nhiên liệu sinh học dựa trên GOD/BOD đơn giản:
- Phản ứng oxy hóa Glucose ở cực dương:
Hình 2 33: Nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu Enzyme
Pin nhiên liệu Enzyme, mặc dù đang trong giai đoạn phát triển tại phòng thí nghiệm, đã cho thấy tiềm năng lớn về nguồn nhiên liệu, vật liệu xúc tác sinh học và ứng dụng thân thiện với môi trường Tuy nhiên, vẫn tồn tại một số hạn chế cần được nghiên cứu để cải thiện hiệu suất của loại pin này.
Cố định enzyme là yếu tố quan trọng trong pin nhiên liệu sinh học, giúp thực hiện phản ứng oxy hóa khử hiệu quả Enzyme cần được cố định xung quanh điện cực để trao đổi điện tử trực tiếp, từ đó nâng cao hiệu suất chuyển điện tử Nếu không kiểm soát tốt, điện tử có thể bị thất thoát vào tạp chất kim loại trong nhiên liệu, làm giảm hiệu suất hoạt động Một giải pháp hiệu quả là cố định enzyme với FeS liên kết trực tiếp lên điện cực, vừa đảm bảo tính ổn định vừa tăng cường khả năng dẫn truyền điện tử Ngoài ra, việc bọc enzyme trong polyme dẫn điện đặc biệt cũng giúp giảm hình thành oxit kim loại không mong muốn, trong khi vẫn duy trì các tính năng cần thiết.
Enzyme có kích thước lớn hơn nhiều so với các chất xúc tác vô cơ, khoảng 3 – 5 lần so với xúc tác Pt, điều này hạn chế mật độ điện tối đa do khả năng bao phủ điện cực bị giới hạn Để khắc phục điều này, điện cực cần được thiết kế với diện tích bề mặt lớn hơn, có thể sử dụng điện cực xốp thay vì điện cực phẳng, từ đó tăng diện tích hoạt động điện và cho phép chứa nhiều Enzyme hơn Một giải pháp khác là tạo ra màng với các hạt than chì hấp phụ Enzyme trong một cấu trúc polyme đặc biệt.
Thiệt hại do oxy hóa xảy ra khi khí oxy khuếch tán đến cực dương, làm vô hiệu hóa các enzyme và gây rối loạn quy trình tạo điện Oxy là thành phần thiết yếu tại cực âm của pin, do đó cần phải được tách ra và ngăn cách khỏi cực âm Để ngăn chặn sự bất hoạt của oxy, một màng trao đổi proton được sử dụng để phân chia hai điện cực, tạo thành hai buồng chất nền riêng biệt Các loại màng thường được sử dụng bao gồm polyme và màng gốm.
CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT VÀ LƯU TRỮ HYDRO
Sản xuất Hydro
Hydro có thể được sản xuất từ nhiều nguyên liệu khác nhau, bao gồm tài nguyên không tái tạo như khí đốt tự nhiên, dầu mỏ và than đá, cũng như tài nguyên tái tạo như nước, năng lượng ánh sáng, gió, sóng và thủy điện Các công nghệ sản xuất hydro hiện nay bao gồm hóa học, sinh học, điện phân và nhiệt hóa, mỗi công nghệ đều đang trong giai đoạn phát triển khác nhau, mang lại cả cơ hội và thách thức riêng.
3.1.1 Điện phân nước: Ở thời điểm hiện tại, hydro xanh được sản xuất bằng phương pháp điện phân nước được cho là nguồn nhiên liệu sạch và thân thiện với môi trường nhờ quá trình sản xuất không phát thải Các nhà máy điện phân cũng đã được mở rộng về số lượng và quy mô trong những năm gần đây: Châu Âu có tổng công suất sản xuất hydro xanh khoảng 1,2 GW mỗi năm; nhà máy điện phân do ITM Power của Vương quốc Anh đang xây dựng, dự kiến sẽ sản xuất 1 GW mỗi năm; NEL Hydrogen của Na Uy đã công bố kế hoạch xây dựng một nhà máy với công suất sản xuất 360 megawatt (MW) mỗi năm và tiềm năng mở rộng để tăng gấp ba lần số lượng đó [4] Điều này cho thấy nhu cầu sử dụng hydro xanh trên thế giới ngày càng cao
Hình 3 1: Mô hình điện phân nước
Máy điện phân bao gồm hai cực, cực dương và cực âm, được chế tạo từ kim loại trơ như platin hoặc iridi, và được ngăn cách bởi chất điện phân Các loại chất điện phân khác nhau sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất và ứng dụng của máy.
Khi hai điện cực được cung cấp nguồn điện một chiều, quá trình điện phân nước diễn ra, tạo ra hydro ở cực âm và oxy ở cực dương Mặc dù nước tinh khiết có thể hoạt động như một chất điện phân theo nguyên lý, nhưng trong thực tế, nó gặp một số vấn đề nhất định.
Quá trình điện phân nước tinh khiết đòi hỏi một lượng năng lượng lớn để các nguyên tử vượt qua mức năng lượng kích hoạt, giúp tách rời chúng khỏi liên kết trong phân tử Nếu năng lượng cung cấp không đủ, quá trình điện phân sẽ diễn ra chậm hoặc không xảy ra.
Nước tinh khiết có mật độ hạt tải điện tương tự như chất bán dẫn do khả năng tự ion hóa rất thấp Độ dẫn điện của nước tinh khiết chỉ đạt khoảng một phần triệu so với nước biển.
Để điện phân nước tinh khiết, cần một nguồn điện áp lớn để kích thích quá trình ion hóa, điều này làm tăng đáng kể chi phí cho quá trình này.
Sản xuất hydro qua điện phân nước đang đối mặt với thách thức lớn về chi phí, với giá hydro xanh cao gấp 2 – 3 lần so với hydro từ nhiên liệu hóa thạch Để giải quyết vấn đề này, các công nghệ hiện tại tập trung vào nâng cao hiệu suất, giảm chi phí và tăng độ bền của thiết bị điện phân Nghiên cứu và phát triển các biện pháp công nghệ mới như cải tiến màng điện phân, chất điện phân, cũng như điều chỉnh nhiệt độ và áp suất đang được tiến hành.
Máy điện phân kiềm hoạt động bằng cách vận chuyển ion hydroxit (OH ‒ ) qua chất điện phân từ cực âm đến cực dương, với hydro được tạo ra ở cực âm Chất điện phân phổ biến là dung dịch kiềm Natri hoặc Kali hydroxit, vì chúng tạo thành muối hòa tan dễ dàng và có chi phí thấp Hiện nay, một phương pháp mới đang được nghiên cứu là sử dụng màng trao đổi kiềm rắn (AEM), đang trong giai đoạn phát triển tại phòng thí nghiệm.
Máy điện phân màng điện phân polyme (PEM) sử dụng chất điện phân là polyme đặc biệt rắn, thường là Nafion Quá trình điện phân diễn ra khi nước phản ứng ở cực dương, tạo ra oxy và ion hydro Các electron di chuyển qua mạch ngoài, trong khi ion hydro được chọn lọc di chuyển qua PEM đến cực âm, nơi chúng kết hợp với electron để tạo thành khí hydro.
Máy điện phân oxit rắn sử dụng vật liệu gốm Perovskites làm chất điện phân, có khả năng chọn lọc và dẫn các ion oxy (O 2‒) ở nhiệt độ cao, tạo ra khí hydro theo phương pháp khác biệt so với các phương pháp truyền thống Ở cực âm, hơi nước kết hợp với electron từ mạch ngoài để tạo thành khí hydro và các ion oxy tích điện âm Các ion oxy này sau đó đi qua màng gốm rắn và phản ứng ở cực dương, tạo ra khí oxy và cung cấp electron cho mạch ngoài Máy hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ cao từ 700 đến 800°C, giúp màng oxit rắn đạt được độ dẫn ion cần thiết.
Điện phân nhiệt độ cao (HTE) là một phương pháp nghiên cứu mới nhằm điện phân nước bằng năng lượng nhiệt, mang lại hiệu quả cao hơn so với phương pháp truyền thống ở nhiệt độ phòng Việc sử dụng một phần năng lượng dưới dạng nhiệt giúp giảm chi phí và tối ưu hóa phản ứng điện phân khi nhiệt độ tăng.
Điện phân nước siêu tới hạn (SWE) là phương pháp sử dụng nước ở trạng thái siêu tới hạn, nơi nước có tính chất vừa lỏng vừa khí, cho phép khuếch tán trong không khí và thấm qua vật chất Ở trạng thái này, nước có nội năng lớn hơn, giúp giảm lượng năng lượng điện cần thiết để tách các liên kết hydro và oxy Phương pháp này mang lại nhiều lợi ích, bao gồm cải thiện hiệu suất điện, giảm chi phí sản xuất, tạo ra khí sản phẩm với áp suất lớn hơn, và giảm sự phụ thuộc vào kim loại quý làm chất xúc tác.
3.1.2 Phương pháp cải tạo hơi nước:
Cải tạo hơi nước hay cải tạo metan hơi (SMR) là phương pháp sản xuất khí tổng hợp từ khí đốt tự nhiên hoặc LPGas thông qua phản ứng giữa hydrocacbon và nước, với mục tiêu chính là sản xuất hydro Quá trình diễn ra qua hai giai đoạn: đầu tiên, khí metan phản ứng với hơi nước để tạo ra khí hydro và khí cacbon monoxide; sau đó, cacbon monoxide tiếp tục phản ứng với nước, sản sinh khí cacbon dioxide và giải phóng thêm khí hydro.
Sản phẩm hydro được phân loại thành "hydro xám" khi carbon dioxide thải ra môi trường, trong khi "hydro lam" là loại hydro mà carbon dioxide được thu giữ và lưu trữ dưới lòng đất.
Lưu trữ Hydro
Một giải pháp hiệu quả để giải quyết các vấn đề liên quan đến thiết bị xử lý nhiên liệu tích hợp trên thiết bị di động là sản xuất hydro tại các nhà máy và lưu trữ trong bình chứa Hydro có thể được nạp vào thiết bị di động nhanh chóng, tương tự như việc nạp xăng hoặc dầu Phương pháp này đang trở thành lựa chọn hàng đầu cho các phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu hydro, tuy nhiên, mỗi phương pháp lưu trữ đều có những lợi thế và thách thức riêng.
3.2.1 Lưu trữ dạng khí nén:
Hydro, giống như bất kỳ loại khí nào khác, có thể được nén và lưu trữ trong các bồn chứa để sử dụng khi cần thiết Tuy nhiên, thể tích của hydro lớn hơn nhiều so với các hydrocacbon khác, gấp gần 4 lần so với khí tự nhiên Lưu trữ khí hydro nén là phương pháp đơn giản và phổ biến nhất nhờ tính thuận tiện, dễ thiết kế và đa dạng các loại bình chứa Trên các phương tiện giao thông hiện nay, hydro thường được nén ở áp suất khoảng 350 bar đến 700 bar, với nhiều loại bình chứa khác nhau tùy theo nhà sản xuất.
Các loại bình chứa hiện nay được phát triển nhờ vào sự tiến bộ trong công nghệ vật liệu, cho phép chúng chịu được áp suất ngày càng cao Chúng được phân loại thành năm loại chính.
- Loại I: Bình hydro nén được làm bằng kim loại, thường là thép và nhôm Áp suất tối đa ước tính vào khoảng 200 bar với thép và 175 bar với nhôm
Bình loại II được chế tạo từ kim loại như thép và nhôm, được gia cố bằng các sợi tăng cường như sợi thủy tinh, aramid hoặc sợi carbon Loại bình này còn được gọi là bình áp suất phủ composite, với áp suất tối đa ước tính đạt khoảng 299 bar khi sử dụng sợi carbon kết hợp với thép.
Bình loại III được chế tạo từ vật liệu composite, kết hợp với cấu trúc kim loại thông qua phương pháp hỗn hợp ma trận kim loại (MMC) Bình có khả năng chịu áp suất tối đa lên đến 700 bar, sử dụng cấu trúc nhôm và sợi cacbon.
Loại IV là vật liệu hoàn toàn bằng composite, được trang bị lớp lót nhựa nhiệt dẻo bên trong Bình khí này có khả năng chịu áp suất tối đa khoảng 700 bar, đồng thời nhẹ hơn so với bình loại III.
- Loại V: Bình chứa làm hoàn toàn bằng composite, không có lớp lót Mẫu đầu tiên được Composites Technology Development Inc (CTD) sản xuất và thử nghiệm vào tháng
1 năm 2014 với áp suất tối đa lên đến 1.000 bar [9]
Bình khí nén là công nghệ lưu trữ hydro ưu việt cho xe điện sử dụng pin nhiên liệu, được áp dụng trong các mẫu xe thương mại như Toyota Mirai và Honda Clarity Toyota Mirai trang bị ba bình chứa hydro với dung tích 122,4 lít (tương đương khoảng 5 kg hydro) và mật độ lưu trữ 5,7% trọng lượng ở áp suất 700 bar Tương tự, Honda Clarity cũng sở hữu hệ thống bình chứa với thông số tương tự, bao gồm hai bình được lắp đặt ở hàng ghế sau và cốp sau.
3.2.2 Lưu trữ dạng hydro lỏng:
Lưu trữ hydro dưới dạng chất lỏng (LH2) ở nhiệt độ khoảng -253°C là phương pháp hàng đầu để lưu trữ số lượng lớn hydro Phương pháp này được ứng dụng phổ biến trong các nhà máy lọc dầu, sản xuất amoniac, cũng như trong các bồn chứa nhiên liệu của tên lửa và tàu vũ trụ NASA đã xây dựng bồn chứa với dung tích lên đến 3200 m³ để hỗ trợ cho các chương trình vũ trụ của mình.
Bồn chứa hydro là một bình chân không lớn, được thiết kế chắc chắn và trang bị các hệ thống điều khiển Khi sử dụng, hydro lỏng được cung cấp nhiệt để bay hơi từ từ Áp suất trong bồn chứa thường duy trì ở mức khoảng 3 bar, tùy thuộc vào kích thước và công suất của bồn.
Hệ thống an toàn cho bồn chứa rất quan trọng, bao gồm các thiết bị như van xả để giảm áp suất quá cao và đĩa vỡ nhằm hạn chế mảnh vụn khi xảy ra sự cố nổ.
Hệ thống bồn chứa hydro lỏng được BMW áp dụng trên mẫu xe BMW Hydrogen 7, một dòng xe sử dụng công nghệ động cơ đốt trong kết hợp giữa hydro và xăng sinh học, được sản xuất giới hạn từ năm 2005 đến 2007 Xe được trang bị bồn xăng 74 lít và bồn LH2 120 lít, có khả năng chứa 8,5 kg hydro Thiết kế bồn chứa bao gồm các tấm thép không gỉ dày 2 mm được gia cố bằng sợi carbon và có lớp siêu cách nhiệt dày 30 mm Hydro lỏng được giữ ở áp suất 3 – 5 bar và nhiệt độ khoảng -250°C, mang lại khối lượng và thể tích cao hơn 75% so với hydro khí nén, đồng thời cung cấp chi phí thấp hơn cho mỗi đơn vị năng lượng lưu trữ.
Mặc dù lưu trữ hydro lỏng mang lại nhiều lợi ích, vẫn tồn tại một số vấn đề cần xem xét khi lựa chọn ứng dụng, điều này khiến cho nó ít được phổ biến trong các phương tiện giao thông.
Không thể nạp trực tiếp vào pin nhiên liệu vì hydro cần ở dạng khí và có thể cần gia nhiệt tùy thuộc vào loại pin Bồn LH2 cung cấp hydro ở nhiệt độ thấp, có thể ở dạng khí hoặc lỏng do lỗi hệ thống Do đó, cần bố trí thêm hệ thống làm nóng khi sử dụng bồn LH2 để đảm bảo nhiên liệu đến pin ở dạng khí Tuy nhiên, vấn đề này không lớn, vì có thể tận dụng nhiệt thải của pin thông qua hệ thống trao đổi nhiệt.
Quá trình hoá lỏng hydro bắt đầu bằng việc nén khí đến áp suất nhất định và sau đó làm lạnh đến khoảng 78K bằng thiết bị làm lạnh hoặc nitơ lỏng Năng lượng cần thiết để hóa lỏng hydro trong các nhà máy lớn chiếm khoảng 25% năng lượng mà nó sản xuất, trong khi ở các nhà máy nhỏ, con số này có thể lên đến 45%.
Vấn đề an toàn trong sản xuất và sử dụng hydro lỏng rất quan trọng, bởi vì da con người có thể bị tổn thương do tiếp xúc với hydro lỏng hoặc ống dẫn có nhiệt độ cực thấp, dẫn đến bỏng lạnh Do đó, tất cả các ống dẫn và thiết bị liên quan cần được cách nhiệt cẩn thận để bảo vệ người sử dụng Bên cạnh đó, các thiết bị và bồn chứa cũng phải đảm bảo khả năng làm kín và chống rò rỉ, nhằm duy trì áp suất bên trong và tránh nguy cơ cháy nổ Hydro có thể rò rỉ dưới dạng lỏng hoặc khí, và nếu không được kiểm soát, nó có thể tiếp cận các nguồn gây cháy nổ xung quanh.
Các bồn chứa ở nhà máy thường sẽ được lát bê tông xung quanh nhằm mục đích hạn chế rủi ro
3.2.3 Lưu trữ dựa trên vật liệu hấp thụ: a) Vật liệu hydrua kim loại:
ỨNG DỤNG PIN NHIÊN LIỆU TRÊN Ô TÔ
Hiện trạng
Hiện nay, các hãng ô tô lớn đang nghiên cứu công nghệ xe chạy bằng pin nhiên liệu Hydro, một giải pháp xanh cho ngành ô tô và năng lượng Một ví dụ tiêu biểu là mẫu xe Mirai 2021 của Toyota, với ba bình hydro áp suất cao chứa khoảng 5.6 kg nhiên liệu, cho phép di chuyển xa 643,7 km Honda cũng giới thiệu mẫu xe Clarity Fuel Cell, với cụm pin nhiên liệu có mật độ năng lượng 3.1 kW/lít và công suất 174 mã lực Để duy trì công suất ổn định cho ô tô, hệ thống pin cần các hệ thống phụ trợ như làm mát, cung cấp nhiên liệu và xả Chương này sẽ trình bày chi tiết vai trò và cấu tạo của các hệ thống điều khiển pin nhiên liệu, trong đó pin nhiên liệu PEMFC được sử dụng rộng rãi nhờ đặc điểm hoạt động phù hợp cho ứng dụng di động.
Các đặc điểm hoạt động chính của pin PEMFC có thể được tóm tắt như sau:
- Có thể sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau nhưng hydro là chất khử tốt nhất để PEMFC hoạt động hiệu quả và đáng tin cậy
Oxy là chất phản ứng lý tưởng cho cực âm của pin, tuy nhiên không khí cũng có thể được sử dụng làm nguồn cung cấp chất oxy hóa cho pin, miễn là có đủ lượng oxy hóa cần thiết.
- Nước là sản phẩm của phản ứng điện hóa
- Áp suất và nhiệt độ làm tăng hiệu suất của từng tế bào pin
- Nhiệt độ hoạt động của pin từ 80 – 120°C
Hình 4 1: Sơ đồ tổng thể hệ thống pin nhiên liệu PEMFC sử dụng nhiên liệu Hydro
Hệ thống cung cấp Hydro
Bố trí hệ thống cấp nhiên liệu và kiểm soát của nó phụ thuộc vào loại bình nhiên liệu trên xe Đối với hệ thống lưu trữ hydro, các thông số quan trọng cần được kiểm soát bao gồm áp suất làm việc, độ ẩm, độ sạch của nhiên liệu và lưu lượng dòng khí nạp.
Hydro có thể được cung cấp dưới dạng phun một lần hoặc dòng chảy Việc sử dụng hydro nguyên chất làm nhiên liệu cho hệ thống phun một lần là hợp lý, khi hydro được nạp vào pin nhiên liệu dưới dạng khí có áp suất qua van thường đóng Dòng điện từ các tế bào pin phụ thuộc vào tốc độ dòng nhiên liệu qua cực dương, cho phép kiểm soát công suất đầu ra Khi không có tải, hệ thống sẽ ngừng cấp nhiên liệu và cần một van xả để loại bỏ nitơ và nước dư thừa tại cực dương, được điều khiển bằng ECU Một phương pháp cấp nhiên liệu khác cho xe chạy pin nhiên liệu là cấp theo dạng dòng chảy.
Việc lựa chọn giữa hai hình thức cấp nhiên liệu cho hệ thống pin nhiên liệu, bao gồm máy bơm tái chế hydro và vòi phun, có ảnh hưởng lớn đến thiết kế của các hệ thống phụ Sự lựa chọn này không chỉ tác động đến cấu trúc của hệ thống phụ mà còn ảnh hưởng đến khả năng tích hợp với các thành phần khác trong hệ thống pin nhiên liệu.
Hình 4 2: Sơ đồ mô phỏng hệ thống cấp nhiên liệu ở dạng dòng chảy
Sơ đồ của hệ thống nạp nhiên liệu hydro ứng dụng trên ô tô được thể hiện trong Hình
4.2 Thiết kế bộ điều áp nhằm kiểm soát áp suất đầu vào của nhiên liệu đảm bảo tốc độ dòng hydro cần thiết cho phản ứng hóa học Áp suất đầu vào và xả nhiên liệu là các thông số chính cần được kiểm soát ở cả hai chế độ hoạt động, tuy nhiên, vai trò của van lọc là khác nhau đối với hai chế độ Trong cấu hình phun một lần (dead-end) và không khí được sử dụng làm chất oxy hóa, nitơ có xu hướng chuyển từ catot qua chất điện phân sang phía anot Khi nhiên liệu được tiêu thụ trong pin nhiên liệu, nồng độ nitơ trong ngăn cực dương tăng lên, dẫn đến tích tụ trong đó và tác động tiêu cực đến hiệu suất của pin nhiên liệu Ngoài ra, việc kiểm soát độ ẩm cũng là một phần hết sức quan trọng, nhằm tránh sự ngưng tụ của chất lỏng lên bề mặt của các điện cực âm và dương, gây ngập các tế bào pin dẫn đến hiện tượng nghèo nhiên liệu, làm cản trở việc tiếp cận của nhiên liệu hydro trong quá trình phản ứng Hệ thống cung cấp nhiên liệu còn có chức năng loại bỏ lượng nước và nito tích tụ ở cực dương sau phản ứng giúp cho điện cực được tiếp xúc tốt hơn với nhiên liệu và làm cho nhiên liệu sạch hơn Do đó, việc duy trì màng tế bào ngậm nước tốt, đảm bảo tế bào
Van lọc hoạt động ổn định và hiệu quả nhờ vào việc giảm thiểu sự trao đổi chéo nitơ và ngăn ngừa hiện tượng ngưng tụ chất lỏng Van thường được đóng lại, nhưng ECU có khả năng mở van theo tần suất quy định để loại bỏ chất gây hại mà không gây rò rỉ nhiên liệu Để đánh giá hiệu quả của hệ thống cấp nhiên liệu, ta xem xét hệ số chuyển đổi nhiên liệu phun thành nhiên liệu tham gia phản ứng, có thể đạt trên 90% nếu hệ thống được tối ưu hóa tốt.
Trong chế độ dòng chảy, hệ thống nạp nhiên liệu dựa trên tuần hoàn bằng máy bơm hoặc bộ khuếch tán có thể áp dụng cho mạch cực dương, trong đó phần nhiên liệu dư được tuần hoàn lại qua hệ thống khép kín và trộn với nhiên liệu mới Một lợi ích quan trọng là hỗn hợp nhiên liệu được làm ẩm nhờ hơi nước từ phản ứng điện hóa, hỗ trợ quản lý độ ẩm của dòng khí nạp Tuy nhiên, nitơ có thể xâm nhập từ cực âm sang cực dương qua màng điện phân, ảnh hưởng đến độ tinh khiết của nhiên liệu và giảm hiệu suất pin nhiên liệu Các tạp chất từ nguồn nhiên liệu cũng có thể tích tụ trong vòng tuần hoàn khí nạp, do đó cần xem xét sử dụng van lọc để hạn chế tạp chất Mặc dù vậy, phương pháp nạp dạng dòng này có thể cải thiện kiểm soát độ ẩm và giảm thiểu sự thoát hydro.
Hệ thống cung cấp không khí
Hệ thống cấp không khí cho pin có vai trò quan trọng trong việc cung cấp chất oxy hóa cho ngăn catot, với không khí là chất oxy hóa phổ biến nhất trong PEMFC Mặc dù sử dụng oxy nguyên chất từ các xi lanh áp suất cao có thể nâng cao hiệu suất pin, nhưng phương pháp này ít được ưu tiên cho xe ô tô do việc lắp đặt bình chứa oxy hoặc hệ thống tách oxy có thể chiếm diện tích và tốn kém hơn so với việc sử dụng không khí Điều này tạo ra một thách thức lớn trong việc ứng dụng pin trong ngành công nghiệp ô tô.
73 nhiên liệu lên ô tô Hơn nữa, nếu dùng phương pháp tách oxy từ hợp chất chứa oxy thì sẽ tiêu tốn một phần năng lượng của xe
Trong hệ thống này, việc kiểm soát tốc độ và áp suất của dòng không khí nạp là rất quan trọng Để đảm bảo các thông số này, thiết bị cần thiết bao gồm máy thổi hoặc máy nén.
Chế độ hút khí tự do không cung cấp đủ oxy cho bề mặt catot, dẫn đến công suất pin nhiên liệu không ổn định Giải pháp phổ biến là thiết kế bộ phận nạp chất oxy hóa bằng cách sử dụng thiết bị nén khí nhỏ gọn Hệ thống cung cấp không khí chủ yếu dựa vào máy nén khí và có thể bao gồm van điều áp (áp suất cao hơn 2 bar) để thu hồi một phần năng lượng áp suất.
Một yếu tố quan trọng để hệ thống cung cấp không khí hoạt động hiệu quả là chọn máy nén có hiệu suất cao và ổn định trong mọi điều kiện của ô tô Mức tiêu thụ năng lượng lý thuyết của máy nén, giống như bất kỳ thiết bị nào chuyển đổi điện năng thành cơ năng, có thể được tính toán theo công thức trong điều kiện đoạn nhiệt thuận nghịch.
Công thức L = − ∫ h dP mô tả công cơ học lý tưởng cần thiết để khởi động máy nén, trong đó h1 và h2 lần lượt là enthalpy của dòng khí nạp trước và sau khi nén, v là thể tích cụ thể của khí, và p là áp suất làm việc thay đổi từ p1 đến p2 Các điều kiện hoạt động của hệ thống nạp không khí trong H2FCS cho thấy dòng khí có thể được xem như một hỗn hợp khí lý tưởng.
(4.2) và trong điều kiện đoạn nhiệt:
Trong đó: T1 là giá trị nhiệt độ đầu vào
T2 biểu thị giá trị nhiệt của khí sau khi nén
Cp và Cv lần lượt là nhiệt dung riêng ở áp suất và thể tích không đổi
Tham số k là số mũ đoạn nhiệt, giả định giá trị của không khí là 0,285
Công suất tiêu thụ lý tưởng (Pid) liên quan đến áp suất nén đẳng hướng (đoạn nhiệt) có thể được tính toán theo:
Trong đó: ma là tốc độ dòng khí
Theo phương trình (4.3), tổn thất năng lượng cần thiết để vận hành một máy nén chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ dòng khí, khối lượng và tỷ số nén (p2 / p1).
Hình 4 3: Sơ đồ hệ thống nạp không khí ở hai phương án áp suất thấp (a) và cao (b) Động cơ máy nén M
Hệ thống cung cấp không khí trong pin nhiên liệu bao gồm hai loại dòng khí: áp suất cao và áp suất thấp, như thể hiện trong Hình 4.3 Đây là hệ thống tiêu thụ điện năng cao nhất, ảnh hưởng lớn đến hiệu quả toàn bộ hệ thống Việc sử dụng máy thổi khí (Hình 4.3a) giúp hạn chế tổn thất điện năng, đặc biệt ở mức tải tối thiểu, đồng thời cung cấp áp suất không khí thấp, tạo ra điện áp tế bào pin thấp Giải pháp này phù hợp với nhu cầu về chi phí thấp và tính đơn giản của các đoàn tàu điện nhỏ (1–10 kW).
Trong các ứng dụng yêu cầu công suất cao từ pin nhiên liệu, máy nén khí là lựa chọn tối ưu CEM (Compressor Expander Module) có thể thu hồi năng lượng áp suất từ khí thải ở catot, giúp tăng hiệu suất hệ thống Giải pháp này, mặc dù làm phức tạp hệ thống cấp khí trên ô tô, có thể áp dụng hiệu quả cho các đoàn tàu điện pin nhiên liệu có công suất từ 10 đến 100 kW.
Hệ thống nạp không khí cần giảm thiểu tiêu thụ năng lượng cho máy nén và đảm bảo cung cấp đủ oxy cho catot Khí cấp vào catot là hỗn hợp không khí, với áp suất riêng phần của oxy thay đổi trong quá trình vận hành Việc điều chỉnh áp suất ống dẫn giúp khắc phục tình trạng thiếu O2 bằng cách tăng tốc độ dòng khí Nồng độ oxy trong không khí giảm dần khi tham gia phản ứng ở tế bào pin, trong khi lượng khí nitơ không thay đổi, do đó cần nạp không khí dư với tỷ lệ nhất định để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
Thiết bị cấp không khí cần có khả năng linh hoạt để hoạt động hiệu quả ở tất cả các tốc độ dòng khí khác nhau, đặc biệt là khi chế độ và điều kiện vận hành của ô tô thay đổi Máy nén khí trên ô tô phải giảm thiểu độ ồn, chi phí và đảm bảo hoạt động êm dịu Hệ thống nạp không khí cũng cần duy trì độ sạch của dòng khí, vì bất kỳ giọt dầu nhỏ hay chất ô nhiễm nào có thể ảnh hưởng tiêu cực đến tuổi thọ và hiệu suất của pin nhiên liệu Do đó, các hệ thống PEMFC yêu cầu máy nén không khí phải đáp ứng những tiêu chuẩn khắt khe này.
76 dầu hoặc bộ lọc khí để loại bỏ các hạt và chất gây ô nhiễm (sunfur, muối, CO và hydrocacbon)
Một số kiểu máy thổi và máy nén có thể ứng dụng cho pin nhiên liệu Hình 4.4 và Hình 4.5 trình bày sơ đồ phân loại các kiểu máy nén khí, so sánh hai loại chính: máy nén khí dạng động năng và máy nén khí dạng piston Mỗi loại còn có các kiểu khác nhau, bao gồm chuyển động qua lại và quay cho máy nén dạng piston, cũng như ly tâm và hướng trục cho máy nén dạng động năng.
Hình 4 4: Sơ đồ cơ bản về phân loại máy nén khí
Hình 4 5: Máy nén khí ly tâm cho các ứng dụng pin nhiên liệu
A/B lần lượt là đầu vào/ ra không khí, c là cánh quạt
Máy nén ly tâm được coi là hiệu quả hơn và tiết kiệm chi phí hơn so với máy nén hướng trục trong dải công suất ứng dụng ô tô Các máy nén và thổi sử dụng động cơ quay để cung cấp khí cho các hệ thống FCS cỡ vừa, dựa trên thiết kế cánh quạt kiểu ly tâm Trong máy nén khí ly tâm, năng lượng từ động cơ được truyền vào không khí và gia tốc, tạo ra áp suất cần thiết.
Máy nén khí ly tâm hoạt động theo hướng tâm và chu vi, với dòng khí bị ép vào các cách định hướng gắn liền với vỏ, làm tăng áp suất và động năng Không khí sau đó được tăng tốc và vận chuyển theo đường xoắn ốc qua cánh quạt và các cánh định hướng cho đến khi được xả ra ngoài Cánh quạt quay là bộ phận chuyển động duy nhất, giúp loại bỏ hiện tượng mài mòn nhờ không có sự tiếp xúc giữa cánh quạt và vỏ, từ đó cải thiện độ tin cậy và độ bền Đặc biệt, máy nén khí ly tâm hoàn toàn không chứa dầu và hoạt động với độ ồn thấp.
Máy nén khí ly tâm tốc độ cao là lựa chọn tối ưu cho FCS với công suất lên đến 100 kW, hoạt động dựa trên nguyên lý truyền năng lượng từ cánh quạt qua không khí Áp suất được tạo ra nhờ việc chuyển đổi mômen động lượng của cánh quạt, cho phép đạt được giá trị áp suất khí cao hơn khi tốc độ tăng Loại máy nén này không sử dụng dầu trong thiết kế, với bánh răng được bôi trơn bằng dầu và ngăn cách với không khí bằng phớt trục và lỗ thông hơi Hệ thống nạp không khí áp suất cao đã được phát triển và ứng dụng thành công cho FCS 80 kW.
Máy nén piston mang lại tỷ lệ nén linh hoạt hơn khi hoạt động ở mức tải pin nhiên liệu thấp Đồng thời, máy nén piston dạng quay còn có ưu điểm vượt trội so với các loại máy nén khác về tốc độ dòng khí và khả năng giảm tiếng ồn.
Với máy nén dạng chuyển vị tích cực (positive displacement), phổ biến với hai loại là máy nén dạng trục vít và máy nén dạng cuộn
Hệ thống quản lý nhiệt của pin nhiên liệu ứng dụng trên ô tô
Thiết kế hệ thống quản lý nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất và động học của PEMFC Nhiệt phát sinh từ phản ứng điện hóa hydro trong pin nhiên liệu là một sản phẩm phụ, làm tăng nhiệt độ cục bộ tại các vị trí phản ứng trong MEA và dần dần làm tăng nhiệt độ toàn bộ các ngăn trong pin do quá trình truyền nhiệt Khi điện áp của tế bào pin giảm xuống dưới 1,2 V, dao động từ 0,9 V đến khoảng 0,5 V trong toàn bộ dải mật độ dòng điện, có thể áp dụng định luật Ohm để tính toán lượng nhiệt được tạo ra bên trong tế bào pin.
Q = = V V − V I (4.7) Trong đó: Q là nhiệt lượng sinh ra
I là dòng điện chạy qua các tế bào pin
Vid ,V lần lượt là các giá trị điện áp thuận nghịch và thực tế của tế bào pin
80 Động học của sự thay đổi nhiệt độ liên quan đến công suất sinh ra được tính bởi phương trình vi phân sau: p
Đạo hàm theo thời gian thể hiện tốc độ thay đổi nhiệt độ, trong đó m đại diện cho khối lượng toàn bộ tế bào pin, và cp là nhiệt dung riêng trung bình của tế bào pin.
Thiết kế hệ thống quản lý nhiệt cho pin nhiên liệu ô tô phụ thuộc vào tổng lượng nhiệt phát sinh, liên quan đến kích thước tế bào pin Tốc độ dòng chảy của chất làm mát, thường là nước khử ion, có thể được xác định thông qua định nghĩa nhiệt dung được mô tả bằng một phương trình cụ thể.
Trong đó: Q là suất nhiệt sinh ra cp là nhiệt dung riêng của nước
T f là nhiệt độ đầu ra của chất làm mát
T i là nhiệt độ đầu vào của chất làm mát
( T f − T i )là chênh lệch nhiệt độ của chất làm mát của pin nhiên liệu
Giá trị ( T f − T i ) được khuyến nghị không vượt quá 5K [15]
Hệ thống làm mát của pin nhiên liệu trên ô tô bao gồm các thành phần chính như máy bơm, bình chứa nước và bộ tản nhiệt với quạt Đối với các tế bào pin nhỏ (từ 100 đến 500 W), có thể sử dụng quạt không khí để làm mát trực tiếp Tuy nhiên, với công suất cao hơn (1 – 100 kW), việc sử dụng chất lỏng như nước khử ion hoặc hỗn hợp etylen glycol-nước là cần thiết để cải thiện khả năng giải nhiệt cho pin công suất lớn.
Hình 4 8: Hệ thống làm mát bằng nước của pin nhiên liệu
Hệ thống làm mát của xe không chỉ có khả năng làm mát mà còn thực hiện chức năng thu hồi nhiệt, đòi hỏi sự hỗ trợ từ các thành phần như bộ trao đổi nhiệt không khí, máy làm ẩm và thiết bị ngưng tụ Các bánh xe hồi nhiệt, thiết bị thu hồi nhiệt dạng quay, có khả năng làm nóng dòng khí nạp và thu hồi nhiệt từ dòng ra ở catot, nơi có hỗn hợp khí ở nhiệt độ gần với nhiệt độ của tế bào pin trong điều kiện bão hòa Thiết bị này không chỉ truyền nhiệt mà còn có thể điều chỉnh độ ẩm của dòng khí nạp Với thiết kế nhỏ gọn và hiệu suất truyền năng lượng cao, bánh xe hồi nhiệt được cấu tạo từ hình trụ chứa vật liệu thấm như polyme, nhôm hoặc sợi tổng hợp, với khả năng truyền nhiệt ưu việt Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên sự chênh lệch nhiệt độ giữa các dòng khí đối lưu.
Trao đổi nhiệt được thực hiện qua các vật liệu hấp phụ như silicagel, zeolit và các sàng phân tử khác, nhằm chuyển các phân tử nước dựa trên sự chênh lệch áp suất riêng phần của hơi trong không khí Hệ thống FCS sử dụng bánh xe hồi nhiệt, yêu cầu các phương pháp điều khiển tốc độ quay của bánh xe để phù hợp với điều kiện vận hành của pin.
Hệ thống quản lý nước và độ ẩm
Màng trao đổi proton polyme cần được duy trì độ ẩm thích hợp để đảm bảo độ dẫn ion ổn định trong quá trình vận hành pin
Hàm lượng nước trong vật liệu Nafion, được sử dụng làm màng dẫn, ảnh hưởng trực tiếp đến độ dẫn proton Tuy nhiên, nước sinh ra ở cực âm và độ ẩm của dòng không khí nạp không đủ để duy trì độ ngậm nước cần thiết cho màng điện phân trong các điều kiện hoạt động khác nhau của pin.
Hình 4 9: Sơ đồ di chuyển của nước bên trong MEA của PEMFC
Hình 4.9 minh họa các dòng di chuyển của nước trong MEA khi sử dụng nhiên liệu hydro tinh khiết với chế độ cấp nhiên liệu phun một lần và dòng không khí không bão hòa.
Ta thấy, trong quá trình hoạt động, nước có 4 quá trình sau:
1 Nước sinh ra trên bề mặt điện cực catot ( O 2 + H 2 + 2 e − → H O 2 )
2 Sự khuếch tán ngược xảy ra từ phía cực âm sang cực dương qua màng điện phân do chênh lệch nồng độ giữa hai mặt màng điện phân
3 Các phân tử H O 2 bị hút bởi các proton đi từ cực dương sang cực âm trong quá tình phản ứng điện hóa (lực thẩm thấu điện)
4 Các phân tử H O 2 ở ngăn catot liên tục bị hấp thụ bởi dòng không khí không bão hòa, điều này cũng xảy ra tương tự ở ngăn cực dương trong quá trình tái chế hydro hoặc trong quá trình lọc ở dạng phun một lần
Lực cản thẩm thấu điện hạn chế tác động của khuếch tán ngược bằng cách chuyển nước từ cực dương sang cực âm, nhờ vào lực cản của các proton ngậm nước, có mối quan hệ tuyến tính với mật độ dòng điện.
Khả năng hấp thụ nước của các dòng khí nạp, đặc biệt là không khí, có thể rút nước từ tế bào pin, đặc biệt ở nhiệt độ cao Lượng nước này có thể vượt quá lượng nước được tạo ra từ phản ứng điện hóa, do tốc độ bay hơi và áp suất hơi nước bão hòa tăng theo nhiệt độ một cách phi tuyến tính.
Bảng 4 1: Ảnh hưởng nhiệt độ đến các thông số không khí bão hòa, tại Ptm
Nhiệt độ Áp suất bão hòa của hơi nước
Tỉ lệ độ ẩm tối đa ( g H O 2 / kg dry _ air )
Áp suất bão hòa của hơi nước và tỷ lệ độ ẩm tối đa trong pin phụ thuộc vào nhiệt độ hoạt động và áp suất khí quyển Độ ẩm được định nghĩa là tỷ số giữa khối lượng hơi nước trong không khí bão hòa và khối lượng không khí khô Ở nhiệt độ cao, không khí có thể chứa nhiều hơi nước, với độ ẩm tương đối (RH) luôn dưới 100% Nhiệt độ của dòng khí ẩm thường thấp hơn bề mặt điện cực, dẫn đến tốc độ bay hơi nhanh và làm khô màng điện phân, gây khó khăn cho việc vận hành tối ưu FCS, đặc biệt ở áp suất thấp Hạn chế này liên quan đến lực cản thẩm thấu điện, ảnh hưởng đến sự chuyển động của nước từ cực dương sang cực âm Ngoài ra, áp suất làm việc của pin cũng ảnh hưởng đến độ ẩm tối đa, với áp suất cao hơn khí quyển làm giảm tỷ lệ này.
Để đảm bảo quá trình hydrat hóa màng hiệu quả trong hệ thống quản lý nước và độ ẩm của FCS trên ô tô, cần thiết kế để duy trì độ ngậm nước ổn định dưới mọi điều kiện hoạt động, bao gồm mật độ dòng điện, nhiệt độ và áp suất Việc bổ sung nước vào dòng các chất phản ứng là giải pháp khả thi nhằm hạn chế hiện tượng thiếu nước của màng.
Một vấn đề quan trọng trong pin nhiên liệu là sự phân bố không đồng đều của nước trong chất điện phân và trên các điện cực xúc tác, dẫn đến hiện tượng ngập điện cực do lượng nước dư thừa Điều này cản trở nhiên liệu tiếp xúc với điện cực, gây giảm hiệu suất phản ứng Hiện tượng này cũng có thể xảy ra khi không bổ sung nước bên ngoài, vì luồng không khí khô vào tế bào pin sẽ dần dần bị ẩm bởi hơi nước, gây ra tình trạng đọng nước cục bộ.
Để đảm bảo hiệu suất tối ưu của pin nhiên liệu, FCS cần kiểm soát chặt chẽ quá trình vận hành Khi phát hiện bất thường như hiện tượng đọng nước cục bộ, cần nhanh chóng điều chỉnh hệ thống cấp hydro hoặc kiểm soát tốc độ dòng để khắc phục tình hình.
Để thoát nước dư thừa ở cả cực dương và cực âm, hệ thống cần duy trì áp suất khí ở mức 85 Van lọc trong hệ thống nạp nhiên liệu cần được điều chỉnh với tần số và độ trễ khác nhau, đồng thời tốc độ dòng khí cũng phải thay đổi tùy theo tỷ lệ phân áp Các quy trình quản lý độ ẩm có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả tổng thể của hệ thống FCS.
Các phương pháp tạo ẩm được chia thành hai loại chính: bên trong và bên ngoài Tạo ẩm bên trong liên quan đến việc làm ẩm thông qua các hoạt động nội bộ của pin nhiên liệu, trong khi tạo ẩm bên ngoài liên quan đến việc điều chỉnh tỷ lệ độ ẩm của dòng khí nạp bên ngoài tế bào pin.
Phương pháp đơn giản nhất để làm ẩm màng điện phân là ‘‘tự làm ẩm’’, dựa trên nguyên tắc rằng một phần nước trong màng vẫn còn bên trong vật liệu cao phân tử Nước được sinh ra từ phản ứng trong quá trình vận hành sẽ được màng điện phân hấp thụ đủ, do đó không cần làm ẩm bên ngoài Quá trình tạo ẩm của màng được kiểm soát dựa trên các thông số hoạt động bên trong, với hệ thống quản lý áp dụng các cơ chế vận chuyển nước qua chất điện phân.
Phương pháp làm ẩm bên trong bị giới hạn bởi đặc tính khuếch tán của màng Ở nhiệt độ cao (>90°C), tốc độ khuếch tán ngược của nước trở thành vấn đề lớn, do sự hấp thụ nước của dòng khí nạp tăng theo nhiệt độ và lực cản thẩm thấu điện tăng theo mật độ dòng điện Màng giới hạn tốc độ khuếch tán ngược, dẫn đến lực cản thẩm thấu điện trở thành cơ chế chủ đạo, khiến nước bị vận chuyển ra khỏi cực dương, dẫn đến tình trạng khô ở cực dương và ngập nước ở cực âm Vì vậy, nhiệt độ và công suất của tế bào pin là các thông số quan trọng để duy trì độ ngậm nước của màng điện phân trong điều kiện tự hút ẩm.
Quá trình hydrat hóa màng liên quan đến việc quản lý dòng khí, trong đó luồng không khí qua ngăn catot trở nên nóng và ẩm, tạo ra hiệu ứng làm khô Ở nhiệt độ trên 60°C, độ ẩm tương đối của không khí đầu ra có thể thấp hơn 100% Bằng cách kiểm soát thông số R, có thể quản lý RH của dòng catot thoát ra và kiểm soát quá trình hydrat hóa FCS kích thước nhỏ (< 3 kW) có thể hoạt động ổn định với phương pháp tự tạo ẩm bên trong nếu nhiệt độ làm việc dưới 60°C, mặc dù công suất tối đa giảm khoảng 40%, nhưng hiệu suất vẫn cao.
Một phương pháp làm ẩm bên trong hiệu quả là "làm ẩm màng bên trong", trong đó nước lỏng được phun trực tiếp vào tế bào pin Màng điện phân được thiết kế đặc biệt để hấp thụ nước từ đầu phun, với một phần dành riêng cho việc làm ẩm khí đầu vào Nước lỏng được bơm vào khu vực này giúp quản lý nước linh hoạt hơn Các biện pháp làm ẩm bên trong không chỉ giảm độ phức tạp của thiết kế FCS mà còn điều hòa khí và nhiệt độ trong tế bào pin, ngăn ngừa bay hơi nhanh và mất nước Tuy nhiên, một phần của màng không tham gia vào phản ứng, dẫn đến giảm mật độ dòng điện.
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN NHIÊN LIỆU
Phương pháp mô phỏng
Hiện tại, công nghệ pin nhiên liệu tại Việt Nam còn gặp nhiều hạn chế trong ứng dụng Để hiểu rõ hơn về cấu tạo, hiệu suất và đặc tính của pin nhiên liệu, việc mô phỏng hệ thống pin nhiên liệu bằng phần mềm Matlab/Simulink là một phương pháp hiệu quả.
Hình 5 1: Mô hình mô phỏng hệ thống pin nhiên liệu PEMFC trên Matlab/Simulink
MATLAB (Matrix Laboratory) là phần mềm khoa học chuyên dụng cho tính toán số và hiển thị đồ họa bằng ngôn ngữ lập trình cấp cao Với tính năng tương tác linh hoạt, người dùng có thể thao tác dữ liệu dưới dạng mảng ma trận để thực hiện các phép toán và quan sát kết quả Simulink, một phần mở rộng của MATLAB do MathWorks Inc phát triển, cung cấp môi trường mô hình, mô phỏng và phân tích hệ thống động Việc xây dựng mô hình trong Simulink được đơn giản hóa thông qua thao tác chuột, với thư viện khối phong phú hỗ trợ phân tích tuyến tính và phi tuyến tính Mô hình trong Simulink có cấu trúc phân cấp, cho phép áp dụng cả phương pháp từ trên xuống và từ dưới lên, làm cho nó trở thành một phần không thể thiếu của MATLAB.
Người dùng có thể chuyển đổi qua lại giữa hai môi trường phân tích, từ đó tận dụng tối đa các tính năng mà cả hai cung cấp.
Model hệ thống pin nhiên liệu trên Mathlab/Simulink
5.2.1 Hệ thống cấp nhiên liệu Hydro:
Khối này mô phỏng hệ thống trữ nhiên liệu hydro trong hệ thống pin nhiên liệu
Hình 5 2: Mô phỏng hệ thống nhiên liệu của pin nhiên liệu
Khối này gồm các khối thành phần sau:
Bình chứa (khối chứa thể tích không đổi) mô phỏng bình chứa nhiên liệu hydro, với cổng A là cổng xuất nhiên liệu và cổng H mô phỏng nhiệt độ của bình chứa Cổng H được kết nối với khối cách nhiệt, giúp ngăn bình chứa trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài và mô hình hóa quá trình đoạn nhiệt Các thông số của bình chứa được thiết lập cụ thể để đảm bảo tính chính xác trong mô hình.
+ Dung tích chứa của bình: 120 lít
+ Đường kính ngỏ ra của dòng khí: 0.01 mét
+ Nhiệt độ khí trong bình: 20°C
Van điều áp là thiết bị có chức năng điều chỉnh áp suất của dòng khí ra sao cho phù hợp với mức áp suất đã được cài đặt trước Thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì ổn định áp suất trong hệ thống.
Áp suất môi trường và áp suất ngăn pin tổng cộng là 91 Cổng A và B được sử dụng làm cổng in/out cho dòng khí nạp Van được thiết lập với các thông số cụ thể để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
+ Đường kính ống nối: 0.01 mét
+ Tỉ lệ đường kính cổng out/in: 10 -4 – 0.2
+ Phạm vi điều chỉnh áp suất tối đa: 0.005 Mpa
+ Áp suất cài đặt: 0.161325 Mpa
- Ống dẫn khí (pipe): Khối này mô phỏng đường ống dẫn khí trong hệ thống nạp hydro Khối này được thiết lập với các thông số sau:
+ Tổng chiều dài của trở dòng như khớp nối, khúc co, tổn thất đầu vào/ra: 0.1 mét + Độ nhám tuyệt đối của mặt trong đường ống: 15x10 -6 mét
+ Nhiệt độ dòng khí trong ống: 20°C
+ Áp suất dòng khí nạp trong ống: 0.101325 (Mpa)
Khối đặc tính dòng khí nạp mô phỏng các đặc tính của hỗn hợp khí nạp, bao gồm không khí khô, hơi nước và hydro Hỗn hợp khí này được định nghĩa gồm ba loại chính: nitơ (N2), hơi nước và hydro (H2) Các thông số chi tiết của hỗn hợp khí được trình bày trong bảng 5.1.
Bảng 5 1: Thông số dòng khí nạp
Hằng số riêng của chất khí (J/kg/k) 296.8 461.523 4124.48
Chỉ số enthanpy riêng của chất khí (KJ/Kg) [224.31; 651.92] [2396.55; 3175.8] [2783.66;
8639.9] Độ nhớt động (s*àPa) [13.8; 30.35] [6.81; 21.5] [7.13; 14.85] Độ dẫn nhiệt
Giá trị áp suất tối thiểu (Kpa) 1 - -
(Mpa) 0.101325 - - Áp suất tại điểm bão hòa của hơi nước
Khả năng khuếch tán trong không khí
5.2.2 Hệ thống kiểm soát độ ẩm:
Khối mô phỏng hệ thống làm ẩm của pin Fuel cell hoạt động bằng cách nhận tín hiệu nhiệt độ và độ ẩm từ ngăn pin, sau đó tính toán và điều khiển nguồn ẩm phù hợp.
- Cổng F: nhận tín hiệu độ ẩm của ngăn pin
- T_stack: Nhiệt độ hoạt động của ngăn pin
Khối tạo nguồn ẩm (Controlled Moisture Source) mô phỏng một nguồn hoặc bể chứa hơi ẩm, với cổng S điều khiển lượng không khí ẩm thêm hoặc bớt Tốc độ dòng khối ẩm được điều chỉnh thông qua cổng tín hiệu vật lý M [kg/s], trong đó giá trị dương hoặc âm tương ứng với việc thêm vào hoặc loại bỏ độ ẩm Cổng nhiệt độ T [K] có chức năng duy trì nhiệt độ của khối khí ẩm, đảm bảo phù hợp với nhiệt độ hoạt động của ngăn pin.
Khối điều khiển nguồn ẩm (Proportional Control) có nhiệm vụ điều khiển khối tạo ẩm bằng cách nhận tín hiệu độ ẩm từ cổng W Sau đó, khối này so sánh tín hiệu với giá trị độ ẩm tuyệt đối để phát tín hiệu điều khiển cho khối tạo ẩm tại cổng M.
Hình 5 3: Mô phỏng hệ thống kiểm soát độ ẩm của pin nhiên liệu
5.2.3 Hệ thống thu hồi hydro dư:
Hệ thống này mô phỏng quá trình thu hồi khí Hydro dư thừa sau phản ứng và hòa trộn nó vào dòng khí nạp mới Nguyên lý hoạt động dựa vào cường độ dòng điện tạo ra trong ngăn pin, từ đó tính toán và điều khiển việc đóng mở van một cách hiệu quả.
Hình 5 4: Mô phỏng hệ thống thu hồi khí hydro dư
- Cổng R: Cổng nối với van xả của ngăn anode để nhận hydro dư
Khối kiểm soát tốc độ dòng khí (Controlled Mass Flow Rate Source) có vai trò mô phỏng van để điều chỉnh tốc độ dòng chảy dựa trên tín hiệu từ khối Feedforward Control Cổng M nhận tín hiệu điều khiển, trong khi cổng A và B lần lượt là cổng vào và ra của khối.
Khối bình chứa khí hydro sau khi thu hồi (Constant Volume Chamber) mô phỏng bình chứa nhiên liệu sau khi thu hồi, nhằm hòa vào dòng khí nạp mới Cổng A và B là các cổng vào và ra của khối thu hồi hydro dư.
Hệ thống xả mô phỏng quá trình xả các chất sau phản ứng (như: nước, N2,… ) ra ngoài môi trường
Hình 5 5: Mô phỏng hệ thống xả của pin nhiên liệu
- Khối nhiệt độ môi trường (Environment temperature): Mô phỏng sự truyền nhiệt giữa hệ thống đường ống và môi trường
- Van xả (Purge valve): điều khiển độ mở của van để xả
+ Đường kính nhỏ nhất: Dmin = 2 mm
+ Đường kính lớn nhất: Dmax = 10 mm
Hệ thống xả ở cực âm (Cathode) hoạt động tương tự như ở cực dương (Anode), với điểm khác biệt là van xả được sử dụng là van điều áp Khi áp suất trong ngăn pin vượt quá mức áp suất hoạt động, van sẽ tự động mở để xả áp ra môi trường.
Khối mô phỏng màng điện phân MEA bao gồm các thông số cài đặt cần thiết để hệ thống pin nhiên liệu hoạt động hiệu quả và tối ưu Thông số của cụm màng điện phân MEA được trình bày chi tiết trong bảng 5.2.
Bảng 5 2: Các thông số của cụm màng điện phân MEA
Diện tích pin (cm 2 ) 280 Độ mỏng màng polyme (àm) 125 Độ mỏng màng khuếch tỏn cực dương (àm) 250 Độ mỏng màng khuếch tỏn cực õm (àm) 250
Mật độ dòng điện trao đổi (A/cm 2 ) 0.0001
Mật độ dòng điện tối đa (A/cm 2 ) 1.4
Hệ số chuyển trạng thái (α) 0.7 Độ khuếch tán hơi nước của màng khuếch tán (cm 2 /s) 0.07
Khối Electrical load mô phỏng tải dùng năng lượng của pin nhiên liệu và tải này là giải lập tín hiệu vận hành của ô tô
Hình 5 6: Mô phỏng cường độ dòng điện qua tải theo thời gian
Hình 5 7: Mô phỏng hệ thống làm mát của pin nhiên liệu
Hệ thống làm mát của pin nhiên liệu được mô phỏng để duy trì nhiệt độ ổn định Cảm biến nhận tín hiệu nhiệt độ từ ngăn pin và điều khiển bơm để điều chỉnh tốc độ dòng nước làm mát Nhờ đó, nhiệt độ của pin luôn được giữ ở mức 80°C.
- Bình chứa nước làm mát (Coolant tank): Bình chứa là dạng xi lanh trụ tiết diện 0.1 m 2 , mức nước làm mát ban đầu là 0,08 m
- Khối mô phỏng các thông số của nước làm mát (Coolant properties): Khối này mô phỏng các thông số vật lý của nước làm mát
Bảng 5 3: Thông số mô phỏng của nước làm mát
Nhiệt độ (độ c) [0; 90] Áp suất (Mpa) [0.05; 50] Độ nhớt động học (mm 2 /s) [1.79; 3.0] Độ truyền nhiệt (mW/m/K) [561.04; 706]
Bộ tản nhiệt trong Simulink sử dụng mô hình ống để mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt của dòng nước làm mát ra môi trường.
Bảng 5 4: Thông số mô phỏng bộ tản nhiệt
Tổng chiều dài của các trở dòng (m) 2.5 Độ nhám tuyệt đối bên trong bề mặt 15*10 -6
Khối trở dòng (Flow resistant) mô phỏng sự giảm áp suất của chất làm mát khi di chuyển qua các trở ngại như khớp nối, van và các đoạn quanh co trong hệ thống làm mát của pin nhiên liệu Khối này được thiết lập với các thông số cụ thể để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho quá trình làm mát.
Bảng 5 5: Thông số giảm áp Độ giảm áp (Mpa) 0.001
Tốc độ dòng chảy (Kg/s) 0.1
Kết quả mô phỏng
Hình 5 10: Đồ thị thể hiện đường cong dòng điện- điện thế của pin
Đường cong mật độ công suất pin nhiên liệu biểu thị mối quan hệ giữa mật độ công suất và mật độ dòng điện Để tạo ra đường cong này, điện áp tại từng điểm trên đường cong i-V được nhân với mật độ dòng điện tương ứng Trục y bên trái thể hiện điện áp pin nhiên liệu, trong khi trục y bên phải hiển thị mật độ công suất Lưu ý rằng dòng điện do pin nhiên liệu sản sinh tỷ lệ thuận với lượng nhiên liệu tiêu thụ, với mỗi mol nhiên liệu cung cấp n mol electron.
Khi dòng điện tăng, điện áp giảm do tổn thất, với ba loại tổn thất chính tạo nên đường cong i-V của pin nhiên liệu Tổn thất kích hoạt ảnh hưởng đến phần đầu của đường cong, trong khi tổn thất do tải rõ ràng nhất ở giữa, và tổn thất nồng độ, khi tỷ lệ ion dương từ cực dương qua cực âm không đạt 100%, nổi bật ở phần đuôi của đường cong i-V.
Điện áp đầu ra của ngăn pin giảm từ 1.2 V xuống khoảng 0.88 V khi cường độ dòng điện đạt mức cao nhất là 270 A Mặc dù điện áp giảm, công suất lại tăng theo dòng điện và giá trị công suất cũng có xu hướng tăng theo.
Công suất cao nhất đạt được là 102 suất với giá trị mật độ dòng điện 0.97 A/cm², tương ứng với công suất cực đại của khối pin khoảng 96.32 kW Trong khoảng mật độ dòng điện từ 0.2 – 0.9 A/cm², điện áp có sự phụ thuộc tuyến tính vào dòng điện, cho thấy rằng sự sụt giảm điện áp chủ yếu là do tiêu tốn cho tải và các thiết bị trong hệ thống pin nhiên liệu hoạt động ổn định.
Hình 5 11: Đồ thị thể hiện công suất tạo ra và công suất tản nhiệt
Đồ thị minh họa công suất do pin nhiên liệu cung cấp và năng lượng tiêu thụ của máy nén tại catot cùng với máy bơm nước làm mát, nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả.
- Đồ thị thể hiện lượng nhiệt tạo ra bởi pin nhiên liệu, lượng nhiệt này được triệt tiêu nhờ hệ thống làm mát
Hình 5 12: Biểu đồ biểu thị hiệu suất nhiệt và hiệu suất phản ứng
Theo đồ thị, công suất thực của hệ thống tiêu thụ thấp hơn vài phần trăm so với công suất do pin nhiên liệu cung cấp Nếu xem xét mô hình máy nén đẳng hướng và hiệu suất của máy nén, công suất thực có thể giảm thêm một vài phần trăm nữa.
- Hiệu suất nhiệt tối đa lý thuyết là 83% Trong quá trình mô phỏng, hiệu suất hoạt động ổn định ở khoảng 60 – 75%
- Hiệu suất nhiệt cho biết phần năng lượng nhiên liệu hydro mà pin nhiên liệu đã chuyển đổi thành công điện hữu ích
- Hiệu suất phản ứng thể hiện phần trăm nhiên liệu nạp vào tham gia phản ứng, hiệu suất phản ứng của oxy cao hơn của hydro
Hình 5 13: Đồ thị mô tả nhiệt độ tại các vị trí và tốc độ dòng nước làm mát
- Ở mô hình mô phỏng pin nhiên liệu này, hệ thống làm mát được điều khiển bằng cách thay đổi tốc độ dòng chất làm mát bởi thuật toán PID
- Nhiên liệu cấp cho cực dương được làm ấm bằng dòng chất làm mát, giúp tăng khả năng phản ứng của Hydro
- Không khí nạp vào cực âm được làm ấm bằng máy nén
Duy trì nhiệt độ tối ưu là yếu tố quan trọng trong hoạt động của pin nhiên liệu, vì nhiệt độ cao có thể làm giảm độ ẩm tương đối và tăng sức cản của màng điện phân Ngược lại, nhiệt độ thấp sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất phản ứng của pin.
- Nhiệt độ của pin được duy trì ở 80°C, bằng hệ thống làm mát
Đồ thị tốc độ nước làm mát cho thấy rằng ban đầu, bơm hoạt động với công suất cao để nhanh chóng đưa nhiệt độ pin đến mức lý tưởng là 80°C Sau giai đoạn này, bơm sẽ chuyển sang hoạt động với công suất thấp hơn, đủ để duy trì nhiệt độ ổn định cho pin nhiên liệu.
Hình 5 14: Đồ thị mô tả lượng khí hydro trong quá trình hoạt động
- Trong thời gian mô phỏng (2500 giây), áp suất trong bình chứa hydro giảm dần từ
70 Mpa về 63 Mpa, lượng hydro tiêu thụ khoảng 0.5 kg
- Năng lượng mà hydro tạo ra nhỏ hơn so với lượng hydro tiêu thụ, và tổn thất này tăng theo thời gian do sự tỏa nhiệt
- Lượng hydro tiêu thụ tăng mạnh ở thời gian đầu do việc kích hoạt điện cực và làm nóng pin nhiên liệu, sau đó tuyến tính theo thời gian