CÔNG NGHỆ PIN NHIÊN LIỆU(FUEL CELL) TRÊN ô tô

BI : Công nghệ pin nhiên liệu (fuel cell) ô tô BI : Cụng ngh pin nhiờn liệu (fuel cell) ô tô Mục tiêu: Học xong học viên có khả năng: - Mơ tả cơng thức hố học đặc điểm cấu tạo pin nhiên liệu - Giải thích xác đặc điểm kỹ thuật pin nhiên liệu - Giải thích ưu nhược điểm khả ứng pin nhiên liệu - Đề giải pháp để ứng dụng pin nhiên liệu cho động ô tô Nội dung a lý thuyết Khái quát pin nhiên liệu (fuel cell) 1.1 Nguyên nhân phát triển pin nhiên liệu: Ngày nay, xã hội hầu hết nguồn lượng cung cấp từ nhiên liệu hóa thạch Xã hội phát triển nguồn nhiên liệu tiêu thụ nhiều kéo theo khí thải cacbon dioxide (CO 2) tăng Trong xã hội phát triển tơ đóng vai trò phát triển công nghiệp kinh tế thõa mãn nhu cầu sống Vì tơ nguồn gây ô nhiễm lớn đến môi trường, lượng ô tô khoảng 740 triệu ngày tăng nhanh Theo dự đoán, với đà tiêu thụ nguồn lượng bị cạn kiệt vào nửa sau kỷ 21 Vì vậy, cần cải tiến hiệu suất động tìm nguồn lượng để thay chúng Ơ tơ sử dụng nguồn lượng hóa thạch ngồi chất độc hại NOX, CO, HC có lượng khí thải lớn CO2 khơng thể khơng chế (vì sản phẩm tất yếu q trình oxi hóa chất hữu cơ) Mà CO chất gây hiệu ứng nhà kính nguyên nhân làm tăng dần nhiệt độ trái đất Theo tính tốn lượng CO2 xe giới thải chiếm khoảng 18% Trang-11 BÀI : C«ng nghệ pin nhiên liệu (fuel cell) ô tô Hỡnh 2.5.1 Dự báo xu hướng sử dụng nguồn nhiên liệu giới Vấn đề ô nhiễm môi trường ngày trở nên nghiêm trọng Mơi trường khơng khí bị nhiễm hóa chất độc hại thải từ hoạt động cơng nghiệp, q trình cháy công nghiệp đặc biệt động nhiệt Theo thống kê giới, tỉ lệ phát thải chất gây ô nhiễm CO, NO x, HC từ phương tiện giao thông chiếm tỉ lệ cao lớn tất nguồn gây nhiễm thành phố, nơi có nhiều phương tiện giao thơng - đặc biệt ơtơ, nồng độ chất ô nhiễm cao Điều làm ảnh hưởng đến sức khỏe người môi trường sinh thái Một ảnh hưởng việc xuất bệnh ung thư, khả miễn dịch thể người giảm Nồng độ CO khơng khí tăng gây hiệu ứng nhà kớnh Trang-22 BI : Công nghệ pin nhiên liệu (fuel cell) ô tô Hỡnh 2.5.2 S gia tng lượng CO2 sinh trình đốt cháy nhiên liệu (năm 2000) Để giảm ô nhiễm môi trường khí xả động ơtơ, người ta nghiên cứu - ứng dụng biện pháp kỹ thuật nhằm hạn chế tối đa mức độ phát thải chất nhiễm từ khí xả động Một số giải pháp : - Tối ưu hóa trình cháy động cách điều chỉnh thông số kết cấu thông số hoạt động động cơ, để giảm nồng độ chất gây ô nhiễm khí xả - Thiết kế, chế tạo lọc có xúc tác để xử lý khí xả từ động - Sử dụng ôtô chạy điện, lượng mặt trời - Sử dụng nhiên liệu thay Động sử dụng nhiên liệu (khí thiên nhiên, LPG, methanol, dầu thực vật v.v.) có mức độ phát thải ô nhiễm thấp động xăng, động diesel - Nguốn lượng điện mà đặc biệt phát triển pin nhiên liệu sử dụng nguyên liệu Hidro phát triển mạnh Hydro nguồn lượng lý tưởng có nhiệt cao đồng thời không gây ô nhiễm môi trường Mặt khác hydro điều chế từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nên không phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch Từ đó, ý tưởng pin nhiên liệu sử dụng hydro đời Trang-33 BÀI : C«ng nghệ pin nhiên liệu (fuel cell) ô tô Hỡnh 2.5.3 Các nguồn nguyên liệu điều chế Hidro 1.2 Lịch sử phát triển pin nhiên liệu: - William Robert Grove (1811 - 1896), luật gia - nhà vật lý người Anh tạo pin nhiên liệu vào năm 1839 - Vào năm 1900 nghiên cứu chuyển trực tiếp lượng hoá học dạng lượng hoá thạch sang điện năng, tiêu biểu hệ thống pin nhiên liệu Hydro đời - Vào năm 1920, A Schmid người tiên phong việc xây dựng phân tích Platium, điện cực cacbon - hydro xốp hình thức ống - Ơ Anh, F.T Bacon chế tạo hệ thống pin nhiên liệu alkine (AFC) sử dụng điện cực kim loại xốp tảng cho NASA chế tạo tàu vũ trụ sử dụng pin nhiên liệu để đưa người lên mặt trăng vào năm 1968 - Năm 1970 K.Kordesh xây dựng pin nhiên liệu kết hợp acqui ô tô lai chỗ hoạt động năm thành phố thường xảy kẹt xe - Đến năm 1970 tế bào nhiên liệu dùng hệ thống axit photphoric đời - Vào năm 1980 pin nhiên liệu dùng cacbon nấu chảy (MCFC) phát triển mạnh - Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) phát triển vào thập niên 1990 - Vào năm 1990 pin nhiên liệu dạng màng (PEFC) xuất với mật độ công suất thu cao 1.3 Ưu nhược điểm pin nhiên liệu: a Ưu điểm : Trang-44 BÀI : C«ng nghƯ pin nhiên liệu (fuel cell) ô tô - Pin nhiên liệu sử dụng rộng rãi lĩnh vực như: bệnh viện, phương tiện vận chuyển, trạm không gian, khách sạn, nhu cầu sinh hoạt người.v.v - So với lượng truyền thống, pin nhiên liệu không gây ô nhiễm môi trường; sản phẩm thải H2O - Hiệu suất cao 60% - Độ tin cậy cao - Không gây tiếng ồn b Nhược điểm: giá thành cao (hệ thống pin nhiên liệu loại màng khoảng 20.000 $ đơn vị KW) 1.4 Đặc điểm pin nhiên liệu: Pin nhiên liệu có đặc điểm thuận lợi hiệu suất, độ tin cậy, tính kinh tế, đặc tính mơi trường, đặc điểm hoạt động khác thường tiềm phát triển tương lai Pin nhiên liệu có đặc điểm hoạt động có ích mà khơng kỹ thuật sánh Các đặc điểm tiết kiệm chi phí yêu cầu hoạt động Động lực hoạt động có lợi cho khả tải, cơng suất, đáp ứng nhanh chóng thiếu điện a Độ tin cậy hiệu suất cao: Pin nhiên liệu chuyển đổi đến 90 % lượng có thân nhiên liệu thành điện nhiệt Hiện thiết kế pin nhiên liệu dạng axit phosphoric (PAFC) có hiệu suất chuyển đổi điện 42%, gần với hiệu suất chuyển đổi điện tăng đến 46% Viện nghiên cứu lượng điện đánh giá tiến pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy đạt hiệu suất điện 60% tăng lên Hơn nữa, hiệu suất pin nhiên liệu phụ thuộc vào độ lớn kích thước riêng Pin nhiên liệu hoạt động nửa dung lượng trì suất sử dụng nhiên liệu cao Trạm lượng pin nhiên liệu lắp kín tải giảm hao tốn cho đặc tính truyền động mát truyền động Một thuộc tính quan trọng pin nhiên liệu khả đồng phát; sản sinh nước nóng nước nhiệt độ thấp thời gian Trang-55 BÀI : Công nghệ pin nhiên liệu (fuel cell) « t« phát điện Hệ số đầu điện - nhiệt độ tương đương với 1.0, hệ số tua-bin khí vào khoảng 0.5 Đặc điểm có nghĩa pin nhiên liệu hợp với tải nhiệt Với kích thước nhỏ hơn, hệ thống lượng công cộng tiện dụng, pin nhiên liệu cho hiệu suất cao ( từ đến lần ) so sánh, ví dụ, lượng nhiệt 15000 Btu/kWh MW kết hợp với hệ thống Khả tải pin nhiên liệu (trong trì hiệu suất cao) có thuận lợi thị trường với yêu cầu nhiệt độ hay thay đổi Do có chứa vài phần chuyển động, nên pin nhiên liệu phải có độ tin cậy cao so với động đốt Bởi vậy, pin nhiên liệu khơng có cố nghim trọng, tua-bin hay động đốt gặp phải phần chuyển đđộng quay bị hỏng; qua thực nghiệm mát hiệu suất b Đặc tính mơi trường: Sự thay pin nhiên liệu cho nhà máy lượng thường cải thiện chất lượng khơng khí phát điện thường sản sinh nhiều chất hạt hơn, oxit sulphur oxit-nitơ khu công công nghiệp cộng lại Sự phát thải nhà máy pin nhiên liệu thấp 10 lần so với qui định nghiêm ngặt môi trường Pin nhiên liệu sản sinh mức CO thấp qui định nhà máy, vấn đề liên quan tới “hiệu ứng nhà kính” Phản ứng điện hóa pin nhiên liệu sản sinh nước nhà máy điện cần nước bên ngồi để hoạt động Cách dùng đánh dấu điểm trái ngược lớn với nhà máy điện nước cần lượng nước lớn cho trình lm mt Lượng nước hao phí thải từ hệ thống pin nhiên liệu thấp, số lượng so sánh với qui ước nhà máy điện dùng nhiên liệu địa khai, yêu cầu không xử l# trước bán cho công chúng Khử pin nhiên liệu làm giảm số lượng nước vấn đề kết hợp với qu trình thải nhiệt Qu trình điện hóa tự nhiên pin nhiên liệu khử nhiều nguồn gây ồn kết hợp với hệ phát điện nước kiểu thường dễ dàng tuân theo tiêu chuẩn OHSA (Occuppation Health and Safety Administration) Khơng tro, khơng tích chất thải lớn thải từ pin nhiên liệu Bộ chuyển đổi lượng pin nhiên liệu có số phương pháp chiếm rủi ro nhất, cc l# kích thước tương đối nhỏ chúng, khơng có chu kỳ đốt cháy, mức thải ô nhiễm thấp Trang-66 BÀI : Công nghệ pin nhiên liệu (fuel cell) « t« c Pin nhiên liệu chuyển hoá lượng: Một pin nhiên liệu pin điện hóa Pin chuyển đổi liên tục lượng hóa nhiên liệu chất oxy-hóa thành lượng điện thơng qua q trình gồm hệ thống điện cực - chất điện phân Pin nhiên liệu hoạt động hiệu suất cao với mức phát thải thấp hầu hết mức chuẩn Pin nhiên liệu có đặc điểm module gắn liền với diện rộng công suất yêu cầu từ vài trăm Watt đến hàng chục kW, hàng MW Dãy công suất làm cho máy móc có hiệu suất cao đứng vị trí đặc biệt Pin nhiên liệu cho mức phát thải thấp, nhà máy pin nhiên liệu lắp đặt vào vị trí., nơi lượng bị lãng phí, chí nơi đơng dân Kết đường đặc tuyến công suất truyền động kinh tế hao phí truyền động giảm xuống Nguyên lý pin nhiên liệu biết đến nhiều pin điện hóa, liên quan đến nhiều hoạt động sống người Sự khác biệt lớn nhất, trường hợp accu, lượng hóa lưu trữ vật chất nằm bên pin Khi lượng chuyển đổi sang lượng điện, pin điện bỏ sau dùng (primary batteries) sạc chế độ thích hợp Trong pin nhiên liệu, lượng hóa cung cấp nhiên liệu chất oxy-hóa lưu trữ bên pin, nơi phản ứng hóa học thay Với điều kiện pin cung cấp nhiên liệu chất oxi-hóa, lượng điện thu hình 2.5.4 Chuyển đổi lượng nhiệt Hóa nhiên liệu Chuyển đổi lượng học Chuyển đổi lượng điện Trang-77 BÀI : Công nghệ pin nhiên liệu (fuel cell) ô t« Hình 2.5.4 Bộ chuyển đổi lượng trực tiếp với pin nhiên liệu so sánh với kỹ thuật biến đổi thông thường (trong công nghiệp) Fuel Cell = phát lượng điện hóa (phản ứng hóa học để sản sinh điện năng) Primary Cell = phân tố sản sinh lượng điện hóa (phản ứng chiều sản sinh điện năng) Rechargeable or secondary battery = phân tố lưu trữ lượng điện hóa (phản ứng thuận nghịch sản xuất sử dụng điện) Mặc dù chúng có mối quan hệ lâu đời tiến đạt phát triển suốt 30 năm qua, pin nhiên liệu ứng dụng ngày Một điều quan trọng mà họ thường sử dụng nguồn lượng tàu khơng gian Gemini, Apolp chương trình tàu thoi khơng gian Hàng khơng quốc gia quản lý không gian (NASA) Mỹ Cố gắng phát triển hệ thống giới từ dãy cơng suất trung bình lên dãy cơng suất cao (50kW - 20kW) bắt đầu thập niên 80 Họ nhắm nhắm tới mục đích ứng dụng mức tải cho ứng dụng lượng, cho việc điều khiển nhà máy điện nhà máy điện có cơng suất thấp (hàng kilowatt), nghiên cứu trọng tâm vào việc phát triển hệ thống pin nhiên liệu dành cho tơ điện mục đích qn đội Pin nhiên liệu chắn vai trò mấu chốt viễn cảnh lượng tương lai Đặc điểm quan trọng chúng hiệu suất cao mức phát thải độ ồn mức thấp, tương lai có tính bắt buộc nhà máy phát điện Có thể hydro có mặt hệ thống lượng kỷ 21, nhiều kỹ thuật học vạch ra, sau pin nhiên liệu đặc điểm khơng thể tranh cải tất chuyển đổi lượng khác Trang-88 BÀI : C«ng nghƯ pin nhiên liệu (fuel cell) ô tô Chuyn i nng lượng nhiệt Hoá nhiên liệu Chuyển đổi lượng Chuyển đổi lượng điện Hình 2.5.5 Bộ chuyển đổi lượng trực tiếp với pin nhiên liệu so sánh với kỹ thuật biến đổi thông thường ( ô tô ) 1.5 Phân loại pin nhiên liệu:  Phân loại theo phương pháp phản ứng: - Pin nhiên liệu trực tiếp: sản phẩm phản ứng tế bào thải - Pin nhiên liệu tái sinh: chất phản ứng dùng tái sinh phương pháp: nhiệt độ, điện năng, quang hoá, hoá học phóng xạ v.v - Pin nhiên liệu gián tiếp: dùng cải tiến tế bào nhiên liệu sử dụng nhiên liệu hữu hoá sinh chuyển hoá thành Hydro  Phân loại pin nhiên liệu theo nhiệt độ làm việc : - Hệ thống nhiệt độ cao - Hệ thống nhiệt dộ trung bình - Hệ thống nhiệt độ thấp  Phân loại pin nhiên liệu theo áp suất hoạt động bao gồm: - Hệ thống áp suất cao - Hệ thống áp suất trung bình - Hệ thống áp suất thấp  Phân loại theo nhiên liệu hay chất oxy hoá sử dụng: - Pin nhiên liệu sử dụng chất phản ứng khí như: hydro, amoniac, khơng khí oxi - Pin nhiên liệu sử dụng chất phản ứng nhiên liệu lỏng như: cồn, hydrocacbon.v.v Trang-99 BI : Công nghệ pin nhiên liệu (fuel cell) ô tô - Pin nhiờn liu s dng chất phản ứng nhiên liệu rắn như: than đá, hydrua.v.v  Phân loại theo chất điện phân sử dụng : - Pin nhiên liệu ankaline (AFC): Đây loại tế bào nhiên liệu đời sớm , sử dụng vào chương trình khơng gian thập niên 60 AFC dễ bị nhiểm bẩn phải sử dụng hidro, oxi tinh khiết - Pin nhiên liệu axit photphoric (PAFC) : loại thường sử dụng hệ thống máy phát điện tĩnh tải nhỏ Loại hoạt động nhiệt độ cao pin nhiên liệu PEM , kông phù hợp với xe ôtô - Pin nhiên liệu loại oxit rắn (SOFC) loại thường sử dụng máy phát điện tĩnh tải lớn , nhiệt độ làm việc khoảng 10000 C - Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC) loại thường dử dụng máy phát địên cở lớn Nhiệt độ làm việc khoảng 6000 C - Pin nhiên liệu màng biến đổi proton (PEMFC) Cấu tạo pin nhiên liệu: Hình 2.5.6 Cấu tạo pin nhiên liệu 2.1 Các cụm tế bào nhiên liệu : Hầu hết tế bào nhiên liệu thiết kế để sử dụng ô tơ phải tạo điện áp 1.16 volt đủ sinh cơng Vì , cần phải cú Trang-1010 BI : Công nghệ pin nhiên liệu (fuel cell) ô tô Anode 4H2 4H++4e2H2O Cell: Cathode O2 + 4H+ + 4e- → 2H2 + O2 → 2H2O Phản ứng hóa học pin nhiên liệu loại a xít phốt ric PAFC thường dùng cho hệ thống phát điện tĩnh cỡ nhỏ, hoạt động nhiệt độ cao PEMFC có thời gian làm ấm cao nên không phù hợp cho ôtô 3.6 Pin nhiên liệu loại mêtan (direct-methanol fuel cell - DMFC) DEMFC giống PEMFC dùng màng nhựa để làm chất điện phân Tuy nhiên, đồi với DMFC hạt xúc tác anode kéo H từ methanol lỏng Hiệu suất FC loại đạt 40% hoạt động 120÷190oF, Khi nhiệt độ tăng cao hiệu suất tăng cao DMFC thường dùng cho thiết bị loại vừa nhỏ điện thoại, laptop Hiện công ty cố gắng nghiên cứu sử dụng DMFC để cung cấp lượng điện cho quân đội DMFC đòi hỏi lượng platium chất xúc tác lớn đắt tiền 3.7 In nhiên liệu loại khơng khí – kẽm (Zinc air fuel cell - ZAFC) Khí đốt khuyếch tán vào điện cực thấm qua màng kẽm tách dung dịch điện phân Sau oxy chuyển thành hydroxyl (OH-) nước Ion OH- di chuyển xuyên qua chất điện phân đến cực + làm Zn tác dụng với Zn hình thành Zn 2+ Quá trình náy tạo hiệu điện thế, kết hợp nhiều tế bào lại ta nguồn điện có hiệu điện cao Q trình điện hóa tương tự loại PEMFC khác chổ chất đốt lại (refueling) Đây hệ kín Điện tạo Zn O2 kết hợp lại dung dịch điện phân (giống với PEMFC) tạo thành ZnO Khi FC dùng đến cạn kiệt, FC nối với mạch ngồi (tải) tiến trình diễn theo chiều ngược lại ZAFC tốt ắc qui nhờ vào lượng điện phát lớn 3.8 Pin nhiên liệu loại gốm proton (Protonic Ceramic fuel cell - PCFC): Loại FC hoạt động với vật liệu điện phân gốm (gốm có tính dẫn proton cao nhiệt độ cao) FC hoạt động nhiệt độ cao (700 oC) Trang-2222 BÀI : Công nghệ pin nhiên liệu (fuel cell) « t« ưu điểm mặt động lực học, làm nóng chảy carbonat oxy rắn Khi dùng nhiên liệu hydrocacbon hoạt động nhiệt độ cao cho lượng điện lớn Quá trình điện hóa học oxy hóa nhiên liệu hóa thạch trực tiếp đến cực dương Quá trình loại bỏ bước trung gian sản xuất hydrogen Những phân tử thể khí H-C bề mặt anode hấp thụ với có mặt nước Hơn nữa, với chất điện phân rắn nên chất lỏng khơng thể chảy ngồi loại PAFC khô loại PEMFC 3.9 Pin nhiên liệu loại vi sinh (hay pin vi khuẩn)( Microbial fuel cell - MFC) Pin nhiên liệu loại vi sinh sử dụng trình tác động trở lại vi sinh vật vi khuẩn, vi trùng để chuyển hóa hầu hết vật liệu hữu thành nhiên liệu Một số hợp chất thông thường glucôzơ, hợp chất sinh từ axitaxêtic nước thải Những hợp chất hữu chứa điện cực dương Khi có oxy tự bị tiêu thụ vi khuẩn vi trùng khác Sản phẩm sau tiêu hóa vi khuẩn, electron đẩy từ hợp chất tạo thành dòng với xúc tác chất vô MFC hoạt động êm dịu FC khác, hoạt động khoảng nhiệt độ 20-40oC, phát hiệu suất khoảng 50% Pin nhiên liệu loại vi sinh sử dụng thiết bị y tế mà nhiên liệu sử dụng lượng đường máu Ngồi ra, MFC sử dụng vi khuẩn từ nhà máy rượu bia, thực vật phân rã Một số lĩnh vực ứng dụng pin nhiên liệu (FUEL CELL- FC) Fuel Cell sử dụng lĩnh vực mà phí tổn khơng đóng vai trò quan trọng Fuel Cell nhẹ hiệu acquy, đồng thời đáng tin cậy ồn động Diesel Những điều giả thích giới quân du hành vũ trụ quan tâm đến công nghệ sớm Một số tàu thuyền biển dùng Fuel Cell Ngày Fuel Cell ứng dụng rộng rãi đời sống Một số sản phẩm cộng nghệ cao bắt đầu sử dụng nguồn lượng từ Fuel Cell như: Máy tính sách tay, điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số, máy nghe nhạc IPOD,v.v Và đặc biệt việc ứng dụng Fuel Cell phương giao thơng Trước tình hình nguồn nhiên liệu truyền thống như: xăng, Diesel.v.v khai thác triệt để từ dầu mỏ làm cho nguồn lượng ngày cạn kiệt Hơn khí thải từ phương tiện giao thông gây ô nhiễm nghiêm trọng Trang-2323 BI : Công nghệ pin nhiên liệu (fuel cell) ô tô n mụi trng ca chỳng ta Do ngày nay, nhà sản xuất ơtơ cố gắng nghiên cứu cải tiến động (EFI, GDI, HCCI, VVT-i.v.v.), nhằm tối ưu trình cháy để hạn chế khí thải hay cơng nghệ xử lý khí thải.v.v họ thành công Tuy nhiên, số lượng phương tiện giao thơng ngày tăng lên lớn vấn đề ô nhiễm môi trường từ phương tiện áp lực lớn Chính mà việc tìm lượng để thay yêu cầu cấp bách Và Fuel Cell xem nguồn lượng tương lai loại phương tiện giao thông 4.1 ứng Dụng Fuel Cell Cho Laptop Hình 2.5.18 Máy tính xách tay sử dụng pin nhiên liệu Với việc Tổ chức Hàng không Dân dụng Quốc tế ICAO cho phép hành khách họ mang theo họp nhiện liệu methanol lên máy bay có hiệu lực vào tháng 1/2007, vừa qua hãng công nghệ cao Antig Đài Loan cho đời loại pin nhiên liệu DMFC ứng dụng máy vi tính sách tay Với loại pin nhiên liệu máy tính bạn hoạt động suốt liên tục 4.4 ứng Dụng Fuel Cell Trên Điện Thoại Di Động Trang-2424 BÀI : Công nghệ pin nhiên liệu (fuel cell) ô t« Hình 2.5.19 Điện thoại di động sử dụng pin nhiên liệu Mạng điện thoại di động Nhật KDDI giới thiệu mẫu điện thoại ứng dụng pin nhiên liệu hãng Toshiba Hitachi Điện thoại hãng Toshiba mang tên A5509T, sử dụng công nghệ DMFC sau thân máy đặt vị trí phía pin thơng thường Pin nhiên liệu, dung tích cc có khả nạp lại, chứa chất methanol cô đặc 99,5% có thời gian sử dụng gấp 2,5 lần pin thông thường Mẫu điện thoaị vỏ gập W32H Hitachi có loại pin nhiên liệu với đặc điểm tương tự, pin sử dụng methanl cô đặc 60% với dung tích cc Cả hai loại pin Toshiba Hitachi có cơng suất điện 300 mW 4.3 ứng Dụng Fuel Cell Trên Máy ảnh Kỹ Thuật Số Hãng máy ảnh tiếng Nhật Canon tham gia vào hàng ngũ phát triển ứng dụng pin nhiên liệu vào sản phẩm mình, họ cố gắng đưa pin nhiên liệu vào sản phẩm họ như: máy ảnh kỹ thuật số, máy in máy photocopy v.v Trong đa số hãng khác phát triển pin nhiên liệu theo hướng tạo Hydro từ Metan Canon cố gắng phát triển theo hướng cấp Hydro tinh khiết vào bình chứa Và với cơng nghệ Canon pin nhiên liệu xem thân thiện với mơi trường khơng thải khí CO phương án dùng khí Metan Trang-2525 BÀI : Công nghệ pin nhiên liệu (fuel cell) ô t« Hình 2.5.20 Máy ảnh số Canon Powershot A415 sử dụng FC 4.4 Fuel Cell Dùng Cho Máy Nghe Nhạc Toshiba hãng dẫn đầu công nghệ sản xuất Pin nhiên liệu Vừa qua họ cho đời hai mẫu pin nhiên liệu Methanol (DMFC) dùng cho máy nghe nhạc cá nhân Một mẫu có cơng suất 100 mW cho máy nghe nhạc số dùng nhớ flash, mẫu lại có cơng suất 300 mW thích hợp cho máy nghe nhạc tích hợp ổ cứng Hình 2.5.21 Máy nghe nhạc sử dụng pin nhiên liệu DMFC Toshiba Mẫu DMFC 100 mW, có kích thước 23x75x30 mm trì hoạt động máy nghe nhạc nhớ Flash vòng 35 sau lần nạp 3,5 ml dung dịch Methanol đậm đặc Còn mẫu 300 mW có kích thước 60x75x10 mm cho phép cung cấp cơng suất đủ để máy nghe nhạc ổ cứng chạy liờn tc Trang-2626 BI : Công nghệ pin nhiên liệu (fuel cell) ô tô 60 gi sau lần nạp 10 ml dung dịch Methanol Và hãng Toshiba hàng đầu công nghệ pin nhiên liệu, cho đời loại pin nhiên liệu nhỏ giới với kích thước bé ngón tay (22x56x45 mm) với vỏ chứa nhiên liệu 9,1 mm, trọng lượng 8,5 g gồm cc methanol vỏ chứa nhiên liệu ứng Dụng Fuel Cell Trên Các Phương Tiện Giao Thông Với giá nhiên liệu xăng dầu ngày leo thang vấn đề ô nhiễm môi trường loại phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu gây ngày nghiêm trọng Thì việc nghiên cứu phát triển pin nhiên liệu ứng dụng phương tiện giao thông giúp giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu xăng dầu ngày cạn kiệt đắt đỏ Và nữa, pin nhiên liệu thân thiện với môi trường Sau số ứng dụng loại phương tiện giao thông 5.1 Xe đạp chạy pin nhiên liệu Hình 2.5.22 Xe đạp chạy pin nhiên liệu Nhà sản xuất xe Aprilia (Italy) vừa giới thiệu mẫu xe đạp chạy pin nhiên liệu Ưu điểm bật nhẹ 20% quãng đường dài gấp lần so với loại xe đạp điện có Hình dáng bên ngồi xe phức tạp, toàn động pin nhiên liệu đặt khung xe Một hộp kim loại có dung tích lít chứa khí hydrogen giúp xe quãng đường dài 69 km, với vận tốc khoảng 32 km/h Thùng nhiên liệu làm đầy lại vài giây Sau Trung Quốc bắt đầu giới thiệu xe đạp chạy pin nhiên liệu Chiếc xe gồm có ngăn chứa pin hai bình chứa khớ hydro Trang-2727 BI : Công nghệ pin nhiên liệu (fuel cell) ô tô to thnh h thng sản sinh lượng Với bình khí đầy xe đạp chạy 100 km, với vận tốc 25 km/h Và cần 30 phút nạp đầy lại bình khí so với để sạc pin chì xe đạp điện Và đặc biệt, pin nhiên liệu khác thải chất thải dạng nước, hồn tồn vơ hại mơi trường 5.2 Xe môtô chạy pin nhiên liệu Đây xe môtô Scooter chạy pin nhiên liệu hãng Honda Hình 2.5.23 Xe mơ tơ sử dụng pin nhiên liệu 5.3 ứng dụng pin nhiên liệu ô tô a Sơ đồ nguyên lý ô tô sử dụng pin nhiên liệu Trên sơ đồ thể rỏ nguyên lý hoạt động xe chạy pin nhiên liệu (FCV-Fuel Cell Vehicle) Máy nén đưa oxy khí hydro từ bình chứa khí hydro vào pin nhiên liệu Tại xảy q trình phản ứng hố học tách rời ngun tử hydro chuyển hố thành dòng điện Nguồn điện thiết bị chuyển đổi điện cho động điện hoạt động làm quay bánh xe Do xe chuyển ng c Trang-2828 BI : Công nghệ pin nhiên liệu (fuel cell) ô tô Hỡnh 2.5.24 S nguyên lý ô tô sử dụng pin nhiên liệu b Các phận pin nhiên liệu ô tô Hình 2.5.25 Sơ đồ hệ thống pin nhiên liệu ô tô Hệ thống pin nhiên liệu ô tô bao gồm phận sau: * Bình chứa Hydro (Hydrogen Tank) Có nhiều cách khác để tích trữ hydro tinh khiết ơtơ Về phương diện kỹ thuật, chọn hai loại phổ biến bình tích trữ khí Trang-2929 BI : Công nghệ pin nhiên liệu (fuel cell) ô tô hydro c nộn ỏp sut cao hoc bình cách ly tốt dùng cho hydro lỏng Có phương pháp khác để trữ hydrơ bình chứa loại ống nano hydrua kim loại Tuy nhiên, hai loại chưa sản xuất hàng loạt cho thị trường giai đoạn nghiên cứu Do đó, phổ biến để giải vấn đề tích trữ hydrơ ơtơ bình chứa hydrơ lỏng bình chứa khí hydro * Khối pin nhiên liệu (Fuel Cell Stack) Khối pin nhiên liệu hệ thống pin nhiên liệu Nó thực chức chuyển hoá lượng hoá học hydro thành lượng điện nhờ hệ thống phụ trợ khác Nó cần hydro từ bình chứa cung cấp cho khối pin nhiên liệu Có hệ thống điều khiển dòng hydro vào khối pin nhiên liệu tuỳ thuộc vào công suất cần thiết cho ơtơ * Máy nén khí (Compressor): Máy nén khí cung cấp đủ lượng khí ơxy cho pin nhiên liệu phản ứng Vì lượng khơng khí bên ngồi cần thiết bơm vào với lượng khơng khí pin nhiên liệu áp suất mà máy nén cung cấp cho pin nhiên liệu lớn bình thường khoảng vài bar * Máy làm lạnh (Cooler): Mặc dù pin nhiên liệu có hiệu suất cao trình chuyển hố lượng, lượng nhiệt sinh cần phải cần phải khắc phục để tránh gây tượng nhiệt cho thiết bị Do cần phải lắp thêm máy làm lạnh vào hệ thống * Máy đổi điện (Inverter): Máy đổi điện chuyển dòng điện chiều sinh từ hệ Trang-3030 BÀI : Công nghệ pin nhiên liệu (fuel cell) ô tô thống pin nhiên liệu thành dòng điện xoay chiều cung cấp cho motor điện hoạt động * Động điện (Electrical Traction Engine): Có nhiều loại động điện khác ứng dụng ôtô chạy pin nhiên liệu Tuy nhiên, loại động điện phần lớn giống với động xe chạy điện c Giới thiệu số ô tô sử dụng pin nhiên liệu Với tính bật Fuel Cell, ngày nhà sản xuất ôtô hàng đầu đời dòng xe FCV Sau giới thiệu số sản phẩm nhà sản xuất ôtô tiếng giới * Honda Motor Hãng Honda cho đời mẫu xe Honda FCX, tổ chức Bảo vệ môi trường Tài ngun khơng khí California chứng nhận xe thân thiện với mơi trường Hình 2.5.26 Chiếc xe chạy pin nhiên liệu Honda Motor Vào ngày 25/09/2006 Honda Motor giới thiệu xe chạy pin nhiên liệu hệ mới, FCX Concept Chiếc xe FCX Concept có điểm bật: khối pin nhiện hiệu suất cao (Honda FC Stack), sàn xe thấp, đầu thân xe ngắn mang lại thoải mái ngồi cabin quan trọng khơng gây Trang-3131 BÀI : C«ng nghƯ pin nhiên liệu (fuel cell) ô tô nhim mụi trng Tuy nhiên phát triển dòng xe tương lai 2008 giới hạn Nhật Mỹ Hình 2.5.27 Ơtơ FCX Concept chạy pin nhiên liệu hãng Honda Motor Hai mục tiêu nhà sản xuất ơtơ Honda tính bảo vệ mơi trường hiệu suất Vì FCX Concept trang bị khối pin nhiên liệu hiệu suất cao với kích nhỏ gọn mà khơng gian bên xe rộng rãi thoải mái Đây điều mà dòng xe FCV trước Honda Motor khó đạt Loại pin nhiên liệu mà ứng dụng FCX Concept nhỏ 20% nhẹ 30% so với khối pin FCX FC Stack nay, nhiên cơng suất lớn 14 kW Và xe FCX Concept đạt hiệu suất cao khoảng 60%, gấp lần xe chạy động xăng, gấp lần xe hybrid cao 10% xe FCX * Ford Motor Hãng xe Ford bắt đầu nghiên cứu phát triển xe chạy pin nhiên liệu để tham gia vào thị trường xe tương lai vốn phong phú đa dạng Chiếc xe FCV mà Ford cho chạy thử nghiệm cách gần năm xe Ford Focus P2000 Chiếc xe cần đến 30 phút để khởi động, chí khả tăng tốc chậm Tuy nhiên Ford khắc phục vấn đề sử dụng pin nhiên liệu Ballard Mark serie 902 bình đựng khí hydro nén áp suất 5.000 psi ca Dynatek Trang-3232 BI : Công nghệ pin nhiên liệu (fuel cell) ô tô Hỡnh 2.5.28 Xe chy pin nhiên liệu Ford Focus hãng Ford Chiếc xe Focus FCV hãng trông giống xe Focus khác, kể phần điều khiển điện Đây xe thân thiện với môi trường mà Ford chế tạo công phu, tinh vi phức tạp Vừa qua Ford chuyển giao xe cho phủ Canada, 25 khác đưa thủ nghiệm thực tế Mỹ Đức Và hãng Ford cho đời xe đua chạy pin nhiên liệu mang tên Fusion Hydrogen 999 đạt tốc độ tối đa 350 km/h Đây sản phẩm hợp tác Ford trung tâm nghiên cứu ôtô trường Đại học bang Ohio, Mỹ (OSU Car) với nhà sản xuất pin nhiên liệu hàng đầu giới Ballard Power Systems với đội đua Roush Hình 2.5.29 Chiếc xe Fusion Hydrogen 999 Ford Motor Fusion Hydrogen 999 kế với công suất pin nhiên liệu lên đến 350 kW, đồng thời có đổi điện dòng điện chiều sinh từ hệ thống pin nhiên liệu thành dòng điện xoay chiều để cung cấp cho motor điện Sỡ dĩ xe có tốc độ cao motor điện cung cấp cơng suất lên đến 575 kW ( \công suất gấp lần công suất động Diesel lắp xe u kộo) Trang-3333 BI : Công nghệ pin nhiên liệu (fuel cell) ô tô Hỡnh 2.5.30 S bố trí hệ thống xe Fusion Hydrogen 999 * General Motor Bên cạnh General Motor (GM) vừa chuyển giao mẫu xe tải sử dụng pin nhiên liệu cho quân đội Mỹ để đem kiểm nghiệm thực tế Chiếc xe Chevrolet Silverado sử dụng pin nhiên liệu công suất 94 kW tạo công suất tổng 188kW (252 HP) Moment xoắn 429 N.m, tương đương với động Vortec V8 5,3 lít GM Hiện xe đạt tốc độ 201 km/h, với lượng khí hydro chứa bình đựng cơng suất nén lên đến 10.000 psi Trọng lượng xe 3,4 khả tăng tốc xe Chevrolet Silverado FCV tương đương với xe Chevrolet Silverado khác, khơng thải chất gây ô nhiễm môi trường Đây điều đặc biệt xe tải Trang-3434 BÀI : C«ng nghệ pin nhiên liệu (fuel cell) ô tô Hỡnh 2.5.31 Chiếc xe Chevrolet Silverado FCV GM Ngày nay, việc ứng dụng pin nhiên liệu phương giao thơng cơng cộng góp phần đáng kể vào việc giữ gìn mơi trường thành phố lớn Chính vậy, nước phát triển đưa xe buýt chạy pin nhiên liệu vào hoạt động giao thông công cộng Madrid (Tây Ban Nha), London (Anh), Munich (Đức), New York (Mỹ) Hình 2.5.32.Xe buýt Mercedes-Benz Citaro Tuỳ thuộc vào điều kiện vận hành, với chiều dài tối đa 12m, xe bus Mercedes-Benz Citaro chạy pin nhiên liệu vận hành quãng đường dài 300 km, tốc độ tối đa 80 Km/h Có thể phục vụ cho 70 hành khách, xe bus Citaro với cửa giúp hành khách di chuyển lên xuống dễ dàng Pin nhiên liệu Ballard lắp xe có cơng suất 250kW, bình chứa khí hydro nén với áp suất 350 bar b thực hành Trang-3535 BÀI : C«ng nghƯ pin nhiên liệu (fuel cell) ô tô - Nghiờn cứu ứng dụng pin nhiên liệu xe gắn máy - Nghiên cứu ứng dụng pin nhiên liệu xe du lịch - Nghiên cứu ứng dụng pin nhiên liệu xe buýt Trang-3636 ... C«ng nghƯ pin nhiên liệu (fuel cell) ô tô Hỡnh 2.5.24 Sơ đồ nguyên lý ô tô sử dụng pin nhiên liệu b Các phận pin nhiên liệu tơ Hình 2.5.25 Sơ đồ hệ thống pin nhiên liệu ô tô Hệ thống pin nhiên liệu... 2.5.23 Xe mơ tơ sử dụng pin nhiên liệu 5.3 ứng dụng pin nhiên liệu ô tô a Sơ đồ nguyên lý ô tô sử dụng pin nhiên liệu Trên sơ đồ thể rỏ nguyên lý hoạt động xe chạy pin nhiên liệu (FCV-Fuel Cell... so với để sạc pin chì xe đạp điện Và đặc biệt, pin nhiên liệu khác thải chất thải dạng nước, hồn tồn vơ hại môi trường 5.2 Xe m tô chạy pin nhiên liệu Đây xe m tô Scooter chạy pin nhiên liệu hãng