ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PIN NHIÊN LIỆU TRÊN XE TOYOTA MIRAI 2016 Người hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: PGS.TS DƯƠNG VIỆT DŨNG HỒ TRỌNG HIẾU Đà Nẵng, 2020 ` TÓM TẮT Tên đề tài : KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PIN NHIÊN LIỆU TRÊN XE TOYOTA MIRAI 2016 Sinh viên thực : Hồ Trọng Hiếu Số thẻ sinh viên : 103150038 Lớp : 15C4A Chương1 : TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG TIỆN CHẠY PIN NHIÊN LIỆU Khái niệm, phân loại, ứng dụng pin nhiên liệu, so sánh động chạy pin nhiên liệu với động truyền thống chạy xăng, diesel Chương : KHẢO SÁT NGUỒN ĐỘNG LỰC TOYOTA MIRAI 2016 Nguyên lý hoạt động, giới thiệu loại pin nhiên liệu sử dụng xe TOYOTA MIRAI 2016 Khảo sát hệ thống xe, chuyển đổi DC-DC, Motor điện, điều khiển PCU Chương : TÍNH TỐN ĐỘNG CƠ PIN NHIÊN LIỆU Tính tốn pin nhiên liệu (PEM), lựa chọn tính tốn chuyển đổi DC-DC, tính tốn lọc đầu Chương : TỔNG KẾT XE Ô TÔ CHẠY ĐỘNG CƠ PIN NHIÊN LIỆU Mặt lợi mặt hạn chế xe ô tô chạy pin nhiên liệu Xu phát triển xe ô tô chạy pin nhiên liệu tương lai iii ` ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Hồ Trọng Hiếu Lớp: 15C4A Khoa: Cơ khí giao thơng Số thẻ sinh viên: 103150038 Ngành: Kỹ thuật khí Tên đề tài đồ án: Khảo sát động sử dụng pin nhiên liệu xe TOYOTA MIRAI 2016 Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ kết thực Các số liệu liệu ban đầu: Theo tài liệu tham khảo sách giáo khoa thực tế Nội dung phần thuyết minh tính tốn: Chương 1: Tổng quan phương tiện chạy pin nhiên liệu Chương 2: Khảo sát nguồn động lực TOYOTA MIRAI 2016 Chương 3: Tính tốn động pin nhiên liệu Chương 4: Tổng kết xe ô tô chạy pin nhiên liệu Các vẽ, đồ thị (ghi rõ loại kích thước vẽ): -Bản vẽ tổng quát sơ đồ làm việc TOYOTA MIRAI (01A3) -Bản vẽ hệ thống cung cấp khí Hydro cho động (01A3) -Bản vẽ chi tiết pin nhiên liệu màng pin (02A3) -Bản vẽ bình chứa Hydro (01A3) -Bản vẽ sơ đồ hệ thống làm mát (01A3) -Bản vẽ mạch điện chuyển đổi DC-DC (01A3) -Bản vẽ cấu trúc Motor điện (01A3) Họ tên người hướng dẫn: Phần/ Nội dung: PGS.TS Dương Việt Dũng Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 25 /02 /2020 Ngày hoàn thành đồ án: 26/06 /2020 Đà Nẵng, ngày 26 tháng 06 năm2020 Trưởng Bộ môn Kỹ thuật ô tô Máy động lực PGS.TS DƯƠNG VIỆT DŨNG Người hướng dẫn PGS.TS DƯƠNG VIỆT DŨNG iv ` LỜI NÓI ĐẦU VÀ LỜI CẢM ƠN Trong thời kỳ cơng nghiệp hóa, đại hóa, cơng nghiệp tơ ngành cơng nghiệp quan trọng hàng đầu mà Nhà nước đặc biệt quan tâm trọng phát triển để xây dụng đất nước Tuy nhiên nguồn lượng lượng có nguồn gốc từ dầu mử ngày cạn kiệt xu hướng nghiên cứu sử dụng nguồn lượng tái tạo vấn đề cấp thiết hàng đầu Ngành giao thơng vận tải đóng góp bật khí thải Trong kịch này, việc sử dụng pin nhiên liệu trở nên bật Những tế bào có hiệu cao độ tin cậy chúng loại nhiên liệu thay ứng dụng vận chuyển tăng lên năm gần Sự diện phổ điều hòa hỗ trợ chịu trách nhiệm cho gia tăng nhu cầu tế bào Tiêu thụ lượng bật lĩnh vực giao thông khác Giao thơng đường đóng góp cho tiêu thụ lượng lĩnh vực này, thường phương tiện nhẹ bao gồm ô tô phương tiện chở hàng nặng Mirai phương tiện pin nhiên liệu (FCV) sử dụng hydro làm lượng để tạo điện cung cấp lượng cho xe Với biểu tượng xe công nghệ hướng đến tương lai giới Đó lý em đến với đề tài “ Khảo sát động sử dụng pin nhiên liệu xe TOYOTA MIRAI 2016” Sau thời gian năm học trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, dạy bảo hướng dẫn tận tình Thầy giáo, chúng em tiếp thu kiến thức mà thầy cô truyền đạt Mỗi sinh viên cần phải qua đợt tìm hiểu thực tế để kiểm tra bổ sung thêm kiến thức học Do q trình thực tập tốt nghiệp làm đồ án tốt nghiệp điều cần thiết sinh viên, khơng giúp cho sinh viên tiếp xúc làm quen với chi tiết, hệ thống học lý thuyết đồng thời trau dồi thêm kỹ mềm Microsoft Word, Excel, Auto Cad, mà giúp cho ta áp dụng kiến thức vào thực tế để giải vấn đề kỹ thuật có liên quan đến Do kiến thức cịn nhiều hạn chế, kinh nghiệm chưa nhiều, tài liệu tham khảo cịn thiếu sót điều kiện thời gian không cho phép nên đồ án tốt nghiệp chúng em không tránh khỏi thiếu sót, kính mong Thầy giáo môn bảo để đồ án chúng em hoàn thiện Cuối chúng em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Dương Việt Dũng tận tình hướng dẫn cho em hồn thành đề tài Và chúng em xin gởi lời cảm ơn đến Thầy cô giáo khoa Cơ khí Giao thơng bạn sinh viên khoa giúp em hồn thành đề tài v ` Đà Nẵng, ngày 26 tháng 06 năm 2020 Sinh viên Hồ Trọng Hiếu vi ` CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Những nội dung đồ án thực hướng dẫn trực tiếp thầy PGS.TS Dương Việt Dũng Mọi tham khảo dùng đồ án trích dẫn rõ ràng tên tác giả, thời gian, địa điểm Mọi chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo hay gian trá, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Đà Nẵng, ngày 26, tháng 06, năm 2020 Sinh viên thực Hồ Trọng Hiếu vii ` MỤC LỤC TÓM TẮT iii NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iv LỜI NÓI ĐẦU VÀ LỜI CẢM ƠN v CAM ĐOAN .vi MỤC LỤC vii DANH SÁCH CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ ix DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT xi MỞ ĐẦU .1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG TIỆN CHẠY PIN NHIÊN LIỆU 1.1 Khái niệm pin nhiên liệu, so sánh động chạy pin nhiên liệu với động truyền thống chạy xăng, diesel 1.1.1 Khái niệm pin nhiên liệu .2 1.1.2 Phân loại pin nhiên liệu .5 1.1.3 Ứng dụng pin nhiên liệu 1.1.4 So sánh động chạy pin nhiên liệu với động truyền thống chạy xăng, diesel 11 1.2 Mục đích, ý nghĩa đề tài .12 1.3 Giới thiệu xe ô tô Toyota Mirai 2016 12 Chương 2: KHẢO SÁT NGUỒN ĐỘNG LỰC TOYOTA MIRAI 2016 .14 2.1 Nguyên lý hoạt động loại pin nhiên liệu sử dụng xe 14 2.1.1 Cấu tạo pin nhiên liệu 14 2.1.2 Loại pin TFCS dùng xe Toyota Mirai 2016 .15 2.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống cung cấp khí Hydro .22 2.2.1 Cấu tạo bình chứa khí Hydro .23 2.2.2 Nguyên lý làm việc hệ thống cung cấp khí hydro 25 2.3 Sơ đồ mạch điện trình cung cấp điện cho Motor chuyển đổi nguồn DC-DC .30 2.4 Sơ đồ nguyên lý điều khiển PCU 32 2.5 Tìm hiểu động điện Motor .36 2.6 Giới thiệu hệ thống làm mát pin nhiên liệu 47 2.6.1 Các phận hệ thống làm mát 47 2.6.2 Mục đích hệ thống làm mát 49 viii ` 2.6.3 Sự sinh nhiệt độ nhạy nhiệt độ pin nhiên liệu .50 2.6.4 Công thức lưu lương dòng nhiệt .51 Chương 3: TÍNH TỐN ĐỘNG CƠ PIN NHIÊN LIỆU 52 3.1 Tính tốn pin nhiên liệu .52 3.2 Tính tốn chuyển đổi DC-DC .57 3.3 Tính tốn lọc đầu 58 Chương 4: TỔNG KẾT VỀ Ô TÔ CHẠY ĐỘNG CƠ PIN NHIÊN LIỆU 61 4.1 Mặt lợi mặt hạn chế xe ô tô chạy pin nhiên liệu Hydro 61 4.1.1 Những mặt lợi ô tô chạy pin nhiên liệu Hydro .61 4.1.2 Những mặt hạn chế ô tô chạy pin nhiên liệu Hydro 63 4.2 Xu phát triển xe ô tô chạy pin nhiên liệu tương lai 66 KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 ix ` DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ BẢNG 1.1 Các thông số xe TOYOTA MIRAI 2016………………………… 12 BẢNG 2.1 Thông số hộp pin nhiên liệu xe TOYOTA MIRAi 2016……………16 BẢNG 2.2 Thông số hệ thống cung cấp khí Hydro…………………………….……23 BẢNG 2.3 Thơng số kỹ thuật cảm biến áp suất Hydro…………….……………27 BẢNG 2.4 Thông số van chiều dùng để đưa nhiên liệu vào hệ thống…… ………29 BẢNG 2.5 Thông số kim phun nhiên liệu Hydro………………… ……29 BẢNG 2.6 Bảng thông số chuyển đổi DC-DC……………….………………30 BẢNG 2.7 Bảng thông số điều khiển PCU………………………… ………36 BẢNG 2.8 Bảng thông số Motor điện……………………………………47 HÌNH 1.1 Dự báo xu hướng sử dụng pin nhiên liệu hydro giới………………2 HÌNH 1.2 Thống kê lượng CO2 thải từ lĩnh vực…………………… …………3 HÌNH 1.3 Hình dạng cấu tạo sơ pin nhiên liệu…………………………………….4 HÌNH 1.4 Sơ đồ hoạt động pin nhiên liệu……………………………… ………5 HÌNH 1.5 Pin nhiên liệu dùng màng polyme chắn làm chất điện giải…… …………6 HÌNH 1.6 Pin nhiên liệu oxit rắn………………………………………………………6 HÌNH 1.7 Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy…………………………………………7 HÌNH 1.8 Pin nhiên liệu kiềm…………………………………………………………7 HÌNH 1.9 Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp…………….………………………8 HÌNH 1.10 Máy bay sử dụng pin nhiên liệu Đức…………………………………9 HÌNH 1.11 Xe ô tô xe buýt chạy pin nhiên liệu……… ……………………9 HÌNH 1.12 Pin nhiên liệu cho điện thoại máy vi tính……… …………… ……10 HÌNH 1.13 Pin nhiên liệu siêu nhỏ……………………………….………………….10 HÌNH 1.14 Hình ảnh xe tơ Toyota Mirai 2016……………………………………13 HÌNH 1.15 Sơ đồ hoạt động tổng qt tồn xe………….………………………13 HÌNH 2.1 Sơ đồ cấu trúc pin nhiên liệu………………………… …………………14 HÌNH 2.2 Cơ chế hoạt động pin nhiên liệu…………………… ……………….15 HÌNH 2.3 Hình ảnh hộp pin nhiên liệu xe ô tô Mirai………… ………………15 HÌNH 2.4 Qúa trình làm ẩm điều chế hàm lượng nước…………… …………16 HÌNH 2.5 Q trình hình thành điện TFCS……………………………… ……16 HÌNH 2.6 Cấu tạo hình dáng màng điện cực Polyme……………………18 HÌNH 2.7 Vị trí màng điện cực Polyme…………………………….………20 HÌNH 2.8 Cấu tạo mạng khuếch tán khí……………………………………22 x ` HÌNH 2.9 Vị trí đặt bình khí Hydro xe Mirai…………………….…………23 HÌNH 2.10 Cấu tạo bình chứa Hydro áp suất cao……………………………………23 HÌNH 2.11 Cấu tạo lớp vỏ bọc bên ngồi bình khí Hydro áp suất cao….………24 HÌNH 2.12 Sơ đồ hoạt động hệ thống cung cấp khí Hydro………………… …24 HÌNH 2.13 Hình ảnh van khí áp suất cao…………………………………….………25 HÌNH 2.14 Van cung cấp khí Hydro áp suất cao………………………….…………26 HÌNH 2.15 Cảm biến áp suất Hydro…………………………………………………26 HÌNH 2.16 Bộ điều chỉnh Hydro áp suất cao………………………………… ……28 HÌNH 2.17 Hình ảnh van chiều dùng để đưa nhiên liệu nạp nhiên liệu…… …28 HÌNH 2.18 Kim phun nhiên liệu Hydro………………… …………………………29 HÌNH 2.19 Hình ảnh chuyển đổi DC-DC…………… …………………………30 HÌNH 2.20 Cấu trúc chi tiết chuyển đổi……… ……………………………30 HÌNH 2.21 Mạch điện chuyển đổi DC-DC…………….…………………………31 HÌNH 2.22 Mạch điện cấu tạo PCU…………… ……………………………32 HÌNH 2.23 Vị trí PCU xe toyota Mirai………………… …………………34 HÌNH 2.24 Hình ảnh PCU………………………….……………………………36 HÌNH 2.25 Hình ảnh Motor gắn xe………………… …………………………36 HÌNH 2.26 Kiểu sóng pha Motor……………………………………………40 HÌNH 2.27 Hình ảnh Motor điện……………………………….……………………40 HÌNH 2.28 Cấu trúc Motor cho trình làm mát……………… …………………41 HÌNH 2.29 Đồ thị biểu diễn lực Loren………………………………………………43 HÌNH 2.30 Hình ảnh mặt cắt Motor điện……………………………………………45 HÌNH 2.31 Sơ đồ hệ thống làm mát xe Toyota Mirai……………… ………….47 HÌNH 3.1 Sơ đồ điện phân ion pin nhiên liệu………………………… ………52 HÌNH 3.2 Đồ thị biểu diễn đường cong phân cực pin nhiên liệu……… ………54 HÌNH 3.3 Đồ thị biểu diễn đường cong phản hồi thời gian ngắn…… ………54 HÌNH 3.4 Sơ lược mạch chuyển đổi DC-DC………………………… ……………56 HÌNH 3.5 Mạch nguyên cầu chuyển đổi DC-DC……………………………56 HÌNH 3.6 Mạch nửa cầu chuyển đổi DC-DC…………………………… …57 HÌNH 4.1 Đồ thị dự báo khối lượng bán hàng ô tô sử dụng pin nhiên liệu… …66 xi ` DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU: N : Số đơn vị pin V0 : Giá trị điện mở R : Hằng số khí phổ T : Nhiệt độ hộp pin nhiên liệu P H : Áp suất riêng hydro P O : Áp suất riêng oxy P H O : Áp suất riêng nước PO : Áp suất tiêu chuẩn đơn vị áp suất A : Hệ số chuyển điện tích điện cực I : Dòng điện pin nhiên liệu dc : Dòng điện giới hạn pin nhiên liệu I Lim I : Dòng điện thay pin nhiên liệu C : Hệ số thực nghiệm cho điện áp hỗn hợp V : Điện áp đầu tuyến tính fc_lin V : Điện áp tuyến tính khơng tải 0_lin R in _lin : Trở kháng tuyến tính I : Dịng điện pin đơn lẽ fc d : Hệ số công suất V : Điện vào (v) in Vout : Điện (v) R : Tải trọng kháng (Ω) R : C : Điện dung (F) L : Cuộn cảm (H) Ts : Chuyển đổi thời gian xung : Dòng điện hiệu dụng diode I d.rms : Dòng điện tối đa đầu I 0max xii ` Kf: Hằng số tỷ lệ mơ tả lượng dạng sóng B: Mật độ từ thông 𝑄̇ : Lưu lượng nhiệt đầu vào dung môi CHỮ VIẾT TẮT: TFCS : Bộ pin nhiên liệu xe Toyota Mirai FCV : Bộ pin nhiên liệu PEM: Màng điện phân cực pin nhiên liệu EV : Xe điện ICE: Động đốt BEV: Xe điện chạy pin nhiên liệu xiii Khảo sát động sử dụng pin nhiên liệu xe Toyota Mirai 2016 MỞ ĐẦU Ngày nay, công nghệ xe ngày phát triển tiến khơng ngừng nguồn nhiên liệu hóa thạch dần cạn kiệt Do xu sử dụng sử dụng nguồn lượng thay tất yếu Trong nguồn nhiên liệu thay nhiên liệu khí dạng lượng nhà khoa học, nhà sản xuất ô tô tiếp cận, nghiên cứu sử dụng rộng rãi nước giới Tương tự động sử dụng dạng nhiên liệu lỏng, động sử dụng nhiên liệu khí cần phải phân tích, đánh giá cá đặc tính trước đưa vào sử dụng hạn chế Điều với mức độ đó, xe chạy hydro không mong đợi thay EVs Thay vào đó, nhà sản xuất Toyota, hydro bổ sung lượng điện, có lý đáng cho việc này: là, nhiên liệu Nhằm mang lại nhìn rõ cơng nghệ Toyota việc sản xuất xe ô tô sử dụng pin nhiên liệu Hydro, em làm đề tài “ Khảo sát động sử dụng pin nhiên liệu xe Toyota Mirai 2016 ’’ để giải số vấn đề Cuối em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy hướng dẫn Dương Việt Dũng bảo tận tình cho em, giúp em vượt qua khó khăn, trở ngại, thử thách hồn thành đồ án Bên cạnh em xin chân thành cảm ơn thầy khoa tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU 1.1 Khái niệm pin nhiên liệu, so sánh động sử dụng pin nhiên liệu với động truyền thống chạy xăng diesel 1.1.1 Khái niệm pin nhiên liệu - Lịch sử phát triển pin nhiên liệu: Năng lượng có vai trò định đến phát triển xã hội lồi người, điều thực tế khẳng định Hầu hết nguồn lượng cung cấp từ nhiên liệu hóa thạch (than, dầu mỏ khí thiên nhiên) Đó nguồn tài nguyên thiên nhiên quan trọng kỷ qua ngày Nó cung cấp 85% nhu cầu lượng cho vận hành kinh tế: chủ yếu bảo đảm nhu cầu điện năng, nhiệt nhiên liệu động cho hoạt động người Tuy vậy, việc sử dụng nguồn nhiên liệu gặp phải vấn đề cần phải giải quyết: Nhu cầu lượng ngày tăng theo cấp số nhân phát triển vũ bão giới (hình 1.1) Trong đó, nguồn lượng hóa thạch khơng thể tái tạo Hình 1.1 Dự báo xu hướng sử dụng pin nhiên liệu giới Hơn nữa, trữ lượng nguồn lượng có hạn cạn kiệt chúng dự báo nhiều tính tốn khoa học Một vấn đề nghiêm trọng khác mang tính thách thức tồn nhân loại lượng hóa thạch bộc lộ nhược điểm tránh trình sử dụng Nguyên nhân than, dầu mỏ khí thiên nhiên hợp chất hữu chứa carbon Vì thế, nguồn nhiên liệu tiêu thụ nhiều kéo theo khí thải cacbon dioxide (CO2) tăng Đó loại khí gây hiệu ứng nhà kính, làm khí hậu trái đất nóng dần lên dẫn đến biến đổi xấu thiên nhiên Ngồi ra, nhiều chất độc hại có nguồn gốc từ tạp chất chứa nhiên liệu hóa thạch thải gây ô nhiễm môi trường, Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng sinh nhiều bệnh tật cho người Theo thống kê năm 2000, ngành sản xuất lượng thải khí CO2 nhiều Hình 1.2 Thống kê lượng CO2 thải từ lĩnh vực Hàng loại giải pháp thực để khắc phục vấn đề Trong đó, việc tìm nguồn lượng xem yêu cầu quan trọng Nổi bật nguồn lượng tái tạo, hệ thống pin nhiên liệu sử dụng hydro phát triển mạnh nhiều ưu điểm hiệu suất, thuận tiện, thân thiện với môi trường Hydro nguồn lượng lý tưởng, có nhiệt riêng cao đồng thời không gây ô nhiễm môi trường Mặt khác, hydro điều chế từ nhiều nguồn khác nên khơng phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch Từ đó, ý tưởng pin nhiên liệu sử dụng hydro đời Các nguồn lượng điều chế từ Hydro bao gồm : Nước , Năng lượng sinh khối, Khí thiên nhiên, Dầu mỏ Nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu tìm từ năm 1802 tới năm 1839 có bước tiến quan trọng: sử dụng điện cực platinum có cấu trúc xốp dung dịch điện phân acid sunfuric Đó cơng trình nhà khoa học người Anh, William Robert Grove, ông chế tạo thành công pin nhiên liệu Hydro nguồn lượng lý tưởng, có nhiệt riêng cao đồng thời khơng gây nhiễm mơi trường Mặt khác, hydro điều chế từ nhiều nguồn khác nên không phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch Từ đó, ý tưởng pin nhiên liệu sử dụng hydro đời Các nguồn lượng điều chế từ Hydro bao gồm : Nước , Năng lượng sinh khối, Khí thiên nhiên, Dầu mỏ Nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu tìm từ năm 1802 tới năm 1839 có bước tiến quan trọng: sử dụng điện cực platinum có cấu trúc xốp dung dịch điện phân acid sunfuric Đó cơng trình nhà khoa Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng học người Anh, William Robert Grove, ông chế tạo thành công pin nhiên liệu Đến năm 1855, nhiều nghiên cứu hướng vào việc chế tạo, thiết kế pin nhiên liệu đạt số kết quả: than dùng làm nhiên liệu Năm 1889, Ludwig Mond Charles Langer thử nghiệm chế tạo pin nhiên liệu hoạt động tốt, sử dụng nguồn nhiên liệu khơng khí khí than đá cơng nghiệp Cũng thời gian này, William White Jaques thành cơng với loại pin nhiên liệu có dung dịch điện giải acid phosphoric Năm 1959, Francis T Bacon chế tạo thành cơng pin nhiên liệu có công suất 5kW sử dụng điện cực niken chất điện giải kiềm Pin nhiên liệu sử dụng chương trình Gemini NASA phát triển vào năm 1965 NASA tập trung đầu tư kinh phí cho 200 hợp đồng nghiên cứu để hoàn thiện khai thác pin nhiên liệu hydro cho chương trình khơng gian Từ cuối năm 1980, pin nhiên liệu bắt đầu mở rộng sang khu vực dân dụng nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu đến ngày Hình 1.3 Hình dạng, cấu tạo sơ pin nhiên liệu Khái niệm: Pin nhiên liệu thiết bị điện hóa biến đổi trực tiếp hóa (thường khí hydro, methanol, ethanol,… chất oxy hóa oxy) thành điện Về pin nhiên liệu có thành phần đặc điểm giống ắcquy có nhiều điểm khác pin thường thiết bị tồn trữ lượng ngừng hoạt động chất hóa học tiêu thụ hết cần phải nạp điện lại từ nguồn cung cấp điện bên ngoài, ngược lại pin nhiên liệu khơng tích trữ nhiên liệu bên trong, dòng điện pin tạo liên tục có nguồn nhiên liệu bên ngồi cung cấp trực tiếp liên tục So với loại pin cổ điển, pin nhiên liệu sinh chất thải gây ô nhiễm môi trường thấp không gây ô nhiễm lượng nước sinh sau phản ứng nước dùng uống Loại thiết bị điện khí hóa thơng dụng mà sử dụng hàng ngày Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng pin Hóa chất tích trữ pin chuyển đổi thành lượng điện hóa chất hết dần làm cho pin bị phế thải Ngược lại, pin nhiên liệu chuyển hóa lượng từ phản ứng hóa học thành điện Cụ thể trình tổng hợp hydro oxy thành nước vừa tạo dòng điện mạch ngồi vừa tạo sức nóng cho động làm việc Đó hệ thống hở địi hỏi phải cung cấp nhiên liệu liên tục suốt trình hoạt động nhờ pin vận hành mãi Ngày nay, phần lớn pin nhiên liệu sử dụng hydro oxy làm nguồn chạy pin, số khác dùng methanol 1.1.2 Phân loại pin nhiên liệu - Phân loại theo nhiệt độ hoạt động - Phân theo loại chất tham gia phản ứng - Phân loại theo điện cực - Phân theo loại chất điện giải Đây cách phân loại thông dụng ngày Với loại pin sau: Hình 1.4 Sơ đồ hoạt động pin nhiên liệu + Pin nhiên liệu dùng màng polymer rắn làm chất điện giải (PEMFC) Hình 1.5 Pin nhiên liệu dùng màng polymer chắn làm chất điện giải Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng PEMFC sử dụng màng polymer rắn làm chất điện giải nên giảm ăn mòn dễ bảo dưỡng Nhiệt độ hoạt động 500C- 800C Loại pin sản xuất nhiều để sử dụng cho phương tiện vận tải cơng suất lớn, nhiệt độ vận hành thấp ổn định Tuy nhiên, sản phẩm tham gia phản ứng phải có độ tinh khiết cao + Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) Năng suất SOFC tương đối cao, sử dụng nước với sức ép cao nạp vào turbin sản xuất thêm điện SOFC không bị nhiễm độc CO không sử dụng chất xúc tác Pt Ở nhiệt độ cao, trình tách hydro khỏi nhiên liệu xảy dễ dàng Yêu cầu tinh khiết nhiên liệu thấp Loại pin nhiên liệu thích hợp cho cơng nghệ lớn nhà máy phát điện Hình 1.6 Pin nhiên liệu oxit rắn Tuy nhiên, việc thiết kế pin phức tạp, yêu cầu bảo dưỡng nhiều Hoạt động nhiệt độ cao khoảng 7000C- 1000 C nên độ tin cậy suốt q trình khơng đảm bảo Vì lý an tồn mà SOFC khơng thể đưa vào thị trường + Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC) Loại pin nhiên liệu giống SOFC, hoạt động nhiệt độ cao, khoảng 6000C – 6500C MCFC thích hợp cho cơng nghệ lớn nhà máy phát điện, sử dụng nước để chạy turbin Với tầm hoạt động nhiệt độ tương đối thấp, MCFC sử dụng chất liệu hóa học khác lạ giá thiết kế thấp SOFC Tuy nhiên, tính bền pin không cao Pin hoạt động nhiệt độ cao nên dễ bị ăn mòn đánh thủng thành phần nhanh dần Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng Hình 1.7 Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy + Pin nhiên liệu kiềm (AFC) Đây loại pin nhiên liệu sử dụng chất điện giải kiềm dùng chương trình Khơng Gian Hoa Kỳ (NASA) từ năm 1960 Năng suất AFC bị ảnh hưởng nhiều nhiễm Do đó, AFC cần phải có hydro oxy tinh khiết Nhiệt độ hoạt động 600C – 900C Ngoài ra, thiết kế loại pin tốn tung thị trường cạnh tranh với loại pin nhiên liệu khác Hiệu suất pin cao Hình 1.8 Pin nhiên liệu kiềm + Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC) DMFC sử dụng nhiên liệu methanol, hoạt động nhiệt độ 300C – 1300C, khơng địi hỏi chuyển đổi nhiên liệu bên ngồi DMFC có tượng methanol bị thấm qua màng nên hiệu suất bị giảm Bao gồm hai loại: pin nhiên liệu kiềm pin nhiên liệu acid Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng Hình 1.9 Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp Pin nhiên liệu kiềm: CO2 giữ lại chất điện giải ăn da (như KOH, NaOH) tạo thành carbonate trung tính Khơng cần nhiều chất xúc tác kim loại quí Pin nhiên liệu acid: CO2 rút hết Chất điện giải không đổi thực việc quản lý nước phù hợp 1.1.3 Ứng dụng pin nhiên liệu Năng lượng có vai trị quan trọng cho phát triển xã hội lồi người, điều thực tế sống khẳng định Quốc gia tự chủ lượng, giàu có lượng, quốc gia có điều kiện thuận lợi để phát triển mạnh mẽ Nguồn tài nguyên lượng hóa thạch (than, dầu mỏ khí thiên nhiên) nguồn tài nguyên quan trọng kỉ qua ngày nay, cung cấp 85% nhu cầu cầu lượng cho vận hành kinh tế, chủ yếu đảm bảo nhu cầu điện năng, nhiệt nhu cầu nhiên liệu động hoạt động người Ngồi cịn q nhiều chất độc hại có nguồn gốc từ tạp chất chứa nhiên liệu hóa thạch thải gây ô nhiễm môi trường ngày c0àng trầm trọng, phát sinh nhiều loại bệnh tật nguy hiểm Cả giới chứng kiến nghịch lý kinh tế phát triển mơi trường sống ngày xấu Vì vậy, việc nghiên cứu, phát triển nguồn lượng mới, có hiệu suất cao thân thiện với mơi trường nhiều nước quan tâm đầu tư thích đáng Đã có nhiều nguồn lượng đưa vào sử dụng nhằm dần bổ sung thay khoảng trống lượng mà nguồn lượng hóa thạch để lại Bên cạnh nguồn lượng tái tạo có tiềm cung cấp lượng lớn lượng cho giới lượng gió, lượng mặt trời, lượng thủy triều,… pin nhiên liệu cho ứng cử viên sáng giá bổ sung cho nhiên liệu hóa thạch nguồn nhiên liệu cổ điển Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng Ngày có nhiều loại pin nhiên liệu đời, ứng dụng nhiều lĩnh vực từ quân dân dụng, từ động lớn máy bay, xe ôtô, đến thiết bị cầm tay điện thoại di động, máy tính xách tay, máy nghe nhạc,… Trong đó, bật hết pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC) Với ưu điểm vượt trội như: nhiên liệu methanol rẻ tiền, sản xuất với trữ lượng lớn, không gây ô nhiễm môi trường, tái sử dụng nhanh,…DMFC xem thay lý tưởng cho nguồn cung cấp lượng có cơng suất vừa nhỏ Sự phát triển nhanh chóng khoa học công nghệ nano mang đến khả to lớn đầy hứa hẹn cho công nghệ pin nhiên liệu Nhiều loại vật liệu có cấu trúc nano khám phá nhằm tạo sản phẩm pin nhiên liệu có giá thành thấp, kích thước nhỏ gọn, hiệu suất cao khả ứng dụng rộng rãi đời sống kỹ thuật Đóng vai trò định mặt hiệu suất giá thành pin nhiên liệu, chất xúc tác điện cực ngày quan tâm nghiên cứu sâu hơn, hướng tới mục tiêu đưa sản phẩm thị trường - Ứng dụng quân giao thơng: Hình 1.10 Máy bay sử dụng pin nhiên liệu Đức Pin nhiên liệu nhẹ hiệu ắc quy đồng thời đáng tin cậy ồn động Diesel Do đó, giới quân ngành du hành vũ trụ quan tâm đến công nghệ sớm Một số tàu thuyền biển dùng pin nhiên liệu Hình 1.11 : Xe tô xe buýt chạy pin nhiên liệu Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng Điều lý thú thân pin nhiên liệu không cung cấp lượng mà cung cấp nước uống siêu cho phi hành gia nước chất thải pin nhiên liệu hydro Tại Mỹ, quyền thành phố Chicago cho số loại xe buýt chạy thử nghiệm pin nhiên liệu - Ứng dụng thiết bị điện tử , sinh hoạt gia đình Hình 1.12 Pin nhiên liệu cho điện thoại máy vi tính Pin nhiên liệu cho điện thoại: Sản phẩm Toshiba chế tạo có tên Dynario tung với số lượng có hạn 3.000 với giá khoảng 320 USD Hiệu suất lượng loại pin tăng thời lượng sử dụng cho điện thoại, máy nghe nhạc lên gấp lần Người dùng pin Dynario mua nhiên liệu methanol với giá 35 USD cho lần sạc Dynario sử dụng phần pin lithium ion để lưu lượng tạo từ chất lỏng Thiết bị to bàn tay nặng khoảng 280 gram trống rỗng Hình 1.13 Pin nhiên liệu siêu nhỏ Sony mắt pin nhiên liệu siêu nhỏ đầu tiên: Loại pin có kích thước 50×30mm, nằm gọn lịng bàn tay Đây công nghệ kết hợp với công nghệ pin lithiumpolymer, pin dự phịng, kiểm sốt vịng thích hợp ứng dụng cho thiết bị di động Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 10 tương lai Nó sử dụng methanol làm nhiên liệu kết hợp với hệ thống bơm tổng hợp để điều chỉnh lượng cần thiết dùng cho thiết bị Hãng Sony khẳng định với 10ml methanol tạo nguồn lượng đủ thiết bị di động chạy chương trình chiếu phim suốt 14 Dự kiến, với pin nhiên liệu có kích thước siêu nhỏ này, Sony tạo cách mạng cho dòng pin nhiên liệu thiết bị di động tương lai 1.1.4 So sánh động chạy pin nhiên liệu với động truyền thống chạy xăng , diesel Hiện nay, ô tô chạy nhiên liệu xăng diesel quen thuộc với người, xe chạy điện xe công nghệ hybrid dần trở nên phổ biến Trong đó, xe chạy động pin nhiên liệu hydrogen (H2) mơ hồ với thị trường Ý tưởng xe có động dùng cơng nghệ pin nhiên liệu hydrogen vốn xuất khoảng thời gian định tới gần thực vào sản xuất Mặc dù xe chạy xăng diesel cải tiến mức độ tiêu hao nhiên liệu hạn chế khí thải so với trước lại sử dụng nhiên liệu hóa thạch (nguồn tài nguyên có hạn dần cạn kiệt) có phát sinh khí thải độc hại Nhiên liệu hóa thạch bao gồm than, dầu khí đốt, nặng sử dụng làm nguồn lượng, gây ô nhiễm không khí nhà kính vấn đề khí đốt Một nghiên cứu gần [1] cho thấy khoảng 18% CO2 (carbon dioxide), loại khí nhà kính, thải xe giới., Thậm chí, xe điện ngày chiếm ưu thị trường công nghệ đại gặp phải vài nhược điểm dẫn tới hạn chế lượng người sử dụng Điều khiến số hãng sản xuất xe có hứng thú với cơng nghệ tơ động ứng dụng pin nhiên liệu hydrogen nhằm mục tiêu vừa dễ tiếp cận đến khách hàng vừa không gây hại môi trường Hiện tại, khách hàng mua xe có động pin nhiên liệu hydrogen Anh: Toyota Mirai; Hyundai ix35 Fuel Cell (tuy nhiên ix35 với số lượng có hạn) Cịn Mỹ có bán Honda Clarity Những xe khơng phát sinh khí thải nào, thứ tiết từ ống xả nước đơn thuần; so với xe chạy xăng hay diesel xe chạy pin nhiên liệu hydrogen vận hành n tĩnh, khơng gây tiếng ồn Thêm vào đó, hydrogen chất có nhiều trái đất Về giá xe chạy pin nhiên liệu có giá cao nhiều so với xe chạy xăng ,diesel thơng thường thứ : sở hạ tầng để sản xuất khí hydro cịn hạn chế đòi hỏi nguồn vốn cao , thứ hai : chi phí để nhiên cứu xe chạy pin nhiên liệu nhiều thời gian chi phí để sản xuất mức cao Tuy nhiên nhà Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 11 sản xuất xe đẩy mạnh bước tiến để đẩy giá xe xuống nhằm cạnh tranh với phương tiện truyền thống 1.1.2 Mục đích, ý nghĩa đề tài Đem lại thơng tin, kiến thức bổ ích loại phương tiện hướng đến tương lai Ngoài bạn biết mơi trường giới ngày bị đe dọa tác động người mà cụ thể khí thải từ phương tiện giới Do muốn bảo vệ mơi trường lành khơng thể thiếu cải tiến động cho lượng khí thải thải chí không 1.1.3 Giới thiệu xe ô tô Toyota Mirai 2016 Toyota Mirai 2016 xe công nghệ cao, thoải mái với phạm vi rộng xe điện nào, hệ thống lượng pin nhiên liệu hydro giới hạn khả sử dụng ban đầu số khu vực California Nó đưa vào sử dụng thức vào năm 2016 Nếu Toyota có đường riêng mình, xe chạy pin nhiên liệu hydro Mirai 2016 vào lịch sử phổ biến xe mang lại tương lai cho Tên nó, sau tất cả, có nghĩa "tương lai" tiếng Nhật Hãy quên Prius, Tesla Model S BMW i3, Mirai cơng nghệ pin nhiên liệu hydro bước kỷ ô tô Bảng 1.1 Các thông số xe Toyota Mirai 2016 Tầm hoạt động 550 km Tốc độ tối đa 178 km/h Mật độ công suất 3,1 kW/L Công suất tối đa 144 kW Số lượng bình Áp suất hoạt động tối thiểu 70Mpa (700bar) Mật độ bình chứa 5,7 wt% Công suất tối đa 113 kW Momen xoắn cực đại 335 Nm Phương tiện Pin nhiên liệu Bình đựng khí Hydro áp suất cao Motor Chiều dài sở 4890 mm Chiều rộng 1815 mm Chiều cao 1535 mm Số lượng chỗ ngồi Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 12 Hình 1.14 Hình ảnh xe Toyota Mirai 2016 ( Sedan) Step 5: Motor hoạt động phương tiện dịch chuyển Step 4: Điện cung cấp cho Motor Nạp nhiên liệu Electricity Battery FC Motor Oxy Electricity Power Genneration Oxy Step 1: Khí oxy lấy vào Step 2: Khí oxy Hydro cung cấp đến pin nhiên liệu Hydro Bình khí Hydro Step 3: Điện nước tạo thơng qua phản ứng hóa học Step 6: Nước nhiệt thải ngồi Hình 1.15 Sơ đồ tổng quan hoạt động toàn xe Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 13 Chương 2: KHẢO SÁT NGUỒN ĐỘNG LỰC CỦA XE TOYOTA MIRAI 2.1 Nguyên lý hoạt động loại pin sử dụng xe 2.1.1 Cấu tạo pin nhiên liệu Hình 2.1 Cấu tạo pin nhiên liệu Pin nhiên liệu có cấu tạo đơn giản bao gồm ba lớp nằm nhau: - Lớp thứ điện cực nhiên liệu - anode - Lớp thứ hai chất điện giải dẫn proton - màng - Lớp thứ ba điện cực khí oxy - cathode Hai điện cực làm chất dẫn điện (kim loại, than chì, ) Trên bề mặt điện cực có phủ lớp chất xúc tác Chất xúc tác làm bột platinum, phủ mỏng lên giấy than vải than, nhám rổ với lỗ nhỏ Mặt nhám tiếp xúc với khí hydro oxy, mặt phẳng mềm tiếp xúc với tác nhân hóa học Chất điện giải dùng từ nhiều chất khác tùy thuộc vào loại pin: có loại thể rắn, có loại thể lỏng có cấu trúc màng Vì pin riêng lẻ tạo điện thấp tùy theo điện cần dùng nhiều pin ghép lại với nhau, tức chồng lên Người ta thường gọi chồng lớp lên stack Ngoài ra, hệ thống đầy đủ cần có thiết bị phụ trợ máy nén, máy bơm, để cung cấp khí đầu vào, máy trao đổi nhiệt, hệ thống kiểm tra yêu cầu, chắn vận hành máy, hệ thống dự trữ điều chế nhiên liệu Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 14 Hình 2.2 Cơ chế hoạt động pin nhiên liệu Về phương diện hóa học pin nhiên liệu phản ứng ngược lại điện phân Trong trình điện phân, nước bị tách thành khí hydro oxy nhờ vào lượng điện Pin nhiên liệu lấy hai chất biến đổi chúng thành nước tạo dịng điện mạch ngồi Nhiên liệu (khí H2) dẫn liên tục vào điện cực anode; chất oxy hóa, thơng thường oxy, đưa vào cathode H qua màng xúc tác tác dụng áp suất Khi phân tử H2 đến tiếp xúc Pt, bị phân tách thành H + e − - Phản ứng Anode: H2 = 2H+ + 2e− (1.1) - Các proton H+ di chuyển chất điện giải xuyên qua màng đến cathode Các điện tử giải phóng từ anode qua mạch bên cathode kết hợp với khí oxy ion H+ sinh nước đồng thời tạo dịng điện mạch ngồi - Phản ứng Cathode: O2 + 2H + + 2e− = H 2O (1.2) - Phương trình phản ứng tổng quát: H + O = H 2O (1.3) 2.1.2 Loại pin TFCS dùng xe Toyota Mirai 2016 Hình 2.3 Hình ảnh lớp pin nhiên liệu xe Mirai Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 15 Bảng 2.1: Thông số hộp nhiên liệu xe Mirai Công suất đầu cực đại Mật độ công suất/ Mật độ khối lượng Thể tích chứa / Khối lượng Pin 144 kW 3,1 kW/L / 2,0 kW/Kg 37 L/ 56 kG Tổng số pin nhiên liệu đơn lẽ lớp (stack) 370 Độ dày 1, 34 mm ( cell) Trọng lượng 102 g ( cell) Vị trí đặt Dưới sàn Hình 2.4 Phác thảo khái niệm tự làm ẩm điều chế hàm lượng nước TFCS hệ thống FC giới máy tạo độ ẩm bên ngồi Bộ pin nhiên liệu hệ thống điều khiển tinh chỉnh để nước tạo dòng chảy xuống cực âm đưa trở lại dòng chảy ban đầu cực âm cách lưu thông bên qua cực dương Hình 2.5 Quá trình hình thành điện TFCS Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 16 - Nguyên lí hoạt động : Ở dạng nhất, pin nhiên liệu chứa cực dương, cực âm màng điện phân polymer (PEM) Bởi tế bào tự tạo điện áp nhỏ, kỹ sư xâu chuỗi chúng lại với thành chuỗi chồng Chồng pin nhiên liệu Mirai, chứa 370 pin riêng lẽ , pin hoạt động để biến lượng hóa học lưu trữ thành điện Trong tế bào, hydro chạy qua trường dòng chảy đến cực dương Ở đó, chất xúc tác platinum-cobalt phân tách phân tử hydro thành ion tích điện dương electron tích điện âm Sau đó, PEM cho phép ion hydro qua cực âm, nhăn cản electron, thay vào chúng buộc phải mạch ngồi, tạo dịng điện Cuối cùng, electron ion gặp oxy cực âm để tạo thành nước, phát chủ yếu dạng Các phận Pin nhiên liệu : Một pinlượng kích hoạt thấp động học phản ứng Tuy nhiên, khơng có giới hạn nhiệt độ cao cho FC khơng nên vượt q Giải thích thêm bởi, nhiệt độ tăng, lưu lượng khối nước làm ẩm phải tăng để tránh nước màng Các tổn thất ohmic tăng nhiệt độ cao màng bị nước hiệu FC giảm 2.6.4 Cơng thức lưu lượng dịng nhiệt Tốc độ đầu vào nhiệt hệ thống làm mát từ ngăn xếp FC Máy nén khí vấn đề biểu thị Cơng thức Như thấy cơng thức bao gồm nhiệt lượng riêng (còn gọi nhiệt dung riêng), c Nhiệt dung riêng lượng nhiệt đơn vị khối lượng cần thiết để tăng nhiệt độ thêm độ C 𝑄̇ = 𝑚̇ 𝑐∆𝑇 (1) - Trong 𝑄̇ lưu lượng đầu vào nhiệt dung môi [W], tốc độ dịng chảy dung mơi [kg / s], nhiệt dung riêng [J / kg, ° C] dung môi ∆𝑇 chênh lệch nhiệt độ môi trường [° C] Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 50 Chương : TÍNH TỐN ĐỘNG CƠ PIN NHIÊN LIỆU 3.1 Tính toán pin nhiên liệu (PEM) Pin nhiên liệu thiết bị chuyển đổi lượng tĩnh chuyển đổi phản ứng hóa học nhiên liệu trực tiếp thành điện lượng với lượng nhiệt tạo nước sản phẩm phụ Các phản ứng hóa học trì miễn cung cấp nhiên liệu chất oxy hóa trì Hình 3.1 cho thấy xếp đơn giản hệ thống pin nhiên liệu Hóa chất phản ứng liên quan đến cực dương, cực âm chất điện phân màng cho sản xuất điện đưa phía dưới: - Phản ứng Anode : H = 2H + + 2e− (1) - Phản ứng Cathode : O2 + 2H + + 2e− = H 2O (2) - Phản ứng tổng : H + O2 = H 2O (3) Hình 3.1 Sơ đồ vận hành pin nhiên liệu Hiệu suất pin nhiên liệu đánh dấu hiệu nhiệt điện Hiệu suất nhiệt động lực học phụ thuộc vào xử lý nhiên liệu, quản lý nước kiểm soát nhiệt độ hệ thống Hiệu suất điện pin nhiên liệu phụ thuộc vào kích hoạt tập trung ngồi việc Ohmic tự nhiên Điện áp hộp tế bào nhiên liệu điều kiện tải ( V ) đại lượng mát điện kích hoạt ( Vact ), bỏ qua nồng độ ( Vcon ) dc điện trở ohmic ( V ) đưa phương trình Nernst: ohmic -V -V (4) V = Vopen - V ohmic act dc PH PO RT 2 (5) ln Vopen = N V + 2F PH O PO Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 51 = I R (6) V FC ohmic dc I RT Vact = N ln dc (7) 2 F I I Vcon = −c ln 1 − dc (8) I Lim Ta có : R = 8.3145 ( J/mol.K) F= 96, 485 As/mol = 0,5 N = 370 0 T = 80 C = 253 K I = 22 A ; I dc Lim = 30 A I = 7,5 A ; V = 0,5 (V) ; c = 3,16 F 0 PO = 0,606 ( bar ) PH O = 0,389 ( bar ) PH = 0,995 ( bar ) PO = 0,302 (bar) ; R Thay vào biểu thức (5) : Vopen = 370 0,5 + FC = (Ω) 0,995 0,606 8,3145 273 ln 96, 485 0,389 0,302 196 (V) - Từ (6) ta có : V omic = 22 = 66 (V) 8,314 22 ln - Từ (7) ta có : Vact = 370 0,5 96, 485 7,5 35 (V) 22 −6 - Từ (8) ta có : Vcon = −3,13 10 ln 10−6 (V) 42 −6 dc = 196 − 66 − 35 − 10 95 (V) => V - Hình 3.2 minh họa đặc tính phân cực hệ thống ngăn xếp pin nhiên liệu Cơng suất đầu rịng dao động từ đến 1,2 kW Dòng điện đầu ròng dao động từ đến 46 amps phạm vi hoạt động nhà máy điện Điện áp đầu thay đổi theo tải Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 52 hoạt động theo đặc tính phân cực ngăn xếp pin nhiên liệu Điện áp khơng tải bình thường hệ thống ngăn xếp pin nhiên liệu khoảng 43 VDC Ở công suất định mức, điện áp đầu hệ thống ngăn xếp pin nhiên liệu dao động từ 26 VDC đến 29 VDC Đường cong đặc tính phân cực tham chiếu mô-đun lượng tế bào nhiên liệu so với đường cong liệu thực nghiệm đồng ý nói chung (Hình3.2) Hình 3.2 Đường cong phân cực (dữ liệu tham khảo thực nghiệm) Tuy nhiên, có số khác biệt liệu thử nghiệm Các đặc tính đáp ứng thời thử nghiệm mô-đun lượng tế bào nhiên liệu hiển thị ( Hình 3.3) Biểu đồ minh họa phản ứng hệ thống thay đổi bước tải Ngăn xếp pin nhiên liệu (khoảng 0,6 giây) cung cấp dòng điện để hỗ trợ thay đổi bước tải Hình 3.3 Đường cong phản hồi thời gian ngắn (dữ liệu thực nghiệm) Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 53 Một khoảng thời gian ngắn tương tự xảy sau bước tải từ 22 A đến 12 A Điện áp đầu phục hồi ổn định đến 34 volt khoảng thời gian 0,5 giây - Lựa chọn cấu trúc liên kết chuyển đổi DC / DC : Trong chương này, số bước chuyển đổi khác (điện áp cung cấp đầu lớn điện áp nguồn đầu vào) mô tả: biến đổi tăng áp, nửa cầu cấu trúc liên kết kéo đẩy toàn cầu Để chọn chuyển đổi DC / DC thích hợp, cần phải biết tham số đầu vào đầu cần thiết Đầu vào chuyển đổi xác định đầu công suất ngăn xếp pin nhiên liệu: Công suất định mức 1200 W, dải điện áp DC 22 50 V Công suất đầu chuyển đổi định mức giả định 1500 W điện áp DC đầu - 400V, theo yêu cầu cho điện áp AC 230V bình thường hoạt động biến tần nguồn Bộ điều chỉnh điện áp chuyển mạch thường sử dụng cho ứng dụng bước lên xuống, khác với điều chỉnh tuyến tính cách thực điều chế độ rộng xung (PWM) Bộ điều chỉnh chuyển mạch điều khiển điện áp đầu cách sử dụng cơng tắc có tần số không đổi chu kỳ nhiệm vụ thay đổi Tần số chuyển đổi thường từ vài kHz đến vài trăm kHz Có thể điều khiển điện áp đầu cách thay đổi chu kỳ làm việc, tùy thuộc vào trạng thái tải điện áp nguồn đầu vào Ưu điểm rõ ràng điều chỉnh chuyển mạch hiệu quả, cơng suất tối thiểu bị tiêu tán đường dẫn nguồn (công tắc) điện áp cung cấp đầu đủ cho trạng thái tải Nhược điểm điều chỉnh chuyển mạch phức tạp, số thành phần thụ động bên yêu cầu tàu Ripple điện áp đầu nhược điểm khác, thường xử lý với điện dung bỏ qua gần nguồn cung cấp tải Bộ tăng tốc, tăng áp, chuyển đổi tạo điện áp đầu trung bình cao điện áp nguồn đầu vào Hình cho thấy cấu trúc liên kết boost Khi bật công tắc, diode bị phân cực ngược, cách ly tải khỏi điện áp nguồn đầu vào sạc lên dòng điện dẫn Khi tắt công tắc, tải đầu nhận lượng từ cuộn cảm điện áp cung cấp đầu vào Dòng điện dẫn bắt đầu phóng điện, gây sụt áp âm cuộn cảm Do cổng cuộn cảm điều khiển điện áp cung cấp đầu vào, nên cổng cịn lại có mức điện áp cao hơn, có tính tăng tăng cường Như với biến đổi buck, tụ điện hoạt động lọc thông thấp, làm giảm gợn điện áp đầu dòng điện dao động qua cuộn cảm [4] Tỷ lệ tăng điện áp Vo / Vin bị giới hạn với điện áp phóng điện phần tử công tắc nguồn Q1 Trong ngừng hoạt động chúng tơi, bóng bán dẫn trạng thái TẮT thu phát 400V DC Dòng thu trung bình gần với mức tối đa: V 1500 Vc max = = 68 (A) V 22 in Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 54 Hình 3.4 Mạch chuyển đổi DC-DC V T 400 = = 18 - Vì chu kỳ lớn : t V 22 off in - Điều có nghĩa là, thời gian TẮT bóng bán dẫn 1/18 từ khoảng thời gian BẬT 17/18 từ khoảng thời gian Bộ biến đổi tăng khơng có cách ly điện mạch đầu vào đầu ra, lý để chọn biến đổi với biến áp mạch cơng suất, đầu cách ly hoàn toàn với đầu vào PWM (Điều chế độ rộng xung) phần tử chuyển đổi nguồn cung cấp không đổi điện áp đầu điện áp đầu vào thay đổi Một chuyển đổi kéo đẩy cầu đầy đủ hiển thị Hình3.5 Hình 3.5 Mạch toàn cầu push-pull biến đổi DC-DC Trong hình chuyển đổi Half- Bridge hiển thị Ưu điểm mạch chứa phần tử chuyển mạch cho phép giảm tổn thất điện chuyển đổi Trong trường hợp này, quan trọng dịng điện lớn cuộn sơ cấp máy biến áp Tổn thất dẫn cơng tắc (dịng chuyển mạch hiệu Isw.rms) P = Isw.rms R = 48,212 17 10−3 = 39,5 (W) cond DS(on) Trong : R DS(on) = 17 Tổn thất chuyển mạch phụ thuộc vào tần số chuyển mạch fs thời gian dẫn công tắc [6]: Psw = Isw.rms V t on + t s in.max off = 48, 21 50 ( 55 + 44 ) 10−9 60 103 = 7,16 (W) ( Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu ) Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 55 Vì lý này, tốt sử dụng sơ đồ nửa cầu Hình Sẽ hữu ích chọn cấu trúc liên kết với bốn điốt phần đầu ra, có cuộn dây biến áp thứ cấp tổn thất tương đối không đáng kể chỉnh lưu Tần số chuyển đổi ứng dụng phải cao 20kHz, giảm khối lượng kích thước máy biến áp, tăng hiệu và, cuối cùng, giới hạn khả nghe người Với phổ biến lựa chọn MOSFET IGBT, ngày khó khăn cho nhà thiết kế ngày việc lựa chọn thiết bị tốt cho ứng dụng Tuy nhiên, MOSFE đưa tần số cao phạm vi điện áp cố thiết bị 250V [5], giảm điện áp trạng thái nhỏ chút hiệu suất chuyển mạch tốt Hình 3.6 Mạch chuyển đổi nửa cầu push-pull a) với hai cuộn dây thứ cấp b) với cuộn dây thứ cấp 3.2 Tính tốn chuyển đổi DC / DC Dữ liệu tính tốn sơ đồ cơng suất chuyển đổi DC / DC (hình 6b): Cơng suất đầu định mức Po = 1500 W Điện áp DC đầu vào nằm khoảng 20 V 50 V Tần số biến áp chọn f = 60 kHz Chu kỳ nhiệm vụ chuyển đổi mặt lý thuyết tăng lên 100% Trong thực tế, điều khơng thể cơng tắc nguồn kết nối nối tiếp S1 S2 (Hình 5), phải chuyển đổi với chênh lệch thời gian để tránh đoản mạch nguồn cung cấp đầu vào Trong tính tốn chu kỳ nhiệm vụ tối đa giả định Dmax = 95% Bộ chuyển đổi có hai chế độ hoạt động tùy thuộc vào việc dịng điện đầu có giảm khơng hay khơng Do dịng điện chỉnh lưu công tắc cực đại thấp chế độ Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 56 liên tục gợn điện áp đầu thấp chọn, độ gợn thấp giá trị đầu kép I L1 L phải 2I - Chọn cơng tắc nguồn: Các thơng số để chọn công tắc nguồn điện áp cực đại mà cơng tắc phải chặn, dịng điện hiệu dụng chạy qua chúng tần số chuyển đổi Điện áp tối đa máy biến áp trạng thái TẮT đạt điện áp đầu vào tối đa V in.max = 50V; Công tắc hiệu tối đa theo chu kỳ nhiệm vụ 100% I 68,18 Isw.rms = in.max = 48, 21(A) 2 Trong dòng tiện tối đa đầu vào: P in = 1500 = 68,18(A) I = inmax U 22 inmin Tính tốn thực mà không điện chuyển đổi, Pin = Pout = 1500W Có tính đến u cầu cơng tắc, chọn Bộ chỉnh lưu quốc tế IRFZ44N [6] - Lựa chọn điốt chỉnh lưu: Dòng diode hiệu dụng đầu tối đa tính theo chu kỳ nhiệm vụ 100% I 3,75 I = 0max = = 2,65(A) d.rms 2 Trong dịng tiện tối đa đầu ra: I P 1500 = = = 3,75(A) 0max U 400 Điện áp diode chặn phải cao Vo = 400V Đã chọn chuyển đổi nhanh YENYO FS3J [7] 3.3 Tính tốn lọc đầu Bộ lọc đầu bao gồm từ cuộn dây độ tự cảm với nhiệm vụ để tạo công suất đầu tốt chuyển đổi Bất đẳng thức cuộn cảm cho chế độ liên tục V inmax V − V inmax V I 2 L 50 = 400 − 50 ( ) = 48,61 H 400 7,5 60 103 L ( ) Trong : Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 57 I = 2I = 3,75 = 7,5(A) L 0max V = 5V, đó, điện dung Xung điện áp đầu cho phép đoán lọc đầu ra: C I 7,5 L = = 3,13 F 4V 2 60 103 - Tính tốn máy biến áp: * Hệ số biến áp: K= ( V 0,95 V −V DS inmin ) = 400 21 0,98 0,95 ( 22 − 1) V Trong DS 1V điện áp đầu bóng bán dẫn BẬT [6] Giảm điện áp chỉnh lưu điốt tính tốn khơng đáng ý điện áp đầu tương đối lớn Hiệu suất máy biến áp = 0,98 [9] Độ lớn lõi dây cần thiết để xử lý lượng điện định? Đây câu hỏi thường hỏi, tiếc khơng có câu trả lời đơn giản Vì vật liệu lõi chọn ferrite với mật độ từ thông B = 0,2T (2kG) k' P0 108 0,00528 1500 108 Wa Ac = = = 6,6 cm2 B f 2000 60 10 ( + Trong khu vực khe cửa Bobbin cho lõi khác Ac ) Wa để quấn dây (c m ): Cửa sổ lõi cho toroids Cửa sổ - diện tích từ tính hiệu lõi c m ; k '- hệ số cho hoạt động sóng vng: k' = 0,00633 cho cuộn dây hình xuyến; k '= 0,00528 lõi nồi k '= 0,00528 lõi E-U-I B - mật độ từ thông gauss [8] Lõi từ tính đốn Ac = 2,5c m Lõi biến áp chọn từ danh mục Tính tốn số lượng Np Ns thứ cấp quay xung quanh lõi cuộn cảm N P V − V ) 104 ( DS inmin = = K f Ac f ( 22 −1) 104 60 103 0, 2,5 =2 Trong đó: + Kf - số tỷ lệ mơ tả lượng dạng sóng: - Kf = 4,44 cho đường sin, Kf = 4.0 cho sóng vng + B - mật độ từ thông Mirai Số cuộn dây thứ cấp: N = N k = 21 = 42 P S Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 58 Tính tốn tiết diện dây (khơng cách điện) Wcs.p Wcs.s thứ cấp theo mật độ dòng điện dây J = 3A / mm I 48, 21 Wcs.p = sw.rms = 16,07mm2 j I 3,75 Wcs.s = 0max = = 1, 25mm2 j Diện tích dây cần thiết (chỉ cho đồng) cho máy biến áp (hình 6b) với hai cuộn dây nguyên thủy cuộn dây thứ cấp A W = Wcs.p N + Wcs.s N = 16,07 + 1, 25 42 = 116,8mm = 1,17cm P S + Khu vực khe cửa để có sẵn cho dây tính: Wa = Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Wa Ac 6,6 = = 2,64cm2 A 2,5 Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 59 Chương : TỔNG KẾT VỀ Ô TÔ CHẠY ĐỘNG CƠ PIN NHIÊN LIỆU 4.1 Mặt lợi mặt hạn chế xe ô tô chạy pin nhiên liệu 4.1.1 Những mặt lợi ô tô chạy động pin nhiên liệu - Khơng gây khí thải độc hại: Q trình xe hydro chuyển đổi hydro thành điện (thông qua pin nhiên liệu) tạo khí thải khơng gây hại phương tiện; cần nước sản phẩm cuối Có số nước tương đối sản xuất, khơng giống đường bị ngập lụt Do giảm thiểu khí thải nhà kính lái xe tơ hydro, lượng khí thải carbon giảm đáng kể thực Năm 2016, xe Mỹ tạo 1,9 tỷ khí thải carbon dioxide - lượng khí thải CO2 nhiều mà nhà máy Mỹ sản xuất sau Vì vậy, xe tơ hydro có lợi việc giúp dòng nước thải - Hiệu / phạm vi nhiên liệu tốt nhiều: Hydrogen hiệu gấp đơi so với xăng: nói cách khác, bạn tăng gấp đơi quãng đường / km so với xe truyền thống Điều hỗ trợ thực tế pin nhiên liệu hydro có hiệu suất 40-60% (khi tạo điện), so với động đốt có hiệu suất 30 - 35% - Thời gian nạp nhiên liệu thấp nhiều so với xe điện: Nhiên liệu lại xe hydro máy bơm phút hơn; giống tái nạp nhiên liệu với xăng Điều so với xe điện 6-8 cho sạc cấp (loại phổ biến nay), giảm xuống 30 phút cho sạc 3/4 cấp nhanh (và hơn) Thời gian sạc lại cho ô tô điện giảm, gần chắn giành chiến thắng nhanh 3-5 phút hydro - Nhiên liệu hydro tạo theo cách thân thiện với môi trường: "Nhiên liệu hydro đến từ đâu?" Trong cách sản xuất nhiên liệu hydro phổ biến thân thiện với môi trường, có số tùy chọn xanh Phương pháp khả thi thương mại điện phân: Một dòng điện truyền qua nước, phân tách phân tử nước thành hydro oxy Bản thân trình điện phân khơng tạo ngoại ứng âm, ví dụ: khí thải nhà kính Nhưng tự nhiên, nguồn điện tạo khí thải độc hại: tức sản xuất cách đốt than Tuy nhiên, điện sản xuất thông qua nguồn lượng tái tạo (năng lượng mặt trời, gió, sinh khối, v.v.), khơng có khí thải nóng lên tồn cầu có hại Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 60 Điện phân q trình có trọng lượng nhẹ, điều địi hỏi phải có thiết bị phức tạp, tạo nhiều địa phương - Ít hóa chất máy bơm: Khi đổ xăng xe truyền thống vào máy bơm, tiếp xúc gần với loạt hóa chất độc hại bao gồm: • Benzen • Toluen • Ethylbenzen • Xylen Những hóa chất - đặt tên BTEX - có khả làm tăng nguy mắc bệnh ung thư vấn đề hô hấp tiếp xúc nhiều lần Thật vậy, hai báo nghiên cứu khác từ Brazil tìm thấy số vấn đề sức khỏe đáng lo ngại cho công nhân sản xuất xăng / trạm xăng Một người nói nguy ung thư sau đây: Nguy ung thư cao, giá trị tìm thấy cao khoảng 40 - 378 lần so với giới hạn chấp nhận củng cố nhu cầu áp dụng biện pháp khẩn cấp để giảm loại bỏ tiếp xúc công nhân với hợp chất BTEX Bài báo nghiên cứu khác cho biết sau thiệt hại DNA tiềm năng: 16,6% dân số nghiên cứu cho thấy tần số bất thường nhiễm sắc thể tăng cao, có khả tương quan với việc họ tiếp xúc với BTX trình làm việc.Tái nạp nhiên liệu hydro máy bơm cần hóa chất - Phù hợp với sở hạ tầng xăng dầu tại: Như giải thích viết chúng tơi, nhiên liệu hydro đến từ đâu? Tuy nhiên, việc vận chuyển hydro qua đường ống có thể, đường ống xăng tái sử dụng sử dụng cho hydro thay (nếu / xăng sử dụng hơn, - bây giờ, nguồn nhiên liệu phần lớn quốc gia) Ngồi ra, hydro có khả tạo từ nguồn khí sinh học (cũng giải thích viết trước) Và khí sinh học sản phẩm thải ’phổ biến từ ngành công nghiệp nhà máy nước thải Vì vậy, có khả năng, sản phẩm chất thải biến thành thành phần đường ống nhiên liệu hydro - Pin nhiên liệu hydro bền Pin nhiên liệu - tương đương với động đốt xe chạy xăng - bền dựa thử nghiệm rộng rãi với Toyota Mirai Nhìn chung Toyota khiến pin nhiên liệu xe dựa triệu dặm thử nghiệm họ, bao gồm xét nghiệm khác khu vực nhiệt độ cao (Thung lũng Chết, California), nhiệt độ thấp (Yellowknife, Canada) chuyến cao thấp Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 61 Các thử nghiệm ổn, cho pin nhiên liệu phải khả thi vượt mốc 100.000 dặm thực quan trọng - Chi phí giảm liên tục: Dữ liệu từ tiểu bang California cho biết, giá trung bình hydro 13,99 la / kg vào năm 2015, giảm xuống 8-10 đô la / kg giai đoạn 2020-2025 Với chi phí này, xe chạy xăng có giá 0,13 la dặm để chạy, so với 0,12 đô la dặm với xe hydro (ở mức la / kg) Ngồi ra, chi phí pin nhiên liệu hydro giảm Giá kWh họ giảm khoảng 50% thập kỷ qua dường giảm - Nhiều biện pháp an tồn chỗ: Ơ tơ hydro an toàn, thiết kế từ mặt đất để đảm bảo tất khía cạnh (đặc biệt bể chứa hydro) an tồn khơng bị rị rỉ, đâm hao mịn nói chung Các thử nghiệm thức (ví dụ, từ quan Euro NCAP) cho Hyundai Nexo tới 5/5 an tồn Toyota đảm bảo xe chạy pin nhiên liệu Mirai họ hoàn toàn an toàn - Đã chứng minh: Hydrogen nguồn nhiên liệu chứng minh, NASA sử dụng từ năm 1958 cho thử nghiệm du hành vũ trụ khác Hydrogen mạnh gấp ba lần so với xăng (khi bị đốt cháy) động lực lớn cho việc Do đó, tích cực biết hydro thúc đẩy thử nghiệm không gian khác trung tâm cho thành cơng họ, củng cố khơng phải nguồn nhiên liệu thử nghiệm mơ hồ mà thứ với thành cơng xác định nhiều thập kỷ 4.1.2 Những mặt hạn chế động chạy pin nhiên liệu - Giá tụt lại phía sau xe điện: Giá để mua / thuê xe hydro cao chút so với xe điện Ví dụ, Toyota Mirai có giá 57.500 la để mua, xe có kích thước tương tự có giá khoảng 25.000 la chạy xăng 35.000 - 45.000 đô la chạy điện Ngồi ra, chi phí cho dặm xe điện thấp tới 3-4, so với 25 / dặm cho xe ô tô hydro nay, với điều giảm xuống cịn 18 vào năm 20202025 Sự khác biệt đáng kể khó khắc phục tơ hydro, đặc biệt dự đốn tơ điện giảm giá đáng kể vài năm tới Những xe hydro thu hẹp khoảng cách, hay EV đơn giản đánh bại chúng bệ xe màu xanh cây? Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 62 - Hiện nơi để nạp nhiên liệu: Hiện có nơi để tái nạp nhiên liệu, xe hydro bán bang / khu vực hạn chế biết có số trạm tiếp nhiên liệu hydro (như California, Đức Nhật Bản) Tình hình cải thiện, với 64 trạm hydro mở năm 2017 (dẫn đến 300 toàn giới) - Hiện nhiên liệu Hydro đắt xăng: Như thấy lợi thứ tám chúng tôi, hydro đắt xăng - giai đoạn 2020-2025, trở nên rẻ so với nó, xu dặm Trong hydro có số lợi ích hữu ích cho ngành lượng, liệu lợi ích tài mỏng (so với xe chạy xăng) có đáng để chuyển sang xe hydro hay không đáng nghi ngờ - Chi phí đắt cho việc lưu trữ vận chuyển khí hydro: Nếu hydro sản xuất địa điểm thuộc nhà máy điện trung tâm, cần lưu trữ sau vận chuyển đến trạm tiếp nhiên liệu khác Đây khơng phải q trình rẻ tiền: di chuyển lượng lớn hydro qua đường biển đắt nhiều so với việc di chuyển xăng dầu xung quanh Sử dụng đường ống lựa chọn tốt, có 1.600 dặm (2.575 km) đường ống dẫn hydrogen khắp nước Mỹ Đây so với 2.400.000 dặm (aka 2,4 triệu) đường ống dẫn xăng Vì vậy, thiếu sở hạ tầng nói chung lỗ hổng định với hydro - Rất nhiều khí thải nhà kính (hiện tại): Trong hydro tạo theo cách thân thiện với môi trường (lợi số trên), phương pháp để sản xuất gọi cải cách khí metan Thật khơng may, q trình trước tiên phát carbon monoxide (phát thải không mong muốn) sau xử lý thêm, carbon dioxide phát - cịn gọi khí gây biến đổi khí hậu Q trình khơng dẫn đến phát thải khí nhà kính thấp 34-50% so với sản xuất xăng, khơng có màu xanh - Khó phù hợp với sở hạ tầng (ngay bây giờ): Mặt trái lợi ích số - nói hydro phù hợp với sở hạ tầng dựa xăng dầu (như đường ống) dễ dàng - điều thực cách hợp lý xăng khơng cịn sử dụng quy mô lớn! Rốt cuộc, tất đường ống xăng bị đóng cửa chuyển đổi thành đường ống hydro, hầu hết giới ngừng hoạt động! Giải pháp thay xây dựng nhiều đường ống dành riêng cho hydro, lựa chọn hợp lý mặt thương mại Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 63 - Rất dễ cháy: Cho dù họ sản xuất ô tô chạy nhiên liệu hydro an toàn đến mức (và thấy từ lợi số 9, chúng an toàn!), Về bản, hydro loại khí nguy hiểm: chất lượng hóa học có nghĩa dễ bị rị rỉ, gấp mười lần dễ cháy xăng xăng nổ gấp hai mươi lần Đây phần lý chi phí phân phối hydro (theo nhược điểm số 4) đường biển đắt, việc sản xuất hydro tự nhiên có rủi ro - Ơ tơ hydro khó mua giới hạn cung cấp: Cũng giống xe điện đời đầu, xe hydro sản xuất với nguồn cung hạn chế Chỉ có 3.000 Toyota Mirai sản xuất năm 2017, tệ bạn nghĩ có lẽ xe hydro có sẵn rộng rãi Mẫu pin nhiên liệu Hyundai ix35 có tổng cộng 1.000 sản xuất, kể từ mắt năm 2013 Mặc dù điều thay đổi thời gian trơi qua (cịn gọi người rời xa xe chạy xăng, hướng tới giải pháp thay xanh hơn), điều có nghĩa xe hydro gần giai đoạn sơ khai EVs 10 năm trước - Ơ tơ nhiên liệu tương đối chưa chứng minh: Mặc dù Toyota thử nghiệm Mirai họ nhiều lợi số 7, số lượng xe hydro đường bây giờ, họ chưa chứng minh - đặc biệt so với xe chạy xăng chứng minh Vì vậy, thiếu liệu, thật khó để dự đốn liệu xe hydro khả thi 100.000 dặm hay không Toyota cho họ có họ thử nghiệm họ lên 60.000 dặm vịng tháng, ln có mà hội mà xe hydro chạy lên hóa đơn bảo dưỡng tốn phía cuối đời họ - Nhiên liệu hóa thạch cần thiết để sản xuất pin nhiên liệu hydro: Trong hydro làm nhiên liệu sản xuất theo cách thân thiện với môi trường (nhưng không!), Việc sản xuất pin nhiên liệu thực tế vào ô tô không thân thiện với môi trường Điều sản phẩm từ dầu mỏ sử dụng sản xuất pin nhiên liệu, dẫn đến phát thải khí nhà kính Khí thải nói chung với hydro (so với xe chạy xăng), diện - Xe điện hiệu tổng thể: Trong xe hydro hiệu xe chạy xăng, chúng khơng phù hợp với hiệu xe điện Theo nhóm nghiên cứu Mơi trường & Giao thơng Vương quốc Anh, nói hiệu dọc theo toàn chuỗi chuỗi (tạo Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 64 sức mạnh sử dụng, sau xe chuyển đổi điều thành chuyển động) là: • Xe điện: hiệu suất 73% • Ô tô chạy pin nhiên liệu hydro: hiệu suất 22% • Xe chạy xăng: hiệu suất 13% Điều dựa ý tưởng việc tự tạo điện hiệu quy trình sản xuất hydro xăng (và vận chuyển) Và sau đó, xe điện hồn tồn có hiệu cao pin, động điện hệ thống truyền động so với xe chạy hydro xăng nhà máy điện hệ thống truyền lực chúng 4.2 Xu phát triển xe ô tô chạy pin nhiên liệu tương lai Doanh số bán hàng FCV dự kiến đáng kể, dài hạn, với kịch sách khí hậu thuận lợi Do khơng có khí thải CO2 cơng nhận q trình vận hành xe, kỳ vọng thị trường FCV tương lai tăng lên sau Hiệp định Paris thông qua Thỏa thuận lần đưa tất quốc gia vào nguyên nhân chung để thực nỗ lực đầy tham vọng để chống biến đổi khí hậu Hình 4.1 Dự đoán khối lượng bán hàng FCV Trong kịch tương tự, quan lượng quốc tế (IEA) ước tính thị phần FCV khoảng 17% vào năm 2050 (doanh số 35 triệu đơn vị hàng năm) Các tế bào nhiên liệu hydro chứng minh đầy đủ lợi ích chúng kịch tăng giá chưa chắn - Sự hấp thu FCV chậm chủ yếu do: • OEMs cần phải giảm chi phí đáng kể • Thị trường cần sở hạ tầng mạng để xây dựng địa phương thí nghiệm chứng minh thành công Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 65 • Thời gian cần thiết để xác định tiêu chuẩn hóa hiệu giải pháp cho sản xuất hydro - Vai trị hành cơng: Để thúc đẩy FCV phá vỡ bế tắc ban đầu, sách khác tùy chọn đánh giá: Chính phủ hỗ trợ thơng qua nghiên cứu, phát triển sáng kiến triển khai tài trợ (ví dụ: để xây dựng sở hạ tầng để phân phối hydro) Chính sách thuế / trợ cấp để giảm chi phí ban đầu cao FCV so với phương tiện thông thường - hướng vào hai người tiêu dùng nhà sản xuất FCV nhà cung cấp H2 Chính sách giảm GHG Ví dụ: đặt mục tiêu cho cường độ GHG cho toàn cung cấp nhiên liệu vận chuyển - Những trở ngại cho việc áp dụng FCV Việc áp dụng tiềm FCVs gặp phải ba vấn đề lớn: chi phí phương tiện, sở hạ tầng phân phối sản xuất hydro - Chi phí phương tiện: Chi phí cao FCV chủ yếu bắt nguồn từ việc sử dụng chất xúc tác đắt tiền vật liệu khác sử dụng pin nhiên liệu Ngày nay, dựa ước tính DOE Hoa Kỳ, pin nhiên liệu sản xuất với giá khoảng $ 280 / kW với khối lượng thấp 20 nghìn đơn vị / năm Tuy nhiên, chi phí họ giảm xuống cịn $ 53 / kW chúng sản xuất với khối lượng cao (500 nghìn đơn vị) DOE Hoa Kỳ dự báo chi phí khoảng $ 40 / kW vào năm 2020 $ 30 / kW mục tiêu cuối Như vấn đề thực tế, cần thêm hai lần lặp lại sản phẩm để giảm chi phí và, thời gian chu kỳ sản phẩm ô tô, điều cho thấy năm 2020, sớm nhất, trước chi phí đạt đến mức chấp nhận thị trường đại chúng - Cơ sở hạ tầng phân phối: Việc phát triển sở hạ tầng đòi hỏi định đầu tư quan trọng tốn kém, cần hỗ trợ nhu cầu thị trường FCV bền vững Hiện khơng có hệ thống quốc gia tương tự động diesel xăng để cung cấp hydro từ sở sản xuất đến trạm nạp Một sở hạ tầng phân phối hoàn toàn yêu cầu phép thâm nhập thị trường đại chúng FCV Ngồi ra, tổng chi phí liên quan đến việc nhân rộng sở hạ tầng nhiên liệu lưu trữ xăng dầu lớn Ngày nay, chi phí trạm thương mại từ $ 750k đến $ 1,5 triệu, với trạm cấp nhập cảnh phạm vi từ $ 350 đến $ 500k Trong việc giảm chi phí đạt cơng nghệ đáo hạn, rõ ràng chi phí thay chí phần trạm làm đầy quốc gia lên tới hàng tỷ đô la Vấn đề sở hạ tầng hydro vấn đề cổ điển gà trứng gà: công ty không đầu tư vào sở hạ tầng không Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 66 có thị trường FCV quan trọng FCV khơng thể tồn khơng có mức độ sở hạ tầng phù hợp Ngày việc triển khai giới hạn số quốc gia Các quan phủ Mỹ, Nhật Bản, Đức Anh tài trợ cho việc xây dựng trạm nạp hydro Tại Hoa Kỳ, California dẫn đầu, phát triển Đường cao tốc Hydrogen (chủ yếu khu vực Los Angeles San Francisco) Tuy nhiên, đây, số lượng trạm cài đặt giảm xuống mức cần thiết để làm cho FCV trở thành đề xuất hấp dẫn cho phần lớn người chấp nhận tiềm Các vấn đề sở hạ tầng giảm thiểu đáng kể cho ứng dụng đội tàu Bỉ xe buýt, dịch vụ giao hàng, phương tiện bưu điện, v.v., quay lại vị trí trung tâm để tiếp nhiên liệu Thật vậy, nhiều biểu tình ban đầu FCV tập trung vào đội xe buýt, pin nhiên liệu tìm thấy số thành cơng thị trường xử lý vật liệu - Sản xuất hydro: Giống điện, việc sản xuất hydro lấy từ nhiều nguồn lượng khác nhau, loại có tác động khác đến dấu chân GHG Tùy thuộc vào nguồn lượng mà lượng tạo ra, hydro gắn nhãn màu xanh hay màu xám Về mặt dấu chân GHG, thuận lợi sản xuất hydro từ nguồn lượng sơ cấp tái tạo (màu xanh cây), thay từ nguồn tài nguyên màu xám Tuy nhiên, việc sử dụng lượng tái tạo để sản xuất hydro phải chịu phân tích lợi ích chi phí cụ thể Thật vậy, chuyển đổi lượng tái tạo hydro liên quan đến thiếu hiệu trình (và khơng hiệu chi phí), chủ yếu tổn thất từ nước điện phân Bắt đầu với nguồn tài nguyên tái tạo, FCV, thực tế, hiệu giai đoạn bơm tốt so với xe điện (EV), không cần chuyển đổi điện thành hydro Xem xét, thay vào đó, giai đoạn bơm từ bánh xe, FCV có hiệu suất thấp khoảng 50% so với EV, có hiệu suất cao gấp đôi so với xe ICE Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 67 KẾT LUẬN Với đề tài “ khảo sát động sử dụng pin nhiên liệu xe TOYOTA MIRAI 2016 ” em hoàn chỉnh số nội dung : • Tìm hiểu ngun lý, cấu trúc chi tiết pin nhiên liệu • Khảo sát số hệ thống, phận xe • Tính tốn pin nhiên liệu chuyển đổi DC-DC • Mặt lợi hạn chế ; xu phát triển xe ô tô sử dụng pin nhiên liệu Do thời gian gấp rút, điều kiện, trình độ hiểu biết khả tìm tịi cịn nhiều hạn chế nên đồ án dừng lại mức lí thuyết chưa kiểm nghiệm thực tế để ứng dụng Đồ án chưa hoàn thiện mức tối ưu nên không tránh khỏi sai lầm thiếu sót, đề tài có giá trị định làm tiền đề, tài liệu tham khảo cho đề tài sau hoàn thiện ứng dụng thực tế Trong trình nghiên cứu em nhận pin nhiên liệu tích cực nghiên cứu để sử dụng đơn vị lượng phân tán nguồn lượng mạnh Do tính hiệu cao thân thiện với môi trường, việc sử dụng sớm pin nhiên liệu làm nguồn lượng ứng dụng thực tế dự đoán Qua đề tài em ôn lại, bổ sung nhiều kiến thức chuyên ngành động đốt trong, giúp em nâng cao khả cơng nghệ thơng tin, cách tìm kiếm tài liệu, kĩ làm việc độc lập,…qua phục vụ cho cơng việc em sau Ngồi giúp em rút nhiều học lớn trình thực Đồ án Cuối em xin chân thành cảm ơn đến thầy cô giáo môn, đặc biệt thầy hướng dẫn Dương Việt Dũng tận tình hướng dẫn, tạo nguồn động lực cho em q trình hồn thành đồ án Em cảm ơn, Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Báo cáo phân tích xu hướng cơng nghệ Trung tâm thông tin khoa học công nghệ TP Hồ Chí Minh [2] CaraDonna, P.J.; Cunningham, J.L.; Iler, A.M Experimental warming in the field delays phenology and reduces body mass, fat content and survival: Implications for the persistence of a pollinator under climate change Funct Ecol 2018, 32, 2345– 2356 [CrossRef] [3] International Energy Agency Global EV Outlook 2018 Available online: https://www.iea.org/gevo2018/ (accessed on 19 January 2019) [4] J B Jia, Y T Cham, Y Wang, and Frank Lewis, “The Electrical Dynamic Response Study of PEMFC as a Backup Power Supply,” 2007 IEEE International Conference on Control and A [5] Lanusse, P., Oustaloup, A and Sabatier, J., “Step-By-Step Presentation of a 3rd Generation CRONE Controller Design With An Anti-Windup System”, ENOC2005, EUROMECH Nonlinear Oscillations Conference, Eindhoven, Netherlands, 2005 [6] Researchgate.net [7] Fumatech.com [8] D Amorndechaphon, S Premrudeepreechacharn, K Higuchi, and X.Roboam, “Modified grid-connected CSI for hybrid PV/wind power generation system,” Int J Photoenergy, vol 12, pp 1–12, Apr 2012 [9] M Sechilariu, B Wang, and F Locment, “Building integrated photovoltaic system with energy storage and smart grid communication,” IEEE Trans.Ind Electron., vol 60, no 4, pp 1607–1618, Apr 2013 Sinh viên thực hiện: Hồ Trọng Hiếu Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Dương Việt Dũng 69 ... Bộ pin nhiên liệu xe Toyota Mirai FCV : Bộ pin nhiên liệu PEM: Màng điện phân cực pin nhiên liệu EV : Xe điện ICE: Động đốt BEV: Xe điện chạy pin nhiên liệu xiii Khảo sát động sử dụng pin nhiên. .. thiệu xe ô tô Toyota Mirai 2016 12 Chương 2: KHẢO SÁT NGUỒN ĐỘNG LỰC TOYOTA MIRAI 2016 .14 2.1 Nguyên lý hoạt động loại pin nhiên liệu sử dụng xe 14 2.1.1 Cấu tạo pin nhiên liệu ... liệu Nhằm mang lại nhìn rõ cơng nghệ Toyota việc sản xuất xe ô tô sử dụng pin nhiên liệu Hydro, em làm đề tài “ Khảo sát động sử dụng pin nhiên liệu xe Toyota Mirai 2016 ’’ để giải số vấn đề Cuối