CHƯƠNG 4 NĂNG LƯỢNG MỚI SỬ DỤNG TRÊN ÔTÔ
4.8. Fuel cell (Pin nhiên liệu)
4.8.2. Cấu tạo chung và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu
4.8.2.1. Cấu tạo chung của pin nhiên liệu đơn giản.
Một pin nhiên liệu đơn giản gồm có hai điện cực là anode( là điện cực mà trên đó xảy ra q trình oxy hóa) và cathode( là điện cực mà trên đó xảy ra q trình khử). Giữa hai điện cực còn chứa chất điện phân ( electrolyte) dùng để vận chuyển các hạt ion từ điện cực này sang điện cực khác và chất xúc tác nhằm làm tăng tốc độ phản ứng.
111
Hình 4. 47: Cấu tạo của một pin nhiên liệu đơn giản
Hai cực được làm từ chất dẫn điện ( kim loại, carbon...). Nhiên liệu ( hydro hoặc các nhiên liệu giàu hydro) được cung cấp đến anode và oxy ( thường là oxy từ khơng khí) được cung cấp đến cathode. Các phản ứng tạo ra dòng điện xảy ra tại hai điện cực này.
Tùy thuộc vào từng loại pin nhiên liệu mà chất điện phân có thể ở thể rắn có thể ở thể lỏng hoặc có cấu trúc màng. Nó chỉ cho phép những ion thích hợp đi qua giữa anode và cathode của pin nhiên liệu chứ không cho các electron di chuyển qua nó.
Ngồi ra, để thúc đẩy các phản ứng hóa học xảy ra, người ta cịn bổ sung chất xúc tác vào giữa các điện cực và chất điện phân bằng nhiều cách khác nhau tùy theo từng loại pin nhiên liệu. Ở một số laoij pin nhiên liệu, chất xúc tác là vật liệu của điện cực, trong khi một số loại pin khác thì chất xúc tác là một chất khác được đặt tiếp xúc giữa các điện cực và lớp điện phân hoặc được phủ trực tiếp lên chất điện phân. Mặc dù chất xúc tác trong các loại pin nhiên liệu có thể khác nhau về vật liệu và cấu tạo, nhưng chúng đều có chung cơng dụng là thúc đẩy các phản ứng xảy ra ở các điện cực. Chất xúc tác có thể làm thay đổi trạng thái hóa học của các chất khác trong khi bản thân chúng không bị thay đổi. Chất xúc tác được dùng trong pin nhiên liệu là các kim loại quý như platin.
112
4.8.2.2. Nguyên lý hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu.
Hình 4. 48: Sơ đồ mơ tả nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu
Về phương diện hóa học tế bào nhiên liệu là phản ứng ngược lại của sự điện phân. Trong quá trình điện phân nước bị tách ra thành khí hiđrơ và khí ơxy nhờ vào năng lượng điện. Tế bào năng lượng lấy chính hai chất này biến đổi chúng thành nước. Qua đó, trên lý thuyết, chính phần năng lượng điện đã đưa vào sẽ được giải phóng nhưng thật ra vì những thất thốt qua các q trình hóa học và vật lý năng lượng thu được ít hơn. Các loại tế bào nhiên liệu đều cùng chung một nguyên tắc được mô tả dựa vào tế bào nhiên liệu PEM (Proton Exchange Membrane - tế bào nhiên liệu màng trao đổi bằng proton) như sau:
Ở bề mặt cực dương khí hiđrơ bị ơxy hóa bằng hóa điện: 2H2 → 4H+ + 4e-
Các điện tử được giải phóng đi từ cực dương qua mạch điện bên ngoài về cực âm. Các proton H+ di chuyển trong chất điện phân xuyên qua màng có khả năng chỉ cho proton đi qua về cực âm kết hợp với khí ơxy có sẵn trong khơng khí (nồng độ 21%) và các điện tử tạo thành nước:
113 O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
Tổng quát: 2H2 + O2 → 2H2O + điện năng + nhiệt năng
4.8.3. Ưu, nhược điểm của pin nhiên liệu.
• Ưu điểm:
- Hiệu suất cao.
- Dường như khơng có ơ nhiễm mơi trường.
- Động cơ điện sử dụng FC có hiệu suất cao, khơng có tiếng ồn, có đường đặt tính. tốt hơn so với động cơ đốt trong, ít bảo trì, bảo dưỡng, dễ sửa chữa.
- Hydro có thể được điều chế từ nước.
- So với bình điện (ắcquy) thì pin nhiên có khối lượng và thể tích nhỏ hơn.
• Nhược điểm:
- Chi phí đầu tư ban đầu cho ơ tơ FC rất cao.
- Hydro không tồn tại ở trạng thái đơn chất, điều chế, sản xuất Hydro rất khó khăn và tốn kém đơi khi nó dẫn đến ơ nhiễm mơi trường.
- Yêu cầu kỹ thuật bình chứa nhiên liệu rất khắt khe.
- Cơ sở hạ tầng cho Hydro chưa có, thói quen sử dụng Hydro cịn hạn chế.
4.8.4. Phân loại pin nhiên liệu.
Hiện nay, có rất nhiều kiểu pin nhiên liệu, sự khác nhau của chúng chủ yếu là ở chất điện phân, loại nhiên liệu mà chúng sử dụng, nhiệt độ vận hành của chúng...Tuy nhiên người ta thường dựa vào chất điện phân để phân loại cho chúng. Theo cách phân loại này, pin nhiên liệu hiện nay có 5 loại chính như sau:
- Pin nhiên liệu dùng màng polymer rắn làm chất điện giải (PEMFC): PEMFC sử
dụng màng polymer rắn làm chất điện giải nên giảm sự ăn mòn và dễ bảo dưỡng. Nhiệt độ hoạt động 50oC- 80oC. Loại pin này được sản xuất nhiều nhất để sử dụng cho các phương tiện vận tải vì cơng suất lớn, nhiệt độ vận hành thấp và ổn định. Tuy nhiên, sản phẩm tham gia phản ứng phải có độ tinh khiết cao.
114 - Pin nhiên liệu dùng axit phosphoric (PAFC): Loại pin nhiên liệu này dùng acid
phosphoric, có rất nhiều hứa hẹn sẽ thành công trong thị trường nhỏ như máy phát điện tư nhân. Loại này chỉ hoạt động với nhiệt độ 150oC- 200oC cao hơn PEMFC cho nên phải tốn nhiều thời gian hâm nóng. Vì vậy, nó sử dụng nhiều nhiên liệu hơn và khơng thể đưa vào thị trường xe ô tô.
- Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC): Năng suất SOFC tương đối cao, có thể sử dụng hơi
nước với sức ép cao nạp vào turbin sản xuất thêm điện năng. SOFC không bị nhiễm độc bởi CO do không sử dụng chất xúc tác Pt. Ở nhiệt độ cao, quá trình tách hydro ra khỏi nhiên liệu xảy ra dễ dàng. Yêu cầu về sự tinh khiết đối với nhiên liệu thấp. Loại pin nhiên liệu này rất thích hợp cho những công nghệ lớn như nhà máy phát điện. - Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC): Loại pin nhiên liệu này cũng giống như
SOFC, chỉ hoạt động ở nhiệt độ cao, khoảng 600oC – 650oC. MCFC thích hợp cho cơng nghệ lớn như nhà máy phát điện, sử dụng hơi nước để chạy turbin. Với tầm hoạt động trong nhiệt độ tương đối thấp, MCFC sử dụng ít chất liệu hóa học khác lạ và giá thiết kế thấp hơn SOFC.
- Pin nhiên liệu kiềm (AFC): Đây là loại pin nhiên liệu sử dụng chất điện giải là kiềm
được dùng trong chương trình Khơng Gian Hoa Kỳ (NASA) từ năm 1960. Năng suất của AFC sẽ bị ảnh hưởng rất nhiều nếu ô nhiễm. Do đó, AFC cần phải có hydro và oxy tinh khiết. Nhiệt độ hoạt động 60oC – 90oC. Ngoài ra, thiết kế loại pin này rất tốn kém cho nên không thể nào tung ra thị trường cạnh tranh với các loại pin nhiên liệu khác. Hiệu suất pin cao.
Ngoài các pin nhiên liệu chính trên, cịn có một loại pin nhiên liệu đang được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là trong các thiết bị nhỏ gọn như điện thoại di động, máy tính xách tay... đó là pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp, viết tắt là DMFC ( Direct methanol fuel cell). Loại pin này có cấu tạo tương tự như PEMFC và có thể được xem là một dạng đặc biệt của PEMFC , nhưng điểm khác biệt so với PEMFC thông thường là loại pin này sử dụng nhiên liệu methanol trực tiếp mà khơng cần chuyển hóa thành hydro từ bên ngồi.
115
4.8.5.1. Khái quát về ôtô pin nhiên liệu.
Gần đây, trên thị trường ô tô xuất hiện nhiều loại xe sử dụng năng lượng điện. Loại xe này sử dụng nguồn điện của accu để vận hành motor điện nhằm dẫn động các bánh xe. Ơtơ sử dụng năng lượng điện mang lại nhiều lợi ích và khơng gây ơ nhiễm và phát ra tiếng ồn thấp khi hoạt động. Tuy nhiên, một nhược điểm lớn của ô tô sử dụng năng lượng điện từ accu là phải được nạp lại điện cho accu sau một thời gian sử dụng.
Cũng giống như ô tô sử dụng nhiên liệu điện từ accu, ôtô pin nhiên liệu cũng dùng một motor điện để vận hành các bánh xe. Do đó cả hai loại ơ tơ này có thể được thiết kế với một đặc tính hoạt động giống nhau. Tuy nhiên, pin nhiên liệu trên ơtơ pin nhiên liệu phát ra dịng điện từ hydro hoặc các nhiên liệu giàu hydro, thời gian nạp nhiên liệu ít hơn so với thời gian nạp điện cho accu.
Hình 4. 49: Một ơ tơ sử dụng pin nhiên liệu của hãng Honda
Ơtơ pin nhiên liệu có phạm vi hoạt động (quãng đường chạy giữa hai lần tiếp nhiên liệu) dài hơn nhiều so với ô tô chạy bằng accu do sự giới hạn về dung lượng của accu (ơtơ chạy bằng accu có phạm vi hoạt động khoảng 80-160 km). Tuy nhiên cả hai loại ô tô này đều cần phải nâng cao khoảng cách quãng đường chạy để có thể so sánh được ơ tơ xăng và diesel (480- 640 km).
Một ưu điểm khác của ô tô chạy bằng pin nhiên liệu so với ô tô chạy bằng accu là hệ thống phân phối nhiên liệu lỏng dễ dàng được thiết lập nhờ vào các trạm xăng hiện nay. Các trạm
116 xăng hiện nay có thể chuyển đổi sang nhiên liệu giàu hydro cung cấp cho pin nhiên liệu, trong khi đó, các trạm nạp điện cho accu phải xây dựng từ đầu khi chạy ô tô điện.
Việc sử dung pin nhiên liệu để tạo ra dòng điện cung cấp cho động cơ điện trên ô tô là một bước phát triển mới cho công nghệ ô tô điện. Tuy nhiên, nếu ô tô chỉ trang bị pin nhiên liệu một cách đơn độc thì nó có những nhược điểm như cồng kềnh, thời gian khởi động dài, khả năng tăng tốc kém…. Vì vậy, hiện nay loại ơ tơ này đều sử dụng cơng nghệ lai hóa giữa hai nguồn năng lượng.
Sự lai hệ thống pin nhiên liệu với một nguồn năng lượng khác được xem là một cách có hiệu quả trong việc khắc phục những bất lợi của những xe chỉ trang bị duy nhất pin nhiên liệu. Thông thường người ta thường sử dụng accu hoặc siêu tụ điện để kết hợp với pin nhiên liệu để làm nguồn năng lượng cho ơ tơ. Cấu hình này cho phép tận dụng những ưu điểm của hai nguồn năng lượng ít gây ơ nhiễm mơi trường này.
Hình 4. 50: Sơ đồ bố trí các bộ phận trên một ơ tơ pin nhiên liệu điển hình
Accu và siêu tụ dùng trong loại ô tô này được gọi chung là nguồn công suất cực đại (peaking power source , viết tắt PPS ) vì chắc năng chính của chúng là hỗ trợ khi ô tô cần đạt công suất cực đại. Nguồn công suất cực đại dùng để hỗ trợ pin nhiên liệu khi xe khởi động hoặc khi tăng tốc. Trong một số trường hợp, nguồn công suất cực đại cũng có thể tự vận hành xe và lúc này pin nhiên liệu sẽ đóng vai trị là một máy sạc điện cho nguồn công suất cực đại.
117
4.8.5.2. Phân loại ơ tơ pin nhiên liệu.
Hiện nay có nhiều cách phân loại ô tô pin nhiên liệu, nhưng chủ yếu là phân loại theo nhiên liệu cung cấp cho pin nhiên liệu. Theo cách phân loại này, ơ tơ pin nhiên liệu có hai loại: ơ tơ pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu thứ cấp và ô tơ pin nhiên liệu sử dụng hydro trực tiếp.
• Ơ tơ pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu thứ cấp: Trong loại này, nhiên liệu thứ cấp
được hệ thống biến đổi trong xe biến đổi thành hydro, sau đó hydro được đưa đến các điện cực của pin nhiên liệu. Sử dụng nhiên liệu hydrocacbon có ưu điểm là ơ tơ có thể sử dụng các trạm nhiên liệu hiện có, nhưng nhược điểm là nó địi hỏi phải phát triển một hệ thống tinh chế nhỏ gọn, hiệu suất cao và có thể xử lý nhiên liệu hydrocacbon ngay trên xe. Điều này làm tăng tính phức tạp và chi phí chế tạo cũng tăng theo. • Ơ tơ pin nhiên liệu sử dụng hydro trực tiếp: Trong loại này, ô tô sử dụng hydro được
cung cấp trực tiếp cho pin nhiên liệu mà khơng thơng qua bộ chuyển đổi nhiên liệu. Ơ tơ pin nhiên liệu được cung cấp nhiên liệu hydro trực tiếp cần phải có những trạm nạp nhiên liệu hydro đặc biệt thay cho các trạm nhiên liệu truyền thống. Ngồi ra, chúng cịn cần những kỹ thuật nhằm dự trữ một lượng lớn hydro trên xe để có thể chạy được những quãng đường dài.
4.8.5.3. Giới thiệu một số ô tô pin nhiên liệu. Ơ tơ pin nhiên liệu của General Motors (GM). Ơ tơ pin nhiên liệu của General Motors (GM).
Từ 1964, GM đã xây dựng chương trình phát triển xe điện với mục điện tìm kiếm và phát triển hệ thống truyền động như: motor và bộ điều khiển của nó, nguồn cơng suất….Một trong những nguồn công suất được lựa chọn là pin nhiên liệu. Và vào năm 1966, GM đã cho ra đời chiếc xe pin nhiên liệu đầu tiên, chiếc Electrovan.
118
Hình 4. 51: Chiếc Electrovan – Chiếc xe pin nhiên liệu đầu tiên của GM
Vào tháng 6 năm 2000, General Motors đã cho ra đời chiếc HydroGen1, pin nhiên liệu PEM có cơng suất 75kW với 200 pin nhiên liệu đơn, sử dụng nhiên liệu hydro lỏng, motor điện xoay chiều có cơng suất tối đa 60 kW, tốc độ tối đa của xe là 140km/h, phạm vi hoạt động khoảng 400 km. Xe có trọng lượng 1575 kg, thời gian tăng tốc từ 0 đến 100 km/h là 16 giây. Kích thước của xe là 4317 mm (dài) x 1742 mm (rộng) x 1684 mm (cao).
119 Đến năm 2001, General Motors đã cải tiến chiếc HydroGen1 thành chiếc HydroGen3 bằng pin nhiên liệu PEM 94 kW. Hiện nay GM có các ơ tơ pin nhiên liệu nổi tiếng như HydroGen4(2007), Provoq (năm 2008), Equinox FCEV ( năm 2006), Sequel ( năm 2005)……
4.9. Tình hình sử dụng hiện tại và xu hướng phát triển trong tương lai của việc sử dụng nhiên liệu mới trên ô tô. nhiên liệu mới trên ơ tơ.
4.9.1. Tình hình sử dụng hiện tại.
Hiện nay, các loại nhiên liệu sạch hay năng lượng tái tạo đem lại nhiều lợi ích trong việc bảo vệ mơi trường và tiết kiệm chi phí. Các hãng xe tập trung để sản xuất hàng loạt các dòng xe điện phát triển rất mạnh mẽ, dòng xe điện phát triển và thành cơng nhất đó là dịng xe tesla. Khi Tesla xuất hiện, mọi thứ bắt đầu thay đổi, cả ngành công nghiệp ôtô thức tỉnh để bước vào cuộc đua xe điện, và cũng để thích ứng dần cho kỷ ngun khơng nhiên liệu hóa thạch. Gần đây, Mercedes dự kiến sẽ ra mắt mẫu EQS vào năm 2021, một chiếc limousine bốn cửa được chế tạo dựa trên nền tảng xe điện chuyên dụng, với phạm vi hoạt động 700km. Một phiên bản mới của Mercedes S-Class, có hệ thống truyền động đốt trong và hybrid, cùng với hệ thống hỗ trợ lái bán tự động, sẽ được ra mắt trong năm nay. Tương lai của xe hơi gần như đã được định đoạt bởi sự phát triển của xe điện. Loại trừ những hãng xe có quy mơ q nhỏ, tất cả các hãng xe truyền thống đều bước vào cuộc đua "không phát thải" cho những thập kỷ sắp tới. Nếu một ngày trong tương lai các thành phố khơng cịn nhiều khói bụi, người ta sẽ ln nhắc về những cơng ty tiên phong, trong đó có Tesla.
Bên cạnh sự phát triển của xe điện, còn một loại nhiên liệu cũng đem lại hiệu quả vơ cùng to lớn là nhiên liệu khí hydro. Ơ tô chạy bằng hydro sẽ là thách thức với ô tô chạy điện trong cuộc đua giao thơng xanh. Các tập đồn ơ tơ lớn trên thế giới đang đầu tư lớn cho chương trình phát triển xe chạy hydro và cho biết, tương lai của sản phẩm này rất sáng sủa.
120
Hình 4. 53: Nạp nhiên liệu khí Hydro
Để ơ tơ sử dụng hydro vận hành, phải có pin nhiên liệu. Pin nhiên liệu hay cịn gọi là tế bào nhiên liệu (fuel cell), giúp biến đổi hydro thành năng lượng điện, để vận hành xe. Với cơng nghệ này, hydro sẽ được bơm vào bình chứa trên ô tô và truyền vào cụm pin nhiên liệu, kết hợp với oxy, tạo thành phản ứng hóa học giúp tạo ra năng lượng.
Nếu như pin hay ắc quy truyền thống phải nạp điện và điện sẽ hết dần khi sử dụng, thì pin nhiên liệu khơng có khả năng tích điện và hết điện. Nó sẽ hoạt động liên tục khi nhiên liệu (hydro) và chất ơxi hóa (oxy) được đưa từ ngồi vào. Tức là, pin nhiêu liệu có thể liên tục sản