2.3.4.1. Nguyên lý
Các tính năng chung của SOWE (solid-oxide water electrolysis) được minh họa trong Hình 2.8. Gốm dẫn ion oxit được sử dụng làm chất điện phân rắn và chất tách phân tử.
Các phân tử nước bị khử ở cathode:
2H2O + 2e- → H2 + O2-
Các ion oxi tạo thành O2 di chuyển đến anode, tại đây oxi tạo ra như sau: 2O2- - 2e- → O2
Hình 2.8. Sơ đồ điện phân oxit rắn.
Các phần tử điện phân oxit rắn như vậy thường hoạt động trong phạm vi nhiệt độ 800 – 1000oC. Chất điện phân phổ biến nhất (như trong công nghệ solid-oxide fuel cell (SOFC)) là zirconia ZrO2 được ổn định với các oxit yttri và scandium.
Sự vận chuyển của các ion oxit qua zirconia là một quá trình khuếch tán khắp các lỗ trống của cấu trúc tinh thể. Điện trở suất của chất điện ly rắn lớn hơn điện trở của dung dịch kiềm và màng trao đổi ion (≈30 Ohm.cm ngay cả ở 900-10000C, Bảng 2.3). Vì vậy,
29 cần có màng gốm mỏng (30 - 150 mm) cho quá trình điện phân để giảm tổn thất do điện trở suất gây ra nhiều nhất có thể.
Bảng 2.3. Độ dẫn ion của một số chất điện phân rắn ở nhiệt độ khác nhau
Chất điện phân Độ dẫn nhiệt (Ohm/cm)
8800C 6500C 5000C (Bi2O3)0.8(SrO)0.2 (Bi2O3)0.8(BaO)0.2 (Bi2O3)0.75(Y2O3)0.25 (Bi2O3)0.65(Gd2O3)0.35 (Bi2O3)0.85(Nb2O5)0.15 (Bi2O3)0.80(Ta2O5)0.20 (Bi2O3)0.78(MoO3)0.22 (Bi2O3)0.78(WO3)0.22 (ZrO2)0.91(Y2O3)0.09 2.7 x 10-1 - 3.5 x 10-1 2.6 x 10-1 5.0 x 10-1 7.3 x 10-1 1.1 x 10-1 1.5 x 10-1 2.0 x 10-1 5.0 x 10-2 7.0 x 10-1 1.1 x 10-1 5.6 x 10-2 1.1 x 10-1 1.0 x 10-2 1.7 x 10-2 4.1 x 10-2 3.8 x 10-3 6.0 x 10-3 1.1 x 10-2 1.3 x 10-2 3.5 x 10-3 1.1 x 10-2 5.0 x 10-3 2.6 x 10-3 1.0 x 10-3 4.6 x 10-4 2.3.4.2. Thành phần điện phân
Trong công nghệ thông thường, các thành phần chính của công nghệ SOWE là các tấm lưỡng cực bằng thép không gỉ và zirconia ổn định phủ mangan làm chất điện phân rắn (Hình 2.9).
Hình 2.9. Ảnh chụp các tấm lưỡng cực và MEA được sử dụng trong Công nghệ điện phân SOFC
30
2.3.4.3. Khả năng điện phân
Máy điện phân nước nhiệt độ cao sử dụng chất điện phân oxyt rắn được phát triển thành công vào những năm 1980 tại Viện Điện hóa nhiệt độ cao thuộc Chi nhánh Ural của Viện Hàn lâm Khoa học Nga. Cân bằng nhiệt trong quá trình điện phân được phân tích cụ thể hơn để xác định các điều kiện mà tế bào điện phân không trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh. Khi phần tử điện phân được thực hiện ở nhiệt độ không đổi, người ta thấy rằng hoạt động ở mật độ dòng điện thấp (tương ứng với điện áp của phân tử nhỏ hơn 1,29V) mà không có nguồn nhiệt bên ngoài dẫn đến giảm nhiệt độ đáng kể bên trong ngăn xếp. Sự chênh lệch nhiệt độ tối đa giữa phân tử và môi trường được tìm thấy là khoảng 20oC với mật độ dòng điện 0,3 A / cm2. Khi tăng mật độ dòng điện hoạt động, sự chênh lệch nhiệt độ giảm dần và ở 0,6 A / cm2 nhiệt độ của bình điện phân trở nên tương tự như nhiệt độ của môi trường.
Những kết quả này đã chứng minh rằng tiêu thụ năng lượng của phản ứng tách nước được thực hiện ở nhiệt độ cao cần ít điện hơn so với quá trình điện phân ở nhiệt độ thấp và nhu cầu năng lượng còn lại có thể được cung cấp bằng cách cung cấp thêm nhiệt.
Hình 2.10. Đường cong phân cực được đo trên công nghệ điện phân SOFC 5x5 cm2. 2.3.4.4. Hạn chế và những tiến bộ gần đây
Các thành phần bình điện phân trong máy điện phân SOWE (Solid-Oxid Water Electrolysis) tương tự như các thành phần được sử dụng trong công nghệ SOFC (Solid- Oxid Fuel Cell). Tuy nhiên, mặc dù các bình điện phân oxit rắn có thể được vận hành ở chế độ pin nhiên liệu hoặc điện phân, hoạt động ở chế độ điện phân tạo thêm một số
31 thách thức cụ thể cho vật liệu. Nhất là vấn đề ăn mòn (đặc biệt là ở cực dương trong quá trình tạo thành oxi) do nhiệt độ hoạt động cao là rất quan trọng.
Môi trường ăn mòn cao trong bình điện phân và các hạn chế về cơ và nhiệt là nguyên nhân gây ra hầu hết các tổn thất. Hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn (xuống khoảng 700 - 8000C) được cho là sẽ giải quyết được vấn đề. Tuy nhiên, ở nhiệt độ “thấp” như vậy, độ dẫn ion của chất dẫn ion oxit tốt nhất (ví dụ như ZrO2 ổn định bằng yttrium) trở nên không đủ. Một số zirconi pha tạp chất scandia và một số niken đã được đề xuất thay thế nhưng cần có vật liệu rắn mới. Cuối cùng, cần đề cập rằng một phần mở rộng đáng quan tâm của quá trình điện phân hơi nước là đồng điện phân hơi nước và khí cacbonic. Nó có thể được sử dụng để giảm lượng hơi nước trong khí cấp và giảm phần nào các vấn đề ăn mòn. Ngoài ra, nó có thể cải thiện hiệu quả của quá trình và dẫn đến sự hình thành khí tổng hợp có giá trị (H2 & CO).
32
CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH HỆ THỐNG 3.1. Mô hình ứng dụng phụ nhiên liệu HHO
Tổng quan hệ thống: Mô hình cung cấp phụ nhiên liệu HHO cho động cơ phun xăng điện tử sử dụng ECM được thiết kế ngõ nạp của hydro theo phương vuông góc với đường ống nạp phía trước cánh bướm ga nhằm mục đích nâng cao hiệu suất nhiệt của động cơ. Nhiên liệu hydro được piston hút vào động cơ dựa trên sự chênh lệch áp suất phía đường ống nạp khí hydro. Cần lưu ý vấn đề an toàn khi sản xuất và lưu trữ hydro nên trong mô hình này không dùng bình lưu trữ hydro mà toàn bộ lượng HHO sinh ra được đưa hết vào động cơ trước cánh bướm ga tại mọi điều kiện công tác.
Ưu nhược điểm:
- Ưu điểm chính của mô hình này là tính đơn giản, thiết kế dựa trên hệ thống nhiên liệu sử dụng phun xăng điện tử có sẵn trên động cơ. Van điều khiển nhiên liệu dễ dàng cài đặt ở những độ mở cố định để xác định trước các tỉ lệ của lưu lượng hydro. - Nhược điểm là khả năng hòa trộn của hydro với không khí không tốt do chỉ dựa trên sự chênh lệch áp suất. Phải thiết kế và gắn lên xe máy nên bộ điện phân có thể gây cồng kềnh.
Cấu trúc hệ thống: Hỗn hợp khí HHO sau khi được sinh ra từ bộ điện phân được kiểm soát bởi mạch cảm biến áp suất MPS20N0040D, sau đó sẽ đi qua bộ lọc tách hơi nước và đi vào trong đường ống nạp theo phương vuông góc trước cánh bướm ga. Lượng khí HHO được thay đổi dựa trên tốc độ động cơ bằng cách sử dụng mạch điều khiển Arduino nhằm đảm bảo động cơ hoạt động ổn định trong mọi điều kiện.
Mô hình thiết kế trên động cơ xe gắn máy. Dung tích xi lanh 124,9 cm3, Tỷ số nén 9,3 : 1, Công suất tối đa 7,11 kW/7500 vòng/phút, Mô men cực đại 10,06 N.m/5500 vòng/phút.
33
Hình 3.1. Mô hình thiết kế hệ thống phụ nhiên liệu vào động cơ xe gắn máy. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.2. Tính toán lưu lượng HHO cần thiết trên động cơ xe gắn máy
Thông lượng điện Q theo thời gian t với dòng điện Itb là:
Q = Itb * t (3.1) Khối lượng HHO thu được theo định luật Faraday với hiệu suất ηf trong một khoảng thời gian t với dòng điện Itblà:
mHHO = ηf.M.Q
𝐹.𝑧 (3.2) Trong đó: mHHO là khối lượng HHO sinh ra
ηf là hiệu suất điện phân (ηf = 50 ÷ 60%)
Lưu lượng HHO được kiểm soát bởi thiết bị cảm biến áp suất. Vì bản thân nước nguyên chất không thể điện ly nên phản ứng xảy ra cần phải pha thêm chất xúc tác. Ba hóa chất có thể sử dụng là: NaOH, KOH, NaHCO3.
Lưu lượng nhiên liệu cấp vào động cơ là tổng hợp từ xăng và HHO. Do đó lưu lượng nhiên liệu được viết:
mf = mg + mHHO (3.3) Trong đó: mg và mHHO được thiết lập ở (2.7) và (2.8)
34 𝑚̇𝑓 = [(𝑛 60.𝐷 2. 𝜂𝑣) − 𝑚̇𝐸𝐺𝑅] 𝑑0. 𝑝 𝑝0.𝑇0 𝑇 . (𝐴𝐹𝑅)𝑑𝑚 Đối với động cơ không trang bị hệ thống luân hồi khí thải:
𝑚̇𝑓 = [(𝑛
60.𝐷
2. 𝜂𝑣)] 𝑑0. 𝑝
𝑝0.𝑇0
𝑇 . (𝐴𝐹𝑅)𝑑𝑚
Xét trường hợp khi xe được vận hành trên đường, công suất động cơ được xác định bởi tín hiệu tay ga của lái xe. Với động cơ trang bị hệ thống phụ nhiên liệu HHO, công suất của động cơ là công suất tổng hợp từ việc đốt cháy hai thành phần nhiên liệu là HHO và xăng:
P = Pcg + PcHHO (3.4) Trong đó: P là công suất động cơ, Pcg là công suất riêng phần của xăng,
PcHHO là công suất riêng phần của HHO. Ta có công suất riêng phần của xăng và HHO như sau:
Wcg = 𝜂g.mg.QLHVg (3.5) WcHHO = 𝜂HHO.mHHO. 𝑄𝐿𝐻𝑉𝐻𝐻𝑂 (3.6) Trong đó: Wcg là công riêng phần của xăng, ηg là hiệu suất biến đổi nhiên liệu của xăng, mg là khối lượng nhiên liệu xăng, QLHV là nhiệt trị thấp của xăng, WcHHO là công riêng phần của HHO, mHHO là khối lượng của HHO, ηHHO là hiệu suất biến đổi nhiên liệu của HHO, QLHV là nhiệt trị thấp của HHO.
Công riêng của xăng:
Wcg/m = 𝜂g.QLHV (3.7) Công riêng của HHO:
WcHHO/m = 𝜂HHO.𝑄𝐿𝐻𝑉𝐻𝐻𝑂 (3.8) Đặt k là tỉ số giữa công riêng của HHO với công riêng của xăng, ta có:
k = ηHHO.QLHVHHO
35 Vì quá trình cháy diễn ra đồng thời cùng các điều kiện cháy nên có thể xem hiệu suất của quá trình cháy xăng và HHO là như nhau ηg = ηHHO = ηf và gọi là hiệu suất cháy. Do đó, k cũng có thể gọi là tỉ số giữa nhiệt trị thấp của HHO và xăng.
Ta có: k = 𝑄𝐿𝐻𝑉𝐻𝐻𝑂
𝑄𝐿𝐻𝑉𝑔 (3.10) Dựa vào Bảng 2.1 ta có:
k = 120,9
44,79 ≈ 2,7 (3.11) Biểu thức trên được hiểu là công sinh ra trên một đơn vị khối lượng HHO bằng k
lần công sinh ra trên một đơn vị khối lượng của xăng. Công tổng hợp của hai thành phần là:
P = ηg.mg.𝑄𝐿𝐻𝑉𝑔 + ηHHO.mHHO.𝑄𝐿𝐻𝑉𝐻𝐻𝑂 (3.12) Tham khảo (3.10), ta có: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
P = ηg.𝑄𝐿𝐻𝑉𝑔 .(mg + k.mHHO) (3.13) Phương trình trên công suất động cơ được tính toán trên nhiệt trị thấp của xăng, lưu lượng khối lượng xăng và lưu lượng khối lượng HHO với hệ số qui đổi k.
Trong đó về mặt điều khiển động cơ, công suất động cơ P được xem là công suất yêu cầu Pdm của chân ga do lái xe điều khiển (P = Pdm). Hệ thống nhiên liệu cần đáp ứng yêu cầu công suất của lái xe. Để đáp ứng yêu cầu công suất, hệ thống cần xác định các biến số mg và mHHO. Kết hợp (2.7) và (3.2) vào (3.13) ta có được: Pdm = ηg.𝑄𝐿𝐻𝑉𝑔.[ 𝑚𝑎 (𝐴𝐹𝑅)𝑑𝑚+ 𝑘 ηf.M.Itb.t 𝐹.𝑧 ] (3.14) Tham khảo (2.4) và (2.5), ta có: Pdm = {[( 𝑛 60.𝐷2.𝜂𝑣)−𝑚̇𝐸𝐺𝑅]𝑑0.𝑝 𝑝0. 𝑇0 𝑇 (𝐴𝐹𝑅)𝑑𝑚 + 𝑘 ηf.M.Itb.t 𝐹.𝑧 } (3.15) Khối lượng HHO theo công thức hóa học: mHHO = nHHO.MHHO
36 Mà theo định luật Faraday: mHHO = nHHO.MHHO = ηf.Itb.t
𝐹.𝑧 .MHHO Nên: mHHO= (Pdm - 𝑛 60.𝐷2.𝜂𝑣.𝑑0.𝑝 𝑝0. 𝑇0 𝑇 𝐴𝐹𝑅𝑑𝑚 ) / k (3.16) Do đó: mHHO max= (Pdmmax -
𝑛𝑚𝑎𝑥 60 .𝐷2.𝜂𝑣.𝑑0.𝑝 𝑝0. 𝑇0 𝑇 𝐴𝐹𝑅𝑑𝑚 ) / k (3.17) 3.3. Hệ thống điều chế HHO
Như đã đề cập ở Chương 2 về các công nghệ điện phân nước như điện phân công nghệ màng lọc proton PEM, điện phân nước nhiệt độ cao… Tuy nhiên so về tính kinh tế và tính khả thi thì ta chọn phương án điều chế HHO bằng thiết bị điện phân trong dung dịch kiềm. Thiết bị này gồm nhiều tấm thép không gỉ (loại 304 hoặc 302 cho cực âm và 316L cho cực dương) được lắp ghép xen kẽ nhau. Thiết bị này không có màng ngăn và thu trực tiếp HHO nên rất nguy hiểm, do đó chúng được ngăn cách nhau bởi các tấm mica độ dày 4mm đảm bảo khoảng cách an toàn tránh bị chập vào nhau phát sinh tia lửa điện. Các tấm kim loại này được nối với các điện cực được lấy nguồn điện từ ắc quy bên ngoài thông qua bộ xử lí tín hiệu được điều khiển bằng Arduino. Ngoài ra, thiết bị sử dụng chất điện ly Soda Baking (NaHCO3) thay thế cho các dung dịch điện phân kiềm thường có tính ăn mòn cao. Dung dịch điện ly thường được sử dụng với nồng độ dung dịch điện phân lên đến 40% trọng lượng nước để cung cấp độ dẫn điện tối đa và nhiệt độ lên đến 900C. Sau đây sẽ là những cấu tạo và nguyên lý cụ thể của các bộ phận trong hệ thống điều chế HHO.
3.3.1. Cấu tạo hệ thống
Cấu tạo bộ điện phân bao gồm các tấm inox 9x10cm, các ty ren để liên kết các tấm inox và dẫn điện, các miếng nhựa cách điện giữa 2 tấm cực. Tất cả tạo thành một khối và được để trong vỏ nhựa ngâm dung dịch điện phân như mô tả trong Hình 3.2.
Các tấm thép được ngâm trong bình chứa chất điện phân nhận điện áp. Ở tấm nhận điện tích dương, xuất hiện các lỗ trống ở bề mặt và ái lực với các electron trong phân tử nước, đồng thời ở các tấm nhận điện tích âm các electron tự do ở bề mặt tấm và có xu hướng được hút bởi các ion H+, do đó ở cực dương có khả năng phân tách phân tử nước
37 để nhận electron và xảy ra phản ứng oxy hóa, cực âm giải phóng các electron tự do kết hợp với H+ để tạo thành phản ứng khử:
Cực âm cathode:
2H2O + 2e- → H2 + 2OH− Cực dương anode:
2H2O → O2 + 4H+ + 4e-
Hình 3.2. Cấu tạo bộ điện phân.
Bộ điện phân HHO bao gồm bình chứa để nạp chất điện phân, các tấm inox mang điện cực có nhiệm vụ trao đổi điện tích và tạo khí. Bộ điện phân được áp một dòng điện cực để phân tách phân tử nước. Khí O2 được tạo ra ở cực dương cathode và H2 ở cực âm anode. Sự chuyển động tự do của các ion dẫn đến các hợp chất ion dẫn điện. Các ion có thể di chuyển trong dung dịch nước (sau khi tan trong nước) hoặc ở trạng thái lỏng (sau khi tan chảy). Chất bị hoà tan gọi là chất điện li. Nguồn acquy 12VDC và 60 Ah đã cung cấp dòng điện qua cực dương và cực âm. PWM (Bộ điều biến độ rộng xung) được sử dụng làm bộ đồng bộ hóa dòng điện. Bộ điện phân được bơm đầy nước, khi đặt điện áp xen kẻ vào các tấm điện cực, phân tách nước thành hỗn hợp khí HHO và nước cấp vào hệ thống tuần hoàn qua hệ thống qua van đầu vào và van đầu ra được nối với bình nước phụ. Khí HHO sinh ra được kiểm soát áp suất bởi cảm biến áp suất trong bình. Khí HHO thoát
38 ra cùng với hơi nước đi vào bình nước phụ, hoạt động như một kho chứa khí và lọc hơi ẩm. Bộ điện phân HHO được trang bị dòng điện và điện áp đi qua bộ tạo xung được điều khiển dựa trên tín hiệu của tốc độ động cơ và tín hiệu áp suất HHO để đạt được hiệu quả tối ưu. Máy phát HHO được trang bị một đồng hồ đo để đo tốc độ thể tích của đơn vị khí HHO theo thời gian.
3.3.2. Tính toán lượng HHO
Ta thay các thông số của động cơ Honda Future 125 theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất vào công thức (3.17) ta được khối lượng tối đa HHO cần sản xuất với giá trị tham khảo như sau:
mHHOmax = (7,11 – 7500 𝑣/𝑝 60 .124,9 𝑐𝑚32 .𝜂𝑣.𝑑0.𝑝 𝑝0. 𝑇0 𝑇 𝐴𝐹𝑅𝑑𝑚 )/𝑘 (3.18) Trên mỗi động cơ thực tế sẽ có những thông số khác nhau, do đó khối lượng HHO tính được chỉ mang tính tham khảo. `
Xem chất khí ở điều kiện tiêu chuẩn, thể tích khí HHO cần tạo ra tối đa là: VmaxHHO = 𝑚𝐻𝐻𝑂𝑚𝑎𝑥
𝑀𝐻𝐻𝑂 . 22,4 (3.19)
Trong đó MHHO là khối lượng mol của khí HHO: MHHO = 18 g/mol.
Để đảm bảo lượng HHO cần thiết cho động cơ ở mọi tốc độ thì lượng HHO sinh ra tối thiểu phải đáp ứng được đủ công suất cho xe có thể hoạt động ở chế độ cầm chừng. Từ công thức (3.15) ta có thể suy ra:
Pcầm chừng = kη𝑓.𝑀.𝐼𝑡𝑏.𝑡
𝐹.𝑧 = k.mHHO min (3.20) Vì thực tế rất khó để xác định công suất ở tốc độc cầm chừng. Ta dựa vào đồ thị