Sinh viên thực hiện: Lê Văn Nguyên Người hướng dẫn: ThS.GVC Nguyễn Lê Châu Thành Lê Văn Thuận
Trương Nguyễn Hoàng Long 28
được cung cấp thơng qua hai điện cực (hình 1.7) [28]. Vì thế O2 tập trung quanh điện cực dương và phản ứng với kim loại gây ăn mòn điện cực. Mặt khác, khả năng tản nhiệt trong trường hợp bình kiểu ướt thấp nên làm tăng nhiệt độ trong quá trình hoạt động làm nước bốc hơi ảnh hưởng đến chất lượng HHO [30]. Vì những hạn chế này của bình sinh khí kiểu ướt, bình sinh khí kiểu khơ ngày càng được ưu chuộng hơn [29].
1.6.2. Bình sinh khí kiểu khơ
Trong bình sinh khí HHO kiểu khơ, điểm nối điện với điện cực được cách ly với vùng chứa dung dịch như (hình 1.8). Bình sinh khí gồm các bản cực được cách nhau bởi các đệm cách điện và kín nước. Khơng gian giữa các bản cực chứa chất điện phân và HHO. Khi cung cấp điện, các bản cực trung gian tích điện vì thế q trình điện phân diễn ra trong không gian
giữa các bản cực. Chất điện phân được chứa trong bình và nối thơng với bình sinh khí. HHO sinh ra được chuyển lại về bình chứa dung dịch. Dung dịch lưu thông dưới tác dụng của trọng lực. Khi bình chứa dung dịch điền đầy khí HHO, dung dịch chuyển động được tăng cường nhờ áp suất khí. Bình sinh khí HHO kiểu khơ có lượng nhiệt sinh ra thấp hơn bình kiểu ướt. Mặt khác do dung dịch dịch chuyển nên tản nhiệt nhanh hơn giúp cho nhiệt độ của hệ thống thấp. Tổng thể mà nói, hiệu suất của bình sinh khí kiểu khơ cao hơn bình sinh khí kiểu ướt. Mặt khác so với bình sinh khí kiểu ướt, bình sinh khí kiểu khơ ít tốn kém trong bảo trì hơn, ít tổn thất nhiệt, điểm tiếp xúc điện với điện cực không bị ăn mịn, kích thước nhỏ gọn, dễ bố trí trên thiết bị vận chuyển.
1.7. Tổng kết chƣơng 1
Trên cơ sở phần nội dung đã trình bày ở trên, có thể rút ra một số kết luận tóm tắt chương 1 như sau:
1. Nhiên liệu hydro có năng lượng cháy cao, dễ tạo hỗn hợp cháy và có các tính chất cháy rất thích hợp cho động cơ đốt trong, giúp tăng hiệu suất và giảm phát thải
Sinh viên thực hiện: Lê Văn Nguyên Người hướng dẫn: ThS.GVC Nguyễn Lê Châu Thành Lê Văn Thuận
Trương Nguyễn Hoàng Long 29
cho động cơ. Tuy nhiên, vì hydro là chất khí có tỷ trọng và mật độ năng lượng rất thấp nên gây khó khăn cho việc tích trữ, vận chuyển và cung cấp khối lượng lớn cho động cơ. Chính vì vậy, việc nghiên cứu tạo ra khí giàu hydro ngay trên xe và bổ sung hydro làm một phần nhiên liệu như một nhiên liệu xúc tác cùng với nhiên liệu lỏng đang dùng (xăng và dầu diesel) để tăng tốc độ cháy, giúp cháy kiệt để nâng cao hiệu suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải cho động cơ mang ý nghĩa khoa học.
2. Việc sản xuất hydro ngay trên xe theo phương pháp điện phân nước là một một biện pháp thích hợp, dễ lắp đặt trên xe. Chính vì vậy, nội dung đồ án này sẽ tập trung nghiên cứu phương pháp tạo khí giàu hydro trên động cơ bằng phương pháp điện phân nước tạo khí HHO làm chất xúc tác cho động cơ xe gắn máy Lead 110cc, góp phần nâng cao năng suất, giảm phát thải.
Sinh viên thực hiện: Lê Văn Nguyên Người hướng dẫn: ThS.GVC Nguyễn Lê Châu Thành Lê Văn Thuận
Trương Nguyễn Hoàng Long 30
Chƣơng 2: TÌM HIỂU TÍNH CHẤT KHÍ HYDROGEN
VÀ SỰ TẠO KHÍ HHO CUNG CẤP CHO XE GẮN MÁY LEAD 110CC
2.1. Hydrogen-nhiên liệu bền vững tương lai
Chúng ta không thể phủ nhận vai trị quan trọng của nhiên liệu hóa thạch trong việc thúc đẩy xã hội lồi người phát triển như ngày hơm nay. Tuy nhiên việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch để lại những vấn đề nhức nhối về ô nhiễm môi trường, biến đổi khí hậu cùng với sự nóng lên của trái đất. Nhiên liệu hóa thành là tài nguyên hữu hạn không thể tái tạo, nền kinh tế dựa vào nhiên liệu hóa thành khiến các nước khơng có nhiều tài nguyên sẽ phụ thuộc vào các nước có nguồn dầu dồi dào, từ đó dẫn đến những bất ổn về kinh tế và chính trị khác.
Trước bối cảnh đó, khái niệm về một nền kinh tế dựa trên nguồn năng lượng sạch, dồi dào phục vụ mục tiêu phát triển bền vững của nhân loại đà xuất hiện như một giải pháp đầy tiềm năng. “Nền kinh tế hydro” là một hệ thống lưu trữ, phân phối và sử dụng năng lượng dựa trên nhiên liệu chính hydrogen. Thuật ngữ này được tập đoàn General Motors đặt ra năm vào 1970. Nền kinh tế hydrogen hứa hẹn đẩy lùi tất cả những vấn đề do nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch đã gây ra.
Hydrogen là nguyên tố phổ biến nhất, cấu thành đến 90% vật chất của vũ trụ (75% theo trọng lượng). Mặt Trời, hầu hết các ngôi sao và một số hành tinh như Jupiter (sao Mộc - hành tinh lớn nhất Thái Dương hệ) được tạo nên chủ yếu bởi hydrogen.
Hydrogen là nhiên liệu sạch, không gây ô nhiễm môi trường. Quá trình điện phân nước tạo hydrogen khơng hề tạo nên khí nhà kính nào. Đó là một q trình lý tưởng và hoàn hảo – điện phân hydrogen từ nước, hydrogen lại tái kết hợp với oxygen để tạo ra nước và cung cấp điện năng trong pin nhiên liệu.
2.2. Tính chất lý hóa của nhiên liệu hydrogen
Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, chiếm 75% các vật chất thông thường theo khối lượng và trên 90% theo số lượng ngun tử. Trên Trái Đất nó có rất ít trong khí quyển (1 ppm theo thể tích). Tuy nhiên, hydro là nguyên tố phổ biến thứ 3 trên bề mặt Trái Đất, chủ yếu là ở dạng hợp chất hóa học như nước và hydrocacbon.
Sinh viên thực hiện: Lê Văn Nguyên Người hướng dẫn: ThS.GVC Nguyễn Lê Châu Thành Lê Văn Thuận
Trương Nguyễn Hoàng Long 31
Ở điều kiện thường, hydro là một khí lưỡng ngun tử có cơng thức phân tử H2, khơng màu, khơng mùi, dễ bắt cháy, có nhiệt độ sơi 20,27 K (-252,87 °C) và nhiệt độ nóng chảy 14,02 K (-259,14 °C). Khí hydro (hay phân tử hydro) có tính cháy cao và sẽ cháy trong khơng khí trong khoảng nồng độ thể tích từ 4% đến 75%. Entropy của quá trình cháy hydro là −286 kJ/mol.
Nghiên cứu của Ma và cộng sự cho thấy hỗn hợp H2/NG làm giảm thời gian phát triển và lan tràn màng lửa, vì thế nâng cao hiệu suất và giảm phát thải ô nhiễm [34]. Ji và cộng sự [35] đã nghiên cứu ảnh hưởng của hydrogen làm giàu ethanol trên động cơ đánh lửa cưỡng bức và nhận thấy sự gia tăng áp suất có ích (Bmep) và hiệu suất nhiệt khi bổ sung 3% H2 theo thể tích vào đường nạp. Shivaprasad và cộng sự [36] nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ đánh lửa cưỡng bức 1 xi lanh khi phun H2 vào đường nạp với tỉ lệ thể tích (Vf) so với khơng khí nạp từ 5% đến 25%. Kết quả cho thấy sự gia tăng liên tục Bmep và hiệu suất nhiệt và giảm liên tục mức độ phát thải HC, CO khi tăng hàm lượng H2. Tuy nhiên khi tăng hàm lượng H2 thì NOx tăng. Wang và cộng sự, đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên nhiều động cơ xăng 4 xi lanh về tính năng động cơ khi chạy bằng hỗn hợp H2/xăng [37, 38]. Trong phần lớn các thí nghiệm, động cơ chạy ở điều kiện trong thành phố, tốc độ 1400 vòng/phút. Kết quả cho thấy chất lượng hoạt động của động cơ tăng khi pha H2 vào nhiên liệu và khơng thay đổi gì về động cơ [39] . Đặc biệt là thời điểm đánh lửa của động cơ nguyên thủy không thay đổi ngay cả khi hỗn hợp H2/xăng cháy nhanh hơn. Kết quả cũng cho thấy Bmep và hiệu suất nhiệt được cải thiện ở điều kiện làm việc hỗn hợp nghèo khi tăng hàm lượng hydrogen trong hỗn hợp nhiên liệu.
Việc giảm phát thải CO2, CO và HC trong khi NOx tăng với sự gia tăng H2 % là do cải thiện động học quá trình cháy. H2 khi cháy sản sinh ra các gốc oxy hóa OH và O tạo thuận lợi cho quá trình cháy của các Hydrocarbons (HCs). Bên cạnh đó lưu lượng nhiên liệu giảm khi tăng hàm lượng H2 trong hỗn hợp-để giữ cho hệ số tương đương tổng quát không đổi so với khi động cơ chạy bằng xăng-vì thế nồng độ HC trong nhiên liệu giảm làm giảm nồng độ các chất CO, CO2 và HC trong sản phẩm cháy và cải thiện hiệu suất động cơ. Thêm vào đó, hydrogen có hệ số khuếch tán cao hơn xăng nên nó hịa trộn đồng đều hơn với khơng khí giúp cho q trình cháy diễn ra hồn toàn. Nồng độ NOx cao là do nhiệt độ đoạn nhiệt của ngọn lửa hydrogen cao [39].
Sinh viên thực hiện: Lê Văn Nguyên Người hướng dẫn: ThS.GVC Nguyễn Lê Châu Thành Lê Văn Thuận
Trương Nguyễn Hoàng Long 32
Hydrogen có tốc độ cháy cao nên khi hịa trộn với xăng, hỗn hợp nhiên liệu với khơng khí cháy nhanh hơn. Mặt khác, hydrogen có giới hạn cháy rộng nên nó có thể cháy với hỗn hợp nghèo. Do đó, khi hàm lượng H2 trong nhiên liệu tăng cần điều chỉnh góc đánh lửa sớm cho phù hợp. Góc đánh lửa sớm tối ưu của động cơ chạy bằng nhiên liệu xăng pha H2 nhỏ hơn khi chạy bằng xăng khi hỗn hợp cùng hệ số tương đương [40]. Ảnh hưởng của hydrogen đến điều kiện làm việc với hỗn hợp nghèo được trình bày trong [48]. Với hỗn hợp nhiên liệu hydrogen-xăng, giới hạn hỗn hợp nghèo có thể đạt 2,55 so với 1,45 khi chạy bằng xăng.
Việc giảm thời gian lan tràn màng lửa và tốc độ tỏa nhiệt là do hydrogen có năng lượng đánh lửa thấp và tốc độ cháy cao hơn xăng [39]. Do H2 có thể cháy với hỗn hợp rất nghèo nên có thể thay đổi thành phần hỗn hợp để điều chỉnh tải động cơ [41]. Khi làm việc với hỗn hợp nghèo, nhiệt độ cháy thấp nên mức độ phát thải NOx giảm đáng kể. Hydrogen cải thiện đáng kể quá trình cháy của hỗn hợp nghèo ở chế độ tải thấp, giúp cho động cơ làm việc ổn định hơn khi chạy bằng xăng.
2.3. Những khó khăn trong sản xuất và lƣu trữ hydrogen
Bên cạnh các ưu điểm của năng lượng H2 nêu trên, với đặc tính và yêu cầu của các quá trình sản xuất, lưu trữ, vận chuyển, phân phối và sử dụng năng lượng H2 vẫn còn một số thách thức làm cho dạng năng lượng này mới chỉ được phát triển ở các quốc gia phát triển, các thách thức gồm:
- Với đặc tính nhẹ, dễ bay hơi, do đó H2 phải được lưu trữ trong các bình khí nén áp suất cao hoặc dưới dạng khí hóa lỏng hoặc hấp phụ trong các loại vật liệu có khả năng hấp phụ. Hiện nay các công nghệ và thiết bị thực hiện việc lưu trữ H2 vẫn cịn hạn chế cơng suất và chỉ đáp ứng được quy mô nhỏ
- Mặc dù nguồn nguyên liệu để sản xuất H2 gần như vơ tận, q trình sản xuất H2 từ q trình điện phân lại có chi phí khá cao, hiện nay năng lượng H2 mới chỉ được áp dụng ở quy mô nhỏ tại các quốc gia phát triển và hiện các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục nghiên cứu để giảm giá thành của công nghệ này.
- Hiện nay, việc sản xuất H2 bằng điện phân nước vẫn sử dụng nguồn điện chủ yếu sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu, khí đốt), do đó về bản chất là năng lượng tái tạo và không gây hại đến môi trường vẫn chưa được giải quyết triệt để, đặc biệt là điện từ năng lượng tái tạo (gió, mặt trời) vẫn có giá thành khá cao so với nguồn
Sinh viên thực hiện: Lê Văn Nguyên Người hướng dẫn: ThS.GVC Nguyễn Lê Châu Thành Lê Văn Thuận
Trương Nguyễn Hoàng Long 33
điện từ nhiên liệu hóa thạch. Theo dự báo, đến năm 2030 thì giá thành sản xuất năng lượng tái tạo sẽ tiếp tục giảm khoảng 30%, khi đó hệ thống sản xuất H2 từ năng lượng tái tạo sẽ có cơ hội phát triển bùng nổ.
- Ở điều kiện tự nhiên, H2 tồn tại rất ngắn, dễ bay hơi và dễ cháy nổ. Do đó, việc vận chuyển, lưu trữ và phân phối đến người sử dụng cuối cùng gặp nhiều khó khăn về ngăn rị rỉ và đảm bảo an tồn. Hiện nay H2 chủ yếu được vận chuyển thông qua các đường ống hoặc trên các phương tiện giao thông đường thủy, đường bộ ở trạng thái hóa lỏng hoặc nén trong các bình chịu áp.
2.4. Ngun lý bình sinh khí
2.4.1. Nguyên lý quá trình điện phân nước
Một nguồn năng lượng điện DC được kết nối với hai điện cực hoặc hai tấm (thường được làm từ một số kim loại trơ như bạch kim, thép không gỉ hoặc iridium) được đặt trong nước. Hydrogen sẽ xuất hiện ở cực âm và oxy sẽ xuất hiện ở cực dương. Giả sử hiệu quả lý tưởng, lượng hydro được tạo ra gấp đôi lượng oxy và cả hai đều tỉ lệ thuận với tổng điện tích được thực hiện bởi dung dịch. Tuy nhiên, trong thực tế các phản ứng phụ xảy ra, dẫn đến các sản phẩm khác nhau và ít hơn hiệu quả lý tưởng.
Điện phân của nước tinh khiết địi hỏi phải có năng lượng dư thừa trong các hình thức của quá thế để vượt qua rào cản kích hoạt khác nhau. Khơng có năng lượng dư thừa, q trình điện phân nước tinh khiết xảy ra rất chậm hoặc hồn tồn khơng xảy ra. Điều này một phần là do sự tự ion hóa hạn chế của nước. Nước tinh khiết có độ dẫn điện khoảng một phần triệu so với nước biển.
Ở cực âm xảy ra phản ứng khử, với các electron ( ) từ cực âm được đưa vào các cation hydro ( ) để tạo thành khí hydro. Các phản ứng một nửa, sự cân bằng axit, là:
Khử ở cực âm: 2H (aq) 2e H2 (2-1)
Ở cực dương xảy ra phản ứng oxy hóa, tạo ra khí oxy và đưa electron vào cực dương để hồn thành mạch:
Sinh viên thực hiện: Lê Văn Nguyên Người hướng dẫn: ThS.GVC Nguyễn Lê Châu Thành Lê Văn Thuận
Trương Nguyễn Hoàng Long 34
Các phản ứng cùng một nửa cũng có thể được cân bằng với cơ sở như được liệt kê dưới đây. Không phải tất cả các phản ứng nửa phải được cân bằng với axít hoặc bazơ. Để thêm một nửa phản ứng, cả hai phải được cân bằng với axít hoặc bazơ. Các phản ứng cân bằng axít chiếm ưu thế trong các dung dịch axít (pH thấp), trong khi các phản ứng cân bằng bazơ chiếm ưu thế trong các dung dịch cơ bản (pH cao).
Cực âm (khử): 2H O2 2e H22OH (2- 3)
Cực dương (oxy hóa): 1 2 2
2 2
2
OH O H O e (2- 4) Kết hợp một nửa cặp phản ứng tạo ra sự phân hủy tổng thể của nước thành oxy và hydro: Phản ứng tổng thể: 2H O2 2H2 O2 (2- 5)
Do đó, số lượng phân tử hydro được sản xuất gấp đôi số lượng phân tử oxy. Giả sử nhiệt độ và áp suất bằng nhau cho cả hai khí, do đó khí hydro được tạo ra có thể tích gấp đơi thể tích của khí oxy được tạo ra. Số lượng electron được đẩy qua nước gấp đôi số phân tử hydro được tạo ra và gấp bốn lần số lượng phân tử oxy được tạo ra.
Nước tinh khiết là một chất cách điện khá tốt vì nó có độ tự động thấp,
ở nhiệt độ phịng và do đó nước tinh khiết dẫn dòng kém. Trừ khi một tiềm năng rất lớn được áp dụng để gây ra sự gia tăng tự động hóa nước, q trình điện phân nước tinh khiết tiến hành rất chậm bởi độ dẫn tổng thể.
Nếu thêm chất điện phân tan trong nước, độ dẫn của nước tăng lên đáng kể. Chất điện phân tách thành cation và anion; các anion lao về phía cực dương và vơ hiệu hóa sự tích tụ tích điện dương ở đó; tương tự, các cation lao về phía cực âm và vơ hiệu hóa sự tích tụ của tích điện âm ở đó. Điều này cho phép dịng điện liên tục.
2.4.2. Chất điện phân cho điện phân nước
Phải cẩn thận trong việc lựa chọn chất điện phân, vì một anion từ chất điện phân đang cạnh tranh với các ion hydroxit để từ bỏ một điện tử. Một anion điện phân có