Trong bình sinh khí HHO kiểu khô, điểm nối điện với điện cực được cách ly với vùng chứa dung dịch như hình 1.11. Bình sinh khí gồm các bản cực được cách nhau bởi các đệm cách điện và kín nước. Không gian giữa các bản cực chứa chất điện phân và HHO.
Khi cung cấp điện, các bản cực trung gian tích điện vì thế quá trình điện
phân diễn ra trong không gian giữa các bản cực. Chất điện phân được chứa trong bình Hình 1.11: Bình sinh khí
kiểu khô
Hình 1.10: Bình sinh khí kiểu ướt
DUT.LRCC
và nối thông 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 khô 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 khô cao hơn bình sinh khí kiểu ướt. Mặt khác so với bình sinh khí kiểu ướt, bình sinh khí kiểu khô ít tốn kém trong bảo trì hơn, ít tổn thất nhiệt, điểm tiếp xúc điện với điện cực không bị ăn mòn, kích thước nhỏ gọn, dễ bố trí trên thiết bị vận chuyển.
DUT.LRCC
NGHIÊN CỨU CUNG CẤP NHIÊN LIỆU HYDROXYL CHO XE GẮN MÁY
Tổng quan nhiên liệu hydrogen
Chúng ta không thể phủ nhận vai trò quan trọng của nhiên liệu hóa thạch trong việc thúc đẩy xã hội loài người phát triển như ngày hôm 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 thạch là tài nguyên hữu hạn không thể tái tạo, nền kinh tế dựa vào nhiên liệu hóa thành khiến các nước không 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 lương sạch, dồi dào phục vụ mục tiêu phát triển bền vững của nhân loại đã 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 không hề tạo nên khí nhà kính nào. Đó là một quá 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
Ở điều kiện thường, hydro là một khí lưỡng nguyên tử có công thức phân tử H2, không màu, không mùi, dễ bắt cháy, có nhiệt độ sôi 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 không 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 màn lửa, vì thế nâng cao hiệu suất và giảm phát thải ô nhiễm [9]. Ji và cộng sự [10] 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 [11] 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 không 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
DUT.LRCC
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 [12] [13] . 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 không thay đổi gì về động cơ [14] . 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 hòa trộn đồng đều hơn với không khí giúp cho quá trình cháy diễn ra hoàn toàn. Nồng độ NOx cao là do nhiệt độ đoạn nhiệt của ngọn lửa hydrogen cao [14].
Hydrogen có tốc độ cháy cao nên khi hòa trộn với xăng, hỗn hợp nhiên liệu với không 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 [15]. Ảnh hưởng của hydrogen đến điều kiện làm việc với hỗn hợp nghèo được trình bày trong [16]. 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 màn lửa và tốc độ tỏa nhiệt là do hydrogen có năng lượng đánh lửa thấp và tốc độ cháy cao hơn xăng [14]. 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 [17]. Khi làm việc với hỗn hợp nghèo, nhiệt đọ 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.
Những khó khăn trong sản xuất và lưu 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:
DUT.LRCC
- 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 còn hạn chế công suất và chỉ đáp ứng được quy mô nhỏ.
- Mặc dù nguồn nguyên liệu để sản xuất H2 gần như vô tận, quá trình sản xuất H2
từ quá 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 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 rò rỉ và đảm bảo an toàn. 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.
Nguyên lý bình sinh khí
Khí hydroxyl được tạo thành chủ yếu nhờ phương pháp điện phân nước. Điện phân nước là sự phân hủy nước thành oxy và khí hydro do dòng điện đi qua. Phản ứng có điện thế chuẩn 1,23 V, nghĩa là theo lý tưởng đòi hỏi một chênh lệch điện áp là 1,23 V để tách nước.