Đang tải...

Năng lượng pin nhiên liệu trên ô tô

Thảo luận trong 'Năng lượng mới' bắt đầu bởi PhamCongDat, 7/10/16.

Thành viên đang xem bài viết (Users: 0, Guests: 0)

  1. PhamCongDat
    Offline

    Tài xế O-H
    Expand Collapse

    Tham gia ngày:
    1/6/15
    Số km:
    107
    Được đổ xăng:
    48
    Mã lực:
    51
    Giới tính:
    Nam
    Xăng dự trữ:
    2,073 lít xăng
    P1. TỔNG QUAN VỀ XE HYDRO-FUEL CELL, NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.

    1.1 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH
    1.1.1 XE HYDRO-FUEL CELL:

    1.1.1.1Khái niệm về Pin nhiên liệu (Fuel cell)
    Pin nhiên liệu là một thiết bị có thể chuyển đổi trực tiếp hóa năng của nhiên liệu thành điện năng nhờ vào các quá trình điện hóa.

    Hai nhiên liệu cơ bản cần thiết cho pin nhiên liệu vận hành là hydro (hoặc nhiên liệu giàu hydro) và oxy (thường là oxy từ không khí). Quá trình biến đổi năng lượng trong pin nhiên liệu được thực hiện theo phản ứng hóa học tổng quát sau:

    1

    H2  [​IMG]O2H2O + điện năng + nhiệt năng 2

    [​IMG]

    khí


    Hình 1.1. Sơ đồ mô tả pin nhiên liệu

    Động cơ hydro cũng dùng khí hydro, nhưng khác với động cơ hydro ở chỗ, pin nhiên liệu không trực tiếp đốt cháy hydro mà dùng chất xúc tác để tách các electron từ các nguyên tử hydro có trong nhiên liệu để tạo thành các ion, sau đó hướng các ion và các electron này theo một chiều nhất định để tạo ra dòng điện.

    Như vậy, trong pin nhiên liệu hoàn toàn không có sự cháy như trong động cơ đốt trong, do đó, nó sinh ra lượng khí gây hiệu ứng nhà kính ít hơn nhiều và không sinh ra các khí thải gây ô nhiễm môi trường. Nếu nhiên liệu sử dụng là hydro nguyên chất và oxy thì pin nhiên liệu chỉ sinh ra nhiệt và sản phẩm phụ là nước (một số loại còn có thêm CO2). Mặt khác, nó không có sự chuyển hóa nhiệt thành cơ năng nên hiệu suất của nó không bị giới hạn bởi hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot, ngay cả khi vận hành ở nhiệt độ tương đối thấp.

    Giống như Ắc-quy, pin nhiên liệu cũng tạo ra dòng điện qua các phản ứng điện hóa. Điểm khác biệt giữa 2 loại này nằm ở chỗ, pin nhiên liệu khi được nạp đầy nhiên liệu thì sẽ có thể phát ra dòng điện liên tục, còn ắc-quy thì phải nạp lại điện nhờ một nguồn điện khác sau khi đã sử dụng hết. Như vậy, trong khi cần phải có 1 khoảng thời gian dài để nạp lại điện cho ắc-quy thì pin nhiên liệu chỉ cần cung cấp nhiên liệu thì đã có thể sử dụng được, thời gian cấp nhiên liệu này nhanh hơn rất nhiều so với việc sạc lại ắc-quy.

    Ngoài ra, chất lượng và năng suất của pin nhiên liệu không hề phụ thuộc vào thời tiết như năng lượng gió hay lượng bức xạ nhiệt của năng lượng mặt trời. Nếu nhiên liệu còn được cấp thì pin nhiên liệu sẽ vẫn hoạt động.

    Nói về nhiên liệu sử dụng cho pin nhiên liệu, đây là lợi thế lớn của pin nhiên liệu so với các loại nhiên liệu hóa thạch mà chúng ta đang sử dụng. Oxy đã có sẵn trong không khí, Hydro thì có thể thu được từ nhiên liệu hóa thạch, những nguồn nhiên liệu tái sinh, năng lượng hạt nhân, đơn giản nhất là từ nước,...

    Như vậy, pin nhiên liệu là một trong những nguồn năng lượng tiên tiến nhất hiện nay, nó đóng vai trò như một máy sản xuất điện năng hiệu suất cao với nhiên liệu đầu vào chỉ là Hydro và Oxy.

    1.1.1.2Lịch sử hình thành Pin nhiên liệu
    Pin nhiên liệu đã được nhiều người nghiên cứu từ thế kỉ 19, nhưng phát minh đầu tiên về pin nhiên liệu được ghi nhận là của ông William Robert Grove (1811-1896) – nhà khoa học tự nhiên xứ Wales – vào năm 1839. Phát minh này dựa trên cơ sở của quá trình điện phân nước. Ông Grove tin rằng, nếu có thể tách nước thành hydro và oxy nhờ vào năng lượng điện thì quá trình ngược lại cũng có thể xảy ra, tức là có thể sản xuất ra dòng điện bằng cách kết hợp hydro và oxy. Và ở thời điểm này, platin được xem là chất xúc tác cho phản ứng giữa hydro và oxy. Dựa vào các giả thiết đó, ông Grove đã chế tạo thành công mô hình thực nghiệm đầu tiên của pin nhiên liệu, bao gồm hai điện cực platin được bao trùm bởi hai ống hình trụ bằng thủy tinh, một ống chứa hydro và ống kia chứa oxy. Khi chúng được nhúng trong axit sulfuric loãng, một dòng điện xuất hiện giữa hai điện cực và nước được sinh ra trong các ống. Để tăng điện áp đầu ra, ông Grove đã liên kết nhiều thiết bị như vậy với nhau và tạo thành một thiết bị mà ông gọi là “ắc-quy khí” (gas battery).

    Năm 1889, hai nhà hóa học Ludwig Mond và Charles Langer đã cố gắng phát triển mô hình của Grove vào ứng dụng trong thực tế bằng việc sử dụng không khí và khí than đá làm nhiên liệu. Và thuật ngữ “pin nhiên liệu” (fuel cell) cũng được hình thành từ đây. Tuy nhiên, do những hạn chế về mặt vật liệu và kỹ thuật nên những nghiên cứu của họ không được ứng dụng rộng rãi. Mặt khác, sự phát triển ồ ạt của động cơ đốt trong và sự phổ biến của nhiên liệu hóa thạch vào khoảng cuối thế kỉ thứ 19 đã làm cho pin nhiên liệu không được thế giới chú ý đến.

    Đến năm 1932, Dr. Francis Thomas Bacon – một kỹ sư người Anh – đã tiếp tục phát triển mô hình pin nhiên liệu với những cải tiến mới. Ông đã thay thế các điện cực platin bằng vật liệu niken ít tốn kém hơn và thay thế chất điện phân axit sulfuric bằng kali hydroxit, một chất có tính ăn mòn ít hơn. Thiết bị này được đặt tên là “pin Bacon” (Bacon cell) – pin nhiên liệu kiềm đầu tiên trên thế giới. Và mãi đến 27 năm sau, tức là vào năm 1959, Bacon mới sản xuất ra một pin nhiên liệu thật sự khả thi. Loại pin này có công suất 5kW, đủ cung cấp cho một máy hàn điện. Vào những năm 1950, pin nhiên liệu mới thật sự được quan tâm. Lúc này, NASA (National Aeronautics and Space Administration) đang tìm cách để sản xuất điện cho hàng loạt các chuyến bay có người lái vào không gian. Phương án sử dụng ắc-quy đã gặp trở ngại về vấn đề trọng lượng; năng lượng mặt trời thì quá đắt vào thời điểm này và năng lượng hạt nhân thì quá nguy hiểm. Trong các giải pháp của NASA thì pin nhiên liệu là khả thi nhất. Và NASA đã quyết định đầu tư để nghiên cứu và phát triển pin nhiên liệu thành thiết bị có thể ứng dụng tr ong các chương trình du hành vũ trụ.

    Vào khoảng thời gian giữa năm 1955 và năm 1958, hai nhà hóa học làm việc tại tập đoàn điện tử General Electric (Mỹ) là Willard Thomas Grub và Leonard Niedrach đã nghiên cứu thành công và cho ra đời một loại pin nhiên liệu sử dụng màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane - PEM) đóng vai trò làm chất điện phân. Và “pin nhiên liệu Grub-Niedrach” đã được NASA sử dụng trong chương trình du hành vũ trụ Gemini. Với công suất 1kW, các tế bào nhiên liệu này đã cung cấp đồng thời điện và nước uống cho các phi hành gia vũ trụ. Các tế bào nhiên liệu của chương trình Gemini chỉ dài 60cm và có đường kính là 20cm.

    Vào đầu những năm 1960, nhà sản xuất động cơ máy bay Pratt & Whitney

    (Canada) đã cấp bằng sáng chế cho Bacon về pin nhiên liệu kiềm (AFC - Alkaline Fuel Cell). Với mục tiêu giảm trọng lượng của pin nhiên liệu sử dụng màng trao đổi proton của General Electric, Pratt & Whitney đã cải thiện thiết kế ban đầu của Bacon. Và kết quả là Pratt & Whitney đã giành được hợp đồng của NASA trong việc cung cấp các pin nhiên liệu cho các tàu du hành vũ trụ Apollo. Kể từ đó, pin nhiên liệu kiềm đã được sử dụng trong hầu hết các tàu du hành vũ trụ có người lái của Mỹ, kể cả tàu con thoi.

    Năm 1966, General Motors đã cho thử nghiệm một ôtô sử dụng pin nhiên liệu kiềm, chiếc xe có tên gọi là “GM Electrovan” sử dụng pin nhiên liệu kiềm. Pin nhiên liệu mà “GM Electrovan” sử dụng được sản xuất bởi công ty Union Carbide, nó có công suất 32 kW, sử dụng nhiên liệu hydro lỏng, tuổi thọ chỉ 1000 giờ. Chiếc “GM Electrovan” có phạm vi hoạt động 200km, tốc độ cao nhất đạt được là 105 km/h. Tuy nhiên, sau khi “GM Electrovan” được thử nghiệm và công bố thì dự án này phải tạm hoãn vì chi phí quá đắt. Mặt khác, việc sử dụng hydro lỏng vào thời điểm này được xem là không an toàn trên đường công cộng, nên nó không được cho lưu thông mà chỉ được xem là tài sản của General Motors.

    [​IMG]

    Hình 1.2. Chiếc “GM Electrovan” của General Motors
    Các cuộc khủng hoảng dầu hỏa vào những năm 1970 đã thúc đẩy một số công ty và tổ chức chính phủ nghiên cứu để thương mại hóa rộng rãi pin nhiên liệu. Và bắt đầu từ những năm 1980, pin nhiên liệu đã có những ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của đời sống, nhất là trong các nhà máy điện.

    Nhờ chế tạo được các vật liệu có hiệu quả cao và có khả năng chống ăn mòn tốt cũng như những nổ lực tìm kiếm một nguồn năng lượng thân thiện với môi trường cho tương lai, pin nhiên liệu được phát triển mạnh vào đầu những năm 1990.

    Hiện nay, hầu hết các các công ty sản xuất ôtô lớn trên thế giới đều đã công bố những mẫu xe chạy bằng pin nhiên liệu như: NECAR, F-Cell của DaimlerChrysler; BMW 745H của BMW; MOVE FCV-KII của Daihatsu; FCX, FCX-V1, FCX-V2 của Honda; FCHV của Toyota,…. Ngoài ra, các cuộc thử nghiệm pin nhiên liệu trên xe buýt ở Chicago (Mỹ), Vancouver (Canada) và các thành phố khác ở Bắc Mỹ và Châu Âu đã cho thấy khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên ôtô sẽ có nhiều triển vọng trong tương lai gần.

    Ở Việt Nam, vào cuối năm 2004, Tiến sĩ Nguyễn Mạnh Tuấn, Phân viện Vật lý tại TP.HCM đã công bố những kết quả nghiên cứu đầu tiên của mình về pin nhiên liệu. Loại pin mà Tiến sĩ Nguyễn Mạnh Tuấn nghiên cứu là pin sử dụng nhiên liệu cồn methanol thay thế cho nhiên liệu hydro (do hydro khó bảo quản, dễ rò rỉ và dễ phát nổ khi gặp tia lửa điện trong không khí). Trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học ở Phân viện Vật lý tại TP.HCM đã nghiên cứu, chế tạo các điện cực dùng màng hấp thụ carbon có độ dẫn điện cao và cho chất khí đi ngang qua. Đồng thời, các nhà khoa học cũng chế tạo chất điện phân dùng giấy màng lọc thủy tinh có lỗ thấm siêu nhỏ. Quá trình nghiên cứu đã cho ra loại pin nhiên liệu có hiệu suất chuyển hóa điện năng 50%, với 250ml cồn có thể cấp 600 W/giờ điện.

    Một nghiên cứu khác được Tiến sĩ Nguyễn Chánh Khê và các cộng sự tại Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển – Khu công nghệ cao TP.HCM công bố năm 2005. Đó là việc chế tạo thành công màng chuyển hóa proton, vốn là cái lõi chính của công nghệ và đang được nghiên cứu từ vật liệu nano trong nước. Bên cạnh đó, nhóm cũng đang bắt đầu sử dụng carbon nanotube trong việc tạo ra một chất xúc tác mới có khả năng dẫn đến tăng hiệu suất chuyển hóa điện năng, giảm chi phí và kích thước của pin nhiên liệu.

    1.1.1.3Cấu tạo chung – nguyên lý hoạt động cơ bản của pin nhiên liệu
    Một pin nhiên liệu đơn giản gồm có hai điện cực là anode (là điện cực mà trên đó xảy ra quá trình oxy hóa) và cathode (là điện cực mà trên đó xảy ra quá 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.


    [​IMG]

    Hình 1.3. Cấu tạo của một pin nhiên liệu đơn giản
    Hai điện cực được làm bằng 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 không khí) được cung cấp đến cathode. Các phản ứng hóa học 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 chớ không cho phép các electron di chuyển qua nó.

    Ngoài ra, để thúc đây các phản ứng hóa học xảy ra, người ta còn 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 kiểu 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 cùng công dụng là thúc đẩy các phản ứng hóa học 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 thường dùng trong pin nhiên liệu là các kim loại quí như platin.

    1.1.2NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
    1.1.2.1 Khái niệm
    Năng lượng mặt trời là năng lượng của dạng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời, dạng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết, vào khoảng 5 tỷ năm nữa.

    Là nguồn năng lượng từ mặt trời và là năng lượng tái sinh. Mặt trời là khối khí cầu chứa đựng nhiệt và ánh sáng khổng lồ. Lượng nhiệt và ánh sáng này là do phản ứng nhiệt hạch sinh ra. Phản ứng sẽ sinh ra năng lượng truyền chúng ra ngoài bề mặt của mặt trời. Năng lượng chủ yếu là năng lương ánh sáng mặt trời.

    Hai loại năng lượng truyền xuống trái đất là nhiệt và ánh sáng. Năng lượng mặt trời cũng thường được gọi là năng lượng thay thế cho năng lượng hoá thạch như: dầu, than đá.

    [​IMG]


    Hình 1.4. Quang phổ năng lượng mặt trời

    Mặt trời phát ra ánh sáng tổng hợp với nhiều bước sóng khác nhau: sóng vô tuyến, Micro wave, tia hồng ngoại, ánh sang thấy được, tia tử ngoại, tia X.

    Vùng ánh sáng thấy được nằm từ dải tần số 400-700 nm, có cường độ sáng lớn nhất (ứng với mức năng lượng lớn nhất) chiếm khoảng 43% trong tổng năng lượng mà mặt trời phát ra.

    Ngay ngoài khí quyển trái đất, cứ mỗi 1 mét vuông diện tích vuông góc ánh sáng mặt trời chúng ta thu được dòng năng lượng khoảng 1340W. Nhưng chỉ có khoảng 47% tổng năng lượng mặt trời phát ra đến được trái đất, số còn lại do bị hấp thụ và phản xạ bởi lớp khí quyển.

    Có 2 cách chính sử dụng năng lượng mặt trời:

    - Sử dụng dưới dạng nhiệt năng: Lưới hấp thụ mặt trời, nhà kính,...

    - Sử dụng thông qua sự chuyển hóa thành điện năng: Hệ thống pin mặt trời,...

    Vấn đề khó khăn là hiệu suất biến đổi nó thành các dạng năng lượng hữu ích. Cho đến nay, hiệu suất biến đổi chỉ mới đạt tỷ lệ cỡ 5-15% từ quang năng thành điện năng - đó là một hiệu suất quá bé. Bù lại, sử dụng năng lượng mặt trời không gây nên ô nhiễm môi trường. Vì thế người ta đ gọi năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng "sạch". 1.1.2.2 Lịch sử hình thành Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel.

    Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối, thiết bị chỉ có hiệu suất 1%.

    Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946. Sven Ason Berglund đã có phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin.

    Phát triển của một chiếc xe sử dụng năng lượng mặt trời đã là một mục tiêu kỹ thuật từ những năm 1980. Thách thức Mặt trời Thế giới là một cuộc đua xe năng lượng mặt trời định kỳ sáu tháng, nơi các đội từ các trường đại học và doanh nghiệp đua tài trên đoạn đường 3.021 kilômét (1.877 dặm) qua trung tâm nước Úc từ Darwin Adelaide. Năm 1987, khi nó được thành lập, tốc độ trung bình của người chiến thắng là 67 kilômét một giờ (42 mph) và vào năm 2007 tốc độ trung bình của người chiến thắng đã được cải thiện đến 90,87 kilômét một giờ (56,46 mph). Thách thức Mặt trời Bắc Mỹ Thách thức Mặt trời Nam Phi là các cuộc thi so tài phản ánh sự quan tâm quốc tế về kỹ thuật và phát triển xe năng lượng mặt trời.

    1.1.2.3 Pin năng lượng mặt trời

    a) Cấu tạo
    [​IMG]

    Hình 1.5. Cấu tạo Pin năng lượng mặt trời Khi cho bán dẫn loại n và p tiếp xúc nhau thì các điện tử tự do ở trong bán dẫn loại n bị kích thích bởi ánh sáng mặt trời sẽ khuếch tán sang bán dẫn loại p, từ đó sinh ra dòng điện.

    b) Lắp đặt các tấm pin mặt trời
    [​IMG]

    Hình 1.6 Lắp các tấm pin mặt trời nối tiếp
    [​IMG]

    Hình 1.7. Lắp các tấm pin mặt trời song song

    c) Sơ đồ lấy điện từ các tấm pin mặt trời
    [​IMG]

    d) Thiết kế hệ thống thu năng lượng mặt trời cho xe điện
    Các tấm Panel mặt trời được nối với bình điện thông qua bộ điều khiển, khi ánh sáng chiếu vào các tấm panel, panel sản xuất ra dòng điện và nạp và ắc-quy. Chức năng của ắc-quy là tồn trữ điện năng do panel mặt trời cung cấp, nó sẽ tự dự trữ và cung cấp lại cho các thiết bị khi cần sử dụng.

    Giữa ắc-quy và panel mặt trời có lắp bộ điều khiển. Chức năng của bộ điều khiển này là quản lý quá trình nạp-xả của ắc-quy, không cho ắc-quy quá tải hoặc xả quá nhiều điện gây ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ của ắc-qiu và các thiết bị tải.

    Từ ắc-quy và bộ điều khiển lắp dây điện để cung cấp điện cho các phụ tải.

    [​IMG]

    Hình 1.7 Sơ đồ lấy điện từ pin mặt trời xuống ắc-quy  Quan hệ giữa pin mặt trời và ắc-quy:

    Đây là 2 thành phần chính của hệ thống và chiếm tỷ trọng lớn trong chi phí vận hành và bảo trì. Cùng 1 bộ phụ tải tiêu thụ có nhiều phương án lựa chọn hệ năng lượng trong đó giữa dung lượng dàn pin mặt trời và bộ ắc quy có quan hệ tương hổ sau:

    - Tăng dung lượng ắc-quy thì giảm dung lượng dàn pin mặt trời.

    - Tăng dung lượng dàn pin mặt trời thì giảm dung lượng ắc-quy.

    1.2 PHÂN LOẠI
    1.2.1 PHÂN LOẠI PIN NHIÊN LIỆU

    Bảng 1.1. Tóm tắt các đặc điểm của các loại pin nhiên liệu chính
    [​IMG]

    Hạt mang điện tích

    H

    OH

    H

    CO32

    O2

    Nhiệt độ hoạt động

    60 -800C

    65-2200C

    150-2050C

    6500C

    600-10000C

    Hiệu suất

    40-50%

    70%

    40-80%

    60-80%

    60%


    1.2.1.1 Pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer (PEMFC)

    a) Cấu tạo của PEMFC
    Đây là loại pin nhiên liệu được sử dụng hầu hết trên các loại FCV (Fuel Cell

    Vehicles) ngày nay vì năng suất cao, ít tiêu hao nhiên liệu hơn các loại khác

    [​IMG]

    Hình 1.8 Toyota Mirai được trưng bày tại Vietnam Mô-tơ Show 2015 cũng sử dụng pin nhiên liệu loại PEMFC
    Pin nhiên liệu loại này có hiệu suất từ 40 đến 50% và vận hành ở nhiệt độ thấp, khoảng từ 600C đến 800C. Công suất dòng ra khá linh hoạt, có thể chỉ là 2 kW cho các ứng dụng nhỏ gọn hay cả trong khoảng từ 50 kW đến 250 kW cho các ứng dụng trong gia đình, xe cộ hay cho các ứng dụng tĩnh lớn hơn. Tuy nhiên, nhiên liệu cung cấp cho PEMFC đòi hỏi phải được tinh sạch (không lẫn nhiều tạp chất) và PEMFC cũng cần xúc tác bạch kim đắt tiền ở cả hai mặt màng điện phân. Mỗi pin đơn có thể tạo ra điện áp 1,1 V.

    Cấu tạo của pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer thường có các bộ phận cơ bản sau:

    - Các điện cực, bao gồm anode và cathode, thông thường dược làm bằng carbon.

    - Màng trao đổi proton ở giữa hai điện cực.

    - Lớp chất xúc tác, thường là platin.

    Ngoài ra, để pin hoạt động có hiệu quả thì việc quản lí nước trong pin là vấn đề then chốt. Pin nhiên liệu loại này phải được hoạt động trong điều kiện mà nước không bay hơi nhanh hơn so với nước được sản xuất ra, bởi vì màng phải được hydrat hóa để đảm bảo tính dẫn ion của màng. Vì thế, pin nhiên liệu loại này cần có một bộ phận quan trọng khác là bộ làm ẩm.


    [​IMG]

    Hình 1.9 Cấu tạo của pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer

    Công dụng của các bộ phận như sau:

    a) Anode
    Anode của pin nhiên liệu có công dụng dẫn khí hydro đến bề mặt của chất xúc tác và dẫn các electron được tách ra từ phân tử hydro để sử dụng cho mạch điện bên ngoài. Nó có những đường gạch rất nhỏ và đều đặn để khí hydro được phân bố đều khi gặp chất xúc tác.

    b) Cathode
    Cathode cũng có cấu tạo tương tự như anode và có công dụng dẫn khí oxy tới mặt của chất xúc tác, đồng thời nó cũng dẫn những electron sau khi phản ứng từ mạch điện bên ngoài, kết hợp với ion hydro và oxy tạo ra nước.

    c) Màng trao đổi proton
    Màng trao đổi proton là một bộ phận rất quan trọng trong pin nhiên liệu, nó có công dụng dẫn các proton, đồng thời ngăn cản các electron di chuyển từ anode sang cathode của pin nhiên liệu.

    d) Chất xúc tác
    Chất xúc tác là một chất hóa học đặc biệt làm cho phản ứng của hydro và oxy dễ dàng hơn. Đặc biệt, nó làm thay đổi trạng thái hóa học của hydro và oxy nhưng không bao giờ tự thay đổi. Chất này thường là bột bạch kim. Ở một số loại, nó được phủ trực tiếp lên màng trao đổi ion; một số loại khác, nó được phủ rất mỏng lên giấy than hoặc vải than, rất nhám và rỗ với những lỗ rất nhỏ, mặt nhám tiếp xúc với khí hydro và oxy, mặt phẳng mềm tiếp xúc với màng trao đổi proton.

    [​IMG]

    Hình 1.10. Sơ đồ bố trí các thành phần của PEMFC đơn


    e) Bộ làm ẩm
    Làm ẩm khí phản ứng là một khía cạnh quan trọng cho sự hoạt động của pin nhiên liệu kiểu màng trao đổi proton. Sự làm ẩm không đầy đủ thì khả năng dẫn ion không thể xảy ra, điều đó là mối nguy hại cho pin nhiên liệu.Lượng nước mà khí phản ứng có thể hấp thụ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ của quá trình làm ẩm (đặc biệt là tại áp suất thấp). Khí nóng hơn sẽ giữ nhiều nước hơn là khí lạnh.


    [​IMG]

    Hình 1.11. Bộ làm ẩm


    Một số pin nhiên liệu có bộ làm ẩm được tích hợp luôn bên trong, số còn lại thì bộ làm ẩm được đặt riêng bên ngoài.

    Bộ làm ẩm đặt bên trong gồm những tấm làm bằng graphit đặt nối tiếp nhau ngay bên trong cụm pin nhiên liệu.

    Bộ làm ẩm được đặt bên trong, với nước làm ẩm được lấy trực tiếp từ nước làm mát pin sẽ giúp cho hệ thống đơn giản hơn. Tuy nhiên, cách bố trí này thì nước làm mát cho pin nhiên liệu phải sử dụng nước tinh khiết. Tuy nhiên, nước tinh khiết sẽ bị đóng băng khi gặp thời tiết lạnh sẽ làm tăng thêm vấn đề cho khởi động lạnh. Hơn nữa việc kết hợp cụm pin nhiên liệu với bộ làm ẩm làm cho nó trở nên đồ sộ hơn và bảo dưỡng phức tạp hơn

    Bộ làm ẩm đặt bên ngoài là loại phổ biến nhất nó có thể được thiết kế theo kiểu màng hay theo kiểu tiếp xúc. Bộ làm ẩm kiểu màng hoạt động giống như kiểu bộ làm ẩm đặt bên trong pin nhiên liệu. Bộ làm ẩm kiểu tiếp xúc hoạt động bằng cách phun nước làm ẩm lên trên một bề mặt nóng hoặc vào trong một buồng có diện tích bề mặt lớn để khí phản ứng chảy xuyên qua đó, như vậy sẽ làm cho khí phản ứng được bão hòa nước. Với bộ làm ẩm đặt bên ngoài thì nước làm ẩm được lấy từ nước làm mát hay được lấy từ mạch nước đã được làm ấm.

    b) Nguyên lý hoạt động của PEMFC
    Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer được giải thích như sau:

    Khí hydro được cấp vào phía anode và khí oxy được cấp vào từ phía cathode của pin nhiên liệu. Khi hydro đi đến màng điện phân polymer (PEM), chất xúc tác sẽ tách nó ra thành các proton và các electron; các proton sau khi tách ra sẽ đi xuyên qua PEM, còn các electron thì bị PEM ngăn lại không cho đi xuyên qua mà phải đi vòng qua một mạch điện bên ngoài để về cathode của pin nhiên liệu. Quá trình di chuyển này của các electron sẽ tạo ra dòng điện một chiều.


    [​IMG]

    Hình 1.12. Nguyên lý hoạt động của PEMFC
    Ở phía cathode, oxy được cung cấp vào sẽ kết hợp với các electron từ dòng điện và proton vừa từ anode chuyển đến để tạo thành nước.

    Phương trình phản ứng hóa học tại các điện cực của pin nhiên liệu PEM được viết như sau:

    Phản ứng trên anode: 2H2  4H  4e

    Phản ứng trên cathode: O2  4H  4e  2H2O

    Tổng quát: 2H2 O2 2H2O + điện năng + nhiệt năng.

    c) Ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất và độ ẩm
    a) Ảnh hưởng của áp suất
    Khi áp suất làm việc của pin nhiên liệu tăng thì điện áp của pin nhiên liệu tăng và ngược lại. Vì khi áp suất cao sẽ giúp đẩy oxy và hydro vào bên trong tiếp xúc với chất điện phân nhiều hơn.

    Tuy nhiên, để tăng áp suất làm việc, hệ thống phải yêu cầu thêm máy nén không khí sẽ làm mất mát thêm năng lượng và hệ thống cồng kềnh hơn. Những cơ cấu khác phải được thiết kế lại cho phù hợp, một số bộ phận phải tăng thêm kích thước sẽ dẫn đến tăng chi phí.

    b) Ảnh hưởng của nhiệt độ
    Cũng giống như sự ảnh hưởng của áp suất, khi nhiệt độ làm việc pin nhiên liệu tăng hay giảm thì điện áp của pin nhiên liệu cũng tăng và giảm tương ứng.

    [​IMG]
    Điện

    áp pin

    (% điện áp đỉnh)



    Hình 1.13. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện áp của pin nhiên liệu PEM
    Khi ở nhiệt độ cao hơn thì cải thiện được lượng nhiên liệu di chuyển trong phạm vi của pin nhiên liệu và kết quả là điện trở trong pin nhiên liệu sẽ giảm xuống (khi nhiệt độ tăng lên, tính dẫn điện trong kim loại sẽ giảm xuống nhưng tính dẫn ion trong chất điện phân lại tăng lên). Đồng thời, ảnh hưởng của việc tăng nhiệt độ sẽ cải thiện được mức độ phản ứng.

    Giới hạn nhiệt độ hoạt động của pin nhiên liệu có hiệu quả là dưới 212oF (100 oC). Do sự có mặt của sản phẩm nước sau phản ứng ở cathode, thì nhiệt độ đó làm cho nước sôi lên và kết quả là dòng hơi nước mãnh liệt sẽ làm giảm áp suất cục bộ của oxi. Nó sẽ làm giảm hiệu suất của pin do thiếu oxi. Điều đó có thể gây nguy hại đến pin nhiên liệu và làm giảm tuổi thọ của chúng.

    Khi pin hoạt động ở áp suất cao thì nhiệt độ đạt được cao hơn, điều đó sẽ làm tăng điểm sôi của nước. Tuy nhiên, trong thực tế thì áp suất ảnh hưởng ít đến sự hoạt động của pin nhiên liệu kiểu màng trao đổi proton.

    Phạm vi nhiệt độ ảnh hưởng đến sự tăng điện áp của pin nhiên liệu là nhiệt độ gần đến điểm sôi của nước, còn tại điểm sôi thì điện áp của pin bắt đầu giảm xuống. Nhiệt độ tối ưu xuất hiện gần 175 oF (80 oC).

    c) Ảnh hưởng của độ ẩm
    Khí phản ứng được làm ẩm đầy đủ là điều cần thiết cho sự làm việc của pin nhiên liệu kiểu màng trao đổi proton vì các phân tử nước di chuyển cùng với các ion hydro trong quá trình phản ứng trao đổi ion.

    Nếu sự làm ẩm không đủ có thể dẫn đến khử nước trong màng và sẽ dẫn đến rạn nứt hay bị rỗ màng chuyển đổi proton. Kết quả đó có thể dẫn đến sự ngắn mạch hóa học, những điểm nóng và có thể làm cháy màng.

    Ngược lại, nước được làm ẩm quá mức trong khí phản ứng sẽ dẫn đến sự ngưng tụ và ngập nước bên trong đĩa khuếch tán nhiên liệu. Quá trình đó vẫn tiếp tục thì kết quả có thể dẫn đến một hiện tuợng được hiểu như là hiện tượng đảo chiều pin. Nếu điện áp âm đủ lớn thì pin bị hư hỏng sẽ bắt đầu làm việc như một máy điện phân. Điều đó sẽ sinh ra nhiều nhiệt và có thể là nguyên nhân gây phá hủy pin. Thông thường, một hệ thống giám sát pin được lắp đặt để phát hiện hiện tượng đảo chiều pin trước khi xảy ra hư hại cho pin.

    Ngoài ra, phần nước còn lại trong bộ làm ẩm phải không được dẫn điện. Nếu phần nước này dẫn điện sẽ gây ngắn mạch và sinh ra dòng điện ăn mòn trong cụm pin nhiên liệu. Nước trở nên dẫn điện khi nó hút các ion xung quanh nó. Để khử những ion đó thì nước phải được liên tục chảy qua một bộ lọc khử ion.

    1.2.1.2 Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC)
    Đối với pin nhiên liệu loại này, methanol được sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu cho pin mà không cần phải qua các bước chuyển hóa thành hydro ở bên ngoài. Ở đây, methanol lỏng bị oxy hóa trong nước ở anode, sinh ra khí carbonic, ion hydro (proton) và các electron.

    Các electron sẽ di chuyển qua mạch điện bên ngoài về cathode và tạo thành dòng điện. Các proton sẽ đi qua chất điện phân và phản ứng với oxy từ không khí và các electron từ dòng điện tạo thành nước ở cathode.

    Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực:

    Phản ứng trên anode: CH3OHH2OCO2 6H 6e

    Phản ứng trên cathode: [​IMG]3O2 6H 6e 3H2O

    2

    3

    Tổng quát: CH3OH [​IMG]O2 CO2 2H2O + điện năng + nhiệt năng. 2


    [​IMG]

    Hình 1.14. Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp

    So với hydro thì methanol có ưu điểm là tồn tại ở trạng thái lỏng ở nhiệt độ bình thường nên nó rất dễ dự trữ và phân phối. Nhiệt độ sôi của methanol ở áp suất khí quyển là dưới 650C, khiến cho nhiệt độ vận hành của pin nhiên liệu chừng 60700C. Hơn nữa, có thể tận dụng cơ sở hạ tầng cũ hiện có của các loại nhiên liệu hóa thạch để phân phối methanol mà không cần phải thay đổi nhiều.

    Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp đã được thử nghiệm ở khoảng nhiệt độ từ 50-1200C. Với nhiệt độ vận hành thấp và có thể dùng trực tiếp nhiên liệu methanol mà không đòi hỏi phải qua bước chuyển hóa thành hydro, pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp đã trở thành ứng cử viên sáng giá cho các ứng dụng cỡ từ rất nhỏ đến trung bình như điện thoại di động và các sản phẩm tiêu dùng khác.

    Khi mới bắt đầu phát triển từ đầu những năm 1990, pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp lúc ấy chưa được chú ý nhiều bởi hiệu suất và mật độ năng lượng thấp cũng như một số vấn đề khác nên nó chỉ ứng dụng cho những thiết bị cỡ nhỏ. Tuy nhiên, những cải tiến trong chất xúc tác và những phát triển gần đây đã gia tăng mật độ năng lượng lên gấp 20 lần và hiệu suất cuối cùng đã có thể đạt được đến 40%. Và hiện nay, người ta cũng đang nghiên cứu để ứng dụng loại pin này vào các phương tiện vận tải như ôtô, môtô,…

    1.2.1.3 Pin nhiên liệu kiềm (AFC)

    a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
    Pin nhiên liệu kiềm thường dùng dung dịch kali hydroxit (KOH) làm chất điện phân, với nồng độ dung dịch thay đổi từ 30-45% tùy theo từng hệ thống. Lý do KOH được chọn làm chất điện phân vì quá trình oxy hóa xảy ra trong chất điện phân kiềm thường tốt hơn trong chất điện phân axit; mặt khác, trong các hydroxit kiềm thì KOH có độ dẫn điện cao nhất.

    Anode thường được làm bằng Ni, còn cathode thường dùng NiO và chất xúc tác thường là platin.

    [​IMG]

    Hình 1.15 Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu kiềm
    Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực điễn ra như sau:

    Phản ứng trên anode: 2H2  4OH  4H2O 4e

    Phản ứng trên cathode: O2 2H2O4e 4OH

    Tổng quát: 2H2 O2 2H2O + điện năng + nhiệt năng.

    Như vậy, ở anode, hydro bị oxy hóa để tạo thành các electron, các electron này cũng sẽ di chuyển qua mạch điện bên ngoài đi về cathode của pin nhiên liệu. Còn ở cathode, oxy bị khử, sinh ra các ion hydroxit (OH-). Các ion OH- sẽ di chuyển từ cathode sang anode kết hợp với hydro để tạo thành nước. Như vậy, đối với pin nhiên liệu loại này, sản phẩm nước được sinh ra tại anode của pin nhiên liệu.

    b) Đặc điểm
    Pin nhiên liệu kiềm có hiệu suất khoảng 70% và hoạt động ở nhiệt độ từ 65 đến 2200C. Công suất đầu ra khoảng từ 300W đến 5kW. Mỗi pin đơn có thể tạo ra điện áp từ 1,1 V đến 1,2 V. Do nhỏ, nhẹ, hiệu suất cao nên phần lớn loại pin nhiên liệu này thường được dùng trong các phương tiện xe cộ, giao thông.

    Pin nhiên liệu kiềm đã từng được NASA sử dụng trong các chương trình không gian như đội tàu con thoi và các du thuyền Apollo. Nó đòi hỏi nhiên liệu hydro tinh khiết và chất xúc tác điện cực thường bằng platin. Vì thế mà pin nhiên liệu kiềm vẫn còn khá đắt để thương mại cho những sản phẩm thông thường.

    Tuy nhiên, một số công ty đã tìm cách giảm giá thành của loại pin nhiên liệu này bằng cách thay thế chất xúc tác platin bằng kim loại khác rẻ hơn. Tháng 7/1998, công ty Zero Emission Vehicle (ZEVCO) đã tung ra chiếc xe taxi mẫu đầu tiên tại London (Anh) sử dụng một bộ pin nhiên liệu kiềm 5kW dùng chất xúc tác cobalt. Chiếc xe này vận hành rất êm và không sinh ra khí ô nhiễm.


    [​IMG]

    Hình 1.16 Chiếc xe taxi chạy bằng pin nhiên liệu đầu tiên của ZEVCO ở London, Anh
    Vì dung dịch kiềm có tính hấp thụ CO2, làm giảm hiệu quả của chất điện phân. Vì vậy, nhiên liệu đòi hỏi phải là hydro tinh khiết và không khí phải được làm sạch CO2 trước khi đưa vào sử dụng cho pin nhiên liệu kiềm.

    Tác động xấu của CO2 bắt nguồn từ phản ứng của nó với OH-:

    CO2 2OH CO32 H2O

    Khi phản ứng trên xảy ra, nồng độ OH- sẽ giảm, đồng thời tạo ra muối carbonate kết tủa tại các điện cực, từ đó, làm giảm khả năng hòa trộn khí và khả năng trao đổi chất xảy ra trong pin nhiên liệu, và như vậy sẽ làm giảm hiệu suất của pin.

    1.2.1.4 Pin nhiên liệu axit phosphoric (PAFC)

    a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
    Pin nhiên liệu axit phosphoric dùng axit phosphoric làm chất điện phân. Vật liệu các điện cực thường là carbon; và platin hoặc các hợp kim của platin thường được dùng làm chất xúc tác trong pin nhiên liệu kiềm.

    Nguyên lý hoạt động của PAFC cũng tương tự như của PEMFC, các ion mang điện tích là H+ cũng di chuyển từ anode sang cathode và nước cũng được tạo thành tại cathode của pin nhiên liệu.

    Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực điễn ra như sau:

    Phản ứng trên anode: 2H2  4H  4e

    Phản ứng trên cathode: O2  4H  4e  2H2O

    Tổng quát: 2H2 O2 2H2O + điện năng + nhiệt năng.


    [​IMG]

    Hình 1.17 Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu axit phosphoric

    b) Các đặc điểm
    Hiệu suất pin nhiên liệu axit phosphoric có thể đạt từ 40 đến 80%, và nhiệt độ vận hành thường cao, nằm trong khoảng 150 đến 2050C vì ở nhiệt độ thấp axit phosphoric dẫn ion rất yếu. Mỗi pin đơn có thể tạo ra điện áp 1,1 V.

    Các pin nhiên liệu PAFC hiện tại có công suất đến 200 kW, và thậm chí 11 MW đã được thử nghiệm. PAFC có thể chịu được nồng độ CO khoảng 1,5%, do đó mở rộng khoảng chọn lựa loại nhiên liệu mà chúng có thể sử dụng. Tuy nhiên, PAFC đòi hỏi điện cực bạch kim, và các bộ phận bên trong phải chống chịu được ăn mòn axit.

    PAFC đã được phát triển, kiểm tra thực nghiệm từ giữa thập kỉ 60 và 70 của thế kỉ trước, là dạng pin nhiên liệu đầu tiên được thương mại hóa trên thị trường nên đến ngày nay PAFC đã có được nhiều cải tiến đáng kể nhằm giảm chi phí và tăng tính ổn định, chất lượng hoạt động. Hệ thống PAFC thường được cài đặt cho các tòa nhà, khách sạn, bệnh viện, các thiết bị điện (các ứng dụng tĩnh tương đối lớn) và công nghệ này đã được phổ biến ở Nhật Bản, châu Âu và Hoa Kỳ.

    1.2.1.5 Pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy (MCFC)

    a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

    [​IMG]

    Hình 1.18 Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu carbonate nóng chảy
    Pin nhiên liệu carbonate nóng chảy dùng các muối carbonate của Na hoặc Mg ở nhiệt độ cao làm chất điện phân.

    Pin nhiên liệu carbonate nóng chảy là một loại pin hoạt động ở nhiệt độ cao (khoảng 6500C) nên chúng có thể dùng chất xúc tác điện cực nikel, không đắt lắm so với xúc tác điện cực platin.

    Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực điễn ra như sau:

    Phản ứng trên anode: 2CO32 2H2 2H2O2CO2 4e

    Phản ứng trên cathode: 2CO2 O2 4e 2CO32

    Tổng quát: 2H2 O2 2H2O + điện năng + nhiệt năng.

    Trong pin nhiên liệu carbonate nóng chảy, các hạt ion mang điện tích âm

    CO32sẽ di chuyển qua chất điện phân để đến anode của pin nhiên liệu, kết hợp với các ion hydro có ở anode để tạo thành nước và CO2. Các electron vừa được tách ra từ các nguyên tử hydro ở anode vẫn di chuyển qua mạch điện bên ngoài để sang cathode. Oxy tại cathode sẽ nhận các electron này rồi kết hợp với khí CO2(thu từ anode và nguồn bổ sung bên ngoài) để tạo thành các ion CO32 bổ sung cho chất điện phân. Như vậy, pin nhiên liệu loại này cần phải bổ sung thêm CO2 từ bên ngoài vì lượng CO2 thu được từ anode sẽ bị tổn thất trong quá trình pin hoạt động. b) Các đặc điểm

    Hiệu suất của pin nhiên liệu carbonate nóng chảy đạt từ 60 đến 80%, nhiệt độ vận hành khoảng 6500C, công suất đầu ra có thể lên đến 2 MW. Mỗi pin đơn có thể tạo ra điện áp từ 0,7 đến 1,0 V.

    Do nhiệt độ hoạt động cao, nên đa số các ứng dụng của pin nhiên liệu carbonate nóng chảy thường là các nhà máy và trạm phát điện lớn. Nhiệt độ cao của quá trình vận hành có thể được tận dụng để tạo năng lượng sưởi ấm, dùng cho các quá trình công nghiệp hay động cơ hơi nước để sinh ra thêm điện năng. Ngoài ra, nhờ hoạt động ở nhiệt độ cao như vậy nên việc tách hydro từ các nhiên liệu khác có thể thực hiện bên trong pin, vì thế, nhiên liệu sử dụng cho pin nhiên liệu loại này không cần phải là hydro tinh khiết, chúng có thể là các hydrocarbon, khí thiên nhiên, khí than đá,… Tuy nhiên, nhiệt độ cao cũng có mặt hạn chế về vật liệu và an toàn. Bên cạnh đó, ion carbonate từ chất điện phân sẽ bị sử dụng hết trong phản ứng, đòi hỏi phải tiếp thêm khí carbonic bù vào.

    1.2.1.6 Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC)

    a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
    [​IMG]

    Hình 1.19 Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu oxit rắn
    Pin nhiên liệu oxit rắn sử dụng một hợp chất oxit kim loại rắn (như calcium hay ziconium) làm chất điện phân. Đây là dạng pin nhiên liệu vận hành ở nhiệt độ cao nhất hiện nay. Nhiệt độ cao cho phép pin có thể sử dụng được nhiều loại nhiên liệu đầu vào như khí thiên nhiên, các hydrocarbon,… Mặc dù chúng không trực tiếp tiêu dùng các hydrocarbon nhưng nhờ nhiệt độ vận hành cao, nên chúng có khả năng tách hydro từ các hydrocarbon ngay trong pin nhiên liệu mà không cần phải thông qua các bước xử lí bên ngoài.

    Chất điện phân là vật liệu oxit rắn, mỏng và cho phép ion O2- đi qua. Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực điễn ra như sau:

    Phản ứng trên anode: 2H2  2O2  2H2O 4e

    Phản ứng trên cathode: O2  4e  2O2

    Tổng quát: 2H2 O2 2H2O + điện năng + nhiệt năng.

    b) Đặc điểm
    Pin nhiên liệu oxit rắn hoạt động ở nhiệt độ từ 600 đến 10000C, hiệu suất pin đạt được khoảng 60%, công suất đầu ra của pin có thể đạt 100 kW. Mỗi pin đơn có thể tạo ra điện áp từ 0,8 đến 1,0 V.

    Cũng giống như pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy, do vận hành ở nhiệt độ khá cao nên dạng pin nhiên liệu này thường ứng dụng giới hạn trong các hệ thống tĩnh tại khá lớn và nhiệt thừa có thể được tái tận dụng để tạo thêm nguồn điện bổ sung.

    Năm 2007, Giáo sư Shriram Ramanathan, chuyên ngành Khoa học vật liệu phát triển thuộc Trường Đại học Harvard (Mỹ) qua đã chế tạo ra các chất điện phân ôxít rắn chất lượng cao, có thể giúp cho ra đời những chiếc pin nhiên liệu kiểu mới với khả năng sử dụng các loại nhiên liệu sẵn có hiện nay thay cho hyđro. Mẫu pin này hoạt động khá ổn định so với các loại SOFC trước nay vẫn sử dụng trong một số nhà máy phát điện hay các ứng dụng cố định khác. Theo đó, các cực điện phân chỉ có độ dày vào khoảng 25 nanomét (bằng khoảng 1/1000 bề dày các cực điện phân trong các mẫu SOFC hiện thời), cho phép các pin nhiên liệu kiểu mới hoạt động tốt ở nhiệt độ 300oC, thấp hơn nhiều so với 600oC – 1000oC ở các SOFC thông thường. Sử dụng mẫu pin này sẽ giúp giảm chi phí sản xuất, vận chuyển và phân phối hydro và dễ tạo thành khối pin nhỏ gọn để sử dụng cho các phương tiện giao thông cũng như cho các máy phát điện cầm tay.

    Hiện nay, đa số các ôtô sử dụng công nghệ này đều lựa chọn pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer (PEMFC) vì những lý do sau:

    - Do màng điện phân là chất rắn nên nó tránh được vấn đề rò rỉ.

    - Nhiệt độ hoạt động thấp nên có thể nhanh chóng tạo ra năng lượng điện để đáp ứng yêu cầu của xe.

    - Không có chứa các chất ăn mòn nên tuổi thọ cao.



    1.2.2 Phân loại Pin năng lượng mặt trời
    Theo tìm hiểu hiên giợ ̀ phổ biến 3 loai sau: Crystalline silicon solar cell, ̣ CIGS solar cell và CdTe Photovoltaic Cell.

    [​IMG]

    Crystalline Silicon Solar

    CIGS Solar Cell CdTe Photovoltaic Cell

    Cell



    Bảng 1.2 - So sánh ưu nhược điểm các loại pin mặt trời

    Loại Cell

    Ưu điểm

    Nhươc ̣ điểm

    Crystalline Silicon Solar Cell

    Hiệu quả chuyển hóa NLMT thành điên cao hơn nhiều so ̣ với 2 loai cọ ̀n lai.̣

    Tính bền không cao, nhây ̣ cảm với nhiêt độ vạ ̀ điều kiên ạ ́nh sáng; Giá thành tương đối đắt.

    CIGS

    Solar

    Cell

    Trong các nghiên cứu ở phòng lab thì hiểu quả chuyển hóa NLMT thành điên thấp hơn silicon nhưng ̣ cao hơn CdTe; Giá thành sản xuất rẻ hơn silicon nhưng đắt hơn CdTe

    Scalability: Hiêu quạ ̉ chuyển hóa NLMT khi

    sản xuất các tấm pin măt ̣ trời qui mô lớn không đat ̣ như kết quả trong phòng

    thí nghiêṃ

    CdTe

    Photovoltaic Cell


    Giá thành sản xuất rẻ hơn hai loai trên; Robustness: ̣ cao hơn nhiều, hoat độ ng ̣ trong các điều kiên nhiệ t độ ̣ và ánh sáng khác nhau bao gồm cả những lúc nhâp ̣ nhoang tối; Scalabitity: dệ ̃ dàng triển khai các tấm pin

    Hiểu quả chuyển hóa NLMT thành điên thấp ̣ hơn so với 2 loai trên.̣

    [​IMG]
    ̉ ̉

    ̉ ̉

    1.3 CẤU TẠO CỦA CÁC BỘ PHẬN VÀ CỤM CHI TIẾT
    Trên các dòng xe chạy bằng Pin nhiên liệu hay Pin năng lượng mặt trời, hầu hết các bộ phận trong hệ thống động cơ, truyền lực đều giống nhau về cấu tạo và nguyên lý hoạt động. Sự khác biệt duy nhất giữa 2 cấu hình này chính là công suất và nguồn nạp.

    Trong quá trình tìm hiểu, nhóm chúng tôi đã phát hiện ra rằng pin nhiên liệu luôn đạt được công suất cao hơn so với pin năng lượng mặt trời khi có cùng kích thước, chi phí chế tạo, thời gian sử dụng, cùng vận hành 1 động cơ điện.

    1.3.1 Mô hình tổng quát
    a. Một xe chạy bằng Pin nhiên liệu cơ bản có sơ đồ chung như sau:


    [​IMG]

    Ø The power control unit: hộp điều khiển điện tử

    Ø The mô-tơ : Mô-tơ điện

    Ø The boost conveter: Bộ chuyển đổi điện

    Ø The fuel cell stack: Cụm pin nhiên liệu

    Ø The hdrogen tanks: bình chứa hydro

    Ø The battery: accquy điện áp cao

    b. Sơ đồ tổng thể trên xe chạy bằng năng lượng mặt trời:

    Ngày nay, chưa có mẫu xe chạy hoàn toàn bằng năng lượng từ pin mặt trời được sản xuất và sử dụng đại trà. Hầu hết các hãng xe đều sử dụng các tấm pin mặt trời năng lượng phụ trợ, chẳng hạn như cho điều hòa không khí, để giữ cho nội thất mát mẻ, do đó giảm nhiên liệu như Toyota Prius và Audi A8 cũng có tùy chọn trang bị pin mặt trời để cung cấp điện cho hệ thống làm mát cabin khi xe đỗ dưới nắng. Ford C-MAX solar energi là mẫu xe đầu tiên sử dụng năng lượng mặt trời để tác động vào động cơ. Tuy nhiên mẫu concept thú vị này thực chất là một chiếc xe hybrid với bộ pin có khả năng sạc từ ổ cắm điện thường dùng hoặc từ ánh nắng mặt trời.

    Dưới đây là sơ đồ của loại xe sử dụng pin mặt trời kết hợp nhiên liệu LPG


    [​IMG]

    Sơ đồ bố trí tổng thể trên xe SC4

    1-bộ điều kế; 2- pin Mặt trời; 3-thùng xăng; 4-thùng nhiên liệu LPG; 5-cầu chủ động; 6-hộp số; 7-động cơ LPG; 8- bàn đạp phanh; 9-bàn đạp ga; 10-bảng điều khiển; 11-bộ đổi điện 48V-12V; 12-bộ điều khiển động cơ; 13-động cơ điện; 14-ắc quy.



    1.3.2 Mô-tơ điện – máy phát điện
    [​IMG]

    Hình 1.20 Mô-tơ điện tích hợp máy phát điện
    Trên xe chạy bằng năng lượng điện, việc sử dụng 1 mô-tơ điện đồng bộ 3 pha A/C tích hợp máy phát điện là điều tối quan trọng.

    Mô-tơ điện công suất cao được làm từ việc sử dụng các tấm nam châm vĩnh cửu gắn vào thành rotor là các tấm thép hợp kim đặc biệt. Các nam châm được xếp theo hình dạng chữ V, nó còn được điều chỉnh tối ưu góc xoay giữa rotor và stator để có thể tạo ra được dòng từ trường lớn. Đây là cấu hình động cơ điện tốt nhất được các kĩ sư tính toán sau đó đưa ra để tối đa hóa mô-men xoắn và công suất đầu ra của động cơ điện. Tất cả những cải tiến dần dân đã cho ra những động cơ với các chỉ số về công suất cao và sức mạnh đủ để vận hành 1 chiếc xe hơi chạy bằng điện năng.

    [​IMG]


    Hình 1.21 Mát phát điện tích hợp bên trong mô-tơ điện (Hình bên phải).

    Stator trong mô-tơ điện (Hình bên trái).

    Như đã nói ở trên, việc kết hợp máy phát điện vào bên trong mô-tơ điện là rất quan trọng cho quá trình tái tạo năng lượng trên cả xe sử dụng pin nhiên liệu và pin năng lượng mặt trời. ECU sẽ tính toán thời điểm bắt đầu đảo cực của dòng điện để biến mô-tơ điện thành máy phát điện dựa vào các tính hiệu về tốc độ xe, chế độ làm việc của động cơ, cảm biến phanh… từ đó nạp điện lại cho ắc-quy.

    1.3.3 Hộp số
    Các đời xe chạy bằng năng lượng điện thuần túy từ trước sử dụng các loại hộp số khác nhau như: hộp số sàn, hộp số tự động, hộp số tự động vô cấp, gần đây nhất là hộp số 1 cấp duy nhất (một động cơ điện được đặt nằm ngang trong khoang máy truyền lực xuống cầu phía trước thông qua một hộp số với tỉ lệ cố định nhằm tạo ra công suất tối đa và mômen xoắn cực đại).

    Ngày nay, xe chạy bằng pin nhiên liệu hay pin năng lượng mặt trời thường sử dụng hộp số tự động vô cấp, hoặc hộp số 1 cấp.

    Sử dụng hộp số 1 cấp duy nhất làm cho cơ cấu hộp số trở nên tối giản nhất. Việc tăng tốc được thực hiện từ bàn đạp ga làm cho dòng điện qua mô-tơ điện tăng lên, từ đó làm tăng vòng quay của mô-tơ điện. Khi dòng điện chạy qua động cơ, nó sẽ phân cực stator (bộ phận đứng yên bao quanh rotor) để tạo ra từ trường quay. Sự quay của từ trường kéo theo rotor quay theo. Rotor lại được nối với hệ thống truyền động và kéo theo nó quay theo. Dòng điện gởi tới động cơ càng mạnh thì từ trường càng đảo chiều nhanh, rotor quay càng nhanh và xe cũng chạy nhanh lên.

    Tuy nhiên, điều này làm xe chạy với sức kéo yếu và không ổn định vì chỉ có 1 tỉ số truyền liên tục cho tất cả các chế độ tải của động cơ, dẫn đến việc mô-tơ điện trở nên quá tải. Nên các nhà thiết kế đã chuyển sang sử dụng hộp số tự động vô cấp cho hầu hết các xe chạy bằng điện năng hiện nay trên thế giới.


    [​IMG]

    Hình 1.22 Mô hình cơ bản của hộp số tự động vô cấp


    1.3.4 Bộ chuyển đổi điện
    [​IMG]

    Hình 1.23 Bộ chuyển đổi điện trên xe Toyota Mirai
    Bộ chuyển điện áp là thiết bị dùng để biến đổi điện áp từ dòng D/C sang A/C (điện xoay chiều) để sử dụng cho các chế độ hoạt động cần công suất cao của ô tô, các phụ tải trên ô tô. Nguyên lý hoạt động của nó khá đơn giản.

    Dòng điện 1 chiều sinh ra bởi pin nhiên liệu Hydro được dẫn vào bên trong máy biến tần của bộ chuyển điện. Thông qua 1 công tắc điện tử (thường sử dụng các Transistor bán dẫn), hướng chuyển động của các điện tích ban đầu từ chuyển động 1 chiều liên tục bị phá vỡ, làm cho các điện tích chuyển động hỗn loạn, đột ngột đảo hướng và đi ra ngoài.

    Việc chuyển đổi hướng của các điện áp tạo ra dòng xoay chiều ở cuộn thứ cấp của máy chuyển điện. Cuối cùng, 1 dòng điện xoay chiều được tạo ra cung cấp cho tải của xe điện. Ví dụ như mô-tơ điện. Một bộ chỉnh lưu cũng được bố trí để thực hiện công việc tương tự như máy biến tần nhưng ngược lại là chuyển dòng điện A/C thành dòng D/C.

    1 chức năng khác của bộ chuyển đổi điện là biến đổi điện áp ( bao gồm A/C và D/C) của nguồn điện (fuel cell). Có 2 công việc ở đây là Tăng áp hoặc Giảm áp. Thông thường, nó sẽ nhận nguồn điện áp thấp từ nguồn sau đó biến đổi tăng áp cho các tải nặng hoạt động tốt với dòng điện có điện áp cao (khởi động, tăng tốc, toàn tải, Điều hòa,...). Tất nhiên nó vẫn có thể đảm nhận việc giảm điện áp để tránh hao tổn năng lượng khi sử dụng cho các loại tải thấp như: thấp sáng, radio, ...

    Như vậy, bộ chuyển đổi điện áp có thể coi là thiết bị 2-trong-1: chuyển đổi dòng điện và biến đổi điện áp. Đây là những giai đoạn rất quan trọng để 1 chiếc xe chạy bằng điện có thể hoạt động bình thường (hoặc tốt). Cùng với việc phát triển và lắp đặt thêm bộ điều khiển sạc cho Pin, bộ chuyển đổi điện cũng có thể sạc lại pin khi xe phanh hoặc giảm tốc, hoặc cấp thêm điện cho mô tơ điện khi xe khởi động.



    1.3.5 Ắc quy điện áp cao
    Để đáp ứng được nhu cầu về vận tải và phụ tải trên ô tô, các nhà thiết kế sử dụng các loại pin với công nghệ điện phân tiên tiến. Pin Ni-MH và Pin Lithium-ion là 2 loại được sử dụng rộng rãi trên các dòng xe chạy bằng điện năng hiện nay.

    a) Pin Ni-MH (pin Niken-Hydro kim loại)

    [​IMG]

    Hình 1.24 Pin Ni-MH sử dụng trên xe Toyota Mirai Ra đời vào năm 1989 và bắt đầu được sử dụng rộng rãi từ năm 1990 nhằm thay thế cho pin Ni-Cd trong hầu hết ứng dụng. So với pin Ni-Cd thì Ni-MH bớt ô nhiễm hơn do loại bỏ được kim loại nặng Cadium, thêm nữa khó bị “chai” hơn. Công nghệ Ni-MH cho phép có được 1 tỷ trọng năng lượng cao hơn Ni-Cd ( 5570Wh/kg so với 40-60Wh/kg). Mức tỷ trọng này, cùng với tuổi thọ ngắn (1000 chu kỳ sạc-xả) vẫn là không đủ trong những ứng dụng xe 100% chạy điện. Tuy nhiên, nếu chỉ đóng vai trò nguồn cung cấp năng lượng phụ thì công nghệ Ni-MH lại rất hợp lý trong những ứng dụng xe lai không sạc HEV. Đặc biệt sau thành công của mẫu xe lai Hybrid huyền thoại Toyota Prius, nó đã trở thành sự lựa chọn số 1 của các hãng xe trong các dự án chế tạo xe Hybrid (2 triệu xe được trang bị công nghệ Ni-MH). . Ở cục dương của pin, ta có hợp chất Nickel dihydroxít (Ni(OH)2) . Ở cực âm là hợp chất kim loại MHx, trong đó M có thể là một hợp chất kim loại có dạng AB5 ví dụ như LaNi5 (LaNi5Hx). Dung môi sử dụng vẫn là KOH.

    b) Pin Lithium-ion


    [​IMG]

    Hình 1.25 Pin Lithium-ion

    Bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 1980, sau đó, được chính thức bán ra thị trường vào năm 1991 bởi SONY trên các sản phẩm mấy ảnh của hãng. Đây là dòng pin phổ biến nhất hiên nay vạ ̀ có nhiều tiềm năng nhất trong việc đáp ứng những đòi hỏi cao hơn của những ứng dung trong giao thông. Đây cụ ̃ng là loại pin đươc trang ḅ ị trên hầu hết moi mậ u xe điễ n có nhiệ m vụ cung c̣ ấp năng lương cho ̣ đông cơ điệ n vạ ̀ thường hoat độ ng ợ ̉ điện thế 400V. Về cấu tạo, pin Li-ion cũng bao gồm 2 cực điện thế âm, dương được đặt trong dung môi dưới dạng lỏng.

    Nguyên lý hoạt động của pin dựa trên phản ứng oxy hóa khử giữa 2 điện cực của pin. Để đạt được hiệu năng cao là cả một sự thách thức khi với mỗi một hợp chất kim loại khác nhau ở cực âm và cực dương, chưa kể ảnh hưởng của dung môi, lại có những hiện tượng khác nhau xảy ra mà không tuân theo bất kỳ quy luật nào. Đó là lý do mà vì sao cho đến tận bây giờ, tuy đã trải qua hơn 30 năm nghiên cứu và phát triển nhưng các nhà khoa học vẫn chưa thực sự hiểu được tường tận nguyên lý hoạt động và toàn bộ quá trình xảy ra phản ứng của pin Li-ion.

    Tuy vậy, các nhà khoa học cũng đã tìm ra được một số tổ hợp cho ra những kết quả khả quan bước đầu đủ để ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày. Cực dương thường được chọn trong số những hợp chất sau : licoo2 (LCO), Li(nicoal)O2 (NCA), Li(nimnco)O2 (NMC), limn2o4 (LMO), lifepo4 (LFP). Cực âm thì hiện nay phổ biến 2 hợp chất gồm : Graphít (C) và Li4Ti5O12 (LTO).

    [​IMG]

    Hình 1.26 Biểu đồ đánh giá các loại pin Li-ion phổ biến
    1.3.6 Các bộ phận hỗ trợ
    1.3.6.1 Cụm bình chứa nhiên liệu Hydro
    Đối với ôtô pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu thứ cấp thì thùng chứa nhiên liệu cũng tương tự như các ôtô sử dụng nhiên liệu truyền thống. Còn đối với các ôtô pin nhiên liệu sử dụng hydro trực tiếp đòi hỏi phải có thiết bị để tích trữ hydro.

    [​IMG]

    Hình 1.24 Bình chứa khí Hydro nén áp suất cao
    (1)Lớp vỏ nhựa (2)Sợi các-bon cường hóa (3)Sợi thủy tinh cường hóa

    Trong những trường hợp khẩn cấp (tai nạn, sự cố,…) các cảm biến tích hợp trên xe sẽ ngay lập tức khóa van bình chứa lại để khí hydro không bị rò rỉ ra bên ngoài.

    Có nhiều cách khác nhau để tích trữ hydro tinh khiết trên ôtô. Tuy nhiên, hiện nay chỉ có hai loại phổ biến nhất đó là bình tích trữ khí hydro được nén áp suất cao (hình 1.24) hoặc bình được cách ly tốt dùng cho hydro lỏng (hình 1.25).

    [​IMG]
    Ống hút khí hydro

    Ống hút khí hydro



    Hình 1.25 Bình chứa Hydro hóa lỏng
    1.3.6.2 Bộ chuyển đổi nhiên liệu
    Cấu tạo của một bộ chyển đổi nhiên liệu được thể hiện ở hình 1.26. Nguyên lý hoạt động của nó như sau:

    Hỗn hợp nhiên liệu và hơi nước theo đường ống 1 được đưa vào bộ chuyển đổi. Hỗn hợp nhiên liệu thô này được chuyển đổi bởi lớp chất xúc tác 2 để tạo ra một hỗn hợp khí trong đó có chứa khí hydro. Hỗn hợp khí này tiếp tục đi qua ống hấp thụ hydro 4 (là loại ống kiểu màng) để khí hydro được tách riêng ra. Tiếp theo, khí hydro này được đưa ra ngoài theo đường ống 3; còn CO2, CO, H2O và nhiên liệu không phản ứng không xuyên qua được ống hấp thụ 4 mà chúng được đưa ra ngoài theo một đường khác (không thể hiện trên hình vẽ). Lớp chất xúc tác và ống hấp thụ hydro kiểu màng được đặt trong xilanh 5 và xilanh 5 được đặt bên trong lớp vỏ 10.

    Mặt khác, bộ chuyển đổi nhiên liệu này có một ngòi đốt 7. Ngòi đốt này được đặt ngay tâm của một lớp vật liệu chịu nhiệt 6 như hình vẽ. Ngòi đốt này sẽ đốt hơi nhiên liệu được đưa vào thông qua ống 8 và không khí được đưa vào thông qua ống 9. Bằng cách đó sẽ tạo ra được năng lượng nhiệt cần thiết để tạo ra hơi nước cho phản ứng của bộ chuyển đổi. Hơi nước này cung cấp đến lớp chất xúc tác 2 để giữ cho lớp chất xúc tác ở một nhiệt độ đã được xác định trước.

    [​IMG]

    Hình 1.26 Cấu tạo bộ chuyển đổi nhiên liệu


    1 - Ống vào của nhiên liệu thô; 2 - Lớp chất xúc tác

    3 - Ống ra của nhiên liệu hydro; 4 - Ống hấp thụ hydro

    5 – Xilanh; 6 - Lớp vật liệu chịu nhiệt; 7 - Ngòi đốt

    8 - Đường đưa nhiên liệu vào để đốt; 9 - Đường nạp không khí 10 - Vỏ bộ chuyển đổi; 11 - Đường ống thải


    Ở bộ chuyển đổi này, những loại nhiên liệu như khí thiên nhiên, các loại hydrocacbon nhẹ có thể được sử dụng. Tuy nhiên các khí ga tự nhiên đã được nén (CNG) là phù hợp và tốt nhất cho loại bộ chuyển đổi này.

    Chất xúc tác trong bộ chuyển đổi này có thể dùng từ nhiều loại chất xúc tác khác nhau để tạo ra hydro từ những loại nhiên liệu đã được kể ở trên, cùng với quá trình chuyển đổi hơi nước.

    Ống hấp thụ 4 được hợp thành từ một màng kim loại hấp thụ hydro. Nó chỉ cho phép hydro đi qua rồi cung cấp hydro này đến pin nhiên liệu. Hydro qua ống màng kim loại này cũng có sự lựa chọn, hydro có độ tinh khiết rất cao mới được đi qua.

    Thêm vào đó, ống hấp thụ hydro này sẽ lựa chọn và tách hydro ra ngay lập tức từ sẩn phẩm của quá trình phản ứng, làm giảm áp suất cục bộ của hydro trong sản phẩm đó. Vì vậy, phản ứng được đẩy mạnh hơn trên bề mặt của chất xúc tác và lượng khí hydro cũng tăng lên. Bằng việc sử dụng ống màng hấp thụ này thì nhiệt độ trong vùng phản ứng cần đạt được 500 oC đến 600 oC. Trong trường hợp khí được chuyển đổi là khí methane thì nhiệt độ trong vùng phản ứng yêu cầu khoảng 800oC. Do hydro được hút xuyên qua màng hấp thụ nên phản ứng hóa học được dịch chuyển vào bên trong của lớp chất xúc tác, điều đó làm cho hydro tăng lên mà nhiệt độ trong vùng phản ứng lại giảm xuống khoảng 200oC đến 300oC. Vì vậy, lượng nhiệt cấp cho khí phản ứng được tiết kiệm làm cho hiệu suất nhiệt tăng lên đáng kể. Bởi vì nhiệt độ phản ứng thấp nên vật liệu rẻ tiền, chịu được nhiệt độ thấp có thể được sử dụng cho thiết bị này dẫn đến chi phí cho thiết bị giảm xuống. Đây cũng là lí do đặc biệt phù hợp để ứng dụng trên xe chạy bằng pin nhiên liệu.


    1.3.6.3 Bộ điều chỉnh điện áp (Power Control Unit)
    [​IMG]

    Hình 1.27 Bộ điều chỉnh điện áp và mặt cắt bên trong
    Bộ điều chỉnh điện áp trên xe chạy bằng điện năng gồm một biến tần để thực hiện chuyển đồi dòng điện D/C thành A/C cung cấp cho mô-tơ điện và một mạch điện để đảo cực dòng điện D/C phục vụ cho quá trình tự sạc lại cho ắc-quy. Bên trong còn bố trí hệ thống làm mát trực tiếp bằng dung dịch riêng, nâng cao hiệu quả làm mát, thu nhỏ kích thước máy biến tần, giảm trọng lượng.

    Một mạch điện tăng áp cũng được thiết kế trên PCU của xe Toyota Mirai để kích thích tăng áp dòng điện bình thường từ 201.6V D/C lên tới 650V D/C. Điều này làm cho công suất của động cơ điện tăng cao, nâng cao hiệu quả của toàn bộ hệ thống.

    Bộ chuyển đổi D/C sang D/C với mục đích giảm điện áp để nạp lại cho ắcquy từ 201.6V xuống còn 12v để phục vụ các phụ tải nhỏ khác và ECU trên xe.

    1.3.6.5 Siêu tụ
    Siêu tụ cũng là một loại tụ điện, nguyên lý hoạt động cơ bản của nó được minh họa trên hình 1.28.

    Khi hai thanh carbon được nhúng vào dung dịch axit sulfuric loãng, được ngăn cách với nhau và nạp với điện áp tăng từ 0 -1,5V, hầu như không có hiện tượng gì xảy ra khi điện áp lên đến 1V. Nhưng khi điện áp hơn 1.2 V thì thấy xuất hiện các bọt khí nhỏ ở cả hai bản cực, do sự phân ly của nước.

    Như vậy, thanh carbon phía bản cực âm thu thập các electron và sau đó là các ion dương của chất điện phân; thanh carbon phía bản cực dương thu thập các điện tích dương và các ion âm của chất điện phân. Lớp ngăn cách không cho hai điện cực chạm nhau nhưng cho phép các ion dương và ion âm di chuyển về các điện cực. Điều này làm hình thành một “lớp lưỡng cực điện” tại vùng tiếp xúc giữa các bản cực và chất điện phân, làm cho tụ điện giống như hai tụ điện được mắc nối tiếp.

    [​IMG]

    Hình 1.28 Nguyên lý hoạt động của siêu tụ
    Thiết kế này làm cho các điện tích trên các điện cực gần nhau hơn và tăng diện tích tiếp xúc tương đối giữa các bản cực, từ đó làm tăng điện dung của siêu tụ lên rất lớn.

    Có ưu điểm lớn trong việc sử dụng lớp lưỡng cực điện thay vì plastic hay oxit nhôm trong một tụ điện vì lớp lưỡng cực điện này rất mỏng và điện dung trên diện tích bề mặt rất lớn (2,55F /cm2). Mặt khác, các bản cực được làm bằng vật liệu có diện tích bề mặt riêng lớn (10003000m2 / g). Như vậy, với 1g vật liệu điện cực có diện tích bề mặt riêng 1000m2 / g , điện dung siêu tụ có thể lên đến 50F.

    Trên hình 1.29 là một tụ điện có điện dung 1500F, điện áp 2,5V, năng lượng riêng lớn nhất là 5,3 Wh/kg, công suất riêng lớn nhất là 4,8 kW/kg. Nó có đường kính chỉ 50 mm và chiều dài chỉ 150 mm.

    [​IMG]

    Hình 1.29 Một siêu tụ điển hình

    Siêu tụ là thiết bị có công suất riêng cao hơn so với ắc-quy, nhưng lại có năng lượng riêng thấp hơn. Năng lượng riêng của nó chỉ nằm trong phạm vi vài Wh/kg. Tuy nhiên công suất riêng của nó có thể đạt 3 kW/kg, cao hơn nhiều so với bất kỳ loại ắc-quy nào.

    Hãng Hyundai đã chứng minh rằng, ôtô pin nhiên liệu trang bị siêu tụ có hiệu suất năng lượng cao hơn 10% so với ôtô pin nhiên liệu sử dụng ắc-quy, thời gian tăng tốc từ 60 đến 100 km/h ít hơn 0,5 - 1 giây và có thể kéo dài tuổi thọ cho pin nhiên liệu.

    Bảng So sánh các thông số của ắc-quy và siêu tụ
    Công suất riêng

    Ắc-quy < Siêu tụ

    Năng lượng riêng

    Ắc-quy > Siêu tụ

    Hiệu suất

    Ắc-quy < Siêu tụ

    Giá

    Ắc-quy > Siêu tụ

    Số lần phóng nạp

    Ắc-quy < Siêu tụ



    PHẦN 2 CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC
    2.1 SƠ ĐỒ BỐ TRÍ CHUNG CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC
    Cũng như ôtô điện thông thường, hệ thống truyền lực của ôtô pin nhiên liệu và pin năng lượng mặt trời cũng có một số phương án bố trí thể hiện ở hình sau:


    [​IMG]


    C: Ly hợp

    D: Vi sai

    GB: Hộp số

    FG: Hộp bánh răng cố định

    PGS: Bộ bánh răng hành

    tinh

    M: Mô-tơ điện


    (a) Trong phương án này một mô-tơ điện thay thế cho động cơ đốt trong của các ôtô thông thường hiện nay với hệ thống truyền lực được giữ nguyên. Nó bao gồm một mô-tơ điện, một ly hợp, một hộp số thường, và một vi sai. Ly hợp được dùng để kết nối hoặc ngắt dòng công suất từ mô-tơ điện đến các bánh xe chủ động. Ly hợp và hộp số thường có thể thay thế bằng hộp số tự động.

    (b) Với một mô-tơ điện có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt, thì một hệ bánh răng cố định có thể thay thế cho hộp số đa cấp và không cần thiết có ly hợp. Cấu trúc này không chỉ giảm kích thước và trọng lượng của hộp số cơ khí mà còn làm cho việc điều khiển hệ thống truyền lực đơn giản hơn.

    (c) Hệ thống truyền lực tương tự với phương án (b), một mô-tơ điện, hệ bánh răng cố định và vi sai có thể được tích hợp thành một một cụm trong khi hai đầu trục hai bên dẫn động các bánh xe hai bên tương ứng. Cả hệ thống truyền lực trở nên đơn giản hơn và gọn gàng hơn.

    (d) Trong hình (d), vi sai cơ khí được thay thế bằng hai mô-tơ kéo độc lập. Mỗi mô-tơ dẫn động một bên bánh xe và hoạt động tại tốc độ khác nhau khi xe chạy quay vòng.

    (e) Để làm đơn giản hơn cho hệ thống truyền lực, mô-tơ kéo có thể được đặt tại bánh xe. Sự bố trí đó được gọi là dẫn động tại bánh xe. Một hệ bánh răng hành tinh mỏng được dùng để giảm tốc độ và tăng mômen xoắn cho mô-tơ. Hệ bánh răng thành tinh có ưu điểm là cho tỷ số giảm tốc cao cũng như một sự bố trí thẳng hàng từ trục vào tới trục ra.

    (f) Loại bỏ hoàn toàn cơ cấu cơ khí giữa mô-tơ điện và bánh xe chủ động, thay vào đó đầu ra rotor của mô-tơ điện tốc độ thấp đặt tại bánh xe chủ động và được nối trực tiếp tới bánh xe dẫn động. Điều khiển tốc độ mô-tơ điện tức là điều khiển tốc độ bánh xe và do đó điều khiển tốc độ xe. Tuy nhiên, sự bố trí này yêu cầu mô-tơ điện phải có mômen xoắn cao để khởi động và tăng tốc xe.

    2.2 HOẠT ĐỘNG TRÊN Ô TÔ CHẠY BẰNG PIN NHIÊN LIỆU VÀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
    2.2.1 CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH CHÍNH
    Tùy theo công suất hoặc moment xoắn được yêu cầu từ tín hiệu bàn đạp ga hoặc bàn đạp phanh và các tín hiệu vận hành khác (được tượng trưng bằng công suất Pcomm ), bộ điều khiển xe sẽ tính toán công suất cần thiết cung cấp cho mô-tơ.

    Khi xe cần được kéo với công suất kéo yêu cầu là Ptc (đây là công suất mong muốn mô-tơ sinh ra), bộ điều khiển xe sẽ dựa vào công suất thiết kế của pin nhiên liệu Pfcrated và trạng thái năng lượng của nguồn công suất cực đại (Peaking Power Source - gọi tắt là PPS) để điều khiển dòng năng lượng giữa hệ thống pin nhiên liệu và PPS. Nếu xe cần được phanh với công suất phanh yêu cầu là Pbc , bộ điều khiển xe sẽ căn cứ vào khả năng tạo công suất phanh cực đại của mô-tơ Pmbmax để điều khiển chế độ phanh phù hợp với yêu cầu của xe.

    Do đó, trong khi kéo xe, công suất điện đầu vào tới mô-tơ dẫn động có thể được biểu diễn như sau:

    Pmin [​IMG]Ptc

    m

    với m là hiệu suất của mô-tơ dẫn động.

    Tuy nhiên, khi phanh, mô-tơ dẫn động có chức năng như một máy phát điện, và công suất điện đầu ra từ mô-tơ có thể được biểu diễn như sau:

    Pmout Pbc.m với Pbc là công suất phanh yêu cầu.

    Sự điều khiển của bộ điều khiển xe phải đảm bảo các điều kiện sau:

    - Công suất đầu ra của mô-tơ điện luôn luôn đạt yêu cầu.

    - Mức năng lượng trong PPS luôn được duy trì trong phạm vi tối ưu của nó.

    - Hệ thống pin nhiên liệu vận hành trong phạm vi vận hành tối ưu của nó.

    Một ôtô pin nhiên liệu có thể có các chế độ vận hành sau:

    - Chế độ kéo lai: cả pin nhiên liệu và PPS đều cung cấp công suất để kéo xe.

    - Chế độ chỉ có pin nhiên liệu kéo xe: chỉ có pin nhiên liệu cung cấp công suất để kéo xe.

    - Chế độ chỉ có PPS kéo xe: chỉ có PPS cung cấp công suất kéo xe.

    - Chế độ pin nhiên liệu vừa kéo xe vừa sạc cho PPS: pin nhiên liệu cung cấp công suất để vừa kéo xe vừa sạc cho PPS.

    - Chế độ chỉ có phanh tái sinh: một phần động năng của xe được chuyển thành năng lượng điện để nạp cho PPS.

    - Chế độ phanh lai: vừa phanh tái sinh vừa phanh cơ khí.

    Sau đây là các điều kiện để xe vận hành ở một chế độ tương ứng:

    Đối với xe chạy bằng năng lượng mặt trời thì ta sẽ thay thế Fuel cell bằng các tấm Pin năng lượng mặt trời.

    2.2.2 Chế độ kéo lai (toàn tải)
    Xe vận hành ở chế độ này khi nó cần được kéo và mô-tơ cần công suất lớn hơn công suất thiết kế của pin nhiên liệu, chẳng hạn, khi tài xế nhấn bàn đạp ga đột ngột hoặc khi xe leo dốc. Lúc này, hệ thống pin nhiên liệu sẽ hoạt động ở công suất thiết kế của nó (vùng vận hành tối ưu), phần công suất yêu cầu còn lại sẽ được lấy từ PPS.

    Công suất của pin nhiên liệu và công suất phóng của PPS có thể được viết như sau:

    Pfc Pfcrated

    Pppsd Pmin Pfc

    trong đó:

    Pfc - là công suất vận hành của pin nhiên liệu.

    Pfcrated - là công suất thiết kế của pin nhiên liệu.

    Pppsd - là công suất phóng của PPS.

    Pmin - là công suất cần cung cấp cho mô-tơ.


    [​IMG]

    Hình 2.1. Sơ đồ truyền công suất trong chế độ kéo lai
    2.2.3 Chế độ chỉ có pin nhiên liệu kéo xe (tải trung bình)
    Xe vận hành ở chế độ này khi nó cần được kéo, đồng thời, công suất cần cung cấp cho mô-tơ nhỏ hơn công suất thiết kế của pin nhiên liệu nhưng lại lớn hơn một giá trị tối thiểu cho trước (Pfcmin ) và PPS không cần sạc thì một mình hệ thống pin nhiên liệu sẽ cung cấp công suất để kéo xe.

    Công suất của pin nhiên liệu và PPS lúc này có thể được viết như sau:

    Pfc Pmin

    Pppsc 0

    trong đó: Pppsc là công suất sạc cho PPS.

    [​IMG]

    Hình 2.2 Sơ đồ truyền công suất trong chế độ chỉ có pin nhiên liệu kéo xe
    2.2.4 Chế độ chỉ có PPS kéo xe (tải thấp)
    [​IMG]

    Hình 2.3 Sơ đồ truyền công suất trong chế độ chỉ có PPS kéo xe
    Khi xe cần được kéo, đồng thời, mô-tơ cần công suất thấp hơn công suất tối thiểu của pin nhiên liệu và PPS không cần sạc (đạt yêu cầu về năng lượng), pin nhiên liệu vận hành ở chế độ không tải và PPS sẽ cung cấp công suất để kéo xe. Công suất của pin nhiên liệu và công suất phóng của PPS trong trường hợp này có thể được biểu diễn như sau:

    Pfc 0

    Pppsc Pmin

    Trong trường hợp này, công suất lớn nhất mà PPS có thể sản xuất phải lớn hơn công suất mà mô-tơ cần. Sau một thời gian kéo xe, mức năng lượng của PPS giảm và nếu nó cần sạc thì xe sẽ chuyển sang chế độ pin nhiên liệu vừa kéo xe vừa sạc cho PPS.


    2.2.5 Chế độ pin nhiên liệu vừa kéo xe vừa sạc cho PPS
    Xe vận hành ở chế độ này khi nó cần được kéo và xảy ra một trong hai trường hợp sau:

    - Khi mô-tơ cần công suất thấp hơn công suất tối thiểu của pin nhiên liệu và PPS cần sạc (mức năng lượng thấp hơn giá trị min).

    - Khi mô-tơ cần công suất lớn hơn công suất tối thiểu của pin nhiên liệu nhưng nhỏ hơn công suất thiết kế của pin nhiên liệu và PPS cần sạc (mức năng lượng chưa đạt giá trị max).


    [​IMG]

    Hình 2.4 Sơ đồ truyền công suất trong chế độ pin nhiên liệu vừa kéo xe vừa sạc cho PPS
    Khi xe vận hành ở chế độ này, hệ thống pin nhiên liệu sẽ vận hành ở công suất thiết kế, một phần dùng điều khiển xe và một phần dùng để sạc cho PPS.

    Công suất của pin nhiên liệu và công suất sạc cho PPS được biểu diễn như sau:

    Pfc Pfcrated Pppsc Pfc Pmin

    2.2.5 Chế độ chỉ có phanh tái sinh
    [​IMG]

    Hình 2.5 Sơ đồ truyền công suất trong chế độ chỉ có phanh tái sinh
    Xe vận hành ở chế độ này khi nó cần được phanh và công suất phanh yêu cầu nhỏ hơn công suất phanh tối đa mà mô-tơ có thể cung cấp. Khi đó mô-tơ sẽ được điều khiển để có chức năng như một máy phát và một phần động năng của xe sẽ chuyển thành năng lượng điện và nạp cho PPS.

    Một CPU được gắn trong xe dùng để giám sát hệ thống điện; và khi xe lao xuống dốc hoặc phanh, hệ thống sẽ đảo ngược cực của nó, biến mô tơ hỗ trợ điện thành máy phát điện. Lúc đó, đà tiến về phía trước và phanh xe chuyển từ cơ năng sang điện năng và truyền tới pin để tích trữ năng lượng. Đây được gọi là quá trình phanh tái tạo điện năng.

    Trong trường hợp này, công suất sạc cho PPS lúc này có thể được xem là bằng với công suất đầu ra của mô-tơ:

    Pppsc Pmout Pmout Pbc.m

    2.2.6 Chế độ phanh lai
    Đây là trường hợp xảy ra khi xe cần phanh với lực phanh yêu cầu lớn hơn công suất phanh tối đa mà mô-tơ có thể cung cấp. Trong trường hợp này, mô-tơ sẽ được điều khiển để tạo công suất phanh cực đại và phần công suất phanh còn lại được lấy từ phanh cơ khí. Lúc này, PPS cũng được sạc với công suất bằng với công suất đầu ra của mô-tơ và công suất đầu ra của mô-tơ có thể được biểu biễn như sau:

    Pmout Pmbmax.m

    trong đó: Pmbmax là công suất phanh tối đa mà mô-tơ có thể sinh ra.

    2.2.8 Khởi động và dừng tự động

    [​IMG]

    Ở chế độ khởi động: Điện áp được tăng thêm cho mô-tơ điện từ Pin nhiên liệu và ắc quy điện áp cao. Các tín hiệu được gửi về từ cảm biến đặt ở bàn đạp ga và khóa điện khởi động.

    [​IMG]

    Chế độ dừng tự động (Idling stop): chế độ này hoạt động giống như trên các loại xe máy tay ga khi dừng đèn đỏ. Idling stop tắt động cơ điện bằng cách ngắt điện từ pin nhiên liệu và ắc quy tới mô-tơ điện. Khi xe khởi chạy lại (người lái tác động vào bàn đạp ga), tín hiệu được ECU nhận biết sau đó mở dòng điện từ ắc quy điện áp cao đến mô-tơ điện làm cho xe tăng tốc mạnh hơn.

    TÀI LIỆU THAM KHẢO
    1. Fuel cell technology handbook, Gregor Hoogers, 2003.

    2. Nhiên liệu dầu mỡ và chất lỏng chuyên dùng, Văn Thị Bông, ĐH Bách khoa TP. Hồ Chí Minh.

    3. Fuelcelltoday.com

    4. Toyotaglobal.com/innovation/environmental_technology/technology_fi le/fuel_cell_hybrid.html

    5. world.honda.com/FCXClarity/about/
     
    Đã được đổ xăng bởi vukhucdoan.
  2. phanvancan96
    Offline

    Tài xế O-H
    Expand Collapse

    Tham gia ngày:
    23/2/16
    Số km:
    176
    Được đổ xăng:
    6
    Mã lực:
    36
    Giới tính:
    Nam
    Xăng dự trữ:
    35 lít xăng
    bạn ơi . Mình thấy bạn có đăng bài tính toán ô tô ford forcus 1.8 . Bạn có bản full ko . cho mình tham khảo với . mình đang cần lắm nhưng kiếm không ra
     
    Đã được đổ xăng bởi vukhucdoan.
  3. phanvancan96
    Offline

    Tài xế O-H
    Expand Collapse

    Tham gia ngày:
    23/2/16
    Số km:
    176
    Được đổ xăng:
    6
    Mã lực:
    36
    Giới tính:
    Nam
    Xăng dự trữ:
    35 lít xăng

Chia sẻ trang này