Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên các phương tiện giao thông tại việt nam

Nội dung của toàn luận văn được tóm tắt như sau: + Lý do chọn đề tài, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, tính khoa học và thực tiễn của đề tài, nhiệm vụ nghiên cứu, giới hạn và ph

Bố cục của luận văn được thể hiện trong 6 chương, trong đó nội dung chính được thể hiện rõ qua chương 2, 3, 4 và chương 5 Nội dung của toàn luận văn được tóm tắt như sau:

+ Lý do chọn đề tài, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, tính khoa học

và thực tiễn của đề tài, nhiệm vụ nghiên cứu, giới hạn và phương pháp nghiên cứu

+ Tính toán các chỉ tiêu đánh giá pin nhiên liệu: suất điện động thuận nghịch, nhiệt động học, công suất, sự tiêu thụ nhiên liệu và chất oxy hóa, sự tác động của pin đến môi trường, chi phí chế tạo và độ bền sử dụng pin

+ Khái quát và phân loại ôtô pin nhiên liệu, nghiên cứu chi tiết về kết cấu và nguyên lý hoạt động các bộ phận cấu thành nên ôtô pin nhiên liệu, các phương án

bố trí hệ thống truyền lực trên ôtô pin nhiên liệu, quá trình hoạt động của hệ thống

ở các chế độ khác nhau

+ So sánh và đánh giá hiệu suất sử dụng năng lượng của ôtô sử dụng pin nhiên liệu với các loại ôtô khác ; kết thúc luận văn là phần kết luận và các kiến nghị nhằm phát triển để làm nội dung về công nghệ pin nhiên liệu mới hơn, sâu hơn

The layout of thesis is showed in six chapters, in which main content is showed in chapter 2, 3, 4 and chapter 5 The contents of the thesis can be summarized as follows:

+ The reason to choose this topic, in country an overseas research achivements, scientific and practical subject, research tasks, limits and research methodology

+ General introduction of the history and development of fuel cell technology, the importance of hydrogen and storage problems

+ Structural overview, principle of operation and characteristics of fuel cell technologies in common use in the transportation and other important fields + Calculation of performance of fuel cell: reversible electromotive force, thermodynamics, power, the fuel and oxidizer, impact of fuel cell to the environment, the cost of manufacture and durability of battery

+ Overview and classfication of automotive fuel cells, detail research on the structure and operation of principles of the components vehicles fuel cell, the plans on the drivetrain on a car fuel cell, operation of the system in different modes

+ Compare and evaluate the energy efficiency of vehicles use fuel cell with other automotive fuels; end of the thesis is the conclusion and recommendations

to for future development

Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài

Lý lịch cá nhân i

Lời cam đoan ii

Cảm tạ iii

Tóm tắt iv

Mục lục vi

Danh sách các chữ viết tắt vi

Danh sách các hình vii

Danh sách các bảng viii

Chư ngă1.ăTỔNGăQUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 3

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 3

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 6

1.3 Cơ sở khoa học và thực tiễn đề tài 7

1.3.1 Cơ sở khoa học 7

1.3.2 Tính thực tiễn đề tài 7

1.4 Mục đích nghiên cứu 7

1.5 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài 8

1.5.1 Nhiệm vụ nghiên cứu 8

1.5.2 Giới hạn đề tài 8

1.6 Phương pháp nghiên cứu 8

Chư ngă2 C ăSỞăLÝăTHUYẾT 9

2.1 Tổng quan về pin nhiên liệu 9

2.1.1 Khái niệm 9

2.1.2 Lịch sử phát triển 10

2.1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 13

2.1.3.1 Cấu tạo chung của pin nhiên liệu đơn giản 13

2.1.3.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản 13

2.1.4 Cụm pin nhiên liệu và hệ thống pin nhiên liệu 15

2.1.4.1 Cụm pin nhiên liệu 15

2.1.4.2 Hệ thống pin nhiên liệu 16

2.2 Hydrogen và vấn đề cung cấp nhiên liệu 17

2.2.1 Lợi ích của nền kinh tế hydro 17

2.2.2 Cung cấp nhiên liệu 19

Sự dự trữ hydrogen 22

2.2.3 Vấn đề an toàn khi sử dụng hydrogen 29

2.2.4 u và nhược điểm pin nhiên liệu 30

2.2.4.1 u điểm 30

2.2.4.2 Nhược điểm 32

2.2.5 Phạm vi ứng dụng của pin nhiên liệu 32

2.2.5.1 Các ứng dụng cầm tay 33

2.2.5.2 Các ứng dụng tĩnh tại 33

2.2.5.3 ng dụng trên lĩnh vực giao thông vận tải 34

Chư ngă3 CỄCăCỌNGăNGH ăPINăNHIểNăLI U 36

3.1 Phân loại pin nhiên liệu 36

3.2 Các kiểu pin nhiên liệu chính 37

3.2.1 Pin nhiên liệu kiềm (AFC) 37

3.2.1.1 Cấu tạo 37

3.2.1.2 Nguyên lý hoạt động 38

3.2.1.3 Các đặc điểm 38

3.2.2 Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) 39

3.2.2.1 Cấu tạo 40

3.2.2.2 Nguyên lý hoạt động 42

3.2.2.3 nh hưởng của áp suất, nhiệt độ và độ ẩm 43

3.2.3 Pin nhiên liệu axit phosphoric (PAFC) 45

3.2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 46

3.2.3.2 Các đặc điểm 47

3.2.4 Pin nhiên liệu muối cacbonate nóng chảy (MCFC) 48

3.2.4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 48

3.2.4.2 Các đặc điểm 50

3.2.5 Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) 51

3.2.5.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 51

3.2.5.2 Các đặc tính 52

3.2.6 Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC) 53

3.2.6.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 53

3.2.6.2 Các đặc tính 54

Chư ngă4:ăCỄCăCH ăTIểUăĐỄNHăGIỄăPINăNHIểNăLI U 58

4.1 Suất điện động thuận nghịch của pin nhiên liệu 58

4.2 Nhiệt động học của pin nhiên liệu 61

4.2.1 Hiệu suất lý tưởng (lt) 61

4.2.2 Hiệu suất điện áp 62

Sụt áp do nồng độ các chất tham gia phản ứng 64

4.2.3 Hiệu suất sử dụng 65

4.2.4 Hiệu suất tổng quát 65

4.3 Công suất của pin nhiên liệu 66

4.3.1 Năng lượng chuyển đổi của pin nhiên liệu 66

4.3.2 Dòng điện do pin nhiên liệu phóng ra 67

4.3.3 Các đường cong đặc tính của pin nhiên liệu 69

4.4 Sự tiêu thụ nhiên liệu và chất oxy hóa 71

4.5 Sự tác động của pin nhiên liệu đến môi trường 72

4.6 Chi phí chế tạo và độ bền sử dụng của pin nhiên liệu 74

4.6.1 Chi phí chế tạo pin nhiên liệu 74

4.6.2 Độ bền sử dụng pin nhiên liệu 77

4.6.2.1 Sự tinh khiết của phản ứng 77

4.6.2.2 Kiểm soát độ ẩm 78

4.6.2.3 Kiểm soát nhiệt độ 80

4.7 Đánh giá chu kỳ tuổi thọ của pin nhiên liệu 80

Chư ngă5.ăỨNGăDỤNGăPINăNHIểNăLI UăTRểNăỌ TÔ 83

5.1 Khái quát về ô tô pin nhiên liệu 83

5.2 Phân loại ô tô pin nhiên liệu 85

5.2.1 Ô tô pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu thứ cấp 86

5.2.2 Ô tô pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu hydro trực tiếp 86

5.3 Các thành phần chính của ô tô pin nhiên liệu 86

5.3.1 Hệ thống pin nhiên liệu 86

5.3.2 Thùng chứa nhiên liệu 87

5.3.3 Bộ chuyển đổi nhiên liệu (thiết bị tạo ra hydro) 88

5.3.4 Nguồn công suất cực đại 90

5.3.4.1 Accu 90

5.3.4.2 Siêu tụ 90

5.3.5 Động cơ điện 93

5.3.5.1 Dải điều chỉnh tốc độ (phạm vi điều chỉnh tốc độ) 93

5.3.5.2 Độ trơn khi điều chỉnh tốc độ 93

5.3.5.3 Độ ổn định tốc độ (độ cứng của đặc tính cơ) 94

5.3.5.4 Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính tải 94

5.3.6 Bộ chuyển đổi điện 94

5.4 Bố trí hệ thống truyền lực trên ô tô pin nhiên liệu 95

5.5 Hoạt động của ô tô pin nhiên liệu 96

5.5.1 Chế độ vận hành của ô tô pin nhiên liệu 96

5.5.1.1 Chế độ kéo lai 98

Chế độ chỉ có PPS kéo xe 99

5.5.1.4 Chế độ pin nhiên liệu vừa kéo xe vừa sạc cho PPS 100

5.5.1.5 Chế độ chỉ có phanh tái sinh 101

5.5.1.6 Chế độ phanh lai 101

5.5.2 Sự dao động năng lượng của PPS 103

5.6 So sánh hiệu suất năng lượng trên các loại ô tô 104

5.6.1 Hiệu suất năng lượng của ô tô sử dụng động cơ xăng 105

5.6.2 Hiệu suất năng lượng của ô tô lai điện 106

5.6.3 Hiệu suất năng lượng của ô tô điện 106

5.6.4 Hiệu suất năng lượng của ô tô pin nhiên liệu 106

Chư ngă6.ăKẾTăLUẬNăVÀăKIẾNăNGHỊ 108

6.1 Kết luận 108

6.2 Kiến nghị 109

TÀIăLI UăTHAMăKH O 111

T ừ vi t tắt Ti ng anh Gi iănghĩaăti ng vi t

Fuel Cell Pin nhiên liệu

ATR Autothermal Reforming Tinh chế lại bằng nhiệt tự động DMFC Direct Methanol Fuel Cell Pin nhiên liệu dùng methanol

trực tiếp DGE Gas Diffusion Electrode Điện cực phân tán khí

MCFC Molten Carbonate Fuel Cell Pin nhiên liệu muối carbonate

nóng chảy PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell Pin nhiên liệu axit phosphoric PEMFC Polymer Electrolyte Pin nhiên liệu dùng màng

Membrane Fuel Cell điện phân

hoàn toàn

PPS Peaking Power Source Nguồn công suất cực đại

RFC Regenerative Fuel Cell Pin nhiên liệu tái sinh

ZAFC Zinc-Air Fuel Cell Pin nhiên liệu kẽm/không khí SOFC Solid Oxide Fuel Cell Pin nhiên liệu oxit rắn

Carbon Capture and Storge Thu giữ và loại bỏ cacbon

Carbon Capture and Storge Thu giữ và loại bỏ cacbon

HÌNH

TRANG

Hình 1.1: Biểu đồ thống kê số lượng xe tại Việt Nam 2

Hình 1.2: Mẫu xe mang tên B-Class F-Cell 5

Hình 2.1: Sơ đồ mô tả quá trình chuyển đổi năng lượng pin nhiên liệu 9

Hình 2.2: Quá trình tạo ra dòng điện của pin nhiên liệu 9

Hình 2.3: Mô hình thí nghiệm của Sir William Robert Grove 11

Hình 2.4: Mô phỏng cấu tạo chung của pin nhiên liệu 13

Hình 2.5: Sơ đồ cấu tạo của cụm pin nhiên liệu 16

Hình 2.6: Sơ đồ khối của một hệ thống pin nhiên liệu 16

Hình 2.7: Hệ thống chế biến nhiên liệu từ quá trình tinh chế bằng POX 21

Hình 2.8: Năng lượng, khối lượng và thể tích nhiên liệu theo áp suất 23

Hình 2.9: Khối lượng và thể tích cần thiết để tích trữ 6 kg hydrogen 27

Hình 2.10: Mô hình lưu chứa hydro trong ống carbon nano rỗng 28

Hình 2.11: Đám cháy giữa xe chạy bằng hydro và xe chạy bằng xăng 29

Hình 2.12: Ngọn lửa cháy của hydrocarbon (mũi tên đỏ bên trái) so với 30

ngọn lửa cháy của hydro (vòng tròn màu xanh bên phải) Hình 2.13: Hiệu suất và công suất sử dụng các nhiên liệu trên ô tô 31

Hình 2.14: Pin nhiên liệu ứng dụng trên các thiết bị cầm tay 33

Hình 2.15: Pin nhiên liệu ứng dụng trong nhà máy điện 33

Hình 2.16: Pin nhiên liệu ứng dụng trên xe buýt 34

Hình 2.17: Pin nhiên liệu ứng dụng trên xe gắn máy và xe cơ giới 34

Hình 2.18: Pin nhiên liệu ứng dụng trên máy bay và du thuyền 35

Hình 3.1: Kết cấu của pin nhiên liệu AFC 38

Hình 3.2: Taxi đầu tiên sử dụng pin nhiên liệu 39

Hình 3.3: Cấu tạo pin nhiên liệu dùng màng điện phân polymer 40

Hình 3.5: Bộ làm ẩm 42

Hình 3.6: Nguyên lý hoạt động của pin PEMFC 43

Hình 3.7: nh hưởng của nhiệt độ đến điện áp pin PEMFC 44

Hình 3.8: Nguyên lý hoạt động của pin PAFC 46

Hình 3.9: Nhà máy phát điện bằng PAFC đầu tiên ở Đức 48

Hình 3.10: Kết cấu và nguyên lý hoạt động pin MCFC 49

Hình 3.11: Nhà máy công nghiệp sử dụng pin MCFC 50

Hình 3.12: Kết cấu và nguyên lý hoạt động pin SOFC 51

Hình 3.13: Kết cấu và nguyên lý hoạt động pin DMFC 53

Hình 3.14: Phi thuy ền cánh buồm Helios sử dụng pin nhiên liệu tái sinh 55

Hình 3.15: Hệthống pin mặt trời và pin nhiên liệu tích hợp trên Helios 56

Hình 3.16: Kết cấu và nguyên lý hoạt động pin ZAFC 56

Hình 4.1: Đồ thị biểu diễn sự sụt áp của pin nhiên liệu 62

Hình 4.2: Đường cong điện áp của pin phụ thuộc vào mật độ dòng 67

Hình 4.3: Đường cong đặc tính V-A của pin nhiên liệu 69

Hình 4.4: Đường cong đặc tính P-A của pin nhiên liệu 70

Hình 4.5: Đồ thị biểu diễn đặc tính V-A, P-A của pin nhiên liệu 70

Hình 4.6: Biểu đồ so sánh mức khí thải CO2 của một số loại ô tô 73

Hình 4.7: Đồ thị thể hiện phần trăm chi phí chế tạo pin nhiên liệu 74

Hình 4.8: Đồ thị thể hiện phần trăm chi phí điện cực bằng bạch kim 75

Hình 4.9: Biểu đồ thể hiện chi phí vật liệu, giá thành 75

chế tạo pin nhiên liệu phụ thuộc vào thành phần bạch kim Hình 4.10: Dự đoán chi phí chế tạo một pin nhiên liệu đến năm 2012 76

Hình 4.11: Mô hình tương tác 3 giai đoạn ở lớp xúc tác 79

Hình 5.1: Sơ đồ bố trí các bộ phận trên ô tô pin nhiên liệu 82

Hình 5.2: Hệ thống truyền động của một ô tô pin nhiên liệu điển hình 85

Hình 5.3: Ô tô pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu thứ cấp (a) và 85

ô tô pin nhiên liệu sử dụng hydro trực tiếp

Hình 5.5: Cấu tạo bình chứa hydro lỏng 88

Hình 5.6: Cấu tạo của bộ chuyển đổi nhiên liệu 89

Hình 5.7: Nguyên lý hoạt động của siêu tụ 91

Hình 5.8: Một siêu tụ điển hình 92

Hình 5.9: Các phương án bố trí hệ thống truyền lực 95

Hình 5.10: Sơ đồ truyền công suất ở chế độ kéo lai 98

Hình 5.11: Sơ đồ truyền công suất ở chế độ chỉ có pin nhiên liệu kéo 99

Hình 5.12: Sơ đồ truyền công suất ở chế độ PPS kéo 99

Hình 5.13: Sơ đồ truyền công suất ở chế độ pin 100

nhiên liệu vừa kéo vừa sạc cho PPS Hình 5.14: Sơ đồ truyền công suất ở chế độ chỉ có phanh tái sinh 101

Hình 5.15: Sơ đồ thuật toán điều khiển pin nhiên liệu 102

Hình 5.16: Biểu đồ tốc độ xe, công suất pin nhiên liệu, 103

công suất PPS và sự thay đổi năng lượng của PPS Hình 5.17: Sự thay đổi năng lượng của PPS trong chế độ chỉ có PPS kéo 104

Hình 5.18: So sánh hiệu suất năng lượng các loại ô tô 105

B NG TRANG

B ng 2.1: Mật độ lý thuyết hygrogen tích lũy bằng 26

phương pháp nén, hóa lỏng, và hydrua kim loại

B ng 3.1: Tóm tắt đặc điểm của các loại pin nhiên liệu chính 57

B ng 4.1: Bảng biến thiên enthalpy, entropy và 60

năng lượng tự do Gibbs ở điều kiện tiêu chuẩn

B ng 4.2: Bảng thể hiện các thông số nhiệt động học 60

của một số phản ứng ở điều kiện tiêu chuẩn

B ng 4.3: Bảng mật độ dòng điện i0 ứng 63

với từng vật liệu làm chất xúc tác

B ng 5.1: Các thông số tiêu biểu của một vài loại accu ứng dụng trên ô tô 90

B ng 5.2: So sánh các thông số của accu và siêu tụ 92

s ăr iăvƠoăkh ngăho ng,ăng ngătr ăHayănóiăcáchăkhác,ătoƠnăbộăxƣăhộiăhi năđạiăngƠyănayăđềuăph ăthuộcăvƠo nhiênăli uăhóaăthạch

Th ăgiớiăđangălơmăvƠo tìnhătrạngăkh ngăho ngăngu nănhiênăli uătruyềnăth ng,ătheo dựăbáoăc aăC ăquanăNĕngăl ng Qu căt ,ăvớiăt căđộăkhaiăthácăvƠătiêuăth ănĕngă

l ngătruyềnăth ngăgiaătĕngănh ăhi nănayăthìăcácăs năphẩmătừădầuăm (xĕng,ădầu)ăs ăchínhăthựcăcạnăki tăkho ngăh nă30ănĕmănữa.ăMặtăkhác,ăgiáădầuăm ăkhôngăngừngăleoăthang,ă nhăh ngătrựcăti p đ năđ iăs ng, kinhăt ăc aăng iădơn,ă nhăh ngăkhôngă

nh ăđ năhoạtăđộngăs năxu t,ăkinhădoanhăc aăcácăt ăch c,ădoanhănghi p,…

Sựăôănhi mămôiătr ng giaătĕng nh ăhi nănayăch ă y uălƠădoăkhíăth iătừăcácă

ph ngăti năgiaoăthôngăc ăgiới,ăch tăl ngăkhôngăkhíăhi nănayăđangălƠăh iăchuôngăbáoăđộng.ăKhíăth iătừăcácăph ngăti năsửăd ngăđộngăc ăđ tătrongăbaoăg măcácăch tăôănhi mătrongăkhíăx vƠăti ngă nădoăđộngăc ăgơyăra đƣă nhăh ngătrựcăti păđ năs că

kh eăc aăconăng iănh ăcácăb nhμăc ăthểăb ăthi uăôxy,ănh căđầu,ăbu nănôn, khóăthể, suyăhôăh p,ăgơyăr iăloạnăthầnăkinh,ălƠmătrẻăemăch măphátătriển,… Theo th ng kê

c a T ă ch c Y t ă Th ă giới, hi năkhuăvực Đôngă Nam Á và Thái Bình D ng m i

nĕm có kho ngăh n 530.000 ng i ch t vì các b nh liênă quană đ nă đ ngă hô

h p do ô nhi m không khí

Khíă x ă từă độngă c ă đ tă trongă trênă cácă ph ngă ti nă giaoă thôngă c ă giớiăkhôngăch ălƠănguyênănhơnăchínhăgơyăraăôănhi mămôiătr ngămƠăcònălƠmătĕngănhi tăđộăkhíăquyển,ăgơyăraăhi uă ngănhƠăkínhăvƠă nhăh ng trựcăti păđ nămôiă

tr ngăsinhăthái

Hi nă nay,ă s ă l ngă ph ngă ti nă giaoă thôngă c ă giớiă trênă th ă giớiă nóiăchungăvƠăVi tăNamănóiăriêngălƠăr tălớn,ăc ăthểă ăVi tăNamătheoăth ng kê c aă

c ăquanăch cănĕngăthìăs ăl ngă ô tô vƠăxeăg nămáyăđangăl uăthông tạmătínhă

đ nănĕmă2007ăđ căthểăhi năquaăbiểuăđ :

Mộtăv năđềăkhácăđặtăraălƠăvi căsửăd ngănhiênăli uăxĕng,ădầuătừădầuăm ă ăcác độngăc ăđ tătrongămangălạiăhi uăsu tăr tăth p.ăTheoătínhătoán, độngăc ăxĕngăch ăđạtă

hi uăsu tătừă30%ăđ nă35%ăvƠătừă50%ăđ nă60%ăđ iăvớiăđộngăc ăsửăd ngăDiesel; do

đó, phầnălớnănhiênăli uăsửăd ngăchoăđộngăc ăđ tătrongăcháyăkhôngăh t,ăgơyălƣng phí trong khi giáăthƠnhăxĕngădầuăngƠyămộtăgiaătĕng.ăNgoƠiăra,ănhiênăli uăth tăthoátănƠyăkhiăth iăraăngoƠiălƠănguyênănhơnăchínhăgơyăôănhi mămôiătr ng,ăgơyăraăcácăcĕnăb nhănguy hiểm choăconăng i…

V yălƠmăth ănƠoăđểăgi iăquy tăđ cătìnhăhìnhăđangăkhanăhi măngu nănhiênăli uătruyềnă th ngă cǜngă nh ă gi mă ôă nhi mă môiă tr ng,ă trongă đóă v nă đềă ôă nhi mă môiă

tr ng r tăc păbáchăvƠăđang đ c cácăqu căgia quanătơmăhƠngăđầu.ăTr ớcătìnhăhìnhăđó,ăcácănhƠăs năxu tăô tô,ăxeămáy,ăcácătr ngăđạiăhọc,ăcácăvi nănghiênăc uăđƣăvƠăđangătìmăraănhữngăgi iăphápăđểăkh căph căhayăhạnăch ăđ năm căt iăthiểuă nhăh ngă

c aăôănhi mădoănhữngăph ngăti năgiaoăthôngăgơyăra, có thể kể đ n các gi i pháp:

- Xửălýăbênătrongăđộngăc ănh ănghiênăc uăhoƠnăthi năquáătrìnhăcháyăvƠăhoƠnăthi năk tăc uăđộngăc

- Sửăd ngăđộngăc ăđi n,ăđộngăc ăhybrid

- Đ tălạiăkhíăx ăvƠălọcăcácăđộcăt ătừăkhíăx

- Tìmăraăcácăngu nănhiênăli uămới,ăsạchăkhôngăgơyăraăôănhi mămôiătr ngăhoặcă

n uă cóă thìă hƠmă l ngă r tă nh ă nh ă nhiênă li uă khíă hóaă l ngă LPG,ă khíă thiênă nhiênăCNG,ăc năsinhăhọc,ănhiênăli uătừădầuăthựcăv tă(biodiesel),…

Trongăcácănhiênăli uămới, ítăgơyă nhăh ngăđ nămôiătr ngăvƠ đểăthayăth ăchoănhiênăli uătruyềnăth ngăsửăd ngă ăđộngăc ăđ tătrong cóăthểăkểăđ năcôngăngh ăFuel Cell hayăcònăgọiălƠăpin nhiên li u.ăVi căsửăd ng pin nhiênăli uăkhôngănhữngăgi iăquy tăđ căcácăv năđềăđƣănêuătrênămƠăcònăgi iăquy tăhƠngăloạtăcácănh căđiểmămƠăđộngăc ăđ tătrongăgặpăph iănh μăgi măti ngă n,ăgi măk tăc uăcácăchiăti tăquayătrên

xe, nâng cao hi uăsu t,… Hi nănay,ăkhông những các n ớcătiênăti nămà c các qu c gia đang phát triển đều quan tâm và đầu t nghiên c u gi iăphápăhữuăíchămà công ngh pin nhiên li u mang lại

Từ thực t đƣ nêu, đề tài ắNghiên c u kh nĕng ng d ng pin nhiên li u trên các ph ng tiên giao thông tại Vi t Nam”ăđƣ đ c thực hi n

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN C ỨU TRONG VÀ NGOÀI N C

1.2.1 Tìnhăhìnhănghiênăc uăngoài nư c:

Cácăn ớcătrênăth ăgiớiăđƣăb tăđầuăl uătơmăđ năcôngăngh ăpinănhiênăli uăvƠăxemăđơy lƠăgi iăphápăthenăch tăchoănhữngăv năđềălơuădƠiăvềăb oăđ măanăninhănĕngăl ng,ă

b oăv ămôiătr ngăvƠăphátătriểnăkinhăt ăc aăđ tăn ớc Doăđó,ănhữngăh pătácăqu căt ăvƠăcôngătrìnhănghiênăc uăcôngăb ăvềăcôngăngh ăpinănhiênănhi uăraăđ i.ăMộtăs ăcôngătrìnhănghiênăc uătiêuăbiểuăvềăpinănhiênăli uăđƣăđ căcôngăb μ

- NgƠyă 08ă thángă λă nĕmă 1λ35,ă t ă Dallas Morning News đãăđ aătină Charles Henry Garrett tạiăDallas, Texasăđãăcoăbĕngăphatăminhăvaăđãăbiểuădiễnăchiêcăxeădungă

n călamănhiênăliê ̣uătrong vƠiăph́t Chiêcăxeănayădungăph ngăphapăđiê ̣năphơnăn căđểăcóăhydrogenăchạyămáyăxeăthayăxĕng ,ănh ngăsauăđoăthốăkhôngăaiăngheănoiăgốăvêăphátăminhănƠyănữa Henryăsinhătr ̉ngăbĕngănghêăth ̣ăđiê ̣năvaălaămộtănhaăphatăminh

Ôngălaăng iăđơuătiênădungăcarburator để s năxu tăhydrogenăvƠăoxygen

- Nĕmă1λ62,ăcácănhƠăkhoaăhọcăJ.ăWeissbartăvƠăR.ăRukaăc aăcôngătyăSiemensăWestinghouseălầnăđầuătiênăcôngăb ătínhăkh ăthiăc aăquáătrìnhătạoăđi nănĕngătừăsolid electrolyte fuel cell.ă Tr iă quaă h nă 40ă nĕmă nghiênă c uă vƠă phátă triển,ă SiemensăWestinghouseăđƣăxơyădựngăvƠăthửănghi m nhƠămáyăđi năSOFCă ăHƠăLan vƠăchoăk tă

qu ăkh ăquan.ăK tăqu ăt ngătựăcǜngăthuăđ căc aăcôngătyăCeramicăFuelăCellsă(Úc) Gầnă đơyă Siemensă Westinghouseă đƣă tungă raă s nă phẩmă tiềnă th ngă mạiă SOFCă vớiăcôngăsu tă125 kW

- Cácă nhƠă khoaă họcă thuộcă Tr ngă Đạiă họcă Báchă khoaă Liên bang Lausane (EPFL)ăTh yăSĩăcùngăvớiăcácăđ ngănghi păng iăĐ căđƣătìmăraăgi iăphápăđểăl uătrữăanătoƠnăhydro.ăKhámăpháănƠyăđ căcoiălƠăb ớcăti nălớnătrongăkhoaăhọc,ăb iătr ớcăđơy,ăhydroăv năđ căcoiăcóăthểăthayăth ănhiênăli uăhóaăthạch,ătuyănhiên,ăch tănƠyăr tă

d ăcháyăvƠ khóăb oăqu n.ăNhómănghiênăc uădoăGiáoăs ăGaborăLaurencryăđ ngăđầuăthuộcă EPFLă cùngă vớiă Mattthiasă Belleră vƠă Ralfă Ludwigă thuộcă Tr ngă Đạiă họcăRostockă(Đ c),ăb ớcăđầuăđƣătìmăraăcáchăth căbi năđ iăhydroăthƠnhăaxítăfomicănh ăvƠoămộtăch tăx́cătácăvƠăkhíăth iăCO2v n t nătại trongăkhôngăkhí.ăPh nă ngănƠyăsinh raămộtăch tăr tăkhóăb tălửaăvƠăch tăl ngă ănhi tăđộăt ngăđ ngăsoăvớiăxungăquanh.ă

Ti păđó,ăthôngăquaăch tăx́cătácămới,ăaxítăfomicăđ căchuyểnălạiătrạngătháiăkhíăCO2vƠăhydro.ăTạiăđơy,ăhydroăcóăthểăđ căchuyểnăđ iăthƠnhănĕngăl ngăđi năvƠăcungăc pănhiênăli uăchoăđộngăc ăôătô.ăTr ớcăđơy,ăvi căchuyểnăđ iăhydroăthƠnhăaxítăfomicăph iăcầnătớiăch tăx́cătácăđ tănh ăruthenium,ănh ngănay,ăcácănhƠăkhoaăhọcăTh yăSĩăđƣăthƠnhă côngă trongă vi că ti nă hƠnhă ph nă ngă từă nguyênă li uă s tă vƠă mộtă s ă kimă loạiăthôngăd ngămƠăgiáăthƠnhăth p

- CácănhƠăkhoaăhọcăTrungăQu căđƣăphátătriểnămộtăh ăth ngăpinănhiênăli uăcóăthểătạoăraăđi nătừăh păch tăhữuăc ăvƠălƠmăsạchăn ớcăth i.ăNghiênăc uămớiăđ căcôngă

b ătạiătrênătạpăchíăChemicalăCommunications Họăđƣătạoăraămộtăloạiăpinănhiênăli uăsửăd ngăánhăsángălƠmăx́cătác,ăcóăcựcăd ngălƠă ngăoxitătitanăcựcănh ,ăcựcăơmălƠmăbằngăbạchăkim.ăPinănƠyăcǜngăsửăd ngăánhăsángăđểăphơnăh yăcácăh păch tăhữuăc ăcóătrongăch tăth i,ăs năxu tăraăcácăđi nătừăcóăkh ănĕngăđiăxuyênăquaăcựcăơmăvƠăbi năđ iă

ĐạiăhọcăShanghaiăJiaoăTong,ăcácăh păch tăhữuăc ătrongăn ớcăth iălƠăngu nănĕngă

l ngăquanătrọng.ăVƠăvi cătìmăraăph ngăphápăti păc năbềnăvữngăđểăthuăh iănĕngă

l ngătừăch tăth iălƠănhuăcầuăcầnăthi t CácănhƠăkhoaăhọcăđƣăsửăd ngăpinăđểăxácăđ nhăcácătạpăch tăvƠăh păch tăkhácănhauătrongăcácăm uăch tăth i.ăÔngăLiuăchoăbi t, thay vìăsửăd ngătiaăcựcătímălƠmăch tăx́cătác,ăh ăth ngăsửăd ngăánhăsángănhìnăth yăđ c vƠăánhăsángămặtătr i.ăNh ăv y,ăcóăthểăsửăd ngăh ăth ngănƠyă ăngoƠiătr iăđểăxửălíă

n ớcăth i

Bênăcạnhăcácăcôngătrìnhănghiênăc uăc aăcácănhƠăkhoaăhọc,ăcácăhƣngăôătôăn iă

ti ngătrênăth ăgiớiănh μ Honda (Nh t), Mercedes (Đ c), General Motors (Mỹ), De Nora (Ý), Hyundai (Hàn Qu c), Toyota,… đƣ chú trọng phát triển các loại pin nhiên

li u có k t c u nh gọn trên các s n phẩm c a mình Một trong những hãng xe quan tâm nh t đ n công ngh này chính là hãng xe hạng sang Mercedes ậ Benz c a Đ c,

từ những nĕm 90 c a th kỷ 20 đ n nay, sau khi nghiên c u thi t k , ch tạo nhiều

m u xe, hãng đƣ chính th c xu t x ng m uăxeăth ng mại đầu tiên sử d ng pin nhiên li u, mang tên gọi B-Class F-Cell

Nĕm 1966, hãng GM (General Motors), cho ra đ i m u xe t i đầu tiên sử d ng pin nhiên li u Bên cạnh đó, một đại gia khác c a nền công nghi p ô tô là Ford đƣ nghiên c u ch tạo xe đua sử d ng công ngh này, chi c xe có tên gọi là ắFusionăHydrogenăλλλ”,ăđơy là s n phẩm c a Ford h p tác với Trung tâm Nghiên c u về ô

tô ậ Tr ng Đại học Bang Ohio (Mỹ) và nhà s n xu t pin nhiên li u hàng đầu th

giới Ballard Power Systems

Hi n nay, hầu h t các hãng xe đều chạy đua để đầu t nghiên c u, ch tạo các loại ô tô sử d ng nhiên li u sạch, thân thi n với môi tr ng Không ch ng d ng trên ô tô, pin nhiên li u còn có thể sử d ng trên các loại xe mô tô, xe g n máy Có thể nói, nhiên li u sạch này đang phát triển v t trội c a nó về ti t ki m nĕng l ng

và gi m ô nhi m môi tr ng Tuy nhiên, conăng i ph i v t qua thử thách về công ngh và giá thành s n xu t để pin nhiên li u đ c sử d ng ph bi n

1.2.2 Tìnhăhìnhănghiênăc uătrongănư c:

Tại Vi t Nam, công ngh này t ng đ i mới, khái ni m về pin nhiên li u có vẻ

nh r t xa lạ, b i vì các n ớc phát triển ch a tìm cách kh c ph c các nh c điểm về giá thành và công ngh để sử d ng ph bi n

N ớc ta là một trong những n ớc có nền kinh t đang phát triển, Khoa học Kỹ thu t ch a cao, cho nên vi c đầu t nghiên c u thi t k loại công ngh mới này ch a

đ c quan tâm đ́ng m c, ch b ớc đầu nghiên c u ng d ng trên các loại thi t b

cầm tay (đi n thoại, máy tính xách tay,…).ăVào cu i nĕm 2004, Phân vi n V t lý Thành ph H Chí Minh đƣ công b những k t qu đầu tiên về pin nhiên li u do

Ti n sĩ Nguy n Mạnh Tu n nghiên c u Theo Ti n sĩ, n ớc ta do điều ki n công ngh , khí h u,…ăcho nên vi c ch tạo ra loại pin sử d ng nhiên li u hydro là vô cùng khó khĕn (v n đề l u trữ, b o qu n vì hydro d rò r , n u gặp tia lửa trong không khí d phát n ,…) Ông đề xu t h ớng nghiên c u sử d ng nhiên li u c n methanol để ch tạo ra pin nhiên li u, pin này có đặc điểm: nhi t độ làm vi c th p,

an toàn trong l u trữ và b o qu n, tu i thọ pin cao

Một nghiên c u khác đ c Ti n sĩ Nguy n Chánh Khê và các cộng sự tại Trung tâm Nghiên c u và Phát triển ậ Khu công ngh cao Tp.HCM công b nĕm

2005 Đó là vi c ch tạo thành công màng chuyển đ i proton, v n là cái c t lõi chính c a công ngh và đang đ c nghiên c u từ v t li u nanoă trongă n ớc Bên

cạnh đó, nhóm cǜng đang b t đầu sử d ng cacbon nanotube trong vi c tạo ra một

ch t xúc tác mới có kh nĕng d n đ n tĕng hi u su t chuyển hóa đi n nĕng, gi m chi phí và kích th ớc c a pin nhiên li u

Tuy nhiên, vi c hoàn thi n và ng d ng để có thể th ng mại hóa s n phẩm này ch sử d ng đ i với đi n thoại và máy tính xách tay mà ch a nghiên c u để ng

d ng trên các ph ng ti n giao thông n ớc ta

1.3 C S Ở KHOA H C VÀ TH C TI N Đ TÀI

1.3.1 C s khoa h c:

Đề tài nghiên c u đ c thực hi n dựa trên các c s khoa học sau:

- K t qu nghiên c u c a các nhà khoa học về công ngh pin nhiên li u đƣ đ c công b

- Nguyên lý bi n đ i trực ti p dòng nĕng l ng nhiên li u thành đi n nĕng nh vào quá trình đi n hóa

- Tính toán các ch tiêu đánh giá pin nhiên li u: hi u su t pin, đi n áp, dòng đi n

do pin phóng, đặc tính công su t (P -V),…ădựa vào các thành qu nghiên c u đƣ công b

1.3.2 Tínhăth căti năđ ătƠi:

- LƠăgi iăphápăt iă uătrongăv năđề b o v môi tr ng và gi i quy t tình hình khan hi m ngu n nĕng l ng truyền th ng

- Ch động đ c ngu n nhiên li u cung c p, gi m chi phí, b o đ m an toàn khi

sử d ng

- Nâng cao hi u qu công su t c a xe so với các loại loại động c chạy bằng nhiên li u xĕng, dầu cho công su t th p

- Đề tài này là c s tạo tiền đề để nghiên c u, thi t k , ch tạo pin nhiên li u và

đ a công ngh này ng d ng thực ti n trên các ph ng ti n giao thông tại Vi t Nam

1.4 MỤCăĐệCHăNGHIểNăCỨU

Trọng tâm c a đề tài là nghiên c u t ng quan về các công ngh pin nhiên li u, đặc tính, tính toán các ch tiêu quan trọng liên quanăđ n pin nhiên li u, để từ đó so sánh, đánh giá kh nĕng ng d ng c aăpin trên các ph ng ti n giao thông, làm sao chi phí th p mà hi u qu sử d ng cao

1.5 NHI MăVỤăNGHIểNăCỨUăVÀăGI IăH NăĐ ăTÀI

1.5.1 Nhi m v nghiên c u:

- Giới thi u t ng quan về l ch sử hình thành và phát triển công ngh pin nhiên

li u, tầm quan trọng c a hydrogen vƠăv năđềăl uătrữ

- Giới thi u khái quát các công ngh pin nhiên li u th ng đ c sử d ng trên các ph ng ti n giao thông và các lĩnh vực khác

- Nghiên c u và tính toán các ch tiêu đánh giá pin nhiênăli uănh ăhi uăsu t,ă

dòngăđi nădoăpinăphóng,ăcôngăsu t,ăanătoƠnăvớiămôiătr ng,ăchiăphíăch ătạoăpin,

- Nghiên c u k t c u c a ô tô pin nhiên li u vƠăcácăquáătrìnhăhoạtăđộngăc aămộtă

ô tô pinănhiênăli u

- So sánh và đánh giá hi uăsu tănĕngăl ngăsửăd ngăc aăcácăloạiăô tô khác nhau vớiăô tô dùngăpinănhiênăli u.ă

1.5.2 Gi i h n đ tài:

Do th i gian và kinh phí thực hi n đề tài có hạn, h n nữa nền công ngh c a

Vi t Nam ch a phát triển để đáp ng k p th i xuă h ớng phát triển c a th giới Chính vì v y, phạm vi thực hi n ch dừng lại phần ắNghiên c u kh nĕng ng

d ng pin nhiên trên các ph ng ti n giao thông tại Vi t nam”ătrên c s lý thuy t,

mà ch a đi nghiên c u thi t k , ch tạo pin có kh nĕng ng d ng thực ti n trên các

ph ng ti n giao thông n ớc ta

1.6 PH NGăPHỄPăNGHIểNăCỨU

Đề tài đ c thực hi n dựa trên các ph ng pháp nghiên c u sau:

- Ph ng pháp thu th p thông tin từ ngu n tài li u có liên quan nh : sách, báo,

tạp chí,… đƣ xu t b n

- Ph ng pháp k thừa các công th c thực nghi m đƣ có

- Ph ng pháp ti p c n với các k t qu công b mới nh t về công ngh pin nhiên li u từ các các nhà khoa học, các công ty ô tô n iăti ngătrênăth ăgiới,…

- Ph ng pháp tính toán s li u thựcănghi m

- Ph ng pháp so sánh và đánh giá dựa trên các s li u thu th p, tính toán từ

ực nghi m

 + nĕng l ng + nhi t nĕng

Pin nhiên li u không trực ti p đ t cháy hydro mà dùng ch t xúc tác để tách các electron từ các nguyên tử hydro có trong nhiên li u, các electron này chuyển động trong mạch sinh ra dòng đi n, s n phẩm ph là n ớc

Hình 2.2 Quá trình t o ra dòng điện của pin nhiên liệu

Nh v y, các ph n ng trong pin nhiên li u hoàn toàn không có sự cháy nh động c đ t trong, chính vì lý do này, hàm l ng khí CO2 th i môi tr ng r t ít,

gi m đ n m c th p nh t kh nĕng gây ô nhi m môi tr ng và hi n t ng hi u ng nhà kính N u sử d ng nhiên li u là hydro nguyên ch t và oxy thì pin nhiên li u ch sinh ra nhi t và n ớc

T ng tự nh accu, pin nhiên li u là thi t b tạo ra dòng đi n nh ph n ng hóa nĕng Tuy nhiên, điểm khác bi t giữa accu và pin nhiên li u ch pin nhiên li u tạo ra dòng đi n một cách liên t c cho đ n khi ngừng cung c p ngu n nhiên li u cho pin, trong khi accu ph i nạp đi n sau th i gian sử d ng Ch ng t , về mặt tạo ra dòng nĕng l ng thì pin nhiên có u điểm v t trội h n so với accu

Có thể khẳng đ nh, pin nhiên li u là một trong các ngu n nĕng l ng ch đạo

hi n nay, nhiên li u ch y u c a pin là hydro thì t n tại vô hạn trong tự nhiên hoặc

có thể điều ch từ các ngu n nĕng l ng khác nh : s n xu t hydro từ nĕng l ng hóa thạch, đi n phân n ớc, ngu n nĕng l ng tái sinh,…

2.1.2 L chăsửăphátătri n:

Pin nhiênăli u đ cănhƠăkhoaăhọcăng iăx ăWalesăSirăWilliam Robert Grove (1811 ậ 1896)ăch ătạoăthƠnhăcôngămôăhình thựcănghi măđầuătiênăvƠoănĕmă1839 ăAnh,ăvớiănhữngăamăhiểuăvềănguyênălýăđi năphơnăcùngăvớiăsựănghiênăc u,ăsángătạo, ôngăđƣăđ oăchiềuăđi năphơnăn ớcăđểăchoăraăđ iăpinănhiênăli u g mă2ăđi năcựcăplatină

đ căbaoătrùmăb iă2ă ngăhìnhătr ăbằngăth yătinh,ămộtă ngăch aăhydro vƠă ngăkiaă

ch aăoxy.ăHaiăđi năcựcănƠyăđ cănh́ngătrongăaxítăsulfuricăloƣng,ăchínhăaxítăsulfuricăloƣngănƠyălƠăch tăđi năphơnăvƠătạoăra dòngăđi nămộtăchiều,ădòngăđi năđ căông phát minhăcóăcôngăsu tănh ,ăđi năápăkho ng 1 V

VƠoănĕmă188λ,ăhai nhƠăhóaăhọcăLudwig Mond và Charles Langer đƣ c g ng phát triển mô hình c a Grove vào ng d ng trong thực t , bằng vi c sử d ng không khí và khí than đá làm nhiên li u, và thu tăngữăắt ăbƠoănhiênăli u”ăđ c hình thành

từ đơy Tuy nhiên, do những hạn ch về công ngh , v t li u, giá thành, sự phát triển

c a động c đ t trong trongăgiaiăđoạnănƠy mà công trình nghiên c u ch a mang tính

thực ti n và ch a đ c ng d ng rộng rãi

Hình 2.3 Mô hình thí nghiệm của Sir William Robert Grove

VƠoă nĕmă 1λ32,ă ti nă sĩă Thomas Francis Bacon gi ngă dạyă tạiă Đạiă họcăCambridgeă ăAnh đƣăti păt căcôngătrìnhănghiênăc uăc aăLudwig Mond và Charles Langer,ăbằngăcáchăsửaăđ iăvƠăthi tăk ămớiănh ăthayăth ăđi năcực platinăbằngănikenăít

t năkém h n,ăôngăthayăth ăđi năphơnăaxítăsunfurităbằngăhidroxităkaliăkiềm,ăch tănƠyăcóătínhăĕnămònăítăh năchoăcácăđi năcực.ăNĕmă1λ50,ăôngăđƣăthi tăk ăđ căpin nhiên

li u đầu tiên có tên gọi là ắpinăBacon”ăậ loại pin nhiên li u kiềm đầu tiên trên th

giới Và mãi cho đ n nĕm 1959, ông mới s n xu t ra một loại pin mới, th t sự kh thi, loại pin này có công su t kho ng 5 kW, đ cung c p cho một máy hàn đi n

Doă ăth iăđiểmănƠy, vi căch ătạoăraăpinănhiênăli uăquáăph cătạp,ămặtăkhácăchiăphíăr tăt năkémănênă ngăd ngăcôngăngh ăpinănhiênăli uătrongăkỹăthu tăb ăgiánăđoạnămãi choătớiăth păniênă1λ50.ăSauăchi nătranhăth ăgiớiăth ă2,ăcácăc ngăqu cănhằmă

c ngăc ăv ăth ăc aăđ tăn ớcămìnhăđƣăkhôngăngừngătĕngăchiăphíăđầuăt ăchoăngƠnhăkỹăthu t quơnăsựăvƠăngƠnhăduăhƠnhăvǜătr ăChínhăvìăv y,ăcácătƠuăduăhƠnhăvǜătr ,ătƠuăngầmăđ căcácănhƠăkhoaăhọcăsửăd ngăngu nănĕngăl ngămớiăti năd ngăvƠăcóăhi uă

qu ăcao đểăthayăth choăngu nănĕngăl ngătruyềnăth ng

C ăquanăvǜătr ăNASAăc aăMỹăđƣăquy tăđ nhădùngăcáchăs năxu tădòngăđi nătrựcăti păbằngăph ngăphápăhóaăhọcăthôngăquaăt ăbƠoănhiênăli uătrongăcác ch ngătrìnhăc aăGeminiăvƠăApollo.ăGeminiăđ căNASAăphátătriểnăvƠoănĕmă1λ65ăvớiăcôngă

su tă 1,5 kW.ă Vi că sửă d ngă côngă ngh ă pină nhiênă li uă nƠyă khôngă nhữngă mangă lạiă

dòngăđi nătheoămongămu nămƠăcònăcungăc păn ớcău ngătinhăkhi tăcho các nhà du hƠnhăvǜătr

Trongăsu tănhữngănĕmă1λ70,ăcôngăngh ăpinănhiênăli uăphátătriển vƠă ngăd ngăchoăcácăh ăth ngătrênătráiăđ t.ăCuộcăkh ngăho ngănĕngăl ngătừănĕmă1λ73ăđ nănĕmă1λ7λăđƣăgípăcácănhƠăkhoaăhọcăn ălựcănghiênăc uăvềăt ăbƠoănhiênăli uănh ăChínhă

ph ăHoaăKỳăđangătìmăki măcáchăth cămớiăđểăítăph ăthuộcăvƠoăvi cănh păkhẩuăxĕng, dầu

VƠoănhữngănĕmă80ăc aăth ăkỷă20,ăpinănhiênăli uăđ căsửăd ngătrongăcácănhƠămáyăđi năcóăcôngăsu tătừă20 kWăđ nă50 kW,ăvƠătừăđóăchoăđ nănayăđƣăcóăr tănhiềuănhƠămáyăsửăd ngănĕngăl ngănƠyă ăcácăn ớcăphátătriểnănh ăMỹ,ăNh t,ăCanada,… vớiăcôngăsu tăđ căc iăthi nălênăđ năhƠngătrĕmăMWăvƠătu iăthọăngƠyăđ cănơngălên.ăĐặcăbi tăcóăthểăkểăđ năpinănhiênăli uăraoăđ iăprotonăsửăd ngătrênăcácăph ngăti năgiaoăthôngăđƣătạoăraăb ớcăđộtăpháăchoăngƠnhăcôngăngh ăxeăh i trênăth ăgiới,ăchi căxeăđầuătiênăsửăd ngăpinănhiênăli uăđ căgiớiăthi uăb iăcôngătyăCanada,ăBallardăvƠoănĕmă

1993 Từăđó,ăpinănhiênăli u đ căsựăquanătơmăhầuăh tăb i cácăcôngătyăhƠngăđầuăth ăgiới nh μăFord,ăGeneralăMotoră(Mỹ),ăToyota,ăHonda (Nh t),ăDaimler Benză(Đ c),ăHyundaiă(HƠnăQu c),… nghiênăc u,ă ngăd ngăđểătạoăraăcuộcăchạyăđuaămớiăvềăcôngăngh ăô tô sửăd ngăngu nănhiênăli uăsạch

Nh ănhữngăl iăíchămƠăngu nănhiênăli uămớiănƠyămangălạiămƠăpinănhiênăli uă

đ căphátătriểnămạnhăm ăvƠoănhữngănĕmă1λλ0.ăHi nănay,ăphạmăviă ngăd ngăc aănóăkhôngăch ă ăcácăngƠnhăduăhƠnhăvǜătr ,ătƠuăngầm hay cácănhƠămáyăđi nămƠăphạmăviăsửăd ngăc aăpinănhiênăli uătr iădƠiătừăngƠnhăcôngănghi păô tô,ăs iănhƠăquaăcácănhƠămáyăphátăđi nălênătớiăhƠngătrĕmăkW, choăđ năpinănhiênăli uăsửăd ng v tăd ngăcáănhân r tănh ăvƠăthôngăd ngănh ămáyătínhăxáchătay,ăđi năthoạiădiăđộng,… Nĕmă2003,ălầnăđầuătiênă ăChơuăÂu, chi căxeăbuýtăchạyăbằngăpinănhiênăli u raăđ i

Cóăthểăkhẳngăđ nhărằngăpinănhiênăli uălƠămộtăngu nănĕngăl ngăvôăcùngăhữuăích,ăt nătạiăvôăhạnătrongătựănhiênăvƠătrongăth iăgianăkhôngăxaă ăth ăkỷă21ănƠy,ănóăs ă

tr ăthƠnhăngu nănĕngăl ngăch ăđạoăđểăthayăth ăcácăngu nănĕngăl ngăhóaăthạchăđangădầnăcạnăki t

2.1.3 C uăt oăvƠănguyênălỦăho tăđ ng

2.1.3.1 C u t o chung c a pin nhiên li u đ n gi n:

Vềăc ăb năthìămộtăt ăbƠoănhiênăli u đ n gi n có k tăc uăg mă3ăphầnăchính,ă

g mă3ălớpănằmătrênănhauμ

- Lớpăth ănh tălƠăđi năcực d ng: là n i x y ra quá trình oxy hóa

- Lớpăth ăhaiălƠăđi năcựcăơm: là n i x y ra quá trình khử

- Lớpăth ăbaălƠălớpăđi năphơnăd năion: là n i trao đ i các ion từ đi n cực này sang đi n cực khác, và ch t xúc tác nhằm tĕng t c độ ph n ng

Haiăđi năcựcănƠyăđ călƠmăbằngăch tăd năđi nă(kimăloại,ăthanăchì,…),ăvìămộtă

t ăbƠoănhiênăli uătạoăraămộtăđi năth ăr tăth p,ădoăđóăch tăđi năphơnădùngăđểătạoăraă

đi năth ălớnăthìăcầnăph iădùngănhiềuăt ăbƠoăriêngălẻăn iăti p, ch ngăch tălênănhauă(có thểăsửăd ngă ăthểăr n, thểăl ngăhoặcăcóăc uătŕcămƠng)

NgoƠiăra,ătùyăthuộcăvƠoăm căđíchăsửăd ngăc aăpinănhiênăli uămƠăcóăthêmăcácăthi tăb ăph ătr ăkhácăđiăkèmănh μămáyănén,ămáyăb măđểăc păkhíăđầuăvƠo,ăhayăsửă

d ngătrongăquáătrìnhătraoăđ iănhi t,…

2.1.3.2 NguyênălỦăho tăđ ngăc ăb n:

M iăpinănhiênăli uăg măcóăđi năcựcăơmă(cathode)ăvƠăđi năcựcăd ng (anode)

Ph nă ngăsinhăraăđi nănĕngăx yăraătạiăhaiăđi năcựcănƠy.ăGiữaăhaiăđi năcựcăcònăch aă

ch tăđi năphơn,ăv năchuyểnăcácăhạtăđi nătíchătừăcựcănƠyăsangăcựcăkhác,ăvƠăch tăx́că

tácănhằmălƠmătĕngăt căđộăph nă ng.ăCácămoduleăpinănhiênăli uăth ngăk tăn iăvớiă

nhau,ăsongăsongăhayătrựcăti păđểătạoăraăcácăthi tăb ăcóăm căcôngăsu tăphátăđi năkhácă

nhauăvƠălớnăh n.ă

Haiănhiênăli uăc ăb năcầnăthi tăchoăpinănhiênăli uăv năhƠnhăch ăđ năgi nălƠă

hydrogenăvƠăoxygen.ăL iăth ăt iă u c aăpinănhiênăli uălƠă ăch ănóătạoăraădòng đi nă

sạch,ăr tăítăôănhi m,ădoăs năphẩmăph ăc aăquáătrìnhăphátăđi năcu iăcùngăch ălƠăn ớc,ă

khôngăhềăđộcăhại

Cácăph nă ngăhóaăhọcătạoăraădòngăđi năchínhălƠăchìaăkhóaătrongăc ăch ăhoạtă

độngăc aăpinănhiênăli u.ăCóănhiềuăloạiăpinănhiênăli uăvƠăm iăkiểuăv năhƠnhămộtăcáchă

khácănhauănh ngăcùngăchungănguyênăt căc ăb n.ăKhiănhữngănguyênătửăhydrogen điă

vƠoăpinănhiênăli u,ăph nă ngăhóaăhọcăx yăraă ăanodeăs ăl yăđiăelectronăc aăchúng

Nhữngănguyênătửăhydrogen ĺcănƠyăb ăionăhóaăvƠămangăđi nătíchăd ng.ăElectronă

đi nătíchăơmăs ăchạyăquaădơyăd nătạoăraădòngăđi nămộtăchiều

OxygenăđiăvƠoăcathodeăvƠ trongămộtăs ădạngăpinănhiênăli u,ăch́ngăs ăk tăh pă

vớiăcácăelectronătừădòngăđi năvƠănhữngăionăhydrogenăvừaăđiăquaăch tăđi năphơnătừă

anode;ă ămộtăs ădạngăpinănhiênăli uăkhác,ăoxygenăl yăelectronăr iăđiăquaăch tăđi nă

phơnăđ năanode,ăgặpăvƠăk tăh păvớiăcácăionăhydrogenătạiăđó.ă

Ch tăđi năphơnăđóngăvaiătròăquy tăđ nhăch ăch t.ăNóăch ăchoăphépănhữngăionă

thích h pă điă quaă giữaă anodeă vƠă cathode, vìă n uă electronă tựă doă hayă cácă ch tă khácă

cǜngăcóăthểăđiăquaăch tăđi năphơnănƠy,ăch́ngăs ălƠmăh ngăcácăph nă ngăhóaăhọc

Dùăcùngăgặpă ăanodeăhayăcathode,ăk tăh păvớiănhau,ăhydrogenăvƠăoxygenăcu iă

cùngăcǜngătạoăraăn ớc,ăthoátăraăkh iăpin.ăPinănhiênăli uăs ăliênăt căphátăđi năkhiăv nă

đ căcungăc păhydrogen và oxygen Ph ngătrìnhă2.1,ă2.2ăvƠă2.3,ămôăt ăph nă ng

hóaăhọc c ăb nătrongă pinănhiênăli uămƠăph n ngăt ng quátăc aăch́ngăchínhălƠăph nă

ngăngh chăc aăquáătrìnhăđi năphơnăn ớcμ

- Ph nă ngătrênăanodeμ

2 H2 4 H+ + 4e (2.1)

- Ph nă ngătrênăcathodeμă

li uăchuyểnăđ iătrựcăti păhóaănĕngăthƠnhăđi nănĕng, quá trình này không liên quan

đ năsựăchuyểnăhóaănhi tăthƠnhăc ănĕngănênăkhôngăph iălƠăđ iăt ngăc aăđ nhălu tănhi tăđộngă lựcăhọcăgiớiăhạnăhi uăsu tăt iăđaăc aăcácăđộng c ănhi tăthôngăth ngă(Carnot).ăDoăđó,ăhi uăsu tăpinănhiênăli uăcóăthểăv tăđ căgiớiăhạnăCarnot,ăth măchíăngayăc ăkhiăv năhƠnhă ănhi tăđộăt ngăđ iăth p

Thựcăra,ăkháiăni măvềăpinănhiênăli uăđƣăcóătừăr tălơuăvƠoănĕmă1802,ănóălƠămộtăthi tăb ăđi năhóaăbi năđ iăhóaănĕng thƠnhăđi nănĕng nh ăvƠoăquáătrìnhăoxy hóa nhiên

li u.ăNhiênăli uăth ngădùngă ăđơyălƠăkhíăH2 và khí O2 hoặcăkhôngăkhí Nguyên lý hoạtăđộngăc ăb năc aăpinănhiênăli uăr tăđ năgi n,ăquáătrìnhăbi năđ iăhóaănĕngăthƠnhă

đi nănĕngătheoăph nă ng:

H2 + O2 H20ă+ădòngăđi n (2.4) RõărƠng,ăpinănhiênăli uăhoạtăđộngădựaătrênăph nă ngăH2 và O2,ăđểăhoạtăđộng

đ căthìăngoƠiăphầnăhóaăhọc,ămộtămáyăphátăđi năloạiănƠyăcầnăcóăcácăphầnăkhácănh ăđầuăvƠo,ăđầuăra,ăphầnăph ,ăh ăth ngăđiềuăkhiển,…ă

2.1.3.3ăC măpinănhiênăli uăvƠăh ăth ng pinănhiênăli u

 C măpinănhiênăli u:

Mộtăpinănhiênăli uăđ năgi năch ătạoăraămộtăđi năápăvƠăcôngăsu tăr tăth p,ăchoănênătùyătheoăcácăđiềuăki năvềăk tăc u,ăđặcătínhăc aăxe,… mƠăthi tăk ,ătínhătoánăcác thôngăs ăphùăh p.ăDoăđó,ăng iătaădùngănhiềuăpinănhiênăli uăđ n gi năđểăl păghépăvớiănhauătạoăthƠnhămộtăc măpinănhiênăli u.ăMộtăc măpinănhiênăli uăđiểnăhìnhăcóăthểă

k tăh pătừăhƠngătrĕmăpinănhiênăli uăđ n

Hình 2.5 Sơ đồ cấu t o của cụm pin nhiên liệu

 H ăth ngăpinănhiênăli u:

Doăpinănhiênăli uăth ngăsửăd ngănhiênăli uăđƣăquaăsửălýăvƠădòngăđi năsinhăraălƠădòngămộtăchiều,ăvìăv yăh ăth ngătạoăraănĕngăl ngăc aăpinăđòiăh iăph iăt ăh pănhiềuăbộăph năvớiăcácăch cănĕngăkhácănhau

Vi căxơyădựngăh ăth ngăpinănhiênăli uăph ăthuộcăvƠoătừngăloạiăpinănhiênăli u,ănhiênăli uăsửăd ng,ăđiềuăki nălƠmăvi căvƠăphạmăviăápăd ng,…ăTùyătheoăyêuăcầuăsửă

d ngămƠăconăng iăs ăthi tăk ,ăb ătríămộtăh ăth ngăpinănhiênăli uăvớiăcácăthƠnhăphầnă

h pălý.ăHìnhă2.6 giớiăthi uăs ăđ ăkh iăc aămộtăh ăth ngăpinănhiênăli uăc ăb n.ăCácăbộăph năchínhăc aăh ăth ngănƠyăg mμ

+ăBộăxửălýănhiênăli uă(Fuelăprocessor)μădùngăđểăchuyểnăđ iăcácăloạiănhiênăli uăkhí,ăr n,ăl ngăthƠnhănhiênăli uăhydro,ăcungăc pănhiênăli uăchínhăđểăpinăv năhƠnh.ă

M căđíchăc aăvi căxửălý nhiênăli uănhằmălƠmăsạchăvƠăloạiăb ănhữngătạpăch tăgơyănguyăhạiăcóătrongănhiênăli u

+ăBộăchuyểnăđ iăcôngăsu t (Powerăconditioner)μădòngăđi nădoăpinănhiênăli uătạoăraăth ngăkhôngăđ căsửăd ngătrựcăti păchoăt iămƠăph iăthôngăquaăbộăph năbi nă

đ iădòngăđi n.ăMặtăkhác,ădoăpinănhiênăli uăch ăs năsinhădòngăđi nămộtăchiều,ăchoănênătùyătheoăyêuăcầuăsửăd ngămƠăcóăthểăsửăd ngăbộăchuyểnăđ iăđểăchuyểnădòngămộtăchiềuăsangădòngăxoayăchiều

+ H th ngăthuăh iănhi tμănhằmăt năd ng nhi tătạoăraăc aăpinănhiênăli u,ănhi tănƠyăcóăthểăt năd ngăđểătạoăh iăn ớc,ăn ớcănóngăhoặcăchuyểnăti păthƠnhăđi nănĕngăthôngăquaămộtătuabineăkhíăhayăsửăd ngăchoămộtăcôngăngh ăkhácănhằmăt năd ngătri tăđểăngu nănhi tăphát sinh

+ăThi tăb ăbi năđ iănĕngăl ngă(pinănhiênăli uăhayăc măpinănhiênăli u)μănhằmă

bi năđ iăhóaănĕngăc aănhiênăli uăthƠnhăđi nănĕng

NgoƠiăra,ătrongăh ăth ngăpinănhiênăli uăcònăcóăcácăh ăth ngăph ăkhác,ăđểăxửălýăđộăẩm,ănhi tăđộ,ăápăsu tăvƠăn ớcăth iăc a pin,…

2.2 HYDROGEN VÀ V N Đ CUNG C P NHIÊN LI U

2.2.1 L iăíchăc aăn năkinhăt ăhydro:

Nh đƣ đề c p phần tr ớc, th giới đang ph thuộc quá nhiều vào một nền kinh t nhiên li u hóa thạch, nhiên li u c a đa s ph ng ti n giao thông c giới là

xĕng, dầu Giữa b i c nh khó khĕn này, khái ni m về một nền kinh t hydro dựa trên ngu n nĕng l ng sạch, t n tại vô hạn trong tự nhiên đƣ xu t hi n, đ c coi nh

một tiềm nĕng vô cùng to lớn Nền kinh t hydro là một h th ng l u trữ, phân ph i

và sử d ng nĕng l ng dựa trên nhiên li u chính hydrogen Thu t ngữ này đ c t p đoàn General Motors đặt ra vào nĕm 1970, là gi i pháp hữu ích, nó s đẩy lùi t t c

những v n đề khó khĕn do nền kinh t dựa vào nhiên li u hóa thạch gây ra

C nhân loại đang đ ng trên ng ỡng cửa c a bu i giao th i trọng đại, chuyển

ti p sang một th i kỳ nĕng l ng mới đa dạng hóa h n, hữu ích h n Cộng đ ng

qu c t đƣ công nh n hydrogen là một thành phần ch đạo cho h th ng nĕng l ng

sạch và bền vững trong th i kỳ mới Hydrogen là ch t mang nĕng l ng ng d ng trong nhiều lĩnh vực từ phát đi n, đ n v n t i, công nghi p, dân d ng và th ng mại Trong t ng lai, khi công ngh này dần hoàn thi n, hydrogen s đ c s n xu t ch

y u từ các công ngh sạch nh đi n phân từ các ngu n tái sinh đ c, hay chuyển hóa nhi t từ các nguyên li u hóa thạch, cùng với kỹ thu t thu h i cacbon

Hydroăđ căx păvƠoăloạiănhiênăli uăvĩnhăcửuăvƠăchoăphépăkhaiăthácăkhôngăgiớiăhạn Có thể tóm t t những l i ích chính mà nền kinh t hydrogen mang lại nh sau: + Không gây ô nhi mμăkhiăhydrogenăđ căsửăd ngătrongăpinănhiênăli u,ănóălƠămộtăcôngăngh ăhoƠnătoƠnăsạch.ăS năphẩmăph ăduyănh tăsinhăraălƠăn ớc,ădoăđóăs ăkhôngălƠmăn yăsinhănhữngăv năđềăđángăloăngạiănh ătrƠnădầu,… gây nguy hiểm cháy

n nh động c đ t trong

+ Không th iă raă khíă gơyă hi uă ngă nhƠă kínhμă quáă trìnhă đi nă phơnă n ớcă tạoăhydrogenăkhôngăhềătạoănênăkhíănhƠăkínhănƠo.ăĐóălƠămộtăquáătrìnhălýăt ngăvƠăhoƠnă

h oăậ đi năphơnăhydrogenătừăn ớc,ăhydrogenălạiătáiăk tăh păvớiăoxygenăđểătạoăraă

n ớcăvƠăcungăc păđi nănĕngătrong pinănhiênăli u

+ Khôngăph ăthuộcăvềăkinhăt μăkhôngădùngădầuăm ăcǜngăcóănghĩaălƠăkhôngă

ph iăph ăthuộcăvƠoăcácăthùngădầuănh păkhẩuătừăn ớcăngoƠi

+ N u đ c làm mát tới trạng thái l ng, hydro chi m 1/700 thể tích c a trạnh thái khí Hydro khi hóa h p với oxy cho ra hàm l ng nĕng l ng cao nh t trên một

2.2.2 Cungăc pănhiênăli u

Ngu năcungăc pănhiênăli uăđ năcácămạchăc aăt ăbƠoăpinălƠătháchăth călớnăđ iăvớiăcácăxeăsửăd ngăpinănhiênăli u.ăNh ăđ căđềăc p,ăhydrogenălƠănhiênăli uălýăt ngăchoănhữngăxeădùngăpinănhiênăli u.Doăđó,ăsựăs năxu tăvƠădựătrữăhydrogenătrongăt mămạchălƠăm iăquanătơmăch ăy u.ăThôngăth ng,ăcóăhaiăcách đểăcungăc pănhiênăli uă

đ nănhữngăpinănhiênăli u.ăMộtălƠăs năsu tăraăhydrogenă ănhữngătrạmăti pănhiên li uăvƠădựătrữăhydrogenănguyênăch tătrongăt mămạch.ăTh ăhaiălƠăs năxu tăraăhydrogenă

đ năt mămạchătừămộtăthi tăb ăch aăhydrogenăd ădƠngămangătheoăvƠăcungăc pătrựcă

ti păchoăpinănhiênăli u

2.2.2.1 S ăs năxu tăhydrogen:

HydrogenălƠănguyênăt ăph ăbi nănh tătrongătựănhiên, c u thành đ n 90% v t

ch t vǜ tr (75% theo trọng l ng) Mặt tr i, hầu h t các ngôi sao và một s hành tinh nh Sao Mộc ậ hành tinh lớn nh t Thái D ng H , đ c tạo nên ch y u b i hydrogen, ph n ng t ng h p hạt nhân giữa các đ ng v c a hydrogen, deuterium và tritium đƣ cung c p ngu n nĕng l ng kh ng l cho mặt tr i và các vì sao, nh đó duy trì sự s ng

Hydrogen có c u trúc t ng đ i đ n gi n trong các nguyên t hóa học, thành

phần ch g m một proton và một electron, hydrogen là ch t khí không màu, không mùi, không v , r t d cháy Trên Trái đ t, hydrogen phần lớn k t h p với oxygen trongăn ớc, hay với cacbon và các nguyên t hóa học khác trong vô s h p ch t hữu

c tạo nên c thể mọi loài động v t Tuy nhiên, hydrogen là ngu n nĕng l ng th

c p, chúng không thể khai thác trực ti p mà ph i tinh ch từ ngu n s c p ban đầu Điều này là điểm b t l i, nh ng đ ng th i là điểm mạnh c a hydrogen, do con

ng i có thể s n xu t và tinh ch hydrogen từ nhiều ngu n khác nhau

Có 3 ph ng pháp tinh ch ch y u là: tinh ch lại bằng h i (SR), tinh ch lại

bằng nhi t tự động (ATR), và quá trình oxy hóa không hoàn toàn (POX) Tinh ch

bằng h i có thể đ c sử d ng không phân bi t methanol, metan hoặc xĕng, trong khi tinh ch bằng nhi t tự động và oxy hóa không hoàn toàn hầu nh th ng đ c

sử d ng cho xĕng

 S ătinhăch ăbằngăh i:

Tinhăch ăbằngăh iă(SR)ălƠămộtăquáătrìnhăhóaăhọcătrongăđó, hydrogenăđ căs nă

su tăthôngăquaăph nă ngăhóaăhọcăgiữaănhữngănhiênăli uăhydrocacbonăvớiăh iăn ớcătạiănhi tăđộăcao.ăNhữngăph ngătrìnhăhóaăhọcăd ớiăđơyădi năt ăsựătinhăch ,ăsửăd ngămetan (CH4), methanol (CH3OH),ăvƠăxĕngă(isoăậ octan C8H18)ănh ănhữngănhiênăli u

n ớcμ

CO + H2O + 4 kJ/molăCOăăăăă→ăăăăH2ăăăăă+ăăăăCO2 (2.8)

ΔH0 -111,6 -286,2 0 -393,8

Trongăsựătinhăch ăbằngăh i,ă methanol đ că uătiênămộtăcáchăđặcăbi tăđểăsửă

d ngănh ălƠănhiênăli u,ăvìă ăđơyăkhôngăcầnăchoămộtăph nă ngătheoălýăthuy tătraoăđ i khí ậ n ớcăvƠăvìănhi tăđộăc aăti nătrìnhăth pă(250 0C), l ngăhydrogenăsinhăraăcǜngăđặcăbi tăcao.ăTrongăs ănhữngăhạnăch ,ăhạnăch ăquanătrọngănh tălƠăsựănhi măbẩnăch tăx́cătácăđ cătáiătạoălạiădoănhữngăch tăcóămặtătrongămethanol vƠăcầnăthi tăc pănhi tăbênăngoƠiăđ aăvƠoăđ iăvớiăph nă ngăthuănhi t.ăNhuăcầuănhi tăph nă ngăgi măch măvƠăbuộcăth iăgianăkh iăđộngăch măkho ngăgiữaă30ăvƠă45ăph́t.ăThi tăb ătinhăch ăbằngă

h iămethanol cǜngăcóăđộngălựcăhọcăđầuă raăch m.ăMặcădùăcóăthểăthựcăhi năđ c,ă

nh ngăsựătinhăch ăbằngăh iăc aăxĕngăkhôngăth ngăđ căsửăd ng

 S ătinhăch ăbằngăPOX:

Sựătinhăch ăbằngăPOXăk tăh pănhiênăli uă vớiăoxygenăđểăsinhăraăH2 và CO

Ph ngăphápănƠyăth ngăsửăd ngăkhôngăkhíălƠmăch tăoxyăhóa,ăvƠăk tăqu ălƠătrong

ch tăđ cătinhăch ăthìăcóănit đ căphaăl n.ăSauăđó,ăCOăs ăph nă ngămạnhăvớiăh iă

n ớcăđểăsinhăraăhydrogenăvƠ CO2,ănh ăđ căđềăc pă ătrên.ăSựătinhăch ăbằngăquáătrình oxyăhóaăth ngăsửăd ngăxĕngă(isoăậ octan)ălƠmănhiênăli u.ăPh nă ngăđ cădi nă

li uălinhăhoạt,ăvƠăcóăkh ănĕngăxửălýăđaădạngăcác loạiănhiênăli u.ăNhữngăhạnăch ăbaoă

g mănhi tăđộăhoạtăđộngăcaoă(800ăậ 1000 0C)ăvƠămộtăsự thựcăhi năkhóăkhĕnădoănhữngă

v năđềăvềăsựăh pănhi tăgiữaătrongăcácăb ớcăkhácănhauăc aăph nă ng.ăThêmăvƠoăđó,ătừăph ngătrìnhăhóaăhọcă ătrênăchoăth yănhi tăđ căsinhăraătừăph nă ngăth ănh tănhiềuăh nănhi tăsinhăraă ăph nă ngăth ăhai,ăvƠăvìăv yăsựătinhăch ăbằngăquáătrìnhăoxyăhóaăcóăhi uăsu tăth păh năsựătạoăhìnhăbằngăh iăc aămethanol Hình 2.7 choăth yămộtă

h ăth ngăch ăbi nănhiênăli uătừăquáătrìnhătinhăch ăbằngăPOX

 S ătinhăch ăbằngănhi t t ăđ ng:

Sựătinhăch ăbằngănhi tătựăđộngăk tăh pănhiênăli uăvớiăc ăn ớcăvƠăh iăn ớcăđểănhi tăt aăraătừăph nă ngăPOXăđ căcơnăbằngăvớiănhi tăthuăvƠoătừăph nă ngătinhăch ăbằngăh i.ăPh ngătrìnhăhóaăhọcătrongăph nă ngănƠyălƠμ

C8H18 + nO2 + (8 - 2n)H2Oăăăăă→ăăăăă8COăăăă+ăăăă(17 - 2n)H2 (2.11)

ΔH0 -224,1 (8 - 2n) × (-286,2) 8×(-111,6)

Khôngăcóănhi tăđ căsinhăraă ăph ngătrìnhă2.11, nên n = 2,83 Lúc này, CO

đ că sinhă raă trongă ph nă ngă cóă thểă ph nă ngă mạnhă vớiă h i n ớcă đểă sinhă raăhydrogenănh ăph nă ngătraoăđ iăn ớcăđ căđềăc pă ătrên

ATRăsinhăraănhiềuădòngăhydrogenăcôăđặcăh năsựătinhăch ăPOX,ănh ngăítăh năsựătinhăch ăbằngăh i.ăSựăk tăh pănhi tăd ădƠngăh năđ iăvớiăsựătinhăch ăPOX,ănh ngăđòiăh iăph iăcóăch tăx́cătác.ăPh ngăphápăATRăcóăhi uăsu tăcaoăh năph ngăphápătinhăch ăPOX

2.2.2.2 S ăd tr hydrogen

Vớiăvaiătròăắchuyênăch ”ănĕngăl ng,ăh nălƠămộtăngu nănĕngăl ngăc ăb n,

gi ng nh đi n nĕng, hydrogen giúp cho vi c phân ph i, sử d ng nĕng l ng đ c thu n ti n Thêm vào đó, khác với đi n nĕng, hydrogen còn có thể l u trữ đ c lâu dài Về c b n có ba ph ng th c l u trữ hydrogen nh sau: hydrogenăđ cănénătrongă mộtă bìnhă ch aă ă nhi tă độă môiă tr ng,ă dùngă ch tă lƠmă lạnhă sơuă hóaă l ngăhydrogenătạiănhi tăđộăth p,ăvƠăph ngăphápăhydruaăkimăloại.ăT tăc ănhữngăph ngăphápănƠyăđềuăcóănhữngă uăđiểmăvƠănhữngăhạnăch ăc aăch́ng

Vớiăp và V lƠăápăsu tăvƠăthểătích c aăthùngăch a,ăR lƠăhằngăs ăkhíălýăt ngă (8,31 J/mol K), T lƠănhi tăđộătuy tăđ i,ăvƠăWH lƠăphơnătửăl ngăc aăhydro (2,016

g/mol).ăNĕngăl ngădựătrữătrongăhydrogenăcóăthểăđ cătínhănh ăsauμ

E H m HV H (2.13)

Với HV lƠă nhi tă tr ă c aă hydrogen.ă Nhi tă tr ,ă cóă thểă lƠă nhi tă tr ă caoă

(HHV H  144MJ kg/ )ăhoặcănhi tătr ăth pă(LHV H =120 MJ/kg),ăph ăthuộcăvƠoănĕngă

l ngăng ngăt ăc aăăn ớcăcóăthểăthuălại đ c hay không.ăĐểăti năsoăsánhăvớiăICEs,ănhi tătr ăth păth ngăđ căsửăd ng

Hình 2.8 choăth yăkh iăl ngăvƠănĕngăl ngătrongă1ălítăhydrogenăvƠălítănhiênă

li uăt ngăđ ngăd ới cácăápăsu tăkhácănhauăvƠă ănhi tăđộăphòngă(25 0C).ăCh ăs ălítă

t ngăđ ngăc aăxĕngăđ căxácăđ nhăbằngăs ălítăxĕngămƠăl ngănĕngăl ngăch aătrongănóăbằngăvớiănĕngăl ngăch aătrongă1ălítăhydrogen Hình 2.8 cǜngăchoăth yărằngătạiăápăsu tă350ăbar,ănĕngăl ngăchoăm iălítăhydrogenăítăh nă1ăkWhăvƠăt ngă

đ ngăvớiăkho ngă0,1ălítăxĕng.ăTh măchíăn uăgi ăsửăápăsu tătĕngălênătớiă700ăbarălƠăápăsu tăcựcăđại,ăthìănĕngăl ngăchoăm iălítăhydrogenăv năítăh nă2,0ăkWhăvƠăkho ngă0,2ălítăt ng đ ngăc aăxĕng

ThêmăvƠoăđó,ăcầnămộtăl ngănĕngăl ngăc ăđ nhăđểănénăhydrogenătừăápăsu tă

th pătớiăápăsu tăcao.ăQuáătrìnhănénăhydrogenăcóăthểăđ căgi ăđ nhălƠămộtăquáătrìnhăđoạnănhi t,ănghĩaălƠăkhôngăx yăraăsựătraoăđ iănhi tătrongăsu tăquáătrình.ăNĕngăl ngătiêuăth ăcóăthểăđ căbiểuădi nănh ăsauμ

Nhữngăm iănguyăhiểmăc aăsựănénăhydrogenătrênăt mămạchăc aăxeăph iăđ că

đ aăvƠoăxemăxét.ăBênăcạnhănhữngănguyăhiểmăc aăsựăròăr ădoănhữngăv tăn tătrongăthành thùng ch a,ă đ mă lƠmă kín,… thìă cóă mộtă v nă đềă đóă lƠă sựă thẩmă th uă c aăhydrogenăxuyênăquaăv tăli uăc aăthƠnhăthùngăch a.ăPhơnătửădihydrogenăquáănh ăđ nă

m c mƠănóăcóăthểăkhu chătánăxuyênăquaămộtăvƠiăv tăli u

ThêmăvƠoă đó,ă mộtăthùngănénăkhíăcóăkh ănĕngătr ăthƠnhă mộtăqu ă bomătrongă

tr ngăh păb ătaiănạn.ăS ănguyăhiểmăh nătrongătr ngăh pălƠăhydrogen,ănóăcóăphạmăviăcháyăn ăr tărộngălớnătrongăkhôngăkhíătừă4% tớiă77%vƠăcóăkh ănĕngăhòaătrộnăvớiăkhôngăkhíăr tănhanhăchóng.ăĐiềuănƠyăđ căsoăsánhăvớiăxĕng,ăcóăphạmăviăcháyăn ăch ătừă1% đ nă6%ăvƠălƠămộtăch tăl ng.ăMộtăđiềuănênăđ căch́ăýărằngăhydrogenăcóămộtănhi tăđộătựăb căcháyăcaoăkho ngă571 0C,ătrongăkhiăxĕngătựăb căcháyătạiănhi tăđộăkho ngă220 0Cănh ngăph iăđ căhóaăh iătr ớc

Choăđ năbơyăgi ,ăkỹăthu tănénăhydrogenăđểădựătrữătrênăt mămạchăv nălƠămộtănhi măv ăkhóăkhĕnăđ iăvớiăvi că ngăd ngătrênăxe

 LƠmăl nhăsơuăhóaăl ngăhydrogen:

Gi iăphápăkhácăđểădựătrữăhydrogenătrênăt mămạchăc aăxeălƠăhóaăl ngăkhí tạiănhi tă độă lạnhă sơuă (-259,2 0C).ă Vìă v y, hydrogenă đ că dựă trữă d ớiădạng chung là ắLH2”.ăThi tăb ădựătrữăLH2b ă nhăh ngădoănhữngăv năđềăvềătỷătrọngăgi ngănh ă nhă

h ngă sựă nénă hydrogen.ă Thựcă v y,ă tỷă trọngă c aă hydrogenă l ngă r tă th pă vƠă 1ă lítăhydrogenăl ngăch ănặngă71x10-3 kg.ăTỷătrọngăth pănƠyăd năđ năk tăqu ălƠănĕngăl ngăđạtăđ căkho ngă8,52x106 J choăm iălítăhydrogenăl ng

Đểăch aăđựngăch tăl ngătạiănhi tăđộăr tăth pănh ă-259,2 0CălƠămộtătháchăth că

đ iăvớiăkỹăthu t.ăNóăđòiăh iămộtăthùngăch aălớnăđ căb oăv ăđểăgi măđ năm căt iăthiểuănhi tătruyềnătừămôiătr ngăkhôngăkhíăđ n ch tăl ngăvƠăvìăth ăngĕnăc nănóăsôi.ă

Ph ngăphápăth ngăsửăd ngălƠălƠmămộtăbìnhăch aăđ căb oăv ăr tăkỹăvƠălƠmăchoănóăđ ălớnăđểăch ngălạiăápăsu tătừămộtăvƠiăsựăbayăh i.ăÁpăsu tăd ăsauăđóăđ căgi iăphóngăraăkhíăquyểnăbằngămộtăvanăanătoƠn.ăSựăcáchălyăthùngăch a,ăđộăbền,ăvƠănhữngăthi tăb ăanătoƠnăcǜngătĕngălênăđángăkểăcùngăvớiătrọngăl ngăvƠăchiăphíăc aăLH2 dựătrữ

Sựăbayăh iălƠămộtăhi năt ngăkhóăgi iăquy tμăn uăxeăđ căđ ă ămộtăkhuăvựcăkhépăkínă(garage,ăbƣiăđ uăxeăd ớiămặtăđ t),ăcóăsựănguyăhiểmălƠăhydrogenăs ătíchăt ătrongăkhíăquyểnăch tăhẹpăvƠăh năh păch tăn ătheoăđóăhìnhăthƠnhăs ăn ătungăkhiăcóătia lửaă đầuă tiênă (côngă t că đèn,ă bóngă đèn, ).ă Ti pă nhiênă li uă choă thùngă ch aă vớiăhydrogenăl ngăyêuăcầuănhữngăsựăđềăphòngăđặcătr ngμăkhôngăkhíăph iăđ căgiữălạiăbên ngoƠi.ăGi iăphápăth ngăđ căsử d ngălƠăđ ăđầyăthùngăch aăvớiănit ătr ớcăkhiăchoănhiênăli uăđểădiăchuyểnăkhíăd ătrongăthùngăch a.ăĐiềuăđóăcầnăthi tăđểăsửăd ngănhữngăthi tăb ăchuyênădùng,ăch́ngăđ căthi tăk ă nhằmăđềăphòngăsựăn ăvƠănhữngănguyăhiểmăc aăch tălƠmălạnhăsơu.ăThựcăv y,ăch tălƠmălạnhăsơuălƠămộtăh păch tănguyăhiểmăđ iăvớiăcuộcăs ngăsinhăv t,ănh ănóăđ tăcháyăậ lƠmătêăli tădaăvƠănhữngăbộăph năkhác.ă Tuyă nhiên,ă nóă cóă thểă kh ă quană h nă vìă nhi tă độă môiă tr ngă s ă lƠmă bayă h iănhanhăhydrogenălạnh, đ ăđểăhạnăch ăhoặcăloạiătrừănguyăhiểmănƠy

 Hydruaăkimălo i:

MộtăvƠiăkimăloạiăcóăkh ănĕngăk tăh păvớiăhydrogenăđểătạoăthƠnhăh păch tăcóătrạngătháiăbềnăvữngăvƠăsauăđóăcóăthểăđ căphơnăh yăd ớiăđiềuăki nănhi tăđộăvƠăápă

su tăđặcăbi t.ăNhữngăv tăli uănƠyăcóăthểălƠăs t,ăTitan, Mangan, Niken, Lithi vƠămộtă

s ăh păkimăc aănhữngăv tăli uănƠy.ăHydruaăkimăloạiăbềnăvữngăd ớiănhữngăđiềuăki nănhi tăđộăvƠăápăsu tătiêuăchuẩnăvƠăcóăkh ănĕngăgi iăphóngăhydrogenăch ăkhiăđ căyêuăcầu

B ngă2.1: M tăđộălýăthuy tăhygrogenătíchălǜyăbằng

ph ngăphápănén,ăhóaăl ng,ăvƠăhydruaăkimăloại

Per cm3 (x1022)

% m tăđộ hydrogen

Mg2Ni ậ H4, FeTi ậ H2, và LaNi5 ậ H6.ăVềămặtălýăthuy t,ăkimăloạiăvƠănhữngăh pă

ch tăkimăloạiătíchătrữăhydrogenătạiătỷătrọngăcaoăh năhydrogenănguyênăch t,ănh ătrìnhăbƠyă ăB ngă2.1 Trênăthựcăt ,ăkh ănĕngădựătrữăhydrogenăph ăthuộcăr tălớnăvƠoădi nătíchăbềămặt c aăv tăli uămƠănhữngăphơnătửăhydroăđ căh păth ăDi nătíchăbềămặtălớnătrênă mộtăđ năv ă kh iă l ngăc aă v tăli uăcóăthểăthuă đ cănh ănhữngăphầnătửăx pă

đ căđánhăgiáăquaăđộăm năc aăkimăloạiăvƠăh păkim.ăHình 2.9 choăth yăthểătíchăvƠă

kh iăl ngăthựcăt ăcầnăthi tăđểăl uătrữă6ăkgăhydrogenă(t ngăđ ngă22ălítăxĕng).ăHìnhă2.λăcǜng choăth yărằngăMgăậ H2lƠăkỹăthu tăđầyăh aăhẹn

Hình 2.9 Khối lượng và thể tích cần thiết để tích trữ 6 kg hydrogen

Nhữngăhydruaăkimăloạiăkiềmăcóăthểăchọnăđểăthayăth ăchoăhydruaăkimăloạiăh pă

th ăNhữngăhydruaănƠyăph nă ngămãnh li t vớiăn ớcăđểăgi iăphóngăhydrogenăvƠămộtăhydroxit.ăVíăd ăd ớiăđơyăchoăth yăph nă ngăc aănatri hydrua

N H a H O2 N OH a H2 (2.15)

V năđềăđặtăra lƠălƠmăth ănƠoăđểătạoăraăph nă ngăhydruaăhi uăqu ăcaoăvƠăgi iăquy tăsựăĕnămònăhydroxitănh ătrênăxe.ăM căđộătíchătrữăhydrogenăkháăt tăkhiăsoăsánhăvớiănhiềuăkỹăthu tătíchătrữăhydrogenăkhác,ăngoạiătrừăsoăsánhăvớiăxĕng.ăSựăs năxu tănhữngăhydruaănƠyăvƠătáiăsinhăch́ngăcǜngălƠăv năđềăthửătháchăđ iăvớiănhữngănhƠăs nă

xu t

Nhữngă ngănanô cacbon đ cătìmăraăvƠoănĕmă1λλ1,ăs ălƠăph ngăphápăt ngălaiăchoănhữngăh ăth ngădựătrữăhydrogen,ăvìăkh ănĕngăh păthuăhydrogenăcaoăvƠăkh iă

l ngănhẹ.ăTuyănhiên,ăkỹăthu tă ngănanoăcacbon cònănonănớtăvƠănóăcần mộtăquƣngă

đ ngădƠiăđểăđi,ătr ớcăkhiănhữngăl iăíchăc aănóăthựcăsựăđ căđánhăgiá

 Trongă ngăcacbon nanoăr ng:

Ph ngăphápănƠyăvềănguyênăt căt ngătựănh ăhydruaăkimăloạiătrongăc ăch ăl uăgiữăvƠăgi iăphóngăhydrogen.ăV tăli uăcacbon nanoănƠyăcóăthểăch ătạoănênămộtăcuộcăcáchămạng trongăcôngăngh ăl uătrữăhydrogenătrongăt ngălai.ăCáchăđơyăvƠiănĕm,ăcácănhƠăkhoaăhọcăđƣăkhámăpháăđ căđặcătínhăhữuăíchăc aăcacbon nanoălƠăcóăthểăch aă

đ cănhữngăl ngălớnăhydrogenătrongăcácăviăc uătŕcăthanăchìădạngă ng.ăHydrogenăcóă thểă chuiă vƠoă trongă ng,ă cǜngă nh ă vƠoă kho ngă tr ngă giữaă cácă ng.ă L ngăhydrogenăh păth ăph ăthuộcăvƠoăápăsu tăvƠănhi tăđộ,ănênăvềănguyênăt c,ăcóăthểăthayă

đ iăápăsu tăhoặcănhi tăđộ,ăr iăb măhydrogenăvƠoăđểăl uătrữ,ăhayăđẩyăhydrogenăraăđểăsửăd ng.ăNgoƠiăra,ăcầnăcóătỷăl ăgiữaăv tăli uăvớiă ngăcacbon nanoăcao,ăkhôngăđểăl năvớiănhiềuăb iăthanăkhác

uă điểm mangă tínhă độtă pháă c aă côngă ngh ă nanoă nƠyă chínhă lƠă l ngă lớnăhydrogenămƠănóăcóăthểăl uăch aăđ c,ăh nănữaăsoăvới cáchăl uătrữăbằngăh p kim thì ngăcacbon nanoăcǜngănhẹăh n.ă ngăcacbon nanoăcóăthểăch aăđ căl ngăhydrogenălớnăh nă4%ătrọngăl ngăc aăch́ng.ăHi nănay,ăcôngăngh ănƠyăđangăđ căquanătơmănghiênă c uă r tă nhiềuă trênă th ă giới,ă vƠă h aă hẹnă s ă lƠă mộtă ph ngă th că l uă trữăhydrogenăđầyătiềmănĕng,ănh tălƠăchoăcácă ngăd ngăpinănhiênăli uădiăđộngăsửăd ngătrênămáyătínhăxáchătay,ăđi năthoạiădiăđộng,…

NgoƠiăra,ăcònăcóămộtăph ngăphápăl uăch aăhydrogenăkhácănh ngăítăph ăbi nă

nh ngăcǜngăkháăth́ăv ,ăđóălƠăl uăch a hydrogen trongăcácăviăcầuăbằngăkínhăhayăcònăgọiălƠăviăcầuăth yătinh.ăĐơyălƠănhữngăviăcầuăr ngăđ călƠmănóngădẻo,ăgiaătĕngăkh ănĕngă th mă c aă thƠnhă th yă tinh,ă r iă đ că l pă đầy khiă đ că đặtă ng pă trongă khíăhydrogenăvớiăápăsu tăcao.ăCácăkh iăcầuăsauăđóăđ călƠmănguội,ăcóătácăd ngăgiữălạiăhydrogenă bênă trongă kh iă th yă tinh.ă Khiă giaă tĕngă nhi tă độ,ă hydrogenă s ă đ că gi iăphóngăraăkh iăkh iăcầuăvƠăsửăd ngăchoăcácăm căđíchăkhácănhau.ăPh ngăphápăviăcầuănƠyăr tăanătoƠn,ătinhăkhi tăvƠăcóăthểăch aăđ căhydrogenă ăápăsu tăth p