Nghiên cứu xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro

Chia sẻ: Mộ Dung Vân Thư | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Nghiên cứu xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro" nhằm mục tiêu giảm thiểu những tác động nguy hại từ các phương tiện sử dụng nhiên liệu hóa thạch và khắc phục nhược điểm lớn nhất của xe sử dụng nhiên liệu điện. Nhiên liệu hydro là một đối tượng nghiên cứu đầy tiềm năng vì mức gây ô nhiễm bằng không. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro

NGHIÊN CỨU XE CHẠY BẰNG PIN NHIÊN LIỆU HYDRO Trần Khánh Linh*, Nguyễn Văn An Khương*, Nguyễn Văn Thắng* *Viện Kỹ thuật, trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh GVHD: TS. Nguyễn Văn Nhanh TÓM TẮT Ngày nay, cùng với tốc độ phát triển kinh tế, kĩ thuật và công nghệ toàn cầu thì vấn đề về bảo vệ môi trường cũng rất đáng quan ngại. Nền kinh tế ngày càng phát triển đi đôi với số lượng phương tiện dùng nhiên liệu hóa thạch trên đường ngày càng nhiều, do đó lượng khí thải CO2 thải ra cũng tăng lên. Do vậy, ngày nay hầu hết các hãng xe lớn trên toàn cầu đã thương mại hóa dòng xe chạy bằng nhiên liệu điện hoặc xăng lai điện. Nhưng dòng xe sử dụng nhiên liệu này có một nhược điểm là giá thành cao cũng như quãng đường sử dụng sau mỗi lần sạc chưa được tối ưu. Từ hai lí do nêu trên, chúng em xin trình bày đề tài nghiên cứu xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro. Nhằm mục tiêu giảm thiểu những tác động nguy hại từ các phương tiện sử dụng nhiên liệu hóa thạch và khắc phục nhược điểm lớn nhất của xe sử dụng nhiên liệu điện. Nhiên liệu hydro là một đối tượng nghiên cứu đầy tiềm năng vì mức gây ô nhiễm bằng không. Chất thải của nó chỉ là nước và nhiệt đối với loại chạy bằng pin nhiên liệu hydro, còn xe dùng nhiên liệu giàu hydro và bộ chuyển hydrocarbon thành hydro sẽ chỉ tạo ra một lượng nhỏ chất thải gây ô nhiễm không khí. Từ khóa: hydro, nhiên liệu, ô tô, pin nhiên liệu hydro. 1. GIỚI THIỆU Xe chạy bằng hydro là xe sử dụng khí hydro làm nguồn năng lượng sơ cấp để kéo xe. Nhiên liệu hydro có thể được chuyển thành cơ năng bằng 2 phương pháp khác nhau: động cơ đốt trong hoặc pin nhiên liệu. Trong động cơ đốt trong, khí hydro được đốt “cháy” theo cùng một nguyên tắc như khi sử dụng các loại xăng truyền thống khác. Trong pin nhiên liệu khí hydro được chuyển thành điện qua pin nhiên liệu để cung cấp điện năng cho động cơ điện. Khác với các nguồn năng lượng tái tạo, không có khả năng tích trữ và phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên, pin nhiên liệu cho phép cung cấp năng lượng ổn định, liên tục theo yêu cầu và có khả năng tàng trữ dưới dạng nhiên liệu. Pin nhiên liệu là thiết bị điện hóa có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng hóa học thành năng lượng điện nhờ quá trình oxy hóa khử, nhiên liệu thường là khí hydro và khí oxy hoặc không khí bằng phản ứng điện hóa. Đây là loại máy phát điện tĩnh, chạy rất êm, không gây tiếng động, không tạo các loại chất thải độc hại gây ô nhiễm môi trường và có hiệu suất rất cao (có thể đạt được hiệu suất 90% nếu sử dụng cả điện và nhiệt). Với ưu thế vượt trội đó, pin nhiên liệu được dự báo sẽ trở thành nguồn nhiên liệu sạch đầy triển vọng và được áp dụng rộng rãi trong tương lai. 144
2. THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG Hydro, nhiên liệu được sản xuất từ quá trình điện phân nước, là một giải pháp thay thế tiềm năng cho các nguyên liệu hóa thạch vốn thải ra nhiều CO2 trong quá trình vận hành. Tuy nhiên các thiết bị điện phân thường đòi hỏi những thành phần phức tạp như kim loại hiếm, cũng như nguồn nước tinh khiết để hoạt động. Điều này vô tình sẽ gây ra sự xung đột với nhu cầu sử dụng nước sạch ngày một tăng cao. Vì thế nhóm nghiên cứu lên ý tưởng về một thiết bị điện phân thu thập hơi nước trong không khí thay vì nước ở dạng lỏng để phục vụ cho quá trình điện phân. Sau khi thu thập hơi nước từ không khí, thiết bị sẽ tiến hành điện phân mẫu nước đó thành hydro và oxy. Nhiên liệu hydro này đã được chứng minh là có thể giúp động cơ của một cánh quạt vận hành thành công. Hình 1: Nguồn nhiên liệu hydro thu được từ nghiên cứu có thể làm quay cánh quạt Nếu được phát triển đúng hướng, thiết bị này hoàn toàn có cơ sở để trở thành nguồn cung cấp năng lượng cho những chiếc ôtô sử dụng nhiên liệu hydro trong tương lai. Ý tưởng này có thể giúp cung cấp nguồn năng lượng từ nhiên liệu hydro đến các vùng khô hạn có độ ẩm thấp đến 4%, qua đó hạn chế bất kỳ tác động có hại nào đến môi trường gây ra bởi quá trình điện phân nước. Hình 2: Mô phỏng quá trinh phân tách hydro từ hơi nước trong không khí 145
Pin nhiên liệu hydro sản xuất ra điện thông qua quá trình hoá học bằng cách dùng nhiên liệu hydro và lấy ô xy từ không khí do phản ứng hoá học sinh ra trong một thiết bị xúc tác giữa các ion hydro và ô xy trong pin nhiên liệu. Như vậy pin nhiên liệu chuyển đổi hoá năng của nhiên liệu hydro trực tiếp thành điện năng mà không qua bất kỳ quá trình cơ hoặc nhiệt nào. Trên xe, chúng cũng có thể được tiếp dưới dạng nhiên liệu giàu hydro như methanol, khí tự nhiên hoặc thậm chí xăng nhưng các loại nhiên liệu này trước tiên phải được chuyển đổi thành khí hydro qua một thiết bị lắp trên xe gọi là “bộ chuyển đổi hydrocarbon thành khí hydro”. Quá trình phản ứng hoá học trong bộ chuyển đổi này về cơ bản như sau: CnHm + n H2O  n CO + m/2 +n H2 Xe chạy bằng khí hydro nếu được cấp hydro tinh khiết sẽ không gây ô nhiễm, chất thải chỉ là nước và nhiệt; còn xe dùng nhiên liệu giàu hydro và bộ chuyển hydrocarbon thành hydro sẽ chỉ tạo ra một lượng nhỏ chất thải gây ô nhiễm không khí. Ngoài ra, xe chạy bằng khí hydro có thể đạt hiệu suất 2 lần lớn hơn so với các xe có cùng kích thước và có thể phối hợp thêm nhiều ưu việt khác để tăng tính hiệu quả. Về phương diện hóa học pin nhiên liệu là phản ứng ngược lại của sự điện phân. Trong quá trình điện phân, nước bị tách ra thành khí hydro và oxy nhờ vào năng lượng điện.Pin nhiên liệu lấy hai chất này biến đổi chúng thành nước và tạo ra dòng điện ở mạch ngoài. Nhiên liệu (khí ) được dẫn liên tục vào điện cực anode; còn chất oxy hóa, thông thường là oxy, được đưa vào cathode. * đi qua màng xúc tác dưới tác dụng của áp suất. Khi một phân tử đến tiếp xúc sẽ bị phân tách thành 2 và 2 . Phản ứng tại anode: 2 +2 * Các proton H+ di chuyển trong chất điện giải xuyên qua màng đi đến cathode. Các điện tử được giải phóng đi từ anode qua mạch bên ngoài về cathode kết hợp với khí oxy và các ion H+ sinh ra nước đồng thời tạo ra dòng điện ở mạch ngoài. Phản ứng tại cathode: +2 +2  O * Phản ứng tổng quát trong pin nhiên liệu: +  O 146
Hình 3: Cơ chế hoạt động của pin nhiên liệu hydro Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu. Đối với hệ thống pin nhiên liệu, cần có ba trụ cột: cực dương, cực âm và chất điện phân. Một pin nhiên liệu có thể bao gồm hàng trăm ô riêng lẻ, nhưng mỗi ô có ba thành phần cơ bản giống nhau. Chất điện phân nằm giữa cực âm và cực dương. Nhiên liệu (hydro nguyên chất) được đưa vào ngăn cực dương của pin nhiên liệu trong khi không khí hoặc oxy nguyên chất được đưa vào cực âm của pin nhiên liệu. Ở phía cực dương của tế bào, các electron bị tách ra khi khí cố gắng đi qua màng điện phân. Màng hoạt động như một bộ lọc để tách các electron và ion hydro trong khi chỉ cho phép các ion hydro đi qua. Trong ngăn cực âm, các ion hydro đi qua màng kết hợp với các nguyên tử oxy từ nguồn cung cấp không khí để tạo ra H 2O như một sản phẩm phụ; nhiệt cũng được tạo ra như một sản phẩm phụ. Không giống như động cơ đốt trong, trong đó nhiên liệu được trộn với không khí và nhiên liệu, có sự phân tách nhiên liệu và chất oxy hóa mà không đốt cháy nhiên liệu trong pin nhiên liệu. Do đó, pin nhiên liệu không tạo ra khí thải độc hại mà động cơ đốt trong tạo ra. Hình 4: Sơ đồ hoạt động của pin nhiên liệu 3. KẾT QUẢ THI CÔNG SẢN PHẨM 147
Động cơ điện Bình hydro Pin nhiên liệu Ắc quy Hình 5: Cấu tạo bên trong xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro 4. KẾT LUẬN Việc nghiên cứu, phát triển những nguồn năng lượng mới, có hiệu suất cao và thân thiện với môi trường được quan tâm và đầu tư thích đáng. Đã có nhiều nguồn năng lượng được đưa vào sử dụng nhằm dần bổ sung và thay thế khoảng trống năng lượng mà các nguồn năng lượng hóa thạch để lại. Bên cạnh các nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng cung cấp một lượng lớn năng lượng cho thế giới như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng thủy triều… thì pin nhiên liệu là nguồn năng lượng sạch góp phần giải quyết bài toán cạn kiệt nhiên liệu và ô nhiễm môi trường. Tiềm năng phát triển công nghệ pin nhiên liệu hydro là rất lớn. Nhóm nghiên cứu về pin nhiên liệu hydro đã mở ra một hướng mới trong sử dụng năng lượng và vận hành ô tô thân thiện với môi trường. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. https://moc.gov.vn/vn/tin-tuc/1145/50396/o-to-chay-bang-nhien-lieu-khi-hydro-xe-cua-tuong- lai 2. http://www.vr.org.vn/tin-tuc-su- kien/Pages/ListNews.aspx?ItemID=10281&OriginalUrl=vn%2Ftin-tuc-su-kien%2Ftin-quoc- te%2Fnghien-cuu-tach-nhien-lieu-hydro-tu-hoi-nuoc-trong-khong-khi-de-van-hanh-o-to-10281 3. http://daidoanket.vn/infographics-xe-chay-bang-pin-nhien-lieu--doi-thu-cua-xe-dien 148
4. http://thongke.cesti.gov.vn/an-pham-thong-ke/thong-tin-chuyen-de-khoa-hoc-cong-nghe-va- doi-moi-sang-tao 5. Hosseini, S.E.; Andwari, A.M.; Wahid, M.A.; Bagheri, G. A review on green energy potentials in Iran. Renew. Sustain. Energy Rev. 2013, 27, 533–545. 6. Granovskii, M.; Dincer, I.; Rosen, M.A. Greenhouse gas emissions reduction by use of wind and solar energies for hydrogen and electricity production: Economic factors. Int. J. Hydrogen Energy 2007, 32, 927–931. 7. https://pvn.vn/DataStore/Documents/2019/TapchiDK/so%207.%202019/pin%20Nguyen%20Th i%20Le%20Hien.pdf 8. https://dost.hochiminhcity.gov.vn/documents/518/201707260326499628Tong_quan_pin_nhien _lieu.pdf 149