Luận văn Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên các phương tiện giao thông tại Việt Nam (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên các phương tiện giao thông tại Việt Nam (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN LÊ CHIỂU NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG PIN NHIÊN LIỆU TRÊN CÁC PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG TẠIS K C 0 0 3 924 53 956 VIỆT NAM NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ ÔTÔ-MÁY KÉO - 605246 S KC 0 0 3 4 3 6 Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 10 - 2011
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN LÊ CHIỂU NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG PIN NHIÊN LIỆU TRÊN CÁC PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG TẠI VIỆT NAM NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ ÔTÔ-MÁY KÉO - 605246 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2011
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN LÊ CHIỂU NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG PIN NHIÊN LIỆU TRÊN CÁC PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG TẠI VIỆT NAM NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ ÔTÔ-MÁY KÉO – 605246 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2011
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Nguyễn Lê Chiểu Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh: 30-08-1984 Nơi sinh : Bình Định Quê quán: Tỉnh Bình Định Dân tộc : Kinh Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Chuyên viên – Thanh tra Sở Khoa học và Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh. Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Sở Khoa học và Công nghệ Tp.HCM; địa chỉ: 244 Điện Biên Phủ, Phường 7, Quận 3. Điện thoại cơ quan: (08)39326888 Điện thoại nhà riêng: 37206471 II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo: từ 09/2002 đến 02/2007 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM. Ngành học: Cơ khí Động lực. Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống điều khiển trên ôtô Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tháng 2/2007 – tại Xưởng Khung gầm, Khoa Cơ khí Động lực. Người hướng dẫn: Th.S Huỳnh Phước Sơn 2. Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): tiếng anh, chứng chỉ B. III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Trường Cao đẳng Nghề kỹ Thuật công 09/2007-04/2008 Giáo viên Nghệ Tp.HCM 06/2008-8/2008 Công ty Cổ phần SAMCO Cố vấn dịch vụ Chi cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất 09/2008-03/2009 Chuyên viên Tư vấn lượng Tp.HCM 04/2009 đến nay Sở Khoa học và Công nghệ Tp.HCM Chuyên viên thanh tra Sở XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC Ngày 01 tháng 10 năm 2011 (Ký tên, đóng dấu) Người khai ký tên Nguyễn Lê Chiểu i
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 10 năm 2011 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Lê Chiểu ii
6. LỜI CẢM ƠN Con xin gửi ngàn lời tri ân đến đấng sinh thành, người đã sinh ra con, nuôi con trưởng thành và luôn theo sát, động viên con trong cuộc sống, công việc và trên bước đường học vấn con đã chọn. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy PGS.TS Đỗ Văn Dũng đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn em trong thời gian thực hiện và hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Em gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Th.S Nguyễn Đình Quý – cố vấn lớp học viên cao học CKO 2009 – 2011, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập tại trường. Em gửi lời cảm ơn đến thầy Th.S Huỳnh Phước Sơn, thầy Th.S Nguyễn Thanh Phúc và quý thầy cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, quý thầy cô Trường Đại học Bách khoa Tp.HCM đã truyền đạt kiến thức quý báu và định hướng nghề nghiệp, tương lai cho em. Xin gửi lời cảm ơn đến anh Lê Nguyễn Thanh An và tập thể đồng nghiệp lớp học viên cao học CKO 2009 – 2011, đã tận tình giúp đỡ, động viên tôi vượt qua mọi khó khăn trong quá trình học tập và thực hiện xong luận văn tốt nghiệp cao học này. Trân trọng cảm ơn. iii
7. TÓM TẮT 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 đề tài. + Giới thiệu tổng quan về lịch sử hình thành và phát triển công nghệ pin nhiên liệu, tầm quan trọng của hydrogen và vấn đề lưu trữ. + Khái quát kết cấu, nguyên lý hoạt động và các đặc tính của các công nghệ pin nhiên liệu sử dụng phổ biến trên các phương tiện giao thông và các lĩnh vực quan trọng khác. + 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. iv
8. ABSTRACT 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. v
9. MỤC LỤC 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 Chương 1. TỔNG QUAN 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 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 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 vi
10. 2.2.2.1 Sự sản xuất hydrogen 19 2.2.2.2 Sự dự trữ hydrogen 22 2.2.3 Vấn đề an toàn khi sử dụng hydrogen 29 2.2.4 Ưu và nhược điểm pin nhiên liệu 30 2.2.4.1 Ưu 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 Ứng dụng trên lĩnh vực giao thông vận tải 34 Chương 3. CÁC CÔNG NGHỆ PIN NHIÊN LIỆU 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 Ảnh 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 Chương 4: CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ PIN NHIÊN LIỆU 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 4.2.2.1 Sụt áp do kích hoạt 62 ix
11. 4.2.2.2 Sụt áp do điện trở trong pin 63 4.2.2.3 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 Chương 5. ỨNG DỤNG PIN NHIÊN LIỆU TRÊN Ô 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 vii
12. 5.5.1.2 Chế độ chỉ có pin nhiên liệu kéo xe 98 5.5.1.3 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 Chương 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108 6.1 Kết luận 108 6.2 Kiến nghị 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 ix
13. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng anh Giải nghĩa tiếng việt Accu Ắc quy Anode Cực dương Cathode Cực âm Electrolyte Chất điện phân Fuel Cell Pin nhiên liệu Garage Ga ra, nhà đỗ xe Load Tải Module Mô đun Motor Mô tơ Rotor Rô tơ AFC Alkaline Fuel Cell Pin nhiên liệu kiềm 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 HHV Higher Heating Valule Nhiệt trị cao IC Internal Combustion Đốt trong LHV Lower Heating Valule Nhiệt trị thấp 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 POX Partial Oxidation Quá trình oxy hóa không hoàn toàn x
14. PSA Pressure Swing Absorption Độ hấp thụ áp lực PPS Peaking Power Source Nguồn công suất cực đại System hệ thống 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 SR Steam Reforming Tinh chế lại bằng hơi w/ CCS Wood Gỗ Carbon Capture and Storge Thu giữ và loại bỏ cacbon w/o CCS Wood/oil Gỗ/dầu Carbon Capture and Storge Thu giữ và loại bỏ cacbon UTC United Technologies Công nghệ tổng hợp xi
15. DANH SÁCH CÁC HÌNH 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 xii
16. Hình 3.4: Sơ đồ bố trí các thành phần của PEMFC đơn 41 Hình 3.5: Bộ làm ẩm 42 Hình 3.6: Nguyên lý hoạt động của pin PEMFC 43 Hình 3.7: Ảnh 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 thuyền 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 xiii
17. Hình 5.4: Bình chứa Quantum có thể tích nén đến gần 69 bar 87 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 xiv
18. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1: Mật độ lý thuyết hygrogen tích lũy bằng 26 phương pháp nén, hóa lỏng, và hydrua kim loại Bảng 3.1: Tóm tắt đặc điểm của các loại pin nhiên liệu chính 57 Bảng 4.1: Bảng biến thiên enthalpy, entropy và 60 năng lượng tự do Gibbs ở điều kiện tiêu chuẩn Bảng 4.2: Bảng thể hiện các thông số nhiệt động học 60 của một số phản ứng ở điều kiện tiêu chuẩn Bảng 4.3: Bảng mật độ dòng điện i0 ứng 63 với từng vật liệu làm chất xúc tác Bảng 5.1: Các thông số tiêu biểu của một vài loại accu ứng dụng trên ô tô 90 Bảng 5.2: So sánh các thông số của accu và siêu tụ 92 xv
19. Luận văn tốt nghiệp cao học CBHD: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Có thể khẳng định, cả thế giới đang bị phụ thuộc nặng nề vào một nền kinh tế nhiên liệu hóa thạch. Nhiên liệu đa số sử dụng trên các phƣơng tiện giao thông nhƣ xe, tàu lửa, máy bay, là xăng dầu. Hơn nữa, một tỉ lệ khá cao các nhà máy điện dùng dầu hỏa, khí thiên nhiên hay than đá. Nếu không có nhiên liệu hóa thạch thì nền kinh tế cũng nhƣ phƣơng tiên giao thông vận tải sẽ rơi vào khủng hoảng, ngƣng trệ. Hay nói cách khác, toàn bộ xã hội hiện đại ngày nay đều phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Thế giới đang lâm vào tình trạng khủng hoảng nguồn nhiên liệu truyền thống, theo dự báo của Cơ quan Năng lƣợng Quốc tế, với tốc độ khai thác và tiêu thụ năng lƣợng truyền thống gia tăng nhƣ hiện nay thì các sản phẩm từ dầu mỏ (xăng, dầu) sẽ chính thực cạn kiệt khoảng hơn 30 năm nữa. Mặt khác, giá dầu mỏ không ngừng leo thang, ảnh hƣởng trực tiếp đến đời sống, kinh tế của ngƣời dân, ảnh hƣởng không nhỏ đến hoạt động sản xuất, kinh doanh của các tổ chức, doanh nghiệp, Sự ô nhiễm môi trƣờng gia tăng nhƣ hiện nay chủ yếu là do khí thải từ các phƣơng tiện giao thông cơ giới, chất lƣợng không khí hiện nay đang là hồi chuông báo động. Khí thải từ các phƣơng tiện sử dụng động cơ đốt trong bao gồm các chất ô nhiễm trong khí xả và tiếng ồn do động cơ gây ra đã ảnh hƣởng trực tiếp đến sức khỏe của con ngƣời nhƣ các bệnh: cơ thể bị thiếu ôxy, nhức đầu, buồn nôn, khó thể, suy hô hấp, gây rối loạn thần kinh, làm trẻ em chậm phát triển, Theo thống kê của Tổ chức Y tế Thế giới, hiện khu vực Đông Nam Á và Thái Bình Dƣơng mỗi năm có khoảng hơn 530.000 ngƣời chết vì các bệnh liên quan đến đƣờng hô hấp do ô nhiễm không khí. Khí xả từ động cơ đốt trong trên các phƣơng tiện giao thông cơ giới không chỉ là nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm môi trƣờng mà còn làm tăng nhiệt độ khí quyển, gây ra hiệu ứng nhà kính và ảnh hƣởng trực tiếp đến môi 1
20. Luận văn tốt nghiệp cao học CBHD: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG trƣờng sinh thái. Hiện nay, số lƣợng phƣơng tiện giao thông cơ giới trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng là rất lớn, cụ thể ở Việt Nam theo thống kê của cơ quan chức năng thì số lƣợng ô tô và xe gắn máy đang lƣu thông tạm tính đến năm 2007 đƣợc thể hiện qua biểu đồ: Hình 1.1. Biểu đồ thống kê số lượng xe tại Việt Nam Một vấn đề khác đặt ra là việc sử dụng nhiên liệu xăng, dầu từ dầu mỏ ở các động cơ đốt trong mang lại hiệu suất rất thấp. Theo tính toán, động cơ xăng chỉ đạt hiệu suất từ 30% đến 35% và từ 50% đến 60% đối với động cơ sử dụng Diesel; do đó, phần lớn nhiên liệu sử dụng cho động cơ đốt trong cháy không hết, gây lãng phí trong khi giá thành xăng dầu ngày một gia tăng. Ngoài ra, nhiên liệu thất thoát này khi thải ra ngoài là nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trƣờng, gây ra các căn bệnh nguy hiểm cho con ngƣời Vậy làm thế nào để giải quyết đƣợc tình hình đang khan hiếm nguồn nhiên liệu truyền thống cũng nhƣ giảm ô nhiễm môi trƣờng, trong đó vấn đề ô nhiễm môi trƣờng rất cấp bách và đang đƣợc các quốc gia quan tâm hàng đầu. Trƣớc tình hình đó, các nhà sản xuất ô tô, xe máy, các trƣờng đại học, các viện nghiên cứu đã và đang tìm ra những giải pháp để khắc phục hay hạn chế đến mức tối thiểu ảnh hƣởng của ô nhiễm do những phƣơng tiện giao thông gây ra, có thể kể đến các giải pháp: 2