báo cáo môn học năng lượng mới trên ô tô năng lượng mặt trời kết hợp hydrogen

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP HYDROGEN </b>

Giáo viên hướng dẫn:<i>Th.S </i>Phạm Minh Mận

Lê Văn QuangLê Văn Quang

<i>Lớp: 222NLMTOT01 </i>

ĐÀ NẴNG,12/2023

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

Năng lượng mới trên ô tô GVHD: Th.S Ph m Minh M n ạ ậ

-Xây dựng mơ hình dự án

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

Năng lượng mới trên ô tô GVHD: Th.S Ph m Minh M n ạ ậ

1.2.1 Hóa nhi t nhiên li u hydrocarbon ệ ệ ... 6

1.2.2 Điện phân nước ... 8

1.2.3 Phương pháp sinh học ... 9

1.3 Lưu chứa hydrogen ... 10

1.3.1 Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí nén ... 10

1.3.2 Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng ... 10

1.3.3 Lưu chứa hydrogen nhờ hấp thụ hóa học ... 11

1.3.4 Lưu chứa hydrogen trong các hyđrua kim loại (metal hydride) ... 11

1.3.5 Lưu chứa hydrogen trong ống carbon nano rỗng ... 11

1.3.6 Lưu chứa hydrogen trong các vi cầu thủy tinh (glass microsphere) ... 12

1.4 Phân phối hydro ... 13

1.5 Vấn đề an toàn ... 13

1.6 Ứng dụng nhiên liệu hydrogen ... 14

<b>2. PIN NHIÊN LIỆU ... 16</b>

2.1 Khái quát v pin nhiên li u ề ệ ... 16

2.2 Các loại pin nhiên liệu ... 18

2.3 So sánh các dạng pin nhiên liệu ... 27

2.4 Hi u qu c a các lo i pin nhiên liệ ả ủ ạ ệu hàng đầu ... 28

2.4.1 Hi u qu tệ ả ối đa lý thuyết ... 28

2.4.2 S d ng pin nhiên li u hydro trong s d ng th c t ử ụ ệ ử ụ ự ế... 29

2.5 ng d ng c a pin nhiên li u Ứ ụ ủ ệ ... 30

2.5.1 S dử ụng làm năng lượng chính ... 30

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

Năng lượng mới trên ô tô GVHD: Th.S Ph m Minh M n ạ ậ

3.2 Cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời ... 34

3.3 Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện ... 37

3.4 Cấu tạo pin mặt trời ... 37

3.4.1 L p t ớ ế bào quang điện Solar Cells bên trong ... 37

3.4.2 Lớp kính cường lực trước của tấm pin năng lượng m t tr i ặ ờ ... 40

3.4.3 T m n n cấ ề ủa tấm pin năng lượng mặt trời ... 40

3.4.4 V t liậ ệu đóng gói hoàn thiện Pin mặt trời ... 40

3.4.5 Khung t m pin m t tr i ấ ặ ờ ... 40

3.4.6 Hộp đựng m i n i mố ố ạch điện pin mặt trời ... 40

3.5 C u t o h ấ ạ ệ thống điện năng lượng mặt tr i ờ ... 41

3.5.1 Tấm pin năng lượng mặt trời: ... 42

3.5.2 B chuyộ ển đổi (Inverter): ... 42

3.5.3 T ủ điệ ... 43n 3.5.4 H ệ thống giám sát t xa qua internet smartphone ừ ... 44

3.5.5 Khung giá đỡ và các thiết bị phụ điện: ... 44

3.5.6 Đồng hồ đo đếm điện 2 chiều: ... 45

3.5.7 Pin d ự trữ: ... 45

3.6 S chuyự ển đổi ánh sáng quang điện thành điện năng ... 46

3.7 Phân lo i h ạ ệ thống điện m t tr i ặ ờ ... 47

3.7.1 Phân lo i theo mơn hình lạ ắp đặt ... 47

3.7.2 Phân lo i theo thi t k ạ ế ế giàn khung, giá đỡ h ệ thống điện năng lượng m t tr iặ ờ ... 49

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

Năng lượng mới trên ô tô GVHD: Th.S Ph m Minh M n ạ ậ

Trang 5

3.8 Nh ng l i ích khi lữ ợ ắp đặt điện năng lượng mặt trời ... 51

3.9 Cách v sinh và bệ ảo dưỡng h ệ thống điện mặt tr i ờ ... 51

3.10 Ưu điểm của điện mặt trời ... 52

3.10.1 Nhược điểm của điện năng lượng m t trặ ời... 53

<b>4. ĐỌC HIỂU CÁC THÔNG S T M PIN M T TR I </b>Ố Ấ Ặ <b>Ờ ... 54</b>

4.1 Các điều kiện th nghi m c a t m pin: ử ệ ủ ấ ... 54

4.2 Thông s kố ỹ thuật c a pin m t trủ ặ ời... 55

4.2.1 Điện áp hở mạch Open Circuit Voltage (Voc) – ... 55

4.2.2 Dòng điện ng n m ch Short Circuit Current (Isc) ắ ạ – ... 56

4.2.3 Điểm công su t cấ ực đại – Maximum Power Point (Pmax) ... 57

4.2.4 Điện áp làm việc tại công suất cực đại – Maximum Power Point Voltage (Vmpp) ... 57

4.2.5 Dịng điện tại cơng suất cực đại – Maximum Power Point Current (Impp) ... 57

4.2.6 Điện áp định m c ứ ... 58

4.2.7 Điện áp tối đa khi kết nối hệ thống – Maximum System Voltage ... 58

4.2.8 H s nhiệ ố ệt độ – Temperature coefficient ... 58

4.2.9 Hi u su t c a t m pin Module efficiency ệ ấ ủ ấ – ... 58

<b>5. TÍNH TỐN H Ệ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TR I Ờ ... 59</b>

5.1 Thông s t m pố ấ in năng lượng mặt tr i ờ ... 59

5.2 Thông s m ch s c pin Lithium 18650 134N3P ố ạ ạ ... 59

5.3 Pin s c Camelion 9v vuông ạ ... 60

<b>KẾT LU N Ậ ... 63</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

Những lợi ích chính của nền kinh tế hydrogen là:

- Không gây ô nhiễm: khi hydrogen được sử dụng trong pin nhiên liệu, nó là một cơng nghệ hoàn toàn sạch. Sản phẩm phụ duy nhất sinh ra là nước, do đó sẽ khơng làm nảy sinh những vấn đề đáng lo ngại như tràn dầu ...

- Không thải ra khí gây hiệu ứng nhà kính: q trình điện phân nước tạo hydrogen khơng hề tạo nên khí nhà kính nào. Đó là một q trình lý tưởng và hoàn hảo – điện phân hydrogen từ nước, hydrogen lại tái kết hợp với oxygen để tạo ra nước và cung cấp điện năng trong pin nhiên liệu.

- Không phụ thuộc về kinh tế: khơng dùng dầu mỏ cũng có nghĩa là khơng phải phụ thuộc vào các thùng dầu nhập khẩu từ nước ngồi.

- Hydrogen có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau: nhất là từ các nguồn năng lượng tái sinh.

Như vậy, những lợi ích về mặt mơi trường, kinh tế và xã hội của hydrogen là rất đáng kể và ý nghĩa. Tất cả những thế mạnh này đã tạo nên cú hích mạnh mẽ hướng nhân loại tiến đến nền kinh tế hydrogen.

<b>1.2 S ản xu t hydrogen </b>ấ

Có ba phương pháp cơ bản tạo ra hydro:

+ Phương pháp chuyển hóa hydrocarbon (nhiên liệu hóa thạch, sinh khối) bằng nhiệt (Reforming)

+ Phương pháp điện phân nước (Electrolysis) + Phương pháp sinh học (Biological method)

<b>1.2.1 Hóa nhiệt nhiên li u hydrocarbon </b>ệ

a) Hóa nhiệt khí thiên nhiên với hơi nước (Natural gas steam reforming) Q trình này gồm hai bước chính.

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

Năng lượng mới trên ô tô GVHD: Th.S Ph m Minh M n ạ ậ

Trang 7 Trước hết, khí thiên nhiên (với thành phần chủ yếu là methane) được tách carbon và chuyển hóa thành hydrogennhờ hơi nước dạng siêu nhiệt dưới áp suất cao, xúc tác thích hợp ở nhiệt độ khoảng 900°C.

b) Khí hóa hydrocarbon nặng (Gasification heavy hydrocarbon)

Thuật ngữ hydrocarbon nặng là để nói đến dầu mỏ và than đá. Than đá trước khi khí hóa phải được nghiền thành dạng bột rồi hịa trộn với nước. Thơng thường, nhiên liệu được hóa nhiệt ở khoảng 14000C với oxygen hay khơng khí (oxygen hóa khơng hồn tồn), tạo ra hỗn hợp gồm hydrogen, carbon mono oxide (CO) và vài sản phẩm phụ. CO sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóa thành khí carbonic và tạo ra thêm khí hydrogen, tương tự như bước thứ hai của q trình hóa nhiệt khí thiên nhiên.

Rõ ràng đây khơng phải là phương pháp tối ưu. Bất lợi lớn nhất của nó là sử dụng nhiên liệu hóa thạch làm nguyên liệu và đồng thời cũng làm nhiên liệu cung cấp nhiệt lượng cho q trình. Nhiên liệu hóa thạch là nguồn tài nguyên hữu hạn, thêm vào đó, việc đốt chúng tạo ra khí carbonic gây hiệu ứng nhà kính. Do đó phương pháp này xét về lâu dài khơng bền vững.

c) Quy trình hiện đại tạo ra hydrogen từ khí thiên nhiên mà khơng thải ra CO<small>2</small>

Từ những năm 1980, Kvỉrner một tập đồn dầu khí của Na Uy đã phát triển - công nghệ mang tên "Kværner Carbon Black and Hydrogen Process" (KCB&H). Nhà máy đầu tiên dựa trên quy trình Kvỉrner hiện đại này đặt ở Canada và bắt đầu sản xuất vào tháng 6 năm 1999. Quy trình cung plasma - Kvỉrner ở nhiệt độ cao (16000C) tách hydrogen và than hoạt tính từ hợp chất hydrocarbon như dầu mỏ hay khí thiên nhiên mà không thải ra CO<small>2</small>.

Than đen tinh khiết này được dùng trong sản xuất vỏ xe hơi và dùng như chất khử trong công nghiệp luyện kim. Nhờ một số tính chất đặc biệt mà chúng cịn có thể dùng để lưu trữ hydrogen (ống carbonnano).

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

Năng lượng mới trên ô tô GVHD: Th.S Ph m Minh M n ạ ậ

Trang 8 d) Khí hóa sinh khối và nhiệt phân (biomass gasification and pyrolysis)

Sinh khối có thể được sử dụng để sản xuất hydrogen. Đầu tiên, sinh khối được chuyển thành dạng khí qua q trình khí hóa ở nhiệt độ cao có tạo ra hơi nước. Hơi nước chứa hydrogen được ngưng tụ trong các dầu nhiệt phân và sau đó có thể được hóa nhiệt để sinh ra hydrogen. Quá trình này thường tạo ra sản lượng hydrogen khoảng từ 12% 17% trọng lượng hydrogen của sinh khối. Nguyên liệu cho phương pháp này -có thể gồm các loại mảnh gỗ bào vụn, sinh khối thực vật, rác thải nông nghiệp và đô thị v.v. Do các chất thải sinh học được sử dụng làm nguyên liệu như vậy, phương pháp sản xuất hydrogen này hoàn toàn tái tạo được (renewable) và bền vững.

<b>1.2.2 Điện phân nước </b>

Phương pháp này dùng dòng điện để tách nước thành khí hydrogen và oxygen. Q trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực. Hydrogen sinh ra ở điện cực âm và oxygen ở điện cực dương:

Phản ứng trên cathode: 2 H<small>2</small>O + 2e- => H + 2 OH- <small>2</small>

Phản ứng trên anode: 2 OH- => H<small>2</small>O + ½ O + 2e- <small>2</small>

________________________________________________________ Tổng quát: 2 H<small>2</small>O + điện năng => 2 H<small>2</small> + O <small>2</small>

Sau đây là một số các dạng điện phân phổ biến: a) Điện phân thông thường

Quá trình tiến hành với chất điện phân là nước hay dung dịch kiềm. Hai phần ode và cathode được tách riêng bởi màng ngăn ion (microporous) để tránh hòa lẫn hai khí sinh ra.

b) Điện phân nước áp suất cao

Điện phân nước áp suất cao có thể sinh ra hydrogen ở áp suất đến 5 MPa. Quá trình vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và hoàn thiện dần.

c) Điện phân nước ở nhiệt độ cao

Ưu điểm của phương pháp này là đưa một phần năng lượng cần thiết cho quá trình điện phân ở dạng nhiệt năng, nhiệt độ 800 10000C vào q trình, do đó có thể -hạn chế bớt lượng điện năng tiêu thụ. Nhiều nghiên cứu đã hướng đến việc thu nhiệt từ các chảo parabol tập trung năng lượng mặt trời hay tận dụng nhiệt thừa từ các trạm năng lượng.

d) Quang điện phân (photoelectrolysis)

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

Năng lượng mới trên ô tô GVHD: Th.S Ph m Minh M n ạ ậ

Trang 9 Các panel mặt trời, chất bán dẫn (ứng dụng hiện tượng quang điện), chuyển hóa trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng. Khí hydrogen được sinh ra khi dòng quang điện này chạy qua thiết bị điện phân đặt trong nước. Sử dụng năng lượng mặt trời để tạo ra điện dùng trong điện phân nước, tương tự, chúng ta cũng có thể sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, thủy điện để điện phân nước tạo ra hydrogen. Như thế việc sản xuất hydrogen sẽ là một q trình sạch (khơng khí thải), tái sinh và bền vững.

<b>1.2.3 Phương pháp sinh học </b>

Một số tảo và vi khuẩn chuyên biệt có thể sản sinh ra hydrogen như là sản phẩm phụ trong quá trình trao đổi chất của chúng. Các sinh vật này thường sống trong nước, phân tách nước thành khí hydrogenvà oxygen. Hiện tại, phương pháp này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu.

Ví dụ của phương pháp này là việc ứng dụng một loại tảo đơn bào có tên Chlamydomonas reinhardtii. Các nghiên cứu cho thấy loại tảo này chứa enzyme hydrogenase có khả năng tách nước thành hai thành phần hydrogen và oxygen. Các nhà khoa học đã xác định được cơ chế q trình, điều này có thể giúp mang lại một phương pháp gần như vô hạn để sản xuất hydrogen sạch và tái sinh. Cơ chế này đã phát triển qua hàng triệu năm tiến hóa giúp tảo tồn tại trong mơi trường khơng có oxygen. Một khi ở trong chu trình này, tảo "thở" bằng oxygen lấy từ nước và giải phóng ra khí hydrogen.

Gần đây, các nhà khoa học tại trung tâm năng lượng hydrogen của trường ĐH tiểu bang Pennsylvania cũng đã nghiên cứu thành công phương pháp tạo ra hydrogen từ quá trình vi khuẩn phân hủy các chất thải hữu cơ sinh học, như nước thải sinh hoạt, nước thải nông nghiệp v.v. Ứng dụng nghiên cứu này sẽ mở ra triển vọng to lớn đầy

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Năng lượng mới trên ô tô GVHD: Th.S Ph m Minh M n ạ ậ

Trang 10hữu ích, vừa kết hợp xử lý nước thải và vừa sản xuất hydrogen cung cấp cho pin nhiên liệu vi khuẩn (micro fuel cell), tạo ra điện năng.-

<b>1.3 Lưu chứa hydrogen </b>

Với vai trò "chuyên chở" năng lượng (energy carrier) hơn là một nguồn năng lượng cơ bản, giống như điện năng, hydrogen giúp cho việc phân phối, sử dụng năng lượng được thuận tiện. Thêm vào đó, khác với điện năng, hydrogen cịn có thể lưu trữ được lâu dài.

Về cơ bản có ba phương thức lưu trữ hydrogen như sau: (i) Lưu chứa hydrogen trong các bình khí nén áp suất cao. (ii) Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng.

(iii) Lưu chứa hydrogen trong hợp chất khác (hấp thụ hóa học, hấp phụ trong hợp chất khác như với các hyđrua kim loại hay ống carbon nano rỗng).

<b>1.3.1 Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí nén </b>

Hydrogen có thể được nén trong các bình chứa với áp suất cao. Các loại bình chứa khác nhau về cấu trúc tùy theo dạng ứng dụng đòi hỏi mức áp suất như thế nào. Phần lớn các bình ứng dụng tĩnh có mức áp suất thấp hơn. Trong khi đó, yêu cầu cho các ứng dụng di động lại khá khác biệt bởi sự hạn chế về không gian lưu trữ. Đối với các ứng dụng này, áp suất trong bình được tăng lên đến 700 bar để chứa được càng nhiều hydrogen càng tốt trong một không gian giới hạn.

Các bình áp suất chứa khí nén thường làm bằng thép nên rất nặng. Các bình áp suất hiện đại được làm từ những vật liệu composite và nhẹ hơn nhiều.

<b>1.3.2 Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng </b>

Hydrogen chỉ tồn tại ở thể lỏng dưới nhiệt độ cực lạnh, 200K hay âm 2350C. Nén, làm lạnh (hóa lỏng) hydrogen tiêu tốn khá nhiều năng lượng, do đó tổn thất năng lượng hao hụt đến khoảng 30% khi dùng phương pháp này. Tuy nhiên, ưu điểm của việc lưu trữ hydrogen dưới dạng lỏng là tốn ít khơng gian nhất, do hydrogen có tỉ trọng năng lượng theo thể tích cao nhất khi hóa lỏng. Vì thế mà cách này đặc biệt thích hợp với các ứng dụng di động như các phương tiện giao thông. Hiện tại người ta đã sản xuất được những robot tự động để “tiếp” nhiên liệu (re fuelling). Với các dạng -lưu trữ tĩnh, cách thức này chỉ được dùng khi hydrogen thực sự cần thiết phải ở dạng lỏng, ví dụ như trong các trạm nhiên liệu hay khi cần vận chuyển hydrogen đường dài (bằng tàu biển chẳng hạn). Ngoài ra, với tất cả các ứng dụng khác ta nên tránh dùng cách lưu trữ này bởi sự tiêu tốn khá nhiều năng lượng cần để hóa lỏng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Năng lượng mới trên ô tô GVHD: Th.S Ph m Minh M n ạ ậ

Trang 11

<b>1.3.3 Lưu chứa hydrogen nhờ hấp thụ hóa học </b>

Hydrogen có thể được giữ trong nhiều hợp chất nhờ liên kết hóa học. Và khi cần thiết, phản ứng hóa học sẽ xảy ra để giải phóng chúng, sau đó hydrogen được thu thập và đưa vào sử dụng trong pin nhiên liệu. Các phản ứng hóa học thay đổi tủy theo hợp chất dùng để lưu trữ hydrogen. Ví dụ như: với NH3BH3, hydrogen được giải phóng nhờ nhiệt ở 100 3000C; hay hydrogen có thể được giải phóng qua q trình thủy phân -(tác dụng với nước) của các hydride như LiH, LiBH4, NaBH4... Với phương pháp này, ta có thể điều chỉnh được lượng hydrogen sinh ra theo nhu cầu.

<b>1.3.4 Lưu chứa hydrogen trong các hyđrua kim loại (metal hydride) </b>

Phương pháp này sử dụng một số hợp kim có khả năng độc đáo, có thể hấp phụ hydrogen. Các hợp kim này hoạt động giống như miếng xốp có thể hút nước vậy, chúng “hút bám” hydrogen, tạo nên các hyđrua kim loại. Khi một hyđrua kim loại được “lấp kín” dần với các ngun tử khí hydrogen, nó sẽ tỏa nhiệt, do đó, khi muốn giải phóng hydrogen, ta sẽ phải cung cấp nhiệt cho nó.

Cơng thức tổng qt của q trình hấp phụ và nhả hấp hyđrua kim loại: M + xH <=> MH<small>22x</small>

Phương pháp này có thể chứa được một lượng rất lớn thể tích khí hydrogenhấp phụ vào kim loại. Tuy nhiên, lượng hydrogen hấp phụ chỉ chiếm khoảng 1% - 2% tổng trọng lượng bình chứa (kim loại). Vì thế mà các bình chứa dạng này khá nặng và vì vậy chúng khơng thể sử dụng trong các ứng dụng di động.

Ưu điểm của phương pháp này là hầu hết các hyđrua kim loại có thể hoạt động ở áp suất bình thường, do đó xét về mặt sử dụng và an tồn, đây là những điểm thuận lợi của việc lưu trữ hydrogen nhờ các hyđrua kim loại. Muốn giải phóng khí hydrogen cần cung cấp nhiệt, vì thế, trường hợp các thùng chứa bị bể vỡ chẳng hạn thì hydrogen vẫn giữ kết nối trong kim loại mà không bị hao hụt.

Lưu trữ hydrogen bằng các hyđrua kim loại hiện nay đang được ứng dụng nhiều trong các tàu ngầm.

<b>1.3.5 Lưu chứa hydrogen trong ống carbon nano rỗng </b>

Phương pháp này về nguyên tắc tương tự như hyđrua kim loại trong cơ chế lưu giữ và giải phóng hydrogen. Vật liệu carbon nano này có thể tạo nên một cuộc cách mạng trong công nghệ lưu trữ hydrogen trong tương lai. Cách đây vài năm, các nhà khoa học đã khám phá được đặc tính hữu ích của carbon nano là có thể chứa được những lượng lớn hydrogen trong các vi cấu trúc than chì dạng ống. Hydrogen có thể

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Năng lượng mới trên ô tô GVHD: Th.S Ph m Minh M n ạ ậ

Trang 12chui vào trong ống, cũng như vào khoảng trống giữa các ống. Lượng hydrogen hấp thụ phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ, nên về nguyên tắc, người ta có thể thay đổi áp suất hoặc nhiệt độ, rồi bơm hydrogen vào để lưu trữ, hay đẩy hydrogen ra để sử dụng. Vấn đề hiện nay là phải tìm ra các loại ống nano carbon chứa được nhiều hydrogen. Ngoài ra, ta cũng cần vật liệu với tỷ lệ ống nano carbon cao, không lẫn với nhiều loại bụi than khác.

Ưu điểm mang tính đột phá của cơng nghệ nano này chính là lượng lớn hydrogen mà nó có thể lưu chứa được, hơn nữa, so với cách lưu trữ bằng hợp kim thì ống carbon nano cũng nhẹ hơn. Ống carbon nano có thể chứa được lượng hydrogen chiếm từ 4% - 65% trọng lượng của chúng. Hiện nay, công nghệ này đang được quan tâm nghiên cứu rất nhiều trên thế giới, hứa hẹn một phương thức lưu trữ hydrogen đầy tiềm năng, nhất là cho các ứng dụng pin nhiên liệu di động và nhỏ gọn như máy tính xách tay, máy ảnh, điện thoại di động...v.v.

Ngồi ra, cịn một phương pháp lưu trữ hydrogen khác tuy ít phổ biến nhưng cũng khá thú vị, đó là chứa hydrogen trong các vi cầu bằng kính.

<b>1.3.6 Lưu chứa hydrogen trong các vi cầu thủy tinh (glass microsphere) </b>

Các khối cầu thủy tinh rỗng tí hon có thể được dùng như một phương thức lưu trữ hydrogen an toàn. Những vi cầu rỗng này được làm nóng dẻo, gia tăng khả năng thấm của thành thủy tinh, rồi được lấp đầy khi được đặt ngập trong khí hydrogen với áp suất cao. Các khối cầu này sau đó được làm nguội, "khóa lại" hydrogen bên trong khối thủy tinh. Khi ta tăng nhiệt độ, hydrogen sẽ được giải phóng ra khỏi khối cầu và sử dụng. Phương pháp vi cầu này rất an tồn, tinh khiết và có thể chứa được hydrogen ở áp suất thấp, vì thế gia tăng giới hạn an tồn.

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Năng lượng mới trên ơ tô GVHD: Th.S Ph m Minh M n ạ ậ

Trang 13

<b>1.4 Phân phối hydro </b>

Trạm cung cấp nhiên liệu hydro gồm có hai hệ thống chính:

- Hệ thống chuẩn bị nhiên liệu: có nhiệm vụ nhận, lưu trữ, nén và hóa hơi hydro. - Hệ thống truyền nhiên liệu: có nhiệm vụ đưa hydro áp suất cao đến thùng chứa nhiên liệu trên các ứng dụng.

<b>1.5 Vấn đề an tồn </b>

Hydrogen là khí không màu, không mùi, không vị và rất hoạt động. Khi hydrogen cháy nó mang mối nguy hiểm tiềm ẩn bởi ngọn lửa của nó khơng thể nhận thấy bằng mắt thường. Do đó nó có thể lan đi mà người ta không thể nhận biết để cảnh báo. Tuy nhiên, trong chừng mực nào đó, hydrogen cháy an tồn hơn các nhiên liệu hóa thạch thơng thường. Hydrogen có tốc độ bừng cháy rất cao và tiêu tán mau. Do đó, những vụ cháy, thậm chí bắt nguồn từ hydrogen lỏng, thường bùng lên rất nhanh rồi hết. Theo tính tốn của các nhà khoa học cho thấy ở một vụ cháy xe cộ liên quan đến xăng dầu, đám cháy có thể kéo dài hai mươi đến ba mươi phút, trong khi đó, ngọn lửa từ đám cháy của chiếc xe chạy bằng lượng hydrogen tương đương chỉ kéo dài từ một đến hai phút!

Hydrogen khi bị đốt cháy sinh ra nhiệt và hơi nước. Do không có carbon, hơn nữa hơi nước lại là chất hấp thụ nhiệt nên hydrogen cháy tỏa nhiệt ít hơn nhiều so với khi các hydrocarbon cháy và đám cháy không lan đi, chỉ có những vật trực tiếp bị đốt dưới ngọn lửa đó mới bị cháy nặng. Những vật khác ở gần ngọn lửa sẽ khó mà tự bắt cháy được. Vì thế mà mối nguy hiểm về khói độc và việc cháy lan kéo dài đối với hydrogen đã được giảm đi đáng kể. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng trong vấn đề cứu hỏa.

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

Năng lượng mới trên ô tô GVHD: Th.S Ph m Minh M n ạ ậ

Trang 25Một hệ thống như vậy sẽ khơng địi hỏi bất cứ dạng pin nhiên liệu chuyên biệt nào, nhưng sẽ cần có một cơ sở hạ tầng để phân phối hydrogen đến các pin nhiên liệu để sử dụng. Tuy nhiên hiện tại chúng ta vẫn chưa có được một cơ sở hạ tầng để phân phối hydrogen như vậy.

NASA đang tiến hành dự án phát triển một hệ thống pin nhiên liệu tái sinh nhẹ và hiệu quả để sử dụng trên chiếc máy bay tên là Helios có thể bay ở độ cao hơn 30 km. Chiếc máy bay trước đây chạy bằng các panel năng lượng mặt trời. Mục tiêu của dự án là tích hợp cả hai hệ thống năng lượng mặt trời và pin nhiên liệu tái sinh.

Hệ thống pin mặt trời sẽ cung cấp năng lượng cho máy bay suốt ban ngày và sinh ra nguồn hydrogen bổ sung, hydrogen được lưu trữ để cung cấp cho pin nhiên liệu sử dụng vào ban đêm. Một hệ thống như vậy dùng hoàn tồn năng lượng sạch và bền vững, có thể giúp chuyến bay kéo dài được trong nhiều ngày.

h) ZAFC (Zinc-Air Fuel Cell) – pin nhiên liệu kẽm/khơng khí

ZAFC vừa có những đặc tính của pin nhiên liệu vừa mang những tính chất của pin ắc quy. Chất điện phân trong ZAFC là chất sứ rắn dùng ion hydroxyl (OH-) làm

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

Năng lượng mới trên ô tô GVHD: Th.S Ph m Minh M n ạ ậ

Trang 26chất mang điện tích. Để đạt được hiệu suất điện/nhiên liệu cao vớI các nhiên liệu hydrocarbon và một độ dẫn cao cho chất mang điện tích, ZAFC vận hành ở 7000C. Điện cực dương, anode, được làm từ kẽm và được cung cấp hydrogen hay thậm chí cả các hydrocarbon. Điện cực âm, cathode, được tách khỏi nguồn khơng khí cấp vào nhờ một điện cực phân tán khí GDE (gas diffusion electrode), một màng thẩm thấu cho phép oxygen khơng khí đi qua. Ở cực âm, oxygen phản ứng với hydrogen để tạo nên ion hydroxyl và nước.

Phản ứng trên anode: CH<small>4</small> + H<small>2</small>O => CO<small>2</small> + 6 H<small>+</small> + 6e- Zn + OH <small>-</small> => ZnO + H + e- Phản ứng trên cathode: O + 2 H + 2e- => 2 OH <small>2</small> ⁺ ^-

O<small>2</small> + 4 H + 4e- => 2 H<small>+</small>

<small>2</small>O

_________________________________________________________ Tổng quát: CH<small>4 </small>+ 2 O <small>2</small>=> CO<small>2</small> + 2 H<small>2</small>O + năng lượng (điện) Nhiệt độ vận hành cao của ZAFC làm cho nó có khả năng chuyển hóa nhiệt hydrocarbon trực tiếp, khơng cần một thiết bị chuyển hóa bên ngồi để tạo ra hydrogen. Một thuận lợi khác của việc hoạt động ở nhiệt độ cao này đó là nhiệt thừa có thể được tận dụng để tạo ra hơi nước áp suất cao, hữu ích cho nhiều ứng dụng công nghiệp và thương mại.

Chất điện phân của ZAFC cũng có một số ưu điểm trội hơn so với các chất điện phân khác. Nó khơng địi hỏi nước bão hòa như màng polymer của PEMFC và do vậy không bị khô đi hết nên không cần các thiết bị để kiểm tra giám sát độ ẩm ở hai điện cực. Hơn nữa, vì là chất rắn, sự rị rỉ chất điện phân cũng không xảy ra như với các chất điện phân lỏng. Tuy nhiên, do điện cực dương bằng kẽm sẽ bị hao mòn nên bộ phận này thỉnh thoảng cần được thay thế.

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

Năng lượng mới trên ô tô GVHD: Th.S Ph m Minh M n ạ ậ

Polymer hữu cơ rắn

Dung d ch ịkiềm

Dung d ch axit ịphosphoric

Muối carbonate nóng chảy của Li, Na và K

Oxit zirconium rắn

<b>Nhiệt độ vận hành </b>

60-100<small>0</small>C 90-100<small>0</small>C 175-200<small>0</small>C 1000<small>0</small>

600-C

-Quân s ự-Không gian

-Thiết b ị điện -Giao thông vận tải

-Trạm phát điện (l n) ớ

-Trạm phát điện (l n) ớ

<b>Ưu điểm </b>

-Chất điện phân là rắn nên giảm thiểu những vấn đề ăn mòn và b o trì. ả

- Nhiệt độvận hành thấp nên có thể được s ử

- Phản ứng ở cathode nhanh hơn trong chất điện phân kiềm

- Đạt hi u suệ ất lên đến 85% khi kết h p phát ợđiện và nhi t ệ(cogeneration)

- Có th s ể ửdụng nhiên liệu không tinh khiết (l n tẫ ạp chất)

-Hiệu suất cao

-Có th ểdùng được nhiều loại nhiên liệu đầu vào khác nhau (linh hoạt) -Có th ểdùng được

-Hiệu suất cao

-Có th ểdùng được nhiều loại nhiên liệu đầu vào khác nhau (linh hoạt)

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

Năng lượng mới trên ô tô GVHD: Th.S Ph m Minh M n ạ ậ

Trang 28dụng r ng ộ

rãi cho các ứng d ng ụthông thường. - Khởi động nhanh

các lo i xúc ạtác khác nhau

-Có th ểdùng được các lo i xúc ạtác khác nhau -Chất điện phân là rắn nên giảm thiểu nh ng ữvấn đề ăn mịn và bảo trì.

<b>Nhược điểm </b>

-Nhiệt độ thấp đòi hỏi xúc tác đắt tiền -Nhạy cảm cao v i tớ ạp chất của nhiên liệu (nếu có)

-Tốn chi phí cho việc kh ửCO<small>2</small> khỏi nhiên liệu và dịng khơng khí

-Địi hỏi xúc tác

(Platinium)

-Cho dòng điện cường độ thấp

-Nặng, kích cỡ to l n ớ

-Nhiệt độ cao làm tăng ăn mòn và có thể làm giịn v cỡ ấu trúc c a pin ủ

-Nhiệt độ cao làm tăng ăn mịn và có thể làm giòn v cỡ ấu trúc c a pin ủ

<b>2.4 Hiệu qu cả ủa các lo i pin nhiên li</b>ạ <b>ệu hàng đầu </b>

<b>2.4.1 Hiệu qu tả ối đa lý thuyết </b>

Hiệu suất năng lượng của hệ thống hoặc thiết bị chuyển đổi năng lượng được đo bằng tỷ số giữa năng lượng hữu ích mà hệ thống đưa ra (năng lượng đầu ra) với tổng năng lượng đưa vào (năng lượng đầu vào) hoặc bằng năng lượng đầu ra hữu ích theo tỷ lệ phần trăm của tổng năng lượng đầu vào.

Trong trường hợp pin nhiên liệu hydro, năng lượng đầu ra hữu ích được đo bằng năng lượng điện do hệ thống tạo ra. Năng lượng đầu vào là năng lượng dự trữ trong nhiên liệu. Theo Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, pin nhiên liệu thường tiết kiệm năng lượng từ 40 đến 60%. Đây là mức cao hơn so với một số hệ thống khác để tạo ra năng lượng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

Năng lượng mới trên ô tô GVHD: Th.S Ph m Minh M n ạ ậ

Trang 29Ví dụ, động cơ đốt trong điển hình của ơ tơ tiết kiệm năng lượng khoảng 25%. Nhà máy điện hơi nước thường đạt hiệu suất từ 30 - 40% trong khi các nhà máy tuabin khí chu trình hỗn hợp và các nhà máy hơi nước có thể đạt hiệu suất cao tới 60%. Trong hệ thống nhiệt và điện kết hợp (CHP), nhiệt thải được tạo ra bởi chu trình năng lượng sơ cấp cho dù pin nhiên liệu, phân hạch hạt nhân hay đốt cháy được thu giữ và đưa - - vào sử dụng, làm tăng hiệu suất của hệ thống lên đến 85 –90%.

Hiệu suất tối đa về lý thuyết của bất kỳ loại hệ thống phát điện nào trong thực tế khơng bao giờ đạt được và nó khơng tính đến các bước khác trong sản xuất điện, chẳng hạn như sản xuất, vận chuyển và dự trữ nhiên liệu và chuyển đổi điện năng thành cơ năng. Tuy nhiên, tính toán này cho phép so sánh các loại phát điện khác nhau. Hiệu suất tối đa lý thuyết của pin nhiên liệu là 100%, trong khi hiệu suất tối đa lý thuyết của động cơ đốt trong là khoảng 58%.

<b>2.4.2 S ử dụng pin nhiên li u hydro trong s d ng th c t</b>ệ ử ụ <b>ự ế </b>

Trong xe chạy pin nhiên liệu hydro, hiệu suất từ bình đến bánh lớn hơn 45% ở tải thấp và cho thấy giá trị trung bình khoảng 36% khi một chu trình lái xe như NEDC (Chu trình lái xe châu Âu mới) được sử dụng làm quy trình thử nghiệm. Giá trị NEDC có thể so sánh được đối với xe Diesel là 22%. Vào năm 2008, Honda đã phát hành một chiếc xe điện chạy bằng pin nhiên liệu trình diễn (Honda FCX Clarity) với ngăn chứa nhiên liệu đạt hiệu suất 60% từ bình tới bánh.

Điều quan trọng nữa là phải tính đến những tổn thất do sản xuất, vận chuyển và lưu trữ nhiên liệu. Xe chạy pin nhiên liệu chạy bằng hidro nén có thể có hiệu suất từ máy đến bánh xe là 22% nếu hidro được lưu trữ dưới dạng khí áp suất cao và 17% nếu được lưu trữ dưới dạng hidro lỏng.

Tế bào nhiên liệu không thể lưu trữ năng lượng như pin, nhưng trong một số ứng dụng như các nhà máy điện độc lập dựa trên các nguồn không liên tục như năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió, chúng được kết hợp với các bộ điện phân và các hệ thống lưu trữ để tạo thành một hệ thống lưu trữ năng lượng.

Tính đến năm 2019, 90% hidro được sử dụng cho q trình lọc dầu, hóa chất và sản xuất phân bón (nơi cần hidro cho quy trình Haber Bosch) và 98% hidro được sản -xuất bằng quá trình cải cách metan bằng hơi nước, phát thải khí carbon dioxide. Hiệu suất tổng thể (điện thành hidro và trở lại thành điện) của các nhà máy như vậy (được gọi là hiệu suất khứ hồi), sử dụng hidro tinh khiết và oxy tinh khiết có thể là "từ 35 đến

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

Năng lượng mới trên ô tô GVHD: Th.S Ph m Minh M n ạ ậ

Trang 3050%", tùy thuộc vào mật độ khí và các các điều kiện. Hệ thống điện phân/pin nhiên liệu có thể lưu trữ lượng hidro vơ hạn, và do đó thích hợp để lưu trữ lâu dài.

Pin nhiên liệu oxit rắn tạo ra nhiệt từ sự tái kết hợp oxy và hidro. Gốm có thể nóng đến 800 độ C. Nhiệt này có thể được thu lại và sử dụng để làm nóng nước trong một ứng dụng kết hợp vi mô giữa nhiệt và điện (m CHP). Khi nhiệt được thu lại, tổng -hiệu suất có thể đạt 80–90% tại tổ máy, nhưng khơng tính đến tổn thất sản xuất và phân phối. Các đơn vị CHP đang được phát triển ngày nay cho thị trường gia đình Châu Âu. Giáo sư Jeremy P. Meyers, trong tạp chí Interface của Hiệp hội Điện hóa vào năm 2008 đã viết: "Mặc dù pin nhiên liệu hiệu quả hơn so với động cơ đốt trong, nhưng chúng không hiệu quả bằng pin, chủ yếu là do phản ứng khử oxy khơng hiệu quả (phản ứng tiến hóa oxy, nếu hidro được hình thành bởi điện phân nước). Việc này có ý nghĩa quan trọng đối với hoạt động ngắt kết nối với lưới điện hoặc khi nhiên liệu có thể được cung cấp liên tục. Yêu cầu trong không gian kín như nhà kho và nơi hidro được coi là chất phản ứng có thể được chấp nhận, pin nhiên liệu PEM đang ngày càng trở thành một lựa chọn hấp dẫn nếu việc trao đổi pin không thuận tiện".

Vào năm 2013, các tổ chức quân sự đã đánh giá pin nhiên liệu để xác định xem chúng có thể giảm đáng kể trọng lượng pin mà binh sĩ mang theo hay không.

<b>2.5 Ứng dụng của pin nhiên li u </b>ệ

<b>2.5.1 S ử dụng làm năng lượng chính </b>

Pin nhiên liệu tĩnh được sử dụng để phát điện chính và dự phịng cho thương mại, cơng nghiệp và dân dụng. Pin nhiên liệu rất hữu ích làm nguồn năng lượng ở các địa điểm xa xôi, chẳng hạn như tàu vũ trụ, trạm thời tiết ở xa, công viên lớn, trung tâm thông tin liên lạc, các địa điểm nông thôn bao gồm các trạm nghiên cứu và trong một số ứng dụng quân sự nhất định.

Hệ thống pin nhiên liệu chạy bằng hidro có thể nhỏ gọn và nhẹ và khơng có bộ phận chuyển động chính. Bởi vì pin nhiên liệu khơng có bộ phận chuyển động và không liên quan đến quá trình đốt cháy, trong điều kiện lý tưởng, chúng có thể đạt được độ tin cậy lên tới 99,9999%. Điều này tương đương với thời gian ngừng hoạt động ít hơn một phút trong khoảng thời gian sáu năm.

Vì hệ thống điện phân pin nhiên liệu khơng tự tích trữ nhiên liệu mà dựa vào các bộ lưu trữ bên ngồi, chúng có thể được áp dụng thành cơng trong việc lưu trữ năng lượng quy mô lớn, các vùng nơng thơn là một ví dụ. Có nhiều loại pin nhiên liệu tĩnh

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

Năng lượng mới trên ô tô GVHD: Th.S Ph m Minh M n ạ ậ

Trang 31khác nhau nên hiệu suất cũng khác nhau, nhưng hầu hết đều tiết kiệm năng lượng từ 40% đến 60%.

Tuy nhiên, khi nhiệt thải của pin nhiên liệu được sử dụng để sưởi ấm một tòa nhà trong hệ thống đồng phát, hiệu suất này có thể tăng lên 85%. Điều này hiệu quả hơn đáng kể so với các nhà máy điện than truyền thống, chỉ tiết kiệm năng lượng khoảng một phần ba.

Giả sử sản xuất ở quy mô lớn, pin nhiên liệu có thể tiết kiệm 20–40% chi phí năng lượng khi được sử dụng trong hệ thống đồng phát. Pin nhiên liệu cũng sạch hơn nhiều so với phát điện truyền thống; một nhà máy điện pin nhiên liệu sử dụng khí tự nhiên làm nguồn hidro sẽ tạo ra ít hơn một ounce ơ nhiễm (trừ CO2) cho mỗi 1.000 kW/h được tạo ra, so với 25 pound chất ô nhiễm do các hệ thống đốt thông thường tạo ra. Fuel Cells cũng tạo ra lượng khí thải nitơ oxit ít hơn 97% so với các nhà máy nhiệt điện than thơng thường.

Một chương trình thử nghiệm như vậy đang hoạt động trên Đảo Stuart ở Bang Washington. Ở đó, Sáng kiến Năng lượng Đảo Stuart đã xây dựng một hệ thống hồn chỉnh, khép kín: Các tấm pin mặt trời cung cấp năng lượng cho một máy điện phân tạo ra hidro. Hidro được lưu trữ trong bồn chứa 500 US gallon (1.900 L) ở 200 pound/inch -vuông (1.400 kPa) và chạy pin nhiên liệu BelieOn để cung cấp nguồn điện hồn tồn dự phịng cho nơi cư trú ngồi lưới điện. Một vịng lặp hệ thống khép kín khác đã được cơng bố vào cuối năm 2011 tại Hempstead, NY.

Pin nhiên liệu có thể được sử dụng với khí chất lượng thấp từ các bãi chôn lấp hoặc nhà máy xử lý nước thải để tạo ra điện và giảm phát thải khí mê-tan. Một nhà máy pin nhiên liệu 2,8 MW ở California được cho là lớn nhất trong loại này. Pin nhiên liệu quy mô nhỏ (dưới 5kWhr) đang được phát triển để sử dụng trong việc triển khai ngoài lưới điện trong khu dân cư.

<b>2.5.2 Dùng pin nhiên li u làm h </b>ệ <b>ệ thống đồng phát </b>

Hệ thống pin nhiên liệu kết hợp nhiệt và điện (CHP), bao gồm hệ thống nhiệt và điện kết hợp vi mô (MicroCHP) được sử dụng để tạo ra cả điện và nhiệt cho gia đình (xem pin nhiên liệu gia đình), tòa nhà văn phòng và nhà máy. Hệ thống tạo ra công suất điện không đổi (bán điện năng dư thừa trở lại lưới điện khi nó khơng được tiêu thụ), đồng thời tạo ra khơng khí nóng và nước từ nhiệt thải.

Kết quả là các hệ thống CHP có tiềm năng tiết kiệm năng lượng sơ cấp vì chúng có thể tận dụng nhiệt thải vốn thường bị các hệ thống chuyển đổi nhiệt năng loại bỏ.

</div>