NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG PIN NHIÊN LIỆU TRÊN CÁC PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG TẠI VIỆT NAM

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
S

K

C

0

0

3

9
2
4

5
3

9
5

6

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


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


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



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
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Điện thoại nhà riêng: 37206471

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
09/2007-04/2008
06/2008-8/2008
09/2008-03/2009

04/2009 đến nay

Nơi công tác
Trường Cao đẳng Nghề kỹ Thuật công
Nghệ Tp.HCM
Công ty Cổ phần SAMCO
Chi cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất
lượng Tp.HCM
Sở Khoa học và Công nghệ Tp.HCM

XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC
(Ký tên, đóng dấu)

Công việc đảm nhiệm
Giáo viên
Cố vấn dịch vụ
Chuyên viên Tư vấn
Chuyên viên thanh tra Sở

Ngày 01 tháng 10 năm 2011
Người khai ký tên

Nguyễn Lê Chiểu
i


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


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


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


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


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


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


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


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


DANH MỤC 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
Membrane Fuel Cell

Pin nhiên liệu dùng màng
điện phân

POX

Partial Oxidation

Quá trình oxy hóa không
hoàn toàn

Từ viết tắt

x


PSA

Pressure Swing Absorption

Độ hấp thụ áp lực

PPS

Peaking Power Source
System

Nguồn công suất cực đại
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
Carbon Capture and Storge

Gỗ
Thu giữ và loại bỏ cacbon

w/o CCS

Wood/oil
Carbon Capture and Storge

Gỗ/dầu
Thu giữ và loại bỏ cacbon

UTC

United Technologies

Công nghệ tổng hợp

xi


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


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

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


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


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


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


Luận văn tốt nghiệp cao học

CBHD: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG

- Xử lý bên trong động cơ nhƣ nghiên cứu hoàn thiện quá trình cháy và hoàn
thiện kết cấu động cơ.
- Sử dụng động cơ điện, động cơ hybrid.
- Đốt lại khí xả và lọc các độc tố từ khí xả.
- Tìm ra các nguồn nhiên liệu mới, sạch không gây ra ô nhiễm môi trƣờng hoặc
nếu có thì hàm lƣợng rất nhỏ nhƣ nhiên liệu khí hóa lỏng LPG, khí thiên nhiên
CNG, cồn sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật (biodiesel),…
Trong các nhiên liệu mới, ít gây ảnh hƣởng đến môi trƣờng và để thay thế cho
nhiên liệu truyền thống sử dụng ở động cơ đốt trong có thể kể đến công nghệ Fuel
Cell hay còn gọi là pin nhiên liệu. Việc sử dụng pin nhiên liệu không những giải

quyết đƣợc các vấn đề đã nêu trên mà còn giải quyết hàng loạt các nhƣợc điểm mà
động cơ đốt trong gặp phải nhƣ: giảm tiếng ồn, giảm kết cấu các chi tiết quay trên
xe, nâng cao hiệu suất,… Hiện nay, không những các nƣớc tiên tiến mà cả các quốc
gia đang phát triển đều quan tâm và đầu tƣ nghiên cứu giải pháp hữu ích mà công
nghệ pin nhiên liệu mang lại.
Từ thực tế đã nêu, đề tài “Nghiên cứu khả năng ứng dụng pin nhiên liệu trên
các phƣơng tiên giao thông tại Việt Nam” đã đƣợc thực hiện.
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC
1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc:
Các nƣớc trên thế giới đã bắt đầu lƣu tâm đến công nghệ pin nhiên liệu và xem
đây là giải pháp then chốt cho những vấn đề lâu dài về bảo đảm an ninh năng lƣợng,
bảo vệ môi trƣờng và phát triển kinh tế của đất nƣớc. Do đó, những hợp tác quốc tế
và công trình nghiên cứu công bố về công nghệ pin nhiên nhiệu ra đời. Một số công
trình nghiên cứu tiêu biểu về pin nhiên liệu đã đƣợc công bố:
- Ngày 08 tháng 9 năm 1935, tờ Dallas Morning News đã đƣa tin Charles
Henry Garrett tại Dallas, Texas đã có bằ ng phát minh và đã biể u diễn chiế c xe dùng
nƣớc làm nhiên liê ̣u trong vài phút. Chiế c xe này dùng phƣơng pháp điê ̣n phân nƣớc
để có hydrogen chạy máy xe thay xăng , nhƣng sau đó thì không ai nghe nói gì về
phát minh này nữa . Henry sinh trƣởng bằ ng nghề thơ ̣ điê ̣n và là mô ̣t nhà phát minh .
3


Luận văn tốt nghiệp cao học

CBHD: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG

Ông là ngƣời đầ u tiên dùng carburator để sản xuất hydrogen và oxygen.
- Năm 1962, các nhà khoa học J. Weissbart và R. Ruka của công ty Siemens
Westinghouse lần đầu tiên công bố tính khả thi của quá trình tạo điện năng từ solid
electrolyte fuel cell. Trải qua hơn 40 năm nghiên cứu và phát triển, Siemens

Westinghouse đã xây dựng và thử nghiệm nhà máy điện SOFC ở Hà Lan và cho kết
quả khả quan. Kết quả tƣơng tự cũng thu đƣợc của công ty Ceramic Fuel Cells (Úc).
Gần đây Siemens Westinghouse đã tung ra sản phẩm tiền thƣơng mại SOFC với
công suất 125 kW.
- Các nhà khoa học thuộc Trƣờng Đại học Bách khoa Liên bang Lausane
(EPFL) Thụy Sĩ cùng với các đồng nghiệp ngƣời Đức đã tìm ra giải pháp để lƣu trữ
an toàn hydro. Khám phá này đƣợc coi là bƣớc tiến lớn trong khoa học, bởi trƣớc
đây, hydro vốn đƣợc coi có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch, tuy nhiên, chất này rất
dễ cháy và khó bảo quản. Nhóm nghiên cứu do Giáo sƣ Gabor Laurencry đứng đầu
thuộc EPFL cùng với Mattthias Beller và Ralf Ludwig thuộc Trƣờng Đại học
Rostock (Đức), bƣớc đầu đã tìm ra cách thức biến đổi hydro thành axít fomic nhờ
vào một chất xúc tác và khí thải CO2 vốn tồn tại trong không khí. Phản ứng này sinh
ra một chất rất khó bắt lửa và chất lỏng ở nhiệt độ tƣơng đƣơng so với xung quanh.
Tiếp đó, thông qua chất xúc tác mới, axít fomic đƣợc chuyển lại trạng thái khí CO 2
và hydro. Tại đây, hydro có thể đƣợc chuyển đổi thành năng lƣợng điện và cung cấp
nhiên liệu cho động cơ ô tô. Trƣớc đây, việc chuyển đổi hydro thành axít fomic phải
cần tới chất xúc tác đắt nhƣ ruthenium, nhƣng nay, các nhà khoa học Thụy Sĩ đã
thành công trong việc tiến hành phản ứng từ nguyên liệu sắt và một số kim loại
thông dụng mà giá thành thấp.
- Các nhà khoa học Trung Quốc đã phát triển một hệ thống pin nhiên liệu có
thể tạo ra điện từ hợp chất hữu cơ và làm sạch nƣớc thải. Nghiên cứu mới đƣợc công
bố tại trên tạp chí Chemical Communications. Họ đã tạo ra một loại pin nhiên liệu
sử dụng ánh sáng làm xúc tác, có cực dƣơng là ống oxit titan cực nhỏ, cực âm làm
bằng bạch kim. Pin này cũng sử dụng ánh sáng để phân hủy các hợp chất hữu cơ có
trong chất thải, sản xuất ra các điện từ có khả năng đi xuyên qua cực âm và biến đổi
năng lƣợng hóa học thành điện. Theo ông Yanbiao Liu, trƣởng nhóm nghiên cứu
4


Luận văn tốt nghiệp cao học

CBHD: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG

Đại học Shanghai Jiao Tong, các hợp chất hữu cơ trong nƣớc thải là nguồn năng
lƣợng quan trọng. Và việc tìm ra phƣơng pháp tiếp cận bền vững để thu hồi năng
lƣợng từ chất thải là nhu cầu cần thiết. Các nhà khoa học đã sử dụng pin để xác định
các tạp chất và hợp chất khác nhau trong các mẫu chất thải. Ông Liu cho biết, thay
vì sử dụng tia cực tím làm chất xúc tác, hệ thống sử dụng ánh sáng nhìn thấy đƣợc
và ánh sáng mặt trời. Nhƣ vậy, có thể sử dụng hệ thống này ở ngoài trời để xử lí
nƣớc thải.
Bên cạnh các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học, các hãng ô tô nổi
tiếng trên thế giới nhƣ: Honda (Nhật), Mercedes (Đức), General Motors (Mỹ), De
Nora (Ý), Hyundai (Hàn Quốc), Toyota,… đã chú trọng phát triển các loại pin nhiên
liệu có kết cấu nhỏ gọn trên các sản phẩm của mình. Một trong những hãng xe quan
tâm nhất đến công nghệ này chính là hãng xe hạng sang Mercedes – Benz của Đức,
từ những năm 90 của thế kỷ 20 đến nay, sau khi nghiên cứu thiết kế, chế tạo nhiều
mẫu xe, hãng đã chính thức xuất xƣởng mẫu xe thƣơng mại đầu tiên sử dụng pin
nhiên liệu, mang tên gọi B-Class F-Cell.

Hình 1.2. Mẫu xe mang tên B-Class F-Cell
Năm 1966, hãng GM (General Motors), cho ra đời mẫu xe tải đầu tiên sử dụng
pin nhiên liệu. Bên cạnh đó, một đại gia khác của nền công nghiệp ô tô là Ford đã
nghiên cứu chế tạo xe đua sử dụng công nghệ này, chiếc xe có tên gọi là “Fusion
Hydrogen 999”, đây là sản phẩm của Ford hợp tác với Trung tâm Nghiên cứu về ô
tô – Trƣờng Đại học Bang Ohio (Mỹ) và nhà sản xuất pin nhiên liệu hàng đầu thế
5


Luận văn tốt nghiệp cao học

CBHD: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG

giới Ballard Power Systems.
Hiện nay, hầu hết các hãng xe đều chạy đua để đầu tƣ nghiên cứu, chế tạo các
loại ô tô sử dụng nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trƣờng. Không chỉ ứng dụng
trên ô tô, pin nhiên liệu còn có thể sử dụng trên các loại xe mô tô, xe gắn máy. Có
thể nói, nhiên liệu sạch này đang phát triển vƣợt trội của nó về tiết kiệm năng lƣợng
và giảm ô nhiễm môi trƣờng. Tuy nhiên, con ngƣời phải vƣợt qua thử thách về công
nghệ và giá thành sản xuất để pin nhiên liệu đƣợc sử dụng phổ biến.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc:
Tại Việt Nam, công nghệ này tƣơng đối mới, khái niệm về pin nhiên liệu có vẻ
nhƣ rất xa lạ, bởi vì các nƣớc phát triển chƣa tìm cách khắc phục các nhƣợc điểm về
giá thành và công nghệ để sử dụng phổ biến.
Nƣớc ta là một trong những nƣớc có nền kinh tế đang phát triển, Khoa học Kỹ
thuật chƣa cao, cho nên việc đầu tƣ nghiên cứu thiết kế loại công nghệ mới này chƣa
đƣợc quan tâm đúng mức, chỉ ở bƣớc đầu nghiên cứu ứng dụng trên các loại thiết bị
cầm tay (điện thoại, máy tính xách tay,…). Vào cuối năm 2004, Phân viện Vật lý
Thành phố Hồ Chí Minh đã công bố những kết quả đầu tiên về pin nhiên liệu do
Tiến sĩ Nguyễn Mạnh Tuấn nghiên cứu. Theo Tiến sĩ, ở nƣớc ta do điều kiện công
nghệ, khí hậu,… cho nên việc chế tạo ra loại pin sử dụng nhiên liệu hydro là vô
cùng khó khăn (vấn đề lƣu trữ, bảo quản vì hydro dễ rò rỉ, nếu gặp tia lửa trong
không khí dễ phát nổ,…). Ông đề xuất hƣớng nghiên cứu sử dụng nhiên liệu cồn
methanol để chế tạo ra pin nhiên liệu, pin này có đặc điểm: nhiệt độ làm việc thấp,
an toàn trong lƣu trữ và bảo quản, tuổi thọ pin cao.
Một nghiên cứu khác đƣợc Tiến sĩ Nguyễn Chánh Khê và các cộng sự tại
Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển – Khu công nghệ cao Tp.HCM công bố năm
2005. Đó là việc chế tạo thành công màng chuyển đổi proton, vốn là cái cốt lõi
chính của công nghệ và đang đƣợc nghiên cứu từ vật liệu nano trong nƣớc. Bên
cạnh đó, nhóm cũng đang bắt đầu sử dụng cacbon nanotube trong việc tạo ra một
chất xúc tác mới có khả năng dẫn đến tăng hiệu suất chuyển hóa điện năng, giảm chi

phí và kích thƣớc của pin nhiên liệu.
6