Nghiên cứu đặc tính phủ của bộ xúc tác nhiên liệu xăng để tạo khí hydro ứng dụng trên động cơ xăng

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi, được thực hiện dưới
sự hướng dẫn của thầy giáo Tiến sĩ: Nguyễn Thế Lương.
Các kết quả số liệu, các kết luận được trình bày trong luận văn này là trung
thực và chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào.
Tôi xin chịu trách nhiệm về những nội dung trình bày trong luận văn này.

Hà Nội, ngày tháng 10 năm 2015

Nguyễn Ngọc Quang


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU HYDRO...................................... 6
1.1. Đặc điểm của nhiên liệu hydro ............................................................................ 6
1.1.1. Tính chất vật lý của nhiên liệu hydro ........................................................... 6
1.1.2. Tính chất cháy của nhiên liệu hy-đrô. .......................................................... 6
1.2. Các phương pháp sản xuất hydro và khí giàu hydro. ......................................... 10
1.2.1. Phương pháp điện phân .............................................................................. 11
1.2.1.1. Cơ sở lý thuyết ...................................................................................... 11
1.2.1.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bộ điện phân .................................. 12
1.2.2. Phương pháp biến đổi (Reforming) nhiệt hóa nhiên liệu ........................... 13
1.2.2.1. Phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu hydro cacbon với hơi nước (phản ứng
thu nhiệt) ............................................................................................................ 14
1.2.2.2. Phản ứng ôxy hóa nhiên liệu không hoàn toàn (phản ứng tỏa nhiệt).... 14

1.2.2.3. Phản ứng nhiệt hóa hydro cacbon với khí cacbonnic (phản ứng thu
nhiệt)................................................................................................................... 15
1.2.2.4. Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu hydro cácbon với đồng thời hơi nước, ôxy
và cacbonnic (quá trình phản ứng trung tính về nhiệt) ...................................... 15
1.3. Các nghiên cứu sử dụng hyđrô trong động cơ đốt trong.................................... 17
1.4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô .................. 25
1.4.1. Cấu tạo ........................................................................................................ 25
1.4.2. Nguyên lý hoạt động ................................................................................... 26
CHƯƠNG II. NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ PHỦ ............................................. 28
2.1. Phương pháp hóa học và điện ly ........................................................................ 29
2.1.1. Tráng kim loại bằng cách nhúng ................................................................ 29
2.1.2. Mạ hóa học không có dòng điện ................................................................ 29
2.1.3. Mạ bằng khuếch tán .................................................................................... 29
2.1.4. Mạ trong chân không .................................................................................. 29


2.1.5. Mạ điện ....................................................................................................... 30
2.2. Phương pháp vật lý và cơ học ............................................................................ 32
2.2.1. Các phương pháp phun phủ ........................................................................ 34
2.2.1.1.Phun ngọn lửa khí .................................................................................. 34
2.2.1.2. Phun điện ............................................................................................... 36
2.2.2. Vật liệu phun phủ....................................................................................... 40
2.2.3. Quy trình phun phủ kim loại lên bề mặt chi tiết cơ khí ............................. 41
2.3. Phương pháp Sol-gel .......................................................................................... 43
2.3.1. Quy trình phủ Sol-Gel ................................................................................ 43
2.3.1.1. Precursor ............................................................................................... 43
2.3.1.2. Sol ........................................................................................................ 44
2.3.1.3. Gel ......................................................................................................... 44
2.3.2. Ưu nhược điểm của quá trình sol-gel ......................................................... 45
2.3.2.1. Ưu điểm:................................................................................................ 45

2.3.2.2. Nhược điểm ........................................................................................... 46
2.3.3. Các ứng dụng hiện nay ............................................................................... 46
2.3.4. Các phương pháp phủ Sol-gel ................................................................... 47
2.3.4.1. Nhúng phủ ............................................................................................. 47
2.3.4.2. Phủ quay ................................................................................................ 49
2.3.4.3. Kỹ thuật phủ bằng dòng chảy ............................................................... 51
2.3.4.4. Phủ phun ................................................................................................ 51
CHƯƠNG III. ĐIỀU CHẾ LỚP PHỦ CUO-NIO................................................ 51
3.1. Miêu tả phương pháp điều chế ........................................................................... 52
3.2. Điều chế lớp phủ ................................................................................................ 53
3.2.1. Xử lý chất nền ............................................................................................. 53
3.2.2. Điều chế lớp trung gian Al2O3 .................................................................... 54
3.2.3. Điều chế lớp xúc tác Cu-Ni ........................................................................ 55
CHƯƠNG IV. XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH PHỦ XÚC TÁC .................................. 56
4.1. Trang thiết bị thử nghiệm ................................................................................... 56
4.1.1. Máy xác định cấu trúc tinh thể của vật liệu XRD ...................................... 56
4.1.2. Kính hiển vi điện tử SEM ........................................................................... 58
4.1.3. Phân tích diện tích bề mặt BET .................................................................. 59
4.1.4. Cân điện tử và máy rung siêu âm ............................................................... 61
4.2. Kết quả thử nghiệm ............................................................................................ 62


4.2.1. Lớp trung gian γ-Al2O3/lõi FeCrAl ............................................................ 63
4.2.1.1. Lượng phủ ............................................................................................. 64
4.2.1.2. Chiều dày lớp phủ và diện tích bề mặt .................................................. 65
4.2.1.3. Tính kết dính ......................................................................................... 66
4.2.1.4. Cấu trúc và độ nhấp nhô bề mặt ............................................................ 67
4.2.2. Lớp phủ NiO-CuO/Al2O3/lõi FeAlCr ......................................................... 68
4.2.2.1. Lượng phủ ............................................................................................. 68
4.2.2.2. Chiều dày lớp phủ và diện tích bề mặt .................................................. 69

4.2.2.3. Cấu trúc, độ nhấp nhô bề mặt và tính dính kết của lớp xúc tác CuO-NiO
............................................................................................................................ 70
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................. 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 73


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
H2
: Khí hydro
CO : Khí mô-nô-xít-các bon
CO2 : Khí các-bô-níc
CH4 : Khí mê-tan
HC : Khí hy-đrô-các-bon
N2
: Khí Ni-tơ
O2
: Khí ô-xy
CH : Gốc nhiên liệu hóa thạch hy-đrô-các-bua
NOx : Các loại ô-xít ni-tơ
z
: Góc đánh lửa sớm

: Hệ số dư lượng không khí
BMEF : Áp suất có ích trung bình
BMTE : Hiệu suất nhiệt có ích trung bình
BSFC : Suất tiêu hao nhiên liệu có ích
SFC : Suất tiêu hao nhiên liệu
BMEP : Áp suất có ích trung bình
CHK : Chế hòa khí
ĐCĐT : Động cơ đốt trong

G-e : Động cơ sử dụng xăng
H-e : Động cơ sử dụng Hy-đro
GH-e : Động cơ sử dụng hỗn hợp xăng và Hy-đro
BTE : Hiệu suất có ích
W/F : Tỷ lệ nước-nhiên liệu
NTP : Điều kiện nhiệt độ 20 o C
EGR : Bộ luân hồi khí thải
CNG : Nhiên liệu khí thiên nhiên nén
LNG : Khí thiên nhiên hóa lỏng
ESA : Hệ thống đánh lửa điều khiển bằng máy tính
EW : Điện phân nước


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Tính chất vật lý của hyđrô, mê-tan, xăng ..................................................6
Bảng 1.2. Tính chất cháy của hyđrô, mêtan, xăng ......................................................7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Phạm vi cháy của hyđrô và một số loại nhiên liệu ....................................7
Hình 1.2. Nhiệt độ tự cháy của hyđrô và một số loại nhiên liệu ................................8
Hình 1.3. Tốc độ ngọn lửa của một số hỗn hợp khí ....................................................8
Hình 1.4. Năng lượng đánh lửa của hy-đrô và một số loại nhiên liệu .......................9
Hình 1.5. Sơ đồ hệ thống sản xuất khí HHO ............................................................13
Hình 1.6. Các phương án cung cấp hy-đrô cho ĐCĐT ............................................17
Hình 1.7. BTE theo tốc độ động cơ của H-e và G-e ................................................18
Hình 1.8. Mô men theo tốc độ động cơ của H-e và G-e ..........................................19
Hình 1.9. Công suất theo tốc độ động cơ của H-e và G-e .......................................20
Hình 1.10. BSFC của H-e và G-e ở chế độ toàn thải ................................................20
Hình 1.11. Kết cấu cụm ống hút của động cơ GH-e .................................................21

Hình 1.12. BMEP của GH-e khi thay đổi lượng hy-đrô cung cấp ............................22
Hình 1.13. BTE của GH-e khi thay đổi lượng hy-đrô cung cấp ..............................23
Hình 1.14. Mô men theo tốc độ của GH-e khi thay đổi lượng hy-đrô cung cấp ......23
Hình 1.15. SFC theo tốc độ của GH-e khi thay đổi lượng hy-đrô cung cấp ............24
Hình 1.16. Phát thải của GH-e khi thay đổi lượng hyđrô cung cấp .........................25
Hình 1.17. Cấu tạo của bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô ..............................................26
Hình 2.1. Nguyên lý của sự điện phân ......................................................................30
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý quá trình phun ................................................................32
Hình 2.3. Phương pháp phủ bằng phun Plasma ........................................................36
Hình 2.4. Phương pháp phủ hồ quang .......................................................................38
Hình 2.5. Quá trình phát triển khác nhau với xúc tác là acid và bazơ ......................44
Hình 2.6. Diễn biến quá trình Sol - gel .....................................................................45
Hình 2.7. Các nhóm sản phẩm của phương pháp sol-gel. .........................................47
Hình 2.8. Năm giai đoạn trong quá trình phủ nhúng .................................................48
Hình 2.9. Độ dày màng được xác định khi có sự cân bằng tại điểm chuyển tiếp ....49
Hình 2.10. Bốn giai đoạn của phương pháp phủ quay ..............................................49
Hình 2.11. Mô hình của phương pháp phủ chảy dòng ...............................................51
Hình 2.12. Thiết bị phủ phun cầm tay.......................................................................51
Hình 3.1. Quy trình công nghệ chế tạo lợp phủ NiO-CuO/-Al2O3/FeCrAl ............52
Hình 4.1. Máy D8 Advance của Bruker....................................................................56


Hình 4.2 Cấu tạo ống phát tia X ...............................................................................57
Hình 4.3. Detector nhấp nháy ...................................................................................57
Hình 4.4. Detector bán dẫn .......................................................................................57
Hình 4.5 Các tín hiệu và sóng điện từ phát xạ từ mẫu do tán xạ. ............................58
Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử quét ...........................................59
Hình 4.7. Micromeritics Gemini VII 2390 Series .....................................................60
Hình 4.8. Cân điện tử và máy rung siêu âm dùng để đánh giá khả năng dính kết của
vật liệu .......................................................................................................................62

Hình 4.9. Hiệu quả của tốc độ nhắc đến lượng phủ của -Al2O3/FeCrAl, Dung dịch
bột nhão của Al2O3 là được khuấy trong 8h, H2O/Al2O3 (w/w) = 1.4 g/g ................63
Hình 4.10. Hiệu quả của tỷ lệ H2O/Al2O3 trong bột nhão -Al2O3/FeCrAl ..............63
Hình 4.11. Ảnh hưởng của tỷ lệ H2O/Al2O3 đến lượng kim loại phủ .......................64
Hình 4.12. Hiệu quả của tỷ lệ H2O/Al2O3 trong bột nhão -Al2O3 trên diện tích bề
mặt và độ dầy của lớp phủ -Al2O3/FeCrAl ..............................................................65
Hình 4.13. Hiệu quả của tỷ lệ H2O/Al2O3 trong bột nhão trên sự mất trọng lượng
của -Al2O3/FeCrAl ...................................................................................................66
Hình 4.14. Kết quả XRD của (a) FeCrAlloy sau khi xử lý nhiệt ở 900oC cho 10h;
(b) -Al2O3 phủ trên nền FeCrAlloy .........................................................................67
Hình 4.15 Ảnh SEM của (a) bột thương mại -Al2O3; (b) lớp phủ -Al2O3 sau khi
xủ lý nhiệt ..................................................................................................................67
Hình 4.16. Hiệu quả của tốc độ nhắc đến lượng phủ của NiO-CuO/-Al2O3/FeCrAl,
dung dịch huyền phù của NiO-CuO là được khuấy trong 8h, H2O/NiO-CuO (w/w)
= 2.4 g/g ....................................................................................................................68
Hình 4.17. Hiệu quả của tỷ lệ nước chứa đựng trong huyền phù của CuO-NiO ......69
Hình 4.18. Ảnh hưởng của H2O chứa đựng trong huyền phù CuO-NiO trên độ dầy
của lớp phủ và diện tích bề mặt.................................................................................70
Hình 4.19 Ảnh SEM mặt cắt ngang của bộ xúc tác trên kính hiển vi điện tử ..........70
Hình 4.20. Ảnh chụp sự phân bố các hạt xúc tác trên chất mang Al2O3 ..................71
Hình 4.21. Sự mất trọng lượng trước và sau khi rung siêu âm trong 30 phút ..........71
Hình 4.22. Bộ xúc tác sau khỉ phủ ............................................................................71


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, theo sát sự phát triển về kinh tế,
công nghiệp, du lịch, vv…. là sự phát triển nhanh chóng của các loại phương tiện
giao thông. Phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu xăng và dầu diesel là nguyên
nhân chính gây ô nhiễm môi trường. Số lượng phương tiện giao thông tăng nhanh

trong các năm gần đây đã ngày càng tác động xấu đến môi trường, nhiều giải pháp
kỹ thuật đã được nghiên cứu và áp dụng để giảm thiểu thành phần độc hại trong khí
thải.
Tối ưu hóa thiết kế động cơ nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình cháy, đảm
bảo cháy kiệt, nhờ đó giảm được các thành phần độc hại trong khí thải là giải pháp
được quan tâm. Các biện pháp tối ưu hóa bao gồm tối ưu hóa thiết kế buồng cháy
đảm bảo tăng chất lượng tạo hỗn hợp và do đó tăng hiệu quả của quá trình cháy.
Bên cạnh biện pháp này còn có biện pháp kiểm soát chính xác tỷ lệ giữa không khí
và nhiên liệu trong động cơ xăng. Luân hồi khí thải và xử lý xúc tác ngay trong xi
lanh động cơ cũng như các biện pháp giảm thành phần độc hại sinh ra trong qua
trình cháy của động cơ. Ngày nay do sự phát triển của khoa học công nghệ nên kết
cấu của động cơ đốt trong đã đạt tới ngưỡng hoàn thiện, công nghệ chế tạo đã đạt
tới đỉnh cao nên khả năng hoàn thiện thiết kế để giảm hơn nữa một cách đáng kể
thành phần độc hại của sản phẩm cháy là rất khó khăn.
Trong khi việc cải tiến thiết kế động cơ khó gây đột phá về giảm thành phần
độc hại trong khí thải thì xử lý khí thải trên hệ thống thải là biện pháp hiệu quả để
giảm thành phần độc hại này. Phương pháp xử lý được thực hiện bằng cách sử dụng
các bộ xúc tác tên đường thải, phổ biến nhất là dùng bộ xúc tác 3 thành phần trong
động cơ xăng. Bộ xử lý chứa một hàm lượng nhỏ các chất xúc tác (Pt, Ni, Rd) có
tác dụng tăng cường các quá trình ô xy hóa và khử các thành phần độc hại. Các bộ
xúc tác thường chỉ hoạt động hiệu quả khi nhiệt độ bộ xúc tác đạt trên 350o C nên ở
thời điểm khởi động lạnh, các động cơ có trang bị hệ thống xúc tác này thường phát
thải lớn, nếu không sấy nóng bộ xúc tác.
Bên cạnh vấn đề giảm ô nhiễm môi trường, một vấn đề rất quan trọng khác
là nguồn nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiện, việc nâng cao tính kinh tế
1


của nhiên liệu và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch đang trở thành mối
quan tâm lớn của các quốc gia trên thế giới. Xu hướng nghiên cứu hiện nay là sử

dụng các loại nhiên liệu thay thế, nhiên liệu sạch, ít ô nhiễm môi trường. Có rất
nhiều loại nhiên liệu sạch, nhiên liệu thay thế đã được nghiên cứu và đưa vào sử
dụng thực tế, tiêu biểu là các loại nhiên liệu sau:
-

Nhiên liệu cồn Ethanol và cồn Metanol

-

Nhiên liệu khí thiên nhiên nén (CNG) và khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG)

-

Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG)

-

Nhiên liệu khí Hyđro (H2)

-

Nhiên liệu giàu Hyđro: Hỗn hợp của nhiên liệu hóa thạch với hyđro

Trong các loại nhiên liệu kể trên thì nhiên liệu Hyđro hay hỗn hợp nhiên liệu
giàu khí hyđro được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm.
Hyđrô là một nguồn năng lượng sạch và vô tận, vì vậy nhiên liệu hyđrô đã
được sử dụng để thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiện. Hyđrô
có thể được sử dụng để sản xuất điện, thực hiện trong các pin nhiên liệu. Điện từ
pin nhiên liệu hyđrô rất thích hợp cho các vùng sâu, vùng xa. Điện bằng pin nhiên
liệu hyđrô còn được sử dụng cung cấp trực tiếp cho động cơ điện của các phương

tiện giao thông vận tải, từ xe con, xe ca, xe bus, xe tải đến máy bay, tàu hỏa, tàu
thủy [1].
Tính chất lý hóa của hyđrô giúp cho nhiên liệu này được sử dụng như là
nhiên liệu cho động cơ đốt trong, khí cháy chỉ bao gồm nước và một lượng nhỏ
NOX [2], vì vậy tạo ra các phương tiện giao thông sạch, đáp ứng yêu cầu ngày càng
cao về tiêu chuẩn khí thải và giúp giảm khí gây hiệu ứng nhà kính. Do trị số ốc tan
của hyđrô lớn, tính chống kích nổ tốt [3], nên cho phép động cơ có thể làm việc ở
tốc độ rất cao, tỷ số nén lớn, nhờ đó mà dễ dàng tăng công suất động cơ. Mặc dù
vậy, nhiên liệu hyđrô cũng có một số nhược điểm so với nhiên liệu xăng và diesel là
nhiệt trị mole rất thấp nên nếu không thay đổi kết cấu động cơ khi chuyển từ động
cơ chạy xăng hoặc diesel sang động cơ chạy hoàn toàn bằng hydro thì công suất
động cơ sẽ bị giảm nhiều. Thêm nữa, việc sản xuất, vận chuyển và tích trữ bảo quản
nhiên liệu hydro đủ để thay thế hoàn toàn xăng hoặc diesel khá khó khăn và tốn
kém do nhiên liệu có tỷ trọng rất thấp.

2


Chính vì một số nhược điểm của nhiên liệu hydro nói trên nên nhiều nhà
nghiên cứu quan tâm đến việc sử dụng hydro như một thành phần phụ gia cho nhiên
liệu truyền thống. Với phương pháp này, hydro chỉ được cấp một tỷ lệ nào đó vào
trong động cơ để hòa trộn với nhiên liệu chính là xăng, diesel, hoặc khí thiên nhiên
để tạo ra hỗn hợp nhiên liệu giàu hydro (có hydro ở trạng thái tự do trong hỗn hợp)
[3]. Nhờ đặc tính cháy nhanh, hydro sẽ giúp đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu chính tốt
hơn nên giảm được thành phần độc hại khí thải, mở rộng giới hạn cháy và tăng tính
chống kích nổ cho động cơ trong khi không thay đổi kết cấu động cơ so với khi
dùng xăng hoặc diesel. Vấn đề đặt ra là cần có nguồn cung cấp hydro ổn định và
tiện lợi ngay trên xe để động cơ hoạt động liên tục với hỗn hợp nhiên liệu nói trên.
Vì vậy, vấn đề đang được quan tâm là việc sản xuất và cung cấp hyđrô trực tiếp trên
động cơ (on-board production). Để giải quyết vấn đề trên, một trong những hướng

nghiên cứu rất có tiềm năng là phát triển công nghệ tận dụng nhiệt khí thải để biến
đổi nhiệt hóa một phần nhiên liệu hóa thạch trên động cơ với hơi nước tạo khí giàu
hydro cấp vào động cơ. Công nghệ này vừa tận dụng nhiệt thải của động cơ vừa tạo
khí giàu hydro từ chính nhiên liệu hóa thạch trên động cơ để cải thiện quá trình
cháy mà không cần cung cấp thêm năng lượng khác từ bên ngoài nên sẽ tăng được
hiệu suất động cơ đồng thời giảm phát thải độc hại.
Trong đề tài nghiên cứu tiềm năng cấp Nhà nước, mã số C.05.TN05 11-15,
các thầy ở bộ môn Động cơ đốt trong đã thiết kế và chế tạo thành công một hệ
thống tạo hỗn hợp khí giàu hydro trực tiếp trên phương tiện xe máy thông qua quá
trình biến đổi nhiệt hóa một phần nhiên liệu xăng với sự hỗ trợ của năng lượng khí
thải. Tuy nhiên, do hạn chế về mặt thời gian cũng như kinh phí nên kết quả nghiên
cứu chỉ mới dừng lại ở quy mô trình diễn giải pháp. Trong khi quá trình tạo hỗn hợp
khí giàu hydro nhờ xúc tác tận dụng nhiệt khí thải chưa kiểm soát được chất lượng
sản xuất hydro theo các chế độ vận hành của phương tiện, phương pháp xúc tác
nhiệt hóa tạo hỗn hợp khí giàu hydro chưa có điều kiện để đối chứng với các hệ xúc
tác khác ngoài xúc tác niken, kết cấu của hệ thống còn khá cồng kềnh khi lắp đặt
trên phương tiện xe máy. Từ những kết quả rất đáng khích lệ ban đầu đạt được, Các
thầy cô ở bộ môn Động cơ đốt trong, viện Cơ khí Động lực đã tiếp tục chủ trì đề tài
cấp nhà nước KC.05.24/11-15 mang tên “Nghiên cứu phát triển công nghệ tạo khí

3


giàu hydro để bổ sung cho động cơ xăng nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên
liệu và giảm phát thải cho động cơ” với mục tiêu là hoàn thiện hệ thống cung cấp
khí giàu hydro và tiến tới thương mại hóa sản phẩm.
Trong đó, hướng tới tính toán chính xác tỷ lệ chuyển hóa nhiên liệu và lượng
hyđrô tạo thành, thiết kế, chế tạo và lắp đặt thành công hệ thống thiết bị tạo hỗn hợp
khí giàu hydro cho động cơ xe máy và ôtô. Để thực hiện yêu cầu trên, các thầy cô ở
Bộ môn Động cơ đốt trong đã tiến hành nghiên cứu về hiệu quả của vật liệu xúc tác.

Các kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu xúc tác thường sử dụng là Ni/Al2O3 hoặc
Ni/MgO [4], nhiệt độ phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu xăng với hơi nước trên cơ sở
xúc tác niken vào khoảng 700oC. Một số hệ xúc tác lưỡng kim loại hoặc kim loại
quý như Ni-Re, Ni-Mo, Ni-Rh, Ni-W [5] đã được sử dụng để cải thiện hiệu quả
chuyển hóa nhiên liệu, tăng tính bền xúc tác và giảm nhiệt độ phản ứng.
Gần đây, nhóm các thầy thực hiện đề tài đã báo cáo hệ xúc tác Ni-Cu/Al2O3
cải thiện hiệu quả chuyển hóa của xăng ở nhiệt độ phản ứng thấp (550oC) [6]. Trong
yêu cầu để chế tạo bộ xúc tác có kích thước phù hợp và thuận tiện trong việc lắp đặt
lên động cơ. Lõi bộ xúc tác có dạng tổ ong như bộ xúc tác ba thành phần đã được
lựa chọn. Trên cơ sở tính toán hiệu quả chuyển hóa và lượng hyđrô cần thiết phải
cung cấp cho động cơ, nhóm các thầy đã nghiên cứu tính toán ra kích thước của lõi
xúc tác lần lượt là 25x100 mm cho xe máy và 50x100 mm cho ôtô. Bước tiếp
theo là phủ xúc tác Cu-Ni lên lõi xúc tác, một trong những công việc quan trọng
nhất quyết định thành công của việc chế tạo bộ xúc tác là phủ xúc tác lên chất mang
và lõi. Lựa chọn phương pháp phủ phù hợp với điều kiện Việt Nam và xây dựng các
đặc tính của lớp phủ như lượng kim loại phủ, chiều dầy lớp phủ, độ dính kết của lớp
phủ trên lõi và chất mang là yêu cầu quan trọng. Xuất phát từ yêu cầu trên, em đã
lựa chọn đề tài "Nghiên cứu đặc tính phủ của bộ xúc tác nhiên liệu xăng để tạo
khí giàu hydro ứng dụng trên động cơ xăng".
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn
Kết quả nghiên cứu của luận văn giúp chế tạo thành công bộ xúc tác nhiên
liệu xăng tạo khí giàu hyđrô cung cấp cho động cơ, đóng góp lớn vào kết quả chung
đề tài cấp nhà nước KC.05.24/11-15, giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải ô
nhiễm của động cơ.
4


Luận văn đóng góp thêm một phương pháp phủ xúc tác lên chất mang phù
hợp với điều kiện Việt Nam, kết quả nghiên cứu của luận văn có thể làm tài liệu
tham khảo cho các nghiên cứu về phủ xúc tác đặc biệt là bộ xúc tác ba thành phần.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu chế tạo bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô lắp trên ô tô con và xe
máy
- Nghiên cứu đặc tính phủ, cấu trúc và hình dạng bề mặt của lớp phủ CuNi/Al2O3/lõi thép
4. Nội dung chính của luận văn: Gồm 4 chương
Chương I. Tổng quan về nhiên liệu hyđrô
-

Đặc điểm của nhiên liệu hyđrô

-

Các phương pháp sản xuất khí hyđrô

-

Các nghiên cứu sử dụng hyđrô trên động cơ xăng

-

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ xúc tác tạo khí giàu hyđrô nhờ tận
dụng nhiệt khí thải lắp trên động cơ xăng.

Chương II. Nghiên cứu về công nghệ phủ
-

Phương pháp hóa học và điện ly

-

Phương pháp vật lý và cơ học

-

Phương pháp sol-gel

Chương III. Điều chế lớp phủ CuO-NiO
-

Mô tả phương pháp điều chế

-

Điều chế lớp phủ

Chương IV. Xây dựng đặc tính phủ xúc tác
-

Trang thiết bị thử nghiệm

-

Kết quả xây dựng đặc tính phủ

5


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU HYDRO
1.1. Đặc điểm của nhiên liệu hydro
1.1.1. Tính chất vật lý của nhiên liệu hydro

Hyđro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, chiếm 75% các vật chất thông
thường theo khối lượng và trên 90% theo số lượng nguyên tử. Tuy vậy, trên Trái đất
nó có rất ít trong khí quyển (1ppm theo thể tích). Hyđrô là chất khí không màu,
không mùi, khối lượng phân tử là 2,016. Hyđrô là nguyên tố nhẹ nhất trong bảng
tuần hoàn hóa học. Tỷ trọng của nó nhỏ hơn 14 lần so với không khí (0,08367kg/m3
ở điều kiện và áp suất tiêu chuẩn). Hyđrô ở dạng lỏng tại nhiệt độ dưới 20,30 K.
Hyđrô có nhiệt trị cao nhất trên một đơn vị khối lượng trong tất cả các loại nhiên
liệu. Nhiệt trị của hyđrô là 141,9 MJ/kg gấp gần 3 lần so với xăng.
Tính chất vật lý đặc trưng của hyđrô có sự khác biệt so với các loại nhiên
liệu thông dụng là chúng không độc hại và nguy hiểm, chỉ có một số tính chất về
mặt lý thuyết thì có thể gây ra sự nguy hiểm trong quá trình bảo quản và sử dụng.
Một số tính chất vật lý quan trọng của hyđrô được thể hiện ở bảng 1.1 dưới đây:
Bảng 1.1. Tính chất vật lý của hyđrô, mê-tan, xăng [7]
Tính chất

Hyđrô

Mêtan

Xăng

Tỉ trọng tại điều kiện 1 at và 300 (kg m3)

0,082

0,717

5,11

Hệ số khuếch tán trong không khí (cm2/s)

29,53

9,48

1,65

Giá trị nhiệt trị thấp (kJ kg)

119,7

46,72

44,79

Nội năng (kJ kg)

2648,3

1.1.2. Tính chất cháy của nhiên liệu hy-đrô.
Khi nghiên cứu hyđrô là một loại phụ gia nhiên liệu để cải thiện quá trình
cháy của động cơ thì nhiên liệu hyđrô có một số tính chất cháy quan trọng được liệt
kê trong bảng 1.2.

6


Bảng 1.2. Tính chất cháy của hyđrô, mêtan, xăng [7]
Hyđrô

Tính chất

Mêtan

Xăng

Phạm vi cháy rộng (% thể tích)

4-75

5,3-15,0

1,2-6,0

Năng lượng đánh lửa thấp nhất (MJ)

0,02

0,28

0,25

Tốc độ màng lửa (m/s)

1,90

0,83

0,37-0,43

Nhiệt độ tự cháy (K)

858

813

500-700

a) Phạm vi cháy rộng
Phạm vi cháy đặc trưng cho khả năng có thể cháy của nhiên liệu với không
khí ở những tỉ lệ nhất định, hyđrô có phạm vi cháy nằm giữa 4% đến 75% lượng
hyđrô có trong hỗn hợp (tỉ lệ cháy tối ưu là 29%), tức là có thể làm việc được với
hòa khí nghèo. Trong khi đó một số loại nhiên liệu khác thì có phạm vi cháy thấp
hơn như khí tự nhiên là 5,3%-15%, propane là 2,1%-10% và xăng là 2%-6%.

Hình 1.1. Phạm vi cháy của hyđrô và một số loại nhiên liệu [7]
Thông thường, khi hỗn hợp nghèo thì phản ứng cháy của nhiên liệu sẽ tốt
hơn làm nhiên liệu được đốt kiệt hơn vì thế nâng cao tính kinh tế, thêm vào đó nó sẽ
làm nhiệt độ cuối quá trình cháy thấp hơn làm giảm bớt hàm lượng ô nhiễm trong
khí thải. Nhưng khi động cơ làm việc ở giới hạn hỗn hợp nghèo cho phép, có thể
làm giảm công suất do giảm mật độ của chất cháy có trong hỗn hợp không khí
nhiên liệu.

7


b) Nhiệt độ tự cháy cao

Hình 1.2. Nhiệt độ tự cháy của hyđrô và một số loại nhiên liệu [7]
Nhiệt độ tự cháy là một thông số vô cùng quan trọng, nó quyết định đến tỉ số

nén của động cơ tức là quyết định đến BTE của động cơ.

hi nhiệt độ tự cháy cao

có thể nâng cao tỉ số nén mà không sợ nhiên liệu tự cháy gây ra các hiện tượng cháy
không bình thường. Tỉ số nén càng cao thì động cơ có thể làm việc với hòa khí
nghèo mà vẫn cho phép hiệu suất và công suất ra của động cơ cao. Nhiệt độ tự cháy
của hyđrô cao (858oC) cao gấp đôi của xăng nên đây là một ưu điểm lớn của nhiên
liệu hyđrô.
c) Tốc độ cháy nhanh

Hình 1.3. Tốc độ ngọn lửa của một số hỗn hợp khí [7]

8


Hyđrô có tốc độ cháy cao, tốc độ ngọn lửa của hyđrô nhanh hơn so với xăng.
Khi =1 thì tốc độ cháy của hỗn hợp (không khí và hy-đrô) gấp 6 lần tốc độ cháy
của hỗn hợp (không khí mê-tan) và hỗn hợp (không khí-xăng) như chỉ ra trên hình
1.3. Nhưng với  càng lớn (hỗn hợp nghèo) thì tốc độ ngọn lửa giảm đáng kể vì lúc
này mật độ chất cháy giảm nên khoảng cách giữa các chất cháy ra tăng sẽ làm cản
trở đến tốc độ lan tràn màng lửa trong buồng đốt. Ngoài ra, tốc độ cháy nhanh còn
làm cho đặc tính của động cơ sử dụng nhiên liệu hyđrô ít nhạy với sự thay đổi hình
dạng của buồng cháy, sự chảy rối và xoáy của đường ống nạp. Tốc độ cháy cao và
khả năng dễ cháy lớn còn giúp cho động cơ có khả năng khởi động động cơ tốt hơn.
Tốc độ cháy nhanh làm cho áp suất và nhiệt độ cháy cao trong suốt quá trình
cháy của động cơ khi động cơ làm việc ở gần tỉ lệ hòa khí tối ưu dẫn tới nhiệt độ khí
thải cao và dễ dàng hình thành NOx. Ngoài ra, nó có thể gây ra tiếng ồn và rung vì
sự gia tăng áp suất quá nhanh trong buồng đốt.
d) Năng lượng đánh lửa thấp

Do năng lượng đánh lửa cần để đốt cháy thấp (hình 1.4) nên ưu điểm đối với
quá trình thiết kế là hệ thống đánh lửa đơn giản, tuy nhiên lại khó kiểm soát được
vấn đề tự cháy của nhiên liệu. Những đốm lửa trong thành xy-lanh sẽ dễ dàng đốt
cháy nhiên liệu ngay cả khi van nạp chưa kịp đóng sẽ gây ra hiện tượng tự cháy,
cháy ngược tại cổ hút hoặc tạo ra sự tăng áp đột ngột trong xy-lanh tạo nên tiếng gõ
gây hư hỏng cho động cơ.

Hình 1.4. Năng lượng đánh lửa của hy-đrô và một số loại nhiên liệu [7]

9


e) Khoảng dập tắt ngọn lửa nhỏ
Hyđrô có một khoảng dập tắt ngọn lửa nhỏ, nhỏ hơn xăng (của hyđrô là
0,6mm, của xăng là 2,0mm). Do vậy ngọn lửa hy-đrô tiến sát gần với thành xy-lanh
hơn so với ngọn lửa của các loại nhiên liệu khác trước khi bị dập tắt vì thế có thể
đốt cháy các thành phần nhiên liệu tại các vị trí mà ngọn lửa trong buồng đốt không
thể đốt cháy được, như vậy nhiên liệu sẽ được đốt kiệt hơn tạo ra công suất lớn hơn
nâng cao tính kinh tế và đặc biệt là ít ô nhiễm môi trường hơn vì hàm lượng HC
trong khí thải sẽ giảm xuống
f) Độ khuyếch tán cao
Khả năng khuyếch tán trong không khí của nhiên liệu hyđrô là vô cùng lớn.
Khí hyđrô luôn có xu hướng rò rỉ tại những lỗ và các mối ghép trên đường ống
nhiên liệu. Nó bằng 1,26 (dòng chảy tầng) và 2,8 (dòng chảy rối) lần so với sự rò rỉ
của khí tự nhiên khi cùng diện tích rò rỉ. Khi nhiên liệu hyđrô được nén với áp suất
cao thì tốc độ của nhiên liệu khi bị rò rỉ có thể đạt tới tốc độ 1308 m/s lớn hơn 3 lần
so với 449 m/s của khí tự nhiên. Nếu sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong
(ĐCĐT) thì sẽ giúp cho quá trình hình thành hòa khí một cách dễ dàng và nếu có tai
nạn do 1 nguyên nhân nào đó thì hyđrô sẽ thoát rất nhanh làm giảm nguy cơ cháy
nổ, nâng cao tính an toàn khi sử dụng nhiên liệu hy-đrô. [7]

g) Mật độ rất thấp
Hyđrô có mật độ thấp, nên vấn đề tích trữ để cung cấp cho động cơ là vấn đề
khó khăn. Để lưu trữ được hyđrô phải mất năng lượng để nén (200 at) hoặc hóa
lỏng hyđrô và thùng chứa nhiên liệu phải là thùng chịu được áo suất cao. Một vấn
đề khác là công suất của động cơ bị ảnh hưởng do mật độ năng lượng của hòa khí
thấp, đây là khó khăn để có thể sử dụng hoàn toàn nhiên liệu hyđrô cho ĐCĐT. [7]
1.2. Các phương pháp sản xuất hydro và khí giàu hydro.
Có thể thấy hydro tồn tại vô tận trên trái đất, tuy nhiên hydro không tồn tại ở
trạng thái tự do mà dưới dạng hợp chất với các nguyên tố khác như nước, hydro
cacbon và các chất hữu cơ khác. Do đó, để có được hydro nguyên chất, cần phải
tách hydro từ các hợp chất chứa nó. Có nhiều phương pháp sản xuất hydro tùy theo

10


điều kiện sẵn có và yêu cầu sử dụng. Hydro có thể được sản xuất bằng phương pháp
điện phân [8], quang hóa [9] hoặc nhiệt hóa với chất xúc tác để tách hydro từ nước
[10]. Hiện nay hydro được sản xuất phổ biến bằng phương pháp điện phân và nhiệt
hóa nhiên liệu với chất xúc tác. Sau đây sẽ trình bày cụ thể về hai phương pháp này.
1.2.1. Phương pháp điện phân
1.2.1.1. Cơ sở lý thuyết
-

Tỷ lệ hydro và ôxy trong hỗn hợp khí
Theo định luật bảo toàn khối lượng, trong mọi quá trình biến đổi của vật chất

thì các nguyên tố và khối lượng tương ứng của chúng luôn luôn được bảo toàn. Có
nghĩa là tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng tổng khối lượng sản
phẩm tạo thành.
Nguyên lý điện phân nước:

1
H 2 O electric
 H 2  O2
2

Theo định luật bảo toàn khối lượng, khi điện phân 1 kg H2O sẽ thu được 1 kg
hỗn hợp H2 và O2:
1kg H 2 O electric
1kg H 2  O2 

Mặt khác:
Cứ 18 kg H2O → 2 kg H2 và 16 kg O2
→ 1 kg H2O → x kg H2 và y kg O2
Ta có thể tính toán được:
x

2
 0,111kg
18

y

16
 0,889 kg
18

Kết luận: khi điện phân 1 kg nước, sản phẩm tạo thành bao gồm 0,111 kg khí
hyđrô và 0,889 kg khí ôxy
-

Thể tích khí thu được ở điều kiện tiêu chuẩn
điều kiện tiêu chuẩn (áp suất môi trường 1 atm và nhiệt độ 00C), thể tích

khí thoát ra từ quá trình điện phân 1 kg nước được tính toán như sau:
11


VH 2  n H 2 .22,4 

111
.22,4  1243 ,2 lít 
2

VO2  nO2 .22,4 

889
.22,4  622 ,3 lít 
32

Vậy, tại điều kiện này, tổng thể tích khí thu được là: VHHO = 1243,2 + 622,3
= 1865,5 (lít).
Khối lượng riêng khí HHO
hi điện phân 1 mol nước (18 gram H2O):
H2 O

→
H2

+1/2O2

1 mol

1 mol

0,5 mol

18 gram

2 gram

16 gram

Phần trăm thể tích của hydro và ôxy trong hỗn hợp khí:

1
.100%  66, 67%
1,5
0,5
%O2 
.100%  33,33%
1,5
%H2 

Khối lượng riêng của khí HHO tại điều kiện tiêu chuẩn:


66,67.2  33,33.32 1
.
 0,54 kg / m 3
100

22,4





1.2.1.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bộ điện phân
Quá trình điện phân nước thu khí HHO xảy ra dưới tác dụng của dòng điện
một chiều. Phương pháp này sử dụng công nghệ đơn giản, dễ dàng và có kết cấu
nhỏ gọn
Sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống sản xuất khí HHO được chỉ ra trong
hình 1.5. Cấu tạo của hệ thống gồm có: Máy biến thế (1), bình điện phân (2), bình
ngưng tụ (3, 4, 5), bộ lọc tách nước (6), solenoi thường mở (7), bình chứa áp suất
thấp (8), rơle áp suất (9), van điện từ (10), máy hút chân không (11) và bình chứa áp
suất cao (12).
hi đóng mạch điện (máy biến thế 1 hoặc bình ắc qui) cung cấp cho bình điện
phân, nước trong bình điện phân bay hơi do sự gia tăng nhiệt độ của các điện cực,

12


hơi nước cùng hỗn hợp khí H2, O2 đi theo đường ống đến bình ngưng tụ 3,4,5 qua
bộ lọc 6 nước và hơi nước sẽ được ngăn lại, khí HHO tiếp tục vào bình chứa áp suất
thấp 8. Trong bình chứa 8 đạt giá trị áp suất dư là 0,5 kg cm2, rơle áp suất điều
khiển khởi động từ đóng mạch, máy hút chân không 11 hút và nén khí HHO vào
bình chứa áp suất cao 12.

5

7

3

9

6

10
11

2

1

2

2

12

4

8

9

Hình 1.5. Sơ đồ hệ thống sản xuất khí HHO
1.Máy biến thế hoặc bình ắc qui; 2. Bình điện phân; 3,4,5. Bình ngưng tụ; 6. Bộ lọc
tách nước; 7. Solenoi thường mở; 8. Bình chứa khí HHO áp suất thấp; 9. Rơle áp
suất; 10. Van điện từ; 11. Máy hút chân không; 12. Bình chứa khí HHO áp suất cao

1.2.2. Phương pháp biến đổi (Reforming) nhiệt hóa nhiên liệu
Ta thấy rằng, để đảm bảo sản xuất được hydro đủ để cho động cơ hoạt động
liên tục thì đòi hỏi thiết bị cồng kềnh, phức tạp, đắt tiền và chi phí rất tốn kém nên
không thích hợp cho việc sản xuất nhiên liệu hydro cung cấp cho động cơ.
Các phương pháp biến đổi (reforming) nhiệt hóa nhiên liệu chứa hydro,
CmHnOr (cồn hoặc nhiên liệu nguồn gốc hóa thạch) là các phương pháp rẻ tiền và dễ
dàng sản xuất khí tổng hợp chứa CO, H2 và CO2 với hàm lượng thể tích H2 khá cao,
từ 15% đến 70% [8]. Phương pháp này được áp dụng phổ biến với các loại nhiên
liệu nguồn gốc dầu mỏ như xăng [9] và dầu diesel [10], khí thiên nhiên [11]. Có 4
phương pháp biến đổi nhiệt hóa phổ biến đối với nhiên liệu hóa thạch (hydro
cacbon) được sử dụng để sản xuất hydro như sau:

13


1.2.2.1. Phản ứng nhiệt hóa nhiên liệu hydro cacbon với hơi nước (phản ứng thu
nhiệt)
Các phản ứng hóa học chính trong quá trình biến đổi nhiệt hóa của nhiên liệu
hydro cacbon với hơi nước được biểu diễn bởi các phương trình sau [11]:
CnHm + nH2O = nCO + (m/2+n)H2
CO + H2O = CO2 + H2
CnHm + 2nH2O = nCO2 + (m/2+2n)H2
Quá trình phản ứng trên cho hàm lượng hydro khá cao trong sản phẩm (đến
70% thể tích). Cho nên có thể nói đây là phương pháp được áp dụng phổ biến để
sản xuất hydro ở quy mô công nghiệp. Tuy nhiên đây là quá trình phản ứng thu
nhiệt, quá trình chỉ xảy ra khi các chất tham gia phản ứng được cấp đủ nhiệt để duy
trì nhiệt độ chung tối thiểu trên 400oC. Do đó phương pháp này đòi hỏi cần một
nguồn nhiệt lớn. [12]
1.2.2.2. Phản ứng ôxy hóa nhiên liệu không hoàn toàn (phản ứng tỏa nhiệt)
Nhiên liệu hydro cacbon nếu phản ứng cháy với ô xy trong điều kiện thiếu

ôxy sẽ tạo ra sản phẩm là khí hydro và oxit cacbon, đồng thời giải phóng một nhiệt
lượng lớn. Có thể coi quá trình phản ứng được thực hiện theo một phương trình
tổng hợp như dưới đây:
CnHm + 0,5nO2 = nCO +0,5mH2
Tuy nhiên, đây là quá trình phản ứng phức tạp xảy ra với nhiều phản ứng
[13], trước tiên một phần nhiên liệu được cháy hoàn toàn tạo ra hơi nước, khí
cacbonnic và tỏa nhiệt theo phương trình sau:
CnHm + (n+0,25m)O2 = nCO2 + 0,5mH2O
Sau đó, hơi nước sẽ phản ứng với phần nhiên liệu còn lại theo các phương
trình phản ứng ở mục 1.2.2.1 nhờ nhiệt sinh ra từ phản ứng cháy trước đó của nhiên
liệu với ôxy.
Quá trình nhiệt hóa trên tuy không cần cấp nhiệt cho các chất tham gia phản
ứng và do đó không cần nguồn cung cấp nhiệt nhưng hàm lượng hydro tạo ra trong
sản phẩm không cao trong khi hàm lượng khí không mong muốn ôxit cácbon CO

14


thì lại quá cao, đồng thời nhiệt lượng thải ra ngoài cũng lớn, gây lãng phí và làm đốt
nóng thiết bị, cần phải làm mát để duy trì sự làm việc bình thường của hệ thống.
Cho nên phương pháp này cũng không thích hợp cho việc áp dụng trên phương tiện
vận tải.
1.2.2.3. Phản ứng nhiệt hóa hydro cacbon với khí cacbonnic (phản ứng thu nhiệt)
Trong điều kiện nhiệt độ cao và môi trường có chất xúc tác, nhiên liệu hydro
cacbon có thể phản ứng với CO2 tạo ra khí ôxit cácbon và hydro [14] theo phương
trình sau:
CnHm + nCO2 = 2nCO +0,5mH2
Tương tự như phản ứng nhiệt hóa với hơi nước, quá trình phản ứng này cũng
cần được cung cấp một nguồn nhiệt. Tuy nhiên phản ứng này cho sản lượng hydro
nhỏ hơn so với phản ứng biến đổi nhiệt hóa của nhiên liệu hydro cácbon với hơi

nước trong khi sản phẩm CO thì lại cao hơn nhiều. Do vậy phương pháp này cũng
không thích hợp cho việc cung cấp hydro trên các phương tiện vận tải.
1.2.2.4. Biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu hydro cácbon với đồng thời hơi nước, ôxy và
cacbonnic (quá trình phản ứng trung tính về nhiệt)
Qua phân tích ba phương pháp biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu hydro cacbon để
tách hydro ở trên ta thấy phương pháp phản ứng nhiên liệu với hơi nước cho sản
lượng hydro cao nhưng lại cần phải cung cấp nhiều nhiệt, trong khi phương pháp
ôxy hóa không hoàn toàn nhiên liệu tạo ra ít hyđrô hơn lại thải ra nhiệt. Do vậy có
thể kết hợp hai quá trình này để tận dụng nguồn nhiệt tỏa ra từ quá trình ôxy hóa
nhiên liệu. Bên cạnh đó, trong điều kiện nhiệt độ cao do quá trình ôxy hóa nhiên
liệu, khí cácbonníc tạo ra trong quá trình phản ứng ôxy hóa và quá trình phản ứng
của nhiên liệu với hơi nước cũng sẽ tham gia vào phản ứng tách hydro từ nhiên liệu.
Như vậy ta có thể cấp đồng thời hơi nước, nhiên liệu và không khí (ôxy) với các tỷ
lệ thích hợp vào trong lò phản ứng có chất xúc tác (Nickel) sau khi đã khởi động lò
(nhờ đốt nhiên liệu) đến nhiệt độ trên 400oC để tạo ra hydro mà không cần phải cấp
thêm nhiệt và cũng không cần phải làm mát thiết bị trong quá trình phản ứng [15].

15


Trong điều kiện này, các phản ứng nhiệt hóa chính xảy ra trong lò phản ứng xúc tác
bao gồm:
CnHm + (n+0,25m)O2 = nCO2 + 0,5mH2O
CnHm + nH2O = nCO + (m/2+n)H2
CO + H2O = CO2 + H2
CnHm + 2nH2O = nCO2 + (m/2+2n)H2
CnHm + nCO2 = 2nCO +0,5mH2
Sản phẩm cuối cùng của quá trình phản ứng biến đổi nhiệt hóa tổng hợp
được biểu diễn bởi các phương trình phản ứng ở trên sẽ bao gồm H2, CO, CO2 và có
thể còn có H2O và CnHm thừa. Tỷ lệ của các thành phần này trong sản phẩm phụ

thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng, tỷ lệ thành phần giữa nhiên liệu với hơi nước và
không khí và đồng thời phụ thuộc vào nhiệt độ của lò phản ứng xúc tác nếu được
cấp thêm nhiệt.
Như vậy tùy theo tỷ lệ thành phần giữa nhiên liệu, hơi nước, không khí và
nhiệt cấp vào lò phản ứng mà quá trình biến đổi nhiệt hóa trong lò có thể gần với
quá trình biến đổi nhiệt hóa với hơi nước hay quá trình ô xy hóa không hoàn toàn
nhiên liệu.
Phương pháp phản ứng tổng hợp này so với các phương pháp biến đổi nhiệt
hóa nhiên liệu riêng rẽ giới thiệu ở mục 1.2.2.1, 1.2.2.2 và 1.2.2.3 nói trên có ưu
điểm là hiệu quả cao vì không phải cấp nhiệt và đồng thời không lãng phí nhiệt, hơn
nữa chính vì không cần cấp nhiệt và không cần thiết bị làm mát hệ thống nên trang
thiết bị lò phản ứng xúc tác sẽ nhỏ gọn và có thể trang bị được trên các phương tiện
vận tải một cách dễ dàng. Tuy nhiên sản lượng hydro thấp hơn so với phương pháp
biến đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước [16].
Đối với động cơ đốt trong, chúng ta đều biết một phần nhiệt lượng đáng kể
sinh ra do đốt cháy nhiên liệu bị thải ra ngoài theo khí thải. Phần nhiệt này có thể
chiếm 30-50% tổng nhiệt lượng do đốt cháy nhiên liệu, tức là khoảng tương đương
với công suất động cơ [17]. Do đó có thể tận dụng một phần nhiệt thải này để biến
đổi nhiệt hóa nhiên liệu với hơi nước, tạo nhiên liệu giàu hydro cho động cơ. Bằng
phương pháp này, có thể tạo được bộ phản ứng xúc tác nhỏ gọn mà lại có hiệu suất
16


biến đổi cao, hàm lượng hydro lớn vì có thể sử dụng phương pháp biến đổi nhiệt
hóa với hơi nước trong khi không cần phải có thiết bị cung cấp nhiệt từ ngoài.
1.3. Các nghiên cứu sử dụng hyđrô trong động cơ đốt trong
Hiện nay có hai phương pháp chủ yếu để cung cấp hy-đrô cho động cơ, thứ
nhất là sử dụng nhiên liệu hy-đrô được sản xuất sẵn và cung cấp cho động cơ như
các loại nhiên liệu truyền thống. Thứ hai là trên các động cơ sử dụng nhiên liệu
truyền thống có hệ thống tạo ra và cung cấp ngay hy-đrô cho động cơ như là một

loại phụ gia nhiên liệu.

hi đánh giá các đặc tính của động cơ sử dụng nhiên liệu

hy-đrô ta cần phải đánh giá một vài đặc tính quan trọng sau: áp suất có ích trung
bình (BMEF), hiệu suất nhiệt có ích trung bình (BMTE), mô men và công suất, phát
thải, suất tiêu hao nhiên liệu có ích (BSFC)
* Hyđrô được cung cấp từ ngoài động cơ
a) Động cơ chỉ sử dụng nhiên liệu hy-đrô
-

Phương pháp cung cấp hyđrô vào động cơ
Các phương pháp cấp hyđrô có ảnh hưởng lớn đến đặc tính công suất và tiêu

hao nhiên liệu của động cơ. Có 3 phương pháp cung cấp hyđrô phổ biến là cấp
hyđrô vào đường nạp ở dạng khí (dùng bộ CHK hoặc phun), phun vào đường nạp ở
dạng lỏng hoặc phun trực tiếp vào xy-lanh (ở dạng lỏng hoặc khí).

Hình 1.6. Các phương án cung cấp hy-đrô cho ĐCĐT [18-20]
1. G-e thông thường, 2. Hyđrô dạng khí được phun và đường ống nạp, 3. H2
lỏng được phun vào đường ống nạp, 4. H2 dạng khí áp cao phun vào buồng đốt.
17