Tổng quan về pin nhiên liệu

Tổng quan sử dụng pin nhiên liệu trên ôtô

TỔNG QUAN SỬ DỤNG
PIN NHIÊN LIỆU TRÊN ÔTÔ
1. Pin nhiên liệu là gì?
Pin nhiên liệu cho phép chuyển trực tiếp hóa năng của nhiên liệu thành điện
năng. Khác với phương pháp truyền thống để sản xuất nhiệt năng hay các dạng
năng lượng khác từ hóa năng bằng phương pháp đốt cháy, hiệu suất chuyển đổi
năng lượng của pin nhiên liệu không phụ thuộc vào chu trình Các-nô.
Cách dễ nhất để hiểu pin nhiên liệu là loại pin có anh em với loại ắc-quy
thông thường hiện nay. Cả hai loại này đều sinh ra điện thông qua các phản ứng
điện hóa sinh học. Sự khác nhau ở chổ là pin nhiên liệu có khả năng tạo ra nguồn
điện liên tục ngay cả khi nó có nguồn nhiên liệu, trong khi các ắc-quy thường cần
phải được nạp điện lại và năng lượng được lưu trữ dạng hóa năng tùy theo dung
lượng của ắc-quy. Do pin nhiên liệu không chứa năng lượng bên trong nên nó
không bị yếu điện như ắc-quy thường
Pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu là hyđrô và ôxy để tạo thành điện. Hyđrô là
nguyên tố nhiều nhất trên trái đất, nhưng hiếm tìm thấy ở dạng tinh khiết. Phần lớn
các pin nhiên liệu thường sử dụng một thành phần gọi là bộ chuyển đổi để tách
hyđrô ra khỏi các nhiên liệu hóa thạch nhiều hyđrô. Các sản phẩm phụ của quá trình
này là các-bon đi-ôxít chiếm chưa đến một nửa mà các phương pháp tạo nguồn điện
truyền thống tạo ra và một lượng nhỏ nữa là ôxít-nitơ. Yêu cầu về sự tinh khiết của
hyđrô và yêu cầu về sự chuyển đổi phụ thuộc vào loại pin nhiên liệu được sử dụng.
Thông qua một quy trình điện hóa học riêng, pin nhiên liệu sẽ sinh ra điện,
nước và hơi nóng khi sử dụng nhiên liệu và lấy ôxy trong không khí. Nước là thành
phần bay hơi duy nhất khi hyđrô là nhiên liệu
2. Lịch sử Pin nhiên liệu:
Pin nhiên liệu được khám phá từ năm 1839 bởi một nhà hóa học người Anh
William Grove, nhưng nó chỉ được nghiên cứu và bị quên lãng trong phòng thí
nghiệm. Mãi đến giữa những năm giữa thập kỷ 1950, một số công ty của Mỹ đã để
mắt đến chúng. Và khi các chương trình về vũ trụ bắt đầu, nó đã được lôi ra khỏi

Trang 1


Tổng quan sử dụng pin nhiên liệu trên ôtô
phòng thí nghiệm và trở thành một xu hướng của công nghệ hiện đại. Trong khoảng
từ năm 1980 đến những năm đầu 1990, có rất nhiều tác giả quan tâm đến vấn đề
này: các xi nghiệp, các viện nghiên cứu, các trường đại học và cả các chính phủ.
Những mẫu mô hình thử nghiệm được thực hiện: ôtô, bộ nạp điện cho ắc-quy, hệ
thống cấp nhiệt và điện, nhưng các pin nhiên liệu vẫn còn là một kỹ thuật mới phát
triển và loài người phải đợi 10 đến 15 năm sau mới thành hiện thực.
3. Nguyên lý làm việc:
Nguyên lý làm việc của pin nhiên liệu thật đơn giản: mỗi tế bào cơ bản của
pin được tạo thành bởi hai điện cực (điện cực dương và điện cực âm) được cách
nhau bởi một chất điện phân. Hyđrô và ôxy được nạp vào pin. Ở cực dương, H 2
phản ứng tạo thành hai proton H + và hai electron e − . Các proton đi qua chất điện
phân, còn các electron thì đi qua mạch điện. Chúng kết hợp lại với ôxy ở điện cực
âm và cho ra nước ( H 2 O ) (xem
Tải

hình 1).
Sát bên cạnh các điện cực

Hiđrô vào

Ôxy vào

có các tấm lưỡng cực dùng để góp
dòng điện, đưa khí ( H 2 và O 2 ) từ

Ion dương

Hoặc

bên ngoài vào pin và tạo ra các
dòng nước. Các tấm lưỡng cực
phải có tính dẫn điện và cho phép
khuyếch tán đồng đều khí đến các
điện cực. Đồng thời phải thoát

Sản phẩm thải

Sản phẩm thải
Anốt

Chất điện phân

Catốt

Hình 1: Nguyên lý làm việc của pin nhiên liệu.

được nước ra khỏi vùng điện cực.
Các chất xúc tác làm bằng kim loại quý như bạch kim Pt, phodium Rh,
ruthenium Ru, paladi Pd, crôm Cr hay niken Ni. Các kim loại quý này phân bố dạng
hạt nhỏ trên những điện cực dương bằng than hoạt tính. Ở gần âm cực với những
pin làm việc ở nhiệt độ thấp, người ta sử dụng kim loại quý như crôm, niken làm
chất xúc tác hay tốt hơn là dùng điện cực than hoạt tính cùng với vàng hay bạc.
Chất điện phân thay đổi tùy theo loại pin: KOH cho pin AFC, màng trao đổi
ion cho pin PEMFC hay pin DMFC, axít phốtphoríc cho pin PAFC, cácbonnat nóng
Trang 2

Tổng quan sử dụng pin nhiên liệu trên ôtô
chảy cho pin MCFC và ôxít rắn cho pin SOFC. Chúng cho phép các ion chuyển từ
cực dương sang cực âm. Xác định các chất điện phân này phụ thuộc nhiệt độ làm
việc của pin.
Hiệu suất của một cụm pin nhiên liệu là từ 40% đến trên 70%, cao hơn
nhiều so với hiệu suất của một động cơ đốt trong từ 30% đến 40%. Một tế bào pin
nhiên liệu tạo ra một điện thế khoảng từ 0,6V đến 0,8V. Trong thực tế, nhiều tế bào
cơ bản này được ghép lại, cái này nối cái kia thành một dãy nối tiếp hay song song,
tạo thành một cụm (stack) để đạt được một điện thế và công suất mong muốn. Công
suất của một cụm phụ thuộc vào số lượng các tế bào cơ bản và diện tích của chúng,
có thể từ vài kW cho đến vài trăm kW, khi làm bé lại chúng ta có thể làm ra loại pin
có công suất vài Watt. Pin nhiên liệu đạt được hiệu suất cao ở tải thấp trong khi
động cơ đốt trong đạt được hiệu suất cao ở tải lớn.
Những kết cấu vừa mô tả trên thực tế chưa đủ tạo ra một hệ thống của pin.
Một hệ thống pin đầy đủ phải có thêm máy nén, bơm, bộ tạo biến đổi điện thành
xoay chiều, bộ trao đổi nhiệt, hệ thống kiểm tra và điều khiển để đảm bảo sự làm
việc tin cậy. Ngoài ra, phải có bình chứa nhiên liệu và chuẩn bị nhiên liệu.
4. Sự lựa chọn pin nhiên liệu:
Hiện nay có rất nhiều loại pin nhiên liệu đang được nghiên cứu và phát triển.
Có thể phân loại các pin nhiên liệu theo loại nhiên liệu mà nó sử dụng dùng trực
tiếp hay thông qua bộ chuyển đổi nhiên liệu, theo chất chất điện phân, theo nhiệt độ
hoạt động, … Nhiệt độ và thời gian tuổi thọ của các loại pin phụ thuộc vào tính chất
hóa học và tính chịu nhiệt của các vật liệu chế tạo pin. Giới hạn hoạt động của các
loại có chất điện phân lỏng là dưới 200oC bởi vì áp suất khi hóa hơi rất cao và sự
giảm khả năng làm việc. Nhiệt độ hoạt động đóng một vai trò quan trọng trong việc
lựa chọn loại nhiên liệu sử dụng của từng loại pin. Pin nhiên liệu hoạt động ở nhiệt
độ thấp với chất điện phân lỏng sử dụng nhiên liệu là hyđrô. Với loại pin hoạt động
ở nhiệt độ cao, CO và CH4 có thể được sử dụng vì tính hoạt động mạnh và ít cần
đến các chất xúc tác. Tuy nhiên, các chất khí này đều được chuyển thành hyđrô để
sử dụng.

Trang 3


Tổng quan sử dụng pin nhiên liệu trên ôtô
▪ Pin PEMFC (Polymer Exchange Membran Fuel Cell): Tế bào nhiên liệu có
màng trao đổi proton bằng chất dẻo. Chất lỏng duy nhất của loại pin này là
nước, do vậy giảm thiểu được các rắc rối. Việc quản lý nước trong màng
có ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của nó; nước tạo ra phải đảm bảo
điều kiện là không để cho nó bị hóa hơi hết nếu không màng sẽ bị hyđrát
hóa. Do màng là chất dẻo và để đảm bảo sự cân băng nước cho nên nhiệt
độ hoạt động của nó không quá 120oC. Nhiên liệu sử dụng là Hyđrô sạch
ít chứa tạp chất. Do nhiệt độ hoạt động thấp nên loại này cần sử dụng
nhiều chất xúc tác Pt cần thiết cho phản ứng xảy ra ở các cực anốt và
catốt. Một loại đặc biệt của PEMFC là tế bào nhiên liệu dùng khí
methanol trực tiếp (Direct Methanol-Air Fuel Cell - DMFC), việc sử dụng
methanol này, kết hợp với nước, một cách trực tiếp như là nhiên liệu và
lấy oxy từ không khí xung quanh. Điều này có thể làm giảm giá thành,
nhiều thuận lợi hơn về mặt công nghệ bởi vì nó sử dụng nhiên liệu lỏng
không cần thiết cần một bộ chuyển đổi tích hợp thêm vào.
▪ Pin AFC (Alkaline Fuel Cell): Tế bào nhiên liệu kiềm, chất điện phân sử
dụng là KOH (85%) với nhiệt độ hoạt động là gần 250 oC và là KOH
(35%) với nhiệt độ hoạt động <120oC. CO và CO2 tạo ra kết hợp với KOH
tạo thành K2CO3 làm biến đổi chất điện phân.
▪ Pin PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell): Chất điện phân của pin là axítphốtphoríc 100% và nhiệt độ hoạt động từ 150oC đến 220oC. Khi hoạt
động ở nhiệt độ thấp, axít-phốtphoríc chứa ít ion và làm giảm sự tạo thành
CO. Việc sử dụng axít-phốtphoríc 100% làm giảm áp suất hóa hơi nước
do vậy việc quản lý nước trong loại pin này không khó khăn. Hai điện cực
của pin có chứa Pt.
▪ Pin MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell): Tế bào nhiên liệu cácbonnát

nung chảy, là loại pin mà chất điện phân là một cácbonnát nung kết ở
nhiệt độ cao có chứa thành phần gốm LiAlO2 và làm việc ở nhiệt độ từ
600oC đến 700oC. Ở nhiệt độ hoạt động, chất điện phân được nung chảy

Trang 4


Tổng quan sử dụng pin nhiên liệu trên ôtô
và tạo ra nhiều ion. Hai điện cực là Ni (anốt) và ôxít-niken (catốt), không
sử dụng chất xúc tác quý.
▪ Pin SOFC (Solid Oxid Fuel Cell): Tế bào nhiên liệu oxid rắn. Loại pin này
có ứng dụng rộng rãi: các ứng dụng trạm tĩnh tại, trong gia đình, trạm phát
điện, máy phát phụ cho ôtô. Nó có hiệu suất rất cao, ít nhạy cảm với nhiên
liệu sử dụng và không dùng kim loại quý làm chất xúc tác.
Pin nhiên liệu có màng trao đổi proton (PEMFC) là thích hợp cho động cơ
ôtô nhất bởi vì nó có khả năng cung cấp năng lượng tương đối cao, hoạt động ở
nhiệt độ thấp, cho phép điều khiển và có thể khởi động tương đối nhanh. Hầu hết tất
cả các pin nhiên liệu sử dụng cho ôtô hiện nay được các hãng sản xuất ôtô hàng đầu
sử dụng là pin PEMFC.
Ngoài ra, cũng rất đáng chú ý là pin SOFC, là loại pin hoạt động ở nhiệt độ
cao. Loại pin này có ứng dụng rộng rãi: các ứng dụng trạm tĩnh tại, trong gia đình,
trạm phát điện, trạm phát điện phụ trợ cho ôtô. Nó có hiệu suất rất cao, ít nhạy cảm
với nhiên liệu sử dụng và không dùng kim loại quý làm chất xúc tác.
5. Bộ chuyển đổi nhiên liệu:
Hyđrô được lưu trữ trên xe ôtô là một vấn đề kỹ thuật lớn nhất cần được
khắc phục để sử dụng hyđrô trực tiếp. Việc chuyển đổi nhiên liệu hyđrô-cácbon
sang hyđrô cho phép ta ứng dụng dễ dàng hơn nhưng tăng thêm khối lượng và giá
thành, giảm hiệu suất và tạo ra ô nhiễm.
Bộ chuyển đổi là một thiết bị hoạt động ở nhiệt độ cao, nó chuyển đổi nhiên
liệu hyđrô-cácbon thành CO và H2. Loại pin SOFC có thể sử dụng khi các chất này

hòa trộn với nhau một cách trực tiếp, PEMFC phải kết hợp các khí trên với hơi
nước để tạo ra H2 và chuyển CO thành CO2. Chất CO2 sau đó thoát ra ngoài không
khí. Kỹ thuật chuyển đổi này kết hợp chuyển hóa hơi nước, oxy hóa từng phần, và
ổn định nhiệt tự động.
5.1. Chuyển hóa hơi nước (SR):

Bộ chuyển hóa hơi nước sử dụng một chất xúc tác để chuyển đổi
nhiên liệu và hơi nước thành hyđrô (H2), cácbon-monoxít (CO) và cácbonđioxít (CO2). CO lại được tiếp tục với hơi nước để chuyển thành H2 và CO2.
Trang 5


Tổng quan sử dụng pin nhiên liệu trên ôtô
Bước làm sạch sau đó loại CO, CO2 và một số tạp chất khác để cho ra H2
hoàn toàn sạch (97 đến 99%). Bộ chuyển hóa hơi nước của methanol là phát
triển nhất và là phương pháp rẽ nhất để tạo ra H2 từ nhiên liệu hyđrô-cácbon
trên ôtô. Hiệu quả chuyển đổi đó bị giới hạn bởi các phải ứng thu nhiệt.
5.2. Bộ chuyển đổi ôxy hóa (POX):

Bộ chuyển đổi ôxy hóa từng phần thì tương tự như SR trong việc kết
hợp nhiên liệu với hơi nước, nhưng có thêm bước tác dụng với ôxy gây ra
phản ứng tỏa nhiệt. Tiến trình này có năng suất thấp hơn SR, nhưng sự tỏa
nhiệt tự nhiên của phản ứng làm nó đáp ứng nhanh hơn SR khi tải thay đổi,
một điều quan trọng nữa của bộ chuyển đổi. Hyđrô-cácbon nặng hơn có thể
sử dụng bộ chuyển đổi này, nhưng chúng có tỷ lệ tạo ra H2 ít hơn. Bộ chuyển
đổi POX không được sử dụng rộng rãi vì hiệu quả thấp của nó và tốn kém
hơn.
5.3. Bộ chuyển đổi ổn định nhiệt (ATR):

Bộ chuyển đổi ổn định kết hợp cả hai loại SR và POX để lượng nhiệt
sinh ra từ POX bù vào lượng nhiệt cần của SR. ATR tạo ra H2 tốt hơn POX

nhưng thấp hơn SR. ATR đáp ứng tốt cho tải thay đổi và đạt được hiệu quả
cao. Hiệu quả của ATR dựa vào sự truyền nhiệt của bộ chuyển đổi.
6. Lựa chọn nhiên liệu:
Một vấn đề cơ bản với nhiên liệu của pin nhiên liệu dụng cho ôtô là việc lưu
trữ hyđrô hoặc chuyển đổi nó từ một loại nhiên liệu khác trên ôtô. Tất cả bốn nhiên
liệu chính đã được các nhà chế tạo ôtô tính đến - hyđrô, methanol, ethanol và xăng đặt ra một thách thức rất lớn. Trong khi hyđrô trực tiếp là cách tiếp cận tốt nhất bởi
vì hiệu quả cao và không ô nhiễm, nó có một vấn đề quan trọng cần cân nhắc là lưu
trữ. Mặc khác, methanol, ethanol, và xăng thuận lợi hơn là loại nhiên liệu lỏng,
nhưng cần thiết phải có bộ chuyển đổi để trở thành nhiên liệu hyđrô.
6.1. Sử dụng hyđrô trực tiếp:

Khoảng gần 40 triệu tấn khí hyđrô đã được sản xuất hàng năm trên
toàn thế giới, nhưng có một lượng rất nhỏ trong số này được sử dụng để làm
Trang 6


Tổng quan sử dụng pin nhiên liệu trên ôtô
nguồn năng lượng. Hầu hết các chất hyđrô được sản xuất ra được sử dụng
trong việc lọc dầu, và sản xuất methanol, amôniac.
Khí hyđrô không màu, không mùi, vì vậy các trạm cấp hyđrô sẽ cần
trang bị thiết bị kiểm tra rò rỉ để thông báo kịp thời. Nó bắt cháy ở nhiệt độ
thấp và vùng cháy rộng, khí hyđrô là một nguy cơ gây ra cháy nổ khủng
kiếp.

6.1.1. Nén hyđrô:
Nén hyđrô là phương pháp ít tốn kém nhất để lưu trữ hyđrô.
Tuy nhiên, ở áp suất hoạt động bình thường là 24MPa (3500psi), khi
nén trong các bình chứa sẽ cung câp cho phép tầm hoạt động của ôtô
sử dụng pin nhiên liệu khoảng 190km (120 dặm). Áp suất tối đa của
bình chứa là 34MPa (5000psi) hiện nay đang được sử dụng bởi

DaimlerChrysler và Hyundai. Quatum đang nghiên cứu biện pháp lưu
trữ hyđrô đạt hiệu quả cao, với áp suất trong bình chứa tăng đến
69MPa (10000psi), điều đó sẽ cho phép ôtô có thể hoạt động trên
khoảng đường liên tục khoảng 645km (400 dặm) với khối lượng của
bình chứa không lớn hơn 68kg. Tuy nhiên, vấn đề thực tế là kích
thước - không giống như ôtô lớn như ôtô buýt - ôtô con chỉ có một
khoảng trống nhỏ để chứa các bình áp suất.

6.1.2. Hóa lỏng hyđrô:
Hóa lỏng hyđrô để khắc phục vấn đề kích thước lưu trữ và khối
lượng trong phương pháp nén hyđrô, nhưng nó vẫn còn cồng kềnh
hơn so với việc lưu trữ xăng trên ôtô. Điểm sôi của hyđrô thấp yêu
cầu bình chứa phải cực kỳ hoàn hảo, tương tự như cách hóa lỏng khí
gas thiên nhiên hiện nay. Duy trì nhiệt độ cực lạnh (-253oC) trong suốt
quá trình cấp nhiên liệu và lưu trữ là một kỹ thuật cực kỳ phức tạp đầy
thử thách cho công nghệ hiện nay. Trong điều kiện xấu nhất, 25%
hyđrô lỏng có thể hóa hơi trong suốt quá trình cấp nhiên liệu và
khoảng 1% mất mát mỗi ngày khi lưu trữ. Hệ thống sử dụng hyđrô

Trang 7


Tổng quan sử dụng pin nhiên liệu trên ôtô
hóa lỏng đã và đang được phát triển bởi DaimlerChrysler của Mỹ và
một số hãng khác trên thế giới.

6.1.3. Hấp thụ hyđrô:
Một sự lựa chọn khác trong việc lưu trữ hyđrô là sử dụng vật
liệu đặc biệt mà chúng có thể hấp thu hyđrô vào trong cấu trúc tinh
thể. Hyđrô liên kết với hơn 80 hợp chất kim loại với một lực hút yếu

và chúng lưu giữ hyđrô đến khi được nung nóng. Hệ thống này có thể
phân loại theo nhiệt độ thấp (<150oC) hoặc cao (300oC). Việc nung
nóng là cần thiết để giải phóng hyđrô, hệ thống này đảm bảo an toàn
hơn so với khi nén hoặc hóa lỏng hyđrô. Tuy nhiên, hợp chất kim loại
được dùng để hấp thu hyđrô sẽ rất nặng và chỉ có 1 dến 1,5% hyđrô
được lưu trữ trên một đơn vị khối lượng. Thiết bị chuyển đổi năng
lượng (ECD) sử dụng hợp kim Magie cho phép lưu trữ 7% hyđrô trên
một đơn vị khối lượng.
6.2. Methanol:

Một vài nhà sản xuất ôtô đang sử dụng methanol để chế tạo pin nhiên
liệu. Một số tin rằng pin nhiên liêu methanol có thể là thích hợp nhất trong
điều kiện cơ sở hạ tầng cung cấp hyđrô chưa được xây dựng rộng khắp. Chất
methanol độc hại, chúng có thể gây mù hoặc chết nếu hấp thu vào cơ thể. Nó
có thể vào cơ thể con người thông qua tương tác với da. Như vậy, nhưng nó
cũng có một số thuận lợi vì methanol khuyếch tán nhanh chóng vào nước và
không khí. Cần phải có những khuyến cáo để tránh những tai nạn đáng tiếc
về methanol. Pin nhiên liệu dùng methanol 100%.
6.3. Ethanol:

Ethanol là nguồn nhiên liệu có thể tái tạo và đã trở thành sự lựa chọn
để thay thế cho xăng. Ethanol ít độc hại hơn nhiều so với xăng và methanol.
Bộ chuyển đổi nhiên liệu ethanol giống như xăng nhưng ít phức tạp và hiệu
suất cao hơn. Pin nhiên liệu có thể sử dung E100, E95, E85.

Trang 8


Tổng quan sử dụng pin nhiên liệu trên ôtô
6.4. Xăng:

Sử dụng bộ chuyển đổi để chiết ra hyđrô từ xăng rất thuận lợi cho các
ôtô sử dụng pin nhiên liệu vì cơ sở hạ tậng cung cấp nhiên liệu hiện nay. Tuy
nhiên, tạo ra hyđrô từ xăng trên ôtô là rất khó khăn hơn so với methanol.
Phản ứng chuyển đổi xảy ra ở 850 đến 1000oC, sẽ làm cho các thiết bị chậm
khởi động và các phản ứng hóa học không hoàn hảo. Kích thước của bộ
chuyển đổi rất khó để vừa dưới nắp cabô của ôtô theo kích thước chuẩn.
Về cơ bản, công nghệ chuyển đổi nhiên liệu đòi hỏi sự kết hợp phức
tạp của toàn bộ các thành phần cụm, nhẹ, có năng suất cao, và có giá thành
thấp. Chìa khóa là kết hợp các hệ thống khác nhau lại với nhau, một số trong
chúng tạo ra nhiệt và một số khác sử dụng nhiệt đó, phải tận dụng tối đa
nguồn nhiệt và tăng tính kinh tế về năng lượng. Hệ thống chuyển đổi hiện
này có khối lượng lớn, điều khiển phức tạp và giá thành cao.
7. Các kiểu truyền động:
Từ sự lựa chọn các loại nhiên liệu trên, ta có các cách bố trí hệ thống động
lực của xe như sau:
▪ Hệ thống truyền động có pin nhiên liệu sử dụng hyđrô trực tiếp có bộ lưu
trữ điện (hình 2):
Bình
Pin
nhiên liệu
Động cơ điện

chứa
hyđrô

Máy phát điện
Bộ lưu
trữ điện
Hình 2: Truyền động sử dụng hyđrô trực tiếp có bộ lưu trữ điện.

▪ Hệ thống truyền động có pin nhiên liệu sử dụng hyđrô trực tiếp nhưng
không dùng bộ lưu trữ điện (hình 3): Đây là loại “non-hybrid” sử dụng
trực tiếp điện năng sinh ra từ pin nhiên liệu để cấp cho động cơ điện mà

Trang 9


Tổng quan sử dụng pin nhiên liệu trên ôtô
không dùng bất cứ bộ lưu trữ điện năng nào để làm đệm. Do vậy, pin
nhiên liệu sử dụng phải lớn hơn loại có sử dụng bộ lưu trữ điện.

Bình

Động cơ điện

Pin

Máy phát điện

nhiên liệu

chứa
hyđrô

Hình 3: Truyền động sử dụng hyđrô trực tiếp không có bộ lưu trữ điện.
▪ Hệ thống truyền động có pin nhiên liệu sử dụng nhiên liệu hyđrô-cácbon và
bộ chuyển đổi hyđrô-cácbon thành hyđrô (hình 4):
Bình
Bộ chuyển đổi
Động cơ điện

Pin

Máy phát điện

nhiên liệu

nhiên
liệu

Bộ lưu
trữ điện

Hình 4: Truyền động sử dụng nhiên liệu hyđrô-cácbon có bộ lưu trữ điện.
8. Các mẫu thí nghiệm của các hãng trên thế giới:
8.1. Hãng DaimlerChrysler:

Hãng DaimlerChrysler đã đưa ra hai mẫu xe thử nghiệm, NECAR 5,
chiếc này dựa trên cơ sở chiếc Mercedes A và chiếc Commder 2 SUV dựa
trên chiếc Jeep Cherokee. Hai chiếc xe này dùng bộ chuyển đổi hyđrô từ
methanol. DaimlerChrysler đưa ra chiếc xe thương phẩm đầu tiên vào năm
2004. Chiếc NECAR 5 sử dụng pin nhiên liệu Ballard Mark 900 và bộ
chuyển đổi nhiên liệu methanol. Chiếc Jeep Commander 2 sử dung hai pin
Trang 10


Tổng quan sử dụng pin nhiên liệu trên ôtô
nhiên liệu Ballard Mark 700 với bộ chuyển đổi nhiên liệu methanol. Nó có
một ắc-quy hyđrua niken 90kW để cung cấp năng lượng trong suốt quá trình
tăng tốc và tải nặng. Nó đi được 24 dặm/galông (tương đương với xăng)

trong chu trình thử nghiệm, so với 18 dặm/galông theo chuẩn. Chiếc
Commander 2 nặng 2590kg, nhẹ hơn nhiều so với loại SUV đặc trưng. Tăng
hơn 1150kg so với chuẩn Cherolee kể cả động cơ pin nhiên liệu hyđrô, động
cơ này nặng hơn động cơ đốt trong chuẩn 500kg. Thêm nữa, Hãng
DaimlerChrysler đang phát triển chiếc NECAR 4A, phiên bản California
hoạt động bằng hyđrô nén. Nó sử dụng pin nhiên liệu Ballard Mark 900 và
ba bình hyđrô 35MPa. Điều này cho phép ôtô hoạt động trong vòng 190km.
DaimlerChrysler còn hợp tác với XCELLSiS để phát triển bộ chuyển đổi
nhiên liệu xăng để chuyển đổi thành hyđrô.
8.2. General Motors:

Chiếc HydroGen1 là một ôtô năm chổ ngồi được trang bị một động cơ
điện 56kW và một động cơ PEMFC 60kW sử dụng hyđrô hóa lỏng. Chiếc
này dựa trên chiếc Opel Zafira, có trọng lượng là 1570kg, nặng hơn 150kg so
với chiếc Zafira chuẩn. Hệ thống pin nhiên liệu tạo một điện thế từ 125V đến
200V tùy thuộc vào điều kiện tải trọng. Tốc độ tối đa của xe là 135km/h và
tầm hoạt động là 400km. GM cho biết xe có khả năng tăng tốc từ 0 đến
97km/h trong khoảng thời gian không quá 16 giây và chậm hơn 2,5 giây so
với chiếc Opel Zafira chuẩn.
Một trong những điểm nổi bật nhất là có khả năng khởi động pin
nhiên liệu ở nhiệt độ thấp. Chiếc HydroGen1 có thể đạt đến công suất tối đa
trong vòng 30 giây ở -20oC và 60 giây ở -30oC.
GM và ExonMobil đang nghiên cứu một bộ chuyển đổi nhiên liệu mà
có hiệu suất chuyển đổi đến 80%, và đạt hiệu suất toàn bộ trên xe là 40%,
gấp đôi hiệu suất của một động cơ đốt trong hiện nay.
8.3. Ford:

Chiếc Ford Focus FCV sẽ được đưa ra thị trường vào năm 2004. Tầm
hoạt động của nó là 160km sử dụng nhiên liệu hyđrô nén và cùng công suất
Trang 11

Tổng quan sử dụng pin nhiên liệu trên ôtô
với chiếc Focus chuẩn. Ford cho biết rằng giá của pin nhiên liệu là vấn đề kỹ
thuật lớn nhất, vì vậy họ cảm thấy không thể giải quyết được đến trước năm
2010.
Chiếc Focus FCV sử dụng cụm pin nhiên liệu Ballard 900, có công
suất ra 80kW. Nó có trọng lượng 1727kg, nặng hơn 560kg so với chiếc
Focus chuẩn.
8.4. Volkswagen:

Chiếc Volkswagen Bora HyMotion có khả năng lưu trữ 49 lít hyđrô
hóa lỏng cho phép nó hoạt động trong vòng 355km. Nó sử dụng một động cơ
điện không đồng bộ với công suất đầu ra là 75kW và tăng tốc từ 0 đến
97km/h trong thời gian 12,5 giây, chậm hơn 1,7 giây so với chiếc Jetta chuẩn
(tương đương với chiếc Bora của châu Âu). Chiếc Bora HyMotion có thể đạt
được tốc độ tối đa là 145km/h và lưu trữ 50 lít hyđrô hóa lỏng, nó cho phép
tầm hoạt động của ôtô khoảng 350km.
8.5. Honda:

Chiếc FCX-V3 của Honda được thiết kế đặc biệt dựa trên nền tảng
của chiếc EV Plus với một ắc-quy để cung cấp một công suất và năng lượng
tối đa từ hệ thống tái nạp điện khi phanh. Nó sử dụng pin nhiên liệu Ballard
62kW cùng với một động cơ điện không đồng bộ 60kW. Honda tuyên bố với
thiết kế này sẽ đưa ra một chiếc ôtô với hiệu suất toàn bộ là 40%. Hyđrô nén
ở 25MPa được lưu trữ đến 98 lít trong xylanh áp suất làm từ sợi cácbon tổng
hợp cho phép nó hoạt động trong vòng 180km. Tốc độ tối đa của nó là
130km/h. Honda có kế hoạch giảm khối lượng từ 5 đến 10%, giảm giá thành
30% trên năm, và tăng tầm hoạt động lên 200km.
8.6. Toyota:

Chiếc FCHV-4 của của Toyota dựa trên chiếc Klyuger V (địa hình)
của Toyota. Nó sử dụng hyđrô nén và cụm pin nhiên liệu TMC với công suất
đầu ra là 90kW. Nó còn có thêm một ắc-quy hyđrua kim loai Niken cho phép
tái nạp điện khi phanh.

Trang 12


Tổng quan sử dụng pin nhiên liệu trên ôtô
8.7. Huyndai:

Huyndai đang sử dụng pin nhiên liêu của IFC cho chiếc Santa Fe
FCEV SUV. Hệ thống pin 75kW sử dụng hyđrô nén ở 35MPa cho phép nó
hoạt động trong tầm 200km. Trọng lượng của nó là 1615kg nặng hơn 50kg
so với chiếc Santa Fe chuẩn.
8.8. Nissan:

Chiếc Xterra FCV của Nissan là chiếc SUV nó sử dụng pin nhiên liệu
Ballard Mark 900 và sử dụng hyđrô nén. Thêm vào đó, nó sử dụng động cơ
đẩy đồng bộ hiệu suất cao kết hợp với ắc-quy lithium-ion tối ưu. Ăcquy có
khối lượng nhẹ giúp cho xe khởi động nhanh, tăng tốc mạnh mẽ, và có khả
năng tái nạp điện khi phanh. Hệ thống lưu trữ nhiên liệu được đúc bằng lớp
nhôm mỏng và sợi hợp kim carbon. Nissan đang có kế hoạch giới thiệu loại
xe này trong khoảng thời gian đến.
9. Hiệu quả kinh tế và giá thành:
9.1. Hiệu quả kinh tế:

Ôtô chạy pin nhiên liệu có tiềm năng đạt được hiệu quả kinh tế về
nhiên liệu hơn ôtô truyền thống. Điều này bởi vì pin nhiên liệu có hiệu suất

cao hơn động cơ đốt trong, từ đó nó hoạt động ở nhiệt độ thấp và bởi vậy nó
ít hao phí năng lượng và nhiệt. Tuy nhiên, cũng có một vài yếu tố bất lợi về
kinh tế, điều này bao gồm việc tăng khối lượng để lưu trữ hyđro, ngược lại
hiệu quả sẽ thấp và tăng khối lượng của bộ chuyển đổi nhiên liệu. Một bộ
chuyển đổi nhiên liệu xăng có hiệu quả thấp hơn nhiều so với dùng hyđrô
trực tiếp. Thêm vào đó, pin nhiên liệu hoạt động có hiệu quả nhất trong một
tầm hạn hẹp, như vậy ôtô lai giảm thiểu được ảnh hưởng với pin nhiên liệu
trong điều kiện tải trọng thay đổi. Điều thuận lợi nhất của ôtô dùng pin nhiên
liệu và có thể tái nạp điện khi phanh, mặc dù một số chiếc có thể có thể cần
công suất tột đỉnh từ ắc-quy để giúp đỡ pin nhiên liệu dưới tải trọng nặng.

Trang 13


Tổng quan sử dụng pin nhiên liệu trên ôtô
9.2. Giá thành:

Pin nhiên liệu hiện nay số lượng ít và có giá cao. Loại PEMFC hiện
tại có giá khoảng $500/kW, như vậy là $25000 cho một động cơ 50kW, so
sánh với $3500 của một động cơ đốt trong 70kW. Tuy nhiên, Ballard cùng
với Ford và DaimlerChrysler đã ướt tính giá của động cơ Ballard Mark 900
có thể tích lớn khoảng $50 đến $60 trên một kW, giảm giá thành khi kích
thước tăng. Nó sẽ cho pin nhiên liệu có giá thành gần với động cơ đốt trong.
Arther D.Little cho biết rằng Cơ quan năng lượng chỉ định giá hiện nay là
$16200 cho động cơ 50kW dùng bộ chuyển đổi nhiên liệu.
Giá thành cũng phải kể đến là động cơ điện, điều khiển động cơ, và
ắc-quy lưu trữ. Theo Arthur D.Little thì giá thành tổng cộng cho ôtô lai điện
được tính trung bình hiện nay là $18900 và dự tính là $9300 cao hơn cho
FCV, $10000 cho SR FCV methanol và $11200 cho FCV ethanol hoặc xăng
có bộ chuyển hóa nhiên liệu tự động ổn định nhiệt tron tương lai gần (2010

đến 2020).
10. Hiện trạng ở nước ta:
Theo đánh giá của các nhà chuyên môn, tiềm năng phát triển ngành công
nghiệp ôtô ở nước ta là rất lớn, đặc biệt là các ôtô có mức giá cả vừa phải, phù hợp
với túi tiền của người dân lao động.
Về hệ thống động lực của ôtô, xu thế phát triển chung cho tương lai hiện nay
là hướng về ôtô sinh thái, trong đó ôtô lai dùng năng lượng điện-hóa có ưu thế lớn
nhất. Để đón đầu sự phát triền này, chúng ta phải đón đầu công nghệ tạo ra pin
nhiên liệu, nghiên cứu các phương thức lắp đặt loại động cơ này trên ôtô và cách
vận hành chúng sao cho có hiệu quả nhất. Cơ sở hạ tầng để phát triển ngành động
cơ đốt trong của chúng ta còn quá thấp, không có các viện nghiên cứu, các trung
tâm phát triển riêng của đất nước. Việc nghiên cứu trong các trường đại học chủ yếu
mang tính lý thuyết, ít được áp dụng vào thực tiễn sản xuất, không tạo ra được một
động lực quan trọng cho nghành công nghiệp ôtô. Đồng thời, chúng ta không có
một nghành cơ khí chính xác công nghệ cao phát triển, đảm bảo sẵn sàng tạo ra tất
cả các chi tiết cơ khí cực kỳ phức tạp và chính xác khi được yêu cầu. Trong khi đó,
Trang 14


Tổng quan sử dụng pin nhiên liệu trên ôtô
loại động cơ này đã dần thể hiện những yếu điểm của nó: gây ô nhiễm cao, vận
hành ồn và hiệu suất hạn chế. Do vậy, việc đón đầu công nghệ chế tạo pin nhiên
liệu sẽ giúp cho chúng ta tiết kiệm được một lượng tiền khổng lồ và theo kịp đà
phát triển chung của thế giới. Hơn thế nữa, loại động cơ mới này có khả năng tạo ra
điện trực tiếp, không qua một cơ cấu trung gian nào đảm bảo hiệu suất cao hơn
nhiều.
Ngay từ bây giờ, nền kinh tế hyđrô đã diễn ra và nó sẽ tiến xa nhanh hơn
phần lớn mọi người nhận thấy. Trong tương lai gần, loại pin này không những ứng
dụng cho ôtô mà có có thể ứng dụng cho các thiết bị di động như: điện thoại di
động, máy tính xách tay, … và thời gian sử dụng của các thiết bị này tăng lên nhiều

lần. Phương tiện đi lại sẽ không gây ra tiếng ồn và thải ra hơi nước không hề độc
hại. Các gia đình sẽ có điện và hơi nước độc lập với mạng lưới tiện ích. Pin nhiên
liệu hyđrô có thể cấp nguồn cho các thiết bị điện nhạy cảm, các trung tâm máy tính,
các trung tâm xử lý thẻ tín dụng, thiết bị khai mỏ, các ngân hàng, trường học, bệnh
viện, các trung tâm truyền thông, các khu giải trí. Công nghệ pin nhiên liệu hyđrô sẽ
vượt qua nhiều công nghệ khác nhau nhất định tất cả dựa trên cùng nguyên tắc tạo
ra điện thông qua các phản ứng điện hóa học.Pin nhiên liệu hyđrô sẽ cấp năng lượng
mà toàn bộ xã hội yêu cầu để hỗ trợ cuộc sống tốt hơn.

Trang 15


Tổng quan sử dụng pin nhiên liệu trên ôtô
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Đại học Đà Nẵng (2004), “Thiết kế bố trí hệ thống động lực trên ôtô hybrid 2 chổ
ngồi”, Tạp chí khoa học và công nghệ, 4(8), tr. 4-8.
2. Website: .
3. Website: .

Trang 16