(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp LPG bổ sung HHO cho động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện samdi s3600b 1

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG CUNG CẤP LPG BỔ
SUNG HHO CHO ĐỘNG CƠ ĐÁNH LỬA CƯỠNG BỨC
KÉO MÁY PHÁT ĐIỆN SAMDI S3600B-1

Sinh viên thực hiện: ĐOÀN NGỌC THỊNH

Đà Nẵng – Năm 2019


Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp LPG bổ sung HHO cho động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện
SAMDI S3600B-1

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1.1. Mục đích và ý nghĩa khoa học của đề tài
1.1.1. Mục đích của đề tài
Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống cung cấp khí LPG bổ sung HHO cho động
cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện Samdi S3600B-1, cho nhu cầu đun nấu, nhu
cầu thắp sáng, chạy máy bơm nước sử dụng khí LPG và HHO thơng qua q trình điện
phân nước, qua đó tận dụng được nguồn năng lượng tại chỗ. Việc tận dụng các nguồn
năng lượng sạch tại chỗ cho sản xuất sẽ giúp cho người dân tiết kiệm được kinh phí, làm
giảm giá thành sản phẩm, tăng thu nhập cho người dân, góp phần đẩy mạnh cơng cuộc
cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa nông nghiệp nông thôn, đảm bảo sự phát triển bền vững
của đất nước.
1.1.2. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Một mối quan tâm về việc giảm khí thải và giảm mức tiêu thụ nhiên liệu đã khiến
các nhà nghiên cứu chú ý để tìm ra các lựa chọn thay thế khác nhau có thể được sử dụng

trong động cơ mà khơng cần có nhiều sửa đổi. Ngành ơ tơ được coi là ngành tiêu thụ
hóa thạch nhiên liệu lớn nhất. Và nếu những nhiên liệu này không được sử dụng một
cách thích hợp thì chúng có thể sẽ khó tồn tại trong 100 năm tới. Các nguồn nhiên liệu
hóa thạch giảm dần và không ngừng tăng nồng độ các chất ô nhiễm trong khí quyển là
một số thách thức lớn đối với xã hội.
Khí HHO được tạo ra từ nước, nước ngun liệu dồi dào và ln có sẵn vì vậy tiết
kiệm được chi phí, hơn nửa sản phẩm cháy của HHO củng là nước vì vậy khơng phát
thải ơ nhiễm ra mơi trường.
Khí hóa lỏng LPG là khí thiên nhiên được sản xuất khá rộng rải ở nước ta hiện
nay, vì vậy việc sử dụng nhiên liệu khí LPG để làm nhiên liệu chạy động cơ đốt trong
sẽ làm giảm mức độ phát thải khí CO2, NOx, HC, CO góp phần thực hiện các cơng ước
quốc tế về mơi trường mà Việt Nam đã cam kết tham gia.
1.2. Tổng quan đề tài nghiên cứu
1.2.1. Tổng quan
Trong thời gian gần đây, tình hình năng lượng là một đề tài nóng trên tồn thế giới.
Các nước lớn ln có sự cạnh tranh để tìm cách kiểm sốt những khu vực giàu năng
lượng nhất đặc biệt là dầu mỏ.


Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp LPG bổ sung HHO cho động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện
SAMDI S3600B-1

Năng lượng có vai trị quan trọng đối với sự phát triển kinh tế-xã hội của một quốc
gia. An ninh quốc gia, an ninh kinh tế luôn gắn liền với an ninh năng lượng. Vì vậy,
chính sách năng lượng luôn được đặt lên hàng đầu của mỗi quốc gia trong chiến lược
phát triển kinh tế-xã hội bền vững.
Các chuyên gia kinh tế năng lượng cho rằng: nếu không phát hiện thêm các mỏ
dầu mới, nguồn dầu mỏ khai thác cũng chỉ đủ dùng trong 40-50 năm nữa. Theo dự đốn
của chính phủ Mỹ,tiêu thụ nhiên liệu năm 2030 lên đến 120 triệu thùng dầu 1 ngày.
Cũng theo báo cáo của APEC, nếu không giảm cường độ sử dụng, nhu cầu năng

lượng trong khu vực sẽ tăng tương đương với tăng trưởng kinh tế, tức là khoảng 225%
cho đến năm 2035. Bên cạnh đó, hiện nay thói quen sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã làm
tăng các mối quan tâm về mơi trường. Việc đốt nhiên liệu hóa thạch tạo ra khoảng 21,3
tỉ tấn CO2 hàng năm.
Thông qua số liệu trên ta thấy được quá trình sử dụng nhiên liệu ngày một tăng
nhanh, nhưng trữ lượng dầu mỏ thì vẫn giữ ở mức cố định. Điều này cho thấy lượng dầu
mỏ sẽ cạn kiệt với tốc độ ngày một nhanh hơn. Đó là lí do tại sao chúng ta cần nghiên
cứu phát triển nguồn nhiên liệu mới, thay thế lượng nhiên liệu truyền thống và giúp giảm
thiểu ô nhiễm môi trường. Sau đây là dự báo sản xuất nhiên liệu lỏng trên toàn thế giới
đến năm 2030.
1.2.2. Sự cần thiết phải có nguồn nhiên liệu thay thế
Từ những năm 1849 - 1850, con người đã biết chưng cất dầu mỏ để lấy ra dầu hỏa,
còn xăng là thành phần chưng cất nhẹ hơn dầu hỏa thì chưa hề được sử dụng đến và phải
đem đổ đi một nơi thật xa. Lúc đó con người tạo ra dầu hỏa với mục đích thắp sáng hoặc
đun nấu đơn thuần. Nhưng với sự tiến hóa của khoa học và kỹ thuật, từ việc sử dụng
những động cơ hơi nước cồng kềnh và hiệu quả thấp, con người đã tìm cách để sử dụng
xăng và dầu diezel cho động cơ đốt trong, là loại động cơ nhỏ gọn hơn nhưng có hiệu
quả cao hơn hẳn. Cùng với những khám phá khoa học vĩ đại khác, sự phát minh ra động
cơ đốt trong sử dụng xăng và dầu diezel đã thúc đẩy xã hội loài người đạt những bước
phát triển vượt bậc, đem đến cuộc sống ấm no, hạnh phúc và văn minh cho hàng tỷ người
trên thế giới.
Những hiệu quả và giá trị của dầu mỏ và động cơ đốt trong mang lại thật sự khơng
ai có thể phủ nhận được. Nguồn năng lượng chúng mang lại hầu như là chiếm ưu thế
hoàn toàn. Do vậy, mà hầu hết các quốc gia trên thế giới đều muốn chiếm ưu thế và chủ
động về nguồn dầu mỏ. Cuộc khủng hoảng năng lượng vào thập kỷ 70 của thế kỷ 20 đã
một lần nữa khẳng định tầm quan trọng chiến lược của dầu mỏ đối với mỗi quốc gia và
cho toàn thế giới. Nhưng theo dự đốn của các nhà khoa học thì với tốc độ khai thác
SVTH: Đoàn Ngọc Thịnh

GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga và Th S Võ Anh Vũ

3


Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp LPG bổ sung HHO cho động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện
SAMDI S3600B-1

hiện nay, trữ lượng dầu mỏ còn lại của trái đất cũng chỉ đủ cho con người khai thác trong
vịng khơng q 40 năm nữa.
Bên cạnh đó những hậu quả mà khi chúng ta sử dụng dầu mỏ và động cơ đốt
trongđem lại từ các chất thải khí làm ơ nhiễm khơng khí, làm thủng tầng ơzơn, gây hiệu
ứng nhà kính.Trong các chất độc hại thì CO, NOx, HC…do các loại động cơ thải ra, là
nguyên nhân chính gây ơ nhiễm bầu khơng khí, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Do
đó, con người phải đứng trước một thách thức lớn là phải có nguồn nhiên liệu thay thế.
Một xu hướng hiện nay, là nghiên cứu thay thế sử dụng nhiên liệu truyền
thống:Xăng, dầu Diesel,… bằng các loại nhiên liệu mới “sạch”, nhiên liệu tái sinh cho
các loại động cơ như năng lượng mặt trời, khí thiên nhiên, khí dầu mỏ hóa lỏng, năng
lượng điện, khí sinh vật Biogas, năng lượng thủy điện…Việc chuyển dần sang sử dụng
các loại nhiên liệu không truyền thống đã trở thành chiến lược trong chính sách năng
lượng của nhiều quốc gia phát triển.
1.3. Giới thiệu về nhiên liệu hóa lỏng LPG
Khí hóa lỏng (cịn gọi là LPG, GPL, LP Gas, hoặc autogas) là một hỗn hợp dễ cháy
của hydrocarbongases được sử dụng làm nhiên liệu trong các thiết bị sưởi ấm và xe cộ.
ngày nay càng được sử dụng như một chất nổ đẩy aerosol và chất làm lạnh, thay thế
chlorofluorocarbons trong một nỗ lực để giảm thiệt hại đến tầng ôzôn.
Thành phần LPG mua và bán bao gồm hỗn hợp mà chủ yếu là propan (C3H8); chủ
yếu là butan (C4H10) và, phổ biến nhất, hỗn hợp bao gồm cả propane và butane, tùy theo
mùa – trong mùa đông propan nhiều hơn, trong mùa hè butan nhiều hơn. Propylene và
butylenes thường cũng có mặt ở nồng độ nhỏ. Một mùi mạnh mẽ, ethanethiol, được
thêm vào để khi rị rỉ có thể được phát hiện dễ dàng. Các tiêu chuẩn quốc tế là EN 589.

Trong thiophene Hoa Kỳ, hay mecaptan amilic cũng chấp thuận odorants.
1.3.1 Nguồn gốc và thành phần LPG
LPG là khí dầu mỏ hóa lỏng, thu được bằng cách hóa lỏng khí đồng hành ở áp suất
khoảng 4 ÷18 Kg/cm2, bao gồm hai thành phần cơ bản là propan và butan.
Propan
Propan có cơng thức cấu tạo ở dạng mạch thẳng, do vậy mà khả năng chống kích
nổ kém.


Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp LPG bổ sung HHO cho động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện
SAMDI S3600B-1

H HH
H-C-C-C-H
H H H
Hình 1. 1 Cơng thức cấu tạo của propan
Propan khơng có đồng vị của một iso ankan.
Butan
Butan là chất có hai đồng vị có cấu tạo mạch thẳng và cấu tạo mạch nhánh:

HHHH
H-C-C-C-C-H
HHHH
Hình 1. 2 Cơng thức hóa học của n – butan

H H H
H-C - C - C - H
H CH3 H
Hình 1. 3 Cơng thức hóa học của iso – butan
Trong LPG có thành phần iso – butan càng cao thì tính chống kích nổ càng lớn,

tính chống kích nổ giảm dần từ iso – butan, n – butan, propan. Thường iso – butan chiếm
25 % có trong hỗn hợp (iso – butan và n – butan). Ngồi ra LPG cịn có chứa etan(1 – 3
% mol) và pentan (không quá 1,5 % mol).
1.3.2. Một số đặc tính của LPG
a) Trạng thái tồn tại
Ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thường, LPG tồn tại ở trạng thái hơi. Do LPG có
tỷ số giãn nở lớn (1 đơn vị thể tích gas lỏng tạo ra bằng 250 đơn vị thể tích gas hơi), vì
vậy để thuận tiện trong vận chuyển, bảo quản và sử dụng. LPG được hóa lỏng bằng cách
nén vào bình chứa chịu áp lực ở nhiệt độ thường hoặc hóa lỏng để tồn chứa ở áp suất
thấp.
Đặc trưng lớn nhất của LPG là chúng được tồn chứa ở trạng thái bão hòa tức là tồn
tại cả dạng lỏng và hơi, nên với thành phần khơng đổi (ví dụ: 70% butan và 30% propan)
áp suất bão hịa trong bình chứa khơng phụ thuộc vào lượng LPG có trong bình mà hoàn
toàn phụ thuộc vào nhiệt độ bên ngoài.
Nhiệt độ ngọn lửa cao
SVTH: Đoàn Ngọc Thịnh

GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga và Th S Võ Anh Vũ

5


Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp LPG bổ sung HHO cho động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện
SAMDI S3600B-1

+ Butan : 1900 0C
+ Propan: 1935 0C
Tỷ trọng
Tỷ trọng thể lỏng ở điều kiện 150C, 760 mmHg: Tỷ trọng butan lỏng bằng 0,575
và propan bằng 0,51. Như vậy ở thể lỏng LPG có tỷ trọng xấp xỉ bằng một nửa tỷ trọng

nước.
b) Tính dãn nở
Sự dãn nở nhiệt của LPG rất lớn. Do đó các bình chứa, bồn chứa LPG chỉ được
chứa đến 80 ÷ 85 % dung tích tồn phần để có khơng gian cho LPG giãn nở khi nhiệt
độ tăng.
Khi chuyển sang pha hơi một đơn vị thể tích LPG lỏng tạo ra xấp xỉ 250 lần đơn
vị thể tích hơi. Điều này mang ý nghĩa kinh tế rất lớn so với các loại khí nén khác, vì chỉ
cần ít khơng gian có thể chứa được một lượng LPG lớn.
c) Giới hạn cháy nổ
Giới hạn cháy nổ hơi gas trong hỗn hợp khí gas hay trong hỗn hợp oxy – gas là
phần trăm về thể tích gas để tự bắt cháy, nổ. Giới hạn cháy nổ của gas trong khơng khí
hẹp, từ 1,5 ÷ 10%. Chính vì vậy, LPG an tồn cháy nổ hơn nhiều nhiên liệu khác.
d) Nhiệt độ
Nhiệt độ tự bốc cháy: là nhiệt độ mà tại đó phản ứng cháy tự xảy ra đối với hỗn
hợp khơng khí – nhiên liệu.
Bảng 1.1 Nhiệt độ bắt cháy của một số nhiên liệu tại áp suất khí quyển
STT

Nhiệt độ cháy tối thiểu (0C)
Trong khơng khí

Trong oxy

1

Propane

400 ÷ 580

470 ÷ 575

2

Butane

410 ÷ 550

280 ÷ 550

3

Xăng

280 ÷ 430

> 240

4

Dầu DO

5

Acetylence

250

÷ 340

350 ÷ 500

> 240
295 ÷ 440

Nhiệt độ ngọn lửa cao:
+ Butan : 1900 0C
+ Propan: 1935 0C
Nhiệt trị thấp : QH =1200 kcal/kg (hoặc 46 MJ/kg) là loại chất đốt có nhiệt lượng
cao.
e) Trị số Octan


Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp LPG bổ sung HHO cho động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện
SAMDI S3600B-1

LPG là chất có chỉ số Octan nghiên cứu (RON) cao, dễ dàng đạt trị số 98, chỉ số
Octan động cơ theo (MON) cũng cao hơn xăng.
Bảng 1.2 Trị số Octan của thành phần LPG
Thành phần

RON

MON

Propan

>100

100

n – Butan

95

92

Iso – Butan

>100

99

Butan

98

80

f) Tính độc, màu sắc, mùi vị
LPG hồn tồn khơng gây độc hại cho người, khơng gây ơ nhiểm môi trường. Tuy
nhiên, do hơi gas nặng hơn không khí, vì vậy nếu rị rỉ ra mơi trường kín sẽ chiếm chổ
của khơng khí và có thể gây ngạt. LPG là loại nhiên liệu rất sạch: hàm lượng lưu huỳnh
thấp (< 0,02%), khi cháy chỉ tạo khí cacbonic (CO2) và hơi nước, lượng khí độc (SO2,
H2S, CO) của quá trình cháy là rất nhỏ, khơng gây ảnh hưởng đến môi trường.
LPG ở thể lỏng và hơi không màu, không mùi. Vì lý do an tồn nên LPG được pha
thêm chất tạo mùi để dễ phát hiện khi rò rỉ. Theo đa số các tiêu chuẩn an toàn, chất tạo
mùi có nồng độ pha chế phải thích hợp sao cho có thể phát hiện được trước khi hơi gas
rị đạt nồng độ 1/5 giới hạn cháy nổ dưới.
LPG thông thường được pha thêm chất tạo mùi EtylMecaptan và khí này có mùi
đặc trưng, hịa tan tốt trong LPG, khơng độc. Khơng ăn mịn kim loại và tốc độ bay hơi

gần LPG nên nồng độ LPG không đổi cho đến khi bình chứa được sử dụng cho đến hết.
1.3.3. Phạm vi sử dụng và chỉ tiêu chất lượng
Trên thực tế LPG có thành phần Butan rất khác nhau tùy theo nhu cầu và thói quen
sử dụng. Ở nhiều nước LPG có thể sản xuất dưới dạng 100% propan hoặc 100 % butan.
LPG 100 % propan thích hợp với người tiêu dùng xứ lạnh để đảm bảo đặc tính bốc hơi
tốt. LPG 100 % butan thích hợp cho việc sử dụng trong các ngành cơng nghiệp. Vì dể
vận chuyển, dễ tồn chứa và trong điều khiện sản xuất và lắp đặt thêm bộ phận hâm nóng
LPG để có thể bốc hơi hồn toàn hơn.

SVTH: Đoàn Ngọc Thịnh

GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga và Th S Võ Anh Vũ

7


Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp LPG bổ sung HHO cho động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện
SAMDI S3600B-1

Bảng 1.3 Chỉ tiêu đánh giá chất lượng LPG
STT

Tên tiêu chuẩn

Phương pháp thử

Mức quy định

1

Tỷ trọng

ASTM D 1657

min 0,5

2

Áp suất

ASTM D 1267

480-820

Thành phần Hydrocacbon
(% mol)

ASTM D 2163

3

Propan

20 – 40

Butan

60 – 70

4

Ăn mòn mảnh đồng (1h/37,8C)

5

Nước tự do (%V)

6

Nhiệt trị (MJ/kg)

ASTM D 2598

40 – 55

7

Hàm lượng lưu huỳnh (ppm)

ASTM D 2784

max 170

ASTM D 1838

No1
không

1.4. Giới thiệu về nhiên liệu HHO
1.4.1. Nguồn gốc và thành phần nhiên liệu HHO

HHO (oxyhydrogen) là sản phẩm của quá trình điện phân nước, thành phần chính
của HHO là khí hydro H2 và khí oxy O2 .
Quá trình điện phân: 2 H2O → 2 H2 + O2
Quá trình cháy: 2 H2 + O2 → 2 H2O
Oxyhydrogen có phạm vi dễ cháy hơn so với tất cả các nhiên liệu khác. Do đó,
hydro có thể được đốt trong động cơ trên phạm vi rộng hỗn hợp nhiên liệu khơng khí.
Vì vậy, HHO đảm bảo đánh lửa nhanh chóng. Ngồi ra, người ta đã quan sát thấy rằng
phương tiện chạy bằng HHO có mức tiêu thụ nhiên liệu thấp và thải ra ít khí nhà
kính. Ngồi ra, người ta đã quan sát thấy rằng, khí HHO có thể được sử dụng làm phụ
gia cùng với xăng dầu để giảm lượng khí thải. Trong số các nhiên liệu thay thế có thể
khác nhau, HHO được cho là có triển vọng nhất do q trình đốt sạch cùng với q trình
đốt cháy tốt hơn. Ngồi ra sản phẩm của q trình đốt cháy nhiên liệu HHO có thành
phần chính là nước vì vậy giảm thiểu khí ơ nhiễm mơi trường.
1.4.2. Khí hydro (H2)
Hydro (hydrogen, H2) là một loại khí có nhiệt cháy cao nhất trong tất cả các loại
nhiên liệu trong thiên nhiên, đã được sử dụng làm nhiên liệu phóng các tàu vũ trụ. Đặc
điểm quan trọng của hydro là trong phân tử không chứa bất cứ nguyên tố hóa học nào


Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp LPG bổ sung HHO cho động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện
SAMDI S3600B-1

khác, như cacbon (C), lưu huỳnh (S), nitơ (N) nên sản phẩm cháy của chúng chỉ là nước
(H2O), được gọi là nhiên liệu sạch lý tưởng.
H2 là chất khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị, có phân tử khối bằng 2 và nhẹ hơn
khơng khí 14,5 lần. H2 tan rất ít trong nước, nhiệt độ hóa lỏng -183 ℃, là khí nhẹ nhất,
dễ bắt cháy có nhiệt độ sơi 20,27 K (-252,87 °C) và nhiệt độ nóng chảy 14,02 K (259,14 °C). Nhiệt độ tự cháy của H2 trong khơng khí là 500 ℃
Hydro được sản xuất từ nước và năng lượng mặt trời, vì vậy hydro thu được còn
gọi hydro nhờ năng lượng mặt trời (solar hydrogen). Nước và ánh nắng mặt trời có vơ
tận và khắp nơi trên hành tinh. Năng lượng mặt trời được thiên nhiên ban cho hào phóng

và vĩnh hằng, khoảng 3.1024 J/ngày, tức khoảng 104 lần năng lượng toàn thế giới tiêu
thụ hằng năm. Vì vậy, hydro nhờ năng lượng mặt trời là nguồn nhiên liệu vô tận, sử
dụng từ thế kỷ này qua thế kỷ khác bảo đảm an toàn năng lượng cho lồi người mà
khơng sợ cạn kiệt, khơng thể có khủng hoảng năng lượng và bảo đảm độc lập về năng
lượng cho mỗi quốc gia, không một quốc gia nào độc quyền sở hữu hoặc tranh giành
nguồn năng lượng hydro như từng xảy ra với năng lượng hóa thạch.
Để thu được hydro nhờ năng lượng mặt trời có hai phương pháp sản xuất sau đây:
phương pháp điện phân nước (water electrolysis) nhờ năng lượng điện mặt trời thông
qua các pin mặt trời (solar cell) và phương pháp quang điện hóa phân rã nước
(photoelectrochemical water splitting) nhờ năng lượng bức xạ của ánh nắng mặt trời với
sự có mặt chất xúc tác quang. Cả hai phương pháp, phản ứng đều xảy ra như sau:
2H2O → 2 H2 + O2
1.4.3. Khí oxy (O2)
Ơxy là một thành phần quan trọng của khơng khí, được sản xuất bởi cây cối trong
q trình quang hợp và là cần thiết để duy trì sự hô hấp của người và động vật.
Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, ơxy là chất khí khơng màu, khơng mùi và khơng
vị có cơng thức phân tử là O2, trong đó hai ngun tử ơxy liên kết với nhau với cấu hình
electron có spin mức 3
Oxy ngưng tụ ở 90,20 K(−182.95 °C, −297.31 °F), và đóng băng ở 54,36 K
(−218.79 °C, −361.82 °F). Cả hai dạng lỏng và rắn O2 là những chất trong suốt với
màu xanh da trời nhạt do gây ra bởi sự hấp thụ ánh sáng đỏ (ngược lại với màu xanh da
trời là do sự tán xạ Rayleigh của ánh sáng xanh). O2 tinh khiết cao thường được chưng
cất phân đoạn từ khơng khí lỏng, Oxy lỏng cũng có thể được sản xuất từ sự ngưng tụ
khơng khí bằng cách sử dụng chất làm lạnh là nitơ lỏng. Nó là một chất dễ phản ứng và
phải được cất giữ cách xa các vật liệu dễ cháy.

SVTH: Đoàn Ngọc Thịnh

GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga và Th S Võ Anh Vũ

9


Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp LPG bổ sung HHO cho động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện
SAMDI S3600B-1

1.5. Tình hình sử dụng máy phát điện hiên nay
Ngày nay, con người đang sống trong thời đại của máy móc và các trang thiết bị
hiện đại. Nhưng trước đây con người chỉ biết sử dụng lửa để để thắp sáng, việc sử dụng
trâu bò thay cho sức khỏe con người. Từ khi nhà vật lý đại tài Michael Faraday sáng chế
ra máy phát điện. Thì có thể tạo ra một nguồn điện thay thế cho nguồn điện truyền thống.
Sự ra đời của máy phát điện đã tạo ra một bước ngoặt mới trong nền công nghiệp điện
năng.
Máy phát điện khơng chỉ có vai trị thúc đẩy nhanh q trình tăng trưởng kinh tế.
Mà cịn có tác dụng kéo theo sự biến đổi trong phương thức sáng tạo của cải, cải thiện
lối sống và tư duy của con người. Ngày nay các quy trình sản xuất được tự động
hóa. Máy phát điện khơng chỉ giúp tạo ra nguồn điện làm cho các loại máy móc vận
hành một cách hồn chỉnh. Thay thế con người trong những cơng việc nặng nhọc, không
những giúp con người ở các khâu thao tác bằng tay chân. Mà còn giúp con người thao
tác ở khâu tư duy một cách hiệu quả.
Vai trò máy phát điện đối với lĩnh vực công nghiệp. Trước tình hình nguồn điện
năng “cung khơng đủ cầu”. Và tình trạng nguồn điện được cung cấp “buồn vui thất
thường” như hiện nay. Thì sự ra đời của máy phát điện cơng nghiệp đã góp phần giúp
các doanh nghiệp giải quyết được bài tốn khó khăn thiếu điện. Giúp cho việc kinh
doanh, sản xuất khơng bị ngưng trệ, gián đoạn.
Vai trị máy phát điện trong lĩnh vực nông nghiệp. Các loại máy phát điện nơng
nghiệp ra đời có dải cơng suất trung bình. Đã có cơng dụng rất tốt trong việc tạo nguồn
điện năng phục vụ công tác tưới tiêu. Giúp tiết kiệm sức lao động cho người nông dân.
So với trước đây hiện nay máy phát điện đã có cải tiến rõ rệt về chất lượng cũng như
mẫu mã. Được thiết kế với khích thước nhỏ gọn máy phát điện nơng nghiệp là một dịng

máy phù hợp cho các cơng việc chăn ni, trồng trọt của nơng dân.
Vai trị máy phát điện đối với sinh hoạt trong gia đình. Bên cạnh những loại máy
phát điện công nghiệp và nông nghiệp. Thì các nhà sản xuất cịn cho ra đời những loại
máy phát điện dân dụng đa dạng. Có cơng suất vừa và nhỏ phù hợp với mọ nhu cầu của
người dùng. Với những dịng máy phát điện này thì việc sinh hoạt trong mỗi gia đình sẽ
được đảm bảo. Và khơng bị gián đoạn bởi tình trạng cúp điện. Góp phần nâng cao đời
sống cho người dân.
Ngoài ra, máy phát điện còn được sử dụng để hỗ trợ cung cấp nguồn điện những
vùng sâu, vùng xa. Cung cấp điện cho các trung tâm y tế. Điều này góp phần mang lại
một giá trị to lớn về mặt tinh thần. Cũng như về mặt vật chất, sức khỏe cho nhân dân
vùng sâu, vùng xa.


Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp LPG bổ sung HHO cho động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện
SAMDI S3600B-1

Chương 2: NHIÊN LIỆU HYDROXYL

2.1. Sản xuất khí hydroxyl
2.1.1. Ngun lý bình sinh khí hydroxyl
Bản chất của quá trình này là điện phân nước. Điện phân nước là quá trình phân
hủy nước (H2O) thành oxy (O2) và khí hydro (H2) nhờ dịng điện được truyền qua nước.
Một nguồn điện một chiều được kết nối với hai điện cực, hoặc hai tấm (thường
được làm từ một số kim loại trơ như bạch kim, thép không gỉ hoặc iridium) được đặt
trong nước. Hydro sẽ xuất hiện ở cực âm (electron đi vào nước), và oxy sẽ xuất hiện ở
cực dương. Giả sử hiệu quả là lý tưởng, số lượng hydro tạo ra gấp đôi lượng oxy, và cả
hai đều tỷ lệ thuận với tổng lượng điện được thực hiện bởi dung dịch. Tuy nhiên, trong
thực tế phản ứng phụ xảy ra, dẫn đến các sản phẩm khác nhau và ít hơn so với kết quả
lý tưởng.
2.1.2. Những khó khăn trong việc sản xuất và lưu trữ hydrogen

a) Sản xuất hydrogen.
Trên Trái Đất, hydrogen phần lớn ở dạng kết hợp với oxygen trong nước, hay với
carbon và các nguyên tố khác trong vô số các hợp chất hữu cơ tạo nên cơ thể mọi loài
động thực vất. Khác với nguồn năng lượng cơ bản, hydrogen là nguồn năng lượng thứ
cấp, tức là chúng không thể đc khai thác trực tiếp mà phải đc tạo ra từ một nguồn sơ cấp
ban đầu. Điều này là một điểm bất lợi, nhưng đồng thời lại là điểm mạnh của Hydrogen
do người ta có thể sản xuất hydrogen từ nhiều nguồn khác nhau, đặc biệt từ các nguồn
năng lượng tái sinh. Ở đây ta chỉ nói đến phương pháp điện phân nước.
Phương pháp này dùng dịng điện để tách nước thành khí hydrogen và oxygen.
Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực. Hydrogen sinh ra ở điện cực âm và
oxygen ở điện cực dương:
Phản ứng trên cathode:

2 H 2O + 2e − → H 2 + 2OH −

Phản ứng trên anode:

1
2OH − → H 2O + O2 + 2e −
2

________________________________________________________
Tổng quát:

2H 2O + điện năng → 2H 2 + O2

b) Lưu trữ hydrogen.
Với vai trò “chuyên chở” năng lượng (energy carrier) hơn là một nguồn năng lượng
cơ bản, giống như điện năng, hydrogen giúp cho việc phân phối, sử dụng năng lượng

SVTH: Đoàn Ngọc Thịnh

GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga và Th S Võ Anh Vũ

11


Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp LPG bổ sung HHO cho động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện
SAMDI S3600B-1

được thuận tiện. Thêm vào đó, khác với điện năng, hydrogen cịn có thể lưu trữ được
lâu dài. Về cơ bản có ba phương thức lưu trữ hydrogen như sau:
Lưu chứa hydrogen trong các bình khí nén áp suất cao.
Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng.
Lưu chứa hydrogen trong hợp chất khác (hấp thụ hóa học, hấp phụ trong hợp chất
khác như với các hyđrua kim loại hay ống carbon nano rỗng).
• Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí nén:
Hydrogen có thể được nén trong các bình chứa với áp suất cao. Các loại bình chứa
khác nhau về cấu trúc tùy theo dạng ứng dụng đòi hỏi mức áp suất như thế nào. Phần
lớn các bình ứng dụng tĩnh có mức áp suất thấp hơn.Trong khi đó, yêu cầu cho các ứng
dụng di động lại khá khác biệt bởi sự hạn chế về không gian lưu trữ.Đối với các ứng
dụng này, áp suất trong bình được tăng lên đến 700 bar để chứa được càng nhiều
hydrogen càng tốt trong một khơng gian giới hạn.
Các bình áp suất chứa khí nén thường làm bằng thép nên rất nặng.Các bình áp suất
hiện đại được làm từ những vật liệu composite và nhẹ hơn nhiều.
• Lưu chứa hydrogen dưới dạng khí hóa lỏng:
Hydrogen chỉ tồn tại ở thể lỏng dưới nhiệt độ cực lạnh, 200K hay âm 235ºC. Nén,
làm lạnh (hóa lỏng) hydrogen tiêu tốn khá nhiều năng lượng, do đó tổn thất năng lượng
hao hụt đến khoảng 30% khi dùng phương pháp này. Tuy nhiên, ưu điểm của việc lưu
trữ hydrogen dưới dạng lỏng là tốn ít khơng gian nhất, do hydrogen có tỉ trọng năng

lượng theo thể tích cao nhất khi hóa lỏng. Vì thế mà cách này đặc biệt thích hợp với các
ứng dụng di động như các phương tiện giao thông.Hiện tại người ta đã sản xuất được
những robot tự động để “tiếp” nhiên liệu (re-fuelling).Với các dạng lưu trữ tĩnh, cách
thức này chỉ được dùng khi hydrogen thực sự cần thiết phải ở dạng lỏng, ví dụ như trong
các trạm nhiên liệu hay khi cần vận chuyển hydrogen đường dài (bằng tàu biển chẳng
hạn). Ngoài ra, với tất cả các ứng dụng khác ta nên tránh dùng cách lưu trữ này bởi sự
tiêu tốn khá nhiều năng lượng cần để hóa lỏng.
• Lưu chứa hydrogen nhờ hấp thụ hóa học:
Hydrogen có thể được giữ trong nhiều hợp chất nhờ liên kết hóa học. Và khi cần
thiết, phản ứng hóa học sẽ xảy ra để giải phóng chúng, sau đó hydrogen được thu thập
và đưa vào sử dụng trong pin nhiên liệu. Các phản ứng hóa học thay đổi tủy theo hợp
chất dùng để lưu trữ hydrogen. Ví dụ như: với NH3BH3, hydrogen được giải phóng nhờ
nhiệt ở 100-300ºC; hay hydrogen có thể được giải phóng qua quá trình thủy phân (tác


Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp LPG bổ sung HHO cho động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện
SAMDI S3600B-1

dụng với nước) của các hydride như LiH, LiBH4, NaBH4… Với phương pháp này, ta có
thể điều chỉnh được lượng hydrogen sinh ra theo nhu cầu.
• Lưu chứa hydrogen trong ống carbon nano rỗng:
Phương pháp này về nguyên tắc tương tự như hyđrua kim loại trong cơ chế lưu giữ
và giải phóng hydrogen. Vật liệu carbon nano này có thể tạo nên một cuộc cách mạng
trong cơng nghệ lưu trữ hydrogen trong tương lai. Cách đây vài năm, các nhà khoa học
đã khám phá được đặc tính hữu ích của carbon nano là có thể chứa được những lượng
lớn hydrogen trong các vi cấu trúc than chì dạng ống. Hydrogen có thể chui vào trong
ống, cũng như vào khoảng trống giữa các ống. Lượng hydrogen hấp thụ phụ thuộc vào
áp suất và nhiệt độ, nên về nguyên tắc, người ta có thể thay đổi áp suất hoặc nhiệt độ,
rồi bơm hydrogen vào để lưu trữ, hay đẩy hydrogen ra để sử dụng. Vấn đề hiện nay là
phải tìm ra các loại ống nano carbon chứa được nhiều hydrogen.Ngoài ra, ta cũng cần

vật liệu với tỷ lệ ống nano carbon cao, không lẫn với nhiều loại bụi than khác.
Ưu điểm mang tính đột phá của cơng nghệ nano này chính là lượng lớn hydrogen
mà nó có thể lưu chứa được, hơn nữa, so với cách lưu trữ bằng hợp kim thì ống carbon
nano cũng nhẹ hơn. Ống carbon nano có thể chứa được lượng hydrogen chiếm từ 4% –
65% trọng lượng của chúng. Hiện nay, công nghệ này đang được quan tâm nghiên cứu
rất nhiều trên thế giới, hứa hẹn một phương thức lưu trữ hydrogen đầy tiềm năng, nhất
là cho các ứng dụng pin nhiên liệu di động và nhỏ gọn như máy tính xách tay, máy ảnh,
điện thoại di động…v.v.
Ngồi ra, cịn một phương pháp lưu trữ hydrogen khác tuy ít phổ biến nhưng cũng
khá thú vị, đó là chứa hydrogen trong các vi cầu bằng kính.
• Lưu chứa hydrogen trong các vi cầu thủy tinh (glass microsphere):
Các khối cầu thủy tinh rỗng tí hon có thể được dùng như một phương thức lưu trữ
hydrogen an tồn. Những vi cầu rỗng này được làm nóng dẻo, gia tăng khả năng thấm
của thành thủy tinh, rồi được lấp đầy khi được đặt ngập trong khí hydrogen với áp suất
cao. Các khối cầu này sau đó được làm nguội, “khóa lại” hydrogen bên trong khối thủy
tinh.Khi ta tăng nhiệt độ, hydrogen sẽ được giải phóng ra khỏi khối cầu và sử dụng.
Phương pháp vi cầu này rất an tồn, tinh khiết và có thể chứa được hydrogen ở áp suất
thấp, vì thế gia tăng giới hạn an tồn.
2.1.3. Ưu thế của khí hydroxyl khi làm nhiên liệu cho động cơ
HHO làm tăng quá trình cháy. Do HHO dễ dàng cháy và đốt cháy nhanh hơn nhiều
lần so với xăng, nên khi được thêm vào buồng đốt nó sẽ làm xăng cháy nhanh hơn dễ
dàng hơn và cháy hoàn tồn. Khi khơng sử dụng xăng bơm trực tiếp hydroxyl vào buồng

SVTH: Đoàn Ngọc Thịnh

GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga và Th S Võ Anh Vũ

13

Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp LPG bổ sung HHO cho động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện
SAMDI S3600B-1

đốt, hydroxyl được đốt cháy bởi tia lửa điện khoảng 10 độ trước khi bắt đầu quá trình
q trình đốt thì vẫn cháy khi pit-tơng chạm đáy của q trình đốt.
Khi Hydroxyl được đốt cháy, nó cháy rất nhanh và lần lượt đốt cháy xăng từ mọi
phía. Sóng áp suất được tạo ra bởi sự kết hợp có xung thời gian ngắn hơn và có nhiều
năng lượng hơn do sự đốt cháy hồn tồn. Vì tất cả năng lượng được giải phóng khi
piston ở gần đỉnh của hành trình đốt, nên năng lượng được hấp thu bởi piston và được
thu giữ làm năng lượng làm việc. Ít năng lượng bị mất nhu nhiệt trong khí thải.
Bản chất của HHO là khí oxy và hydro nên việc đốt cháy sẽ dễ dàng và hoàn toàn
nên hiệu suất của q trình cháy sẽ rất cao, ngồi ra chất thải của quá trình cháy phần
lớn là nước nên giảm thiểu sự ơ nhiễm mơi trường.
2.2. Thiết kế, chế tạo bình sinh khí hydroxyl
2.2.1. Phương án thiết kế bình sinh khí hydroxyl
Khí hydroxyl được tạo thành chủ yếu nhờ phương pháp điện phân nước. Điện phân
nước là sự phân hủy nước thành oxy và khí hydro do dịng điện đi qua . Phản ứng có
điện thế chuẩn −1,23 V, nghĩa là lý tưởng đòi hỏi chênh lệch tiềm năng là 1,23 volt để
tách nước.
Nguyên lý hoạt động
Một nguồn năng lượng điện DC được kết nối với hai điện cực hoặc hai tấm (thường
được làm từ một số kim loại trơ như bạch kim , thép không gỉ hoặc iridium ) được đặt
trong nước. Hydrogen sẽ xuất hiện ở cực âm (nơi các electron xâm nhập vào nước) và
oxy sẽ xuất hiện ở cực dương. Giả sử hiệu quả lý tưởng, lượng hydro được tạo ra gấp
đôi lượng oxy và cả hai đều tỷ lệ thuận với tổng điện tích được thực hiện bởi dung
dịch. Tuy nhiên, trong thực tế các phản ứng phụ xảy ra, dẫn đến các sản phẩm khác nhau
và ít hơn hiệu quả lý tưởng.
Điện phân của nước tinh khiết địi hỏi phải có năng lượng dư thừa trong các hình
thức của quá thế để vượt qua rào cản kích hoạt khác nhau. Khơng có năng lượng dư
thừa, quá trình điện phân nước tinh khiết xảy ra rất chậm hoặc hồn tồn khơng xảy

ra. Điều này một phần là do sự tự ion hóa hạn chế của nước . Nước tinh khiết có độ dẫn
điện khoảng một phần triệu so với nước biển.
Trong nước tinh khiết ở cực âm tích điện âm, xảy ra phản ứng khử , với các
electron (e - ) từ cực âm được đưa vào các cation hydro để tạo thành khí hydro. Các phản
ứng một nửa , sự cân bằng axit, là:
Giảm ở cực âm: 2 H + (aq) + 2e − → H 2


Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp LPG bổ sung HHO cho động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện
SAMDI S3600B-1

Ở cực dương tích điện dương, xảy ra phản ứng oxy hóa , tạo ra khí oxy và đưa
electron vào cực dương để hồn thành mạch:
Oxy hóa ở cực dương: 2 H 2O → O2 + 4 H + (aq ) + 4e −
Các phản ứng cùng một nửa cũng có thể được cân bằng với cơ sở như được liệt kê
dưới đây. Không phải tất cả các phản ứng nửa phải được cân bằng với axit hoặc bazơ. Để
thêm một nửa phản ứng, cả hai phải được cân bằng với axit hoặc bazơ. Các phản ứng
cân bằng axit chiếm ưu thế trong các dung dịch axit (pH thấp), trong khi các phản ứng
cân bằng bazơ chiếm ưu thế trong các dung dịch cơ bản (pH cao).
Cathode (giảm): 2 H 2O + 2e − → H 2 + 2OH −
1
2

Anode (oxy hóa): 2OH − → O2 + H 2O + 2e −
Kết hợp một nửa cặp phản ứng tạo ra sự phân hủy tổng thể của nước thành oxy và
hydro:
Phản ứng tổng thể: 2 H 2O → 2 H 2 + O2
Do đó, số lượng phân tử hydro được sản xuất gấp đôi số lượng phân tử oxy. Giả
sử nhiệt độ và áp suất bằng nhau cho cả hai khí, do đó khí hydro được tạo ra có thể tích
gấp đơi thể tích của khí oxy được tạo ra. Số lượng electron được đẩy qua nước gấp đôi

số phân tử hydro được tạo ra và gấp bốn lần số lượng phân tử oxy được tạo ra.
Nước tinh khiết là một chất cách điện khá tốt vì nó có độ tự động thấp,
K W = 1, 0.1014 ở nhiệt độ phịng và do đó nước tinh khiết dẫn dòng kém. Trừ khi một

tiềm năng rất lớn được áp dụng để gây ra sự gia tăng tự động hóa nước, quá trình điện
phân nước tinh khiết tiến hành rất chậm bởi độ dẫn tổng thể.
Nếu thêm chất điện phân tan trong nước, độ dẫn của nước tăng lên đáng kể. Chất
điện phân tách thành cation và anion; các anion lao về phía cực dương và vơ hiệu hóa
sự tích tụ H + tích điện dương ở đó; tương tự, các cation lao về phía cực âm và vơ hiệu
hóa sự tích tụ của OH- tích điện âm ở đó. Điều này cho phép dòng điện liên tục.
Chất điện phân cho điện phân nước
Phải cẩn thận trong việc lựa chọn chất điện phân, vì một anion từ chất điện phân
đang cạnh tranh với các ion hydroxit để từ bỏ một điện tử . Một anion điện phân có tiềm
năng điện cực ít hơn hydroxit sẽ bị oxy hóa thay vì hydroxit, và khơng có khí oxy sẽ
được tạo ra. Thay vào đó, một cation có thế điện cực chuẩn lớn hơn ion hydro sẽ bị giảm
và khơng có khí hydro nào được tạo ra.

SVTH: Đoàn Ngọc Thịnh

GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga và Th S Võ Anh Vũ

15


Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp LPG bổ sung HHO cho động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện
SAMDI S3600B-1

Các cation sau có thế điện cực thấp hơn H + và do đó thích hợp để sử dụng làm
cation điện phân: Li + , Rb + , K + , Ba 2+ , Sr 2+ , Ca 2+ , Na + và Mg 2+. Natri và lithium
thường được sử dụng, vì chúng tạo thành muối hịa tan, rẻ tiền.

Nếu một axit được sử dụng làm chất điện phân, cation là H + và khơng có đối thủ
cạnh tranh cho H + được tạo ra bằng cách tách nước. Các anion thường được sử dụng
nhất là sulfat ( SO42- ), vì nó là rất khó khăn để ơxi hóa, với tiềm năng tiêu chuẩn cho
q trình oxy hóa của ion này cho peroxydisulfate ion là 2,010 volt.
Các axit mạnh như axit sunfuric (H2SO4) và các bazơ mạnh như kali hydroxit
(KOH) và natri hydroxit (NaOH) thường được sử dụng làm chất điện giải do khả năng
dẫn điện mạnh.
Một chất điện phân polymer rắn cũng có thể được sử dụng như Nafion và khi được
sử dụng chất xúc tác đặc biệt ở mỗi bên của màng có thể phân tách hiệu quả phân tử
nước chỉ với 1,5 Volts. Ngoài ra cịn có một số hệ thống điện phân rắn khác đã được thử
nghiệm và phát triển với một số hệ thống điện phân hiện có bán trên thị trường sử dụng
chất điện phân rắn.
2.2.2. Lựa chọn phương án bình sinh khí hydroxyl
Phương án bình sinh khí HHO. Bằng cách điện phân dung dịch NaOH . Sử dụng
dòng điện 1 chiều 12 V, các điện cực là 9 tấm thép khơng gỉ.

Hình 2.1 Hệ thống bình sinh khí HHO


Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp LPG bổ sung HHO cho động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện
SAMDI S3600B-1

Nguyên lý hoạt động: dung dịch NaOH từ bình chứa xuống bộ phận điện phân có
chứa các tấm điện cực được nối với ắc quy 12V, nhờ dòng điện truyền vào các tấm điện
phân dung dịch được điện phân. Lúc này hydro sẽ xuất hiện ở cực âm (electron đi vào
trong nước ), và oxy sẽ xuất hiện ở cực dương. Theo ống dẫn khí đi vào bình nước an
tồn rồi đến thiết bị cần tiêu thụ HHO.
Phương pháp này dùng dòng điện để tách nước thành khí hydrogen và oxygen.Q
trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực. Hydrogen sinh ra ở điện cực âm và oxygen
ở điện cực dương:

Phản ứng trên cathode:

2 H 2O + 2e − → H 2 + 2OH −

Phản ứng trên anode:

1
2OH − → H 2O + O2 + 2e −
2

________________________________________________________
2H 2O + điện năng → 2H 2 + O2

Tổng quát:

Dung dịch NaOH là chất điện phân tốt, do đó độ dẫn điện của nước tăng lên đáng
kể. Chất điện phân tách thành cation và anion; các anion lao về phía cực dương và vơ
hiệu hóa sự tích tụ H + tích điện dương ở đó; tương tự, các cation lao về phía cực âm và
vơ hiệu hóa sự tích tụ của OH- tích điện âm ở đó. Điều này cho phép dịng điện liên tục.
Khơng thể điện phân trực tiếp nước nguyên chất bởi vì độ dẫn điện của nước rất
nhỏ. Độ dẫn điện riêng của nước bằng 10-3cm-1Ω-1. Cho nên khi điện phân người ta
phải cho thêm một số axit, kiềm, muối để làm tăng độ dẫn điện của dung dịch như:
H2SO4, NaOH, KOH, Na2SO4. Dung dịch axit có độ dẫn điện lớn hơn dung dịch kiềm
nhưng thực tế người ta khơng dùng vì tính ăn mịn mạnh. Dung dịch kiềm tuy độ dẫn
điện riêng có thấp hơn một chút nhưng thiết bị chỉ cần vật liệu dễ kiếm như sắt thép
thường. Bởi vậy người ta hay dùng kiềm.
• Q trình catơt
Trong q trình điện phân ở anơt oxy thốt ra cịn ở catơt hydro thốt ra. Có2 cơ
chế phóng điện tùy thuộc mơi trường.
Trong mơi trường axit hàm lượng H+ lớn nên H2 thoát ra là do H+ phóng điện, hydro

nguyên tử tạo thành hấp phụ trên bề mặt catôt:
H+ + e + Me → (H – Me)
Me: Kim loại catơt.
Vì ion hydro trong dung dịch bị hydrat hóa nên có thể viết giai đoạn phóng điện
của nó ở dạng:
H 3O + + e − + Me → ( H − Me) + H 2O
SVTH: Đoàn Ngọc Thịnh

GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga và Th S Võ Anh Vũ

17


Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp LPG bổ sung HHO cho động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện
SAMDI S3600B-1

Giai đoạn sau của quá trình, hydro nguyên tử kết hợp thành phân tử:
2( H − Me) → H 2 + 2Me

Ở điều kiện xác định, 2 giai đoạn của q trình catơt: H+ phóng điện và H2 thốt ra
có thể tiến hành đồng thời. Khi đó sẽ theo cơ cấu:
H 3O + + e − + ( H − Me) → H 2 + H 2O + Me

Trong môi trường kiềm: Nồng độ H+ và phần điện mà nó chuyển rất nhỏ cũng như
mơi trường axit mà mật độ dịng điện rất cao, H+ khơng bị khử ở catôt mà do phân tử
nước phân ly hay phóng điện thẳng để tạo thành H2:
2 H 2O + 2e + Me → H 2 + 2OH − + Me

Nếu trong dung dịch tồn tại các cation có điện thế dương hơn H2 chúng sẽ phóng
điện tạo kết tủa: Các hợp chất của Sn, Pb, Zn, Fe, Cr, Mo và một số kim loại khác và

như thế sẽ làm thay đổi điện thế H2 và các điều kiện tiến hành điện phân. Trong thực tế
thường có một lượng sắt do ăn mịn thùng điện phân cho nên trên catơt tạo thành một
lớp bột sắt.
Sự phụ thuộc của quá thế η trong phản ứng vào mật độ dòng điện ik ở mật độ dịng
điện khơng q nhỏ, được biểu diễn theo phương trình:
 =a+

R.T
.ln ik
 .F

(2.1)

Trong đó: a: Hằng số
R: Hằng số khí
T: Nhiệt độ, ᵒK
F: Số Faraday
α: Hệ số chuyển
Quá thế tỷ lệ với logarit của mật độ dòng điện: Khi tăng mật độ dịng điện, đầu
tiên nó tăng nhanh, sau đó tăng chậm dần. Do đó trong khu vực mật độ dòng điện nhỏ,
khi tăng mật độ dòng thì điện thế thùng điện phân sẽ tăng nhiều hơn trong khu vực mật
độ dòng điện lớn.
Tăng nhiệt độ cũng giảm quá thế: Khi tăng nhiệt độ lên 10 thì quá thế giảm 2 -3mV.
Một phản ứng phụ xảy ra trên catôt đáng chú ý là phản ứng khử của oxy hòa tan:
O2 + 2 H 2O + 4e − → 4OH −

Phản ứng này tiến hành ở điện thế dương hơn phản ứng tạo thành hyđro nhưng tốc
độ rất chậm, do độ hòa tan của oxy trong dung dịch kiềm nhỏ, nhất là ở nhiệt độ cao.
Bởi vậy thùng điện phân làm việc với hiệu suất dịng điện catơt lớn 97 – 98%.
• Q trình anơt

Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp LPG bổ sung HHO cho động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện
SAMDI S3600B-1

Oxy thốt ra trên anơt do sự phóng điện của OH- hay H2O. Trong mơi trường axit
ở mật độ bất kỳ cũng như trong môi trường kiềm mật độ cao thì OH- đến anơt bị hạn
chế, sự phóng điện tạo thành oxy theo giả thiết sau:
1
H 2O − 2e − → O2 + 2 H +
2

Trong môi trường kiềm ở mật độ dòng điện vừa phải OH- đến phóng điện ở anơt:
4OH − − 4e − → O2 + H 2O

Q trình oxy thốt ra trên anơt kèm theo sự oxy hóa bề mặt anơt. Bởi vậy khi điện
phân lâu, nhiều anion đến anôt không phải là thành kim loại mà thành một màng oxyt
trên bề mặt điện cực. Bản chất của lớp oxyt và độ gắn chặt giữa kim loại – oxyt ảnh
hưởng đến quá thế nên điện thế anôt trong thùng điện phân công nghiệp làm việc lâu
dương hơn trong thùng điện phân ở điều kiện thí nghiệm, sai lệch khoảng 0,15-0,18V.
Hyđro hịa tan trong dung dịch và bị oxy hóa một phần trên anơt:
H 2 + 2OH − − 2e − → 2 H 2O

Nhưng q trình này rất ít xảy ra, vì vậy hiệu suất dịng điện anơt gần 100%.
• Dung dịch
Để chọn nồng độ kiềm thích hợp cần phải biết độ dẫn điện riêng của dung dịch phụ
thuộc nồng độ kiềm như thế nào. Đường cong phụ thuộc độ dẫn điện vào nồng độ kiềm
ở các nhiệt độ khác nhau đều đi qua cực đại (hình 2.2). Khi tăng nhiệt độ, cực đại dịch
chuyển về phía nồng độ kiềm lớn. Ở 800C gần với nhiệt độ của thùng điện phân công
nghiệp độ dẫn điện cực đại ở nồng độ 22% trong dung dịch NaOH và 32% trong dung

dịch KOH. Trong thực tế, người ta dùng NaOH 16 – 18% và KOH 25 – 29%.
Như vậy độ dẫn điện riêng của dung dịch không giảm bao nhiêu, nhưng đỡ tiêu
hao kiềm, giảm độ ăn mịn mặc dù thép ăn mịn trong mơi trường kiềm rất ít, nhưng khi
tăng nồng độ kiềm thì nó tăng. Để chống ăn mòn thường người ta pha thêm 2g/l K2Cr2O7.
Ở đây ta chỉ sử dụng NaOH vì KOH đắt hơn.
• Điện cực
Khi điện phân trong dung dịch kiềm với điện cực là kim loại thuộc nhóm sắt thì
khoảng anơt chứa ít các bọt khí. Ngược lại ở catơt có rất nhiều các bọt nhỏ ở khắp chiều
dày dung dịch và làm tăng điện trở dung dịch rất rõ rệt. Hiện tượng này khơng phải do
trên catơt H2 thốt ra lớn gấp 2 lần oxy thốt ra trên anơt mà do khi điện phân, điện cực
niken hoặc sắt có điện thế catơt xa điện thế điểm khơng tích điện hơn điện thế anôt. Bởi
vậy độ thấm ướt catôt lớn hơn anơt. Vì trên catơt phân tử bề mặt mạnh hơn, do đó các
bọt khí tách ra khỏi bề mặt nhỏ hơn trên anơt.

SVTH: Đồn Ngọc Thịnh

GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga và Th S Võ Anh Vũ

19


Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp LPG bổ sung HHO cho động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện
SAMDI S3600B-1

Hình 2.2 Sự phụ thuộc độ dẫn điện riêng dd NaOH vào nồng độ ở các nhiệt độ khác
nhau
Có nhiều phương pháp chống tăng độ chứa khí của dung dịch. Ở mức độ nào đó,
tăng mật độ, hạn chế chiều cao điện cực và mật độ dòng điện sẽ giảm được độ chứa khí.
Tuy nhiên đó khơng phải là phương pháp cơ bản để giải quyết vấn đề. Để giảm độ chứa
khí người ta cấu tạo điện cực để dễ dàng thốt khí ở khoảng giữa các điện cực.

Tách khí có hiệu quả khi tuần hồn dung dịch dựa trên cơ sở tỷ trọng dung dịch
khác nhau do có các bọt khí và khơng có bọt khí. Sử dụng điện cực kép, bao gồm 2 tấm
gắn liền với nhau, có khe hở khơng lớn, chỉ có bề mặt ngồi là làm việc, bề mặt bên
trong khơng làm việc. Dung dịch giữa các tấm đó khơng có bọt khí. Tỷ trọng dung dịch
ở phía ngồi nhẹ hơn tỷ trọng dung dịch ở giữa 2 tấm vì chúng có bọt khí.
Dung dịch giữa 2 tấm có hướng đi xuống và dung dịch phía ngồi có hướng đi lên.
Chúng sẽ tạo thành dịng đối lưu, mang các bọt khí khỏi dung dịch và làm giảm độ chứa
khí.
Ngồi ra cịn có loại điện cực cửa chớp. Cấu tạo loại này là để phân chia sản phẩm
điện cực trong thùng khơng có màng. Nhưng khi điện phân dung dịch kiềm, những khí,
đặc biệt là khí hydro ở khắp thể tích dung dịch dưới dạng bọt nhỏ (mù). Cho nên điện
phân trong thùng này khơng được khí tinh khiết.
2.2.3. Tính tốn thiết kế bình sinh khí hydroxyl
a) Tiêu tốn nước cho điện phân
Phản ứng anơt và catơt của q trình điện phân có thể biểu diễn dưới dạng:
2𝐻2 𝑂 + 2𝑒 → 𝐻2 + 2 𝑂𝐻 −
2𝑂𝐻 − − 2𝑒 → 𝐻2 𝑂 +

1
2

𝑂2


Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp LPG bổ sung HHO cho động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện
SAMDI S3600B-1

𝐻2 𝑂 → 𝐻2 +

1

𝑂
2 2
3

3

Theo lý thuyết để tạo thành 1m H2 và 0,5m O2 ở điều kiện tiêu chuẩn cần
18.1000/22,4 = 804g H2O. Thực tế, do bốc hơi và mất mát khác, tiêu tốn đến 900 –1000g
3

cho 1m H2. Nước phải rất tinh khiết nếu khơng chúng sẽ tích lũy các tạp chất trong
thùng điện phân. Dựa trên các tài liệu thực tế, tiêu tốn KOH khoảng 2 -3g, NaOH khoảng
3

1,3 – 1,8g cho 1m H2. Biến thiên năng lượng tự do của phản ứng tạo thành nước từ
hyđro và oxy khí ở điều kiện tiêu chuẩn bằng:
E0 =

G 0
= 1, 23V
2.23, 06

(2.2)

Nghĩa là E0 = a − k = 1, 23V
Sức điện động của pin hyđro – oxy không phụ thuộc vào pH dung dịch nhưng tăng
khi tăng áp suất khí.
Do đó điện thế phân hủy của nước không phụ thuộc vào pH dung dịch. Khi tăng
nhiệt độ từ 25 đến 800C điện thế phân hủy của nước giảm từ 1,23 đến 1,18V. Điện thế
thùng điện phân công nghiệp thường là 2,1 - 2,5V. Cho nên hệ số sử dụng điện thế là

gần 50%
b) Lượng khí được sinh ra
Sử dụng Định luật đầu tiên của Faraday để tính tốn sản lượng tối đa theo lý thuyết
của khí HHO:
V=

R.I .T .t
F .p.z

(2.3)

Trong đó:
V Thể tích của khí (lít)
R Hằng số lý tưởng R= 0.0820577 l.atm/(mol.K)
I Cường độ dòng điện (A)
T Nhiệt độ ( 0 K )
t Thời gian (s)
F Hằng số faraday F = 96485 Coulombs/mol
p Áp suất xung quanh (atm)
z Số electron thừa (2 đối với H 2 , 4 đối với O2 )
Các thơng số tính theo điều kiện tại phịng thí nghiệm , ta lính lượng khí sinh ra
trong 1 giây.
SVTH: Đồn Ngọc Thịnh

GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga và Th S Võ Anh Vũ

21


Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp LPG bổ sung HHO cho động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện

SAMDI S3600B-1

I = 35,6 A
T = 306 0 K ( 33 0C )
P = 1 atm
Lượng khí HHO sinh ra: VHHO = VH + VO
2

VH 2 + VO2 =

2

0, 0820577.35, 6.306.1 0, 0820577.35, 6.306.1
+
= 0, 004632(l)
96485.1.4
96485.1.2

2.2.4. Chế tạo bình sinh khí hydroxy cung cấp cho động cơ
a) Sơ đồ hệ thống bình sinh khí hydroxy
7

9

8

6

5
4

2
1
3

Hình 2.3 Sơ đồ bình sinh khí HHO
1- Bình ắc quy; 2- Dây dẫn điện; 3- Thiết bị điện phân; 4- Ống dẫn dung dịch điện
phân; 5- Bình chứa dung dịch điện phân; 6- Ống dẫn khí HHO; 7- Đầu ra HHO; 8- Bình
chứa HHO; 9- Ống dẫn khí HHO.
b) Ắc quy

Hình 2.4 Bình ắc quy
* Cấu tạo:


Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp LPG bổ sung HHO cho động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện
SAMDI S3600B-1

- Bình ắc quy axit gồm vỏ bình, bên trong có các ngăn riêng. Số ngăn tùy thuộc
vào điện áp định mức bình:
Ắc quy 12V có 6 ngăn.
- Vỏ bình:
+ Chế tạo từ các loại nhựa ebonit, axphantopec.
+ Để tăng độ bền vững và khả năng chịu axit, người ta ép vào bên trong bình một
lớp lót chịu axit dày 0,6 mm bằng poluclovinlim để làm tăng tuổi thọ vỏ bình.
+ Phía trong vỏ chia thành những vách ngăn riêng biệt, ở đáy mỗi ngăn có 4 sống
đỡ khối bản cực tạo thành khoảng trống để tránh được hiện tượng chạm chập do sunfat
lead tạp ra khi xả.
+ Các ngăn ắc quy được nối tiếp với nhau bằng cầu nối.
- 2 Điện cực +, - từ Cell đầu và Cell cuối battery.

- Dung dịch điện phân: H2SO4 + nước.
- Tấm lưới điện cực: Tạo độ bền cần thiết cho điện cực, mặt khác nó tập trung dịng
điện làm giảm điện trở cho điện cực.
- Mỗi ngăn (Cell) gồm vài điện bản cực âm và dương, từ chì ngun chất và oxit
chì có độ xốp và độ bền cao để điện dung ắc quy lớn và tuổi thọ đảm bảo.
- Khối bản cực và xen kẽ cách điện với nhau qua qua tấm ngăn có độ xốp cao. Các
bản cực cùng loại (+, -) được hàn vào vấu cực theo số lượng quy định và tạo thành khối
bản cực.
Cấu tạo một cell của quy axit - lead acid battery
A lead-acid cell cấu tạo gồm: Điện cực (anode + cathode) và chất điện phân.
- Cực âm: anode (bản cực làm từ chì – lead - Pb).
- Cực dương: cathode (Bản cực làm từ oxit chì - lead dioxide- PbO2).
- Thông thường các tấm cực dương, âm của battery không bằng nhau.
- Tấm ngăn cách điện giữa 2 điện cực phải có độ thẩm thấu lớn. Một mặt phẳng
hướng về phí cực âm, mặt cịn lại có hình sóng hoặc gồ hướng về cực dương.
- Nước cất + H2SO4 được pha chế theo nồng độ quy định phụ thuộc vào điều kiện
khí hậu mùa và vật liệu làm tấm ngăn. Nồng độ của ắc quy có thể từ 1,21g/cm3 đến
1,31g/ cm3.
* Nguyên lý:
- Phóng điện
+ Tại cực âm: Pb
Pb trong dd điện phân Pb2+ + 2e- (cọc âm có rất nhiều e)
+ Tại cực dương: PbO2
SVTH: Đoàn Ngọc Thịnh

GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga và Th S Võ Anh Vũ

23

Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp LPG bổ sung HHO cho động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện
SAMDI S3600B-1

PbO2 + H 2O → Pb 4+ + OH − (nhiễm điện dương)

+ Cực âm dư e, cực dương thiếu e. Nếu nối dây dẫn qua 2 cực qua 1 bóng đèn tạo
dịng điện, bóng đèn phát sáng.
Khi đó: Battery phóng điện chì sunfat được hình thành ở hai điện cực tạo nước làm
cho nồng độ dung dịch và sức điện động ắc quy giảm dần.
- Nạp điện
Có khí thốt ra từ hai điện cực.
Bản cực dương nối với nguồn điện có PbO2, bản cực cịn lại có Pb, đồng thời gây
hụt nước do thốt khí thì phải thêm nước cất.
c) Thiết bị diện phân

6

7

8

5
4
3
2
4
6

1

4
3

1

Hình 2.5 Thiết bị điện phân

8


Thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp LPG bổ sung HHO cho động cơ đánh lửa cưỡng bức kéo máy phát điện
SAMDI S3600B-1

1 – Mặt bích; 2 – Tấm điện cực trung gian; 3 – Tấm điện cực dương; 4 – Tấm
điện cực âm; 5 – Đệm su; 6 – Vít cố định; 7 – Đầu vào dung dịch điện phân; 8 – Đầu
ra khí HHO.
Nhiệm vụ điện phân dung dịch ra khí HHO
* Cấu tạo: bình chứa dung dịch, ống dẫn dung dịch, van dẫn dung dịch vào, van
dẫn khí ra, 9 tấm điện cực, 11 vịng xu đệm ngăn cách các tấm điện cực, 2 mặt bích bằng
mê ca trong.
* Nguyên lý:
Dung dịch NaOH là chất điện phân tốt, do đó độ dẫn điện của nước tăng lên đáng
kể. Dung dịch điện phân từ bình chứa dung dịch điện phân theo ống dẫn xuống thiết
bị. Ở đây dung dịch qua các lỗ trên các tấm điện cực làm đầy thiết bị, có 9 tấm điện cực
2 tấm điện cực âm nằm ngoài cùng, 1 tấm điện cực dương nằm chính giữa, 6 tấm điện
cực trung gian nằm giữa các tấm điện cực âm và tấm điện cực dương tạo nên 8 ngăn
điện áp ở mỗi ngăn sẽ là 1,5V. Chất điện phân tách thành cation và anion; các anion lao
về phía cực dương và vơ hiệu hóa sự tích tụ H + tích điện dương ở đó; tương tự, các
cation lao về phía cực âm và vơ hiệu hóa sự tích tụ của OH tích điện âm - ở đó. Điều này
cho phép dịng điện liên tục.

Phản ứng trên cathode:

2 H 2O + 2e − → H 2 + 2OH −

Phản ứng trên anode:

1
2OH − → H 2O + O2 + 2e −
2

Kết hợp một nửa cặp phản ứng tạo ra sự phân hủy tổng thể của nước thành oxy và
hydro:
Phản ứng tổng thể:

2H 2O + điện năng → 2H 2 + O2

c) Bình an tồn.

SVTH: Đồn Ngọc Thịnh

GVHD: GS.TSKH Bùi Văn Ga và Th S Võ Anh Vũ

25