Nghiên cứu chế tạo thiết bị tạo khí HHO làm nhiên liệu cho động cơ xe gắn máy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

-----------***-----------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ TẠO KHÍ HHO LÀM
NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ XE GẮN MÁY

SVTH: NGUYỄN ĐÀI
MSSV: 13145066
SVTH: NGUYỄN KHẮC THẮNG
MSSV: 13145245
GVHD: TS. TRẦN THANH THƯỞNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

-----------***-----------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chun ngành: Cơng Nghệ Kỹ Thuật Ơ Tơ

Tên đề tài
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ TẠO KHÍ HHO LÀM
NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ XE GẮN MÁY

SVTH: NGUYỄN ĐÀI
MSSV: 13145066
SVTH: NGUYỄN KHẮC THẮNG
MSSV: 13145245
GVHD: TS. TRẦN THANH THƯỞNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt bốn tháng làm đồ án khó khăn và vất vả, nhóm chúng em xin gửi lời
cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đối với các thầy cô của trường Đại học Sư phạm
Kỹ thuật, đặc biệt là các thầy cơ khoa Cơ khí động lực của trường đã tạo điều kiện cho
nhóm có thể hồn thành tốt đồ án này. Nhóm cũng chân thành gửi lời cảm ơn đến Thầy
TS. Trần Thanh Thưởng đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ nhóm hồn thành đồ án này.
Cuối cùng cũng không quên gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè và người thân đã ln
giúp đỡ động viên khi nhóm gặp khó khăn, cảm ơn chính bản thân mỗi cá nhân trong
nhóm đã cùng nhau hồn thành tốt đồ án.
Trong q trình tìm kiếm tài liệu, làm đồ án cũng như quá trình chế tạo thiết bị,
các thành viên trong nhóm khó tránh khỏi sai sót, rất mong các Thầy, Cơ bỏ qua. Đồng
thời do trình độ dịch thuật cũng như kinh nghiệm thực tiễn cịn hạn chế nên bài báo cáo
khơng thể tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót, nhóm rất mong nhận được ý kiến đóng
góp Thầy, Cơ để nhóm có thêm được nhiều kinh nghiệm sau khi ra trường.
Nhóm xin chân thành cảm ơn!

i


TÓM TẮT
Đồ án này nghiên cứu các vấn đề liên quan đến cách thức để tạo ra nguồn khí

HHO, những điều kiện để hình thành cũng như thu thập khí HHO với hiệu suất cao, ít
tốn năng lượng.
Các vấn đề mà nhóm nghiên cứu bao gồm:
Thực trạng về vấn đề ô nhiễm môi trường chung hiện nay, nguyên nhân vì sao
hiện nay trên thế giới đang quan tâm đến nguồn nhiên liệu mới, sạch, thân thiện với mơi
trường?
Khí HHO là gì, đặc điểm nổi bật nào của khí HHO có thể thay thế nguồn nhiên
liệu hóa thạch?
Điện phân nước là gì? Cấu trúc phân tử của nước, điều kiện để hình thành và tạo
ra khí HHO.
Có 2 hướng nhóm đã phân loại để tiếp cận đề tài: “Phương pháp điện phân tương
tác vật lý” và “Phương pháp điện phân tương tác hóa học”.
Sau q trình tìm hiểu và thực hiên đề tài, nhóm đã giải quyết các mục tiêu đã đề
ra ban đầu, giải quyết từng bước và đặt ra những vấn đề mới giúp cho bài đồ án mang
tính logic và hồn thiện hơn. Q trình tìm hiểu đề tài thơng qua các tài liệu trong nước
và ngồi nước, nguồn kiến thức mà giảng viên hướng dẫn đã tích lũy nhiều năm có giúp
ích rất nhiều cho nhóm trong thời gian làm đồ án. Những điều mà nhóm làm được trong
đề tài:
Nắm rõ kiến thức không chỉ về chuyên ngành mà cịn về nhiều vấn đề xã hội
khác.
Giải thích được quá trình điện phân nước, và giới thiệu một lý thuyết điện phân
mới dùng tương tác vật lý để phân tách phân tử nước có hiệu suất điện phân rất cao. Từ
đó tìm được hướng giải quyết hợp lý cho giải pháp tạo ra thiết bị tạo khí HHO sử dụng
ít năng lượng hơn so với phương pháp truyền thống.

ii


Chế tạo được thiết bị tạo khí HHO theo mục tiêu mà nhóm hướng đến. Vì một số
lý do chủ quan cũng như khách quan mà hiệu suất cũng như chất lượng của thiết bị

khơng giống hồn tồn như lý thuyết đã nói đến. Hiệu suất điện phân là quá thấp cao
nhất chỉ 37,8% so với hiệu suất 100% theo định luật Faraday. Tuy nhiên nhóm đã đạt
được một số khía cạnh của lý thuyết là sự hạn chế cường độ dòng điện trong một khoảng
tần số nhất định và biết được sự rò rỉ điện nước ảnh hưởng rất lớn đến hiệu ứng tích lũy
điện áp trên các tế bào điện phân.

iii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................1
TÓM TẮT ..................................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH ......................................................................................... viii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỂ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU .........................................1
1.1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................1
1.2. Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu ..............................................................4
1.3. Các nghiên cứu điện phân tạo khí HHO ...........................................................4
1.3.1. Điện phân truyền thống................................................................................5
1.3.2. Điện phân dùng xung điện áp cực ngắn .....................................................5
1.3.3. Điện phân dùng xung điện áp kết hợp cộng hưởng điện ..........................5
1.3.4. Điện phân dùng xung điện áp DC biên độ cao, hạn chế cường độ dòng
điện kết hợp cộng hưởng điện................................................................................6
1.3.5. Điện phân dùng xung điện áp DC biên độ thấp kết hợp cộng hưởng điện
..................................................................................................................................6
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................8
2.1. Khí HHO là gì ......................................................................................................8
2.2. Ưu nhược điểm của khí HHO ............................................................................9
2.3. Phương pháp điện phân tương tác hóa học với phân tử nước .....................10
2.3.1. Định nghĩa điện phân tương tác hoá học ..................................................10

2.3.2. Mơ hình ........................................................................................................10
2.3.3. Cơ chế...........................................................................................................10
2.3.4. Điều khiển q trình điện phân.................................................................11
2.3.5. Phương trình ...............................................................................................11
2.3.6. Nhiệt động lực học ......................................................................................11
2.3.7. u cầu năng lượng ....................................................................................15
2.4. Tính tốn tốc độ sinh khí để chạy động cơ. ....................................................16
2.5. Phương pháp điện phân tương tác vật lý với phân tử nước .........................16
2.5.1. Định nghĩa điện phân tương tác vật lý .....................................................16
iv


2.5.2. Cơ chế...........................................................................................................16
2.5.3. Mơ hình ........................................................................................................17
2.5.4. Quy trình phân cực điện ............................................................................18
2.5.5. Mạch khuếch đại điện áp VIC (Voltage Intensifier Circuit) ..................18
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG THIẾT BỊ TẠO KHÍ HHO ..........................................28
3.1. Bình điện phân...................................................................................................28
3.2. Mạch điện tử tạo xung dao động .....................................................................30
3.2.1. Cấu tạo của IC 555 .....................................................................................33
3.2.2. Các chức năng của IC 555..........................................................................34
3.2.3. Cấu tạo của IC 74LS90...............................................................................35
3.2.4. Cấu tạo IC 74LS74......................................................................................36
3.2.5. Cấu tạo và chức năng của IC 74LS08 .......................................................36
3.2.6. Cấu tạo của Mosfet IRFP460 .....................................................................38
3.3. Mạch điện tử tạo xung dao động thực tế ........................................................39
3.4. Cuộn cảm tích điện cộng hưởng ......................................................................40
CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM THIẾT BỊ TẠO KHÍ HHO ..................................41
4.1. Dụng cụ thí nghiệm ...........................................................................................41
4.2. Sơ đồ kết nối mạch điện của các thí nghiệm ...................................................41

4.3. Kết quả thí nghiệm ............................................................................................42
4.3.1. Với điện áp đầu vào 12,5V .........................................................................42
4.3.2. Với điện áp đầu vào 24V ............................................................................46
4.4. Nhận xét .............................................................................................................47
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................49
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................51

v


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
A/G: Biến áp xung.
B: diode chặn.
A: cuộn dây thứ cấp.
aq: trạng thái ion của nước.
C: cuộn cảm tích điện cộng hưởng.
DC: dịng điện khơng đổi hướng.
o
ECell
: điện áp áp dụng trên tế bào điện phân lý tưởng (V).

ECell : điện áp áp dụng thực tế trên tế bào điện phân (V).
Eη: quá thế (V).
EThermoneutral: thế nhiệt độ trung lập (V).
EAnode: quá thế hoạt kích hoạt của Anode (V).
ECathode: quá thế hoạt kích hoạt của Cathode(V).
Emt: quá thế vận chuyển khối lượng như vận chuyển ion qua lớp điện tích kép,
vận chuyển khí thốt ra tại bản cực (V).
El / E2: điện cực dương và âm của tế bào điện phân.
ER: tụ điện với dung môi là nước (tế bào điện phân).

f: tần số cộng hưởng (Hz).
fC: tần số dao động của tụ điện ER (Hz).
fL: tần số dao động của cuộn cảm tích điện cộng hưởng (Hz).
F: hằng số Faraday, F = 96485,34 C.mol-1.
g: trạng thái khí.
vi


G: năng lượng tự do Gibbs (kJ/mol).
H: enthalpy của hệ điện phân (kJ/mol).
IR: quá thế do điện trở (R là điện trở của tế bào gồm: điện cực, dung dịch điện
phân) (V).
l: trạng thái lỏng.
n: số electron trao đổi trong quá trình điện phân.
P: áp suất của hệ điện phân (atm).
R = 8,314 J.mol-1.K-1 là hằng số khí lý tưởng.
S: entrolpy của hê điện phân (J/mol K).
U: nội năng của hệ điện phân (kJ/mol).
T: nhiệt độ của hệ điện phân (K).
V: thể tích của hệ điện phân (lít).
VT: điện áp tổng hai đầu cuộn cảm tích điện cộng hưởng và tế bào điện phân (V).
VC: điện áp hai đầu tế bào điện phân (V).
VL: điện áp hai đầu cuộn cảm tích điện cộng hưởng (V).
VIC (Voltage Intensifier Circuit) : Mạch khuếch đại điện áp.
XC: trở kháng của tế bào điện phân ().
XL: trở kháng của cuộn cảm tích điện cộng hưởng ().
Z: trở kháng của mạch điện phân ().
ΔAo: năng lượng tự do Helmholtz ở điều kiện chuẩn (kJ/mol).
ΔGo: biến đổi năng lượng tự do Gibbs dưới điều kiện tiêu chuẩn (kJ/mol).
H: biến đổi enthalpy của hệ (kJ/mol).

vii


∆n: tổng số mol khí được sinh ra trong quá trình điện phân.
S: biến đổi entrolpy của hệ (J/mol K).
εmax hiệu suất lý tưởng trong quá trình điện phân.
: hiệu suất thực tế của tế bào điện phân.
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Biểu đồ nhiệt độ qua từng năm theo thống kê của NASA. ..............................1
Hình 1.2 Đồ thị nồng độ CO2 trong khơng khí. ..............................................................2
Hình 2.1 Cấu trúc ngun tử của phân tử nước [4]. ........................................................8
Hình 2.2 Mơ hình điện phân hóa học nước. ..................................................................10
Hình 2.3 Mơ hình điện phân tương tác vật lý với phân tử nước. ..................................17
Hình 2.4 Mạch khuếch đại điện áp (AA). .....................................................................18
Hình 2.5 Sự phân phối điện dung của cuộn cảm. ..........................................................19
Hình 2.6 Mạch cộng hưởng LC. ....................................................................................20
Hình 2.7 Sơ đồ lắp đặt mạch khuếch đại điện áp. .........................................................21
Hình 2.8 Dạng sóng điều khiển cuộn sơ cấp. ................................................................22
Hình 2.9 Hiệu ứng bước sạc trên tụ điện ER. ................................................................22
Hình 2.10 Dạng sóng của cuộn sơ cấp. .........................................................................23
Hình 2.11 Dạng sóng tạo bởi hai cuộn cảm tích điện cộng hưởng. ..............................23
Hình 2.12 Dạng sóng áp dụng trên tụ điện ER. .............................................................24
Hình 2.13 Điện áp thực hiện cơng việc. ........................................................................24
Hình 2.14 Quá trình phân cực điện. ..............................................................................26
Hình 2.15 Trạng thái của phân tử nước khi tụ điện ER từng bước tích lũy điện áp. ....26
Hình 3.1 Sơ đồ khối tổng thể của mơ hình. ...................................................................28
Hình 3.2 Các điện cực sau khi được kết nối với nhau. ..................................................29
Hình 3.3 Bình chứa nước...............................................................................................29
Hình 3.4 Bình điện phân sau khi hồn thành. ...............................................................30
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý phần tạo xung dao động. .....................................................31

Hình 3.6 Sơ đồ tải. .........................................................................................................32
viii


Hình 3.7 Sơ đồ chân của IC 555. ...................................................................................33
Hình 3.8 Sơ đồ chân của IC 74LS90. ............................................................................35
Hình 3.9 Sơ đồ chân IC 74LS74....................................................................................36
Hình 3.10 IC 74LS08 ....................................................................................................36
Hình 3.11 Sơ đồ chân 74LS08.......................................................................................37
Hình 3.12 Mosfet IRFP460 ...........................................................................................38
Hình 3.13 Sơ đồ chân Mosfet IRFP460 ........................................................................38
Hình 3.14 Mạch tao xung dao động sau khi hồn thành. ..............................................39
Hình 3.15 Cuộn cảm tích điện cộng hưởng. ..................................................................40
Hình 4.1 Sơ đồ kết nối mạch điện cho thí nghiệm 1 .....................................................41
Hình 4.2 Sơ đồ kết nối mạch điện cho thí nghiệm 2. ....................................................42
Hình 4.3 Sơ đồ kết nối mạch điện cho thí nghiệm 3. ....................................................42
Hình 4.4 Khí HHO sinh ra. ............................................................................................43
Hình 4.5 Kết quả đo đạt cường độ dịng điện và điện áp. .............................................43
Hình 4.6 Kết quả đo đạt cường độ dịng điện và điện áp. .............................................44
Hình 4.7 Kết quả đo đạt cường độ dòng điện và điện áp. .............................................45
Hình 4.8 Kết quả đo đạt cường độ dịng điện và điện áp. .............................................46
Hình 4.9 Khí HHO sinh ra khi điện phân. .....................................................................46

ix


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỂ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Lý do chọn đề tài
Trái Đất đang nóng dần lên. Đó là câu nói đang trở nên “phổ biến” trong nhiều năm
trở lại đây. Chúng ta nhận thấy sự nóng lên của Trái Đất đơn giản nhất qua biểu đồ nhiệt

độ qua từng năm theo thống kê của NASA.

Nhiệt độ biến đổi (oC)

Ước tính trung bình tồn cầu dựa trên dữ liệu trên đất liền và đại dương

Hình 1.1 Biểu đồ nhiệt độ qua từng năm theo thống kê của NASA.
Nguyên nhân chính của sự nóng lên tồn cầu hiện nay là do sự gia tăng lượng khí
CO2 trong khí quyển. Lượng khí này gây ra hiện tượng nhà kính khiến cho lượng nhiệt bức
xạ từ mặt trời được hấp thụ, chính lượng nhiệt này làm cho nhiệt độ bầu khí quyển Trái
Đất tăng lên.
Các tổ chức trên thế giới, đặc biệt là Liên Hiệp Quốc từ lâu đã quan tâm tới vấn đề
này, điển hình là Hội nghị liên hiệp quốc về Biến đổi khí hậu (UNCED) của hơn 194 nước
đã đi tới kết quả là kí kết được Cơng ước khung của liên hiệp quốc về biến đổi khí hậu
(UNFCCC) vào năm 1994. Hằng năm, Liên Hiệp Quốc đều đặn tổ chức các cuộc hội nghị
về Biến đổi Khí hậu (COP). Tuy nhiên tình hình giảm phát thải CO2 vẫn không khả quan.
Theo thống kê mới nhất của tổ chức Khí tượng thế giới WMO hàm lượng CO2 trong khí
quyển Trái Đất hiện nay đã vượt qua ngưỡng 400ppm, và theo các nhà nghiên cứu sẽ rất
khó để lượng CO2 trong hành tinh giảm xuống mức đó 1 lần nữa.

1


Nồng độ CO2 vượt mức 400ppm

Hình 1.2 Đồ thị nồng độ CO2 trong khơng khí.
Trên biểu đồ, giá trị 400ppm được các nhà khoa học về khí hậu quy ước vạch đứt
màu cam là giá trị không thể vượt qua.
Theo số liệu trên trang Wikipedia, các cường quốc về công nghiệp cũng như các
nước đứng đầu về dân số là ngun nhân chính đóng góp hơn 68,2% tổng lượng phát thải

CO2 trên thế giới.
Với lượng phát thải khí khí CO2 cao ngất ngưỡng như vậy hiện nay, việc giảm số
lượng khí thải này vào khí quyển là một nhiệm vụ cấp bách. Một trong số vấn đề phát sinh
khí CO2 lớn nhất nhì hiện nay là từ các phương tiện di chuyển như ô tô, xe máy… Trên
thế giới hiện nay đã áp dụng tiêu chuẩn khí thải EURO 6 cho các phương tiện giao giao
thơng. Cịn đối với Việt Nam vẫn còn đang áp dụng chuẩn EURO 2 trong vòng nhiều năm
qua. Tuy nhiên Việt Nam đã dần quan tâm tới thực trạng ơ nhiễm khí thải hơn, bằng chứng
là các doanh nghiệp đã bắt đầu bán ra thị trường loại xăng RON 95 – IV chuẩn EURO 4.
Dù đạt chuẩn cao hơn nhưng bản chất thì loại nhiên liệu này vẫn phát thải khí CO2 ra ngồi
mơi trường.

2


Xe điện là một hướng phát triển bền vững nhất tuy nhiên do vấn đề về nguồn điện
di động trên xe không lưa trữ được nhiều và thời gian nạp điện dài nên quãng đường đi
ngắn, nếu thay đổi nguồn điện mà khơng cần chờ nạp điện thì cần có rất nhiều trạm thay
thế giống như các trạm xăng do đó phải tốn đầu tư vào cơ sở hạ tầng. Do đó, xe điện chỉ
thịnh hành ở một số nước phát triển. Pin nhiên liệu cũng là một hướng phát triển nhiên liệu
mới rất bền vững, tuy nhiên giá thành và tuổi thọ của pin là một vấn đề lớn đối với xu
hướng này.
Ngồi ra cịn có vấn đề về nguồn nhiên liệu hóa thạch dự trữ đang dần cạn kiệt hiện
nay. Cũng bởi nguồn năng lượng hóa thạch mất hàng ngàn năm mới hình thành. Trong khi
đó nhu cầu sử dụng nhiên liệu của con người khơng có dấu hiệu giảm, vả lại nhiên liệu hóa
thạch đang là nguồn cung cấp chính cho mọi hoạt động trên Trái Đất, chỉ có một số rất rất
ít sử dụng năng lượng gió, mặt trời để thay thế… Ngày nay việc cải tạo động cơ chạy bằng
dầu diesel sang chạy bằng khí nén thiên nhiên CNG đang là xu hướng mới ở nước ta bằng
chứng là ngày càng có nhiều tuyến xe buýt tại thành phố Hồ Chí Minh đang chạy bằng
nhiên liệu khí CNG do trữ lượng của khí vẫn cịn rất nhiều,…tuy nhiên vấn đề ơ nhiễm vẫn
cịn đặt ra với loại khí này.

Chính vì những lý do như trên mà nhóm nghĩ rằng phải thay đổi nhiên liệu hóa thạch
bằng nhiên liệu HHO. Với mong muốn giảm thiểu ô nhiễm mơi trường và mong muốn các
tổ chức chính phủ quan tâm hơn tới ngồn năng lượng mới là lý do mà nhóm ấp ủ dự án:
“Nghiên cứu, chế tạo thiết bị tạo khí HHO làm nhiên liệu cho động cơ xe gắn máy”.

3


Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu
Vì những lý do đã nêu trên, đề tài “Nghiên cứu chế tạo thiết bị tạo khí HHO làm
nhiên liệu cho động cơ xe máy” được lựa chọn với mục tiêu nghiên cứu một lý thuyết
điện phân mới có hiệu suất điện phân cao nhằm giảm yêu cầu điện năng trong quá trình
điện phân. Đồng thời chế tạo một mơ hình mơ tả thực nghiệm một phần lý thuyết và tìm
hướng phát triển. Mơ hình thiết bị tạo ra khí HHO dựa trên ngun lý điện phân nước (quá
trình điện phân nước hình thành hỗn hợp khí Hydro và Oxy, hỗn hợp khí này, cịn được
gọi ngắn gọn là khí HHO) - nguồn tài nguyên sạch và là phân tử chiếm phần lớn trên Trái
Đất.
Theo nhóm, có 2 hướng để tiếp cận đề tài: “Phương pháp điện phân tương tác vật
lý” và “Phương pháp điện phân tương tác hóa học”. Nhóm sẽ phân tích từng đặc điểm của
từng phương pháp để từ đó chọn ra phương pháp theo nhóm là hay nhất, tốt nhất để áp
dụng cho thiết bị. Phương pháp mà nhóm tập trung nghiên cứu ở đây là “Phương pháp điện
phân tương tác vật lý” mà nhóm sẽ phân tích ở chương sau.
Phương pháp điện phân tương tác hóa học là dùng dịng điện khơng đổi (DC) ưu
điểm của phương pháp này là đơn giản dễ thực hiện, tuy nhiên nhược điểm năng lượng tổn
thất lớn do đó hiệu quả điện phân không cao. Việc ứng dụng phương pháp điện phân mới
“phương pháp điện phân tương tác vật lý sử dụng xung điện áp DC kết hợp cộng
hưởng điện” có hiệu suất điện phân cao mở ra một con đường mới cho việc giải quyết vấn
đề nhiên liệu và ô nhiễm không khí.
Những cơng việc cơ bản để thực hiện đề tài:
1. Tiềm hiểu lý thuyết điện phân nước, các phương pháp điện phân hiệu quả cao

nhằm tăng lượng khí HHO tạo ra sao cho tiết kiệm năng lượng điện nhất;
2. Tiến hành tạo ra sản phẩm “thiết bị sản xuất khí HHO”;
3. Thực nghiệm đo kết quả tạo khí HHO của thiết bị.
Các nghiên cứu điện phân tạo khí HHO
Trên thế giới đã phát triển lý thuyết điện phân nước để tạo hỗn hợp khí HHO từ
nhiều năm nay, cho ra nhiều đề tài có giá trị thực tiễn, có thể ứng dụng được. Ngay cả Việt
Nam cũng đã nghiên cứu và ứng dụng thành cơng thiết bị tạo khí HHO hỗ trợ cho ngư dân
trên tàu đánh cá để tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải khí ơ nhiễm. Công nghệ mà Việt
4


Nam ứng dụng là tách khí hydro trộn vào nhiên liệu diezen để sử dụng trong động cơ
diezen, làm tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường Thực tế, thử
nghiệm tại tàu cá ngư dân Bình Định, mức tiêu hao nhiên liệu trong 1 giờ giảm được 4,98
lít/giờ (16,6%); nếu tính trên 1 hải lý là 0,56 lít/hải lý (17,5%) và tổng số nhiên liệu khi thử
nghiệm trên cùng một hành trình giảm được 22 lít dầu (tương đương khoảng 17,6%) [1].
Ngồi ra cịn có một vài cá nhân tự mình nghiên cứu và thử nghiệm, đơn cử như ông Vũ
Hồng Khánh chế tạo thành công thiết bị ứng dụng cho máy hàn sử dụng khí HHO, nhưng
chưa thể ứng dụng rộng rãi do cịn một vài hạn chế về công nghệ, nguồn vốn cũng như vấn
đề an toàn trong khâu tách và sử dụng khí HHO.
Các nghiên cứu của các nhà khoa học Việt Nam đều dựa trên lý thuyết điện phân
của thế giới, có rất nhiều cách để tách khí HHO từ nước, nhóm sẽ trình bày một vài cách
như sau:
Điện phân truyền thống
Là dùng dòng điện DC đặt lên hai đầu điện cực với giá trị điện áp nhỏ khoảng 1,5 2V và cường độ dòng điện qua dung dịch điện phân lớn để tăng quá trình phân hủy nước.
Nhược điểm của phương pháp điện phân này là nếu yêu cầu sản lượng khí sinh ra lớn thì
cường độ dịng điện cần lớn do đó tổn thất nhiệt rất lớn làm giảm hiệu suất điện phân, hơn
nữa việc giới hạn khả năng khuếch tán ion đến các điện cực trong quá trình điện phân cũng
có sự ảnh hưởng lớn.
Điện phân dùng xung điện áp cực ngắn

Có thể hạn chế được giới hạn khuếch tán này. Bằng cách dùng một xung điện áp
DC có chu kỳ cực ngắn khoảng vài ns làm cho lớp điện tích kép (hình thành khi các pha
tiếp xúc nhau như kim loại – kim loại, kim loại – dung dịch,.. ) chưa kịp hình thành, do đó
khuếch tán ion không bị giới hạn và hiệu suất điện phân được nâng cao [2].
Điện phân dùng xung điện áp kết hợp cộng hưởng điện
Được Henry K Puharich phát minh, phương pháp của ông bắt đầu từ cấu trúc phân
tử của nước tứ điện khơng đều (các góc liên kết 109o18’ và 104o), ơng kích hoạt các phân
tử nước bằng sóng điện để thay đổi góc liên kết 104° thành cấu hình hình học tứ diện
109°18’, việc thay đổi này có ý nghĩa rất quan trọng: thứ nhất làm mất ổn định cấu trúc
phân tử nước do đó có thể bẻ gãy liên kết cộng hóa trị khi đạt đúng tần số cộng hưởng; thứ
hai làm tăng sự phân cực của phân tử nước các cặp electron dùng chung liên kết chặt chẽ
5


hơn với nguyên tử oxy làm cho liên kết cộng hóa trị bị yếu đi (các ngun tử oxy tích điện
âm hơn và các nguyên tử hydro tích điện dương hơn). Các sóng điện có bốn dải tần số khác
nhau được cung cấp vào tế bào điện phân, theo ông các nguyên tử hidro hay các electron
ở bốn đỉnh của phân tử nước sẽ cộng hưởng với một trong dải tần số này. Và ông tin rằng
sự kết hợp của các lực đẩy kéo ở các điện cực đối với các nguyên tử hay elcetron cùng với
tần số cộng hưởng sẽ cùng nhau để phá vỡ phân tử nước thành các thành phần hydro và
các nguyên tử oxy của nó. Với cách điện phân này ơng có thể đạt hiệu suất gần 100%. [3]
Điện phân dùng xung điện áp DC biên độ cao, hạn chế cường độ dòng điện
kết hợp cộng hưởng điện
Được Stanley A. Meyer đề xuất. Stanley A. Meyer có lẽ là người nổi tiếng nhất
trong lĩnh vực công nghệ sử dụng nước như nhiên liệu cho động cơ dốt trong. Ơng có rất
nhiều bằng sáng chế trong lĩnh vực này như: phương pháp sản xuất khí đốt nhiên liệu, hệ
thống phun khí hydro trên động cơ đốt trong, điều khiển việc tạo ra năng lượng nổ nhiệt từ
khí,… Cách thức điện phân của ơng hồn tồn mới đó là sự trao đổi electron trong chính
phân tử nước chứ không phải là sự trao đổi electron giữa các ion và điện cực như phương
pháp điện phân truyền thống. Giống như Puharich dựa trên cấu trúc phân tử của nước có

sự phân cực trong phân tử nước (cặp electron dùng chung trong liên kết cộng hóa trị bị kéo
vế phía ngun tử oxy do oxy có độ âm điện lớn hơn hydro), từ đó ơng tạo ra hai trường
tĩnh điện đối nghịch về điện thế ở hai đầu điện cực, dưới tác dụng của lực tĩnh điện sẽ làm
tăng sự phân cực của nước đến mức bẻ gãy liên kết cộng hóa trị của phân tử nước đồng
thời ơng sử dụng hiện tượng cộng hưởng điện để nâng cao năng lượng cung cấp cho sự
phân hủy nước từ đó tăng sản lượng khí HHO sinh ra. Việc cường độ dòng điện được giảm
xuống mức tối thiểu làm cho tế bào điện phân hầu như khơng sản sinh nhiệt vì thế giảm rất
nhiều tổn thất nhiệt, nâng cao hiệu suất điện phân. Ông tuyên bố trong cuộc phỏng vấn
Meyer interview, Channel 4, UK, 17 dec. 1995 rằng hiệu suất ông đạt được là 1700% so
với mức tối đa theo lý thuyết của Fraday. [4]
Điện phân dùng xung điện áp DC biên độ thấp kết hợp cộng hưởng điện
Được Boyce Bob thực hiện; ơng dùng ba xung điện áp có tần số cao và khác nhau
đưa vào một biến áp xung lõi xuyến để hiệu chỉnh và cung cấp vào tế bào điện phân của
mình; điện áp áp dụng trên mỗi tế bào điện phân khoảng 1,5V; cường độ dòng điện qua tế
bào điện phân được điều chỉnh thông qua nồng độ KOH được thêm vào dung dịch điện
6


phân (theo ông tối đa khoảng 28% về khối lượng); trong hoạt động cộng hưởng của mạch
thì hiệu suất điện phân đạt được ông tuyên bố là khoảng 600 – 1200% so với mức tối đa
theo lý thuyết của Fraday.
Việc điểm lại một số thành tựu và cách thức điện phân nhóm nhận thấy chìa khóa
để nâng cao sản lượng khí sinh ra trong quá trình điện phân là “tạo ra sự dao động để đạt
được sự cộng hưởng trong mạch” và phương pháp của Stanley A. Meyer có cường độ
dòng điện thấp vì thế tế bào điện phân sẽ khơng nóng và do đó tính chất của nước khơng
bị thay đổi không gây ảnh hưởng đến quá trình điện phân và tổn thất vì nhiệt được loại bỏ
nên hiệu suất điện phân cao. [5]
Nhóm lựa chọn hướng nghiên cứu và làm thiết bị sản xuất khí HHO theo
phương pháp điện phân của Stanley A. Meyer.

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Khí HHO là gì
Khí HHO là hỗn hợp gồm 2 loại khí Hydro và Oxy, là sản phẩm của quá trình điện
phân nước.
Cấu trúc phân tử của nước bao gồm nguyên tử Oxy kết hợp với hai nguyên tử Hydro
bằng cách chấp nhận hai electron của hai nguyên tử Hydro (aa ' trong hình (2.1)); do đó,
ngun tử Oxy mang điện tích âm (-), cấu trúc ngun tử thay đổi Oxy có 10 electron điện
tích âm nhưng chỉ có 8 proton điện tích dương. Các proton của hai nguyên tử Hydro cân
bằng lực điện với các điện tích âm của hai electron (aa ') dùng chung với nguyên tử Oxy.
Tổng năng lượng của hai nguyên tử Hydro mang điện tích dương (++) bằng nguyên tử Oxy
mang điện tích âm (--) tạo nên một phân tử nước trung hịa về điện. Vì độ âm điện của Oxy
lớn nên nó hút cặp electron dùng chung về phía mình do đó tạo ra phân tử nước có tính
phân cực. Liên kết hóa học của phân tử nước là liên kết cộng hóa trị.

Nguyên tử Oxy
Proton
nguyên tử

Nguyên tử
Hydro

Obitan
nguyên tử
Lực hút điện giữa
hai nguyên tử

Nguyên tử

Hydro
Hình 2.1 Cấu trúc nguyên tử của phân tử nước [4].

8


Như vậy để phân tách phân tử nước thành hỗn hợp khí HHO, ta cần bẻ gãy liên kết
cộng hóa trị của chúng. Bằng cách điện phân chúng ta có thể bẻ gãy liên kết này.
Ưu nhược điểm của khí HHO
Khí HHO có nhiều ưu điểm mà nhiên liệu hóa thạch truyền thống khơng có được:
- Sản phẩm của q trình đốt cháy khí HHO là nước. Nước sinh ra từ quá trình
cháy giúp giải nhiệt cho động cơ, thân thiện với môi trường.
- Không sinh ra muội than trong quá trình đốt cháy.
- Nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy Hydro cao hơn rất nhiều so với xăng hay dầu
diezel. Năng suất tỏa nhiệt của xăng là 47,3 MJ/kg trong khi đó của Hydro là 141,8 MJ/kg.
[6]
- Hỗn hợp khí HHO nhẹ hơn khơng khí nên khi bị rị rỉ, khí HHO sẽ bay lên
trên cao, an tồn hơn so với những loại khí khác đang sử dụng hiện nay.
Tuy nhiên khí HHO vẫn cịn nhiều điểm hạn chế:
- Nguyên nhân đầu tiên là ở nhiệt độ thông thường, khí HHO tồn tại dưới dạng
khí. Xăng và dầu Diesel là chất lỏng nên có thể dễ dàng chứa trong bình, và sẽ tồn tại cho
tới khi sử dụng hết. Ngược lại, Hydro sẽ dần bay hơi nếu bình khơng kín. Một giải pháp
đặt ra là có thể chuyển nó sang dạng lỏng, nhưng lúc đó cần có các bình chứa đặc biệt để
giữ cho nhiệt độ bên trong luôn thấp hơn so với mơi trường. Hoặc cũng có thể giữ nó trong
một bình điều hồ áp suất. Có điều khi một bình gặp sự cố, nó sẽ gây nổ.
- Khí hydro khơng có mùi và cháy hồn tồn. 2 đặc tính này khiến cho người
ta khơng thật sự quan tâm đến nguy cơ phát nổ cho tới lúc điều đó thực sự diễn ra. Bất cứ
nhiên liệu nào cũng có thể gây nổ khi sử dụng cho động cơ đốt trong, nhưng điều đáng nói
ở đây là hydro có đặc tính dễ nổ hơn so với xăng.
- Khi đã có hydro, cịn cần lập ra các điểm tiêu thụ (giống như các cây xăng),

nơi khách hàng có thể nạp vào bình chứa. Do lượng khí các xe tiêu thụ lớn hơn rất nhiều
so với xăng, sẽ đòi hỏi một mạng lưới vận chuyển khổng lồ. Một chuyên gia cho biết: "Nếu
tất cả các xe trên thế giới hiện nay chuyển sang dùng nhiên liệu hydro, thì cứ 5 xe đang lưu
thơng sẽ có 1 chiếc là xe téc chở khí". Điều này làm ảnh hưởng đến giao thơng và một lần
nữa đặt ra các vấn đề về an toàn. [7]

9


Phương pháp điện phân tương tác hóa học với phân tử nước
Định nghĩa điện phân tương tác hoá học
“Điện phân tương tác hóa học với phân tử nước là phương pháp dùng dịng điện để
kích thích phản ứng phân hủy nước và tương tác hóa học quyết định đến sự hình thành sản
phẩm.”
Mơ hình
Mơ hình gồm:
- Nguồn điện DC.
- Hai điện cực được nối với nguồn DC, điện cực được nối với cực dương của
nguồn gọi là điện cực dương (Anode), điện cực được nối với cực âm của nguồn gọi là điện
cực âm (Cathode).
- Dung dịch phân: nước tinh khuyết hoặc nước có pha thêm các chất điện ly
mạch để tăng độ dẫn điện của dung dịch (NaOH, KOH, H2SO4).

Hình 2.2 Mơ hình điện phân hóa học nước.
Cơ chế
Sự trao đổi electron giữa điện cực và ion: Trong nước, ln ln có một tỷ lệ nhất
định các ion H+ và OH-, dưới tác dụng của điện trường, các ion dương H+ sẽ di chuyển đến
cực âm và các ion âm OH- sẽ di chuyển đến các điện cực dương, tại bề mặt phân cách giữa
điện cực và dung dịch diễn ra sự trao đổi electron giữa điện cực và các ion (tương tác
hóa học). Sự trao đổi electron này hình thành sản phẩm khí Hydro và Oxy ở các điện cực.

10


Điều khiển quá trình điện phân
Từ cơ chế hình thành sản phảm là sự trao đổi electron giữa điện cực và ion ta có thể
điều khiển lượng sản phẩm sinh ra trong quá trình điện phân bằng các thay đổi sự trao đổi
electron này. Cường độ dòng điện qua mạch tỷ lệ với số electron trao đổi do đó muốn tăng
sản lượng khí sinh ra cần tăng cường độ dịng điện.
Phương trình

Phương trình phân ly của nước:


H2O(l) 
 H(aq)
 OH(aq)

Tại điện cực dương (Anode) diễn ra quá trình khử:

2OH(aq)

 H2O(l)  ½O2(g)  2e

Tại điện cực âm (Cathode) diễn ra q trình oxy hóa:

2H(aq)
 2e 
 H 2(g)

Do đó phương trình cân bằng là:
H 2O(l) 

 2e 

 ½ O2(g)  H 2(g)

[8]

Nhiệt động lực học
Quá trình điện phân nước tuân theo các định luật nhiệt động lực học và động học
điện hóa, các định luật nhiệt động lực học thể hiện yêu cầu năng lượng cấp cho sự phân
hủy nước, các định luật động học điện hóa thể hiện các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ của
quá trình điện phân: lớp điện tích kép giữa bề mặt điện cực và dung dịch, nồng độ ion trong
dung dịch điện phân,… do đó rất phức tạp. Ở đây chỉ nói đến năng lượng cần thiết cho quá
trình điện phân nước.
Điện phân một mol nước tạo ra một mol khí Hydro và nửa mol khí Oxy. Q trình
này được thực hiện ở điệu kiện tiêu chuẩn áp suất 1atm và nhiệt độ 298 K.
H 2O(l)  ½ O 2(g)  H 2(g)

H o  285,83kJ

11


Đối với điện phân nước, entanpy tiêu chuẩn của phản ứng là: ΔΗο = 285,83 (kJ/mol);
entrolpy tiêu chuẩn: So(H2) = 130,6; So(O2) = 205,1; So(H2O) (l) = 69,91J/mol K; biến thiên
entrolpy của phản ứng: ΔSo = 130,6 + ½ 205,1 – 69,91 = 163,24J/mol K.
Enthalpy H = U + PV, sự thay đổi nội năng U là:
H  U  PV

Sự thay đổi nội năng phải đi kèm với việc giãn nở khí được sản xuất, do đó thay đổi
enthalpy đại diện cho năng lượng cần thiết để hoàn thành q trình điện phân. Tuy nhiên,
khơng cần đặt tồn bộ năng lượng này dưới dạng năng lượng điện. Vì entropy gia tăng
trong quá trình phân hủy nước nên lượng TΔS có thể được cung cấp từ mơi trường ở nhiệt
độ T. Số năng lượng điện cần cung cấp thực sự là sự thay đổi trong năng lượng tự do Gibbs:
G o  H o – TSo  285,83 kJ – 298.0,16324kJ  237, 2kJ

Vì quá trình điện phân làm tăng entropy, mơi trường "giúp" q trình này bằng cách
đóng góp một lượng TΔS. Tiện ích của năng lượng tự do Gibbs là nó cho chúng ta biết
lượng năng lượng trong các dạng khác nhau phải được cung cấp để tiến hành quá trình.
Biến thiên năng lượng tự do tiêu chuẩn Gibbs bằng công của lực điện trường trong
điều kiện tiêu chuẩn áp suất 1atm và nhiệt độ 298 K:
o
Go  nFECell

Trong đó:
- ΔGo là sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs dưới điều kiện tiêu chuẩn;
- n là số electron trao đổi;
- F là hằng số Faraday, F = 96485,34 C.mol-1;
-

o
ECell
là điện áp tối thiểu của tế bào cần thiết cho việc khởi động quá trình

điện phân.
Do sự thay đổi về thể tích của tế bào là nhỏ hơn so với áp suất nên ta xây dựng tế
bào điện phân kín (V, T) = khơng đổi. Khi sử dụng tế bào điện hóa khép kín, các điều kiện
có chút thay đổi từ điều kiện tiêu chuẩn: thay vì ΔGo, ΔAo: năng lượng tự do Helmholtz

được sử dụng [8].
12


o
Ao  nFECell

Với : ∆Αο = ∆Ηο - ΤR∆n - T∆So
Trong đó: R = 8,314 J.mol-1.K-1 là hằng số khí lý tưởng, ∆n = 1,5 là tổng số mol khí
được sinh ra.
Như vậy: ΔΑο =233,5(kJ/mol). Vì vậy, điện áp tối thiểu tế bào kín cần thiết là Eocell
= 1,21 V. Trong trường hợp của một tế bào mở, Eocell = 1,23 V.
Hiệu quả tối đa có thể có của một tế bào điện hóa lý tưởng đóng được xác định bởi
phương trình sau:

 max 

H o
Ao



H o
o
nFECell

Đối với điện phân nước, dưới điều kiện hồi phục lý tưởng, hiệu quả lý thuyết tối đa
đối với các nguồn năng lượng điện: εmax = 122% đối với tế bào điện phân kín, εmax = 120%
đối với tế bào điện phân mở, bởi vì nhiệt từ mơi trường xung quanh sẽ chảy vào các tế bào.
Vì quá trình điện phân nước hiệu suất thực tế khơng cao (theo thực nghiệm) do có

sự tổn thất năng lượng, sự tổn thất năng lượng này thể hiện qua đại lượng quá thế, quá thế
này phụ thuộc vào mật độ dòng điện, bản chất của chất làm điện cực trạng thái bề mặt của
nó, thành phần của dung dịch... Như vậy điện áp áp dụng cho tế bào điện phân lớn hơn thế
điện phân. Khi giá trị điện áp Ecell = 1,48 V (quá thế Eη = Ecell – EoCell = 0,27V đối với tế
bào điện phân kín, Eη = Ecell – EoCell = 0,25V đối với tế bào điện phân mở), tế bào điện phân
sẽ thực hiện ở 100% hiệu suất. Dưới điều kiện này (ΔS = 0, nhiệt cần cấp cho tế bào bằng
không, do đó ΔA  ΔΗ, ΔG = ΔΗ) giá trị Ecell = EThermoneutral = 1,48 V, giá trị này được gọi
là thế nhiệt độ trung lập (thermoneutral potential).
Điện áp hoạt động thực tế của tế bào điện phân:
E Cell  E oCell  E

Trong đó quá thế của điện phân [9]:

E  EAnode  ECathode  Emt  IR
13


Trong đó:
- EAnode: q thế hoạt kích hoạt của Anode;
- ECathode: quá thế hoạt kích hoạt của Cathode;
- Emt: quá thế vận chuyển khối lượng như vận chuyển ion qua lớp điện tích
kép, vận chuyển khí thốt ra tại bản cực;
- IR: quá thế do điện trở (R là điện trở của tế bào gồm: điện cực, dung dịch
điện phân).
Như vậy hiệu suất điện phân thực tế:



E
H

 Thermoneutral
A  Energylosses
ECell

Để nâng cao hiệu suất điện phân cần giảm tất cả các tổn thất trên.
2.3.6.1. Một số thuật ngữ
- Thế điện phân: thực nghiệm cho thấy dòng điện chỉ bắt đầu đi qua chất điện
phân khi điện áp giữa hai điện cực có một giá trị hồn tồn xác định. Điện áp tối thiểu giữa
hai đầu điện cực để sự điện phân bắt đầu xảy ra gọi là thế điện phân.
- Về mặt lý thuyết thế điện phân của một chất bằng sức điện động của pin tạo
bởi chất thoát ra ở các điện cực [10].
- Quá thế: Trong nhiều trường hợp thế điện phân của một chất lớn hơn sức
điện động của pin tạo ra bởi chất thoát ra ở các điện cực. Do đó, hiệu số giữa thế điện phân
và sức điện động của pin tạo bởi chất thoát ra ở các điện cực gọi là quá thế [10].

14